Тонкопленочные элементы интегральных схем

| Категория реферата: Рефераты по радиоэлектронике
| Теги реферата: краткое изложение, баллов
| Добавил(а) на сайт: Пелевин.

Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 | Следующая страница реферата

Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и интегральных схем

При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, меж соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла: низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов; высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей; высокой адгезией А1 к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости; заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности; отсутствием в системе Аl—Si химических соединений; химическим взаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и радиационной стойкостью; легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.

Величина зерен осаждаемых пленок Аl существенно зависит от скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зерна и чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельное сопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и как следствие токоведущие дорожки, и омические контакты имеют больший срок службы. Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается при скоростях осаждения около 3 • 10-2 мкм • с-1 и температуре подложки 200—250°С.

Для получения столь больших скоростей осаждения пленок чаще всего используются электронно-лучевые испарители. При этом степень совершенства кристаллической структуры пленок может неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационного нагрева подложек, величина которого зависит как от мощности испарителя, так и от материала подложки и толщины осаждаемой пленки.
Неконтролируемые изменения в структуре пленки возникают также из-за наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемых паров Аl.
Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссии катода и больше скорость испарения.

Одним из существенных недостатков пленок чистого Аl является перенос вещества в результате электродиффузии (дрейфа ионов материала вдоль проводника, ее ли на концах последнего имеется разность потенциалов). Скорость перемещения ионов является функцией температуры и увеличивается с ростом последней. По мимо электродиффузии, возможна диффузия атомов металла в результате разности температур на концах проводника. Если Аl осаждается на окисел кремния, то это вызывает плохой отвод тепла, появление «горячих» центров на проводящих дорожках и как следствие значительные градиенты температуры. Электромиграция А1 при плотностях тока, меньших, чем для других металлов, приводит к появлению пустот в пленке (эффект Киркендалла).

Поскольку электродиффузия является активационным процессом, то она существенно зависит от состояния поверхности границы зерен.
Уменьшение протяженности границ за счет увеличения размеров зерна и подбор материала защитного покрытия могут существенно увеличить энергию активации и как следствие время наработки на отказ.
Значительного увеличения времени наработки на отказ можно достичь за счет добавки к алюминию примесей меди, магния, хрома, а также окиси алюминия.

После нанесения пленки А1 и получения требуемой конфигурации токоведущих дорожек производят вплавление А1 в кремний при температуре
500—550°С для получения низкоомного контакта. Миграция избыточного кремния на токоведущих дорожках, прилегающих к контактным подложкам, вызывает шелушение А1 и отказы ИС. Для предотвращения этого необходимо при испарении А1 вводить в него около 2 масс. % кремния. Добавка кремния в контактные площадки из А1 уменьшает миграцию кремния из неглубоко залегающего эмиттерного слоя (около 1 мкм), что существенно увеличивает быстродействие ИС на биполярных транзисторах и предотвращает закорачивание в ИС неглубоко залегающих эмиттерных переходов. Для предотвращения миграции кремния в пленку А1 в качестве промежуточного слоя может быть использована пленка титана. Применение метода создания омических контактов с подслоем титана в быстро действовавших ИС позволило в 20 раз увеличить время наработки на отказ. Помимо титана, может использоваться подслой платины или палладия с образованием силицида платины или силицида палладия.

Наряду с ранее перечисленными достоинствами металлизация алюминием обладает рядом существенных недостатков, важнейшими из которых являются следующие: малая величина энергии активации атомов А1, вызывающая электромиграцию при плотностях тока примерно 106 А/см2 и повышенных температурах, в результате чего появляются пустоты в пленках; возможность короткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых системах металлизации вследствие образования острых выступов на плевке в результате электромиграции и рекристаллизации А1; опасность гальванической коррозии Аl при одновременном использовании других металлов; большая скорость диффузии А1 по границам зерен, не допускающая использования приборов с металлизацией
А1 при температурах более 500°С; интенсивное химическое взаимодействие А1 с двуокисью кремния при температуре около 500°С; низкая точка плавления в эвтектике систем алюминий — кремний около 577°С; большое различие (в 6 раз) коэффициентов термического расширения
А1 и 51; мягкость А1 и, следовательно, невысокая механическая прочность пленок; невозможность присоединения выводов с помощью пайки; высокое пороговое напряжение в МОП структурах в связи с большой работой выхода.

Из-за перечисленных недостатков алюминиевая металлизация не применяется в ИС и транзисторах с мелкими эмиттерными переходами, а также в МДП ИС для ..создания затворных электродов. Для этой цели применяют, однослойные и многослойные системы из различных металлов
(в том числе А1 для получение верхнего слоя). Наиболее подходящими материалами являются вольфрам и молибден. В частности, вольфрам имеет практически одинаковый с кремнием ТКС, хороший омический контакт к кремнию р- и n- типов проводимости, малое (в 2,5 раза) отличие от алюминия по электропроводности, самое высокое из всех металлов значение энергии активации при самодиффузии, высокую температуру плавления эвтектики с кремнием, химическую инертность на воздухе и в водном растворе плавиковой кислоты, а также высокую твердость, что исключает возможность появления царапин на пленке.

Благодаря высокой температурной стойкости W его можно использовать для многоуровневой металлизации, чередуя слои двуокиси кремния с W. При термообработке на поверхности пленки не образуются холмики и нет опасности короткого замыкания между токоведущими дорожками в многослойной металлизации. Кроме того, пленки W (так же как и пленки Мо) являются металлургическим барьером, препятствующим образованию межкристаллической структуры кремния и алюминия.

Недостатком металлизации W является трудность получения пленок
(для чего обычно используется пиролиз гексофторида вольфрама) и их травления (в щелочном растворе ферроцианида). Оба эти процесса сложны и проводятся с использованием токсичных веществ. Кроме того, непосредственно к вольфраму невозможно подсоединить внешние выводы, поэтому поверх него на контактные площадки и наносят какой-либо другой металл (Рt, Ni, Аи, Си, А1 и др.).

При изготовлении ИС СВЧ диапазона, ИС специального назначения, а также в гибридной технологии применяют металлизацию, состоящую из нескольких слоев тонких металлов. При этом обычно первый (нижний) слой металла должен обладать высокой адгезией как к кремнию, так и к двуокиси кремния и одновременно иметь малые значения коэффициентов растворимости и диффузии в этих материалах. Этим требованиям удовлетворяют такие металлы, как хром, титан, молибден, а также силицид платины. При двухслойной металлизации второй (верхний) слой металла должен иметь высокую электропроводность и обеспечивать приварку к нему проволочных выводов. Однако в некоторых системах
(таких, как Сг-Аu, Тi-Аu или Сг-Сu) контакты при термообработке теряют механическую прочность в результате образования на их границе интерметаллических соединений. Кроме того, верхний металл диффундирует через нижележащий слой в кремний, что снижает механическую прочность соединения и изменяет контактное сопротивление. Для устранения этого явления обычно используют третий слой металла, который является барьером, препятствующим взаимодей:твию верхнего слоя металлизации с кремнием. Так, например, в тройной системе Тt-Рl-Аu, которая применяется при изготовлении балочных выводов, слой

Рис. 1. Схема процесса изготовления двухуровневой металлизации в системе А1-А1гОз-А1. а-- нанесение толстого и тонкого слоев окисла кремния перед металлизацией (показана область омического контакта); б—нанесение алюминия, образующего первый уровень; в — фотогравировка первого уровня металла; г — анодирование первого уровня металлизации с фоторезистивной маской; д — нанесение алюминия, образующего второй уровень; е — фотогравировка второго уровня металлизации.

Рt толщиной около 5Х10-2 мкм служит барьером против диффузии А1 в S1.
Помимо этого для балочных выводов в МДП ИС применяются системы Сг-Аg-
Аu, Сг-Аg-Рt, Рd-Аg-Аu, в которых роль барьера выполняет пленка серебра. Для гибридных ИС и полосковмх линий ИС СВЧ диапазона применяются системы Сг-Сu и Сг-Сu-Сг.

Увеличение плотности размещения элементов на кристалле потребовало применения многоуровневой металлизации. На рис. 1 показана последовательность изготовления двухуровневой металлизации в системе
А1-А120з-А1, которая применяется в приборах с зарядовой связью.

Сравнительно новым изолирующим материалом для многоуровневой металлизации является полиимид, с помощью которого получают пятиуровневую металлизацию БИС на МДП транзисторах.

Факторы, влияющие на свойства тонких пленок

Рост одного вещества на подложке из другого вещества — очень сложный процесс, зависящий от большого числа трудно контролируемых параметров: структуры подложки, состояния ее поверхности, температуры, свойств испаряемого вещества и скорости его осаждения, материала и
.конструкции испарителя, степени разрежения, состава остаточной среды и ряда других. В табл. 1 показана связь между свойствами пленок и условиями их осаждения.

В зависимости от конкретных условий осаждения пленки одного и того же вещества могут иметь следующие основные структурные особенности: аморфную структуру, характеризующуюся отсутствием кристаллической решетки; коллоидную (мелкозернистую) структуру, характеризующуюся наличием очень мелких кристалликов (менее 10~2 мкм); гранулярную (крупнозернистую) структуру, имеющую крупные кристаллы (10-
1 мкм и более); монокристаллическую структуру, когда вся пленка представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов данного материала.

Подложки

Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12—14- му классу), обладать высокой электрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для подложек, которые в равной степени пени удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям.

В качестве подложек для гибридных ИС использую ситалл, фотоситалл, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло, поликор, полиимид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой.

Ситаллы—это стеклокерамические материалы, полу чаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено в системах Li2О-Аl2Оз-SiO2-ТiO2 и RО-Al2Оз-SiO2-ТiO2 (КО типа СаО,
МgО, ВаО).

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей гибкостью при формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепады температуры. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической прочности не уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Ситалл не порист, газонепроницаем и имеет незначительное газовыделение при высоких температурах.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: сочинение описание, конституция реферат, курсовая работа по психологии.

Claw.ru | Рефераты по радиоэлектронике | Тонкопленочные элементы интегральных схем

Тонкопленочные элементы интегральных схем

Категории:

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки

Рефераты от А до Я

Полезные заметки