.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Материалы и структуры соединений и контактов

Для межэлементных соединений применяются пленки ряда металлов и поликристаллического полупроводникового материала (кремния, в частности). Пленки металлов наносятся по диэлектрическому слою на поверхности кристаллов (см. рис. 2.69) или выполняются в виде диффузионных полупроводниковых перемычек (см. рис. 2.70). На рисунке 2.70 коммутационный проводник 2 расположен на окисной пленке, покрывающей диффузионный слой резистора 1. Позициями 3, 4 на рисунке обозначены согласующие растекатели и контактная площадка соответственно. На рисунке 2.70, поз. 1 отмечена специально введенная диффузионная низкоомная перемычка, благодаря применению которой реализовано пересечение коммутационных проводников в двух уровнях (со структурой, для примера изображенной на рисунке 2.71). Позициями 2, 3 на рисунке 2.70 отмечены металлизация контактной площадки для внешних подключений кристалла и вариант формы технологического ключа контактной площадки соответственно. На рисунке 2.71 диффузионные скрытый и разделительные слои перекрываются, образуя диффузионную перемычку 1. В слое защитного окисла 2 вскрыты окна для контактов с одним из двух проводников 3 (другой проводник проложен по защитному слою окисла над перемычкой 1).

Проводящая пленка соединения либо является одновременно контактным к полупроводнику слоем, либо располагается на специальном контактном слое. В этом случае коммутационное соединение или контакт определяется как многослойная структура, каждый слой в которой функционален. Пример такой структуры представлен на рисунке 2.72. Контактный слой 2 в приведенной структуре предназначен обеспечивать прочный контакт к кремнию и материалам вышележащих слоев. Материал контактного слоя должен иметь малую растворимость, низкое переходное сопротивление в контакте с кремнием, способность к восстановлению SiO2, должен иметь хорошую адгезию к SiO2. Примером восстановительной реакции является реакция SiO2 с алюминием

4Al +3 SiO2 = 2Al2O3 + Si.

 В качестве материала контактного слоя 2 используют молибден, хром, никель, титан, платину, палладий, иридий и др.

Молибден обеспечивает получение хорошего омического контакта к кремнию обоих типов проводимости, имеет высокую электропроводность, не образует химических соединений с алюминием и золотом, хорошо травится в процессе фотолитографии и соответствует большинству приведенных требований к контактному слою. К недостаткам молибденовых пленок относят их сравнительно высокую пористость и химическую активность, приводящую к коррозии.

Хром (сплав нихром) отличается очень хорошей адгезией к защитной пленке SiO2 (поз.1) и, подобно алюминию, активно восстанавливает SiO2. Поэтому он применяется в качестве адгезионного слоя 3 (см. рис. 2.72). Недостатком чисто хромовых пленок на кристаллах, покрытых SiO2, является образование в пленках высоких механических напряжений, приводящих к образованию сквозных пор и разрывов.

Никель применяется благодаря технологичности нанесения слоев из растворов электролитов. Его можно наносить термовакуумным напылением, катодным распылением, разложением паров карбонила Ni(СО)4 при температуре 270... 310 °С.

Титан применяется в качестве контактного подслоя 2, и, как и другие переходные металлы, обладая высокой адгезией к кремнию, окиси кремния и к фосфоросиликатному стеклу, применяется в качестве адгезионного. Титан химически не взаимодействует с кремнием, не образует интерметаллических соединений. Пленка двуокиси титана имеет невысокое сопротивление, и поэтому общее сопротивление контакта невелико. Из-за быстрого окисления на воздухе при работе с такой пленкой электромонтаж выводов должен осуществлятся в среде инертных по кислороду газов. При температуре 400...500 °С титан взаимодействует с пленкой SiO2 подобно алюминию и хрому по схеме:

Ti + SiO2 → TiO2+ Si.

Функции адгезионного слоя 3 заключаются в обеспечении высокой прочности сцепления металлической разводки с пленкой SiO2, кремнием и контактным слоем. При использовании в качестве контактных слоев платины, палладия, иридия адгезионный слой обязателен. Материалами адгезионных слоев могут быть титан, молибден, хром и другие переходные металлы. Естественно, когда эти материалы используются в качестве контактных слоев, они же одновременно выполняют функции адгезионного слоя.

Проводящий слой 5, наносимый поверх контактного и адгезионного, должен выполнять основные функции разводки, иметь низкое удельное сопротивление, обеспечивать надежное контактирование с внешними выводами микросхемы. В качестве материалов проводящего слоя естественно назвать золото, алюминий, серебро, медь. Однако два последних металла не используют в производстве микросхем из-за их большой миграционной подвижности и отрицательного влияния на характеристики элементов. Сочетания слоев из Мо, Сг, Ni, Ti с Аи и AI нестабильны при повышенных температурах из-за образования плохо проводящих электрический ток интерметаллических соединений на границе раздела пленок этих металлов, а также не обеспечивают защиты кремния от проникновения в него золота диффузионным путем.

 Поэтому в многослойных системах коммутационной разводки предусматривают буферный слой 4 (см. рис. 2.72), который предотвращает образование интерметаллических соединений между верхним и нижним слоями (например, между хромом и золотом, титаном и золотом), препятствует диффузии металла одного слоя в другой, приводящей к ухудшению механической прочности и изменению сопротивления контакта. В качестве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, палладий.

Последним из наносимых на интегральную микросхему, в том числе на металлизацию, слоев является диэлектрический защитный слой 6 (см. рис. 2.72), который обеспечивает ее защиту от внешних воздействий в межоперационный период в процессе присоединения выводов и размещения в корпус.

Для поверхностных проводящих слоев из благородных металлов (золота, например) дополнительный защитный слой не требуется. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают трехслойные системы металлизации: титан — платина — золото, титан — молибден — золото, силицид платины (PtSi) — платина — золото и четырехслойные: хром — титан — платина — золото. Четырехслойная система металлизации обеспечивает качественный омический контакт к кремнию, большие плотности тока. Слой титана обеспечивает качество адгезии к хрому и платине. Слой платины улучшает адгезию золота к титану и является барьером эррозии золотого покрытия, которое хорошо совмещается технологией электромонтажа внешних выводов. Многослойные коммутационные структуры с функциональными слоями применяются в многоуровневых системах соединений, вариант которой для двух уровней металлизации изображен на рисунке 2.73. На рисунке 2.73 позиционированы следующие функциональные слои: 1 — пленка термически выращенного окисла (SiO2); 2 — слой молибдена: 3 — золотой пленочный проводник первого уровня; 4 — слой ванадия; 5 — золотой пленочный проводник второго уровня; 6 — сплошная пленка осажденного окисла кремния или стекла.

Нормированные по удельному сопротивлению меди (ρСu = = 1,7×10–6 Ом×см) удельные сопротивления ряда материалов ρМе, применяемых для выполнения коммутационных проводящих пленок, приведены в таблице 2.6 [3].

 

Таблица 2.6

Металл

Сu

Ag

Au

Al

Cr

W

Ni

Pt

Ta

ρМе/ρСи

 1

 0,94

1,3

1,6

1,8

3,2

4,1

5,9

10

 

 

 


На главную