Параметры и размеры соединений и контактов
Минимальная ширина пленок шины металлизации (при заданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока (2,0–2,5)×105 А /см2 или технологическими ограничениями на размеры. Коммутационные проводники вносят в исполняемые микроэлектронные устройства не предусмотренные (паразитные) элементы: активное сопротивление (сопротивление потерь), емкости и индуктивности. Активные сопротивления металлизированных шин определяются удельным сопротивлением материала и увеличиваются на переменном токе вследствие влияния вихревых токов (проявление поверхностного эффекта в проводниках). Толщина слоя коммутационных шин не превышает (1–1,5) мкм и имеет удельное поверхностное сопротивление слоя R□ порядка (0,05–0,5) Ом. Значение сопротивления R□ вследствие неоднородности тонких пленок в (2–3) раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления, соответствующего таблице 2.6 (ρ = 2,9×10–6 Ом×см). На повышенных частотах толщина слоя в проводнике, на которой плотность тока снижается е =2,71 раз по сравнению с поверхностью, определяется по выражению
dc ≈ 
, (2.137)
где ρ — удельное сопротивление полупроводника,Ом×см;
ω — рабочая частота, Гц;
μ0 = 4×π×10–9 Гн/см — магнитная проницаемость вакуума;
μ ≈ 1 — относительная магнитная проницаемость полупроводника.
Погонное (на единицу длины) сопротивление потерь Rп коммутационного проводника шириной b с учетом частотного влияния может быть оценено по формуле [5]
Rп = (0,35√ρMe ×ω×μ×μo)/b. (2.138)
Погонная емкость пленочного проводника (Сп) на несущий полупроводниковый слой кристалла определяется по формуле
Сп = εи×εo×b/dи, (2.139)
где εи, dи — относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрического защитного слоя под коммутационным проводником. При применении сложных диэлектрических слоев с отличающимися значениями εи, dи в формуле (2.139) подставляется эффективное значение диэлектрической проницаемости
εиэф = εи1× εи2×(dи1 + dи2) /(εи1×dи1+ εи2×dи2). (2.140)
Погонная индуктивность Lп пленочного проводника определяется по формуле
Lп ≈ μo×dи/b. (2.141)
Влияние вихревых токов следует учитывать на частотах сотни МГц. Паразитную емкость необходимо учитывать на любых частотах. Роль паразитной индуктивности обычно мала.
Ширина проводных соединений должна удовлетворять следующим требованиям:
соответствовать технологическим нормам по минимально-допустимым размерам;
соответствовать тепловому режиму эксплуатации соединения на постоянном и, если требуется, на переменном токе;
соответствовать требованиям ограничения на вносимые паразитные параметры.
Технологические нормы на ширину проводника либо оцениваются через технологические погрешности исполнения (и совмещения в многослойных структурах) линейных границ проводника, либо устанавливаются как нормированное минимальное значение Lмин.
Соответствие по тепловому режиму обеспечивается выбором ширины проводника b либо по известному коммутируемому току I, допустимой плотности тока Io при известной толщине проводящего слоя t по формуле
b ≥ I/t×Io,
либо выбором ширины проводника b по известному коммутируемому току I допустимой удельной мощности Руд при известном поверхностном сопротивлении проводника R□ по формуле
b ≥ I×√ (R□/ Руд).
Соответствие коммутационного проводника по сопротивлению обеспечивается выбором ширины проводника из неравенства
L×Rп/b ≤ Rдоп,
где L — длина проводника определяемая для известной топологической разводки;
Rдоп — допустимое сопротивление коммутационного проводника на частоте ω по функциональному применению.
Для постоянного тока приведенное неравенство представляется в виде
L×R□/b ≤ Rдоп.
Пример. Рассчитать минимальную ширину b алюминиевого пленочного проводника при максимальном токе I = 30 мА и толщине металлизации dМе = l,5 мкм. Определить погонные значения паразитных параметров (Rп, Сп, Lп) и сопротивления паразитных элементов на частоте F = 100 МГц. Толщину диэлектрической пленки принять — 0,5 мкм; диэлектрическую проницаемость принять — 3,9.
Наибольшее распространение в качестве межслойного диэлектрика получили SiO, Si02 и А12О3. Пленка А12О3 формируется анодным окислением. Минимальная толщина диэлектрических пленок для обеспечения качества изоляции и исключения пор составляет 0,5 мкм. Широко используются структуры с двумя слоями металлизации, хотя ценою усложнения технологии и сокращения процента выхода годных изделий возможно применение трех и более слоев металлизации
Влияние паразитных параметров Rп и Сп можно характеризовать граничной частотой Fгр, на которой амплитуда сигнала, передаваемого по шине металлизации, ослабляется до 0,707 исходного значения. Граничную частоту Fгр, при однослойной металлизации и длине коммутационного проводника L, можно оценить по формуле
Fгр = 1/2×π×Rп×Сп×L2 = dи/[2,2L2× εи×εo×(√ρMe ×ω×μ×μo)]. (2.142)
Пример. Рассчитать для двухслойной металлизации Сп и Fгр. Для первого слоя диэлектрика (SiO2) принять dи1 = 0,5 мкм; εи1 =3,9. Для второго слоя (SiO) принять dи2 = l мкм; εи2 = 6. Ширина проводника b = 10 мкм при длине 1 см.
Сопротивление и паразитная емкость, вносимые перемычкой, определяются аналогично методике, рассмотренной применительно к резисторам (см. материалы п. 2.17). В ИМС на биполярных транзисторах для перемычек используется n+-слой, расположенный в отдельной изолированной области. Площадь, занимаемая перемычкой, приблизительно равна площади транзистора с минимальными геометрическими размерами.
Контактные площадки ИМС — это металлизированный участок на кристалле, предназначенный для присоединения внешних выводов при электромонтаже кристаллов в конструкциях более высоких иерархических уровней, а также для контроля ее электрических параметров. Контактные площадки для внешнего монтажа располагают по периферии кристалла. Они представляют собой расширенные области коммутационных пленочных проводников и формируются одновременно с со всей системой соединений (коммутационной разводкой). Линейные размеры контактных площадок определяются линейными размерами проводников внешних подключений и технологическими ограничениями по позиционированию электромонтажного оборудования. В качестве проводников внешнего электромонтажа применяются проволока диаметром не менее 25 мкм и монтажная лента с сечением не 25´25 мкм. Учитывая деформацию внешнего соединительного проводника в зоне электромонтажа (см. рис. 2.69, 2.70) и недопустимость выхода монтажной деформации за пределы контактной площадки, следует при проектировании топологии назначать линейные размеры площадки не менее (3–4) диаметров монтажной проволоки или большего линейного размера сечения монтажной ленты.
С целью предотвращения замыкания металла контактных площадок 1 на подложку в случае нарушения целостности окисла 2 в процессе присоединения внешних выводов (см. рис. 2.69, рис. 2.70), под каждой контактной площадкой (за исключением площадок, имеющих электрический контакт с подложкой) формируется изолированная область 3 (см. рис. 2.74).
Проектирование соединений и контактов имеет целью решение следующих
задач:
выбор материалов по рекомендуемым допустимым их сочетаниям в соответствии с функциональным назначением;
выбор рекомендуемых допустимых толщин слоев пленок соединений;
определение ширины соединительных проводников по коммутируемым токам, технологическим нормам и параметрам проводника (поверхностное сопротивление, допустимая плотность тока, удельная мощность теплоотдачи);
выбор формы и линейных размеров контактных площадок (с учетом формы, размеров монтажных проводников и технологии монтажа).
