Металлизация

Требования к контактам Механическая прочность в течении всего срока службы (в том числе при изменении эксплуатационных условий) Быть невыпрямляющими (R не зависит от направления I) Не иметь нелинейных искажений (R не зависит от величины I) Минимальное сопротивление Не инжектировать носители КТР близкий к КТР полупроводника, выводов и корпуса Представлять стабильную физико-химическую систему с полупроводником и материалом выводов Отсутствие глубокого проникновения в полупроводник Хорошая адгезия к слоям структуры Совместимость с процессом фотолитографии

Контактное сопротивление При низком уровне легирования идет термоэлектронная эмиссия через барьер При высоком уровне легирования ширина барьера уменьшается, становится возможным туннелирование через барьер

Au и Cu не используются из-за высоких значений коэффициента диффузии При использовании Al n-Si должен иметь уровень легирования не ниже 5·10 18 см -3

Вжигание алюминия при температуре ниже Т эвтектики. Происходит взаимное растворение – граница раздела смещается вглубь кремния. Выделяется β-фаза. AlSi Используют сплав Al + 1% Si

Недостатки алюминиевой металлизации 1. Высокая растворимость Si в Al. Ухудшает прочность контакта, приводит к «проколам» p-n-перехода. 2. Al восстанавливает SiO 2. Возникновение локальных закорачиваний. 3. Подверженность электромиграции. 4. Al покрыт пленкой окисла. Невозможность пайки и электролитического осаждения.

окно ~10×10 мкм 2 окно ~1,5×1,5 мкм 2 Возникает при проникновении проводящего канала через p-n-переход. Пики Al появляются из-за локального растворения Si в Al. Si диффундирует к Al, образуются вакансионные пустоты, которые заполняются Al. Если контактное окно маленькое, Si поступает с малой площади, глубина пика будет больше. Для уменьшения растворения Si в Al используют сплав Al + 1% Si. Если Si слишком много – происходит преципитация Si в контактных окнах, что ведет к уменьшению механической прочности и к выпрямляющим свойствам контакта. «Прокол» p-n-перехода

Электромиграция - массоперенос проводящего материала путем передачи импульса от электронов, движущихся под влиянием электрического поля, к положительным ионам металла. Методы борьбы с электромиграцией 1. Легирование Al медью (~0,5% Cu). 2. Введение дискретных слоев (например Ti). 3. Помещение проводника в диэлектрик.

Проблемы покрытия ступенчатого рельефа при термическом испарении

Планаризация поверхности Оплавление не годится для ИС, т.к. температура процесса высокая, а p-n-переходы должны оставаться мелкими. Можно нанести толстый слой диэлектрика (~ в 2 раза толще, чем обычно), толстый слой резиста и провести плазменное травление так, чтобы скорости удаления диэлектрика и резиста были одинаковы.

Многоуровневая металлизация Обычно диэлектрик - SiO 2, осажденный из газовой фазы, но можно использовать Al 2 O 3, полученный локальным анодированием Al

Системы металлизации Al + 1% Si Сплавы на основе Pb, Sn, In c легирующими добавками (элементы III и V гр.) и добавками для улучшения смачивания (Au, Ni) Многослойная металлизация: 1. Контактный слой обеспечивает омический контакт к Si. Материал должен иметь малую растворимость и малую диффузионную подвижность в Si, низкое сопротивление в контакте с Si, способность к восстановлению SiO 2, хорошую адгезию к SiO 2 (Mo, Cr, Ni, Ti, Pt, Pd, Ir) 2. Может присутствовать дополнительный адгезионный слой (при использовании в качестве контактного слоя Pt, Pd, Ir) 3. Буферный слой предотвращает образование интерметаллических соединений между верхним и нижним слоями, предотвращает диффузию Au в Si (применяют при использовании Au в качестве проводящего слоя) 4. Проводящий слой должен иметь низкое сопротивление, обеспечивать контакт с внешними выводами микросхемы (Au, Al, Ag, Cu)

Контакт к кремнию из силицида благородного металла Используются системы: Al – 80%Pd 20%W – Si и Al – 10%Pt 90%Cr – Si Температура выбирается так, чтобы образовывался только силицид благородного металла, оставшаяся пленка служит барьером к Al. Применяется метод «взрывной» литографии (т.к. трудно провести травление) Т отжига 450 о С

Для диодов и транзисторов с барьером Шоттки Материал контактного слоя должен образовывать со слаболегированным кремнием барьер Шоттки нужной высоты с ВАХ, близкой к идеальной. Mo, Ti, Ni, W (Mo и Ti могут образовывать с Si омический контакт). Силициды PtSi и Pd 2 Si (осаждается смесь металлов и кремния, при отжиге образуется силицид, причем часть кремния потребляется из контактного окна). Для контактов без барьера нужно использовать другую систему металлизации.

Металлизация МДП-схем Для затворов и первого уровня межкомпонентных соединений используют сильнолегированный (10 21 см -3 ) поликристаллический кремний (обычно легируют после осаждения). Другой уровень металлизации – Mo, W. Желательно повышать проводимость материала затвора для уменьшения времени задержки. Используют силициды: TiSi 2, WSi 2, MoSi 2, TaSi Наносится металл на Si*, проводится отжиг с образованием силицида. 2. Осаждается силицид (из 2-х источников, распылением составной мишени или химическим осаждением) на Si*. 3. Осаждается силицид на окисел.

Металлизацию интегральных схем получают: 1. Термическим испарением (электронно- лучевой или индукционный нагрев) 2. Распылением (катодным, высокочастотным или магнетронным) 3. Химическим осаждением из парогазовых смесей при пониженном давлении Преимущества: конформное покрытие, возможность нанесения на большое количество подложек одновременно, простое оборудование. WF 6 W + 3 F 2 WF H2 W + 6 HF 2 MoCl H 2 2 Mo + 10 HCl 2 TaCl H 2 2 Ta + 10 HCl TiCl H 2 Ti + 4 HCl

Разводка в корпус Проволока Al + 1% Si или Au Лепестковые выводы Cu Золото пластичнее, но образует интерметаллическое соединение AuAl 2 («пурпурная чума») ослабляющее контакт – нужно наносить барьерные слои на контактные площадки

Коррозия металлизации В присутствии влаги и хлора (оставшегося после травления или входящего в состав окисла) 2 Al + 6 HCl 2 AlCl 3 + 3H 2 AlCl 3 + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3HCl При избытке фосфора в фосфорно- силикатном стекле образуется кислота (HPO 3 ), вступающая во взаимодействие с алюминием Возможна стабилизация путем термического окисления металла