Металлизация Требования к контактам • Механическая прочность

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· 1018 см-3

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

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

«Прокол» p-n-перехода 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.

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 - Si. O 2, осажденный из газовой фазы, но можно использовать Al 2 O 3, полученный локальным анодированием Al

Системы металлизации • • • 1. 2. 3. 4. 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: 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 Si. O 2, хорошую адгезию к Si. O 2 (Mo, Cr, Ni, Ti, Pt, Pd, Ir) Может присутствовать дополнительный адгезионный слой (при использовании в качестве контактного слоя Pt, Pd, Ir) Буферный слой предотвращает образование интерметаллических соединений между верхним и нижним слоями, предотвращает диффузию Au в Si (применяют при использовании Au в качестве проводящего слоя) 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 Pt. Si 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 (1021 см-3) поликристаллический кремний (обычно легируют после осаждения). Другой уровень металлизации – Mo, W. Желательно повышать проводимость материала затвора для уменьшения времени задержки. Используют силициды: Ti. Si 2, WSi 2, Mo. Si 2, Ta. Si 2. 1. 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 (электроннолучевой 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 6 + 3 H 2 → W + 6 HF 2 Mo. Cl 5 + 5 H 2 → 2 Mo + 10 HCl 2 Ta. Cl 5 + 5 H 2 → 2 Ta + 10 HCl Ti. Cl 4 + 2 H 2 → Ti + 4 HCl

Разводка в корпус • Проволока Al + 1% Si или Au • Лепестковые выводы Cu Золото пластичнее, но образует интерметаллическое соединение Au. Al 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 Al. Cl 3 + 3 H 2 O → Al(OH)3 + 3 HCl • При избытке фосфора в фосфорносиликатном стекле образуется кислота (HPO 3), вступающая во взаимодействие с алюминием Возможна стабилизация путем термического окисления металла