34. Особенности создания омических контактов
Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.
Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.
Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:
- быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;
- обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;
- иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;
- Рис.5.2. Контакты к планарным приборам: а - локальные; б - распространенные
обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;
- представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;
- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;
- не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;
- обеспечивать проведение фотолитографии;
- глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.
Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла мет и кремния Si удовлетворяли условиям: мет < Si для Si n-типа; и мет > Si для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.
Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n+-типа. Между n–- и
n+-областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением k. Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника
.
Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:
где A* = 4em*k2/h3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана; m* - эффективная масса носителей заряда;
h - постоянная Планка); В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 1017 см–3, k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде
,
где S - диэлектрическая постоянная кремния; ND - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 1019 см–3 k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения В для наиболее употребимых материалов контактов.
Таблица 5.1
Высота барьера металл - кремний, В
| Материал контакта | В для кремния n-типа | В для кремния p-типа |
| Al Cr Mo Pt Ti PtSi Pd2Si TaSi2 TiSi2 WSi2 | 0,72 0,61 0,68 0,90 0,50 0,84 0,72 - 0,75 0,59 0,60 0,65 | 0,58 0,50 0,42 0,61 - - - - - - |
Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение
где A = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.
При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением n, общее сопротивление контакта R можно подсчитать по формуле
где a - ширина контакта; b - его длина;
Следует отметить, что сопротивление контакта в большой степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.
Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (например, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта, но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инертность металла, но способность восстанавливать окисные пленки на кремнии). Удовлетворить все требования, применяя любой металл, практически невозможно.
Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающим на частотах до 1 ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.
В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность к восстановлению окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условие совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой - барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.
Для контактного слоя могут быть использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линейного расширения. Применение меди не всегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.
Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и
p-типов; имеет высокую объемную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наноситься из металлоорганических соединений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (например с натрием).
Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt5Si2, чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. Однако металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.
Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.
Для проводящего слоя могут быть выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, поэтому их используют редко.
Прекрасным разделительным слоем является платина: достаточно пленки толщиной 45 нм, чтобы предотвратить взаимодействие между слоями, например, титана и алюминия. Без разделительного слоя выбрать устойчивую биметаллическую систему трудно.
Одной из причин нестабильности многослойных систем является взаимная диффузия атомов металлов. Диффузией объясняются реакции образования твердых растворов, например в системе хром - золото (при этом наблюдается рост сопротивления на порядок), или интерметаллических соединений, как в большинстве систем с алюминием.
Нестабильность может быть также из-за рекристаллизации (например, в системе алюминий - хром), окисления или явления упорядочения решетки в пределах ближнего порядка, характерного для систем с хромом и титаном. Особенно важно проявление взаимодействия в практических условиях нанесения и вжигания слоев, а также при эксплуатации прибора
Комментариев нет:
Отправить комментарий