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^* = 4em^*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; N_D - 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

33. Основные элементы системы металлизации.

В первых образцах ИС соединения между компонентами осуществлялись с помощью тонких проволочек, присоединяемых к контактным участкам методом термокомпрессии, но такие соединения были дорогими и нетехнологичными.

После появления планарной структуры ИМС межсоединения стали выполняться с помощью тонких металлических пленок, нанесенных на изолирующий слой SiO₂.

Для осуществления коммутации в ИС можно использовать следующие материалы: Au, Ni, Pb, Ag, Cr, Al, а также системы Ti - Au,
Mo - Au, Ti - Pt - Au и т.д.

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

• высокая проводимость ( < 10^–6 Омсм);

• хорошая адгезия как к Si, так и к SiO₂;

• способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

• отсутствие вредных интерметаллических соединений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

• технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

• устойчивость к электродиффузии в металле;

• металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

Методы получения металлических пленок

Общие требования к тонким токопроводящим пленкам - равномерность толщины пленки, однородность ее структуры, надежное сцепление (адгезия) с подложкой и другими материалами, с которыми она контактирует.

Основными методами осаждения тонких пленок являются: вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом; ионно-плазменное распыление; осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций; восстановление в атмосфере водорода и термохимическое разложение. Выбор того или иного метода зависит от природы осаждаемого материала, материала подложки, структуры (аморфная, поликристаллическая, монокристаллическая) и толщины пленки.

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счет высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, необходимость охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O₂, N₂ и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в этом случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10^–2 - 10^–1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако этот метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

В настоящее время наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

В методе магнетронного распыления используются скрещенные магнитное и электрическое поля, повышающие эффективность ионизации рабочего газа и, следовательно, плотность плазмы.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную систему, в которой распыляемый материал является катодом. Наиболее часто используются две основные электродные системы: с кольцевым (коническим) катодом, называемым S-пушкой (рис.5.1,а), и планарная (рис.5.1,б). Во всех случаях линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода. При этом создается плотная плазма низкого давления, локализованная над нужным участком поверхности катода, с которой и производится распыление. Скорость распыления при использовании конического магнетрона пропорциональна косинусу угла между направлением пучка распыляемого материала и нормалью к подложке. Для увеличения производительности этого метода может использоваться планетарная система расположения подложек относительно источника распыляемого материала. В планарном магнетроне пластины помещаются на плоскости перед магнетроном, причем источник может иметь изменяющиеся размеры, так что возможно значительное увеличение производительности устройства.

Использование магнетронного распыления позволяет проводить нанесение металла с высокой скоростью. При этом напряжение магнетронных источников обычно ниже, чем электронно-лучевых устройств, следовательно, они генерируют меньшее проникающее излучение. Скорость осаждения может регулироваться расстоянием между источником и подложкой и достигать 1 мкм/мин при осаждении алюминия или его сплавов.

У

Рис.5.1. Поперечные сечения конического (а) и планарного (б) магнетронов.
Е и В - напряженности электрического и магнитного полей

становки магнетронного типа обычно оснащены микропроцессорными системами управления, которые действуют по заданным программам. Системы управления позволяют проводить корректировку программ, перепрограммирование, изменение параметров процесса, а также соединять конкретную установку с большими управляющими комплексами. Регулируются основные параметры технологического процесса: временные характеристики операций откачки камеры, напуска рабочего газа, нагрева подложек, ионной очистки поверхности подложек, процесса распыления; а также мощность магнетрона; скорость движения карусели с подложками. Загрузка и выгрузка пластин могут осуществляться как оператором, так и (в некоторых устройствах) автоматически. Причем заданные и текущие значения параметров в процессе распыления могут контролироваться с помощью экрана дисплея.

Хотя магнетронные системы испарения металлов значительно сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем вакуумно-термические, в условиях современного производства они являются наиболее совершенными, обеспечивающими необходимые качества и производительность при нанесении металлических тонких пленок.