Требования к металлизации

Термин «металлизация» объединяет группу технологических процессов формирования электрических соединений и омических контактов к полупроводниковым приборам. В современных микросхемах число уровней электрических соединений достигает восьми и продолжает увеличиваться. Процессы металлизации составляют почти половину производственного маршрута. Этап металлизации завершает производственный маршрут обработки пластин, и все технологические процессы ограничены по температуре, используемым реагентам, энергии и дозе сопутствующего ионизирующего излучения. Система электрических соединений и контактов должна соответствовать комплексу требований функциональности, технологичности и надежности:

1. система электрических соединений не должна ограничивать плотность размещения функциональных элементов на кристалле микросхемы;

2. сопротивления проводников в системе электропитания и в сигнальных связях не должны влиять на уровни электрических сигналов;

3. постоянная времени перезаряда собственной емкости проводника (R_n×C_n) в сигнальных связях должна быть много меньше задержки сигнала в полупроводниковых элементах микросхемы. Сопротивление проводников в конкретном уровне металлизации определяет их максимальную длину;

4. процессы формирования металлизации не должны ухудшать параметры полупроводниковых приборов;

5. в состав микросхемы не должны входить ядовитые вещества. Необходимо предусмотреть переработку отходов и бракованных изделий;

6. система металлизации должна выдерживать длительное воздействие предельных рабочих температур, многократных термоциклов в условиях протекания максимально допустимых рабочих токов.

 

Материалы для электрических соединений

 

Выбор материала для проводников определяется комплексом требований технологичности, адгезии к кремнию и диэлектрикам, пластичности, низкого удельного сопротивления, стойкости к коррозии, стойкости к электромиграции.

Единственный материал, в той или иной степени удовлетворяющий всем требованиям – это алюминий. Удельное сопротивление алюминия – 2,7 мкОм×см. Энергия связи алюминия с кислородом больше, чем у кремния, поэтому он имеет хорошую адгезию к SiO₂ и силикатным стеклам. В контактных окнах восстановление естественного окисла алюминием снижает контактное сопротивление до минимума. Стойкость алюминия к электромиграции – 10⁵ А/см² при 1 мА/мкм² – обеспечивает надежную работу микросхем средней степени интеграции. Естественный окисел защищает металл сварочных площадок от коррозии в сухом воздухе.

Недостатки алюминия – кристаллизация при температурах выше 300°С, растворение кремния в контактных окнах, недостаточная стойкость к электромиграции в тонких пленках (особенно кристаллизованных). Двукратное повышение стойкости к электромиграции и предотвращение растворения кремния в контактах достигается легированием алюминия кремнием (до 2 %). Однако удельное и контактное сопротивление легированных пленок значительно повышается (приблизительно на 30 %).

При переходе к субмикронным размерам проводников недостатки алюминия ограничивают возможности технологии. В субмикронных микросхемах с высокой степенью интеграции используются многослойные и многокомпонентные структуры проводников.

Материалы проводников меняются в разных уровнях разводки. В первом уровне электрических соединений используются легированные слои поликремния. Длина проводников первого уровня ограничена величиной 0,1 мм. Слоевое сопротивление поликремния со слоем силицида – 10¸20 Ом/квадрат. Во втором уровне соединений часто используется двухкомпонентный сплав TiW или двухслойная структура Ti-Pt. Титан имеет высокую энергию связи с кислородом и обеспечивает адгезию и низкое контактное сопротивление. Вольфрам и платина – хорошие проводники с высокой температурой плавления. Такая система металлизации выдерживает процессы отжига и термостабилизации с температурой до 800°С. Слоевое сопротивление проводников – 0,1¸0,2 Ом/□. В последующих уровнях металлизации используются многослойные системы: Ti-Pt-Au;             TiW-AlCu-TiW; TiN-Al-TiN и другие. Их слоевое сопротивление – 0,03¸0,05 Ом/□. Тонкие слои с содержанием титана обеспечивают адгезию пленок, защиту от коррозии, а также повышают стойкость проводников к электромиграции. Высокая проводимость достигается в среднем слое. Проводящие средние слои должны обладать достаточной пластичностью, чтобы выдерживать термомеханические напряжения в структуре. Изменение размера кристалла в диапазоне технологических температур достигает нескольких микрометров.

 

Омические контакты

 

В контакте металла с полупроводником всегда присутствует область пространственного заряда, обусловленная контактной разностью потенциалов. При высоком уровне легирования полупроводника ширина ОПЗ уменьшается, и ток определяется процессом туннелирования. Контактное сопротивление, определяемое туннельным током, оценивается по формуле

                                  ,                             (10.1)

где e_S – диэлектрическая постоянная кремния, N_D – концентрация легирующей примеси, j_в – величина потенциального барьера в контакте, m^* – эффективная масса носителя заряда, h – постоянная Планка. Для создания омического контакта концентрация легирующей примеси в кремнии должна быть больше 10¹⁹ см^-3. На рис. 10.1 приведены экспериментальные значения и расчетные зависимости контактного сопротивления от уровня легирования кремния. Для субмикронных микросхем требуется величина контактного сопротивления меньше 10^-7 Ом×см², что соответствует уровню легирования больше 10²⁰ см^-3.

Рис.10.1 Зависимость удельного контактного сопротивления от концентрации доноров и высоты барьера (условные обозначения: - расчетные величины; - экспериментальные величины)

 

Для хорошего контакта к полупроводнику требуются не только высокий уровень легирования, но и отсутствие диэлектрических и аморфных кремниевых прослоек. Процессы вскрытия контактных окон и нанесения металлических пленок не должны нарушать кристаллическую структуру кремния. Тонкий естественный окисел (~ 1 нм) восстанавливается алюминием или титаном, а также растворяется в силициде платины в процессе термообработки контактных структур. Выбор металла определяется глубиной p – n - перехода под контактом.