Пленочные проводниковые соединения и контакты

Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки используются в полупроводниковых и гибридных интегральных схемах для создания проводниковых соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Применяется ряд методов нанесения пленок.

Термическое вакуумное напыление. В результате нагревания в вакууме происходят испарение вещества и осаждение его на подложке. Нагрев может быть прямым или косвенным. Недостатками этого метода являются невысокая воспроизводимость параметров пленки из-за трудности обеспечения контроля температуры и кратковременности процесса. Метод применяется в основном для напыления чистых металлов.

Распыление ионной бомбардировкой. В вакууме создают газовый разряд. Возникающие в разряде положительные ионы бомбардируют распыляемый материал, выбивая из него атомы или молекулы, которые затем осаждаются на подложке. Этот метод (в отличие от термического напыления) позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы, точно выдерживая их состав, равномерность и толщину. Существует несколько разновидностей метода: катодное распыление, ионно-плазменное напыление, высокочастотное распыление.

Химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод широко используется для получения пленок поликристаллического кремния и диэлектриков (SiО₂, Si₃N₄). Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на пластины, покрытые слоем SiО₂, используется реакция разложения силана SiH₄ → Si + 2H₂ при t ° = 600°С. Пленка SiO₂, используемая в качестве защитных покрытий пластин или изоляции между слоями соединений, осаждается окислением силана SiH₄ + O₂ → SiО₂ + 2H₂ при t ° = 200...300°С. Нитрид кремния получают в реакции силана с аммиаком SiH₄ + N₃ → Si₃N₄ + H₂ при t ° = 800°С.

Достоинством химического осаждения из газовой фазы являются простота, хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых ИС (эпитаксия, диффузия) и сравнительно невысокая температура. Скорость осаждения пленки составляет в среднем несколько сотых долей микрометра в минуту.

Химическое осаждение из водных растворов. При прохождении электрического тока на катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от значения тока и времени осаждения. Можно получать не только тонкие, но и толстые пленки (20 мкм и более).

Элементы в интегральных схемах соединяют тонкопленочными проводниками. Предварительно в слое SiО₂, покрывающем поверхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Проводящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят через маску, чтобы получить требуемый рисунок соединений. Материал пленки должен обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление и выдерживать высокую плотность тока. Он должен быть механически прочным, не повреждаться при изменениях температуры из-за разных коэффициентов расширения пленки, пластины и слоя SiО₂, а также не подвергаться коррозии и не образовывать химических соединений с кремнием. Наиболее полно этим требованиям отвечает алюминий, имеющий удельное сопротивление 2,6·10^-6 Ом·см, нанесенный термическим вакуумным напылением.

После создания рисунка соединений производится вжигание алюминиевых контактов при температуре 550°С в течение 5...10 мин. Алюминий является акцептором, поэтому контакт с областью р -типа всегда омический. Для получения омического контакта с областью n -типа концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. Если концентрация доноров ниже, то произойдет перекомпенсация поверхностного слоя акцепторами (Аl), т.е. изменение электропроводности с n -типа на р -тип, приводящее к образованию р-n -перехода. Для формирования омического контакта к n -области с низкой концентрацией доноров необходимо предварительно создать сильно легированную контактную n ⁺-область с концентрацией доноров порядка 10²⁰ см^-3. В этом случае перекомпенсация акцепторами невозможна.

В БИС и СБИС недостаточно одного слоя проводниковых соединений, так как не удается осуществить разводку проводников без пересечений. Поэтому создают два или три слоя проводников, разделенных слоями диэлектрика, получаемых методом осаждения из газовой фазы. В слое SiO₂ делают отверстия для контактов между проводниками соседних слоев.

Для присоединения внешних выводов к ИС изготовляют контактные площадки (металлизированные участки на кристалле). Как правило, их располагают по периферии полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой.