Блок металлизации

1. Многоуровневая система металлизированных соединений

Число топологических элементов и их площадь в слоях металлизации в несколько раз превышает эти показатели для любого слоя полупроводниковой структуры БИС. Токи наиболее высокой плотности в структуре протекают в металлизированных соединениях. В то же время нарушение элементов металлизации является основной причиной отказов микросхем.

С увеличением степени интеграции микросхем возрастает и сложность металлизированной разводки межсоединений. В схемах с регулярной структурой, например, БИС памяти, площадь межсоединений растет пропорционально числу логических элементов. В логических БИС с нерегулярной структурой - быстрее вследствие увеличения числа связей дальнего порядка. Если соединения в регулярной схеме можно выполнить, используя два уровня металлизации, то при достижении определенной сложности логических БИС появляется необходимость реализации трех и более уровней металлизированной разводки.

При разработке системы металлизации необходимо учитывать три группы требований: технологические, электрические и надежность. Технологические требования включают:

-использование для контактных площадок металлов, к которым возможно присоединение внешних выводов термокомпрессией или ультразвуковой сваркой;

-применение пластичных материалов или близких по коэффициенту термического расширения к кремнию, т.к. в противном случае возможно образование трещин вследствие термомеханических напряжений;

-селективность травления металлов и межслойных диэлектриков.

Наиболее важные электрические требования предполагают, что:

-падение напряжения в шинах питания должно быть намного меньше логического перепада;

-сопротивление контактов к полупроводниковым областям не должно влиять на параметры приборов;

-емкость металлизированных соединений не должна ограничивать быстродействие БИС.

Требования надежности таковы:

-необходимо уменьшать рельеф структуры для предотвращения «теневого» эффекта при нанесении и травлении слоев;

-металлизированные соединения должны быть устойчивы к электромиграции;

-система подключения питания должна обеспечивать минимальную площадь разводки питающих напряжений;

-пассивация схемы должна предотвращать коррозию металла.

Технологические требования ограничивают выбор металла для реализации межсоединений. Практически используются только Al и сплавы на его основе, а также многослойные системы на основе золота. Для коротких связей первого уровня применяются силицид платины, однако его нельзя считать удовлетворяющим всем требованиям к разводке из-за высокого слоевого сопротивления (2-5 Ом/ˆ). Низкое контактное сопротивление к кремнию (менее 10^-6 Ом.см²) может быть обеспечено только при использовании в первом уровне разводки металлов, образующих силициды или имеющих энергию связи с кислородом большую, чем кремний. В этом случае контактирующий металл растворяет тонкий слой окиси кремния в контактных окнах и имеет хорошую адгезию к изолирующему окислу. Контактные слои выполняются из алюминия, титана и силицида платины. Силицид платины образуется при взаимодействии платины с кремнием непосредственно на поверхности контактных окон. Непрореагировавшую платину удаляют травлением, т.к. она отслаивается от поверхности окисла. В наиболее распространенных системах металлизации на основе сплавов алюминия введение кремния предотвращает его растворение в контактных окнах, а меди - повышает устойчивость разводки к электромиграции.

Наибольшую сложность имеет первый уровень разводки, на котором обеспечивается подключение активных и пассивных полупроводниковых приборов к электрической схеме БИС. Использование верхних уровней металлизации требует наличия переходных контактных площадок в первом уровне. Увеличение плотности разводки и уменьшение рельефа структуры с металлизацией непосредственно связаны с толщиной проводящего слоя. В большинстве современных БИС толщина металла первого уровня не превышает 0, 5 мкм. Для исключения негативного влияния рельефа структуры толщина слоя металла верхнего уровня больше, чем нижележащих, Естественно, шаг дорожек разводки в верхнем уровне больше, а сопротивление слоя меньше. Обычно в первом уровне реализуются связи ближнего порядка. Длинные связи и связи с большими токами переносятся в верхние уровни.

Уменьшение размеров переходных площадок наиболее важно для первого уровня. В качестве межуровневых диэлектриков используются двуокись кремния и нитрид кремния. Применение различных диэлектриков под разными уровнями разводки дает возможность значительно сократить площадь перехода. Например, слой нитрида кремния под первым металлом и слой двуокиси кремния в качестве межуровневого изолятора позволяет вскрывать переходные окна в окисле шире площадок нижнего металла. Селективное (относительно нитрида кремния) травление межуровневого изолятора дает возможность реализовать межуровневые переходы вообще без специальных расширенных площадок металла.

Уменьшение рельефа структуры имеет важное значение для надежности системы металлизации. Уступы рельефа создают «теневой» эффект при напылении металла и травлении диэлектрикоив в плазме. На уступах металл тоньше, сопротивление слоя выше, и сильнее идет электромиграция и разрывы проводников образуются также в первую очередь. Для первого уровня разводки играет роль только рельеф полупроводниковой структуры, для второго уровня на рельеф полупроводника накладывается рельеф первого слоя металла. Толщина межуровневого диэлектрика определяет высоту уступов в переходных окнах. Если не принимать специальных мер, то для третьего уровня разводки нижлежащие слои образуют уступы суммарной высоты в местах пересечения проводников, и дефектность разводки сильно возрастает. Использование поликремния и силицида платины для разводки в структуре позволяет практически исключить рельеф проводников первого уровня (см. рис. 1).

Рис. 1 Основные этапы формирования транзистора и поликремниевого резистора в структуре:

а) нитридная маска на пленке поликремния; б) легирование пассивной области базы и окисление поликремния; в) удаление маски, легирование резистора, активной базы и эмиттера; г) формирование силицида платины на поликремнии.

Используются также способы планаризации поверхности, аналогичные тем, которые применяются при формировании изоляции.

В системе металлизации необходимо обеспечить устойчивость к электромиграции. Способность металла разводки к переносу под действием протекающего тока зависит от температуры, наличия примесей и структуры пленки, поскольку сильноточные цепи БИС обычно выполняются на основе Al и сплавов, то достоверные данные по электромиграции имеются только для этих материалов пленок. Для схем, работающих при температуре до 340 К и имеющих разводку сплавом алюминия с кремнием или медью, допускается предельная плотность тока в шинах питания 2х10⁵ А/см². Проводники из чистого Al можно использовать при плотности тока не более 10 А/см². Увеличение температуры усиливает способность металлов к электромиграции и снижает предельно допустимые плотности токов. Так, для схем военного применения (температура до 393 К) предельная плотность тока проводится не только для плоских участков, но и для пересечений рельефа с учетом изменения сечения проводников на уступах. При толщине проводников I мкм, предельной плотности тока 10 А/см² и токе питания БИС 1 А суммарная ширина шин питания должна составить 2 мм. Увеличение потребляемой мощности и снижение напряжения питания быстродействующих БИС приводят к росту тока потребления. Известны схемы, потребляющие ток 4 А; в ближайшие годы для некоторых сверхбыстродействующих БИС он возрастет до 10 А. В таких схемах только проводники питания должны занимать самостоятельный уровень разводки.

Ток потребления микросхемы определяет число выводов питания и их расположение на кристалле БИС. При периметре сварного соединения на контактной площадке питания 200 мкм эффективно работает на растекание тока не более 100-120 мкм. Если толщина металла 1 мкм и предельная плотность 10⁵ А/см², то такое соединение допускает протекание тока около 150 мА. При токе питания 1 А необходимо предусмотреть 12 сварных соединений для подключения шин питания к внешним выводам БИС. Сокращение числа сварных соединений достигается увеличением толщины слоя металла на площадках, вскрытием переходных окон и наложением друг на друга слоев разводки всех уровней. При числе сварных соединений питания более четырех для каждого из полюсов источника питания площадки размещаются равномерно на периферии кристалла БИС. Объединение однополюсных выводов питания может проводиться либо на монтажной плате, либо в корпусе специальной конструкции.

2. Формирование омических контактов металл - полупроводников,

металл-металл

Одним из основных моментов при формировании металлизации является создание надежного контакта между металлом и полупроводником в области активных и пассивных элементов ИМС. Такие контакты должны отвечать следующим основным требованиям:

- контакт должен быть не выпрямляющим, т.е. сопротивление его не должно зависеть от направления протекающего тока;

- в контакте должны отсутствовать нелинейные явления, т.е. его сопротивление не должно зависеть от величины протекающего тока;

- контакт должен иметь минимальное сопротивление, так же как и сама металлизация;

- контакт не должен инжектировать неосновные носители;

- теплопроводность контакта должна быть высокой, а коэффициент теплового расширения используемого металла близким к коэффициенту теплового расширения кремния;

- контакт должен представлять металлургически стабильную систему с кремнием, а в случае многослойной металлизации и между слоями;

- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию и диэлектрическому покрытию;

- металл контакта должен быть термодинамически стабилен по отношению к диэлектрическому покрытию;

- металл, используемый в качестве металлизации, должен быть технологичен к процессу фотолитографии;

- металл контакта не должен глубоко проникать в кремний, в противном случае невозможно создавать мелколежащие р-n-переходы, необходимые при создании сверхбольших и сверхскоростных ИМС.

Как видно, перечисленные требования часто носят противоречивый характер, например, контакт с кремнием должен быть прочным, но металл не должен проникать в кремний или, например, требование хорошей адгезии к окислу противоречит условию слабого влияния контакта на свойства окисла и т.д. Удовлетворить этим требованиям чрезвычайно сложно, лишь в какой-то мере этим требованиям отвечает алюминий, который в настоящее время является наиболее распространенным материалом для формирования контактов металлизации и межсоединений в кремниевых ИМС.

Для обеспечения низкого контактного сопротивления металл-полупроводник обычно необходимо проводить «вжигание» металлизации, т.е. термообработку при температуре, ниже точки эвтектики алюминий-кремний (400-550°С) и времени 5-30 мин, которую обычно выполняют в инертной среде. Процесс образования омического контакта носит химический характер, и протекает за счет восстановления тонкой пленки естественного окисла, образовавшегося под воздействием атмосферного кислорода на поверхности кремния в контактных окнах.

Скорость проникновения Аl через пленку SiO₂ определяется температурой термообработки.

u=3, 18х10¹⁷exp(-2, 56/k T) А/мин,

где k - постоянная Больцмана, 1, 38х10^-23Дж/К, Т - температура термообработки.

После проникновения алюминия через пленку окисла идет растворение кремния в алюминии и его диффузия из области контактного окна. При этом растворение кремния идет настолько интенсивно, что алюминий проникает как на значительное расстояние под защитную пленку окисла края контактного окна, так и происходит образование большой плотности ямок в области самого окна. Следует отметить, что при растворении кремния в алюминии идет замещение атомов кремния атомами алюминия, т.е. в полупроводниковом материале не происходит образование пустот. Многочисленные исследования по растворению кремния в алюминии показали, что образование ямок травления преимущественно происходит вдоль края окна, где количество необходимого для реакции алюминия и SiO₂ наибольшее. Большой интерес вызывают исследования по зависимости ямок травления и их плотности от площади окна в SiO₂. Так, они показали, что плотность ямок относительно слабо зависит от площади окна, однако размер их резко возрастает с уменьшением площади. При размерах окна 1-3 мкм нередко образуется одна сплошная ямка травления, распространяющаяся под SiO₂ на пределы окна. Очевидно, что образование ямок травления должно вызывать отказ с мелкими р-n-переходами вследствие либо вертикального, либо бокового их замыкания. Это обстоятельство подчеркивает важность данной проблемы при создании сверхбольших и сверхскоростных ИМС, т.к. при их изготовлении необходимо использовать мелкие р-n-переходы, а также малые размеры контактных окон, что резко увеличивает вероятность закорачивания р-n-перехода за счет растворения кремния у края окна больше, чем за счет образования ямки травления в центральной области контакта, т.к. растворение кремния протекает быстрее в направлениях, параллельных поверхности (III).

Интересные результаты были получены при исследовании растворения и рекристаллизации кремния при вжигании омических контактов Al-p-Si. Так, было установлено, что при создании контакта алюминия с кремнием (< 0, 02 Ом.см) за счет возникновения преципитатов кремния образуется легированный алюминием рекристаллизованный слой со сравнительно большой величиной контактного сопротивления. В результате активной оказывается лишь центральная часть контакта, что уменьшает его эффективную площадь, а, следовательно, увеличивает контактное сопротивление. Важным моментом, который необходимо учитывать при создании металлизации, является расположение частиц рекристаллизованного кремния вдоль границ зерен алюминия, а также расположение большой части ямок травления вдоль границ зерен алюминия и, в особенности в области тройных точек. Это обстоятельство указывает на то, что перенос кремния в тонкой пленке алюминия идет вдоль границ зерен, а, следовательно, использование крупнозернистого алюминия более предпочтительно, чем мелкозернистого, т.к. при больших размерах зерен и постоянной толщине пленки алюминия занимаемый границами объем (на единицу площади) оказывается меньше, чем в случае мелкозернистой структуры.

Современные ИМС представляют собой сложные структуры, где с целью уменьшения геометрических размеров кристалла часто используется многоуровневая металлизация, различные уровни которой контактируют друг с другом через окна в межслойном диэлектрике. Одним из требований, предъявляемых к первому уровню многоуровневой металлизации, является отсутствие дефектов поверхности, таких как, например, бугорки. Однако использование термообработки для создания контакта металл-полупроводник ведет также к рекристаллизации пленки алюминия, приводящей, с одной стороны, к слиянию зерен и образованию крупнозернистой структуры, с другой стороны, к образованию в одних местах пустот, а в других местах к образованию так называемых «холмиков роста». Наиболее интенсивно процесс рекристаллизации идет при температуре выше 450°С, которая обычно используется при вжигании металлизации, что приводит к образованию «холмиков роста» высотой до 1-2 мкм. Наличие таких выступов на поверхности первого уровня металлизации часто приводит к прокалыванию межслойного диэлектрика и в случае расположения в этом месте второго уровня металлизации к короткому замыканию между двумя слоями металлизации, что приводит к выходу из строя практически готовой ИМС. Тем не менее, термическая обработка напыленных пленок приводит к стабилизации их структуры, а, следовательно, и к стабилизации их физических свойств.

Серьезным недостатком алюминиевой металлизации является электромиграция. Природа явления заключается в переносе массы металла при прохождении тока большой плотности за счет перемещения положительных ионов металла электронным ветром в направлении потока электронов. Это приводит к тому, что у положительного электрода скапливается избыточный алюминий в виде выступов, а у отрицательное образуются пустоты и разрывы пленки. Данное явление существенно зависит от геометрических размеров тонкопленочного проводника, а также от энергии активации самодиффузии, которая определяется структурой алюминия.

Для уменьшения недостатков, связанных с растворением кремния в алюминии, образование «холмиков роста» и электромиграции используют либо легирование алюминия кремнием и медью, либо формирование многослойных систем с использованием в качестве подслоя под алюминием различных металлов, а также силицидов металлов. Однако почти во всех случаях нужный эффект достигается за счет ухудшения каких-либо параметров:

- увеличение удельного сопротивления металлизации;

- образование неомических контактов;

- усложнение технологии;

- снижение выхода годных структур, обусловленное увеличением числа технологических процессов.

Другим путем исключения указанных выше недостатков является либо уменьшение температуры вжигания и увеличение его времени, либо уменьшение времени отжига при сохранении температуры вжигания. Этот путь связан с тем, что интенсивность процессов, вызывающих данные недостатки, резко снижается с уменьшением температуры и времени вжигания металлизации, т.к. данные процессы в основном связаны с процессом диффузии кремния и алюминия. Наиболее перспективным направлением можно считать резкое уменьшение времени вжигания, особенно использование для вжигания металлизации мощных импульсных источников света, т.к. понижение температуры вжигания при очень малых размерах контактных окон, которые используются в современных ИМС, может не дать желаемых результатов.