Проводники соединений и контакты в полупроводниковых ИМС

Элементы ИМС соединяются между собой тонкопленочными проводниками. Предварительно в двуокиси кремния, покрывающей поверхность пластины, вытравливаются окна под контакты. Далее на всю поверхность наносится проводящая пленка, а затем ее травят через маску и формируют рисунок межсоединений.

Материал пленки должен обеспечивать омический контакт к кремнию; иметь низкое удельное сопротивление; хорошую адгезию к кремнию и двуокиси кремния; ТКР, близкий к ТКР кремния и двуокиси кремния; выдерживать высокую плотность тока. Контакт должен быть механически прочным, не подвергаться коррозии, не образовывать химических соединений с кремнием.

Металла, удовлетворяющего всем этим требованиям, не существует. Наиболее полно им отвечает алюминий, имеющий удельное сопротивление 2,6 ∙ 10^-6 Ом∙см. Он наносится термическим вакуумным напылением.

После создания рисунка межсоединений производится вжигание контактов при 550 ℃ в течение 5 – 10 мин. На поверхности двуокиси кремния протекает реакция

 

Al + SiO₂ → Al₂O₃ + Si,

 

улучшающая адгезию пленки к SiO₂. В местах контактных окон удаляются возможные остатки SiO₂; алюминий внедряется в кремний (его поверхностная концентрация составляет около 5∙10¹⁸ см^-3). Это улучшает контакт и адгезию.

Ввиду того, что алюминий является акцептором, контакт к областям р-типа всегда получается омическим. Для получения омического контакта к n-области концентрация доноров в ней должна быть выше, чем концентрация алюминия. При низкой концентрации доноров в поверхностном слое может произойти перекомпенсация акцепторами, что приведет к инверсии проводимости (изменению типа проводимости с n- на р-тип) и образованию p-n перехода. Поэтому под контакт к алюминию в n-Si создается сильнолегированная n⁺-область с концентрацией доноров около 10²⁰ см^-3 – рис. 4.16.

 

 

Рис. 4.16. Создание n⁺-области под контакт алюминия к n-кремнию

 

В БИС и СБИС создаются несколько слоев межсоединений, разделенных слоями диэлектрика (обычно SiO₂), получаемых методом осаждения из газовой фазы. В двуокиси кремния вскрывают окна для контактов между проводниками соседних слоев.

Наиболее сложные схемы (СБИС) могут иметь до 9 - 12 слоев межсоединений, например, на рис. 4.17 показаны 8 слоев медных межсоединений.

Как материал первого слоя алюминий имеет ряд недостатков. В неглубоких p-n переходах (0,5 – 1 мкм) диффузия алюминия в кремний при термообработке может привести к замыканию (рис. 4.18).

Кроме того алюминий подвержен электромиграции – при высокой плотности тока и малой толщине пленки перенос атомов алюминия нарушает однородности пленки вплоть до ее разрывов.

Легкая окисляемость пленки Al с образованиемAl₂O₃ ухудшает контакты между слоями.

 

 

Рис. 4.17. Многослойные медные межсоединения

 

 

 

Рис. 4.18. Замыкание p-n перехода после

термообработки алюминиевой металлизации

.

Поэтому в качестве проводников первого слоя используют легированный поликремний. Иногда используют два слоя: поликремний - снизу и металл - сверху. Недостатком поликремниевых проводников является их большой сопротивление. Оно снижается на порядок при использовании силицидов тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.), дающих хорошие омические контакты к кремнию, имеющих высокую адгезию к кремнию и двуокиси кремния. Однако в СБИС при большой длине межсоединений их сопротивление оказывается слишком значительным.

С повышением степени интеграции роль межсоединений возрастает: они занимают все большую площадь кристалла (60 – 85 %) и начинают влиять на основные параметры схем: площадь кристал­ла, быстродействие, показатель качества, помехоустойчивость, надежность и др. При ширине проводников около 0,1 мкм внутренние соединения «съедают» до 90 % сигнала по уровню и мощности. Если с уменьшением размеров быстродействие логических элементов возрастает, то быстродействие межсоединений си­стемы металлизации снижается из-за уменьшения поперечного сечения проводников межсоединений и соответствующего уве­личения погонного сопротивления, а также из-за уменьшения расстояния между соседними проводниками, заполненного диэ­лектриком, и соответствующего увеличения электрической емко­сти. В результате, начиная с некоторого уровня интеграции ИМС, задержки сигналов в межсоединениях могут превышать задерж­ки в самих логических элементах.

С уменьшением поперечного сечения проводников межсоединений появляется и ряд других проблем: снижается электромиграционная стойкость проводни­ков, значительно усложняются технологические приемы трав­ления при создании рисунка проводников и др.

Это обусловило переход на медную металлизацию, так как из всех металлов медь обладает самой лучшей электропроводностью ρ = 1,68 ∙ 10^-6 Ом∙см (за исключением серебра). Медная металлизация выдерживает в 5 раз большую плотность тока, чем алюминиевая (за счет лучшей электро- и теплопроводности и более высокой температуры плавления).

Главные преимущества меди как материала межсоедине­ний перед алюминием — более низкое удельное сопротивление, что по оценкам дает 40% выигрыш в быстродействии, более высокая термическая стабильность и существенно меньшая склонность к электромиграции.