Понятие металлизации.

В полупроводниковых ИС процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, а также рисунок межсоединений и контактных площадок.

Основным материалом для металлизации служит алюми­ний. Он оказался оптимальным в силу следующих положитель­ных качеств: малое удельное сопротивление (1,7*10^-6 Ом*см); хо­рошая адгезия к окислу SiO₂ (металлизация осуществляется по окислу); возможность сварных контактов с алюминиевой и зо­лотой проволокой (при осуществлении внешних выводов); от­сутствие коррозии; низкая стоимость и др.

Самый простой и наиболее широко используемый метод создания межсоединений проиллюстрирован на рис. 1.

Сначала с тех участков, где должен быть получен контакт с кремнием, удаляется Si0₂. Затем на поверхность наносится слой металла. Для этого обычно используется испарение твердого источника путем бомбардировки электронным пучком в вакуумной камере или распыление (бомбардировка ионами) в камере низкого давления. Испаренные атомы металла попадают на пластины, где они конденсируются в виде однородной пленки.

Затем металл, обычно алюминий или алюминиевый сплав (например, алюминий с небольшими добавками кремния или меди), с помощью фотолитографии и травления удаляется, как это было описано выше, с тех участков, где его не должно быть.

Алюминий обычно травится в растворах, содержащих фосфорную кислоту, или удаляется методом сухого травления.

По мере уменьшения размеров приборов требования к металлизации становятся все более жесткими. Бывает, что самые обычные методы систематического уменьшения размеров элементов ИС (масштабирование) приводят к увеличению плотности тока в межсоединениях. Если размеры прибора на поверхности уменьшаются в К раз, масштабируемый ток должен уменьшиться в то же число раз. Однако поперечное сечение межсоединений уменьшается в К2 раз, так что плотность тока, протекающего через межсоединения, увеличивается в К раз. Это увеличение приводит к росту падения напряжения в межсоединениях, так что меньшая доля приложенного внешнего напряжения будет эффективно действовать на прибор, входящий в ИС. Чтобы уменьшить этот эффект, важно уменьшать удельное сопротивление материала. В случае МОП ИС, но иногда также и в биполярных схемах, один слой межсоединений может создаваться из поликристаллического кремния, а для другого применяется алюминий. При использовании этих двух слоев соединений в сочетании с возможным созданием диффузионных соединительных дорожек на поверхности кремниевой пластины ток может переноситься в трех различных уровнях. В тех схемах, которые содержат много тысяч приборов, такая степень свободы является необходимой. В еще более сложных схемах может также использоваться и второй слой металла. Однако удельное сопротивление поликристаллического кремния не может быть меньше 500 мкОм*см, так что вдоль длинных поликремниевых проводников могут возникать значительные падения напряжения. Быть может, еще более важным является то, что RС-постоянные времени, связанные с сопротивлением длинного поликремниевого межсоединения и его емкостью по отношению к подложке, могут замедлить прохождение сигнала через ИС. Поэтому для создания межсоединений начинают использоваться другие материалы, обладающие более высокой проводимостью, чем кремний. Используются силициды тугоплавких металлов, такие, как силицид вольфрама WSi2, силицид молибдена MoSi2, силицид тантала TaSi2 и силицид титана TiSi2, а также сами тугоплавкие металлы.

Когда необходимо создать рисунок межсоединений, предполагающий отсутст­вие пересечений, т.е. коротких замыканий, используется многослойная или многоуровневая раз­водка, т.е. несколько «этажей» металлизации, разделенных изолирующими слоями, так как в ИС с вы­сокой степенью интеграции не удается спроектировать метал­лическую разводку так, чтобы избежать пересечений. Необходимые соединения между раз­ными уровнями осуществляются через специальные окна в изо­лирующих слоях (рис. 2, а). Изоляцию между слоями обыч­но обеспечивают путем напыления диэлектрика по завершении очередной металлической разводки. В качестве диэлектрика чаще всего используют моноокись кремния SiO. Количество «этажей» при многоуровневой металлизации для современных БИС лежит в пределах от двух до четырех.

Некоторые предприятия для создания многоуровневой раз­водки используют алюмоксидную технологию. В этой техноло­гии роль изоляции между соседними проводниками выполняют слои «пористого» А1₂О₃, а роль межслойной изоляции толщи­ной порядка 0,1 мкм играют слои «плотного» окисла, образуе­мого в результате анодирования первичного слоя Аl (рис. 2, б). Отличительной особенностью этой технологии является планарность многоуровневой разводки.

Также процесс проведения металлизации можно объяснить на примере, показанном на рис. 3. Перед нами структура обычного полевого МОП - транзистора с n+-областями истока и стока, сформированными ионной имплантацией в р-подложке. Контакты к областям исто­ка и стока для подсоединения их к источнику питания выполне­ны из металла (например, Al) и проходят через окна в слое ди­электрика. При приложении к электроду затвора порогового напряжения VT между истоком и стоком протекает ток. Под действием этого напряжения в окисле затвора создается элек­трическое поле, которое вызывает инверсию проводимости при­лежащих областей подложки с p-типа на n-тип, что приводит, таким образом, к появлению проводящего n-канала между об­ластями истока и стока. Сигнал подается на электрод затвора, выполненный обычно из проводящего поликристаллического кремния, через металлический контакт. Таким образом, процесс металлизации состоит в реализации межкомпонентных соедине­ний с низким сопротивлением и создании контактов, обладаю­щих низким сопротивлением, к областям n+ и р+-типа, а также к слоям поликристаллического кремния.

Металлизация со структу­рой межкомпонентных соединений и электрода затвора в поле­вых МОП-транзисторах осуществляется с помощью использования слоев тугоплавких металлов или сили­цидов тугоплавких металлов, которые используются для улуч­шения характеристик или замены поликристаллического крем­ния, в основном получают с использованием процессов физиче­ского осаждения из парогазовых смесей. Эти процессы подобны процессам осаждения пленок Al и его сплавов. Применение ту­гоплавких материалов необходимо вследствие того, что номинальная величина удельного сопротивления поликристалличе­ского кремния n+-типа, равная 500 мкОм*см, слишком высока для СБИС, где длина каналов приборов составляет менее 1,5 мкм, а отдельный кристалл может содержать более 100000 приборов.

После нанесения слоя металлизации и формирования соединений пластина помещается в низкотемпературную печь, и при температуре около 450°С происходит термообработка, обеспечивающая хороший омический контакт металла с кремнием. Эта обработка позволяет также улучшить качество границы раздела Si—Si02. После окончания операций по формированию межсоединений изготовление пластины с ИС завершено. Но, перед тем как потребитель сможет использовать ИС, должно быть проведено еще несколько важныхопераций.

Дата добавления: 2015-08-05