Тонкопленочные элементы интегральных схем (стр. 2 из 5)

Для получения столь больших скоростей осаждения пленок чаще всего используются электронно-лучевые испарители. При этом степень совершенства кристаллической структуры пленок может неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационного нагрева подложек, величина которого зависит как от мощности испарителя, так и от материала подложки и толщины осаждаемой пленки. Неконтролируемые изменения в структуре пленки возникают также из-за наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемых паров Аl. Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссии катода и больше скорость испарения.

Одним из существенных недостатков пленок чистого Аl является перенос вещества в результате электродиффузии (дрейфа ионов материала вдоль проводника, ее ли на концах последнего имеется разность потенциалов). Скорость перемещения ионов является функцией температуры и увеличивается с ростом последней. По мимо электродиффузии, возможна диффузия атомов металла в результате разности температур на концах проводника. Если Аl осаждается на окисел кремния, то это вызывает плохой отвод тепла, появление «горячих» центров на проводящих дорожках и как следствие значительные градиенты температуры. Электромиграция А1 при плотностях тока, меньших, чем для других металлов, приводит к появлению пустот в пленке (эффект Киркендалла).

Поскольку электродиффузия является активационным процессом, то она существенно зависит от состояния поверхности границы зерен. Уменьшение протяженности границ за счет увеличения размеров зерна и подбор материала защитного покрытия могут существенно увеличить энергию активации и как следствие время наработки на отказ. Значительного увеличения времени наработки на отказ можно достичь за счет добавки к алюминию примесей меди, магния, хрома, а также окиси алюминия.

После нанесения пленки А1 и получения требуемой конфигурации токоведущих дорожек производят вплавление А1 в кремний при температуре 500—550°С для получения низкоомного контакта. Миграция избыточного кремния на токоведущих дорожках, прилегающих к контактным подложкам, вызывает шелушение А1 и отказы ИС. Для предотвращения этого необходимо при испарении А1 вводить в него около 2 масс. % кремния. Добавка кремния в контактные площадки из А1 уменьшает миграцию кремния из неглубоко залегающего эмиттерного слоя (около 1 мкм), что существенно увеличивает быстродействие ИС на биполярных транзисторах и предотвращает закорачивание в ИС неглубоко залегающих эмиттерных переходов. Для предотвращения миграции кремния в пленку А1 в качестве промежуточного слоя может быть использована пленка титана. Применение метода создания омических контактов с подслоем титана в быстро действовавших ИС позволило в 20 раз увеличить время наработки на отказ. Помимо титана, может использоваться подслой платины или палладия с образованием силицида платины или силицида палладия.

Наряду с ранее перечисленными достоинствами металлизация алюминием обладает рядом существенных недостатков, важнейшими из которых являются следующие:

малая величина энергии активации атомов А1, вызывающая электромиграцию при плотностях тока примерно 10⁶ А/см² и повышенных температурах, в результате чего появляются пустоты в пленках;

возможность короткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых системах металлизации вследствие образования острых выступов на плевке в результате электромиграции и рекристаллизации А1;

опасность гальванической коррозии Аl при одновременном использовании других металлов; большая скорость диффузии А1 по границам зерен, не допускающая использования приборов с металлизацией А1 при температурах более 500°С;

интенсивное химическое взаимодействие А1 с двуокисью кремния при температуре около 500°С;

низкая точка плавления в эвтектике систем алюминий — кремний около 577°С;

большое различие (в 6 раз) коэффициентов термического расширения А1 и 51;

мягкость А1 и, следовательно, невысокая механическая прочность пленок;

невозможность присоединения выводов с помощью пайки;

высокое пороговое напряжение в МОП структурах в связи с большой работой выхода.

Из-за перечисленных недостатков алюминиевая металлизация не применяется в ИС и транзисторах с мелкими эмиттерными переходами, а также в МДП ИС для ..создания затворных электродов. Для этой цели применяют, однослойные и многослойные системы из различных металлов (в том числе А1 для получение верхнего слоя). Наиболее подходящими материалами являются вольфрам и молибден. В частности, вольфрам имеет практически одинаковый с кремнием ТКС, хороший омический контакт к кремнию р- и n- типов проводимости, малое (в 2,5 раза) отличие от алюминия по электропроводности, самое высокое из всех металлов значение энергии активации при самодиффузии, высокую температуру плавления эвтектики с кремнием, химическую инертность на воздухе и в водном растворе плавиковой кислоты, а также высокую твердость, что исключает возможность появления царапин на пленке.

Благодаря высокой температурной стойкости W его можно использовать для многоуровневой металлизации, чередуя слои двуокиси кремния с W. При термообработке на поверхности пленки не образуются холмики и нет опасности короткого замыкания между токоведущими дорожками в многослойной металлизации. Кроме того, пленки W (так же как и пленки Мо) являются металлургическим барьером, препятствующим образованию межкристаллической структуры кремния и алюминия.

Недостатком металлизации W является трудность получения пленок (для чего обычно используется пиролиз гексофторида вольфрама) и их травления (в щелочном растворе ферроцианида). Оба эти процесса сложны и проводятся с использованием токсичных веществ. Кроме того, непосредственно к вольфраму невозможно подсоединить внешние выводы, поэтому поверх него на контактные площадки и наносят какой-либо другой металл (Рt, Ni, Аи, Си, А1 и др.).

При изготовлении ИС СВЧ диапазона, ИС специального назначения, а также в гибридной технологии применяют металлизацию, состоящую из нескольких слоев тонких металлов. При этом обычно первый (нижний) слой металла должен обладать высокой адгезией как к кремнию, так и к двуокиси кремния и одновременно иметь малые значения коэффициентов растворимости и диффузии в этих материалах. Этим требованиям удовлетворяют такие металлы, как хром, титан, молибден, а также силицид платины. При двухслойной металлизации второй (верхний) слой металла должен иметь высокую электропроводность и обеспечивать приварку к нему проволочных выводов. Однако в некоторых системах (таких, как Сг-Аu, Тi-Аu или Сг-Сu) контакты

при термообработке теряют механическую прочность в результате образования на их границе интерметаллических соединений. Кроме того, верхний металл диффундирует через нижележащий слой в кремний, что снижает механическую прочность соединения и изменяет контактное сопротивление. Для устранения этого явления обычно используют третий слой металла, который является барьером, препятствующим взаимодей:твию верхнего слоя металлизации с кремнием. Так, например, в тройной системе Тt-Рl-Аu, которая применяется при изготовлении балочных выводов, слой

Рис. 1. Схема процесса изготовления двухуровневой металлизации в системе А1-А1гОз-А1.

а-- нанесение толстого и тонкого слоев окисла кремния перед металлизацией (показана область омического контакта); б—нанесение алюминия, образующего первый уровень; в — фотогравировка первого уровня металла; г — анодирование первого уровня металлизации с фоторезистивной маской; д — нанесение алюминия, образующего второй уровень; е — фотогравировка второго уровня металлизации.

Рt толщиной около 5Х10^-2 мкм служит барьером против диффузии А1 в S1. Помимо этого для балочных выводов в МДП ИС применяются системы Сг-Аg-Аu, Сг-Аg-Рt, Рd-Аg-Аu, в которых роль барьера выполняет пленка серебра. Для гибридных ИС и полосковмх линий ИС СВЧ диапазона применяются системы Сг-Сu и Сг-Сu-Сг.

Увеличение плотности размещения элементов на кристалле потребовало применения многоуровневой металлизации. На рис. 1 показана последовательность изготовления двухуровневой металлизации в системе А1-А120з-А1, которая применяется в приборах с зарядовой связью.

Сравнительно новым изолирующим материалом для многоуровневой металлизации является полиимид, с помощью которого получают пятиуровневую металлизацию БИС на МДП транзисторах.

Факторы, влияющие на свойства тонких пленок

Рост одного вещества на подложке из другого вещества — очень сложный процесс, зависящий от большого числа трудно контролируемых параметров: структуры подложки, состояния ее поверхности, температуры, свойств испаряемого вещества и скорости его осаждения, материала и .конструкции испарителя, степени разрежения, состава остаточной среды и ряда других. В табл. 1 показана связь между свойствами пленок и условиями их осаждения.

Свойства пленки					факторы, влияющие на указанные свойства
Размер зерен					Материал подложки и пленки. Загрязнения подложки.
Подвижность атомов осаждаемого материала на поверхности
подложки (температура подложки, скорость осаждения).
Структура поверхности подложки (степень шероховатости,
наличие кристаллов)
Расположение кристаллов					Структура подложки ''(монокристаллическая,
поликристаллическая или аморфная). Загрязнения подложки
(нарушение структуры пленки). Температура подложки
(обеспечение необходимой подвижности атомов осаждаемого
материала)
Адгезия между пленкой					Материал подложки и пленки. Дополнительные процессы
(например, образование промежуточного слоя окисла
между пленкой и подложкой). Загрязнение подложки.
Подвижность атомов осаждаемого материала
Загрязнение				Чистота испаряемого материала. Материал испарителя.
Загрязнение подложки. Степень разрежения и состав
остаточной среды. Соотношение между давлением остаточных
газов и скоростью осаждения
Окисление				Степень химического сродства осаждаемого материала к
кислороду. Поглощение водяных паров подложкой.
Температура подложки. Степень разрежения и состав
остаточной среды. Соотношение между давлением остаточных
газов и скоростью осаждения
Напряжение				Материал пленки и подложки. Температура подложки.
Размер зерен, включения, кристаллографические дефекты в
пленке. Отжиг. Угол между молекулярным пучком и подложкой

В зависимости от конкретных условий осаждения пленки одного и того же вещества могут иметь следующие основные структурные особенности: аморфную структуру, характеризующуюся отсутствием кристаллической решетки; коллоидную (мелкозернистую) структуру, характеризующуюся наличием очень мелких кристалликов (менее 10~² мкм); гранулярную (крупнозернистую) структуру, имеющую крупные кристаллы (10-¹ мкм и более); монокристаллическую структуру, когда вся пленка представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов данного материала.