В металлических проводниках и контактах
Металлы и сплавы, применяемые в технологии
Электронных средств
После формирования множества идентичных структур электронного устройства, реализованных по интегральной технологии в приповерхностном слое полупроводниковой пластины, пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы). Затем эти кристаллы необходимо присоединить к основанию корпуса, соединить контактные площадки с выводами микросхемы и произвести герметизацию корпуса. В случае гибридной технологии дополнительной операцией является соединение активных элементов с контактными площадками, имеющимися на подложке ГИС. Затем корпуса микросхем вместе с резисторами, конденсаторами и так далее монтируются на печатной плате, а их выводы припаиваются к контактным площадкам печатной платы. Все перечисленные выше операции обычно реализуются методами сварки или пайки с помощью различных металлов и сплавов.
Кроме этого, металлические пленки используются для соединения элементов в интегральной схеме между собой. В этом случае обычно металлизацию осуществляют на поверхности слоя из оксида кремния, в котором имеются окна, изготовленные с помощью фотолитографии и дающие возможность сформировать контакты металлической пленки к элементам микросхемы. Материал пленки должен обеспечивать омический (невыпрямляющий) контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление, хорошую адгезию к кремнию и SiO2, без разрушения выдерживать высокую плотность тока. Он также должен быть механически прочным, не отслаиваться вследствие различия температурного коэффициента расширения пленки и оксида кремния, а также не подвергаться коррозии и не образовывать химических соединений с кремнием, снижающих механическую прочность контактов и электропроводность.
|
|
|
Требования эти во многом противоречивы, поэтому подобрать материал, удовлетворяющий всем перечисленным выше требованиям, невозможно. В наибольшей степени им отвечает алюминий. Он имеет низкое удельное сопротивление и высокую пластичность. К контактным площадкам из алюминия легко привариваются проволочные проводники из Al или Au. При окислении поверхности алюминиевой пленки образуется тонкий (~ 0,005 мкм) и плотный оксид, препятствующий изменению ее проводимости. Проводники из Al выдерживают плотности тока порядка 105 А/см2 при температуре 150 °С.
После нанесения Al на поверхность слоя SiO2 и вжигания контактов при температуре 550 °С в течение 5 - 10 мин образуется прочное сцепление металлической пленки с оксидным слоем кремния в результате протекания реакции восстановления кремния
|
|
|
4Al + 3SiO2 ® 2Al2O3 + 3Si. (5.1)
После нанесения Al на поверхность Si в зависимости от типа проводимости кремния и концентрации примесных атомов, а также от состояния поверхности и режимов термообработки можно получить либо невыпрямляющий (омический), либо выпрямляющий контакты. Алюминий является акцептором, поэтому контакт Al к поверхности кремния р-типа проводимости всегда омический. Для получения омического контакта к области n-типа концентрация доноров в области контакта должна быть достаточно высока, иначе из-за растворения части атомов Al в кремнии может произойти его перекомпенсация. Поэтому при формировании биполярного транзистора ИМС область под контактом к коллектору дополнительно легируется донорами (рис. 5.1). Концентрация примеси при этом приблизительно равна 1020 см-3, а сам процесс легирования осуществляется одновременно с формированием области эмиттера.
В полупроводниковых микросхемах широко применяются диоды со структурой металл – полупроводник (диоды Шоттки), при создании которых ставится обратная задача: получить выпрямляющий (но не ижектирующий) контакт. На рис. 5.2 а представлена схема биполярного транзистора с диодом Шоттки, включенного между коллектором и базой транзистора. Наличие диода не позволяет транзистору переходить в режим насыщения и, тем самым, существенно повышает его быстродействие. Структура транзистора с диодом Шоттки в интегральном исполнении представлена на рис. 5.2 б. Алюминиевый электрод к базе транзистора контактирует также с областью коллектора. Контакт Al с кремнием р-типа проводимости, как отмечалось выше, всегда омический. В области контакта Al с кремнием n-типа проводимости может образовываться р-n-переход из-за диффузии атомов алюминия в кремний. Чтобы получить барьер Шоттки, между алюминиевым электродом и кремнием n-типа проводимости формируют барьерный слой из силицида платины (на рис. 5.2 б этот слой отмечен стрелкой). Для этого через окна в SiO2 на поверхность кремния напыляют слой платины, а затем производят отжиг, в результате которого и образуется силицид платины Pt5Si2.
|
|
|
Использование алюминия в качестве проводящего слоя имеет и свои недостатки. При нагреве через границу раздела Al - Si происходит взаимная диффузия атомов алюминия и кремния, причем кремний диффундирует в большей степени, достигая концентрации ~ 1,5 %. Следствием этого является эрозия поверхности кремния (образование «ямок травления») и ухудшение контакта с алюминием. Во избежание этого в напыляемый алюминий предварительно вводят около 2 % Si, вследствие чего растворимость кремния в алюминии значительно уменьшается.
|
|
|
Другим недостатком алюминия является то, что при высокой плотности тока, обусловленной малым сечением алюминиевых проводников, возникает эффект электромиграции – переноса атомов Al вдоль проводника. Это нарушает однородность проводника и может вызвать его разрыв. Более подробно этот вопрос рассмотрен в п. 5.2.
Реакция восстановления кремния, происходящая на границе раздела Al – SiO2 и описываемая выражением (5.1), рассматривалась как положительная, поскольку она приводила к улучшению адгезии алюминиевой пленки к оксидному слою. В то же время эта реакция может оказывать и негативное влияние на работу некоторых элементов полупроводниковых интегральных микросхем. Особенно это касается использования Al в качестве затворов в МДП-структурах (рис. 5.3). Если изготовить затвор из алюминия, то в результате реакции (5.1) может произойти замыкание тонкого подзатворного слоя диэлектрика. Поэтому часто затвор изготавливают из сильно легированного поликристаллического кремния. Недостатком таких затворов является их высокое удельное сопротивление. Альтернативным вариантом является формирование затворов из тугоплавких металлов (Ta, W, Mo) или их силицидов, хотя и их электропроводность для быстродействующих микросхем недостаточно высока.
Хорошие результаты дает использование многослойных структур. Нижний тонкий слой должен обеспечивать высокую адгезию к Si и SiO2, а также хороший омический контакт. Этим требования удовлетворяют W и Mo, а также Cr и Ti. Для формирования верхнего слоя, выполняющего функцию основного токонесущего слоя, а также обеспечивающего антикорозионные свойства и высокое качество сварки на периферийных контактах микросхемы, в наибольшей степени подходит золото. Важно, чтобы из-за взаимной диффузии металлов обоих слоев между ними не образовывались интерметаллические соединения, способные разрушить такую двухслойную пленку. Поэтому часто между верхним и нижним слоями такой структуры формируют еще один разделительный слой, препятствующий взаимной диффузии металлов. Примерами таких структур служат системы Ti - Pt - Au и Cr - Ag - Au.
Кроме создания межэлементных соединений и периферийных контактных площадок, металлы и их сплавы широко используются при креплении кристаллов микросхем к основанию корпуса, при герметизации корпуса, а также при монтаже радиоэлементов на печатную плату. Для решения этих задач широко используются такие сплавы, как оловянно-свинцовые и серебряные припои, сплавы золото-кремний и золото-олово и так далее. Свойства некоторых сплавов на основе анализа их фазовых диаграмм будут рассмотрены ниже (см. п. 5.3).
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 527; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!