Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и интегральных схем

При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, меж соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла:

низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов;

высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей;

высокой адгезией А1 к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости;

заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности;

отсутствием в системе Аl—Si химических соединений;

химическим взаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и радиационной стойкостью;

легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.

Величина зерен осаждаемых пленок Аl существенно зависит от скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зерна и чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельное сопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и как следствие токоведущие дорожки, и омические контакты имеют больший срок службы. Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается при скоростях осаждения около 3 • 10^-2 мкм • с^-1 и температуре подложки 200—250°С.

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.