Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 16

Резисторы на основе поликристаллического кремния. Пленки поликристаллического кремния могут быть использованы для получения высокоомных резисторов. Нелигированные пленки поликристаллического кремния могут давать удельное сопротивление 8 10 ОмггС), но номиналы сформированных на их основе резисторов ! обычно невоспроизвопимы. Удельное сопротивление ППК можно уменыпить легированием, однако оно в сильной степени зависит от уровня их легирования и размера зерна поликремния. Таким образом, резисторы из поликремния пригодны только для схем, где допустим высокий разброс сопротивлений. Температурный коэффициент этих резисторов довольно высок, и в отличие от ионна-легированных резисторов (см.

з 2.5) может быть отрицательным. Резисторы на основе 1!1!К позволяют получать высокоомные нагрузки на очень малой плошади (по сравнению с резисторами, получаемыми ионной имплантацией). Эти резисторы технологически очень удобны для схем с поликремниевыми электродами транзисторов (см. рис.

2.38). Какие же конструктивно-технологические варианты биполярных транзисторов наиболее перспективны для создания сверхскоростных СБИСР Это зависит от используемого схемотехнического базиса. Анализ перспективных вариантов биполярных структур говорит о том, что требованиям СБИС (максимальная рассеиваемая мощность меньше 200 мкВт на логический элемент, плотность упаковки более 200 логических элементов на 1 мма) удовлетворяют схемы; эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), ТТЛ с диодами Шатки (ТТЛШ), а также ИвЛ-схемы (см. $ 1.3, рис. 1.17, 1.19). При их изготовлении необходимо использовать комбинированную изоляцию элементов и применять элементы на основе поликристаллического кремния с трехмикронными нормами на проектирование. У ИРЛ-схем наивысшая плотность упаковки, но сравнительно низкое быстродействие; вв ЭСЛ и ТТЛШ могут быть реализованы в виде СБИС при условии ограничения мощности рассеяния до 200 мкВт на один логический элемент, поскольку большинство корпусов микросхем для кристаллов средних размеров ие допускает мощности рассеяния более 1 Вт, а для больших кристаллов СВИС 4...5 Вт.

Все три этих типа схем будут иметь задержку на распространение около 1 нс. Можно ожидать в будущем, что с переходом к субмикронным нормам на проектирование быстродействие микросхем и плотность упаковки повысятся. 2.10. КОНТАКТЫ К КРЕМНИЮ, ПРОВОДНИКИ РАЗВОДКИ, КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ ВНЕШНИХ ВЫВОДОВ МИКРОСХЕМЫ В полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах электрические межэлементные связи осуществляются, как правило, с помощью пленочных проводников. Материал пленочных проводников должен обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам активных и пассивных элементов схемы, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и допускать разделение пленки на очень узкие полоски с большой точностью, а также быть мсталлургически совместимым с металлами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам.

Пленочные проводники соприкасаются с участками кремниевых структур через окна в слое термически выращенной окисной пленки, образуя электрический контакт (рис. 2.41). Для осуществления электрической связи между элементами микросхемы необходимо сформировать невыпрямляюшие омические контакты.

Омические контакты. Они должны обладать высокой электропроводностью, тсплопроводностью,механической прочностью. Материал контакта должен иметь хорошую адгезию к кремнию и окислу, химическую инертность, устойчивость к воздействию окружающей среды. Наиболее распространенным материалом для контактов, коммутационных шин и контактных площадок является алюминий.

Он обладает большой электропроводностью (р„=2,7 ° 1О Ом ° см), имеет хорошую адгезию к кремнию и Б!Ом пластичен, технологичен (т. с. легко наносится на поверхность микросхемы в виде тонкой пленки, плотно заполняет окна в окисле, поддается фотолитографи- Рис. 2.4!. Ксатсгрукпии одноуровневой пленочной равводки биполириых микро- схем УООО 7ОО ООО' (А ЯОО бОО О Оу 777 УООО О О О 4 з у О О О са Й' о 72ОО ' ОО Оууд ф ВОО Рпгпл ,8 7(ОО ю УОО ' ' й. ООО О (ю 7ООО е ООО кю 4ОО и"77 ООО УОО л 2ОО Расплпй О ООО7Д О м Рпспл +и ВОО ОО (О (О 2О 4 У 2 У О $7ОО 6ОО' з(,% Л(,%е Рвсплпбеуу б) 47 ООО б уг Рис.

2.42. Диаграмма состояния сила- ! 4ОО " вов алюминий — кремний (и) и фраг- (О 2О ОО 4О ОО ОО 2О ОО ОО 7ОО менты ее алюминиевого (б) и кремнке- 27,% ного «углов» (в): а) Л — лнння, пакллнеаююая увел ченне рвет» р»- мек «ренння в алюннння в ч рлок еоееа н прн уеелп ен н теми рачурыг СР— лнн , пака. аювеюн! умляченне р» орнноеен алюн няя в кречннн в ерлан ео еояннн е р отан ен ратурю ческой обработке и дает качественные контакты с внешними проволочными выводами методом термокомпрессии), образует низкоомный контакт к кремнию р- и п-типов, дешев.

Для получения низкоомного стабильного контакта и улучшения адгезин к 51 и 5!От проводится вжигание алюминиевых контактов в среде инертного газа при температуре 500,. 550 'С, т, е. обязательно ниже температуры эвтектики 577 'С (рис. 2.42). При этом происходит взаимная диффузия и растворение (см. рис.

2.42, кривые АВ и СР) алюминия в кремнии и кремния в алюминии, что ведет к повышению механической прочности контакта, но одновременно может изменить его электрофизические характеристики. При вжигании в кремний р-типа алюминий, будучи акцептором, дополнительно легирует поверхностный слой кремния, что увеличивает проводимость контакта. При вжигании в низколегированный кремний и-типа концентрация акцепторных атомов алюминия, определяемая линией СР (рис.

2.42, в), может превысить концентрацию донорных атомов легируюшей примеси, что приведет к формированию р-и перехода. Контакт перестанет быть омическим, невыпрямляюшим. Чтобы этого не случилось, область контакта в кремнии и-типа дополнительно легируют донорами, превращая ее в слой пф-типа с концентрацией доноров не менее 5 ° 10' см Растворение кремния в алюминии при нагреве (рис. 2.42, б) также приводит к некоторым нежелательным явлениям: с одной стороны, это ведет к перемещению границы раздела кремний — алюминий вглубь кремния, что при малых глубинах залегания р-и переходов может привести к их разрушению; с другой стороны, переход кремния в пленку алюминия при нагреве ведет к образованию более насыщен. 70 ного кремнием твердого раствора кремния в алюминии, который при снижении температуры становится пересыщенным (рис.

2.42, б, кривая АВ) и из него выделяется богатая кремнием б-фаза, т. е. фактически легированный алюминием кремний. Он выделяется в виде мелких кристаллов на границе алюминиевой пленки с монокристаллическим кремнием и по границам зерен алюминиевой пленки, снижая механическую прочность контакта. Для уменьшения растворения кремния в алюминии в месте их контакта в настоящее время использу уют для создания металлизации не чистый, а сплав алюминия с кремнием, содержащий около !% 5!.

Коммутационные проводники. Их наносят непосредственно на термический окисел кремния. Минимальная ширина дорожек определяется возможностями литографии (2.. 4 мкм в настоящее время, менее ! мкм в перспективе). В связи с особенностями автоматизированного проектирования и изготовления фотошаблонов изгиб проводников возможен на 90 или 45" (рис. 2.43, 2.44). При вжигании алюминий взаимодействует и с окислом кремния, восстанавливая его по реакции 4А!+35!От=2А!рОз+35!. С одной стороны, это явление положительное, так как помогает создавать надежный контакт с кремнием даже в том случае, когда в контактном окне имеется тонкая пленка или островки окисла.

С другой стороны, в местах расположения коммутационных алюминиевых дорожек на окисле реакция восстановления идет с болыцей скоростью на дефек- У 7 4 Рнс. 2 43. Фрагмент микросхемы с диффузионным резистором, расположенным поверх пего пленочным алюминиевым проводником, двумя контактными и термокомпрессиониым соединениями: реа е ор, 7 прюолленне провали ка напревв» горан; 3 в кареееекаеелн, 4- перва «ан- тактная плою яка Рис. 2.44. Система соединений с алюминиевыми дорожками, диффузионной пере-' мычки, контактной площадкой, ~ермокомпрессиоииым соединением и кресто.

образной отметкой (ключом контактной площадки) 7 — лнффуяноннав перекачка; р — кончаковна ялоюалка; 3 — ююч 71 йр р Рнс. 2.46. Конструкция пересечений н полупроводннковых шнн коммутации в схемах с коллекторной изолирующей лиффуаней элементов: ! — ироаолн к, сф рмироаа н й на мноае р того слоя и слоя колле«тор ой м ируюыей д ффузин, р лой термически яременко о 5шт, а — металки есние пронов.

' инки тах окисла, что может привести к закорачиванию проводников на подл ож ку. В интегральных микросхемах с одноуровневой разводкой проводящие дорожки могут располагаться над резисторами поверх защитного диэлектрика (рис. 2.43), что облегчает конструирование разводки. Когда в одноуровневой разводке не удается избежать пересечений, применяют диффузионные перемычки (рис. 2.44). Речь идет о развязке в двух уровнях двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых идет поверх защитного окисла, второй «подныривзет» под него в вице участка л -слоя.

Так как этот участок имеет заметное сопротивление (3...5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (он должен быть обязательно помещен в отдельную изолированную область), диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки неприемлемы в цепях питания, так как по ним протекают достаточно большие токи. В микросхемах с коллекторной изолирующей диффузией нижняя полупроводниковая шина пересечения может быть сформирована на основе скрытого слоя и диффузионного и -слоя, создающегося на этапе изолирующей диффузии (рис. 2А5). В таких схемах можно создать конструкции не только пересечений проводников, но целую систему разводки, размещающуюся в приповерхностном слое кремниевой пластины под защитным окислом и содержащую шины питания и шины межэлементных соединений.

Причем при формировании в процессе коллекторной изолирующей диффузии происходит их самоизоляция, что приводит к существенной экономии плоцйади, отводимой под разводку. Такая конструкция разводки очень хорошо подходит для создания матричных БИС, так как некоторые необходимые соединения элементов матрицы могут быть созданы в полупроводниковой пластине, а алюминиевая металлическая разводка для формирования необходимых функций матричных БИС может быть выполнена по заказу потребителя БИС или даже самим потребителем.

К недостаткам алюминиевой металлизации относятся: низкая прочность, пластичность, ведущие к механическим повреждениям пленки; низкая температура рекристаллизации, приводящая при нагревах к росту одних зерен алюминиевой пленки за счет других, к появлению на пленке бугорков и к повреждению лежащего поверх пленки защитного диэлектрического слоя; существенное различие рнс 2 46 Многоуров невая коммутацня: т -- слой зэп, р — мерный свой мсталлнэаиин; Л— иоэрой слой металлнзанни; Е - — зашя ный слой стекла 5 — третий свой металлиэанин, а — имэле.

ктри есная нзоляяня коэффициентов термического расширения алюминия, кремния и окисла кремния, приводящее к возникновению механических напряжений в микросхемах при их нагревах и охлаждениях; способность алюминия образовывать хрупкие интерметаллические соединения в месте пр исоединения к алюминиевой пленке золотых проволочных выводов; склонность к коррозии в электролитах. Существенным недостатком алюминия как материала коммутационных пленочных проводников является подверженность его атомов элсктромиграции, т. е.

их направленному перемещению под действием носителей тока («электронного ветра») при высоких плотностях тока (более 5 105 А/смй) и повышенных температурах (100... „.150'С). Это приводит к возникновению бугорков, холмиков, усов в пленке в области контакта с более высоким положительным потенциалом и пустот в области контакта с отрицательным потенциалом, к резкому снижению надежности микросхемы. Недостатком алюминиевой металлизации является нерешенность до конца проблемы получения хорошего контакта между двумя пленками алюминия, что очень важно для структур с несколькими уровнями металлизации (рис.