Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Но и накопление унесенныхатомов металла в других частях той же дорожки (см. рисунок 29 ) не менееопасно – нарастающие на дорожке усы и холмики рвут межшинную иливнутришиннуюизоляцию, как следствиевозможно короткое замыканиесоседних дорожек (КЗ).Способы борьбы с электродиффузией:а)легированиепроводниковогометалла,чтобызатруднитьдиффузионные процессы, но этот путь повышает сопротивление дорожки ипотери энергии в ней,б) вместо алюминия использовать более термостойкий проводниковый металл, например медь.
Это порождаетцелый комплекс техно-логических проблем (адгезия, автолегирование, травление, эащита меди и60т.п. ), но ряд передовых изготовителей сверхбольших микросхемуженесколько лет идет по этому пути. Между тем уменьшение проектных нормв электронной технологии идет столь быстрыми темпами( это уже не 0,25 , а0,04 микрометра), что и ресурс медных шин близок к пределу. Как одна извозможностей увеличить плотность тока рассматривается использование углеродных нанотрубокРисунок 29 – Электромиграция серебра в токоведущих шинах иназревающий прокол диэлектрикаДля тонкопленочных проводников и резисторов вводят понятиеповерхностного сопротивления[Ом] ,VSгде( 22 )- толщина пленки в см.ТогдаRVlSVlbSlbSK( 23 )где К – коэффициент формы или число квадратов.61Для тонкой пленки определенной толщиныS= [Ом/ ], читается: Омна квадрат .Как наносят металлические пленки?Существуютдвегруппыметодов–тонкопленочныеитолстопленочные.Тонкопленочная технология: требуется дорогое высоковакуумное оборудование, сравнительно медленные процессы напыления, таким путем наносяттонкие ( до 1 мкм ) пленки шириной 1-5-10 мкм .
Дальнейшее утолщениепленки можно иногда осуществить гальваническим наращиванием.Толстопленочные технологии используют простое и производительноеоборудование (намазывание через трафарет или впечатывание металлическихпаст с последующим вжиганием), но толщина таких пленок не менее 30 мкм,ширина дорожки металлизации порядка 100мкм. Эта технология грубоватадля нынешней микросхемной электроники.В проводниковых толстопленочных гибридных интегральных схемах(ГИС) используют стеклоэмали из порошковых частиц стекла, металла ( Ag,Au, Pt ) и органического пластификатора, который удаляется при сушке.
Впроцессе вжиганияплавится оксидная стеклофаза, в которой находятсяконтактирующие частицы металла. Замена благородных металлов болеедоступными очень желательна, но непроста – медь внутри стеклофазысклонна окисляться, а никель – повышаетS. .Рисунок 30 показываетосновные функции металлов в радиоэлектронной аппаратуре.62Рисунок 30 – Функции металлов в РЭАРезистивные материалыРезистивные материалы - это проводниковые материалы, сопротивление которых нужно повышать, чтобы изготовить сопротивления-резисторы.Значения (номиналы) необходимых резисторов изменяются в пределах отдолей ома до десятков Мегаом, то есть на семь порядков.
Поэтому в качестверезистивных используются разные проводниковые материалы.Углеродистыепленки( графитоподобные– пироуглерод). Ихдостоинства: химическая стойкость, низкий ТК , дешевые. Еще лучшеграфит, легированный бором (2 - 5% ). Но плохо, что получениепироуглеродых слоев трудно совместимо с вакуумной технологией. Пленкиуглерода, получаемыевакуумным испарением, не обладают адгезией кполупроводникам.Металлические тонкие пленки ( Ta, Re, Cr, NiCr ) – тантал нитрируют вазотной плазмедостигаетсяSдо 300 Ом/, ренийв тонких (не63сплошных )пленках обеспечиваетS300 нм дает низкоомные резисторы= 5 Ом/ .
Нихром при толщинах 1010- 300 Ом/ .SКерметы – двухфазная смесь окисловSiO: SiO2и металлическийпорошковый Cr позволяют получить тонкие высокоомные пленкиS- до 20кОм/ .Широкозонные полупроводники: например SnO2 (легированный СоО.)используется для изготовления терморезисторов.Тот же SnO2 ( легированный In2O3 ) – прозрачный проводящий контактдляфотопреобразователейиразныхтиповжидкокристаллическихдисплеев(ЖКД).Проводящие материалы для металлизации и коммутацииСледует иметь в виду, чтоVв металлических пленках на 10-30%больше, чем в объеме того же металла.
Для проводящих материалов нужнахорошая адгезия к Si и SiO2 , возможность создания омических и барьерныхконтактов к Si, длительная стабильность этих слоев.Алюминий – один из наиболее используемых контактных металлов.Преимущества алюминия: 1) дает омический контакт к Si при вжигании( 673 К ) и барьер Шоттки при напылении на холодную подложку; 2) втонкой пленке Al мало уменьшается проводимость (менее 20% ); 3) Al легкоиспаряется в вакууме; 4) пластичен и устойчив к термоциклам наповерхности Si и SiO2 .Недостатки Al: 1) плохо паяется (легко окисляется и сильнотеплопроводен); 2) подвержен электродиффузии; 3) тонкие пленки Al нельзянаращивать электролизом.Золотовсилууникальнойпластичностинезаменимодлятермокомпрессии – химически стойко, паяется, пластично и т.п.
Но во-64первых золото дорого, во-вторых оно активно растворяется в припоях и валюминии.Медь – аномально быстро диффундирует в Si, создавая глубокиеуровни, снижая время жизни. Химически активна – нуждается в защите споверхностиникелемили золотом. В последние годы все ширеиспользуется в металлизации для самых плотных сверхбольших БИС – посравнению с Al в Cu меньше электромиграция, достижимая плотность токаболее 106 А/см2 .Поликремний (поликристаллическийSi) – химически и по ТКЛРидеально близок к монокристальному Si для СБИС; егослучаевполикремнийоченьтехнологичен,S=удобен30 Ом/ . В рядевкачествепроводникового материала.Силициды МПГ ( TaSi2 , MoSi2 , NiSi2 , PtSi ) широко внедряются вновых технологических процессах ,характеризуются15-50 мкОм.см( т.е. в 10-30 раз больше меди), но химически и термически стабильны,совместимы по ТКЛР и по технологии.
Конечно, их удельное сопротивлениевысоковато, зато методами ионной имплантации сразу создается нужныйрисунок и профиль дорожек коммутации, обеспечивается их высокаяпрочность, отсутствует явление электромиграции.Особенности использования проводников на высоких частотах( скин-эффект )Плотность тока в проводнике на высоких частотах ( ВЧ ) максимальнана поверхности и убывает вглубь. Магнитный поток переменного токаФ = LI ; эдс самоиндукции в проводникеeLdФdtLdIdt .( 24 )65Если ток имеет видt , то эдс = - LIмcosIм sint , т.е.
эдспропорциональна частоте и индуктивности слоя.Убывание тока по глубине ( координата Z )I ( z)гдеZI o exp(),( 25 )- глубина проникновения поля в проводник;Io – плотность тока на поверхности.- глубина – численно равна расстоянию, на котором амплитуда токаубывает в е раз.На величинувлияет проводимость материалаэдс ) и его магнитная проницаемость21аоfо- растет L (а( растет ток, растет)[н]а( 26 )= 4 .10-7 гн/м .Полный ток I определяется интегрированием выражения для тока покоординате Z на контуре сечения проводника. РезультатI = Io П,( 27 )где П – периметр, для круглого провода П= d .Отсюда можно вывести понятие эквивалентной ( или эффективной )площади сечения ВЧ-проводника.66S=П=d( для круглого провода ).Следовательно, R проводника больше RП в kR раз .kRRRÏSoSэd2 /4dd4при<< d .Для ВЧ микросхем частота f достигает 2.109 Гц, а( 28 )уменьшаетсядо микрометровПримеры:для серебра, меди, алюминия (лучших металлов-проводников!)на f = 1010 Гц около 1-3 мкм, наf = 107 Гц около 10 – 20 мкм .Таким образом, даже у лучших проводников на высоких частотахработает эффективно только поверхностный слой микронной толщины.А глубже -ценный металл не работает как проводник и может бытьзаменен более дешевым и прочным металлическим сплавом ( сталь, сплав ZnAl) и даже диэлектриком (например- пластмассой!)Напомним, что тактовая частота работы лучших процессоров ПЭВМуже превысила 3ГГц, а большинство микросхем в них работает на частотах130-400 МГц.674.
Д И Э Л Е К Т Р И К И ***> 109 Ом.см ,Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивлениеЕg > 3 эВ и низкую концентрацию свободных электронов ( ниже 1 см-3 ). Потипу химической связи диэлектрики – материалы с ионной или ковалентноионной связью.Важнейшей особенностью диэлектриков является их поляризуемость( т.е. в них внешнее электрическое поле проникает и длительно существует).Благодаря явлению поляризации в переменных электрических полях черездиэлектрик кроме обычного тока (движения свободных носителей заряда)течет еще один ток – особый ( ток абсорбции) .Поляризация – смещение внутренних связанных зарядов на малоеограниченное расстояние под действием внешнего электрического поля. Врезультате часть зарядов диэлектрика переходит с «+»конденсатора на «-» пластину и общий заряд возрастает впластиныраз.- относительная диэлектрическая проницаемостьЕмкость конденсатора с диэлектриком определяется какСДгдеооdS,( 29 )8,85.10-12 ф/м, S- площадь пластин, d -расстояние между ними.Иначе говоря, в диэлектрике возникает поле, направленное противвнешнего и ослабляющее его вС0Sdои следовательнораз, но не компенсирующее!СДСо .Рисунок 31 иллюстрирует процесс поляризации диэлектрика вовнешнем электрическом поле68а – конденсатор, пространство между электродами которого вакуумировано;б – конденсатор с диэлектрикомРисунок 31 – Поляризация диэлектриков в электростатическом полеСамый простой способ измеритьдиэлектрика –измерить емкостьплоского конденсатора с диэлектриком и без него.
Благодаря широкойзапрещенной зоне Eg > 3 эВ диэлектрики не поглощают свет ( видимый иинфракрасный ) поэтому чаще всего прозрачны и бесцветны в беспримесномсостоянии. Но в поликристаллическом состоянии диэлектрики рассеиваютсвет на границах кристаллитов, поэтому кажутся белыми.Примеси в прозрачных диэлектриках часто выступают центрамиокраскиВ зависимости от того, какие именно связанные заряды смещаютсяразличают несколько видов поляризации: а) электронная; б) ионная; в)дипольная; г) миграционная и т.д.
Схематически они показаны на рисунке 3269Электронная (смещение электронных облаков атомов относительноположительно заряженного центра атома) поляризация протекает оченьбыстро – за 10-15 сек, ионная (смещение ионов как целого ) – за 10-13 сек – этовесьма быстро протекающие процессы .а – электронная; б – ионная; в – дипольная; г – миграционнаяРисунок 32 – Механизмы поляризации диэлектриковЗа счет электронной поляризации материал приобретает проницаемость2-2,5о, за счет ионной -5-10ои эти значения растут с повышениемтемпературы. Электронная компонента поляризацииприсуща всемдиэлектрикам, ионная - только ионным.Дипольная поляризация имеет место в молекуле воды (80 ), многихмасел и полимеров ( где смещаются некоторые части больших дипольныхмолекул ).Миграционная поляризация – движениерасстояние,большеепериодарешетки.примесных ионов наСчитается,чтограницукристаллического зерна такой ион не переходит.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
