В. И. Смирнов (987304), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Контакт Alс кремнием р-типа проводимости, как отмечалось выше, всегда омический.В области контакта Al с кремнием n-типа проводимости может образовыватьсяр-n-переход из-за диффузии атомов алюминия в кремний. Чтобы получитьбарьер Шоттки, между алюминиевым электродом и кремнием n-типа проводимостиформируют барьерный слой из силицидаплатины (на рис. 5.2 б этот слой отмеченстрелкой). Для этого через окна в SiO2 наповерхность кремния напыляют слой пла- Рис. 5.2. Схема транзистора с диодомтины, а затем производят отжиг, в резульШоттки (а) и его структура (б)тате 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 большейстепени, достигая концентрации ~ 1,5 %. Следствием этого является эрозия поверхности кремния (образование «ямок травления») и ухудшение контакта салюминием. Во избежание этого в напыляемый алюминий предварительно вводят около 2 % Si, вследствие чего растворимость кремния в алюминии значительно уменьшается.97Другим недостатком алюминия является то, что при высокой плотноститока, обусловленной малым сечением алюминиевых проводников, возникаетэффект электромиграции – переноса атомов Al вдоль проводника.
Это нарушает однородность проводника и может вызвать его разрыв. Более подробно этотвопрос рассмотрен в п. 5.2.Реакция восстановления кремния, происходящая на границе разделаAl – 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 МДПструктурах (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 затворовявляется их высокое удельное сопротивление. Альтернативным вариантом является формирование затворовиз тугоплавких металлов (Ta, W, Mo) или их силицидов,хотя и их электропроводность для быстродействующихРис.
5.3. Структурамикросхем недостаточно высока.МДП-транзистораХорошие 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 обеспечивающегоантикорозионные свойства и высокое качество сварки на периферийных контактах микросхемы, в наибольшей степени подходит золото. Важно, чтобы изза взаимной диффузии металлов обоих слоев между ними не образовывалисьинтерметаллические соединения, способные разрушить такую двухслойнуюпленку. Поэтому часто между верхним и нижним слоями такой структурыформируют еще один разделительный слой, препятствующий взаимной диффузии металлов.
Примерами таких структур служат системы Ti − Pt − Auи 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 такжепри 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 некоторыхсплавов на основе анализа их фазовых диаграмм будут рассмотрены ниже(см. п. 5.3).985.2. Электромиграция ионов в металлических проводникахВ процессе эксплуатации микросхем и других полупроводниковых приборов происходит деградация физико-химических свойств металлических проводников, что может привести к параметрическим (постепенным) или катастрофическим (внезапным) отказам. Отказы, связанные с процессами, протекающими в металлических проводниках, являются основными для интегральныхмикросхем в случае их использования при повышенных нагрузках (около 25 %всех отказов). Причина отказов может состоять в разрыве проводников на ступеньках окисла, в коррозии металла, во взаимодействии окисла с металлом прилокальных увеличениях температуры, разрыве проводников и нарушении контакта с кремнием вследствие электромиграции ионов металла проводника.Особую роль играет электромиграция – процесс переноса вещества проводника при высоких плотностях тока (более 5⋅104 А/см2 при температурах выше 150 °С).
Электромиграция возникает вследствие взаимодействия электронов, движущихся в проводнике, с ионами металла, передаче им импульса, в результате чего ион перемещается в направлении движения электронов (увлекается «электронным ветром»). Поскольку характер движения ионов в металлепредставляет собой последовательность перескоков в соседние вакантные узлы,то механизм этого процесса аналогичен механизму диффузии атомов в твердойфазе, поэтому данный процесс часто называют электродиффузией.В металлическом проводнике на термически возбужденный междоузельный ион действую две противоположно направленных силы: сила Fz со стороныэлектрического поля в проводнике и сила Fe, обусловленная увлечением иона«электронным ветром». Результирующая сила Fi будет равнаFi = (qi − enlσ)E ,где qi − заряд иона; e − заряд электрона; n − концентрация электронов; l − длинасвободного пробега электронов; σ − сечение рассеяния электроновна междоузельных ионах; Е − напряженность поля в проводнике.В результате экранирующего влияния электронов проводимости действиеэлектрического поля на ионы металла незначительно.
Поэтому при повышенных температурах и больших плотностях тока преобладает сила Fe, под воздействием которой междоузельные ионы увлекаются «электронным ветром» и перемещаются в соседнюю вакансию преимущественно в направлении движенияэлектронов. Ионы скапливаются у конца проводника с высоким потенциалом,образуя вдоль проводника кристаллиты в виде «бугорков», «усов» и так далее,способные закоротить близко расположенные проводники. Вакансии движутсяв направлении конца проводника с низким потенциалом, в результате чего вотдельных участках образуются пустоты, и, как следствие, разрывы металлизации.Скорость электромиграции ионов vi в проводнике определяется выражением99 E D exp − a 0 kT Dq − enlσ ρj =q − enlσ ρj ,v =ii kT ikT()()гдеρ − удельноесопротивлениепроводника;j − плотностьтока;D − коэффициент диффузии; Ea − энергия активации диффузии.Электромиграция ионов в проводнике осуществляется в основномпо границам зерен, поскольку в этих местах энергия активации Еа ниже, чемв самом зерне.
Пустоты чаще всего возникают в местах пересечения зерен,в так называемых «тройных точках». Поэтому в мелкозернистых структурахэлектромиграция проявляется сильнее, и мелкозернистые пленки (при прочихравных условиях) деградируют быстрее, чем крупнозернистые. На отказы, вызванные электромиграцией, также влияют градиенты температур и структурнаянеоднородность металлической пленки.Экспериментально установлено, что проводники из алюминия особенносильно подвержены влиянию электромиграции. Их стабильность можно повысить, формируя пленки с крупнозернистой структурой.
Благоприятно сказывается введение в алюминий различных добавок, например, 0,5−5 массовых процентов меди. Устойчивы к электромиграции сплавы Al-Cu-Mg и Al-Cu-Ni-Mg,но при этом заметно увеличивается удельное сопротивление. Считается, чтовыпадение на границах зерен второй фазы, например Al2Cu, блокирует миграцию ионов по границам зерен и, тем самым, повышает стабильность алюминиевых проводников.Уменьшить влияние электромиграции можно также с помощью формирования на поверхности металлической пленки защитного покрытия из диэлектрического материала.
Защитное покрытие ограничивает подвижность ионоввдоль поверхности металлической пленки вследствие заполнения разрушенныхэлектронных связей. В качестве покрытия используют фосфоро- или алюмосиликатные стекла, представляющие собой аморфные смеси SiO2⋅P2O5 иSiO2⋅Al2O3. Экспериментально установлено, что такие диэлектрические покрытия эффективны для ограничения электромиграции в тонких металлическихпленках, толщина которых не превышает 500 нм.5.3. Диаграммы состояния бинарных сплавовДиаграммы состояния широко используются при исследовании свойствматериалов, представляющих собой многокомпонентную систему, например,сплав из двух компонент (бинарный сплав). Они позволяют определять поведение многокомпонентной системы при изменениях температуры или химического состава, а также количество фаз и их процентное содержаниепри кристаллизации расплава и так далее.Диаграммой состояния или фазовой диаграммой называют графическоеизображение соотношений между параметрами состояния однокомпонентной100или многокомпонентной системы.
Каждая точка на диаграмме определяет числовое значение параметров, характеризующих данное состояние системы.Диаграмма состояния показывает, сколько и какие конкретно фазы образуютсистему при данных значениях параметров состояния. Для бинарных системпринято строить диаграмму состояния в координатах «температура – химический состав».
Давление обычно полагается равным нормальному атмосферному. Если рассматривается только жидкая и твердая фазы, изменением объемасистемы пренебрегают. На рис. 5.4 представлена типичная диаграмма состояния системы из двух компонент А и В. По оси ординат откладывается температура системы, по оси абсцисс − весовое или атомное процентное соотношениекомпонентов.Буквой α обозначена твердая фазавещества А с растворенным в нем веществом В, буквой β − фаза вещества Вс растворенным в нем веществом А, буквой L – жидкая фаза. Комбинациейбукв α + β , α + L и β + L обозначенысмесь фаз или совокупность твердойфазы и жидкой фазы (расплава).Линия ликвидуса на диаграммеРис.
5.4. Типичная диаграмма состояниясостояния определяет области началадвухкомпонентной системыкристаллизации сплавов данных составов при охлаждении. Линия солидусаопределяет области начала плавления сплавов данных составов при нагреве.Линия сольвус определяет область параметров, при которых одновременно существуют фазы α и α + β или β и α + β. Точка на диаграмме, соответствующаяминимальной температуре плавления, называется эвтектикой (на рисунке этаточка отмечена стрелкой), а соответствующий состав сплава называется эвтектическим. Для изображенной на рис. 5.4 диаграммы состояния эвтектический состав соответствует приблизительно 60 % компонента А и 40 % компонента В.Рассмотрим процессы, происходящие при кристаллизации расплава,то есть при переходе системы из жидкого состояния в твердое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
