Многослойная разводка

Одно- и многоуровневая алюминиевая разводка оправдали себя в не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования в отношении надежности БИС, работающих на частотах до 1 ГГц, В микросхемах повы­шенной надежности используют коммутационные проводники и контактные площадки, состоящие из нескольких слоев различных материалов (рис. 18).

Рис. 18. Конструкция контактного узла с использованием многослойной разводки: 1 - термический окисел; 2 - контактный слой; 3 - адгезионный слой; 4 - буферный слой; 5 - проводящий слой; 6 - слой защитного диэлектрика

Контактным слоем в многослойных системах металлизации называют первый по порядку нанесения на полупроводниковую структуру слой, обес­печивающий омический контакт к кремнию любого типа проводимости в широком диапазоне легирующих кремний примесей п- или р-типа (10¹⁷...10²¹см^-3). Контактный слой должен обеспечивать прочный контакт с кремнием и с материалами вышележащих слоев.

Материал контактного слоя должен иметь малую растворимость и ма­лую диффузионную подвижность в кремнии, низкое переходное сопротивле­ние в контакте с кремнием, способность к восстановлению SiCb (как и алю­миний) и хорошую адгезию к SiO₂ В качестве материала контактного слоя используют молибден, хром, никель, титан, платину, палладий, иридий и др. В современных БИС и СБИС с диодами Шотки материал контактного слоя должен образовывать с кремнием барьер Шотки в диапазоне концентраций легирующих примесей (10¹³...10¹⁸ см^-3) с необходимой высотой потенциаль­ного барьера и близкой к идеальной вольтамперной характеристикой. Таки­ми материалами являются никель, вольфрам, молибден, силицид платины (PtSi).

Адгезионный слой предназначен для обеспечения высокой прочности сцепления многослойной разводки с пленкой Si0₂ (рис. 18) и с контактным слоем. При использовании в качестве контактных слоев платины, палладия, иридия наличие адгезионных слоев обязательно. Материалами адгезионных слоев могут быть титан, молибден, хром и другие переходные металлы. Есте­ственно, когда эти материалы используются в качестве контактных слоев, они же одновременно выполняют функции адгезионного слоя.

Проводящий слой, наносимый поверх контактного и адгезионного, дол­жен выполнять основные функции разводки, иметь низкое удельное сопро­тивление, обеспечивать надежное контактирование с внешними выводами микросхемы. В качестве материалов проводящего слоя в производстве мик­росхем используют золото и алюминий. Однако сочетания слоев из Мо, Сг, Ni, Ti с Au и А1 нестабильны при повышенных температурах из-за образова­ния плохо проводящих электрический ток интерметаллических соединений на границе раздела пленок этих металлов, а также не обеспечивают зашиты кремния от проникновения в него золота диффузионным, путем, Поэтому в многослойных системах разводки предусматривают буферный слой (рис. 18).

Буферный слой предотвращает образование интерметаллических соеди­нений между верхним и нижним слоями, например между хромом и золотом, титаном и золотом, препятствует диффузии металла одного слоя в другой, приводящей к ухудшению механической прочности и изменению сопротив­ления контакта. В качестве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, палладий.

Слой защитного диэлектрика является последним из наносимых на ин­тегральную микросхему, в том числе на металлизацию, слоев (рис. 18). Он обеспечивает защиту микросхемы от внешних воздействий в межоперацион­ный период в процессе присоединения выводов и размещения в корпус. По­верхностный проводящий слой благородного металла, например золота, сам

выполняет защитные функции.

Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают трехслойные системы металлизации: титан — платина —- золото, титан— молибден — зо­лото, силицид платины (PtSi)—платина — золото и четырехслойные: хром —титан —платина — золото. Последняя система металлизации обеспечивает хороший воспроизводимый омический контакт к кремнию и рассчитана на сравнительно большие плотности тока. Слой титана имеет хорошую адгезию к хрому и платине и служит для их прочного сцепления. Слой платины при­меняется для улучшения адгезии пленки золота к титану, а также в качестве барьера против эрозии золотого покрытия. Золото имеет высокую электро­проводность и обеспечивает наилучшие возможности для качественного под­соединения внешних выводов с помощью золотых проволочек.

В современных высоконадежных БИС и СБИС система металлизации является многоуровневой и многослойной. Такая система металлизации, представленная на рис. 19, состоит из слоев Мо—Аu—V—Аu. Молибден служит контактным слоем к кремнию, адгезионным слоем к Si0₂ и барьер­ным слоем между золотом и кремнием. Лежащая поверх молибдена пленка золота является проводящим слоем нижнего уровня металлизации, пленка ванадия — адгезионным слоем к пленке золота и к межуровневому изоли­рующему диэлектрику Si0₂ и, наконец, пленка золота — проводящим слоем верхнего уровня разводки и одновременно защитным слоем.

Рис. 19. Конструкция контактного узла с многоуровневой многослойной разводкой: 1 — пленка термически выращенного окисла кремния; 2—слой молибдена; 3—слой золота; 4 — слой ванадия; 5— золотой пленочный проводник второго уровня; 6—сплошная пленка осажден­ного окисла кремния или стекла

При конструировании многослойной многоуровневой разводки особое внимание уделяют правильному выбору материалов контактирующих друг с другом слоев (для исключения образования гальванических элементов, ин­терметаллических соединений и пр.), а также выбору соотношения толщин слоев разводки, методов и режимов их нанесения с целью получения развод­ки с высоким уровнем электропроводности, малыми внутренними напряже­ниями и согласованными коэффициентами термического расширения. Ти­пичные значения толщин таковы: контактный и адгезионный слой 0,03...0,25 мкм, проводящий буферный слой 0,15...0,20 мкм, проводящий слой 0,5...1,0 мкм.

Дата добавления: 2014-01-15