Металлизация УБИС

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Металлизация УБИС

Содержание

2. Данные о корреляции количества уровней металлизации СБИС с годом их выпуска в мире
3. Можно выделить шесть основных элементов многоуровневой металлизации СБИС: контактная система металлизации; проводниковые межсоединения; слои межуровневого диэлектрика;
5. Контактная система металлизации представляет собой омические и выпрямляющие контакты к кремнию. Проводниковые межсоединения – это проводники
6. Алюминий, как контактный материал и материал межсоединений обладает целым рядом ценных свойств, среди которых можно выделить:
7. Недостатки алюминия определяются в основном характером его физико-химического взаимодействия с кремнием. Основные из них: активное взаимодействие
8. Система Al-Si имеет диаграмму фазовых равновесий эвтектического типа. Al практически не растворяется в Si, в то
9. Схема растворения кремния алюминиевой пленкой: заполнение твердым раствором кремния в алюминии пустот, где растворился кремний, в
10. Технология изготовления межсоединений биполярных транзисторов с «полным» эмиттером: а) – после ионной имплантации; б) – после
11. Основные требования к системе металлизации определяются по следующим параметрам: удельное контактное сопротивление контакта к p+ и
12. Слои многослойной системы металлизации можно классифицировать на: основные, которые определяют теплоэлектрическое функционирование ИС в процессе эксплуатации,
13. Контактный слой (КС) – первый по отношению к полупроводнику, кремнию, слой, являющийся наиболее ответственным элементом системы
14. По характеру физико-химического взаимодействия с кремнием металлы делятся на две категории: металлы, образующие с кремнием эвтектическую
15. Проводящий слой (ПС) (по-другому, коммутирующая разводка или межсоединения) – последний по отношению к активной области полупроводникового
16. Диффузионно-барьерный слой (ДБС) – промежуточный слой между КС и ПС, назначение которого состоит в предотвращении какого-либо
17. Слой межуровневого диэлектрика (СМУД) – слой, который расположен между проводящими слоями, и назначение которого состоит в
18. К вспомогательным технологическим слоям (ВТС) можно отнести раскисляющий, адгезионный, антиотражающий и другие слои. В технологическом процессе
19. Назначение адгезионного слоя (АС) – обеспечение высокой адгезии, т.е. сцепления металлических слоев с диэлектрическими поверхностями (SiO2,
20. Раскисляющий слой (РС) – это тонкий слой химически активного по отношению к кислороду металла (Ti, Zr,
21. Антиотражающий слой (АОС) – слой с низким коэффициентом отражения, что необходимо на операции фотолитографии при совмещении
22. Стоп-слой – тонкий слой, который необходим для остановки процесса сухого травления. Например, этот слой нужен при
23. Структура многослойной металлизации с проводящим слоем на основе алюминия.
24. Образование пустот при формировании проводящего слоя методом физического осаждения из газовой фазы.
25. Схема формирования многоуровневой, многослойной системы металлизации с межсоединениями на основе алюминия.
26. Многослойная многоуровневая система металлизации с межсоединениями на основе алюминия применялась в субмикронных технологиях кремниевых ИС до
27. Многослойная многоуровневая система металлизации с медными межсоединениями. Главные преимущества меди как материала межсоединений перед алюминием –
28. Недостатки меди, как материала металлизации: Медь является опасной примесью для кремниевой технологии, т.к. является в кремнии
30. Скачать презентацию

Слайд 2

Данные о корреляции количества уровней металлизации СБИС с годом их выпуска

в мире

Слайд 3

Можно выделить шесть основных элементов многоуровневой металлизации СБИС:
контактная система металлизации;
проводниковые межсоединения;
слои

межуровневого диэлектрика;
межуровневые контакты;
слой пассивации;
контактные площадки.

Слайд 4

Слайд 5

Контактная система металлизации представляет собой омические и выпрямляющие контакты к кремнию.
Проводниковые

межсоединения – это проводники многоуровневой системы металлизации.
Межуровневый диэлектрик - материал, электрически разделяющий проводниковые соединения различных уровней.
Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками соседних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика.
Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий проводники верхнего уровня межсоединений.
Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь металлической разводки с внешними соединениями.

Слайд 6

Алюминий, как контактный материал и материал межсоединений обладает целым рядом ценных

свойств, среди которых можно выделить:
низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм×см);
хорошая адгезия к диэлектрикам;
достаточно высокая коррозионная стойкость, благодаря пассивирующему его оксиду;
образует низкоомные невыпрямляющие контакты (НК) с p+- и n+-Si;
является элементом III группы Периодической системы и очень мало растворяясь в кремнии, образует в его запрещенной зоне только мелкие акцепторные энергетические уровни.

Слайд 7

Недостатки алюминия определяются в основном характером его физико-химического взаимодействия с кремнием.
Основные

из них:
активное взаимодействие с кремнием в области контактного окна при термообработке;
высокая подверженность термо- и электромиграции.

Слайд 8

Система Al-Si имеет диаграмму фазовых равновесий эвтектического типа. Al практически не

растворяется в Si, в то время как в алюминии может растворяться до 1,65 ат. % кремния. Эвтектика плавится при температуре 577 0С. Следствием такого характера взаимодействия в системе является процесс растворения кремния из подложки в пленке алюминия при относительно низких температурах, т.е. алюминий действует как травитель кремния.

Слайд 9

Схема растворения кремния алюминиевой пленкой: заполнение твердым раствором кремния в алюминии

пустот, где растворился кремний, в результате чего происходит прокол p-n перехода

Слайд 10

Технология изготовления межсоединений биполярных транзисторов с «полным» эмиттером: а) – после

ионной имплантации; б) – после отжига (активация примеси, отжиг радиационных дефектов); в) – после нанесения и вжигания алюминиевой металлизации. Один из путей преодоления – быстрый термический отжиг при формировании контакта. Однако в маршруте существуют и другие термообработки – (корпусирование, 510 град. С)

Слайд 11

Основные требования к системе металлизации определяются по следующим параметрам:
удельное контактное сопротивление

контакта к p+ и n+-типам кремния;
удельное сопротивление межсоединений, и величина задержки сигнала RC-цепью;
склонность к электромиграции;
термическая стабильность.

Слайд 12

Слои многослойной системы металлизации можно классифицировать на: основные, которые определяют теплоэлектрическое

функционирование ИС в процессе эксплуатации, и
вспомогательные технологические слои, которые необходимы на этапе формирования системы металлизации.
К основным слоям относятся:
контактный слой,
диффузионно-барьерный слой,
один или несколько уровней проводящих слоев, разделенных межуровневым диэлектриком.

Слайд 13

Контактный слой (КС) – первый по отношению к полупроводнику, кремнию, слой,

являющийся наиболее ответственным элементом системы металлизации в плане создания приборов с заданными электрическими и надежностными характеристиками. К материалам КС предъявляется комплекс требований по обеспечению номинальных электрических и физико-технологических параметров, среди которых выделяются :
низкое удельное сопротивление;
близость значений удельного контактного сопротивления к p+- и n+-типам кремния;
необразование примесных уровней в запрещенной зоне кремния, снижающих быстродействие прибора;
высокая термическая стабильность;
гладкость межфазной границы КС/полупроводник;
простота формирования заданного рисунка;
минимальное проникновение в зону p-n перехода.

Слайд 14

По характеру физико-химического взаимодействия с кремнием металлы делятся на две категории:

металлы, образующие с кремнием эвтектическую систему;
металлы, образующие с кремнием химические соединения – силициды.
С точки зрения возможности одновременного удовлетворения всех указанных требований в качестве материала КС прочную позицию заняли силициды переходных металлов.
На разных стадиях технологических норм размеров элементов ИС применение получили силициды PtSi, TiSi2, CoSi2 и NiSi.

Слайд 15

Проводящий слой (ПС) (по-другому, коммутирующая разводка или межсоединения) – последний по

отношению к активной области полупроводникового прибора и очередности нанесения, призванный обеспечить высокую электропроводность, устойчивость к электромиграционным процессам при плотностях электрического тока 105÷106 А/см2 и допускать подсоединение внешних проволочных или объемных выводов к контактным площадкам известными методами. В условиях постоянного уменьшения размеров элементов ИС выбор материала проводящего слоя ограничивается очень небольшим кругом, прежде всего, по электропроводности. Это – алюминий (2,65 мкОм×см), золото (2,25 мкОм×см), медь (1,68 мкОм×см) и серебро (1,5 мкОм×см).

Слайд 16

Диффузионно-барьерный слой (ДБС) – промежуточный слой между КС и ПС, назначение

которого состоит в предотвращении какого-либо взаимодействия между материалами КС и ПС. Известными материалами ДБС являются тугоплавкие металлы (Ti, W), сплавы тугоплавких металлов (Ti-W, Ti-W-N, Ta-Si-N, Ti-Si-N), химические соединения тугоплавких металлов (нитриды, карбиды).

Слайд 17

Слой межуровневого диэлектрика (СМУД) – слой, который расположен между проводящими слоями,

и назначение которого состоит в электрической изоляции двух соседних уровней межсоединений. Основное требование к материалу СМД – это низкое значение диэлектрической проницаемости, чтобы иметь небольшую величину задержки сигнала RC-цепью.

Слайд 18

К вспомогательным технологическим слоям (ВТС) можно отнести раскисляющий, адгезионный, антиотражающий и

другие слои. В технологическом процессе некоторые виды ВТС могут расходоваться и/или удаляться.

Слайд 19

Назначение адгезионного слоя (АС) – обеспечение высокой адгезии, т.е. сцепления металлических

слоев с диэлектрическими поверхностями (SiO2, Si3N4, фосфор-силикатное стекло, полиимид и др.) и другими контактирующими элементами системы металлизации ИС. В качестве материала АС используются металлы с высоким сродством к кислороду или высокой теплотой образования оксидов (ΔHf≤-150 ккал/моль). Известными для этих целей металлами являются титан, ванадий, хром. Наличие АС необходимо, когда используются слои благородных металлов (Pt, Pd, Ir и др.), которые не склонны к образованию оксидов. При этом один АС нужен под слоем благородного металла для обеспечения его адгезии к диэлектрическому материалу, и в этом случае АС остается составной частью системы металлизации при эксплуатации ИС. Другой АС нужен над указанным слоем благородного металла для обеспечения высокой адгезии фоторезиста к нему на этапе фотолитографического формирования топологического рисунка, и в этом случае АС может удаляться после проведения этой операции.

Слайд 20

Раскисляющий слой (РС) – это тонкий слой химически активного по отношению

к кислороду металла (Ti, Zr, Hf, Ta, Mo), в задачу которого входит очистка поверхности полупроводника от кислорода и других примесей, что обеспечивает, например, получение качественных КС силицидов с гладкой межфазной границей силицид/кремний при взаимодействии силицидообразующего металла и кремния. В процессе указанного взаимодействия РС расходуется и продукты его в последствии химически удаляются вместе с остатками непрореагировавшего силицидообразующего металла.

Слайд 21

Антиотражающий слой (АОС) – слой с низким коэффициентом отражения, что необходимо

на операции фотолитографии при совмещении рисунка фотошаблона с ранее созданным на подложке топологическим рисунком ИС. АОС может удаляться после проведения этой операции.

Слайд 22

Стоп-слой – тонкий слой, который необходим для остановки процесса сухого травления.

Например, этот слой нужен при одновременном вскрытии контактных колодцев к областям затвора и стока/истока МДП-транзисторов, чтобы предотвратить травление затвора, поскольку толщина изолирующего слоя, в котором вскрываются окна, над затвором меньше, чем над областями стока/истока, а селективность процесса сухого травления не достаточна.

Слайд 23

Структура многослойной металлизации с проводящим слоем на основе алюминия.

Слайд 24

Образование пустот при формировании проводящего слоя методом физического осаждения из газовой

фазы.

Слайд 25

Схема формирования многоуровневой, многослойной системы металлизации с межсоединениями на основе алюминия.

Слайд 26

Многослойная многоуровневая система металлизации с межсоединениями на основе алюминия применялась в

субмикронных технологиях кремниевых ИС до 0,13 мкм технологии, с которой в качестве межсоединений стала использоваться медь. Были две основные причины, вызвавшие необходимость этой замены. Обе эти причины были обусловлены уменьшением технологических размеров. Первая – это обострение до предела проблемы надежности системы металлизации и в рамках ее, прежде всего, проблемы электромиграции в алюминиевых межсоединениях из-за роста плотностей тока с уменьшением сечения проводников. Вторая – это проблема увеличения длины межсоединений при уменьшении их сечения и, как следствие, проблема роста сопротивления проводников, вызывающего увеличение величины паразитной RC-задержки сигнала. Более того, вторая проблема усугубляется первой, поскольку традиционный способ борьбы с электромиграцией – это примесные добавки (кремния, титана, меди и др.) в алюминий в пределах твердого раствора, что всегда повышает удельное сопротивление материала, а, следовательно, дополнительно увеличивает RC-задержку.

Слайд 27

Многослойная многоуровневая система металлизации
с медными межсоединениями.
Главные преимущества меди как материала

межсоединений перед алюминием – более низкое удельное сопротивление (1,68 мкОм×см), что по оценкам дает 40 % выигрыш в величине RC-задержки, более высокая термическая стабильность и существенно меньшая склонность к электромиграции.

Слайд 28

Недостатки меди, как материала металлизации: Медь является опасной примесью для кремниевой

технологии, т.к. является в кремнии быстро диффундирующей примесью и образует глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния [18]. Эти уровни являются ловушками захвата, которые катастрофически влияют на быстродействие полупроводникового прибора. Кроме того, медь быстро диффундирует и в многих других материалах, включая SiO2. Поэтому при использовании меди принимаются серьезные меры предосторожности к попаданию этой примеси в полупроводник.