Исследование и разработка алгоритмов моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации
ART 85774
Авторы:
А.
Г. Мустафаев, П.
М. Мирзаева
А.
Г. Мустафаев, П.
М. Мирзаева Библиографическое описание статьи для цитирования:
Мустафаев
А.
Г.,
Мирзаева
П.
М. Исследование и разработка алгоритмов моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
3866–3870. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85774.htm.
Аннотация. Статья посвящена вопросам моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации.
Текст статьи
Мутафаев Арслан Гасанович,д.т.н., доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет", Махачкалаarslan_mustafaev@mail.ru
Мирзаева ПатиматМагомедовна,ассистент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет", Махачкалаconfdstu@yandex.ru
Исследование и разработка алгоритмов моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации
Аннотация.Статья посвящена вопросам моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации.Ключевые слова: алгоритм, ионы, контактная система металлизации, моделирование.
Достижения современной микроэлектроники были бы невозможны без значительных качественных изменений в системе межсоединений интегральных микросхем и без перехода к многоуровневой системе металлизации. Дальнейшее развитие и совершенствование потенциальных возможностей повышения степени интеграции требует внедрения в технологию новых материалов, разработки и усовершенствования методов их получения. Переход к многоуровневой системе металлизации позволяет увеличить процент выхода годных интегральных микросхем и повысить их надежность благодаря значительному сокращению площади кристалла и уменьшению влияния различных случайных дефектов, возникающих в процессе изготовления микросхем.Однако сама многоуровневая система металлизации является источником новых специфических видов отказов: замыкания между уровнями металлизации через дефекты в слое диэлектрика; обрывы металлизации на сложном ступенчатом рельефе поверхности микросхемы; различие контактного сопротивления между отдельными уровнями вследствие реакций в твердом состоянии; реакции взаимодействия между окислом и металлизацией при повышенных температурах и т.д. Одной из наиболее важных и сложных проблем многоуровневых межсоединений является получение качественного неразрывного металлического и окисного покрытия на поверхности подложки со сложным ступенчатым рельефом. Эта проблема существует и для одноуровневых межсоединений, однако в многоуровневых системах решение этой задачи определяет выбор материалов системы, методов их получения и последующей обработки, надежность всей системы межсоединений и, таким образом, работоспособность микросхемы.В проблеме надежности многоуровневых межсоединений микросхем важное место занимают механические напряжения металлических и окисных слоев системы. Известно [1], что первый уровень металлизации под слоем диэлектрика находится под действием растягивающих напряжений, значительных по величине. Результирующие силы в напряженных пленках приводят к растрескиванию диэлектрика, разрыву металлизации, нарушению адгезии окисных и металлических пленок, замыканию через дефекты в окисле между уровнями металлизации и другим видам повреждений межсоединений. Отмечено, что максимум напряжений сосредоточен вокруг контактных окон к нижнему слою металлизации, что создает дополнительные трудности для обеспечения надежности контактов между соседними уровнями.Высокая активность металла к окислу обеспечивает хорошую адгезию, и хорошее качество низкоомного омического контакта изза отсутствия барьерного слоя на границе раздела металлполупроводник. Высокая активность металла нежелательна для МОПструктур с тонким подзатворным окислом, особенно чувствительным к такого рода взаимодействиям. Ограничение степени взаимодействия на границе раздела металл окисел создает проблему получения резкой границы раздела между контактирующими фазами, формирования между ними барьерных слоев, сохранения при этом высокой адгезии металла к окислу. Взаимодействие между компонентами системы межсоединений снижает ее надежность. Использование металлически несовместимых материалов для металлизации первого и второго уровней может привести к их нежелательной взаимной диффузии при повышенной температуре, к образованию интерметаллических соединений, эффекту Киркендалла, деградации межсоединений. Кроме того, методы получения слоев, их дальнейшей обработки не должны влиять на стабильность создаваемой структуры и свойства нижележащих слоев.Требования, предъявляемые к системе многоуровневых межсоединений интегральных микросхем, можно разделить на две основные группы: общие требования: хорошая проводимость, низкоомный омический контакт с сильнолегированным кремнием обоих типов проводимости, отсутствие электромиграции, высокая коррозионная и механическая стойкость и др.; специфические требования: высокая стабильность границы раздела пленкаподложка, сохранение поверхностной однородности металлических пленок при последующих термообработках.Методы получения металлических и диэлектрических пленок должны обеспечить коэффициент заполнения сложных профилей, близкий к единице, сохранить низкоомный омический контакт между уровнями металлизации при последующих термообработках и др. Итак, многоуровневая система межсоединений, состоящая из чередующихся проводящих и диэлектрических слоев, требует тщательного подбора материалов каждого отдельного слоя и технологии их получения. Самая распространенная для одноуровневых межсоединений алюминиевая металлизация в многоуровневых системах может быть использована только в качестве верхнего уровня, который обеспечивает контакт к кремнию обоих типов проводимости и присоединение внешних выводов.Высокие требования к металлизации низких уровней определили разработку и применение новых однои многослойных систем. Примером однослойной системы является металлизация тугоплавкими металлами(молибден, вольфрам), многослойной хромзолото, молибдензолото, вольфрамзолото, титанплатиназолото и др., т.е. такие многослойные системы состоят из проводящего слоя (золота, серебра, меди) и слоя, имеющего хорошую адгезию к подложке и препятствующего диффузии проводящего слоя в полупроводник. В случае взаимной диффузии проводящего и адгезионного слоя при повышенных температурах между ними вводится дополнительный барьерный слой, например, платина в системе титанплатиназолото. Основным недостатком системы металлизации является плохая адгезия и устранить этот недостаток можно путем обработкиионами и тем самым устранить одно из ограничений в применении контактной системы.
Материалы для многоуровневых межсоединений интегральных микросхем
Алюминий является одним из самых распространенных материалов для металлизации полупроводниковых устройств всех типов. Многочисленные достоинства обеспечили этому металлу широкий диапазон функционального применения: межсоединения одноуровневых систем металлизации, низкоомные контакты к диффузионным областям обоих типов проводимости, контакты для присоединения внешних выводов и др. Современные методы исследования позволили установить, что пленки алюминия, полученные термическим напылением в вакууме, обладают неравновесной структурой с большим разбросом по размеру зерна, многочисленными скоплениями дислокаций изза высоких внутренних сжимающих напряжений. Последующие термообработки приводят к активному массовому переносу металла, нарушающему однородность его поверхности. Для сохранения поверхностной однородности металлизацию алюминием следует проводить ограниченно при использовании ее в качестве межсоединений нижнего уровня. Однако в технологии изготовления микросхем использование алюминия ограничено рядом причин: количеством, фотолитографической обработки малых размеров (24 мкм); величиной зерна металлической пленки. Результаты исследования влияния условий осаждения и последующей термообработки пленок алюминия, ванадия, хрома и молибдена на величину порогового напряжения показывает о наличии зависимости между активностью металла к окислу и величиной напряжения плоских зон. Из анализа данных можно сделать вывод, что снижение активности металла электрода, затвора приводит к снижению величины порогового напряжения структуры и дрейфа ВФХ. Таким образом, наиболее предпочтительным является использование менее активных металлов для получения высокостабильных МОПструктур. Алюминий для этой цели не пригоден, так как он имеет высокое пороговое напряжение и наибольший дрейф характеристик.Многие наиболее распространенные металлы имеют низкое контактное омическое сопротивление с кремнием nи ртипа при условии высокой концентрации примесей. Но с возрастанием концентрации примесей сопротивления кремния увеличивается, и контактное сопротивление по нелинейному закону. Выпрямляющий контакт наблюдался для всех металлов с кремнием nтипа сопротивлением выше 0,01 Ом∙см. Аналогичный результат был получен для контактов с кремнием ртипа сопротивлением выше 0,1 Ом∙см. Исключение, составил только алюминий, для которого омический контакт сохранялся вплоть до сопротивления кремния 1 Ом*см.Таблица 1.Зависимость контактного сопротивления от концентрации примесей в полупроводнике
СопротивлениеSi,Oм*см
ТипПроводимостиSi
Материал контакта
AL Al+PtSi
Mo Mo+PtSi
Ni Ni+PtSi
Cr Cr+PtSi
Ti Ti+PtSi0,0010,010,10,020,040,080,5nnnpppp0,096,0
0,030,1
20,00,020,1
0,020,7
10,00,085,0
0,063,0
80,00,020,4
0,031,0
10,00,022,0
0,024,045,0100,00,020,340,00,022,04,020,00,033,0
0,048,0
2000,030,2
0,041,0
15,00,014,0
0,01
0,010,250,00,010,93,015,0
Потенциальным барьером при создании контакта является граница раздела силицид платиныкремний. Обычно термообработка контактов снижает величину контактного сопротивления приблизительно на 50%. Однако исследование температурной стабильности контактов из алюминия показало, что значительно возрастает сопротивление после отжига, особенно при повышенной температуре и средних концентрациях примесей (табл.1). Омические контакты с подслоем из силицида платины сохраняют стабильность. Такое явление свидетельствует о том, что причиной изменения сопротивления контакта при термообработках являются изменения на границе раздела металлкремний. Изменение контактного сопротивления связано с растворением кремния в алюминий и образованием переходного слоя AlxSi1x.Относительно низкие температуры, используемые при ионной обработке кремния, гарантируют отсутствие разрушения структуры зерен алюминия, сохраняют стабильность порогового напряжения при отсутствии паразитных токов утечки между отдельными приборами микросхемы. При этом метод ионной обработки обеспечивает точное введение определенного количества ионов кремния с заранее заданным профилем легирования. Наилучшие результаты были получены в случае, когда максимальное содержание кремния в пленке находилось вблизи границы разделаAl+Siи Al+Si. Для сохранения поверхностной однородности алюминиевых межсоединений при последующих термообработках используют плотные анодные покрытия. Этот вид пассивации поверхности межсоединений позволяет более чем на порядок уменьшить дефектность межслойного диэлектрика благодаря резкому уменьшению плотности крупных бугорков на поверхности алюминия, образующихся после термообработок, и таким образом, сведения к минимуму числа замыканий между уровнями. Развитие интегральной микроэлектроники сдерживается низкой надежностью системы металлизации на основе алюминиевых межсоединений, технологическими возможностями самого материала, существенными ограничениями минимальных размеров токоведущих дорожек, поэтому необходимо осуществить научный поиск принципиально новых материалов для межсоединений [1].
Многослойные структуры перспективные материалы для металлизации межсоединений
Многослойные структуры металлизации обеспечивают полное отсутствие проплавления мелких рnпереходов,способны пропускать большие плотности тока с минимальными потерями и сохраняет высокую стойкость в неблагоприятных внешних условиях. Преимущества и недостатки наиболее pacпространенных металлов, используемых для однослойных и многослойных структур межсоединений, видны из табл.2. Низкая теплота образования окислов серебра и золота свидетельствует об их плохой адгезии и о невозможности использования в однослойных системах межсоединений. Практически все металлы, за исключением алюминия, имеют довольно низкую проводимость, ограничивающую возможность их использования в однослойных системах межсоединений, несмотря на хорошую адгезию к подложке и низкую электромиграцию. Исследования многослойных систем на основе золота показали, что одним из факторов,ограничивающих возможности их использования, является вероятность диффузии золота через нижний адгезионный слой в кремний (температура плавления эвтектики AuSiравна 377°С). Увеличение толщины нижнего слоя хрома или титана до 100 нм и более задерживает эту диффузию, но одновременно снижает проводимость системы вследствие взаимной диффузии металлов. А при уменьшении толщины нижнего слоя до 50 нм хорошая проводимость системы сохраняется, но значительно возрастает вероятность диффузии золота в кремний.Таблица2Основные свойства металлов
Параметры и свойстваAgAu
AlWMoNiPtCrTiКоэффициентсоротивления Ом*см(при 20°С), °СКоэффициентлинейного расширения Коэффициент теплопроводимости, Вт(см*град)∆Fобразования окисла,Ккал ∕ моль
Адгезия
ТравлениеЭнергия активации самодеффузии, ЭвЭлектромиграция1,5
960
19,2
4,2
2,59
Слаб
Легк1,98
выс2,4
1063
14,1
3,1
39.0
Слаб
Легк1,96
выс2,7
660
23,2
2,4
376,7
оч.высЛегк1,48
выс5,6
3410
4,2
1,7
182,5
WвысТруд4,9
низк5,7
2625
5,0
1,4
161,5
высЛегк4,9
низк6,1
1455
12,7
0,9
Выс
Легк2,4
низк9,8
1779
8,9
0,69
Слаб
Труд
низк14,1
1890
8,4
0,87
250
высЛегк
низк15,4
1820
8,5
0,2
204
высТруд
низк
Для системы TiPtAuхарактерным является возрастание сопротивления при условии, если толщина слоя платины сравнима с толщиной слоя золота. Было проведено исследование этих компонентов системыпри термическом старении. Образец состоял из слоя платины толщиной 200 нм и слоя золота переменной толщины 1001000 нм. На рис 1. Показано измерение сопротивления слоев PtAuпосле термостарения при 1000°С в течении 30 мин . В табл.4представлены данные по термическому старению системы TiPtAuс различными толщинами платины и золота. Длясистемы, состоящей из 850 нм Аuи 450 нм TiPt, увеличение сопротивления может быть меньше 50% после 4 ч термического старения. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что даже при наличии реакции между титаном и платиной, платиной и золотом при повышенных температурах увеличение сопротивления может быть незначительным при уменьшении толщины платиновой пленки до минимума, достаточного для сохранения ее барьерных свойств.
Рис 1.Измерение сопротивления слоев PtAuпосле термостарения при 1000°С в течении 30 мин
Изменение проводимости практически не было отмечено при толщине слоя платины около 45 нм.Таблица 5Измерение сопротивления ∆Rслоев TiPtи TiPtAuпосле термостарения при 450°С
Исходное удельное электросопративление,мкОм*смТолщина∆R∕ R,%Золото, нмСлоя TiPt,нмЧерез 2 часаЧерез 4часа454,84,80850600440450300703640
3648
Из данных, приведенных в табл.5 видно, что при толщинах пленок молибдена и вольфрама 0,2 мкм полностью исключается взаимодействие между золотом и кремнием. Отмечено даже некоторое снижение сопротивления систем МоAuи WAuпосле термообработки при 450°С в течение 4 ч. На основе проведенных температурных испытании можно сделать вывод, что изменение сопротивления систем на основе тугоплавких металлов и золота практически не зависит от толщины нижнего слоя в довольно широких пределах.
Таблица 5Сопротивление металлов после термообработки при 450°С на воздухе
Система металлизацииТолщинамкмСопротивление, Ом*смисходноечерез 2 часачерез 4 часаAlCrAuTiAuTiPtAuMoAuWAu0,70,2+0,40,2+0,450,3+0,60,27+0,450,25+0,472,75,85,42,93,13,42,617,412,04.02,82,82,719,018,04,32,82,7
Однако при всех положительных данных по использованию эффективного барьера из тугоплавких металлов системы на их основе не могут полностью решить проблему получения высоконадежных межсоединений интегральных микросхем, так как происходит диффузия кремния в золото через дефекты нижнего слоя на кромках контактных окон даже при температурах ниже эвтектической. Высокую стабильность при термообработках до температуры 600°С и длительном хранении при 200°С имеют многослойные системы PtSiTiMoAu, которые выдержали всё испытания без изменения электрических характеристик. Использование в качестве нижнего слоя титана позволяет создать надежные системы межсоединений с малой геометрией элементов, низкопороговых высокостабильных МОПтранзисторов и др. В системах TiWAuтитан используется для создания диодов Шотки, вольфрам для согласованияКТР титана и золота, а также создания надежной металлической связи между ними. В системах типа TiPtдля предотвращения нежелательной реакции образования интерметаллических соединений на границе раздела этих металлов используется промежуточный слой нитрида титана, эффективность барьера которого настолько высока, что достаточна толщина пленки 10 нм. Тонкий слой этого соединения можно использовать для защиты подзатворного окисла перед осаждением титана. Двухслойная система металлизации ТаAuпозволила разработатьМОПтранзистор с требуемыми характеристиками и стабильностью благодаря дополнительному барьеру вокруг электрода затвора, состоящему из слоя окиси тантала и алюминия (рис.1). На подложку 1 с областями истока 2 и стока 3 наносится слой диэлектрика 4 и 5. Затем производится осаждение пленок тантала 6 толщиной 70 нм и алюминия 7 толщиной 1,5 мкм в одной установке без нарушения вакуума. Двойной слой окислов 810 алюминия и тантала создается анодным травлением.
Рис.2.Схема МОПтранзистора с низким стабилизированным пороговымнапряжением: 1 подложка; 2 исток; 3 сток; 4, 5 диэлектрические слои;6, 7 пленка ,; 8,9слой ; 10слой Ссылки на источники1.ТерриJL,УилсонР.Системы металлизации ИС.2.HolmwoodR.A., Gland R. Vacuum Deposited Molybdenum Films. J.Electrochem. Soc., 1965, 112, p.p.827831.3.Gland R.Materials and processes for passive thin film components. J.Vacuum Sci Tech, 1966, 3, 2, p.p. 3748.
Мирзаева ПатиматМагомедовна,ассистент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет", Махачкалаconfdstu@yandex.ru
Исследование и разработка алгоритмов моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации
Аннотация.Статья посвящена вопросам моделирования процесса обработки ионами контактной системы металлизации.Ключевые слова: алгоритм, ионы, контактная система металлизации, моделирование.
Достижения современной микроэлектроники были бы невозможны без значительных качественных изменений в системе межсоединений интегральных микросхем и без перехода к многоуровневой системе металлизации. Дальнейшее развитие и совершенствование потенциальных возможностей повышения степени интеграции требует внедрения в технологию новых материалов, разработки и усовершенствования методов их получения. Переход к многоуровневой системе металлизации позволяет увеличить процент выхода годных интегральных микросхем и повысить их надежность благодаря значительному сокращению площади кристалла и уменьшению влияния различных случайных дефектов, возникающих в процессе изготовления микросхем.Однако сама многоуровневая система металлизации является источником новых специфических видов отказов: замыкания между уровнями металлизации через дефекты в слое диэлектрика; обрывы металлизации на сложном ступенчатом рельефе поверхности микросхемы; различие контактного сопротивления между отдельными уровнями вследствие реакций в твердом состоянии; реакции взаимодействия между окислом и металлизацией при повышенных температурах и т.д. Одной из наиболее важных и сложных проблем многоуровневых межсоединений является получение качественного неразрывного металлического и окисного покрытия на поверхности подложки со сложным ступенчатым рельефом. Эта проблема существует и для одноуровневых межсоединений, однако в многоуровневых системах решение этой задачи определяет выбор материалов системы, методов их получения и последующей обработки, надежность всей системы межсоединений и, таким образом, работоспособность микросхемы.В проблеме надежности многоуровневых межсоединений микросхем важное место занимают механические напряжения металлических и окисных слоев системы. Известно [1], что первый уровень металлизации под слоем диэлектрика находится под действием растягивающих напряжений, значительных по величине. Результирующие силы в напряженных пленках приводят к растрескиванию диэлектрика, разрыву металлизации, нарушению адгезии окисных и металлических пленок, замыканию через дефекты в окисле между уровнями металлизации и другим видам повреждений межсоединений. Отмечено, что максимум напряжений сосредоточен вокруг контактных окон к нижнему слою металлизации, что создает дополнительные трудности для обеспечения надежности контактов между соседними уровнями.Высокая активность металла к окислу обеспечивает хорошую адгезию, и хорошее качество низкоомного омического контакта изза отсутствия барьерного слоя на границе раздела металлполупроводник. Высокая активность металла нежелательна для МОПструктур с тонким подзатворным окислом, особенно чувствительным к такого рода взаимодействиям. Ограничение степени взаимодействия на границе раздела металл окисел создает проблему получения резкой границы раздела между контактирующими фазами, формирования между ними барьерных слоев, сохранения при этом высокой адгезии металла к окислу. Взаимодействие между компонентами системы межсоединений снижает ее надежность. Использование металлически несовместимых материалов для металлизации первого и второго уровней может привести к их нежелательной взаимной диффузии при повышенной температуре, к образованию интерметаллических соединений, эффекту Киркендалла, деградации межсоединений. Кроме того, методы получения слоев, их дальнейшей обработки не должны влиять на стабильность создаваемой структуры и свойства нижележащих слоев.Требования, предъявляемые к системе многоуровневых межсоединений интегральных микросхем, можно разделить на две основные группы: общие требования: хорошая проводимость, низкоомный омический контакт с сильнолегированным кремнием обоих типов проводимости, отсутствие электромиграции, высокая коррозионная и механическая стойкость и др.; специфические требования: высокая стабильность границы раздела пленкаподложка, сохранение поверхностной однородности металлических пленок при последующих термообработках.Методы получения металлических и диэлектрических пленок должны обеспечить коэффициент заполнения сложных профилей, близкий к единице, сохранить низкоомный омический контакт между уровнями металлизации при последующих термообработках и др. Итак, многоуровневая система межсоединений, состоящая из чередующихся проводящих и диэлектрических слоев, требует тщательного подбора материалов каждого отдельного слоя и технологии их получения. Самая распространенная для одноуровневых межсоединений алюминиевая металлизация в многоуровневых системах может быть использована только в качестве верхнего уровня, который обеспечивает контакт к кремнию обоих типов проводимости и присоединение внешних выводов.Высокие требования к металлизации низких уровней определили разработку и применение новых однои многослойных систем. Примером однослойной системы является металлизация тугоплавкими металлами(молибден, вольфрам), многослойной хромзолото, молибдензолото, вольфрамзолото, титанплатиназолото и др., т.е. такие многослойные системы состоят из проводящего слоя (золота, серебра, меди) и слоя, имеющего хорошую адгезию к подложке и препятствующего диффузии проводящего слоя в полупроводник. В случае взаимной диффузии проводящего и адгезионного слоя при повышенных температурах между ними вводится дополнительный барьерный слой, например, платина в системе титанплатиназолото. Основным недостатком системы металлизации является плохая адгезия и устранить этот недостаток можно путем обработкиионами и тем самым устранить одно из ограничений в применении контактной системы.
Материалы для многоуровневых межсоединений интегральных микросхем
Алюминий является одним из самых распространенных материалов для металлизации полупроводниковых устройств всех типов. Многочисленные достоинства обеспечили этому металлу широкий диапазон функционального применения: межсоединения одноуровневых систем металлизации, низкоомные контакты к диффузионным областям обоих типов проводимости, контакты для присоединения внешних выводов и др. Современные методы исследования позволили установить, что пленки алюминия, полученные термическим напылением в вакууме, обладают неравновесной структурой с большим разбросом по размеру зерна, многочисленными скоплениями дислокаций изза высоких внутренних сжимающих напряжений. Последующие термообработки приводят к активному массовому переносу металла, нарушающему однородность его поверхности. Для сохранения поверхностной однородности металлизацию алюминием следует проводить ограниченно при использовании ее в качестве межсоединений нижнего уровня. Однако в технологии изготовления микросхем использование алюминия ограничено рядом причин: количеством, фотолитографической обработки малых размеров (24 мкм); величиной зерна металлической пленки. Результаты исследования влияния условий осаждения и последующей термообработки пленок алюминия, ванадия, хрома и молибдена на величину порогового напряжения показывает о наличии зависимости между активностью металла к окислу и величиной напряжения плоских зон. Из анализа данных можно сделать вывод, что снижение активности металла электрода, затвора приводит к снижению величины порогового напряжения структуры и дрейфа ВФХ. Таким образом, наиболее предпочтительным является использование менее активных металлов для получения высокостабильных МОПструктур. Алюминий для этой цели не пригоден, так как он имеет высокое пороговое напряжение и наибольший дрейф характеристик.Многие наиболее распространенные металлы имеют низкое контактное омическое сопротивление с кремнием nи ртипа при условии высокой концентрации примесей. Но с возрастанием концентрации примесей сопротивления кремния увеличивается, и контактное сопротивление по нелинейному закону. Выпрямляющий контакт наблюдался для всех металлов с кремнием nтипа сопротивлением выше 0,01 Ом∙см. Аналогичный результат был получен для контактов с кремнием ртипа сопротивлением выше 0,1 Ом∙см. Исключение, составил только алюминий, для которого омический контакт сохранялся вплоть до сопротивления кремния 1 Ом*см.Таблица 1.Зависимость контактного сопротивления от концентрации примесей в полупроводнике
СопротивлениеSi,Oм*см
ТипПроводимостиSi
Материал контакта
AL Al+PtSi
Mo Mo+PtSi
Ni Ni+PtSi
Cr Cr+PtSi
Ti Ti+PtSi0,0010,010,10,020,040,080,5nnnpppp0,096,0
0,030,1
20,00,020,1
0,020,7
10,00,085,0
0,063,0
80,00,020,4
0,031,0
10,00,022,0
0,024,045,0100,00,020,340,00,022,04,020,00,033,0
0,048,0
2000,030,2
0,041,0
15,00,014,0
0,01
0,010,250,00,010,93,015,0
Потенциальным барьером при создании контакта является граница раздела силицид платиныкремний. Обычно термообработка контактов снижает величину контактного сопротивления приблизительно на 50%. Однако исследование температурной стабильности контактов из алюминия показало, что значительно возрастает сопротивление после отжига, особенно при повышенной температуре и средних концентрациях примесей (табл.1). Омические контакты с подслоем из силицида платины сохраняют стабильность. Такое явление свидетельствует о том, что причиной изменения сопротивления контакта при термообработках являются изменения на границе раздела металлкремний. Изменение контактного сопротивления связано с растворением кремния в алюминий и образованием переходного слоя AlxSi1x.Относительно низкие температуры, используемые при ионной обработке кремния, гарантируют отсутствие разрушения структуры зерен алюминия, сохраняют стабильность порогового напряжения при отсутствии паразитных токов утечки между отдельными приборами микросхемы. При этом метод ионной обработки обеспечивает точное введение определенного количества ионов кремния с заранее заданным профилем легирования. Наилучшие результаты были получены в случае, когда максимальное содержание кремния в пленке находилось вблизи границы разделаAl+Siи Al+Si. Для сохранения поверхностной однородности алюминиевых межсоединений при последующих термообработках используют плотные анодные покрытия. Этот вид пассивации поверхности межсоединений позволяет более чем на порядок уменьшить дефектность межслойного диэлектрика благодаря резкому уменьшению плотности крупных бугорков на поверхности алюминия, образующихся после термообработок, и таким образом, сведения к минимуму числа замыканий между уровнями. Развитие интегральной микроэлектроники сдерживается низкой надежностью системы металлизации на основе алюминиевых межсоединений, технологическими возможностями самого материала, существенными ограничениями минимальных размеров токоведущих дорожек, поэтому необходимо осуществить научный поиск принципиально новых материалов для межсоединений [1].
Многослойные структуры перспективные материалы для металлизации межсоединений
Многослойные структуры металлизации обеспечивают полное отсутствие проплавления мелких рnпереходов,способны пропускать большие плотности тока с минимальными потерями и сохраняет высокую стойкость в неблагоприятных внешних условиях. Преимущества и недостатки наиболее pacпространенных металлов, используемых для однослойных и многослойных структур межсоединений, видны из табл.2. Низкая теплота образования окислов серебра и золота свидетельствует об их плохой адгезии и о невозможности использования в однослойных системах межсоединений. Практически все металлы, за исключением алюминия, имеют довольно низкую проводимость, ограничивающую возможность их использования в однослойных системах межсоединений, несмотря на хорошую адгезию к подложке и низкую электромиграцию. Исследования многослойных систем на основе золота показали, что одним из факторов,ограничивающих возможности их использования, является вероятность диффузии золота через нижний адгезионный слой в кремний (температура плавления эвтектики AuSiравна 377°С). Увеличение толщины нижнего слоя хрома или титана до 100 нм и более задерживает эту диффузию, но одновременно снижает проводимость системы вследствие взаимной диффузии металлов. А при уменьшении толщины нижнего слоя до 50 нм хорошая проводимость системы сохраняется, но значительно возрастает вероятность диффузии золота в кремний.Таблица2Основные свойства металлов
Параметры и свойстваAgAu
AlWMoNiPtCrTiКоэффициентсоротивления Ом*см(при 20°С), °СКоэффициентлинейного расширения Коэффициент теплопроводимости, Вт(см*град)∆Fобразования окисла,Ккал ∕ моль
Адгезия
ТравлениеЭнергия активации самодеффузии, ЭвЭлектромиграция1,5
960
19,2
4,2
2,59
Слаб
Легк1,98
выс2,4
1063
14,1
3,1
39.0
Слаб
Легк1,96
выс2,7
660
23,2
2,4
376,7
оч.высЛегк1,48
выс5,6
3410
4,2
1,7
182,5
WвысТруд4,9
низк5,7
2625
5,0
1,4
161,5
высЛегк4,9
низк6,1
1455
12,7
0,9
Выс
Легк2,4
низк9,8
1779
8,9
0,69
Слаб
Труд
низк14,1
1890
8,4
0,87
250
высЛегк
низк15,4
1820
8,5
0,2
204
высТруд
низк
Для системы TiPtAuхарактерным является возрастание сопротивления при условии, если толщина слоя платины сравнима с толщиной слоя золота. Было проведено исследование этих компонентов системыпри термическом старении. Образец состоял из слоя платины толщиной 200 нм и слоя золота переменной толщины 1001000 нм. На рис 1. Показано измерение сопротивления слоев PtAuпосле термостарения при 1000°С в течении 30 мин . В табл.4представлены данные по термическому старению системы TiPtAuс различными толщинами платины и золота. Длясистемы, состоящей из 850 нм Аuи 450 нм TiPt, увеличение сопротивления может быть меньше 50% после 4 ч термического старения. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что даже при наличии реакции между титаном и платиной, платиной и золотом при повышенных температурах увеличение сопротивления может быть незначительным при уменьшении толщины платиновой пленки до минимума, достаточного для сохранения ее барьерных свойств.
Рис 1.Измерение сопротивления слоев PtAuпосле термостарения при 1000°С в течении 30 мин
Изменение проводимости практически не было отмечено при толщине слоя платины около 45 нм.Таблица 5Измерение сопротивления ∆Rслоев TiPtи TiPtAuпосле термостарения при 450°С
Исходное удельное электросопративление,мкОм*смТолщина∆R∕ R,%Золото, нмСлоя TiPt,нмЧерез 2 часаЧерез 4часа454,84,80850600440450300703640
3648
Из данных, приведенных в табл.5 видно, что при толщинах пленок молибдена и вольфрама 0,2 мкм полностью исключается взаимодействие между золотом и кремнием. Отмечено даже некоторое снижение сопротивления систем МоAuи WAuпосле термообработки при 450°С в течение 4 ч. На основе проведенных температурных испытании можно сделать вывод, что изменение сопротивления систем на основе тугоплавких металлов и золота практически не зависит от толщины нижнего слоя в довольно широких пределах.
Таблица 5Сопротивление металлов после термообработки при 450°С на воздухе
Система металлизацииТолщинамкмСопротивление, Ом*смисходноечерез 2 часачерез 4 часаAlCrAuTiAuTiPtAuMoAuWAu0,70,2+0,40,2+0,450,3+0,60,27+0,450,25+0,472,75,85,42,93,13,42,617,412,04.02,82,82,719,018,04,32,82,7
Однако при всех положительных данных по использованию эффективного барьера из тугоплавких металлов системы на их основе не могут полностью решить проблему получения высоконадежных межсоединений интегральных микросхем, так как происходит диффузия кремния в золото через дефекты нижнего слоя на кромках контактных окон даже при температурах ниже эвтектической. Высокую стабильность при термообработках до температуры 600°С и длительном хранении при 200°С имеют многослойные системы PtSiTiMoAu, которые выдержали всё испытания без изменения электрических характеристик. Использование в качестве нижнего слоя титана позволяет создать надежные системы межсоединений с малой геометрией элементов, низкопороговых высокостабильных МОПтранзисторов и др. В системах TiWAuтитан используется для создания диодов Шотки, вольфрам для согласованияКТР титана и золота, а также создания надежной металлической связи между ними. В системах типа TiPtдля предотвращения нежелательной реакции образования интерметаллических соединений на границе раздела этих металлов используется промежуточный слой нитрида титана, эффективность барьера которого настолько высока, что достаточна толщина пленки 10 нм. Тонкий слой этого соединения можно использовать для защиты подзатворного окисла перед осаждением титана. Двухслойная система металлизации ТаAuпозволила разработатьМОПтранзистор с требуемыми характеристиками и стабильностью благодаря дополнительному барьеру вокруг электрода затвора, состоящему из слоя окиси тантала и алюминия (рис.1). На подложку 1 с областями истока 2 и стока 3 наносится слой диэлектрика 4 и 5. Затем производится осаждение пленок тантала 6 толщиной 70 нм и алюминия 7 толщиной 1,5 мкм в одной установке без нарушения вакуума. Двойной слой окислов 810 алюминия и тантала создается анодным травлением.
Рис.2.Схема МОПтранзистора с низким стабилизированным пороговымнапряжением: 1 подложка; 2 исток; 3 сток; 4, 5 диэлектрические слои;6, 7 пленка ,; 8,9слой ; 10слой Ссылки на источники1.ТерриJL,УилсонР.Системы металлизации ИС.2.HolmwoodR.A., Gland R. Vacuum Deposited Molybdenum Films. J.Electrochem. Soc., 1965, 112, p.p.827831.3.Gland R.Materials and processes for passive thin film components. J.Vacuum Sci Tech, 1966, 3, 2, p.p. 3748.
