Металлы в микроэлектронике

Полупроводниковые материалы

С позиции физической природы электропроводности у полупроводников существует два отличительных фактора:

1) подвижные носители заряда в полупроводниках при любой отличной от нуля температуре существуют в двух видах, различных по знаку заряда – электроны (n) и дырки (p);

2) возможность изменения величины и вида проводимости полупроводников путем введения в них примесных атомов является наиболее характерным свойством этих материалов, лежащих в основе работы любых микроэлектронных устройств.

Полупроводники являются базисным, т. е. основным материалом современной микроэлектроники. Основные элементы полупроводников расположены в III – V группах таблицы Менделеева (табл. 3.1).

III	IV	V
B	C	N
Al	Si	P
Ga	Ge	As
In	Sn	Sb

Исторически первым широко используемым полупроводниковым материалом был германий. Его существование было предсказано Менделеевым и названо экасилицием. Открыт германий был Винклером в 1886 г. На базе германия был создан ряд дискретных приборов, включая диоды, точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был вытеснен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность образования на его поверхности тонкого, прочного и влагостойкого слоя двуокиси кремния (SiO₂), используемой в качестве защитного покрытия в процессе локальной диффузии, подзатворного диэлектрика и изоляции схемных элементов ИС. Кремний был открыт Берцелиусом в 1824 г. и является одним из самых распространенных элементов в природе (25 %). Распространенность германия гораздо меньшая, всего 2,104 %, и в природе он встречается в виде GeO₂.

Кремний обладает рядом преимуществ по сравнению с германием. Он имеет большую ширину запрещенной зоны (1,12 эВ против 0,7 эВ у Ge), что повышает рабочую температуру изделий до 14О ^оС. У кремниевых р–n -переходов меньшие обратные токи, что уменьшает паразитную связь между элементами и позволяет создавать ИС с меньшим уровнем рабочих токов (меньше 1 мкА). Кремниевые МОП транзисторы имеют более высокое пороговое напряжение, что обеспечивает большую помехоустойчивость логических схем. Кремний обладает меньшей диэлектрической проницаемостью (12),что снижает барьерную емкость переходов и увеличивает быстродействие ИС. Наконец, кремний как полупроводниковый материал более технологичен, в частности, при создании диэлектрических пленок SiO₂ и Si₃N₄ с хорошей адгезией к кремниевым пластинам. Эти диэлектрические слои используются, как отмечалось выше, в качестве подзатворного диэлектрика, маски при локальной диффузии, при защите и планаризации поверхности, в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов. Перечисленные выше преимущества обеспечивают кремнию в настоящее время лидирующее положение в современной микроэлектронике.

Наряду с простыми полупроводниками (Ge и Si), широко используются сложные, типа A^IIIB^V (GaAs) и др. Арсенид галлия находит применение при создании быстродействующих ИС, а также туннельных диодов, фотодиодов, генераторов Ганна, полупроводниковых лазеров. Однако технология изготовления ИС на базе GaAs более сложна. Не следует также забывать о токсичности мышьяка, образующего в соединении с водородом сильное отравляющее вещество арсин (AsH₃).

Потенциально в качестве самого перспективного полупроводникового материала следует считать алмаз. Его большая ширина запрещенной зоны (5,5 эВ), фантастическая теплопроводность (на порядок выше, чем у кремния), прозрачность в видимой и ИК области, инертность к внешним воздействиям делает его наиболее перспективным полупроводниковым материалом. Однако высокая стоимость природных алмазов, сложность технологии получения искусственных алмазов для целей микроэлектроники вынуждают считать алмаз полупроводниковым материалом будущего.

Диэлектрические материалы

В планарной технологии микроэлектроники, кроме полупроводниковых материалов, широко используются диэлектрики в виде тонких защитных и изолирующих слоев. Это, в первую очередь, диоксид кремния (SiO₂), затем стехиометрический нитрид кремния (Si₃N₄) и просто нитрид кремния (SiN), поликристаллический и аморфный кремний и другие однокомпонентные и многокомпонентные диэлектрические слои.

Требования к диэлектрическим материалам, используемым в технологии микроэлектроники, определяются их функциональной ролью. Так, подзатворный диэлектрик должен обладать высокой электрической прочностью и малыми зарядовыми состояниями. В интегральных конденсаторах большой емкости изолирующая прослойка между обкладками должна обладать большим значением диэлектрической постоянной. Защитная маска при локальной диффузии должна быть непроницаемой для основных диффузантов. Фоторезист должен быть химически стойким к травителям и т.д. Кроме всего прочего, диэлектрик должен обладать технологичностью нанесения и удаления, хорошей адгезией к подложке и рядом других свойств.

Одним из важных параметров диэлектрических слоев является электросопротивление. Применительно к тонкопленочным диэлектрикам можно говорить об удельном поверхностном сопротивлении, которое понимается как сопротивление квадрата, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через противоположные стороны этого квадрата.

В общем случае при измерении электросопротивления тонких слоев диэлектриков следует учитывать как поверхностное (R_п), так и объемное (R_о) сопротивление, с учетом которого суммарное сопротивление R_S будет равно

R_S = R_o^.R_п / (R_o+R_п),

что видно из приведенной эквивалентной схемы

Рассмотрим вкратце основные свойства и области использования диэлектрических материалов – окисла (SiO₂) и нитрида (Si₃N₄) кремния.

Окисел кремния можно получать термическим, пиролитическим и вакуумно-плазменными методами [3]. Термическое окисление поверхности кремниевых пластин в среде кислорода является наиболее простым и экономичным способом получения. Попутно отметим, что чистая поверхность монокристаллического кремния в атмосфере воздуха уже при комнатной температуре самопроизвольно покрывается тонким слоем SiO₂ толщиной в 2 – 5 нм.

Пленки окисла кремния, как отмечалось выше, используются в качестве подзатворного диэлектрика, маскирующего слоя в процессе локальной диффузии или ионной имплантации полупроводников, изолирующей пленки между многоуровневой металлизацией, барьера от автодиффузии в процессе термообработки, пассивирующего покрытия на поверхности сформированных схем и в ряде других случаев. При легировании бором, фосфором или мышьяком окисел кремния используется в качестве диффузионного источника. После легирования бором и фосфором, окисел кремния, именуемый как боро-, фосфоро- или борофосфоросиликатное стекло (БСС, ФСС и БФСС соответственно), применяется для планаризации рельефа поверхности интегральных схем при многоуровневой металлизации. Диэлектрические, прочностные и другие свойства окисла кремния зависят от способа его получения.

Диэлектрические слои нитрида кремния(Si₃N₄) также получили широкое применение в микроэлектронике, благодаря освоению низкотемпературной плазменной технологии его получения. По ряду параметров Si₃N₄ превосходит SiO₂.

В микроэлектронике нитрид кремния применяется в качестве барьера от диффузии примесных щелочных металлов; он почти непроницаем для влаги и обладает низкой скоростью окисления. Стехиометрический нитрид кремния (Si₃N₄) используется как защитная маска при травлении окисла, и в качестве подзатворного диэлектрика в МОП-структурах совместно с диоксидом кремния. Плазмохимический нитрид кремния (SiN) используется в качестве пассивирующего слоя, а также как защитный слой от механических повреждений.

В настоящее время диоксид и нитрид кремния, благодаря технологичности их получения, являются наиболее распространенными диэлектриками в микроэлектронике.

Поликристаллический кремний также находит широкое применение в микроэлектронике. В зависимости от степени легирования он может быть использован в качестве затвора в МОП-структурах, для формирования интегральных резисторов, в виде источника диффузии при создании мелких p–n -переходов, при формировании проводящих дорожек и для создания ОМ-контактов.

В случае легирования кислородом с последующим температурным отжигом, поликристаллический кремний окисляется и в виде SiO₂ используется как диэлектрик, хотя по параметрам уступает высокотемпературному окислу кремния.

 

Металлы в микроэлектронике

Металлы в микроэлектронике используются, главным образом, в процессе металлизации, т.е. при создании проводящих каналов, соединяющих отдельные элементы в единую интегральную схему, а также при создании омических контактов, обкладок конденсаторов, затворов в МОП структурах, в барьерах Шоттки, в фотошаблонах, внешних выводах, в качестве материала для корпусов интегральных схем и др.

К металлам, используемым в микроэлектронике, предъявляется ряд специфических требований, а именно: низкое удельное сопротивление, хорошая адгезия, технологичность (низкая температура плавления, удобство нанесения в виде пленки, возможность сварки с внешними выводами), экономичность (низкая стоимость), коррозионная стойкость и др.

На протяжении всего периода развития микроэлектроники наибольшее распространение в микроэлектронике получил алюминий, отвечающий перечисленным выше качествам и, главным образом, благодаря возможности термического распыления.

В последнее время, благодаря широкому внедрению магнетронного распыления материалов, широко используются силициды тугоплавких металлов (W, Mo, Ti, Ta и др.), которые, благодаря низкому удельному сопротивлению (ниже 100 мкОм ^. см) и малому времени задержки при прохождении сигналов, вытеснили применяемый до этого легированный поликремний в затворных структурах МОП. Технология нанесения металлических пленок будет рассмотрена в последующих главах.

Кроме рассмотренных выше основных материалов, в микроэлектронике широко используются не менее важные вспомогательные материалы. Так, в литографии при создании рисунка интегральной схемы применяется большое количество позитивных и негативных фоторезистов. Для размерного жидкостного или вакуумно-плазменного травления защитных масок, а также для создания металлических межсоединений используется большой набор различных кислот, органических растворителей и газообразных веществ. Наконец, в гибридных интегральных схемах в качестве подложки используются специальные керамики, пасты и защитные лаки. Более подробно об этих материалах будет сказано в последующих разделах.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: