Надежность металлизации и контактов интегральных схем. Характеристика и параметры надежности

Осаждение тонких металлических пленок для создания законченной структуры интегральной схемы с соединениями требует решения многих сложных проблем. В большинстве случаев металлизация осуществляется с применением процесса фотолитографии, т.е. на фоторезисте создается рисунок соединения, определяющий участки, с которых металл должен быть удален и в которых должен быть оставлен. Последовательность нанесения слоя фоторезиста и металла может быть изменена.

Разрыв металлической пленки. Обычно на слое фоторезиста создают требуемый рисунок соединений и затем на всю поверхность пластины осаждают пленку металла, удаляемую с участков, на которых имеется фоторезист, совместно с последним. Если пленка металла относительно толстая и непрерывна по всей поверхности пластины, в ней могут возникнуть разрывы и зазубрины на краях, как показано на рис.3.1 Это само по себе не выдвигает новых проблем, если отдельные частицы металла остаются на пластине.

В ряде случаев сначала наносят на всю поверхность пластины металлическую пленку, а затем уже фоторезист. Металл стравливают с участков, где он нежелателен. Этот процесс менее распространен из-за проблем, связанных с химическими реакциями и адгезией металла к подложке.

Рисунок 3.1 - Диффузионные выбросы и зазубрины в металлической пленке (1000-кратное увеличение).

Адгезия металла. Если адгезия металлической пленки к чистому кремнию, окисному покрытию и тонкопленочным компонентам неудовлетворительна, то металл может легко отрываться и обдираться. Обычно с кремнием используется алюминий и золото. Однако у золота плохая адгезия к SiO₂, тогда как у алюминия она удовлетворительна и, следовательно, алюминий более широко применяется при изготовлении интегральных схем. Однако применение алюминия имеет и недостатки.

Адгезия алюминия к пленке двуокиси кремния улучшается при небольшом повышении температуры вследствие образования на границе раздела слоя А1₂О₃ - SiO₂ Поэтому для получения хорошей адгезии пластины в процессе осаждения алюминия следует нагревать. При избыточном нагреве процесс образования соединения А1₂О₃ - SiO, протекает очень быстро, причем алюминий проходит через стекло и сплавляется с кремнием. Это явление особенно опасно в тех случаях, когда поверхность кремниевой пластины защищена тонким слоем стекла, как, например, в некоторых МОП-конденсаторах.

Рисунок 3.2 - Двухслойная металлизация.

Вследствие образования "пурпурной чумы" некоторые фирмы перешли к использованию только алюминиевых контактов и соединений. Другие решают эту проблему путем использования серебра или золота для создания контактов и тугоплавкого металла, например хрома, в качестве промежуточного слоя для улучшения адгезии металлов к стеклу. На рис.3.2 приведено поперечное сечение этих систем.

Фирма Philco сообщила о применении системы хром-серебро, фирма Texas Instruments использует тонкий слой алюминия для улучшения адгезии, затем слой молибдена для защиты поверхности раздела и для изоляции алюминия и слой золота, которое наносится на поверхность для улучшения прикрепления проволочных выводов к контактным площадкам.

Отслаивание и растрескивание тонкого слоя А1. Как уже говорилось выше, если адгезия металла к SiO2 неудовлетворительна, пленка начинает отслаиваться. Загрязнение поверхности пластины при проведении фотолитографии или из-за других причин также приводит к отслаиванию пленки. Существует дешевый и быстрый способу проверки адгезии, заключающийся в наклеивании липкой ленты на поверхность пластины и последующем удалении ее. Если вместе с лентой снимается тонкая пленка металла, адгезия считается неудовлетворительной.

Металлическая пленка обычно очень мягка и легко царапается в процессе дальнейшей обработки пластины, поэтому при проведении зондовых испытаний следует тщательно следить за тем, чтобы не возникали царапины на пленке. Царапины, проходящие через металлическую пленку, аналогичны разрыву проволочных выводов, приводящему к отказу схемы.

Химические реакции. Алюминиевая пленка может реагировать с остатками химических реагентов, используемых в процессе изготовления схемы, и с пленкой двуокиси кремния. При осаждении достаточного количества алюминия на пленку SiO2 соответствующей толщины нежелательных реакций не возникает. Алюминий химически очень активен. Особенно большие трудности возникают в тех случаях, когда алюминиевая пленка реагирует с щелочными, кислотными или спиртовыми растворами, образуя непроводящие черные (иногда белые) соединения.