2.2. Задание №2 Изучить конструкцию и материалы элементов разводки в мдп-имс

Методические указания по выполнению второго задания

Для выполнения второго задания следует изучить материал /3, с. 129-132/. В микросхемах на МДПТ в качестве элементов коммутации используют высоколегированные диффузионные шины с низкими значениями сопротивления. Эти шины изолированы от объема полупроводниковой подложки обратносмещенным р-п пере­ходом (рис. 3), а сверху покрыты изолирующей пленкой SiO₂, по поверхности которой прокладываются металлические проводя­щие дорожки (алюминий) в направлении, перпендикулярном рас­положению диффузионных шин. При использовании в качестве затворов поликристаллического кремния (ППК) создается еще один (третий) уровень разводки. Для этого проводящие дорожки формируют при диффузионном или ионном легировании ППК. Удельное поверхностное сопротивление токоведущих сигнальных шин в МДП БИС имеет следующее значение: для алюминиевых шин p_s ≤ 0,05 Ом/□, для диффузионных шин р⁺-типа p_s ≤ 50 Ом/□, для диффузионных шин n⁺-типа p_s ≤ 10 Ом/□, для шин из ППК p_s ≤ 40 Ом/□.

По мере уменьшения размеров элементов СБИС возникают новые требова­ния к материалам и технологии создания разводки.

Предназначенные для создания затворов и соединяющих их шин разводки ППК обладают существенными преимуществами: низкие пороговое напряжение и контактное сопротивление с шинами других уровней разводки и с монокристаллическим кремнием; плавное перекрытие крутых ступе­нек; стабильность границ раздела ППК – окисел, ППК – крем­ний; высокая разрешающая способность литографических процес­сов.

Рис. 3. Элементы коммутации в полупроводниковой микросхеме

1 – металлизация обратной стороны подложки; 2 – монокристаллический кремний n-типа; 3 – пленка SiO₂; 4 – алюминиевая шина ком­мутации

Однако при ширине дорожек менее 2 мкм высокое сопротивле­ние ограничивает применение пленок ППК.

Уменьшить сопротивление разводки можно, применив пленки тугоплавких металлов или их силицидов. Они имеют низкое поверхностное сопротивление; наносимые поверх пленок ПК (рис. 4), они играют роль шунта поликремниевой шины разводки. Металлические молибденовые или вольфрамовые шунты требуют нанесения защитного слоя, предотвращающего их от окисления. У вольфрамовых пленок при толщине 0,12 мкм p_s ≈ l Ом/□. Посколь­ку химическое или иное травление пленок Мо и W – процесс слож­ный, а на заключительных этапах создания микросхем на МДП-транзисторах даже нежелательный, разработаны методы селектив­ного осаждения этих материалов на поверхность пленок ПК. Среди силицидов тугоплавких металлов привлекают к себе внимание силицид молибдена и силицид вольфрама. Использованный для формирования затворов и раз­водки силицид молибдена MoSi­₂ при толщине пленки 0,3 мкм имеет ρ_s = 3,5 Ом/□. Столь низкое удельное поверхностное, сопротивле­ние позволяет уменьшить задержку из-за распределенных сопро­тивлений и емкостей в линиях связи примерно в десять раз по срав­нению с задержкой, свойственной приборам с поликремниевыми затворами и разводкой.

Рис. 4. Коммутация в МДП БИС с исполь­зованием легированного поликремния (а) и поликремния с шунтом из тугоплавких пере­ходных металлов (W, Мо) или их силици­дов (б):

1— кремниевая подложка; 2 – пленка SiO₂,; 3 – пленка поликристаллического кремния; 4— пленка переходного металла (или силицида)

При создании соединений между элементами БИС возникают собственные требования: устойчи­вость к электромиграции при высоких плотностях тока, равномерное плавное перекрытия ступенек в слое диэлектрика, устойчи­вость к коррозии и возможность хорошей приварки проволочных выводов.

Оценки показывают, что при размерах элементов в несколько мкм алюминиевые сплавы обладают преимущест­вами. Однако с уменьшением ширины дорожек до 1 мкм сущест­венную роль начинают играть три недостатка: ограниченные воз­можности алюминия с точки зрения пропускания через него тока, его недостаточно стабильный контакт с кремнием и его склонность к коррозии.

Любая возможная замена алюминия имеет свои недостатки, но вольфрам обладает наиболее перспективным сочетанием свойств. Вольфрам, по-видимому, будет наиболее перспективным металлом для создания разводки.

Диэлектрики, разделяющие слои разводки, должны удовлетворять следующим требованиям: пленки не должны иметь значительных механических напряжений и должны быть устойчивыми к растрески­ванию, они должны содержать минимум дефектов, обеспечивать гладкую поверхность, пленка должна быть барьером для пере­носа примесей и обладать низкой диэлектрической постоянной.

Для получения гладкого рельефа пленок их осаждение и отжиг должен производиться при возможно более низких температурах.

В основном в качестве межслойных диэлектриков применяют пленки SiO₂, осажденные из газовой фазы и из плазмы, а также пленки нитрида кремния, фосфоросиликатного и борофосфоросиликатных стекол. К этому следует добавить полиимидные пленки, особенно с учетом того, что они позволяют улучшить планарность.