CC BY
291
УДК 621.791.16:621.382
ПОВЕРХНОСТНОЕ И УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВУХСЛОЙНОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В.В. Зенин, И.А. Каданцев, О.В. Марченко, Н.В. Черемухина
Приведены результаты исследований поверхностного и удельного сопротивлений двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок силовых полупроводниковых приборов. Установлено, что величина удельного и поверхностного сопротивлений двухслойной алюминиевой металлизации (с подслоем А1-№ и с подслоем А1-ТІ) одинаковой толщины, нанесенной на кремний выше, чем у аналогичных образцов, нанесенных на БЮ2
Ключевые слова: алюминий, металлизация, кристалл, сопротивление
Металлические пленки широко используются в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов, магнитных и резистивных элементов интегральных схем. Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов исходных проводниковых материалов. Одной из причин такого различия является разнообразие структурных характеристик тонких пленок, получаемых методом конденсации молекулярных пучков в высоком вакууме. При варьировании условий конденсации структура образующихся пленок может изменяться от предельно неупорядоченного мелкодисперсного состояния (аморфный конденсат) до структуры весьма совершенного монокристалличе-ского слоя (эпитаксиальные пленки). Другая причина изменения свойств материала в пленочном состоянии связана с проявлением размерных эффектов, т.е. с возрастающей ролью поверхностных процессов по сравнению с объемными. В частности, в электропроводности размерный эффект возникает в том случае, когда толщина пленки оказывается соизмеримой со средней длиной свободного пробега электронов. В этих условиях допущение о независимости удельного сопротивления материала от геометрических размеров образца становится несправедливым. Структура пленок претерпевает существенные изменения на различных стадиях конденсации. У большинства пленок в функциональной зависимости удельного сопротивления р от толщины наблюдаются три различные области. Первая область соответствует толщине около 0,1 мкм и выше. В этой области удельное сопротивление близко к сопротивлению массивного образца. Вторая область охватывает диапазон изменения
Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-905-051-19-79
Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-908-148-43-62
Марченко Олег Васильевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-904-214-03-07
Черемухина Наталья Викторовна - ОАО «ВЗПП-Сборка», ведущий инженер, тел. 8-908-147-60-23 238
толщины от 10-1 до 10-2 мкм. На этом участке удельное сопротивление пленки уже существенно больше сопротивления массивного образца. Третья область, соответствующая толщине порядка 10-3 мкм, характеризуется очень высоким удельным сопротивлением [1]. Это объясняется тем, что на различных стадиях конденсирования могут возникать островковые структуры пленок, имеющие низкую электропроводность.
В электронной промышленности с целью повышения надежности ППИ за счет исключения нарушений диэлектрического покрытия в процессе присоединения внутренних выводов предложено на контактных площадках кристаллов формировать два слоя алюминиевой металлизации по следующей схеме: нижний толщиной более толщины защитного диэлектрического покрытия легируют до микротвердости не менее микротвердости материала вывода, а верхний - толщиной не менее 0,4 мкм не легируют [2].
Известно большое число методов измерения поверхностного Кпое и удельного р сопротивлений [3]. По взаимодействию измеряемых образцов и средств измерения эти методы подразделяются на бесконтактные и контактные.
К контактным методам относятся четырех-зондовый, трехзондовый, двухзондовый методы и метод сопротивления растекания. В электронной промышленности для измерения поверхностного сопротивления пленок широко используется четы-рехзондовый метод. Данный метод реализуется подачей электрического сигнала и снятием ответной реакции с пленки иглообразными зондами, которые обеспечивают контакт с пленкой (рис. 1). Условием его применимости с точки зрения формы образца является наличие плоской поверхности, линейные размеры которой превосходят линейные размеры системы зондов.
При использовании прибора для измерения сопротивлений пленок необходимо обращать серьезное внимание на давление зондов на исследуемую пленку. Проколы пленок искажают результаты измерений. Поэтому необходимо использовать зонды из сплавов «с памятью» с соответствующим закруглением концов. Перспективным способом контроля сопротивления является использование в
качестве зондов золотой проволоки с шариком на конце. Перед измерением структуру затемняют.
Рис. 1. Схема измерения поверхностного и удельного сопротивлений четырехзондовым методом: 1 - 4 -зонды: 5 - источник тока: 6 - пластина
С помощью источника тока по амперметру А в цепи токовых зондов 1 - 4 устанавливается ток.
Вольтметром V с большим входным сопротивлением измеряют напряжение между зондами 2 и 3 при двух противоположных направлениях тока, получая значения и23 и и32. В расчетах принято использовать среднее значения напряжения
иср=( П23+ Пз2)/2. (1)
Определив иср между зондами 2 и 3, находят поверхностное сопротивление
Япов=К ПсР/I, кОм/п, (2)
где К - коэффициент, зависящий от взаимного расположения зондов (К= 9,06 при расположении зондов по вершинам квадрата и К = 4,53 при расположении зондов в линию).
Зная Кпое, удельное сопротивление пленок вычисляют по формуле
р=Япов ё, Ом-см, (3)
где ё - толщина пленки.
Поверхностное сопротивление, Ом/п
Рис. 2. Интегральное распределение поверхностного сопротивления двухслойной алюминиевой металлизацией с нижним слоем А1+1%№ на кристаллах без активных областей: 1 - алюминий общей толщиной 4,5 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Бц 2 - алюминий общей толщиной 4,5 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на БЮ2; 3 - алюминий общей толщиной 6,0 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Бц 4 - алюминий общей толщиной 6,0 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на БЮ2
Применение этого метода обусловлено его высокими метрологическими показателями, простотой конструкции измерительных средств, возможностью проведения измерений удельного сопротивления как объемных монокристаллов, так и полупроводниковых слоев в различного типа слоистых структурах, например, с диффузионными, ионно-имплантированными и эпитаксиальными слоями.
Исследования поверхностного сопротивления двухслойной алюминиевой металлизации проводились на установке ИУС-3. Результаты измерений представлены на рис. 2.
Удельное сопротивление двухслойной алюминиевой металлизации рассчитывалось по формуле 3. Толщина ё металлизации с подслоем А1-№ составляла для различных видов образцов 4,5 мкм и 6,0 мкм, с подслоем А1-Т1 - 6,7 мкм. На рис. 3 и 4 представлены значения удельного сопротивления пленок, которые практически совпадают со значениями удельных сопротивлений нелегированных алюминия и титана. Исследованиями установлено, что значение поверхностного и удельного сопротивления в среднем выше на металлизациях (с подслоем А1-№) общей толщиной 4,5 мкм, нанесенных как на кремний, так и на 8Ю2, чем на металлизациях общей толщиной 6,0 мкм. На рис. 3 и 4 показано, что на двухслойной алюминиевой металлизации одинаковой толщины, нанесенной на кремний, величина удельного и поверхностного сопротивлений выше, чем у аналогичных образцов, нанесенных на 8Ю2.
Удельное сопротивлениех! 08 , Ом м
Рис. 3. Интегральное распределение удельного сопротивления двухслойной алюминиевой металлизацией с нижним слоем Аь№ на кристаллах без активных областей: 1 - алюминий общей толщиной 4,5 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Бц 2 - алюминий общей толщиной 4,5 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на БЮ2; 3 - алюминий общей толщиной 6,0 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Бц 4 -алюминий общей толщиной 6,0 мкм с нижним слоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенный на БЮ2
Таким образом, величина удельного и поверхностного сопротивлений двухслойной алюминиевой металлизации (с подслоем А1-№ и с подслоем А1-ТІ) одинаковой толщины, нанесенной на кремний выше, чем у аналогичных образцов, нанесенных на 8і02.
Литература
1. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: учебн. для студ. вузов по спец. «Полупроводники и микроэлектронные приборы» / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин // 2-е изд., перераб. и доп. -СПб.: Издательство «Лань», 2004 - 367 с.
2. А.с. 1685216 СССР, МКИ4 И01Ь 21/60. Способ изготовления полупроводниковых приборов / А.И. Колычев, В.В. Зенин, В.И. Фролов и др. (СССР).-6 с.
3. Измерения и контроль в микроэлектронике: Учеб. пособие для вузов по специальностям электрон. техники/Дубовой Н. Д., Осокин В. И., Очков А. С. и др. / Под ред. А. А. Сазонова. - М.: Высш. шк., 1984. - 367 с.
4. Зенин В. В. Влияние состава алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов силовых полупроводниковых приборов на качество сварных соединений с алюминиевой проволокой / В.В. Зенин, И. А Каданцев, Д. И. Бокарев // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 149-153.
Воронежский государственный технический университет ОАО «ВЗПП-Сборка»
SUPERFICIAL AND SPECIFIC RESISTANCE OF THE TWO-LAYER ALUMINIUM METALLIZATION OF CONTACT PLATFORMS CRYSTALS OF POWER SEMI-CONDUCTOR DEVICES V.V. Zenin, I.A. Kadanstev, O.V. Marchenko, N.V. Cheremuhina
Results of researches of superficial and specific resistance of two-layer aluminum metallization of contact platforms of power semi-conductor devices are resulted. It is established that size of specific and superficial resistance of two-layer aluminum metallization (with intermediate layer Al-Ni and with intermediate layer Al-Ti) the identical thickness put on silicon above, than at the similar samples put on SiO2
Key words: aluminum, metallization, chip, resistance
S?100
g 90 ! 80 І 70 § 60 I 50 І 40 ^ 30 20 10 -0
3,5
4,5 5 5,5 6 6,5
Удельное сопротивление хІО -, Ом-м
Рис. 4. Интегральное распределение удельного сопротивления двухслойной алюминиевой металлизацией с нижним слоем А1-Т1 на кристаллах без активных областей: 1 - алюминий общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем А1 + 1% Т1 толщиной 1,1 мкм, нанесенный на 81; 2 - алюминий общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем А1 + 1% Т1 толщиной 1,1 мкм, нанесенный на 8Ю2
Следует отметить, что значение поверхностного и удельного сопротивлений на металлизации с подслоем А1-Т1 несколько выше, чем у аналогичных образцов с подслоем А1-Ы1 Можно предположить, что это связано с тем, что удельное сопротивление титана (5,6-10-7 Ом-м) выше, чем удельное сопротивление никеля (8,7-10-8 Ом-м), а оба этих материала были обнаружены на поверхности металлизации [4].
4
