CC BY
212
УДК 681.3
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ М.Г. Мустафаев, А.М. Кармоков
Рассмотрены системы межсоединений элементов интегральной электроники. Определены влияющие факторы и пути обеспечения надежности элементов и компонентов систем
Ключевые слова: система, межсоединения, надежность, металлизация
Достижения современной радиоэлектроники были бы невозможны без значительных качественных изменений в системе межсоединений элементов интегральной электроники [1], без перехода к многоуровневой системе межсоединений. Дальнейшее развитие и совершенствование потенциальных возможностей высоких степеней интеграции потребовало внедрения в технологию новых материалов, разработки и усовершенствования методов их получения [2]. Переход к многоуровневой системе межсоединений позволяет повысить надежность элементов интегральной электроники (ЭИЭ), благодаря значительному сокращению площади кристалла и уменьшению влияния различных случайных дефектов, возникающих в процессе их изготовления.
Вместе с тем многоуровневая система межсоединений является источником новых видов отказов: замыкания между уровнями металлизации через дефекты в слое диэлектрика; обрывы металлизации на сложном ступенчатом рельефе поверхности; различие контактного сопротивления между отдельными уровнями вследствие реакций в твердом состоянии; реакции взаимодействия между оксидом и металлизацией при повышенных температурах и т.д. Получение качественного неразрывного металлического и оксидного покрытия на поверхности подложки со сложным ступенчатым рельефом в многоуровневых системах решается выбором материалов системы, методов их получения и обработки, надежностью всей системы межсоединений.
На надежность многоуровневых
межсоединений ЭИЭ существенно влияет механические напряжения металлических и оксидных слоев системы. Проведенный анализ показал, 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 оксидных и металлических пленок, замыканию
Мустафаев Марат Гусейнович - НПП “Экофон”, аспирант, e-mail: mshadow@inbox.ru Кармоков Ахмед Мацеевич - КБГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(866)73-63-80
через дефекты в оксиде между уровнями металлизации и другим видам повреждений межсоединений. Максимум напряжений
сосредоточен вокруг контактных окон к нижнему слою металлизации, что создает дополнительные трудности для обеспечения надежности контактов между соседними уровнями.
Получение качественной металлизации
элементов интегральной электроники (ЭИЭ) является трудно выполнимая технологическая задача [3].
Одним из требований к металлизации межсоединений ЭИЭ является обеспечение хорошей адгезии проводящих металлических пленок к подложке, а также ее сохранение при последующих обработках и эксплуатации приборов [4], особенно при высоких температурах. Повышенные
требования к адгезии металлизации многоуровневых межсоединений связаны с большим разнообразием используемых материалов, трудностью согласования их свойств, значительным увеличением внутренних напряжений в многослойной системе металл-диэлектрик-металл. Известно, что адгезия материалов определяется не
только их свойствами, но и степенью
взаимодействия этих материалов на границе раздела [5,6]. Причем связь осуществляется либо за счет химической реакции на границе раздела фаз либо под действием сил Ван-дер-Ваальса. В каждом случае энергии связи и свойства получаемых соединений будут различны.
При подборе контактирующих материалов особое внимание следует уделить одному из основных свойств металлических пленок, определяющих качество их адгезии к оксидной подложке - теплоте образования оксидов. Хорошую адгезию к оксидной подложке имеют металлы с высокой отрицательной теплотой образования оксидов, в этом случае на границе раздела пленка-подложка происходит интенсивное взаимодействие с образованием пограничного слоя. Адгезия тугоплавких металлов выше, чем легкоплавких с одинаковой теплотой образования оксидов. Вероятно, это связано со значительно большей кинетической энергией частиц при конденсации пленок тугоплавких металлов.
Причиной ухудшения адгезии металлизации при последующих термообработках можно считать
действие высоких внутренних напряжений в металлических пленках.
Важным условием для обеспечения хорошей адгезии металлических пленок межсоединений, в частности, многоуровневых является формирование пограничного слоя определенной толщины, обеспечивающего надежное сцепление пленки и подложки. Для получения требуемых свойств на границе раздела необходимы не только тщательный выбор контактирующих материалов, но и условий их получения. Качество обработки поверхности подложки перед металлизацией должно гарантировать отсутствие барьерных слоев на границе раздела фаз. Использование металлов с близким к подложке коэффициентом термического расширения уменьшает собственные внутренние напряжения, что также увеличивает запас прочности.
Эффективным для получения качественных промежуточных слоев является использование кислородно-реактивных материалов на оксидных подложках, в частности металлов с большой теплотой образования оксидов (титан, вольфрам, молибден, тантал, хром и др.). Оптимальный режим получения металлических пленок для межсоединений и совместимость контактирующих материалов обеспечивают надежную адгезию металлизации.
Величина внутренних напряжений в тонких металлических пленках зависит от технологических параметров процесса их осаждения и последующих обработок [7]. Для многоуровневых межсоединений изменение внутренних напряжений в металлических проводящих пленках имеет еще большее значение, так как даже в простейшем случае - двухуровневой системы межсоединений нижний слой металлизации подвергается трехкратным термообработкам для осаждения последующих диэлектрических и металлических слоев. В системах с большим числом уровней количество таких слоев и необходимых для их осаждения термообработок увеличивается, что повышает вероятность отказов вследствие отрицательного действия высоких внутренних напряжений. Это определяет достаточно жесткие требования к материалам для металлизации, особенно нижнего уровня, который находится в более не благоприятных с этой точки зрения условиях.
Целесообразно использовать разнотипные материалы для металлизации различных уровней межсоединений. Так, для нижнего уровня можно рекомендовать жесткие материалы с высоким модулем упругости и высокой отрицательной теплотой образования оксидов (вольфрам, молибден, тантал и др.). Сочетание этих свойств позволяет получать межсоединения с минимальными значениями внутренних напряжений и хорошей адгезией к подложке.
Для металлизации верхнего слоя межсоединений можно рекомендовать самый распространенный металл - алюминий.
Многочисленные достоинства делают его наиболее
предпочтительным, а величину внутренних напряжений, которую определяет низкий модуль упругости, можно снизить с помощью технологических приемов.
Кроме того, сохранение поверхностной однородности металлизации тугоплавкими металлами гарантирует высокую надежность многоуровневых межсоединений вследствие отсутствия трещин в межслойном диэлектрике и, таким образом, замыканий между уровнями.
С целью обеспечения надежности межсоединений необходимо применять высококачественные диэлектрики, которые, помимо высокой диэлектрической прочности, низких механических напряжений, хорошей адгезии, должны быть хорошо совместима с материалами примыкающих к ним слоев многоуровневых межсоединений, не оказывая на них какого-либо вредного воздействия, быть технологичными при нанесении и последующей обработке.
Для обеспечения высокого качества и надежности диэлектрических покрытий
необходимым является оптимальное сочетание материалов металлизации и диэлектрика, условий их получения и термообработок.
Для получения качественных многоуровневых межсоединений важной является обеспечение низкой плотности микропор в межслойном диэлектрике для исключения возможности замыканий между уровнями металлизации.
Термообработки диэлектрических пленок после осаждения влияют на их характеристики, вследствие изменения величины внутренних напряжений. Исследование внутренних напряжений диэлектрических пленок показало, что они вызываются главным образом термическими и структурными факторами.
Термические напряжения возникают во время осаждения пленки и распределены неравномерно по всей толщине системы пленка-подложка. Их величина максимальна на границе раздела пленка-подложка и минимальна на внешней поверхности пленки и определяется различием температурных коэффициентов расширения пленки и подложки и для многих диэлектрических пленок величина термических напряжений прямо пропорциональна толщине пленки. Следует отметить, что соотношение температурных коэффициентов расширения пленки и подложки не только влияет на величину, но и на знак термических напряжений.
В многослойных структурах с чередующимися слоями металла и диэлектрика свойства диэлектрических пленок существенным образом зависят не только от условий их получения и свойств нижнего слоя межсоединений, но определяются также материалом и режимами получения верхнего слоя межсоединений.
Применение специальных технологических приемов, например, медленное охлаждение, после процесса осаждения верхнего слоя межсоединений, приводит к значительному снижению величины внутренних напряжений, вызванных разницей
коэффициентами термического расширения металлической и диэлектрической пленки. Важно проведение медленного охлаждения после любых термообработок алюминиевой металлизации. В этих условиях обеспечивается низкая скорость рекристаллизации и, следовательно, минимальное нарушение однородности поверхности
металлизации, снижение внутренних напряжений в диэлектрической пленке.
Высокая активность металла к оксиду обеспечивает хорошую адгезию, и хорошее качество низкого омического контакта из-за отсутствия барьерного слоя на границе раздела металл -полупроводник. Ограничение степени
взаимодействия на границе раздела металл - оксид создает проблему получения резкой границы раздела между контактирующими фазами, формирования между ними барьерных слоев, сохранения при этом высокой адгезии металла к оксиду. Взаимодействие между компонентами системы межсоединений снижает ее надежность. Использование несовместимых материалов для металлизации первого и второго уровней может привести к их нежелательной взаимной диффузии при повышенной температуре, к образованию интерметаллических соединений, эффекту Киркендалла, т.е. к деградации межсоединений. Кроме того, методы получения слоев их дальнейшей обработки не должны влиять на стабильность создаваемой структуры и свойства нижележащих слоев.
Методы получения металлических и диэлектрических пленок выбирают из условия обеспечения коэффициента заполнения сложных профилей, близкий к единице, сохранить низкий омический контакт между уровнями металлизации при последующих термообработках. Таким образом, многоуровневая система межсоединений, состоящая из чередующихся проводящих и диэлектрических слоев, требует тщательного подбора материалов каждого отдельного слоя и технологии их получения.
Высокие требования к металлизации [8, 9] низких уровней определили разработку и применение новых одно- и многослойных систем. Примером однослойной системы является металлизация тугоплавкими металлами (молибден, вольфрам), а многослойной - хром-золото, молибден-золото, вольфрам-золото, титан-платина-золото и др. 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 при повышенных температурах между ними вводится дополнительный барьерный слой, например, платина в системе титан-платина-золото.
металлов сделало возможным их широкое использование для металлизации нижнего и верхнего уровней многоуровневых межсоединений.
Системы межсоединений, выполненные на основе тугоплавких металлов, свободны от многих
Для получения минимальных потерь
проводимости межсоединений необходимо использовать хорошо проводящие металлы, которые обладают низким сопротивлением омического контакта с кремнием. Проведенный анализ показывает, что многие металлы имеют низкое контактное омическое сопротивление с кремнием пи р - типов при условии высокой концентрации примесей.
Подслой из силицида платины не только значительно снижает величину контактного
сопротивления при средних значениях
сопротивления кремния, но и приводит к получению приблизительно одинакового сопротивления контакта независимо от вида используемого металла. Это указывает на то, что потенциальным барьером при создании контакта является граница раздела силицид платина-кремний.
Необходимо отметить, что использование многослойных систем межсоединений, решающее целый ряд сложных задач по созданию надежных и стабильных элементов и компонентов, вносит новый вид отказов, который связан с необходимостью обеспечения воспроизводимости процесса получения многослойных систем.
Надежность элементов и компонентов радиоэлектронных систем существенно зависит от надежности системы металлизации на основе алюминиевых межсоединений, технологическими возможностями самого материала, существенными ограничениями минимальных размеров
токоведущих дорожек. Поэтому применение принципиально новых материалов для межсоединений позволит значительно улучшить их характеристики.
Использование низкотемпературных систем металлизации значительно ограничивает температурный диапазон процесса получения диэлектрических слоев. С повышением температуры осаждения качество межслойного диэлектрика повышается. Приблизиться по основным параметрам к термическому оксиду возможно с использованием межсоединений из тугоплавких металлов.
Достоинством металлизации тугоплавкими
металлами является возможность получить надежную многоуровневую систему
межсоединений. Это обусловлено высокой температурой плавления металлов, что гарантирует отсутствие дополнительных деформаций, возникающих при последующих термообработках межсоединений, вплоть до температур в диапазоне 800-1100°С. Хорошее качество металлизации
тугоплавкими металлами позволяет сохранить однородность ее поверхности в процессе осаждения межслойного диэлектрика и последующих слоев металлизации. Это свойство пленок из тугоплавких недостатков, присущих более легкоплавким
системам, воспроизводимость параметров, высокие технические характеристики и надежность системы межсоединений элементов интегральной электроники.
Литература
1. Таруи Я. Основы технологии СБИС. - М.: Радио и связь, 1985, С.286
2. Мустафаев Г.А. Тонкие пленки на основе полупроводниковых соединений для приборов микроэлектроники // Цветная металлургия, 1994, №7, С.28-31
3. Технология тонких пленок // Под ред. Л. Майселла, Р. Гленга. - М.: Советское радио, 1977, С.664
4. Мустафаев Г.А. Датчики на основе полупроводниковых структур // Машиностроитель-информатика, 1997, №2, С.23-24
5. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок.
Размерные и структурные эффекты. - М.: Атомиздат, 1979, С.196
6. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. - М.: Мир, 1972, С.2б0
7. Мустафаев Г.А. Пленки соединений и сплавов для микротермопреобразователей и датчиков излучений // Цветная металлургия, 1995, №9, С.33-34
8. Любимова Л.К. Металлизация в
полупроводниковых приборах \\ Электронная техника сер.2., 1977, вып.3, С.35-38
9. Лихтман Е.Н., Донишев Б.Г. Многослойные контактные системы на основе молибдена и алюминия // Электронная техника сер.2., 1971, вып.4, С.46-51
Научно-производственное предприятие “Экофон” Кабардино-Балкарский государственный университет
MAINTENANCE OF DEPENDABILITY OF ELEMENTS AND COMPONENTS OF RADIOELECTRONIC SYSTEMS M.G. Mustafaev, A.M. Karmakov
Systems of an interconnection wiring of elements of integrated electronics are considered. Influencing factors and ways of maintenance of dependability of elements and components of systems are defined
Key words: system, interconnections, reliability, metallization
