5.2. Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для пленарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так

ираспространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора

итем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

-быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

-обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

-иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

-обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Рис.5.2. Контакты к планарным приборам: а - локальные; б – распространенные

-представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

-металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

-не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

-обеспечивать проведение фотолитографии;

-глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла ϕмет и кремния ϕSi

удовлетворяли условиям: ϕмет <ϕSi для Si n-типа; и ϕмет >ϕSi для Si p - типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n+-типа. Между n-- и n+-областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением ρk . Величина этого сопротивления в основном

зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

ρ			dj	−1
	k	=		.
		dU U =0

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

ρk =	k	exp	eϕB	,
	eA*T
			kT
где A* = 4πem*k 2 / h3 - постоянная	Ричардсона (е - заряд электрона; k -

постоянная Больцмана; m* - эффективная масса носителей заряда;

h - постоянная Планка); ϕВ - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 1017 см-3, ρk не зависит от уровня

легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

	4π	ε		m*	ϕ
ρk ≈ exp		h	S			B	,
					N
							D
где εS - диэлектрическая постоянная кремния; ND - концентрация примеси в
полупроводнике. С ростом концентрации					выше 1019 см-3 ρk быстро

уменьшается. В табл.5.1 представлены значения ϕВ для наиболее

употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

Материал	ϕВ для кремния	ϕВ для кремния р-
контакта	n-типа	типа
Аl	0,72	0,58
Сr	0,61	0,50
Мo	0,68	0,42
Pt	0,90	0,61
Ti	0,50	-
PtSi	0,84	-
Pd2Si	0,72 - 0,75	-
TaSi2	0,59	-
TiSi2	0,60	-
WSi2	0,65	-

Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение

ρk = A ρb ,

где А = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.

При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением ρn , общее сопротивление контакта R

можно подсчитать по формуле

R =	ρ	k	[a k cth(ak)]=	ρ	n	a cth(ak)
									,
	a b				b			ak

Где а – ширина контакта; b – его длина;

k = ρn .

ρk

Следует отметить, что сопротивление контакта в большей степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.

Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (например, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта, но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инертность металла, но

способность восстанавливать пленки на кремнии). Удовлетворять все требования, применяя любой металл, практически невозможно.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающих на частотах до 1ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность восстановления окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условия совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой – барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

Для контактного слоя могут быть использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линейного расширения. Применение меди не всегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и p-типов; имеет высокую объемную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наносится из металлоорганических соединений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (например с натрием).

Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt5Si2, чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. Однако металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.

Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.

Для проводящего слоя могут быть выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, поэтому их используют редко.