Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 «Проектирование топологии ИМС» по дисциплинам «Микро- и нанотехнологии производства электронных средств». Бадаев А.С., Борисов В.И

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

Методические указания

к лабораторным работам № 1-4 «Проектирование топологии ИМС» по дисциплинам «Микро- и нанотехнологии

производства электронных средств» направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств»

(магистерская программа подготовки «Информационные

технологии проектирования электронных средств,

выполненных по субмикронной технологии»)

и «Физико-химические основы технологии электронных средств» направления 211000.62 «Проектирование

и технология электронных средств» (профиль

«Проектирование и технология радиоэлектронных средств»)

очной формы обучения

Воронеж 2012

Составили: канд. физ.-мат. наук А.С. Бадаев,

В.И. Борисов

УДК 621.382.2/.3

Методические указания к лабораторным работам № 1-4 «Проектирование топологии ИМС» по дисциплинам «Микро- и нанотехнологии производства электронных средств» направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств» (магистерская программа подготовки «Информационные технологии проектирования электронных средств, выполненных по субмикронной технологии») и «Физико-химические основы технологии электронных средств» направления 211000.62 «Проектирование и технология электронных средств» (профиль«Проектирование и технология радиоэлектронных средств») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государ­ственный технический университет»; сост. А.С. Бадаев, В.И. Борисов. Воронеж, 2012. 56 с.

В методических указаниях изучаются технологии формирования МОП-транзисто­ров и других элементов МОП ИМС. Осваивается проектирова­ние топологии МОП-структур с помощью САПР Cadence Virtu­oso. Тематика лаборатор­ных работ соответствует рабочим програм­мам дисциплин «Микро- и нанотехнологии электронных средств», «Физико-химические основы технологии элек­тронных средств».

Методические указания предназначены для студентов 1 и 3 курсов обучения.

Методические указания подготовлены в электрон­ном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле LLab1.doc.

Табл. 4. Ил. 33. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.И. Митрохин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Б.Ю. Балашов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический

университет», 2012

Лабораторная работа № 1

Проектирование металлической

разводки в МОП-ИМС

1. Общие указания

1.1. Цель работы

Получение навыков проектирования топологии ИМС с помощью САПР Cadence Virtuoso, изучение конструкционно-технологических вариантов и материалов металлической разводки ИМС, проектирование металлической разводки в ИМС.

1.2. Содержание работы

Основным содержанием работы является: изучение технологии изготовления омических контактов, коммутационных проводников, многоуровневой и многослойной алюминиевой разводки, изучение перспективных систем металлической разводки. Освоение САПР Cadence Virtuoso и проектирование в этой среде алюминиевой разводки ИМС.

Обучение осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученных студентами знаний и навыков производиться при собеседовании путем оценки ответов на контрольные вопросы, а также при выполнении лабораторной работы.

Время выполнения домашних заданий 3 ч. Общее время на выполнение лабораторных заданий, включая собеседование и отчет по лабораторной работе 4ч.

1.3. Указания по технике безопасности

В процессе работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности при работе с электроустановками напряжением до 1000 В.

2. Домашние задания и методические

указания по их выполнению

2.1. Задание № 1

Ознакомиться с технологией изготовления одноуровневой пленочной металлической разводки ИМС. В заготовку отчета занести фрагмент топологии ИМС с алюминиевой разводкой, отметить ее достоинства и недостатки.

Методические указания по выполнению первого задания

Для выполнения задания необходимо ознакомиться с материалом / 1, с.200-202; 2, с. 188-190/.

В полупроводниковых ИМС электрические межэлементные связи осуществляются, как правило, с помощью пленочных проводников. Материал пленочных проводников должен обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам активных и пассивных элементов схемы, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и допускать разделение пленки на очень узкие полоски с большой точностью, а также быть металлургически совместимым с металлами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Пленочные проводники соприкасаются с участками кремниевых структур через окна в слое термически выращенной окисной пленки, образуя электрический контакт (рис. 1). Для осуществления электрической связи между элементами микросхемы необходимо сформировать невыпрямляющие омические контакты.

Омические контакты. Они должны обладать высокой электропроводностью, теплопроводностью, механической прочностью. Материал контакта должен иметь хорошую адгезию к кремнию и окислу, химическую инертность, устойчивость к воздействию окружающей среды.

Наиболее распространенным материалом для контактов, коммутационных шин и контактных площадок является алюминий. Он обладает большой электропроводностью (p_v=2,7·10^-6 Ом·см), имеет хорошую адгезию к кремнию и SiO₂, пластичен, технологичен (т.е. легко наносится на поверхность микросхемы в виде тонкой пленки, плотно заполняет окна в окисле, поддается фотолитографической обработке и дает качественные контакты с внешними прово­лочными выводами методом термокомпрессии), образует низкоомный контакт к кремнию р- и n-типов, дешев.

Рис. 1. Конструкция одноуровневой металлической разводки ИМС

Для получения низкоомного стабильного контакта и улучшения адгезии к Si и SiO₂ проводится вжигание алюминиевых контактов в среде инертного газа при температуре 500...550ºС. При этом происходит взаимная диффузия и растворение алюминия в кремнии и кремния в алюминии, что ведет к повышению механической прочности контакта, но одновременно может изменить его электрофизические характеристики. При вжигании в кремний р-типа алюминий, будучи акцептором, дополнительно легирует поверхностный слой кремния, что увеличивает проводимость контакта.

При вжигании в низколегированный кремний n-типа концентрация акцепторных атомов алюминия может превысить концентрацию донорных атомов легиру­ющей примеси, что приведет к формированию р-n перехода. Контакт перестанет быть омическим, невыпрямляющим. Чтобы этого не случилось, область контакта в кремнии n-типа дополнительно легируют донорами, превращая ее в слой n⁺-типа с концентрацией доноров не менее .

Для уменьшения растворения кремния в алюминии, что часто нежелательно, в месте их контакта в настоящее время используют для создания металлизации не чистый алюминий, а сплав алюминия с кремнием, содержащий около 1% Si.

Коммутационные проводники. Их наносят непосредственно на термический окисел кремния. Минимальная ширина дорожек определяется возможностями литографии (2...4 мкм в настоящее время, менее 1 мкм в перспективе). В связи с особенностями автоматизированного проектирования и изготовления фотошаблонов изгиб проводников возможен на 90 или 45° (рис 2, 3).

Рис. 2. Фрагмент микросхемы с диффузионным резистором, расположенным поверх него пленочным алюминиевым проводником, двумя контактными и термокомпрессионным соединениями: 1 - резистор; 2 - прохождение проводника над резистором; 3 – токорастекатели; 4 – первая контактная площадка

В интегральных микросхемах с одноуровневой разводкой проводящие дорожки могут располагаться над резисторами поверх защитного диэлектрика (рис. 2), что облегчает конструирование разводки.

Рис. 3. Система соединений с алюминиевыми дорожками, диффузионной перемычки, контактной площадкой, гермокомпрессионным соединением и крестообразной отметкой (ключом контактной площадки): 1 - диффузионная перемычка; 2 - контактная площадка; 3 - ключ

Когда в одноуровневой разводке не удается избежать пересечений, применяют диффузионные перемычки (рис. 3). Речь идет о развязке в двух уровнях двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых идет поверх защитного окисла, второй проходит под ним в виде участка n⁺-слоя. Так как этот участок имеет заметное сопротивление (3...5 Ом), он вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (он должен быть обязательно помещен в отдельную изолированную область), диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки неприемлемы в цепях питания, так как по ним протекают достаточно большие токи.

К недостаткам алюминиевой металлизации относятся: низкая прочность, пластичность, ведущие к механическим повреждениям пленки; низкая температура рекристаллизации, приводящая при нагревах к росту одних зерен алюминиевой пленки за счет других, к появлению на пленке неровностей и к повреждению лежащего поверх пленки защитного диэлектрического слоя; существенное различие коэффициентов термического расширения алюминия, кремния и окисла кремния, приводящее к возникновению механических напряжений в микросхемах при их нагревах и охлаждениях; способность алюминия образовывать хрупкие интерметаллические соединения в месте присоединения к алюминиевой пленке золотых проволочных выводов; склонность к коррозии в электролитах.

Рис. 4. Многоуровневая коммутация: 1 – слой ; 2 – первый слой металлизации; 3 – второй слой металлизации; 4 – защитный слой стекла; 5 – третий слой металлизации; 6 – диэлектрическая изоляция

Существенным недостатком алюминия как материала коммутационных пленочных проводников является подверженность его атомов электромиграции, т.е. их направленному перемещению под действием носителей тока («электронного ветра») при высоких плотностях тока (более 5·10⁵ А/см²) и повышенных температурах (100... ...150°С). Это приводит к возникновению дефектов в пленке в области контакта, к резкому снижению надежности микросхемы.

Недостатком алюминиевой металлизации является нерешенность до конца проблемы получения хорошего контакта между двумя пленками алюминия, что очень важно для структур с несколькими уровнями металлизации (рис. 4) и растворимость алюминия в растворах для протравливания окон в диэлектрических пленках, вызванная его амфотерностью. Последнее обуславливает определенные технологические трудности при вскрытии окон в защитном диэлектрике для доступа к контактным площадкам и протравливания окон в межслойном диэлектрике при создании структур с несколькими уровнями металлизации (рис. 4).

2.2. Задание №2

Изучить технологию многоуровневой и многослойной разводки, перспективные варианты многоуровневой разводки.

Методические указания по выполнению второго задания

Для выполнения второго задания следует изучить материал /3, с.73-78/.

Многоуровневая разводка позволяет резко сократить площадь, занимаемую схемой за счет уменьшения площади, отводимой под разводку и увеличения плотности размещения элементов. Точнее, многоуровневая разводка позволяет сохранить размеры кристаллов полупроводниковых БИС в приемлемых для технологии пределах при значительном увеличении степени интеграции. Многоуровневая разводка позволяет также уменьшить длину межэлементных связей в микросхеме и задержку распространения сигналов, что очень важно для сверхбыстродействующих БИС. Несмотря на попытки использовать для межуровневой металлизации другие металлы, почти все серийные БИС выпускаются с алюминиевой металлизацией. Изоляция одного уровня металлических проводников от другого осуществляется при помощи диэлектрика — обычно SiO₂ или фосфоросиликатного стекла, содержащего до 4% P₂O₅. Перспективны полимерные пленки, формируемые путем нанесения полиимидного лака, выдерживающие температуру обработки до 400°С.

Основной вопрос, который встает при работе по созданию многоуровневой разводки - об отсутствии сквозных отверстий в пленке изолирующего диэлектрика, разрывов и утончений в металлических пленках на ступеньках диэлектрических слоев.

Для предотвращения разрывов и утончений в металлических пленках принимают необходимые конструктивные и технологические меры: отношение толщины слоя окисла к толщине металлической пленки должно быть более 1,3; осуществляется сглаживание ступенек в диэлектрике у сквозных отверстий и на пересечениях металлических дорожек разных уровней; увеличивается толщина металлических проводников более высоких уровней металлизации.

Перспективные системы многоуровневой разводки. Пленки SiO₂ в многоуровневой разводке не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к межуровневой изоляции, поэтому поиск перспективного межуровневого диэлектрика и способов его нанесения актуален. К примеру, пленки Al₂O₃ отличаются от SiO₂ высокой плотностью, лучшими изолирующими свойствами, малочувствительны к воздействию атмосферы, паров воды, обладают более высокой радиационной стойкостью.

На кремниевую пластину со вскрытыми в пленке окисла кремния окнами под омические контакты напыляют пленку алюминия. Поверх этой пленки формируют маску фоторезиста. Пластина с защитной маской присоединяется к аноду установки электролитического окисления, и незащищенные участки алюминия окисляются на всю глубину. Затем фоторезистивную маску удаляют и перед напылением второго слоя алюминия поверхность пластины очищают ионным травлением. После напыления второго слоя алюминия процесс повторяют для формирования второго уровня металлизации. Участки анодированного алюминия Al₂O₃ изолируют первый и второй уровни металлизации, а в нужных местах уровни контактируют. Далее по той же технологии можно получить третий и следующие слои металлизации. Максимальная температура получения металлизации не должна превышать 500°С.

Межуровневая изоляция из полиимида перспективна для БИС с высокой плотностью упаковки элементов. После нанесения первого уровня металлизации и получения в ней рисунка с помощью фотолитографии на поверхность подложки наносят слой полиимидного лака и проводят термообработку для его полимеризации. Вскрытие окон в пленке полиимида выполняют ионным травлением. Для получения последующих уровней металлизации процесс повторяется. Полиимидная изоляция отличается хорошими физическими, химическими и электрическими свойствами, которые сохраняются на воздухе в диапазоне температур от 260 до 420°С.

В вакууме полиимид устойчив вплоть до 500ºС. Полиимидные пленки по сравнению с пленками окиси кремния имеют более высокую адгезию к алюминию и другим металлам, которая сохраняется после термоциклирования и испытаний на термоудар. Плотности сквозных микроотверстий в полиимидных пленках и пленках SiO₂ сравнимы. Растрескивание пленок полиимида в отли­чие от пленок окиси кремния не наблюдается. Полиимидные пленки отличаются высокой радиационной стойкостью. Многоуровневая разводка с полиимидным диэлектриком позволяет уменьшить число отказов микросхем из-за разрывов металлизации на ступеньках диэлектрика.