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

Многослойная разводка. Алюминиевая разводка одного уровня и многоуровневая оправдали себя при использовании в БИС, работающих на частотах до 1 ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования в отношении надежности. В микросхемах повышенной надежности используют коммутационные проводники и контактные площадки, состоящие из нескольких слоев различных материалов.

В частности, качество алюминиевой металлизации можно существенно улучшить путем совместного ее использования с другими материалами, из которых наиболее часто используют переходные металлы, например: молибден, палладий. Молибден и палладий в таких двухслойных системах металлизации играют роль контактного слоя.

Контактным слоем в многослойных системах металлизации называют первый по порядку нанесения на полупроводниковую структуру слой, обеспечивающий омический контакт к кремнию любого типа проводимости в широком диапазоне легирующих кремний примесей n- или р-типа (10¹⁷ ...10²¹ см^-3). Контактный слой должен обеспечивать прочный контакт с кремнием и с материалами вышележащих слоев.

Материал контактного слоя должен иметь малую растворимость и малую диффузионную подвижность в кремнии, низкое переходное сопротивление в контакте с кремнием, способность к восстановлению SiO₂ (как и алюминий), он должен иметь хорошую адгезию к SiO₂.

В качестве материала контактного слоя используют молибден, хром, никель, титан, платину, палладии, иридий и др. В современных БИС и СБИС с диодами Шотки материал контактного слоя должен образовывать с кремнием барьер Шотки в диапазоне концентраций легирующих примесей (10¹³...10¹⁸ см ^-3) с необходимой высотой потенциального барьера и близкой к идеальной вольт-амперной характеристикой. Такими материалами являются никель, вольфрам, молибден, силицид платины (PtSi).

Молибден обеспечивает получение хорошего омического контакта к кремнию обоих типов проводимости, имеет высокую электропроводность, не взаимодействует с алюминием и золотом, хорошо травится в процессе фотолитографии и отвечает большинству приведенных требований к контактному слою. К недостаткам молибденовых пленок относят их сравнительно высокую пористость, а также химическую активность, приводящую к коррозии.

Хром отличается очень хорошей адгезией к пленке SiO₂. Как и алюминий, он активно восстанавливает SiO₂. Пленки хрома имеют сравнительно высокие механические напряжения, что приводит к образованию в них сквозных пор.

Никель часто применяется благодаря его технологичности. Он легко наносится из растворов электролитов. Его можно наносить термовакуумным напылением, катодным распылением, разложением паров карбонила Ni(CO)₄ при температуре 270...310°С.

Титан часто применяется в качестве контактного подслоя. Как и другие переходные металлы, титан обладает высокой адгезией к кремнию, окиси кремния и к фосфоросиликатному стеклу. Титан не реагирует с кремнием, не образует интерметаллических соединений.

Рис. 5. Конструкция контактного узла с использованием многослойной разводки:

1 - термический окисел; 2 - контактный слой; 3 - адгезионный слой; 4 - буферный слой; 5 - про­водящий слой; 6 -слой защитного диэлектрика

Функции адгезионного слоя заключаются в обеспечении высокой прочности сцепления многослойной разводки с пленкой SiO₂ (рис. 5, рис. 6) и с контактным слоем. При использовании в качестве контактных слоев платины, палладия, иридия наличие адгезионных слоев обязательно. Материалами адгезионных слоев могут быть титан, молибден, хром и другие переходные металлы. Естественно, когда эти материалы используются в качестве контактных слоев, они же одновременно выполняют функции адгезионного слоя.

Рис. 6. Конструкция контактного узла с многоуровневой многослойной разводкой:

1 — пленка термически выращенного окисла кремния; 2 — слой молибдена; 3 — слой золота; 4 — слой ванадия; 5 — золотой пленочный проводник второго уровня; 6 — сплошная пленка осажденного окисла кремния или стекла

Проводящий слой, наносимый поверх контактного и адгезионного должен выполнять основные функции разводки, иметь низкое удельное сопротивление, обеспечивать надежное контактирование с внешними выводами микросхемы. В качестве материалов проводящего слоя естественно назвать золото, алюминий, серебро, медь. Однако два последних металла не используют в производстве микросхем из-за их большой миграционной подвижности и отрицательного влияния на характеристики элементов. Сочетания слоев из Mo,Cr,Ni,Ti,Au и Al нестабильны при повышенных температурах из-за образования плохо проводящих электрический ток интерметаллических соединений на границе раздела пленок этих металлов, а также не обеспечивают защиты кремния от проникновения в него золота диффузионным путем.

Поэтому в многослойных системах разводки предусматривают буферный слой (рис. 5), который предотвращает образование интерметаллических соединений между верхним и нижним слоями, например между хромом и золотом, титаном и золотом, препятствует диффузии металла одного слоя в другой, приводящей к ухудшению механической прочности и изменению сопротивления контакта. В качестве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, палладий.

Последним из наносимых на интегральную микросхему, в том числе на металлизацию, слоев является диэлектрический защитный слой (см. рис. 5), который обеспечивает ее защиту от внешних воздействий в межоперационный период в процессе присоединения выводов и размещения в корпус. Поверхностный проводящий слой благородного металла (золота, например) сам выполняет защитные функции. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают трехслойные системы металлизации: титан — платина — золото, титан — молибден — золото, силицид платины (PtSi) — платина — золото и четырехслойные: хром — титан — платина — золото.

В связи с необходимостью экономии драгоценных металлов разрабатываются системы многоуровневой металлизации, не содержащие золота и платины, такие как Ni—Re, Ni—Nb, Ni—V, Re—Ti, Re—Hg, Ni—V—Re, Ni—Rb—Re, Ni—Re—Mo.

В современных высоконадежных БИС и СБИС система металлизации является многоуровневой и многослойной. Такая система металлизации, представленная на рис. 6, состоит из слоев Mo-Au-V-Au. Молибден служит контактным слоем к кремнию, адгезионным слоем к SiО₂ и барьерным слоем между золотом и кремнием. Лежащая поверх молибдена пленка золота является проводящим слоем нижнего уровня металлизации, пленка ванадия — адгезионным слоем к пленке золота и к межуровневому изолирующему диэлектрику SiО₂ и, наконец, пленка золота — проводящим слоем верхнего уровня разводки и одновременно защитным слоем.

При конструировании многослойной многоуровневой разводки особое внимание уделяют правильному выбору материалов контактирующих друг с другом слоев (для исключения образования гальванических элементов, интерметаллических соединений и пр.), а также выбору соотношения толщин слоев разводки, методов и режимов их нанесения с целью получения разводки с высоким уровнем электропроводности, малыми внутренними напряжениями и согласованными коэффициентами термического расширения. Типичные значения толщин таковы: контактный и адгезионный слой 0,03...0,25 мкм, проводящий буферный слой 0,15...0,20 мкм, проводящий слой 0,5...1,0 мкм.

Контактные площадки. Контактная площадка интегральной полупроводниковой микросхемы — это металлизированный участок на кристалле, служащий для присоединения внешних выводов, а также для контроля ее электрических параметров. Контактные площадки располагают, как правило, по периферии полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области коммутационных пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой. С целью предотвращения замыканий контактных площадок на подложку в случае нарушения целостности окисла в процессе присоединения внешних выводов (рис. 3) под каждой контактной площадкой формируется изолированная область (за исключением площадок, имеющих контакт с подложкой).

3. Вопросы к домашнему заданию

1. Какие требования предъявляются к пленочным проводникам ИМС?

2. Что такое омические контакты? Какими свойствами они должны обладать?

3. Какие достоинства алюминиевой разводки Вы знаете?

4. Опишите технологию получения алюминиевых омических контактов.

5. Что такое диффузионные перемычки? Когда их применяют?

6. Назовите основные недостатки алюминиевых пленочных проводников.

7. В чем заключается преимущества многоуровневой разводки?

8. Какая металлизация применяется в многоуровневой разводке БИС?

9. Какие требования предъявляются к пленкам межуровнего диэлектрика?

10. Какими свойствами обладают изолирующие пленки Al₂O₃.

11. В чем заключаются достоинства полиимидной изоляции?

12. В каких случаях используется многослойная разводка?

13. Что называют контактным слоем? Какие материалы используют для получения этих слоев? Приведите их основные свойства.

14. Каковы функции адгезионного слоя? Какие материалы применяют в этих слоях?

15. Какие функции выполняют проводящие и буферные слои? Назовите материалы для получения этих слоев?

16. Назовите трех- и четырехслойные системы многоуровневой металлизации.

17. Какие системы многоуровневой металлизации, не содержащие драгоценных металлов, вы знаете?

18. Что представляет собой многоуровневая и многослойная металлизация?

4. Лабораторные задания и Методические указания по их выполнению

4.1. Задание № 1

Получить базовые навыки топологического проектирования. Ознакомиться с рабочими инструментами САПР Cadence Virtuoso.

Cadence Virtuoso - это система автоматического проектирования аналоговых и цифровых ИС.

Для начала работы в Cadence Virtuoso нужно открыть терминал. Для этого нажать правую кнопку мыши, и в появившемся меню выбрать «terminal». Набрать команду запуска « virtuoso&» в окне терминала.

Далее открываем меню Tools и выбираем Library Manager (Рис. 7).

В Library Manager выбрать рабочую библиотеку «VGTU» в списке библиотек Library (рис. 8).

Рис. 7. Окно Cadence Virtuoso

После того как выбрали библиотеку VGTU, необходимо создать новую ячейку, меню File →New Cell View (рис. 9).

Рис. 8. Выбор библиотеки VGTU

Рис. 9. Окно Cell View

Если рабочий стол выглядит иначе, алгоритм запуска выполнен не корректно (рис.10).

Рис. 10. Рабочий стол САПР Cadence Virtuoso

Так же необходимо включить режим работы со всеми слоями, для этого в окне Virtuoso Layout Editing (рис. 10) открыть меню Options выбрать Display и далее Display Levels. Установить Start на 0 а Stop на 11.

Рис. 11. Layer Selection Window

Окно LSW (Layer Selection Window) – это главное меню по выбору слоя ИС. Работа с любым слоем начинается с того, что пользователь выбирает нужный (рис. 11).

Рис. 12. Функция rectangle

Если LSW выглядит как на рис. 11, то алгоритм запуска САПР Cadence Virtuoso выполнен, верно.

Для того, что бы нарисовать прямоугольную фигуру нужного слоя используют команду Rectangle (в меню Create выбрать Rectangle (рис. 12)).

Для того, чтобы нарисовать линию (дорожку) используется команда Patch (в меню Create выбрать Patch).

Библиотека gpdk090 (90nm Generic Process Design Kit) позволяет создавать девять слоев металлизации, это значит, что для соединения блоков, транзисторов и т.д. можно использовать девять слоев метала.

Соединения между различными слоями метала, создают с помощью контактов VIA. Для добавления контакта VIA необходимо зайти в меню Create и выбрать функцию VIA.

Для соединения каждого слоя метала с другим есть свой контакт VIA к примеру:

- чтобы соединить первый слой метала и второй, используют M2_M1.

- чтобы соединить первый слой метала и пятый нужно последовательно наложить поверх, все VIA от M2_M1 до M5_M4.