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薄膜材料—导体薄膜材料 材料的种类及性质 导体薄膜的主要用途 形成电路图形,为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容等电路搭载部件提供电极及相互引线,以及金属化等; 为保证金属—半导体间连接为欧姆接触,要求: 金属与半导体的结合部位不形成势垒; 对于n型半导体,金属的功函数要比半导体的功函数小; 对于p型半导体,与上述相反; 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄,电子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等。 2、薄膜材料 导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料 2、薄膜材料—导体薄膜材料 材料的种类及性质 实际情形 随半导体的表面处理,在导体和半导体表面往往会存在薄的氧化膜,但电子通过隧道效应可穿过此膜层,因此并不存在很大的问题; 依表面处理条件不同,半导体的表面状态会发生变化,相应金属及半导体的功函数也会发生变化; 功函数还与表面能级、晶体取向等相关,必须注意其值的变化。 材料的种类及性质 其他布线及电极用的导体材料,还应具有下述特性: 电导率要高; 对电路元件不产生有害影响,为欧姆连接; 热导率高、机械强度高,对于碱金属离子及湿度等的电化学反应要尽量小; 高温状态,电气特性也不发生变化,不发生蠕变现象; 附着力大,成膜及形成图形容易; 可形成电阻、电容,可进行选择性蚀刻; 可进行Au丝、Al丝引线键合及焊接等加工。 2、薄膜材料—导体薄膜材料 材料的种类及性质 实际情形 单一种导体不可能满足上述所有要求 构成电子电路往往需要多种导体膜的组合 2、薄膜材料—导体薄膜材料 而且 相互连接及电极中往往也不是采用单一金属,而是多种导体膜积层化,以达到上述各种要求。 多层金属组合的实例 2、薄膜材料—导体薄膜材料 多层组合薄膜说明 导体的表面方阻均在50mΩ/□以下; 进一步降低电阻,需要在Au膜上再电镀Au; 所列的材料组合之外,在半导体IC的电极凸点及梁式引线部分,还采用Au-Pd-Ti,Sn·Sb-Cu-Cr,Au-W·Ti等组合,以及PtSi,Pd2Si,CrSi等金属硅化物作导体。 Au 可满足上述条件中的大部分; 单独使用时与基板及SiO2等膜层的附着力太低; 往往在最底层采用NiCr,Cr,Ti等附着性好的膜层; 最上层采用容易热压附着或容易焊接的Au及Pb·Sn等; 但两种金属薄膜相互结合时,往往在比块体材料更低的温度下就产生明显扩散,生成化合物。 2、薄膜材料—导体薄膜材料 Al 特点 Si基IC常用导体材料; 与作为IC保护膜的SiO2间的附着力大; 对于p型及n型Si都可以形成欧姆接触; 可进行引线键合; 电气特性及物理特性等也比较合适; 价格便宜; 作为IC用的导体普遍采用; 但 随环境、气氛温度上升,Al与Au发生相互作用,生成金属间化合物,致使接触电阻增加,进而发生接触不良。 2、薄膜材料—导体薄膜材料 Al 当Al中通过高密度电流时,向正极方向会发生Al的迁移,即所谓电迁移; 在500℃以上,Al会浸入下部的介电体中; 在MOS元件中难以使用; 尽管Al的电阻率低,与Au不相上下,但由于与水蒸气及氧等发生反应,其电阻值会慢慢升高。 Al与Au会形成化合物 Al端子与Au线系统在300℃下放置2~3h,或者使气氛温度升高到大约450℃,其间的相互作用会迅速发生,致使键合部位的电阻升高; 此时,上、下层直接接触,Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl等反应扩散层。造成键合不良; 采用Au-Au组合或Al-Al组合。在Au、Al层间设置Pd、Pt等中间层,可防止反应扩散发生,形成稳定的膜结构。 存在电迁移 Al导体中流过电流密度超过106A/cm2; 或多或少地发生电迁移现象; 气氛温度上升,电迁移加速,短时间内即可引起断线; Al导体膜在大约300℃长时间放置,会发生“竹节化”,即出现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分; 进一步在500℃以上放置,Al会浸入到下层的SiO2中,引起Si基板上的IC短路。 因此,使用Al布线的MOS器件,必须兼顾到附着力、临界电压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素,对材料进行选择。 Al 连接与布线的形成及注意点 Si IC中的Al布线可由Cr-Au代替。 Cr-Au与玻璃间具有良好的附着性,p型、n型Si均能形成欧姆结合。 Cr-Au成膜有两种方法 其一是将基板加热到250℃,依次真空蒸镀Cr和Au; 其二是采用溅射法沉积。 Cr-Au系中Cr膜的膜厚及电阻率如表3-6所列。 Cr-Au系可能引起劣化的机制 Cr向Au中的扩散,由此会引起电阻增加。 Mo-Au系 比Cr-Au系在更高些的温度下更为稳定。 其成膜通常采用真空蒸镀法。 将基板加热到260℃,先蒸镀约100nm的Mo,接着蒸镀30nm的Au,而后将基板温度降至100℃以下,再蒸镀约300n
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