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微电子金属化和表征以及射频微波集成模组的分类

来源:乐鱼全站官网登录   发布时间:2022-06-10 10:42nbsp;  点击量:

本文摘要:金属化是将金属质料或合金沉积在晶圆外貌或层压板上的历程。厚金属通常用于芯片到芯片的路由,片内毗连,以及漫衍式匹配组件的实现。 金属的电导率与其晶粒尺寸的巨细有关,其中大晶粒尺寸体现出高导电性和等效低电阻率。由于已知的互连可靠性问题,必须分析几种金属化特性,以便在为给定的应用选择合适的合金时可以举行更好的权衡。

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金属化是将金属质料或合金沉积在晶圆外貌或层压板上的历程。厚金属通常用于芯片到芯片的路由,片内毗连,以及漫衍式匹配组件的实现。

金属的电导率与其晶粒尺寸的巨细有关,其中大晶粒尺寸体现出高导电性和等效低电阻率。由于已知的互连可靠性问题,必须分析几种金属化特性,以便在为给定的应用选择合适的合金时可以举行更好的权衡。例如,引入一种新的金属化质料和工艺时通常需要相识其关键参数,如金属电导率、热导率、难易性以及与尺度微电子制造工艺的兼容性、抗电迁移性、耐腐蚀性以及其他力学性能,如与Si相互作用并扩散到Si中的倾向。

金属的扩散会导致芯片或互连线泛起短路路径。下面我们将会讨论了几种金属化参数,这些参数在表征和选择适当的质料或身分以供应定的应用来说很重要。趋肤深度 趋肤深度效应是由导体中的时稳定电流匀称地流过匀称导体的整个横截面积,而随着频率的增加,电流密度有向导体外貌漂移的趋势。在高频下,电流被限制在导体外貌四周的一个很是薄的金属层中。

这种电流密度在导体中的不匀称漫衍作为频率的函数被称为趋肤效应。如果与相对渗透率为一的非铁磁性金属(例如铜和铝)相比,这种现象在相对渗透率从几百到几千不等的铁磁性导体(例如铁和钢)中更为显着。穿透深度δ,电流密度为导体外貌电流密度的1/e(即约37%),相当于一个趋肤深度,可以使用以下关系盘算:方程(1) 其中μ是质料的磁导率;f是流动电流的频率,单元是赫兹;而p是质料的电阻率,单元是Ω/米;s是质料的电导率,单元是西门子/米。

电流密度在导体外貌四周的漫衍最高,并随着与外貌的距离的增加呈指数下降,如图1所示,凭据方程(2a)和(2b):方程(2a)和(2b)式中,J0 直流电流密度,单元是安培/米2 ;A是导体的横截面积,单元是平方米;I是通过导体的电流,单元是安培; 而d是外貌下面的深度。从方程(2b)可见,63%的电流被限制在外貌的一个皮肤深度内,99%的电流被限制在趋肤深度的五倍内。图1、趋肤深度随频率增加而减小的说明图:(a)时稳定源(b)低频源(c)高频源表1、在1.0GHz盘算的普通金属化质料的趋肤深度表1总结了微电子制造中常用合金在其趋肤深度的一倍和五倍处的厚度。

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配电电力电缆通常由铜而不是铁制成,只管铁的成本较低。这是由于铜比铁体现出相对较高的导电性和较低的渗透性。因此,铁具有较薄的趋肤深度,因此比铜具有更高的损耗。

此外,金属电导率随温度的升高而降低,这也是铁不是一个有利的选择的另一个原因。互连走线的皮肤深度取决于正在使用的互连技术。

从某种意义上说,片上、薄膜、PCB和陶瓷都是相互毗连的技术,它们包罗差别规模的走线宽度和厚度,发生差别水平的趋肤效应。这可以看作是混淆模块设计中的一种自由度,在这些模块中,可以决议选择哪些技术可以用于支持低损耗和高可靠性设计的长路由走线。趋肤深度效应的另一个相关现象是靠近效应(proximity effect)。

由于相邻的携流导体的存在,可以影响导体内部的电流漫衍,这种效应称为靠近效应。在相对较高的频率下,一个导体靠近另一个导体时电磁感应引起的电流,这解释了这种现象。图2显示了由于共模和奇数模电流源而发生的这种影响的示意图。

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图2、趋肤和相近效应下的电流密度漫衍。深灰色表现高电流密度(a)共模电流和(b)差模电流 薄膜应力(Thin film stress) 薄膜应力效应是微电子器件已知的可靠性问题之一。薄膜应力的寄义可以用两种相反的力来表达:压应力(compressive stress)和拉应力(tensile stress)。压应力引起山丘,拉应力引起裂痕,如图3(a)和(b)所示。

这两种应力都可以使用外貌纹理丈量仪器之一来丈量,无论是使用接触轮廓仪还是非接触干预干与仪。这种应力的主要原因可归因于多层结构中温度的变化,该结构是通过堆叠差别的质料类型来构建的,其中质料层之间的热膨胀系数,例如薄膜和衬底,是差别的。图3、显示高应力效应的薄膜结构: (a)压缩应力和(b)拉力应力 薄膜厚度丈量方法. 薄膜厚度的丈量可以通过破坏性或非破坏性的历程来举行。

为了准确丈量,通常需要一种破坏性的方法,包罗使用透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)通过薄层质料试样的横截面。透射电镜用于100 Angstroms(埃斯特朗,埃,长度单元:1埃即是0.1纳米)的薄层成像,而扫描电镜可用于1000 Angstroms的相对厚层。无损方法相对较禁绝确,可以通过盘算差别质料界面的反射来通过声波回波举行丈量,这是由于已知的声波速度,如方程(3)所示的:方程(3)上式中V是声波速度,∆t是反射率峰之间的时间。

另一种间接丈量可以通过四点探针丈量举行,将在下一节中讨论。片状和块状电阻的表征 片状和块状电阻是导电质料的重要参数之一,直接影响电路性能及其元件的品质因子。准确丈量片电阻和体电阻是须要的表征步骤。

例如,金属互连的电阻率与互连截面成反比,为了准确地表征导电膜中的损耗,必须确保沉积膜的电阻率恒定。集成电路中的电阻是由一层薄质料(例如,Nichrome,镍铬铁合金)制成的,用于形成薄膜或厚膜电阻。

因此,丈量这类质料的片状和块状电阻率更利便。此外,可以使用对薄膜电导率的先验知识以及片电阻丈量来监测沉积工艺的匀称性,作为丈量薄膜厚度的间接方法。片状和块状电阻的盘算可以使用两个或四点探针丈量质料电阻率。

然而,由于探针的电接触和引线电。


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