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24 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.14 N" 1, 1994 UN NUEVO MATE.RIAL PARA SOLDAR CONTACTOS ELECTRICOS EN DISPOSITIVOS DE SILICIO: FORMACION DEL CONTACTO Y CARACTERIZACION DE LAINTERFASE. Gunther Rñtzer. Departamento de Física, Universidad de Oriente. Cumaná, Venezuela Abstraer Contact formation in silicon device technology may be realized by different procedures but all of them require a common process step involving the preparation of the surface of the silicon substrate before creating the contact. The need for .thís common process step has been eliminated by means of a novel solder used for joining the metal to the substrate. This solder consists of an admixture of silver and palladium which forms a coating on a tungstenelectrode which ís to be joined to the substrate. Contact formation ís realized at a temperature ofabout 1000 °C in an inert atmosphere. In order to characterize the interphase zone of the contacts formed between the coated tungsten electrodes and the monocrystalline substrates of silicon, the distribution of the elements W, Si, Ag and Pd has been determined. It was found both substrates with plane (l00) parallel to the contact plane and substrates with plane (111) parallel to ít, that all these elements are present in that part of the interphase which is close to the substrate. The presence of silicides in the interface zone of the contact also has been determined and PdSi, Pd2Si, WSSi3 and WSi2 have been Identiñed throughout the interphase. It is concluded that the metallic phase which is in contact with the substrate is made up of Ag and the beforementioned silicides. Resumen Para la formación de contactos eléctricos en dispositivos de silicio existen diferentes procedimientos que tienen en común la necesidad de una preparación de la supert1cie del substrato de silicio antes de la formación del contacto. Mediante el uso de un nuevo material para soldar los contactos al substrato, se logró eliminar el paso de la preparación de esta superficie. Como nuevo material se utiliza una capa de plata y paladio que forma el revestimiento de un electrodo de tungsteno que se quiere unir al substrato. La formación del contacto se realiza a una temperatura de aproximadamente 1000 °C en una atmósfera de una gas inerte. Para caracterizar la zona de la interfase en contactos formados entre los electrodos de tungsteno revestidos y substratos monocristalinos de silicio, se determinó la distribución de los elementos W, Si, Ag Y Pd, Y se encontró, tanto para substratos orientados con el plano (100) como para los orientados con el plano (111) paralelo a la intercara, que todos estos elementos están presentes en la parte de la interfase que está en contacto inmediato con el substrato. Además se determinó la presencia de siliciuros en la zona de la intercara del contacto formado y se identificaron PdSi, Pd2Si, W5Si3 y WSi2 en todo el ancho de la interfase. Se concluye que la fase metálica en contacto con el substrato está constituida por Ag y los antes mencionados siliciuros de W y Pd. l. INTRODUCCION La formación de contactos eléctricos en la fabricación de dispositivos discretos e integrados es un proceso que consta de varios pasos. Para dispositivos con silicio como material del substrato, en estos pasos, tiene que estar la remoción de una capa superficial del substrato en el área del contacto a fin de que el metal esté ~n contacto con un substrato libre de una capa de óxido y libre de desperfectos cristalinos resultados de tratamientos mecánicos previos del substrato, tales como corte con una sierra de diamante o pulimento. La profundidad de la capa superficial a remover en el substrato es máxima para el caso del Latinémerican Journal of Metallurgy corte para el cual llega a 35 um aproximadamente [1]. Con el fin de eliminar los procedimientos utilizados para la remoción de esta capa previo a la formación del contacto, se desarrolló un nuevo material el cual permite remover la capa en el propio proceso de la formación del contacto. En el presente trabajo se presenta la formación del contacto mediante este nuevo material y la caracterización de la interfase entre el substrato y el metal del contacto. and Materials, Vol. 14, N° 1, 1994. Revista II.FORMACION Latinoamericana de Metalurgia DEL CONTACTO Para unir el substrato en forma permanente a un electrodo, se escoge como material. del electrodo el tungsteno el cual en el lado de su futura unión con el silicio, se reviste con una y M0teriale.l', Vol.14 NU 1, 1994 25 peW~~la de plata - paladio [2]. Este electrodo se pone, en contactO con el substrato en el área donde se qüiere formar el contacto y se calienta el conjunto desde el lado del tungsteno a fin de lograr la ~6tmación del contacto. ' PR G1 PR G2 t P.g i n; FG Figura 1. Esquema de un microhorno de plasma utilizado para la formación de contactos. Leyenda: . El, cátodo; E2, ánodo; E3, electrodo utilizado para formar el contacto; R, revestimiento de E3; S, substrato de silicio; G 1 YG2, guías para E3; FG, flujo de gas inerte; PR, pared de recipiente. Para efectuar el calentamiento con suficiente control, se puede usar un microhorno de plasma como el indicado en la Figura 1. Entre los electrodos El y E2 se mantiene un arco en una atmósfera de gas inerte como argón. El material del contacto forma el tercer electrodo E3. Entre El y E3 se establece una corriente cuyo ajuste fino permite controlar la potencia del calentamiento de E3 entre cero y varias centenas de vatios. E3 descansa en G 1 Y S hasta que la temperatura de E3 alcanza aproximadamente 1000 <le y se observa que el tope de S reacciona con R, lo que hace bajar E3 hasta descansar también enG2. Es importante notar que el substrato, en el área del contacto a formar, tiene una capa de óxido nativo y puede presentar una zona superficial Latin/vnerican Iournul 01"Metallurgy perturbada por los defectos cristalinos introducidos en el corte. En el proceso de la formación del contacto, a través del material del revestimiento, se logra disolver ambas capas, siendo la profundidad de la zona perturbada disuelta una función del espesor de la capa de revestimiento [2]. En la Figura 2 se presenta un contacto formado en un substrato de silicio mediante el procedimiento descrito. La sección del substrato en el área del contacto es de 0.5 mm x 0.5 mm y todas las superficies del substrato, incluyendo la del contacto, son resultado de un corte en una sierra de diamante estándar [3J y después del corte no han recibido ningún otro tratamiento. and Mutcri als, Vol.14, N° 1, 1994. 26 Revista Latinoamericana de Metalurgia V Materiales, Vol.14 N" 1, 1994 Figura 2. Contacto formado entre un electrodo de tungsteno revestido y un substrato de silicio monocirstalino con el plano (111) paralelo al plano del contacto. Microfotografía tomada en un microscopio electrónico de barrido ISI 60 [4]. 111. CARACTERIZACION INTERFASE DE LA La caracterización que se presenta en este trabajo, se refiere a la determinación de la distribución de los elementos Si, W, Pd y Ag en la interfase y la identificación de los compuestos formados por estos elementos. Atención especial se puso en la zona que está en contacto inmediato con el substrato. El interés en esta zona estriba en la importancia que tiene para las propiedades eléctricas del contacto [5,6,7]. Se investigaron dos tipos de contactos. En ambos el material del substrato era monocristalino y crecido libre de dislocaciones [R], pero en 1I n tipo el contacto se formó en el plano (11 J) mientras que en el otro tipo se formó en el plano (100). Para la caracterización se prepararon cortes transversales al plano de la' intercara de nueve contactos formados y en un microscopio electrónico de barrido con microanalizador de rayos X acoplados, se realizaron barridos de área Latinémerican .lourn al (ir Metullurg» y/o barridos de línea para los elementos Si, W, Pd y Ag en varias zonas de cada contacto. En las Figuras 3 al 8 se presentan microfotografías de la sección transversal de un contacto. La interfase se observa en todo su ancho, con la superficie del substrato como límite en la parte superior - en tono oscuro en la Figura 4, y con el electrodo de tungsteno como límite inferior - en tono claro. En el barrido de área de la Figura 6 se observa una característica encontrada en todos los contactos investigados, que el elemento tungsteno aparece distribuído en toda la interfase hasta la superficie del substrato. La distribución de Si observada también es común y se extiende desde la superficie del electrodo hasta la superficie del substrato de la cual sobresalen bloques; estos bloques a veces se encuentran ya separados del substrato en medio de la intertase. Los elementos Ag y Pd se observan igualmente en toda la interfase y, como en otros barridos de área, no se observan diferencias entre las distribuciones de los elementos Ag y Pd que sean típicas en todo el contorno del substrato. and Materials, Vol.14, NU 1, 1994. Revista Latinoamericana de Metalurgia Figura 3. Topografía de la seccron transversal de un contacto. Microfotografía obtenida de un microscopio electrónico de barrido Jeol Superprobe 733 [9]. Ubicado en la parte inferior se observa el electrodo de tungsteno y en la parte superior el suhstrato de silicio cuyo plano (IOO) está paralelo al plano del contacto. Figura 5. Barrido de ¡'Irea obtcnidn mediante dispersión de longitud de onda de rayos X par:, l:r l iuc.t Krr de Si en el lugar de la Figura 3. l.a densidad de los puntos hl.incox en este barrido de área al igual que en las siglliL'lllL'S figuras L'S proporcional a la concentración lid L'lL'IllL'IlIO. I.tlf/n.A./lII'r/{·1I1I ./(1111'1I111 o] Mctall urg» y Materiales. Vol.14 N" 1. 1994 27 Figura 4. Contraste del número atómico obtenido mediante electrones retrodispersados para el lugar de la Figura 3. Figura 0. Barrido de área p.tra W - La. olldA/IIlc'r/lIls. 1101.14. N" l. IC)<)4. 28 Revista Latinoamerictma de Metalurgia y Materiales. Figura 8. Figura 7. Barrido de área para Pd - La. En la Figura 9 se presenta la , microfotografía de una parte de la interfase delimitada por la superficie del substrato. El plano del tope del substrato está ubicado en él margen vertical izquierdo de la figura 9 y el substrato está orientado de tal forma que el plano (100) es paralelo al plano del contacto. El barrido de línea para el elemento W y los demás elementos, se efectuó a lo largo de la línea horizontal indicada en el Figura 9 y ellogaritmo de la intensidad de la radiación W La detectada se ha superpuesto en esta foto como ordenada. En este barrido, al igual que en todos los demás efectuados para el W, se nota claramente un incremento de la concentración de W en las zonas que lindan con partes oscuras correspondientes al elemento del substrato. La superficie del substrato se delimita por planos {111}, hecho que se encontró en todos los contactos cuyo substrato tiene al plano (100) paralelo con el plano del contacto. En la Figura 10 se resume gráficamente la información obtenida de los barridos de línea realizados a lo largo de la línea indicada en la Figura 9. Esta gráfica facilita la comparación entre los elementos y se nota que en la superficie del substrato se incrementan las . concentraciones de Pd y Ag en forma conjunta. Latinémerican. Journal Vol.U NU l. 1994 of Metallurgy Barridode área para Ag • L~. Para la Figura 11, el substrato está orientado con el plano (111) paralelo al plano del contacto y el tope del substrato está ubicado en el margen vertical izquierdo de la figura. (ver págs 26 y 27) La línea de los barridos para los elementos Si, W, Pd Y Ag sigue en una parte el contorno de un sobresaliente del substrato y cruza una zona 'que penetra entre este bloque sobresaliente y el substrato. En esta zona de penetración, la Figura 11 muestra un incremento en la cencentración de W. En la gráfica de la Figura 12 se observa, también para esta zona, un incremento de las concentraciones de Pd y Ag en forma conjunta pero de modo más pronunciado para Ag. Este comportamiento de la concentración de Ag es típico para zonas estrechas de penetración en la superficie del substrato y se encontró tanto para la orientación del substrato con el plano (111) como para el plano (100) paralelo al plano del contacto. En la Figura 12 también se puede observar el carácter complementario de las concentraciones de Ag y Si encontrados en todos barridos de línea - el incremento de una es acompañado por el decremento de la otra y viceversa.(cont pág. 31) and Mtneriuls, Vol. 14. NU l. 1994. Revista Latinoamericunu de Metalurgia y Nirlt'crialc.l', Vol.14 N° 1, 1994 29 UNE SCAN ORAPH DATE: 29.N av·SS e LABEL: FT21 INTEDRA nON PERlOO - 0.15 UNE SCAN TIME - 9.00 PERlOOS PER UNE - 60 # OF AVERAGED SCANS -10 GRAPH KEY +~ PDLA X=WLA H~ SIKA 1 =AGLA WINDOW FULL SCALE ~ 1000. 012345678910 PERD. , •.~_ ! •.• __ ! 1 : x 2 : x+1 3' :X I .. ! ~--- !_ ~-.--! , ••.•• !-_ t .. _ ...• I H H H H H +.1 4 :X I 5: X I 6 : xl 7 . XI • H • H • H H 8 :X I '9: 1+ XI~ X 10 : 11· 12: 13 . H xl X 15: X 16: 17: 18: 19: 2O:X 21: x x H H l. H H H • H X 23: X 24: 25: X X H. • H • H x 34: 35: 36: 37: 38: 39: 40: X X X X X 41: X H + 1 + H IH+ HI + . H I +, Hd 46: 47: 48; 49: 50: SI: X H .H • H x. X X X X X x X 53: 54: +.1 + + l. l. 1. I +. 58: X + 59: X .+H • H+ H Figuralü.üzquierda <=) Barridos de línea realizados a lo largo de la línea indicada en la Figura 9. Es de notar que de los 60iptervalos del barrido indicados, los primeros 6 y los último~~'4están fuera del úrea que abarca la Figura 9. I 1 I 1 H X X X I + X t····! I + H. H.+ H + +H 57 : : I + 55: 56 : 60 ·. I + .H H • H. +.H +.H + H PERn. . + I +1. H X S2 : .H H H l. X X X + l. lH+. +, X 44: 45: + + + + l. H X 43: + .1 l. ¡ H X ]( X + I. .H X 30: 31: 32: 33: 42: .H .H +H. I H +, H I • X X X 29: + + .1 •I X 22: Figura 9.(aniba Contraste del número atómico mediante electrones secundarios para una sección transversal de un contacto formado en plano (100) del substrato. Micrototografía obtenida de un microscopio electrónico de barrido Philips SEM 505 (10]. Se ha superpuesto un barrido de línea para W - La obtenido en el modo de dispersión de energía a lo largo de la línea indicada. H 1+ 1+ I 1+ X X ít) H 1+ 1+ I X 14 : 26: 27' 28 : H H XI .1 H' ! ...•..••, --":-f • l. ----f----! -_..-! • ,..---! O • ----! 10 Latinémerican Journal of Metallurgy and Materials, Vol.14. N° l. 1994. 30 Revista Latinoamerirnnn de M etulurgia y M ateriales, Vol.14 N° l. 1994 UNE SCAN ORAPH DATE, 29.N ov.n LASa,IFll INTEGRA TION PERIOD -0.1) UNESCANTIME- 9.00 PI'.RlODS PER UN~ - 60 _ OF A IlERAOED SCANS - 10 GRAf'H KEY' + = PDLA H= SIKo\ I=AGLA WlNDOW FULL SCAlE = 10c0. o I 2 3 4 S S !~_._,--_. I --_.! ---- ! --- .•! .•.•••.! --- -, .•.--1.+ ! P!RD, I:x 2: XI 3: xl. 4: XI 5: xl 9 .~ • ~ H • H • ~ 6: XI 7 ' x+I 8 : X+ 1 '9 : x+ 1 10: X ·1 11. x+ 12: x 13: i4: x + IS: 16: X 1I 17: .18: 19: 20: + x + x+ . 21' 22; • • • • • 1 X + 'le+ H I ,H 1 + 26: 27' 28: x x x 29' 30: X X + + + + + 31: x ~: • H •H H H. x 39: x H x 40: 41. H X x x x 42: 43: 44: 45' 46: x X 56: 57 : 58; x 59; 60: I H . H H. I H • H.I + HI • HI • HI.+ H 1. • H x x .H • H x • I 2 + + 1 H.. PERD_ ~.•.•._-. --.-, o J. H H H x ,1 • + H. + .+ H .+ 55' I. .' + + • +, +.1 +.1' +, x x 49: x so. x x x x x 1 + + 47: 48: 51: 52: 53: 54: I + X H ,H H.l H. + H,I H + I X X H. 1 .1 J. H .1 H 1 H ,+ x 37' , H ,H I I +. +. 33:' i" 36: H 1 i x H , H .1 25} Figura 11.(arriba Contraste del número atómico obtenido mediante electrones secundarios para una sección transversal de un contacto formado en le plano (111) del substrato. Superpuesto el barrido de línea para W - La igual como el Figura 9. H H 1 1 23 ¡l.+ 24"' x + 35' 11) H • 1, I.H + 34: f .H H 1 + + X f H I X 32' ~ ~ + H • I x+ x 10 I----! 1 l. '.1 H ----1 ---3 + .+ +;' • 1 +.. !----! -- --1-4 5 6 Latinémericun + . • Figura 12.(izquierda <=) Barridos de línea realizados a los largo de la línea indicada en la Figura 11. Es de notar que de los 60 intervalos del barrido, los primeros 6 y los últimos 4 están fuera del área que abarca la Figura 11. -- ~• -. -! ..--- ! -~ __ , '. 7 8 Journal 9 ()! 10 Metallurgy and Muterials, Vol.14, N" 1, 1994. ., Revista Latinoamericana de Metalurgia Para determinar los compuestos existentes en la zona de la interfase en un contacto, se eliminó en cuatro pasos el material desde el lado del silicio y después de cada paso se efectuó un análisis difractométrico de rayos X de la interfase remanente sobre el electrodo de tungsteno [9]. Desde la zona de la interfase inmediatamente en contacto con el silicio hasta la zona de la interfase inmediatamente en contacto con el electrodo de tungsteno, se encontraron presentes los siguientes siliciuros: W 5Si3 WSi2 Pd2Si y PdSi. - -, , . y Mdteriale.l', Vol.14 N" 1, 1994 31 observación [14] que la presencia de Pd baja la temperatura de formaciónde WSi2' , Para la ·zona de la interfase que está inmediatamente en contacto con el substrato, es importante notar que tanto los siliciuros de W cdinQ los de Pd muestran conducción metálica [15],10 que en conjunto con la distribución de los elementos en esta zona permite concluir que la fase metálica en contacto con el silicio está constituída por Ag y los antes mencionados siliciuros de W y Pd. V. REFERENCIAS IV. CONCLUSIONES El análisis difractornétrico de rayos X permite concluir que al menos una parte del silicio removido de la superficie del substrato se encuentra en la zona de la interfase en forma de siliciuro. Para el caso que una parte del silicio distribuída en la interfase no esté ligado en forma de siliciuro, podría estar incorporado en una fase eutéctica formada entre Ag y Si [11]. En este caso, las concentraciones de Ag y Si tendrían un comportamiento similar y se observaría el Si mediante difracción de rayos X. La observación de que las concentraciones de Si y Ag muestran en los barridos de línea un comportamiento complementario y la no detección de Si en el análisis efectuado por difracción de rayos X, hacen concluir que todo o la mayor parte del Si en la intertase está presente en forma de siliciuros W') Si3, WSi2, Pd2Si y PdSi_ De resultar la formación de los siliciuros por medio de reacciones eutécticas, se observa la factibilidad para la formación de los siliciuros de Pd ya que todas las temperaturas eutécticas del sistema Pd-Si, [12] están por debajo de la temperatura de formación del contacto. No es así para los siliciuros de W porque las temperaturas eutécticas reportadas [13] del sistema W -Si, están todas varias centenas de grados por encima de la temperatura de formación del contacto. La existencia observada de estos siliciuros en la interfase permite concluir que, uno de los otros elementos, Ag o Pd, o el conjunto de los dos, debe tener la función de bajar la temperatura de formación de estos siliciuros. Estudios de la formación de siliciuros con la presencia simultánea de W y Pd confirman esta conclusión por la Lutinéinerican }ol,lI'IU/1 (¡( Met allurgy 1. T.S. Kuan, J. Electrochem.Soc., 127/6, 1387 (1980). 2. G, Rorzer, U S Patent N° 4.718.593 (1988). 3. Sierra Capeo modelo Q-35 con hoja 3720-AI920M de Roditi Purchasing CO. Inglaterra. 4. Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas, Curnaná, Venezuela. 5. P.E. Schmid, Phys. Rev. B, 28/8, 4593 (1983). 6. M. Eizenberg, J. Appl. Phys., 53/3, 1577 (1982). 7. M. Rolland, Solid-State Electronics, 20, 323 (1977). 8. Wacker Chemitronic, Burghausen, República Federal.de Alemania. 9. Austrian Research Centre Seibersdorf, Department of Materials Technology, Vienna, Austria. 10. Fundación de Instituto de Ingeniería, Caracas Venezuela. 11. M. Hansen, Constitution of Binary Alloys, McGrawHill Book Comp., New York (1958), p. 51. 12. R. Elliott, Constitution of Binary Alloys First Supplement, McGraw-Hill Book Comp., New York (1965), p. 732. 13. Reporte ASD-TDR-63-316, vol. 10, National Technical Information Service, Spriugfield (1965), p. 74. 14. .1.0. Olwolafe, J. Appl. Phys., 50/10, 6316 (1979). 15. S. Munu'ka en : Semiconductor Silicon 1986, The Electrochem Soc., Penningron (1986), p. 297. NOTA Una parte de este trabajo. se presentó en el I Congreso Nacional de Cerámica y Nuevos Materiales, Nov. 1988, Caracas. AGRADECIMIENTO Por el financiamiento parcial. de este trabajo a través del proyecto Cl -5-022-00005 se agradece ,al Consejo de Investigación de la Universidad de Oriente. and Materia 1.1' , Vo1.14, N" 1, 1994.