PDF Link - Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

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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',
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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.
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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.
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Latinoamericana
de Metalurgia
V
Materiales,
Vol.14
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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.
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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.
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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.
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Latinoamericunu
de Metalurgia
y Nirlt'crialc.l', Vol.14
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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.
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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
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Journal
of Metallurgy
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Vol.14.
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Vol.14
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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.
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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.
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Metallurgy
and Muterials,
Vol.14,
N" 1, 1994.
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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',
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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).
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Roditi Purchasing CO. Inglaterra.
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6. M. Eizenberg, J. Appl. Phys., 53/3, 1577 (1982).
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10. Fundación de Instituto de Ingeniería, Caracas Venezuela.
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13. Reporte ASD-TDR-63-316, vol. 10, National Technical
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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.