Тонкопленочные элементы интегральных схем

характеризующуюся наличием очень мелких кристалликов (менее 10~2 мкм);

гранулярную (крупнозернистую) структуру, имеющую крупные кристаллы (10-

1 мкм и более); монокристаллическую структуру, когда вся пленка

представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов данного

материала.

Подложки

Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь

однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12—14-

му классу), обладать высокой электрической и механической прочностью,

быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и

теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала

подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне

понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для

подложек, которые в равной степени пени удовлетворяли бы всем

перечисленным требованиям.

В качестве подложек для гибридных ИС использую ситалл,

фотоситалл, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло,

поликор, полиимид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой.

Ситаллы—это стеклокерамические материалы, полу чаемые путем

термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено

в системах Li2О-Аl2Оз-SiO2-ТiO2 и RО-Al2Оз-SiO2-ТiO2 (КО типа СаО,

МgО, ВаО).

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких

кристаллических материалов ситалл обладает хорошей гибкостью при

формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать

центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепады

температуры. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической

прочности не уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по

механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Ситалл не порист,

газонепроницаем и имеет незначительное газовыделение при высоких

температурах.

Поскольку по своей структуре ситаллы многофазны, то при

воздействии на них различных химических реактивов, применяемых,

например, для очистки поверхности подложки от загрязнений, возможно

глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящее к образованию

резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличие

шероховатостей на поверхности подложки снижает воспроизводимость

параметров и надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов.

Поэтому для уменьшения высоты и сглаживания краев микронеровностей

иногда на подложку наносят грунтующий слой из материала, обладающего

хорошими диэлектрическими и адгезионными свойствами, а также

однородной структурой (например, слой моноокиси кремния толщиной в

несколько микрон).

Из стекол в качестве подложек применяются аморфные силикатные

стекла, бесщелочное стекло С48-3, боросиликатное и кварцевое стекло.

Силикатные стекла получают из жидкого расплава окислов путем их

переохлаждения, в результате чего сохраняется структура жидкости, т.

е. характерное аморфное состояние. Хотя в стеклах имеются области с

кристаллической фазой - кристаллиты, они распределены хаотично по всей

структуре, занимают малую часть объема и существенного влияния на

аморфную природу стекла не оказывают.

Кварцевое стекло является однокомпонентным силикатным стеклом,

состоит практически из одного кремния и получается путем плавления его

природных разновидностей. Оно имеет очень низкий коэффициент

термического расширения, что определяет его исключительно высокую

термостойкость. По сравнению с другими [стеклами кварцевое стекло

инертно к действию большинства химических реагентов. Органические и

минеральные кислоты (за исключением плавиковой и фосфорной кислот)

любых концентраций даже при повышенной температуре почти не действуют

на кварцевое стекло.

Керамические подложки находят ограниченное применение из-за

высокой пористости. Достоинствами этих подложек являются высокая

прочность и теплопроводность. Так, например, подложка из керамики на

основе ВеО обладает в 200—250 раз более высокой теплопроводностью, чем

стекло, поэтому при напряженных тепловых режимах целесообразно

применять бериллиевую керамику. Помимо бериллиевой керамики,

применяются высокоглиноземистая (94% Аl2Оз) керамика, плотный

алюмооксид, стеатитовая керамика, а также глазурованная керамика на

основе окиси алюминия. Следует отметить, что глазури имеют толщину

менее 100 мкм, и поэтому не являются заметным барьером между пленкой и

подложкой при невысоких уровнях мощности. Микронеровности

необработанной керамики в сотни раз больше, чем у стекла, и достигают

нескольких тысяч ангстрем. Они могут быть значительно снижены путем

полировки, однако при этом существенно загрязняется поверхность

керамики.

Наличие загрязнений на подложке оказывает существенное влияние

как на адгезию, так и на электрофизические свойства пленок. Поэтому

перед осаждением приходится тщательно очищать подложки, а также

защищать их от возможности появления масляных пленок, которые могут

возникнуть в результате миграции паров рабочих жидкостей из насосов.

Эффективным способом очистка является ионная бомбардировка поверхности

подложки в плазме тлеющего разряда. Для этой цели в рабочей камере

вакуумной установки обычно предусматриваются особые электроды, на

которые от маломощного высоковольтного источника подается напряжение в

несколько киловольт. Электроды чаще всего изготавливаются из алюминия,

поскольку среди металлов он имеет самую низкую скорость катодного

распыления.

Следует иметь в виду, что даже незначительное загрязнение может

полностью изменить условия роста пленки. Если загрязнения

располагаются на подложке в форме небольших изолированных друг от

друга островков, то в зависимости от того, какая энергия связи больше:

между материалом пленки и материалом загрязнения или же между

материалом пленки и подложкой, пленка может образоваться либо на этих

островках, либо на обнаженной части подложки.

Адгезия пленки в очень сильной степени зависит от наличия

окисного слоя, который может возникнуть в процессе осаждения между

пленкой и подложкой. Такой окисный слой образуется, например, при

осаждении железа и нихрома, чем и объясняется хорошая адгезия этих

пленок. Пленки из золота, которое не подвержено окислению, имеют

плохую адгезию, и поэтому между золотом и подложкой приходится

создавать промежуточный подслой из материала с высокой адгезией.

Желательно, чтобы образующийся слой окисла был сосредоточен между

пленкой и подложкой. Если же окисел будет диспергирован по всей пленке

или же будет располагаться на ее поверхности, то свойства пленки могут

сильно измениться. На образование окислов сильное влияние оказывают

состав остаточных газов в рабочем объеме установки и в особенности

наличие паров воды.

Тонкопленочные резисторы

Если еще недавно тонкопленочные резисторы использовались главным

образом при изготовлении гибридных ИС, то за последние годы они все

шире начинают применяться в производстве монолитных ИС по совмещенной

технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные дает

целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент

'сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную

стойкость, более высокую точность номинала и др.

Материалы, используемые при изготовлении резистивных пленок,

должны обеспечивать возможность получения широкого диапазона

стабильных во времени резисторов с низким температурным коэффициентом

сопротивления (ТКС), обладать хорошей адгезией, высокой коррозионной

стойкостью и устойчивостью к длительному воздействию повышенных

температур. При осаждении материала на подложке должны образовываться

тонкие, четкие линии сложной конфигурации с хорошей повторяемостью

рисунка от образца к образцу.

Резистивные пленки чаще всего имеют мелкозернистую дисперсную

.структуру. Наличие дисперсности г, структуре пленок позволяет в

первом приближении рассматривать их электросопротивление как суммарное

сопротивление отдельных гранул и барьеров между ними, при котором

характер общего сопротивления определяет величину и знак ТК.С. Так,

например, если преобладающим является сопротивление самих зерен, то

проводимость пленки имеет металлический характер и ТКС будет

положительным. С другой стороны, если сопротивление обусловлено

прохождением электронов через промежутки между зернами (что обычно

имеет место при малых толщинах пленки), то проводимость будет иметь

полупроводниковый характер и ТКС соответственно будет отрицательным.

В производстве монолитных ИС используются главным образом

.высокоомные резисторы., Для того чтобы резисторы имели минимально

возможные габариты, они должны изготовляться с тем же разрешением и

допуском, что и другие элементы ИС. Это исключает применение для

получения требуемой конфигурации резисторов свободных металлических

масок и позволяет осуществлять ее только с помощью фотолитографии.

При изготовлении микро мощных монолитных ИС по совмещенной

технологии возникает необходимость разместить на сравнительно

небольшой площади .кристалла высокоомные резисторы, имеющие

сопротивление до нескольких мегаом, что может быть достигнуто только в

том случае, если материал резистора будет обладать Rs (10—20) кОм/(.

Процесс изготовления резисторов должен быть совмещен с основным

технологическим процессом изготовления всей кремниевой ИС по планарной

или эпитаксиально-планарной технологии. Так, например резистивные

пленки не должны быть чувствительны к присутствию на кремниевой

пластинке нитрида кремния, фосфора, боросиликатного стекла и других

материалов, используемых в производстве монолитных ИС. Они должны

выдерживать сравнительно высокую температуру (500-550°С), которая

имеет место в процессе герметизации ИС, и в некоторых случаях не

должны изменять свои свойства под воздействием окислительной среды. В

монолитных ИС для изготовления резисторов используются в основном

нихром и танта.

При изготовлении гибридных ИС используется значительно

более широкая номенклатура материалов для тонкопленочных резисторов.

В качестве низкоомных пленок с Rs от 10 до 300 Ом.

используются пленки хрома, нихрома и т тала. Получение пленок хрома с

воспроизводимы электрофизическими свойствами несколько затруднено его

способностью образовывать соединения (особен окисные) при

взаимодействии с остаточными газа в процессе испарения и осаждения.

Значительно более стабильными характеристиками обладают резисторы

основе хромоникелевого сплава (20% Сг и 80% Ni Пленки тантала

благодаря наличию различных его структурных модификаций имеют очень

широкий диапазон поверхностных сопротивлений (от несколько Ом/( для а-

тантала до нескольких МОм/(для тантала с малой плотностью). В качестве

высокостабильного резистивного материала применяется также нитрид

тантала,

Значительное расширение номиналов резисторов достигается путем

применения металлокерамических пленок и пленок силицидов некоторых

металлов В этих системах в качестве металла чаще всего используется

хром, а в качестве диэлектрика — окислы, бориды, нитриды и силициды

переходных металлов, а также окислы некоторых металлоидов. Пленки из

дисилицида хрома, так же как и пленки из сплава кремния, хрома и

никеля, имеют Rs до 5 кОм/(; у пленок на основе. системы хром —-

моноокись кремния Rs в зависимости от содержания хрома может

изменяться от единиц до сотен Ом/(.

Тонкопленочные конденсаторы

Тонкопленочиые конденсаторы, несмотря на кажущуюся простоту

трехслойной структуры, являются наиболее сложными и трудоемкими по

сравнению с другими пленочными пассивными элементами.

В отличие от резисторов, контактных площадок и коммутации, при

изготовлении которых достаточно произвести осаждение одного или двух

слоев (подслоя и слоя), изготовление тонкопленочных конденсаторов

требует по меньшей мере осаждения трех слоев: нижней обкладки, пленки

диэлектрика и верхней обкладки (применение большего числа обкладок

затрудняет процесс изготовления конденсаторов и удорожает их

стоимость).

Материал, используемый для изготовления диэлектрических пленок,

должен иметь хорошую адгезию с металлом, используемым для обкладок

конденсатора, быть плотным и н.е подвергаться механическому разрушению

при воздействии температурных циклов, обладать высоким пробивным

напряжением и малыми диэлектрическими потерями, иметь высокую

диэлектрическую проницаемость, не разлагаться в процессе испарения и

осаждения и обладать минимальной гигроскопичностью.

Самыми распространенными материалами, применяемыми в качестве

диэлектрика в пленочных конденсаторах, являются моноокись кремния

(Si0) и моноокись германия (GеО). В последние годы для этой цели стали

применяться алюмосиликатные, боросиликатные и антимонидогерманиевые

стекла.

Наиболее перспективными диэлектриками являются композиционные

стеклообразные соединения, поскольку у них имеется возможность

изменять в широких пределах электрофизические, физико-химические и

термодинамические свойства путем подбора состава стекла и реализации

особенностей агрегатного состояния стеклообразных систем в

тонкопленочных структурах металл — диэлектрик — металл.

Пленки тантала и его соединений

Пленки тантала и его соединений в последние годы получают все

более широкое распространение при изготовлении тоикопленочных

элементов интегральных схем. Выбор тантала в качестве исходного

материала во многом объясняется тем, что в зависимости от условий

получения талталовых пленок они могут иметь различную структуру и

соответственно в широких пределах изменять как свое удельное

сопротивление, так и его температурный коэффициент.

По кристаллическому строению и электрофизическим свойствам к

массивному образцу наиболее близки пленки ?- тантала, имеющие

крупмокристаллическую объемно-центрованную структуру и обладающие

сравнительно невысоким удельным сопротивлением (20— 40 мкОм-см). В

отличие от к-тантала р-тантал, имеющий тетрагональную

мелкокристаллическую структуру и удельное сопротивление 160—200 кмОм •

см, в массивных образцах не встречается. Эта метастабильная

модификация тантала характерна только для тонких пленок.

Получение пленок ? - и ?- тантала обычно производят путем

катодного распыления при напряжении 4—5 кВ и плотности тока 0,1--1

мА/см2. Если снизить напряжение и при этом не увеличивать давление

аргона, то разрядный ток уменьшится, что приведет к значительному

снижению скорости осаждения. При этом получаются пленки низкой

плотности, имеющие сильно пористую структуру с размерами пор (4—7)-10-

3 мкм, состоящие из большего числа зерен к- или р-тантала с размерами

кристаллов (3—5) • 10-2 мкм. Высокая пористость пленок и появление

системы металл — диэлектрическая смесь вызывают аномальное повышение

удельного сопротивления (примерно в 200 раз по сравнению с ?-

танталом) и изменение его температурного коэффициента. Если в аргон

добавить азот в количестве, существенно превышающем фон остаточных

газов, то могут быть получены пленки нитрида тантала, имеющие два

устойчивых состояния Та2N и TaN с разной кристаллической структурой и

электрофизическими свойствами.

Наличие нескольких модификаций тантала (?- и ?- тантал, тантал

малой плотности) и его нитрида дает возможность выбора самых различных

топологических решений при проектировании пассивной части микросхем.

Чистый ?- тантал из-за больших механических напряжений в

пленке и плохой адгезии .к подложке не нашел широкого применения при

изготовлении RС -элементов микросхем, ?- тантал используется для

изготовления нижних обкладок конденсаторов и частично для получения

резисторов. Нитрид тантала и тантал малой плотности используются для

изготовления резисторов. Практическая ценность тантала с низкой

плотностью заключается в возможности получать высокостабильные

тонкопленочные резисторы (от 10 кОм до нескольких мегаом), имеющие

небольшие размеры и простую конфигурацию. Из тантала с низкой

плотностью могут быть значительно легче изготовлены тонкопленочные

конденсаторы, поскольку в этом случае верхний электрод, так же как и

нижний, можно получать путем распыления тантала, в то время как при

использовании тантала обычной плотности попытки получить таким путем

верхний электрод часто приводили к повреждению диэлектрического слоя.

Кроме того, тантал с низкой плотностью позволяет изготовлять RС- схемы

с распределенными параметрами и регулируемым номиналом резистора, в

качестве которого может быть использован верхний электрод

конденсатора.

Получаемая с помощью электролитического или плазменного

анодирования пятиокись тантала (Та2О5) обладает низкими

диэлектрическими потерями и может применяться как в качестве

диэлектрика для конденсатора, так и в качестве изолятора или защитного

слоя для резистора. Кроме того, с помощью анодирования можно точно

юстировать номиналы конденсаторов и резисторов. Применение ионного

травления, а также растворимость нитрида тантала, чистого тантала и

его окислов в различных травителях обусловливают возможность

использования самых различных методов для получения требуемой

конфигурации микросхем.

Таким образом, на основе тантала можно обеспечить групповое

изготовление пассивных элементов (резисторов, конденсаторов,

соединительных проводников и контактных площадок) как с

сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, которые по

своей сложности не уступают элементам, изготовленным на основе других

материалов, но при этом обладают значительно большой точностью,

стабильностью и надежностью. Универсальность тантала и отсутствие

необходимости использовать другие материалы свидетельствует о том, что

на основе «танталовой технологии» может изготовляться подавляющее

большинство пассивных элементов ИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для современного этапа развития интегральной электроники

характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения

времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на

материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых

принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых

лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной

стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных

технологических операций производственного цикла и, с другой стороны,

открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от

ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического

перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу

развития микроэлектроники — функциональной электронике, в основе

которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные

явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты

накопления и переноса заряда и др.

Критерием «прогрессивности» технологического процесса наряду с

улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая

экономическая эффективность, определяемая рядом частных,

взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения

комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного

оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными .критериями являются:

универсальность, т. е. возможность проведения всего (или

подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и

тех же технологических приемов;

непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции

(объединения) целого ряда технологических операций производственного

цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой

обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов;

высокая скорость проведения всех основных операций

технологического процесса или же возможность их интенсификации,

например, в результате воздействия электрических и магнитных полей,

лазерного излучения и др.;

воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент

выхода как полуфабрикатов, так и годных изделий;

технологичность конструкции изделия или полуфабриката,

соответствующая требованиям автоматизированного производства

(возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки

и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также

ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

формализация, т. е. возможность составления (на основе

аналитических зависимостей параметров изделия от параметров

технологического процесса) математического описания (алгоритма)

каждой технологической операции и последующего управления всем

технологическим процессом с помощью ЭВМ;

адаптивность (жизненность) процесса, т. е. способность

длительного существования в условиях непрерывного появления и развития

новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого

перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без

существенных капитальных затрат.

Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы,

использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и

разреженных газах, с помощью которых можно производить:

ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и

полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава,

межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной

разводки;

ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и

диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при

получении конфигурации ИС;

плазменное анодирование с целью получения окисных пленок;

полимеризацию органических пленок в местах, облученных

электронами, с целью получения органических изоляционных слоев;

очистку и полировку поверхности подложек;

выращивание монокристаллов;

испарение материалов (в том числе тугоплавких) и

перекристаллизацию пленок;

микрофрезерование пленок;

микросварку и микропайку с целью подсоединения выводов ИС, а

также герметизацию корпусов;

бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются

перечисленные процессы показывает принципиальную возможность их

последующей интеграции с целью создания новой технологической базы

высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных

схем и приборов функциональной электроники.

Список литературы.

1. “ Получение тонкопленочных элементов микросхем ” Б.С. Данилов

2. “Зарубежная электронная техника” Н.А. Акуленко

3. “Электронная промышленность” А.С. Грибов

-----------------------

[pic]

Страницы: 1, 2, 3