Реферат: Тонкопленочные элементы интегральных схем

МИРЭА(ТУ)


РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ


                                                                                                         Работы выполнил:

                                                                                                 Семенов Д.А.

                                                                                       РР-2-97


План.

1.    Роль тонкопленочной технологии впроизводстве интегральных схем

2.    Тонкопленочная металлизацияполупроводниковых приборов и интегральных схем

3.    Факторы, влияющие на свойстватонких пленок

4.   Подложки5.   Тонкопленочныерезисторы 6.  Тонкопленочные конденсаторы 7.   Пленкитантала и его соединений

ВВЕДЕНИЕ

Зарождение иразвитие микроэлектроники как нового научно-технического направления,обеспечивающего создание   сложной   радиоэлектронной  аппаратуры (РЭА),непосредственно связаны с кризисной ситуацией, возникшей в начале 60-х годов,когда традиционные методы изготовления РЭА из дискретных элементов путем ихпоследовательной сборки не могли обеспечить требуемую надежность,экономичность, энергоемкость время изготовления и приемлемые габариты РЭА.

Несмотря на малыйсрок своего существования, взаимосвязь микроэлектроники с другими областяминауки и техники обеспечила необычайно высокие темпы развития этой отрасли исущественно сократила время для промышленной реализации новых идей. Этомуспособствовало также возникновение своеобразных обратных связей между разработкойинтегральных схем, являющихся базой автоматизации производства и управления, ииспользованием этих разработок для автоматизации самого процессапроектирования, производства и испытаний интегральных схем.

Развитие микроэлектроники внесло коренныеизменения в принципы конструирования РЭА и привело к использованию комплекснойинтеграции, которая состоит из:

структурной илисхемной интеграции (т. е. интеграции схемных функций в пределах единойструктурной единицы); при степени интеграции порядка сотен и тысяч компонентовсуществующие приемы подразделения систем на компоненты, приборы, субсистемы иблоки, а также формы координации разработок компонентов, приборов и субсистемстановятся уже малоэффективными; при этом центр тяжести перемещается в область схемотехники,что требует коренной перестройки способов реализации электронных систем спостроением аппаратуры на супермодульном уровне;

Рольтонкопленочной технологии в производстве интегральных схем

Интегральная электроника развивается некак новая или обособленная область техники, а путем обобщения многихтехнологических приемов, ранее используемых в производстве дискретныхполупроводниковых приборов и при изготовлении топкопленочпых покрытий. Всоответствии с этим в интегральной электронике определились два главныхнаправления: полупроводниковое и тонкопленочное.

Созданиеинтегральной схемы на одной монокристаллической полупроводниковой (пока толькокремниевой) пластине является естественным развитием отработанных в течениепоследних десятилетий технологических принципов создания полупроводниковыхприборов, как известно, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.

Тонкопленочноенаправление интегральной электроники основано на последовательном наращиваниипленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременнымформированием из этих пленок микро деталей (резисторов, конденсаторов, контакт­ныхплощадок и др.) и внутрисхемных соединений.

Сравнительнонедавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные гибридные ИС рассматривалиськак конкурирующие направления в развитии интегральной электроники. В последниегоды стало очевидно, что эти два направления отнюдь не исключают, а скорее,наоборот, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнегодня не созданы (да, видимо, в этом и нет необходимости) интегральные схемы,использующие какой-либо один вид технологии. Даже монолитные кремниевые схемы,изготавливаемые в основном по полупроводниковой технологии, одновременноприменяют такие методы, как вакуумное осаждение пленок алюминия и другихметаллов для получения внутрисхемных соединений, т. е. методы, на которыхоснована тонкопленочная технология.

Большимдостоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, выражающаяся ввозможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и вполучении по сути дела любой требуемой конфигурации и параметров пассивныхэлементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметрыэлементов, могут быть доведены до 1—2%. Это достоинство особенно эффективнопроявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильностьпараметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например, приизготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем, некоторыхвидов фильтров, фазочувствительных и избирательных схем, генераторов и т. п.).

В связи снепрерывным развитием и совершенствованием как полупроводниковой, так итонкопленочной технологии, а также ввиду все большего усложнения ИС, чтовыражается в увеличении числа компонентов и усложнении выполняемых ими функций,следует ожидать, что в ближайшем будущем будет происходить процесс интеграциитехнологических методов и приемов и большинство сложных ИС будут изготовлятьсяна основе совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры итакую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании каждого видатехнологии в отдельности. Например, при изготовлении полупроводниковой ИС всеэлементы (пассивные и активные) выполняются в одном технологическом процессе, поэтомупараметры элементов оказываются взаимосвязанными. Определяющими являютсяактивные элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переходбаза — коллектор транзистора, а в качестве резистора—диффузионная область,получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя оптимизировать параметрыодного элемента, не изменив одновременно характеристики других. При заданныххарактеристиках активных элементов изменять номиналы пассивных элементов можнолишь изменением их размеров.

При использовании совмещеннойтехнологии активные элементы изготовляются чаще всего методами планарнойтехнологии в пластине кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии наокисленной поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) — поверхности тойже самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и пассивнойчастей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики пассивных элементов взначительной мере независимы и определяются выбором материала, толщиной пленоки их геометрией. Поскольку транзисторы совмещенной ИС находятся внутриподложки, размеры такой схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению сгибридными ИС, которые используют дискретные активные элементы, занимающиесравнительно много места на подложке.

Схемы,изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд несомненныхдостоинств. Так, например, при этом имеется возможность получения на малойплощади резисторов с большой величиной и малым температурным коэффициентомсопротивления, имеющих очень узкую ширину и большое поверхностноесопротивление. Контроль скорости осаждения в процессе получения резисторовпозволяет изготовить их с очень высокой точностью. Резисторам, полученным путемосаждения пленок, не свойственны токи утечки через подложку даже при высокихтемпературах, а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствуетвозможности появления в схемах участков с повышенной температурой.

Тонкие пленки,помимо производства ИС по эпитаксиально-планарной технологии, широкоиспользуются в производстве гибридных ИС, а также при изготовлении новых видовмикроэлектронных приборов (приборов с зарядовой связью, криотронных ЗУ наоснове эффекта Джозефсона, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах и др.).

 

Тонкопленочнаяметаллизация полупроводниковых приборов и интегральных схем

При изготовленииполупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию,меж соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП структурширокое распространение  получили пленки алюминия, что обусловлено следующимидостоинствами этого металла:

низкой стоимостьюАl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла,что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновениегальванических эффектов;

высокойэлектропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовыхтиглей и электронно-лучевых испарителей;

высокой адгезией А1к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- иn-типов проводимости;

заметной растворимостью кремния в Аl собразованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности;

отсутствием всистеме Аl—Si химическихсоединений;

химическимвзаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на контактных площадках; химической стойкостью А1 вокислительной среде и радиационной стойкостью;

легкостьюпроведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящихдорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисьюкремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.

Величина зереносаждаемых пленок Аl существеннозависит от скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зернаи чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельноесопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и как следствиетоковедущие дорожки, и омические контакты имеют больший срок службы.Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается прискоростях осаждения около 3 • 10-2 мкм • с-1 и температуре подложки 200—250°С.

        Для получения столь большихскоростей осаждения пленок чаще всего используются электронно-лучевыеиспарители. При этом степень совершенства кристаллической структуры пленокможет неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационногонагрева подложек, величина которого зависит как от мощности испарителя, так и от материала подложкии толщины осаждаемой пленки. Неконтролируемые изменения в структуре пленкивозникают также из-за наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемыхпаров Аl. Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссиикатода и больше скорость испарения.

Одним изсущественных недостатков пленок чистого Аl является перенос вещества врезультате электродиффузии (дрейфа ионов материала вдоль проводника, ее ли наконцах последнего имеется разность потенциалов). Скорость перемещения ионовявляется функцией температуры и увеличивается с ростом последней. По мимоэлектродиффузии,  возможна диффузия атомов металла в результате разноститемператур на концах проводника. Если Аl осаждается на окисел кремния, то этовызывает плохой отвод тепла, появление «горячих» центров на проводящих дорожкахи как следствие значительные градиенты температуры. Электромиграция А1 приплотностях тока, меньших, чем для других металлов, приводит к появлению пустотв пленке (эффект Киркендалла).

Посколькуэлектродиффузия является активационным процессом, то она существенно зависит отсостояния поверхности границы зерен. Уменьшение протяженности границ за счетувеличения размеров зерна и подбор материала защитного покрытия могутсущественно увеличить энергию активации и как следствие время наработки наотказ. Значительного увеличения времени наработки на отказ можно достичь засчет добавки к алюминию примесей меди, магния, хрома, а также окиси алюминия.

После нанесенияпленки А1 и получения требуемой конфигурации токоведущих дорожек производятвплавление А1 в кремний при температуре 500—550°С для получения низкоомногоконтакта. Миграция избыточного кремния на токоведущих дорожках, прилегающих кконтактным подложкам, вызывает шелушение А1 и отказы ИС. Для предотвращенияэтого необходимо при испарении А1 вводить в него около 2 масс. % кремния.Добавка кремния в контактные площадки из А1 уменьшает миграцию кремния изнеглубоко залегающего эмиттерного слоя (около 1 мкм), что существенноувеличивает быстродействие ИС на биполярных транзисторах и предотвращаетзакорачивание в ИС неглубоко залегающих эмиттерных переходов. Дляпредотвращения миграции кремния в пленку А1 в качестве промежуточного слояможет быть использована пленка титана. Применение метода создания омическихконтактов с подслоем титана в быстро действовавших ИС позволило в 20 разувеличить время наработки на отказ. Помимо титана, может использоваться подслойплатины или палладия с образованием силицида платины или силицида палладия.

Наряду с ранееперечисленными достоинствами металлизация алюминием обладает рядом существенныхнедостатков, важнейшими из которых являются следующие:

малая величинаэнергии активации атомов А1, вызывающая электромиграцию при плотностях токапримерно 106 А/см2 и повышенных температурах, врезультате чего появляются пустоты в пленках;

возможностькороткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых системах металлизациивследствие образования острых выступов на плевке в результате электромиграции ирекристаллизации А1;

опасностьгальванической коррозии Аl при одновременном использовании других металлов;    большая скоростьдиффузии А1 по границам зерен, не допускающая использования приборов сметаллизацией А1 при температурах более 500°С;

интенсивноехимическое взаимодействие А1 с двуокисью кремния при температуре около 500°С;

низкая точкаплавления в эвтектике систем алюминий — кремний около 577°С;

большое различие (в6 раз) коэффициентов термического расширения А1 и 51;

мягкость А1 и,следовательно, невысокая механическая прочность пленок;

невозможностьприсоединения выводов с помощью пайки;

высокое пороговоенапряжение в МОП структурах в связи с большой работой выхода.

Из-за перечисленныхнедостатков алюминиевая металлизация не применяется в ИС и транзисторах смелкими эмиттерными переходами, а также в МДП ИС для… создания затворныхэлектродов. Для этой цели применяют, однослойные и  многослойные системы изразличных металлов (в том числе А1 для получение верхнего слоя). Наиболееподходящими материалами являются вольфрам и молибден. В частности, вольфрамимеет практически одинаковый с кремнием ТКС, хороший омический контакт ккремнию р- и n- типов проводимости, малое (в 2,5 раза) отличие оталюминия по электропроводности, самое высокое из всех металлов значение энергииактивации  при самодиффузии, высокую температуру плавления эвтектики скремнием, химическую инертность на воздухе и в водном растворе плавиковойкислоты, а также высокую твердость, что исключает возможность появления царапинна пленке.

Благодаря высокойтемпературной стойкости W его можно использовать для многоуровневойметаллизации, чередуя слои двуокиси кремния с W. При термообработке на поверхности пленки необразуются холмики и нет опасности короткого замыкания между токоведущимидорожками в многослойной металлизации. Кроме того, пленки W (так же как ипленки Мо) являются металлургическим барьером, препятствующим образованиюмежкристаллической структуры кремния и алюминия.

Недостаткомметаллизации W является трудность получения пленок (для чего обычноиспользуется пиролиз гексофторида вольфрама) и их травления (в щелочномрастворе ферроцианида). Оба эти процесса сложны и проводятся с использованиемтоксичных веществ. Кроме того, непосредственно к вольфраму невозможноподсоединить внешние выводы, поэтому поверх него на контактные площадки инаносят какой-либо другой металл (Рt, Ni, Аи, Си, А1 и др.).

При изготовлении ИССВЧ диапазона, ИС специального назначения, а также в гибридной технологииприменяют металлизацию, состоящую из нескольких слоев тонких металлов. При этомобычно первый (нижний) слой металла должен обладать высокой адгезией как ккремнию, так и к двуокиси кремния и одновременно иметь малые значениякоэффициентов растворимости и диффузии в этих материалах. Этим требованиямудовлетворяют такие металлы, как хром, титан, молибден, а также силицидплатины. При двухслойной металлизации второй (верхний) слой металла должениметь высокую электропроводность и обеспечивать приварку к нему проволочныхвыводов. Однако в некоторых системах (таких, как Сг-Аu, Тi-Аu или Сг-Сu) контакты

при термообработкетеряют механическую прочность в результате образования на их границеинтерметаллических соединений. Кроме того, верхний металл диффундирует черезнижележащий слой в кремний, что снижает механическую прочность соединения иизменяет контактное сопротивление. Для устранения этого явления обычноиспользуют третий слой металла, который является барьером, препятствующимвзаимодей: твию верхнего слоя металлизации с кремнием. Так, например, в тройнойсистеме Тt-Рl-Аu, которая применяется при изготовлении балочных выводов, слой

/> <td/> />
                  

Рис. 1. Схема процесса изготовлениядвухуровневой металлизации в системе А1-А1гОз-А1.

а-- нанесение толстого итонкого слоев окисла кремния перед металлизацией (показана область омическогоконтакта); б—нанесение алюминия, образующего первый уровень; в — фотогравировкапервого уровня металла; г — анодирование первого уровня металлизации сфоторезистивной маской; д — нанесение алюминия, образующего второйуровень; е — фотогравировка второго уровня металлизации.

Рt толщиной около 5Х10-2мкм служит барьером против диффузии А1 в S1. Помимо этого для балочных выводовв МДП ИС применяются системы Сг-Аg-Аu, Сг-Аg-Рt, Рd-Аg-Аu, в которых роль барьера выполняет пленка серебра.Для гибридных ИС и полосковмх линий ИС СВЧ диапазона применяются системы Сг-Сuи Сг-Сu-Сг.

Увеличениеплотности размещения элементов на кристалле потребовало применениямногоуровневой металлизации. На рис. 1 показана последовательность изготовлениядвухуровневой металлизации в системе А1-А120з-А1, которая применяется вприборах с зарядовой связью.

Сравнительно новымизолирующим материалом для многоуровневой металлизации является полиимид, спомощью которого получают пятиуровневую металлизацию БИС на МДП транзисторах.

Факторы, влияющие на свойства тонких пленок

Рост одноговещества на подложке из другого вещества — очень сложный процесс, зависящий отбольшого числа трудно контролируемых параметров: структуры подложки, состоянияее поверхности, температуры, свойств испаряемого вещества и скорости егоосаждения, материала и.конструкции испарителя, степени разрежения, составаостаточной среды и ряда других. В табл. 1 показана связь между свойствамипленок и условиями их осаждения.

Свойства пленки факторы, влияющие на указанные свойства Размер зерен Материал подложки и пленки. Загрязнения подложки. Подвижность атомов осаждаемого материала на поверхности подложки (температура подложки, скорость осаждения). Структура поверхности подложки (степень шероховатости, наличие кристаллов) Расположение кристаллов Структура подложки ''(монокристаллическая, поликристаллическая или аморфная). Загрязнения подложки (нарушение структуры пленки). Температура подложки (обеспечение необходимой подвижности атомов осаждаемого материала) Адгезия между пленкой Материал подложки и пленки. Дополнительные процессы (например, образование промежуточного слоя окисла между пленкой и подложкой). Загрязнение подложки. Подвижность атомов осаждаемого материала Загрязнение Чистота испаряемого материала. Материал испарителя. Загрязнение подложки. Степень разрежения и состав остаточной среды. Соотношение между давлением остаточных газов и скоростью осаждения Окисление Степень химического сродства осаждаемого материала к кислороду. Поглощение водяных паров подложкой. Температура подложки. Степень разрежения и состав остаточной среды. Соотношение между давлением остаточных газов и скоростью осаждения Напряжение Материал пленки и подложки. Температура подложки. Размер зерен, включения,  кристаллографические дефекты в пленке. Отжиг. Угол между молекулярным пучком и подложкой /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

В зависимости отконкретных условий осаждения пленки одного и того же вещества могут иметьследующие основные структурные особенности: аморфную структуру,характеризующуюся отсутствием кристаллической решетки; коллоидную (мелкозернистую)структуру, характеризующуюся наличием очень мелких кристалликов (менее 10~2мкм); гранулярную (крупнозернистую) структуру, имеющую крупные кристаллы (10-1мкм и более); монокристаллическую структуру, когда вся пленка представляетсобой сплошную кристаллическую решетку атомов данного материала.

Подложки

Материал,используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкуюповерхность (с чистотой обработки по 12—14-му классу), обладать высокойэлектрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладатьвысокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термическогорасширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки позначению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалыдля подложек, которые в равной степени пени удовлетворяли бы всем перечисленнымтребованиям.

В качестве подложекдля гибридных ИС использую ситалл, фотоситалл, высокоглиноземистую ибериллиевую керамику, стекло, поликор, полиимид, а также металлы, покрытыедиэлектрической пленкой.

Ситаллы—это стеклокерамические материалы,полу чаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситалловполучено в системах Li2О-Аl2Оз-SiO2-ТiO2 и RО-Al2Оз-SiO2-ТiO2 (КО типа СаО,МgО, ВаО).

В отличие от большинствавысокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошейгибкостью при формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать иотливать центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепадытемпературы. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической прочностине уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2—3раза прочнее стекла. Ситалл не порист, газонепроницаем и имеет незначительноегазовыделение при высоких температурах.

Поскольку по своейструктуре ситаллы многофазны, то при воздействии на них различных химическихреактивов, применяемых, например, для очистки поверхности подложки отзагрязнений, возможно глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящеек образованию резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличиешероховатостей  на поверхности подложки снижает воспроизводимость параметров инадежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Поэтому для уменьшениявысоты и сглаживания краев микронеровностей иногда на подложку наносятгрунтующий слой из материала, обладающего хорошими диэлектрическими иадгезионными свойствами, а также однородной структурой (например, слоймоноокиси кремния толщиной в несколько микрон).

Из стекол вкачестве подложек применяются аморфные силикатные стекла, бесщелочное стеклоС48-3, боросиликатное и кварцевое стекло. Силикатные стекла получают из жидкогорасплава окислов путем их переохлаждения, в результате чего сохраняетсяструктура жидкости, т. е. характерное аморфное состояние. Хотя в стеклахимеются области с кристаллической фазой — кристаллиты, они распределеныхаотично по всей структуре, занимают малую часть объема и существенного влиянияна аморфную природу стекла не оказывают.

Кварцевое стеклоявляется однокомпонентным силикатным стеклом, состоит практически из одногокремния и получается путем плавления его природных разновидностей. Оно имееточень низкий коэффициент термического расширения, что определяет егоисключительно высокую термостойкость. По сравнению с другими [стекламикварцевое стекло инертно к действию большинства химических реагентов.Органические и минеральные кислоты (за исключением плавиковой и фосфорнойкислот) любых концентраций даже при повышенной температуре почти не действуютна кварцевое стекло.

Керамическиеподложки 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 болеевысокой теплопроводностью, чем стекло, поэтому при напряженных тепловых режимахцелесообразно применять бериллиевую керамику. Помимо бериллиевой керамики,применяются высокоглиноземистая (94% Аl2Оз) керамика, плотный алюмооксид, стеатитовая керамика, а такжеглазурованная керамика на основе окиси алюминия. Следует отметить, что глазуриимеют толщину менее 100 мкм, и поэтому не являются заметным барьером междупленкой и подложкой при невысоких уровнях мощности. Микронеровностинеобработанной керамики в сотни раз больше, чем у стекла, и достигаютнескольких тысяч ангстрем. Они могут быть значительно снижены путем полировки,однако при этом существенно загрязняется поверхность керамики.

Наличие загрязненийна подложке оказывает существенное влияние как на адгезию, так и на электрофизическиесвойства пленок. Поэтому перед осаждением приходится тщательно очищатьподложки, а также защищать их от возможности появления масляных пленок, которыемогут возникнуть в результате миграции паров рабочих жидкостей из насосов.Эффективным способом очистка является ионная бомбардировка поверхности подложкив плазме тлеющего разряда. Для этой цели в рабочей камере вакуумной установкиобычно предусматриваются особыеэлектроды, на которые от маломощного высоковольтного источника подаетсянапряжение в несколько киловольт. Электроды чаще всего изготавливаются изалюминия, поскольку среди металлов он имеет самую низкую скорость катодногораспыления.

Следует иметь ввиду, что даже незначительное загрязнение может полностью изменить условияроста пленки. Если загрязнения располагаются на подложке в форме небольшихизолированных друг от друга островков, то в зависимости от того, какая энергиясвязи больше: между материалом пленки и материалом загрязнения или же междуматериалом пленки и подложкой, пленка может образоваться либо на этихостровках, либо на обнаженной части подложки.

Адгезия пленки вочень сильной степени зависит от наличия окисного слоя, который  можетвозникнуть в процессе осаждения между пленкой и подложкой. Такой окисный слойобразуется, например, при осаждении железа и нихрома, чем и объясняется хорошаяадгезия этих пленок. Пленки из золота, которое не подвержено окислению, имеютплохую адгезию, и поэтому между золотом и подложкой приходится создаватьпромежуточный подслой из материала с высокой адгезией. Желательно, чтобыобразующийся слой окисла был сосредоточен между пленкой и подложкой. Если жеокисел будет диспергирован по всей пленке или же будет располагаться на ееповерхности, то свойства пленки могут сильно измениться. На образование окисловсильное влияние оказывают состав остаточных газов в рабочем объеме установки ив особенности наличие паров воды.

Тонкопленочные резисторы

Если еще недавно тонкопленочные резисторыиспользовались главным образом при изготовлении гибридных ИС, то за последниегоды они все шире начинают применяться в производстве монолитных ИС посовмещенной технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные даетцелый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент 'сопротивления, низкуюпаразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокуюточность номинала и др.

Материалы,используемые при изготовлении резистивных пленок, должны обеспечиватьвозможность получения широкого диапазона стабильных во времени резисторов снизким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), обладать хорошейадгезией, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к длительномувоздействию повышенных температур. При осаждении материала на подложке должныобразовываться тонкие, четкие линии сложной конфигурации с хорошей  повторяемостью рисунка от образца к образцу.

Резистивные пленки чаще всего имеютмелкозернистую дисперсную.структуру. Наличие дисперсности г, структуре пленокпозволяет в первом приближении рассматривать их электросопротивление каксуммарное сопротивление отдельных гранул и барьеров между ними, при которомхарактер общего сопротивления определяет величину и знак ТК.С. Так, например,если преобладающим является сопротивление самих зерен, то проводимость пленкиимеет металлический характер и ТКС будет положительным. С другой стороны, еслисопротивление обусловлено прохождением электронов через промежутки междузернами (что обычно имеет место при малых толщинах пленки), то проводимостьбудет иметь полупроводниковый характер и ТКС соответственно будетотрицательным.

В производствемонолитных ИС используются главным образом.высокоомные резисторы., Для тогочтобы резисторы имели минимально возможные габариты, они должны изготовляться стем же разрешением и допуском, что и другие элементы ИС. Это исключаетприменение для получения требуемой конфигурации резисторов свободныхметаллических масок и позволяет осуществлять ее только с помощьюфотолитографии.

       Приизготовлении микро мощных монолитных ИС по совмещенной технологии возникаетнеобходимость разместить на сравнительно небольшой площади.кристаллавысокоомные резисторы, имеющие сопротивление до нескольких мегаом, что можетбыть достигнуто только в том случае, если материал резистора будет обладать Rs ­ (10—20) кОм/c. Процесс изготовления резисторовдолжен быть совмещен с основным технологическим процессом изготовления всейкремниевой ИС по планарной или эпитаксиально-планарной технологии. Так,например резистивные пленки не должны быть чувствительны к присутствию накремниевой пластинке нитрида кремния, фосфора, боросиликатного стекла и другихматериалов, используемых в производстве монолитных ИС. Они должны выдерживатьсравнительно высокую температуру (500-550°С), которая имеет место в процессегерметизации ИС, и в некоторых случаях не должны изменять свои свойства подвоздействием окислительной среды. В монолитных ИС для изготовления резисторовиспользуются в основном нихром и танта.

         Приизготовлении гибридных ИС используется значительно более широкая номенклатураматериалов для тонкопленочных резисторов.

         В качественизкоомных пленок с Rs от 10 до 300 Ом. используются пленки хрома, нихрома и ттала. Получение пленок хрома с воспроизводимы электрофизическими свойстваминесколько затруднено его способностью образовывать соединения (особен окисные)при взаимодействии с остаточными газа в процессе испарения и осаждения.Значительно более стабильными характеристиками обладают резисторы основехромоникелевого сплава (20% Сг и 80% Ni  Пленки тантала благодаря наличиюразличных его структурных модификаций имеют очень широкий диапазонповерхностных сопротивлений (от несколько Ом/c  для а-тантала до несколькихМОм/cдля танталас малой плотностью). В качестве высокостабильного резистивного материалаприменяется также нитрид тантала,

Значительноерасширение номиналов резисторов достигается путем примененияметаллокерамических пленок и пленок силицидов некоторых металлов В этихсистемах в качестве металла чаще всего используется хром, а в качестведиэлектрика — окислы, бориды, нитриды и силициды переходных металлов, а такжеокислы некоторых металлоидов. Пленки из дисилицида хрома, так же как и пленкииз сплава кремния, хрома и никеля, имеют Rs до 5 кОм/c; у пленок на основе. системыхром —- моноокись кремния Rs в зависимости от содержания хрома можетизменяться от единиц до сотен Ом/c.

Тонкопленочные конденсаторы

Тонкопленочиыеконденсаторы, несмотря на кажущуюся простоту трехслойной структуры, являютсянаиболее сложными и трудоемкими по сравнению с другими пленочными пассивнымиэлементами.

В отличие отрезисторов, контактных площадок и коммутации, при изготовлении которыхдостаточно произвести осаждение одного или двух слоев (подслоя и слоя),изготовление тонкопленочных конденсаторов требует по меньшей мере осаждениятрех слоев: нижней обкладки, пленки диэлектрика и верхней обкладки (применениебольшего числа обкладок затрудняет процесс изготовления конденсаторов иудорожает их стоимость).

Материал,используемый для изготовления диэлектрических пленок, должен иметь хорошуюадгезию с металлом, используемым для обкладок конденсатора, быть плотным и н.еподвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов,обладать высоким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими потерями,иметь высокую диэлектрическую проницаемость, не разлагаться  в процессеиспарения и осаждения и обладать минимальной гигроскопичностью.

Самымираспространенными материалами, применяемыми в качестве диэлектрика в пленочныхконденсаторах, являются моноокись кремния (Si0) и моноокись германия (GеО). Впоследние годы для этой цели стали применяться алюмосиликатные, боросиликатныеи антимонидогерманиевые стекла.

Наиболееперспективными диэлектриками являются композиционные стеклообразные соединения,поскольку у них имеется возможность изменять в широких пределахэлектрофизические, физико-химические и термодинамические свойства путем подборасостава стекла и реализации особенностей агрегатного состояния стеклообразныхсистем в тонкопленочных структурах металл — диэлектрик — металл.

Пленки тантала и его соединений

Пленки тантала иего соединений в последние годы получают все более широкое распространение приизготовлении тоикопленочных элементов интегральных схем. Выбор тантала вкачестве исходного материала во многом объясняется тем, что в зависимости отусловий получения талталовых пленок они могут иметь различную структуру исоответственно в широких пределах изменять как свое удельное сопротивление, таки его температурный коэффициент.

По кристаллическомустроению и электрофизическим свойствам к массивному образцу наиболее близкипленки α- тантала, имеющие крупмокристаллическую объемно-центрованнуюструктуру и обладающие сравнительно невысоким удельным сопротивлением (20— 40мкОм-см). В отличие от к-тантала р-тантал, имеющий тетрагональную мелкокристаллическуюструктуру и удельное сопротивление 160—200 кмОм • см, в массивных образцах невстречается. Эта метастабильная модификация тантала характерна только длятонких пленок.

Получение пленокα — и  β- тантала обычно производят путем катодного распыления принапряжении 4—5 кВ и плотности тока 0,1--1 мА/см2. Если снизитьнапряжение и при этом не увеличивать давление аргона, то разрядный токуменьшится, что приведет к значительному снижению скорости осаждения. При этомполучаются пленки низкой плотности, имеющие сильно пористую структуру сразмерами пор (4—7)-10-3 мкм, состоящие из большего числа зерен к-или р-тантала с размерами кристаллов (3—5) • 10-2 мкм. Высокаяпористость пле­нок и появление системы металл — диэлектрическая смесь вызываютаномальное повышение удельного со­противления (примерно в 200 раз по сравнениюс α- танталом) и изменение его температурного коэф­фициента. Если в аргондобавить азот в количестве, существенно превышающем фон остаточных газов, то мо­гутбыть получены пленки нитрида тантала, имеющие два устойчивых состояния Та2N и TaN с разной кри­сталлическойструктурой и электрофизическими свой­ствами.

Наличие несколькихмодификаций тантала (α- и  β-  тантал, тантал малой плотности) и его нитридадает возможность выбора самыхразличных топологических решений при проектировании пассивной части микро­схем.

      Чистый α- тантал из-забольших механических на­пряжений в пленке и плохой адгезии.к подложке не нашелширокого применения при изготовлении RС -элементов микросхем, β-тантал используется для изготов­ления нижних обкладок конденсаторов и частичнодля получения резисторов. Нитрид тантала и тантал малой плотности используютсядля изготовления резисторов. Практическая ценность тантала с низкой плотностьюзаключается 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 изготовленытонкопленочные конденсаторы, поскольку в этом случае верхний элек­трод, так жекак и нижний, можно получать путем рас­пыления тантала, в то время как прииспользовании тантала обычной плотности попытки получить таким путем верхнийэлектрод часто приводили к повреждению диэлектрического слоя. Кроме того, танталс низкой плотностью позволяет изготовлять RС- схемы с распре­деленными параметрами и регулируемым номиналом резистора,в качестве которого может быть использован верхний электрод конденсатора.

Получаемая спомощью электролитического или плазменного анодирования пятиокись тантала (Та2О5) обладает низкими диэлектрическими потерями иможет применяться как в качестве диэлектрика для конденса­тора, так и вкачестве изолятора или защитного слоя для резистора. Кроме того, с помощьюанодирования можно точно юстировать номиналы конденсаторов и ре­зисторов.Применение ионного травления, а также рас­творимость нитрида тантала, чистоготантала и его окислов в различных травителях обусловливают воз­можностьиспользования самых различных методов для получения требуемой конфигурациимикросхем.

Таким образом, наоснове тантала можно обеспечить групповое изготовление пассивных элементов(резисто­ров, конденсаторов, соединительных проводников и кон­тактных площадок)как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, которые по своейсложности не уступают элементам, изготовленным на основе других материалов, но при этом обладают значительно большойточностью, стабильностью и надежностью. Универсальность тантала и отсутствиенеобходимости использовать другие материалы свидетельствует о том, что наоснове «танталовой технологии» может изготовляться подавляющее большинствопассивных элементов ИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Для современногоэтапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшегоповышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличениянадежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимостиИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованиемпроцессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химическиеявления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграцииоднородных технологических операций производственного цикла и, с другойстороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями отЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и техническогоперевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развитиямикроэлектроники — функциональной электронике, в основе которой лежатоптические, 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 ихарактеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность,определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающихвозможность построения комплектов полностью автоматизированноговысокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важнымичастными.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 рядатехнологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностьюиспользования одновременной групповой обработки значительного количестваизделий или полуфабрикатов;

высокая скоростьпроведения всех основных операций технологического процесса или же возможностьих интенсификации, например, в результате воздействия  электрических имагнитных полей, лазерного излучения и др.;

воспроизводимостьпараметров на каждой операции и высокий процент выхода как полуфабрикатов, таки годных изделий;

технологичностьконструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиямавтоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки,базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простотеформы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

формализация, т. е.возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметровизделия от параметров технологического процесса) математического описания(алгоритма)  каждой технологической операции и последующего управления всемтехнологическим процессом с помощью ЭВМ;

адаптивность(жизненность) процесса, т. е. способность длительного существования в условияхнепрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов ивозможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видовизделий без существенных капитальных затрат.

Большинству изперечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные иионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которыхможно производить:

ионное распылениеметаллов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленокразличной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойнойизоляции, межслойной разводки;

ионное травлениеметаллов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельныхлокализованных участков при получении конфигурации ИС;

плазменноеанодирование с целью получения окисных пленок;

полимеризациюорганических пленок в местах, облученных электронами, с целью полученияорганических изоляционных слоев;

очистку и полировкуповерхности подложек;

выращиваниемонокристаллов;

испарениематериалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок;

микрофрезерованиепленок;

микросварку имикропайку с целью подсоединения выводов ИС, а также герметизацию корпусов;

бесконтактныеметоды контроля параметров ИС.

Общностьфизико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы показываетпринципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новойтехнологической базы высокопроизводительного автоматизированного производстваинтегральных схем и приборов функциональной электроники.


Списоклитературы.

1.    “ Получение тонкопленочныхэлементов микросхем ”  Б.С.Данилов

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

3.    “Электронная промышленность”  А.С. Грибов

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике