Глава 8.Пленки в технологии ис, микросборок и коммутационных элементов
8.1. Металлические пленки для ис
В настоящее время на практике используются два принципиально отличных варианта производства ИС и микросборок: тонко- и толстопленочный.
Рис. 8.1. Варианты методов производства ИС
Тонкопленочная технология обеспечивает более точные размеры элементов, однако сложнее и поэтому дороже толстопленочной.
В технологиях полупроводниковых ИС осаждение тонких пленок металлов используется, как правило, для создания коммутации и контактных площадок, а также резисторов, конденсаторов и т.п.
Очевидно, что конфигурация пленок определяется конструкцией ИС и заданными значениями их электрофизических параметров.
Параметры пленок изменяются в широком диапазоне в зависимости от её состава и условий осаждения. Наиболее важной характеристикой пленок является удельное сопротивление .
Так, например, может наблюдаться три области изменения удельного сопротивления как функции толщины :
0,1 мкм Ме,
10-2 мкм Ме,
≤ 10-3 мкм – очень большое, где Ме – сопротивление массивного образца (например, металла).
Схематично данная ситуация изображена на рис. 8.2.
Схематично данная ситуация изображена на рис.8.1.
Рис. 8.2. Зависимость электросопротивления пленки
от ее толщины и концентрации металла (на примере Ni)
Для приближенного
вычисления удельного сопротивления
пленки используют соотношение:
,где А
= const
и определяется экспериментально.
Если же пленка
априори считается однородной, то ее
сопротивление равно:
,
где l,
b,
S
– соответственно длина, ширина и площадь
сечения пленки.
При l
= b
(т.е. квадратное сечение)
– поверхностное сопротивление Ом/.
Если необходимо
получить резистивный элемент, то он
должен обладать максимальным
сопротивлением, т.е.
,
где Sk
– общая площадь пластины; So
– площадь пластины, занятая другими
компонентами; коэффициент 1/2 учитывает
расстояние между резисторами.
Обычно экспериментальное значение Rmax несколько меньше расчетного за счет контактных площадок и зазоров.
8.2. Технология коммутационных элементов ис
Применяемые для внутрисхемной коммутации ИС проводящие пленки должны отвечать ряду требований: высокая теплопроводность, адгезия к подложке, коррозионная стойкость, термоустойчивость (т.е. не рекристаллизоваться под воздействием высоких температур), совместимость с другими элементами ИС.
Обычно для токоведущих дорожек используются такие проводники, как золото, серебро, медь, алюминий и другие металлы. Хорошими токопроводящими характеристиками обладает серебро, но оно практически не используется для внутрисхемной коммутации ИС из-за высокого коэффициента поверхностной диффузии и электромиграции, которые при эксплуатации вызывают закорачивание соседних проводников.
Медь широко применяется в качестве материала для коммутации элементов ИС, особенно для изготовления микрополосковых СВЧ-линий. Однако низкая адгезия к керамическим и стеклянным подложкам, а также высокая окисляемость поверхности создают трудности при подсоединении внешних выводов. Поэтому медь используется только в составе многослойных проводников и контактных площадок. В качестве адгезионного подслоя меди используют хром, титан, ванадий. Для таких пленочных структур длительные термические воздействия в диапазоне температур 100-600°С не оказывают влияния на электрические свойства готового изделия. В качестве защитного покрытия для Cr-Cu, Ti-Cu и V-Cu структур служат Ni и Au, которые позволяют присоединять внешние выводы сваркой или пайкой.
Золото с адгезионным подслоем наиболее полно удовлетворяет требованиям однослойной коммутации, так как выдерживает высокие температуры обработки на воздухе и обеспечивает высокое качество соединения с внешними выводами практически любым способом. При использовании золота в контакте с другими металлами необходимо учитывать их взаимную диффузию с образованием твердых растворов или интерметаллических соединений. В случае взаимной диффузии происходит увеличение удельного сопротивления диффузионной зоны, что крайне отрицательно сказывается на свойствах проводящего элемента или контактной площадки ИС. Так, в пленочной системе Au-Al взаимная диффузия становится уже заметной при ~100°С со всеми вытекающими последствиями.
Алюминий тоже широко используется для металлизации ИС вследствие высокой технологичности и низкой стоимости получения пленок из этого металла. Кроме того, широкое применение Al обусловлено возможностью создания соединений с выводами навесных элементов ИС методами ультразвуковой и термокомпрессионной сварки.
Al2О3 – хрупкий оксид (пленка толщиной 10 нм на поверхности металлического Al) и легко разрушается при механическом воздействии, обеспечивая удовлетворительное качество сварки. Улучшить качество сварного соединения можно нанесением титана на алюминиевую пленку (толщина титана ~30-80 нм). Покрытие титаном алюминиевой пленки повышает микротвердость последней в 5-10 раз, что также положительно сказывается на качестве коммутации в ИС.
К недостаткам алюминиевой металлизации следует отнести невозможность подсоединения к ней внешних выводов методом пайки. Тем не менее, поиски наилучшей пленочной системы на основе алюминиевой металлизации продолжаются.
Для проводников СВЧ-диапазона первоначально использовалось сочетание металлов Cr-Au. Однако эта система оказалась неудачной при повышенных температурах из-за диффузии хрома в золото, приводящей к десятикратному увеличению удельного сопротивления по сравнению с объемным сопротивлением золота.
Широкое распространение в производстве ИС получила структура Ti-Cu-Ni-Au, в которой основную функциональное роль выполняет слой меди толщиной ~15 мкм. Титан способствует высокой адгезии слоя к ситаллововой или поликоровой подложке при низкой температуре осаждения. Структура Ni-Au придает системе коррозионную стойкость и делает возможным сварку или пайку при сборочных операциях.
Для обеспечения высокой проводимости и низких внутренних напряжений пленки меди должны обладать мелкодисперсной структурой и содержать малое количество примесей. Рентгеноструктурные исследования показали, что такие пленки, полученные при скорости осаждения ~150 нм/с, независимо от толщины имеют совершенную структуру, аналогичную структуре отожженного образца монолитной меди.
Другими важными параметрами тонких пленок являются внутренние напряжения, которые подразделяются на термические и собственные. Если первые определяются различием коэффициентов линейного расширения пленки и подложки, то вторые связаны с неполным структурным упорядочением материала, нанесенного на подложку (конденсата). Внутренние напряжения в пленках меди обладают растягивающими усилиями, значения которых в зависимости от толщины пленки и скорости осаждения конденсата находятся в пределах (0,5–1,5)108 Па (см. рис. 8.3). Повышение температуры до ~450 К сопровождается линейным уменьшением растягивающих напряжений до нуля и даже изменением их знака. Инверсия знака происходит при температуре, близкой к температуре подложки при осаждении пленки.
Рис. 8.3. Зависимость внутренних напряжений σ
от толщины δ пленки и скорости осаждения конденсата на подложку
Рис. 8.4. Зависимость внутренних напряжений σ
от толщины δ пленки и температуры