книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 2.9. Изменение электросопротивления R пленок меди от времени г нагрева на воз­

духе для различных температур нагрева: 300 (1), 250 (2), 200 (5) и 100 (-fl°C

Рис. 2.10. Взаимосвязь температуры I и времени г окисления пленок меди на 1/2 толщины

Для толщин пленок меди 5 ... 6 м к м , используемых для получения проводников ГИС СВЧ, работающих в диапазо­ не 10 ... 12 ГГц, явление окисления не представляет опасности для изменения их характеристик.

При создании ГИС СВЧ, работающих на частотах выше 12 ГГц, т.е. когда толщина проводящего слоя уменьшается до долей микрометров, окисление пленок меди и потеря прово­

димости становятся существенными. Поэтому для ГИС СВЧ, создаваемых для частот более 18 ГГц, следует применять дру­ гие металлургические системы, например титан - палладий - золото.

При использовании медных пленок с целью исключения их окисления на воздухе после осаждения меди в вакууме на­ носится тонкий защитный слой хрома. Наличие этого слоя также улучшает адгезию фоторезиста, используемого при фо­ толитографической обработке. По завершении процесса полу­ чения рисунка в проводящем слое этот промежуточный слой хрома удаляется.

Золотые пленки используются в качестве основного про­ водящего слоя или защитного покрытия в многослойных пле­ ночных структурах, таких как хром - золото, хром - медь - никель - золото, титан - палладий - золото, титан - медь - никель - золото и др. Свойства золотых пленок зависят от способа осаждения и параметров процесса. В процессе оса­ ждения пленок золота на чистые диэлектрические подложки практически сплошная структура образуется при толщинах в несколько десятков нанометров, при этом структуры термиче­ ски осажденных и распыленных пленок отличаются: средний размер гранул при термическом испарении составляет 10 нм, при распылении - 20 нм.

Пленки, осажденные различными способами, отличаю ­ щиеся по структуре и однородности, имеют различные элек­ трические свойства (рис. 2.11).

При изготовлении пленок золота методами вакуумного осаждения необходимо создать условия для стабилизации их структуры и свойств. Основными варьируемыми параметра­ ми являются температура подложки и скорость осаждения. Зависимость удельного электросопротивления пленок золота от этих параметров приведена на рис. 2.12.

Для температур подложек до 250 °С удельные электро­ сопротивления пленок золота, осажденных с различной ско­ ростью, отличаются более низкой скоростью осаждения чему способствует снижение удельного электросопротивления.

мкОм-СИ

Рис. 2.11. Зависимость удельного электросопротивления р пленок золота от

толщины i:

1 - получены термическим испарением; 2 - распыление со "смещением”; 3 - осажденные

электрохимическим способом

9, икОм-см

Рис. 2.12. Зависимость удельного электросопротивления р пленок золота, осажденных

при различной скорости, от температуры под­ ложки in*

1 - Voc = 4 нм/с; 2 - v ос = 2 нм/с

Золотые пленки обычно осаждают на слой хрома или меди. В том случае, когда они осаждаются на пленки хро­ ма, происходит взаимная диффузия контактирующих метал­ лов. Температура осаждения золота более 300 °С способству­ ет ускоренному протеканию процесса диффузии.

Свойства распыленных золотых пленок зависят от напря­ жения, подаваемого на мишень, давления и состава остаточно­ го газа, напряжения смещения (рис. 2.13 и 2.14). Из приведен­ ных данных видно, что удельное электросопротивление пле­ нок, полученных распылением золота, уменьшается при уве­ личении давления в процессе распыления и уменьшении вели­ чины напряжения, подаваемого на мишень. Такое поведение может быть объяснено особенностью роста пленок в условиях уменьшения интенсивности бомбардировки их другими моле­ кулами остаточного газа (кроме аргона), что, по-видимому, уменьшает число дефектов структуры пленок.

Рис. 2.13. Взаимосвязь удельного элек­ тросопротивления р пленок золота (кри­ вая 1) и скорости осаждения voc (кривая 2) с давлением аргона рлг? потенциал на

мишени 700 В

Рис. 2.14. Взаимосвязь удельного электросопро­ тивления р (I) и скорости осаждения v0c (2) распы­ ленных пленок золота с напряжением U на мише­

ни; давление аргона 8 • 10~~3 Па

Электросопротивление пленок золота увеличивается при уменьшении скорости осаждения (рис. 2.15), при этом увели­ чивается критическое значение удельного электросопротивле­ ния.

Рис. 2.15. Зависимость величины электросо­ противления R пленок золота от толщины t

для различных скоростей осаждения:

0,05 (1) нм/с (получена распылением); 0}05 (2), 0,1

(5) и 0,5 (<1) нм/с (получены термическим испаре­ нием)

о1

10

10* 'Z'oi»,мин

Рис. 2.16. Изменение электросопротивления A R /R распыленных пленок золота в зависи­

мости от времени отжига г0*ж для различных толщин:

0,033 (i), 0,042 (2), 0,085 (3) и 0,12 (<{) мкм; от­

жиг произведен при температуре 500 °С и давлении 1,33 -1(Г3 Па

В процессе осаждения пленок золота в их структуре воз­ никают дефекты в виде инородных включений, пор, которые уменьшают среднюю длину свободного пробега электронов, и, как следствие, увеличивается удельное электросопротивле­ ние. Частично изменить структуру золотых пленок и умень­ шить электросопротивление можно дополнительной термиче­ ской обработкой. Характер изменения электросопротивления зависит от толщины осажденной пленки (рис. 2.16). Наклон линий меняется с увеличением толщины осажденных золотых пленок, т.е. изменений электросопротивления в процессе от­ жига меньше у пленок, имеющих большую толщину.

На рис. 2.17 приведена зависимость изменения удельного электросопротивления пленок золота от напряжения смеще­ ния. При осаждении золотых пленок способом распыления “со смещением” , т.е. при подаче отрицательного потенциала на подложку, их структура зависит от этого напряжения.

При напряжении смещения -5 0 .. .30 В образуется наибо­ лее плотная структура золотых пленок, а электросопротивле­ ние имеет минимальное значение.

Рис. 2.17. Взаимосвязь удельного электросопро­ тивления р пленок золота и напряжения смеще­ ния и Сы (подложка - сапфир)

Алюминиевые пленки в ГИС СВЧ используются в каче­ стве проводников, а будучи анодированными - в создании пле­ ночных конденсаторов. Наибольшее применение они имеют в производстве полупроводниковых ИС СВЧ.

При электронно-лучевом нанесении пленок алюминия (или его сплавов) откачку камеры производят до давления 1,33 • 10“ 4 Па, но даже при таком давлении пленка алюминия будет “загрязняться” молекулами остаточного газа со скоро­ стью около 12 нм/мин. Если учесть, что в атмосфере остаточ­ ного воздуха при давлении 1,33 • 10” 4 Па присутствует от 2/3 до 3/4 паров воды, то образование оксида алюминия очевидно.

При магнетронном распылении алюминия вакуумную ка­ меру откачивают до давления 2,66 • 10“ 5 Па, а затем подают аргон, повышая давление до 2,66 • 10“ 3 Па. Для уменьшения вносимых в осаждаемую пленку загрязнений необходимо ис­ пользовать аргон высшего сорта, т.е. с чистотой 99,998%, а его подачу следует производить через стальные или медные трубопроводы, исключив использование резиновых или пласт­ массовых труб.

Основными доминирующими параметрами, влияющими на структуру и свойства пленок алюминия, являются темпе­ ратура подложки и давление аргона. С повышением темпера­

туры подложки плотность образования центров кристаллиза­ ции увеличивается и структура пленок алюминия становит­ ся “столбчатой” . При температуре подложки 350°С размеры частиц алюминия составляют 1 . . . 2 мкм. При дальнейшем повышении температуры подложки до 450 °С происходит про­ цесс рекристаллизации, размеры гранул растут до нескольких микрометров.

Наличие в атмосфере остаточных углеводородов приво­ дит к ухудшению адгезии пленок алюминия, а при повыше­ нии давления до 1,33 • 10-2 Па увеличивается твердость пле­ нок алюминия, что требует приложения больших усилий при приварке проволочных выводов и, как следствие, возрастает вероятность появления трещин в полупроводниковой пласти­ не.

Для обеспечения хорошей адгезии с кремнием и улучше­ ния способности к сварке в качестве металлизационных си­ стем применяют не чистый алюминий, а сплав его с кремни­ ем 2 % или с медью 4,5 % и кремнием 1,5 %. Применение этих сплавов позволяет также уменьшить контактное электросо­ противление и электромиграцию. Указанные сплавы наносят способом магнетронного распыления.

Пленки палладия используют в различных многослойных системах (титан - палладий - золото; титан - палладий - медь - никель - золото, палладий - золото и др.) в качестве основного проводящего слоя. Применение палладия в этих си­ стемах обусловлено его термической стабильностью и совме­ стимостью с другими материалами многослойных структур.

Пленки палладия получают способом термического ис­ парения или магнетронного распыления. В процессе тер­ мического испарения палладия высокой химической чистоты (99,99 %) при скорости осаждения 0,1 мкм/с и температу­ ре подложки 1 0 0 ... 4 0 0 °С можно обеспечить получение тек­ стурированных пленок. Определенную роль в формировании структуры палладиевых пленок имеет остаточное давление.

Взаимосвязь остаточного давления, температуры под­ ложки, скорости осаждения и объема текстурированной струк­ туры пленки приведена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Взаимосвязь текстурирован­ ного объема V в пленках палладия от температуры подложки tn при скорости

осаждения:

S - скорость более 0,1 мкм/с; 0 - ско­ рость менее 0,1 мкм/с; 1, 2 - граница давле­ ний 1,33 10“в Ца; 3, 4 - граница давлений

1,33-10"3 Па

Рис. 2.19 иллюстрирует взаимосвязь температуры под­ ложки, остаточного давления и скорости осаждения с разме­ ром зерна.

А д гези он н ы е п лен ки . Составляющая активных потерь - потери в проводниках в первую очередь, определяет­ ся потерями в адгезионном подслое и потерями в металличе­ ском слое с малым сопротивлением за счет скин-эффекта. Для адгезионного подслоя используются материалы с высоким р (Сг, NiCr, V, Ti, Та, W, Mo), поэтому его стараются сделать как можно тоньше (0,01 ... 0,015 мкм). Толщина проводяще­ го слоя определяется как 3 . . . 5 толщин скин-слоя, поэтому в обратной зависимости от рабочей частоты изменяется толщи­ на проводящего слоя ( 5 ... 10 мкм в сантиметровом диапазоне, 3 . . . 5 мкм в миллиметровом диапазоне).

В качестве материалов адгезионного слоя наибольшее применение имеют хром и титан.

Рис. 2.19. Зависимость среднего размера зерна d пленок палладии от температуры

подложки ti, при скорости осаждении:

1,	4 - скорость осаждении более 0,1 мкм/с; 2,
3 -	скорость менее 0,1 мкм/с; 1, 2 - граница
давлений 1 ,33-10- ®Па; 3, 4 ~ граница давлении
1,33-10-1 Па (толщина пленок 0 ,0 6 ... 0,1 мкм)

Хромовые пленки являются наиболее идеальными для ис­ пользования в качестве адгезионного подслоя. Однако имеется ряд проблем с их применением, а именно: ускорение диффузии хрома в золото при повышенных (свыше 350 °С) температу­ рах и, как следствие, рост удельного электросопротивления и ухудшение адгезии.

Адгезия пленок хрома к подложке определяется техноло­ гическими параметрами: скоростью осаждения пленки, тем­ пературой подложки и углом осаждения потока пара (рис. 2.20). Адгезия увеличивается с ростом упорядоченности структуры пленки хрома и степени ее окисления, которые до­ стигаются при температуре подложки 300 °С и скорости оса­ ждения хрома около 0,6 нм /с. Осаждаемые на нагретую до 250 ... 300 °С подложку частицы хрома окисляются и предста­ вляют собой оксид хрома (СггО).