Конструктивно-технологические основы тонкопленочной микроэлектроники

Конструктивно-технологические основы тонкопленочной микроэлектроники

 

Для классификации пленочных ИС можно использовать различные критерии. Далее приводится классификация по конструкторско-технологическим признакам, так как при этом дается информация о конструкциях и технологиях изготовления микросхем.

 

Методы получения тонких пленок

 

Многообразие методов получения тонких плёнок объясняется многообразием ис­пользуемых материалов для напыления, а также принятыми традициями и методами фирм-изготовителей.

Термическое вакуумное напыление

Суть метода состоит в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой кинетическая энергия атомов и молекул испаряемого вещества становится достаточной для отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве.

Термическое напыле­ние протекает в три этапа:

1) Испарение вещества с целью получения паро-атомарного потока;

2) Перенос пара в вакууме;

3) Конденсация пара на подложке с образованием плёночной структуры;

 

Нагревать испаряемые вещества можно прямым и косвенным путём. Прямой путь представляет собой резистивный нагрев материала, в этом случае испаряется спираль, по которой протекает ток.

Косвенный путь подразумевает использование какого-либо побочного нагревателя, с температурой плавления, превышающей температуру испарения испаряемого вещества. Наиболее часто применяются проволочные, ленточ­ные и тигельные испарители. Последние изготавливают из кварца (1400° С), окиси алю­миния (1600° С), окиси тория (2200° С) и вакуумного графита (до 3000° С).

В резуль­тате нагрева испаряемое вещество переходит из твёрдого в жидкое состояние, однако не­которые металлы, такие как хром и вольфрам, могут испаряться из твёрдой фазы. При дальнейшем повышении температуры, когда энергия, сообщаемая молекулам, станет достаточной для отрыва их от поверхности вещества, начнётся испарение. Температура, при которой давление пара над поверхностью вещества составляет 1,33 Па, называется условной температурой испарения вещества.

Скорость испарения определяется по фор­муле:

, где

Тисп - температура испарения вещества;

р - давление на­сыщенного пара;

М- молярный вес испаряемого вещества.

 

Материал	Тисп	V исп
Алюминий	966	0,85
Вольфрам	3309	1,45
Медь	1270	1,18
Титан	1550	0,95
Хром	1205	1,1

Катодное распыление

 

Одним из методов катодного распыления является реактивное распыление. Оно основано на введении в колпаковое пространство реактивного газа, который взаимодействует с конденсированными атомами на подложке. В результате этого образуются химические соединения (двуокись металла).

Подложки ГИС и МСБ

 

Подложки выполняют следующие основные функции:

Ø являются основанием для группового формирования на них микросхем;

Ø являются элементом конструкции, выполняющим роль механической опоры;

Ø обеспечивают теплоотвод и электрическую изоляцию элементов;

 

Материал подложек должен обладать:

Ø высоким удельным электрическим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла диэлектрических потерь и низкой диэлектрической проницаемостью высокой электрической прочностью;

Ø высоким коэффициентом теплопроводности;

Ø высокой механической прочностью в малых толщинах;

Ø высокой химической инертностью к осаждаемым материалам;

Ø высокой физической и химической стойкостью к воздействию высоких температур в процессе напыления или термообработки паст;

Ø стойкостью к воздействию химических реактивов при выполнении технологических процессов;

Ø незначительным газовыделением в вакууме;

Ø способностью к хорошей механической обработке;

 

Кроме того материал подложек должен быть недорогим. Чистота рабочей поверхности подложек после окончательной обработке должна соответствовать 13 – 14 классам для тонкопленочных ГИС (МСБ) и не хуже 8-го для толстопленочных ГИС.

Оптимального материала для подложек, удовлетворяющего всем вышеперечисленным требованиям, не существует, поэтому используют стекло, керамику, ситалл, фотоситалл, полиамидные пленки, металл покрытый диэлектриком.

Из стекол в качестве подложек лучшими являются боросиликатные и алюмосиликатные сорта. Достаточная гладкая поверхность стекол получается в результате листового проката. К недостаткам подложек их стекла необходимо отнести  малую теплопроводность, низкую механическую прочность. Основные применяемые марки стекол: С41-3, С48-3, при повышенном нагреве – «Пирекс» и кварцевое стекло.

Для подложек тонко- и толстопленочных ГИС из керамических материалов наибольшее распространение получили керамики на основе окиси бериллия (брокерит) и окиси алюминия (поликор). Бериллиевая керамика (99,5% ВеО) обладает хорошими тепловыми свойствами, но по прочности уступает поликору. Керамика марки 22ХС на основе окиси алюминия (96% AL₂O₃) имеет высокую механическую прочность, стабильность электрических и физических характеристик в широком температурном диапазоне, но имеет относительно низкую теплопроводность.

Общим преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными является их высокая теплопроводность (более чем в 200 раз). К недостаткам керамики относятся высокая шероховатость поверхности. Полировка загрязняет поверхность и, следовательно, изменяет свойства керамики. Снижение шероховатости достигается глазурованием поверхности тонким слоем стекла или окиси тантала.

Для увеличения плотности гибридного монтажа используют многослойные керамические подложки. Подобные подложки широко применяются при производстве многокристальных ГИС. На каждом слое керамики имеется свой рисунок, выполненный в металлической пленке. В качестве металлических слоев используют пасты на основе тугоплавких металлов: молибдена, вольфрама и их окислов.

Ситалл – стеклокерамический материал, получаемый путем кристаллизации стекла. Ситалл выдерживает резкие перепады температур: от 60 до 700°С, обладает высокими электрическим сопротивлением и электрической прочностью. Ситалл обладает высокой химической стойкостью к кислотам, газонепроницаем и имеет малую газоотдачу при высоких температурах. По механической прочности ситалл в два-три раза прочнее стекла.

Фотоситалл – стеклокерамический материал, получаемый путем кристаллизации светочувствительного стекла, состоящего из окиси кремния, окиси лития, окиси алюминия и окиси калия. Теплопроводность фотоситалла превышает теплопроводность ситалла в несколько раз.

Гибкие подложки из полимерных материалов – полиамидных пленок толщиной 40-50 мкм допускают двустороннее вакуумное нанесение металлических пленок для создания двухслойной разводки и фототравление отверстий для создания металлизированных переходов между слоями. Достоинством гибких подложек являются способность принимать форму корпуса сложной конструкции, малые толщины и масса, ударопрочность.

Металлические подложки с покрытием тонким (40-60 мкм) слоем диэлектрика являются наиболее перспективными для ГИС и МСБ. В качестве подложек используют алюминиевые пластины с анодированной поверхностью, стальные пластины покрытые стеклом или полиамидным лаком и другие. Подобные подложки улучшают теплоотвод от активных компонентов, обеспечивают высокую жесткость конструкции ГИС (МСБ). Металлические платы могут также являться одной из шин разводки и частью корпуса ГИС (МСБ).

 

 

Масочный метод

Метод свободной маски

Метод свободной маски применяется при термическом напылении. Маска - тонкий экран из металлической фольги с соответствующими очертаниями, закреплённый в маскодержателе. Маску обычно изготавливают из стали, молибдена, никеля, тантала, бронзы и т.д. электрохимическим, фотохимическим, механическим методом или методом элек­тронно-лучевой обработки. Существуют монометаллические и биметаллические маски (слой бериллиевой бронзы толщиной 100 микрон, покрытый слоем никеля 20 микрон).

К недостаткам метода можно отнести изменение толщины маски и искажение ри­сунка маски в процессе её эксплуатации из-за осаждения распыляемого материала. Кроме того маска искажает электрическое поле, так как является проводящим материалом, что не даёт возможности использовать данный метод для катодного и ионно-плазменного напыления. Следует отметить, что между такой маской и подложкой всегда существует зазор, приводящий к размытости рисунка.

Метод контактной маски

Метод контактной маски заключается в формировании маски на подложке, поверх которой напыляется тонкая плёнка. Необходимая конфигурация элементов достигается при удалении маски.

В зависимости от материала маски существует два способа:

1. Для прямого метода в качестве материала маски используется фото­резист. Конфигурация маски в этом случае формируется фотолитографией.

2. При косвенном методе используется металлическая пленка. Материал маски должен химически не взаимодействовать с материалом тонкой плёнки, об­ладать малым коэффициентом диффузии и легко удаляться с подложки без повреждения тонкоплё­ночного рисунка.

 

 

На рисунке показан технологический процесс формирования рисунка методом контактной маски.

Сначала на подложку наносится материал маски (1). Затем наносится слой фоторезиста (2). После этого производится фотолитография: выполняется засвечивание фоторезиста (3); освещённые участки задубливаются, незадубленный фоторезист смывается (4); вытравливается незащищённая часть материала маски (5). Удаляется фоторезист и напыляется плёнка (6). Удаляется маска (7).

Метод фотолитографии

Фотолитография – совокупность фотохимических процессов, позволяющая получить на поверхности пластины микроизображения, повторяющие отдельные элементы интегральной схемы.

Основной рабочий инструмент – фотошаблон, а для формирования фоторезистивного слоя применяются фоторезисты.

Контактная фотолитография

Метод применяется при изготовлении топологически сложных тонкоплёночных структур или схем с большим количеством элементов. Фотолитографией формируются резисторы, индуктивности, внутрисхемные соединения и контактные площадки.

Сначала изготавливается фотооригинал: чёрно-белое или другое контрастное изо­бражение в увеличенном масштабе. Обычно фотооригинал вычерчивается тушью в мас­штабе 1000:1 в позитивном изображении. После этого изготавливают фотошаблон - ри­сунок в масштабе 1:1 на плёнке или пластине путём перефотографирования фотоориги­нала. Затем на поверхность пластины наносят фоторезист - светоточувствительное многокомпонентное вещество, устойчивое после проявления к воздействию агрессивных сред. В негативном методе фоторезист под действием УФ облучения полимеризуется и становится устойчи­вым к травителям, в позитивном методе будут вытравливаться засвеченные участки.

Технология контактного фотолитографического процесса:

1. Очистка поверхности платы;

2. Нанесение фоторезиста;

3. Сушка;

4. Совмещение фотошаблона с подложкой;

5. Экспонирование УФ облучением;

6. Проявление;

7. Задубливание;

8. Травление скрытых участков подложки (травитель не должен воздействовать на материал основания);

9. Удаление фоторезиста.

Различают одинарную и двойную фотолитографию. Одинарная фотолитография выполняется в сочетании с методом съёмной маски. При двойной фотолитографии сна­чала напыляют резистивный и проводящий слои, после этого первой фотолитографией формируют конфигурацию проводников и контактных площадок, а затем второй фотоли­тографией формируют резисторы.

Факторы, ограничивающие возможности применения контактной фотолитографии:

§ Неизбежность механических повреждений рабочих поверхностей фотошабло­нов и пластин при их совмещении;

§ Налипание фоторезиста на фотошаблон;

§ Неидеальность плоскостности контактируемых поверхностей;

§ Неизбежность смещения фотошаблона относительно пластины при переходе от совмещения к экспонированию.

Бесконтактная фотолитография

Фотолитография на микрозазоре: метод основан на использовании эффекта множе­ственного источника излучения. УФ лучи падают на фотошаблон и подложку под углом. За счёт наклона лучей дифракционные явления устраняются, что приводит к повышен­ной точности рисунка.

Проекционная фотолитография: метод отличается техникой выполнения операций совмещения и экспонирования. Изображение фотошаблона проецируется на пластину, покрытую фоторезистом через специальный объектив с высокой разрешающей способ­ностью. При этом отсутствует контакт фотошаблона с фоторезистом. Процесс упрощается, исключается проблема тонкой установки зазора пластина – фотошаблон. Сложность заключается в разработке высокоразрешающих объективов на большие поля изображения.

Комбинированный процесс

Данный метод основан на комбинации масочного метода и метода фотолитографии. Масочным методом формируют плёночные элементы простой конфигурации, а также элементы, изготовить которые фотолитографией невозможно (конденсаторы). Методом фотолитографии изготавливают сложные тонкоплёночные структуры.

               Технологический процесс:

1. Нанесение резистивного слоя;

2. Нанесение слоя для внутрисхемных соединений;

3. Первая фотолитография;

4. Вторая фотолитография;

5. Напыление через маску нижних обкладок конденсатора;

6. Напыление диэлектрика;

7. Напыление верхних обкладок конденсатора;

8. Нанесение защитного слоя.

Танталовая технология

Пленки из тантала являются исходным материалом для формирования выводящих емкостных и резистивных элементов.

Преимущества:

§ резисторы и конденсаторы могут быть получены на основе одного материала, что упрощает технологию и стоимость;

§ при анодировании пленок тантала получается диэлектрик для конденсаторов, защитный слой для резисторов и, кроме того, возможна корректировка сопротивлений резисторов;

§ пленка Та₂О₅ обладает высокой диэлектрической прочностью, высоким значением диэлектрической проницаемости, невосприимчивостью к влажности и высокой добротностью;

§ танталовые резисторы и конденсаторы стабильны и надежны во времени;

§ тантал относительно других мало восприимчив к радиации;

На основе метода можно получить 3 вида конденсаторов:

Ø Та – Та₂О₅ – Аи – высокая диэлектрическая прочность;

Ø Та – Та₂О₅ – Ni – пониженная чувствительность к влаге;

Ø Au – Та₂О₅ – Al – низкое сопротивление обкладок;

По танталовой технологии невозможно изготовление многослойных структур, так как при фотолитографии верхнего контактного слоя будет нарушена геометрия нижних танталовых слоев.

Формирование схемы по танталовой технологии:

1) нанесение тантала;

2) фотолитография (1);

3) нанесение алюминия (2);

4) фотолитография (3);

5) анодирование, покрытие фоторезистом (4);

6) осаждение алюминия методом термического испарения (5);

7) фотолитография – получение верхней обкладки конденсатора (6);

8) нанесение фоторезиста марки ФН-103 (защита);

9) фотолитография – нанесение защитного слоя;

 

Тонкопленочные резисторы

, где

r₀ – удельное объемное сопротивление;

R₀ – удельное поверхностное сопротивление квадрата поверхности Ом/м²;

Кф – коэффициент формы;

 

Типичные параметры плёночных резисторов:

Тип резистора	Rо, Ом/Кв	Rтах, ОМ	Rтin, ОМ	d, %		ТКС- 10^-4/С°	DR(t), % при 70°С на 1000ч
				б/пдг	с/пдг
Тонко плёночный	10 - 30000	10^6	10	±5	±0,05	0,25	0,005
Толсто плёночный	5 - 10^6	10^8	0,5	±15	±0,2	2	0,05

 

Материал: хром, нихром, рений, тантал, нитрид тантала, кермет.

 

Стабилизация параметров резисторов осуществляется с помощью термообработки (отжига в вакууме или на воздухе) или термотоковой обработки. После проведения по­добных операций устраняются дефекты тонкоплёночной структуры, так как структура распыляемого образца отличается от структуры напылённого резистора.

Необходимость подгонки обусловлена:

1. Погрешностью воспроизведения электрофизических и геометрических пара­метров плёночных резисторов.

2. Требуемой функциональной точностью выходных параметров ГИС и МСБ.

Различают групповую и индивидуальную подгонку. Групповая подгонка - метод, с помощью которого изменение электрофизических свойств плёнки осуществляется по всей рабочей зоне резистора. Для данного метода можно использовать термообработку электронным лучом и анодное травление.

Сущность индивидуальной подгонки заключа­ется в изменении свойств и толщины плёнки (термотоковой обработкой, обработкой лу­чом лазера, анодным и химическим окислением), а также изменении контура самого ре­зистора (с помощью вращающегося алмазного бора, электроискровым испарением и т.д.).

Распространение получила специальная форма резисторов, позволяющая осуществлять подгонку путем перерезания или замыкания контактных перемычек.

 

Тонкоплёночные конденсаторы

Тонкоплёночные конденсаторы, используемые в МСБ, состоят из двух плёночных металлических обкладок и диэлектрического слоя между ними. Иногда в качестве кон­денсаторов используют пересечение проводников. Также можно встретить гребенчатые конденсаторы.

, где С₀ – удельная емкость.

 

В качестве материала обкладок чаще всего применяется алюминий, так как другие материалы (золото, серебро) имеют низкую адгезию и высокую миграционную способность. Типичные параметры плёночных конденсаторов:

Материал обкладки	Материал диэлектрика	Со, пФ/мм^2	Сmax, нФ	d, %	ТКЕ, % / °С	Q (10Гц)	Eпр В/мкм
Аl	Si0	60-100	1500	±15	0,2	200	50-100
А1+Ni	А1203	1500	4-10^4	±15	0,03	30	<500
Аl	GеО	100-200	3000	±15	0,15	200	10-50
Та+Ni, Та	Та2O5	4000	10^5	±15	0,02	30	<500
Толстоплёночные		30	10^4	±20	0,05-0,15

Стабилизация параметров тонкоплёночных конденсаторов осуществляется термо­обработкой или посредством импульсной электрической тренировки, путем подачи последовательности прямоугольных импульсов в результате чего происходит «залечивание» слабых мест в конденсаторе (применяется как в процессе напыления, так и после изготовления).

Подгонка выполняется методом им­пульсного разряда, выжигающего слабые места в диэлектрике, а также выжиганием лу­чом лазера части верхней обкладки для понижения ёмкости. Осуществление подгонки сопряжено с трудностями, обусловленные трехслойной структурой, то есть возможностью закорачивания обкладок по торцу вдоль граница удаляемого участка. Механическое удаление верхнего слоя (или его испарение) трудно контролировать в виду разрушения диэлектрика.

Тонкопленочный конденсатор является наиболее ненадежным функциональным элементом пассивной части МСБ вследствие несовершенства диэлектрического слоя и наличия ослабленной зоны под выводы верхней обкладки в месте излома диэлектрика над границей нижней обкладки.

 

3. Тонкоплёночные индуктивности

Выполняются в виде спирали, чаще всего из золота. Ширина проводящего слоя - 30 - 50 мкм, ширина просвета - 50 - 100 мкм. Данные индуктивности имеют от Зх до 5ти витков и обычно работают в СВЧ диапазоне (3...5 ГГц). Если рабочая частота не превы­шает 100 МГц, то предпочтение отдаётся навесным индуктивностям.

 

Служебные элементы

В МСБ также присутствуют коммутационные проводники и контактные площадки. В целях сокращения количества технологических операций коммутационные проводники и контактные площадки изготовляются одновременно только для простых МСБ, предоставляющих возможность выполнить топологию в одном слое.

Для топологически сложных ГИС необходимо выполнять пересечения контактных проводников, что вносит дополнительные элементы ненадежности вследствие несовершенства изоляции диэлектрических пленок.

Материал для выполнения служебных элементов должен обладать:

§ высокой электропроводностью;

§ теплостойкостью;

§ химической инертностью;

§ физико-химической совместимостью с другими материалами;

Специальные требования вытекают из функционального назначения контактных площадок, предназначенных для подсоединения дискретных компонентов и внешних выводов МСБ. Сложности: при высокой электропроводности уменьшается адгезия (золото, медь, серебро), а при высокой адгезии материалы (хром, титан) плохо поддаются сварке и пайке, поэтому часто проводники и контактные площадки выполняются из нескольких слоев:

1. Высокоадгезионный

2. Высокоэлектропроводный

3. Защитный

Контроль внешнего вида

Цель – отбраковка МСБ (ГИС), имеющих явновыраженные дефекты пленок:

§ Смещение слоев относительно друг друга;

§ Искажения рисунка ИС;

§ Вздутие и отслаивание участков плёнки;

§ Царапины на плёнках.

Оборудование: микроскопы типа МБС-1,2. Контроль адгезии тонких пленок производится путем отрыва ее от поверхности.

 

Конструктивно-технологические особенности толстопленочных ГИС (МСБ)

 

Толстопленочные МСБ представляют собой гибридные схе6мы, пассивная часть которых (проводники, контактные площадки, резисторы, конденсаторы) создаются на основе пленок толщиной порядка нескольких десятков микрометров. Применяемые материалы элементов и подложек ориентированы на использование высокопроизводительных и дешевых ТП. Для формирования конфигураций пленочных элементов вместо фотолитографии используется трафаретный способ печати пастами специального состава.

 

Пассивные элементы толстопленочных ГИС (МСБ)

 

Резисторы должны иметь прямоугольную форму и ко­эффициент формы 0,3¸0,5. Минимальные линейные размеры таких резисторов - 0,8 мм. Исходными данными для расчёта резисторов являются номинальное сопротивле­ние, мощность рассеивания, относительная погрешность до подгонки, заданная точность после подгонки.

Исходные данные для расчета конденсаторов являются номинальная ёмкость, рабочее напряжение, относи­тельная погрешность ёмкости и заданная точность с подгонкой. Толстопленочные конденсаторы имеют ограниченный диапазон значений и низкую точность из-за технологических особенностей получения диэлектрических пленок с постоянной толщиной и составом.

Ширина толстоплёноч­ных проводников выбирается в зависимости от силы тока, проходящей через проводник (1¸2 А – 0,6 мм; 2¸3 А – 0,8 мм; 3¸6 А – 1мм). Для повышения электропроводности проводников и облегчения условий пайки и сварки проводников и контактных площадок их подвергают горячему лужению.

При двухслойной топологии второй слой формируют на обратной стороне подложки, контактные переходы между слоями получают при установке и монтаже внешних выводов, соединяющие периферийные контактные площадки, расположенные по обе стороны подложки.

 

Конструктивно-технологические основы тонкопленочной микроэлектроники

 

Для классификации пленочных ИС можно использовать различные критерии. Далее приводится классификация по конструкторско-технологическим признакам, так как при этом дается информация о конструкциях и технологиях изготовления микросхем.