Требования к материалам пленок ГИС.

Основными элементами тонкопленочных микросхем являются резисторы и конденсаторы. Тонкопленочные индуктивности применяются значительно реже из-за сложности их изготовления.

Материалы тонкопленочных резисторов. К ним, в первую очередь, предъявляются определенные требования по поверхностному сопротивлению. Наибольшее распространение имеют резисторы с сопротивлениями от 10 Ом до 10 МОм. Линейные размеры резисторов приходится ограничивать: максимальную длину из-за ограниченности размеров подложек, а минимальные длину и ширину – из соображений допустимого разброса. Если ограничить ширину и минимальную длину резистора размером 0, 1 мм, а максимальную длину – размером 10 мм, то диапазон необходимых поверхностных сопротивлений слоя составит

10¸ 10⁵ Ом/см. Получение пленок с поверхностными сопротивлениями слоя более 10⁴ Ом/см представляет собой сложную задачу.

Помимо требований к удельному сопротивлению, предъявляются определенные требования и к его стабильности. Кроме того, резистивные пленки должны характеризоваться низким температурным коэффициентом сопротивления ТКС (менее 10^–4 1/°С). Материалы, используемые для тонкопленочных резисторов, можно разделить на три группы: металлы; металлические сплавы; металлодиэлектрические смеси – керметы. Удельное сопротивление массивных металлов не превышает 20¸ 50 мкОм× см даже для таких материалов, как титан, молибден, хром, тантал. Однако при осаждении в виде тонких пленок удельное сопротивление металлов может значительно увеличиваться. Наиболее существенный вклад в повышение удельного сопротивления вносится дефектами структуры и примесями. Учитывая это, в процессе осаждения некоторых металлических пленок намеренно создаются условия для газопоглощения. Наиболее широкое распространение для изготовления металлических резисторов имеют хром и тантал. Большой интерес к танталу как материалу для тонкопленочных резисторов обусловлен его способностью легко окисляться при химическом анодировании. Частично окисляя пленку тантала, можно тем самым уменьшать толщину резистивного слоя и одновременно

обеспечивать защиту поверхности резистора. Кроме того, установлено, что танталовые пленки при введении в них ряда примесей приобретают высокое поверхностное сопротивление слоя при низком температурном коэффициенте. Особенно хорошие

результаты в качестве примеси дает азот. Тонкие пленки полупроводниковых материалов не используются для изготовления резисторов в силу большого отрицательного температурного коэффициента сопротивления. Помимо металлов, для изготовления резисторов широко используются металлические сплавы, обладающие более высоким удельным сопротивлением даже в объемных образцах. К таким сплавам, в первую очередь, относятся сплав никеля и хрома – нихром с удельным сопротивлением около 100 мкОм× см, а также нихром с добавками других материалов, например сплав никеля (74%), хрома (20%), железа (3%) и алюминия (3%) с удельным сопротивлением около 130 мкОм× см. Так же как и металлы, эти сплавы, полученные в виде тонких пленок, имеют более высокие удельные сопротивления, чем массивные образцы. Керметы представляют собой металлодиэлектрические смеси. Созданию таких материалов и их широкому использованию

для получения резисторов способствовали положительные результаты, полученные при окислении, азотировании и других методах введения примесей в металлические пленки при их отжигах. Намеренное изготовление смесей металлов и диэлектриков позволило получить наиболее высокие значения удельных сопротивлений. Удельное сопротивление пленок керметов в большой степени зависит от их состава. Поэтому точное воспроизведение состава кермета в пленке играет исключительно важную роль. Обычно для напыления применяют метод взрывного испарения. Изучено большое число комбинаций металл – диэлектрик:

Cr-SiO, A1-SiOs, P t-Ta2O5 и др. Наилучшие результаты получены для комбинации Cr-SiO.

Материалы для тонкопленочных конденсаторов. Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл, расположенную на изолирующей подложке. Параметры тонкопленочного конденсатора определяются в основном диэлектрическим материалом. Однако следует иметь в виду, что на свойства диэлектрика могут оказывать существенное влияние металлические обкладки. Например, может уменьшаться напряжение пробоя из-за миграции атомов металла в слой диэлектрика. Металлы с хорошей адгезией иногда создают в слое диэлектрика большие напряжения. Сопротивление металлических обкладок влияет на потери энергии в конденсаторе. Поэтому при разработке конденсаторов необходимо выбирать совместно всю совокупность входящих в их структуру материалов. К основным характеристикам диэлектрических материалов

для конденсаторов относятся диэлектрическая постоянная e и электрическая прочность Ed. Из-за сложности получения бездефектных пленок на большой площади максимальная площадь конденсатора ограничивается. Минимальная площадь ограничивается

заданной точностью. Отсюда для обеспечения широкого диапазона номиналов емкостей предъявляют определенные требования к удельным емкостям. Поскольку существует предел для минимальной толщины пленок (из-за влияния проколов в пленке диэлектрика на ее электрическую прочность), то при изготовлении тонкопленочных конденсаторов к диэлектрическим материалам предъявляются определенные требования по диэлектрической проницаемости. Если ограничить толщину пленки значением 0, 1мкм, а максимально допустимую площадь соответственно 10 мм2, то для получения емкости 106 пФ требуемая диэлектрическая проницаемость составит более 10. Электрическая прочность диэлектрического материала определяет напряжение пробоя Ud = Ed× h, а следовательно, и

диапазон рабочих напряжений конденсатора. Диэлектрические материалы должны обладать минимальной гигроскопичностью, высокой механической прочностью при циклических изменениях температуры, хорошей адгезией к подложкам. Диэлектрические материалы, используемые для тонкопленочных конденсаторов в основном представляют собой окислы

полупроводников и металлов. Из окислов полупроводников наибольшее распространение

в тонкопленочной технологии получили окисел кремния SiO и окисел германия GeO, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Пленки двуокиси кремния SiO2 существенно реже используются в тонкопленочной технологии, что отчасти связано с более низкими значениями диэлектрической проницаемости, а также с невозможностью использования для осаждения SiO2 метода вакуумного термического испарения. Наибольший интерес представляет ряд окислов тугоплавких металлов, таких как Та2О5, ТiO2, НfO2, N b2O5. Эти материалы по сравнению с другими окислами обладают наиболее высокими значениями диэлектрической проницаемости. Технология получения этих пленок развита далеко не в равной мере. Наиболее отработана технология пленок Та2О5.

Интерес к пленкам тантала и Ta2O5 объясняется возможностью его применения для изготовления и резисторов, и конденсаторов в одних и тех же технологических процессах: ионно-плазменного распыления и электролитического анодирования. Однако следует учитывать, что сопротивление обкладок из тантала велико по сравнению с другими материалами (например, алюминием). Поэтому конденсаторы в тонкопленочных микросхемах, изготовленных на основе тантала, характеризуются большими потерями энергии.

Тонкопленочные проводники. Тонкопленочные проводники в микросхемах служат для соединения пассивных тонкопленочных элементов и создания контактных площадок для присоединения навесных элементов и внешних выводов. Тонкопленочные проводящие материалы должны иметь следующие свойства: высокую электропроводность; хорошую адгезию к подложке; способность к сварке или пайке; химическую инертность. К материалам с высокой электрической проводимостью относятся золото, серебро, алюминий, медь. Однако пленки этих металлов не удовлетворяют всей перечисленной совокупности свойств. Например, благородные металлы имеют плохую адгезию к подложке, алюминиевые пленки плохо поддаются пайке и сварке, медь легко окисляется.

Поэтому для получения тонкопленочных проводников используются многослойные композиции. Эти композиции включают подслой толщиной (1¸ 3)× 10–2 мкм из материала, обеспечивающего хорошую адгезию, слой из материала с высокой электропроводностью толщиной 0, 4¸ 0, 8 мкм и покрытие толщиной (5¸ 8)× 10–2 мкм из химически инертного материала с хорошей способностью к сварке или пайке. Собственные емкость и индуктивность проводника не должны быть больше некоторого максимального значения.

В гибридных микросхемах используют два типа контактных переходов.

Первый представляет собой контактную пару из резистивной и низкоомной пленок,

второй – контактную пару из двух низкоомных пленок.

Если конфигурации пленочных элементов создаются с помощью фотолитографии, то первоначально на подложку напыляется сплошная резистивная пленка, затем сплошная проводящая, после чего ненужные участки пленок удаляются фотолитографией. Таким образом, под всеми проводящими дорожками существуют резистивные пленки.