Тонкопленочные элементы интегральных схем - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
МИРЭА(ТУ)
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Работы выполнил:
Семенов Д.А.
РР-2-97
План.
1. Роль тонкопленочной технологии в производстве интегральных схем
2. Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и
интегральных схем
3. Факторы, влияющие на свойства тонких пленок
Подложки
Тонкопленочные резисторы
Тонкопленочные конденсаторы
Пленки тантала и его соединений
ВВЕДЕНИЕ
Зарождение и развитие 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 их
последовательной сборки не могли обеспечить требуемую надежность,
экономичность, энергоемкость время изготовления и приемлемые габариты
РЭА.
Несмотря на малый срок своего существования, взаимосвязь
микроэлектроники с другими областями науки и техники обеспечила
необычайно высокие темпы развития этой отрасли и существенно сократила
время для промышленной реализации новых идей. Этому способствовало
также возникновение своеобразных обратных связей между разработкой
интегральных схем, являющихся базой автоматизации производства и
управления, и использованием этих разработок для автоматизации самого
процесса проектирования, производства и испытаний интегральных схем.
Развитие микроэлектроники внесло коренные изменения в принципы
конструирования РЭА и привело к использованию комплексной интеграции,
которая состоит из:
структурной или схемной интеграции (т. е. интеграции схемных
функций в пределах единой структурной единицы); при степени интеграции
порядка сотен и тысяч компонентов существующие приемы подразделения
систем на компоненты, приборы, субсистемы и блоки, а также формы
координации разработок компонентов, приборов и субсистем становятся
уже малоэффективными; при этом центр тяжести перемещается в область
схемотехники, что требует коренной перестройки способов реализации
электронных систем с построением аппаратуры на супермодульном уровне;
Роль тонкопленочной технологии в производстве интегральных схем
Интегральная электроника развивается не как новая или
обособленная область техники, а путем обобщения многих технологических
приемов, ранее используемых в производстве дискретных
полупроводниковых приборов и при изготовлении топкопленочпых покрытий.
В соответствии с этим в интегральной электронике определились два
главных направления: полупроводниковое и тонкопленочное.
Создание интегральной схемы на одной монокристаллической
полупроводниковой (пока только кремниевой) пластине является
естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий
технологических принципов создания полупроводниковых приборов, как
известно, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.
Тонкопленочное направление интегральной электроники основано на
последовательном наращивании пленок различных материалов на общем
основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок
микро деталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и
внутрисхемных соединений.
Сравнительно недавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные
гибридные ИС рассматривались как конкурирующие направления в развитии
интегральной электроники. В последние годы стало очевидно, что эти два
направления отнюдь не исключают, а скорее, наоборот, взаимно дополняют
и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнего дня 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, одновременно применяют такие методы, как вакуумное
осаждение пленок алюминия и других металлов для получения
внутрисхемных соединений, т. е. методы, на которых основана
тонкопленочная технология.
Большим достоинством тонкопленочной технологии является ее
гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными
параметрами и характеристиками и в получении по сути дела любой
требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом
допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут
быть доведены до 1—2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется
в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность
параметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например,
при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных
схем, некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избирательных
схем, генераторов и т. п.).
В связи с непрерывным развитием и совершенствованием как
полупроводниковой, так и тонкопленочной технологии, а также ввиду все
большего усложнения ИС, что выражается в увеличении числа компонентов
и усложнении выполняемых ими функций, следует ожидать, что в ближайшем
будущем будет происходить процесс интеграции технологических методов и
приемов и большинство сложных ИС будут изготовляться на основе
совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры и
такую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании
каждого вида технологии в отдельности. Например, при изготовлении
полупроводниковой ИС все элементы (пассивные и активные) выполняются в
одном технологическом процессе, поэтому параметры элементов
оказываются взаимосвязанными. Определяющими являются активные
элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переход
база — коллектор транзистора, а в качестве резистора—диффузионная
область, получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя
оптимизировать параметры одного элемента, не изменив одновременно
характеристики других. При заданных характеристиках активных элементов
изменять номиналы пассивных элементов можно лишь изменением их
размеров.
При использовании совмещенной технологии активные элементы
изготовляются чаще всего методами планарной технологии в пластине
кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии на окисленной
поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) — поверхности той же
самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и
пассивной частей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики
пассивных элементов в значительной мере независимы и определяются
выбором материала, толщиной пленок и их геометрией. Поскольку
транзисторы совмещенной ИС находятся внутри подложки, размеры такой
схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению с гибридными ИС,
которые используют дискретные активные элементы, занимающие
сравнительно много места на подложке.
Схемы, изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд
несомненных достоинств. Так, например, при этом имеется возможность
получения на малой площади резисторов с большой величиной и малым
температурным коэффициентом сопротивления, имеющих очень узкую ширину
и большое поверхностное сопротивление. Контроль скорости осаждения в
процессе получения резисторов позволяет изготовить их с очень высокой
точностью. Резисторам, полученным путем осаждения пленок, не
свойственны токи утечки через подложку даже при высоких температурах,
а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствует
возможности появления в схемах участков с повышенной температурой.
Тонкие пленки, помимо производства ИС по эпитаксиально-планарной
технологии, широко используются в производстве гибридных ИС, а также
при изготовлении новых видов микроэлектронных приборов (приборов с
зарядовой связью, криотронных ЗУ на основе эффекта Джозефсона, ЗУ на
цилиндрических магнитных доменах и др.).
Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и
интегральных схем
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения
омических контактов к кремнию, меж соединений и контактных площадок, а
также электродов затвора МОП структур широкое распространение
получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами
этого металла:
низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех
процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и
удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических
эффектов;
высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к
электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в
вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей;
высокой адгезией А1 к кремнию и его окислам; низкоомностью
контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости;
заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого
раствора, почти не уменьшающего электропроводности;
отсутствием в системе Аl—Si химических соединений;
химическим взаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на
контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и
радиационной стойкостью;
легкостью проведения фотолитографических операций для получения
конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не
реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и
устойчивостью к циклическим изменениям температуры.
Величина зерен осаждаемых пленок Аl существенно зависит от
скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зерна и
чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее
удельное сопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и
как следствие токоведущие дорожки, и омические контакты имеют больший
срок службы. Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных
поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается при скоростях
осаждения около 3 • 10-2 мкм • с-1 и температуре подложки 200—250°С.
Для получения столь больших скоростей осаждения пленок
чаще всего используются электронно-лучевые испарители. При этом
степень совершенства кристаллической структуры пленок может
неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационного
нагрева подложек, величина которого зависит как от мощности
испарителя, так и от материала подложки и толщины осаждаемой пленки.
Неконтролируемые изменения в структуре пленки возникают также из-за
наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемых паров Аl.
Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссии катода
и больше скорость испарения.
Одним из существенных недостатков пленок чистого Аl является
перенос вещества в результате электродиффузии (дрейфа ионов материала
вдоль проводника, ее ли на концах последнего имеется разность
потенциалов). Скорость перемещения ионов является функцией температуры
и увеличивается с ростом последней. По мимо электродиффузии, возможна
диффузия атомов металла в результате разности температур на концах
проводника. Если Аl осаждается на окисел кремния, то это вызывает
плохой отвод тепла, появление «горячих» центров на проводящих дорожках
и как следствие значительные градиенты температуры. Электромиграция А1
при плотностях тока, меньших, чем для других металлов, приводит к
появлению пустот в пленке (эффект Киркендалла).
Поскольку электродиффузия является активационным процессом, то
она существенно зависит от состояния поверхности границы зерен.
Уменьшение протяженности границ за счет увеличения размеров зерна и
подбор материала защитного покрытия могут существенно увеличить
энергию активации и как следствие время наработки на отказ.
Значительного увеличения времени наработки на отказ можно достичь за
счет добавки к алюминию примесей меди, магния, хрома, а также окиси
алюминия.
После нанесения пленки А1 и получения требуемой конфигурации
токоведущих дорожек производят вплавление А1 в кремний при температуре
500—550°С для получения низкоомного контакта. Миграция избыточного
кремния на токоведущих дорожках, прилегающих к контактным подложкам,
вызывает шелушение А1 и отказы ИС. Для предотвращения этого необходимо
при испарении А1 вводить в него около 2 масс. % кремния. Добавка
кремния в контактные площадки из А1 уменьшает миграцию кремния из
неглубоко залегающего эмиттерного слоя (около 1 мкм), что существенно
увеличивает быстродействие ИС на биполярных транзисторах и
предотвращает закорачивание в ИС неглубоко залегающих эмиттерных
переходов. Для предотвращения миграции кремния в пленку А1 в качестве
промежуточного слоя может быть использована пленка титана. Применение
метода создания омических контактов с подслоем титана в быстро
действовавших ИС позволило в 20 раз увеличить время наработки на
отказ. Помимо титана, может использоваться подслой платины или
палладия с образованием силицида платины или силицида палладия.
Наряду с ранее перечисленными достоинствами металлизация
алюминием обладает рядом существенных недостатков, важнейшими из
которых являются следующие:
малая величина энергии активации атомов А1, вызывающая
электромиграцию при плотностях тока примерно 106 А/см2 и повышенных
температурах, в результате чего появляются пустоты в пленках;
возможность короткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых
системах металлизации вследствие образования острых выступов на плевке
в результате электромиграции и рекристаллизации А1;
опасность гальванической коррозии Аl при одновременном
использовании других металлов; большая скорость диффузии А1 по
границам зерен, не допускающая использования приборов с металлизацией
А1 при температурах более 500°С;
интенсивное химическое взаимодействие А1 с двуокисью кремния при
температуре около 500°С;
низкая точка плавления в эвтектике систем алюминий — кремний
около 577°С;
большое различие (в 6 раз) коэффициентов термического расширения
А1 и 51;
мягкость А1 и, следовательно, невысокая механическая прочность
пленок;
невозможность присоединения выводов с помощью пайки;
высокое пороговое напряжение в МОП структурах в связи с большой
работой выхода.
Из-за перечисленных недостатков алюминиевая металлизация не
применяется в ИС и транзисторах с мелкими эмиттерными переходами, а
также в МДП ИС для ..создания затворных электродов. Для этой цели
применяют, однослойные и многослойные системы из различных металлов
(в том числе А1 для получение верхнего слоя). Наиболее подходящими
материалами являются вольфрам и молибден. В частности, вольфрам имеет
практически одинаковый с кремнием ТКС, хороший омический контакт к
кремнию р- и n- типов проводимости, малое (в 2,5 раза) отличие от
алюминия по электропроводности, самое высокое из всех металлов
значение энергии активации при самодиффузии, высокую температуру
плавления эвтектики с кремнием, химическую инертность на воздухе и в
водном растворе плавиковой кислоты, а также высокую твердость, что
исключает возможность появления царапин на пленке.
Благодаря высокой температурной стойкости W его можно
использовать для многоуровневой металлизации, чередуя слои двуокиси
кремния с W. При термообработке на поверхности пленки не образуются
холмики и нет опасности короткого замыкания между токоведущими
дорожками в многослойной металлизации. Кроме того, пленки W (так же
как и пленки Мо) являются металлургическим барьером, препятствующим
образованию межкристаллической структуры кремния и алюминия.
Недостатком металлизации W является трудность получения пленок
(для чего обычно используется пиролиз гексофторида вольфрама) и их
травления (в щелочном растворе ферроцианида). Оба эти процесса сложны
и проводятся с использованием токсичных веществ. Кроме того,
непосредственно к вольфраму невозможно подсоединить внешние выводы,
поэтому поверх него на контактные площадки и наносят какой-либо другой
металл (Рt, Ni, Аи, Си, А1 и др.).
При изготовлении ИС СВЧ диапазона, ИС специального назначения, а
также в гибридной технологии применяют металлизацию, состоящую из
нескольких слоев тонких металлов. При этом обычно первый (нижний) слой
металла должен обладать высокой адгезией как к кремнию, так и к
двуокиси кремния и одновременно иметь малые значения коэффициентов
растворимости и диффузии в этих материалах. Этим требованиям
удовлетворяют такие металлы, как хром, титан, молибден, а также
силицид платины. При двухслойной металлизации второй (верхний) слой
металла должен иметь высокую электропроводность и обеспечивать
приварку к нему проволочных выводов. Однако в некоторых системах
(таких, как Сг-Аu, Тi-Аu или Сг-Сu) контакты
при термообработке теряют механическую прочность в результате
образования на их границе интерметаллических соединений. Кроме того,
верхний металл диффундирует через нижележащий слой в кремний, что
снижает механическую прочность соединения и изменяет контактное
сопротивление. Для устранения этого явления обычно используют третий
слой металла, который является барьером, препятствующим взаимодей:твию
верхнего слоя металлизации с кремнием. Так, например, в тройной
системе Тt-Рl-Аu, которая применяется при изготовлении балочных
выводов, слой
Рис. 1. Схема процесса изготовления двухуровневой металлизации в
системе А1-А1гОз-А1.
а-- нанесение толстого и тонкого слоев окисла кремния перед
металлизацией (показана область омического контакта); б—нанесение
алюминия, образующего первый уровень; в — фотогравировка первого
уровня металла; г — анодирование первого уровня металлизации с
фоторезистивной маской; д — нанесение алюминия, образующего второй
уровень; е — фотогравировка второго уровня металлизации.
Рt толщиной около 5Х10-2 мкм служит барьером против диффузии А1 в S1.
Помимо этого для балочных выводов в 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-Сu и Сг-Сu-Сг.
Увеличение плотности размещения элементов на кристалле
потребовало применения многоуровневой металлизации. На рис. 1 показана
последовательность изготовления двухуровневой металлизации в системе
А1-А120з-А1, которая применяется в приборах с зарядовой связью.
Сравнительно новым изолирующим материалом для многоуровневой
металлизации является полиимид, с помощью которого получают
пятиуровневую металлизацию БИС на МДП транзисторах.
Факторы, влияющие на свойства тонких пленок
Рост одного вещества на подложке из другого вещества — очень
сложный процесс, зависящий от большого числа трудно контролируемых
параметров: структуры подложки, состояния ее поверхности, температуры,
свойств испаряемого вещества и скорости его осаждения, материала и
.конструкции испарителя, степени разрежения, состава остаточной среды
и ряда других. В табл. 1 показана связь между свойствами пленок и
условиями их осаждения.
|Свойст| | |фактор| | | | | |
|ва | | |ы, | | | | | |
|пленки| | |влияющ| | | | | |
| | | |ие на | | | | | |
| | | |указан| | | | | |
| | | |ные | | | | | |
| | | |свойст| | | | | |
| | | |ва | | | | | |
| | | | | | | | | |
|Размер| | |Матери| | | | | |
|зерен | | |ал | | | | | |
| | | |подлож| | | | | |
| | | |ки и | | | | | |
| | | |пленки| | | | | |
| | | |. | | | | | |
| | | |Загряз| | | | | |
| | | |нения | | | | | |
| | | |подлож| | | | | |
| | | |ки. | | | | | |
| | | |Подвиж| | | | | |
| | | |ность | | | | | |
| | | |атомов| | | | | |
| | | |осажда| | | | | |
| | | |емого | | | | | |
| | | |матери| | | | | |
| | | |ала на| | | | | |
| | | |поверх| | | | | |
| | | |ности | | | | | |
| | | |подлож|
|
