Тонкопленочные элементы интегральных микросхем
студентка гр.591
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 тонкопленочных покрытий. Тонкими называют пленки толщиной от нескольких ангстрем до нескольких микрон.
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.
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.).
Впервые в технике тонкие пленки стали широко применяться в оптической промышленности для изготовления оптических зеркал и просветляющих покрытий линз и объективов.
Характеристики основных элементов микро деталей
1. Подложка
Выбор подложки во многом определяется электрическими и эксплуатационными параметрами микросхемы. У подложки должны быть:
· качественная поверхность;
· хорошие диэлектрические свойства;
· хорошая теплопроводность;
· материал подложки должен быть химически инертен по отношению к наносимым пленкам;
· хорошие механические свойства и как можно более высокая температура начала деформации. При механической резке брак по срезам должен быть минимальный.
В зависимости от того, какие требования являются определяющими, применяют тот или иной материал. Свойства некоторых материалов, используемых в качестве подложек, приведены в таблице 1.
2. Резисторы
Основными характеристиками являются:
· удельное сопротивление поверхности;
· температурный коэффициент сопротивления, характеризуемый изменением величины сопротивления резистора при изменении температуры на 1 градус;
· толщина, от которой зависит удельное сопротивление.
Свойства резисторов, используемых в реальных конструкциях микросхем, приведены в таблице 2.
3. Конденсаторы
Основные свойства:
· емкость;
· диэлектрическая проницаемость;
· тангенс угла диэлектрических потерь;
· сопротивление изоляции и электрическая прочность;
· температурный коэффициент емкости;
· коэффициент остаточной поляризации;
· влаго - и нагревостойкость, устойчивость к механическим воздействиям.
Отдельные требования предъявляются к обкладкам и диэлектрику тонкопленочного конденсатора. Обкладки должны обладать высокой проводимостью и малым коэффициентом диффузии металла обкладки в диэлектрик, а диэлектрик – высокой диэлектрической проницаемостью, большим пробивным напряжением, малыми диэлектрическими потерями, хорошей адгезией к подложке и к обкладкам, минимальным количеством дефектов структуры.
Методы определения толщины пленок и их электрических характеристик
1. Резистивный метод
Заключается в том, что процесс осаждения пленки прекращается в тот момент, когда сопротивление пленки достигает заданной величины. Предельная изменяемая толщина – 1 мкм.
2. Резонансно-частотный метод
В основу метода положено свойство кристалла кварца изменять частоту колебаний при нанесении на его поверхность дополнительной массы. Измеряя изменение частоты генератора при нанесении какого-либо материала на кварцевый преобразователь, включенный в контур этого генератора, можно определить толщину осажденной пленки, зная ее плотность. Предельная изменяемая толщина – несколько мкм.
3. Ионизационный метод
При нанесении тонких пленок в вакууме методом термического испарения создается ионный ток путем ионизации части потока паров осаждаемого материала в специальном устройстве – ионизационном преобразователе. Величина этого ионного тока пропорциональна скорости нанесения пленки и толщине самой пленки, поэтому, зная величину ионного тока можно судить и толщине осаждаемой пленки.
4. Четырехзондовый метод определения удельного сопротивления
В настоящее время является основным. Благодаря этому расчетному методу, можно производить измерения с высокой точностью и воспроизводимостью. Однако при использовании этого метода выявился ряд значительных трудностей:
· измерение удельного сопротивления тонких слоев возможно только при расстояниях между зондами, меньших ли равных толщине контролируемого слоя. Обычно четырехзондовые головки имеют расстояние между зондами мкм, поэтому слои тоньше 250 мкм могут контролироваться, если они отделены от подложки р-n-переходом, или сама подложка полуизолирующая или непроводящая, или слои механически отделены от подложки.
Измерение удельного сопротивления материала 4-х зондовым методом сводится к установлению на плоской поверхности образца 4-х точечных контактов, расположенных достаточно близко друг от друга и далеко от границ образца. Через внешние зонды1-4 пропускают ток, а внутренние зонды 2-3 служат для измерения падения напряжения. 4-х зондовый метод имеет ряд достоинств:
· позволяет измерять удельное сопротивление на образцах различной формы;
· можно проверять однородность образца по длине, т. к. каждое измерение локально;
· использование точечных контактов, соприкасающихся с грубо обработанной поверхностью, приводит к уменьшению ошибок, связанных с инжекцией.
Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС (интегральной схемы). Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления.
