eng
Содержание
Введение ............................................................................................ 8
ЧАСТЬ 1. НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ..........................11
Глава 1. Технологические особенности нанесения
резистивных слоев ..............................................................11
1.1
Резисторы из силицидов тугоплавких металлов ..........11
1.2.
Способы получения резистивных слоев из силицидов
угоплавких металлов ....................................................15
1.2.1.
Термическое испарение из жидкой фазы ..........15
1.2.2.
Термическое «взрывное» испарение ..................16
1.2.3.
Ионное распыление ............................................16
1.2.4.
Магнетронное распыление .................................17
Глава 2. Технологические особенности нанесения
металлизации ГИС .............................................................18
2.1.
Виды металлизации ГИС .............................................18
2.2.
Способы получения металлизации ГИС.....................21
2.2.1.
Термическое испарение из жидкой фазы ..........21
2.2.2.
Электроннолучевое испарение ...........................21
2.2.3.
Магнетронное распыление .................................22
Глава 3. Устройство магнетронного источника распыления .........23
3.1.
Принцип действия магнетронного
источника распыления ................................................23
3.2.
Особенности вакуумной откачки
магнетронных установок .............................................29
Литература к главам 1–3 ..................................................................31
Глава 4. Способы получения равномерного нанесения пленки
из протяженного магнетронного источника .....................32
4.1.
Влияние соотношения размеров магнетрона
и подложки ...................................................................32
Содержание
soder.i soder.indd 3 ndd 3 7/5/07 6: 7/5/07 6:55:48 PM 55:48 PM
Proces Process Black s Black4 Содержание
4.2.
Влияние неоднородности магнитного поля ...............33
4.3.
Влияние положения анодов на равномерность толщины
пленки ..........................................................................34
4.3.1.
Влияние расстояния анод – катод ......................34
4.3.2.
Влияние анодов, противолежащих поверхности
мишени ................................................................35
4.3.3.
Влияние симметрии расположения анодов .......36
4.4.
Дополнительные причины неравномерности
при реактивном распылении .......................................38
4.4.1.
Влияние состояния поверхности анода .............38
4.4.2.
Влияние соотношения длин протяженного
магнетрона и рейки подачи реактивного газа ....39
4.4.3.
Выравнивание неоднородностей нанесенной
пленки локальной регулируемой подачей азота
или аргона ...........................................................39
Литература к главе 4 .........................................................................40
Глава 5. Процесс реактивного магнетронного распыления
со среднечастотным источником питания магнетрона ....42
5.1.
Причины пробоев на катоде при реактивном
магнетронном распылении ..........................................42
5.2.
Подавление пробоев на катоде с помощью
импульсного СЧ ИП ....................................................46
5.3.
Процессы в плазме среднечастотного разряда ...........48
5.4.
Влияние импульсного СЧ ИП на скорость
осаждения пленки ........................................................51
5.5.
Работа ИП при возникновении дуги ...........................56
5.5.1.
Способы обнаружения пробоя ...........................56
5.5.2.
Влияние времени задержки выключения
ИП после пробоя на стабильность реактивного
процесса напыления ...........................................56
5.5.3.
Влияние времени выключения импульсного
СЧ ИП после пробоя на стабильность
реактивного процесса напыления ......................57
5.6.
Причины пробоев на аноде при реактивном
магнетронном разряде и их устранение ......................58
5.6.1.
Причины пробоев на аноде. Проблема
«исчезающего» анода ..........................................58
soder.i soder.indd 4 ndd 4 7/5/07 6: 7/5/07 6:55:50 PM 55:50 PM
Proces Process Black s BlackСодержание 5
5.6.2
Дуальное магнетронное распыление ...................59
5.6.3.
Пакетное импульсное распыление .....................61
5.6.4.
Распыление с дополнительным анодом .............61
Литература к главе 5 .........................................................................62
Глава 6. Магнетронные напылительные установки предприятия
ООО «Эсто-Вакуум»
6.1.
Ранее выпускавшиеся магнетронные
напылительные установки «Каролина Д-10»
и «Каролина Д-10К».....................................................65
6.2.
Современные магнетронные напылительные
установки для нанесения многослойных покрытий ..68
6.2.1.
Установка «Каролина Д-12А» .............................69
6.2.1.1.
Рабочая камера установки ......................69
6.2.1.2.
Стойка питания и управления ................70
6.2.2.
Установка «Каролина Д-12Б» .............................71
6.2.3.
Особенности установки «Каролина Д-12Б1» .....72
6.2.4.
Особенности установки «Каролина Д-12В» ......73
6.2.5.
Технологическое применение описанных
магнетронных установок ....................................75
6.3.
Резюме по напылительным установкам ......................75
Литература к главе 6 .........................................................................77
Глава 7. Технологические особенности нанесения различных
слоев на магнетронной установке .....................................78
7.1.
Технологические особенности нанесения
резистивного слоя на магнетронной установке ..........78
7.1.1.
Подготовка новой мишени из силицидного
сплава к работе ....................................................78
7.1.2.
Особенности проведения процесса
нанесения резистивного слоя .............................79
7.1.3.
Получение заданной величины
поверхностного сопротивления пленки ............79
7.2.4.
Стабилизация поверхностного
сопротивления резистивного слоя .....................80
7.2.
Технологические особенности нанесения
металлизации на магнетронной установке .................80
soder.i soder.indd 5 ndd 5 7/5/07 6: 7/5/07 6:55:50 PM 55:50 PM
Proces Process Black s Black6 Содержание
Глава 8. Предотвращение появления следов электрических
разрядов на металлической пленке, нанесенной
с помощью магнетрона ......................................................83
Литература к главе 8 .........................................................................89
Глава 9. Способы управления процессом реактивного
магнетронного распыления с помощью
вольтамперных характеристик разряда .............................90
Литература к главе 9 .......................................................................100
Глава 10. Моделирование процесса реактивного нанесения .......101
Литература к главе 10 .....................................................................109
Глава 11. Получение чередующихся слоев различных
диэлектриков на основе кремния в одном
процессе на магнетронной установке ...........................110
Литература к главе 11 .....................................................................117
ЧАСТЬ 2. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ....................118
Введение .........................................................................................118
Глава 12. Физические процессы и модели высокочастотного
разряда низкого давления ..............................................121
12.1.
Баланс заряженных частиц в плазме .......................123
12.2.
Баланс энергии электронов в плазме ......................125
Глава 13. Различные способы возбуждения ВЧ поля в плазме ....128
13.1.
Диодный емкостной плазменный реактор ..............128
13.2.
Источники на индуктивно связанной плазме.........129
13.3.
Источники на поверхностных волнах .....................131
13.4.
Источники на электронном циклотронном
резонансе (ω ≈ Ωe) ....................................................132
13.5.
Источники на геликонах ..........................................132
Глава 14. Импеданс емкостного ВЧ-разряда низкого давления ..133
Глава 15. Свойства слоя пространственного заряда .....................135
soder.i soder.indd 6 ndd 6 7/5/07 6: 7/5/07 6:55:50 PM 55:50 PM
Proces Process Black s BlackСодержание 7
Глава 16. Возбуждение ВЧ поля в ТСР-разряде ............................138
Глава 17. Распределение плотности электронов в плазме ............144
Литература к главам 12–17 ............................................................146
Глава 18. Ранее выпускавшаяся установка для реактивного
ионно-плазменного травления
«Каролина РЕ-4» (ЭРА-3М, ЭРА-4) ..............................149
18.1.
Разработка ТСР-источника .....................................150
18.2.
Устройство установки ..............................................151
18.3.
Рабочая камера установки .......................................152
18.3.1
Вакуумная и газовая системы установки ........153
18.4.
Стойка питания и управления установки ...............154
18.5.
Работа установки ......................................................155
18.6.
Применение установки в технологии
изделий микроэлектроники .....................................157
Литература к главе 18 .....................................................................159
Глава 19. Шлюзовая установка плазмохимического травления
«Каролина РЕ-11» ...........................................................160
19.1
Устройство установки ...............................................160
19.2.
Работа установки ......................................................161
19.3.
Размещение и монтаж установки ............................163
19.4.
Применение установки «Каролина РЕ-11» .............163
Глава 20. Шлюзовая установка плазмохимического травления
«Каролина 15» .................................................................165
Глава 21. Плазменно-стимулированное осаждение слоев
из газовой фазы (PCVD) с применением генератора
высокоплотной плазмы типа
трансформаторно-связанной плазмы (ТСР) ................170
Тенденции развития мирового рынка электронной техники, а также
экономические аспекты полупроводникового производства ведут к
увеличению степени интеграции полупроводниковых приборов на
поверхности подложек. Степень интеграции в свою очередь напрямую связана как с увеличением диаметра применяемых в производ!
стве пластин, так и с уменьшением геометрических размеров полу
проводниковых приборов на их поверхности. Сегодня размеры используемых подложек возросли до 300 мм, а степень интеграции вы!
росла до одного миллиарда полупроводниковых приборов на одной
пластине и более. Размеры элементов, формируемых на пластине, в
серийном производстве уменьшились до 0,09 мкм. С повышением
требований к выпускаемой продукции растут соответственно требо
вания к технологическим процессам, применяемым в производстве.
Современная электроника давно уже отошла от производства
сложных и умных аппаратов на дискретных элементах. Это связано с
тем, что дискретные элементы уже не могут обеспечить достижение
часто противоречащих друг другу требований: увеличение сложности аппарата и участие огромного числа компонентов, снижение мас!
сы аппарата, повышение его быстродействия и надежности. Совме
щение этих противоречивых требований стало возможным только
фактически в новой отрасли техники – микроэлектронике. В микроэлектронике с помощью современных научных и технологических
достижений создаются миниатюрные высоконадежные и экономи!
чески выгодные электронные устройства.
Основной элементной базой микроэлектроники являются уже не
отдельные компоненты, а интегральные схемы (ИС), представляю
щие собой функциональные микроминиатюрные узлы электронной
аппаратуры. В ИС элементы и соединительные проводники изготовлены в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме
материала основания (подложки), имеют герметизацию и защиту от
внешних воздействий.
В зависимости от базовой технологии изготовления различают
полупроводниковые, пленочные, совмещенные и гибридные интегральные схемы.
В полупроводниковой ИС все элементы выполнены на поверхности или в объеме подложки из полупроводникового материала. Соединения в таких схемах могут быть выполнены либо в объеме полу!
проводникового кристалла в виде инверсионных слоев высокой проводимости, либо напылением металлического проводника на защитный слой кристалла. Если все элементы микросхемы выполнены в
объеме одного кристалла полупроводника, то такая микросхема называется монолитной полупроводниковой ИС.
В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлект!
рической подложки. Пленочные интегральные микросхемы делятся
на тонкопленочные и толстопленочные. Элементы тонкопленочных
схем (толщина менее 1 мкм) наносятся на подложку преимуществен!но методами вакуумного напыления. Элементы толстопленочных
схем (толщина обычно более 1 мкм) наносятся на подложку методами шелкографии.
В совмещенной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены на поверхности или в объеме подложки из полу!
проводникового материала методами изготовления полупроводниковых и пленочных схем.
Гибридными интегральными схемами (ГИС) называют микросхемы, в которых осуществлена гибридизация пленочной интегральной
технологии и технологии дискретных навесных элементов. В них
обычно на диэлектрической подложке изготавливают в виде пленок
только пассивные элементы, а активные элементы в виде кристаллов
полупроводника устанавливают на поверхности подложки.
Развитие современных ГИС быстро шло по пути миниатюриза!
ции (размеры элементов 1!3 мкм) и увеличения числа элементов в
единой схеме (до тысяч и сотен тысяч штук). Такие ГИС с высокой
степенью интеграции называются большие интегральные схемы (БИС).
Преимуществом таких гибридных ИС является то, что в них со!
держатся менее сложные активные элементы, чем в соответствующих
монолитных полупроводниковых схемах. Кроме того, ГИС рацио!
нально использовать при разработке и макетировании аппаратуры, а
также в не слишком массовой аппаратуре, так как первоначальные
10 Введение
затраты на разработку монолитных ИС во много раз больше, чем на
разработку вариантов гибридных схем.
ГИС заняли доминирующее положение в устройствах СВЧ-диапазона. Причем для устройств, работающих на частотах до 1 ГГц, с
успехом может применяться толстопленочная технология, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и
обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пле!
ночных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология.
При дальнейшем уменьшении размеров элементов топологии и
увеличении размеров схемы существенно снижается воспроизводимость технологических процессов и повышается вероятность появления случайных дефектов. Что приводит к значительному удорожа!
нию оборудования, необходимости создания автоматизированных
систем, исключающих непосредственное участие человека в технологическом процессе.
В данной работе мы подробно рассмотрим технологию и аппаратуру для получения тонкопленочных элементов ИС с помощью
нанесения пленок и их травления в вакууме.
ЧАСТЬ 1
НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
ГЛАВА 1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ
РЕЗИСТИВНЫХ СЛОЕВ
1.1 Резисторы из силицидов тугоплавких металлов
Резисторы из силицидов тугоплавких металлов являются частным
случаем резисторов из сплавов металлов. Одним из компонентов силицида является кремний, а вторым компонентом – один или не!
сколько тугоплавких металлов. Их электропроводность уменьшается с увеличением концентрации кремния, поскольку наличие вален!
тных связей металл!кремний уменьшает концентрацию свободных
электронов и увеличивает удельное сопротивление.
За счет использования силицидных фаз кремния в материале
резисторов можно получить стабильные тонкопленочные элементы
при высоких значениях поверхностного сопротивления [1–5, 7].
Большим преимуществом силицидных резисторов является то, что в
процессе их получения и после термического стабилизирующего отжига кристаллическая структура тонких пленок имеет, как правило,
мелкодисперсный состав, а их фазовый состав остается неизменным
в течение долгого времени. Это обеспечивает получение стабильных
и надежных тонкопленочных резисторов с широким диапазоном поверхностных сопротивлений.
Не менее важно, что металлосилицидные резисторы обладают
высокой стабильностью при повышенных температурах, высокой
микротвердостью и радиационной стойкостью.
Наиболее распространенными материалами для силицидных резисторов являются следующие силициды тугоплавких металлов
12 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
МоSi2, CrSi2, CrSi [3–5]. Типичные характеристики резисторов из этих
материалов, полученных ионным распылением: поверхностное сопротивление от 200 до 20000 Ом/кв, толщина пленки от 0,02 до 0,1
мкм, ТКС примерно 10!3!10!4 1/град.
Резисторы из сплавов системы Ni!Cr!Si приготавливали как путем
плавления сплавов, так и смешиванием порошков никеля, хрома и кремния в различных пропорциях [15]. Полученные смеси наносились в виде
суспензий на вольфрамовый испаритель. При испарении сплавов системы Ni!Cr!Si испаритель предварительно обрабатывали в вакууме путем испарения навески порошка кремния. Напыление пленок прово!
дили при температуре подложек 420 К. После напыления пленки отжи
гали в вакууме при 570 К в течение 45 минут, а затем на воздухе при той
же температуре в течение 14 часов. Сведения о полученных резисторах
на основе силицидов никеля и хрома приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Влияние химического состава на электрические характеристики
пленок системы Ni Cr Si [9].
13
Более тонкие пленки характеризуются большим разбросом по
удельному сопротивлению и ТКС, а также малой стабильностью и
воспроизводимостью. Для более толстых пленок требуется слишком
длительное время напыления и существенно большая площадь для
их размещения в микросхемах.
Для изготовления резисторов с широким диапазоном поверхностного сопротивления от 10 до 104 Ом/кв разработали ряд резистив!
ных сплавов серии РС (таблица 1.2).
Таблица 1.2
Электрические свойства тонкопленочных резисторов на основе
сплавов серии РС [3].
Пленки на основе РС получают как методом «взрывного» испарения в вакууме, так и методами магнетронного распыления. Незави!
симо от способа получения не рекомендуется выбирать сплав, у которого только на верхней границе рекомендуемого диапазона дости!
гается заданное поверхностное сопротивление. Так как там воспроизводимость получения заданного поверхностного сопротивления
заметно снижается.
1.1 Резисторы из силицидов тугоплавких металлов
14 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
В резисторах на основе РС!1004 с Rs=40–50 кОм/при естественном хранении за 1000 ч сопротивление изменяется на ±1,0%, под воздействием нагрузки 5 Вт/см2 за 1000 ч – на ±2%, после 15 термоцик!
лов (!60..+125°С) – на 0,5±0,3%. При температуре 150°С ТКС составляет (1,5–2,5) · 10!3 1/град.
Основным недостатком, ограничивающим применение резисто
ров на основе РС!1004, является высокое абсолютное значение ТКС.
Изменение скорости нанесения в широких пределах, варьирование в
температуры подложки от 150 до 450°С, отжиг образцов на воздухе
при температуре 150°С не позволяют уменьшить ТКС. Несмотря на
это такие резисторы =50 кОм/применяются в ГИС там, где вели!
чина ТКС не так важна.
На основе сплава РС!3710 возможно создание «взрывным» испарением стабильных резисторов с удельным сопротивлением
3 кОм/. Однако для этого необходимо проводить их термообработ
ку при температуре 350°С в течение 4 ч. Уход от номинала не превы
шает 5%, а ТКС близок к нулю.
Стабильность таких резисторов при температуре 75°С в течение
500 ч не ниже 0,15%. При использовании ионного распыления мишени из сплава РС3710 резисторы с поверхностным сопротивлением
в 300 Ом/ обладают хорошей временной стабильностью, которая
ухудшается с увеличением поверхностного сопротивления до 5000
Ом/.
Сплав РС!5406 предназначен для создания стабильных резисто!
ров с низким удельным сопротивлением 10!100 Ом/. В работе [5]
сравнивали пленки резистивного сплава РС!5406 с поверхностным
сопротивлением 100 Ом/, полученные двумя способами: из порошка, путем его «взрывного» испарения, и магнетронным распылением
из мишени. Оба способа дали сходные результаты при отжиге в диа
пазоне температур 400!600°С. В частности, их поверхностное сопротивление снижалось на 20% при 400°С. Это приводило к тому, что
величина сопротивления резисторов неконтролируемо изменялась
при последующих операциях их изготовления. Поэтому необходим
последующий после нанесения стабилизирующий отжиг. Так после
отжига при 400°С термообработка при температурах ниже 400°С уже
не меняет их сопротивления. Однако такая стабилизация резисторов
сопровождается изменением их номиналов, что может снижать про!
цент их выхода годных.
Для увеличения их термической стабильности предложены два
способа. Первый – добавка азота в резистивную пленку во время ее
получения. Действительно, атомы азота несколько увеличивают сопротивление пленки и тормозят ее рекристаллизацию, так как, вступая в
связь с атомами кремния или металла, они снижают их подвижность.
Второй способ – выбор резистивного сплава из такой пары силицидов, в котором термообработка вызывает изменение сопротивления одного силицида в одну сторону, а другого в противоположную. При таком составе силицидов изменения сопротивления мож!
но полностью скомпенсировать [6]. Этот путь оказался более про
дуктивным: у сплава из силицидов вольфрама и молибдена и без предварительного отжига уменьшение величины резисторов не превышало
3% при многократном отжиге до 550°С.
1.2. Способы получения резистивных слоев
из силицидов тугоплавких металлов
1.2.1. Термическое испарение из жидкой фазы
Термическое испарение – самый старый и известный способ получения тонких пленок силицидов. Метод состоит в том, что напыляе!
мый материал нагревается в вакууме до температуры, при которой он
расплавляется и начинает интенсивно испаряться. В вакууме 1·10!61·10!5 мм рт. ст. длина свободного пробега испаренных молекул на!
много больше расстояния между подложкой и источником, поэтому
испарившиеся частицы образуют направленный молекулярный по!
ток. На размещенной на их пути подложке происходит осаждение
материала в виде тонкой пленки.
Для испарения резистивных материалов из силицидов металлов
используют обычно косвенный подогрев. В этом случае электрическим током разогревается вольфрамовый испаритель, на котором на!
ходится испаряемый материал.
Главное достоинство описанного метода – его простота. Недостатков у него, к сожалению, больше. К ним относятся:
• Невозможность испарения тугоплавких металлов
• Трудность испарения сплавов (к ним относятся и силициды)
ввиду различия скоростей испарения отдельных их компонентов, что обусловлено различием в значении упругости их паров
1.2. Способы получения резистивных слоев
16 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
• Химическое взаимодействие расплава напыляемого материала
с материалом подогревателя
В результате характеристики полученных пленок отличаются от
соответствующих характеристик исходного материала. Причиной
этого является изменение структуры пленок и загрязнение их материалом нагревателя.
1.2.2. Термическое «взрывное» испарение
В методе термического «взрывного» испарения порошкообразный
испаряемый материал сложного состава из вибробункерного устройства непрерывно подается на испаритель, предварительно нагретый
до температуры, превышающей температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента. В результате происходит мгновенное «взры!
вообразное» испарение порции материала. Температура испарителя
должна быть выбрана очень тщательным образом, так как при слишком высокой температуре испарителя частицы материала могут отражаться от испарителя, не расплавляясь и не испаряясь.
Подача материала на испаритель тоже должна осуществляться
со строго определенной постоянной скоростью, равной скорости его
испарения. Только тогда состав пленки будет соответствовать составу исходного материала.
Применение метода «взрывного» испарения позволяет получать
высококачественные резистивные пленки из металлосилицидных
сплавов, но технологически метод сравнительно сложен.
1.2.3. Ионное распыление
Ионное распыление металлосилицидных сплавов имеет ряд принципиальных технологических преимуществ:
• Многокомпонентные материалы не фракционируют, и состав
пленки примерно соответствует составу исходного материала
• Мишень используется многократно, что обеспечивает высокую
чистоту и воспроизводимость состава пленки
• Поддерживая постоянным ток разряда, можно строго контролировать скорость осаждения
• Высокая энергия распыленных атомов и ионов рабочего газа способствуют повышению адгезии пленки к подложке и выбиванию
из пленки атомов загрязнений.
17
Несмотря на перечисленные принципиальные преимущества,
метод ионного распыления сначала ограниченно использовался в
электронной промышленности для получения резистивных слоев.
Объясняется это тем, что из!за сравнительно низких скоростей распыления пленки загрязнялись молекулами остаточных газов. Этот
недостаток удалось преодолеть только при использовании магнетрон!
ных источников распыления.
1.2.4. Магнетронное распыление
С появлением и развитием магнетронного распыления ионное распыление прочно вошло в практику современного производства гиб!
ридных интегральных схем. Магнетронное распыление применяется
в двух вариантах. Первый предусматривает применение двух источников распыления, один из которых распыляет кремний, а другой –
тугоплавкий металл. Преимущества данного метода заключаются в
том, что мишени для него сравнительно легче изготовить и они дешевле. Кроме того, возможно гибкое регулирование состава получа!
емых пленок за счет изменения режима одного из магнетронов. Не
достатки этого варианта вытекают из его достоинств. Он характери
зуется сложностью оборудования (два магнетрона и источника пита
ния), а для получения воспроизводимого состава пленок необходи
мо применять специальные устройства стабилизации скоростей рас
пыления каждого источника. Поэтому данный вариант используется
только в исследовательских работах, когда важно изучить поведение
пленок различного состава.
В промышленных масштабах используется обычно второй вари
ант. Во втором варианте используется один источник распыления,
мишень которого выполнена из силицидов тугоплавкого металла [5].
Мишени нужного состава изготавливаются методами порошковой
металлургии.
1.2. Способы получения резистивных слоев
ГЛАВА 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
НАНЕСЕНИЯ
МЕТАЛЛИЗАЦИИ ГИС
2.1. Виды металлизации ГИС
Металлизация ГИС– это одно! или многослойное покрытие, обес
печивающее электрическое соединение между резистивной плен
кой и контактными площадками, а также между отдельными элементами схемы и внешними присоединениями. В качестве мате!
риалов электропроводящих контактов тонкопленочных элементов
используют одно-, двух- и трехслойные структуры на основе ме!
таллов.
Между слоями материалов контактных площадок и резисторами образуются электрические соединения — пленочные контакты.
Для контактов пленочных элементов выбирают материалы, отлича
ющиеся:
• достаточно высокой адгезией к материалу подложки и к мате
риалу предварительно нанесенных пленок, исключающие их
отслоение при подсоединении к ним выводов;
• низким, стабильным электрическим сопротивлением в условиях эксплуатации порядка 0,1—0,01 Ом/;
• антикоррозионной и металлургической стойкостью по отно!
шению к нанесенным пленкам и контактируемым проводни!
кам;
• способностью к пайке, сварке выводов.
Технология контактов должна быть воспроизводимой и должна
базироваться на известных методах получения тонких пленок и со
здания заданной конфигурации. Для получения металлизации используют
в основном чистые металлы с высокой проводимостью
– золото, медь, серебро. К сожалению, наряду с высокой прово
димостью они обладают неудовлетворительной адгезией к подлож
кам. Поэтому, как правило, применяют двух! и трехслойные сис!
темы металлизации.
Для улучшения адгезии хорошо проводящего металла используют тонкий адгезионный слой другого металла, распола!
гаемого между подложкой и основным слоем. Этот подслой
обеспечивает высокую адгезию и низкое переходное сопротив
ление контакта.
Адгезия определяется процессом образования окисной пленки
напыляемого металла, а также температурой испарения (то есть энер
гией конденсируемых частиц) и увеличивается при образовании переходной окисной пленки подложка—контакт. Поэтому в качестве
адгезионного слоя для металлов высокой проводимости (то есть про
водящего слоя контакта) применяют металлы, активные к кислороду
(таблица 2.1).
Таблица 2.1
Материалы
проводящего слоя Au Ag Cu Al
Материалы подслоя Мо, Cr, Та, Тi,
W, NiCr Cr, Тi, NiCr Тi, Мn, V,
NiCr, Cr
NiCr, Мо, Та,
Тi, Ni
Однако для таких сочетаний не исключена возможность деградации системы металлизации из!за взаимной диффузии метал!
лов, электрохимической коррозии пары или термического окисления активного металла [8]. Эти явления приводят к выходу из строя
контакта, например, как в случае «пурпурной чумы» при использо!
вании системы алюминий–золото [8].Особенно чувствительны
двойные системы к воздействию влажности из!за возникновения
гальванических пар, приводящих к быстрому травлению одного из
металлов.
С целью частичного устранения металлургической несовмести
мости различных материалов контактной пары, исключения расслаивания системы контактов, состоящих из различных металлов,
и подавления их взаимной диффузии используют напыление дополнительного промежуточного слоя (таблица 2.2).
2.1. Виды металлизации ГИС
20 Часть 1. Глава 2. Технологические особенности нанесения металлизации ГИС
Таблица 2.2
Подслой Ti Cr NiCr Ti
Промежуточный слойPt Ag Pd Pd
Проводящий
основной слой Au Au Au Au
При использовании в качестве основного слоя контакта меди на
поверхность контакта наносят защитное металлическое покрытие (золото, никель), предотвращающее окисление меди. Материал защитно!
го слоя должен обеспечивать прочную адгезию с проводящим слоем,
достаточную химическую инертность, коррозионную стойкость и допускать сварку и пайку внешних выводов. В других случаях, когда необ!
ходимо вырастить гальванически на меди слои других металлов, применяют защиту поверхности меди тонким слоем переходного металла.
Основную роль в обеспечении адгезии защитного слоя к основному проводящему слою играют диффузионные процессы, на про!
текание которых существенно влияет:
• близость типа кристаллических решеток;
• наличие несовершенства структуры;
• способность образования твердого раствора между ними;
• близость атомных диаметров взаимодействующих металлов.
Особенности металлизации СВЧ ГИС заключаются в повышенных
требованиях к подслою многослойной металлизации. Это связано с тем,
что дорожки металлизации СВЧ ГИС представляют собой полосковые
линии, в которых СВЧ!ток протекает, в основном, в слоях, близких к под
ложке. Наличие там подслоя с повышенным сопротивлением снижает доб
ротность СВЧ!схемы. В связи с этим необходимо делать подслой минимальной толщины. Еще лучше вообще исключить подслой из металлиза!
ции СВЧ ГИС, повысив до необходимого уровня адгезию проводящего
металла. В этом направлении в настоящее время ведется много работ.
Условием стабильной работы СВЧ!металлизации, для которой
характерны дорожки малого сечения, является также отсутствие диффузионных процессов при нормальной температуре, сопровождае!
мых переносом металла вдоль токовой дорожки под действием электрического тока высокой плотности (электромиграции).
Наиболее популярные системы металлизации СВЧ: Cr!Cu!Ni,
2.2. Способы получения металлизации ГИС
2.2.1. Термическое испарение из жидкой фазы
Достоинства и недостатки этого метода изложены выше при описании методов нанесения пленок резистивных материалов.
2.2.2. Электроннолучевое испарение
Разновидностью метода термического испарения является электрон
нолучевое испарение. В этом методе разогрев испаряемого материа
ла осуществляется электронной бомбардировкой.
Электронно!лучевые испарители благодаря локальному плавлению навески позволяют устранить взаимодействие ее с материалом
держателя навески (обычно тигель), поэтому тигли могут использоваться многократно. Концентрация в фокальном пятне электронно!
го луча мощности порядка 108 Вт/см2 дает возможность испарять ту
гоплавкие материалы. При этом испаряемый материал практически
не загрязняется материалом тигля.
Выделяющаяся при торможении электронов энергия расходует!
ся не только на испарение навески, но и на компенсацию тепловых
потерь за счет излучения и теплопроводности тигля. Поэтому испарение из неохлаждаемых тиглей происходит более интенсивно и при
меньшей мощности электронного луча, чем из охлаждаемых, но при
этом не исключается взаимодействие расплава испаряемого материала с материалом тигля.
Поэтому испарение из неохлаждаемых тиглей применяется ограниченно. В охлаждаемом тигле вблизи его стенок образуется слой
нерасплавляемого материала (автотигель), вследствие чего существенно снижаются загрязнения испаряемого материала всевозможными
примесями.
При нагреве испаряемого материала необходимо избегать элек
тронной бомбардировки самого тигля, так как выделяющиеся при
этом газы загрязняют пленку. Например, бомбардировка тигля элек
тронным потоком мощностью около 200 Вт ведет к увеличению давления в вакуумной камере с 10!6 до 10!2 мм рт. ст. за счет повышения
парциальных давлений N2, СО, СО2 и паров воды.
Многие из указанных трудностей можно устранить, если электронный луч фокусировать так, чтобы подлежащий испарению мате!
риал расплавлялся локально. Тогда необходимость в применении тиг
2.2. Способы получения металлизации ГИС
22 Часть 1. Глава 2. Технологические особенности нанесения металлизации ГИС
лей отпадает, однако нужно постоянно перемещать луч по навеске.
Если же этого не делать, на навеске образуется кратер, увеличивается
неравномерность потока испарившихся частиц, в результате чего неравномерно формируется пленка.
2.2.3. Магнетронное распыление
С появлением и развитием магнетронных источников магнетронное
распыление прочно вошло в практику получения металлизации со
временных гибридных интегральных схем. Магнетронное распыле
ние применяется в большом числе различных напылительных уста
новок, как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых вакуум
ных установках предыдущих годов выпуска. Подробнее о магнетрон
ном распылении и магнетронных установках будет рассказано в сле
дующих главах.
экономические аспекты полупроводникового производства ведут к
увеличению степени интеграции полупроводниковых приборов на
поверхности подложек. Степень интеграции в свою очередь напрямую связана как с увеличением диаметра применяемых в производ!
стве пластин, так и с уменьшением геометрических размеров полу
проводниковых приборов на их поверхности. Сегодня размеры используемых подложек возросли до 300 мм, а степень интеграции вы!
росла до одного миллиарда полупроводниковых приборов на одной
пластине и более. Размеры элементов, формируемых на пластине, в
серийном производстве уменьшились до 0,09 мкм. С повышением
требований к выпускаемой продукции растут соответственно требо
вания к технологическим процессам, применяемым в производстве.
Современная электроника давно уже отошла от производства
сложных и умных аппаратов на дискретных элементах. Это связано с
тем, что дискретные элементы уже не могут обеспечить достижение
часто противоречащих друг другу требований: увеличение сложности аппарата и участие огромного числа компонентов, снижение мас!
сы аппарата, повышение его быстродействия и надежности. Совме
щение этих противоречивых требований стало возможным только
фактически в новой отрасли техники – микроэлектронике. В микроэлектронике с помощью современных научных и технологических
достижений создаются миниатюрные высоконадежные и экономи!
чески выгодные электронные устройства.
Основной элементной базой микроэлектроники являются уже не
отдельные компоненты, а интегральные схемы (ИС), представляю
щие собой функциональные микроминиатюрные узлы электронной
аппаратуры. В ИС элементы и соединительные проводники изготовлены в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме
материала основания (подложки), имеют герметизацию и защиту от
внешних воздействий.
В зависимости от базовой технологии изготовления различают
полупроводниковые, пленочные, совмещенные и гибридные интегральные схемы.
В полупроводниковой ИС все элементы выполнены на поверхности или в объеме подложки из полупроводникового материала. Соединения в таких схемах могут быть выполнены либо в объеме полу!
проводникового кристалла в виде инверсионных слоев высокой проводимости, либо напылением металлического проводника на защитный слой кристалла. Если все элементы микросхемы выполнены в
объеме одного кристалла полупроводника, то такая микросхема называется монолитной полупроводниковой ИС.
В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлект!
рической подложки. Пленочные интегральные микросхемы делятся
на тонкопленочные и толстопленочные. Элементы тонкопленочных
схем (толщина менее 1 мкм) наносятся на подложку преимуществен!но методами вакуумного напыления. Элементы толстопленочных
схем (толщина обычно более 1 мкм) наносятся на подложку методами шелкографии.
В совмещенной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены на поверхности или в объеме подложки из полу!
проводникового материала методами изготовления полупроводниковых и пленочных схем.
Гибридными интегральными схемами (ГИС) называют микросхемы, в которых осуществлена гибридизация пленочной интегральной
технологии и технологии дискретных навесных элементов. В них
обычно на диэлектрической подложке изготавливают в виде пленок
только пассивные элементы, а активные элементы в виде кристаллов
полупроводника устанавливают на поверхности подложки.
Развитие современных ГИС быстро шло по пути миниатюриза!
ции (размеры элементов 1!3 мкм) и увеличения числа элементов в
единой схеме (до тысяч и сотен тысяч штук). Такие ГИС с высокой
степенью интеграции называются большие интегральные схемы (БИС).
Преимуществом таких гибридных ИС является то, что в них со!
держатся менее сложные активные элементы, чем в соответствующих
монолитных полупроводниковых схемах. Кроме того, ГИС рацио!
нально использовать при разработке и макетировании аппаратуры, а
также в не слишком массовой аппаратуре, так как первоначальные
10 Введение
затраты на разработку монолитных ИС во много раз больше, чем на
разработку вариантов гибридных схем.
ГИС заняли доминирующее положение в устройствах СВЧ-диапазона. Причем для устройств, работающих на частотах до 1 ГГц, с
успехом может применяться толстопленочная технология, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и
обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пле!
ночных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология.
При дальнейшем уменьшении размеров элементов топологии и
увеличении размеров схемы существенно снижается воспроизводимость технологических процессов и повышается вероятность появления случайных дефектов. Что приводит к значительному удорожа!
нию оборудования, необходимости создания автоматизированных
систем, исключающих непосредственное участие человека в технологическом процессе.
В данной работе мы подробно рассмотрим технологию и аппаратуру для получения тонкопленочных элементов ИС с помощью
нанесения пленок и их травления в вакууме.
ЧАСТЬ 1
НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
ГЛАВА 1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ
РЕЗИСТИВНЫХ СЛОЕВ
1.1 Резисторы из силицидов тугоплавких металлов
Резисторы из силицидов тугоплавких металлов являются частным
случаем резисторов из сплавов металлов. Одним из компонентов силицида является кремний, а вторым компонентом – один или не!
сколько тугоплавких металлов. Их электропроводность уменьшается с увеличением концентрации кремния, поскольку наличие вален!
тных связей металл!кремний уменьшает концентрацию свободных
электронов и увеличивает удельное сопротивление.
За счет использования силицидных фаз кремния в материале
резисторов можно получить стабильные тонкопленочные элементы
при высоких значениях поверхностного сопротивления [1–5, 7].
Большим преимуществом силицидных резисторов является то, что в
процессе их получения и после термического стабилизирующего отжига кристаллическая структура тонких пленок имеет, как правило,
мелкодисперсный состав, а их фазовый состав остается неизменным
в течение долгого времени. Это обеспечивает получение стабильных
и надежных тонкопленочных резисторов с широким диапазоном поверхностных сопротивлений.
Не менее важно, что металлосилицидные резисторы обладают
высокой стабильностью при повышенных температурах, высокой
микротвердостью и радиационной стойкостью.
Наиболее распространенными материалами для силицидных резисторов являются следующие силициды тугоплавких металлов
12 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
МоSi2, CrSi2, CrSi [3–5]. Типичные характеристики резисторов из этих
материалов, полученных ионным распылением: поверхностное сопротивление от 200 до 20000 Ом/кв, толщина пленки от 0,02 до 0,1
мкм, ТКС примерно 10!3!10!4 1/град.
Резисторы из сплавов системы Ni!Cr!Si приготавливали как путем
плавления сплавов, так и смешиванием порошков никеля, хрома и кремния в различных пропорциях [15]. Полученные смеси наносились в виде
суспензий на вольфрамовый испаритель. При испарении сплавов системы Ni!Cr!Si испаритель предварительно обрабатывали в вакууме путем испарения навески порошка кремния. Напыление пленок прово!
дили при температуре подложек 420 К. После напыления пленки отжи
гали в вакууме при 570 К в течение 45 минут, а затем на воздухе при той
же температуре в течение 14 часов. Сведения о полученных резисторах
на основе силицидов никеля и хрома приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Влияние химического состава на электрические характеристики
пленок системы Ni Cr Si [9].
13
Более тонкие пленки характеризуются большим разбросом по
удельному сопротивлению и ТКС, а также малой стабильностью и
воспроизводимостью. Для более толстых пленок требуется слишком
длительное время напыления и существенно большая площадь для
их размещения в микросхемах.
Для изготовления резисторов с широким диапазоном поверхностного сопротивления от 10 до 104 Ом/кв разработали ряд резистив!
ных сплавов серии РС (таблица 1.2).
Таблица 1.2
Электрические свойства тонкопленочных резисторов на основе
сплавов серии РС [3].
Пленки на основе РС получают как методом «взрывного» испарения в вакууме, так и методами магнетронного распыления. Незави!
симо от способа получения не рекомендуется выбирать сплав, у которого только на верхней границе рекомендуемого диапазона дости!
гается заданное поверхностное сопротивление. Так как там воспроизводимость получения заданного поверхностного сопротивления
заметно снижается.
1.1 Резисторы из силицидов тугоплавких металлов
14 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
В резисторах на основе РС!1004 с Rs=40–50 кОм/при естественном хранении за 1000 ч сопротивление изменяется на ±1,0%, под воздействием нагрузки 5 Вт/см2 за 1000 ч – на ±2%, после 15 термоцик!
лов (!60..+125°С) – на 0,5±0,3%. При температуре 150°С ТКС составляет (1,5–2,5) · 10!3 1/град.
Основным недостатком, ограничивающим применение резисто
ров на основе РС!1004, является высокое абсолютное значение ТКС.
Изменение скорости нанесения в широких пределах, варьирование в
температуры подложки от 150 до 450°С, отжиг образцов на воздухе
при температуре 150°С не позволяют уменьшить ТКС. Несмотря на
это такие резисторы =50 кОм/применяются в ГИС там, где вели!
чина ТКС не так важна.
На основе сплава РС!3710 возможно создание «взрывным» испарением стабильных резисторов с удельным сопротивлением
3 кОм/. Однако для этого необходимо проводить их термообработ
ку при температуре 350°С в течение 4 ч. Уход от номинала не превы
шает 5%, а ТКС близок к нулю.
Стабильность таких резисторов при температуре 75°С в течение
500 ч не ниже 0,15%. При использовании ионного распыления мишени из сплава РС3710 резисторы с поверхностным сопротивлением
в 300 Ом/ обладают хорошей временной стабильностью, которая
ухудшается с увеличением поверхностного сопротивления до 5000
Ом/.
Сплав РС!5406 предназначен для создания стабильных резисто!
ров с низким удельным сопротивлением 10!100 Ом/. В работе [5]
сравнивали пленки резистивного сплава РС!5406 с поверхностным
сопротивлением 100 Ом/, полученные двумя способами: из порошка, путем его «взрывного» испарения, и магнетронным распылением
из мишени. Оба способа дали сходные результаты при отжиге в диа
пазоне температур 400!600°С. В частности, их поверхностное сопротивление снижалось на 20% при 400°С. Это приводило к тому, что
величина сопротивления резисторов неконтролируемо изменялась
при последующих операциях их изготовления. Поэтому необходим
последующий после нанесения стабилизирующий отжиг. Так после
отжига при 400°С термообработка при температурах ниже 400°С уже
не меняет их сопротивления. Однако такая стабилизация резисторов
сопровождается изменением их номиналов, что может снижать про!
цент их выхода годных.
Для увеличения их термической стабильности предложены два
способа. Первый – добавка азота в резистивную пленку во время ее
получения. Действительно, атомы азота несколько увеличивают сопротивление пленки и тормозят ее рекристаллизацию, так как, вступая в
связь с атомами кремния или металла, они снижают их подвижность.
Второй способ – выбор резистивного сплава из такой пары силицидов, в котором термообработка вызывает изменение сопротивления одного силицида в одну сторону, а другого в противоположную. При таком составе силицидов изменения сопротивления мож!
но полностью скомпенсировать [6]. Этот путь оказался более про
дуктивным: у сплава из силицидов вольфрама и молибдена и без предварительного отжига уменьшение величины резисторов не превышало
3% при многократном отжиге до 550°С.
1.2. Способы получения резистивных слоев
из силицидов тугоплавких металлов
1.2.1. Термическое испарение из жидкой фазы
Термическое испарение – самый старый и известный способ получения тонких пленок силицидов. Метод состоит в том, что напыляе!
мый материал нагревается в вакууме до температуры, при которой он
расплавляется и начинает интенсивно испаряться. В вакууме 1·10!61·10!5 мм рт. ст. длина свободного пробега испаренных молекул на!
много больше расстояния между подложкой и источником, поэтому
испарившиеся частицы образуют направленный молекулярный по!
ток. На размещенной на их пути подложке происходит осаждение
материала в виде тонкой пленки.
Для испарения резистивных материалов из силицидов металлов
используют обычно косвенный подогрев. В этом случае электрическим током разогревается вольфрамовый испаритель, на котором на!
ходится испаряемый материал.
Главное достоинство описанного метода – его простота. Недостатков у него, к сожалению, больше. К ним относятся:
• Невозможность испарения тугоплавких металлов
• Трудность испарения сплавов (к ним относятся и силициды)
ввиду различия скоростей испарения отдельных их компонентов, что обусловлено различием в значении упругости их паров
1.2. Способы получения резистивных слоев
16 Часть 1. Глава 1. Технологические особенности нанесения резистивных слоев
• Химическое взаимодействие расплава напыляемого материала
с материалом подогревателя
В результате характеристики полученных пленок отличаются от
соответствующих характеристик исходного материала. Причиной
этого является изменение структуры пленок и загрязнение их материалом нагревателя.
1.2.2. Термическое «взрывное» испарение
В методе термического «взрывного» испарения порошкообразный
испаряемый материал сложного состава из вибробункерного устройства непрерывно подается на испаритель, предварительно нагретый
до температуры, превышающей температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента. В результате происходит мгновенное «взры!
вообразное» испарение порции материала. Температура испарителя
должна быть выбрана очень тщательным образом, так как при слишком высокой температуре испарителя частицы материала могут отражаться от испарителя, не расплавляясь и не испаряясь.
Подача материала на испаритель тоже должна осуществляться
со строго определенной постоянной скоростью, равной скорости его
испарения. Только тогда состав пленки будет соответствовать составу исходного материала.
Применение метода «взрывного» испарения позволяет получать
высококачественные резистивные пленки из металлосилицидных
сплавов, но технологически метод сравнительно сложен.
1.2.3. Ионное распыление
Ионное распыление металлосилицидных сплавов имеет ряд принципиальных технологических преимуществ:
• Многокомпонентные материалы не фракционируют, и состав
пленки примерно соответствует составу исходного материала
• Мишень используется многократно, что обеспечивает высокую
чистоту и воспроизводимость состава пленки
• Поддерживая постоянным ток разряда, можно строго контролировать скорость осаждения
• Высокая энергия распыленных атомов и ионов рабочего газа способствуют повышению адгезии пленки к подложке и выбиванию
из пленки атомов загрязнений.
17
Несмотря на перечисленные принципиальные преимущества,
метод ионного распыления сначала ограниченно использовался в
электронной промышленности для получения резистивных слоев.
Объясняется это тем, что из!за сравнительно низких скоростей распыления пленки загрязнялись молекулами остаточных газов. Этот
недостаток удалось преодолеть только при использовании магнетрон!
ных источников распыления.
1.2.4. Магнетронное распыление
С появлением и развитием магнетронного распыления ионное распыление прочно вошло в практику современного производства гиб!
ридных интегральных схем. Магнетронное распыление применяется
в двух вариантах. Первый предусматривает применение двух источников распыления, один из которых распыляет кремний, а другой –
тугоплавкий металл. Преимущества данного метода заключаются в
том, что мишени для него сравнительно легче изготовить и они дешевле. Кроме того, возможно гибкое регулирование состава получа!
емых пленок за счет изменения режима одного из магнетронов. Не
достатки этого варианта вытекают из его достоинств. Он характери
зуется сложностью оборудования (два магнетрона и источника пита
ния), а для получения воспроизводимого состава пленок необходи
мо применять специальные устройства стабилизации скоростей рас
пыления каждого источника. Поэтому данный вариант используется
только в исследовательских работах, когда важно изучить поведение
пленок различного состава.
В промышленных масштабах используется обычно второй вари
ант. Во втором варианте используется один источник распыления,
мишень которого выполнена из силицидов тугоплавкого металла [5].
Мишени нужного состава изготавливаются методами порошковой
металлургии.
1.2. Способы получения резистивных слоев
ГЛАВА 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
НАНЕСЕНИЯ
МЕТАЛЛИЗАЦИИ ГИС
2.1. Виды металлизации ГИС
Металлизация ГИС– это одно! или многослойное покрытие, обес
печивающее электрическое соединение между резистивной плен
кой и контактными площадками, а также между отдельными элементами схемы и внешними присоединениями. В качестве мате!
риалов электропроводящих контактов тонкопленочных элементов
используют одно-, двух- и трехслойные структуры на основе ме!
таллов.
Между слоями материалов контактных площадок и резисторами образуются электрические соединения — пленочные контакты.
Для контактов пленочных элементов выбирают материалы, отлича
ющиеся:
• достаточно высокой адгезией к материалу подложки и к мате
риалу предварительно нанесенных пленок, исключающие их
отслоение при подсоединении к ним выводов;
• низким, стабильным электрическим сопротивлением в условиях эксплуатации порядка 0,1—0,01 Ом/;
• антикоррозионной и металлургической стойкостью по отно!
шению к нанесенным пленкам и контактируемым проводни!
кам;
• способностью к пайке, сварке выводов.
Технология контактов должна быть воспроизводимой и должна
базироваться на известных методах получения тонких пленок и со
здания заданной конфигурации. Для получения металлизации используют
в основном чистые металлы с высокой проводимостью
– золото, медь, серебро. К сожалению, наряду с высокой прово
димостью они обладают неудовлетворительной адгезией к подлож
кам. Поэтому, как правило, применяют двух! и трехслойные сис!
темы металлизации.
Для улучшения адгезии хорошо проводящего металла используют тонкий адгезионный слой другого металла, распола!
гаемого между подложкой и основным слоем. Этот подслой
обеспечивает высокую адгезию и низкое переходное сопротив
ление контакта.
Адгезия определяется процессом образования окисной пленки
напыляемого металла, а также температурой испарения (то есть энер
гией конденсируемых частиц) и увеличивается при образовании переходной окисной пленки подложка—контакт. Поэтому в качестве
адгезионного слоя для металлов высокой проводимости (то есть про
водящего слоя контакта) применяют металлы, активные к кислороду
(таблица 2.1).
Таблица 2.1
Материалы
проводящего слоя Au Ag Cu Al
Материалы подслоя Мо, Cr, Та, Тi,
W, NiCr Cr, Тi, NiCr Тi, Мn, V,
NiCr, Cr
NiCr, Мо, Та,
Тi, Ni
Однако для таких сочетаний не исключена возможность деградации системы металлизации из!за взаимной диффузии метал!
лов, электрохимической коррозии пары или термического окисления активного металла [8]. Эти явления приводят к выходу из строя
контакта, например, как в случае «пурпурной чумы» при использо!
вании системы алюминий–золото [8].Особенно чувствительны
двойные системы к воздействию влажности из!за возникновения
гальванических пар, приводящих к быстрому травлению одного из
металлов.
С целью частичного устранения металлургической несовмести
мости различных материалов контактной пары, исключения расслаивания системы контактов, состоящих из различных металлов,
и подавления их взаимной диффузии используют напыление дополнительного промежуточного слоя (таблица 2.2).
2.1. Виды металлизации ГИС
20 Часть 1. Глава 2. Технологические особенности нанесения металлизации ГИС
Таблица 2.2
Подслой Ti Cr NiCr Ti
Промежуточный слойPt Ag Pd Pd
Проводящий
основной слой Au Au Au Au
При использовании в качестве основного слоя контакта меди на
поверхность контакта наносят защитное металлическое покрытие (золото, никель), предотвращающее окисление меди. Материал защитно!
го слоя должен обеспечивать прочную адгезию с проводящим слоем,
достаточную химическую инертность, коррозионную стойкость и допускать сварку и пайку внешних выводов. В других случаях, когда необ!
ходимо вырастить гальванически на меди слои других металлов, применяют защиту поверхности меди тонким слоем переходного металла.
Основную роль в обеспечении адгезии защитного слоя к основному проводящему слою играют диффузионные процессы, на про!
текание которых существенно влияет:
• близость типа кристаллических решеток;
• наличие несовершенства структуры;
• способность образования твердого раствора между ними;
• близость атомных диаметров взаимодействующих металлов.
Особенности металлизации СВЧ ГИС заключаются в повышенных
требованиях к подслою многослойной металлизации. Это связано с тем,
что дорожки металлизации СВЧ ГИС представляют собой полосковые
линии, в которых СВЧ!ток протекает, в основном, в слоях, близких к под
ложке. Наличие там подслоя с повышенным сопротивлением снижает доб
ротность СВЧ!схемы. В связи с этим необходимо делать подслой минимальной толщины. Еще лучше вообще исключить подслой из металлиза!
ции СВЧ ГИС, повысив до необходимого уровня адгезию проводящего
металла. В этом направлении в настоящее время ведется много работ.
Условием стабильной работы СВЧ!металлизации, для которой
характерны дорожки малого сечения, является также отсутствие диффузионных процессов при нормальной температуре, сопровождае!
мых переносом металла вдоль токовой дорожки под действием электрического тока высокой плотности (электромиграции).
Наиболее популярные системы металлизации СВЧ: Cr!Cu!Ni,
2.2. Способы получения металлизации ГИС
2.2.1. Термическое испарение из жидкой фазы
Достоинства и недостатки этого метода изложены выше при описании методов нанесения пленок резистивных материалов.
2.2.2. Электроннолучевое испарение
Разновидностью метода термического испарения является электрон
нолучевое испарение. В этом методе разогрев испаряемого материа
ла осуществляется электронной бомбардировкой.
Электронно!лучевые испарители благодаря локальному плавлению навески позволяют устранить взаимодействие ее с материалом
держателя навески (обычно тигель), поэтому тигли могут использоваться многократно. Концентрация в фокальном пятне электронно!
го луча мощности порядка 108 Вт/см2 дает возможность испарять ту
гоплавкие материалы. При этом испаряемый материал практически
не загрязняется материалом тигля.
Выделяющаяся при торможении электронов энергия расходует!
ся не только на испарение навески, но и на компенсацию тепловых
потерь за счет излучения и теплопроводности тигля. Поэтому испарение из неохлаждаемых тиглей происходит более интенсивно и при
меньшей мощности электронного луча, чем из охлаждаемых, но при
этом не исключается взаимодействие расплава испаряемого материала с материалом тигля.
Поэтому испарение из неохлаждаемых тиглей применяется ограниченно. В охлаждаемом тигле вблизи его стенок образуется слой
нерасплавляемого материала (автотигель), вследствие чего существенно снижаются загрязнения испаряемого материала всевозможными
примесями.
При нагреве испаряемого материала необходимо избегать элек
тронной бомбардировки самого тигля, так как выделяющиеся при
этом газы загрязняют пленку. Например, бомбардировка тигля элек
тронным потоком мощностью около 200 Вт ведет к увеличению давления в вакуумной камере с 10!6 до 10!2 мм рт. ст. за счет повышения
парциальных давлений N2, СО, СО2 и паров воды.
Многие из указанных трудностей можно устранить, если электронный луч фокусировать так, чтобы подлежащий испарению мате!
риал расплавлялся локально. Тогда необходимость в применении тиг
2.2. Способы получения металлизации ГИС
22 Часть 1. Глава 2. Технологические особенности нанесения металлизации ГИС
лей отпадает, однако нужно постоянно перемещать луч по навеске.
Если же этого не делать, на навеске образуется кратер, увеличивается
неравномерность потока испарившихся частиц, в результате чего неравномерно формируется пленка.
2.2.3. Магнетронное распыление
С появлением и развитием магнетронных источников магнетронное
распыление прочно вошло в практику получения металлизации со
временных гибридных интегральных схем. Магнетронное распыле
ние применяется в большом числе различных напылительных уста
новок, как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых вакуум
ных установках предыдущих годов выпуска. Подробнее о магнетрон
ном распылении и магнетронных установках будет рассказано в сле
дующих главах.