книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные микросхемы
.pdf(обычно меньше Ю-50^ 1). Таким образом, ТКR пленоч
ного резистора а* примерно равен температурному |
коэф |
фициенту удельного поверхностного сопротивлений |
а р^, |
зависящему от состава материала и толщины пленки, а также условий ее формирования. Относительное изменение сопротивления пленочного резистора при изменении его температуры на ДТ составляет
(AR/J?)r=aPsA?’ = aps< T -T k)> |
(1.4) |
где Тн == 20°С — нормальная температура.
Коэффициент старения пленочного резистора определя ет временную нестабильность сопротивления. Он практи чески равен коэффициенту старения материала; пленки:
где A t — время, в течение которого поверхностное сопротив ление изменилось на Aps. Удельное сопротивление материа ла пленки изменяется в процессе эксплуатации и хранения микросхемы вследствие постепенного изменения структуры пленки и ее окисления. С увеличением нагрузки (мощности рассеяния) и повышением рабочей температуры интенсив ность старения материала возрастает. За время эксплуата ции или хранения 0 — t относительное изменение сопротив ления составит
(AR/R)CT~ K CTQst. |
(1.6) |
Нагрузочная способность пленочных резисторов опреде ляется удельной мощностью рассеяния материала резистив ной пленки:
P0 = P/S = />/(/&), |
(1.7) |
где Р = 12R — мощность, рассеиваемая пленочным резисто ром; / — ток резистора. Рекомендуется для тонкопленоч ных резисторов Р0 = Юч-30 мВт/мм2, для толстопленочных Р0 = 40—80 мВт/мм2.
Паразитные индуктивность LR и емкость CR характери зуют частотные свойства пленочных резисторов. Индуктив ность (мкГн) резистора прямоугольной формы при / > b
LR = 2- 10-4 / [In (21/Ь) + 0,226// + 0,5], |
(1.8) |
где /, 6 — размеры резистора, см.
Влияние индуктивного сопротивления резистора <oLR на полное сопротивление \ZR\ = [R 2 + (coL*)2]0’5 проявляет-
l l
ся в низкоомных резисторах на достаточно высоких частотах при (сoL*)2> 0 ,lj? 2, т. е. при o)Z V #>0,3, Параметры пле ночных резисторов зависят от свойств применяемых матери алов, толщины пленки и условий ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением рs от десятков до десятков тысяч ом на квадрат. С уменьшением толщины пленок ps увеличивается, неодновременно повышается ТК/?, а также ухудшается временная и температурная стабильность пле нок.
В качестве резистивных материалов тонкопленочных ре зисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные мате риалы — керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Сг и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала. Сплавы, из которых наиболее час то используют нихром, имеют большее значение ps по срав нению с пленками чистых металлов. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получа ют высокоомные резисторы. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки, обладающие вы сокой стабильностью с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат. Однако в свя зи с тем что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТКR по сравнению с металлическими. В настоящее время про мышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы Сг — Si, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (РС-3001, PC-3710, РС-5404К, МЛТ-ЗМ, РС-5405Н). При сравнитель но малом ТКR и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номина лов сплавов PC достаточно широк: 0,5— 50 кОм/П. Наибо лее часто используют сплавы РС-3001, РС-3710 (37,9% Сг,
9,4 % Ni, |
52,7 % Si), МЛТ-ЗМ (43,6 % Si, 17,6% Сг, |
14,1 % Fe, |
24, 7% W). |
Для изготовления толстопленочных резисторов приме няют пасты, состоящие из порошка стекла, наполнителя и органической связки. Наиболее широко используют свин цовые и цинковые боросиликатные стекла. В качестве на полнителя резистивных паст применяют серебро, палладий и их сплавы, оксиды таллия и рутения. После термо обработки пасты, нанесенной на подложку, образуется резистивная стеклоэмаль. Удельное поверхностное сопро
тивление р$ и температурный коэффициент стеклоэмали а р^
зависят от процентного содержания стекла и наполнителя
висходной пасте. Повышенной температурой и временной стабильностью характеризуются стеклоэмали, в состав ко торых входит сплав палладий — серебро. В толстопленоч ных ГИС используют главным образом прямоугольные по лосковые резисторы (см. рис. 1.1, а).
Конфигурации сложной формы (рис. 1.1, б, в) применяют
втонкопленочных ГИС для формирования высокоомных
резисторов.
Резисторы типа «меандр» имеют технологические ограни чения на размеры amln и Втах (см. рис. 1*1* б), аналогичные ограничениям на /Сф полосковых резисторов. Обычно при масочном методе ВтаХ/а ^ 10; amln « 2ftM, где hM—толщина биметаллической маски; 2Ам — минимально допустимое технологией расстояние между двумя щелями в биметалли ческой маске. Для составного резистора (см. рис. 1.1, в) до пускается Втах/а ^ 50, так как прямоугольные резистив ные полоски и проводящие перемычки формируются раздель но с использованием двух различных масок. Такая техноло гическая особенность позволяет формировать тонкопленоч ные резисторы сложной нерегулярной формы с применением дополнительных металлических перемычек по углам кон тура резистора.
В конструкциях резисторов со сложной конфигурацией плотность тока в изгибах неравномерна. С одной стороны, это приводит к снижению стабильности и надежности таких резисторов из-за перегрева во внутренних частях уголков, а с другой — к сокращению электрической длины /ср пленоч ного резистора и уменьшению его сопротивления в изгибах. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба: для изгиба под прямым углом R n = 2,55 р5, для П-образного изгиба R n =
— 4 р5Сопротивление резисторов сложной формы можно пред
ставить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов:
пт
(1-9)
1 1
п
где 2 # п — суммарное сопротивление прямолинейных уча- 1
т
стков; 2к. — суммарное сопротивление изгибов. 1
Подгоняемые резисторы. Применяют плавную и ступен чатую подгонку сопротивлений резисторов. Плавная под гонка обеспечивает точность до сотых долей процента, сту пенчатая — до единиц процентов.
Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных ре зисторов осуществляют, изменяя или удельное поверхност ное сопротивление, или форму резистивной пленки. Удель ное поверхностное сопротивление изменяют путем термиче ского, химического или механического воздействия на мате риал пленки. Форму резистивной пленки корректируют пу тем удаления части резистивного>материала. Конструкции плавно подгоняемых резисторов даны на рис. 1.3.
Ступенчатая подгонка сопротивления осуществляется удалением металлических перемычек в подгоночных сек циях. В конструкциях рис. 1.4, а, б к сопротивлению основ ного резистора добавляют сопротивления секций с постоян ным (рис. 1.4, а) или переменным (рис. 1.4, б) шагом (шаг — длина секции). В конструкции рис. 1.4, в сопротивление до полнительной секции увеличивается при уменьшении чис ла шунтов. При подгонке толстопленочных резисторов раз брос сопротивлений после вжигания составляет 30—40 % вследствие изменения параметров подложек в партии, по-
М М
Рис. 1.3. Конструкции плав но подгоняемых резисторов путем изменения их формы (стрелки указывают направ ление подгонки, пунктиром обозначены участки под гонки)
Рис. 1.4. Конструкции пле ночных резисторов со сту пенчатой подгонкой сопро тивления путем добавления секций перерезанием про водящих перемычек (а, б) и
уменьшением числа парал лельно включенных рези стивных дорожек (в|
Рис. 1.6. Примеры неправильной и некачественной подгонки резисторов лучом лазера:
а — реэ начинается не с края резистора; 6 — образование внутри разреза токопроводящего мостика; в — реэ у края контактной площадки; г, д —
чрезмерное увеличение длины реэа и изменение формы резистора
грешности оснастки, используемой при нанесении, отклоне ний в поддержании режимов вжигания и ряда других факто ров. Если резисторы на подложке имеют отклонения сопро тивлений одного порядка, то может быть проведена группо вая подгонка путем повторного вжигания. При этом проис ходит уменьшение сопротивления, характерное для резисто ров с высоким удельным сопротивлением. Однако низкая точность групповой подгонки не позволяет отказаться от единичной подгонки каждого резистора.
Наиболее распространен способ плавной подгонки, свя занный с изменением геометрии резистора лазерным лучом. В процессе подгонки часть пленки удаляется и сопротивле ние увеличивается, поэтому при проектировании необходи мо предусмотреть меньшие сопротивления резисторов отно сительно их номинальных значений.
При лазерной подгонке сначала производят грубую под гонку выжиганием пленки поперек, затем точную — вдоль резистора (рис. 1.5, а); выжигание резистивной пленки под углом (рис. 1.5, б) позволяет совместить грубую и точную подгонку.
Наиболее часто встречающиеся ошибки при подгонке показаны на рис. 1.6, а — д. Они приводят к появлению перегретых зон при эксплуатации резистора, а в некоторых случаях — и к отказам.
При отключении луча лазера по окончании подгонки происходит дрейф сопротивления резистора — увеличение его на 0,5 — 3 % в зависимости от геометрии резистора, удельного сопротивления материала пасты. Для снижения влияния дрейфа на точность подогнанных резисторов при
нимают специальные меры. Простейшая из «их — прекра щение подгонки до достижения номинального значения со противления.
Высокое качество подгонки достигается при использова нии установок на базе газового лазера ЛГИ-502. Параметры лазера позволяют выполнить качественные резы даже на чувствительных к термонапряжениям рутениевых резисто рах.
При лужении проводников толстопленочной ГИС сопро тивления резисторов изменяются на 1—2 % в зависимости от материала пасты и ее удельного сопротивления. Поэтому точная подгонка прецизионных толстопленочных резисто ров должна проводиться после лужения.
Пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы относят ся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Кон
структивно |
пленочные конденсаторы представляют собой |
трехслойную |
структуру металл — диэлектрик — металл |
-(МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделен ных слоем диэлектрического материала.
К конструкции конденсаторов предъявляются следующие конструктивно-технологические требования: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технологических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процесса ми изготовления других элементов ГИС.
Конструкция, изображенная на рис. 1.7, а, характерна для конденсаторов с повышенной емкостью (сотни-тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что контур верх
ней обкладки |
полностью вписывается в контур нижней |
|
(L < |
Llf В < |
В х). Площадь взаимного перекрытия обкла |
док |
S = B L . |
В этой конструкции неточность совмещения |
контуров обкладок не сказывается на емкости; контур ди электрика заходит за пределы обеих обкладок, что гаранти рует надежную изоляцию обкладок по периферии конденса тора при предельном несовмещении обкладок.
Пленочный конденсатор большой емкости может иметь сложную конфигурацию. Это позволяет конструктору при разработке топологии микросхемы полностью использовать свободные участки площади подложки.
Конструкция, изображенная на рис. 1.7, б, характерна для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад), когда для ее получения достаточна площадь взаимного пере крытия двух коммутационных проводников, разделенных пленкой диэлектрика. Емкость такого конденсатора зависит от смещения обкладок из-за неточности совмещения.
Рис. 1.7. Конструкции тонкопленочных конденсаторов:
О.—в — плоский с тонкопленочным диэлектриком; г — подложка в качестве диэлектрика конденсатора; д — гребенчатый конденсатор; е — полосковый кон денсатор; Ж — плоский с компенсатором; 3, и — плоские с двусторонним и односторонним расположением выводов; / — диэлектрик; 2 ,3 — обкладки кон денсаторов; 4 — подложка ГИС; 5 — компенсатор
Емкость пленочного конденсатора |
(пФ) |
|
|
С = 0,0885er S / d = C 0S , |
(1.10) |
||
где S —площадь взаимного перекрытия обкладок, см2; ег — |
|||
относительная диэлектрическая |
проницаемость диэлектри |
||
ка; d — толщина диэлектрика, |
см; |
С0 = 0,0885 |
srld — |
удельная емкость, пФ/см2. Удельная емкость С0 определя ется диэлектрической проницаемостью применяемых мате риалов (ег ^ Зч-25) и толщиной диэлектрика d.
При площади пленочного конденсатора менее 5 мм2 на чинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше площадь. Если расчетная площадь конденсатора менее 1 мм2, то его можно выполнять в виде двух последова тельно соединенных конденсаторов (рис. 1.7, в). При малых емкостях (единицы или доли пикофарад), когда расчетная
площадь пленочного МДМ-конденсатора мала и технология не позволяет выполнить его в виде трехслойной пленочной структуры, можно использовать в качестве диэлектрика подложку (рис. 1.7, г), сконструировать гребенчатый кон денсатор (рис. 1.7, д) или сформировать конденсатор в виде двух параллельных проводящих полосок (рис. 1.7, е).
При малой площади верхней обкладки конденсатора (менее 5 мм2) для устранения погрешности емкости, вызван ной смещением вывода верхней обкладки при совмещении топологии верхней и нижней обкладок, с противоположной стороны вывода делают компенсатор (рис. 1.7, ж).
Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок относительно друг друга. На рис. 1.7, з приведена конструкция с двусторонним, а на рис. 1.7, и — с односторонним расположением выводов. При работе на высоких частотах предпочитают конструкцию с двусторонним расположением выводов, так как на частотах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает медленнее при двустороннем расположении выводов по сравнению с односторонним расположением.
Температурный коэффициент емкости ТКС (1/°С) пле ночных конденсаторов определяется температурным коэф фициентом диэлектрической проницаемости диэлектрика, которая для большинства используемых диэлектрических материалов 'составляет от —60* 10 6 до + 50010~с 1Г С.
Коэффициент старения характеризует изменение емко сти конденсатора вследствие изменений свойств пленочного диэлектрика и материала обкладок с течением времени. Для применяемых материалов он равен (1 5) • 10—5 ч-1.
Рабочее напряжение пленочного конденсатора Uv обес печивается подбором материала диэлектрической пленки с требуемым значением электрической прочности (пробивной напряженности электрического поля) Е ир и необходимой толщиной пленки d. Для большинства диэлектрических материалов £*Пр = (1~9)*106 В/см. Толщина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного рабочего на пряжения:
d = KaUp/Env, |
(1.11) |
где Кз = 3-г-1.0— коэффициент запаса, обеспечивающий на дежностные характеристики. Коэффициент запаса /С3 = 10 берется для расчета конденсаторов повышенной надежности.
Добротность пленочного конденсатора Q зависит от его конструкции, и используемых материалов:
Q = (tg6„ + tg6OB) - \ |
(1.12) |
где tgSA= (оСгд — тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике на частоте 1 МГц для большинства используе мых материалов диэлектриков (tg6A= 10~? -т- 10-3); tg60B = == соС(г0 + гв) — тангенс угла потерь в обкладках и выво дах. Сопротивление обкладок г0 зависит от конструкции кон денсатора, проводимости материалов обкладок и их геомет рических размеров, а также картины распределения линий тока в обкладках. Для конденсатора с двусторонним распог ложением выводов г0 « (г0П + гов)/3, где гон, гов —г сопро тивления нижней и верхней обкладок, рассчитываемые по формуле (1.3). Добротность пленочных конденсаторов Q =? = ю -м оо.
Характеристики конденсаторов определяются свойства ми применяемых материалов. К диэлектрику конденсато ров предъявляются следующие требования: высокие — диэлектрическая проницаемость е> электрическая проч ность и сопротивление изоляции, малые — температурный коэффициент диэлектрической проницаемости а е и диэлект рические потери, хорошая адгезия, совместимость с техноло гическими процессами изготовления других элементов мик росхемы.
Диэлектрик конденсатора формируется методами терми ческого напыления, ионно-плазменного и реактивного рас пыления.
Для изготовления диэлектрических тонких пленок при меняют монооксиды кремния SIO и германия GeO, оксиды алюминия А120 3, тантала Та20 5, титана ТЮ2 и редкоземель ных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция.
При изготовлении диэлектрических слоев толстопленоч ных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлект рическую проницаемость. Титанат бария позволяет полу чить удельную емкость С0 « 8000 пФ/см2 при толщине плен ки около 25 мкм. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются большими диэлектрическими потерями на высоких частотах, поэтому их применяют только в качестве блокировочных и разделительных. Пленки на основе диок сида титана обеспечивают С0 ^ 1000 пФ/см2 и малые потери на частотах до 500 МГц. Стеклоэмали без добавок имеют малую диэлектрическую проницаемость и используются в качестве изоляционных материалов в местах пересечения проводников.
Стеклоэмалевые пленки обладают монолитной структу рой, поэтому стеклоэмалевые конденсаторы характеризуют
ся |
повышенной надежностью. |
Отсутствие микроотверстий |
в |
диэлектрической пленке |
обеспечивается двукратной |
печатью и вжиганием. |
|
|
|
Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять |
|
следующим требованиям: иметь низкое электрическое сопро тивление обкладок, особенно для высокочастотных конден саторов, ТКЛР, близкий ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее сформиро ванным пленкам, обладать низкой миграционной подвижностою атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Для изготовления обкладок тонкопленочных конденса торов применяют алюминий А99 (ГОСТ 11069 — 74) с под
слоем титана |
или |
ванадия. Обкладки конденсаторов изго |
||||||
тавливают из |
паст |
с |
высоким содержанием |
(более 70%) |
||||
таких |
металлов, |
как |
палладий, |
серебро, |
реже |
золото |
||
и |
др. |
Проводники, |
содержащие |
золото, |
имеют |
р5 ^ |
||
« |
0,005 Ом/Ш. |
|
|
|
|
|
||
|
Подгоняемые конденсаторы. Иногда возникает необхо |
|||||||
димость конструирования пленочных конденсаторов с |
повы |
|||||||
шенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления, а также конденсаторы, емкость которых может изменяться в определенных пределах. В этом случае в конструкции кон денсатора приходится предусматривать кроме основной сек ции с неизменяемой емкостью участок, емкость которого можно каким-либо способом изменять. От обычных кон денсаторов они отличаются наличием секционированных верхних обкладок. На рис. 1.8, а — е показаны конструк ции подгоняемых пленочных конденсаторов. Подгонка мо жет осуществляться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения емкости. Конструкция подгоняемого конденсатора имеет подгоночные секции. На рис. 1.8, а, б показаны конструкции, в которых верхняя обкладка имеет удаляемые при подгонке выступы и подгоночные секции (рис. 1.8, в). Различные площади выступов (рис. 1.8,6) поз воляют осуществлять подгонку более точно.
Подгоночные секции можно произвольно размещать по сторонам верхней обкладки, однако необходимо стремиться к сохранению оптимальной формы конденсатора. Если число секций не превышает трех, то их размещают на одной сторо не, в противном случае — на двух и трех сторонах верхней обкладки.
При подгонке возможно увеличение емкости конденсато ра с помощью проволочных перемычек (рис. 1.8, г). Доба вочная емкость определяется площадью обкладки дополни-