книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Область после точки С - область высоких парциальных давлений азота (более 6 ,65-10” 3 Па); в этой области образует­ ся соединение TaN, а удельное электросопротивление пленок достаточно резко увеличивается с увеличением парциального давления (от 210 до 400 мкОм-см).

Пленки тантала, нанесенные при различном парциальном давлении азота, ведут себя различно при отжиге на воздухе (рис. 2.39). На удельное электросопротивление пленок танта­ ла, полученных распылением, оказывает влияние значение на­ пряжения “смещения”, подаваемоего на подложку в процессе формирования пленки (рис. 2.40). Такой характер изменения удельного электросопротивления можно объяснить различием в структуре пленок, которая изменяется от /З-Та при низком напряжении смещения до объемно-центрированной структуры а-Т а при высоком напряжении.

Рис. 2.39. Относительное изменение элек­ тросопротивления AR /R пленок Та, оса­

жденных при различном парциальном да­ влении азота р„2, при отжиге (1 ч при

400°С)

Втабл. 2.5 приведены технологические параметры оса­ ждения резистивных пленок, а в табл. 2.6 - их электрические характеристики.

9 , мкОм-см

Рис. 2.40. Зависимость удельного электро­ сопротивления р пленок Та от напряжения смещения 11Сы‘

пленяя получены распыленнем.прх постоянном (1)

н переменном (2) токе

Д и эл ектр и ч ески е п лен ки . В качестве диэлектриче­ ских пленок используют оксиды металлов и оксидные стекла.

Оксиды кремния (моноооксид SiO и диоксида SiOj) явля­ ются одними из первых материалов, которые стали приме­ няться в качестве диэлектрического слоя тонкопленочных кон­ денсаторов. Их использование связано с возможностью полу­ чения хороших электрических и эксплуатационных характе­ ристик конденсаторов, применяемых в ГИС СВЧ.

Пленки монооксида кремния SiO. получают испарением при температуре 1100.. . 1300 °С при остаточном давлении (2, 66... 6,65) • 10_3 Па. На свойства получаемых пленок SiO сильно влияют технологические параметры их осаждения, в частности скорость осаждения (рис. 2.41).

Плохая воспроизводимость характеристик пленок SiO объясняется наличием в них таких соединений кремния, как Si0 2J Si2Û3, имеющих различные электрофизические характе­ ристики. Используя высокочастотное магнетронное распыле­ ние кварцевой мишени, осаждают высококачественные пленки

Т а б л и ц а 2.5. Технологические параметры осаждения резистивных пленок

П р и м е ч а н и е . ТИ - термическое испарение; МР - маг­ нетронное распыление; ЭЛИ - электронно-лучевое испарение; ТИ В - термическое испарение взрывное; Р - распыление.

Т а б л и ц а 2.6. Электрические характеристики тонких резистивных пленок

* В интервале температур —60.. ,+125°С. ** После 1000 ч работы при температуре 125 °С под электрической нагрузкой 1 Вт/см2.

в

Рис. 2.41. Диэлектрические свойства пленок SiO (1) и Si02 (2) в зависимости от скорости

осаждения voc:

а - относительная диэлектрическая проницаемость с; б - тангенс угла диэлектрических потерь tgti; в - напряжение пробоя Unp

двуоксида кремния, обладающие малой пористостью и хоро­ шей адгезией к подложке. Пленки получают при общем да­ влении 0,53 Па и содержании кислорода в смеси с аргоном 1 0 ...3 0 % .

Начиная с определенной скорости осаждения (для диокси­ да кремния это около 5 нм/с) увеличиваются ег, tgS и умень­ шается пробивное напряжение 1/„р- Ухудшение tgtf и ï/j,p можно объяснить несовершенством структуры пленок.

Для пленок монооксида кремния изменение ет происхо­ дит в диапазоне скоростей осаждения 5 ... 15нм/с. Пленки SiO, полученные при низкой скорости осаждения (до 10 нм/с), имеют ет, близкую к относительной диэлектрической прони­ цаемости диоксида кремния, что можно объяснить повышен­ ным окислением монооксида кремния. Эти пленки содержат преимущественно диоксид кремния.

С увеличением скорости осаждения свыше 15 нм/с, уменьшается доля двуоксида кремния в пленке, а значение ет приближается к 6, что связано с появлением чистого кремния в осажденной пленке в результате термической диссоциации монооксида кремния, происходящей за счет повышенной тем­ пературы нагрева исходного вещества.

Для пленок диоксида кремния можно отметить ухудше­ ние диэлектрических свойств (tgÆ, Unр) при скорости осажде­ ния свыше 20 нм/с. Эти изменения свойств, rib-видимому, свя­ заны с особенностью образования структуры пленки, осажда­ емой при распылении мишени, а именно, превалирования про­ цесса конденсации вещества, происходящего с большой скоро­ стью, над процессами упорядочения структуры, в результате чего образуются пленки не высокого качества, с наличием пор.

На свойства пленок диоксида кремния влияет также тем­ пература подложки. Степень окисления этих пленок и зна­ чение внутренних сжимающих напряжений в зависимости от температуры подложки приведены в табл. 2.7.

Свойства распыленных пленок диоксида кремния зависят также от количества кислорода в камере, т.е. его парциаль­ ного давления. Так для пленок, полученных при отсутствии

Т а б л и ц а 2.7. Некоторые характеристики пленок Si03, осажденных при различной температуре подложки

кислорода, €г равнялось 2,5 и повышалась с увеличением коли­ чества кислорода; точно также ег увеличивалось с повышени­ ем парциального давления кислорода. Эти изменения можно связать со степенью окисления кремния х в структуре SiОх, которая изменяется следующим образом:

При получении диэлектрических пленок на основе диокси­ да алюминия используют два процесса: осаждение пленок А1 в вакууме и анодирование. Основные параметры и особенности осаждения пленок алюминия, обеспечивающие высокие элек­ трофизические свойства, изложены выше. Анодирование алю­ миниевых пленок производят в 10 %-ном растворе пентабора­ та аммония в этиленгликоле, используя катод из платины. Процесс анодирования начинают при постоянной йлотности тока (1 мА/см2) и продолжают до тех пор, пока не достигает­ ся требуемое напряжение (примерно 60 В). Затем напряжение поддерживают постоянным, пока плотность тока не упадет до 15 мкА/см2. После промывки деионизированной водой под­ ложки подвергаются термической обработке при температуре 140°С в течение 1 ч.

Взаимосвязь напряжения анодирования алюминия со

Рис. 2.42. Взаимосвязь толщины слоя окси­ да tAiaOs (1) и диэлектрических потерь tgS

(2) с напряжением анодирования U

Оксидные стекла - боросиликатные (85 % S1O2 и 15% В2О3) и алюмосиликатные (61,5% Si02, 13,5% AI2O3, 9,5% СаО, 7,5% MgO, 9% ТЮ 2), применяются в качестве материала диэлектрического слоя конденсаторов ГИС СВЧ.

Боросиликатные пленки имеют малую пористость и боль­ шую диэлектрическую прочность. Воспроизводимость элек­ трофизических свойств этих пленок недостаточна, в связи с неоднородностью процесса “взрывного” испарения, который чаще всего применяют для их получения.

Свойства осажденных пленок зависят от количества бор­ ного ангидрида в составе пленки (рис. 2.43). Осажденные пленки боросиликатного стекла следует термически обрабо­ тать в вакууме для улучшения их свойств.

При термическом испарении алюмосиликатного порошка для обеспечения состава пленки, близкого к исходному, необ­ ходимо поддерживать высокую (около 2100 °С) температуру испарения. Поэтому для получения этих пленок целесообразто использовать ВЧ-распыление мишеней из алюмосиликатного стекла.

В табл. 2.8 приведены технологические параметры оса­ ждения, а в табл. 2.9 - электрические характеристики диэлек­ трических пленок.

Рис. 2.43. Взаимосвязь тангенса угла диэлек­ трических потерь tg5 пленок на основе бороси­ ликатных композиций от молярной концентра­ ции борного ангидрида:

1 - до термической обработки; 2 - после термической

обработки

Т а б л и ц а 2.8. Технологические параметры осаждения диэлектрических пленок

П р и м е ч а н и е . ТИ - термические испарения; МР - магне­ тронное распыление; ТИВ - термическое испарение взрывное.

Т а б л и ц а 2.9. Электрические характеристики тонких диэлектрических пленок

* ТКЕ - температурный коэффициент емкости.

Г л а в а 3

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Применение толстопленочной технологии для со­ здания ГИС СВЧ постоянно растет е связи с совершен­ ствованием процессов прецизионной печати и улучше­ нием свойств толстопленочных элементов. При изго­ товлении толстопленочных ГИС СВЧ особое значение имеют физико-химические и структурно-реологические свойства паст,а также технология получения из паст толстопленочных элементов.

Прогрессу в области толстопленочных ГИС СВЧ способствовали успехи в области разработки новых ти­ пов паст, композиций на основе металлоорганических соединений, использование фотолитографии в процессе получения прецизионных толстопленочных проводников и т.п..

3.1. Состав, структура и свойства паст

Пасты состоят из активного (функционального) материа­ ла (частицы металла, проводящих оксидов, непроводящих ме­ таллических оксидов и др.), неорганического связующего ве­ щества (стекло, оксиды или смесь стекла и оксидов), органи­ ческого связующего и летучего (испаряемого) растворителя.

Активный материал паст представляет собой очень мел­ кие (примерно 5 мкм) в диаметре частицы, которые после

н о