книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 2.2Û. Зависимость адгезии р пле­

ночной структуры хром - титан - золо­ то от угла осаждения Ф пленки хрома

Титановые пленки образуют хорошее сцепление с по­ верхностью подложки. Они могут быть получены способами распыления или испарения. При распылении в смеси аргона и кислорода образуется оксид титана, усиливающий сцепление. Пленки титана могут быть также получены термическим ис­ парением при остаточном давлении 1 ,33-КГ"6 Па со скоростью испарения 0,1 .. .1,0 нм/с. Удельное электросопротивление пленок составляет 100... 200 мкОмсм.

Пленки титана, подвергнутые термической обработке в вакууме, изменяют электросопротивление (рис. 2.21): более тонкие пленки увеличивают его в результате химической ре­ акции с молекулами остаточного газа, а более толстые - уменьшают за счет упорядочения структуры.

ют барьерные слои. В качестве барьерных металлов приме­ няют никель, молибден, вольфрам. При выборе материала барьерного слоя необходимо учитывать тип металлизационной структуры, т.е. контактирующих металлов, и энергию активации, которая определяет диффузию по границам зерен.

Рас. 2.21. Относительное изменение электросопротивления ДЛ/Л пленок титана от времени г термической

обработки:

начальное электросопротивление 168 (1), 57 (2) и 22 (5) Ом

Никелевые пленки предотвращают взаимную диффузию хрома и золота, меди и золота. Однако никель не являет­ ся пассивным металлом, при диффузии через него возможно образование соединений, что приводит к изменению электро­ сопротивления. Скорость этого процесса зависит от темпера­ туры окружающей среды и времени.

Пленки никеля наносят в вакууме способом электронно­ лучевого испарения или магнетронного распыления.

Для осаждения молибденовых пленок можно использо­ вать термическое испарение при непосредственном нагреве электронной бомбардировкой и распыление. Последний спо­ соб имеет наибольшее применение, так как позволяет полу­ чать наиболее низкоомные пленки при высоких скоростях оса­ ждения и меньшей температуре подложки. Пленки молибде­ на с удельным электросопротивлением 10 мкОм-см получают при температуре подложки 300 .. .400°С, скорости осаждения

Рис. 2.22. Зависимость удельного электросопротивления р пленок молибдена от температуры подложки <п (а) и напря­ жения смещения Ucu (0)

0 ,5 .. .2,0 нм/с и напряжении смещения от —150 до 0 В; да­ вление рабочего газа - аргона - составляет 0,66 ... 1,33 Па, плотность тока 0 , 9 . . . 2,7 А /см2.

На рис. 2.22 приведены зависимости удельного электро­ сопротивления пленок молибдена от параметров осаждения. Как видно, изменение параметров осаждения меняет электро­ проводность пленок молибдена - при повышении температуры подложки (см. рис. 2.22, а) образуется более крупнокристал­ лическая структура, снижается плотность дефектов, что при­ водит к уменьшению удельного электросопротивления.

Уменьшение напряжения смещения (см. рис. 2.22, 6) в диапазоне от 0 до —85 В вызывает десорбцию атомов оста­ точных газов под действием бомбардировки положительными ионами аргона и, как результат, резкое уменьшение удельного электросопротивления.

С возрастанием давления аргона (рис. 2.23) удельное электросопротивление пленок молибдена повышается за счет увеличения доли адсорбированных атомов остаточных га­ зов. С изменением параметров осаждения меняется структура пленки молибдена, ее шероховатость и внутренние напряже­ ния.

Рис. 2.23. Зависимость удельного электро* сопротивления р пленок молибдена от да* вления Р аргона:

плотность тока 1,8 мА/см2; температура подлож­ ки 300 °С; напряжение смещения —85 В

Вольфрамовые пленки имеют электрические характери­ стики, которые зависят от температуры подложки: более вы ­ сокая температура способствует получению пленок с низким удельным электросопротивлением и положительным ТКС. На свойства осажденных пленок влияет также остаточное давле­ ние газа в камере: при повышении давления образуются плен­ ки с высоким удельным электросопротивлением и ТКС, близ­ ким к нулю или имеющем отрицательное значение.

З ащ и тн ы е пленки . Эти пленки должны иметь высо­ кую коррозионную стойкость и обеспечивать способность при­ варки или припайки к ним проволочных выводов от навесных ЭРК. Наилучшим металлом, удовлетворяющим этим требо­ ваниям, является золото. В качестве защитных пленок ис­ пользуют также никель или сплав олово - висмут.

Полученные на основе приведенных металлов многослой­ ные структуры проводников имеют различные эксплуатаци­ онные свойства. Так в структуре С г - A u при повышенных температурах происходит диффузия хрома в золото, что при­ водит к значительному (примерно в 10 раз) увеличению удель-

ного электросопротивления по сравнению с золотом. Стабиль­ ность структуры хром - золото особенно важна для микрополосковых плат, содержащих навесные элементы, выводы кото­ рых присоединяются способом термокомпрессионной сварки. Дело в том, что хром диффундирует через золото, выходит на поверхность защитного золотого покрытия, что ухудшает процесс приварки золотых выводов и уменьшает прочность их присоединения. Для улучшения качества приварки выво­ дов поверхность золотой пленки обрабатывают (подвергают травлению в растворе концентрированной азотной кислоты с добавками оксида церия).

В структуре Ti - Си - Ni - Au титан обеспечивает высо­ кую адгезию меди к поверхности подложки; никель является хорошим барьерным слоем, предотвращая диффузию меди в золото.

Стабильной металлизационной системой, выдерживаю­ щей нагрев до температуры 400.. .450 °С, является структура T i - W - A u . Титан немного растворяется в вольфраме (10% при 600 °С) и вольфрам не смешивается с титаном. Излишек титана свыше предела растворимости не будет растворяться в вольфраме и, более того, благодаря сильной связи титана и кислорода, образуется хорошая адгезия с поверхностью ок­ сидных подложек. С другой стороны, при контакте с золотом, образуется хороший электрический контакт между титаном и золотом. Соединение TiW является не только хорошим барье­ ром, но и адгезионным слоем между золотом и поверхностью подложки.

Изменение удельного электросопротивления структуры W-Au при изотермическом отжиге приведено на рис. 2.24.

В п олупроводниковы х И С С В Ч с барьером Шотки, где в качестве проводниковых материалов применяют алюми­ ниевые пленки, контактирующие с металлизационной струк­ турой платина - кремний, происходит ухудшение свойств за счет диффузии алюминия в процессе термической обработки

4ÇfÇt %

Рис. 2.24. Относитель­ ное изменение удельного электросопротивления Др/р пленок W - Au при изотермическом отжиге от времени г:

200 (/); 400 (2); 500 (3) °С

В табл. 2.2 приведены технологические параметры про­ цессов испарения и распыления металлов, используемых для получения структур проводников ГИС СВЧ и полупроводни­ ковых ИС СВЧ (сведения, связанные с изготовлением пленок хрома, даны в табл. 2.5).

2.3. Влияние технологических параметров осаждения на свойства резистивных

идиэлектрических пленок

Рези сти в н ы е п лен ки . Проблема управления свойства­ ми резистивных пленок является более сложной, учитывая их повышенную “чувствительность1’ к параметрам осаждения - толщине, скорости осаждения, величине вакуума, температу­ ре подложки и другим, - а технологичекое оборудование долж­ но быть оснащено средствами контроля этих параметров.

Электросопротивление резистора в процессе осаждения резистивной пленки зависит от ее толщины. Отличитель­ ной особенностью процесса осаждения резистивных пленок, используемых в качестве резисторов, в тонкопленочной техно­ логии является наличие вспомогательного элемента - “свиде­ теля” , представляющего собой отрезок керамической или си-

Пр и м е ч а н и е . МР - магнетронное распыление; ЭЛИ - электронно-лучевое испарение; ТИ - термическое

»испарение; Р - распыление.

i ____ t

Рис* 2.25. Схема формирования резистивного слоя на пар­ тии подложек при использовании “свидетеля”

талловой пластины и имеющий контактные площадки, соеди­ ненные с прибором для измерения электросопротивления.

“Свидетель” располагается в тех же условиях, что и под­

тивление уменьшается, а при достижении определенного на­ перед заданного значения поток осаждаемого вещества пре­ кращается за счет отключения испарителя или перекрыти­ ем заслонкой потока пара вещества. Достигнутые в процес­ се осаждения удельное поверхностное электросопротивление

ческим электросопротивлением отдельных участков резистив­ ной пленки и “свидетеля”, тем больше его эффективность, т.е.

Р □ свид_____

7Ат (В т i••Km ) >

Р □ А т(В т ,...)К т )

где 7А т{В т,.:,К т ) ~коэффициент эффективности “свидетеля” ; при УАт(Вт....Кт) близким к 1 - эффективность “свидетеля” наибольшая.

Можно выделить следующие причины, приводящие к от­ клонению электросопротивления “свидетеля” от электросо­ противления резистивной пленки (табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2.3. Факторы, приводящие к несоот­ ветствию электросопротивлений резистивных пленок на "свидетеле” и подложках

Хром широко используется в производстве ГИС СВЧ как материал резисторов и адгезионного слоя; его также использу­ ют в качестве составляющей в сплавах (нихром, резистивные сплавы типа PC) или в соединениях (силициды хрома) и ме­ таллокерамических смесях (хром - монооксид кремния).

Физические свойства пленок хрома сильно зависят от условий осаждения (остаточного давления, скорости осажде­ ния, температуры подложки), так как они определяют количе­ ство поглощенных газов и, прежде всего, кислорода, а также несовершенства структуры.

На рис. 2.26 приведены графики, характеризующие изме­ нение электрических характеристик пленок хрома от параме­ тров осаждения. Как видно из этого рисунка, при всех скоро­ стях осаждения удельное электросопротивление уменьшается при увеличении температуры подложки и уменьшении скоро­ сти осаждения. Наименьшее удельное электросопротивление

9,мк0м-см

Р и с. 2.26. Взаимосвязь удельного электросопротивления р пленок хрома с тем пературой подложки in для различных скоростей оса­

ждения:

1 (1); 3 (2) и 5 (5) км/с (пленки получены термиче­

ским испарением при давлении 2,6 ♦ 10_3 Па, под­ ложка - керамика)

получено при скорости осаждения 0,1 нм/с и температуре под­ ложки 300 °С. Это значение примерно в два раза выше, чем для “массивного” хрома (13 • Ю” 6Ом • см).

На рис. 2.27 приведен график, показывающий зависи­ мость удельного электросопротивления пленок хрома от соот­ ношения скорости прибывания на подложку молекул остаточ­ ного газа и скорости осаждения атомов хрома. Зависимость имеет линейный характер. Наименьшее удельное электросо­ противление пленок хрома, равное 4 ‘Ю~50м-см, наблюдается при соотношении vTjvQt = 1 : КИЮ.

В процессе осаждения пленок хрома происходит взаимо­ действие его частиц с молекулами остаточного газа - кислоро­ да. В результате происходит изменение состава и структуры пленок, его электрофизических и технологических свойств.

На рис. 2.28 приведен график изменения скорости травле­ ния осажденных пленок хрома от глубины травления. Здесь можно выделить три участка: I} II, III, характеризующие раз­ личную скорость травления. Поверхностный слой (участок Г)