Пассивные элементы микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

С бурным развитием научно-технического прогресса, особенно в нынешнее время, наблюдается стремительное развитие микроэлектронной области электроники, без которой человечество уже не может представить свое существование.

Если рассматривать производство ИМС как отдельной области микроэлектроники, то можно сделать вывод, что именно она имеет наибольший потенциал в дальнейшем развитии. Интегральная электроника развивается путем обобщения многих технологических приемов, которые используются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и при изготовлении тонкопленочных покрытий. В соответствии с этим в интегральной электронике определились два главных направления: полупроводниковое и тонкопленочное. Тонкопленочное направление основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микродеталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений.

Объектом изучения в данной курсовой работе выступают - тонкопленочные пассивные элементы радиоэлектроники, что используются при изготовлении пленочных и гибридных ИМС. Целью работы являются выяснения того, какие именно элементы радиоэлектроники относятся к пассивным, рассмотрения методов их формирования и основных характеристик и параметров.

За заданной темой предлагается выяснить, что собой представляют пассивные элементы микросхем, их строение, основные методы формирования, анализ характеристик, недостатков и преимущество и то, как и где именно, и для чего они используются.

1. Роль тонкопленочной технологии в производстве интегральных микросхем

Интегральная электроника развивается не как новая или обособленная область техники, а путем обобщения многих технологических приемов, ранее используемых в производстве дискретных полупроводниковых приборов и при изготовлении тонкопленочных покрытий. В соответствии с этим в интегральной электронике определились два главных направления: полупроводниковое и тонкопленочное.

Создание интегральной схемы на одной монокристаллической полупроводниковой (пока только кремниевой) пластине является естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов создания полупроводниковых приборов, как известно, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.

Тонкопленочное направление интегральной электроники основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микро деталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений.

Сравнительно недавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные гибридные ИС рассматривались как конкурирующие направления в развитии интегральной электроники. В последние годы стало очевидно, что эти два направления отнюдь не исключают, а скорее, наоборот, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнего дня не созданы (да, видимо, в этом и нет необходимости) интегральные схемы, использующие какой-либо один вид технологии. Даже монолитные кремниевые схемы, изготавливаемые в основном по полупроводниковой технологии, одновременно применяют такие методы, как вакуумное осаждение пленок алюминия и других металлов для получения внутрисхемных соединений, т.е. методы, на которых основана тонкопленочная технология.

Большим достоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и в получении по сути дела любой требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1-2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем, некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избирательных схем, генераторов и т.п.).

В связи с непрерывным развитием и совершенствованием как полупроводниковой, так и тонкопленочной технологии, а также ввиду все большего усложнения ИС, что выражается в увеличении числа компонентов и усложнении выполняемых ими функций, следует ожидать, что в ближайшем будущем будет происходить процесс интеграции технологических методов и приемов и большинство сложных ИС будут изготовляться на основе совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры и такую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании каждого вида технологии в отдельности. Например, при изготовлении полупроводниковой ИС все элементы (пассивные и активные) выполняются в одном технологическом процессе, поэтому параметры элементов оказываются взаимосвязанными. Определяющими являются активные элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переход база - коллектор транзистора, а в качестве резистора-диффузионная область, получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя оптимизировать параметры одного элемента, не изменив одновременно характеристики других. При заданных характеристиках активных элементов изменять номиналы пассивных элементов можно лишь изменением их размеров.

При использовании совмещенной технологии активные элементы изготовляются чаще всего методами планарной технологии в пластине кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии на окисленной поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) - поверхности той же самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и пассивной частей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики пассивных элементов в значительной мере независимы и определяются выбором материала, толщиной пленок и их геометрией. Поскольку транзисторы совмещенной ИС находятся внутри подложки, размеры такой схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению с гибридными ИС, которые используют дискретные активные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.

Схемы, изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд несомненных достоинств. Так, например, при этом имеется возможность получения на малой площади резисторов с большой величиной и малым температурным коэффициентом сопротивления, имеющих очень узкую ширину и большое поверхностное сопротивление. Контроль скорости осаждения в процессе получения резисторов позволяет изготовить их с очень высокой точностью. Резисторам, полученным путем осаждения пленок, не свойственны токи утечки через подложку даже при высоких температурах, а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствует возможности появления в схемах участков с повышенной температурой.

Тонкие пленки, помимо производства ИС по эпитаксиально-планарной технологии, широко используются в производстве гибридных ИС, а также при изготовлении новых видов микроэлектронных приборов (приборов с зарядовой связью, криотронных ЗУ на основе эффекта Джозефсона, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах и др.) [1].

2. Общие сведения о тонкопленочных пассивных элементах

Интегральной микросхемой называется микроэлектронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования, обработки сигнала или накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов).

Пленочной называют интегральную микросхему, элементы и межэлементные соединения в которой выполнены в виде пленок, нанесенных на изолирующую подложку [2].

В объеме и на поверхности кристалла интегральной микросхемы сформированы элементы ИМС, межэлементные соединения и контактные площадки.

Элементы могут быть активными - диоды, транзисторы и пассивными - резисторы, конденсаторы, индуктивности [3]

В настоящее время используют две разновидности технологических процессов изготовления МС:

· пленочные процессы;

· полупроводниковые процессы.

Так как активные пленочные элементы пока не могут конкурировать с полупроводниковыми, то пленочную технологию используют в основном для создания пленочных и гибридных микросхем [2].

Пленочную технологию также подразделяют на две подгруппы:

· тонкопленочную технологию, заключающуюся в создании с помощью напыления в вакууме, ионно-плазменных процессов, анодного оксидирования проводящих, диэлектрических и резистивных пленок толщиной не более 2 мкм,

· толстопленочную технологию, состоящую в нанесении слоев проводящих изолирующих и резистивных паст толщиной 5-25 мкм методом трафаретной печати.

Разница между этими ИС заключается не столько в толщине пленок, сколько в различной технологии их нанесения.

Существует три основные методы получения тонких пленок:

· термического напыления;

· ионного распыления;

· ионно-термическое распыление.

Каждый из методов имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Набольшее распространение получил метод термического напыления. Суть метода состоит в нагревании вещества до температуры испарения в вакууме и последующей конденсации атомов испаренного вещества на подогретую подложку. Термическое испарение в вакууме - наиболее простой и производительный метод получения резистивных пленок, а также других металлических и диэлектрических пленок, необходимых для изготовления ИМС.

Унификация технологических операций получения различных элементов интегральной микросхемы, возможность изготовления этих элементов в едином технологическом цикле, простота методики, возможности получения особо чистых пленок, высокой скорости получения пленок. - это существенное преимущество термического испарения в вакууме среди других способов нанесения резистивных пленок [4].

Из полученных тонких пленок на конечном этапе получают пленочные резисторы, конденсаторы, межсоединения и контактные площадки определенных размеров, взаимного расположения и различной конфигурации, что необходимо для выполнения этими элементами заданных функций. Создание по заданному рисунку пленочных элементов ИМС требуемой конфигурации производят методом свободной маски или фотолитографии, выбор которого зависит от способа нанесения и свойств материала тонкой пленки, требований точности, плотности размещения элементов, воспроизводимости процесса, его производительности и других факторов [5].

Пленочные ИМС создают послойным нанесением тонких пленок различных материалов на общее основание - диэлектрическую подложку. На пленочных элементах, как правило, выполняют резистивно-емкостные элементы (RC-схемы).

Рисунок 1 - Простейшая структура тонкопленочного резистора:

1 - контактные выводы, 2 - резистивная пленка,

3 - диэлектрическая подложка [5].

тонкопленочный испарение распыление термический

Тонкопленочный резистор - элемент микросхемы, размещенный на диэлектрической подложке 3 и способный оказывать сопротивление электрическому току, состоит из двух контактных выводов 1 и резистивной пленки 2 линейной или зигзагообразной конфигурации.

Сопротивление пленочных резисторов определяют по сопротивлению R_? (Ом/квадрат) квадрата тонкопленочного материала толщиной d, к двум противоположным сторонам которого проведены контактные выводы:

где, ? - удельное объемное сопротивление пленки.

Таким образом, сопротивление пленочного резистора не зависит от размера стороны квадрата и равно его поверхностному сопротивлению. Для изготовления тонкопленочных резисторов используют сплавы, сопротивление которых во много раз больше сопротивления чистых металлов.

Тонкопленочный конденсатор - это элемент микросхемы, способный накапливать электрический заряд и представляющий собой плоскую трехслойную структуру, состоящую из слоя диэлектрика, расположенного между двумя металлическими слоями - электродами (обкладками).

Рисунок 2 - Простейшая структура тонкопленочного конденсатора:

Удельная емкость (Ф/м²) плоского пленочного конденсатора:

С=8,85?/d

где, d - толщина слоя диэлектрика

Желательно, чтобы удельная емкость пленочного конденсатора была как можно больше. Поэтому выбирают диэлектрик, обладающий большой диэлектрической проницаемостью и стремятся уменьшить толщину пленки из него. Однако эти параметры нельзя изменять в широких пределах. Большинство используемых в тонкопленочной технологии диэлектриков имеют от 3 до 1000, при этом толщина получаемых диэлектрических пленок составляет не менее 0,3 мкм. Основной технологической задачей при изготовлении пленочных конденсаторов является получение достаточно тонких диэлектрических пленок минимальной пористости [6].

Номиналы тонкопленочных конденсаторов определяются точность, с которой может быть сформирован диэлектрический слой. Допускаемая толщина диэлектрических пленок ограничивается их электрической плотностью, которая снижает вследствие сквозных пор и других дефектов.

Наиболее часто в качестве диэлектрика в тонкопленочных конденсаторах используют пленки оксидов кремния SiO₂ и тантала Ta₂O₅, а в качестве обкладок - пленки металлов высокой проводимости. Однако пленки золота, серебра и меди для этих целей неприемлемы, так как атомы этих металлов обладают высокой подвижностью и, проникая в диэлектрическую пленку, приводят к отказам в работе конденсаторов. Наиболее часто обкладки конденсаторов выполняются из пленок алюминия. При этом верхние обкладки танталовых конденсаторов изготавливают из пленок алюминия с прослоем ванадия.

Контактные площадки пленочных ИМС обычно являются продолжением соединительных проводниковых линий (межсоединения) и служат для припайки или приварки внешних выводов корпуса [5].

Подложками пленочных ИМС служат плоские прямоугольные пластины диэлектрика, имеющие размеры 40?60, 60?96, 96?120 и толщину от 0,6 до 1,6 мм. Обычно на одну подложку одновременно наносят несколько пленочных микросхем, а затем разрезают. Предварительно подложки тщательно шлифуют и полируют, так как царапины и микротрещины на их поверхности вызывают нестабильность тонкопленочных микросхем.

Материалы, из которых изготовляют подложки, должны обладать высоким электрическим сопротивлением и теплопроводностью, термостойкостью до 500-600?С, малой диэлектрической проницаемостью, достаточной механической прочностью и стабильностью размеров, возможностью обработки поверхности до R_z0,1-R_z0,05.

В следующих разделах детальнее розсмотрим каждый из тонкопленочных пасивны элементов, основне свойства, достоинства и недостатки; положки, на которых непосредственно формируют эти элементы и многое другое.

3. Методы формирования тонких пленок

Тонкопленочные пассивные элементы получают методами вакуумного напыления в специальных установках, в процессе которого создаются тонкие металлические или диэлектрические пленки. Металлические применяют для изготовления тонкопленочных резисторов и конденсаторов, коммутационных элементов и контактных площадок, омических контактов и т.п. В зависимости от назначения элементов ИМС используют как пленки из платины, золота, серебра, никеля, хрома, меди, алюминия, тантала, молибдена, так и многослойные пленочные структуры. Диэлектрические пленки (SiO, Sio₂, GeO, Al₂O₃, Si₃N₄ и т.п.) используют для изготовления тонкопленочных конденсаторов, защитных тонкопленочных элементов, создания межслойной изоляции в многослойных коммутационных платах и др. [7].

Существует большое количество методов нанесения тонких пленок, но наибольшее распространение получили такие методы, как:

· термическое испарение в вакууме (резистивным и высокочастотным нагревом, нагревом электронным лучом или лазером);

· ионным распылением (катодным, ионно-плазменным или магнетронным);

· ионно-термическим испарением [7].

3.1 Метод термического испарения в вакууме

Термическое испарение основано на создании направленного потока пара вещества и последующей его конденсации на поверхности подложек, температура которых ниже температуры источника пары.

Рабочая камера установки термического испарения представляет собой металлический или стеклянный колпак, размещенный на опорной плите и уплотненный резиновой прокладкой. Внутри рабочей камеры располагаются подложкодержетель с подложками, их нагреватель и испаритель. Между испарителем и подложками имеется заслонка, что позволяет в нужный момент прекращать подачу испаряемого вещества. Рабочая камера откачивается вакуумным насосом до давления 10^-3-10^-4 Па, которое изменяется вакуумметром.

Рисунок 3 - Схема термического испарения в вакууме

1 - колпак, 2 - нагреватель, 3 - подложкодержатель,

4 - подложка, 5 - заслонка, 6 - испаритель,

7 - уплотнительная прокладка, 8 - опорная плита установки[7].

Процесс термического испарения состоит из трех основных этапов:

· испарения вещества;

· переноса его паров к подложке;

· конденсации на них и образования пленочной структуры.

При нагревании до определенной температуры вещество испаряется. Отрываясь от поверхности, частицы вещества распространяются в свободном пространстве, образуя пар. Наблюдается явление сублимации, когда вещество у вакууме с твердой фазы переходит в газообразную, минуя жидкую. Также, одновременно с испарением наблюдается обратный процесс - конденсации. Пар, который образуется, при условии когда скорость испарения и скорость конденсации одинакова называют равновесным.

Процесс переноса паров к подложке характеризуется скоростью испарения и степенью вакуума. При нанесении пленок вещество должно испарятся в молекулярном режиме, при р<10^-2, тогда частицы перемещаются от испарителя к подложке прямолинейно, без столкновений и рассеяния. Также при большой скорости испарения над поверхностью подложки слой пара и затрудняет испарение. Кроме того, плотность падающего пучка должна быть одинакова по всей поверхности подложки, что обеспечит равномерную по толщине пленку.

Конденсация паров зависит от температуры подложки и плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке частицы осаждаемого вещества попадают в поле сил притяжения и отталкивания поверхностных атомов и молекул подложки. Частицы могут как отразится от подложки (упругое столкновение), так и адсорбироваться, а через некоторое время вновь отразится(реиспариться) или же остаться на ней после кратковременного мигрирования по поверхности. Конденсация происходит в том случае, когда энергия связи части вещества с атомами подложки больше средней энергии атомов подложки. Температура подложки, выше которой все частицы вещества отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образуется (критическая температура) зависит от физико-химических свойств материалов осаждаемой пленки и подложки, а текже от состояния поверхности подложки [7].

Наименьшую плотность, при которой частицы осаждаемого вещества конденсируются на подложке при данной ее температуре, называют критической плотностью молекулярного потока.

Конденсация вещества на подложке определяется коэффициентом конденсации (акомодаии)

,

где, - количество атомов или молекул, достигших поверхности в единму времени;

- количество частиц, закрепившихся па поверхности.

Основные технологические факторы, от которых зависят параметры, надежность и качество тонких пленок:

· давление остаточных газов;

· температура подложек;

· температура испарения;

· условия термообработки нанесенной пленки (температура, время, среда).

Температурой подложки определяется взаимодействие ее материала с остаточными газами. При повышении температуры улучшается десорбция, уменьшается газонасыщение и создаются условия термического равновесия - формируются сплошные и бездефектные пленки, обладающее хорошей адгезией, имеющие ненапряженную структуру и оптимальные размеры зерен. Однако при значительное повышение температуры подложки увеличивает критический размер зародышей и может привести к сохранению островковой структуры, что, в свою очередь, вызывает неравномерность пленки по толщине. Это особенно важно при изготовлении тонкопленочных резисторов. Обычно температуру подложнк выбирают в интервале 30-400 ?С.

Основные преимущества МТИ в следующем [5]:

· возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок

· простота реализации

· высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности

· возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения.

Таким образом, метод термического испарения может быть реализован несколькими способами: резистивным испарением, электронно-лучевым испарением, способом активации испаренных потоков вещества с помощью электрического разряда, способом испарения материалов с помощью электрического разряда [5].

3.2 Метод ионного распыления

Данный метод существенно отличается от термического испарения. Особенность метода состоит в том, что:

· пленка формируется в газовом разряде;

· процесс происходит при давлении 1-10² Па;

· процесс происходит при меньшей скорости роста пленки.

3.2.1 Катодное распыление

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема установки для нанесения покрытий катодным распылением: 1 - катод-мишень, 2 - подложка, 3 - анод

Метод осуществляется следующим образом. Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10^-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (обычно это аргон при давлении 1 - 10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1 - 10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

· безинерционность процесса

· низкие температуры процесса

· возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)

· сохранение стехиометрического исходного материала при напылении

· возможность получения равномерных по толщине пленок

Метод имеет недостатки:

· низкая скорость осаждения (0,3 - 1 нм/с)

· загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях

· низкая степень ионизации осаждаемого вещества

3.2.2 Ионно-плазменное распыление

В данном методе третий источник выполняет функцию термоэмиссионного катода, тем самым увеличивая концентрацию электронов, а следовательно, и ионизированных атомов рабочего газа, причем увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении его давления до 10^-1-10^-2 Па, что обеспечивает нанесение пленок, не загрязненными посторонними примесями. Наличие термокатода позволяет приблизить мишень к подложке, что увеличивает скорость нанесения пленки.

Рисунок 5 - Схема установки для нанесения покрытий ионно-плазменным распылением: 1 - катод-мишень, 2 - подложка, 3 - анод, 4 - термокатод

Как и предыдущем случае, рабочую камеру предварительно откачивают до давления 10^-4 Па. Затем подают ток накала на вольфрамовый термокатод. Напряжение между катодом и анодом равно 200 В, а давление аргона в рабочей камере - 10^-1-10^-2 Па. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют молекулы аргона, которые после подачи отрицательного потенциала на катод-мишень (3-5 кВ), бомбардируют и распыляют ее поверхность.

Особенность триодных источников:

· безинерционность (распыление после снятия потенциала мгновенно прекращается);

· возможность ионной очистки поверхностей мишени и подложки без встраивания спеиальнои системы электродов;

· система требует охлаждения (на мишени выделяется большое количество теплоты).

3.2.3 Магнетронное распыление

В данных источниках в разрядном промежутке одновременно с электрическим действует магнитное поле, что позволяет без увеличения концентрации электронов повысить плотность плазмы.

Рисунок 6 - Схема магнетронного распыления: 1 - поток распыляемого вещества, 2 - кольцевой анод, 3 - катод-мишень, 4 - магнитная система [7].

На электроны, эмитированные автоэмиссионным катодом-мишенью и движущиеся к кольцевому аноду в приложенном между ними электрическом поле действует магнитное поле Н, направленное перпендикулярно электрическому полю. При перекрещивании полей путь движения электронов удлиняется, что повышает вероятность их столкновения с молекулами рабочего газа. В результате при давлении 10^-1-10^-2 Па создается высокая концентрация ионов газа, которые движутся к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интенсивностью. Поток распыляемого вещества устремляется к подложке и осаждается на ней в виде пленкию

Преимущества метода [8]:

· высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600 - 800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (510^-1 - 10 Па)

· отсутствие перегрева подложки

· малая степень загрязнения пленок

· возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади подложек

· широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии и однородности.

3.3 Ионно-термическое испарение

Метод является комбинацией термического испарения и ионного распыления и выполняется следующими методами

· резистивным или электронно-лучевым испарением вещества с последующей ионизацией его паров в плазме рабочего газа;

· резистивным или электронно-лучевым испарением вещества с последующей ионизацией его паров (например, с помощью высокочастотного индуктора);

· высокочастотным термическим испарением вещества с одновременной высокочастотной ионизацией его паров.

Во всех случаях движение ионов испаряемого вещества к подложке и осаждение на ней обусловлены действием электрического поля, создаваемого между испарителем и подложкой. В зависимости от требуемой кристаллической структуры и адгезии осаждаемых пленок потенциал подложки должен быть от 0 до 10⁴ В. Так, при низких температурах подложки, чтобы получить удовлетворительную адгезию пленки к ней, потенциал необходимо увеличивать.

Достоинствами ионно-термического испарения являются:

· большая скорость процесса, свойственная термическому испарению, в сочетании с высокой энергией конденсирующихся частиц, характерной для ионного распыления;

· однородность и равномерность осаждаемых пленок по толщине;

· возможность осаждения пленок сложного состава (карбидов, нитритов, оксидов и др.) с большими скоростями без высокотемпературного нагрева подложек [8].

4. Характеристика тонкопленочных пассивных элементов

4.1 Тонкопленочные резисторы

Если еще недавно тонкопленочные резисторы использовались главным образом при изготовлении гибридных ИС, то за последние годы они все шире начинают применяться в производстве монолитных ИС по совмещенной технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала и др. [1].

Тонкие резистивные пленки напыляют в вакууме на подложки и с помощью фотолитографии придают им вид полосок различной конфигурации, ограниченных с обоих концов контактными площадками [9].

Основой пленочного резистора является резистивная пленка из метала (хром, тантал, палладий), металлического сплава (нихром) или металлокерамики (кермет). Резистивную пленку определенной конфигурации тем или иным способом носят на диэлектрическую подложку ГИМС или на окисленный кристалл полупроводниковой ИМС, изготовленной по совмещенной технологии.

После осаждения пленки нихрома на диэлектрическую подложку производят термообработку путем отжига пленки на воздухе, при этом нихромовая пленка покрывается слоем оксида, который значительно улучшает стабильность пленочного резистора.

При создании пленочных резисторов на диэлектрической подложке не образуется паразитных элементов, которые получаются в полупроводниковых ИМС с диффузионными резисторами.

Для нанесения резистивной пленки могут быть использованы различные способы, которые уже были рассмотренные в предыдущем разделе. Термическое испарение в вакууме - наиболее простой и производительный метод получения резистивных металлических и диэлектрических пленок, необходимых для изготовления ИМС.

Тонкопленочные резисторы принято характеризовать поверхностным сопротивлением, определяемым сопротивлением квадрата тонкопленочного материала, двум противоположным сторонам которого проведены контактные выводы. Сопротивление пленки R протяжностью l, сечением hw и удельным сопротивлением ?.

= ?/h

где: h - толщина пленки

- поверхностное сопротивление, Ом/?.

Удельное сопротивление пленочных резисторов принято выражать в особенных единицах - (Ом/?), потому что сопротивление данной пленки у форме квадрата не зависит от размеров этого квадрата - l=w и R= R_s. Действительно, если сделать сторону квадрата, например, у два раза большей, то длинна пути тока тоже увеличится в два раза, но и площадь сечения пленки для тока увеличится вдвое. Значит, сопротивление останется без изменений. Таким образом, один и тот же номинал сопротивления можно получить при различных значениях l и w, если l/ w = const.

Сопротивление резистора зависит от его формы (толщины, ширины и длинны). Минимальную длину и ширину резистора подсчитывают по заданному номиналу R, поверхностному сопротивлению, мощности рассеяния Р и допустимой мощности рассеяния Рд:

, или

Конфигурация резистивных элементов бывает линейной и зигзагообразной, которую используют для увеличения сопротивления, (рис. 7) в зависимости от номинала. При расчете номиналов зигзагообразных резисторов не обходимо учитывать, что сопротивление угловых квадратов составляют 0,55 от сопротивлений квадратов, входящих в линейные ветки резистора. [9]

Рисунок 7 - Линейные (а) и зигзагообразные (б) резисторы [9]

Самым важным параметром пленочных резисторов является термический коэффициент сопротивления ТКR. Как правило, его определяют для стабильных пленок, прошедших термообработку. Установлено, что ТКR зависит от толщины пленки, с уменьшением толщины - уменьшается, а при увеличении приближается к значению, которое характерно для массивного металлу. Самым важным заданием при разработке резисторов ИМС - получение наименьшего значения ТКR в диапазоне рабочих температур. Как показывают эксперименты, существует область толщин пленок, для которой характерный малой коэффициент термического сопротивления, который приближается к нулю. Эта область толщин называется переходной. Для конкретного материала она определяется условиями получения пленки и может перемещаться в зависимости от этих условий [6].

Материал, использованный для резистивных пленок, должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона номинальных значений сопротивления, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления, обладать хорошей адгезией, высокой коррозийной стойкостью и стабильностью параметров во времени. Наибольшее распространение получили нихромовые резистивные пленки из-за стабильности характеристик и возможности их создания с малым ТК? [4].

Ниже в таблице 1 приведены характеристики материалов, применяемых при изготовлении пленочных резисторов:

Таблица 1 - Характеристик материалов, применяемых при изготовлении пленочных резисторов[10].

Материалы	Состав	Rs, Ом/	ТКR106 К-1
Нихром	Ni x + Cr 1-x	10-400	50-500
Нитрид тантала	Ta N	50-500	100
Керметы	Crx + (SiO)1-x	300-10000	100
Металлосилициды	Crx + Si1-x	102 - 104	50-250

4.2 Тонкопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы формируют на диэлектрической подложке ИМС. Несмотря на кажущуюся простоту трехслойной структуры, являются наиболее сложными и трудоемкими по сравнению с другими пленочными пассивными элементами. При этом необходимо провести, по крайней мере, три операции вакуумного напыления: нижней проводящей обкладки конденсатора, диэлектрической пленки и верхней проводящей обкладки (рис 8). Такой пленочный конденсатор называют однослойным.

Рисунок 8 - Структура пленочного конденсатора: 1 - диэлектрическая подложка, 2 - нижняя обкладка, 3 - диэлектрическая пленка, 4 - верхняя обкладка

Для получения большой емкости или для уменьшения площади, занимаемой конденсатором на подложке, можно делать многослойные пленочные конденсаторы, секции которых располагают «этажами» - одна над другой. Однако создание «многоэтажных» конденсаторов (рис. 5) затрудняет процесс их изготовления, так как надо вводить дополнительные операции нанесения различных слоев, повышает стоимость, уменьшает надежность, увеличивает процент брака из-за увеличения краевого эффекта, уменьшения плотности и электрической прочности верхних диэлектрических слоев [4].

Устройство пленочного «многоэтажных» конденсатора изображено на рис 5.

Он состоит из верхней 4 и нижней 2 металлических обкладок, диэлектрической пленки 3 и подложки 1. процесс изготовления пленочных конденсаторов при числе более 2 затрудняется.

Емкость пленочного конденсатора определяется по формуле:

С=0,0884?S/d,

где, С - емкость, пФ;

? - диэлектрическая проницаемость;

S - площадь обкладки, см²;

d - толщина диэлектрика, см.

Если число обкладок N, то емкость определяется по формуле:

С=0,0884?S (N-1)/d

Рисунок 9 - Конструкция и выводы пленочных конденсаторов:

а) многослойная структура с выводами, расположенными в противоположные стороны, б) многослойная структура с выводами, расположэенными под прямым углом; 1 - подложка, 2 - нижняя обкладка, 3 - диэлектрический слой, 4 - верхняя обкладка [3].

Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим его параметры и свойства, является его диэлектрик. В качестве диэлектрика применяют изоляционные материалы, из которых образуются непористые пленки (обкладки), обладающие необходимыми электрофизическими свойствами. Материал для изготовления диэлектрических пленок должен обладать:

· хорошей адгезией к материалам подложки и металла;

· быть плотным и не подвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов;

· иметь высокое пробивное напряжение и малые диэлектрические потери;

· высокую диэлектрическую проницаемость;

· не разлагаться в процессе испарения и осаждения.

Этим требованиям удовлетворяет весьма большое число диэлектриков. Наиболее часто в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов применяют диоксид кремния, трехсернистю сурьму, монооксид германия, для обкладок тонкопленочного конденсатора - алюминий. При применении алюминия по сравнению с другими металлами, которые можно было бы использовать (например никель, хром, золото), образуется наименьшее число коротких замыканий. Это объясняется низкой температурой испарения алюминия и пониженной подвижностью его атомов на поверхности подложки из-за тенденции к окислению [3].

Наиболее перспективными диэлектриками являются композиционные стеклообразные соединения, поскольку у них имеется возможность изменять в широких пределах электрофизические, физико-химические и термодинамические свойства путем подбора состава стекла и реализации особенностей агрегатного состояния стеклообразных систем в тонкопленочных структурах металл - диэлектрик - металл [1].

Оценку диэлектрических свойств пленок проводят за результатами одновременного измерения емкости и кута диэлектрических потерь на некоторой частоте. Для уменьшения коэффициента ? необходимо делать электроды на высоких частотах с металлов с малым удельным сопротивлением. Диэлектрические потери также сильно зависят от условий осаждения пленок.

Закономерности:

· диэлектрические потери уменьшаются в связи со старением пленок;

· на частотах, ниже 100 кГц;

· коэффициент ? уменьшается с увеличением частоты и увеличивается при адсорбировании пленками влаги [6].

4.3 Тонкопленочные индуктивности

Пленочные катушки делаются в виде плоских спиралей, чаще всего прямоугольной формы. Ширина проводящих полосок и просветов между ними обычно составляет несколько десятков микрометров. Тогда получается удельная индуктивность 10-20 мГн/мм². На площади 25 мм² можно получить индуктивность до 0,5 мкГн. Обычно такие катушки делаются с индуктивностью не более нескольких микрогенри. Увеличить индуктивность можно нанесением на катушку ферромагнитной пленки, которая будет выполнять роль сердечника. Некоторые трудности возникают при устройстве вывода от внутреннего конца пленочной катушки. Приходится для этого наносить на соответствующее место катушки диэлектрическую пленку, а затем поверх этой пленки наносить металлическую пленку - вывод [2].

На рис. 10 изображены основные виды пленочных индуктивностей.



Рисунок 10 - Виды пленочных индуктивностей: а) прямоугольный отрезок,

б) последовательная индуктивность, в) параллельная индуктивность,

г) спиральный индуктивный элемент; 1 - токопроводящая пленка,

2 - изолирующая пленка [3].

Простейшим индуктивным элементом является прямоугольный отрезок (рис 8 а, б, в). Для получения больших значений индуктивности используют плоские пленочные элементы круглой или квадратной формы в виде спирали. Индуктивность виде плоской спирали может быть определена по следующей приближенной форме:

L=k/m·D³

где, L - индуктивность;

m - шаг спирали;

k - коэффициент, зависящий от отношения внешнего и внутреннего диаметров спирали;

D - внутренний диаметр спирали.

Значения внутреннего и внешнего диаметров спирали выбирают с учетом возможных размеров элемента индуктивности, размещаемого в гибридной ИМС.

Для электрического соединения различных элементов м компонентов ГИМС используют тонкопленочные проводники и контактные площадки из материалов с высокой электрической проводимостью и хорошей адгезией к подложке. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников является золото прослоем хрома, нихрома или титана [3].

Вывод

В данной курсовой работе рассмотрены основные методы формирования тонкопленочных пассивных элементов, также рассмотрены основные свойства, характеристики, разновидности данных элементов. Обобщая все вышесказанное, можно сделать такие выводы:

· на сегодняшний день существует два основных направления производстве микросхем: полупроводниковой и пленочной;

· на основе пленочной технологии создают пленочные и гибридные микросхемы, так как активные пленочные элементы пока не создают достойной конкуренцию полупроводниковым;

· тонкопленочные резисторы за точностью и стабильностью лучше толстопленочных и полупроводниковых, но производство их сложнее и дороже;

· тонкопленочные конденсаторы обладают меньшим тангенсом угла потерь;

· среди способов получения тонких пленок самое большое распространение получил метод термовакуумного напыления из-за пустоты методики, большой скорости напыления и высокого качества полученных пленок.

Литература

тонкопленочный испарение распыление термический

www.bestreferat.com.ua/referat/detail-28753.html - Тонкопленочные элементы интегральных микросхем.

Березин Д.С., Мочалкина О. P. Технология и конструирование интегральных микросхем. - M.; Радио и связь, 1983. - 232 с.

Бер А.Ю., Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: - М.: Высш шк., 1986. - 279 с.

Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: - М.: Высш шк., 1987. - 479 с.

Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. - М.: Высш. шк., 1989. - 110 с.

Однодворець Л.В. Основи мікроелектроніки. - Суми: Вид-во СумДУ, 2005. - 112 с.

Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. и др. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектрники. - М.: Высш. шк, 1989. -223 с.

Парфенов О.Д. Технология микросхем. М.: Высш. шк., 1986. - 320 с.

Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: - М.: Высш шк., 1986. - 368 с.

Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. - М.: Высш. шк., 1989. - 110 с.

dssp.karelia.ru/~ivash/ims/t2/pas_elem.htm - Пассивные элементы микросхем.

Степаненко И.П. основы микроэлектроники: М.:Лаборатория Базовых Знаний., 2001. - 488 с.

Парфенов О.Д. Технология микросхем. - M.: Высшая школа, 1986. -320 с

Малышева И.А. Технология производства микроэлектронных устройств. - M.: Энергия, 1980. -445 с.

Размещено на Allbest.ru