Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников

Курсовой проект

по курсу «Процессы микро- и нанотехнологий»

Тема:

Материалы для тонкопленочных микросхем

Выполнил: Нурдавлетов К.Н.

Студент группы ЭМЭ-09-1

Преподаватель института

асс, к.т.н. Леготин С.А.

Москва 2013 г.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Материалы подложек

2. Материалы пленок

3. Техническое задание

4. Пояснительная записка для расчета резисторов

5. Пояснительная записка для расчета конденсатора

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ

В пленочных интегральных микросхемах элементы создаются осаждением пленок на специальные платы из диэлектрических материалов - подложки. Подложка служит механическим основанием, и, будучи диэлектриком, изолирует её элементы. На основе напыленных пленок в настоящее время изготавливаются только пассивные элементы (резисторы и конденсаторы). Пленочные схемы, дополненные активными элементами (диодами, транзисторами, полупроводниковыми ИС) принято называть гибридными ИС (ГИС). Активные элементы в этих схемах крепятся на подложке методом навесного монтажа.

Такая технология изготовления ИС, при которой пассивные и активные элементы создаются по двум не зависимым друг от друга циклам, приводит к ряду преимуществ, которые обусловили широкое производство и использование ГИС. Гибридные ИС характеризуются простотой изготовления, малой трудоемкостью, непродолжительностью производственного цикла и в силу этого низкой стоимостью.

Многоуровневое расположение пассивных элементов и использование в качестве активных элементов полупроводниковых ИС расширяют возможности схемотехнической разработки при создании БИС.

Технология изготовления тонких и толстых пленок позволяет создавать прецизионные резисторы и конденсаторы, в силу чего гибридная технология предпочтительнее в схемах с повышенной точностью пассивных элементов.

Интегральные микросхемы, работающие в СВЧ диапазоне, также создаются по гибридной технологии. При этом исключаются трудности, связанные с изоляцией элементов толстыми диэлектрическими слоями, неизбежной, если СВЧ ИС выполняется как полупроводниковая.



1. Материалы подложек

Размеры подложек выбираются в соответствии со степенью интеграции ИС, их материалы -- в соответствии с требованиями, предъявляемыми к электрическим, механическим и термическим свойствам подложек. В свою очередь эти требования обусловлены заданными параметрами пленочных элементов и выбором технологических методов нанесения пленок.

Рассмотрим требования к подложкам. Материал подложек должен иметь высокие объемное и поверхностное удельные сопротивления. Это требование вытекает из необходимости обеспечения электрической развязки между элементами. Кроме того, для большинства материалов с высоким удельным сопротивлением существует определенная взаимосвязь между сопротивлением и их стойкостью к влиянию различных веществ, в том числе из окружающей среды. Низкие диэлектрические потери снижают потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике. Высокая теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхемы и выравнивание температурного градиента по ее поверхности. Согласование коэффициентов линейного расширения подложки и осаждаемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках и тем самым снижает вероятность появления в них микротрещин, разрывов и т.п. Высокая механическая прочность облегчает механическую обработку подложек (для получения требуемой формы и размеров и создания в них отверстий), а также предупреждает поломку подложек при сборке микросхем. Подложки должны быть достаточно термостойкими при пайке и сварке; материал подложки и структура поверхности должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке.

Перечисленные требования к подложкам являются общими для тонкопленочных и толстопленочных микросхем. Однако в силу значительного различия в свойствах толстых и тонких пленок и методов их нанесения параметры подложек для толсто- и тонкопленочных ИС не совпадают. Это в наибольшей степени относится к адгезии: для тонких и толстых пленок необходимая шероховатость поверхности существенно различается.

В табл. 1.1 приведены характеристики диэлектрических материалов, которые в большей или меньшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подложкам для тонко- и толстопленочных ИС. Ниже приводится состав рассмотренных материалов.

Таблица 1.1

Характеристики подложек

Материал диэлектрика	Удельное сопротивление, Ом *см	Диэл. пост.	Диэлектрические потери на частоте 106 Гц	Теплопроводность, кал/см*с oС	Коэф. линей. расш. 10-6/oC
Бороcиликатное стекло	107	4,6	6,2*10-3	0,0027	3,25
Алюмоокcидная керамика типа «Поликор»	1014	10,8	2*10-4	0,075--0,08	7,5--7,8
Кварцевое стекло	1016	4	3,8*10-4	0,0036	0,56--0,6
Ситаллы	1013--1014	6,5	6*10-3	0,005--0,009	. 5
Лейкосапфир	1011	8,6	2*10-4	0,0055	5

Стекла представляют собой различные системы окислов. Боросиликатное стекло состоит из SiO₂ (80%), В₂О₃ (12%) и других окислов (Na₂O, K₂O, Al₂O₃), алюмосиликатное -- из SiO₂ (60%), Al₂O₃ (20%) и других окислов (Na₂O, CaO, MgO, B₂O₃). Стекла типов С-48-3 и С-41-1 являются бесщелочными.

Керамика -- поликристаллическое вещество с зернами сложной структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига (спекания) порошков различных окислов. Алюмооксидная керамика типа «Поликор» состоит из Al₂O₃ (99,8%), B₂O₃ (0,1%), MgO (0,1°/о). Размер зерен -- менее 40 мкм. Бериллиевая керамика содержит от 98 до 99,5% окиси бериллия ВеО.

Ситаллы -- стеклокерамические материалы, получаемые в результате термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов характеризуется следующим составом окислов:

1) Li₂O--Al₂O₃ --Si0₂ --Ti0₂;

2) RО--А1₂O₃ -- SiO₂-- TiO₂ (RO -- один из окислов СаО, MgO или ВаО).

Лейкосапфир -- чистый монокристаллический окисел алюминия а-модификации.

Сравнительный анализ этих материалов позволяет сделать следующие выводы.

Стекла имеют недостаточную прочность, низкую теплопроводность, недостаточную химическую стойкость, для них характерно сильное газовыделение при нагреве. Благодаря содержанию окислов щелочных металлов возможно образование ионов этих металлов, обладающих повышенной миграцией при приложении электрического поля и обусловливающих нестабильность свойств стеклянных подложек и элементов микросхем. Повышение химической стойкости и стабильности тонкопленочных ИС обеспечивается подложками из бесщелочных стекол С-41-1 и С-48-3.

Керамика, особенно бериллиевая, имеет значительно большую теплопроводность по сравнению со стеклами. Кроме того, она обладает большей механической прочностью и лучшей химической стойкостью. Однако большие размеры зерен керамических материалов не позволяют получить удовлетворительный микрорельеф поверхности для тонкопленочных ИС. Мелкозернистая керамика с размером зерен в десятые доли микрона широко используется для подложек толстопленочных ИС. При этом наиболее удовлетворительным микрорельефом обладает керамика с 96% содержанием Al₂O₃. Керамика с более высоким содержанием А120з, например типа «Поликор», имеет слишком гладкие поверхности, не обеспечивающие хорошей адгезии к ним толстых пленок. Полировка мелкозернистой керамики снижает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно устранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция не позволяет получить подложки, пригодные для тонкопленочных ИС.

Ситаллы в 2-3 раза превосходят стекла по механической прочности. Они хорошо прессуются, вытягиваются, прокатываются. Диэлектрические свойства ситаллов лучше, чем стекол, и они практически не уступают керамике.

Лейкосапфир характеризуется хорошими диэлектрическими свойствами. Однако технология его получения (обычно вытягивание монокристаллов по методу Чохральского) не позволяет получить пластины больших размеров низкой стоимости.

По совокупности диэлектрических и механических свойств, микрорельефу поверхности, стойкости к химическому воздействию наиболее приемлемыми материалами подложек для тонкопленочных микросхем являются ситаллы, для толстопленочных - 96% алюмооксидная керамика.

2. Материалы пленок

Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл -- диэлектрик -- металл, расположенную на изолирующей подложке. Основными параметрами диэлектрических материалов для конденсаторов являются удельная емкость С_уд = e₀*e/d, определяемая диэлектрической постоянной вое и толщиной слоя диэлектрика d, и электрическая прочность Ед.

Из-за сложности создания бездефектных пленок на большей площади максимальная площадь конденсатора ограничивается. Минимальная площадь ограничивается заданной точностью. Отсюда для обеспечения широкого диапазона емкостей возникают определенные требования к удельным емкостям. Поскольку существует предел и для минимальной толщины пленок (из-за влияния пор и дефектов в пленке диэлектрика на ее электрическую прочность), то при изготовлении тонкопленочных конденсаторов к диэлектрической постоянной материала предъявляются определенные требования. Если ограничить толщину пленки величиной 0,1 мкм, а максимальную и минимальную площади соответственно 2-Ю² и 0,2 мм², то для обеспечения диапазона емкостей 10-10⁶ Ф требуются диэлектрические постоянные, примерно равные 0,5-50.

Электрическая прочность диэлектрического материала определяет напряжение пробоя U_д = Е_дd, а следовательно, и диапазон рабочих напряжений конденсатора. Кроме требований к удельной емкости и электрической прочности диэлектрические материалы должны обладать минимальной гигроскопичностью, высокой механической прочностью при циклических изменениях температуры, хорошей адгезией к подложкам.

Диэлектрические материалы, используемые для тонкопленочных конденсаторов, представляют собой окислы полупроводников и металлов. Из окислов полупроводников наибольшее распространение в технологии тонкопленочных ИС получили моноокись кремния SiO и моноокись германия GeO, имеющие высокие диэлектрические постоянные. Пленки двуокиси кремния SiO₂ значительно реже используются в тонкопленочной технологии, что частично связано с более низкими значениями диэлектрической постоянной, а также с невозможностью использовать для их осаждения метод вакуумного термического испарения.

Среди окислов металлов наибольший интерес представляют окислы тугоплавких металлов, такие как Ta₂O₅, TiO₂, HfO₂ , Nb₂O₅. Эти материалы по сравнению с другими окислами обладают наиболее высокими значениями диэлектрической постоянной. Наиболее отработана технология изготовления пленок пятиокиси тантала. Интерес к пленкам тантала и его окисла объясняется возможностью изготовления резисторов и конденсаторов с использованием только этого материала и одних и тех же технологических методов создания, а именно ионно-плазменного распыления и электролитического анодированпя.

Свойства материалов, наиболее широко используемых для создания тонкопленочных конденсаторов, представлены в табл. 1.2

Таблица 1.2

Параметры материалов, применяемых для изготовления тонкопленочных конденсаторов

Материал диэлектрической пленки	Диэлект. постоян.	Тангенс угла диэл. потерь на частоте 103 Гц	Удельная емкость, пФ/см2	Диэл. прочн. Е*10-6 В/см	ТКЕ*104, 1/0С	Материал обкладок; уд. сопр. слоя, ом/а
Моноокись кремния	5-6	0.01-0.02	0.5*104	2--3	2	Алюмин., 0.2
Моноокись германия	11-12	0,005	104	1	3
Пятиокись тантала	23	0,02	0,6* 105	2	4	Тантал, 1-10

Тонкопленочные проводники в микросхемах служат для соединения пассивных тонкопленочных элементов и создания контактных площадок для присоединения активных навесных элементов и внешних выводов. Тонкопленочные проводящие материалы должны обладать высокой электропроводностью, хорошей адгезией к подложке, способностью к сварке или пайке, химической инертностью.

Материалами с высокой электропроводностью являются золото, серебро, алюминий, медь. Однако пленки этих металлов не удовлетворяют всей перечисленной совокупности свойств. Так, эти металлы, особенно благородные, имеют плохую адгезию к подложке, алюминиевые пленки плохо поддаются пайке и сварке (для присоединения навесных элементов и внешних выводов), медь легко окисляется. Поэтому для получения тонкопленочных проводников используются многослойные композиции. Эти композиции включают подслой из материала, обеспечивающего хорошую адгезию, слой из материала с высокой электропроводностью и покрытие из химически инертного материала с хорошей способностью к сварке или пайке.

3. Техническое задание

интегральный тонкопленочный подложка резистор конденсатор

Рассчитать группу тонкопленочных резисторов при следующих исходных данных:

b_техн = 125 мкм, l_техн = 125 мкм

Рассчитать конденсатор при следующих исходных данных:

4. Пояснительная записка для расчета резисторов

По формуле определяем значение оптимального сопротивления и подбираем подходящий материал резистивной пленки

Подходящим по этому параметру является сплав РС 3710 Ом/шт

P₀ = 5 Вт/см² N^*_Rст = 0,5%

2. Проверяем правильность выбора материала для R1

Для этого определим допустимую погрешность коэффициента формы:

N_кфдоп = N_R - N_Rz - N_Rt - N_Rct - N_Rk

N_{R t}= = 0,6%

Величиной N_Rk пренебрегаем. Тогда:

N_кфдоп = 10-0,5-0,6-5 = 3,9% - больше 0 а значит материал для всех резисторов выбран верно.

3. Определяем коэффициент формы резисторов

K_ф1 = 0,2/2 = 0,1

K_ф2 = 0,68/2 = 0,34

K_ф3 = 1,5/2 = 0,75

Следовательно, для R3 и R2 выбираем резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины. Для резистора R1 используем конструкцию с внутренней контактной площадкой.

4. Используем фотолитографию

Расчет резистора R1

определяем из графика. При условии, что у нас R = 200 Ом, а Rz = 2000 Ом/квадрат

Рис. 1. Номограмма для определения Кф пленочных резисторов с внутренней контактной площадкой при следующих значениях R, Ом/ 1-10; 2-50; 3-1000; 4-500; 5-1000; 6-2000; 7-3000; 8-5000; 9-10000; 10-20000

= 0,7 Ом/квадрат

Тогда = (10+0,7*10)/(0,7((10-5)(1/0,7)+1)ln(1-2*0,1))) = 13,36 мкм

=0,038 мкм

Следовательно

ограничена возможностями технологии, а значит

= 125 мкм

Расчет резистора R2

Т.к. K_ф2 меньше единицы. То в начале рассчитываем длину

Шаг координатной сетки примем равным 1 мкм и тогда

Т.к. у нас процесс фотолитографический то а значит

=1211 мкм

Для упрощения расчетов применяем значение тогда

Расчет резистора R3

Т.к. K_ф2 меньше единицы. То в начале рассчитываем длину

У данного резистора другое значение

N_кфдоп = N_R-N_Rz-N_Rt-N_Rct-N_Rk

Шаг координатной сетки примем равным 1 мкм и тогда



Т.к. у нас процесс фотолитографический то а значит

=526 мкм

Для упрощения расчетов применяем значение тогда

5. Пояснительная записка для расчета конденсатора

По табл. выбираем материал диэлектрика для конденсатора - моноокись кремния. Его параметры: е = 5; tgд = 0,01; E_np = 2-10⁶ В/см; ТКС = 2-10^-41/°С. Минимальную толщину диэлектрика d_min и удельную емкость C_ov для обеспечения необходимой электрической прочности находим:

Температурная погрешность емкости г_ct = 2*IO^-4 x (85-20) *100 = 1,3%, а допустимая погрешность активной площади конденсатора г_Sдоп = 20-5-6,5-1,3 = 6,9%.

Минимальную удельную емкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора:

a ДА = 0,05 мм (см. табл.)

Определяем, какова должна быть удельная емкость наименьшего по номиналу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся S_min = l мм². Тогда:

Таким образом, получены три значения удельной емкости:

Окончательно выбираем Со = 180 пФ/мм².

Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости Со

,

что вполне приемлемо для тонкопленочной технологии.

Далее проводим расчет геометрических размеров конденсаторов

Отношение C₁/Co = 180/180 = 1 мм². Коэффициент, учитывающий краевой эффект, К = 1,3-0,06*1 = 1,24. Площадь перекрытия обкладок

S₁ = 1 * 1,24 = 1,24 мм²;

форма обкладок перекрещивающиеся полоски квадратной формы (К_ф = 1), размеры обкладок

L₁ = B₁ = v1,24 = 1,11 мм = 1110 мкм;

L_Н1 = В_Н1 = 1110 + 0,2*50 + 0,2 = 1221 мкм,

L_Д1=B_Д1i = 1,11+2*0,1 = 1,31 мм = 1310 мкм;

площадь конденсатора по диэлектрику S_Д1 = 1,72 мм².



ЛИТЕРАТУРА

Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры, Волгов В.А., Москва, 1977 г.

Микроэлектроника, Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Москва, 1987 г.

Материалы электронной техники, Пасынков В.В., Сорокин В. С., Москва, 1986 г.

Расчет электрорадиоэлементов, Печерская Р.М., г. Пенза, 1994 г.

Технология и конструирование интегральных микросхем, Березин А.С., 1983 г.

Размещено на Allbest.ru