Современные технологии изготовления тонкопленочных резистивных интегральных схем с повышенной надежностью

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТИВНЫХ ИС С ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ

Настоящая глава посвящена исследованию и разработке технологии серийного изготовления высоконадежных тонкопленочных ИС, обеспечивающей малые потери энергии, высокую коррозионную стойкость и адгезию многослойных проводников МПЛ к подложке, высокую температурную и временную стабильность резистивных элементов.

При серийном изготовлении важно также обеспечить низкую себестоимость, высокую воспроизводимость электрических параметров и процент выхода годных изделий.

1. Структура проводников ИС НЧ диапазона и ИС СВЧ, обеспечивающие высокую надежность и малые потери на частотах СВЧ диапазона

При разработке и изготовлении ИС стремятся повысить надежность проводников и линий передач (см. раздел 1.3), при этом в ИС СВЧ важно одновременно обеспечить малые потери энергии микрополосковых линий. Высокая надежность изделий обеспечивается при применении структуры микрополосковых линий Cr(V)-Cuв-Cuг-Niг-Auг при толщинах никеля более 0,6-0,8 мкм и золота 3 мкм, однако в этом случае возникают проблемы изготовления МПЛ с малыми потерями [12, 19].

Проблема существенного снижения потерь энергии в МПЛ, имеющих структуру слоев Cr(V)-Cuв-Cuг-Niг-Auг решена в работе [12] на частотах от 2 до 12 ГГц и в работе [19] на частотах от 1,1 до 1,5 ГГц.

На частотах от 2 до 12 ГГц предложена послойная структура МПЛ Cr(70-130 Ом/кв.)-Cuв(1 мкм)-Cuг(3-6 мкм)-Niг(0,6-0,8 мкм)-Аuг(3 мкм) при коэффициенте затухания от 3,7 до 7,2 дБ/м. Толщина адгезионного подслоя из хрома выбрана для обеспечения уровня адгезии полосок к подложке не менее 300 кг/см

На частотах от 1,1 до 1,5 ГГц предложена послойная структура МПЛ V(50- -100 Ом/кв.)-Cuв(1-2 мкм)-Cuг(10±3 мкм)-Niг(1±0,3 мкм)-Аuг(3±0,5 мкм) при коэффициенте затухания от 1,14 до 1,32 дБ/м [19]. Толщина адгезионного подслоя из ванадия выбрана для обеспечения уровня адгезии полосок к подложке не менее 300 кг/см2 [7].

В работе [19] отмечено, что на величину потерь в МПЛ значительное влияние оказывает материал, толщина и технология изготовления защитного слоя. При применении фосфатного электролита золочения с платиновыми анодами потери энергии в МПЛ при одинаковых толщинах ванадия, меди, никеля и золота уменьшаются до трех раз, по сравнению с потерями энергии в МПЛ с золотым покрытием из лимоннокислого электролита с анодами из нержавеющей стали. Уменьшение толщины золота до величины существенно меньшей толщины скин-слоя приводит к резкому увеличению потерь, так как при этом значительная часть поверхностного тока начинает протекать по слою никеля. Для обеспечения малых потерь энергии толщина золотого покрытия должна быть не менее толщины скин-слоя. Рекомендуемая толщина золотого покрытия на частотах 1-1,5 ГГц не менее 3±0,5 мкм.

Предложен состав фосфатного электролита золочения и разработана технология золочения при изготовлении МПЛ с малыми потерями энергии [58]. тонкопленочный интегральный проводник микрополосковый

При изготовлении высоконадежных ИС НЧ диапазона с точки зрения унификации технологии целесообразно применять аналогичную структуру проводников. Однако в этом случае толщина гальванически осажденной меди может быть не более 2 мкм.

Технологические маршруты изготовления многослойных проводников ИС

Предложена следующая классификация маршрутов изготовления проводников ИС [17]:

1. По методу получения основного проводникового слоя (меди):

1.1. ТП изготовления МПЛ, основанные на травлении «толстой» меди, толщиной от шести до пятнадцати мкм, напыленной в вакууме, с последующей защитой медного проводника гальваническим или химическим способом.

1.2. ТП изготовления МПЛ, основанные на напылении в вакууме «тонкой меди» (толщиной от одного до двух мкм) с последующим гальваническим осаждением меди и защитных слоев (меди - никеля - золота, меди - золота, меди - серебра, меди - олово-висмута).

2. По методу обеспечения электрической связи между проводниками при гальванических процессах:

2.1. Технологические процессы, основанные на применении сварных технологических перемычек.

2.2. Технологические процессы, основанные на применении технологических перемычек, полученных фотолитографией.

2.3. Технологические процессы, основанные на применении подслоя для обеспечения электрического контакта между проводниками.

2.4. Технологические процессы, основанные на гальваническом осаждении в окна фоторезистора.

Предлагаемая классификация позволяет провести сравнительный анализ существующих маршрутов изготовления проводников и линий передач, выявить их недостатки, выбрать базовый маршрут изготовления и пути его совершенствования.

Анализ существующих маршрутов изготовления проводников ИС по методу получения основного проводникового слоя (меди) и методу обеспечения электрической связи между проводниками при гальванических процессах, проведенный в работе [17], позволил сделать следующие выводы:

1) технология, основанная на гальваническом наращивании тонкой меди, напыленной в вакууме, обеспечивает лучшее качество МПЛ: меньшие потери энергии на СВЧ, более высокую электрическую прочность, позволяет получать надежную металлизацию торцов и отверстий, и обеспечивает высокую точность геометрических параметров;

2) технология гальванического осаждения металлов в окна фоторезиста обладает минимальным количеством недостатков, имеет низкую трудоемкость изготовления и поэтому может быть рекомендована в качестве одной из основных технологий для опытного и серийного производства микрополосковых плат, при размещении СВЧ-устройств в герметичных корпусах.

Однако существенным недостатком технологии гальванического осаждения металлов в окна фоторезиста является наличие тонкого пояска из меди по периметру проводников толщиной 2-3 мкм, не защищенного золотом. Это снижает надежность изделия из-за окисления меди и возможности ее электромиграции как в процессе изготовления микроблоков, так и в процессе их эксплуатации. При этом на микрополосковые платы накладываются жесткие требования по срокам межоперационного хранения, а ИС, изготовленные по такой технологии, должны находиться в герметичном корпусе, заполненном инертным газом. Кроме того, в связи с тем, что при сборке ГИС часто применятся пайка припоями с применением канифольных флюсов, в процессе эксплуатации изделий возможна коррозия меди вследствие неполного удаления остатков флюса [14] или разгерметизации корпуса.

С целью повышения надежности проводников ИС разработаны технологии, обеспечивающие более полную защиту меди золотым покрытием:

Гальваническое осаждение проводниковых слоев по подслою в зазоре между технологическим проводящим слоем и основным проводником [59, 60].

Гальваническое осаждение проводниковых слоев с использованием «тонких» пленочных технологических перемычек [61].

3. Технология изготовления ИС с малым переходным сопротивлением контактов

Сопротивление квадрата отдельно рассматриваемых проводящих и резистивных элементов определяется физическими свойствами пленок и их толщиной, т.е. от размеров элементов теоретически не зависит. Переходное сопротивление между проводящими и резистивными элементами, возникающее в месте перекрытия пленок этих элементов зависит от свойств контактирующих пленок и от площади их перекрытия [25, 30].

С уменьшением размеров элементов резко возрастает величина контактного сопротивления, так как площадь перекрытия пленок уменьшается в квадрате по сравнению с уменьшением размеров самих элементов. При этом погрешность, вносимая контактным сопротивлением в общую погрешность изготовленных резисторов, возрастает с уменьшением длины резисторов. Для низкоомных сплавов типа РС5406К, применяемых в микрополосковых платах при длине резистора 0,1 мм эта погрешность может доходить до 30% [31].

Поэтому технология изготовления прецизионных резисторов должна обеспечить минимальное сопротивление контактов для уменьшения размеров резисторов и повышения их стабильности.

Тонкопленочные интегральные схемы с резистивными элементами изготавливают с применением групповых технологических процессов по двум основным маршрутам.

Первый маршрут:

- напыление резистивной и проводящей пленок в одном вакуумном цикле, при этом возникает переходное сопротивление между резистивным и проводящим слоями;

- первая фотолитография суммарного слоя, при которой одновременно формируют ширины всех резисторов проводников и контактных площадок;

- вторая фотолитография проводникового слоя, при которой одновременно формируют длины всех резисторов.

Второй маршрут:

- напыление резистивной пленки;

- первая фотолитография резистивного слоя, при которой одновременно формируют ширины всех резисторов;

- межоперационная очистка подложек с резистивным слоем, после которой сразу напыляют проводящую пленку, при этом возникает переходное сопротивление контакта между резистивным и проводящим слоями;

- вторая фотолитография проводникового слоя, при которой одновременно формируют длины всех резисторов.

Для уменьшения контактного сопротивления интегральные схемы с резистивными элементами рекомендуется изготавливать по первому маршруту без съема вакуума после напыления резистивных пленок («совмещенная технология») [25]. Удельное переходное сопротивление контактов для этой технологии имеет величину от 5·10-2 до 2,5·10-1 Ом·мм2 [8].

При изготовлении СВЧ ИС с резистивными элементами необходимо использовать второй маршрут со съемом вакуума после напыления резистивных слоев («раздельная технология»), так как раздельная технология обеспечивает более высокую точность изготовления резисторов и меньшие потери на СВЧ, вследствие отсутствия резистивного слоя под полоской [19].

Поэтому была поставлена задача, разработать технологию формирования контактов и определить материалы в структуре резистивно-проводящих элементов, для обеспечения минимальных контактных сопротивлений при раздельном нанесении пленок с формированием контуров элементов между операциями нанесения [30].

Как показали предварительные эксперименты, на величину существенно влияет технология межоперационной обработки резистивной пленки. На этом этапе необходимо удалить остатки фоторезиста после первой фотолитографии по резистивному слою и другие загрязнения, остающиеся после снятия фоторезиста в органических растворителях.

Поэтому в первую очередь стояла задача отработки технологии межоперационной очистки подложек с резистивным слоем, обеспечивающей качественную очистку подложек при минимальном контактном сопротивлении [62].

На рис. 1 представлена зависимость величины от времени межоперационной обработки подложек в хромовой смеси состава: К2Сr2О7 - 80 г, Н2SO4 - 1 л. Процесс проводился при температуре 20 5єС.

Рис. 1. Зависимость удельного переходного сопротивления контакта от времени межоперационной обработки подложек.

Качество очистки подложек определялось по смачиваемости подложек водной пленкой (время удержания ее на чистой поверхности должно составлять не менее 30 сек). При выдержке подложек в хромовой смеси менее 30-35 сек. смачиваемость подложек ухудшалась, что сказывалось на увеличении из-за неполного удаления загрязнений.

Увеличение времени выдержки резисторов в хромовой смеси приводит, по-видимому, к заметному окислению резистивной пленки и увеличению величины . Возможной причиной увеличения при увеличении времени выдержки в хромовой смеси является удержание адсорбированного хрома на поверхности резистивной пленки 63. Минимальное значение достигается при времени выдержки 30-40 сек.

Увеличение температуры хромовой смеси до 30 єС приводит к ухудшению адгезии и уменьшению оптимального времени обработки, что снижает воспроизводимость величины .

В таблице 1 приведены величины удельных переходных сопротивлений контактов тонкопленочных резисторов, полученные для трех материалов резистивных слоев. Резистивный слой из нитрида тантала получен методом магнетронного распыления мишени из тантала в атмосфере азота.

Как видно из таблицы, подслой из ванадия обеспечивает во всех случаях на 1-2 порядка меньше удельное переходное сопротивление контакта, по сравнению с подслоем из хрома и существенно меньший разброс величины .

По сравнению с резистивным сплавом РС5406К тантал является более перспективным материалом для получения низкоомных высокостабильных прецизионных резисторов, так как обеспечивает на порядок меньше и значительно меньший разброс величины .

Таблица 1 Удельные переходные сопротивления контактов тонкопленочных резисторов.

4. Технология лазерной подгонки, обеспечивающая высокую стабильность резисторов с защитным диэлектрическим слоем

При допуске на резистор пять и менее процентов может возникнуть необходимость в подгонке сопротивления резистора до номинального значения.

Наиболее распространенным и перспективным методом подгонки путем изменения геометрии пленочных резисторов считается лазерный метод подгонки как наиболее прецизионный и универсальный.

Для защиты резисторов от воздействия окружающей среды и механических повреждений их, как правило, защищают фоторезисторами ФН-11, ФП-383, или пленкой Si3N4. Подгонка резисторов, в соответствии с рекомендациями ОСТ 4ГО.054.238 производится до защиты их фоторезистом. Такой же последовательности выполнения операций придерживаются на практике, в том числе на серийных заводах.

Однако в связи с перспективностью применения метода функциональной подгонки 64 возникает необходимость подгонки резисторов защищенных, например, фоторезистом или пленкой Si3N4 на изготовленных микросборках.

В многочисленных источниках отмечается ухудшение стабильности резисторов после их подгонки (см. раздел 1.2), при этом считается, что основными причинами, ухудшающими стабильность резисторов, являются обнажение резистивной пленки в зоне реза и изменение ее структуры при термическом воздействии лазерного луча. Причем в работе [9] отмечается, что термическому воздействию подвергаются участки резистивной пленки от наружных участков сечения лазерного луча при его недостаточной фокусировке.

Было предположено, что при подгонке тонкопленочных резисторов остросфокусированным лазерным лучом существенное влияние на стабильность резисторов будут влиять продукты испарения резистивной пленки, осаждаемые на резистивную пленку в зоне реза. Тогда при доводке резисторов лазером после защиты их фоторезистом или другой пленкой продукты испарения резистивной пленки будут осаждаться на защитной пленке, а не на резистивной, что может не привести к ухудшению стабильности резисторов.

Проведенные технологические исследования позволили подтвердить эту гипотезу

1. Бахарев С.И. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ по-лосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.М. Либ и др.; Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 382 с.

2. Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ: Учебное пособие. М.: Высш. школа, 1980. 285 с.

3. Власов В.Е., Захаров В.П., Коробов А.И. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры // Под ред. А. И. Коробова. М.: Радио и связь, 1987. 157с.

4. Конструирование и расчет контактов в интегральных схемах: Учебное пособие / Ю.П. Ермолаев, О.Г. Эльстинг, Ф.Г. Каримова, Г.П. Анфимов. Ка-зань, 1967. 46 с.

5. Глудкин О.П., Гуров А.И. и [др.] Управление качеством электронных средств. М.: Высшая школа, 1994. 414 с.

6. Коледов Л.А., Волков В.А. и др. Конструирование и технология микросхем / Под ред. Л.А. Коледова. М.: Высшая школа, 1984. 232 с.

7. Крючатов. В И. Конструкторско-технологические основы создания пассивной части высоконадежных микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. КГТУ им. А. Н. Туполева, Казань, 2011. С 316.

8. Коледов Л.А., Ильина Л.М. Микроэлектроника. Гибридные интегральные схемы. М.: Высшая школа, 1984.

Дополнительная литература

9. Лугин А.Н. Конструкторско-технологические основы проектирования тонкопленочных прецизионных резисторов: монография. Пенза: Информаци-онно-издательский центр Пенз. ГУ, 2008. 288 с.

10. Спирин В.Г. Проектирование и технология тонкопленочных микросборок с топологическими размерами 10-50 мкм: Монография. Арзамас: АГПИ, 2005. 146 с.

11. Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ // Под ред. Неганова В. А. М.: Радио и связь, 2006.

Размещено на Allbest.ru