Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок, страница 2

В ИС элементы и соединительные проводники изготовлены в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме материала основания (подложки), имеют герметизацию и защиту от внешних воздействий. ю а 9~ В зависимости от базовой технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные, совмегценные и гибридные интегральные схемы. В полупроводниковой ИС все элементы выполнены на поверхности или в объеме подложки из полупроводникового материала.

Соединения в таких схемах могут быть выполнены либо в объеме полупроводникового кристалла в виде инверсионных слоев высокой проводимости, либо напылением металлического проволника на защитный слой кристалла, Если все элементы микросхемы выполнены в объеме одного кристалла полупроводника, то такая микросхема называется монолитной полупроводниковой ИС.

В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Пленочные интегральные микросхемы делятся на тонкопленочные и толстопленочные. Элементы тонкопленочных схем (толщина менее 1 мкм) наносятся на подложку преимущественно методами вакуумного напыления. Элементы толстопленочных схем (толщина обычно более 1 мкм) наносятся на подложку методами шелкографии. В совмещенной интегральной микросхеме все элементы и соединения выполнены на поверхности или в объеме подложки из полупроводникового материала методами изготовления полупроводниковых и пленочных схем. Гибридными интегральными схемами (ГИС) называют микросхемы, в которых осуществлена гибридизация пленочной интегральной технологии и технологии дискретных навесных элементов. В них обычно на диэлектрической подложке изготавливают в виде пленок только пассивные элементы, а активные элементы в виде кристаллов полупроводника устанавливают на поверхности подложки.

Развитие современных ГИС быстро шло по пути миниатюризации (размеры элементов 1-3 мкм) и увеличения числа элементов в единой схеме (до тысяч и сотен тысяч штук). Такие ГИС с высокой степенью интеграции называются большие интегральные схемы (БИС). Преимушеством таких гибридных ИС является то, что в них содержатся менее сложные активные элементы, чем в соответствующих монолитных полупроводниковых схемах.

Кроме того, ГИС рационально использовать при разработке и макетировании аппаратуры, а также в не слишком массовой аппаратуре, так как первоначальные ~~~[ 0 Введение затраты на разработку монолитных ИС во много раз больше, чем на разработку вариантов гибридных схем. ГИС заняли доминирующее положение в устройствах СВЧ-диапазона. Причем для устройств, работающих на частотах до ! ГГц, с успехом может применяться толстопленочная технология, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология. При дальнейшем уменьшении размеров элементов топологии и увеличении размеров схемы существенно снижается воспроизводимость технологических процессов и повышается вероятность появления случайных дефектов.

Что приводит к значительному удорожанию оборудования, необходимости создания автоматизированных систем, исключающих непосредственное участие человека в технологическом процессе. В данной работе мы подробно рассмотрим технологию и аппаратуру для получения тонкопленочных элементов ИС с помощью нанесения пленок и их травления в вакууме. ЧАСТЬ ! НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ГЛАВА ! ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ СЛОЕВ 1.1 Резисторы из силицидов тутоплавких метоллов Резисторы из силицидов тугоплавких металлов являются частным случаем резисторов из сплавов металлов.

Одним из компонентов силицида является кремний, а вторым компонентом — один или несколько тугоплавких металлов. Их электропроводность уменьшается с увеличением концентрации кремния, поскольку наличие валентных связей металл-кремний уменьшает концентрацию свободных электронов и увеличивает удельное сопротивление. За счет использования силицидных фаз кремния в материале резисторов можно получить стабильные тонкопленочные элементы при высоких значениях поверхностного сопротивления [1 — 5, 7[. Большим преимушеством силицидных резисторов является то, что в процессе их получения и после термического стабилизирующего отжига кристаллическая структура тонких пленок имеет, как правило, мелкодисперсный состав, а их фазовый состав остается неизменным в течение долгого времени. Это обеспечивает получение стабильных и надежных тонкопленочных резисторов с широким диапазоном поверхностных сопротивлений.

Не менее важно, что металлосилицидные резисторы обладают высокой стабильностью при повышенных температурах, высокой микротвердостью и радиационной стойкостью. Наиболее распространенными материалами для силицидных резисторов являются следующие силициды тугоплавких металлов Необратимме иэменени» сопротмэлени» после 1000 ч раба н пол Допустимая мощность рассеяния, Вт/см', не более ение, натруэлой ! Вт/смт пр» 85'С, не более ! 2 ' 5 1 шо-! ооо РС4800 50-3000 РС3710 0,5 800-3000 ! ! РСЗОО! 0,5 РС1004 3000-50000 ! 15 300-500 РС17!4 РС4400 1000-5000 РС4404 1000-5000 РС4200 0,5 РС5402 0,5 5-! ОО 10 †5 РС540бк 0,5 С]Э тсг т.т т т . -.

с,.. М051,, Сг51,, Сг51 [3 — 5]. Типичные характеристики резисторов из этих материатов, полу генных ионным распылением: поверхностное сопротивление от 200 до 20000 Омг/кв, толщина пленки от 0,02 до 0,1 мкм, ТКС примерно 1О '-10 4 1/град. Резисторы из сплавов системы ]%-Сг-5! приготавливали как путем плавления сплавов, так и смешиванием порошков никеля, хрома и кремния в различных пропорциях [9]. Полученные смеси наносились в виде суспензий на вольфрамовый испаритель, При испарении сплавов системы ]ч]1-Сг-51 испаритель предварительно обрабатывали в вакууме путем испарения навески порошка кремния. Напыление пленок проводили прн температуре подложек 420 К.

После напыления пленки отжигали в вакууме при 570 К в течение 45 минут, а затем на воздухе при той же температуре в течение 14 часов. Сведения о полученных резисторах на основе силицидов никеля и хрома приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 Влияние химического состово но электрические характеристики пленок системы 141-Сг-51 [9].

тт т * и д Э~~~з~т/ Более тонкие пленки характеризуются большим разбросом по удельному сопротивлению и ТКС, а также малой стабильностью и воспроизводимостью. Для более толстых пленок требуется слишком длительное время напыления и существенно большая плошадь для их размещения в микросхемах. Для изготовления резисторов с широким диапазоном поверхностного сопротивления от 10 ло 1Ос Ом/13 разработали ряд резистивных сплавов серии РС (таблица 1.2). Таблица 1.2 Электрические свойство тонкопленочных резисторов но основе сплавов серии РС [3] Пленки на основе РС получают как методом «взрывного» испарения в вакууме, так и методами магнетронного распыления.

Независимо от способа получения не рекомендуется выбирать сплав, у которого только на верхней границе рекомендуемого диапазона достигается заданное поверхностное сопротивление. Так как там воспроизводимость получения заданного поверхностного сопротивления заметно снижается. СН« .».*гг «р ььс ь ь В резисторах на основе РС-1004 с В =40 — 50 кОм/(3 при естественном хранении за 1000 ч сопротивление изменяется на +1,0%, под воздействием нагрузки 5 Вт/см' за 1000 ч — на +2%, после 15 термоциклов (-60..+125'С) — на 0,5+0,3%.

При температуре! 50'С ТКС составляет (1,5 — 2,5) 10' 1/град. Основным недостатком, ограничивающим применение резисторов на основе РС-1004, является высокое абсолютное значение ТКС. Изменение скорости нанесения в широких пределах, варьирование в температуры подложки от 150 до 450'С, отжиг образцов на воздухе при температуре 150'С не позволяют уменьшить ТКС. Несмотря на это такие резисторы =50 кОм/(3 применяются в ГИС там, где величина ТКС не так важна. На основе сплава РС-37!О возможно создание «взрывным» испарением стабильных резисторов с удельным сопротивлением 3 кОм/(3. Однако дяя этого необходимо проводить их термообработку при температуре 350'С в течение 4 ч. Уход от номинала не превышает 5%, а ТКС близок к нулю, Стабильность таких резисторов при температуре 75 С в течение 500 ч не ниже О,! 5%, При использовании ионного распыления мишени из сплава РС-3710 резисторы с поверхностным сопротивлением в 300 Ом/(3 обладают хорошей временной стабильностью, которая ухудшается с увеличением поверхностного сопротивления до 5000 Ом/П.

Сплав РС-5406 предназначен для создания стабильных резисторов с низким удельным сопротивлением 10-100 Ом/(3. В работе [5) сравнивали пленки резистивного сплава РС-5406 с поверхностным сопротивлением 100 Ом/ь3, полученные двумя способами: из порошка, путем его «взрывного» испарения, и магнетронным распылением из мишени. Оба способа дали схолные результаты при отжиге в диапазоне температур 400-600'С. В частности, их поверхностное сопротивление снижалось на 20% при 400'С. Это приводило к тому, что величина сопротивления резисторов неконтролируемо изменялась при последующих операциях их изготовления.

Поэтому необходим последующий после нанесения стабилизирующий отжиг. Так после отжита при 400'С термообработка при температурах ниже 400'С уже не меняет их сопротивления. Однако такая стабилизация резисторов сопровождается изменением их номиналов, что может снижать процент их выхода годных. Для увеличения их термической стабильности предложены два способа. Первый — добавка азота в резистнвную пленку во время ее получения. Действительно, атомы азота несколько увеличивают сопротивление пленки и тормозят ее рекристаллизацию, так как, вступая в связь с атомами кремния или металла, они снижают их подвижность.

Второй способ — выбор резистивного сплава из такой пары силицидов, в котором термообработка вызывает изменение сопротивления одного силицида в одну сторону, а другого в противоположную. При таком составе силицидов изменения сопротивления можно полностью скомпенсировать (6). Этот путь оказался более продуктивным: у сплава из силицидов вольфрама и молибдена и без предварительного отжита уменьшение величины резисторов не превышало 3% при многократном отжнге до 550'С.

1.2. Способы получения резистивных слоев из силицидов тугоплавких металлов 1.2.1. Термическое иеаарение из жидкой фазы Термическое испарение — самый старый и известный способ получения тонких пленок силицидов. Метод состоит в том, что напыляемый материал нагревается в вакууме до температуры, при которой он расплавляется и начинает интенсивно испаряться. В вакууме 1 10 '- 1 10 ' мм рт. ст.

длина свободного пробега испаренных молекул намного больше расстояния между подложкой и источником, поэтому испарившиеся частицы образуют направленный молекулярный поток. На размещенной на их пути подложке происходит осаждение материала в виде тонкой пленки.