Пленочные элементы

2. Пленочные элементыТонкопленочные резисторы (R). Виды, форма. Методы расчета. Материалы и требования, предъявляемые к ним. Способы корректировки номиналов.

Тонкопленочные конденсаторы (С). Методы расчета. Материалы и требования, предъявляемые к ним. Методы подгонки. Тонкопленочные индуктивности (L). Методы расчета. Топология. Материалы и требования, предъявляемые к ним. Токопроводящие системы ИС (ТС). Межсоединения, контактные площадки, контакты. Ме - п/п. Классификация. Требования к материалам. Многослойные систем металлизации. Особенности многоуровневой системы металлизации ИС.

2.1 Резисторы

Материалы, применяемые для изготовления тонкопленочных резис­торов, должны обеспечивать возможность получения широкого диапа­зона стабильных сопротивлений, обладающих низкой температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и высокой коррозионной стой­костью. Тонкопленочные резисторы можно изготавливать из метал­лов, сплавов, полупроводников и смесей металлов и неметаллов (керметов).

С конструктивной точки зрения применяются резисторы различной конфигурации, которые завершаются контактными переходили, образо­ванными резистивной полоской и контактной площадкой (Рисунок 2.1.1).

Наиболее оптимальна форма резистора, изображенного на рисунке 2.1.1 а. Однако, если расчетная длина резистора оказывается чрезмерно боль­шей и резистор не может быть размещен на подложке в одну линию, его выполняют в виде изогнутых полосок - меандр (Рисунок 2.1.1 б,в). При масочном метода изготовления резисторов отношение длины по­лоски l к ширине b не должно превышать 10 (Рисунок 2.1.1 ,а, 2.1.1,в). Дня резисторов формы меандр (рис 2.1.1 б ) отношение амплитуды меандра к расстоянию между полосками a также не должно превышать

Рис 2.1.1. Тонкопленочные резисторы различных конструкций:

а) - линейчатый; б) - меандрический; в) - меандрический с проводящими элементами, I - резистивная пленка; 2 - контактная площадка

Рекомендуемые материалы

Рисунок 2.1.2,. График для выбора удельного поверхностного сопротивления. 1 - р_а = 10 Ом/с; 2 - р_а = 100 Ом/с; 3 - р_а = 1000 Ом/с; 4 - р_а = 10000 Ом/с;

При фотолитографическом методе эти соотношения критичны и зависят от площади, отведенной для резистора.

Конструктивный расчет резисторов линейчатого типа сводится к определению размеров его длины l и ширины b . Здесь важно соблюдать условие, чтобы при заданной величине сопротивления резистор обеспечил рассеяние заданной мощности Р_а . Основным параметром

пленочного резистора является коэффициент формы К_ф.

                                                  (2.1.1)

где l - длина резистора; b - его ширина; R - сопротивление; Р_а - Удельное поверхностное сопротивление, Ом/см. Удельное поверхностное сопротивление р_а представляет собой сопротивление квадрата пленки любого размера и численно равно отношению удельно­го сопротивления пленочного слоя к его толщине, что наглядно сле­дует из соотношения  при l = b, где d толщина пленки.

Удельная мощность, которую может рассеять единица площади резистора

                                                   (2.1.2)

Тогда расчетная ширина резистора b_p определяется из условия до­пустимой рассеиваемой удельной мощности P_о как

                                      (2.1.3)

Расчетная ширина резистора должна быть не меньше той, которая может быть выполнена при современном состоянии технологии. За ши­рину резистора принимают ближайшее к расчетное большее целое зна­чение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологий. После окончательного выбора b определяется длина ре­зистора l , если K_ф>I

                                                            (2.1.4)

если K_ф<I, то

                                        (2.1.5)

В настоящее время при масочном методе обычные предельные размеры резистора составляют: b ~ 0,2 мм и l ~ 0,3 мм. Предельные размеры при фотолитографическом методе l = b = 0,1 мм.

Выбор удельного поверхностного сопротивления Р_a может быть сделан по графику Рисунок 2.1.2, а затем, исходя из р_а , может быть вы­бран материал резистивной пленки.

в тех случаях, когда K_ф>10, целесообразно конструирование резисторов сложной формы. Полагая (из Рисунок 2.1.1,6), что длина ре­зистора равна длине его средней линий (это допущение дает не­сколько завышенное сопротивление), имеем

                                            (2.1.6)

Из Рисунка 2.1.1, б следует:

                                          (2.1.7)

где    n - число     Z -  образных элементов

L=n(a+b)                              (2.1.8)

                       (2.1.9)

Площадь, занимаемая резистором вместе с изолирующей зоной, минимальна, если резистор имеет квадратную форму, т.е. L = В , тогда, приравнивая выражения (1.8) и (1.9) и решая полученные соотношения относительно n, получим

 (2.1.10)

Обозначим  = m , тогда

  (2.1.11)

Величинами   и   по сравнению с отношением  можно пренебречь, тогда

                            (2.1.12)

Обычно n в формуле (1.12) бывает число с дробны остатком. Округляя до ближайшего большего целого, определяем размеры резис­тора L' и В' по формулам (1.8) и (1.9).

В заключение необходимо проверить условие обеспечения жесткос­ти маски:

                             (2.1.13)

Для фотолитографического метода это условие некритично.

2.2 Конденсаторы

Характеристики тонкопленочных конденсаторов зависят как от ма­териала диэлектрического слоя, так и от материала обкладок. Мате­риал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требо­ваниям: иметь низкое электрическое сопротивление (для ВЧ конден­саторов); ТКЛР, равный или близкий к ТКЛР подложки и диэлектри­ческого слоя; иметь хорошую адгезию как к подложке, так и к ра­нее напыленным пленкам; обладать высокой антикоррозионной стой­костью в условиях агрессивной среды.

Для изготовления обкладок конденсаторов чаще всего применяют­ся следующие материалы: алюминий А-99 ГОСТ 11069-74, тантал ТВЧ ТУ 95.311-75; титан BTI-0 ТУ I-5-III-73. Алюминий по сравнению с другими металлами (например, никелем, хромом, золотом) обеспе­чивает значительно меньшее число коротких замыканий между обклад­ками через диэлектрик. Это объясняется низкой температурой испа­рения алюминия и пониженной подвижностью его атомов на поверх­ности подложки из-за тенденции к окислению.

Материалы, применяемые для изготовления диэлектрических слоев, должны удовлетворять следующим требованиям: иметь высокое значе­ние диэлектрической проницаемости; минимальный температурный ко­эффициент емкости (ТКИ); минимальные потери энергии на высокой частоте ( tg ); обладать высокой влагоустойчивостыо и теплостой­костью; обеспечивать получение плотных и однородных пленок; иметь хорошую адгезию как к подложке, так и к материалам обкладок; об­ладать высокой электрической прочностью.

Наиболее часто применяют моноокись кремния SiО , трехсернистую сурьму Sb₂S₃ моноокись германия GеО . Можно также использовать сульфид цинка ZnS , фтористый магний MgF₂, и некоторые редкоземельные окислы и фтористые соединения. Возможно применение ферроэлектрических пленок, например, титаната бария. ВаТiO₃ и смеси титаната бария с титанатом стронция ВаТiO₃ + SrTiO₃. Для получения конденсаторов большой емкости используют анодированные пленки тантала Та₂O₅ , а также анодированный алю­миний Al₂O₃.

В тонкопленочных микросхемах различают преимущественно три варианта конструкции конденсаторов: конденсаторы с трехслойной структурой (две проводящие обкладки, разделенные диэлектриком); многослойные конденсаторы, отличающиеся от предыдущего варианта повторяющимся нанесением проводящих и диэлектрических пленок; гребенчатые конденсаторы, у которых емкость образуется за счет краевого эффекта. Многослойные конденсаторы выполняются для рас­четной площади > 1-2 мм². Разновидности конденсаторов приведены на рисунке  1.3.

Если расчетная площадь конденсатора S*- I мм , его можно вы­полнять либо в виде последовательно соединенных конденсаторов (Рисунок 1.3,б), либо в виде двух пленочных обкладок и подложкой в качестве диэлектрика (Рисунок 1.3,г). Такая конструкция позволяет получить емкость порядка нескольких пикофарад на I см площади. Для получения еще меньшей емкости (доли пикофарады) можно выпол­нить гребенчатые конденсаторы (рисЛ.З.д) или конденсаторы в ви­де дзух параллельных полосок (Рисунок1.3,е). Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле:

C=_рl  (2.2.1)

где  - коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рисунке 1.46;   l  - длина общей границы двух гребенок; _р - резуль­тирующая проницаемость подложки и среды (воздух или заливка)

        (2.2.2)

где  - проницаемость подложки;  - проницаемость среды.

Конструктивный расчет тонкопленочного конденсатора сводится к определению его геометрических размеров S и d и удельной емкости С_о.

Исходными для расчета являются: номинальная емкость С (пФ), относительное отклонение номинального значения емкости  рабочее напряжение U_p (В), рабочая частота f (МГц).

Расчет конденсаторов с площадью перекрытия обкладок 5 мм² и более (Рисунок 1.3,а) ведут в следующем порядке. Вначале определяют толщину диэлектрика

  (2.2.2)

где Е_пр- пробивное напряжение для выбранного материала диэлект­рика (В/см); К_з- коэффициент запаса (К_з = 2-4).

Затем вычисляют максимально допустимую относительную погреш­ность воспроизведения площади конденсатора

  (2.2.3)

где  - погрешность воспроизведения удельной емкости (состав­ляет 5-10$);  - температурная погрешность емкости:

α_с - температурный коэффициент емкости (ТKЕ) материала диэлект­рика (I°/C); T - максимальная рабочая температура конденсатора (I/°С); - погрешность емкости, обусловленная старением тонко­пленочных конденсаторов (не превышает 2-3%).

Впоследствии оценивают удельную емкость материала диэлектрика по формулам

  (2.2.4)

  (2.2.5)

где  - абсолютная погрешность воспроизведения размеров кон­денсатора (для масочного метода  = +0,001 см); =A₁/B₁ - коэффициент формы конденсатора.

Окончательное значение удельной емкости Сд выбирается из условия

C₀’ > C₀ < C₀” (2.2.6)

(%)

Рисунок1.3. Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов:

 а - с активной площадью перекрытия обкладок S > 5 мм²; б - с S -= 1-5 мм²; в,г - с S < 1 мм²; д - гребенчатая; в - в виде двух параллельно расположению проводящих пленок. 1 - диэлектрик; 2,3 - обкладки; 4 - подложка.

В дальнейшем уточняемся толщина диэлектрика по формуле

       (2.2.7)

Минимальная толщина диэлектрика ограничивается электрической прочностью, а максимальная - возможностями пленочной технологии. Чаще всего толщина диэлектрика находится в пределах от 0,3-0,5 до I мкм. После окончательного выбора d уточняется величина^. Из соотношения S=~c~ определяет активную площадь перекрытия S обкладок конденсатора» Геометрические размеры конденсатора рас­считывают по следующим формулам:

верхней обкладки

   (2.2.8)

    (2.2.9)

нижней обкладки

A₂=A₁+2(A+)  (2.2.10)

B₂=B₁+2(A+)  (2.2.11)

диэлектрика

A₃=A₂+2(A+)  (2.2.11)

B₃=B₂+2(A+)  (2.2.12)

где  - погрешность установки и совмещения масок (см).

При площади перекрытия обкладок 1-5 мм² необходимо учитывать краевой эффект. Емкость конденсатора в данном случае вычисляется по формуле

  (2.2.13)

где k - поправочный коэффициент, который определяется из гра­фика, представленного на рисунке 1.4.

С учетом краевого эффекта для получения заданной емкости кон­денсатора необходимо уменьшить его площадь в к раз. В осталь­ном конструктивный расчет подобных конденсаторов не отличается от изложенного выше.

Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле

   (2.2.14)

где  - коэффициент, значение которого определяется из графи­ка Рисунок1.4,б; - диэлектрическая проницаемость соответ­ственно материала подложки и окружающей среды; l - длина сов­местной границы двух проводников.

Для электрического соединения различных элементов микросхем и микросборок на подложке используют тонкопленочные проводники, которые должны быть выполнены из материалов с высокой проводи­мостью и адгезией к подложке. Конфигурацию таких проводников вы­бирают в виде полосок минимальной ширины, определяемой возмож­ностями технологии с учетом максимального тока, протекающего по этому проводнику. Допустимую величину плотности тока принимают j = 20 А/мм². Технологический процесс получения микросхем зна­чительно упрощается, если для внутрисхемных соединений и контакт­ных площадок используют одинаковые Материалы. Наиболее подходя­щим для Проводников является алюминий, однако очень трудно обеспечить хорошее механическое и электрическое соединения с алюми­ниевой пленкой. Можно применять также такие материалы как сереб­ро и золото, однако это не всегда экономически оправдано. Все эти материалы, обладая высокой проводимостью, имеют сравнительно низкую адгезию к подложке. Поэтому зачастую используют двух- или, трехслойные пленочные структуры для межсоединений. Для достиже­ния высокой адгезии напыляют подслой из хрома или нихрома на под­ложки из ситалла, стекла, керамики или на межслойную изоляцию из монооксида кремния. Материал следующего слоя выбирают из условия хорошей проводимости и возможности подсоединения внешних выводов. Обычно для этих целей используют золото, никель, медь вакуумной плавки и алюминий. Иногда применяют трехслойные структуры.

Рисунок 2.4. Зависимости, характеризующие изменение поправочного коэффициента от конструктивных параметров пленочного конденсатора: а - для конденсатора, показанного на рисунке 1.3,6, б;

б - для конденсаторов, показанных на рисунке 1.3, д,е.

В таблице приведены характеристики некоторых материалов, применяе­мых для проводников и контактных площадок гибридных микросхем.

Характеристики материалов, применяемых для проводников и контактных площадок

В конструкции тонкопленочной интегральной микросхемы часто один проводник пересекает другой. В месте пересечения проводники должны быть изолированы друг от друга тонкой пленкой диэлектрика. Каждое пересечение должно иметь сопротивление проводников не бо­лее 0,8 Ом/см, а емкость не более пФ. При выборе материала межслойной изоляции и прилегающих проводников необходимо учитывать совместимость материалов. Несовместимость может иметь место, на­пример, при использовании хрома для проводника и моноокиси крем­ния для изолятора. Хром будет диффундировать в моноокись кремния, снижая пробивное напряжёние. Может возникнуть и другое явление: гальвано-диффузионный эффект. Этот эффект появляется в структуpax металл-диэлектрик-металл, он увеличивает ток утечки в места пересечения проводников и разрушает проводники. Для изоляции про­водников в большинстве случаев применяют моноокись кремния и халькогенидное стекло.

2.3 Индуктивности

Для комплексной микроминиатю­ризации радиоэлектронной аппаратуры наряду с пленоч­ными резисторами и конденсаторами необходимо иметь и пленочные индуктивные элементы. Уменьшение разме­ров индуктивных элементов ведет к уменьшению их са­моиндукции, так как последняя зависит от площади, охва­тываемой элементом. Реально на площади 1 см² мож­но выполнить элемент с индуктивностью не более 1 мкГн, используемый на частотах не ниже 40—50 МГц. При больших значениях индуктивности следует применять навесные катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками-.

Конструкции пленочных элементов индуктивности. Возможными  конструктивными   решениями  пленочных

индуктивных элементов могут быть: линейчатая полоска (Рисунок 2.24, а); одновитковая круглая петля (Рисунок 2.24, б); одновитковая квадратная петля (Рисунок 2.24, в); многовитковая круглая спираль (Рисунок 2.24, г); многовитковая квадратная спираль (Рисунок 2.24, д).

Бесплатная лекция: "4 Конструкционная основа для ис" также доступна.

Рисунок 2.5. Пленочные элементы индуктивности.

Формулы  для расчета индуктивности.   Ниже приводятся формулы для расчета индуктивности указанных выше конструкций элементов. Формулы эти полуэмпири­ческие и обеспечивают точность в несколько процентов. При пользовании ими следует учитывать следующее:

главным фактором, определяющим одновитковую пет­лю, является площадь, заключенная в плоскости петли;

для заданной площади круглая петля соответствует наименьшей длине проводника и, следовательно, наибо­лее высокой добротности ;

в многовитковой спирали, если связь между витками достаточно сильная, индуктивность растет пропорцио­нально квадрату числа витков;

в приводимых формулах все размеры даны в сантиметрах, индуктивность – в микрогенри, логарифмы натуральные.