Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 38
Текст из файла (страница 38)
К конструкции конденсаторов предъявляется ряд конструктивно-технологическряс требований: минимальные габаритные размеры; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технологии их изготовления с процесбами производства других элементов гибридной интегральной микросхемы.
Конструкция, изображенная на рис 5.9, и, характерна для конденсаторов с повышенной емкостью (сотни тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней обкладки. Эта конструкция имеет следующие положительные качества: неточность совмещения контуров обкладок ие сказывается на величине емкости; контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конденсатора при предельном их несовмещении. Пленочный конденсатор с болщпой емкостью может иметь сложную конфигурацию, отличную от прямоугольной, причем линии периметра обкладок обязательно пересекаются под прямым углом.
При разработке топологии микросхемы конструктор может полностью использовать свободные участки площади подложки. Конструкция пленочного конденсатора, изображенная на рис. 5.9, б, характерна для конденсаторов с небольшой емкостью (десятки пикофарад), когда для получения необходимой емкости достаточна площадь взаимного перекрытия двух коммутационных проводников, разделенных пленкой диэлектрика.
Емкость рассматриваемого конденсатора нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности совмещения. В высокочастотных конструкциях применяют гребенчатые конденсаторы (рис. 5.9, г). Роль обкладок выполняют пленочные проводники в форме гребенки. Здесь используется составной диэлектрик подложка — воздух или подложка — диэлектрическое покрытие. Емкость пленочного конденсатора, пФ, рассчитывается по известной формуле: где 5 — площадь взаимного перекрытия обкладок, см', е, — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Са= =0,08855,/ул — удельная емкость, пФ/смй, которая определяется диэлектрической проницаемостью применяемых материалов е,жЗ„, ...25 и толщиной диэлектрика б(, см, минимальное значение б( ограничено требованием сплошности пленки, рабочим напряжением, требуемой точностью емкости, качеством пленки и связанным с ней выходом годных, эксплуатационной надежностью конденсатора; максимальное значение сл ограничено механической прочностью сцепления пленки с подложкой.
С ростом толщины уровень механических напряжений, обусловленный разностью ТКЛР пленки и подложки, увеличивается. Емкость гребенчатого конденсатора определяется погонной емкостью между соседними элементами и средней длиной диэлектрического канала между элементами гребешков. При активной площади пленочного конденсатора менее 5 мм 2 начинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше площадь. Если расчетная площадь конденсатора менее 1 мм, его можно выполнять в виде двух последовательно соединенных конденсаторов (рис. 5.9, а). При малых емкостях (единицы или доли пикофарад), когда расчетная площадь пленочного МДМКонденсатора слишком мала и технология не позволяет его выполнить в виде трехслойной пленочной структуры, можно формировать конденсатор в виде двух параллельных проводящих полосок (рис. 5,9, д) .
При малых размерах площади верхней обкладки конденсатора (менее 5 мм~) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки при совмещении топологии верхней и нижней обкладок, с противоположной стороны вывода делают компенсатор (рис. 5.9, е).
Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок по отношению друг к другу. На рнс. 5.9, ж приведена конструкция с двусторонним, а на рис. 5.9, д — с односторонним расположением выводов. Г!ри высоких частотах предпочитают вариант конструкции с двусторонним расположением выводов, так как на частотах выше 1О МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает медленнее при двустороннем расположении выводов. Температурный коэффициент емкости (ТКС, 'С ') пленочных конденсаторов практически полностью определяется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости диэлектрика, которая для болыпинства используемых в качестве диэлектоьика конденсатора материалов колеблется в пределах от — 60.!О до +500.10 " 'С Коэффициент старения, определяющий в основном изменение емкости конденсатора вследствие изменений свойств пленочного диэлектрика с течением времени, для используюгцихся материалов обычно равен (1...5) ° 10 ' ч Рабочее напряжение пленочного конденсатора (/р,р обеспечивается подбором материала диэлектрической пленки с необходимым значением электрической прочности (пробивной напряженности электрического поля) Ерр и необходимой толщиной пленки д.
Толщина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного + рабочего напряжения, определяется формулой т и„, Кз я (5.! 1) н где К, — коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежностных характеристик и равный 3...10. Последнее значение относится к конденсаторам повышенной надежности. Для большинства используемых диэлектрических материалов Е,р=(! ...9)У( Х!0' В/см. Добротность пйеночного конденсатора Я существенно зависит ' от его конструкции и используемых материалов: Я =(1дб, +1аб,,) (5.12) где 1дб,=гьСг .
— тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике (1дбр=10 ...!О " на частоте 1 МГц для большинства используемых материалов диэлектриков), 1дб,,.=ьрС(г,+г„) — тангенс угла потерь в обкладках и выводах. Сопротивление обкладок г, зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, картины распределения линий тока 164 обкладках. Для конденсатора с двусторонним расположением выводов гр (г„„+г„„)/3, где г,„и г,, — сопротивления нижней и верхней обкладок соответственно, которые могут быть рассчитаны по формуле (5.2). Добротность пленочных конденсаторов лежит в интервале значений 1О...!00.
Материал диэлектрика конденсатора в значительной степени определяет его характеристики. К диэлектрику конденсаторов предьявляются следующие требования: высокая диэлектрическая проницаемость е„малый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости а,, высокая электрическая прочность, низкие диэлектрические потери, высокое сопротивление изоляции, хоро1пая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы. Диэлектрические пленки тонкопленочных конденсаторов формируются обычно напылением в вакууме, химическим осаждением из газовой фазы или окислением. Характерной особенностью напыленных и осажденных пленок является зернистая структура. Пленки, полученные окислением, имеют поры.
В результате миграции атомов металлов обкладок в пространстве между зернами или в порах диэлектрика возможно существенное снижение сопротивления изоляции и напряжения пробоя диэлектрических пленок, а также локальные короткие замыкания обкладок как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации микросхем. Чтобы уменьшить количество дефектов в диэлектрике, совершенствуют технологию их нанесения, разрабатывают новые материалы, применяют многослойный диэлектрик. В качестве диэлектрика конденсаторов применяют моноокись кремния 510, моноокись германия ОеО, халькогенидное стекло ХГ-44, окислы алюминия А!тО» тантала ТарОз, титана Т)Ор, окислы редкоземельных металлов.
Высокие удельные емкости позволяют получить тнтанаты бария и кальция. Особенно перспективны диэлектрические пленки из сложных по составу стекол. Так, стеклообразные пленки, содержащие 1рОз, ВрОз, $10р, А!тОз, СаО, имеют высокие технологические качества и значения в, при комнатной температуре и !=1 кГц, равные !!...!2, 1цб=0,0025...0,0035, Е„р= (2,5...3,5) 10Р В/см, ТКС=!0 ' С удельную емкость 100 000 пФ/ем~, а пленки состава ВаО, Та.О,. ВВОЗ.!рОз ОеОр имеют е,=40...50с !баб=0,005...0,008, Е„р —— = (2...3) ° ! 0' В/см, ТКС- (0,5 .. 0,8) ° 10 '" 'С ' и удельную емкость 100...200 тысяч пФ/см при толщинах 0,2..0,4 мкм.
Для толстопленочных конденсаторов используют пасты, содержащие в качестве наполнителей титанат бария или двуокись титана, которые имеют высокую диэлектрическую проницаемость. Титанат бария позволяет получить удельную емкость ср-8000 пФ/см', при толщине пленки около 25 мкм. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются большими диэлектрическими поте- 165 рями на высоких частотах, потому применяются в качестве блокировочных и разделительных. Пленки с наполнителем из двуокиси титана обеспечивают ссс-1000 пФ!смт и малые потери на частотах вплоть до 500 МГц. Стеклоэмали без наполнителей имеют малую диэлектрическую проницаемость (е, 1О) и используются в качестве изоляционных материалов в местах пересечения проводников. Стеклоэмалевые пленки имеют монолитную структуру, поэтому конденсаторы с таким диэлектриком характеризуются повышенной надежностью. Отсутствие микроотверстий в диэлектрической пленке обеспечивается с помощью двухслойной печати.
При этом оди слой заполняет пустоты в другом слое. Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следую щим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление (осо бенно для высокочастотных конденсаторов); обладать низкой миграционной подвижностью атомов; иметь ТКЛР, равный 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 устранения теплового разрушения диэлектрика в процессе нанесения верхней обкладки необходимо применять материал с низкой температурой испарения.
Нижняя обкладка конденсатора должна иметь мелкокристаллическую структуру. Не допускается образование кристаллов, выступы которых снижают толщину и соответственно электрическую прочность диэлектрика. Большинству требований, предъявляемых к материалам обкладок, удовлетворяет алюминий. Атомы и мельчайшие частицы алюминия, попавшие в межзеренные области диэлектрика, интенсивно окисляются, что способствует устранению проводящих цепочечных структур между обкладками. Кроме того, участки алюминиевых обкладок в области коротких замыканий самоизолируются от короткозамыкающих мостиков вследствие термического испарения алюминия при протекании тока короткого замыкалия, Для изготовления обкладок тонкопленочных конденсаторов чаще всего применяются следующие материалы: алюминий А99, тантал ТВЧ, титан ВТ1-0.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
