книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ
..pdfОбласть после точки С - область высоких парциальных давлений азота (более 6 ,65-10” 3 Па); в этой области образует ся соединение TaN, а удельное электросопротивление пленок достаточно резко увеличивается с увеличением парциального давления (от 210 до 400 мкОм-см).
Пленки тантала, нанесенные при различном парциальном давлении азота, ведут себя различно при отжиге на воздухе (рис. 2.39). На удельное электросопротивление пленок танта ла, полученных распылением, оказывает влияние значение на пряжения “смещения”, подаваемоего на подложку в процессе формирования пленки (рис. 2.40). Такой характер изменения удельного электросопротивления можно объяснить различием в структуре пленок, которая изменяется от /З-Та при низком напряжении смещения до объемно-центрированной структуры а-Т а при высоком напряжении.
Рис. 2.39. Относительное изменение элек тросопротивления AR /R пленок Та, оса
жденных при различном парциальном да влении азота р„2, при отжиге (1 ч при
400°С)
Втабл. 2.5 приведены технологические параметры оса ждения резистивных пленок, а в табл. 2.6 - их электрические характеристики.
9 , мкОм-см
Рис. 2.40. Зависимость удельного электро сопротивления р пленок Та от напряжения смещения 11Сы‘
пленяя получены распыленнем.прх постоянном (1)
н переменном (2) токе
Д и эл ектр и ч ески е п лен ки . В качестве диэлектриче ских пленок используют оксиды металлов и оксидные стекла.
Оксиды кремния (моноооксид SiO и диоксида SiOj) явля ются одними из первых материалов, которые стали приме няться в качестве диэлектрического слоя тонкопленочных кон денсаторов. Их использование связано с возможностью полу чения хороших электрических и эксплуатационных характе ристик конденсаторов, применяемых в ГИС СВЧ.
Пленки монооксида кремния SiO. получают испарением при температуре 1100.. . 1300 °С при остаточном давлении (2, 66... 6,65) • 10_3 Па. На свойства получаемых пленок SiO сильно влияют технологические параметры их осаждения, в частности скорость осаждения (рис. 2.41).
Плохая воспроизводимость характеристик пленок SiO объясняется наличием в них таких соединений кремния, как Si0 2J Si2Û3, имеющих различные электрофизические характе ристики. Используя высокочастотное магнетронное распыле ние кварцевой мишени, осаждают высококачественные пленки
Т а б л и ц а 2.5. Технологические параметры осаждения резистивных пленок
Материал |
Способ |
Давление, |
Темпера |
Скорость |
испарения |
тура под |
осаждения, |
||
|
или распы |
Па |
ложки, °С |
нм/с |
|
ления |
|
|
|
Хром |
ТИ |
2,66-10"* |
150 - 300 |
0 ,5 -5 |
|
МР |
0,66 -1,06 |
|
1,5 -2,5 |
Нихром |
|
(аргон) |
|
|
ТИ |
(2,66 - 6,6)-10-4 |
250 - 350 |
0 ,1 -2 |
|
Тантал |
ЭЛИ |
(0,66 - 6,6)-10~3 |
100 - 300 |
0,1 - 0,5 |
Резистивный |
ТИВ |
(2 - 7)Ю _3 |
320 - 380 |
0,1 -0 ,2 |
сплав РС-3710 |
|
|
|
|
Хром-кремний |
МР |
1,3 - 1 0 “* |
280 - 320 |
0,1 - 0,5 |
|
|
(аргон) |
|
|
Хром-монооксид |
Р |
1,66 -1,33 |
250 - 300 |
0,15 - 0,4 |
кремния |
|
(аргон) |
|
|
П р и м е ч а н и е . ТИ - термическое испарение; МР - маг нетронное распыление; ЭЛИ - электронно-лучевое испарение; ТИ В - термическое испарение взрывное; Р - распыление.
Т а б л и ц а 2.6. Электрические характеристики тонких резистивных пленок
|
Диапазон |
Т К С \ |
Допустимая |
Необратимо |
Материал |
удельного по |
Ю4, |
мощность |
изменение |
|
верхностного |
° С-1 |
рассеяния, |
электросоп |
|
электросопро |
|
Вт/см2 |
ротивления* |
|
тивления, Ом |
|
|
% |
Хром ЭРХ |
50 - 500 |
0,6 |
1 |
- |
Нихром Х20Н80 |
50 - 300 |
±1 |
1 |
1,2 |
Сплав РС-3710 |
50 - 2 • 103 |
и |
5 |
1 |
Сплав CrSi |
( 0 ,5 - 1 ) -Ю3 |
1 - 3 |
- |
- |
Кермет CrSiO |
(0,2 — 20) • 103 |
- ( 0 ,5 - 7 ) |
- |
- |
Тантал ТВЧ |
5 -1 0 0 |
- 2 |
3 |
1 |
* В интервале температур —60.. ,+125°С. ** После 1000 ч работы при температуре 125 °С под электрической нагрузкой 1 Вт/см2.
в
Рис. 2.41. Диэлектрические свойства пленок SiO (1) и Si02 (2) в зависимости от скорости
осаждения voc:
а - относительная диэлектрическая проницаемость с; б - тангенс угла диэлектрических потерь tgti; в - напряжение пробоя Unp
двуоксида кремния, обладающие малой пористостью и хоро шей адгезией к подложке. Пленки получают при общем да влении 0,53 Па и содержании кислорода в смеси с аргоном 1 0 ...3 0 % .
Начиная с определенной скорости осаждения (для диокси да кремния это около 5 нм/с) увеличиваются ег, tgS и умень шается пробивное напряжение 1/„р- Ухудшение tgtf и ï/j,p можно объяснить несовершенством структуры пленок.
Для пленок монооксида кремния изменение ет происхо дит в диапазоне скоростей осаждения 5 ... 15нм/с. Пленки SiO, полученные при низкой скорости осаждения (до 10 нм/с), имеют ет, близкую к относительной диэлектрической прони цаемости диоксида кремния, что можно объяснить повышен ным окислением монооксида кремния. Эти пленки содержат преимущественно диоксид кремния.
С увеличением скорости осаждения свыше 15 нм/с, уменьшается доля двуоксида кремния в пленке, а значение ет приближается к 6, что связано с появлением чистого кремния в осажденной пленке в результате термической диссоциации монооксида кремния, происходящей за счет повышенной тем пературы нагрева исходного вещества.
Для пленок диоксида кремния можно отметить ухудше ние диэлектрических свойств (tgÆ, Unр) при скорости осажде ния свыше 20 нм/с. Эти изменения свойств, rib-видимому, свя заны с особенностью образования структуры пленки, осажда емой при распылении мишени, а именно, превалирования про цесса конденсации вещества, происходящего с большой скоро стью, над процессами упорядочения структуры, в результате чего образуются пленки не высокого качества, с наличием пор.
На свойства пленок диоксида кремния влияет также тем пература подложки. Степень окисления этих пленок и зна чение внутренних сжимающих напряжений в зависимости от температуры подложки приведены в табл. 2.7.
Свойства распыленных пленок диоксида кремния зависят также от количества кислорода в камере, т.е. его парциаль ного давления. Так для пленок, полученных при отсутствии
Т а б л и ц а 2.7. Некоторые характеристики пленок Si03, осажденных при различной температуре подложки
Температура |
Степень |
Значение |
подложки, |
окисления |
сжимающих |
°с |
кремния, х |
напряжений, ГПа |
50 |
1,95 |
- |
100 |
1,99 |
5 |
450 |
1,94 |
16 |
500 |
1,94 |
- |
кислорода, €г равнялось 2,5 и повышалась с увеличением коли чества кислорода; точно также ег увеличивалось с повышени ем парциального давления кислорода. Эти изменения можно связать со степенью окисления кремния х в структуре SiОх, которая изменяется следующим образом:
Содержание кислорода |
|
|
|
в смеси с аргоном, % . . . |
О |
5 |
10,5 |
Степень окисления |
1,98 ± 0,02 |
2,13± 0 ,03 |
2,46 ± 0,03 |
При получении диэлектрических пленок на основе диокси да алюминия используют два процесса: осаждение пленок А1 в вакууме и анодирование. Основные параметры и особенности осаждения пленок алюминия, обеспечивающие высокие элек трофизические свойства, изложены выше. Анодирование алю миниевых пленок производят в 10 %-ном растворе пентабора та аммония в этиленгликоле, используя катод из платины. Процесс анодирования начинают при постоянной йлотности тока (1 мА/см2) и продолжают до тех пор, пока не достигает ся требуемое напряжение (примерно 60 В). Затем напряжение поддерживают постоянным, пока плотность тока не упадет до 15 мкА/см2. После промывки деионизированной водой под ложки подвергаются термической обработке при температуре 140°С в течение 1 ч.
Взаимосвязь напряжения анодирования алюминия со
свойствами |
сформированной |
пленки |
приведена |
на |
рис. 2.42. |
|
|
|
|
Рис. 2.42. Взаимосвязь толщины слоя окси да tAiaOs (1) и диэлектрических потерь tgS
(2) с напряжением анодирования U
Оксидные стекла - боросиликатные (85 % S1O2 и 15% В2О3) и алюмосиликатные (61,5% Si02, 13,5% AI2O3, 9,5% СаО, 7,5% MgO, 9% ТЮ 2), применяются в качестве материала диэлектрического слоя конденсаторов ГИС СВЧ.
Боросиликатные пленки имеют малую пористость и боль шую диэлектрическую прочность. Воспроизводимость элек трофизических свойств этих пленок недостаточна, в связи с неоднородностью процесса “взрывного” испарения, который чаще всего применяют для их получения.
Свойства осажденных пленок зависят от количества бор ного ангидрида в составе пленки (рис. 2.43). Осажденные пленки боросиликатного стекла следует термически обрабо тать в вакууме для улучшения их свойств.
При термическом испарении алюмосиликатного порошка для обеспечения состава пленки, близкого к исходному, необ ходимо поддерживать высокую (около 2100 °С) температуру испарения. Поэтому для получения этих пленок целесообразто использовать ВЧ-распыление мишеней из алюмосиликатного стекла.
В табл. 2.8 приведены технологические параметры оса ждения, а в табл. 2.9 - электрические характеристики диэлек трических пленок.
|
» |
» |
— |
О |
10 |
20 В203, ^ |
Рис. 2.43. Взаимосвязь тангенса угла диэлек трических потерь tg5 пленок на основе бороси ликатных композиций от молярной концентра ции борного ангидрида:
1 - до термической обработки; 2 - после термической
обработки
Т а б л и ц а 2.8. Технологические параметры осаждения диэлектрических пленок
Материал |
Способ |
Давление, |
Темпера |
Скорость |
|
испарения |
Па |
тура под |
осаждения, |
|
или распы |
|
ложки, °С |
нм/с |
|
ления |
|
|
|
Монооксид |
|
|
|
|
кремния |
ТИ |
(2,66 - 6,65)10~3 |
200 - 220 |
0,05 - 0,25 |
Диоксид |
|
|
|
|
кремния |
МР |
(1,33 - 52) 10-2 |
25 |
0,1 - 0,15 |
Боросиликатное |
|
|
|
|
стекло |
ТИВ |
(1,33 - 6,65)-10 3 |
2 5 - 5 0 |
0,01 - 0,03 |
Алюмосиликат |
|
|
|
|
ное стекло |
ТИВ |
(5 • 10-35 • 10“4) |
25 |
0,02 - 0,03 |
П р и м е ч а н и е . ТИ - термические испарения; МР - магне тронное распыление; ТИВ - термическое испарение взрывное.
Т а б л и ц а 2.9. Электрические характеристики тонких диэлектрических пленок
Материал |
Удельная |
Кг |
tg 6 • 103 |
Unp ■10-», |
ТКЕ* 104, |
|
|
емкость, |
|
|
В/см |
°С"‘ |
|
|
пФ/ск^ |
|
|
|
|
|
SiO |
(5 - |
10) ■103 |
5 - 6 |
10 |
1 - 2 |
2 |
Si02 |
(10 - |
15) • 10* |
3,7-4,2 |
0,1 |
3 |
1 |
АЬОз |
(20 - |
30) • 10* |
7 ,5 -8 |
3 - 1 0 |
5 |
3 - 4 |
Бороск- |
|
|
|
|
|
|
ликатное |
|
|
4 - 4 ,5 |
1 |
3 - 5 |
|
стекло |
(2,5 - |
15) • 10* |
1,5 |
|||
Алюмоси |
|
|
|
|
|
|
ликатное |
|
|
5,2 - 5,5 |
3 |
3 - 5 |
1,5 |
стекло |
(15 - |
30) • 10* |
* ТКЕ - температурный коэффициент емкости.
Г л а в а 3
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Применение толстопленочной технологии для со здания ГИС СВЧ постоянно растет е связи с совершен ствованием процессов прецизионной печати и улучше нием свойств толстопленочных элементов. При изго товлении толстопленочных ГИС СВЧ особое значение имеют физико-химические и структурно-реологические свойства паст,а также технология получения из паст толстопленочных элементов.
Прогрессу в области толстопленочных ГИС СВЧ способствовали успехи в области разработки новых ти пов паст, композиций на основе металлоорганических соединений, использование фотолитографии в процессе получения прецизионных толстопленочных проводников и т.п..
3.1. Состав, структура и свойства паст
Пасты состоят из активного (функционального) материа ла (частицы металла, проводящих оксидов, непроводящих ме таллических оксидов и др.), неорганического связующего ве щества (стекло, оксиды или смесь стекла и оксидов), органи ческого связующего и летучего (испаряемого) растворителя.
Активный материал паст представляет собой очень мел кие (примерно 5 мкм) в диаметре частицы, которые после
н о