Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
5.3. Тонкопленочные конденсаторы 5.3.1. Параметры тонкопленочных конденсаторов Тонкопленочный конденсатор (ТПК) конструктивно представляет собой многослойную структуру, в простейшем случае состоящую из двух металлических обкладок, разделенных слоем диэлектрика (рис.5.4). 108 Рис. 5.4. Тонкопленочный конденсатор. 1 - нижняя обкладка; 2 - диэлектрик; 3 - верхняя обкладка; l и b - длина и ширина площади пе- рекрытия верхней и нижней обкладок конденсатора. Основные электрические параметры ТПК: емкость C , рабочее напря- жение раб U , тангенс угла диэлектрических потерь ( ) d tg и эксплуа- тационные параметры определяются многочисленными факторами, в том числе материалами, способами напыления, толщиной пленок и др. Конструкция и технология изготовления конденсаторов имеют ряд особенностей. Емкость конденсатора определяется как d b l d s C × = = e e e e 0 0 , (5.4) где - 0 e электрическая постоянная; - e диэлектрическая постоянная материала; - s поперечное сечение обкладок конденсатора (активная пло- щадь); - b l, длина и ширина обкладок; - d толщина диэлектрической пленки. Поскольку свойства материалов, полученных в виде тонких пле- нок, могут значительно отличаться от свойств массивных образцов, при проектировании конденсаторов и разработке технологии их изго- товления используют понятие об удельной емкости 0 C , как одной из характеристик диэлектрического слоя d s C C 0 0 ee = = 109 Чем больше 0 C , тем меньшую площадь занимает конденсатор на подложке. Надо выбирать материалы с большим e или делать слиш- ком тонкой диэлектрическую пленку. Однако применение слишком тонких пленок исключается, так как пленки менее 100-200 нм содер- жат большое количество дефектов. Второй параметр, характеризующий свойства ТПК, - электриче- ская прочность пр Е , т.е. напряженность электрического поля, при ко- торой происходит пробой конденсатора. Электрическая прочность оп- ределяется экспериментально по пробивному напряжению пр U как d U Е пр пр / = . Электрическая прочность для средних толщин для од- ного и того же материала, полученного известным способом, является величиной постоянной. Очевидно, что рабочее напряжение конденса- тора должно быть меньше напряжения пробоя, т.е. з пр з пр раб К d Е К U U × = = , где - з К коэффициент запаса ) 4 2 ( 3 - = К Из последнего соотношения можно сформулировать условие вы- бора минимальной толщины диэлектрика пр раб Е К U d 3 ³ Если из этого условия толщина диэлектрической пленки получается менее 100 нм, то надо выбирать толщину, исходя из технологических соображений, в диапазоне 100-200 нм. Кроме диэлектрических потерь, в конденсаторе имеется еще один источник потерь, связанный с сопротивлением обоих электродов 1 ' 3 2 bd l C tg tg v r w d d + = , где - d tg измеряемый тангенс угла диэлектрических потерь; - ' d tg частотно-независимый вклад диэлектрика; - C емкость конденсатора; - w угловая частота; - v r удельное объемное сопротивление материала электродов - 1 d толщина электрода; 110 - b l, длина и ширина площади перекрытия верхнего и нижнего электродов. Из этого уравнения видно, что 1 ,d v r и их соотношение сильно влияют на работу ТПК при высоких частотах. Ограничения по частоте для высокочастотных конденсаторов могут быть уменьшены увеличением толщины и проводимости металлических электродов. Температурный коэффициент емкости характеризует изменение емкости в интервале температур от минус 65 до плюс 125 о С и ста- бильную работу ТПК. 5.3.2. Диэлектрические материалы Рассмотренные параметры, а также эксплуатационные характери- стики ТПК, такие как надежность, временная стабильность, частотные свойства определяются выбором материалов и способом их получения. Рассмотрим свойства некоторых наиболее часто используемых диэлектрических материалов. Моноокись кремния (SiO), обычно получаемая термическим ис- парением, имеет диэлектрическую постоянную от 3,5 до 6, что соот- ветствует изменению состава от двуокиси кремния SiO 2 до чистой SiO, образует малодефектную и гладкую пленку. При температурах испа- рения более 1250 о С SiO диссоциирует в испарителе с выделением свободного кремния, который может увеличивать e пленок до 10. При этом свойства пленок ухудшаются. Пленки окиси тантала (Ta 2 O 5 ) получают ионно-плазменным распылением (реактивное, высокочастотное) или анодным окислени- ем. Эти пленки характеризуются диэлектрической проницаемостью, изменяющейся в диапазоне 16-25, и малой дефектностью для анодно- окисляемых пленок. Электрическая прочность конденсаторов с ис- пользованием диэлектрика Ta 2 O 5 сильно зависит от материалов элек- тродов и способов их получения. Пленки окиси алюминия (Al 2 O 3 ) с 10 8 - = e получают ионно- плазменным распылением, электронной бомбардировкой, анодным окислением. При испарении исходного вещества Al 2 O 3 с помощью электронного луча пленки на подложке получаются нестехиометриче- ского состава с дефицитом кислорода, что приводит к ухудшению свойств пленок. При испарении окислов титана (TiO 2 ) и циркония (ZrO 2 ) получа- ются соответственно пленки с 40 30 - = e и 22 20 - = e . Электри- ческая прочность и другие параметры ТПК зависят от способов полу- 111 чения диэлектрических пленок и материала обкладок. Для плотных пленок TiO 2 и ZrO 2 с электродами из алюминия электрическая проч- ность составляет / 10 1 6 см В Е пр × = Для изготовления конденсато- ров малой емкости могут использоваться пленки на основе боросили- катного стекла (80 % SiO 2 и 20 % B 2 O 3 ), имеющие 4 = e и / 10 5 6 см В Е пр × = Получаются такие пленки методом взрывного испарения. 5.3.3. Выбор материала обкладок К материалам обкладок предъявляются следующие требования: низкое сопротивление 0,05-0,2 Ом/ , ровная и гладкая поверхность и малый коэффициент диффузии. Отказ ТПК чаще всего происходит из- за закорачивания, которое зависит как от качества диэлектрической пленки, так и от качества обкладок. Очень зернистые пленки таких материалов, как свинец и олово, неприемлемы, т.к. их поверхность весьма шероховата. Мало пригодны также металлы с высокой температурой испарения (хром, никель, железо). Такие металлы приводят к большому количеству коротких замыканий, очевидно, вследствие проникновения атомов металла с большой кинетической энергией в диэлектрик при конденсации. Золото и серебро, хотя имеют сравнительно низкую температуру испарения, также могут вызывать замыкание обкладок. Оно происхо- дит из-за интенсивной диффузии атомов этих металлов из обкладок после осаждения (вдоль границ зерен). Наилучший выход получается при использовании алюминия, ко- торый имеет низкую температуру испарения и малую подвижность атомов на поверхности, благодаря окислительным процессам. Надо обязательно исключить разбрызгивание, т.е. попадание крупных ка- пель и прожигание диэлектрика при нанесении верхней обкладки. Электрическая прочность ТПК на основе диэлектрической пленки SiO с различными материалами обкладок составляет: Al-SiO-Al - 2 ×10 6 В/см; Cu-SiO-Cu - 0,8 ×10 6 В/см; Ag-SiO-Ag - 0,18 ×10 6 В/см. Если применять свинец, олово, то пр Е снижается в 10-20 раз, а коли- чество коротких замыканий увеличивается в 10 раз. Для плотных ди- электрических пленок окиси тантала, получаемых ионно-плазменным распылением или анодным окислением, можно в качестве материала 112 обкладок выбирать такие металлы, как тантал, золото. Например, тан- таловый конденсатор делается следующим образом: сначала напыля- ется пленка тантала, затем она окисляется, а затем напыляется верхний электрод. Получается структура Ta-Ta 2 O 5 -Au, обеспечивающая хоро- шие параметры. 5.4. Тонкопленочные индуктивности Тонкопленочные катушки индуктивности обычно изготавливают в виде круглой или прямоугольной проводящей спирали, выполненной на поверхности диэлектрической подложки (рис.5.5). Такая катушка индуктивности может быть охарактеризована набором параметров, среди которых в качестве основных можно выделить: индуктивность L , добротность Q , собственную емкость 0 C и температурный коэф- фициент индуктивности (ТКИ). Рис. 5.5. Тонкопленочная индуктивность. а) круглой формы; б) квадратной формы: - b ширина проводника; - m шаг проводников индуктивности; - h суммарная ширина проводников; d и - D внут- ренний и внешний размеры индуктивности. Строгий расчет индуктивности пленочной катушки достаточно сложен, поэтому чаще прибегают к эмпирическим соотношениям, в которые входят параметры элементов конструкции катушки: ее форма, число и размеры витков при заданных ограничениях на используемые материалы подложек. Так, для плоской спиральной катушки, изготов- ленной на диэлектрическом основании, с достаточной для практиче- 113 ских расчетов точностью при d D 5 , 3 > и m h >> справедливо соот- ношение [5] 1 2 1 3 1 25 D h N D L + = нГ, где ( ) - + = d D D 5 , 0 1 средний диаметр витка; - N число витков катушки; ( ) - - = d D h 5 , 0 суммарная ширина проводников; - m шаг проводников. Из формулы следует, что при прочих равных условиях величина индуктивности пропорциональна среднему диаметру витка спирали и квадрату числа витков. Поскольку практически размеры отдельных пленочных элементов не превосходят 1 см 2 , а число витков спирали ограничено суммой межвитковых емкостей, активным сопротивлени- ем спирали, разрешающей способностью используемого процесса на- несения пленок и получения рисунка, постольку предельная величина индуктивности пленочной катушки на диэлектрической подложке обычно мала. Тонкопленочная индуктивность на основе пленок меди, алюминия диаметром 8 мм имеет индуктивность 3,5 мкГн добротность 50 на частоте 15 МгГц. Покрытие катушки ферромагнитной пленкой увеличивает индуктивность до 100 мкГн. Увеличение добротности катушек обычно достигается за счет вы- бора материалов с малым удельным сопротивлением (обычно это медь с подслоем титана или ванадия), использования достаточно толстых (до 30-40 мкм) слоев, использования изоляционных слоев с малыми потерями на рабочих частотах (стекло, ситаллы) и применения профи- лированных подложек с тем, чтобы витки катушки формировались на выступающих участках основания и тем самым уменьшалась межвит- ковая емкость. Использование в пленочных катушках индуктивности слоев тол- щиной в несколько десятков микрометров определяет специфические методы их нанесения по заданному рисунку. Наиболее часто исполь- зуются процессы осаждения сплошного токопроводящего покрытия, нанесения на него диэлектрического защитного слоя, окна в котором соответствуют рисунку спирали с последующим гальваническим на- ращиванием слоев до необходимой толщины и снятием диэлектриче- ского и тонкого проводящего слоев в зазорах между витками спирали. 114 Еще одна возможность увеличения добротности катушек индук- тивности заключается в преимущественном выборе круглой формы спирали, поскольку для одного и того же номинала индуктивности длина проводника круглой спирали меньше, чем квадратной, и соот- ветственно меньше величина активного сопротивления. Существует оптимальное соотношение внутреннего и внешнего диаметров спира- ли, численно равное 4 , 0 / = D d для круглой спирали и 0,362 для квадратной спирали. При перечисленных условиях добротность тонкопленочных ка- тушек индуктивности находится в пределах 80-150. 5.5. Проводники и контактные площадки Необходимыми элементами любой тонкопленочной микросхемы являются пленочные проводящие слои и контактные площадки, ос- новное назначение которых объединить пленочные и навесные компо- ненты в законченную схему, выполняющую определенную электриче- скую функцию. Этим обусловлено все многообразие требований, предъявляемых к пленочным проводникам и контактным площадкам. Они должны с минимальными потерями подводить напряжение питания к функцио- нальным компонентам микросхемы, с минимальными искажениями передавать сигналы, обеспечивать надежный, чаще всего невыпрям- ляющий и малошумящий контакт с элементами микросхемы. Требования, предъявляемые к пленочным проводникам и кон- тактным площадкам, в ряде случаев противоречат друг другу. Напри- мер, увеличение ширины пленочного проводника уменьшает его ин- дуктивность, но одновременно возрастает емкость этого проводника относительно земли и расположенных в непосредственной близости элементов микросхемы. Материалы с малым значением удельного со- противления, применяемые для проводников и контактных площадок, как правило, имеют плохую адгезию к подложке. Ниже рассматриваются основные критерии, определяющие вы- бор материала проводников и контактных площадок. Фактором, определяющим верхнюю границу толщины проводя- щей пленки, является усилие отрыва или сдвига пленки. Этот параметр в первом приближении зависит от соотношения сил адгезии пленки к основанию и возникающих напряжений (например, из-за разности ко- эффициентов линейного расширения пленки и основания). Если силы адгезии сконцентрированы лишь в области контакта двух разнородных слоев и с этой точки зрения не зависят от толщины 115 пленки, то термические напряжения пропорциональны объему пленки и, следовательно, сила сцепления пленки и основания, как правило, убывает с толщиной. Эти и многие другие факторы ограничивают диапазон толщин проводящих пленок областью 0,1-1,0 мкм. Величина сил адгезии проводников к подложке определяется природой контактирующих материалов и условиями нанесения плен- ки, а именно: - поверхностью подложки; - степенью чистоты поверхности подложки; - наличием подслоя и его природой; - температурой, при которой наносится пленка, и энергией осаж- дающихся атомов. Поскольку контактные площадки предназначены для присоеди- нения навесных элементов и внешних выводов микросхемы, одним из решающих факторов, определяющих выбор материала, является его способность к пайке и сварке без нарушения ее целостности. С точки зрения минимального электросопротивления наиболее подходящими для создания проводников и контактных площадок яв- ляются золото, серебро, медь, никель и алюминий (табл.5.6). Золото обладает высокой химической стойкостью, малым элек- тросопротивлением, хорошо паяется и сваривается с выводами навес- ных компонентов микросхемы. К его недостаткам кроме высокой стоимости следует отнести низкую адгезию к диэлектрической под- ложке и склонность к агрегации. Поэтому золото при создании пле- ночных проводников и контактных площадок чаще всего используется в комбинации с другими материалами: адгезионным подслоем хрома, нихрома, титана или выступает в качестве верхнего химически инерт- ного защитного и технологического слоя на тантале, меди и некоторых других материалах. Серебро имеет наибольшую электропроводность, коррозионно- устойчиво, допускает пайку и сварку. Высокая миграционная подвиж- ность серебра при отсутствии надлежащих мер защиты в ряде случаев приводит к отказам микросхемы. Медь - один из наиболее часто используемых материалов. Она характеризуется высокой электропроводностью, хорошо сочетается с другими материалами при создании многослойных проводников. Медь по свойствам приближается к серебру и сохраняет присущий серебру недостаток - высокую миграционную подвижность. Кроме того, медь склонна к окислению. Поэтому медь в качестве материала проводяще- го слоя обычно используется с адгезионным подслоем марганца, тита- 116 на, хрома или нихрома и защитным покрытием из никеля, золота или припоя. Для уменьшения электромиграции меди под действием посто- янных потенциалов в присутствии влаги окружающей атмосферы обя- зательно использование плотных и негигроскопичных диэлектриче- ских покрытий. Никель обычно не применяется в качестве основного компонента материала проводящего слоя, а используется в качестве верхнего за- щитного слоя на меди, алюминии и пр. Он обеспечивает надежную пайку и сварку внешних выводов микросхемы. Таким образом контактные площадки и проводники делаются двух- и трехслойными: адгезионный подслой - основной проводящий слой - защитный слой. В качестве материала подслоя используются нихром, хром, титан, тантал марганец, обеспечивающие адгезию ос- новного проводящего слоя к диэлектрической подложке. Толщина пленки подслоя составляет 0,01-0,03 мкм. Толщина проводящего слоя (Au, Cu) обычно лежит в диапазоне 0,4-1,0 мкм. Защитный слой (Au, Ni, Ag) делается достаточно тонким порядка 0,05-0,1 мкм. Защитный слой обычно требуется для пленок меди, так как она легко окисляется на воздухе. Комбинации материалов для проводников и контактных площа- док приведены в табл.5.6. Таблица 5.6 Характеристики проводников и контактных площадок Материалы Удельное сопротивление , s r Ом/ Нихром-золото Нихром-медь-никель Нихром-медь-серебро Нихром-медь-золото Нихром-алюминий-никель 0,03-0,04 0,02-0,04 0,02-0,04 0,02-0,04 0,1-0,2 |