5.8. Высокотемпературные сверхпроводники

В 1987 году появились первые публикации о получении сверхпроводни-ковых материалов, у которых переход в сверхпроводящее состояние осуществ­лялся при сравнительно высоких температурах, во всяком случае, превышаю­щих температуру жидкого азота (~ 100К). Это открыло путь для технических применений новым перспективным материалам - высокотемпературным сверх­проводникам (ВТСП).

ВТСП - материалы характеризуются почти полным отсутствием потерь при протекании электрического тока, в том числе и в СВЧ-области, экраниро­ванием электромагнитных полей, возможностью передачи сигнала с минималь­ными искажениями, увеличенным в 10-20 раз, по сравнению с полупроводни­ками, быстродействием при 1000-кратном уменьшении мощности рассеяния и проч.

Поэтому на основе этих материалов или их комбинаций с полупроводни­ками уже сейчас создаются приборы, обладающие очень высокими рабочими характеристиками при чрезвычайно малых габаритах, массе и потребляемой мощности.

В основном, ВТСП-материалы применяются в виде тонких плёнок УВа2Си₃О₇.х- и Т1₂Ва₂СаСи2О_х - керамик на подложках ЬаАЮз, ЬаО, М§О, А1₂О₃, ОаАз и 81. Для нанесения плёнок используют процессы электронно­лучевого напыления, лазерного испарения, магнетронного распыления и хими­ческого осаждения из газовой фазы.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние (Т,ф) у этих материа­лов находится в диапазоне 80 - 125 К.

Параметр, непосредственно определяющий высокочастотные свойства ВТСП-плёнок, - их поверхностное сопротивление. Эта величина у ВТСП-материалов на несколько порядков ниже, чем у металлов вплоть до частот 100 -200 ГГц. Поэтому на основе ВТСП-материалов можно создавать наиболее ком­пактные линии передачи СВЧ-сигналов с низкими потерями, высоким быстро­действием, повышенной функциональной сложностью и степенью интеграции. Однако ВТСП-материалы пока ещё не могут превзойти по своим характеристи­кам и экономичности полупроводниковые аналоги, охлаждаемые до той же температуры.

Более успешно прогрессирует практическое применение ВТСП-^Материалов для пассивных компонентов СВЧ-дипазона: резонаторов, фильтров, Мультиплексоров, фазовращателей, линий задержки, дипольных антенн, линии ^ПеРедачи и проч.

67

Такие компоненты составляют более 50% объёма бортового аэрокосми­ческого радиоэлектронного оборудования. Применение ВТСП-компонентов по­зволяет радикально уменьшить массу и габариты этого оборудования.

Микроэлектронные ВТСП-компоненты должны сыграть важную роль в создании сверхбыстродействующих и компактных микропроцессоров и компь­ютеров.

В военной области ВТСП-электроника применяется для фокусировки ла­зерного излучения, управления оружием направленного действия, создания магнитных экранов, датчиков и магнитометров, в системах мобильной радиоте­лесвязи и т.д.

5.9. Новые материалы для межсоединений

Качество, надёжность и долговечность интегральных микросхем в значи­тельной мере зависят от методов корпусирования и создания соединений в схе­ме.

Межсоединения в электронике осуществляются во внешних цепях (про­вода, кабели, шины) и во внутренних структурах (плёнки, микропровода, фоль­ги).

Внутренние межсоединения в микросхемах получают различными мето­дами: вакуумно-термическим испарением, осаждением из газовой фазы, катод-но-плазменным распылением, вжиганием различных паст, лазерным отжигом и проч.

Будущее межсоединений в микроэлектронике связывают с такими новы­ми направлениями, как использование светопроводов (волоконно-оптических линий связи - ВОЛС) и сверхпроводящих материалов.

К металлическим плёнкам, используемым в качестве межсоединений в микроэлектронике, предъявляют обычно требования высокой проводимости, омичности, хорошей адгезии, экономичности и дешевизны. При этом всегда надо учитывать, что сопротивление тонких плёнок несколько завышено по сравнению с сопротивлением массивных образцов из этих же материалов, по­скольку плёнки имеют островковую структуру с окисными прослойками между отдельными зёрнами, усиливающими их изоляционные свойства. Кроме того, в случаях, когда толщина плёнки очень мала и соизмерима с длиной волны сво­бодного пробега носителей заряда, подвижность их занижена, а сопротивление плёнки, соответственно, завышено.

В настоящее время доминирующее положение в массовом производстве микросхем как материал для межсоединений занимает алюминий.

Значения величин электропроводности и теплопроводности алюминия несколько ниже, чем у меди (соответственно, на 63,5% и 53,7%), но он значи­тельно экономичнее, поскольку легче её в 3,5 раза и намного дешевле. Недос­татком алюминия является окисление на воздухе с образованием прочной и термостабильной плёнки АЬОз, которая препятствует пайке контактов и выну­ждает применять сварку с использованием травителей и флюсов.

Серебро и золото в межсоединениях применяются в силу их дороговизны и дефицитности значительно реже, а именно, при создании заказных микросхем с повышенной надёжностью. Казалось бы, положение алюминия как основного материала для межсоединений в микроэлектронике прочно и незыблемо. Одна­ко в 1997 году фирмы ЕВМ, МоЮго1а и Техаз Ызйшпешз на декабрьской Меж­дународной конференции по электронным приборам сообщили о создании так называемыех "медных чипов" (правильнее говорить - чипов с медными межсо­единениями). Дальнейший ход событий подтвердил прогноз о том, что это на­правление может стать одной из наиболее революционирующих новаций в ми­ре микроэлектроники.

Преимущества медных межсоединений можно свести к следующим ос­новным позициям:

1. Поскольку удельное электрическое сопротивление меди (1,7 мкОм-см) существенно ниже, чем у алюминия (2,8 мкОм-см), задержка сигнала в соеди­ нительных линиях уменьшается, быстродействие микросхем возрастает на 15%, уменьшается ширина и толщина металлических каналов, уменьшается паразит­ ная ёмкость боковых стенок, снижается потребляемая мощность. Всё это по­ зволяет снизить МТР и увеличить степень интеграции современных микросхем.

2. Другим преимуществом меди, по сравнению с алюминием, является более высокая (почти на два порядка) стойкость медных межсоединений к электромиграции и миграции под воздействием механических напряжений. По­ этому чипы с медными межсоединениями способны выдерживать большие то­ ки и могут найти своё применение в мощных аналоговых микросхемах.

3. Применение меди более технологично, так как оно позволяет отказать­ ся от ряда операций, снижающих выход годных, в частности, от операции хи­ мико-механической полировки. Кроме того, медные соединения легко подда­ ются пайке и сварке и хорошо комбинируются с диэлектрическими подложка-

ми

Как полагают разработчики, переход на "медные чипы" даст возможность разместись на одаом^исталле 150 - 200 млн транзисторов и использовать их в

оказанное обусловило исключительную рыночную схем с медной металлизацией. В гонку по разработке и « пов" включились практически все ведущие мировые ф

межсоединений к 2003 году достигнет 1 млрд долл. . ,____ _сдержи-

Справедливости ради следует отметить, что есть ряд факторов сдержи вающих повсеместный переход к медной металлизации. К ним « первуюоче редь относится более высокая стоимость и дефицитность меди, в сравнении с алюминием а также необходимость разработки технологии нанесения специ альных защитных барьерных материалов на медные соеди Щающих свойственную меди аномально высокую неконтролируемую зию в активные области приборов.

69

В технологии формирования медных межсоединений ведущее место за­нимает так называемый двойной дамасский процесс, разработанный фирмой ЮМ, позволяющий исключить один этап формирования металла и один этап химико-механической полировки. Суть его заключается в том, что сначала осаждается слой диоксида кремния, поверх него наносят маску (ограничитель травления) в виде плёнки нитрида кремния.

Такая технология по данным фирмы 1ВМ снижает затраты на изготовле­ние токопроводящих линий на 20 - 30%, а затраты на обработку пластины - на 10-15%.

В качестве диффузионного барьерного материала, наносимого на медь, чаще всего используют чистый тантал или тантал с небольшим содержанием азота. Альтернативой танталу и его соединениям может стать нитрид вольфра­ма. Эти плёнки толщиной менее 50 им наносят методом ионно-плазменного осаждения из газовой фазы.

Самым простым способом нанесения меди является плазменное или хи­мическое осаждение. Однако, поскольку фирма 1ВМ ставит вопрос о последо­вательном достижении новых пяти поколений интегральных схем с МТР 0,18; 0,15; 0,13; 0,10 и 0,08 мкм, она пошла на замену этих технологий процессом электрохимического осаждения, который хоть и является более дорогим, но за­то обеспечивает лучшую локальность и качество при нанесении плёнок.

Медная металлизация имеет смысл лишь при переходе к МТР 0,18 мкм и ниже. Производство схем с МТР 0,25 ^ 0,35 мкм вполне рентабельно и не тре­бует замены алюминиевой металлизации на медную. Поэтому алюминий как материал для межсоединений окончательно перестанет использоваться, оче­видно, не ранее чем через 10-15 лет. Специалисты говорят, что "эпоха меди наступит постепенно, а не внезапно, как удар молнии".