книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ
..pdfРис. 2.27. Зависимость удельного электро сопротивления р пленок хрома от соотно шения Vr/Vcx
Рис. 2.28. Зависимость времени г тра
вления пленок хрома от глубины травле ния t
и слой, лежащий непосредственно на поверхности подложки (участок /Я ), более насыщены кислородом. Эти окисленные слои, очевидно, имеют более рыхлую структуру, которая со здает лучшие условия для проникновения травящего состава. Внутренний слой (участок II) является относительно чистым хромом, с плотной структурой - скорость травления его мень ше.
Нихром - никель-хромовый сплав (80 % Ni; 20 % Сг); доба вление никеля к хрому увеличивает удельное электросопроти вление и снижает величину температурного коэффициента со противления чистого хрома. Электрические свойства пленок нихрома зависят от способа получения и параметров процес са. Так при получении пленок нихрома испарением удельное электросопротивление растет с увеличением парциального да вления кислорода (рис. 2.29).
Рис. 2.29. Зависимость удельного электросопротивления р пленок нихрома от парциального давле ния кислорода роа
На рис. 2.30 даны графики зависимости удельного элек тросопротивления пленок нихрома и изменения их электро сопротивления после отжига, от скорости осаждения. Приве денные кривые подтверждают общее положение о том, что
ŸQiOU
т
по -
щ |
1 % , нм/с |
0,01 |
Рис. 2.30. Зависимость удельного электросопро тивления p D (1) и изменения электросопротивле ния АR JR (2) при отжиге от скорости осаждения
v ocm ie H O K нихрома
с уменьшением скорости осаждения увеличивается доля по глощенных молекул остаточных газов, прежде всего кислоро да, вступающих в реакцию с материалом пленки, в результа те чего р увеличивается. Увеличение электросопротивления при отжиге с ростом скорости осаждения свидетельствует о формировании пленки с менее упорядоченной и равновесной структурой при больших скоростях осаждения.
От температуры подложки в процессе осаждения пленки
нихрома |
зависит ее стабильность |
при эксплуатации |
(рис. 2.31). |
С температурой подложки |
в процессе осажде |
ния пленок нихрома связана также скорость ее травления (рис. 2.32). Как видно из графика, наибольшую скорость травления имеют пленки, осажденные на холодную (25 °С) подложку. По-видимому, эти пленки имеют мелкозернистую структуру слабо связанных между собой частиц. С повышени ем температуры подложки структура пленки становится более плотной, растут размеры зерен, увеличиваются связи между отдельными частицами - скорость травления такой структу ры уменьшается.
Недостатки сплава нихрома связаны с фракционирова нием компонентов сплава при его термическом испарении.
M /R,%
Рис. 2.31. Зависимость относительного из менения электросопротивления A R / R пле
нок нихрома при климатических испыта ниях (длительность 2 суток, температура +40 °С, относительная влажность 98 % ) от
температуры подложки fB (удельное поверх ностное электросопротивление пленок 100 Ом)
Рис. 2.32. Зависимость скорости травле ния vTp пленок нихрома от температуры подложки tn в процессе осаждения
Так состав осажденных пленок (при первоначальном составе 20 % Сг и 80 % Ni), меняется от 20 % Сг при скорости осажде нии 10 Ом/с до 70 % Сг при 100 Ом/с. Для сравнения: при распылении в среде аргона пленки нихрома имели такой же состав, как сама мишень.
Пленки сплава хрома и кремния. Эти пленки получают при совместном распылении мишеней из хрома и кремния при рабочем давлении аргона 3,9 • 10"1 Па, при этом процентное содержание компонентов в пленке регулируют подачей раз личного напряжения на мишени.
Электрические характеристики пленок CrSi в зависимо сти от их состава приведены в табл. 2.4.
Т а б л и ц а 2.4 Влияние содержания кремния на электрические характеристики пленок CrSi
Содержание |
Скорость |
Удельное поверх |
Относительное измене |
Si в пленке, |
осаждения, |
ностное электросо |
ние электросопротив |
% |
нм/с |
противление, Ом |
ления после отжига, % |
77 |
0,16 |
64,1 |
140 |
68 |
0,18 |
34,4 |
185 |
52 |
0,22 |
13,3 |
5,2 |
33 |
0,30 |
11,5 |
6,2 |
24 |
0,38 |
10,7 |
11,8 |
П р и м |
е ч а н и е. |
Толщина пленок 250 нм; режим отжига 1 ч |
при температуре 250 0 С.
Параметры распыления и состав пленки влияют на ее структуру и, следовательно, на электропроводность.
Взаимосвязь удельного электросопротивления и содержа ния кремния в пленках CrSi приведена на рис. 2.33, из которо го видно, что удельное электросопротивление пленок с содер жанием кремния менее 50 % практически неизменно, а свыше 50 % - резко увеличивается.
Пленки с разным содержанием кремния проявляют раз личное поведение в процессе их термической обработки. Вли яние термической обработки на изменение удельного поверх ностного электросопротивления приведено на рис. 2.34.
Рис. 2.33. Изменение удельного электросо противления р пленок CrSi от содержания
кремния Si
Рис. 2.34. Изменение удельного поверхностного электросопротивления Рр от температуры тер мической обработки t 0 пленок CrSi с различным
содержанием кремния:
78 (1), 68 (5), 58 (5), 53 (^) и 25 (5) % (ат.)
AR/R, %
0,6 -
0,4
0,2
о |
200 |
400 |
600 |
ООО |
1000 <4 |
Рис. 2.35. Изменение электросопротивления ДЯ/Л пленок дисилицида хрома, выдерживаемых при температуре 100 °С, от времени г
Пленки с малым содержанием кремния (< 60%) сохра няют хорошую стабильность вплоть до температуры нагрева 400 °С; в противоположность им при увеличении кремния бо лее 60 % пленки становятся крайне чувствительны к термиче ской обработке.
При определенном соотношении хрома и кремния и усло вий термической обработки образуется соединение - дисили цид хрома (CrSi2). Пленки такого соединения имеют хорошую стабильность. Изменение электросопротивления приведено на рис. 2.35.
Металлокерамические смеси - керметы - имеют высо кие эксплуатационные свойства. Например, пленки хром - монооксид кремния (C r-S iO ) состоят из кристаллов метал лического хрома и его силицидов, диспергированных в аморф ной матрице диоксида кремния. С течением времени возмож но окончательное формирование фаз и рекристаллизация, а тахже поверхностное и объемное окисление кремния. Пленки C r-S iO изготавливают обычно способом распыления мише ни, состоящей из 62 % Сг и 38 % SiO; толщина осажденных пленок составляет 0 ,0 9 ...0 ,1 2 м км . Распыление производят
при остаточном давлении 1,08 Па. Температура подложки в процессе осаждения является важным фактором, влияющим на удельное электросопротивление пленок С г-S iO . Обычно осаждение производят при температуре подложки 300 °С. Из менить удельное электросопротивление пленок Сг - SiO мож но при последующей термической обработке на воздухе. На рис. 2.36 приведены кривые изменения удельного электросо противления пленок C r-S iO , содержащих различное количе ство SiO, при термообработке в течение,3Û мин на воздухе. Как видно, величина удельного электросопротивления имеет тенденцию к уменьшению с увеличением температуры термо обработки.
ç,MK0M-CM
|
|
Рис. 2.36. Зависимость удельно |
|
|
го электросопротивления р пле |
|
|
нок CrSiO от содержания SiO |
|
|
для различных температур тер |
|
|
мообработки: |
|
|
200 (1), 400 (Я), 500 (3) и 600 (4) °С |
,и о |
20 |
40 510, % ( ш ) |
Кремниевые сплавы, применяемые для резистивных пле нок, имеют более сложный состав. Например, сплавы марок PC содержат: сплав РС-3001 (30 % Сг; 0, 7 ... 1,8 % Fe, осталь ное Si); РС-3710 (37 % Сг; 10 % - Ni, остальное Si).
Наилучшие технологические свойства имеет сплав РС-3710, выпускаемый в виде порошка или твердых пластинмишеней. Для получения пленок этого сплава из порошка при меняют способ “взрывного” испарения, который практически обеспечивает воспроизводимость исходного состава сплава.
Танталовые резистивные пленки на основе тантала и его соединений находят широкое применение для создания высо
кокачественных ГИС СВЧ, так как они имеют высокую ста бильность, относительно широкий диапазон удельного поверх ностного электросопротивления, низкий температурный коэф фициент электросопротивления.
Резисторы получают электронно-лучевым испарением тантала или распылением в инертной атмосфере или в реак тивном газе. Чистые танталовые пленки получают способом испарения со скоросью 0 ,0 9 ...0 ,1 нм/с на подложки, нагре тые до 100°С, при остаточном давлении (0 ,6 5 ... 1,3)‘10"~3 Па.
Пленки с удельным поверхностным электросопротивле нием 300 Ом имеют толщину 10 .. .12 нм. Параметры осажде ния - температура подложки, состав и давление остаточных газов, скорость осаждения - определяют “механизм” окисле ния, рост структуры пленок тантала и их электрические свой ства.
На рис. 2.37 и 2.38 приведены графики взаимосвязи па раметров осаждения и удельного электросопротивления пле нок тантала. Из рассмотрения графиков видно, что удельное электросопротивление пленок тантала уменьшается с увели чением температуры подложки (см. рис. 2.37) и уменьшением парциального давления азота (см. рис. 2.38). При рассмотре нии данных (см. рис. 2.38) необходимо выделить три области, характерные для взаимосвязи состава и структуры пленок с электрическими характеристиками.
Область А В - область относительно низкого парциаль ного давления азота (0 ,6 5 ... 1,3) • 10~3 Па. Здесь возможно образование двух модификаций пленок тантала: /?-Та и а-Та. Обычно распыленный тантал имеет тетрагональную струк туру (/?-Та); его удельное электросопротивление выше, чем у а-Т а, /?-Т а имеет отрицательный ТКС подобно полупро водникам; он также является хорошим адгезионным подслоем для пленок меди и золота, осажденных на поверхность квар цевых подложек. а-Т а имеет высокий положительный ТКС (1 ... 2) • 10“ 3°С “ 1 и низкое удельное электросопротивление.
Область В С - область средних |
парциальных |
давле |
ний азота (1,3 3 .. .6,65) 10”3 Па; в |
ней образуется |
соеди |
нение Ta2N, имеющее удельное электросопротивление 150 ...
... 251 мкОм-см
ç, мОм*см
Рис. 2.37. Взаимосвязь удельного электро сопротивления р пленок Та с температурой подложки 1я
мкОм-см
Рис. 2.38. Зависимость удельного элек тросопротивления р пленок тантала и его соединений от парциального давле ния азота Рд,а