книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ
..pdfРис. 9.1. Области взаимосвязи длины ми грации серебра I от времени г для серебря
но-палладиевых паст с различным содер жанием Pd: 10 (1), 14 (£), (20 - 30) (3) %
(расстояние между проводниками - 1 мм; напряжение смещения 4 В; среда - деиони зованная вода)
миграции в “водяной капле” на 3-4 порядка выше по сравне нию со скоростью при повышенной влажности. Применение других металлов, таких, как медь, никель и других, несколько снижает интенсивность процесса миграции, хотя не исключа ет его полностью. Лаже золото, которое является самым пас сивным металлом, может мигрировать в определенных усло виях. Такими условиями являются наличие влаги и ионов С1~ (от 0,1 до 0,001 молярного объема).
Аналогичное явление - электромиграция, приводящая к изменению начального электросопротивления, - происхо дит между двумя близко расположенными резисторами. На рис. 9.2 приведены зависимости изменения электросопроти вления толстопленочных резисторов, находящихся под различ ным напряжением смещения: отрицательным, положитель ным и нулевым. Как видно, подача отрицательного напряже ния смещения приводит к увеличению электросопротивления, а положительного - к уменьшению; при отсутствии напряже ния сопротивление увеличивается, хотя и в меньшей степе ни. Рассмотренный характер изменения электросопротивле-
Рис. 9.2. Относительное изменение элек тросопротивления серебряно-палладиевых толстопленочных резисторов AR /R в зави симости от времени т нагрева при напря жениях смещения: - 50 (1), 0 (£), + 50 (3) В
(температура нагрева +85 °С; относитель ная влажность 85 % )
ния при подаче напряжения на близко расположенные рези сторы можно связать с “работой” электролитической ячейки, в которой осуществляется массоперенос резистивного матери ала между двумя разноименно заряженными элементами - ре зисторами.
Для повышения миграционной стойкости пленочных эле ментов МЭИ СВЧ необходимо использовать металлы с ма лой миграционной способностью, осуществлять удаление вла ги перед герметизацией, производить очистку всех входящих элементов в МЭИ СВЧ от ионов хлора и др.
Д и ф ф узи я. Диффузионные процессы протекают как в толстопленочных, так и в тонкопленочных структурах. ,В эле ментах, изготовленных по толстопленочной технологии, осо бое место занимают переходные области между резистивны ми, проводниковыми и диэлектрическими пастами. Так, на пример, в месте контакта резистивной пленки на основе ок сида рутения (ВдОг) с проводниковой пленкой происходит
уменьшение плотности за счет проникновения частиц про водникового материала. Происходит ках бы “разбавление” основной резистивной структуры частицами другого - про водникового - материала. Оно вносит изменения в структу ру и электрические характеристики толстопленочных рези сторов. Явление взаимного растворения может происходить также при взаимодействии частиц резистивной пасты со стеклофазой, имеющейся в проводниковой пасте. Особенно это явление заметно для резистивных пленок с большим содержа нием оксида рутения (RUO2).
В переходных областях проводник - диэлектрик возника ют такие явления, как образование “пузырей” и взаимная диф фузия. Например, диффузия ионов меди в диэлектрик приво дит к уменьшению адгезии. Между веществом пасты и под ложкой также происходит взаимодействие, которое приводит к изменению характеристик резисторов.
Особенную опасность представляет диффузия серебра из серебросодержащей пасты в резистивный слой толстопленоч ных резисторов, что изменяет его электрические характери стики.
На рис. 9.3 приведен график, показывающий, как изме няется концентрация серебра в рутениевой пленке 2 по мере удаления ее от контактной площадки из серебросодержащей пасты 1. По мере диффузии серебра в рутениевую резистив ную пленку происходит изменение ее электросопротивления. Влияние диффузии серебра из материала пасты контактных площадок в резистивный слой на изменение электросопроти вления резисторов приведено на рис. 9.4.
В процессе многократной термообработки происходит также упорядочение структуры резистивной пленки, что при водит к уменьшению электросопротивления. Эта доля отно сительного уменьшения сопротивления составляет 40 ...50 %; остальная доля уменьшения сопротивления резисторов обусло влена диффузией серебра в резистивный слой. Глубина диф фузии серебра зависит от температуры и времени вжигания и
Рис. 9.3. Взаимосвязь концентрации серебра в резистивной рутениевой пленке с расстоянием от контактной площадки I:
1 - контактная площадка; 2 - резистивная пленка (на
чальное содержание серебра в пасте 9>5 %; структура контактная площадка - .резистивная пленка прошла 3 цикла вжнгания при температуре 850° С в течение 1 ч; подложка - керамика с содержанием 96 % АЬОз)
üR, • %
Рис. 9.4. Относительное изменение электросопро тивления рутениевых резисторов AR /R после тер
мической обработки в течение п температурных циклов вжигания серебросодержащей пасты; тем пература вжнгания 850 °С; время 1,5 - 2 ч; матери ал подложки - керамика ВК94-1; начальное удель ное поверхностное электросопротивление резисто ра 100 кОм
составляет до 1,5 мм. Характер диффузии однороден по длине, ширине и толщине резистивной пленки.
В многослойных тонкопленочных структурах, таких как Сг- A u , C r - C u - Au и л и Сг - Си - Ni - Au происходит диффу зия хрома в золото или никеля в золото и хрома - в медную пленку. При повышении температуры нагрева металлизационной системы хром - золото свыше 300 °С диффузия хрома в золото становится значительной.
На рис. 9.5 приведена зависимость длины диффузии ато мов хрома в пленку золота от времени. При нагреве систе мы хром - золото до температуры 400 °С (температура эвтек тической пайки) происходит увеличение удельного электросо противления в 2 - 3 раза за счет диффузии хрома в золото, при этом ухудшается адгезия. При появлении на поверхно сти золотой пленки окислов хрома затрудняется качественная термокомпрессионная приварка золотой проволоки, уменьша ется также надежность сварного соединения. Поэтому важ но выбрать такую толщину хрома, чтобы за период нагрева до температуры 350 ... 400 °С не произошло полной взаимной диффузии хрома и золота.
Степень взаимной диффузии хрома в золото зависит от структуры пленок, т.е. от условий их нанесения: мощности распыления, времени осаждения и температуры подложки.
Рис. 9.5. Зависимость длины диффузии I ато
мов Сг в золотую пленку от времени г (темпе ратура нагрева системы хром - золото 400еС)
При сравнении диффузионных пар Ni - Au и Сг - Au мож но отметить некоторое подобие в их поведении. Доминирующей составляющей процесса в обоих случаях является диф фузия по границам зерен. При температуре 350 °С наступа ет практическое равновесие в растворимости никеля в золо те, что на порядок выше, чем растворимость золота в никеле (8 % (ат) и 0,9 % (ат) соответственно). Более того, никель быстрее проникает в золото, чем золото в никель.
Хром также быстрее проникает в золото даже при тем пературах нагрева ниже 300 °С. Происходит поверхностное окисление хрома. При отжиге структур с барьерными слоя ми хрома и никеля обнаружены оксиды хрома и оксиды никеля на поверхности золота. Этот факт свидетельствует о том, что поверхностное окисление играет важную роль в подтвержде нии диффузии по границам зерен.
Несмотря на одинаковый характер диффузии хрома и ни келя в золотые пленки, скорости диффузии для этих двух ме таллов различны, и изменение удельного электросопротивле ния золота в связи с этим также различно (электросопротивле ние золота при диффузии никеля меньше, чем при диффузии хрома в золото). Диффузия адгезионного хрома в медный слой приводит к увеличению электросопротивления многослойной структуры C r - C u - A u и возрастанию потерь мощности в МПЛ передачи. На границе хром - медь формируется в про цессе эксплуатации переходная область толщиной до 2 мкм, в которой происходит изменение электросопротивления. Харак тер и величина изменения электросопротивления в структуре хром - медь приведены на рис. 9.6.
9.2. Изменение характеристик пленочных элементов при эксплуатации
А дгези я . Она определяется поверхностными силами. Это могут быть силы Ван-дер-Ваальса; силы, связанные с образованием металлической полярной связи между атомами пленки и подложки; электростатические силы, образующие
9 wfОм-си fSr
|
|
|
|
-Си |
|
|
|
|
.Cu-Cr |
|
|
|
|
Сг |
Cr ‘ Cu-Cr |
|
Си |
|
|
2 |
|
|
|
|
О |
1 |
2 |
3 ‘ |
J*l, мкм |
Рис. 9.6. Распределение удельного элек тросопротивления fi в структуре хром-
медь от поверхности диэлектрической подложки / (толщина хрома 0,15 мкм; ме д и - 6 , 3 мкм; температура подложки при осаждении - 250 °С)
двойной электрический слой на границе раздела пленки и под ложки или химические связи за счет образования переходного оксидного слоя. Последний “механизм” образования адгезии имеет наилучшее объяснение, при этом решающую роль для адгезии металлических пленок имеет кислород.
Адгезия пленок, возникающая за счет химических связей, определяется, в основном, явлением образования оксидной про слойки в напыляемом слое металла, прилегающем к поверхно сти подложки, и последующим сплавлением этой прослойки с оксидами, входящими в состав вещества подложки.
Преобладание физической или химической сорбции на по верхности раздела пленка - подложка зависит от природы вза имодействующих материалов. Например, адгезия металла к металлу отличается от адгезии металла к диэлектрической подложке. В обоих случаях адгезия может сильно изменяться за счет присутствия адсорбированных газов или других видов загрязнений.
Адгезия обычно оценивается как сила отрыва пленочной контактной площадки определенного размера от подложки.
Адгезия пленок с течением времени может усиливаться, оставаться неизменной или ослабляться в зависимости от ви да осажденного металла. По характеру изменения адгезии по времени металлы могут быть разделены на три группы. Ти пичные кривые изменения адгезии с течением времени для групп металлов изображены на рис. 9.7. Усиление адгезии активно окисляющихся металлов, таких, как алюминий, свя зывают с диффузией кислорода к границе раздела пленкаподложка с последующей химической реакцией, приводящей к образованию промежуточного окисного слоя. Адгезия неокисляющихся металлов (золота) практически не изменяется; химическое взаимодействие этого металла с подложкой сла бое. Адгезия легкоплавких металлов, таких, как олово, с те чением времени снижается, по-видимому, за счет повышенной подвижности атомов металла, в результате которой металл на отдельных участках отслаивается от подложки. М еталлы этой группы не находят применения для создания проводни ковых элементов.
Рис. 9.7. Изменение величины адгезии Ротя по времени г для трех групп метал
лов:
1 - активно-окксляющихся (А1, Сг); 2 - неокисляющихся (Au); 3 - легкоплавких (Sn и др.)
При старении пленок кислородоактивных металлов, на пример хрома, их адгезия увеличивается за счет окончатель ного формирования оксидного слоя (рис. 9.8). Аналогичный характер изменения адгезии имеют пленки Ti, Mo, V и др. Эти элементы, так же, как и Сг, применяют в качестве адге зионного слоя в многослойных структурах проводников, обес печивая хорошую адгезию основного проводящего слоя к ди электрическому основанию. Улучшить адгезию тонких пле нок к поверхности диэлектрических материалов можно также за счет ее обработки в тлеющем разряде в вакууме, введения в процессе напыления ультразвуковых колебаний и др.
Ротн
Рис. 9.8. Изменение относительной ве личины адгезии пленок хрома (р«в) от времени г (подложка - стекло; режимы осаждения пленок хрома: температура подложки 220°С; скорость 1 нм/с; тол щина пленки 0,02 мкм)
Изменение адгезии происходит и у толстопленочных про водников. Так как основу толстопленочных проводников со ставляют благородные металлы: серебро, золото, палладий, то, следуя положению о взаимосвязи характера изменения ве личины адгезии со способностью к окислению, можно предпо ложить об уменьшении адгезии толстопленочных проводников со временем. Ускорение процесса изменения адгезии толсто пленочных проводников возможно при их нагреве. Так, напри-
Рис. 9.9. Изменение величины адгезии р про
водника из пасты на основе Pd-Ag от времени г термической обработки (температура тер мообработки 150 °С)
мер, в процессе длительного термического нагрева серебряно палладиевых проводников происходит ухудшение адгезии к подложке (рис. 9.9).
Одной из причин изменения адгезии является изменение внутренних напряжений в пленках.
В н у трен н и е н ап ряж ен и я . Осажденные пленочные структуры, имеющие внутренние напряжения, не проявляю щие своего отрицательного действия после изготовления плат или в процессе их эксплуатации, как правило, не привлека ют внимание технологов, занимающихся их производством. В этом случае можно сказать, что технологический процесс обеспечивает получение пленок с минимальными внутренни ми напряжениями. В противном случае многие характеристи ки пленочных структур формируются под воздействием вну тренних напряжений.
Влияние механических напряжений в пленочных структу рах на их электрические характеристики многообразно: это и изменение электросопротивления, и величины ТКС, ЭДС шумов, стабильности при хранении и эксплуатации, токов утечек, скорости диффузии примесей и пр. Цаличие в плен ках внутренних напряжений, превышающих предел упруго сти, приводит к разрушению пленк; внутренние напряжения