книги из ГПНТБ / Рыбинский, О. А. Пассивные элементы гибридных интегральных схем
.pdf
Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ
УДК 621.382.83
О. А. РЫБИНСКИЙ
ПАССИВНЫ Е ЭЛЕМЕНТЫ
ГИ БРИ ДН Ы Х И Н ТЕГРА Л ЬН Ы Х СХЕМ
С е р и я — Приборы и устройства радиоэлектронной техники и автоматики
Ленинград
1 974
! |
г Г(',. - - " л и ч н а я |
\ |
|
|
|
|
1 |
.АМНЙЧОСК&Й |
i |
|
i |
.Av. |
|
5 |
* й б я и о т о к я» С О С Р |
|
||||
i |
Г М З Е Д Ь А П Г |
! |
С / - ' |
■ * |
' J |
|
^ Ч И Т А Л Ь Н О Г О З А Л А |
||||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
Я г - Ж & У
|
|
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
Введение |
........................................................................................................ |
.... . . |
|
Глава |
I. |
Пассивные элементы гибридных интегральных сх е м ................... |
|
Глава |
II. |
Технологические процессы |
изготовления пассивных элементов |
|
гибридных ...............................................интегральных с х е м |
.... 17 |
|
Глава III. |
Расчет пассивных плоских |
элементов гибридных интегральных |
|
|
с х е ...............................................м |
......................................................... 29 |
|
Р ы б и н с к и й Олег Александрович
Пассивные элементы гибридных интегральных схем
32 с. с илл. 4200 экз. 20 коп.
В работе рассмотрены конструкции пассивных элементов для ГИС, основные технологические методы их изготовления, методы расчета некоторых их характеристик и приведены сведения о микро элементах, выпускаемых отечественной промышленностью. Настоя щая работа может представить интерес как для ИТР и рабочих, за нимающихся выпуском микроэлементов, так и для конструкторовразработчиков микроминиатюрной и бытовой радиоэлектронной ап паратуры.
УДК 621.382.83
(С) Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР
ЛДНТП. 1974.
I
В В Е Д Е Н И Е
На XXIV съезде КПСС было отмечено, что в девятом пятилет ием плане развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 годы с точки зрения'долговременных перспектив на первое место выдви гается ускорение научно-технического прогресса. Одной из пред посылок его ускорения является развитие электронной техники. По этому в настоящее время микроэлектроника привлекает внимание все большего числа специалистов, занятых разработкой электрон ной аппаратуры. Они, естественно, заинтересованы в том, чтобы получить не только общие представления о проблеме микроминиа тюризации в целом, но и сведения о состоянии отдельных вопро сов, особенно тех, которые являются ключевыми.
В работе рассмотрен один из основных вопросов микроэлектро
ники— процесс |
изготовления пассивных элементов (резисторов, |
конденсаторов, |
индуктивностей), число которых доходит до 80— |
90% от числа всех элементов, составляющих современную радио электронную аппаратуру. Учитывая, что современный этап разви тия электроники характеризуется чрезвычайно быстрым ростом сложности радиоэлектронной аппаратуры, которая зачастую содер жит сотни тысяч отдельных элементов, можно утверждать, что ос новные качества радиоэлектронной аппаратуры определяются на дежностью, габаритами, простотой изготовления и дешевизной со ставляющих ее элементов. Поэтому в работе рассматриваются во просы конструирования пассивных элементов, предназначенных для гибридных интегральных схем: применяемые материалы, осо бенности технологии изготовления рассматриваемых конструктив ных вариантов и приводятся данные о резисторах, конденсаторах и катушках индуктивности, выпускаемых отечественной промыш ленностью. Далее рассмотрены технология и применяемое обору дование для получения резистивных, диэлектрических и магнитных пленок, которые являются основной частью рассматриваемых пас сивных элементов. Основное внимание уделено наиболее прогрес сивным методам: высокочастотному распылению, синтезированию при помощи химических транспортных реакций и прокатке в вал ках. Рассматриваются тенденции развития пассивных элементов и их производства.
Г Л А В А I
ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
В понятие гибридные интегральные схемы вкладывают различ ный смысл; поэтому в первую очередь следует определить, что мы будем понимать в настоящей работе под этим определением. Под гибридными интегральными схемами (ГИС) подразумевают уст ройства, представляющие различные комбинации схем: из дискрет ных компонентов, тонкопленочных и полупроводниковых элемен тов. Так, например, тонкопленочная техника может быть использо вана для того, чтобы создавать резисторы и емкости, в то время как остальная часть ГИС выполнена как монолитное устройство из полупроводникового монокристалла или состоит из дискретных по^ лупроводниковых приборов (диодов и транзисторов). Тонкопленоч ная техника в этом случае обычно используется для изготовления пассивных элементов либо непосредственно на поверхности полу проводникового кристалла, содержащего другие компоненты (тран зисторы и диоды, а в некоторых случаях дополнительные резисто ры и конденсаторы), либо на подложке, на которой монтируются отдельные схемы, образующие электронный прибор; в этом случае на поверхности подложки тонкопленочной техникой создаются со единительные проводники (проводящий рисунок).
Как следует из приведенного определения, элементы ГИС по самому принципу конструирования и сборки являются изолирован-
'ными деталями и, следовательно, диапазон номинальных значений пассивных элементов в этом случае больше, чем в чисто полупро водниковых схемах и даже в чисто тонкопленочных, а сравнитель но большие допуски на номиналы и температурные коэффициенты сопротивления, емкости и инуктивности в ряде случаев облегчают проектирование схем. Кроме того, по той же причине ГИС относи тельно хорошо защищены от возникновения паразитных связей по сравнению с другими типами интегральных схем. Однако за счет
увеличения числа технологических операций, необходимых для их изготовления, увеличивается стоимость их производства. В связи с этим выпуск дискретных элементов электронных схем, пригодных для использования в ГИС, значительно превышает выпуск специ альных микроминиатюрных элементов и имеет тенденцию к увели чению (рис. 1).
Рассмотрим теперь некоторые наиболее широко используемые типы пассивных элементов для ГИС.
Резисторы, применяемые в ГИС, представляют собой тонкую пленку из металла или полупроводящего окисла определенной гео метрии, нанесенную на диэлектрическое основание, которым может быть либо оксидированная поверхность интегральной полупровод никовой схемы, либо подложка, на которой монтируются отдель ные схемы, либо специально изготовленное основание в виде стер-
4
жня, диска, пластины. Для образования резистивного слоя приме няется целый ряд различных материалов: нихром, тантал, окись олова, сплавы на основе силицидов металлов, которые возможно осадить на подложках в виде тонких пленок. Нихромовые пленки осаждают термическим распылением в вакууме сплава, содержа щего 80% никеля и 20% хрома, причем для обеспечения стабиль ности величины сопротивления пленки во времени (температур ная стабильность менее 0,01 %/град) необходимо в процессе осажде ния температуру подложки поддерживать равной 300° С. Пленки нихрома удается получить с величиной сопротивления от 100 до
Рис. 1. Диаграмма ежегодных затрат на выпуск дискретных элементов, пригодных для использова ния в ГИС ( Яр ; и микроминиатюрных элементов
(□) по данным американской фирмы RCA
400 Ом/квадрат в зависимости от толщины и они обладают хоро шей адгезией, так как в первый момент происходит преимущест венное осаждение хрома, который хорошо сцепляется с поверхно стью стекол, керамики с большим содержанием стекловатой фазы и металлов. В,отличие от нихромовых танталовые пленки наносятся катодным распылением. Необходимая величина сопротивления по лучается с помощью процесса анодирования, при котором происхо дит уменьшение поперечного сечения металлической части пленки. Глубину анодирования, а следовательно, величину сопротивления, можно строго контролировать, а температурный коэффициент со противления можно задавать, меняя процентное содержание азота в среде распыления. Более совершенный материал для получения резистивных пленок — окись олова (S11O2)» которая в чистом виде является диэлектриком, но в процессе нанесения пленки путем тер мического разложения теряет атомы кислорода и ведет себя как полупроводник n-типа. Величину сопротивления пленки можно ре
5
гулировать в процессе осаждения введением присадок. Так, вели чина сопротивления будет возрастать при введении трехвалентных ионов, например ионов индия, и будет уменьшаться при введении пятивалентных ионов, например ионов сурьмы. Таким образом, воз можно изменять величину сопротивления пленок в диапазоне от 80 до 4000 Ом/квадрат, при котором температурные коэффициенты сопротивления варьируются от 0 до —15-КБ4 1/град. Большим до стоинством этих пленок является также то, что они легко поддают ся травлению при обычной фотолитографической обработке, при хорошей адгезии к поверхности подложки. Сплавы на основе си лицидов для изготовления резисторов применяют в основном в тех случаях, когда необходимо получить высокоомные резисторы, рабо тающие при температурах окружающей среды свыше 85° С и об ладающие большой стабильностью. Как правило, величина сопро тивления силицидных резистивных пленок лежит в пределах от 200 до 20 Ом/квадрат. В последние годы силицидные резисторы получили наиболее широкое распространение благодаря высоким электрическим характеристикам, чему способствовало также все большее использование кремния для создания полупроводниковых интегральных схем.
В табл. 1 собраны основные характеристики наиболее распро страненных резистивных пленок, применяемых для получения ре
зисторов ГИС.
Резистивные пленки, приведенные в табл. 1, имеют определен ные недостатки. Нихромовые пленки хотя и обладают стабильным низким ТКС, сложны и дороги для массового производства; кроме того, на них нужно наносить защитные покрытия для того, чтобы предотвратить окисление и электрохимическое взаимодействие во влажной атмосфере. Танталовые пленки для повышения сопротив ления и уменьшения габаритов резисторов делают очень тонкими либо мало плотными. В результате пленки становятся восприимчи выми к окислению и их необходимо пассивировать. Керметные ре зистивные пленки из-за повышенного содержания SiO имеют ухуд шенное воспроизведение и трудно подогнать величину сопротивле ния травлением пленок. Из этого сравнения резистивных пленок видно, что при более простой технологии силицидные пленки обла дают более высокой временной стабильностью и повышенной вы сокотемпературной стабильностью. И в настоящее время резисто ры из силицидных пленок не имеют конкурентов.
Отечественная промышленность выпускает ряд разновидностей металлопленочных резисторов, отличающихся как электрическими параметрами (номинальной величиной сопротивления и мощности), так и конструктивным выполнением, краткие сведения о которых приведены в табл. 2, а некоторые конструктивные варианты — на рис. 2.
Тонкопленочные конденсаторы, которые предназначены для ГИС, так же как и соответствующие дискретные элементы, состоят из двух проводящих слоев, разделенных слоем диэлектрика. Спо-
6
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1 |
|
|
|
|
Характеристики резистивных пленок |
|
|
|
|
|
|
|
Материал |
резистивной |
пленки |
|
Параметр |
|
|
|
|
Силициды |
|
|
|
|
|
Нихром |
Окись олова |
|
(TSi, |
Si—Сг |
|
|
|
|
|
MoS 12 |
||
Удельное |
сопротивле |
40-400 |
80-4000 |
200 |
1300 |
20 000 |
|
ние пленки (Ом/квадрат) |
|
|
|
|
|
||
Температурный |
коэф |
100 ±25 |
1500 + 200 |
—125±25 |
+200 ±50 |
-1400 ±200 |
|
фициент сопротивления |
|
|
|
|
|
||
(1/град) Х10“6 |
|
|
|
|
|
|
|
Максимальная |
рассеи |
0,125 |
0,125 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
ваемая мощность |
|
|
|
|
|
|
|
(Вт/см2) |
|
|
|
|
|
|
|
Допустимое отклонение |
. ±7 |
±7 |
О |
4 |
2 |
||
сопротивления в |
процес |
|
|
|
|
|
|
се старения |
(%) |
|
|
|
|
|
|
Толщина |
пленки (мкм) |
0,008—0,015 |
|
0,065 |
0,03 |
0,02 |
|
00
|
|
Характеристики микроминиатюрных резисторов для ГИС |
|||||
|
|
Номинальные |
Номинальная |
-Интервал рабочих |
Температурный |
||
|
|
коэффициент |
|||||
Марка |
резистора |
величины, |
М О Щ НО СТЬ, |
температур, |
|||
сопротивления, |
|||||||
|
|
Ом |
Вт |
°С |
|
||
|
|
|
% |
||||
|
|
|
|
|
|
||
С2-12 иССНМ (рис. 2а) |
10—3,3 • 10е |
0,05—0,25 |
—60ч- +125 |
|
- 1 0 -10-24- +2-10- |
||
Станатные |
|
|
|
|
|
|
|
СЗ-З и с к н м |
|
|
|
|
|
||
СЗ-4 (на микромодуль- |
|
|
|
|
|
||
ной плате) |
(рис. 26) |
|
|
|
|
|
|
С2-10; С2-! 1 |
1 0 -3 -10R |
0,125—0,25 |
—60-I- +155 |
макс. —7.10-2-;- +4-10-2 |
|||
С2-22; С2-23 |
|
|
|
|
|
||
С2-33; |
|
|
|
|
|
|
|
(металлопленочные) |
|
|
|
|
|
||
С2-20 |
|
50 и 75 |
0,075-^0,2 |
—40 ч- +85 |
|
— |
|
(металлопленочные пла |
|
|
|
|
|
||
стинчатые) |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2
Габариты-
Длина, |
Диаметр, |
мм |
мм |
3-нб |
0,35 |
9,85X9,8 |
0,49 |
|
(толщи |
|
на) |
10 |
4.2 |
макс. |
макс. |
2,6ч-26,0 |
16,0 |
|
(ширина) |
собность тонких пленок образовывать составную часть общей схе мы зависит от совместимости той технологии, которая использует ся для формирования тонкопленочного диэлектрика. Поэтому все конденсаторы, используемые для ГИС, делятся на типы в зависи мости от материала диэлектрика. Наиболее широкое применение в качестве диэлектрика этих конденсаторов получила двуокись
б)
X
а
£
сП
СП
л
в)
Рис. 2. Конструкция резисторов для ГИС: а) конструкция резистора 'ССНМ (на плате размещены резисторы С2-12); б) конструкция резистора СЗ-4; в) конструкция резистора С2-20
кремния. Обычно для образования конденсатора используется слой
двуокиси кремния толщиной 500 А, синтезированный либо химиче скими транспортными реакциями, либо высокочастотным реактив ным распылением. На ее металлизированной поверхности под ложке монтируется вся интегральная схема либо выращивается из материала с низким удельным сопротивлением (рис. 3). Второй электрод образуется нанесением поверх диэлектрика тонкой металлической пленки. Эти типы конденсаторов имеют то пре
9