в качестве материала для тонких пленок, соединяющих элементы интегральной схемы, как правило, используют алюминий благодаря его высокой электропроводности и хорошему сцеплению (адгезии) с кремнием, покрытым слоем двуокиси. Для тонкопленочных резисторов наиболее часто применяются такие резистивные материалы, как тантал, никель-хромовые сплавы и окись олова. Разработаны различные методы для образования тонких пленок на поверхности кремния.

Методы осаждения

Вакуумное итарение. Подложка с пассивированной поверхностью вместе с испаряемым материалом помещается под колпак, где создается высокий вакуум. Затем материал нагревается с помощью электрического нагревателя до его испарения. В условиях глубокого вакуума средняя длина свободного пробега молекул испаряемого вещества оказывается сравнимой с размерами колпака. Поэтому молекулы распространяются во всех направлениях одинаково. Часть испаряемого материала осаждается на поверхности подложки, которая помещена на некотором расстоянии, чтобы исключить неравномерность осаждения. Для обеспечения хорошего сцепления осаждаемой пленки с подложкой последняя также подогревается. Методом вакуумного испарения можно наносить как проводящие, так и резистивные пленки. В качестве материала для проводящих пленок наиболее широко применяют алюминий, золото и серебро.

Метод вакуумного испарения применяют и для формирования никель-хромовых резисторов. Однако при этом требуется более высокая мощность для испарения материала, поэтому в этом случае в качестве источника нагрева используют электронный луч.

Тонкие пленки, изготовляемые методом вакуумного испарения, имеют мелкозернистую структуру, которая становится еще более мелкозернистой при увеличении скорости испарения и при углах падения распространяющихся паров на поверхность вафли, близких к прямому. Получение мелкозернистой структуры требуется для обеспечения однородности и воспроизводимости ее свойств.

Катодное распыление. Процесс катодного распыления протекает при низком давлении в газовой атмосфере, В установке для катодного распыления благодаря приложенному высокому напряжению (около 5000 В) между катодом и анодом возникает тлеющий разряд.

Распыляемый материал наносится на катод, а подложка закрепляется на аноде или помещается в области тлеющего разряда. В качестве среды при катодном распылении служит какой-либо инертный газ, например аргон. Положительные ионы аргона, образующиеся в области тлеющего разряда, разгоняются электрическим полем в направлении к катоду. Когда ионы, обладающие большой энергией, ударяют в катод, они выбивают из него атомы или молекулы, которые рассеиваются в направлении от поверхности катода, причем часть из них попадает на подложку и осаждается на ней в виде тонкого слоя. При том уровне давления, при котором происходит процесс катодного распыления, средняя длина свободного пробега выбитых из катода атомов оказывается много меньше расстояния между катодом и подложкой. Поэтому скорость осаждения пленки при катодном распылении значительно меньше, чем при вакуумном испарении. Путем добавления небольшого количества активных газов, таких, как кислород или азот, в атмосферу инертного аргона можно изменять химический состав осаждаемой пленки. Такой процесс называют «реактив-

ным» распылением. Особенно полезно его применение при осаждении танталовых пленок. В качестве активного газа используют азот. При этом в осаждаемой пленке, кроме чистого тантала, содержится некоторое количество нитрида тантала. Путем изменения количества активного газа в атмосфере можно увеличить сопротивление слоя танталовой пленки в 5 раз при соответствующем изменении температурного коэффициента от -ЬЮОО-10- до -60-10-б°С-1.

Осаждение из газовой фазы. При осаждении из паров или газовой фазы исходное сложное соединение химически восстанавливается и получающиеся в результате реакции восстановления атомы металла осаждаются на подложку. Процесс осаждения из газовой фазы очень похож на эпитаксиальное выращивание, которое применяется в планарной технологии. Особенно широко он применяется для изготовления достаточно толстых, порядка 20 мкм, пленок. Обычно этот процесс используют для получения диэлектрических пленок из окиси алюминия (АЬОз-ЗЮг) и резистивных пленок из окиси олова (ЗпОг). Сопротивление слоя пленки окиси алюминия можно регулировать путем введения ионов третьей или пятой группы периодической системы элементов (таких, как индий или сурьма) для увеличения или уменьшения сопротивления слоя.

Методы металлизации. Существуют два основных метода металлизации, применяемых для образования металлических пленок на полупроводниковой подложке: электролитическая и неэлектролитическая. При электролитическом методе подложка, на которую требуется нанести слой металла, присоединяется к катоду и помещается в электролит. Анодом служит электрод, изготовленный из металла, который должен образовать металлическую проводящую пленку. При пропускании постоянного тока через раствор

электролита положительно заряженные ионы с анода переходят в раствор, мигрируют к катоду и осаждаются на нем. Наиболее часто такой метод металлизации применяют для образования проводящих пленок из золота или меди.

При неэлектрических методах металлизации для образования свободных атомов или молекул металла используют одновременно протекающие реакции восстановления и окисления химических реагентов. Поскольку эти методы во время процесса металлизации не требуют протекания электрического тока, их можно использовать для металлизации изолирующих подложек. Наиболее часто таким способом наносят металлические пленки из никеля„ меди или золота.

Формирование требуемой : конфигурации и травление тонких пленок

Основные способы изготовления фотомасок и травления (§ 1-5)-с незначительными изменениями можно использовать также и для травления и формирования тонкопленочных элементов. Существенное отличие имеет место в случае изготовления многослойных тонкопленочных схем, например при формировании алюминиевого соединительного слоя над товкопленочными резисторами. При этом нужно особо внимательно подходить к выбору травящей среды с тем, чтобы исключить возможность повреждения нижней пленки при формировании верхнего слоя. Иногда для этой цели можно использовать многослойные устройства, имеющие структуру, подобную показанной на рис. I-I2.

Для формирования и травления пленок из алюминия, окиси олова и окиси алюминия пригодны обычные фоторезистивные методы. А в случае формирования очень тонких, порядка 30-50 нм, никель-хромовых пленок можно использовать ме-

тод инверсной металлической маски. При этом тонкий слой металла, как правило меди, осаждают и вытравливают в инверсном или негативном виде по отношению к требуемому конечному рисунку металлизации. Затем на инверсный рисунок металлизации осаждают тонкий слой никель-хрома. При окончательном травлении инверсный слой металлизации вместе с нанесенной на нем пленкой никель-хрома вытравливается и удаляется, а участки слоя никель-хрома, осажденные непосредственно на подложку, остаются без изменения.

В более простом варианте инверсного метода вместо инверсной металлической маски можно использовать слой фоторезиста, на который осаждается металлическая пленка никель-хрома. В процессе дальнейшей обработки фоторезист с нанесенной на нем пленкой никель-хрома удаляется путем травления, а участки никель-хрома, осажденные непосредственно на подложку, остаются, образуя заданный рисунок. Фоторезист представляет собой органический полимер, поэтому он не выдерживает воздействия высоких температур. Следовательно, применение инверсного фоторезистивного метода ограничивается тонкопленочными процессами, при которых подложка не должна нагреваться до высокой температуры, обычно не более 250°С.

1 Омические контакты

Основным требованием, предъявляемым к проводящим пленкам, которые используются для межэлементных соединений, является обеспечение хорошего омического контакта с диффузионными элементами или другими металлическими пленками, осаждаемыми на поверхность устройства. Хорошим омическим контактом считается такой, который имеет линейную вольт-амперную характеристику.

Воздействие окружающей атмосферы на контактные области ча-

сто приводит к образованию на них; паразитных окислов. Поэтому для обеспечения хороших омических контактов соединяемый металл-должен обладать химической активностью, с тем чтобы его можно было сплавлять, несмотря на паразитные окислы. Наиболее широко-в качестве соединительного металла-применяется алюминий. Для формирования омических контактов его легко можно вплавлять в кремниевую подложку, так как он является примесью р-типа (см. табл. 1-1). Это дает возможность избежать-формирования неомического выпрямляющего контакта, поскольку слаболегированная область полупроводника п-типа, прилегающая к контакту, перед металлизацией-: легируется примесями и образует-область п+-типа с высокой концентрацией примесей (см., например,, коллекторные контакты п-р-п биполярного транзистора на рис. 1-13 п 1-14). Легирование примесями с высокой концентрацией вызывает значительные нарушения в кристаллической решетке кремния около поверхности, поэтому паразитный р-п переход, формируемый при вплавлении алюминиевой соединительной металлизации р-типа в кремний п-типа, имеет большую утечку и по своим проводящим свойствам близок к обычному омическому контакту.

При изготовлении монолитных, схем нанесение алюминиевой соединительной металлизации на поверхность кремниевой пластины является завершающим этапом планарного процесса. Металлизация обычно выполняется путем кратковременного нагрева в атмосфере инертного-газа, как правило, в течение не более 10 мин при температуре порядка 500°С.

Неприятные явления в соедини-• тельной металлизации могут возникать в интегральных схемах, когда для соединения элементов используются два активных разнородных металла. На границе раздела раз-