Анализ путей повышения качества и надежности существующих конструкций и технологии изготовления тонкопленочных ИС с резистивными элементами

Размещено на http://www.allbest.ru/

анализ путей повышения качества и надежности существующих конструкций и технологии изготовления тонкопленочных ис с резистивными элементами



Одним из основных показателей качества элементов и устройств РЭА является их надежность.

На рис. 1.1 приведена схема взаимодействия основных факторов, и технические характеристики основных элементов тонкопленочных ИС для ГИС и МСБ СВЧ и НЧ диапазонов, определяющие их качество и надежность.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Основные факторы и технические характеристики элементов тонкопленочных ИС, определяющие качество и надежность изделий

Кроме факторов, указанных на рис 1.1 на надежность ИС существенно влияют также адгезия МПЛ и проводников ИС НЧ диапазона к подложке, а также термическая устойчивость многослойных структур путем взаимной диффузии атомов и отсутствие электромиграции атомов по подложке, приводящей к электрическому замыканию проводящих структур.

Известно, что надежность любого элемента закладывается при конструировании, обеспечивается при изготовлении и поддерживается в эксплуатации. Поэтому необходимо придерживаться следующих основных принципов создания высоконадежных элементов ИС:

1) при испытаниях новых изделий проводить физический анализ причин и механизмов отказов элементов ИС, результаты анализа учитывать при проектировании;

2) при разработке электронных элементов закладывать новые совершенные методы проектирования и технологические процессы изготовления с использованием высококачественных материалов и современного оборудования, обеспечивающие повышенную надежность;

3) показатели надежности ИС корреляционно связаны с показателями выхода годной продукции, поэтому при разработке конструкции и технологии изготовления ИС, а также методов их расчета и контроля точности ТП необходимо обеспечивать высокую воспроизводимость электрических параметров и вероятность выхода годных изделий;

4) постоянный статистический контроль и управление процессом производства на всех стадиях - одно из важнейших средств достижения качества и надежности.

Исследования потерь энергии в многослойных микрополосковых структурах, обеспечивающих высокую надежность, а также вопросы проектирования и технологии резистивных микрополосковых нагрузок с повышенной мощностью рассеяния подробно рассмотрены в работах [19, 7].

В последующих разделах настоящей главы рассматривается актуальность основных конструкторско-технологических проблем создания высоконадежных тонкопленочных ИС с резистивными элементами, качество которых существенно зависит от метода автоматизированного проектирования тонкопленочных резисторов и уровня разработки автоматизированных систем статистического контроля, анализа и управления технологическими процессами их изготовления.



1. Элементы конструкции ИС, основные технологические маршруты изготовления ИС и пути их совершенствования

ИС СВЧ состоят в основном из отрезков МПЛ, согласованных резистивных нагрузок и резистивных элементов, расположенных на диэлектрических подложках. Основными элементами ИС НЧ диапазона являются резисторы и проводники. Свойства элементов ИС существенно зависят от технологии их изготовления. Большое значение имеет выбор маршрута изготовления платы, от которого зависят потери энергии и коррозионная стойкость полосковых и проводниковых структур, надежность работы резисторов при импульсной нагрузке, величина удельного переходного сопротивления контактов резистивных элементов и многие другие параметры. Кроме того, выбор технологического маршрута на конкретном предприятии часто зависит от его технологических возможностей.

ИС должны обеспечить высокую надежность ГИС и МСБ в целом при проведении сборочных операций и в процессе эксплуатации или при длительном хранении изделий.

К настоящему времени достигнут высокий уровень технологий, базирующихся на оборудовании и процессах, осуществляющих флюсовую сборку ГИС и МСБ на тонкопленочных платах [12]. Однако использование флюсов, особенно на заключительных сборочных операциях, провоцирует коррозионные процессы в герметичных микросборках и модулях, что приводит к деградации электрических характеристик, к выходу из строя активных и пассивных элементов микрополосковых плат при эксплуатации или длительном хранении [12, 13, 14].

Вследствие этого в настоящее время перспективны процессы бесфлюсовой сборки [12]. Надежная бесфлюсовая сборка навесных компонентов на лицевой стороне микроплат реализуется для структуры Cr-Cuв-Cuг-Niг-Auг при температуре до 350єС и кратковременном отжиге до 3 мин при температуре 420єС [12]. Эта структура также обеспечивает качественную пайку на основе олова и свинца, так как слой никеля сохраняет слой меди при выполнении паяных соединений и пайке микроплат на металлическое основание. При размерах микроплат более 12X12 мм бесфлюсовая сборка плат на металлические основания, например с использованием золото-германиевой эвтектики, приводит к их растрескиванию вследствие повышенных напряжений в паяном шве. Поэтому полностью уйти от пайки плат с применением флюсов оказывается невозможным и требование к коррозионной стойкости проводниковых элементов микрополосковых плат является одним из важных.

Существует большое количество маршрутов изготовления микроплат с проводниковыми и резистивными элементами, разработанные различными авторами [2, 3, 12, 15, 16].

По мере разработки маршрутных технологических процессов осуществлялось их внедрение на различных предприятиях отечественной промышленности. Многообразие конструктивно-технологических вариантов изготовления тонкопленочных плат дает возможность конструктору выбирать технологию изготовления в зависимости от технических требований к платам. Однако при этом могут возникнуть затруднения при внедрении технологии на серийные заводы.

Выбор маршрута изготовления ИС с резисторами должен основываться на анализе комплекса конструкторско-технологических требований для обеспечения необходимых свойств: конструктивных особенностей платы и ее элементов, уровня потерь энергии, коррозионной стойкости полосковых линий и проводников, величины импульсной мощности согласованных нагрузок, стабильности резистивных элементов, точности изготовления элементов, а также трудоемкости. Для специальной аппаратуры большое значение имеет обеспечение высокой надежности при жестких условиях эксплуатации.

В работах [1, 2] приведены классификации маршрутных технологических процессов МПП по конструктивному признаку в зависимости от типа пленочных элементов на плате.

1. Изготовление плат, содержащих проводники.

2. Изготовление плат, содержащих проводники и резисторы.

3. Изготовление плат, содержащих проводники, резисторы и конденсаторы.

Последний маршрут в настоящее время не применяется из-за низкой надежности и высокой трудоемкости плат, содержащих тонкопленочные конденсаторы.

При изготовлении плат, содержащих проводники и резисторы, применяется «совмещенная» и «раздельная» технологии. В первом случае резисторы и проводники напыляют в одном вакуумном цикле, а во втором сначала напыляют резистивный слой, а затем, после формирования рисунка из резистивного слоя, формируют проводники. Второй вариант является более предпочтительным для ИС СВЧ, так как в этом случае уменьшаются потери на СВЧ вследствие отсутствия резистивного слоя под полоской.

Укрупненные структурные схемы существующих основных маршрутов формирования МПЛ. имеющих структуру V-Cuв-Cuг-Niг-Auг на платах ГИС СВЧ представлены на рисунках 1.2 - 1.5.

Аналогичные маршруты применяются и для изготовления проводников ИС НЧ диапазона. Однако в этом случае толщина гальванически осажденной меди может быть значительно тоньше.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Технологический маршрут 1 изготовления МПЛ гальваническим осаждением проводящих слоев с использованием сварных технологических перемычек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.3. Технологический маршрут 2 изготовления МПЛ гальваническим осаждением проводящих слоев с применением пленочных технологических перемычек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4. Технологический маршрут 3 изготовления МПЛ гальваническим осаждением проводящих слоев по подслою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5. Технологический маршрут 4 изготовления МПЛ гальваническим осаждением проводящих слоев в окна фоторезиста

Маршруты 1-4 отличаются способом обеспечения электрической связи между полосками МПЛ при гальваническом осаждении металлических слоев.

Особенность маршрута 1 заключается в том, что электрическая связь между полосками при гальваническом осаждении металлов осуществляется с помощью сварных медных перемычек.

Во втором маршруте электрическая связь между полосками осуществляется с помощью пленочных перемычек, имеющих структуру слоев V-Cuв-Cuг-Niг-Auг, то есть такую же, как и полоски МПЛ. Поэтому операция надежной защиты полосок МПЛ фоторезистом и последующее травление «толстых» технологических перемычек является трудоемкой и требует ретуши полосок МПЛ.

В третьем маршруте электрическая связь между полосками обеспечивается проводимостью подслоя. Однако очень трудно подобрать режимы осаждения слоев металлов для исключения их осаждения на подслой. Поэтому часто при изготовлении МПЛ по этому маршруту применяют подслой из хрома [17], что приводит к увеличению переходных сопротивлений контактов при «раздельной» технологии (см. раздел 2.3).

В четвертом маршруте электрическая связь между полосками осуществляется с помощью тонкого слоя вакуумной меди.

В маршрутах, приведенных на рисунках 1.2, 1.3, появляется «оголенная» медь после удаления или травления технологических проводников, а в маршруте, приведенном рис. 1.5, все МПЛ имеют поясок из меди на толщине равной сумме толщин вакуумной меди и фоторезистивной маски. Маршрут, приведенный на рис. 1.4 обеспечивает более полную защиту меди от коррозии, однако в этом случае появляется зависимость равномерности толщины слоев от геометрии и насыщенности рисунка и требуется введение операции «зачистки» резисторов в результате осаждения металлов на резистивном слое.

При изготовлении МПЛ по маршрутам 1, 3 необходимо напылять «толстую» медь для обеспечения достаточно высокой равномерности медного слоя по толщине.

Из анализа существующих маршрутных ТП следует необходимость их конструкторско-технологической унификации при обеспечении необходимого уровня надежности и высоких электрических характеристик. Поскольку маршрут изготовления микрополосковой платы зависит от ее конструкции то важно разработать многослойную структуру проводников МПЛ и ограничить количество применяемых резистивных материалов и номиналов резистивных слоев. Важны также работы по созданию маршрутов изготовления МПП, обеспечивающих надежную защиту медного проводника от воздействий окружающей среды при сохранении высокой равномерности медного слоя по толщине.

Проведенный анализ позволяет выбрать технологию раздельного формирования резистивных и проводящих слоев, а в качестве основной - структуру проводниковых слоев на основе меди никеля и золота: Cr (V)-Cu-Ni-Au, так как она обеспечивает надежную бесфлюсовую сборку и пайку навесных компонентов.

Для этой структуры необходимо выбрать материал подслоя для обеспечения малых переходных сопротивлений контактов с резистивным слоем, толщины и технологию изготовления слоев меди, никеля и золота для получения малых потерь энергии в МПЛ для дециметрового диапазона.

Выбор резистивного материала и маршрута изготовления плат с резисторами должен определяться не только получением резисторов заданного номинала и стабильности, но и из необходимости обеспечения надежной работы при импульсном режиме.

1.2 Надежность ИС и пути ее повышения

Надежность выросла в последние годы в одну из центральных проблем электроники. Постоянное усложнение радиоэлектронных устройств и систем требует все большего увеличения надежности. Если раньше усилия направлялись на увеличение надежности элементов, то в последнее время с увеличением степени интеграции большое внимание уделяется надежности интегральных схем.

интегральный схема тонкопленочный резистивный

1.2.1 Влияние конструктивно-технологических факторов на надежность и коэффициент выхода годных тонкопленочных интегральных схем с резистивными структурами

Известно, что показатели надежности интегральных схем корреляционно связаны с показателями выхода годной продукции. При этом как надежность, так и выход годных изделий зависят от качества конструирования, качества технологии, технологических запасов, методов оценки качества и отбраковки (вероятности принятия ошибочных решений при отбраковке) [3].

При конструировании важно правильно выбрать материалы, технологию изготовления, рассчитать технологически обоснованные допуски и выбрать методику расчета. Совершенствование технологии и методов контроля способствует повышению выхода годных при заданных допусках на параметры, позволяет устанавливать более жесткие допуски при сохранении коэффициента выхода годных на прежнем уровне и повысить за счет этого надежность или одновременно увеличить как выход годных, так и надежность.

С развитием микроэлектроники и повышением надежности РЭА сам процесс исследования надежности с целью определения вероятности безотказной работы или интенсивности отказов становится чрезвычайно трудоемким ввиду обеспечения огромного объема эксперимента.

Одним из путей решения этой проблемы может быть метод оценки надежности РЭА и ее элементов по статистике рекламаций [18].

Реальный и наиболее эффективный путь преодоления этих трудностей заключается в физическом анализе причин и механизмов отказов «ненадежных элементов» ИС.

Данные по характеристикам надежности ГИС и МСБ, основой которых являются ИС с резистивными элементами, в научно-технической литературе отсутствуют. По-видимому, это связано с большой номенклатурой этих изделий и малым объемом выпуска, что ставит под сомнение экономическую целесообразность оценки показателей надежности изделий каждого типа. В тоже время интегральные методы изготовления, тесная взаимосвязь параметров элементов позволяют рекомендовать следующий эффективный подход к оценке показателей надежности ИС [3]:

1. По результатам испытаний элементов в составе тестовых ИС.

2. По установленной связи выхода годных ИС с их надежностью.

Однако подтверждением оценок уровня надежности изделия каким-либо способом может быть только эксплуатация изделия в реальных условиях на объекте.

В работе [12] исследована надежность элементов микрополосковых плат, изготовленных по разработанной авторами технологии. Проведено исследование прочности сварных соединений золотой проволоки к контактным площадкам платы, временной стабильности резистивных слоев из нитрида тантала, надежности планарных перемычек в мостах Ланге и надежности металлизированных отверстий.

Надежность элементов микроплат оценивалась по результатам климатических и механических испытаний. Разработанная авторами работы [12] технология МПП, позволила увеличить выход годных микрополосковых плат с 6 до 65 %.

На основании положительных результатов испытаний элементов МПП, а также высоких значений выхода годных микроплат и апробации МПП при эксплуатации изделий на протяжении 10-15 лет авторы сделали вывод о высокой надежности ГИС СВЧ, изготовленных по разработанной технологии.

1.2.2 Обеспечение временной и температурной стабильности работы прецизионных тонкопленочных резисторов

Для создания высокостабильных прецизионных тонкопленочных резисторов (ТПР) при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев ИС необходимо решение комплекса проблем:

1) выбрать материалы контактов и разработать технологию изготовления резисторов, обеспечивающую малые переходные сопротивления контактов;

2) разработать методику расчета резисторов с учетом сопротивления контактов;

3) определить минимальные размеры резисторов, обеспечивающие их изготовление с заданной точностью;

4) разработать способы доводки резисторов не ухудшающие их стабильность после доводки;

5) разработать конструкции пленочных подгоняемых резисторов или обеспечить запас по ширине при конструктивном расчете для необходимого уровня надежности после подгонки.

В работе 4 для уменьшения контактного сопротивления рекомендуется технология изготовления тонкопленочных резисторов без съема вакуума после напыления резистивных пленок («совмещенная технология»).

Однако «совмещенная технология» не обеспечивает высокую точность резисторов при изготовлении СВЧ ИС и увеличивает потери на сверхвысоких частотах вследствие наличия резистивного слоя под полоской 19.

Поэтому в настоящее время в производстве тонкопленочных ИС чаще применяют технологию изготовления резисторов со съемом вакуума после напыления резистивных пленок («раздельная технология»). При этом после напыления резистивного слоя делают фотолитографию по резистивному слою, а затем изготавливают рисунок проводящего слоя.

1.2.2.1 Электрическое сопротивление контакта

При «раздельной технологии» контакт во многом определяет надежность тонкопленочного резистора, так как он представляет соединение различных по свойствам пленочных слоев в виде перекрытия контуров резистивного и проводящего слоя изготавливаемых на разных операциях. Неравномерное распределение плотности тока по площади контакта может привести к перегреву отдельных участков, изменению электрических характеристик контакта и отказу резистора. Кроме того, от электрических характеристик контакта - электрического сопротивления, температурной и временной нестабильности во многом зависят аналогичные характеристики резистивного элемента в целом. Величина переходного сопротивления контактов накладывает ограничения на уменьшение размеров резисторов, а также существенно влияет на коэффициент выхода годных ИС с резистивными элементами [4, 20]. Поэтому исследование характеристик тонкопленочного контакта всегда было и остается актуальным в настоящее время.

Сопротивление контактного узла является составляющей полного сопротивления резистора и в общем случае состоит из сопротивления металлизации, переходного слоя и резистивного слоя, находящегося под металлизацией. Металлизация контакта имеет двухслойную или трехслойную структуру и, как правило, содержит адгезионный подслой из хрома, нихрома, ванадия, титана, тантала и др. материалов. При прочих равных условиях, величина контактного сопротивления существенно зависит от последовательности формирования резистивного и проводникового слоев. При изготовлении ИС по «совмещенной технологии» резистивный слой, например, из хрома, нихрома, тантала и др. материалов может одновременно являться и подслоем. При изготовлении ИС по «раздельной технологии» сначала формируют резистивный слой, а затем проводниковый слой с подслоем. Очевидно, что сопротивление переходного слоя во втором случае может быть существенно больше.

Теоретические исследования контактных сопротивлений. В основном все опубликованные теоретические исследования построены на математических расчетах и анализе плоских моделей, представленных в работах [21-26]. В этих работах рассматриваются процессы, происходящие в контактном узле в основном для одномерной модели по длине контакта. Не приводятся результаты исследований о распределении тока, потенциала и мощности рассеяния по объему, по толщине контактного и резистивного слоя и, в частности, в области переходного слоя контактного узла. Одномерные модели контакта не позволяют оценить составляющие контактного сопротивления. Однако плоская модель контакта с достаточной на практике точностью может быть применимой в случае равномерного распределения плотности тока и потенциала по проводящему слою контактной площадки, что выполняется для резисторов тонкопленочных ИС при толщинах меди более1 - 2 мкм.

Теоретические исследования, опубликованные в работе [26], позволяют устранить эти недостатки: количественно оценить составляющие электрического сопротивления контактного узла, распределение токов и потенциалов с точным указанием наиболее нагруженных, а значит, наиболее нестабильных и ненадежных мест. Рекомендации этих исследований позволяют произвести оценку конструкции и технологии при проектировании особостабильных тонкопленочных резисторов с малыми размерами контактов. Модель, исследованная в этой работе, предполагает наличие точечного контакта проволочного вывода резистивного элемента и конечной проводимости проводящего слоя контактной площадки.

Теоретические модели контакта позволяют рассчитать контактные сопротивления. Наиболее точные методы расчета контактного сопротивления основаны на численных методах решения и не имеют аналитического выражения [26]. Для практических приложений целесообразно иметь формулы для расчета величины сопротивления контактов.

Расчет контактных сопротивлений. Формулы расчета сопротивлений участков контактного сопротивления для модели конструкции контакта, полученного травлением проводникового и адгезионного слоев тонкопленочного резистора при разном угле клина травления , приведены в таблице 1.2 [27].

В табл. 1.2 , , - удельное поверхностное сопротивление и толщина резистивного, адгезионного и проводящего слоев соответственно; - ширина резистора.

Таблица 1.2

Формулы для расчета участков контактного сопротивления

Наименование параметра	<	<
Сопротивление резистивного участка
Сопротивление участка адгезионного слоя
Сопротивление участка проводящего слоя

Общее контактное сопротивление рассчитывается по формуле:

. (1.1)



К недостаткам этой формулы относится необходимость трудоемких прямых измерений большого количества конструктивно-технологических параметров (толщин и удельных поверхностных сопротивлений трех слоев и угла клина травления) для вычисления контактного сопротивления. Поэтому оперативный контроль качества технологии по величинам контактных сопротивлений оказывается практически невозможным. Кроме того, предложенная модель предполагает ступенчатое изменение проводимости между слоями. На практике при раздельном формировании резистивного и проводникового слоев между резистивным и проводниковым слоем существует переходной слой вследствие, например, окислительных процессов, взаимной диффузии материалов слоев [25] или осаждения химических элементов при межоперационной обработке подложек с резистивным слоем перед напылением проводящего слоя. Так при обработке в хромовой смеси, возможно, осаждение хрома, что может повлиять на величину контактного сопротивления [28]. Между адгезионным и проводящим слоями, например, в структуре хром-медь также имеется переходной слой толщиной до 2 мкм следствие взаимной диффузии атомов меди и хрома [29], а при напылении структуры ванадий медь для обеспечения адгезии меди к ванадию в течение около 30 сек проводится совместное напыление ванадия и меди [17]. По этим же причинам переходные слои существуют и при напылении всех слоев в одном вакуумном цикле, но с существенно меньшим переходным сопротивлением. Модель не учитывает, что толщины резистивных и адгезионных слоев сравнимы с высотой неровностей, что приводит к увеличению длины пути тока, проходящего по участкам резистивного и адгезионного слоев в зоне контакта. Наконец, модель, предложенная автором работы [27], не учитывает влияние технологии формирования контактов на величину контактного сопротивления. Это имеет существенное значение при «раздельной технологии», когда на величину контактного сопротивления может существенно повлиять технология удаления фоторезиста с резистивного слоя и технология межоперационной обработки рисунка резистивного слоя: состав раствора, температура и время обработки [17, 30]. Такими же недостатками обладает модель, предложенная в работе [26]. Поэтому эти модели при допущении отсутствия переходных слоев могут быть справедливыми для совмещенной технологии изготовления ТПР. Однако даже при отсутствии адгезионного подслоя переходной слой между резистивным и проводящим слоем может повлиять на величину сопротивления контакта [25].

Резистивные элементы высоконадежных ИС СВЧ и НЧ диапазонов, имеющих структуру V-Cu-Ni-Au, изготавливают по «раздельной» технологии, при этом проводниковый слой на основе меди имеет толщину 2-15 мкм, при которой удельное поверхностное сопротивление проводящего слоя на постоянном токе составляет 0,001-0,005 Ом/кв. Длина и ширина резисторов на подложках из Ситалла не менее 0,1 мм, а на поликоре - 0,2 мм. При таких геометрических параметрах и удельном поверхностном сопротивлении, сопротивление участка проводящего слоя =0,0002-0,001 Ом и его можно не учитывать. В этом случае поверхность проводящего слоя контакта будет эквипотенциальной и для расчета сопротивления контакта справедлива плоская одномерная модель контакта Ермолаева Ю.П., в которой ток, проходя по резистивному слою, перетекает в проводящий слой, преодолевая переходное сопротивление между резистивной и проводящей пленками [25]. Для этой модели в переходной слой можно включить переходной слой между резистивной и адгезионной пленками, адгезионный подслой и переходной слой между адгезионным и проводящим слоями. Следовательно, удельное значение переходного сопротивления току, протекающему через переходной слой, будет зависеть от материалов резистивного адгезионного и проводникового слоев и технологии их формирования, а также шероховатости поверхности подложки, что невозможно оценить при использовании других моделей.

Сопротивление одного контакта при использовании плоской модели Ермолаева Ю.П. можно рассчитать по формуле:

, (1.2)

где - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки; - удельное переходное сопротивление контакта; - ширина резистора; - длина перекрытия между резистивной и проводящей пленками.

В этой модели контактное сопротивление определяется тремя параметрами. Удельное поверхностное сопротивление и ширину резистора легко измерить, а удельное переходное сопротивление контактов можно определить путем измерения контактного сопротивления.

Важно отметить, что в отличие от величины контактного сопротивления, которое при заданных материалах и технологии изготовления зависит от ширины резисторов, величина удельного переходного сопротивления контактов для групповой технологии изготовления ИС является в среднем одинаковой для всех резисторов, изготавливаемых по отработанной технологии при выбранных материалах резистивного и проводящего слоев. Величину необходимо учитывать при конструктивном расчете резисторов [17, 31]. Кроме того, при большой величине возможно ухудшение адгезии проводников МПЛ к подложке [7, 17].

Поэтому для установившейся в серийном производстве технологии изготовления тонкопленочных ИС с резистивными элементами величина удельного переходного сопротивления контактов может служить одной из важных характеристик качества технологии и эту характеристику необходимо контролировать и поддерживать на оптимальном уровне.

Погрешность, вносимая контактным сопротивлением в общую погрешность при изготовлении резисторов. При изготовлении ТПР возникают производственные погрешности его конструктивно-технологических параметров (удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки, длины, ширины и контактных сопротивлений).

В работе [27] проведена оценка систематической и случайной погрешностей контактного сопротивления при напылении резистивного и проводящего слоев без подслоя в одном технологическом цикле.

Относительную систематическую погрешность контактного сопротивления предлагается оценивать по формуле:

, (1.3)

где ; - эквивалентная длина резистивного слоя под контактом; - толщина резистивного слоя; - длина резистора.

Считается, что случайная погрешность, вносимая контактным сопротивлением , будет определяться в основном случайной погрешностью длины резистора:

. (1.4)

Из этих формул автор делает выводы, что систематическую погрешность имеет смысл учитывать при проектировании, если величина , т. е. при , а случайную погрешность можно не учитывать при проектировании ТПР, если , что практически всегда выполняется.

Однако эти выводы могут быть справедливы в рамках рассматриваемой автором модели при совмещенной технологии изготовления ТПР, при отсутствии погрешности толщины резистивной пленки. При раздельном формировании резистивного и проводящего слоев возникают не только погрешности длины, но и погрешности удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки, а также погрешность удельного переходного сопротивления контактов. Поэтому при конструктивном расчете резисторов необходимо учитывать как систематическую, так и случайную составляющую контактного сопротивления. Для этого необходимо иметь экспериментальные зависимости производственной погрешности контактных сопротивлений от конструктивно-технологических факторов.

Далее из формул (1.3), (1.4) автор работы [27] объясняет трудность экспериментального определения контактного сопротивления, так как для того чтобы сопротивление ТПР было чувствительно к контактному сопротивлению, необходимо уменьшать длину ТПР. Однако при этом резко возрастает погрешность длины и для экспериментального измерения контактного сопротивления необходимо формирование длины ТПР не более 33 нм с погрешностью не более 10 %, т. е. ±4 нм, что практически неосуществимо.

Решение этой проблемы было бы возможным, если установлена связь между величиной контактного сопротивления и погрешностью длины и известна погрешность длины.

Способы измерения и определения контактных сопротивлений. Известные способы измерения контактных сопротивлений основаны на пропускании тока через контакт и измерении падения напряжения на контакте [22, 32-35].

В работе [33] для измерения контактного сопротивления используют два последовательно соединенных резистора с одной общей контактной площадкой. Через один резистор пропускается стабильный ток , а на другом резисторе измеряется падение напряжения . Контактное сопротивление определяется расчетом по формуле . При этом способе возникает ошибка измерения контактного сопротивления, так как измеренное напряжение не будет равно падению напряжения на сопротивлении контакта.

Для повышения точности измерений автор работы [35] при сохранении схемы измерений предлагает определять контактное сопротивление по формуле , где - коэффициент, обратный коэффициенту цепочечной матрицы, полученной в результате электрического моделирования контактной области.

Известные способы измерения контактных сопротивлений с помощью двойного моста Кельвина, при котором резистор включается по четырехпроводной схеме: два вывода токовые, а два - потенциальные [32, 34] сложно использовать для тонкопленочных резисторов из-за их конструктивных особенностей.

Наиболее точные измерения контактного сопротивления можно получить с помощью трехзондового метода измерений, при котором потенциал измеряется вблизи контакта [22, 36]. Однако этот способ сложен в исполнении, и его невозможно использовать при наличии на резисторе защитной или окисной пленки.

Наиболее распространенный способ определения контактного сопротивления заключается в измерении сопротивлений двух последовательно соединенных резисторов с одной общей контактной площадкой, одинаковой ширины, но разной длины и последующем расчете контактного сопротивления по формуле [4, 22, 32, 37-39]:

, (1.5)

где , - сопротивления резисторов; , - длины резисторов.

Погрешность определения контактного сопротивления по формуле (1.5) зависит в основном от точности измерения длин, так как эта формула выводится в предположении, что рядом расположенные резисторы имеют одинаковую ширину, удельное поверхностное сопротивления и сопротивления контактов. В большинстве случаев эта формула дает приемлемые результаты [39].

Существенным недостатком этого способа является необходимость точного измерения длин резисторов, что при применении оптических методов измерений является достаточно трудоемкой операцией и не всегда возможно. Например, при изготовлении проводниковых слоев методом гальванического осаждения границы контактов не видно из-за разрастания проводника, а при травлении проводниковых слоев физическая граница контактов может быть определена с некоторым приближением из-за неровности краев.

Таким образом, анализ научно-технической литературы по вопросам теории и способам измерения или определения контактных сопротивлений, а также необходимости их учета при проектировании тонкопленочных резисторов позволяет сделать следующее заключение.

1. В литературе отсутствуют в достаточно полной мере сведения, касающиеся влияния технологии и материалов контактов на величину контактных сопротивлений при раздельном формировании резистивных и проводящих пленок.

2. Нет рекомендаций по выбору модели контакта для оценки качества технологических процессов.

3. Существующие способы определения контактных сопротивлений, основанные на измерении сопротивлений и длин резисторов, являются трудоемкими и не всегда применимы.

4. Отсутствуют данные по статистическим характеристикам контактных сопротивлений для различных материалов резистивных слоев, включающие систематическую и случайную составляющие погрешностей и методика их определения.

5. Для случайной составляющей производственной погрешности переходных сопротивлений контактов не получены формулы в зависимости от конструктивно-технологических факторов.

6. Считается, что случайную погрешность, вносимую контактными сопротивлениями, трудно определить и ее можно не учитывать.



1.2.2.2 Способы подгонки, обеспечивающие стабильность тонкопленочных резисторов

В тонкопленочной технологии широко применяются различные методы подгонки для получения необходимой точности резисторов 40-45.

Однако доводка резисторов, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения их сопротивления, как правило, ухудшает их стабильность 42-44. Необратимые изменения сопротивления резисторов, после их подгонки, могут достигать нескольких процентов.

Считается, что при подгонке резисторов в сторону увеличения их сопротивлений путем удаления резистивной пленки стабильность резисторов ухудшается вследствие обнажения резистивной пленки и изменения структуры пленки [42].

В работе [40] приводится способ подгонки с применением механического резца из твердого сплава, приводимого в действие генератором ГЗ-56/1 с ультразвуковой частотой 40-100 кГц.

Сначала производится предварительная подгонка резисторов с точностью ниже требуемой. В результате этой подгонки резцом удаляется наибольший участок резистивной пленки (до 30 %). Затем производится термообработка в сушильном шкафу при температуре 150±10єС в течение 100 ч. После термообработки производится окончательная подгонка резисторов до требуемой точности. В результате этой подгонки удаляется незначительный участок резистивной пленки. Поэтому нестабильность резистора, вызванная окончательной подгонкой, очень мала.

К недостаткам этого способа относится большая трудоемкость процесса, невозможность автоматизации и сложность подгонки резисторов с малыми размерами, так как резец имеет величину острия 30-40 мкм.

Поэтому на практике широко применяются лазерные методы подгонки [42], среди которых наиболее совершенным является способ подгонки, предложенный авторами патента [41]. В качестве прототипа авторы этого способа взяли способ, предложенный авторами работы [45], недостаток которого заключается в том, что при настройке лазера не учитывают наличие по периферии пятна луча зоны с пониженной температурой, в которой материал резистивной пленки не испаряется, а проходит термообработку, ухудшая температурную и временную стабильность ТПР. Сущность способа [41] заключается в диафрагмировании лазерного луча, которое позволяет ограничивать пятно на обрабатываемой поверхности до размеров зоны испарения.

Однако без дополнительной длительной термообработки в этом способе, как и в других способах лазерной доводки, имеет место нестабильность ТПР.

Таким образом, существующие способы подгонки, как правило, ухудшают стабильность ТПР или требуют длительной температурной обработки и сложного оборудования.

1.2.3 Надежность проводников ИС с многослойными структурами

Надежность тонкопленочных микрополосковых многослойных линий передач определяется следующими основными факторами:

1) адгезией проводника к подложке;

2) коррозионной стойкостью полосок к воздействию агрессивных сред в процессе изготовления и эксплуатации;

3) диффузионными процессами в многослойных структурах;

Адгезия проводника к подложке. При качественной очистке подложек адгезия многослойного проводника к подложке существенно зависит от материала подслоя и его толщины. В качестве материала подслоя рекомендуются применять хром, ванадий, нихром, титан, тантал [2]. Однако при серийном изготовлении чаще всего применяется хром и ванадий.

Считается, что для высоконадежных ГИС уровень адгезии проводника к подложке должен быть не менее 270-300 кг/см2 [2, 12]. Для подслоя из хрома высокий уровень адгезии обеспечивается при толщинах соответствующих удельному поверхностному сопротивлению в диапазоне 100±30 Ом/кв. [12]. Для подслоя из титана высокий уровень адгезии обеспечивается при толщинах соответствующих удельному поверхностному сопротивлению в диапазоне 200±50 Ом/кв. [46]. Технология нанесения остальных слоев должна обеспечивать минимальные внутренние напряжения в пленках, так как при увеличении напряжений в пленках происходит снижении адгезии проводника [46]. В литературе отсутствуют сведения о толщинах пленки ванадия, при которых обеспечивается приемлемый уровень адгезии, но считается, что по сравнению с подслоем из хрома, величина относительного усилия отрыва проводника с подслоем из ванадия на 30 % меньше [2]. Однако подслой из ванадия, по сравнению с подслоем из хрома, при раздельном формировании резистивных и проводниковых слоев обеспечивает существенно меньшие переходные сопротивления контактов [30].

Коррозионная стойкость полосок. В литературе отмечается необходимость применения антикоррозионного защитного покрытия МПЛ при жестких условиях эксплуатации, а также для обеспечения возможности применения монтажно-сборочных операций с применением флюсов [12, 13]. Однако, как уже указывалось в разделе 1.1. существующие технологические процессы не обеспечивают стопроцентную защиту меди от внешних воздействий.

Диффузионные процессы в многослойных структурах. Взаимная диффузия атомов слоев может привести к снижению прочности сварных термокомпрессионных соединений, а также к увеличению потерь и разброса коэффициента затухания [12]. К такому выводу авторы этой работы пришли в результате исследования диффузионных процессов и элементного состава поверхности в системе: Crв-Cuв-Cuг-Niг-Aг. Показано, что при толщине никеля 0,6-0,8 мкм и золота 3 мкм эта структура является стабильной при температуре отжига до 330єС в течение 10 мин, при этом уровень потерь остается неизменным и обеспечивается удовлетворительная прочность сварных и паяных соединений.

В работе [47] показано, что длительные термические воздействия в диапазоне 100-600єС не оказывают существенного влияния на электрические свойства пленочных структур Cr-Cu, V-Cu.

Поэтому из анализа литературы можно сделать вывод, что система Cr (V)- -Cuв-Cuг-Niг-Aг при толщинах никеля более 0,6-0,8 мкм и золота 3 мкм обеспечивает высокую надежность СВЧ-устройств вследствие практически отсутствия атомов меди в слое золота, что может привести к отказам из-за увеличения потерь энергии и нарушения сварных соединений.

1.3 Тестовые структуры и математические модели для автоматизации процессов проектирования, контроля качества и управления технологическими процессами изготовления компонентов ИС

Из всевозможных направлений работ по решению проблем обеспечения качества и надежности изделий микроэлектроники можно выделить следующие:

- разработка методов и систем оптимизации конструкторско-технологических решений на ранних этапах разработки изделия;

- разработка автоматизированных систем контроля качества, анализа и управления качеством ТП и изготавливаемой по этому процессу продукции [3].

Успешное решение задач по указанным направлениям может быть обеспечено применением такого универсального инструмента получения информации о качестве изделия и процесса его изготовления, каким является тестовая структура (схема) [3, 48].

1.3.1 Тестовые структуры для анализа конструкторско-технологических решений

Тестовая структура (ТС) позволяет получать информацию о параметрах изделий, параметрах их структуры, о закономерностях распределения этих параметров и изменений их в зависимости от ряда факторов - технологических, конструктивных, эксплуатационных. Элементами тестовой структуры могут быть резисторы, конденсаторы, проводники, транзисторы, геометрические фигуры, выполненные в отдельных слоях и т. п.

Разработка ТС предполагает решение следующих задач [3]:

- определение содержания и формы представления получаемой информации;

- разработка основ методики получения требуемой информации;

- выбор метода измерения параметров ТС и измерительного оборудования;

- выбор номенклатуры элементов ТС;

- разработка конструкции элементов, входящих в ТС;

- определение числа однотипных элементов в ТС;

- выбор способа размещения и соединения элементов.

Опыт применения, и конструкции отдельных ТС рассмотрены в работах [3, 49-51].

Для оценки погрешностей геометрических размеров и удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки при изготовлении ИС с резистивными элементами применялась тестовая структура, состоящая из трех резисторов с разным соотношением длины и ширины: >>. При этом как для МПЛ, так и для резистивных элементов требуемую информацию получают по результатам электрических измерений сопротивлений элементов ТС, что является крайне важным для автоматизации процесса контроля [3, 5, 51].

1.3.2 Классификация и области применения моделей

В современной микроэлектронике на всех этапах проектирования и производства широко применяются математические методы анализа и синтеза ИС и их элементов с применением вычислительной техники. Использование этих методов предполагает разработку математических моделей, позволяющих автоматизировать процессы проектирования, контроля качества и управления ТП изготовления элементов ИС.

Применение математического моделирования с использованием персональных компьютеров значительно уменьшает время и стоимость разработки ИС при одновременном повышении ее качества.

Эффективность систем автоматизированного проектирования и управления ТП зависит от состава и точности математических моделей, степень совершенства которых в значительной мере определяет как достоверность и точность расчетов, так и затраты машинного времени на их проведение.

Математические модели в зависимости от системы исходных параметров и области применения можно подразделить на электрические, физико-топологические, технологические, стоимостные и надежностные [3]. Для автоматизации процессов проектирования и управления ТП изготовления резистивных элементов ИС важнейшими являются физико-топологические модели резистивных элементов ИС, в которых исходными данными являются геометрические (топологические) формы и размеры элементов, и электрофизические характеристики резистивных материалов (слоев) элементов ИС. Использование этих моделей при проектировании и управлении ТП изготовления ИС с резистивными элементами позволяет существенно повысить выход годных, а, следовательно, и надежность ИС. Поэтому разработка новых математических моделей для различных областей применения и их совершенствование является весьма актуальной проблемой.

1.3.3 Математические модели тонкопленочных резистивных структур и методы расчета тонкопленочных резисторов

Одной из актуальных конструкторско-технологических проблем тонкопленочных ИС с резистивными элементами является повышение качества и процента выхода годных ТПР. Основными электрическими параметрами ТПР являются: номинальное сопротивление резистора, отклонение сопротивления от номинального значения и температурный коэффициент сопротивления [9]. Обеспечение этих параметров в процессе производства зависит не только от технологии изготовления ТПР, но и от метода их конструктивного расчета, включая выбор конструкционных материалов. Для попадания величины сопротивления резистора в заданное поле допуска при изготовлении и сохранения величины сопротивления в условиях эксплуатации при расчете резисторов необходимо учитывать реальные величины производственных погрешностей КТП резисторов и, в зависимости от требуемой точности, различные факторы, влияющие на отклонение сопротивления ТПР от номинального значения.

В работе [9] приведены методики конструктивного расчета высокостабильных прецизионных ТПР с допустимыми отклонениями от номинального значения от ±0,001% до ±0,05% и температурным коэффициентом сопротивления от ±1·10-6 1/°С до ±50·10-6 1/°С. При этом учитывается влияние таких факторов, как самонагрев ТПР, тензорезистивный эффект, а также влияние воздействия реальных условий эксплуатации.

При проектировании тонкопленочных резисторов для электронных средств и, в частности РЭА, в основном требуются резисторы меньшей точности, например, с допуском от ±(0,5 - 1,0) % до ±(5 - 20) %, поэтому можно не учитывать самонагрев ТПР и тензорезистивный эффект. В этом случае выход годных ИС с резистивными элементами существенно зависит от применяемой технологии и методов проектирования с использованием математических моделей различной степени точности, учитывающих влияние всех или некоторых погрешностей конструктивно-технологических параметров резистивных элементов.

В первом приближении сопротивление ТПР определяют по формуле [52]:



. (1.6)

Однако применение математической модели (1.6) при расчете резисторов с размерами элементов менее 0,1-0,2 мм приводит к значительному снижению выхода годных из-за влияния на сопротивление резистора контактных сопротивлений и производственных погрешностей геометрических размеров, а также погрешностей удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки[17, 53].

При учете контактных сопротивлений сопротивление ТПР прямоугольной формы в первом приближении определяется выражением [6, 39]:

, (1.7)

Точность расчета резисторов по этой формуле зависит от выбора математической модели контактного сопротивления и методики его определения (см. раздел 1.2.2.1). Однако эта формула не учитывает производственные погрешности геометрических размеров и удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки.

В работе [6] предложена математическая модель и методика расчета тонкопленочных резисторов с учетом погрешностей удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины резисторов, а также температурной погрешности и погрешности, обусловленной старением пленки. При этом полная относительная погрешность изготовления тонкопленочного резистора представляется в виде арифметической суммы погрешностей КТП:

, (1.8)

где , - погрешности длины и ширины резистора; - погрешность удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки; - температурная погрешность; - погрешность, обусловленная старением пленки; - погрешность переходных сопротивлений контактов. В этой работе предполагается, что погрешность переходных сопротивлений контактов имеет величину 1-2 % и ее можно не учитывать. Поэтому предлагается следующий расчет геометрических размеров для обеспечения заданной точности резисторов при их изготовлении.

При коэффициенте формы резисторов ширина резисторов, определяемая точностью изготовления:

. (1.9)

При коэффициенте формы резисторов < длина резисторов, определяемая точностью изготовления:

. (1.10)

Учет температурной погрешности и погрешности старения приводит к необоснованному увеличению размеров, так как эти погрешности характеризуют температурную и временную стабильность резистивной пленки и контактного сопротивления. Кроме того, приемка плат с резисторами осуществляется после их изготовления при нормальных условиях, а старение пленки обычно производится искусственно в процессе изготовления резисторов.

В руководящем документе РД 107.460.084.200-88 при расчете резисторов для обеспечения заданной точности при их изготовлении учитывается погрешность удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины резисторов, а контактные сопротивления, температурная погрешность и погрешность старения не учитываются. Таким образом, конструктивный расчет резисторов по этому документу проводится по формулам (1.8)-(1.10) в предположении, что .

Общий существенный недостаток этих методик заключается также в том, что при расчете длины и ширины резисторов не учитывается, что производственные погрешности КТП имеют систематическую и случайную составляющие. Кроме того, при определении относительных погрешностей изготовления резисторов производится арифметическое суммирование относительных погрешностей КТП, что приводит к необоснованно большим значениям длины и ширины при расчете их по формулам (1.9), (1.10).

Автор работы [53] считает, что математическая модель сопротивления ТПР должна содержать систематические погрешности длины и ширины , а также сопротивления электродов [54, 55]:

, (1.11)

где , - систематические погрешности длины и ширины резистора из-за процессов фотолитографии и травления. Параметр учитывают в формуле (1.11) только при расчете ТПР с величиной .

Автор этой же работы предлагает также математическую модель ТПР для расчета случайной составляющей погрешности резистора с учетом систематической градиентной погрешности удельного поверхностного сопротивления и случайных погрешностей удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины и сопротивления электродов:

, (1.12)

где - систематическая градиентная погрешность удельного поверхностного сопротивления [56].

Систематическая и случайная составляющие переходных сопротивлений контактов в работе [53] не учитываются, так как автор считает, что эту погрешность невозможно рассчитать с достаточной степенью точности и трудно измерить.

В работе [4] предложена методика учета систематической погрешности контактных сопротивлений при расчете тонкопленочных резисторов. В основу этой методики положена задача определения наименьшего возможного значения переходного сопротивления , не превышающего некоторого . При этом предполагается, что величина не должна превышать 5% от номинального значения резистора.

В работе [17, 31] показано, что систематическая составляющая общей погрешности изготовленных резисторов, вносимая переходным сопротивлением контактов при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев и длинах резисторов меньше 0,3-0,5 мм, может вносить погрешность больше 5-10%.

Величина этой погрешности обратно пропорциональна длине и, поэтому эту погрешность нельзя считать постоянной для всех резисторов.

Анализ существующих математических моделей и методик расчета сопротивлений тонкопленочных резисторов с учетом производственных погрешностей, возникающих в процессе изготовления ИС с резистивными элементами, позволяет сделать следующие выводы.

...