《薄膜材料》PPT课件.ppt
复习v一 薄膜导体材料的要求v（1）电导率高。v（2）接触电阻小、不发生化学反应、互扩散。v（3）容易形成薄膜。v（4）抗电迁移能力强。v（5）与基片的附着性好。v（6）与整个电路中的元件有相容性。v（7）适合多层布线。v（8）对环境有高度稳定性。v（9）焊接性能好，焊接效果好。v（10）成本低，工艺简单。1二、铝膜导体材料v1.铝膜有以下优点：v（1）电导率高；v（2）与各种类型的硅等半导体形成欧姆型接触；v（3）附着性能好；v（4）易于蒸发和光刻；v（5）与金丝和铝丝的可焊性好，适合于热压和超声焊。2三、金膜导体材料v1.金膜有以下优点v（1）电导率高；v（2）化学性质稳定；v（3）抗电迁移能力较铝强，v（4）机械性能好，易光刻，成膜方法多；v（5）适合于焊锡、热压和超声焊。3三、金膜导体材料v2.金膜的缺点v附着性差，当金膜用作导电带时，一般都要先“打底”，然后再淀积金，形成金基复合膜。v 主要的金基复合膜有以下几种：v（1）铬金膜v（2）镍铬金膜4四、薄膜电阻材料v1镍铬和氮化钽电阻材料提供类似电性能：25300/、低的TCR(050)ppm/。v2金属陶瓷电阻材料具有很大电阻率:1000几k/。5基片 光基片淀积电阻膜（NiCr）电阻膜 淀积金属阻挡层薄膜导体/电阻网络淀积光刻的工艺流程淀积导体层（Au）导体层光刻腐蚀导体层和金属阻挡层去掉光刻胶金属阻挡层光刻光刻光刻腐蚀电阻层去掉光刻胶电阻器金导线6本次课教学知识要求本次课教学知识要求v1.熟悉薄膜介质材料的特性。v2.熟悉钽薄膜材料的特性。7薄膜介质材料v概述v薄膜介质材料在混合集成电路中除了用作薄膜电容器的介质之外，还广泛用作保护层和隔离层。8对介质的要求v 在不同的场合，对介质膜的要求是很不相同的，例如：作为薄膜电容器的介质膜，一般要求介电常数大；作为隔离层的介质膜，则要求绝缘电阻大，为了减小分布电容，要求介电常数愈小愈好；作为保护层的介质膜，则要求绝缘电阻大，致密性好，不吸潮等。9薄膜介质成膜方法v 在混合集成电路生产中，介质膜主要用真空蒸发（SiO），溅射后阳极氧化（Ta2O5）和射频溅射（Si02）等方法获得；在半导体器件和半导体集成电路生产中，还广泛应用气相化学反应（SiO2、SiN）来淀积介质膜。101.混合集成电路对介质膜的要求v（1）具有良好的机械稳定性和机械强度，薄膜附着性好，本征应力小。v（2）具有良好的化学稳定性。v（3）对水汽不敏感。v（4）膜内的缺陷和有害杂质应尽可能少。v（5）膜厚大于1000，膜尽可能是无定型的，以保证产品的一致性和可靠性。v（6）价格便宜，材源丰富，工艺简单，并与电路中的其他元件有相容性。112薄膜电容器常用的介质材料v 根据电路对薄膜电容器的要求，其介质材料可以分为两类：低损耗低介电常数介质膜和中介、高介电常数介质膜。122薄膜电容器常用的介质材料v（1）低损耗低介电常数介质膜v一氧化硅v二氧化硅v三氧化二铝v（2）中介、高介介质膜v钛酸钡（BaTiO3）13一氧化硅介质膜v1.一氧化硅介质膜的基本性质v一氧化硅除了应用在混合集成电路中外，还常用于光学仪器上的保护膜。v一氧化硅有很高的蒸汽压，在1150为1托，1600增加到20托。故一氧化硅很容易用真空蒸发淀积。14一氧化硅介质膜一氧化硅介质膜v2.一氧化硅介质膜性能的改进可以采用一些措施来改善一氧化硅的特性。v（1）减小针孔和其他缺陷的措施v在工艺环境卫生、基片清洗、半成品贮存、减小“台阶”效应等方面进行改进。采用更为合理的工艺如连续蒸发，使一氧化硅薄膜电容器的成品率和质量有显著改善。15一氧化硅介质膜v（2）掺杂减低损耗v掺入5%三氧化硼（B203）能降低损耗，改善致密度。v掺入5%三氧化铝（Al203）也能改善性能。16钽薄膜材料v概述 v钽是一种高熔点（2996）金属。由于钽可以用阳极氧化法生成五氧化二钽，而五氧化二钽是一种理想的平面电容器的介质膜材料。所以采用钽薄膜材料的独特优点是：同一块基片上，用单一的钽金属材料，既可以制成薄膜电阻器，也可以制成薄膜电容器的介质膜和下电极。在加上电容器的上电极和互连的金属导电带，并组装有源器件，就制成了所谓“钽膜电路”。17钽薄膜材料v处于薄膜状态的钽，大概有三种结构：即-钽、-钽和低密度钽。其性能列于表2-1中。18表2-1钽薄膜的性能结结构形式构形式块块状状钽钽（体（体心）心）-钽钽（体（体心）心）-钽钽（四（四方）方）低密度低密度钽钽（四方或（四方或体心）体心）晶格常数晶格常数(埃埃)a a0 0=3.3033.303a a0 0=3.313.313.333.33a=5.34,a=5.34,c=9.9c=9.94 4密度（克密度（克/厘米厘米3 3）16.616.615.615.615.915.912.112.1电电阻率（微阻率（微欧欧厘米）厘米）13132525505018018020020050005000电电阻率温度阻率温度系数系数（1010-6 6/）+3800+3800+500+500+180+1800000-100-100+100+100-100,+100-100,+100191.-钽v -钽具有四方结构，这种结构只有在膜状钽材料中才存在。如果溅射系统的纯度非常高，则得不到-钽，为了制出较为理想的钽薄膜电阻、电容元件，可以从工艺上采取措施来创造生成-钽的条件。例如加入适量的氮气（以保持一定的杂质），使淀积得到的钽膜长期保持-钽状态，这样来满足钽膜电路性能的要求。202.低密度钽膜v低密度钽是多孔结构，电阻率大，温度系数小。但低密度钽的稳定性差。21钽基膜的性能v钽薄膜中只有-钽才适合作阻容元件，但-钽得出现受到一定的条件的限制，而且电阻率也还不够高，重复性不很好，使钽膜电路成品率低。目前在钽膜电路中主要用钽基膜，也就是以钽为基础的化合物和合金薄膜。221.氮化钽薄膜v（1）在陶瓷上制造氮化钽电阻/金导体电路图的的工艺，大体类似于制造镍铬电阻器的工艺。两种情况都对多层金属结构进行选择性刻蚀的光刻技术。23工艺上的不同之处包括：v 氮化钽膜是在溅射钽膜的同时，在充氩气溅射室中加进一定量的反应性气体氮，使之发生反应溅射而制得的。v 在氮化钽和金之间，分别用钛和钯作为捆绑层和阻挡层；而镍铬电阻用镍作为阻挡层。v 钛和氮化钽是用氢氟酸硝酸溶液刻蚀，对细线分辨率，也可用溅射 24（2）氮化钽电阻器的性能v氮化钽电阻器的电性能类似于镍铬电阻，包括面电阻率范围、电阻率温度系数等。v氮化钽电阻器比镍铬电阻器更稳定，抗化学腐蚀和抗热性更好。通过在450或更高的温度下，在空气或氧气中退火，或在反应溅射过程中引人一定数量的氧，形成五氧化二钽钝化层，可以有效抵抗湿气和其他恶劣环境。252.钽-氧薄膜v用反应溅射法淀积的钽-氧膜，其电阻率、电阻温度系数与氧含量有关。钽薄膜中的氧含量可用溅射时的氧分压来控制。钽-氧膜的性能对氧的含量非常敏感，难于控制。263.钽铝合金薄膜v用直流共溅射的方法，可以得到钽铝合金薄膜。一般认为钽铝比例为1:1时其性能最好，其方阻为251000/。274.钽硅合金薄膜v钽硅合金薄膜可由钽、硅共溅射方法制得。电阻率比氮化钽和钽铝合金高。28钽膜电阻材料v-钽膜宜于作薄膜电阻器，其方块电阻为50100/，电阻的温度系数为10010-6/。但是，由于-钽存在的区间比较狭窄，实际上生产出来的-钽是-钽和-钽的混合物，有时含少量的的氮化钽、氧化钽等成分，因此生产上重复性较差，性能也不稳定。为了进一步提高-钽薄膜电阻器的稳定性，可以在钽膜上蒸发一薄层金，然后再高温下处理，让进原子扩散到钽膜的晶界里去，一防止钽膜氧化。29钽膜介质材料v型介质膜 v其结构形式为Ta-Ta2O5-Au的薄膜电容器。采用溅射法在基片上淀积约为5000左右的钽膜，然后再130伏左右电压阳极氧化，形成厚度为2000的五氧化二钽介质膜，再用蒸发法淀积一层厚度为2000的金膜作为上电极。302.钽基复合介质膜v在五氧化二钽介质膜上再淀积一层其他类型的介质膜。用这种复合介质膜制成的各种类型的电容器，既保持了钽薄膜电容器的优点，又能弥补它的不足之处。313.钽掺杂介质膜和钽合金介质膜v在钽膜中掺入氮、氧和碳等元素，或者在钽靶上镶嵌一定比例金属共溅射来形成钽合金膜，可以提高电容的特性。32小结v本次课主要分析薄膜介质材料和钽薄膜材料的特性，介绍了其成膜方法。33
