Файл: 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

Я г - Ж & У

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

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

00