Подложки на основе оксида алюминия все пристальнее интересуют разработчиков микросборок СВЧ-диапазона благодаря их привлекательным характеристикам (диэлектрическая проницаемость, теплопроводность). Однако технологически эти подложки – далеко не самый удобный материал. Решить проблему призвана предлагаемая автором технология электрохимического оксидирования, позволяющая существенно упростить процесс формирования многокристальных модулей.
Подложки на основе оксида алюминия все пристальнее интересуют разработчиков микросборок СВЧ-диапазона благодаря их привлекательным характеристикам (диэлектрическая проницаемость, теплопроводность). Однако технологически эти подложки – далеко не самый удобный материал. Решить проблему призвана предлагаемая автором технология электрохимического оксидирования, позволяющая существенно упростить процесс формирования многокристальных модулей.
Электрохимическая алюмооксидная технология Требования к функциональной сложности радиоэлектронных устройств, улучшению их массогабаритных и функциональных характеристик и надежности постоянно растут. Соответственно необходим постоянный поиск новых, эффективных конструктивно-технологических решений. В белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (БГУИР) с 1975 года сформировано и развивается направление конструктивно-технологических методов создания гибридных интегральных микросхем и многокристальных модулей (МКМ) на основе алюминия и его оксидов. Основа этих методов – электрохимическая алюмооксидная технология (ЭЛАТ) [1–3], которая применительно к многокристальным модулям получила название технология МКМ-А (MCM-A). Технология МКМ-А (А – обозначает основную базовую операцию – анодирование) позволяет на едином оборудовании с использованием минимальных базовых операций (вакуумное напыление, фотолитография, анодирование, сборка) и при минимальной номенклатуры материалов (Al, Ta, Nb) изготовить алюминиевую подложку и многоуровневую систему межсоединений на базе алюминия и его оксидов Al2O3.
Напомним, что анодирование – это электрохимический процесс превращения исходного металла в его оксид. Анодирование осуществляется в ванне с электролитом, где размещается, например, пластина или пленка металла (анод) и к которой подводится «плюс» от источника питания. Второй электрод (катод), к которому подводится «минус» от источника питания, представляет собой нейтральный по отношению к электролиту материал – нержавеющая сталь, никель, уголь и др. При прохождении тока между электродами в электролите на аноде происходит рост оксида. В результате анодирования на алюминии возможно получение двух видов диэлектрических пленок Al2O3 – плотных и пористых. Плотные пленки получают в электролитах, пренебрежимо мало растворяющих оксид, например, в водных растворах (1–2%) лимонной, борной или винной кислот. Пористые пленки получают в электролитах, умеренно растворяющих оксид алюминия, например, в водных растворах (3–10%) ортофосфорной, щавелевой, серной и других кислот. Плотный оксид представляет собой аморфный коррозионно-стойкий диэлектрик с хорошими диэлектрическими свойствами, однако его максимально достижимая толщина не превышает 1 мкм. Пористый оксид обладает ячеистой морфологией, похожей на пчелиные соты. В центре каждой ячейки перпендикулярно поверхности располагается капиллярный канал-пора. Диаметр ячейки и диаметр поры прямо пропорциональны напряжению между анодом и катодом и оцениваются как Dяч=3k∙Ua; dn=k∙Ua, где Dяч, dn – диаметр ячейки и поры, соответственно, k = 1 нм/В – постоянный коэффициент, Ua – напряжение анодирования между анодом и катодом. Толщина пористого оксида может достигать сотен микрон. Конструктивно многокристальный модуль, выполненный по технологии МКМ-А, состоит из алюминиевого основания, на котором выращен пористый оксид, многоуровневой системы межсоединений на основе алюминия и его плотных и пористых оксидов, а также активных и пассивных элементов (СБИС, емкости, резисторы).
Алюминиевые основания Алюминиевые основания [2, 4] представляют собой листовой сплав алюминия с небольшим объемом примесей, например, АМГ, АОН. Площадь оснований почти неограничена и определяется лишь возможностями фотолитографии. На таких основаниях методом анодирования выращивается пористый оксид необходимой толщины до сотен микрон. Толщина оксида определяется плотностью тока при анодировании (10–200 мА/см2) и временем. Скорость роста определяется составом электролита и режимами анодирования и может составлять от долей до единиц микрон в минуту. В зависимости от состава электролита напряжение анодирования может быть 10–200 В. В связи с тем, что температурный коэффициент линейного расширения алюминия в четыре раза выше, чем пористого оксида, термостойкость до образования трещин в оксиде не превышает 100–150оС, что недостаточно для проведения монтажных операций. В БГУИР предложено ряд методов повышения термостойкости до 300–400оС. В зависимости от толщины оксида его пробивное напряжение по отношению к алюминиевой основе составляет 100–1500 В. В БГУИР имеется технология увеличения этих напряжений до 10 кВ. Алюминиевые основания по стоимости близки к текстолиту и обладают высокой механической прочностью и радиационной стойкостью. По тепловому сопротивлению алюминиевые основания с оксидом в 50 мкм в 1,25 раза уступают окиси бериллия, в 2 раза – меди, но в 5 раз превосходят поликор и в 50 раз – ситалл СТ-50-1. Следует указать, что в оксиде можно формировать контактные переходы на алюминиевую основу для разводки питания, а также локальные зоны, свободные от оксида, для установки, например, мощных транзисторов или СБИС [5]. Применение алюминиевых оснований весьма перспективно в СВЧ-устройствах гигагерцового диапазона. Дело в том, что с увеличением рабочей частоты толщина диэлектрического основания должна уменьшаться. Так, в диапазоне выше 50 ГГц она составляет 100–300 мкм. Изготовить такие основания в принципе возможно, однако они дорогие, а их площадь из-за низкой механической прочности весьма ограничена. Дальнейшее увеличение частоты еще больше усугубляет ситуацию. Поэтому алюминиевые основания сейчас рассматриваются как единственный, готовый к использованию вариант [6].
Многоуровневая система межсоединений Многоуровневая система межсоединений (МСМ) [2, 7–9] основана на использовании пленок алюминия и его плотных и пористых оксидов. Рассмотрим последовательность технологических операций при изготовлении МСМ (см. рис.). На алюминиевое основание с диэлектрическим слоем методом вакуумного напыления (электродный луч, магнетрон) наносится пленка алюминия толщиной 1–5 мкм. Проводится фотолитография, после которой открытыми остаются поверхности будущих дорожек первого уровня межсоединений (на рис. – 1а, б, в). Проводится плотное анодирование открытых поверхностей, на которых появляется плотная оксидная пленка толщиной 150–200 нм (2б, в). Снимается фоторезист и напыляется вторая пленка алюминия (3в, 4б). Осуществляется вторая фотолитография, после которой защищаются лишь места будущих контактов во второй уровень межсоединений (4а, в). Проводится сквозное пористое анодирование, в результате которого между дорожками появляется пористый оксид. В тех местах, где уже был плотный оксид, пленка пористого алюминия растет только поверх него – плотный оксид выступает как резист (5а, б, в). Для этого плотное анодирование должно проводиться при напряжении, в 1,5–2 раза превышающем напряжение при пористом анодировании. В местах контактных переходов, защищенных фоторезистом, оксид отсутствует (5в). Далее снимается фоторезист и напыляется следующая пленка алюминия (6б, в), из которой формируется второй уровень межсоединений. С помощью контактных переходов (6в) соединяются первый и второй уровни токопроводящего рисунка. Технология МКМ-А позволяет формировать дорожки металлизации с шириной и расстоянием между ними 10 и более микрон. В большинстве случаев используется до пяти уровней металлизации (два сигнальных, два – шины питания и один монтажный). Пробивные напряжения между дорожками одного уровня и между уровнями превышают 150 В. Толщина дорожек – до 5 мкм. Алюминиевая металлизация проигрывает по величине сопротивления медным межсоединениям. Поэтому был разработан технологический процесс планарной МСМ, в которой вместо алюминиевых дорожек формируются медные. Однако изоляция между дорожками выполняется пористым оксидом алюминия. Последовательность базовых операций состоит из напыления пленки тантала и алюминия, полного сквозного (до тантала) превращения алюминия в пористый оксид, формирования на поверхности оксида маски в местах будущей изоляции между дорожками, травления оксида до тантала, электрохимического осаждения меди в вытравленные канавки до их заполнения. Для формирования межуровневой изоляции, контактных переходов и следующего уровня межсоединений проводят операции, описанные выше. Дальнейшим развитием ЭЛАТ стала разработка конструктивно-технологических методов создания МСМ со встроенными в ее уровни пассивными тонкопленочными элементами [1–3] – резисторами и конденсаторами. Резисторы могут быть на основе пленок Та и ТаAl и любых известных резистивных материалов, а конденсаторы – на основе оксидов вентильных металлов (Al, Ta, Nb). ЛИТЕРАТУРА 1. Сокол В.А. Конструктивно-технологические методы создания гибридных микросхем на основе алюминия и его анодных оксидов. Докторская диссертация. – Минск,1988 г. 2. Лабунов В.А., Сокол В.А. Электрохимическая алюмооксидная технология в микроэлектронике. – Техника средств связи. Сер. ТПО, 1988, вып. 3, с.14–21. 3. Сокол В.А. Электрохимическая технология микро- и наноэлектронных устройств. – Доклады БГУИР, 2004, №3, с. 18–26. 4. Патент № 6371 Республики Беларусь. Опубликован 31.03.2004. 5. Сокол В.А., Воробьева А.И. Многокристальные модули на анодированной алюминиевой подложке. – Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, №2, с. 40–45. 6. Кренделев А.Е. Технологические средства изготовления микрополосковых линий для ГИС КВЧ-диапазона. – Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, №4–5, с. 33–39. 7. Patent US № 5580825. Опубликован 31.03.1996. 8. Patent US № 5880021. Опубликован 03.09.1999. 9. Patent US № 6069070. Опубликован 30.05.2000.