Выпуск #4/2010
В.Сокол
Электрохимическая алюмооксидная технология производства микроэлектронных многокристальных модулей
Электрохимическая алюмооксидная технология производства микроэлектронных многокристальных модулей
Просмотры: 2019
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.
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.
Отзывы читателей
