В производстве монолитных ИС используются главным образом .высокоомные резисторы., Для того чтобы резисторы имели минимально возможные габариты, они должны изготовляться с тем же разрешением и допуском, что и другие элементы ИС. Это исключает применение для получения требуемой конфигурации резисторов свободных металлических масок и позволяет осуществлять ее только с помощью фотолитографии.
При изготовлении микро мощных монолитных ИС по совмещенной технологии возникает необходимость разместить на сравнительно небольшой площади .кристалла высокоомные резисторы, имеющие сопротивление до нескольких мегаом, что может быть достигнуто только в том случае, если материал резистора будет обладать Rs (10—20) кОм/c. Процесс изготовления резисторов должен быть совмещен с основным технологическим процессом изготовления всей кремниевой ИС по планарной или эпитаксиально-планарной технологии. Так, например резистивные пленки не должны быть чувствительны к присутствию на кремниевой пластинке нитрида кремния, фосфора, боросиликатного стекла и других материалов, используемых в производстве монолитных ИС. Они должны выдерживать сравнительно высокую температуру (500-550°С), которая имеет место в процессе герметизации ИС, и в некоторых случаях не должны изменять свои свойства под воздействием окислительной среды. В монолитных ИС для изготовления резисторов используются в основном нихром и танта.
При изготовлении гибридных ИС используется значительно более широкая номенклатура материалов для тонкопленочных резисторов.
В качестве низкоомных пленок с Rs от 10 до 300 Ом. используются пленки хрома, нихрома и т тала. Получение пленок хрома с воспроизводимы электрофизическими свойствами несколько затруднено его способностью образовывать соединения (особен окисные) при взаимодействии с остаточными газа в процессе испарения и осаждения. Значительно более стабильными характеристиками обладают резисторы основе хромоникелевого сплава (20% Сг и 80% Ni Пленки тантала благодаря наличию различных его структурных модификаций имеют очень широкий диапазон поверхностных сопротивлений (от несколько Ом/c для а-тантала до нескольких МОм/cдля тантала с малой плотностью). В качестве высокостабильного резистивного материала применяется также нитрид тантала,
Значительное расширение номиналов резисторов достигается путем применения металлокерамических пленок и пленок силицидов некоторых металлов В этих системах в качестве металла чаще всего используется хром, а в качестве диэлектрика — окислы, бориды, нитриды и силициды переходных металлов, а также окислы некоторых металлоидов. Пленки из дисилицида хрома, так же как и пленки из сплава кремния, хрома и никеля, имеют Rs до 5 кОм/c; у пленок на основе. системы хром —- моноокись кремния Rs в зависимости от содержания хрома может изменяться от единиц до сотен Ом/c.
Тонкопленочиые конденсаторы, несмотря на кажущуюся простоту трехслойной структуры, являются наиболее сложными и трудоемкими по сравнению с другими пленочными пассивными элементами.
В отличие от резисторов, контактных площадок и коммутации, при изготовлении которых достаточно произвести осаждение одного или двух слоев (подслоя и слоя), изготовление тонкопленочных конденсаторов требует по меньшей мере осаждения трех слоев: нижней обкладки, пленки диэлектрика и верхней обкладки (применение большего числа обкладок затрудняет процесс изготовления конденсаторов и удорожает их стоимость).
Материал, используемый для изготовления диэлектрических пленок, должен иметь хорошую адгезию с металлом, используемым для обкладок конденсатора, быть плотным и н.е подвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов, обладать высоким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость, не разлагаться в процессе испарения и осаждения и обладать минимальной гигроскопичностью.
Самыми распространенными материалами, применяемыми в качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах, являются моноокись кремния (Si0) и моноокись германия (GеО). В последние годы для этой цели стали применяться алюмосиликатные, боросиликатные и антимонидогерманиевые стекла.
Наиболее перспективными диэлектриками являются композиционные стеклообразные соединения, поскольку у них имеется возможность изменять в широких пределах электрофизические, физико-химические и термодинамические свойства путем подбора состава стекла и реализации особенностей агрегатного состояния стеклообразных систем в тонкопленочных структурах металл — диэлектрик — металл.
Пленки тантала и его соединений в последние годы получают все более широкое распространение при изготовлении тоикопленочных элементов интегральных схем. Выбор тантала в качестве исходного материала во многом объясняется тем, что в зависимости от условий получения талталовых пленок они могут иметь различную структуру и соответственно в широких пределах изменять как свое удельное сопротивление, так и его температурный коэффициент.
По кристаллическому строению и электрофизическим свойствам к массивному образцу наиболее близки пленки α- тантала, имеющие крупмокристаллическую объемно-центрованную структуру и обладающие сравнительно невысоким удельным сопротивлением (20— 40 мкОм-см). В отличие от к-тантала р-тантал, имеющий тетрагональную мелкокристаллическую структуру и удельное сопротивление 160—200 кмОм • см, в массивных образцах не встречается. Эта метастабильная модификация тантала характерна только для тонких пленок.
Получение пленок α - и β- тантала обычно производят путем катодного распыления при напряжении 4—5 кВ и плотности тока 0,1--1 мА/см2. Если снизить напряжение и при этом не увеличивать давление аргона, то разрядный ток уменьшится, что приведет к значительному снижению скорости осаждения. При этом получаются пленки низкой плотности, имеющие сильно пористую структуру с размерами пор (4—7)-10-3 мкм, состоящие из большего числа зерен к- или р-тантала с размерами кристаллов (3—5) • 10-2 мкм. Высокая пористость пленок и появление системы металл — диэлектрическая смесь вызывают аномальное повышение удельного сопротивления (примерно в 200 раз по сравнению с α- танталом) и изменение его температурного коэффициента. Если в аргон добавить азот в количестве, существенно превышающем фон остаточных газов, то могут быть получены пленки нитрида тантала, имеющие два устойчивых состояния Та2N и TaN с разной кристаллической структурой и электрофизическими свойствами.
Наличие нескольких модификаций тантала (α- и β- тантал, тантал малой плотности) и его нитрида дает возможность выбора самых различных топологических решений при проектировании пассивной части микросхем.
Чистый α- тантал из-за больших механических напряжений в пленке и плохой адгезии .к подложке не нашел широкого применения при изготовлении RС -элементов микросхем, β- тантал используется для изготовления нижних обкладок конденсаторов и частично для получения резисторов. Нитрид тантала и тантал малой плотности используются для изготовления резисторов. Практическая ценность тантала с низкой плотностью заключается в возможности получать высокостабильные тонкопленочные резисторы (от 10 кОм до нескольких мегаом), имеющие небольшие размеры и простую конфигурацию. Из тантала с низкой плотностью могут быть значительно легче изготовлены тонкопленочные конденсаторы, поскольку в этом случае верхний электрод, так же как и нижний, можно получать путем распыления тантала, в то время как при использовании тантала обычной плотности попытки получить таким путем верхний электрод часто приводили к повреждению диэлектрического слоя. Кроме того, тантал с низкой плотностью позволяет изготовлять RС- схемы с распределенными параметрами и регулируемым номиналом резистора, в качестве которого может быть использован верхний электрод конденсатора.
Получаемая с помощью электролитического или плазменного анодирования пятиокись тантала (Та2О5) обладает низкими диэлектрическими потерями и может применяться как в качестве диэлектрика для конденсатора, так и в качестве изолятора или защитного слоя для резистора. Кроме того, с помощью анодирования можно точно юстировать номиналы конденсаторов и резисторов. Применение ионного травления, а также растворимость нитрида тантала, чистого тантала и его окислов в различных травителях обусловливают возможность использования самых различных методов для получения требуемой конфигурации микросхем.
Таким образом, на основе тантала можно обеспечить групповое изготовление пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, соединительных проводников и контактных площадок) как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, которые по своей сложности не уступают элементам, изготовленным на основе других материалов, но при этом обладают значительно большой точностью, стабильностью и надежностью. Универсальность тантала и отсутствие необходимости использовать другие материалы свидетельствует о том, что на основе «танталовой технологии» может изготовляться подавляющее большинство пассивных элементов ИС.
Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.
Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники — функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.