Тонкопленочная технология

Описанию новых сплавов на основе кремния, получаемых в тлеющем разряде, посвящена гл. 4. В ней обсуждаются электрические и оптические свойства пленок гидрогениэированных аморфных кремний-германиевых сплавов (a-Sii_xGex : Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков. и тонкопленочных транзисторов. Введение германия в пленки a-Si : Н позволяет управлять шириной запрещенной зоны этого материала. Описаны эксперименты по управлению типом проводимости a-Si i-xCx: Н. Показано, что в пленках a-SixC1_x:H, полученных из метана, также как и в пленках a-Si : Н, можно создать, необходимую концентрацию носителей заряда определенного типа и ис-' пользовать этот материал в качестве прозрачного р-слоя в p-i-n-струк-турных солнечных элементах на основе a-Si. Здесь же дан обзор достижений в области получения и приборного применения микрокристаллического гидрогенизированного кремния (мк-Si: Н). Описаны различные методы получения мк-Si : Н и подход к выбору оптимальных условий. Основное внимание уделено методу разложения в тлеющем разряде разбавленной силановой газовой смеси. Показано, что общей тенденцией изменения структуры пленок Si: Н, полученных разложением разбавленных газовых смесей на основе SiH4 в мощном высокочастотном тлеющем разряде, является их кристаллизация. Эта тенденция усиливается при осаждении легированных пленок. На основе данных о высокой эффективности преобразования энергии в солнечных элементах, содержащих п+-слой из мк-Si : Н, показаны возможности мк-Si : Н как нового перспективного материала электронного приборостроения. В заключительной статье гл. 4 описаны свойства пленок аморфных трех-компонентных сплавов SixN1:_x:H, полученных методом тлеющего разряда из газовой смеси SiH4 + NH3 + H2. Показана возможность управления в a-SixNi^x : Н типом и концентрацией носителей заряда.

Достижения твердотельной электроники на аморфных полупроводниках описаны в гл. 6. Показаны возможности аморфного кремния в технологии тонкопленочных транзисторов и интегральных схем, снабженных для вывода информации экраном на жидких кристаллах. Обсуждены физические аспекты создания на аморфном кремнии эффективного барьера Шоттки.

Обсуждаются электрические свойства пленок гидрогенизированных аморфных кремнийгермаииевых сплавов (a-Si, _^(ie^ : Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков и тонкопленочных транзисторов.

Качество пленок a-Si,_xGex : Н может быть повышено до уровня, достаточного для производства на их основе солнечных элементов, светодатчиков и тонкопленочных транзисторов.

Рассмотрены экспериментальные и теоретические достижения в области исследования тонкопленочных транзисторов на основе аморфного кремния (a-Si-ТПТ). Наблюдаемые характеристики приборов объясняются на основе теории, учитывающей распределение состояний в запрещенной зоне для массивного a-Si. Определены также основные факторы, определяющие совершенство приборов. Представлены детали процессов производства приборов и последние достижения технологии, которые улучшают свойства отдельных приборов. На основе широких исследований статических и динамических характеристик, а также надежности a-Si-ТПТ высказывается предположение о перспективности применения тонкопленочных приборов большой площади. Описаны некоторые характеристики панелей дисплеев на жидких кристаллах с a-Si-ТПТ.

Рассмотрены последние достижения в области получения тонкопленочных транзисторов (ТПТ) на основе поликристаллического кремния на стеклянных подложках. Обсуждаются свойства пленок поликристаллического кремния, полученных осаждением в высоком или сверхвысоком вакууме. Подвижность Электронов под влиянием поля в этих ТПТ достигает 40 см2/ (В • с). Матрица дисплея на жидких кристаллах 10 X 10 с элементами переключения на ТПТ дает высокое отношение контрастности, равное 20 : 1. Рассматривается также изготовление 21-кас-кадного генератора на ТПТ со временем задержки распространения сигнала < 200 не.

Описанию новых сплавов на основе кремния, получаемых в тлеющем разряде, посвящена гл. 4. В ней обсуждаются электрические и оптические свойства пленок гидрогениэированных аморфных кремний-германиевых сплавов (a-Si!_xGex : Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков. и тонкопленочных транзисторов. Введение германия в пленки a-Si : Н позволяет управлять шириной запрещенной зоны этого материала. Описаны эксперименты по управлению типом проводимости a-Si i_xCx: Н. Показано, что в пленках a-SixC1_x:H, полученных из метана, также как и в пленках a-Si : Н, можно создать, необходимую концентрацию носителей заряда определенного типа и ис-' пользовать этот материал в качестве прозрачного р-слоя в p-i-n-струк-турных солнечных элементах на основе a-Si. Здесь же дан обзор достижений в области получения и приборного применения микрокристаллического гидрогенизированного кремния (мк-Si: Н). Описаны различные методы получения мк-Si : Н и подход к выбору оптимальных условий. Основное внимание уделено методу разложения в тлеющем разряде разбавленной силановой газовой смеси. Показано, что общей тенденцией изменения структуры пленок Si: Н, полученных разложением разбавленных газовых смесей на основе SiH4 в мощном высокочастотном тлеющем разряде, является их кристаллизация. Эта тенденция усиливается при осаждении легированных пленок. На основе данных о высокой эффективности преобразования энергии в солнечных элементах, содержащих п+-слой из мк-Si : Н, показаны возможности мк-Si : Н как нового перспективного материала электронного приборостроения. В заключительной статье гл. 4 описаны свойства пленок аморфных трех-компонентных сплавов Si^Nj^^iH, полученных методом тлеющего разряда из газовой смеси SiH4 + NH3 + H2. Показана возможность управления в a-SixNi_x : Н типом и концентрацией носителей заряда.

Достижения твердотельной электроники на аморфных полупроводни ках описаны в гл. 6. Показаны возможности аморфного кремния в тех нологии тонкопленочных транзисторов и интегральных схем, снабжен ных для вывода информации экраном на жидких кристаллах. Обсужде ны физические аспекты создания на аморфном кремнии эффективной барьера Шоттки.

Обсуждаются электрические свойства пленок гидрогенизированных аморфных кремнийгерманиевых сплавов (a-Si, -х('ех • Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков и тонкопленочных транзисторов.

Качество пленок a-Si,_xGex:: Н может быть повышено до уровня, достаточного для производства на их основе солнечных элементов, светодатчиков и тонкопленочных транзисторов.

Рассмотрены экспериментальные и теоретические достижения в области исследования тонкопленочных транзисторов на основе аморфного кремния (a-Si-ТПТ). Наблюдаемые характеристики приборов объясняются на основе теории, учитывающей распределение состояний в запрещенной зоне для массивного a-Si. Определены также основные факторы, определяющие совершенство приборов. Представлены детали процессов производства приборов и последние достижения технологии, которые улучшают свойства отдельных приборов. На основе широких исследований статических и динамических характеристик, а также надежности a-Si-ТПТ высказывается предположение о перспективности применения тонкопленочных приборов большой площади. Описаны некоторые характеристики панелей дисплеев на жидких кристаллах с a-Si-ТПТ.

Рассмотрены последние достижения в области получения тонкопленочных транзисторов (ТПТ) на основе поликристаллического кремния на стеклянных подложках. Обсуждаются свойства пленок поликристаллического кремния, полученных осаждением в высоком или сверхвысоком вакууме. Подвижность Электронов под влиянием поля в этих ТПТ достигает 40 см2/ (В • с). Матрица дисплея на жидких кристаллах 10 X 10 с элементами переключения на ТПТ дает высокое отношение контрастности, равное 20 : 1. Рассматривается также изготовление 21-кас-кадного генератора на ТПТ со временем задержки распространения сигнала < 200 не.

Конструктивно большинство СВЧ ИМС строится как толстопленочные или тонкопленочные ГИС. Ос-. новное отличие здесь состоит не в толщине пленок, поскольку толщина проводящих слоев тонкопленочных СВЧ ГИС также должна превышать толщину скин-слоя, а главным образом в технологии изготовления слоев. Толстопленочная технология не требует сложного оборудования и высокой квалификации персонала, однако разрешающая способность процесса шелкографии не превышает + 10 мкм по толщине пленок и +30 мкм по ширине проводников [34]. Неоднородность и зернистость структур проводников, получаемых из паст, а также шероховатость поверхности керамических подложек являются источниками дополнительных потерь. Тонкопленочная технология обеспечивает при фотолитографическом формировании слоев разрешающую способность +5 мкм. Последующее электролитическое наращивание толщины микрополосковых элементов обеспечивает их достаточно высокую добротность, однако разрешающая способность при этом ухудшается до + 15 мкм. Практикуется также термическое осаждение достаточно толстых проводящих слоев и прямое формирование из них методом фотолитографии микрополосковых элементов.

Переход к бескорпусным ГИС и микросборкам позволяет повысить разрешающую способность коммутационной системы за счет переноса ее значительной части на подложки ГИС (первый уровень коммутации). При этом тонкопленочная технология обеспечивает ширину проводника и зазор порядка 0,1 мм, а контактные площадки 0,3 X 0,3 мм. Кроме этого, тонкопленочная схема межсоединений и термокомпрессионная сварка повышают надежность микроконтактов, одновременно сокращая их количество примерно на два порядка. Коммутационная печатная плата (второй уровень коммутации) обеспечивает необходимые соединения между бескорпусными ГИС и имеет более простую топологию, чем при использовании корпусированных микросхем.

Основные технологические этапы изготовления гибридных микросхем. Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) представляют сочетания пленочных пассивных элементов и навесных активных и пассивных компонентов. Резисторы, конденсаторы, контактные площадки и внутрисхемные соединения в ГИС изготовляют либо последовательным напылением на подложку различных материалов в вакууме (тонкопленочная технология), либо нанесением со-" ответствующих материалов

дами тонкопленочной или толстопленочной технологии. Более распространенная тонкопленочная технология включает методы термического вакуумного напыления, а также катодного и ионноплаз-менного распыления.

Хотя тонкопленочная технология позволяет получить более высокую плотность размещения элементов на подложке и более жесткие допуски на номиналы резисторов и конденсаторов, тем не менее толстопленочная технология имеет свои преимущества: простота изготовления и малая стоимость мелкосерийных изделий, возможность создания многослойных плат, повышенная ремонтоспособность. Толстопленочным схемам присущи высокая нагрузочная способность (мощность рассеивания до 50 Вт), большая механическая прочность, повышенная влаго- и теплоустойчивость, а также бо:;ьшие уровни рабочих напряжений (до 60 В).

Испарение в вакууме нагретых и бомбардируемых электронами металлических деталей электронных ламп и осаждение их в виде тонких пленок на внутренних стенках стеклянных баллонов наблюдалось при производстве и эксплуатации электронных ламп. Требовалось обратить эти нежелательные в лампах явления в полезную технологию. К моменту появления тонкопленочной технологии в науке экспериментально были изучены зависимости упругости паров от температуры для всех металлов и большинства окислов. Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя операции напыления в вакууме на гладкую поверхность диэлектрической подложки пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных) и формирования конфигураций элементов тонкопленочных схем. При напылении проводников, обкладок конденсаторов, резисторов, диэлектриков конденсаторов через маски эти операции совмещены. Можно напылить резистивную и проводящую пленки по всей поверхности подложки, после чего стравить обе пленки с участков, не подлежащих металлизации, формируя проводящие до-

Гибридные ИМС заняли доминирующее положение в устройствах СВЧ, причем, как показывает опыт, для устройств, работающих на частотах до 1 ГГц, с успехом можно применять тол.стопленочную технологию, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология. Гибридные ИМС применяются также в тех случаях, когда требуется получить конденсаторы большой емкости или резисторы, предназначенные для работы с большими электрическими мощностями. В то же время при массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно предназначенных для ЭВМ, используются в основном полупроводниковые ИМС.

Пленочная технология предпочтительна в тех случаях, когда необходимо изготовить пассивные элементы с высокой точностью номиналов. Тонкопленочная технология позволяет выбрать материал с необходимыми параметрами и характеристиками и получить пассивные элементы любой требуемой конфигурации.

Коммутационные платы, содержащие не более 2...3 слоев проводников, изготавливают методами тонко-,толстопленочной или комбинированной (их сочетанием) технологии. Тонкопленочная технология позволяет получать большую плотность проводников и более сложный их рисунок. Однако из-за малой толщины межслойной изоляции велики паразитные емкостные связи между проводниками, а малая толщина проводников ограничивает максимально допустимые токи. Кроме того, довольно большое сопротивление проводников ограничивает их допустимую длину, т. е. размеры подложки и число кристаллов полупроводниковых микросхем, которые можно на ней разместить. Толстопленочная технология свободна от этих недостатков, но имеет гораздо меньшую плотность размещения проводников. Комбинированная технология позволяет достичь компромисса. Для получения высокой плотности большую часть проводников, через которые протекают малые токи, выполняют в виде тонких пленок, а проводники, предназначенные для больших токов (например, шины питания), делают толстопленочными. Возможно также создание проводников верхнего слоя методом электролитического осаждения.

В низкочастотных микросхемах применяют дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Пленочные реактивные элементы с емкостями менее 100 пФ и индуктивностями менее 1 мкГн используют в аналоговых высокочастотных микросхемах. В сантиметровом диапазоне СВЧ требуются элементы малых размеров (много меньше длины волны), которые следует воспроизводить с высокой точностью. Для этого необходима тонкопленочная технология. Она также обеспечивает меньшее сопротивление проводящих слоев по сравнению с толстопленочной технологией (см. § 6.4) и более высокую добротность элементов. В этом диапазоне используют и тонкопленочные пассивные элементы на основе микрополосковых линий передачи с распределенными емкостью и индуктивностью. Размеры элементов порядка длины волны, поэтому их плотность относительно низкая.

Полевые и биполярные транзисторы, применяемые в интегральных микросхемах, изготовляют по технологии полупроводниковых ИС. В гибридных ИС используют отдельные миниатюрные бескорпусные биполярные транзисторы, выполненные по обычной технологии, поскольку тонкопленочная технология пока не позволяет получать биполярные транзисторы удовлетворительного качества.