Пленки тантала и его соединений

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.