способ изготовления тонкопленочной микросхемы

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МИКРОСХЕМЫ, включающий последовательное вакуумное осаждение на керамическую подложку слоев ванадий-медь-ванадий и формирование нижнего уровня коммутации фотолитографией, формирование межслойной изоляции путем нанесения слоя полиимида и формирование рисунка в нем в соответствии с рисунком схемы и последовательное вакуумное осаждение слоев ванадия и меди, гальваническое наращивание слоя меди, формирование верхнего уровня коммутации фотолитографией, отличающийся тем, что после формирования рисунка, в слое полиимида удаляют ванадий травлением с поверхности меди и проводят гальваническое наращивание меди до получения планарной структуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к изготовлению гибридных интегральных схем (ГИС) методом тонкопленочной технологии и создания двухуpовневых тонкопленочных ГИС, в частности может быть использовано для изготовления функциональных устройств с высокой степенью интеграции.

Одной из основных проблем создания тонкопленочной ГИС с двумя уровнями проводников является получение надежной межслойной изоляции, обеспечивающей требуемые параметры ГИС, работающей в жестких условиях, и высокий процент выхода годных (60%), сравнимый с процентом выхода годных для одноуровневых микроплат. В качестве материалов для межслойной изоляции используют органические и неорганические материалы.

Известны способы изготовления двухуровневых ГИС, основанные на вакуумном осаждении металлических пленок хром-медь, ванадий-медь на диэлектрическую подложку из керамики с использованием в качестве межслойной изоляции неорганических диэлектриков, которые осаждают на подложку из газовой фазы либо через механическую маску, либо сплошным слоем с последующим травлением топологического рисунка микроплаты в плазме.

Недостатками этих методов являются зависимость плотности сквозных пор в диэлектрическом слое от его толщины и, как следствие, нарушение планарности рельефа микроплаты из-за вынужденного увеличения толщины межслойного диэлектрика; снижение разрешающей способности и увеличение трудоемкости техпроцесса из-за применения механической маски; необходимость применения дефицитных материалов и оборудования.

Известны также способы создания двухслойных ГИС, в которых в качестве межслойной изоляции используют органические негативные и позитивные фото- резисты.

Недостатками этих методов являются низкая (200-250^оС) термостойкость изоляции; нестабильная и часто неудовлетворительная (менее 490 н/см²) адгезия верхнего коммутационного слоя проводников из-за вынужденного снижения температуры подложки до 170-180^оС в процессе напыления; резкое снижение выхода годных при повышении температуры подложки до 200-250^оС, что необходимо при напылении верхнего коммутационного слоя, за счет резкого возрастания коротких замыканий между нижним и верхним уровнями коммутации.

Известны способы получения двухуровневых ГИС, в которых также используется вакуумное осаждение металлически пленок хром-медь или ванадий-медь на диэлектрическую подложку из керамики, но в качестве межслойной изоляции используют термостойкие (300-350^оС) полиимидные лаки.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, взятый в качестве прототипа. Сущность способа изготовления прототипа заключается в следующем. На поверхность диэлектрической (керамика "Поликор") подложки напыляют (хром-медь-хром) вакуумную металлическую пленку и методом фотолитографии формируют топологический рисунок нижнего уровня коммутации. Затем напыляют тонкую пленку ванадия для защиты поверхности подложки от действия органических реагентов, используемых при последующем формировании межслойной изоляции. В пленке ванадия методом фотолитографии вскрывают окна в местах межслойной изоляции и в них формируют изоляционный слой. (В качестве материала для межслойной изоляции используют полимидный лак, например, типа АД9103 ТУ6-06-1608-80). Далее защитную пленку ванадия стравливают и напыляют на поверхность микроплаты сплошной металлический слой ванадий-медь для формирования верхнего уровня проводников методом фотолитогрфии, гальванического усиления меди с последующей защитой коммутации антикоррозийным покрытием.

Недостатком этого способа является ограничение толщины межуровневой изоляции до 3 мкм из-за нарушения планарности нижнего уровня проводников и межслойной изоляции, что приводит к снижению процента выхода годных и составляет 25-30%

Одним из способов устранения этого недостатка является формирование сплошного изоляционного слоя и вскрытие окон в местах межуровневых контактов. Однако для надежного контакта и обеспечения планарности рельефа ГИС требуется дополнительная металлизация отверстий межуровневых контактов, что увеличивает трудоемкость изготовления ГИС. С другой стороны, недостаточная адгезия верхнего уровня коммутации (менее 490 н/см²) к изоляционному слою ухудшает качество и надежность ГИС, снижает общий процент выхода годных до 20-30% К тому же на таких платах затруднительно проводить операции по сборке и монтажу компонентов ГИС, в частности пайку элементов.

Другой известный путь устранения недостатков прототипа формирование воздушных мостиков в местах межуровневых пересечений проводников. Однако этот способ применяют в отдельных случаях из-за того, что длина проводника над воздушным мостиком ограничена его шириной из-за вероятности провисания проводника, что может привести к короткому замыканию, что, в свою очередь, снижает процент выхода годных (не более 30%). Таким образом, известный уровень техники не обеспечивает требуемого качества изготовления двух уровневых тонкопленочных ГИС.

Целью изобретения является повышение надежности и увеличение процента выхода годных двухуровневых тонкоп- леночных ГИС за счет увеличения толщины изоляции в местах межуровневых пересечений без нарушения планарности рельефа ГИС.

Cущность способа изготовления двухуровневой ГИС заключается в том, что в известном способе, основанном на вакуумном напылении нижнего и верхнего уровней коммутации с последующими отдельными циклами фотолитографии для создания рисунка и формировании межслойной изоляции между ними на основе полимидного лака, формирование рисунков верхнего и нижнего уровней коммутации проводят одновременно на трехслойной проводниковой структуре после предварительного разведения уровней при помощи технологических окон и создания межслойной изоляции на первом проводящем слое.

Трехслойную проводниковую структуру получают последовательным напылением слоя ванадий-медь-ванадий (1-й cлой), гальваническим наращиванием меди (2-й cлой), вакуумным напылением слоя ванадий-медь (3-й cлой).

Анализ предлагаемого способа с прототип выявил наличие новых операций, иную их последовательность, а именно: вакуумосажденный слой ванадий-медь-ванадий используют для формирования части нижнего уровня коммутации, находящейся под слоем будущей межслойной изоляции, и разведения уровней коммутации при помощи технологических окон (в прототипе этот слой используют для создания рисунка нижнего уровня коммутации). В предлагаемом способе в местах пересечений проводников формируют межслойную изоляцию толщиной 5-6 мкм, используя верхний ванадий в качестве защитного слоя от действия органических реагентов (в прототипе предусмотрено повторное напыление защитной пленки ванадия после формирования нижнего уровня коммутации и толщина межслойной изоляции 2,5-3 мкм). Далее в предлагаемом способе проводят выравнивание рельефа проводник-диэлектрик гальваническим наращиванием, что позволяет получить планарную структуру для дальнейшего осаждения пленки ванадий-медь, после чего формируют одновременно двухслойную коммутацию (в прототипе гальваническое выравнивание рельефа не применяли, так как нижний слой коммутации уже был сформирован полностью на первой стадии техпроцесса). Формирование на подобной трехслойной структуре одновременно рисунка двухуровневой коммутации доказывает соответствие предлагаемого способа критерию изобретения "новизна".

Анализ других технических решений показал, что при изготовлении двухуровневых тонкопленочных ГИС не применяют прием частичного формирования нижнего уровня коммутации, находящегося под межслойной изоляцией, и разведения слоев коммутации при помощи технологических окон одновременно в сочетании с гальваническим выравниванием рельефа структуры ванадий-медь-ванадий и межслойной изоляции и с последующим осаждением на полученную структуру слоя ванадий-медь, что подтверждает соответствие предлагаемого способа критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1-20 изображен предлагаемый техпроцесс, где введены следующие обозначения: 1 подложка из керамики; 2 вакуумная медь; 3 вакуумный ванадий; 4 гальваническая медь; 5 фоторезист; 6 межслойная изоляция (полиамидный лак); 7 антикоррозийное покрытие.

Предлагаемый способ изготовления двухуровневой тонкопленочной микроплаты содержит следующие операции.

1. Формирование технологических отверстий.

1.1. Очищают поверхность подложки из керамики (например, "Поликор") традиционным химическим способом с использованием хромпика на основе серной кислоты, перекисно-аммиачной моющей смеси и изопропилового спирта.

1.2. Напыляют сплошную металлическую пленку ванадий-медь-ванадий толщиной 1,5-2 мкм традиционным методом термического вакуумного осаждения (фиг. 1).

1.3. Наносят на поверхность подложки фоторезист, например, типа ФП-27-18 БС марки А ТУ6-14-424-86, центрифугированием в течение 30 с при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин (фиг.2).

1.4. Высушивают пленку фоторезиста в термошкафу при температуре 902^оС в течение 20 мин.

1.5. Экспонируют пленку фоторезиста через фотошаблон с технологическими окнами в течение 90 с при интенсивности УФ-излучения 14000 л.

1.6. Проявляют рисунок в 0,7%-ном водном растворе гидроокиси калия (фиг. 3).

1.7. Проводят термообработку маски фоторезиста при температуре 1505^оС в течение 30 мин.

1.8. Стравливают пленку ванадий-медь-ванадий в технологических окнах в соответствующих травителях: для ванадия перекись водорода 30% дистиллированная вода 1:1; для меди надсернокислый аммоний, серная кислота (конц.), дистиллированная вода 6:3:20 (фиг.4).

1.9. Удаляют маску фоторезиста с поверхности напыленной планки, например ватным тампоном, смоченным ацетоном (фиг.6).

2. Формирование межслойной изоляции.

2.1. Протирают поверхность подложки со сформированными окнами в металлической пленке, например ватным тампоном, смоченным этиловым спиртом.

2.2. Наносят на поверхность полиимидный лак, например типа АД9103 ТУ6-06-1608-80, центрифугированием в течение 1 мин при скорости вращения центрифуги 500-600 об/мин (фиг.7).

2.3. Высушивают пленку лака в термошкафу в следующем режиме: 60^оС 10 мин; 70^оС 10 мин; 80^оС 10 мин; 90^оС 10 мин; 120^оС 30 мин.

2.4. Наносят на поверхность полиимидной пленки фоторезист, например, типа ФП-27-18БС (фиг.8).

2.5. Высушивают пленку фоторезиста в термошкафу в режиме, указанном в п. 1.4.

2.6. Экспонируют фоторезист через фотошаблон с рисунком межслойной изоляции в режиме, указанном в п. 1.5.

2.7. Проявляют рисунок межслойной изоляции в режиме, указанном в п.1.6 (фиг.9).

2.8. Удаляют фоторезист с поверхности межслойной изоляции, например, тампоном, смоченным ацетоном (фиг.10).

2.9. Проводят термообработку полиимидной межслойной изоляции в термошкафу при температуре 200^оС в течение 2 ч.

2.10. Для получения достаточной толщины изоляции 5-6 мкм повторить переходы 2.1-2.9;

3. Выравнивание рельефа напыленной металлической пленки и сформированной межслойной изоляции.

3.1. Стравливают верхнюю защитную пленку ванадия в структуре ванадий-медь-ванадий, например, в травителе, указанном в п.1.8 (фиг.11,12).

3.2. Наращивают гальваническую медь до высоты межслойной изоляции на всю открытую поверхность металлической пленки традиционным методом электрохимического осаждения меди из электролита (фиг.13).

4. Формирование коммутации верхнего и нижнего уровней.

4.1. Очищают поверхность гальванической меди кипячением в изопропиловом спирте в течение 10 мин.

4.2. Напыляют на всю поверхность подложки металлическую пленку ванадий-медь (фиг.14).

4.3. Формируют топологический рисунок двухуровневой коммутации, повторив переходы и режимы пп. 1.3-1.7, используя соответствующий фотошаблон (фиг. 15,16).

4.4 Стравливают пленку ванадий-медь с пробельных мест микроплаты в травителе, указанном в п. 1-8 (фиг.17).

4.5. Удаляют фоторезист с рисунка коммутации, например, тампоном смоченным ацетоном (фиг.18).

4.6. Осаждают антикоррозионное покрытие на коммутацию методом химического осаждения (фиг.19,20).

Сформированная таким образом двухуровневая тонкопленочная ГИС имеет следующие характеристики: сопротивление изоляции R_из не менее 5 10⁹ Ом; пробивное напряжение U_пр не менее 200 В; рабочий диапазон температур 60 220^оС; толщина изолирующей пленки 5-6 мкм; процент выхода годных на операции формирования межслойной изоляции 98%

Высокий процент выходы годных на данной операции обеспечил получение общего процента выхода годных двухуровневых тонкопленочных микроплат порядка 60% что соответствует увеличению выхода годных по сравнению с известным уровнем техники в 2-3 раза.

Использование предлагаемого способа гарантирует получение высокой надежности работы ГИС в жестких условиях, значительно снижает брак на операциях формирования межслойной изоляции путем доведения ее до толщины 6-5 мкм (п. 2.10) и межуровневых переходов, что позволяет получать выход годных, операций с процентом выхода годных одноуровневых тонкопленочных микроплат, т.е. 60%