СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD TO MANUFACTURE MULTI-LEVEL THIN-FILM MICROCIRCUIT CHIPS

Изобретение относится к области изготовления микросхем и может быть использовано для изготовления многоуровневых тонкопленочных гибридных интегральных схем (ГИС) и анизотропных магниторезистивных преобразователей (АМРП).
Одной из основных проблем технологии многоуровневых микросхем является создание надежного электрического контакта между проводниками, разделенными изоляционным слоем.
Известен «Способ изготовления тонкопленочной микросхемы», описанный в патенте RU 2040131 С1 кл. Н05К 3/46, в котором эта задача для двухуровневой ГИС решается следующим образом. На подложку из поликора напыляется в вакууме структура V-Cu-V, на которой методом фотолитографии формируется рисунок проводников и контактных площадок. Затем наносится полиимидный лак АД-9103, который имидизируется путем выдержки при повышенной температуре. На полученном таким образом изоляционном слое методом фотолитографии вытравливают переходные окна в местах межуровневых соединений. После стравливания верхнего слоя V в окне на обнажившуюся медь гальванически осаждают медь до полного заполнения окна (так называемый процесс планаризации - выравнивания поверхности). Сверху осаждают V-Cu, проводят фотолитографию и формируют конструктивную защиту.
Недостатком данного способа является сложность процесса и невозможность его использования для изготовления микросхем с числом уровней более двух. Кроме того, технически сложно одновременно во всех переходных окнах гальванически нарастить медь точно до их верхнего уровня (поверхности полиимида). За счет естественной неравномерности электрического поля и обеднения раствора в процессе эксплуатации гальваническая медь будет находиться либо выше, либо ниже верхнего уровня окна, что снижает надежность коммутации вследствие ограниченности контакта проводящего слоя с медным «столбиком».
Известен также «Способ изготовления микроплат с многоуровневой тонкопленочной коммутацией» №2 398369 кл. Н05К 3/00 от 24.08.09, выбранный нами за прототип.
Способ заключается в том, что в первом уровне, состоящем из V-Cu-Ni, стравливают никель, а на открывшуюся медь химически осаждают олово, после чего путем вакуумного напыления через магнитную маску с топологическим рисунком межуровневой коммутации осаждают пленки Ti-Cu-Ti до получения планарной структуры.
Такое решение является наиболее простым по сравнению с предыдущим, однако, имеет ряд недостатков.
Во-первых, использование олова, призванное уменьшить переходное сопротивление, имеет ограниченное применение, т.к. оно не выдерживает высоких температур при дальнейшем формировании микросхемы. Кроме того, если слой олова входит в структуру контактной площадки, то к ней невозможна приварка золотой проволоки.
Во-вторых, использование магнитных масок для пропыления окон требует дополнительных материальных затрат. В процессе эксплуатации происходит запыление масок, вследствие чего меняется размер окон. В случае неточного совмещения, с одной стороны может быть не заполнено переходное окно, что снижает надежность электрического контакта, а с другой - на изолирующем полиимиде напылится выступ, который может нарушить следующую изоляцию. Процесс планаризации происходит с большой погрешностью, т.к. термическое напыление с испарителя довольно грубо контролируемо по толщине напыленной пленки.
Технический результат предлагаемого решения - упрощение технологии изготовления микросхем и повышение их надежности.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления многоуровневых тонкопленочных микросхем, включающем поочередное вакуумное нанесение на подложку проводниковых слоев с последующим созданием рисунка схемы методом фотолитографии, нанесение изоляционных слоев и формирование в них межуровневых соединений от одного проводникового слоя к другому путем вытравливания переходных окон в изоляции и пропыления их проводящим материалом, межуровневые соединения формируют путем пропыления переходных окон одновременно с напылением проводникового слоя соответствующего уровня и изготовлением рисунка схемы методом фотолитографии, причем межуровневые соединения формируют большего размера, чем размер переходных окон в плане.
В каждом последующем изоляционном слое вытравливают переходные окна большего размера, чем в предыдущем.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 (а, б, в) показана структура многоуровневой тонкопленочной микросхемы по предлагаемому способу.
На фиг.1 (а, б, в):
1 - подложка;
2 - первый проводниковый слой;
3 - контактная площадка первого проводникового слоя;
4 - первый изоляционный слой;
5 - переходное окно в первом изоляционном слое;
6 - второй проводниковый слой;
7 - контактная площадка второго проводникового слоя;
8 - межуровневое соединение между первым и вторым проводниковыми слоями;
9 - ступенька межуровневого соединения 8;
10 - ободок межуровневого соединения 8;
11 - второй изоляционный слой;
12 - переходное окно во втором изоляционном слое;
13 - третий проводниковый слой;
14 - контактная площадка третьего проводникового слоя;
15 - межуровневое соединение между первым, вторым и третьим проводниковыми слоями;
16 - ступенька межуровневого соединения 15;
17 - ободок межуровневого соединения 15;
18 - конструктивная защита.
На фиг.2 показана топология функциональных слоев АМРП (трехслойная проводниковая структура).
На фиг.2а показан мост Уинстона (первый функциональный элемент):
3 - контактные площадки первого проводникового слоя (для моста Уинстона);
19 - магниторезистивные полоски;
20 - перемычки;
21 - проводники.
На фиг.2б показаны первый и второй функциональные элементы:
3 - контактные площадки первого проводникового слоя (для моста Уинстона);
7 - контактные площадки второго проводникового слоя (для катушки «set/reset»);
8 - межуровневое соединение между первым и вторым проводниковыми слоями;
22 - витки тонкопленочной катушки индуктивности «set/reset» (второй функциональный элемент).
На фиг.2в показаны мост Уинстона (первый функциональный элемент), катушки индуктивности «set/reset» (второй функциональный элемент) и «offset» (третий функциональный элемент):
3 - контактные площадки первого проводникового слоя (для моста Уинстона);
7 - контактные площадки второго проводникового слоя (для катушки «set/reset»);
8 - межуровневое соединение между первым и вторым проводниковыми слоями;
14 - контактные площадки третьего проводникового слоя (для катушки «offset»);
15 - межуровневое соединение между первым, вторым и третьим проводниковыми слоями;
23 - витки тонкопленочной катушки индуктивности «offset» (третий функциональный элемент).
Технологический процесс изготовления многоуровневой тонкопленочной микроплаты (фиг.1) заключается в следующем:
- очистка подложки из ситалла 1 (фиг.1а, б, в);
- напыление первого проводникового слоя 2(фиг.1а, б, в);
- формирование методом фотолитографии рисунка схемы и контактных площадок 3 (фиг.1а) первого проводникового слоя;
- нанесение первого изоляционного слоя 4 (фиг.1а) и его имидизация путем термообработки;
- формирование методом фотолитографии переходных окон 5 (фиг.1б) в изоляционном слое 4 (фиг.1б);
- напыление второго проводникового слоя 6 (фиг.1а, б, в);
- формирование методом фотолитографии рисунка схемы, контактных площадок второго проводникового слоя 7 (фиг.1б), межуровневых соединений 8 (фиг.1б, в) между первым и вторым проводниковыми слоями. Размерами шаблона обусловлено наличие проводникового слоя на стенке переходного окна 5 (фиг.1б) в виде ступеньки 9 (фиг.1б, в) межуровневого соединения 8 (фиг.1б, в) и на поверхности изоляционного слоя 4 (фиг.1б) в виде ободка 10 (фиг.1б, в);
- нанесение второго изоляционного слоя 11 (фиг.1а, б, в) и его имидизация путем термообработки;
- формирование методом фотолитографии переходных окон 12 (фиг.1в) в изоляционном слое 11 (фиг.1в);
- напыление третьего проводникового слоя 13 (фиг.1 а, б, в) и формирование методом фотолитографии рисунка схемы, контактных площадок 14 (фиг.1в) третьего проводникового слоя, межуровневых соединений 15 (фиг.1в) между первым 2, вторым 6 и третьим 13 проводниковыми слоями. Размерами шаблона обусловлено наличие проводникового слоя на стенке переходного окна 12 (фиг.1в) в виде ступеньки 16 (фиг.1в) межуровневого соединения 15 (фиг.1в), и на поверхности изоляционного слоя 11 (фиг.1в) в виде ободка 17 (фиг.1в);
- нанесение конструктивной защиты 18 (фиг.1а, б, в), кроме контактных площадок первого проводникового слоя 3, второго проводникового слоя 7 и третьего проводникового слоя 14.
После каждой технологической операции проводилась межоперационная очистка.
Пример реализации способа
Способ был реализован при изготовлении трехслойной микросхемы магниторезистивного чувствительного элемента (МРЧЭ), показанного на фиг.2, состоящего из трех проводниковых (функциональных) элементов а, б, в. Структура многоуровневой тонкопленочной микросхемы по предлагаемому способу показана на фиг.1а, б, в.
Для удобства проведения сборочно-монтажных работ все контактные площадки функциональных элементов сформированы непосредственно на поверхности подложки по периферии рисунка проводниковых (функциональных) элементов. Связь между функциональными элементами и выведенными для них контактными площадками по периферии рисунка осуществляется по предлагаемому способу.
Первый проводниковый слой получали методом вакуумного напыления пермаллоя толщиной 50 нм и формирования методом фотолитографии магниторезистивных полосок 19 рис.2а, напыления V-Cu-Ni толщиной от 0,3 до 0,5 мкм и формирования методом фотолитографии перемычек 20 рис.2а, проводников 21 рис.2а и контактных площадок 3 рис.1а.
Таким образом, в фотошаблоне для первого проводникового уровня 2 рис.1а предусмотрено формирование одновременно моста Уинстона, проводников и контактных площадок, выведенных на периферию рисунка.
На полученную структуру наносили первый изоляционный слой 4 рис.1а из полиимидного лака АД-9103 толщиной от 2 до 3 мкм и формировали в нем переходные окна 5 рис.1б. На рисунке 2 изоляционный слой не показан.
Второй проводниковый слой 6 рис.1 а, б, в получали методом вакуумного напыления V-Cu-Ni толщиной от 2 до 3 мкм и формирования:
- витков тонкопленочной катушки индуктивности «set/reset» 22 рис.2б (6, рис.1);
- межуровневых соединений 8 рис.1б между первым 2 рис.1 и вторым 6 рис.1 проводниковыми слоями;
- контактных площадок 7 рис.1б.
Соединение между первым и вторым проводниковыми слоями формировали путем вытравливания в первом изоляционном слое 4 рис.1 переходного окна 5 рис.1б и пропыления его одновременно с напылением второго проводникового слоя 6 рис.1. Связь контактной площадки 7 рис.1б, сформированной для второго функционального элемента - катушки индуктивности «set/reset», осуществляли через межуровневое соединение 8 рис.1б. При этом методом фотолитографии создавали рисунок таким образом, чтобы:
- в первом проводниковом слое фрагмент рисунка против окна составлял 400×400 мкм;
- размер окна в изоляционном слое 4 рис.1 составлял 350×350 мкм;
- во втором проводниковом слое вокруг переходного окна 5 рис.1б создавался ободок 10 рис.1б шириной 50 мкм из V-Cu-Ni.
Таким образом, второй проводниковый слой 6 рис.1 через межуровневое соединение 8 рис.1 и проводник, сформированный на первом проводниковом уровне, соединены с контактной площадкой 7 рис.1, выведенной на периферию рисунка, для второго функционального элемента - катушки индуктивности «set/reset».
На полученную структуру наносили второй изоляционный слой 11 рис.1 из полиимидного лака АД-9103, толщиной от 3 до 4 мкм, и формировали в нем переходные окна 12 рис.1 в. На рисунке 2 изоляционный слой 11 рис.1 не показан.
Третий проводниковый слой 13 рис.1 получали методом вакуумного напыления V-Cu-Ni толщиной от 2 до 3 мкм и формирования:
- тонкопленочной катушки индуктивности «offset» 23 рис.2в, (13 рис.1);
- межуровневых соединений 15 рис.1в между первым 2 рис.1в, вторым 6 рис.1в и третьим 13 рис.1 в проводниковыми слоями;
- контактных площадок 14 рис.1в для катушки индуктивности «offset» 23 рис.2в.
Соединение между первым, вторым и третьим проводниковыми слоями формировали путем вытравливания во втором изоляционном слое 11 рис.1в переходного окна 12 рис.1в и пропыления его одновременно с напылением второго проводникового слоя 13 рис.1в. Связь контактной площадки 14 рис.1в осуществляли через межуровневое соединение 15 рис.1в. При этом методом фотолитографии создавали рисунок таким образом, чтобы:
- в первом проводниковом слое фрагмент рисунка против переходного окна 5 рис.1б составлял 400×400 мкм;
- размер окна в изоляционном слое 4 рис.1 составлял 350×350 мкм;
- при формировании проводников второго проводникового слоя вокруг изоляционного окна 5 рис.1б образовывали ободок шириной 50 мкм;
- размер переходного окна 12 рис.1в составил 375×375 мкм;
- в третьем проводниковом слое вокруг переходного окна 12 рис.1в создавался ободок 17 рис.1 в шириной 25 мкм из V-Cu-Ni.
Таким образом, третий проводниковый слой 13 рис.1в через межуровневые соединения 8 рис.1в и 15 рис.1в и проводник, сформированный в первом проводниковом слое 2 рис.1, соединены с контактной площадкой 14 рис.1в, выведенной на периферию рисунка, для третьего функционального элемента - катушки индуктивности «offset».
Таким образом, переходное окно 12 рис.1в между катушкой «offset» 23 рис.2в и первым проводниковым слоем имело межуровневые соединения в виде каскада (МСК) и представляло исключительно надежную конструкцию.
Число уровней, соединенных между собой в виде каскада соединений, может быть сколько угодно большим и ограничивается допустимым размером окна на верхнем уровне.
Переходные окна предпочтительнее изготавливать круглого сечения для более надежного пропыления. Нами использовались переходные окна шестиугольной формы, которые после травления имели скругленную форму. Травление полиимида при формировании переходных окон является изотропным процессом, вследствие чего стенки окна имеют наклон порядка 45°, что облегчает их пропыление. Для пропыления переходных окон использовали магнетронное напыление.
Изготовленные по приведенному способу образцы проверялись на адгезию и переходное сопротивление контактов. Адгезия определялась методом отрыва сварного соединения золотой проволоки диаметром 50 мкм с КП. Усилие отрыва составило более 22 г и происходило путем разрыва проволоки без повреждения КП. Переходное сопротивление между дном переходного окна и последним проводниковым уровнем составило менее 0,1 Ом.