电子封装材料之功能陶瓷_下篇.doc

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薄膜材料 导体薄膜材料
材料的种类及性质 导体薄膜的主要用途 形成电路图形，为半导体元件、半导体芯片、电阻、电 容等电路搭载部件提供电极及相互引线，以及金属化等 为保证金属—半导体间连接为欧姆接触，要求： 金属与半导体的结合部位不形成势垒 对于ｎ型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小 对于ｐ型半导体，与上述相反 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，电 子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等
2、薄膜材料
导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料
2、薄膜材料 导体薄膜材料
材料的种类及性质 实际情形 随半导体的表面处理，在导体和半导体表面往往会存在 薄的氧化膜，但电子通过隧道效应可穿过此膜层，因此并 不存在很大的问题 依表面处理条件不同，半导体的表面状态会发生变化， 相应金属及半导体的功函数也会发生变化 功函数还与表面能级、晶体取向等相关，必须注意其值 的变化
2、薄膜材料 导体薄膜材料
材料的种类及性质 其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性： 电导率要高 对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接 热导率高、机械强度高，对于碱金属离子及湿度等的电 化学反应要尽量小 高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象 附着力大，成膜及形成图形容易 可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻 可进行Ａｕ丝、Ａｌ丝引线键合及焊接等加工
2、薄膜材料 导体薄膜材料
材料的种类及性质 实际情形 单一种导体不可能满足上述所有要求 构成电子电路往往需要多种导体膜的组合
2、薄膜材料 导体薄膜材料
而且 相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积 层化，以达到上述各种要求 多层金属组合的实例
2、薄膜材料 导体薄膜材料
多层组合薄膜说明 导体的表面方阻均在５０ｍΩ／□以下 进一步降低电阻，需要在Ａｕ膜上再电镀Ａｕ 所列的材料组合之外，在半导体ＩＣ的电极凸点及梁式引线部分，还 采用Ａｕ－Ｐｄ－Ｔｉ，ＳｎＳｂ－Ｃｕ－Ｃｒ，Ａｕ－ＷＴｉ等 组合，以及ＰｔＳｉ，Ｐｄ２Ｓｉ，ＣｒＳｉ等金属硅化物作导体。 Ａｕ 可满足上述条件中的大部分 单独使用时与基板及ＳｉＯ２等膜层的附着力太低 往往在最底层采用ＮｉＣｒ，Ｃｒ，Ｔｉ等附着性好的膜层 最上层采用容易热压附着或容易焊接的Ａｕ及ＰｂＳｎ等 但两种金属薄膜相互结合时，往往在比块体材料更低的温度下就产生 明显扩散，生成化合物。
2、薄膜材料 导体薄膜材料
Ａｌ 特点
Ｓｉ基ＩＣ常用导体材料 与作为ＩＣ保护膜的ＳｉＯ２间的附着力大 对于ｐ型及ｎ型Ｓｉ都可以形成欧姆接触 可进行引线键合 电气特性及物理特性等也比较合适 价格便宜 作为ＩＣ用的导体普遍采用
但
随环境、气氛温度上升，Ａｌ与Ａｕ发生相互作用，生成金属 间化合物，致使接触电阻增加，进而发生接触不良
Ａｌ
当Ａｌ中通过高密度电流时，向正极方向会发生Ａｌ的迁移， 即所谓电迁移 在５００℃以上，Ａｌ会浸入下部的介电体中 在ＭＯＳ元件中难以使用 尽管Ａｌ的电阻率低，与Ａｕ不相上下，但由于与水蒸气及氧 等发生反应，其电阻值会慢慢升高。 Al与Au会形成化合物 Al端子与Au线系统在300℃下放置2～3ｈ，或者使气氛温度升高 到大约４５０℃，其间的相互作用会迅速发生，致使键合部位的 电阻升高 此时，上、下层直接接触，Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl 等反应扩散层。造成键合不良 采用Au－Au组合或Al－Al组合。在Au、Al层间设置Pd、Pt等中 间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构
Ａｌ
存在电迁移 Al导体中流过电流密度超过106A/cm2 或多或少地发生电迁移现象 气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线 Al导体膜在大约300℃长时间放置，会发生“竹节化”，即出 现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分 进一步在500℃以上放置，Al会浸入到下层的SiO2中，引起 Si基板上的IC短路 因此，使用Al布线的ＭＯＳ器件，必须兼顾到附着力、临界电 压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素，对材料进行选择。
连接与布线的形成及注意点
Si IC中的Al布线可由Cr－Au代替。 Cr－ Au与玻璃间具有良好的附着性，ｐ型、ｎ 型Ｓｉ均能形成欧姆结合 Cr－Au成膜有两种方法 其一是将基板加热到２５０℃，依次真 空蒸镀Cr和Au 其二是采用溅射法沉积 Cr－Au系中Cr膜的膜厚及电阻率如表３－ ６所列
连接与布线的形成及注意点
Cr－Au系可能引起劣化的机制 Cr向Au中的扩散，由此会引起电阻增加 Mo－Au系 比Cr－Au系在更高些的温度下更为稳定 其成膜通常采用真空蒸镀法
将基板加热到２６０℃，先蒸镀约１００ｎｍ的Ｍｏ，接着蒸 镀３０ｎｍ的Ａｕ，而后将基板温度降至１００℃以下，再蒸 镀约３００ｎｍ的Ａｕ。最后，将基板温度降至４０℃以下， 取出
Ｍｏ在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定
连接与布线的形成及注意点
ＮｉＣｒ－Ａｕ 薄膜导体中应用广泛 制备工艺
先蒸镀０.１μｍ的ＮｉＣｒ合金膜，再蒸镀０.１μｍ的Ａｕ
这种膜层在200～400℃的干燥Ｎ２气氛中放置２４ｈ，电阻 值有明显增加。 Ａｕ上蒸镀Ｎｉ膜的系统 在１５０℃会形成金属间化合物 Ｐｄ-Ａｕ ，在０.３μｍ的Ｐｄ膜上蒸镀０.３μｍ的Ａｕ ２７５℃老化，未发现生成化合物 有少量Ｐｄ固溶于Ａｕ中，300附近，膜层阻值急剧增加
连接与布线的形成及注意点
以Ｔｉ为底层的Ｔｉ－Ａｕ系 对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力 在２５０～３５０℃不太高的温度下即形成化合物，使Ｔｉ 膜的特性变差，由此造成电阻值增加 往往需在Ａｕ与Ｔｉ之间加入Ｐｔ阻挡层。 Ａｌ－Ｔｉ系 １００～１５０℃即形成Ａｌ与Ｔｉ的化合物，使膜层阻值 增加
导体膜的劣化及可靠性
成膜后造成膜异常的主要原因 一是由于严重的热失配，存在过剩应力状态，膜层从通常的 基板或者Ｓｉ、ＳｉＯ２膜表面剥离，造成电路断线 二是由于物质的扩散迁移引起，其中包括电迁移、热扩散、 克根达耳效应、反应扩散等。 造成物质扩散迁移的外因有 高电流密度 高温度 大的温度梯度 接触电阻等， 特别是几个因素联合作用时，效果更明显
导体膜的劣化及可靠性
造成物质扩散迁移的内因 有构成物质的体系 晶粒度 内部缺陷 内因、外因之间随时都在发生作用 Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ系 电流密度高，造成膜内晶粒不断长大，即自发热效应与热处 理具有同样的效果 通常情况下，导体温度上升会加速组元之间的相互扩散，形 成反应扩散产物，造成机械强度下降及电阻升高等，反过来 又造成温度升高，恶性循环，急速造成破坏
导体膜的劣化及可靠性
如超过１０５Ａ／ｃｍ２的高电流密度是造成导体劣化的主 要机制之一
该机制是：导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递 作用，使其向阳极方向迁移 当原子从导体中的某一位置离开时，会在该位置留下空位 空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之 差。若此差值为正，则造成空位积蓄，空位积蓄意味着导体的 劣化。
克根达耳效应 由于扩散组元之间自扩散系数不同引起的 自扩散系数大的组元的扩散通量大，自扩散系数小的组元的 扩散通量小 随扩散进行，若导体宏观收缩不完全，则原来自扩散系数大 的组元含量高的场所，将有净空位积累，从而引起导体劣化
导体膜的劣化及可靠性
物质迁移容易沿晶界进行——物质的迁移与其微观结构关系很 密切 温度不是很高，晶界扩散系数比体扩散系数大得多。膜层中 大量存在有晶界，晶界中离子的活动性与各个晶粒的晶体学 取向有关，特别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时，易于 离子迁移 晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而异，因此离 子的迁移率在各处都不相同，离子沿晶界的传输量因位置不 同而异 当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时，由于界面处 也发生离子的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等
导体膜的劣化及可靠性
劣化模式是上述各种机制的组合 平均故障时间ＭＴＦ与微观的结构因子数相关，特别是导体的 长度与宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等 影响很大 为了增加ＭＴＦ，在条件允许的情况下应尽量采取如下措施： 减小导体长度 增加导体膜的宽度与厚度 减小ＭＴＦ的标准偏差 增加膜层的平均粒度等。 实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝化层及封装的 缺陷也常常是造成劣化的原因 此外还要特别注意异常状态及环境变化等。
薄膜电感
薄膜电感具有很多优点，但是也存在一些使用方面的限制 制作技术
将低电阻导体膜形成螺圈状，中间用绝缘层交插绝缘，并引出 接线端子即形成薄膜电感
薄膜电感的电感量很小
几何条件所限，仅为２～３ｎＨ，用途受到限制
采用铁氧体基板，使导体螺旋成膜
电感量可达２０～３０ｎＨ，提高一个数量级
要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实 在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量
可达２～３ｍＨ，多作为外设的片式元件用于电路
2、薄膜材料 电阻薄膜材料
薄膜电阻用原材料 电阻率范围：１００～２０００μΩｃｍ 作成方阻值为１０Ω／□～１０００Ω／□的薄膜方电阻 １０Ω／□以下的低方阻值电阻需求不多 获得高方阻值薄膜电阻方法 增加电阻膜长度 减少电阻膜厚度 电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数 ＴＣＲ<１００×１０－６／℃ 要求其电气性能稳定 薄膜电阻制造方法 真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法
2、薄膜材料 电阻薄膜材料
制作方法对薄膜电气特性影响： 薄膜厚度：薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成ＴＣＲ 减小、电阻率升高
但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造成负的ＴＣＲ。这种 膜容易发生凝聚或氧化，除少数几种物质外，特性不稳定 膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。
若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体，由于引起 电子散射，使ＴＣＲ变小，长期稳定性变差。 组分：在金属—绝缘体、金属陶瓷等多相系中，因组分比易发生 偏离，膜的均匀性不好，由于过剩成分的氧化，稳定性差。 单相与复合系：单相薄膜具有正TCR和较低的电阻。但组成复合 系，例如ＮｉＣｒ等，由于各成分的ＴＣＲ相抵消，使ＴＣＲ变 小，阻值升高 其他：基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材 质、成膜速率等都会造成特性的分散，并影响稳定性等
电阻薄膜材料
代表性的薄膜电阻材料，分为 单一成分金属 合金 金属陶瓷三大类
陶瓷薄膜电阻
陶瓷电阻薄膜
金属陶瓷和Ｔａ２Ｎ膜－陶瓷电阻薄膜 自混合集成ＩＣ开发的初期就开始使用 金属陶瓷电阻膜 金属和陶瓷的混合膜，其中有Cr－SiO，Cr－MgF2， Au－SiO等系统 Cr－SiO特性稳定，在不同的SiO含量（25％～90％） 下，可以获得电阻率为4.3×10-3～3.1×10-4Ωｃｍ的电阻膜
陶瓷电阻薄膜
Ｔａ２Ｎ电阻膜 晶体结构、电阻率、ＴＣＲ与Ｎ２分压的关系
Ｎ２分压增加，β－Ｔａ→→β－Ｔａ＋α－Ｔａ→→ α－ Ｔａ＋Ｎ２ →→ α－Ｔａ＋Ｔａ２Ｎ→→Ｔａ２Ｎ＋ＴａＮ →→ＴａＮ次序变化 在含有Ｔａ２Ｎ的区域，膜层的电阻率大，ＴＣＲ接近零，而 且特性偏差小，阻值的经时变化小。因此，处于该区域的材料 适于制作电阻膜 调节Ｔａ２Ｎ膜电阻率一般采用阳极氧化法，在其表面形成绝 缘体Ｔａ２Ｏ５。 Ｔａ２Ｎ膜具有良好的热稳定性和耐热冲击性能。例如，在熔 凝石英基板上沉积Ｔａ２Ｎ膜，在２００～８００℃之间进行 热循环试验，其寿命在３×１０７循环以上
Ｎ２分压增加，β－Ｔａ→→β－Ｔａ＋α－Ｔａ→→ α－Ｔａ＋Ｎ ２ →→ α－Ｔａ＋Ｔａ２Ｎ→→Ｔａ２Ｎ＋ＴａＮ→→ＴａＮ次序变 化
陶瓷电阻薄膜
其他材料体系陶瓷薄膜电阻材料 （Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ （Ｔａ，Ａｌ）Ｎ （Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ Ｔａ（Ｎ，Ｏ） ＡｌＮ ＴｉＮ ＺｒＮ 一部分已在精密薄膜电阻和传真机用热写头的发热体中采用
2、薄膜材料 介质薄膜材料
使用材料性质 电学特性 电气绝缘、介电性 压电性、热释电性、铁电性 光学特性 机械特性 应用领域 电子元器件、光学器件、机械元器件 应用实例： 显示元件、红外传感器、弹性表面波（SAW）元件、薄膜 电容器、不易失性存储器
2、薄膜材料 介质薄膜材料
DRAM（动态随机存储器）用介质薄膜材料 蓄积电荷用的电容器膜 最初采用SiO2膜（εr＝3.8） 后，在维持等效介电常数的前提下，为提高其可靠性，采用Si3N4 （ εr＝ 7）与SiO2复合的等效三明治膜层结构 SiO2膜 制备方法 在Si基板及多晶硅膜、Si3N4膜表面氧化形成 由硅烷及四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4为原料，通过热CVD、等 离子体CVD形成 Si3N4膜制备方法 热CVD法、等离子体CVD。 SiO2及Si3N4－SiO2复合膜中SiO2的等效膜厚已薄到5nm，达到 最薄极限。
2、薄膜材料 介质薄膜材料
Ta2O5(εr＝ 28)，Y2O5( εr＝ 16)，HfO2(εr＝ 24)等氧化物介质薄膜 材料 相对介电常数是SiO2的4~7倍，受到广泛注意 采用Ta2O5时漏电流较大，实际静电容量受到影响。 SrTiO3，(Ba,Sr)TiO3，PZT [Pb(Ti,Zr)O3]， PLZT [(Pb,La)(Ti,Zr)O3] 等钙钛矿型氧化物材料 具有顺电相或铁电相，介电常数都很高 这些膜层在IC制作、电子封装中有重要应用 IC制作中，由于这些材料介电常数很高 可用于制作存储器用的电容器膜 GaAs基板上MM(单片微波)IC用的旁路电容器膜，已达实用化 电子封装领域，这些高介电常数的膜层与导体层叠层共烧可将 电容器等无源元件植于高密度多层基板中，实现三维封装
2、薄膜材料 介质薄膜材料
制备方法 射频磁控溅射 离子束溅射 溶胶－凝胶 ＭＯ（金属有机物）ＣＶＤ 紫外激光熔镀等方法成膜
2、薄膜材料 功能薄膜材料
功能薄膜材料 应用越来越广泛 涉及到电子元器件、显示器、磁记录及 光盘、传感器、太阳能电池、光集成电 路、金刚石薄膜等各个领域
习题与思考题
1、什么是薄膜技术？简要阐述薄膜与厚膜的概 念？ 2、例举薄膜制备的三种方法，简要说明其原理？ 3、例举导体薄膜、电阻薄膜材料、介质薄膜材 料？ 4、例举导体薄膜材料的劣化机制

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