Тонкопленочные резисторы

В результате в подобных сплавах количество свободных носителей оказывается меньше, чем в металлах. Низкий температурный коэффициент сопротивления объясняется тем, что при повышении температуры плотность состояний на d-уровне (при уровне Ферми) уменьшается (некоторое количество электронов переходит на s-уровень). В соответствии с этим увеличивается количество электронов проводимости. Увеличение числа свободных носителей в узком температурном интервале компенсируется рассеиванием фононов, в результате температурный коэффициент сопротивления становится очень низким. Такие особенности этих сплавов при производстве дискретных резисторов с заранее заданными свойствами требуют тщательно контролируемой тепловой обработки.

2) Пленки нихрома. Как только были выявлены преимущества металлических пленок как основы резисторов, большинство исследователей стало считать, что для получения тонких пленок необходимо применять те материалы, которые, как было доказано, имеют наилучшие свойства в массивном образце. Это случилось потому, что дополнительные источники удельного сопротивления, которые имеются в материале, находящемся в виде тонкой пленки, не были полностью оценены. Для изготовления резисторов одним из лучших сплавов считался нихром, состоящий либо из 80% никеля и 20% хрома, либо имеющий некоторые добавки из других металлов. Поэтому ранние исследования в области создания тонкопленочных резисторов проводились на осажденных пленках нихрома. Вскоре было обнаружено, что большинство нихромовых пленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению со сплавом; этим и объясняется то, что до настоящего времени пленки нихрома продолжают широко использоваться в промышленности. Наиболее широко используемый метод осаждения пленок нихрома -- напыление в вакууме. Основные трудности, возникающие при реализации этого метода (кроме проблем, связанных с загрязнением фоновыми газами) -- это весьма значительная разность в давлении паров никеля и хрома и высокая химическая активность нихрома по отношению ко многим материалам тиглей. Пытаясь решить последнюю из перечисленных проблем, некоторые исследователи возгоняли сплав из проволочного испарителя, а не испаряли его из расплава. К сожалению, чем ниже температура, тем больше разность в давлении паров компонентов. Например, при 1000°С хром испаряется в 300 раз быстрее никеля, в то время как при 1300°С это отношение падает до 8. Однако, как сообщается в литературе, некоторые исследователи нашли метод эффективного управления процессом возгонки. Например, Монье в качестве испарителя использовал широкую пластинку из нихрома, нагревая ее до температуры 1170° С. Скорость осаждения была всего лишь 13 А/мин-1*мм-2, но равномерность была такой, что контроль за величиной сопротивления оказался не нужен и значение поверхностного сопротивления могло контролироваться только по одному времени напыления. Как и предполагалось, содержание хрома в пленке было почти на 40% больше, чем в испарителе.

Из-за более высокого давления паров хрома состав (и, следовательно, удельное сопротивление) пленок, полученных испарением из расплава, имеющего ограниченную массу, будет изменяться во времени. Например, когда Дегенхарт и Пратт испаряли около 12% 1,2-граммовой навески, нагревая ее до температуры 1450°С, они установили, что состав пленок непрерывно меняется вместе с изменением величины поверхностного сопротивления (рис. 1) Альтернативным подходом является предположение, что состав пленки будет отличаться от состава исходного материала источника, но его изменения благодаря использованию достаточно массивного источника будут незначительными. Этот подход использовался Уайдом и Терменом, которые установили, что для получения пленки, состоящей из равного количества хрома и никеля, источник нихрома должен содержать 14% хрома. Источник, состоящий из 200-граммовой конической навески, поддерживался внутри тонкостенного конического керамического тигля размерами ?8 х 60 мм. Температура источника была доведена до рабочей с помощью индукционного нагрева и контролировалась термопарой. Существует и другая проблема при нанесении пленок нихрома -- это частичное окисление хрома во время напыления (степень окисления зависит, очевидно, от скорости напыления, концентрации остаточного газа и температуры подложки). Кроме того, поскольку пленки обычно подвергаются стабилизирующей обработке, изменения сопротивления из-за окисления зависят от количества хрома на поверхности пленки.

Кемпбелл и Хендри сообщили об одной интересной взаимосвязи между величиной ТКС и составом пленок нихрома. Они обнаружили, что ТКС становится все более отрицательным для пленок с высоким содержанием хрома, и подобрали состав пленки и условия, при которых ТКС не зависит от поверхностного сопротивления (рис. 1).

Рисунок 1 - Влияние содержания хрома на поверхностное сопротивление нихромовых пленок, полученных напылением в вакууме и катодным распылением.

Проблема контроля состава металлов в пленках нихрома может быть решена методом взрывного испарения. Этот вопрос исследовали Кемпбелл и Хендри. Используя порошок с желаемым составом и «сбрасывая» его на раскаленный испаритель, они показали, что состав пленки с точностью до 1% соответствует составу исходного порошка. Родственный метод, очень похожий на метод взрывного испарения и к тому же достаточно технологичный, использовался Сиддаллом и Пробином. Нихромовая проволока использовалась как электрод, испаряемый, благодаря бомбардировке его электронами. Поскольку весь кусок испаряется до момента продвижения проволоки, состав пленки получается аналогичным составу проволоки. Проблема контроля за составом нихромовой пленки может быть также решена с помощью метода катодного распыления. Сравнивая пленки нихрома, полученные этим методом н методом напыления в вакууме, Пратт установил, что пленки, полученные методом катодного распыления, с поверхностным сопротивлением выше некоторой определенной величины получаются почти постоянного состава.

Рисунок 2 - Зависимость ТКС нескольких нихромовых пленок разного состава от их поверхностного сопротивления.

Он же установил, что ТКС подобных пленок изменяется в гораздо меньших пределах, чем ТКС пленок, полученных методом взрывного испарения. Так, ТКС пленок, полученных методом испарения, колеблется от +3,5*10-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлением около 3 Ом/? до -3*10-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлением около 3000 Ом/?, в то время как пленки, полученные методом распыления, имеют ТКС порядок +1,5*10-4 1/°С при колебании величины поверхностного сопротивления в диапазоне 5--1200 Ом/?.

Рисунок 3 - Изменение относительного сопротивления пленок, полученных методами распыления и напыления в зависимости от изменения поверхностного сопротивления

На рис. 3 показано изменение относительного сопротивления пленок, полученных обоими методами, в зависимости от изменения поверхностного сопротивления. Для пленок, полученных методом напыления в вакууме, наблюдается небольшое уменьшение относительного сопротивления при значениях поверхностного сопротивления ниже 10 Ом/?. Выше этой величины наблюдается некоторое увеличение относительного сопротивления, а затем кривая быстро идет вверх. Пленки, полученные катодным распылением, имеют простую характеристику, но у них рост относительного сопротивления происходит несколько быстрее, а кроме того, при больших значениях поверхностного сопротивления наблюдаются значительные отклонения отдельных значений от результирующей кривой. Вид кривых можно объяснить либо тем, что пленки, полученные катодным распылением, более чувствительны к окислению, либо тем, что уменьшение относительного сопротивления в левой части кривой благодаря эффекту отжига в этих пленках проявляется значительно слабее. Оба объяснения представляются правдоподобными. Для осаждения нихромовых пленок Стерн использовал методику распыления со смещением. Он показал, что этим способом можно получить пленки, свойства которых очень напоминают свойства сплава, из которого они получены, и которые имеют максимально полезное поверхностное сопротивление около 40 Ом/?. Пленки получались очень стабильными и практически не изменялись при нагревании в обычной атмосфере. Поскольку этот метод имеет чрезвычайно высокую воспроизводимость, контроль за поверхностным сопротивлением возможен с точностью около ±2%. Чтобы достигнуть этой точности, необходимо было преодолеть затруднение, связанное с колебаниями скорости осаждения из-за изменений количества примеси водорода.

Сиддалл и Пробин определили технические требования при получении нихромовых пленок методом напыления: 1) температура подложек в процессе напыления должна поддерживаться в диапазоне 2--300°С, чтобы ликвидировать внутренние напряжения; 2) окисление пленки во время напыления должно регулироваться изменением остаточного давления газа и скорости напыления; и 3) полученная пленка должна быть отожжена. Отжиг можно проводить в обычной атмосфере при температуре 250--350°С, но готовая пленка должна быть изолирована, чтобы улучшить ее стабильность при больших изменениях атмосферных условий.

2.2 Монометаллические системы

С ростом понимания того, что пленки из чистого металла могли бы иметь значительно более высокое удельное сопротивление по сравнению с массивным образцом металла, интерес к использованию сплавов как основы для получения пленок постоянно уменьшается. С другой стороны, привлекательность однокомпонентных систем становится очевидной, поскольку в этом случае контроль за составом, осаждением и другими параметрами не вызывает затруднений. Рассмотрим ряд таких монометаллических систем.

1) Тантал. Этот металл, первоначально используемый в производстве тонкопленочных конденсаторов как побочный, придает последним ряд важных свойств. В настоящее время первоначальный интерес к монометаллическим системам почти утрачен, однако тантал все еще привлекает к себе внимание как основа для получения тонкопленочных резисторов. В дополнение к своей тугоплавкости (которая означает, что любые дефекты, «законсервированные» при осаждении, не будут отожжены за все время жизни пленки) тантал принадлежит к классу вентильных, которые при нагревании в атмосфере кислорода или при анодном окислении образуют прочный защитный окисел. Анодное окисление позволяет вести точный контроль толщины и может использоваться как регулировочный метод.

Вследствие высокой тугоплавкости для получения пленок предпочтительным методом является катодное распыление, а не напыление в вакууме, хотя последний метод можно тоже использовать. Тантал -- химически активный металл, вследствие чего, если не принимать специальных мер предосторожности, напыленные пленки могут содержать различные примеси. Однако, как было сказано ранее, чтобы придать пленкам некоторые полезные свойства, в тантале должны быть определенные примеси. Попытки улучшить однородность и проконтролировать частоту танталовых пленок привели к улучшению процесса катодного распыления как общего метода получения пленок. Получение танталовых резисторов осложняется тем, что танталовые пленки могут существовать, по крайней мере, в трех формах.

б-структура -- это обычная объемно-центрированная структура тантала, аналогичная структуре массивного материала. в-структура впервые найдена Ридом и Альтманом . Точные условия, которые заранее определяли бы конкретный вид образуемой структуры (б или в), до сих пор еще полностью не определены, однако установлено, что в-форма не образуется в системах, в которых существует достаточное количество газовых примесей или температура подложки превышает 600° С. Часто образуются пленки, состоящие из смеси б и в-тантала. Эти трудности не дают возможность получить пленку с заранее заданной структурой и, кроме того, величину поверхностного сопротивления нужно контролировать непосредственно, а ие косвенно, по времени напыления. Форма с малой плотностью очень отличается от первых двух и будет рассмотрена отдельно.

Характеристика удельного сопротивления пленки в зависимости от процентного содержания N2, как показано на рис. 4, имеет горизонтальную часть и спад при величине удельного сопротивления около 250 мкОм*см и ТКС порядка --0,75*10-4 1/°С. Важным свойством азотосодержащих танталовых пленок является то, что их можно анодировать как и чистый тантал. На практике состав пленки выбирается возможно близким к Ta2N, так как установлено, что резисторы из пленок такого состава имеют очень хорошую стабильность в течение всего периода нагрузочных испытаний.

Рисунок 4 - Влияние различной концентрации азота при напылении на удельное сопротивление и ТКС танталовых пленок

Существование танталовых пленок малой плотности впервые наблюдал Шютце. Изучая осаждение тантала, он и его коллеги обнаружили, что удельное сопротивление получаемых пленок зависит не только от напряжения на катоде. Результаты их наблюдений показаны на рис. 6. К сожалению, танталовые пленки с малой плотностью, полученные таким методом, оказываются нестабильными. Например, при стабилизирующей тепловой обработке в течение 1--2 ч при температуре 200°С происходит незначительное изменение поверхностного сопротивления, но ТКС падает очень быстро до величины порядка -3*10-4 1/°С (рис. 7).

Ряд монометаллических систем -- алюминий, хром, вольфрам и рений -- был исследован Циммерманом. Рений, благодаря существенным преимуществам, оказался оптимальном материалом для создания тонкопленочных резисторов. Данные по точности воспроизведения сопротивления свеженапыленных пленок, которую можно достигнуть для различных материалов в зависимости от величины поверхностного сопротивления, приведены на рис. 7.

Рисунок 7 - Зависимость точности воспроизведения поверхностного сопротивления, достижимой для различных мнометаллических ситем, от поверхностного сопротивления

2) Хром. Как указывалось ранее, процентное содержание хрома в пленках нихрома часто значительно превышает его долю в исходном материале (20%).

Вследствие ограниченной взаимной растворимости Ni и Сr в твердом состоянии, пленки нихрома, полученные напылением в вакууме, часто содержат в растворе больше хрома, чем это следует из термодинамики. Это является источником нестабильности, вследствие того, что избыток хрома выпадает из раствора. Более того, газ, поглощенный хромом во время его осаждения, оказывает на удельное сопротивление пленок хрома более сильное влияние, чем добавки никеля. В результате этого «чистые» пленки хрома имеют значительно более высокие удельные сопротивления, чем пленки нихрома оптимального состава. По этим причинам, а также ввиду большей простоты монокомпонентной системы, возник значительный интерес к хрому как к материалу для тонкопленочных сопротивлений. Хотя использование чистого хрома и исключает проблему контроля состава и распада твердого раствора, чувствительность свойств пленок хрома к условиям нанесения значительно выше, чем у пленок нихрома, вследствие влияния «встроенных» загрязнений; С другой стороны, хорошо известные адгезионные свойства хрома к стеклянным подложкам эффективны для резистивных элементов, так как они связаны с низкой склонностью хрома к агломерации. Кроме того, хром хорошо совместим с любым проводящим материалом. Дополнительная привлекательная черта хрома, с точки зрения осаждения пленок, -- легкость сублимации. Обычно применяется вольфрамовый испаритель, покрытый хромом гальваническим способом. Перед использованием такие испарители рекомендуется подвергать термообработке в водороде, так как гальванические слои обычно содержат много окислов. Так как хром не очень тугоплавок, существует предельная температура, при которой пленки хрома могут работать непрерывно. Термообработка пленок хрома в вакууме вызывает понижение сопротивления вследствие эффектов отжига, отсутствующих у более тугоплавких пленок, таких, например, как тантал.

В настоящее время хром наиболее широко используется при изготовлении дискретных резисторов, которые могут быть подстроены до требуемых номиналов путем нарезки канавки, меняющей число квадратов пленки, или при помощи обработки абразивом. В микроэлектронике это, однако, неприменимо.

Страницы: 1, 2, 3