Тонкопленочные резисторы

Рисунок 8 - Влияние температуры подложки и скорости осаждения на отношение удельного сопротивления пленки к объемному споротивлению массивных образцов хрома.

2.3 Керметы

После того, как стало очевидным, что большинство тонкопленочных резисторов приобретает требуемые электронные свойства за счет включения примесей, стало логичным сознательное обеспечение таких включений. При этом нет необходимости ограничиваться примесями, образуемыми за счет остаточных газов. В то время как число примесей, образуемых за счет газов, ограничено азотом, кислородом и углеродом, твердые примеси можно создать в большом количестве. Наконец, коэффициент прилипания для большинства твердых примесей можно предполагать близким к единице, так что естественно в этом случае ожидать более высокой степени управления составом по сравнению с примесями газового происхождения.

1) Gr -- SiO. Из большого числа комбинаций металл -- диэлектрик, изученных в пленочном состоянии, наиболее успешные результаты в настоящее время достигнуты в системе хром -- моноокись кремния. Одно из первоначальных оснований для разработки и важное свойство таких пленок -- их высокое удельное сопротивление, а также стабильность и отсутствие большого отрицательного температурного коэффициента. В существующих литературных данных имеются некоторые расхождения относительно удельного сопротивления пленок Cr -- SiO в зависимости от их состава, обусловленные, главным образом, неоднозначностью определения состава реальных пленок, а также сильной зависимостью удельного сопротивления от термической природы пленки. На рис. 9 приведены результаты по исследованию состава пленок с точностью ± 1 % с применением рентгеновского микроанализа, полученные Гленгом и др. Зависимость удельного сопротивления от состава приведена для пленок, осажденных при 200°С, а также после термообработок при 400, 500 и 600° С (в аргоне, в течение 1 ч при каждой температуре).

Рисунок 9 - Зависимость удельного сопротивления пленок Cr-SiO от состава и термообработки.

На рис. 10 приведены значения ТКС для пленок Сг -- SiO, осажденных при 200°С и отожженных в течение 1 ч при 400°С. На практике для большинства применений стабилизирующая термообработка в течение 1 ч при 400°С является обязательной. Интересно отметить, что после стабилизирующей термообработки пленки, содержащие до 50 атомных процентов SiO, имеют положительные температурные коэффициенты, близкие к нулю. Гленг и др. показали, что свежеосажденные пленки -- аморфны, однако после термообработки в них появляются кристаллические фазы (включая Cr3Si).

На основе измерений эффекта Холла Луд предположил, что в пленках, содержащих до 10% SiO, роль моноокиси кремния заключается в создании примесных центров в зонной структуре хрома. Пленки из чистого хрома имеют положительный коэффициент Холла, но с добавлением SiO этот коэффициент становится отрицательным, проходя через нуль при 5% SiO и достигая минимума при 10% SiO. В результате рентгеновских дифракционных исследований пленок, содержащих около 25% SiO, Скотт предположил, что в свежеосажденных пленках хром равномерно распределен в SiO, а после отжига появляются небольшие (~20 А) частицы хрома, образующие короткие цепочки, что сопровождается увеличением проводимости.

Рисунок 10 - Зависимость ТКС пленок Cr-SiO, осажденных при 260°С от состава, до и после термообработки при 400°С.

Несмотря на высокое удельное сопротивление пленок, появление положительного ТКС в пленках с более высоким содержанием SiO, подтверждает, что осажденные пленки состоят из зерен хрома (содержащих некоторое количество растворенного кремния), распределенных в матрице из моноокиси кремния. Физическое разделение 1 частиц обусловливает высокое удельное сопротивление и высокие отрицательные значения ТКС, так как для прохождения зазоров между частицами электроны должны быть термически возбуждены. Во время термообработки часть SiO днспропорционирует, образуя свободный кремний, реагирующий на поверхности каждого зерна с образованием слоя Cr3Si. Окисные прослойки между зернами «выжимаются» и зерна теперь касаются друг друга, так что сопротивление изоляции заменяется сопротивлением контактирования зерен.

Рисунок 11 - Зависимость сопротивления пленок Cr-SiO (20% SiO) от времени термообработки.

Будучи защищенными от окисления, пленки Сr--SiO обладают хорошей термической стабильностью и не меняются по величине, даже если их прогревают до температуры, равной или большей, чем максимальная температура, при которой они были предварительно термообработаны (рис. 11). Отметим, что температура отжига играет значительно более важную роль, чем время отжига.

2.4 Полупроводниковые пленки

В тех случаях, когда требуется обеспечить высокое значение поверхностного сопротивления и допустимы относительно высокие величины ТКС, в качестве материала для резистивных пленок могут быть использованы полупроводники. В течение ряда лет изучались германий и кремний, для определения возможности их применения в качестве материалов для тонкопленочных резисторов. Однако самые лучшие результаты в этом вопросе были достигнуты с углеродом и окисью олова.

1) Углеродные пленки. Углеродные пленки в интегральных схемах не нашли широкого применения из-за трудностей управления поверхностным сопротивлением и высоких температур технологического процесса. Тем не менее они были применены при изготовлении дискретных резисторов. Последний обзор их технологии и свойств появился в 1960 г.. Углеродные резистивные пленки обычно осаждаются на керамические подложки, необходимые из-за высоких температур (порядка 1000° С), используемых в процессе осаждения, например, при пиролизе углеродсодержащего газа, как например, метана. Обычно газообразные углеводороды для лучшего управления технологическим процессом разбавляются нейтральными газами, например, азотом. Изменения температуры, концентрации газа и т. д. обеспечивают возможность получения пленок различной толщины. Таким образом получаются так называемые «углеродно-осажденные» резисторы. В связи с тем, что в настоящее время точное управление получением требуемого поверхностного сопротивления пиролитическим методом невозможно, резисторы индивидуально подгоняют до требуемого номинала нарезкой спиральных канавок на поверхности пленки, см. разд. 4В. ТКС чистых углеродных пленок относительно высок и меняется от -2,5*10-4 1/°С при 10 Ом/? до -4*10-4 1/°С при 1000 Ом/?. Для учета небольших изменений сопротивления, связанных с присоединением контактных выводов, резисторы специально подгоняются до величины на 1% меньшей номинала, а окончательная подгонка осуществляется тонкой обработкой абразивом пленки перед нанесением защитного покрытия.

Гораздо более твердые и более стабильные пленки (сплавные пленки) можно получить, используя другие элементы, такие, например, как кремний и кислород с углеродом. По сравнению с обычными пленками, которые должны быть тщательно защищены, «сплавные» пленки нечувствительны к окислению даже без защитных покрытий. Однако ТКС у них не меньше, чем у обычных углеродных пленок.

Резкое уменьшение ТКС углеродных пленок может быть обеспечено использованием вместе с метаном боросодержащего газа. Пленки этого типа имеют ТКС -- 0,2. 10-4 1/°С при 10 Ом/? (при 4% бора и -2,5* 10-4 1/°С при 1000 Ом/?. Для получения пленок, легированных бором, использовались также смеси гидрида бора с метаном и бензином, а также однокомпонентные системы типа трипропилборана Однако наиболее распространенной присадкой является ВСl3.

2) Пленки окиси олова. Обсуждавшиеся ранее системы для создания резисторов в различной степени подвержены влиянию окисления. Можно ожидать, что материал, определенным образом окисленный на воздухе, будет свободен от этого недостатка. Окись оловя и является как раз таким материалом. Кроме того, благодаря тугоплавкости, вероятность отжига или агломерации окиси олова низка. Наиболее распространенным методом получения пленок окиси олова является гидролиз хлорида олова (SnCl4) на поверхности подложки.

Рисунок 12 - Зависимость поверхностого сопротивления пленок окиси олова от концентрации сурьмы при различных толщинах пленки

Так как чистый хлорид олова гидролизуется слишком быстро, то для замедления реакции обычно добавляется спирт, например, этиловый, органическая кислота, например, уксусная, или, часто, HCI. Типичная процедура заключается в нанесении раствора, содержащего равные объемные части различных составляющих, методом пульверизации на нагретую стеклянную или керамическую подложку, на поверхности которой происходит реакция. Скорость реакции при 500° С низкая, а около 800° С резко возрастает. Вследствие крайне высокой температуры окись олова образует пленку, обладающую высокой адгезией. Для устройств, в которых используется нанесение раствора на вращающиеся подложки струей, требуется тщательный контроль процесса.

Рисунок 13 - Зависимость ТКС пленок окиси олова от поверхностного сопротивления при различных концентрациях сурьмы.

Окись олова -- полупроводник с широкой запрещенной зоной, -- при тщательном обеспечении стехиометрии имеет высокое удельное сопротивление. Однако пленки, полученные гидролизом, могут или быть недоокисленными, или содержать некоторое количество ионов хлора. В этих случаях пленки имеют электронную проводимость. Для дальнейшей модификации проводимости пленок окиси олова обычно применяют добавки соответствующих легирующих примесей, сурьмы и индия. Сурьма, например, действует как донор, еще более увеличивая проводимость и уменьшая температурный коэффициент сопротивления, с другой стороны, индий действует как акцептор и компенсирует кислородные вакансии, обусловливая рост удельного сопротивления и ТКС. Пленки Su02 могут иметь высокое удельное сопротивление. Так, пленки с поверхностным сопротивлением 10000 Ом/? могут иметь толщину 1 мкм. Эти пленки очень шероховатые и могут без ухудшения характеристик работать в окислительной атмосфере при температурах до 450°С. Такая высокая температурная стабильность уменьшает опасность ухудшения параметров резисторов за счет реиспарения в разогретых точках. В частности, пленки, легированные сурьмой, наиболее стабильны в окислительной атмосфере, в то время как у нелегированных пленок проводимость может изменяться за счет заполнения части кислородных вакансий. Зависимость поверхностного сопротивления при данной толщине от концентрации сурьмы в пленке приведена на рис. 12, а на рис. 13 приведена зависимость ТКС от поверхностного сопротивления для различных концентраций сурьмы.

Интересной особенностью пленок окиси олова является их высокая прозрачность. Вследствие этого они нашли широкое применение в производствах «проводящего стекла» и нагревательных элементов. Однако методика создания, использование высоких температур и то, что пленки, полученные путем гидролиза на поверхности, очень крупнозернистые и грубые, ограничивает применение пленок указанного типа в интегральных схемах Гладкие пленки, осажденные при более низких температурах, могли бы найти большее применение, однако проведенное напыление и катодное распыление окисных пленок показало, что для достижения полезных свойств после осаждения необходима термообработка при температурах порядка 800°С.

3. Конструирование тонкопленочных резисторов

3.1 Выбор геометрии резистора

Выбор величины поверхностного сопротивления для конкретной группы резисторов в схеме определяется резистором с минимальным номинальным его значением. Опыт показал, что для любого резистора число квадратов должно быть всегда больше 0,5, иначе существует опасность появления неточностей, вызываемых ухудшением контроля расстояния между контактными площадками и резко возрастающей чувствительностью к явлениям в контактах между проводящей и резистивной пленками.

Рисунок 14 - Сопротивление, вносимое различными элементами топологии резисторов.

По возможности, все резисторы следует выполнять в виде прямых линий; извилистые линии допустимы только в случаях крайней необходимости. Прямолинейные резисторы имеют лучшие высокочастотные свойства, пониженную чувствительность к миграции ионов натрия и меньшую вероятность отказов под нагрузкой и при воздействии влаги. Кроме того, в этом случае легко предсказать точное значение величины сопротивления.

На рис. 14 приведены топология и формулы для расчета резисторов в виде прямого угла (а) и криволинейной дорожки (б). В некоторых случаях для предупреждения осложнений, на углах используется конфигурация (в), в которой угол шунтирован проводящим материалом.

2.2 Выбор площади резистора

Под тонкопленочные резисторы, если нет серьезных причин делать иначе, целесообразно занимать всю доступную площадь. Это позволяет уменьшить погрешности, связанные с неточным воспроизведением размеров, и увеличить величину рассеиваемой мощности. На практике площадь всегда бывает ограничена и основная ее часть должна быть отдана под резисторы, рассеивающие самую большую мощность. Отсюда возникает необходимость оценки способности системы рассеивать мощность.

Рисунок 15 - Зависимость приращения температуры резисторов из кермета при мощности 8*103 Вт*см-2 от площади резистора.

Необходимо подчеркнуть, что рассеяние мощности не является свойством данного материала. Максимальная температура и плотность тока, при которых резистор может работать надежно, -- единственные требования, которые могут быть определены. Мощность, необходимая для разогрева данного резистора до этой температуры, сложным образом зависит от конкретного материала подложки, способа монтажа на подложке и т. д.

В связи с непрерывным уменьшением размеров резисторов, величина удельной мощности, которую можно рассеять, прогрессивно возрастает и резистор превращается в точечный источник тепла. На рис. 15 в качестве примера показано, какова зависимость перегрева резистора из кермета на подложке из окисленного кремния, находящейся при комнатной температуре, от площади при удельной мощности 8*103 Вт/см2. В этом случае кремниевая подложка имела хороший теплоотвод, так что температура разогрева резистора определялась, главным образом, скоростью передачи тепла через термический окисел к кремнию. В результате температура резистора слабо зависела от размера подложки и or числа резисторов, одновременно находившихся под нагрузкой.

Температура резистора зависит от скорости передачи тепла подложки и от способности подложки рассеивать это тепло. Последняя, в свою очередь, зависит от температуры подложки. Поэтому, температура резистора будет, помимо прочего, зависеть от его размера и от соотношения площадей резистора и подложки. На рис. 20, в качестве примера, приведены изотермы для пленок тантала на стеклянных подложках при различных уровнях мощности для различных соотношений площадей резистора и подложки.

Рисунок 16 - Изотерма для танталовых резисторов на стеклянных подложках в зависимости от удельной мощности в соотношении площадей подложки и резистора.

В случаях заметного роста температуры подложки иногда можно рассчитать максимальное рассеяние мощности, рассматривая все резисторы на подложке как один большой резистор. В случаях, когда используются относительно массивные токоподводы к подложке, нельзя пренебрегать их влиянием на рассеивание мощности в схеме, так как они могут отводить значительную часть тепла.

2.3 Другие факторы

Среди, других факторов, определяющих конструкцию резистора, следует отметить сведение к минимуму числа пересечений, правильный с металлургической точки зрения подбор проводящих материалов и защитного покрытия, а также обеспечение их совместимости. Кроме того, резистивный слой рекомендуется формировать до нанесения проводящего слоя (контактов). Обратный порядок (например, с целью исключения проблемы сопротивления контактов), не рационален из-за утоньшения резистивной пленки на ступеньке, образуемой проводящим слоем.

Следует учитывать также температуру проведения операций технологического процесса. Максимальная температура, воздействующая на систему, может быть снижена до минимума за счет применения возможно высокой температуры нанесения с исключением последующей операции отжига. Однако нанесение резистивной пленки при относительно высокой температуре может привести к плохому контролю поверхностного сопротивления из-за локальных градиентов температуры на подложке во время осаждения. Имея это в виду, можно осаждение провести при минимальной температуре, обеспечивающей хорошую адгезию, и затем выполнить стабилизирующую термообработку.

Заключение

Если еще недавно тонкопленочные резисторы использовались главным образом при изготовлении гибридных ИС, то за последние годы они все шире начинают применяться в производстве монолитных ИС по совмещенной технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала и др.

Материалы, используемые при изготовлении резистивных пленок, должны обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени резисторов с низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), обладать хорошей адгезией, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к длительному воздействию повышенных температур. При осаждении материала на подложке должны образовываться тонкие, четкие линии сложной конфигурации с хорошей повторяемостью рисунка от образца к образцу.

Список литературы

Получение тонкопленочных элементов микросхем / Б.С. Данилов. - М.: Высш. шк, 1989.

Зарубежная электронная техника / Н.А. Акуленко. - М.: Высш. шк, 1982. - 300 стр.

Электронная промышленность / А.С. Грибов. - Радио и связь, 1991. - 202 стр.

Физико-химические основы технологии электронных средств: учебное пособие / В. И. Смирнов. ? Ульяновск: УлГТУ, 2005.? 112с.

Технология производства полупроводниковых приборов и ИМС: учебное пособие для вузов- 3-е издание, М.: Высш. шк. 1986. - 307 с.

Резисторы: Справочник / ред. Четвертков, И.И.; Терехов, В.М. - Радио и связь; Издание 2-е, 1991. - 528

Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры / Автор: Азарх С. Х. и Фрид Е. А. - Госэнергоиздат, 1980.- 80 с.