Содержание
Введение
1. Выбор материалов
1.1 Требования, предъявляемые к тонкопленочнымрезисторам
1.2 Физическая природа удельного электрическогосопротивления пленок
1.3 Методы осаждения пленок
2. Материалытонкопленочных резисторов
2.1 Металлосплавныепленки
2.2 Монометаллические системы
2.3 Керметы
2.4 Полупроводниковые пленки
3. Конструирование тонкопленочныхрезисторов
3.1 Выбор геометрии резистора
3.2 Выбор площади резистора
3.3 Другие факторы
Заключение
Список литературы
/>Введение
Зарождение и развитие микроэлектроники какнового научно-технического направления, обеспечивающего создание сложной радиоэлектроннойаппаратуры (РЭА), непосредственно связаны с кризисной ситуацией, возникшей вначале 60-х годов, когда традиционные методы изготовления РЭА из дискретныхэлементов путем их последовательной сборки не могли обеспечить требуемуюнадежность, экономичность, энергоемкость время изготовления и приемлемыегабариты РЭА.
Несмотря на малый срок своегосуществования, взаимосвязь микроэлектроники с другими областями науки и техникиобеспечила необычайно высокие темпы развития этой отрасли и существенносократила время для промышленной реализации новых идей. Этому способствовалотакже возникновение своеобразных обратных связей между разработкой интегральныхсхем, являющихся базой автоматизации производства и управления, ииспользованием этих разработок для автоматизации самого процессапроектирования, производства и испытаний интегральных схем.
История использования тонких пленок длясоздания резисторов насчитывает, по крайней мере, восемьдесят лет. Дискретныерезисторы на основе тонких пленок, по сравнению с объемными резисторамиполупроводниковых микросхем, имеют лучшие параметры и повышенную надежность, всопоставлении же с прецизионными проволочными резисторами они при сравнимыхвеличинах параметров имеют меньшую стоимость. Тонкопленочные резисторы, чтоназывается, нашли себя в области интегральных микросхем. Резисторы, имеющиенаименьшие размеры 130—260 мкм, еще могут выгодно конкурировать с тонкимипленками, однако для изготовления прецизионных резисторов с размерами менее 130мкм использование тонких пленок становится обязательным.
/>1. Выборматериалов
/>
1.1 Требования, предъявляемые к тонкопленочным резисторам
Приизготовлении резисторов наиболее высокие требования предъявляются к пленкам,имеющим поверхностное сопротивление в диапазоне 10—1000 Ом/Q.Резисторы с сопротивлением ниже 10 Ом употребляются редко, а резисторы ссопротивлением в диапазоне до нескольких мегом имеют очень большие линейныеразмеры. Необходимость в пленках с поверхностным сопротивлением большим 1000Ом/ о велика, и поэтому в настоящее время большинство исследований в областитонкопленочных резисторов посвящено именно этой проблеме.
Помимосоответствующего поверхностного сопротивления, пленки должны иметь низкийтемпературный коэффициент сопротивления (обычно менее 1*10-4 1/°С).Они должны быть также достаточно стабильны ми,любое изменение величины сопротивления, которое может ожидаться в течениевремени работы, не должно превышать допустимой величины, и, наконец, технологияполучения тонкопленочных резисторов должна быть такой, при которой резисторыимели бы приемлемую стоимость.
/>1.2 Физическаяприрода удельного электрического сопротивления пленок
Итак,материалы, используемые для получения тонких пленок, должны иметь удельноесопротивление в диапазоне 100— 2000 мкОм*см. Напомним, однако, что удельноесопротивление металлического массивного образца не может значительно превышатьнижний предел этого диапазона. Полупроводниковые массивные образцы могутудовлетворять требованиям по удельному сопротивлению, однако они имеют большойотрицательный температурный коэффициент. Полуметаллы, такие, как висмут исурьма (и их сплавы), по сравнению с металлами, имеют увеличенное удельноесопротивление, однако низкие точки плавления и относительно высокие температурныекоэффициенты не позволяют использовать их для изготовления резисторов.
Приосаждении многих материалов в виде тонких пленок удельное сопротивление ихзначительно увеличивается, однако резкого увеличения температурныхкоэффициентов не происходит. Увеличение удельного сопротивления может явитьсярезультатом следующих явлений.
1.Возможно, существует большое рассеяние электронов проводимости на поверхностипленки (эффект Фукса — Зондхеймера), обусловливающее одновременноесуществование высокого удельного сопротивления вместе с низким температурнымкоэффициентом. Однако, поскольку для проявления этого эффекта пленка должнаиметь небольшую толщину, величина высокого удельного сопротивления чрезвычайночувствительна к любому изменению толщины пленки. Кроме того, подобные пленкиочень легко агломерируются и поэтому имеют ограниченную механическуюцелостность. Практически при изготовлении тонкопленочных резисторов длясоздания высокого удельного сопротивления редко «используется» только один этотэффект.
2.Материал может иметь примеси и дефекты взначительно больших количествах, чем это необходимо для термодинамическогоравновесия. Это (по правилу Матиссена) также приводит к низкому температурномукоэффициенту. Значительные отклонения от равновесия обязательно приведут кпоследующему осаждению (в течение времени жизни компонента). Но даже есличрезмерные концентрации дефектов отсутствуют, любое изменение концентрациидефектов (по любой причине) выразится в изменении удельного сопротивления. Дляполучения резистора применяется специальная тепловая обработка пленки, с той жецелью отбираются только тугоплавкие материалы, либо то и другое применяетсявместе.
3. Двухфазные системы (металлокерамическиепленки или пленки типа «металл—диэлектрик»). В системах этого типа проводящаяпленка «растворяется» за счет ее вкрапления в диэлектрический раствор, в результатефизическая толщина пленки оказывается значительно большей толщины проводящегослоя. Удельное сопротивление такой пленки определяется в большой мере поверхностьюрассеяния электронов. Сама пленка в механическом отношении оказывается во многораз более прочной, по сравнению с пленкой, в которой поверхность рассеянияобразуется с помощью непосредственного уменьшения толщины. При изготовлениитаких пленок серьезной проблемой является контроль за ее составом; отклонениясостава от необходимых концентраций ведут к высоким температурным коэффициентами плохой стабильности пленки.
4.Пористые пленки (пленки с малойплотностью). Эти пленки по соотношению общей толщины к толщине проводящего слояподобны двухфазным системам. Примером является пленка тантала с малойплотностью. Отрицательной чертой таких пленок является их быстрая окисляемостьвследствие того, что они имеют большую поверхность. Вместе с тем, при надежнойзащите от окисления такие пленки имеют высокое удельное сопротивление принизком температурном коэффициенте и приемлемой стабильности.
5.Полунепрерывные пленки. Это те пленки,которые ещё находятся в островковой стадии роста. Пространство между островкамив них обусловливает нейтрализацию положительного температурного коэффициентаостровков металла отрицательным температурным коэффициентом, связанным спереходами электронов между островками. В таких пленках всегда существуетопасность агломерации. Эти пленки также весьма легко окисляются, поэтому издесь в процессе осаждения необходимо осуществлять контроль. Имеются сообщения,что изготовлены пленочные резисторы подобного типа на основе рения.
6.Слоистые пленки. Тонкий слой, имеющийположительный температурный коэффициент и низкое удельное сопротивление, можетпокрывать более толстый слой, имеющий отрицательный температурный коэффициент ивысокое удельное сопротивление. В результате такого сочетания получается пленкас высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом. Такиепленки получаются в результате газопоглощения при осаждении. К этому типупринадлежат многие пленки на основе хрома и нихрома. При получении пленок этоготипа возникает проблема контроля за количеством примесей в пленке, изменяющимся с изменением условийосаждения.
7.Новыекристаллические структуры. Некоторые материалы при получении из них тонкойпленки, могут образовывать новую кристаллическую структуру. Такие структурычасто имеют относительно высокое удельное сопротивление и низкий ТКС, возможно,в результате низкой концентрации электронов проводимости. Широко известныйпример такой структуры β-тантал.
/>1.3 Методы осаждения пленок
Как правило, выбор метода осаждения осуществляетсяуже после выбора материала. Однако в ряде случаев предпочтение оказываетсяопределенному методу осаждения, особенно если он хорош при массовомпроизводстве. В любом случае перед тем, как сделать окончательный выбор,необходимо ответить на три вопроса: согласуется ли применяемый метод с даннымматериалом? Какова возможность управления процессом? Какова стоимостьприменения этого метода?
1) Напыление в вакууме.Этот метод наиболее широко используется при напылении пленок и подходит длябольшинства материалов. Исключение составляют тугоплавкие металлы и такиематериалы, как окись олова, которая при испарении может разлагаться. Основнымипроблемами, возникающими при реализации этого метода, является сильнаязависимость количества примесей от условий напыления и трудность полученияпленки равномерной толщины, имеющей сравнительно большую площадь. Эти проблемытесно связаны со стоимостью получения пленки, поскольку увеличение стоимостиопределяется получением за один технологический цикл пленки большей площади.Если скорость напыления не слишком высока, то контроль за сопротивлением пленкиосуществляется сравнительно легко. В настоящее время уже созданы промышленныеустановки для осаждения методом напыления в вакууме. Большинство из них являетсяустановками дискретного типа; они не могут осуществлять процесс непрерывногонапыления, поскольку трудно восполнять испаряемый материал не нарушая вакуума.В случаях, когда требования к допустимым отклонениям позволяют для получениялинейных размеров резистора использовать маски, метод напыления оказываетсяпредпочтительным, так как перемещение маски в вакууме не представляет труднойпроблемы.
2) Катодноераспыление. Этот метод приемлем для тугоплавких металлов (таких, кактантал) и сплавов (таких, как нихром), когда в процессе напыления требуетсяосуществлять точный контроль. Во время катодного распыления существует большаяопасность попадания примесей, чем при напылении. Введение таких методов, какраспыление со смещением и газопоглощающее распыление, значительно уменьшает этуопасность. Контроль сопротивления во время распыления затруднен из-завзаимодействия плазменного разряда. В то же время контроль толщины пленки повремени осаждения легче проводить при процессе катодного распыления. Одной изосновных причин, мешающих применять этот метод, является то, что необходимыйдля распыления образец не всегда может иметь линейные размеры, достаточные дляизготовления катода. В промышленных установках использование больших катодов непредставляет больших трудностей. Метод катодного распыления очень удобен дляприменения в установках с непрерывным процессом осаждения, поскольку в этомслучае проблемы восполнения вещества катода не существует. Использованиеконтактных масок при катодном распылении затруднено. Температуры подложексравнимы с температурами, которые необходимо поддерживать при методе напыленияв вакууме, а контроль за температурами подложек в этом случае осуществлятьзначительно труднее чем при методе напыления в вакууме.
3)Пиролитическое разложение. Этот метод в основном применяетсядля получения углеродных пленок. Одним из принципиальных ограничений,затрудняющих реализацию этого метода, является поддержание относительно высокойтемпературы подложки. В дополнение к этому затрудняется контроль за толщинойпленки, отчасти из-за проблемы создания устройства управления и, отчасти, из-зa трудности получитьхорошую равномерность толщины пленки на большой поверхности вследствие сильнойзависимости скорости осаждения от температуры подложки. Получение пленок свысокой степенью равномерности толщины затруднено из-за различий газовогосостава в атмосфере камеры. Однако в промышленности широко используется методэпитаксиального осаждения полупроводниковых пленок. Стремятся к тому, чтобыпленки, полученные этим методом, имели меньшую концентрацию примесей посравнению с пленками, полученными методами напыления в вакууме и катодногораспыления. При данном методе осаждения применять маски не представляетсявозможным из-за высокой температуры подложки и природы напыляемого материала.
4) Гидролиз. Этотметод получения пленочных резисторов ограничивается оловянными оксиднымипленками и требует температуры подложки свыше 500° С или выше. Обычно стремятсяполучить пленки с высокой степенью шероховатости поверхности, и поэтому контрольза точной величиной сопротивления сложен. Гидролиз, так же как и методпиролитического разложения, не позволяет применять маски. Пленки, полученныеэтим методом, имеют хорошую адгезию с подложкой. Этот метод хорошо использоватьв промышленности.
5)Химическое осаждение.Тонкопленочные резисторы на основе химически осажденных пленок в настоящеевремя находятся еще в стадии разработки. Этотметод так же хорошо использовать в промышленности однако, к сожалению, онприменим лишь для ограниченной номенклатуры металлов. По-видимому, контрольможно вести только по одному времени течения процесса, и вполне вероятно, чтопри этом могут возникнуть те же проблемы обеспечения равномерности, что и вслучае метода пиролитического разложения.
Одним из аспектов получения резисторов спомощью любого из описанных методов является организация специальнойметаллургии проводников. Для многих резистивных материалов важно, чтобыпроводящий слой осаждался в той же установке, что и резистивная пленка. Этоособенно важно для материалов с низким поверхностным сопротивлением. Обычноосаждение пленок из двух различных материалов не представляет сложности принапылении в вакууме или пиролитическом разложении. Однако для метода катодногораспыления необходимы специальные установки, в которых многокатодные системыобеспечивают быстрое последующее осаждение второго металла. Достоинства инедостатки различных методов осаждения представлены в табл. 1.Метод Достоинства Недостатки Напыление в вакууме Маскирование в процессе напыления. Легкий контроль. Почти полная универсальность. Проблема тугоплавких материалов. Газовые примеси. Катодное распыление Доступность распыления тугоплавких материалов. Большой строк службы испарителя. Малая плотность упаковки. Наличие катода. Проблема управления. Газовые примеси. Пиролитическое разложение Большая скорость процесса. Высокая чистота. Хороший отжиг. Высокая температура подложки. Неравномерность толщины пленки. Гидролиз Хорошее сцепление пленки с подложкой. Высокая температура подложки. Неравномерность толщины пленки. Шероховатость. Химическое восстановление Дешевизна, использование гибкой подложки Сложность управления
/>2. Материалытонкопленочных резисторов
/>2.1 Металлосплавные пленки
1) Удельное сопротивление сплавов.Сплавы металлов даже в массивном образце редко имеют удельное сопротивлениебольше 20—30 мкОм*см.Исключение составляют лишь гафний (30,6 мкОм*см), цирконий (42,4 мкОм* см), титан (43,1 мкОм* см) и марганец (139 мкОм*см), длякоторых приведенные величины сопротивления получены при 22°С. Некоторые видысплавов имеют удельное сопротивление порядка 160 мкОм*см; они-то и используютсяв производстве дискретных резисторов. Одним из их параметров является весьманизкнй ТКС, правда в ограниченном, но в рабочем для радиоэлектронной аппаратурытемпературном диапазоне. Результаты исследований в этом направлении былиобобщены Джексоном и др. В табл. 2приводятся свойства некоторых сплавов.
/>
Можно заметить, что каждая комбинациявключает, по крайней мере, один переходный металл, наличие которого иопределяет специальные свойства этих сплавов. Это объясняется тем фактом, чтоближайший заполненный d-уровеньперекрывает s-уровень. Приуровне Ферми d-уровень имеетбольшую плотность состояний относительно s-уровняи существует большая вероятность того, что электроны проводимости будутперемещены с s-уровня на d-уровень, где они уже почти не влияют на проводимость.
В результате в подобных сплавах количествосвободных носителей оказывается меньше, чем в металлах. Низкий температурныйкоэффициент сопротивления объясняется тем, что при повышении температурыплотность состояний на d-уровне(при уровне Ферми) уменьшается (некоторое количество электронов переходит на s-уровень). В соответствии с этим увеличиваетсяколичество электронов проводимости. Увеличение числа свободных носителей вузком температурном интервале компенсируется рассеиванием фононов, в результатетемпературный коэффициент сопротивления становится очень низким. Такиеособенности этих сплавов при производстве дискретных резисторов с заранеезаданными свойствами требуют тщательно контролируемой тепловой обработки.
2) Пленки нихрома.Как только были выявлены преимущества металлических пленок как основырезисторов, большинство исследователей стало считать, что для получения тонких пленокнеобходимо применять те материалы, которые, как было доказано, имеют наилучшиесвойства в массивном образце. Это случилось потому, что дополнительныеисточники удельного сопротивления, которые имеются в материале, находящемся ввиде тонкой пленки, не были полностью оценены. Для изготовления резистороводним из лучших сплавов считался нихром, состоящий либо из 80% никеля и 20%хрома, либо имеющий некоторые добавки из других металлов. Поэтому ранниеисследования в области создания тонкопленочных резисторов проводились наосажденных пленках нихрома. Вскоре было обнаружено, что большинство нихромовыхпленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению со сплавом; этими объясняется то, что до настоящего времени пленки нихрома продолжают широко использоватьсяв промышленности. Наиболее широко используемый метод осаждения пленок нихрома —напыление в вакууме. Основные трудности, возникающие при реализации этогометода (кроме проблем, связанных с загрязнением фоновыми газами) — это весьмазначительная разность в давлении паров никеля и хрома и высокая химическаяактивность нихрома по отношению ко многим материалам тиглей. Пытаясь решитьпоследнюю из перечисленных проблем, некоторые исследователи возгоняли сплав изпроволочного испарителя, а не испаряли его из расплава. К сожалению, чем нижетемпература, тем больше разность в давлении паров компонентов. Например, при1000°С хром испаряется в 300 раз быстрее никеля, в то время как при 1300°Сэто отношение падает до 8. Однако, как сообщается в литературе, некоторыеисследователи нашли метод эффективного управления процессом возгонки. Например,Монье в качестве испарителя использовал широкую пластинку из нихрома, нагреваяее до температуры 1170° С. Скорость осаждения была всего лишь 13 А/мин-1*мм-2,но равномерность была такой, что контроль за величиной сопротивления оказалсяне нужен и значение поверхностного сопротивления могло контролироваться толькопо одному времени напыления. Как и предполагалось, содержание хрома в пленкебыло почти на 40% больше, чем в испарителе.
Из-за более высокого давления паров хромасостав (и, следовательно, удельное сопротивление) пленок, полученных испарениемиз 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 непрерывноменяется вместе с изменением величины поверхностного сопротивления (рис. 1)Альтернативным подходом является предположение, что состав пленки будетотличаться от состава исходного материала источника, но его изменения благодаряиспользованию достаточно массивного источника будут незначительными. Этотподход использовался Уайдом и Терменом, которые установили, что для полученияпленки, состоящей из равного количества хрома и никеля, источник нихрома долженсодержать 14% хрома. Источник, состоящий из 200-граммовой конической навески,поддерживался внутри тонкостенного конического керамического тигля размерами ≈8х 60 мм. Температура источника была доведена до рабочей с помощью индукционногонагрева и контролировалась термопарой. Существует и другая проблема принанесении пленок нихрома — это частичное окисление хрома во время напыления(степень окисления зависит, очевидно, от скорости напыления, концентрацииостаточного газа и температуры подложки). Кроме того, поскольку пленки обычноподвергаются стабилизирующей обработке, изменения сопротивления из-за окислениязависят от количества хрома на поверхности пленки.
Кемпбелл и Хендри сообщили об одной интереснойвзаимосвязи между величиной ТКС и составом пленок нихрома. Они обнаружили, чтоТКС становится все более отрицательным для пленок с высоким содержанием хрома,и подобрали состав пленки и условия, при которых ТКС не зависит от поверхностногосопротивления (рис. 1).
/>
Рисунок1 — Влияние содержания хрома на поверхностное сопротивление нихромовых пленок,полученных напылением в вакууме и катодным распылением.
Проблема контроля состава металлов в пленках нихрома можетбыть решена методом взрывного испарения. Этот вопрос исследовали Кемпбелл иХендри. Используя порошок с желаемым составом и «сбрасывая» его на раскаленныйиспаритель, они показали, что состав пленки с точностью до 1% соответствуетсоставу исходного порошка. Родственный метод, очень похожий на метод взрывногоиспарения и к тому же достаточно технологичный,использовался Сиддаллом и Пробином. Нихромовая проволока использовалась какэлектрод, испаряемый, благодаря бомбардировке его электронами. Поскольку веськусок испаряется до момента продвижения проволоки, состав пленки получаетсяаналогичным составу проволоки. Проблема контроля за составом нихромовой пленкиможет быть также решена с помощью метода катодного распыления. Сравнивая пленкинихрома, полученные этим методом н методом напыления в вакууме, Праттустановил, что пленки, полученные методом катодного распыления, с поверхностнымсопротивлением выше некоторой определенной величины получаются почтипостоянного состава.
/>
Рисунок2 — Зависимость ТКС нескольких нихромовых пленок разного состава от их поверхностногосопротивления.
Он же установил, что ТКС подобных пленокизменяется в гораздо меньших пределах, чем ТКС пленок, полученных методомвзрывного испарения. Так, ТКС пленок, полученных методом испарения, колеблетсяот +3,5*10-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлением около 3Ом/□ до -3*10-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлениемоколо 3000 Ом/□, в то время как пленки, полученные методом распыления,имеют ТКС порядок +1,5*10-4 1/°С при колебании величиныповерхностного сопротивления в диапазоне 5—1200 Ом/□.
/>
Рисунок3 — Изменение относительного сопротивления пленок, полученных методамираспыления и напыления в зависимости от изменения поверхностного сопротивления
На рис. 3 показано изменениеотносительного сопротивления пленок, полученных обоими методами, в зависимостиот изменения поверхностного сопротивления. Для пленок, полученных методомнапыления в вакууме, наблюдается небольшое уменьшение относительногосопротивления при значениях поверхностного сопротивления ниже 10 Ом/□.Выше этой величины наблюдается некоторое увеличение относительногосопротивления, а затем кривая быстро идет вверх. Пленки, полученные катоднымраспылением, имеют простую характеристику, но у них рост относительногосопротивления происходит несколько быстрее, а кроме того, при больших значенияхповерхностного сопротивления наблюдаются значительные отклонения отдельныхзначений от результирующей кривой. Вид кривых можно объяснить либо тем, чтопленки, полученные катодным распылением, более чувствительны к окислению, либотем, что уменьшение относительного сопротивления в левой частикривой благодаря эффекту отжига в этих пленках проявляется значительно слабее.Оба объяснения представляются правдоподобными. Для осаждения нихромовых пленокСтерн использовал методику распыления со смещением. Он показал, что этимспособом можно получить пленки, свойства которых очень напоминают свойствасплава, из которого они получены, и которые имеют максимально полезноеповерхностное сопротивление около 40 Ом/□. Пленки получалисьочень стабильными и практически не изменялись при нагревании в обычнойатмосфере. Поскольку этот метод имеет чрезвычайно высокую воспроизводимость,контроль за поверхностным сопротивлением возможен с точностью около ±2%. Чтобыдостигнуть этой точности, необходимо было преодолеть затруднение, связанное сколебаниями скорости осаждения из-за изменений количества примеси водорода.
Сиддалл и Пробин определили технические требования приполучении нихромовых пленок методом напыления:1) температура подложек в процессе напыления должна поддерживаться в диапазоне2—300°С, чтобы ликвидировать внутренние напряжения; 2) окисление пленки вовремя напыления должно регулироваться изменением остаточного давления газа искорости напыления; и 3) полученная пленка должна быть отожжена. Отжиг можнопроводить в обычной атмосфере при температуре 250—350°С, но готовая пленкадолжна быть изолирована, чтобы улучшить ее стабильность при больших измененияхатмосферных условий.
/>
2.2 Монометаллические системы
С ростом понимания того, что пленки изчистого металла могли бы иметь значительно более высокое удельное сопротивлениепо сравнению с массивным образцом металла, интерес к использованию сплавов какосновы для получения пленок постоянно уменьшается. С другой стороны,привлекательность однокомпонентных систем становится очевидной, поскольку вэтом случае контроль за составом, осаждением и другими параметрами не вызываетзатруднений. Рассмотрим ряд таких монометаллических систем.
1) Тантал.Этот металл, первоначально используемый в производстве тонкопленочныхконденсаторов как побочный, придает последним ряд важных свойств. В настоящеевремя первоначальный интерес к монометаллическим системам почти утрачен, однакотантал все еще привлекает к себе внимание как основа для получениятонкопленочных резисторов. В дополнение к своей тугоплавкости (котораяозначает, что любые дефекты, «законсервированные» при осаждении, не будутотожжены за все время жизни пленки) тантал принадлежит к классу вентильных,которые при нагревании в атмосфере кислорода или при анодном окислении образуютпрочный защитный окисел. Анодное окисление позволяет вести точный контрольтолщины и может использоваться как регулировочный метод.
Вследствие высокой тугоплавкости дляполучения пленок предпочтительным методом является катодное распыление, а ненапыление в вакууме, хотя последний метод можно тоже использовать. Тантал —химически активный металл, вследствие чего, если не принимать специальных мерпредосторожности, напыленные пленки могут содержать различные примеси.Однако, как было сказано ранее, чтобы придать пленкам некоторые полезныесвойства, в тантале должны быть определенные примеси. Попытки улучшитьоднородность и проконтролировать частоту танталовых пленок привели к улучшениюпроцесса катодного распыления как общего метода получения пленок. Получениетанталовых резисторов осложняется тем, что танталовые пленки могутсуществовать, по крайней мере, в трех формах.
α-структура — это обычная объемно-центрированнаяструктура тантала, аналогичная структуре массивного материала. β-структуравпервые найдена Ридом и Альтманом. Точные условия, которые заранее определялибы конкретный вид образуемой структуры (α или β), до сих пор ещеполностью не определены, однако установлено, что β-форма не образуется всистемах, в которых существует достаточное количество газовых примесей илитемпература подложки превышает 600° С. Часто образуются пленки, состоящие изсмеси α и β-тантала. Эти трудности не дают возможность получитьпленку с заранее заданной структурой и, кроме того, величину поверхностногосопротивления нужно контролировать непосредственно, а ие косвенно, по временинапыления. Форма с малой плотностью очень отличается от первых двух и будетрассмотрена отдельно.
Характеристика удельного сопротивленияпленки в зависимости от процентного содержания N2, как показано на рис. 4, имеетгоризонтальную часть и спад привеличине удельногосопротивления около 250 мкОм*см и ТКС порядка —0,75*10-4 1/°С.Важным свойством азотосодержащих танталовых пленок является то, что их можноанодировать как и чистый тантал. На практике состав пленки выбирается возможноблизким к Ta2N, так как установлено, что резисторы из пленок такогосостава имеют очень хорошую стабильность в течение всего периода нагрузочныхиспытаний.
/>
Рисунок4 — Влияние различной концентрации азота при напылении на удельноесопротивление и ТКС танталовых пленок
Существование танталовых пленок малойплотности впервые наблюдал Шютце. Изучая осаждение тантала, он и его коллегиобнаружили, что удельное сопротивление получаемых пленок зависит не только отнапряжения 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 притемпературе 200°С происходит незначительное изменение поверхностногосопротивления, но ТКС падает очень быстро до величины порядка -3*10-41/°С (рис. 7).
/>
Рисунок 6 — Влияние напряжения распыления на удельное сопротивление и ТКС танталовых пленок
/>
Рисунок 5 — Микрография обычной танталовой пленки (вверху) и пленки с низкой плотностью (внизу), сделанная в электронном микроскопе />
Ряд монометаллических систем — алюминий, хром, вольфрам ирений — был исследован Циммерманом. Рений, благодаря существеннымпреимуществам, оказался оптимальном материалом для создания тонкопленочныхрезисторов. Данные по точности воспроизведения сопротивлениясвеженапыленных пленок, которую можно достигнуть для различных материалов взависимости от величины поверхностного сопротивления, приведены на рис. 7.
/>
Рисунок7 — Зависимость точности воспроизведения поверхностного сопротивления,достижимой для различных мнометаллических ситем, от поверхностного сопротивления
2) Хром. Как указывалосьранее, процентное содержание хрома в пленках нихрома часто значительнопревышает его долю в исходном материале (20%).
Вследствие ограниченной взаимнойрастворимости Ni и Сr в твердом состоянии, пленки нихрома, полученныенапылением в вакууме, часто содержат в растворе больше хрома, чем это следуетиз термодинамики. Это является источником нестабильности, вследствие того, чтоизбыток хрома выпадает из раствора. Более того, газ, поглощенный хромом вовремя его осаждения, оказывает на удельное сопротивление пленок хрома болеесильное влияние, чем добавки никеля. В результате этого «чистые» пленки хромаимеют значительно более высокие удельные сопротивления, чем пленки нихромаоптимального состава. По этим причинам, а также ввиду большей простотымонокомпонентной системы, возник значительный интерес к хрому как к материалудля тонкопленочных сопротивлений. Хотя использование чистого хрома и исключаетпроблему контроля состава и распада твердого раствора, чувствительность свойствпленок хрома к условиям нанесения значительно выше, чем у пленок нихрома,вследствие влияния «встроенных» загрязнений; С другой стороны, хорошо известныеадгезионные свойства хрома к стеклянным подложкам эффективны для резистивныхэлементов, так как они связаны с низкой склонностью хрома к агломерации. Крометого, хром хорошо совместим с любым проводящим материалом. Дополнительнаяпривлекательная черта хрома, с точки зрения осаждения пленок, — легкостьсублимации. Обычно применяется вольфрамовый испаритель, покрытыйхромом гальваническим способом. Перед использованием такие испарителирекомендуется подвергать термообработке в водороде, так как гальванические слоиобычно содержат много окислов. Так как хром не очень тугоплавок, существуетпредельная температура, при которой пленки хрома могут работать непрерывно.Термообработка пленок хрома в вакууме вызывает понижение сопротивлениявследствие эффектов отжига, отсутствующих у более тугоплавких пленок, таких,например, как тантал.
В настоящее времяхром 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. Вмикроэлектронике это, однако, неприменимо.
Пленки хрома, как и большинстворезистивных пленок, состоят из относительно чистых островков металла в матрицеизолирующей окиси хрома. Скоу и Тьюном было подробно изучено влияние условийосаждения на удельное сопротивление пленок хрома. При этом было обнаружено, чтопленки с минимальным удельным сопротивлением могут быть получены только приодном сочетании температуры подложки и скорости осаждения (рис. 8).
/>
Рисунок8 — Влияние температуры подложки и скорости осаждения на отношение удельногосопротивления пленки к объемному споротивлению массивных образцов хрома.
/>
2.3 Керметы
После того, как стало очевидным, чтобольшинство тонкопленочных резисторов приобретает требуемые электронныесвойства за счет включения примесей, стало логичным сознательное обеспечение такихвключений. При этом нет необходимости ограничиваться примесями, образуемыми засчет остаточных газов. В то время как число примесей, образуемых за счет газов,ограничено азотом, кислородом и углеродом, твердые примеси можно создать вбольшом количестве. Наконец, коэффициент прилипания для большинства твердыхпримесей можно предполагать близким к единице, так что естественно в этомслучае ожидать более высокой степени управления составом по сравнению спримесями газового происхождения.
1) Gr — SiO. Из большого числа комбинаций металл — диэлектрик,изученных в пленочном состоянии, наиболее успешные результаты в настоящее времядостигнуты в системе хром — моноокись кремния. Одно из первоначальных основанийдля разработки и важное свойство таких пленок — их высокое удельноесопротивление, а также стабильность и отсутствие большого отрицательноготемпературного коэффициента. В существующих литературных данных имеютсянекоторые расхождения относительно удельного сопротивления пленок Cr — SiO взависимости от их состава, обусловленные, главным образом, неоднозначностьюопределения состава реальных пленок, а также сильной зависимостью удельногосопротивления от термической природы пленки. На рис. 9 приведены результаты поисследованию состава пленок с точностью ± 1 % с применением рентгеновскогомикроанализа, полученные Гленгом и др. Зависимость удельного сопротивления отсостава приведена для пленок, осажденных при 200°С, а также послетермообработок при 400, 500 и 600° С (в аргоне, в течение 1 ч при каждой температуре).
/>
Рисунок9 — Зависимость удельного сопротивления пленок Cr-SiO от состава итермообработки.
На рис. 10 приведены значения ТКС дляпленок Сг — SiO, осажденных при200°С и отожженных в течение 1 ч при 400°С. На практике для большинстваприменений стабилизирующая термообработка в течение 1 ч при 400°Сявляется обязательной. Интересно отметить, что после стабилизирующейтермообработки пленки, содержащие до 50 атомных процентов SiO, имеют положительные температурные коэффициенты,близкие к нулю. Гленг и др. показали, что свежеосажденные пленки — аморфны, однакопосле термообработки в них появляются кристаллические фазы (включая Cr3Si).
На основе измерений эффекта Холла Лудпредположил, что в пленках, содержащих до 10% SiO,роль моноокиси кремния заключается в создании примесных центров в зоннойструктуре хрома. Пленки из чистого хрома имеют положительный коэффициент Холла,но с добавлением SiOэтот коэффициент становится отрицательным, проходя через нуль при 5% SiO и достигая минимума при 10% SiO. В результате рентгеновских дифракционныхисследований пленок, содержащих около 25% SiO,Скотт предположил, что в свежеосажденных пленках хром равномерно распределен в SiO, а после отжига появляются небольшие (~20 А) частицыхрома, образующие короткие цепочки, что сопровождается увеличениемпроводимости.
/>
Рисунок10 — Зависимость ТКС пленок Cr-SiO, осажденных при 260°С от состава, до и после термообработкипри 400°С.
Несмотря на высокое удельное сопротивлениепленок, появление положительного ТКС в пленках с более высоким содержанием SiO, подтверждает, что осажденные пленки состоят из зеренхрома (содержащих некоторое количество растворенного кремния), распределенных вматрице из моноокиси кремния. Физическое разделение 1 частицобусловливает высокое удельное сопротивление и высокие отрицательные значенияТКС, так как для прохождения зазоров между частицами электроны должны бытьтермически 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 заменяетсясопротивлением контактирования зерен.
/>
Рисунок11 — Зависимость сопротивления пленок Cr-SiO (20% SiO) от времени термообработки.
Будучизащищенными от окисления, пленки Сr—SiO обладают хорошейтермической стабильностью и не меняются по величине, даже если их прогревают дотемпературы, равной или большей, чем максимальная температура, при которой онибыли предварительно термообработаны (рис. 11). Отметим, что температура отжигаиграет значительно более важную роль, чем время отжига.
/>
2.4 Полупроводниковые пленки
В тех случаях, когда требуется обеспечитьвысокое значение поверхностного сопротивления и допустимы относительно высокиевеличины ТКС, в качестве материала для резистивных пленок могут бытьиспользованы полупроводники. В течение ряда лет изучались германий и кремний,для определения возможности их применения в качестве материалов длятонкопленочных резисторов. Однако самые лучшие результаты в этом вопросе былидостигнуты с углеродом и окисью олова.
1) Углеродные пленки.Углеродные пленки в интегральных схемах не нашли широкого применения из-затрудностей управления поверхностным сопротивлением и высоких температуртехнологического процесса. Тем не менее они были применены при изготовлениидискретных резисторов. Последний обзор их технологии и свойств появился в 1960г… Углеродные резистивные пленки обычно осаждаются на керамические подложки,необходимые из-за высоких температур (порядка 1000° С), используемых в процессеосаждения, например, при пиролизе углеродсодержащего газа, как например,метана. Обычно газообразные углеводороды для лучшего управления технологическимпроцессом разбавляются нейтральными газами, например, азотом. Изменениятемпературы, концентрации газа и т. д. обеспечивают возможность полученияпленок различной толщины. Таким образом получаются так называемые«углеродно-осажденные» резисторы. В связи с тем, что в настоящее время точноеуправление получением требуемого поверхностного сопротивления пиролитическимметодом невозможно, резисторы индивидуально подгоняют до требуемого номиналанарезкой спиральных канавок на поверхности пленки, см. разд. 4В. ТКС чистыхуглеродных пленок относительно высок и меняется от -2,5*10-4 1/°Спри 10 Ом/□ до –4*10-4 1/°С при 1000 Ом/□.Для учета небольших изменений сопротивления, связанных сприсоединением контактных выводов, резисторы специально подгоняются до величинына 1% меньшей номинала, а окончательная подгонка осуществляется тонкойобработкой абразивом пленки перед нанесением защитного покрытия.
Гораздо более твердые и более стабильныепленки (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 кокислению даже без защитных покрытий. Однако ТКС уних не меньше, чем у обычных углеродных пленок.
Резкое уменьшение ТКС углеродных пленокможет быть обеспечено использованием вместе с метаном боросодержащего газа.Пленки этого типа имеют ТКС — 0,2. 10-4 1/°С при 10 Ом/□ (при4% бора и -2,5* 10-4 1/°С при 1000 Ом/□. Для получения пленок,легированных бором, использовались также смеси гидридабора с метаном и бензином, а также однокомпонентные системы типатрипропилборана Однако наиболее распространенной присадкой является ВСl3.
2) Пленки окисиолова. Обсужда/>вшиеся ранее системы длясоздания резисторов в различной степени подвержены влиянию окисления. Можноожидать, что материал, определенным образом окисленный на воздухе,будет свободен от этого недостатка. Окись оловя и является как раз такимматериалом. Кроме того, благодаря тугоплавкости, вероятность отжига илиагломерации окиси олова низка. Наиболее распространенным методом полученияпленок окиси олова является гидролиз хлорида олова (SnCl4) на поверхностиподложки.
/>
Рисунок12 — Зависимость поверхностого сопротивления пленок окиси олова от концентрациисурьмы при различных толщинах пленки
Так как чистый хлорид олова гидролизуетсяслишком быстро, то для замедления реакции обычно добавляется спирт, например,этиловый, органическая кислота, например, уксусная, или, часто, HCI. Типичная процедура заключается в нанесении раствора, содержащего равныеобъемные части различных составляющих, методом пульверизации на нагретуюстеклянную или керамическую подложку, на поверхности которой происходитреакция. Скорость реакции при 500° С низкая, а около 800° С резко возрастает.Вследствие крайне высокой температуры окись олова образует пленку, обладающуювысокой адгезией. Для устройств, в которых используется нанесение раствора навращающиеся подложки струей, требуется тщательный контроль процесса.
/>
Рисунок 13 — Зависимость ТКС пленок окисиолова от поверхностного сопротивления при различных концентрациях сурьмы.
Окись олова — полупроводник с широкойзапрещенной зоной, — при тщательном обеспечении стехиометрии имеет высокое удельноесопротивление. Однако пленки, полученные гидролизом, могутили быть недоокисленными, или содержать некоторое количество ионов хлора. Вэтих случаях пленки имеют электронную проводимость. Для дальнейшей модификациипроводимости пленок окиси олова обычно применяют добавки соответствующихлегирующих примесей, сурьмы и индия. Сурьма, например, действует как донор, ещеболее увеличивая проводимость и уменьшая температурный коэффициентсопротивления, с другой стороны, индий действует как акцептор и компенсируеткислородные вакансии, обусловливая рост удельного сопротивления и ТКС. Пленки Su02 могут иметь высокое удельноесопротивление. Так, пленки с поверхностным сопротивлением 10000 Ом/□ могутиметь толщину 1 мкм. Эти пленки очень шероховатые и могут без ухудшенияхарактеристик работать в окислительной атмосфере при температурах до 450°С.Такая высокая температурная стабильность уменьшает опасность ухудшенияпараметров резисторов за счет реиспарения в разогретых точках. В частности,пленки, легированные сурьмой, наиболее стабильны в окислительной атмосфере, вто время как у нелегированных пленок проводимость может изменяться за счетзаполнения части кислородных вакансий. Зависимость поверхностного сопротивленияпри данной толщине от концентрации сурьмы в пленке приведена на рис. 12, а нарис. 13 приведена зависимость ТКС от поверхностного сопротивления для различныхконцентраций сурьмы.
Интересной особенностью пленок окиси оловаявляется их высокая прозрачность. Вследствие этого они нашли широкое применениев производствах «проводящего стекла» и нагревательных элементов. Однакометодика 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 Гладкиепленки, осажденные при более низких температурах, могли бы найти большееприменение, однако проведенное напыление и катодное распыление окисных пленокпоказало, что для достижения полезных свойств после осаждения необходиматермообработка при температурах порядка 800°С.
/>3.Конструирование тонкопленочных резисторов
3.1 Выбор геометрии резистора
Выбор величины поверхностногосопротивления для конкретной группы резисторов в схеме определяется резисторомс минимальным номинальным его значением. Опыт показал, что для любого резисторачисло квадратов должно быть всегда больше 0,5, иначе существует опасностьпоявления неточностей, вызываемых ухудшением контроля расстояния междуконтактными площадками и резко возрастающей чувствительностью к явлениям вконтактах между проводящей и резистивной пленками.
/>
Рисунок14 — Сопротивление, вносимое различными элементами топологии резисторов.
По возможности, все резисторы следуетвыполнять в виде прямых линий; извилистые линии допустимы только в случаяхкрайней необходимости. Прямолинейные резисторы имеют лучшие высокочастотныесвойства, пониженную чувствительность к миграции ионов натрия и меньшуювероятность отказов под нагрузкой и при воздействии влаги. Кроме того, в этомслучае легко предсказать точное значение величины сопротивления.
На рис. 14 приведены топология и формулыдля расчета резисторов в виде прямого угла (а) и криволинейной дорожки (б). Внекоторых случаях для предупреждения осложнений, на углах используетсяконфигурация (в), вкоторой угол шунтирован проводящим материалом.
/>2.2 Выбор площади резистора
Под тонкопленочные резисторы, если нетсерьезных причин делать иначе, целесообразно занимать всю доступную площадь.Это позволяет уменьшить погрешности, связанные с неточным воспроизведениемразмеров, и увеличить величину рассеиваемой мощности. На практике площадьвсегда бывает ограничена и основная ее часть должна быть отдана под резисторы,рассеивающие самую большую мощность. Отсюда возникает необходимость оценкиспособности системы рассеивать мощность.
/>
Рисунок15 — Зависимость приращения температуры резисторов из кермета при мощности 8*103Вт*см-2 от площади резистора.
Необходимо подчеркнуть, что рассеяниемощности не является свойством данного материала. Максимальная температура иплотность тока, при которых резистор может работать надежно, — единственныетребования, которые могут быть определены. Мощность, необходимая для разогреваданного резистора до этой температуры, сложным образом зависит от конкретногоматериала подложки, способа монтажа на подложке и т. д.
В связи с непрерывным уменьшением размероврезисторов, величина удельной мощности, которую можно рассеять, прогрессивновозрастает и резистор превращается в точечный источник тепла. На рис. 15 вкачестве примера показано, какова зависимость перегрева резистора из кермета наподложке из окисленного кремния, находящейся при комнатной температуре, отплощади при удельной мощности 8*103 Вт/см2. В этом случаекремниевая подложка имела хороший теплоотвод, так что температура разогреварезистора определялась, главным образом, скоростью передачитепла через термический окисел к кремнию. В результате температура резистораслабо зависела от размера подложки и orчисла резисторов, одновременно находившихся под нагрузкой.
Температура резистора зависит от скоростипередачи 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 отсоотношения площадей резистора и подложки. На рис. 20, в качестве примера,приведены изотермы для пленок тантала на стеклянных подложках при различныхуровнях мощности для различных соотношений площадей резистора и подложки.
/>
Рисунок16 — Изотерма для танталовых резисторов на стеклянных подложках в зависимостиот удельной мощности в соотношении площадей подложки и резистора.
В случаях заметного роста температурыподложки иногда можно рассчитать максимальное рассеяние мощности, рассматриваявсе резисторы на подложке как один большой резистор. В случаях, когдаиспользуются относительно массивные токоподводы к подложке, нельзя пренебрегатьих влиянием на рассеивание мощности в схеме, так как они могут отводитьзначительную часть тепла.
/>2.3 Другие факторы
Среди, других факторов, определяющихконструкцию резистора, следует отметить сведение к минимуму числа пересечений,правильный с металлургической точки зрения подбор проводящих материалов изащитного покрытия, а также обеспечение их совместимости. Кроме того,резистивный слой рекомендуется формировать до нанесения проводящего слоя(контактов). Обратный порядок (например, с целью исключения проблемысопротивления контактов), не рационален из-за утоньшения резистивной пленки наступеньке, образуемой проводящим слоем.
Следует учитывать также температурупроведения операций технологического процесса. Максимальная температура,воздействующая на систему, может быть снижена до минимума за счет применениявозможно высокой температуры нанесения с исключением последующей операцииотжига. Однако нанесение резистивной пленки при относительно высокойтемпературе может привести к плохому контролю поверхностного сопротивленияиз-за локальных градиентов температуры на подложке во время осаждения. Имея этов виду, можно осаждение провести при минимальной температуре, обеспечивающейхорошую адгезию, и затем выполнить стабилизирующую термообработку.
Заключение
Если еще недавно тонкопленочные резисторыиспользовались главным образом при изготовлении гибридных ИС, то за последниегоды они все шире начинают применяться в производстве монолитных ИС посовмещенной технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные даетцелый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкуюпаразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокуюточность номинала и др.
Материалы, используемые при изготовлениирезистивных пленок, должны обеспечивать возможность получения широкогодиапазона стабильных во времени резисторов с низким температурным коэффициентомсопротивления (ТКС), обладать хорошей адгезией, высокой коррозионной стойкостьюи устойчивостью к длительному воздействию повышенных температур. При осажденииматериала на подложке должны образовываться тонкие, четкие линии сложнойконфигурации с хорошей повторяемостью рисунка от образца к образцу.
Список литературы
1. Получение тонкопленочных элементов микросхем / Б.С. Данилов. — М.: Высш. шк, 1989.
2. Зарубежная электронная техника / Н.А. Акуленко. — М.: Высш. шк, 1982. –300 стр.
3. Электронная промышленность / А.С. Грибов. — Радио и связь, 1991. – 202 стр.
4. Физико-химическиеосновы технологии электронных средств: учебное пособие / В. И. Смирнов. −Ульяновск: УлГТУ, 2005.− 112с.
5. Технологияпроизводства полупроводниковых приборов и ИМС: учебное пособие для вузов- 3-еиздание, М.: Высш. шк. 1986. – 307 с.
6. Резисторы: Справочник / ред. Четвертков, И.И.; Терехов, В.М. — Радио исвязь; Издание 2-е, 1991. — 528
7. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры / Автор:Азарх С. Х. и Фрид Е. А. – Госэнергоиздат, 1980.- 80 с.