тонкоплівкові резистори

зміст

Вступ

1. Вибір матеріалів

1.1 Вимоги, що пред'являються до тонкоплівкових резисторам

1.2 Фізична природа питомої електричного опору плівок

1.3 Методи осадження плівок

2. Матеріали тонкоплівкових резисторів

2.1 Металлосплавние плівки

2.2 монометалічні системи

2.3 КЕРМЕТ

2.4 Напівпровідникові плівки

3. Конструювання тонкоплівкових резисторів

3.1 Вибір геометрії резистора

3.2 Вибір площі резистора

3.3 Інші фактори

висновок

Список літератури

Вступ

Зародження і розвиток мікроелектроніки як нового науково-технічного напрямку, що забезпечує створення складної радіоелектронної апаратури (РЕА), безпосередньо пов'язані з кризовою ситуацією, що виникла на початку 60-х років, коли традиційні методи виготовлення РЕА з дискретних елементів шляхом їх послідовної складання не могли забезпечити необхідну надійність, економічність, енергоємність час виготовлення та прийнятні габарити РЕА.

Незважаючи на малий термін свого існування, взаємозв'язок мікроелектроніки з іншими областями науки і техніки забезпечила надзвичайно високі темпи розвитку цієї галузі і істотно скоротила час для промислової реалізації нових ідей. Цьому сприяло також виникнення своєрідних зворотних зв'язків між розробкою інтегральних схем, які є базою автоматизації виробництва і управління, і використанням цих розробок для автоматизації самого процесу проектування, виробництва і випробувань інтегральних схем.

Історія використання тонких плівок для створення резисторів налічує, по крайней мере, вісімдесят років. Дискретні резистори на основі тонких плівок, в порівнянні з об'ємними резисторами напівпровідникових мікросхем, мають кращі параметри і підвищену надійність, в зіставленні ж з прецизійними дротяними резисторами вони при порівнянних величинах параметрів мають меншу вартість. Тонкоплівкові резистори, що називається, знайшли себе в області інтегральних мікросхем. Резистори, що мають найменші розміри 130-260 мкм, ще можуть вигідно конкурувати з тонкими плівками, однак для виготовлення прецизійних резисторів з розмірами менше 130 мкм використання тонких плівок стає обов'язковим.

1. Вибір матеріалів

1.1 Вимоги, що пред'являються до тонкоплівкових резисторам

При виготовленні резисторів найбільш високі вимоги пред'являються до плівок, які мають поверхневий опір в діапазоні 10-1000 Ом / Q. Резистори з опором нижче 10 Ом вживаються рідко, а резистори з опором в діапазоні до декількох мегом мають дуже великі лінійні розміри. Необхідність в плівках з поверхневим опором великим 1000 Ом / о велика, і тому в даний час більшість досліджень в області тонкоплівкових резисторів присвячено саме цій проблемі.

Крім відповідного поверхневого опору, плівки повинні мати низький температурний коефіцієнт опору (зазвичай менше 1 * 10 ^-4 1 / ° С). Вони повинні бути також досить стабільними, будь-яка зміна величини опору, яке може очікуватися протягом часу роботи, не повинна перевищувати допустимої величини, і, нарешті, технологія отримання тонкоплівкових резисторів повинна бути такою, при якій резистори мали б прийнятну вартість.

1.2 Фізична природа питомої електричного опору плівок

Отже, матеріали, що використовуються для отримання тонких плівок, повинні мати питомий опір в діапазоні 100- 2000 мкОм * см. Нагадаємо, однак, що питомий опір металевого масивного зразка не може значно перевищувати нижню межу цього діапазону. Напівпровідникові масивні зразки можуть задовольняти вимогам по питомому опору, проте вони мають великий негативний температурний коефіцієнт. Напівметали, такі, як вісмут і сурма (і їх сплави), в порівнянні з металами, мають збільшене питомий опір, однак низькі температури плавлення і відносно високі температурні коефіцієнти не дозволяють використовувати їх для виготовлення резисторів.

При осадженні багатьох матеріалів у вигляді тонких плівок питомий опір їх значно збільшується, проте різкого збільшення температурних коефіцієнтів не відбувається. Збільшення питомої опору може бути результатом наступних явищ.

1. Можливо, існує велика розсіювання електронів провідності на поверхні плівки (ефект Фукса - Зондхеймера), що обумовлює одночасне існування високого питомого опору разом з низьким температурним коефіцієнтом. Однак, оскільки для надання такої дії плівка повинна мати невелику товщину, величина високого питомого опору надзвичайно чутлива до будь-якої зміни товщини плівки. Крім того, подібні плівки дуже легко агломеруються і тому мають обмежену механічну цілісність. Практично при виготовленні тонкоплівкових резисторів для створення високого питомого опору рідко «використовується» тільки один цей ефект.

2.Матеріал може мати домішки і дефекти в значно більших кількостях, ніж це необхідно для термодинамічної рівноваги. Це (за правилом Матісса) також призводить до низького температурного коефіцієнту. Значні відхилення від рівноваги обов'язково приведуть до подальшого осадження (протягом часу життя компонента). Але навіть якщо надмірні концентрації дефектів відсутні, будь-яка зміна концентрації дефектів (по будь-якої причини) виразиться в зміні питомої опору. Для отримання резистора застосовується спеціальна теплова обробка плівки, з тією ж метою відбираються тільки тугоплавкі матеріали, або те й інше застосовується разом.

3. Двофазні системи (металокерамічні плівки або плівки типу «метал-діелектрик»). У системах цього типу провідна плівка «розчиняється» за рахунок її вкрапленіяв діелектричний розчин, в результаті фізична товщина плівки виявляється значно більшої товщини провідного шару. Питомий опір такої плівки визначається великою мірою поверхнею розсіювання електронів. Сама плівка в механічному відношенні виявляється у багато разів міцнішою, в порівнянні з плівкою, в якій поверхня розсіювання утворюється за допомогою безпосереднього зменшення товщини. При виготовленні таких плівок серйозною проблемою є контроль за її складом; відхилення складу від необхідних концентрацій ведуть до високим температурним коефіцієнтам і поганий стабільності плівки.

4.Порістие плівки (плівки з малою щільністю). Ці плівки по співвідношенню загальної товщини до товщини провідного шару подібні двофазним системам. Прикладом є плівка танталу з малою щільністю. Негативною рисою таких плівок є їх швидка окислюваність внаслідок того, що вони мають велику поверхню. Разом з тим, при надійному захисті від окислення такі плівки мають високий питомий опір при низькому температурному коефіцієнті і прийнятною стабільності.

5.Полунепреривние плівки. Це ті плівки, які ще знаходяться в островковой стадії росту. Простір між острівцями в них обумовлює нейтралізацію позитивного температурного коефіцієнта острівців металу негативним температурним коефіцієнтом, пов'язаних з переходами електронів між острівцями. У таких плівках завжди існує небезпека агломерації. Ці плівки також вельми легко окислюються, тому і тут в процесі осадження необхідно здійснювати контроль. Є повідомлення, що виготовлені із плівки резистори подібного типу на основі ренію.

6.Слоістие плівки. Тонкий шар, який має позитивний температурний коефіцієнт і низький питомий опір, може покривати більш товстий шар, що має негативний температурний коефіцієнт і високий питомий опір. В результаті такого поєднання виходить плівка з високим питомим опором і низьким температурним коефіцієнтом. Такі плівки виходять в результаті газопоглинання при осадженні. До цього типу належать багато плівки на основі хрому та нихрома. При отриманні плівок цього типу виникає проблема контролю за кількістю прімесейв плівці, що змінюються зі зміною умов осадження.

7.Новие кристалічні структури. Деякі матеріали при отриманні з них тонкої плівки, можуть утворювати нову кристалічну структуру. Такі структури часто мають відносно високий питомий опір і низький ТКС, можливо, в результаті низької концентрації електронів провідності. Широко відомий приклад такої структури β-тантал.

1.3 Методи осадження плівок

Як правило, вибір методу осадження здійснюється вже після вибору матеріалу. Однак в ряді випадків перевага надається певного методу осадження, особливо якщо він хороший при масовому виробництві. У будь-якому випадку перед тим, як зробити остаточний вибір, необхідно відповісти на три питання: чи узгоджується застосовуваний метод з цим матеріалом? Яка можливість управління процесом? Яка вартість застосування цього методу?

1) Напилювання в вакуумі. Цей метод найбільш широко використовується при покритті плівок і підходить для більшості матеріалів. Виняток становлять тугоплавкі метали і такі матеріали, як окис олова, яка при випаровуванні може розкладатися. Основними проблемами, що виникають при реалізації цього методу, є сильна залежність кількості домішок від умов напилення та складність отримання плівки рівномірної товщини, що має порівняно велику площу. Ці проблеми тісно пов'язані з вартістю отримання плівки, оскільки збільшення вартості визначається отриманням за один технологічний цикл плівки більшої площі. Якщо швидкість напилення не надто висока, то контроль за опором плівки здійснюється порівняно легко. В даний час вже створені промислові установки для осадження методом напилення в вакуумі. Більшість з них є установками дискретного типу; вони не можуть здійснювати процес безперервного напилення, оскільки важко заповнювати випаровується матеріал не порушуючи вакууму. У випадках, коли вимоги до допустимих відхилень дозволяють для отримання лінійних розмірів резистора використовувати маски, метод напилення виявляється кращим, так як переміщення маски в вакуумі не представляє важкої проблеми.

2) Катодне розпорошення. Цей метод прийнятний для тугоплавких металів (таких, як тантал) і сплавів (таких, як ніхром), коли в процесі напилення потрібно здійснювати точний контроль. Під час катодного розпилення існує велика небезпека потрапляння домішок, ніж при напиленні. Введення таких методів, як розпорошення зі зміщенням і газопоглощающее розпорошення, значно зменшує цю небезпеку. Контроль опору під час розпилення утруднений через взаємодію плазмового розряду. У той же час контроль товщини плівки за часом осадження легше проводити при процесі катодного розпилення. Однією з основних причин, що заважають застосовувати цей метод, є те, що необхідний для розпилення зразок не завжди може мати лінійні розміри, достатні для виготовлення катода. У промислових установках використання великих катодів технічно нескладне значних труднощів. Метод катодного розпилення дуже зручний для застосування в установках з безперервним процесом осадження, оскільки в цьому випадку проблеми заповнення речовини катода не існує. Використання контактних масок при катодному розпиленні утруднено. Температури підкладок можна порівняти з температурами, які необхідно підтримувати при методі напилення в вакуумі, а контроль за температурами підкладок в цьому випадку здійснювати значно важче ніж при методі напилення в вакуумі.

3) Піролітичне розкладання.Цей метод в основному застосовується для отримання вуглецевих плівок. Одним із принципових обмежень, що ускладнюють реалізацію цього методу, є підтримка щодо високої температури підкладки. На додаток до цього може контролю над товщиною плівки, почасти через проблеми створення пристрою управління і, частково, з-за труднощі отримати хорошу рівномірність товщини плівки на великій поверхні внаслідок сильної залежності швидкості осадження від температури підкладки. Отримання плівок з високим ступенем рівномірності товщини утруднено через відмінності газового складу в атмосфері камери. Однак в промисловості широко використовується метод епітаксійного осадження напівпровідникових плівок. Прагнуть до того, щоб плівки, отримані цим методом, мали меншу концентрацію домішок в порівнянні з плівками, отриманими методами напилення в вакуумі і катодного розпилення. При цьому методі осадження застосовувати маски не представляється можливим через високу температуру підкладки і природи напилюваного матеріалу.

4) Гідроліз. Цей метод отримання плівкових резисторів обмежується олов'яними оксидними плівками і вимагає температури підкладки понад 500 ° С або вище. Зазвичай прагнуть отримати плівки з високим ступенем шорсткості поверхні, і тому контроль за точною величиною опору складний. Гідроліз, так само як і метод пиролитического розкладання, не дозволяє застосовувати маски. Плівки, отримані цим методом, мають хорошу адгезію з підкладкою. Цей метод добре використовувати в промисловості.

5) Хімічне осадження. Тонкоплівкові резистори на основі хімічно обложених плівок в даний час знаходяться ще в стадії розробки. Цей метод так само добре використовувати в промисловості проте, на жаль, він застосуємо лише для обмеженої номенклатури металів. Мабуть, контроль можна вести тільки по одному часу перебігу процесу, і цілком ймовірно, що при цьому можуть виникнути ті ж проблеми забезпечення рівномірності, що і в разі методу пиролитического розкладання.

Одним з аспектів отримання резисторів за допомогою будь-якого з описаних методів є організація спеціальної металургії провідників. Для багатьох резистивних матеріалів важливо, щоб провідний шар осідав в тій же установці, що і резистивная плівка. Це особливо важливо для матеріалів з низьким поверхневим опором. Зазвичай осадження плівок з двох різних матеріалів не представляє складності при напиленні в вакуумі або піролітичним розкладанні. Однак для методу катодного розпилення необхідні спеціальні установки, в яких многокатодние системи забезпечують швидке подальше осадження другого металу. Переваги та недоліки різних методів осадження представлені в табл. 1.

2. Матеріали тонкоплівкових резисторів

2.1 Металлосплавние плівки

1) Питомий опір сплавів. Сплави металів навіть в масивному зразку рідко мають питомий опір більше 20-30 мкОм * см. Виняток становлять лише гафній (30,6 мкОм * см), цирконій (42,4 мкОм * см), титан (43,1 мкОм * см) і марганець (139 мкОм * см), для яких наведені величини опору отримані при 22 ° С. Деякі види сплавів мають питомий опір близько 160 мкОм * см; вони-то і використовуються у виробництві дискретних резисторів. Одним з їх параметрів є вельми нізкнй ТКС, правда в обмеженому, але в робочому для радіоелектронної апаратури температурному діапазоні. Результати досліджень в цьому напрямку були узагальнені Джексоном і ін. В табл. 2 наводяться властивості деяких сплавів.

Можна помітити, що кожна комбінація включає, по крайней мере, один перехідний метал, наявність якого і визначає спеціальні властивості цих сплавів. Це пояснюється тим фактом, що найближчий заповнений d-рівень перекриває s-рівень. При рівні Фермі d-рівень має велику щільність станів щодо s-рівня і існує велика ймовірність того, що електрони провідності будуть переміщені з s-рівня на d-рівень, де вони вже майже не впливають на провідність.

В результаті в подібних сплавах кількість вільних носіїв виявляється менше, ніж в металах. Низький температурний коефіцієнт опору пояснюється тим, що при підвищенні температури густина станів на d-рівні (при рівні Фермі) зменшується (деяка кількість електронів переходить на s-рівень). Відповідно до цього збільшується кількість електронів провідності. Збільшення числа вільних носіїв у вузькому температурному інтервалі компенсується розсіюванням фононів, в результаті температурний коефіцієнт опору стає дуже низьким. Такі особливості цих сплавів при виробництві дискретних резисторів з наперед заданими властивостями вимагають ретельно контрольованої теплової обробки.

2) Плівки нихрома. Як тільки було виявлено переваги металевих плівок як основи резисторів, більшість дослідників стало вважати, що для отримання тонких плівок необхідно застосовувати ті матеріали, які, як було доведено, мають найкращі властивості в масивному зразку. Це сталося тому, що додаткові джерела питомої опору, які є в матеріалі, що знаходиться в вигляді тонкої плівки, не були повністю оцінені. Для виготовлення резисторів одним з кращих сплавів вважався ніхром, що складається або з 80% нікелю і 20% хрому, або має деякі добавки з інших металів. Тому ранні дослідження в області створення тонкоплівкових резисторів проводилися на обложених плівках нихрома. Незабаром було виявлено, що більшість ніхромових плівок мають більш високий питомий опір в порівнянні зі сплавом; цим і пояснюється те, що до теперішнього часу плівки ніхрому продовжують широко використовуватися в промисловості. Найбільш широко використовуваний метод осадження плівок нихрома - напилення в вакуумі. Основні труднощі, що виникають при реалізації цього методу (крім проблем, пов'язаних із забрудненням фоновими газами) - це досить значна різниця в тиску парів нікелю і хрому і висока хімічна активність нихрома по відношенню до багатьох матеріалів тиглів. Намагаючись вирішити останню з перелічених проблем, деякі дослідники переганяється сплав з дротяного випарника, а не випарювали його з розплаву. На жаль, чим нижче температура, тим більше різниця в тиску парів компонентів. Наприклад, при 1000 ° С хром випаровується в 300 разів швидше нікелю, в той час як при 1300 ° С цей показник падає до 8. Однак, як повідомляється в літературі, деякі дослідники знайшли метод ефективного управління процесом сублімації. Наприклад, Моньє як випарника використовував широку пластинку з ніхрому, нагріваючи її до температури 1170 ° С. Швидкість осадження була всього лише 13 А / хв ^-1 * мм ^-2, але рівномірність була такою, що контроль за величиною опору виявився не потрібен і значення поверхневого опору могло контролюватися тільки по одному часу напилення. Як і передбачалося, вміст хрому в плівці було майже на 40% більше, ніж в випарнику.

Через більш високого тиску парів хрому склад (і, отже, питомий опір) плівок, отриманих випаровуванням з розплаву, що має обмежену масу, буде змінюватися в часі. Наприклад, коли Дегенхарт і Пратт випарювали близько 12% 1,2-грамової навішування, нагріваючи її до температури 1450 ° С, вони встановили, що склад плівок безперервно змінюється разом зі зміною величини поверхневого опору (рис. 1) Альтернативним підходом є припущення, що склад плівки буде відрізнятися від складу вихідного матеріалу джерела, але його зміни завдяки використанню досить масивного джерела будуть незначними. Цей підхід використовувався Уайден і Терменом, які встановили, що для отримання плівки, що складається з рівної кількості хрому і нікелю, джерело нихрома повинен містити 14% хрому. Джерело, що складається з 200-грамової конічної навішування, підтримувався всередині тонкостенного конічного керамічного тигля розмірами ≈8 х 60 мм. Температура джерела була доведена до робочої за допомогою індукційного нагріву і контролювалася термопарою. Існує й інша проблема при нанесенні плівок нихрома - це часткове окислення хрому під час напилення (ступінь окислення залежить, очевидно, від швидкості напилення, концентрації залишкового газу і температури підкладки). Крім того, оскільки плівки зазвичай піддаються стабілізуючою обробці, зміни опору через окислення залежать від кількості хрому на поверхні плівки.

Кемпбелл і Хендрі повідомили про одну цікаву взаємозв'язку між величиною ТКС і складом плівок нихрома. Вони виявили, що ТКС стає все більш негативним для плівок з високим вмістом хрому, і підібрали склад плівки і умови, при яких ТКС не залежить від поверхневого опору (рис. 1).

Малюнок 1 - Вплив вмісту хрому на поверхневий опір ніхромових плівок, отриманих напиленням у вакуумі і катодних розпиленням.

Проблема контролю складу металів в плівках нихрома може бути вирішена методом вибухового випаровування. Це питання досліджували Кемпбелл і Хендрі. Використовуючи порошок з бажаним складом і «скидаючи» його на розпечений випарник, вони показали, що склад плівки з точністю до 1% відповідає складу вихідного порошку. Споріднений метод, дуже схожий на метод вибухового випаровування і до того ж досить технологічний, використовувався Сіддаллом і Пробін. Ніхромовий дріт використовувалася як електрод, випаровується, завдяки бомбардуванню його електронами. Оскільки весь шматок випаровується до моменту просування дроту, склад плівки виходить аналогічним складом дроту. Проблема контролю за складом нихромовой плівки може бути також вирішена за допомогою методу катодного розпилення. Порівнюючи плівки ніхрому, отримані цим методом н методом напилення в вакуумі, Пратт встановив, що плівки, отримані методом катодного розпилення, з поверхневим опором вище деякої певної величини виходять майже постійного складу.

Малюнок 2 - Залежність ТКС декількох ніхромових плівок різного складу від їх поверхневого опору.

Він же встановив, що ТКС подібних плівок змінюється в набагато менших межах, ніж ТКС плівок, отриманих методом вибухового випаровування. Так, ТКС плівок, отриманих методом випаровування, коливається від + 3,5 * 10 ^-4 1 / ° С у плівок з поверхневим опором близько 3 Ом / □ до -3 * 10 ^-4 1 / ° С у плівок з поверхневим опором близько 3000 Ом / □, в той час як плівки, отримані методом розпилення, мають ТКС порядок +1,5 * 10 ^-4 1 / ° С при коливанні величини поверхневого опору в діапазоні 5-1200 Ом / □.

Малюнок 3 - Зміна відносного опору плівок, отриманих методами розпилення і напилення залежно від зміни поверхневого опору

На рис. 3 показано зміну відносного опору плівок, отриманих обома методами, в залежності від зміни поверхневого опору. Для плівок, отриманих методом напилення в вакуумі, спостерігається невелике зменшення відносного опору при значеннях поверхневого опору нижче 10 Ом / □. Вище цієї величини спостерігається деяке збільшення відносного опору, а потім крива швидко йде вгору. Плівки, отримані катодних розпиленням, мають просту характеристику, але у них зростання відносного опору відбувається трохи швидше, а крім того, при великих значеннях поверхневого опору спостерігаються значні відхилення окремих значень від результуючої кривої. Вид кривих можна пояснити або тим, що плівки, отримані катодних розпиленням, більш чутливі до окислення, або тим, що зменшення відносного опору в лівій частині кривої завдяки ефекту відпалу в цих плівках проявляється значно слабше. Обидва пояснення представляються правдоподібними. Для осадження ніхромових плівок Стерн використовував методику розпилення зі зміщенням. Він показав, що цим способом можна отримати плівки, властивості яких дуже нагадують властивості сплаву, з якого вони отримані, і які мають максимально корисне поверхневий опір близько 40 Ом / □. Плівки виходили дуже стабільними і практично не змінювалися при нагріванні в звичайній атмосфері. Оскільки цей метод має надзвичайно високу відтворюваність, контроль за поверхневим опором можливий з точністю близько ± 2%. Щоб досягти цієї точності, необхідно було подолати скруту, пов'язане з коливаннями швидкості осадження через зміни кількості домішки водню.

Сіддалл і Пробін визначили технічні вимоги при отриманні ніхромовихпленок методом напилення: 1) температура підкладок в процесі напилення повинна підтримуватися в діапазоні 2-300 ° С, щоб ліквідувати внутрішні напруги; 2) окислення плівки під час напилення повинно регулюватися зміною залишкового тиску газу і швидкості напилення; і 3) отримана плівка повинна бути отожжена. Відпал можна проводити в звичайній атмосфері при температурі 250-350 ° С, але готова плівка повинна бути ізольована, щоб поліпшити її стабільність при великих змінах атмосферних умов.

2.2 монометалічні системи

З ростом розуміння того, що плівки з чистого металу могли б мати значно більш високий питомий опір в порівнянні з масивним зразком металу, інтерес до використання сплавів як основи для отримання плівок постійно зменшується. З іншого боку, привабливість однокомпонентних систем стає очевидною, оскільки в цьому випадку контроль за складом, осадженням і іншими параметрами не викликає ускладнень. Розглянемо ряд таких монометалевих систем.

1) Тантал. Цей метал, спочатку використовується у виробництві тонкоплівкових конденсаторів як побічний, надає останнім ряд важливих властивостей. В даний час початковий інтерес до монометалічні системам майже втрачений, проте тантал все ще привертає до себе увагу як основа для отримання тонкоплівкових резисторів. На додаток до своєї тугоплавкости (яка означає, що будь-які дефекти, «законсервовані» при осадженні, що не будуть отожжени за весь час життя плівки) тантал належить до класу вентильних, які при нагріванні в атмосфері кисню або при анодному окисленні утворюють міцний захисний оксид. Анодное окислення дозволяє вести точний контроль товщини і може використовуватися як регулювальний метод.

Внаслідок високої тугоплавкости для отримання плівок найкращим методом є катодного розпилення, а не напилення в вакуумі, хоча останній метод можна теж використовувати. Тантал - хімічно активний метал, внаслідок чого, якщо не брати спеціальних запобіжних заходів, напилені плівки можуть містити різні домішки. Однак, як було сказано раніше, щоб надати плівкам деякі корисні властивості, в тантале повинні бути певні домішки. Спроби поліпшити однорідність і проконтролювати частоту танталових плівок привели до поліпшення процесу катодного розпилення як загального методу отримання плівок. Отримання танталових резисторів ускладнюється тим, що танталові плівки можуть існувати, принаймні, в трьох формах.

α-структура - це звичайна об'ємно-центрована структура танталу, аналогічна структурі масивного матеріалу. β-структура вперше знайдена Рідом і Альтманом. Точні умови, які заздалегідь визначали б конкретний вид утвореною структури (α або β), до сих пір ще повністю не визначені, проте встановлено, що β-форма не утворюється в системах, в яких існує достатня кількість газових домішок або температура підкладки перевищує 600 ° С. Часто утворюються плівки, що складаються з суміші α і β-танталу. Ці труднощі не дають можливість отримати плівку із заздалегідь заданою структурою і, крім того, величину поверхневого опору потрібно контролювати безпосередньо, а ие побічно, за часом напилення. Форма з малою щільністю дуже відрізняється від перших двох і буде розглянута окремо.

Характеристика питомої опору плівки в залежності від процентного вмісту N _2, як показано на рис. 4, має горизонтальну частину і спад прівелічіне питомої опору близько 250 мкОм * см і ТКС порядку -0,75 * 10 ^-4 1 / ° С. Важливою властивістю азотосодержащих танталових плівок є те, що їх можна анодувати як і чистий тантал. На практиці склад плівки вибирається можливо близьким до Ta ₂ N, так як встановлено, що резистори з плівок такого складу мають дуже хорошу стабільність протягом всього періоду навантажувальних випробувань.

Малюнок 4 - Вплив різної концентрації азоту при напиленні на питомий опір і ТКС танталових плівок

Існування танталових плівок малої щільності вперше спостерігав Шютце. Вивчаючи осадження танталу, він і його колеги виявили, що питомий опір одержуваних плівок залежить не тільки від напруги на катоді. Результати їхніх спостережень показані на рис. 6. На жаль, танталові плівки з малою щільністю, отримані таким методом, виявляються нестабільними. Наприклад, при стабілізуючою тепловій обробці протягом 1-2 годин при температурі 200 ° С відбувається незначна зміна поверхневого опору, але ТКС падає дуже швидко до величини порядку -3 * 10 ^-4 1 / ° С (рис. 7).

Ряд монометалевих систем - алюміній, хром, вольфрам і реній - був досліджений Циммерманом. Реній, завдяки суттєвим перевагам, виявився оптимальному матеріалом для створення тонкоплівкових резисторів. Дані по точності відтворення опору свеженапиленних плівок, яку можна досягти для різних матеріалів в залежності від величини поверхневого опору, наведені на рис. 7.

Малюнок 7 - Залежність точності відтворення поверхневого опору, досяжною для різних мнометалліческіх ситем, від поверхневого опору

2) Хром. Як зазначалося раніше, процентний вміст хрому в плівках нихрома часто значно перевищує його частку в вихідному матеріалі (20%).

Внаслідок обмеженою взаємної розчинності Ni і Сr в твердому стані, плівки ніхрому, отримані напиленням у вакуумі, часто містять в розчині більше хрому, ніж це випливає з термодинаміки. Це є джерелом нестабільності, внаслідок того, що надлишок хрому випадає з розчину. Більш того, газ, поглинений хромом під час його осадження, надає на питомий опір плівок хрому більш сильний вплив, ніж добавки нікелю. В результаті цього «чисті» плівки хрому мають значно більш високі питомі опору, ніж плівки ніхрому оптимального складу. З цих причин, а також через більшу простоти монокомпонентних системи, виник значний інтерес до хрому як до матеріалу для тонкоплівкових опорів. Хоча використання чистого хрому і виключає проблему контролю складу і розпаду твердого розчину, чутливість властивостей плівок хрому до умов нанесення значно вище, ніж у плівок нихрома, внаслідок впливу «вбудованих» забруднень; З іншого боку, добре відомі адгезійні властивості хрому до скляних підкладок ефективні для резистивних елементів, так як вони пов'язані з низькою схильністю хрому до агломерації. Крім того, хром добре сумісний з будь-яким провідним матеріалом. Додаткова приваблива риса хрому, з точки зору осадження плівок, - легкість сублімації. Зазвичай застосовується вольфрамовий випарник, покритий хромом гальванічним способом. Перед використанням такі випарники рекомендується піддавати термообробці в водні, так як гальванічні шари зазвичай містять багато оксидів. Так як хром не надто тугоплавок, існує гранична температура, при якій плівки хрому можуть працювати безперервно. Термообробка плівок хрому у вакуумі викликає зниження опору внаслідок ефектів відпалу, відсутніх у більш тугоплавких плівок, таких, наприклад, як тантал.

В даний час хром найбільш широко використовується при виготовленні дискретних резисторів, які можуть бути підлаштовано до необхідних номіналів шляхом нарізки канавки, яка змінює число квадратів плівки, або за допомогою обробки абразивом. У мікроелектроніці це, однак, не застосовується.

Плівки хрому, як і більшість резистивних плівок, складаються з відносно чистих острівців металу в матриці ізолюючої окису хрому. Скоу і Тьюн було детально вивчено вплив умов осадження на питомий опір плівок хрому. При цьому було виявлено, що плівки з мінімальним питомим опором можуть бути отримані тільки при одному поєднанні температури підкладки і швидкості осадження (рис. 8).

Малюнок 8 - Вплив температури підкладки і швидкості осадження на відношення питомої опору плівки до об'ємного споротівленію масивних зразків хрому.

2.3 КЕРМЕТ

Після того, як стало очевидним, що більшість тонкоплівкових резисторів набуває необхідні електронні властивості за рахунок включення домішок, стало логічним свідоме забезпечення таких включень. При цьому немає необхідності обмежуватися домішками, утвореними за рахунок залишкових газів. У той час як число домішок, утворених за рахунок газів, обмежена азотом, киснем і вуглецем, тверді домішки можна створити у великій кількості. Нарешті, коефіцієнт прилипання для більшості твердих домішок можна припускати близьким до одиниці, так що природно в цьому випадку очікувати більш високого ступеня управління складом в порівнянні з домішками газового походження.

1) Gr - SiO.З великого числа комбінацій метал - діелектрик, вивчених в плівковому стані, найбільш успішні результати в даний час досягнуті в системі хром - моноокись кремнію. Одне з первинних підстав для розробки і важлива властивість таких плівок - їх високий питомий опір, а також стабільність і відсутність великого негативного температурного коефіцієнта. В існуючих літературних даних є деякі розбіжності щодо питомої опору плівок Cr - SiO в залежності від їх складу, обумовлені, головним чином, неоднозначністю визначення складу реальних плівок, а також сильною залежністю питомої опору від термічної природи плівки. На рис. 9 наведені результати по дослідженню складу плівок з точністю ± 1% із застосуванням рентгенівського мікроаналізу, отримані Гленгом і ін. Залежність питомого опору від складу приведена для плівок, обложених при 200 ° С, а також після термообробок при 400, 500 і 600 ° С ( в аргоні, протягом 1 год при кожній температурі).

Малюнок 9 - Залежність питомого опору плівок Cr-SiO від складу і термообробки.

На рис. 10 наведені значення ТКС для плівок Сг - SiO, обложених при 200 ° С і відпалених протягом 1 год при 400 ° С. На практиці для більшості застосувань стабілізуюча термообробка протягом 1 год при 400 ° С є обов'язковою. Цікаво відзначити, що після стабілізуючою термообробки плівки, що містять до 50 атомних відсотків SiO, мають позитивні температурні коефіцієнти, близькі до нуля. Гленг і ін. Показали, що обложені плівки - аморфні, однак після термообробки в них з'являються кристалічні фази (включаючи Cr ₃ Si).

На основі вимірів ефекту Холла Луд припустив, що в плівках, що містять до 10% SiO, роль моноокиси кремнію полягає в створенні домішкових центрів в зонної структурі хрому. Плівки з чистого хрому мають позитивний коефіцієнт Холла, але з додаванням SiO цей коефіцієнт стає негативним, проходячи через нуль при 5% SiO і досягаючи мінімуму при 10% SiO. В результаті рентгенівських дифракційних досліджень плівок, що містять близько 25% SiO, Скотт припустив, що в обложені плівках хром рівномірно розподілений в SiO, а після відпалу з'являються невеликі (~ 20 А) частки хрому, що утворюють короткі ланцюжки, що супроводжується збільшенням провідності.

Малюнок 10 - Залежність ТКС плівок Cr-SiO, обложених при 260 ° С від складу, до і після термообробки при 400 ° С.

Незважаючи на високий питомий опір плівок, поява позитивного ТКС в плівках з більш високим вмістом SiO, підтверджує, що обложені плівки складаються з зерен хрому (що містять деяку кількість розчиненого кремнію), розподілених в матриці з моноокиси кремнію. Фізичне розділення ¹ частинок обумовлює високий питомий опір і високі негативні значення ТКС, так як для проходження зазорів між частинками електрони повинні бути термічно збуджені. Під час термообробки частина SiO днспропорціонірует, утворюючи вільний кремній, що реагує на поверхні кожного зерна з утворенням шару Cr ₃ Si. Окисні прошарку між зернами «витискаються» і зерна тепер торкаються один одного, так чтосопротівленіе ізоляції замінюється опором контактування зерен.

Малюнок 11 - Залежність опору плівок Cr-SiO (20% SiO) від часу термообробки.

Будучи захищеними від окислення, плівки Сr-SiO мають гарну термічною стабільністю і не змінюються за величиною, навіть якщо їх прогрівають до температури, рівною або більшою, ніж максимальна температура, при якій вони були попередньо термооброблені (рис. 11). Відзначимо, що температура відпалу грає значно важливішу роль, ніж час відпалу.

2.4 Напівпровідникові плівки

У тих випадках, коли потрібно забезпечити високе значення поверхневого опору і допустимі відносно високі величини ТКС, в якості матеріалу для резистивних плівок можуть бути використані напівпровідники. Протягом ряду років вивчалися германій і кремній, для визначення можливості їх застосування в якості матеріалів для тонкоплівкових резисторів. Однак найкращі результати в цьому питанні було досягнуто з вуглецем і окисом олова.

1) Вуглецеві плівки. Вуглецеві плівки в інтегральних схемах не знайшли широкого застосування через труднощі управління поверхневим опором і високих температур технологічного процесу. Проте вони були застосовані при виготовленні дискретних резисторів. Останній огляд їх технології та властивостей з'явився в 1960 р .. Вуглецеві резистивні плівки зазвичай осідають на керамічні підкладки, необхідні через високі температур (близько 1000 ° С), що використовуються в процесі осадження, наприклад, при піролізі вуглець газу, як наприклад, метану . Зазвичай газоподібні вуглеводні для кращого управління технологічним процесом розбавляються нейтральними газами, наприклад, азотом. Зміни температури, концентрації газу і т. Д. Забезпечують можливість отримання плівок різної товщини. Таким чином виходять так звані «вуглецево-обложені» резистори. У зв'язку з тим, що в даний час точне управління отриманням необхідного поверхневого опору піролітичним методом неможливо, резистори індивідуально підганяють до необхідного номіналу нарізкою спіральних канавок на поверхні плівки, см. Розд. 4 В. ТКС чистих вуглецевих плівок відносно високий і змінюється від -2,5 * 10 ^-4 1 / ° С при 10 Ом / □ до -4 * 10 ^-4 1 / ° С при 1000 Ом / □. Для обліку невеликих змін опору, пов'язаних з приєднанням контактних висновків, резистори спеціально підганяються до величини на 1% меншою номіналу, а остаточна підгонка здійснюється тонкою обробкою абразивом плівки перед нанесенням захисного покриття.

Набагато більш тверді і більш стабільні плівки (сплавні плівки) можна отримати, використовуючи інші елементи, такі, наприклад, як кремній і кисень з вуглецем. У порівнянні зі звичайними плівками, які повинні бути ретельно захищені, «сплавні» плівки нечутливі до окислення навіть без захисних покриттів. ОднакоТКСу них не менше, ніж у звичайних вуглецевих плівок.

Різке зменшення ТКС вуглецевих плівок може бути забезпечено використанням разом з метаном боросодержащей газу. Плівки цього типу мають ТКС - 0,2. 10 ^-4 1 / ° С при 10 Ом / □ (при 4% бору і -2,5 * 10 ^-4 1 / ° С при 1000 Ом / □. Для отримання плівок, легованих бором, використовувалися також суміші гідриду бору з метаном і бензином, а також однокомпонентні системи типу тріпропілборана Однак найбільш поширеною присадкою є ВСl _3.

2) Плівки окису олова. Питання, що обговорювалися раніше системи для створення резисторів в різній мірі схильні до впливу окислення. Можна очікувати, що матеріал, певним чином окислений навоздухе, буде вільний від цього недоліку. Окисел олова і є якраз таким матеріалом. Крім того, завдяки тугоплавкости, ймовірність відпалу або агломерації окису олова низька. Найбільш поширеним методом отримання плівок окису олова є гідроліз хлориду олова (SnCl ₄₎ на поверхні підкладки.

Малюнок 12 - Залежність поверхні опору плівок окису олова від концентрації сурми при різних товщинах плівки

Так як чистий хлорид олова гідролізується дуже швидко, то для уповільнення реакції зазвичай додається спирт, наприклад, етиловий, органічна кислота, наприклад, оцтова, або, часто, HCI. Типова процедура заключаетсяв нанесенні розчину, що містить рівні об'ємні частини різних складових, методом пульверизації на нагріту скляну або керамічну підкладку, на поверхні якої відбувається реакція. Швидкість реакції при 500 ° С низька, а близько 800 ° С різко зростає. Внаслідок вкрай високої температури окис олова утворює плівку, яка має велику адгезію. Для пристроїв, в яких використовується нанесення розчину на обертові підкладки струменем, потрібен ретельний контроль процесу.

Малюнок 13 - Залежність ТКС плівок окису олова від поверхневого опору при різних концентраціях сурми.

Окис олова - напівпровідник з широкою забороненою зоною, - при ретельному забезпеченні стехиометрии має високий питомий опір. Однак плівки, отримані гідролізом, можуть або бути недоокислених, або містити деяку кількість іонів хлору. У цих випадках плівки мають електронну провідність. Для подальшої модифікації провідності плівок окису олова зазвичай застосовують добавки відповідних легуючих домішок, сурми і індію. Сурма, наприклад, діє як донор, ще більш збільшуючи провідність і зменшуючи температурний коефіцієнт опору, з іншого боку, індій діє як акцептор і компенсує кисневі вакансії, обумовлюючи зростання питомої опору і ТКС. Плівки Su0 ₂ можуть мати високий питомий опір. Так, плівки з поверхневим опором 10000 Ом / □ можуть мати товщину 1 мкм. Ці плівки дуже шорсткі і можуть без погіршення характеристик працювати в окислювальному атмосфері при температурах до 450 ° С. Така висока температурна стабільність зменшує небезпеку погіршення параметрів резисторів за рахунок реіспаренія в розігрітих точках. Зокрема, плівки, леговані сурмою, найбільш стабільні в окислювальному атмосфері, в той час як у нелегованих плівок провідність може змінюватися за рахунок заповнення частини кисневих вакансій. Залежність поверхневого опору при даній товщині від концентрації сурми в плівці приведена на рис. 12, а на рис. 13 приведена залежність ТКС від поверхневого опору для різних концентрацій сурми.

Цікавою особливістю плівок окису олова є їх висока прозорість. Внаслідок цього вони знайшли широке застосування в виробництвах «проводить скла» і нагрівальних елементів. Однак методика створення, використання високих температур і те, що плівки, отримані шляхом гідролізу на поверхні, дуже грубозернисті і грубі, обмежує застосування плівок зазначеного типу в інтегральних схемах Гладкі плівки, обложені при більш низьких температурах, могли б знайти більше застосування, однак проведене напилення і катодного розпилення окисних плівок показало, що для досягнення корисних властивостей після осадження необхідна термообробка при температурах близько 800 ° С.

3. Конструювання тонкоплівкових резисторів

3.1 Вибір геометрії резистора

Вибір величини поверхневого опору для конкретної групи резисторів в схемі визначається резистором з мінімальним номінальним його значенням. Досвід показав, що для будь-якого резистора число квадратів має бути завжди більше 0,5, інакше існує небезпека появи неточностей, що викликаються погіршенням контролю відстані між контактними майданчиками і різко зростаючій чутливістю до явищ в контактах між проводить і резистивної плівками.

Малюнок 14 - Опір, що вноситься різними елементами топології резисторів.

По можливості, все резистори слід виконувати у вигляді прямих ліній; звивисті лінії допустимі тільки в разі крайньої необхідності. Прямолінійні резистори мають кращі високочастотні властивості, знижену чутливість до міграції іонів натрію і меншу ймовірність відмов під навантаженням і при впливі вологи. Крім того, в цьому випадку легко передбачити точне значення величини опору.

На рис.14 наведені топологія і формули для розрахунку резисторів у вигляді прямого кута (а) і криволінійної доріжки (б). У деяких випадках для попередження ускладнень, на кутах використовується конфігурація (в), в якій кут шунтований провідним матеріалом.

2.2 Вибір площі резистора

Під тонкоплівкові резистори, якщо немає серйозних причин робити інакше, доцільно займати всю доступну площу. Це дозволяє зменшити похибки, пов'язані з неточним відтворенням розмірів, і збільшити величину потужності, що розсіюється. На практиці площа завжди буває обмежена і основна її частина повинна бути віддана під резистори, що розсіюють найбільшу потужність. Звідси виникає необхідність оцінки здатності системи розсіювати потужність.

Малюнок 15 - Залежність збільшення температури резисторів з КЕРМЕТ при потужності 8 * 10 ³ Вт * см ^-2 від площі резистора.

Необхідно підкреслити, що розсіювання потужності не є властивістю даного матеріалу. Максимальна температура і щільність струму, при яких резистор може працювати надійно, - єдині вимоги, які можуть бути визначені. Потужність, необхідна для розігріву даного резистора до цієї температури, складним чином залежить від конкретного матеріалу підкладки, способу монтажу на підкладці і т. Д.

У зв'язку з безперервним зменшенням розмірів резисторів, величина питомої потужності, яку можна розсіяти, прогресивно зростає і резистор перетворюється в точкове джерело тепла. На рис. 15 як приклад показано, яка залежність перегріву резистора з КЕРМЕТ на підкладці з окисленого кремнію, що знаходиться при кімнатній температурі, від площі при питомій потужності 8 * 10 ³ Вт / см ^2. В цьому випадку кремнієва підкладка мала хороший тепловідвід, так що температура розігріву резистора визначалася, головним чином, швидкістю передачі тепла через термічний окисел до кремнію. В результаті температура резистора слабо залежала від розміру підкладки та or числа резисторів, що одночасно знаходилися під навантаженням.

Температура резистора залежить від швидкості передачі тепла підкладки і від здатності підкладки розсіювати це тепло. Остання, в свою чергу, залежить від температури підкладки. Тому, температура резистора буде, крім іншого, залежати від його розміру і від співвідношення площ резистора і підкладки. На рис. 20, як приклад, наведені ізотерми для плівок танталу на скляних підкладках при різних рівнях потужності для різних співвідношень площ резистора і підкладки.

Малюнок 16 - Ізотерма для танталових резисторів на скляних підкладках в залежності від питомої потужності в співвідношенні площ підкладки і резистора.

У випадках помітного зростання температури підкладки іноді можна розрахувати максимальне розсіювання потужності, розглядаючи всі резистори на підкладці як один великий резистор. У випадках, коли використовуються щодо масивні струмопідведення до підкладки, не можна нехтувати їх впливом на розсіювання потужності в схемі, так як вони можуть відводити значну частину тепла.

2.3 Інші фактори

Серед інших чинників, що визначають конструкцію резистора, слід зазначити зведення до мінімуму числа перетинів, правильний з металургійної точки зору підбору провідних матеріалів і захисного покриття, а також забезпечення їх сумісності. Крім того, резистивний шар рекомендується формувати до нанесення провідного шару (контактів). Зворотний порядок (наприклад, з метою виключення проблеми опору контактів), не раціональний через утоньшения резистивной плівки на сходинці, яка утворюється проводять шаром.

Слід враховувати також температуру проведення операцій технологічного процесу. Максимальна температура, що впливає на систему, може бути знижена до мінімуму за рахунок застосування можливо високої температури нанесення з виключенням наступної операції відпалу. Однак нанесення резистивной плівки при відносно високій температурі може призвести до поганого контролю поверхневого опору через локальні градієнтів температури на підкладці під час осадження. Маючи це на увазі, можна осадження провести при мінімальній температурі, що забезпечує хорошу адгезію, і потім виконати стабілізуючу термообробку.

висновок

Якщо ще недавно тонкоплівкові резистори використовувалися головним чином при виготовленні гібридних ІВ, то за останні роки вони все ширше починають застосовуватися у виробництві монолітних ІВ по поєднаною технології. Заміна дифузійних резисторів на тонкоплівкові дає цілий ряд переваг: низький температурний коефіцієнт опору, низьку паразитную ємність, вищу радіаційну стійкість, більш високу точність номіналу і ін.

Матеріали, використовувані при виготовленні резистивних плівок, повинні забезпечувати можливість отримання широкого діапазону стабільних в часі резисторів з низьким температурним коефіцієнтом опору (ТКС), мати гарну адгезію, високу корозійну стійкість і стійкістю до тривалого впливу підвищених температур. При осадженні матеріалу на підкладці повинні утворюватися тонкі, чіткі лінії складної конфігурації з хорошою повторюваністю малюнка від зразка до зразка.

Список літератури

1. Отримання тонкоплівкових елементів мікросхем / Б.С. Данилов. - М .: Вища. шк, 1989.

2. Зарубіжна електронна техніка / Н.А. Акуленко. - М .: Вища. шк, 1982. - 300 стор.

3. Електронна промисловість / А.С. Грибов. - Радио и связь, 1991. - 202 стор.

4. Фізико-хімічні основи технології електронних засобів: навчальний посібник / В. І. Смирнов. - Ульяновськ: УлГТУ, 2005.- 112с.

5. Технологія виробництва напівпровідникових приладів та ІМС: навчальний посібник для вузів-3-е видання, М .: Вища. шк. 1986. - 307 с.

6. Резистори: Довідник / ред. Четвертков, І.І .; Терехов, В.М. - Радио и связь; Видання 2-е, 1991. - 528

7. Микроминиатюризация радіоелектронної апаратури / Автор: Азарх С. Х. і Фрід Е. А. - Госенергоіздат, 1980.- 80 с.