Реферат: Тонкопленочные резисторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

2.2 Монометаллические системы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пленки хрома, как и большинство резистивных пленок, состоят из относительно чистых островков металла в матрице изолирующей окиси хрома. Скоу и Тьюном было подробно изучено влияние условий осаждения на удельное сопротивление пленок хрома. При этом было обнаружено, что пленки с минимальным удельным сопротивлением могут быть получены только при одном сочетании температуры подложки и скорости осаждения (рис. 8).

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

 

2.3 Керметы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

2.4 Полупроводниковые пленки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Конструирование тонкопленочных резисторов

3.1 Выбор геометрии резистора

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

Рисунок 14 - Сопротивление, вносимое различными элементами топологии резисторов.

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

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

2.2 Выбор площади резистора

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

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

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

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

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

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

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

2.3 Другие факторы

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

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

Заключение

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

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

Список литературы

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

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

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

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