Тонкопленочный резистор Советский патент 1983 года по МПК H01C7/00 

Изобретение относится к микро- электронике и может быть использовано для изготовления прецизионных термостабильных тонкопленочных резисторов.

Известен тонкопленочный резистор, у KOtroporo ТКС основного реэнстивного слоя скомпенсирован величиной ТКС промежуточного резнетиБНого слоя, расположенного между основным слоем и контактной площадкой и частично выступающего за. контактную площадку l .

Недостатком данного резистора является то, что при изготовлении таких резистивных элементов возникают трудности с селективным травлением двух резистивных слоев. Влиние травителя промежуточного слоя на величину сопротивления основног слоя значительно снижает воспроизводимость технологического процесса .

Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности и достигаемому результату является тонкопленочный резистор, содержащий диэлектрическую подложку с последовательно нанесенными на нее двумя резистивными слоями с температурными коэффициентами сопротивления противоположного знака и контактными слоями.

Резистор, изготавливают следующим образом. Сначала напыляют тонкую пленку хрома толщиной 100 .150 Ас удельным сопротивлением 200 Ом/п, термостабилизируют, затем поверх пленки хрома нашлляют более толсту пленку родия с толщиной 300-350 А и удельным поверх ностныг сопротивлением 50 Ом/п. Полученное пленочное сопротивление имеет низкое значение величины ТКС равное ± 4 10 грап И

Недостатком известного резистор является то, что удельное поверхностное сопротивление такого элемента меньше 50 Ом/п/ в то время как при изго1 овлении микроблоков приемно-усилительных устройств необходимы термостабильные резистивные элементы с удельньв поверхностным сопротивлением 50 - 1000 Ом/п. I ..

Цель изобретения - расширение

диапазона величины удельного поверхностного сопротивления в сторону увеличения и улучвюния воспроизводимости электрических певргалетро резисторов.

Поставленная цель достигается тем, что в тонкопленочном резисторе содержащем диэлектрическую подложку с последовательнб нанесенными на нее двумя резистивными слоями с температурными коэффициентами сопротивления противоположного зна

и контактными слоями, в качестве материала первого слоя использованы СИЛИЦР1ДЫ хрома и никеля, а в качестве материала второго слоя силициды хрома и железа/ причем величины удельных сопротивлений слоев и величины ТКС связаны следующим соотношением

RI 1Т1СС,-4

R« {/TKC +I

где R, - удельное поверхностное

сопротивление первого слоя 2 - удельное поверхностное

сопротивление второго слоя TVCC - температурный коэффициент

сопротивления первого слоя VKCj- температурный коэффициент

сопротивления второго слоя На чертеже изображен предлагаемы тонкопленочный резистор.

Предлагаемая конструкция тонкопленочного резистора представляет собой диэлектрическую подложку 1/ на которую напылены двухслойная структура, состоящая из первого слоя 2 на основе силицидов хрома и никеля с отрицательным ТКС и второго слоя 3 на основе силицидов хрог4а и железа с положительным ТКС, и контактные площадки 4/ причем соотношение толщин первого и второго слоев быть строго определенным.

Двухслойную систему можно рассчитать таким образом, что она будет иметь ТКС близкий к нулю. I

Рассмотрим частный случай/ когда двухслойная система имеет минимальный ТКС в области 20-120 С. При расчете принимаем Я« - удельное поверхностное сопротивление первого слоя с отрицательным ТКС, например PC - 3710/ Ом/п«, R - удельное поверхностное сопротивление второго слоя с положительным ТКС/ например PC - 5402, Ом/п.

Двухслойную систему можно пред-50 ставить как параллельное соединение двух резисторов. Тогда удельное поверхностное „сопротивление систем буч

RI-RI

дет равно

Так как пер:в&й и второй слои имеют ТКС с разными знаками, то при изменении температуры на 8Т

удельное поверхностное сопротивление первого слоя уменьшится на ЭК и станет равныги R,- ЭК / а удельное поверхностное сопротивление второго слоя увеличится на dRj J станет

paBHHr/iBj + , при этом удельное поверхностное сопротивление двух слойной системы станет, равным (R«-aR,) Ri-aR fRjtaR Чтобы двухслойная система имел минимальный ТКС в области темпера тур 20 - 12О®С, удельное поверхностное сопротивление двухслойной системы при должно быть рав удельному поверхностному сопротив ленкю системы при 120®С, т.е. с и менением температуры на ЭТ lOO удельное поверхностное со.хротнвле ние двухслойной системы не должно изменяться. Следовательно .(«..aRnCRnaR, R,+ P2 R,-9R,Ri+aR7 CD можно получить -rl -,- Прежде чем провести дальнейшее преобразование уравнения (2), рассмотрим, что собой представляет ТКС каждого из слоев. Значение ТКС .обозначим через , преобразования, будем вести с модулями Л , чт бы не учитывать знаки ТКС. По оп;ределению ТКС первого .слоя -равен R,aT а ТКС второго; слоя равен Я,ЭТГ Рассмотрим, что собой представR,ляет слагаенюе Jиз уравнеW«ния (2). i 1 о эт1 7Гат «1« где 1 cfi I - величина обратная .TKCl tiU Если .обозначим -11 через .; то слагаемое дт , -li. из уравнения (2) становится р ным R aR/ l VolВеличина,1 ( легко рассчитывает ся по величине ТКС («) первого слоя (Z который предварительно определяется практически и по значению 100°С. Аналогичным образом можно представить Слагаемое Jli- в урав. ЭЙ2 нении (2) j7 - 1 -- 71 оBRiПодставляя преобразованные слагаемые в уравнение (2}, получаем R,(u«l-)R,(uVel, отсюда , .где коэффициент К1- Зная значения ТКС первого и второго отдельно и величину ЗТ ЮО-С, рассчитываем коэффициент .К,, В данном случае он равен К С,11&. Форглула (3) дает прямую зависимость мезкду удельными поверхностными сопротивлениями первого и второго слоев, по которой подбирается пара значений R и Rj , обеспечивающая минимальное значение ТКС двухслойной системы в области температур 20-120°С. Правильность формулы (3) прове-. ряют экспериментальным путем. Получено значение коэффициента К, при котором двухслойная система имеет минимальный ТКС равный 0,100, а не 0,116 (как по расчету). Это можно объяснить тем, что с уменьшением толщины слоев их ТКС несколько изменяется. I Представленный расчет проводился для частного случая т.е. для диапазона тэмператур 20-120°С, так как именно в этом диапазоне в основном работает радиоэлектронная аппаратура и проводятся климатические испытания тонкопленочных лткросхем. :Приведенный выше расчет можно произвести для общего случая и записать уравнение (3) в общем виде. При этом будем исходить из того же условия: с изменением те1(тературы-на ЭТ удельное поверхностное сопротивление первфго и второго слоев изменяемся соответственно на 3R и BRj , а удельное поверхностное сопротивление двухслойной системы остается без изменения, т.е. JlRj tRi-aRQlR idR С4) , 3R7

Уравнение (4) преобразуем в следукадееR --.R . «V

зк ък;- (5)

Уравнения t4l и tS) соответственно те лее,- что (1 и (2) . По определению температурная стабильность резистивного слоя (С), измеренная для определенного интервала температур и выраженная в относительных

д

единицах, равна . В этом случае

3R,

c.v

с.

R.

Причем термостабильности С и Cg должны быть измерены в одном и том же интервале температур, тогда уравнение (.5) запишется в следунЛцем

о

„ .2

0

«v-;r «

С, Сг

или

К Сс- О-кДс; -о.

где С и с

- соответственно величины, обратные величинам С и Cg ,

R, RI

Обозначив

Сб)

получаем зависимость .

Таким образом, коэффициент К равен отношению разности величины, обратной величине ТКС первого слоя и единицы к сумме величины, обратной величине ТКС второго слоя, и единицы.Для получения двухслойного резистивНого элемента с минимальньал ТКС отношение сопротивлений слоев второго к первому) выбирается равным коэффициенту К.

Для вычисления коэффициентов К предварительно измеряется величина ТКС первого и второго слоев для определенного интервала температур В данном случае измерена величина

ТКС резистивных слоев на основе PC - 3710 и PC - 5402 для интервала температур 20-120°С и получены значения С 0,018 и ,002. Подставляя значения Сц и С в уравнение (6) noj.y4aeM

K.

t 500+1 °Q0.

Первый резистивный слой (РС-3710) напыляется -взрывным способом с танталового испарителя при температуре подложки 300°С. После напыления температура подложки поднимается до , при которой происходит термостабилизация слоя, в течение 1ч. Затем температура подложки снижается до и в вакуумную камеру напускается воздух. При этом происходит окисление напыленного слоя.

Второй компенсирующий слой РС-5402 напыляется также взрывным способом с танталового испарителя при температуре подложки . При напылении по свидетелю контролируется суммарное сопротивление двухслойной системы. После стабилизации двухслойной системы при

0 в течение 30 мин в вакуумную KciMepy напускается воздух.

в качестве контактных площадок наносится трехслойная пленка хроммедь-никель. Резистивные элементы

5 формируются методом фотолитографии.

На основе двухслойной системы .РС-3710 - PC - 5402 выполнены эле менты с удельными поверхностными сопротивлениями 100-1000 Ом/п и

Q измерены значения температурного коэффициента сопротивления. Предварительно измерены ТКС однослойных резистивных элементов и получены значения для РС-3710

. оСч -170-1СГ град ; для РС-5402

.gCj. 20-10 радЧ

Отсюда коэффициент ,116. Однако с увеличением удельного прверхиостного сопротивления каждого из слоев коэффициент К ул иьщается до 0,100 за счет некоторого излюнения их ТКС.

В таблице приведены сравиительные данные по толщине и ТКС для пленок систекол РС-3710 - РС-5402.

in

Ю

го

I.

ТОИКОПЛБНОЧНЫЙ РЕЗИСТОР, содержа1ди11 диэлектрическую подлож-г; ку с последовательно нанесенными на нее двукш резистивнынот с температурными коэффициентами сопротивления (ТКС) противополож ного знака и контактны слоями/ . о тли ч а ю щи и с. я тем, что, с целью расширения диапазона вели чины удельного поверхностного сопротивления в сторону увеличения и улучшения воспроизводимости элект рических параметров- резисторов, в качестве материала первого слоя использованы силицидов хрома и никеля, а в качестве материала второго слоя -г силициды хрома и железа, причем величины удельных сопро.тивлений слоев и величины ТКС связаны следукхоим соотнесением:. Ra /TKCf-l R7 /TKC2 1 где R, - удельное поверхностное сопротивление пербого слоя; 2 - удельное поверхностное сопротивление второго слоя;ч, TKCj - температурный коэффици(Л ент сопротивления первого слоя/ , - температурный коэффицй: ент сопротивления второго слоя. э з: 4 :о ND N0

о f

If см

Ох

о

N

N

л-О-. , О О -О -.0

ю о о

rt N ГО f О

-.-.. -, ,, гЧ

.и : -rt . t - о , о т V4 r . - г«

t-

«ч

О N

00 01

04 гН

о

о

о

О)

VO

in

о о

о о

п I. к

о

ОЧ

о во t

г

«п

о о.

о Г

А

о о

о

о

о

о г

г

Ш

Как видно из таблицы, полученHbjfe { ёзистивные скстегды имеют снижейЬое значение ТКС в диапазоне удельных поверхностных сопротив-;лений iO-lOQO Ом/п при указанном оех тношенйи номиналов слоев.

. - . . .. .

Использование термостабильных тонкопленочных резисторов предлагаемой конструкции, имеющих ТКС -(lOl . ЮЧрад-, позволит улучшить характеристики микроплат по сравнению с прототипом, в состав которых входят эти элементы, повысить надежность, срок службы микроплат в процессе эксплуатгщии, а также выход гоДных на 11% при их изготовлении.