Способ изготовления многослойных тонкопленочных резисторов

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ, включающий по.слойное нанесение на диэлектрическую подложку двух и более резистивных слоев с последую-: щим формированием рисунка на казкдом резистивном слое и омических контактов к многослойной структуре, отличающийся тем, что, с целью уменьшения величины температурного коэффициента сопротивления при одновременном регулировании его величины в широком диапазоне положительных и отрицательньпс значений всех резистивных слоев, до нанесения последующего резистивного слоя на предыдущем резистивном слое формируют слой диэлектрика толщиной 1-100 нм.

СООЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю (111

17 00 з<ю н

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3513505/24-21 (22) 23.11.82 (46) 23.09.84. Бюл. 9 35 (72) А.А. Андзюлис (53) 621. 316.842(088 ° 8) (56) 1. Патент США и 4104607 кл. Н 01 С 1/012, 1978.

2. Патент ГпР М - 106493, кл, Н 01 С 13/00, 1979 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЬИ РЕЗИСТОРОВ, включающий послойное нанесение на диэлектрическую подложку двух и более резистивных слоев с последую-.. щим формированием рисунка на каждом резистивном слое и омических контактов к многослойной структуре, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения величины температурного коэффициента сопротивления при одновременном регулировании его величины в широком диапазоне положительных и отрицательных значений всех резистивных слоев, до нанесения последующего резистнвного слоя на предыдущем резистивном слое формируют слой диэлектрика толщиной 1-100 нм.

4 11151

Изобретение относится к тонкопленочной технологии интегральных схем, а именно к способам изготовления высокостабильных резисторов с регулируемым температурным коэффициен5 том сопротивления, которые могут . быть использованы в технологии производства прецизионных резисторных матриц аналоговых схем.

Известны многослойные тонкопленочные конструкций, в которых, применяя обычные промьпппенные резистивные материалы с большим температур-ным коэффициентом сопротивления в

10 пленке (ТКС /<50 10 /К " ), после нанесения одна на другую двух резистивных пленок с противоположным по знаку температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в результате параллельного соединения этих пленок

30 получают путем компенсации резисторы с препельно низкими ТКС (ТКС 4 ! -50 10 1К ) l.1J.

Однако большие трудности при реализации способов, например, в технологии производства резистивных мат,риц заключаются в получении жесткой совокупности сверхточных параметров . матрицы, в частности предельно маленьких температурных коэффициентов отношения сопротивлений (ТКОС

1- 2-10 1 К ). По данному параметру, такие многослойные резисторы в матрице на один — два порядка уступают однослойным, в основном, из-за неуцовлетворительного воспроизводства геометрических размеров много слойного резистора в послойных рисунках. Кроме того, в параллельном сое- . динении неоднозначное действие на конечный результат положительного и 40 отрицательного температурного дрейфа сопротивлений отдельных пленок при" водит к тому, что вместо констант температурные коэффициенты (ТКС и TKOC) таких резисторов становятся функциями -45 температуры, что из-за размерных погрешностей в послойных рисунках, неодинакового характера для разных резисторов схемы ухудшает параметры резисторной матрицы в целом, 50

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является спо. соб изготовления многослойных резисторов с предельно низким или точно управляемым температурным коэффициен-55 том сопротивления путем компенсации, включающий нанесение одна на другую двух или более реэистивных пленок

1З 1 одного или разных резистивных материалов, ТКС которых отличаются от нуля и имеют противоположные знаки, формирование послойных рисунков многослойной резистивной пленки с разным перекрытием пленок в плане, получение соответствующим образом контактов, операционный контроль электрических параметров отдельных пленок и резисторов.

Регулировку ТКС таких резисторов осуществляют в пределах от +TKC> до

-ТКС (ТКС отдельных пленок соответственно) индивидуально путем компенсации, причем индивидуальной подго:— кой сопротивлений отдельных пленок в параллельном соединении согласно соответствующему соотношению их ТКС 21.

Однако применение. известного способа в производстве резисторных матриц требует увеличения числа индивидуально подгоняемых параметров матрицы, кроме общепринятой подгонки номиналов сопротивлений и коэффициентов отношений сопротивлений резисторов, необходимо производить также индивидуальную подгонку температур- . ных коэффициентов (ТКС и ТКОС) ре- . зисторов. Это снижает производительность. операций подгонки параметров до такой степени, что себестоимость изделия возрастает в несколько раз, усложняет технику и алгоритм подгонки параметров матрицы в целом.

Целью изобретения является уменьшение величины ТКС при одновременном регулировании его величины в широком диапазоне положительных и отрицательных значений всех резистивных слоев.

Поставленная цель достигается тем, что при способе изготовления многослойных тонкопленочных резисторов, включающем послойное нанесение на диэлектрическую подложку двух и

;более резистивных слоев с последую.щим формированием рисунка на каждом резистивном слое и омических кон-! тактов к многослойной структуре, до нанесения последующего резистивного слоя на предыдущем резистивном слое формируют слой диэлектрика толщиной 1-100 нм.

Регулировку ТКС формируемых резисторов осуществляют путем смещения температурного коэффициента сопротивления резистивного слоя в сторону отрицательных или более отрицатель-ных значений на разную величину смещения (ТКС) в пределах от 0 до

3 .1 115

-(1 ° 10 — 1,2 ° 10 " ) К ", варьируя толщиной тонкого диэлектрического слоя в пределах 1-100 нм. При этом температурнь1е коэффициенты отдельных слоев могут быть одинаково положительные или разные, в том числе и отрицательные, их тблщины — в пределах 2-35 нм и удельные поверхностные сопротивле-. ния — в пределах О, 05-20 кОм/кв.

Регулировку ТКС таких резисторов завершают выбором условий отжига многослойного резистора в диапазоне температур 400-800 К. Кроме того, резисторы с разным ТКС получают, применяя один резистивный материал, один способ нанесения пленок, варьируя .чИслом формируемых диэлектрических слоев в его пленке.

- На фиг. 1 изображена подложка (термически окисленная кремниевая пласчина), поперечное сечение; на фиг. 2 — то же, после нанесения первой резистивной пленки (слоя); на фиг. 3 — пленочная структура после формирования тонкого диэлектрическо- 5 го слоя: на фиг. 4 — то же после нанесения второй резистивной пленки (слоя); на фиг. 5 — структура многослойного резистора с двумя резистивными слоями; на фиг. 6 — структура многослойного резистора с тремя резистивными слоями; на фиг. 7 — кикетика изменения температурных коэффициентов сопротивлений однономинальных (R =350 Ом/кв) однослойных и многослойных пленок во время отжига; на фиг. 8 — кинетика изменения удельных поверхностных сопротивлений однономинальных (Rq=350 Ом/кв) однослойных и многослойных пленок во время отжига.

Способы нанесения резистивных пленок (слоев) и формирование диэлектрических слоев могут быть разными, в том числе термическое напыление или ионно-плазменное распыление резистив «45 ных и диэлектрических материалов в вакууме, в инертных или реактивных средах. Способ включает формирование тонких диэлектрических слоев путем обработки резистивных пленок в реак- 5 тивных средах, в кислороде, азоте, например, термическим окислением. окислением под давлением или анодированием, например, в высокочастотном разряде. В массовом производстве способ предполагает возможность косвенного контроля толщины тонких резистивных и диэлектрических

113 4 слоев, например контролируют длительность процессов нанесения и формирования резистивных и диэлектрических слоев в конкретном исполнении или судят по характеру изменения электрических параметров резистивных пленок во время соответствующего процесса. В завершающей стадии производства такие резисторы могут быть защищены пассивирующей пленкой, осуществлена индивидуальная подгонка номиналов сопротивлений, например, лазерным способом. .Пример 1. На подложку 1 (фиг. 1), например термически окисленную кремниевую пластину, с толщиной окисла 2 йз;о =800 нм наносят первую резистивную пленку (слой) 3 (фиг. 2) при ионно-плазменном распылении резистивной мишени сплава

Si-Cr-Ni (40;54:6) в разряде аргона с начальными параметрами ТКС =

+15 10 К ", удельным поверхностным сопротивлением Re=620 Ом/кв и толщиной с1 "- 9 нм. На поверхности первой резистивной пленки формируют первый тонкий диэлектрический слой 4 (фиг. 3) толщиной d>-"2 нм термическим окислением поверхности первой резистивной пленки в режиме отжига:

Т =623 К, щ =2 ч, среда — воздух. Сопротивление изоляции диэлектрического слоя не менее 2 -10 Ом/см2

Во время процесса роста диэлектрического слоя параметры первого резистивного слоя возрастают до значений ТКС=+40.10 К и RS=700 Ом/кв.

Поверх полученного первого диэлектрического слоя наносят вторую резистивную пленку (слой 5)(фиг. 4) того же материала и аналогичным способом с начальными параметрами: ТКС =

+15.10 К ", К =700 OM/кв и и =8 нм.

Далее формируют рисунок многослойной резистивной пленки литографией с одним шаблоном, наносят контактный материал 6 (фиг ° 5) термическим напылением алюминия в вакууме толщиной d< 1 мкм, формируют рисунок контактов резистора литографией одновременно с разводкой, вжигание контактов проводят во время процесса завершающего отжига резистора.

Регулировку ТКС многослойного резистора (фиг. 5) к нулевому значению завершают одновременно с вжиганием контактов и стабилизацией параметров ! резистора отжигом в режиме: Т,„= о ощю .623 К, с ®е =10 ч, среда — воздух

11151 1 3

{фиг. 7 и 8, кривые А). Таким образом получают многослойный тонкопленочный резистор с двумя резистивными слоями, с тонкой диэлектрической прослойкой и пассивирующим окислом 5

7 (фиг. 5) с параметрами ТКС ? 10 К, R =350 Ом/кв и d 19 нм.

Пример 2 ° Отличается от примера 1 тем, что с целью получения резистора с параметрами ТКС=-25 ° 10 " К " 1О и Из=350 Ом/кв первую резистивную . пленку наносят с удельным поверхностным сопротивлением R<=600 Ом/кв, первый тонкий диэлектрический слой формируют толщиной д 3 нм„ термическим окислением в режиме: Т 623 К, t ö =5 ч, среда — воздух. Во время завершающего отжига параметры многослойного резистора изменяются и стабилизируются на заданном уровне

20 (фиг ., 7 и 8, кривые Б) .

П р и,м е р 3. Отличается от примера 1 тем, что с целью получения резистора с параметрами ТКС=-60 10 К 1 и R+=350 Ом/кв первого резистивную пленку наносят с удельным поверхностным сопротивлением R<=720 Ом/кв и толщиной д 8 нм. Во время формирования первого тонкого диэлектрического слоя, например, толщиной др2 нм 30 в аналогичном режиме параметры первого резистивного слоя возрастают до значений ТКС„=ЗО. 10 К 1 и

R< 810 Ом/кв, вторую резистивную пленку наносят с параметрами 35

Кз=1100. Ом/кв и и ® 6 нм, поверх второго резистивного слоя формируют второй тонкий диэлектрический слой 8 (фиг. 6) толщиной d> 2 нм так же, как и первый тонкий диэлек- 40 трический слой, поверх второго диэлектрического слоя наносят третью резистивную пленку (слой) 9 так же, как и вторую резистивную пленку с аналогичными параметрами. После 45 завершающего отжига (фиг. 7 и 8, кривые В) получают многослойный резистор с тремя резистивными слоями,, двумя тонкими диэлектрическими прослойками и пассивирующим окислом с 5р параметрами ТКС60 10 К 1, R =350 Ом/кв и d © 24 нм.

Сравнительные данные испытания многослойных резисторов и однослойных резисторов (фиг. 7 и 8, кривые Г) с удельным поверхностным сопротивлением резистивной пленки R = 350 Ом/кв приведены в таблице.

Предлагаемый способ изготовления многослойных резисторов по сравнению с известным обладает следующими технико-экономическими преимуществами.

Регулировку ТКС осуществляют, управляя размерными параметрами многослойной резистивной пленки не в плане, а по толщине, групповыми процессами. (Упрощается технологический процесс и снижается трудоемкость регулирования ТКС резисторов путем исключения таких трудоемких прецизионных операций, как послойное формирование рисунков многослойной резистивной пленки и ийдивидуальная поргонка температурных коэффициентов (ТКС и ТКОС) резисторов в"интегральных схемах.

Введение операции формирования тонкого диэлектрического слоя не связано с большими экономическими затратами, так как операция предполагает групповую обработку партий пластин на стандартном оборудовании многоцелевого производства.

Осуществляется важный для практики и применения резисторов аспект: воэможность получения ТКОС в резистивной матрице на один — два порядка меньше ТКС резисторов.

Предлагаемый способ расширяет возможности применения хорошо освоенных в производстве резистинных материалов, особенно с положительным температурным коэффициентом сопротивления, распространяя их применение на область создания резисторов с предельно низким, нулевым и отрицательным ТКС.

Кроме того, предлагаемые много-. слойные резисторы, полученные из одного резистивного материала, более стабильны и надежны по сравнению с однослойными того же материала.

8 — 1С г

1115113

Резисторы

Трехелойный

Двухслойный

Однослойный

Пример 3

350

350

350

19

28

28

0,3-800,3-80

О, 3-80 й2 -25

-60

+60

+0,4 0,2 0,2 0,3

0,04

0,04

0,095

Фиг3

Типовые параметры

Резистивный материал

Удельное поверхностное сопротивление многослойной резистивной пленки R Ом/кв

Толщина многослойной резистивной ппенки, нм

Количество резисторов в одной монолитной схеме (матрице) Диапазон номиналов сопротивлений, R„O кОм

TKC резисторов

,K .10 .

ТКОС в диапазоне температур Т-210-400"К,,K " 10 6

Временной дрейф сопротивлении резисторов (в режиме Т 358 К, =500 ч) л R/R, Ж

Пример 1 Пример 2

Si-Cr-Ni (40:54:6) атж

Составитель Н. Кондратов

Редактор О. Юрковецкая Техред Q.Веце Корректор О. Луговая

Заказ 6782/38 . Тирам 682

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная, 4