Способ изготовления тонкопленочных резисторов

 

Изобретение относится к электронной технике. Технический результат: повышение выхода резисторов, годных по параметру при повышенных электрических нагрузках. В способе изобретения, включающем осаждение в вакууме на партию диэлектрических подложек пленочного резистивного материала, отжиг на воздухе нескольких выборок из партии в течение фиксированного времени при нескольких температурах в интервале 623÷823 К, охлаждение подложек до комнатной температуры, формирование контактных узлов резисторов, измерение сопротивления образцов из выборок, выбор по полученным данным оптимальных значений температуры, отжиг на воздухе при выбранных режимах всей партии подложек, формирование контактных узлов и дополнительное измерение сопротивления образцов в выборках производят до проведения отжига, а о стабильности резисторов судят по величине коэффициента между значениями сопротивления до и после отжига, причем оптимальной температуре отжига соответствует максимальный коэффициент корреляции. 1 табл.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии изготовления тонкопленочных резисторов интегральных схем, а также дискретных электрорадиоэлементов.

Известны способы изготовления тонкопленочных резисторов, включающие нанесение на диэлектрические подложки резистивных пленок и их последующий отжиг на воздухе в диапазоне температур 523-1073 К в течение времени от нескольких минут до нескольких часов [1, 2]. Целью отжига является либо получение низких значений температурного коэффициента сопротивления, либо стабилизация параметров при эксплуатации и хранении.

Указанные режимы отжига в известных способах носят рекомендательный характер, поскольку температура и продолжительность отжига в каждом конкретном случае зависит от множества параметров: физико-химического состояния исходного материала, способа и режимов нанесения пленки, ее толщины, материала подложки.

Известны способы изготовления тонкопленочных резисторов, в которых термообработка считается оптимальной, если подобранные температурные режимы обеспечивают пологий ход зависимости сопротивления от температуры при охлаждении образцов от 450 К до 293 К [3].

Недостатком указанных способов является то, что в случае изготовления резисторов с малым ТКС при смешанном механизме проводимости на температурной зависимости сопротивления, в частности для пленок системы Сr-Si и TaN (или (Та-Al)N), имеется экстремум при температурах 350-463 К [4, 5], что не позволяет однозначно интерпретировать последствия термоотжига.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления тонкопленочных резисторов, включающий осаждение в вакууме на партию керамических заготовок пленочных резистивных материалов на основе Cr, Fe, Al, и SiO, отжиг на воздухе нескольких выборок из партии в течение 1 часа при температурах в интервале 500-540^oС (773-813 К), охлаждение заготовок до комнатной температуры, формирование контактных узлов резисторов, определение полученных значений ТКС и стабильности, выбор по полученным оптимальным значениям температуры отжига, обеспечивающих получение заданных значений ТКС и стабильности, отжиг на воздухе в выбранных режимах всей партии заготовок, формирование контактных узлов, термотренировку резисторов при температуре от 420 до 470^oС в течение от 0,5 до 12 часов, выборочный контроль ТКС резисторов [6]. Целью данного технического решения является увеличение выхода годных резисторов с заданным ТКС.

Недостаток известного способа заключается в значительной трудоемкости измерений как по виду применяемых контрольных операций, так и по их продолжительности (до 2000 ч), что существенно превышает нормативные сроки межоперационного хранения заготовок, в частности плат микросборок (не более 24 ч).

Техническим результатом заявляемого решения является повышение выхода годных по параметру стабильности при повышенных электрических нагрузках за счет использования в качестве критерия выбора температуры отжига коэффициента корреляции между значениями сопротивления образцов до и после отжига, причем оптимальной температуре отжига соответствует максимальный коэффициент корреляции.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкопленочных резисторов, включающем осаждение в вакууме на партию диэлектрических подложек пленочного резистивного материала, отжиг на воздухе нескольких выборок из партии в течение фиксированного времени при нескольких температурах в интервале 623 - 823 К, охлаждение подложек до комнатной температуры, измерения сопротивления образцов из выборок, обработку результатов измерений, выбор температуры отжига, обеспечивающей получение максимальной стабильности резисторов, отжиг на воздухе при выбранных режимах всей партии подложек, при этом дополнительно измеряют сопротивление образцов из выборок до отжига, определяют величину коэффициента корреляции между значениями сопротивления в каждой выборке до и после отжига, а температуру отжига партии выбирают по максимальному значению коэффициента корреляции.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что температуру отжига партии выбирают по максимальному значению коэффициента корреляции между значениями сопротивления до и после отжига.

Технический результат заявляемого решения обусловлен следующим. При воздействии температуры в пленке на диэлектрической подложке одновременно несколько физико-химических процессов (диффузия кислорода по границам зерен, изменение угла взаимной ориентации зерен, изменение угла взаимной ориентации зерен, релаксация механических напряжений, образование новых фаз и др.), каждый из которых характеризуется несколькими степенями свободы, т.е. характер поведения пленочной системы зависит как от вида внешнего воздействия (в данном случае - от температуры, скорости ее изменения и продолжительности отжига), так и от термодинамических характеристик системы. Наличие при определенной температуре отжига тесной корреляционной связи (коэффициент корреляции по абсолютной величине близок к единице) свидетельствует о том, что система обладает минимальным числом степеней свободы; этим определяется, во-первых, стабильность процесса отжига резистивных пленок, а, во-вторых, возможность прогнозирования изменения сопротивления резисторов в партии по результатам обработки выборк.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Очищенную подложку из ситалла СТ-50-1 подвергают скрайбированию, и методом вакуумного осаждения через трафарет формируют контактные площадки. На рабочие подложки (партию подложек) совместно с заготовкой контрольных образцов производят нанесение резистивной пленки. Заготовку разделяют на отдельные образцы, из которых формируют выборки, измеряют сопротивление контрольных образцов. Подготавливают заготовки образцов контрольных партий (выборок). Для этого образцы подвергают отжигу в течение фиксированного времени при различных температурах из диапазона 623-823 К. После отжига контрольные образцы охлаждают до комнатной температуры и повторно производят измерение сопротивления. По полученным результатам рассчитывают значение коэффициента корреляции между значениями сопротивления контрольных образцов до и после отжига. Коэффициент корреляции где n - число образцов в выборке; Rji и Rni - соответственно значения сопротивления i-го образца в выборке до и после отжига.

Устанавливают диапазон температур, для которого значение коэффициента r корреляции максимально и при этих температурах производят отжиг резистивных пленок рабочей партии.

Наносят материал проводникового слоя и методом селективной фотолитографии формируют конфигурацию резистивных элементов. После отбраковки и подгонки на резистивный элемент наносят защитный слой.

Пример практической реализации способа.

Производили изготовление резисторов на основе кермета К20-С, состоящего из дисилицида хрома и бесщелочного стекла С44-1, при расчетном значении удельного сопротивления 10 кОм. Одну из очищенных подложек ситалла СТ 50-1 подвергали скрайбированию на контрольные образцы размером 30•30 мм². Методом термического испарения на подложку с контрольными образцами при использовании трафарета производили нанесение контактных площадок структуры V-AL толщиной 0,3 мкм. Расстояние между контактными площадками составляло 21 мм, т. е. коэффициент формы образца был равен 7. На установке УВН-71П-3 на 10 рабочих подложек и заготовку контрольных образцов методом "взрывного" испарения наносили пленку кермета. Температура подложек в процессе осаждения составляла 643-673 К, давление остаточных газов в камере 6•10^-3 Па, скорость осаждения около 2 нм/мин. Нанесенные пленки подвергались термостабилизации в вакууме в течении 30 мин при температуре осаждения. Развакуумирование камеры производилось при температуре 573 К. Контрольные образцы группировались в выборки по 6 штук, подвергались измерению сопротивления. Экспериментально было установлено, что при варьировании продолжительности отжига от 20 до 180 мин, максимальные изменения сопротивления происходят в начальный момент времени. При времени отжига менее 30-40 мин величина сопротивления и абсолютное значение ТКС значительно уменьшаются; при увеличении времени отжига сопротивление начинает слабо расти, однако при этом происходит возрастание абсолютного значения ТКС с большей скоростью, чем изменение сопротивления. Это обусловлено тем, что происходящие при отжиге структурные изменения приводят к изменению энергии активации процесса. Время отжига фиксировалось на уровне 30 мин. Отжиг выборок производился в следующих диапазонах температур (с учетом точности поддержания температуры в муфельной печи МП-2УМ): 623-653 К, 653-693 К, 693-723 К, 733-763 К, 783-823 К. Выбор указанного интервала температур определялся: нижняя граница - температурой Дебая для кремния, начиная с которой происходит интенсивный отжиг неравновесных дефектов в кремнийсодержащих материалах; верхняя граница - температурой начала размягчения стеклофазы ситалла. После отжига и охлаждения контрольных образцов до комнатной температуры производилось измерение их сопротивления и определялся коэффициент корреляции между сопротивлениями до и после отжига для каждой выборки. Определялся диапазон температур, для которого значение коэффициента корреляции было максимальным. При данных температурах в течение 30 мин производился отжиг рабочей партии подложек. На подложки с отожженными резистивными пленками наносили проводниковый слой структуры V-Cu-Ni толщиной 1-3 мкм; далее с использованием метода селективной фотолитографии формировали конфигурацию резистивных элементов. Травление пленки кермета К-20С производили в растворе, содержащем фтористоводородную кислоту, азотную кислоту и фтористый калий. В качестве защиты резистивных элементов применялась эпоксидная эмаль ЭП-925 (ТУ 6-10-1413-73), которая представляет собой суспензию пигментов и смеси эпоксидно-крезольного и алкидного лаков. Изготовленные резисторы номиналом 750 кОм подвергались испытаниям при удельной мощности рассеяния 5 Вт/см² в течение 100 ч. В таблице приведены результаты исследования резисторов, полученных на отожженных при различных температурах резистивных пленках.

Как следует из таблицы, при относительно низких температурах отжига стабильность резисторов возрастает по мере увеличения коэффициента корреляции и R достигает максимума при значении, близком к единице. Затем характер поведения параметра стабильности резистивных пленок существенно изменяется, что может быть обусловлено нарушением сплошности пленки из-за ее локального выжигания или образования разрывов.

Заявляемый способ по сравнению с прототипом значительно сокращает время получения объективной информации, являющейся основанием для выбора рекомендуемого диапазона температур отжига рабочей партии подложек.

Литература 1. Бочкарев Б.А., Бочкарева В.А. Керметные пленки. - Л.: Энергия, 1975, 152 с.

2. Ермолаев Л. А., Кондратов Н.М., Мочалов А.И. и др. Влияние искусственного старения на электрофизические свойства тонких резистивных пленок сплава PC-3710. / Электронная техника, сер.6 "Материалы", вып.5, 1972, с. 33-40.

3. Скобленко А.В. Материалы и методы получения высокостабильных тонкопленочных резисторов микросхем. / Зарубежная электронная техника, 8, 1982, с. 27-59.

4. Уайтс Р.К. Силицидные резисторы для интегральных схем. / Технология толстых и тонких пленок. Под ред. А.Райсмана, К. Роуза. - М.: Мир, 1972, с. 53-59.

5. Аветисян А.М., Татевосян В.В. Исследование механизма электропроводности пленок тантала и нитрида тантала-алюминия. / Электронная техника, сер. 6 "Материалы", вып.1(238), 1989, с.17-20.

6. Ряхин В.Ф., Волкова В.Л. А.с. СССР 1119515, МПК H 01 С 7/00, опубл. 15.06.94, БИ 11.

Формула изобретения

Способ изготовления тонкопленочных резисторов, включающий осаждение в вакууме на партию диэлектрических подложек пленочного резистивного материала, отжиг на воздухе нескольких выборок из партии в течение фиксированного времени при нескольких температурах в интервале 623÷823^oК, охлаждение подложек до комнатной температуры, измерения сопротивления образцов из выборок, температуры отжига, отжиг на воздухе при выбранных режимах всей партии подложек, при этом дополнительно измеряют сопротивление образцов из выборок до отжига, определяют величину коэффициента корреляции между значениями сопротивления в каждой выборке до и после отжига, а температуру отжига партии выбирают по максимальному значению коэффициента корреляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1