CC BY
81
Лугин А.Н.
ОАО «НИИЭМП», г. Пенза
ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Проблема создания тонкопленочных резисторов (ТПР) высокой точности - с допускаемым отклонением сопротивления менее ±0,001% поставила задачу необходимости проведения дополнительных исследований в направлении определения дестабилизирующих факторов. Одним из таких факторов является тензорезистивный эффект, особенности проявления которого в ТПР изложены автором в публикациях [1 - 3]. Однако в этих работах рассмотрено проявление эффекта в однородном участке ТПР. В то же время в публикациях [4, 5] при расчете сопротивления паразитных резисторов полосковых межсоединений говорится о декомпозиции топологии на однородные и неоднородные фрагменты (НОФ) межсоединений, типовые конфигурации которых приводятся. К ним относятся «приконтактные области», наличие изгиба, конфигурация с непараллельными границами, скачок ширины и т.п., которые характеризуются неоднородным растеканием тока. Выполненные ранее работы [6, 7] показали, что такие неоднородные фрагменты характерны и для прецизионных тонкопленочных резисторов. Но информации о механизме и учете особенности их влияния на допускаемое отклонение сопротивления в технической литературе крайне мало. Настоящая статья посвящена исследованию дестабилизирующего воздействия тензорезистивного эффекта в НОФ тонкопленочных резисторов.
К наиболее характерным НОФ в тонкопленочных прецизионных резисторах можно отнести: контактную площадку с приконтактной областью, участок подгонки сопротивления, наличие изгиба (наиболее распространено на 90°), скачок ширины, топологию резистивного элемента с непараллельными границами (рис. 1а...д) и т.п.
_р
Щ\А
а) б) в)
г) д)
1 - контактная площадка; 2 - резистивный элемент; 3 - область неоднородного распространения тока
Рис.1. Неоднородные фрагменты ТПР:
а) контактная площадка с приконтактной областью;
б) участок подгонки сопротивления;
в) наличие изгиба;
г) скачок ширины;
д) резистивный элемент с непараллельными границами.
Рассмотрим механизм влияния тензоэффекта в НОФ, изображенном на рис. 1а, как наиболее информативного. В известной технической литературе [8, 9] для проволочных и пленочных фольговых тензорезисторов при расчете тензоэффекта не определяют и не учитывают влияние НОФ на тензочув-ствительность тензорезисторов. Скорее всего, это связано с их относительно невысоким вкладом в общую тензочувствительность тензорезисторов и, в конечном счете, в точность преобразования. Создание же тонкопленочных резисторов с допускаемым отклонением сопротивления менее ±0,001% требует рассмотрения и оценку этого вклада, как дестабилизирующего, в изменение общего сопротивления прецизионного резистора.
При рассмотрении тензоэффекта в тензорезисторах в работах [8, 9], также как в пленочных резисторах [1 - 3] в резистивном элементе рассматривается только одно направление тока, которое характеризует однородные фрагменты. В то же время, в пленочных резисторах имеются НОФ, в которых различна плотность и направление тока. Наиболее характерным доказательством этого может служить контактная площадка и приконтактная область такого резистора рис. 2 [6, 7].
2
Рис.2. Схематичное представление распределения тока в контактном узле. Здесь: I -входящий
(выходящий) ток; Ix ... I9 - составляющие тока по осям X, Y, Z в слоях контактного узла
Ток в такой конструкции имеет объемное распределение. Более того, при переходе из области металлизации контакта в резистивном слое происходит его перераспределение по толщине и сечению, т.е. изменяется не только величина плотности тока, но и величина этой плотности по сечению. На рис. 3 [7] показано распределение тока в вертикальном сечении контактного узла тонко-
пленочного резистора.
Z
l
а)
0,01 (1)-
0,04 (4)3 0,07 (7)3 0,1 (10)-
0
0,24
0,1
(N)
X, мкм
0,35
0
j
I
по длине N+n
j
I
расчетная по толщине часть резистивного слоя
Рис. 3. Расчетные (относительные) значения тока j по толщине l и длине N+n резистивного слоя. 1, 4, 7, 10 - номер одной десятой части слоя по толщине 1, для которой рассчитан ток j
(нумерация частей резистивного слоя проведена от верхней к нижней частям):
а) входящего в расчетную часть по толщине l часть резистивного слоя перпендикулярно его плоскости;
3
б) проходящего по расчетной по толщине l части резистивного слоя.
Видно, что распределение тока крайне неравномерно по толщине резистивной пленки. Также можно отметить, что направление входящего в пленку тока перпендикулярно продольному направлению тока в резисторе, формирующего последующий однородный участок. Распределение тока, согласно той же методике, по горизонтальной плоскости также фиксирует его наличие и неравномерность. Таким образом, в тонкопленочном контакте наблюдается пространственная неоднородность тока. В остальных фрагментах рис. 1 (б, в, г, д) , согласно сделанным расчетам, наблюдается плоское неравномерное распределение тока. Но, как можно заметить, всегда в резисторном НОФ имеются токи направлений, которые можно квалифицировать как взаимно перпендикулярные. Поэтому и тензо-чувствительность (изменение сопротивления резистора от деформации) таких участков будет отличаться от тензочувствительности, определенной как сумма тензочувствительности однородных фрагментов, т.к. общее сопротивление резистора в НОФ определяется как сумма электрического сопротивления протеканию взаимно перпендикулярным составляющим ток с учетом того, что осевые коэффициенты тензочувствительности в ТПР различны [2]. Методик определения составляющих общего сопротивления по взаимно перпендикулярным направлениям в настоящее время нет. Но учитывая, что при ширине металлизации контактной площадки и резистивного элемента в 1 мкм, при удельном поверхностном сопротивлении резистивного элемента р=500 Ом// общее сопротивление участка резистивного слоя под металлизацией составляет 220 Ом, а увеличение сопротивления приконтактной области резистора из-за стягивания линий тока - 28 Ом [7], - это значительные величины, составляющие около 0,5 квадрата резистивной пленки, которые: 1) ранее не учитывались при проек-
тировании резистора и 2) тензочувствительность этого участка из-за наличия трех взаимноперпендикулярных токов и анизотропности тензочувствительности [1] будет отличаться от тензо-чувствительности однородных участков. Однако, с учетом того, что принятая толщина резистивной пленки равна 0,1 мкм и неоднородность распространяется ориентировочно на длину резистора, равную трем толщинам пленки, т.е. в данном случае на 0,3 мкм и, учитывая, что сторона квадрата пленки в расчетах принята равной 1 мкм, сопротивление НОФ с измененной тензочувствительностью будет гораздо больше.
Таким образом, при проектировании прецизионных ТПР необходимо учитывать, что НОФ всегда вносит изменение в тензочувтствительность резистора и расчетные методы расчета тензочувстви-тельности резистора не могут соответствовать их реальной тензочувствительности. А поскольку тензорезистивный эффект является одной из составляющих температурной и временной нестабильности резисторов и знания ее величины необходимы при проектировании, тензочувствительность топологической схемы прецизионного ТПР в настоящее время возможно оценить только практическим измерением. Изменение тензочувствительности в НОФ при постоянной толщине резистивной пленки будет увеличиваться с уменьшением ширины резистивного элемента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лугин А.Н., Литвинов А.Н. Анизотропность тензочувствительности тонкопленочных резисторов
// Доклады Международного Симпозиума "Надежность и качество 99". - Пенза. - 1999. - С. 342-
343.
2. Лугин А.Н. Тензоэффект в пленочных резисторах // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2000. - №6. - С. 55-59.
3. Лугин А.Н., Литвинов А.Н. Анализ продольной и поперечной тензочувствительности тонкопленочных резисторов // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2001. - №5. - С. 48-53.
4. Зверев С.А. Расчет типовых резисторов по их топологической реализации. // Электронная техника. - Сер. Микроэлектроника. -Вып. 6 (112). -1984. -С. 79-85.
5. В.М. Колтыженков, Е.В. Авдеев, А.В. Лузянин Расчет волновых и импедансных характеристик
сложных пассивных микроэлектронных структур // Известия вузов. - Сер. Электроника. -2001. -
№3. -С.59-64.
6. Лугин А.Н., Оземша М.М. Моделирование контакта тонкопленочного резистора // Труды Международного Симпозиума "Надежность и качество 99". - Пенза. - 2005. - С. 289-293.
7. Лугин А.Н., Оземша М.М. Электрические характеристики контактного узла тонкопленочного резистора // Известия вузов. - Сер. Электроника. -2007. №2. -С.41-49.
8. Рузга З. Электрические тензометры сопротивления. - М.: Мир, 1964. - 356 с.
9. Клокова Н.П. Тензорезисторы. -М.: Машиностроение, 1990.-222 с.
