Управление параметрами пленочных резисторов на основе хромоникелевых сплавов посредством технологических режимов синтеза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аверин И.А., Печерская Р.М. УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСРЕДСТВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИНТЕЗА

Пленочные резисторы синтезированы из исходной загрузки ]^1^^Сг^2 либо Х2 0Н7 5Ю. Электрические

контакты к резистивной пленки из 1п А!, Си напыляли методом термического испарения в вакууме на промышленной установке [1]. Их толщина варьировала в интервале от 0,05 до 0,5 мкм.

Сопротивление таких пленочных резисторов растет в процессе эксплуатации. В качестве примера на рисунке 1 представлена зависимость сопротивления пленочного резистора с электрическими контактами из 1п , синтезированного при Тисп =1600 К, Т =515 К от времени эксплуатации.

R

Ом

3.0

2,8

2,6

2,4

2,2

2.0 1,8

1 • • *

1

1

1 1

|-< эбласть I II - облает >

1 I

1

I

0 10 20 30 40 50 60 t, сутки

• - эксперимент, ----- - расчет по уравнению (6)

Рисунок 1 - Зависимость сопротивления пленочного резистора с контактами из индия от времени эксплуатации

Данную зависимость можно разделить на две области. Резкому росту сопротивления соответствует область I, а слабому возрастанию или стабилизации сопротивления во времени отвечает область II. Для характеристики первой области выберем время т , которое определяет ее протяженность и крутизну изменения Я = /(?), а второй - величину АЯ , ответственную за интервал изменения сопротивления в данной области [2].

Рост сопротивления пленочных резисторов в процессе эксплуатации связан с самоокислением поверхности пленки, о чем свидетельствует данные, приведенные [3,4] применительно к пленкам из кремния и оксида цинка.

Процессы окисления хромоникелевых сплавов происходят в два этапа: на первом этапе происходит

адсорбция кислорода на поверхности пленки, приводящая к образованию сплошной окисной пленки; на втором этапе происходит диффузия кислорода из окисной пленки в объем пленочного резистора. В поликристаллических материалах кислород диффундирует по границам зерен, так как плотность пленок может составлять меньше 90% от плотности монокристалла [5]. Диффузия кислорода активизирует диффузию точечных дефектов в объеме пленки. С течением времени интенсивность диффузии атомов кислорода в пленке убывает за счет уменьшения концентрации вакансий в узлах кристаллической решетки незанятых кислородом. Процесс диффузии атомов кислорода закончится тогда, когда все вакансии в кристаллической решетке заполнены. Это соответствует распределению кислорода по всему объему пленочного резистора. Таким образом, предельная концентрация диффундирующих атомов кислорода

определяется технологическими режимами получения пленочных резисторов, которые задают концентрацию точечных дефектов в кристаллической решетке.

Следовательно, процессы самоокисления вызывают увеличение сопротивления пленочных резисторов, как вследствие увеличения интенсивности рассеяния носителей заряда за счет заполнения кислородом вакансий и образования изолирующей фазы на границах зерен пленки, так и уменьшения концентрации носителей заряда из-за их захвата атомами кислорода [6].

Для управления параметрами пленочных резисторов в процессе эксплуатации необходимо контролировать протяженность области резкого возрастания сопротивления и величину АЯ . Представим уравнение, описывающее изменение сопротивления пленочных резисторов с различными материалами электрических контактов, в процессе эксплуатации в виде двух слагаемых: первое слагаемое

соответствует сопротивлению пленочного резистора сразу после напыления Я , а второе слагаемое -

изменению сопротивления за время эксплуатации I . В аналитическом виде данное уравнение

записывается следующим образом:

AR

exp

(1)

Как следует из этого уравнения сопротивление пленочного резистора линейно зависит от AR и экспоненциально от т , причем последнее коррелирует с данными из [4]. Значение величин Т, AR выбираются исходя из максимального совпадения экспериментальных значений и рассчитанных по уравнению (1). Сопротивление R0 задается технологическими параметрами синтеза пленок и определяется уравнением вида:

R (Т Т ) — • X'Ni(Тисп, Тп) ' Yni (Тисп ,Тп) + pCr ' XCr (Тисп ,Тп) ' Усг (Тисп ,Тп)] '1 , ? ,

R0(Т испп) ТТ- /П-* т ч , ' (2)

a • VK (Тисп ,Тп ) • гноп

где a,l - соответственно ширина и длина пленочного резистора, рм , - соответственно удельное

сопротивление никеля и хрома, x- состав пленок, у - коэффициент активности компонентов в твердой фазе. Толщина пленок определяется условиями синтеза и задается в виде произведения V (Тисп,Т )• t . Подставляя уравнение (2) в (1) с учетом, что величины Т, AR также являются функциями

технологических параметров синтеза пленок, получим аналитическое выражение, описывающее изменение сопротивления пленочных резисторов, изготовленных при различных технологических режимах синтеза:

R(Tucn ,Тп,tнап,t) —

_ [PNi ' XNi(Тисп ,Тп ) 'yNi (Тисп ,Тп ) + PCr ' XCr (Тисп,Тп ) 'yCr (Тисп ,Тп )] • 1 + a • VK (Тисп ,Тп ) • tнаn

+ ЩТисп ,Тп) (3)

exp ( т(Тисп ,Тп )

exp I г

Таким образом, сопротивление пленочного резистора является функцией четырех переменных, а именно, технологических режимов синтеза и времени эксплуатации.

Для нахождения зависимостей Т, AR от технологических режимов синтеза исследовано около 10 0 образцов пленочных резисторов с электрическими контактами из различных материалов, синтезированных при различных условиях синтеза из исходной загрузки NixCr^_x состава X — 0,8 . Установлено, что зависимости данного вида являются функциями состава пленочных резисторов, задаваемого температурами испарения исходной загрузки и подложки. Так, например, зависимость AR от состава пленок по хрому хорошо апроксимируется уравнением вида:

^(Тисп>Тп) — AAR • XCr(ТиспТ) , (4 )

где Ада =1,1'106 (Ом/м.д.m) - коэффициент пропорциональности.

По мере увеличения содержания хрома в пленочных резисторах от 0,1 до 0,26 м.д. наблюдается рост величины AR почти на три порядка. Это означает, что стабильность параметров таких резисторов во времени определяется составом пленок, следовательно, выходными параметрами резисторов можно задавать на стадии синтеза пленки за счет выбора технологических режимов. Выражая состав пленочных резисторов через режимы синтеза, получим зависимость AR — f (Тисп,Тп) , которая изображена на рисунке 2. Видно, что наблюдается хорошая корреляция между экспериментальными данными и рассчитанными значениями. Минимальное значение AR достигает при использовании высоких температур испарения исходной загрузки, близких к 1600 К, а максимальное - при низких температурах испарения исходной загрузки, при этом необходимо учитывать неоднозначное влияние температуры подложки. Так, например, при фиксированной температуре испарения исходной загрузки и использовании как низких, близких к 500 К, так и высоких температур подложки, около 600 К, формируются пленочные резисторы с нестабильными во времени электрическими параметрами, в то время как при температурах подложки, близких к 550 К, параметры пленочных резисторов стабильны и практически не изменяются в процессе эксплуатации.

• - эксперимент, --- - расчет по уравнению (4)

Рисунок 2 - Зависимость АЯ пленочных резисторов, полученных из исходной загрузки М’08СТ02 , от

технологических режимов синтеза

Зависимость т пленочных резисторов от состава и технологических режимов синтеза выражается зависимостью вида:

т(Тисп,Тп) = А ' ХСг{Тисп>Тп) ,

где Лг =38880 (с' м.д.п)- коэффициент пропорциональности.

При высоких температурах испарения, близких к 1600 К, формируются пленочные резисторы, характеризующиеся максимальным значением т (рисунок 3) . Зависимость протяженности области резкого возрастания сопротивления от температуры подложки при фиксированной температуре испарения исходной загрузки проходит через максимум функции, которому соответствуют Тп=(550-575) К для различной величины температуры испарения исходной загрузки. В данных условиях формируются пленки с минимальной концентрацией точечных дефектов, что обуславливает низкое значение коэффициента диффузии кислорода. При низких температурах испарения исходной загрузки, а также температурах подложки, близких к 500 и 600 К, происходит образование пленок с повышенной концентрацией точечных дефектов. Это усиливает окислительные процессы и обеспечивает низкие значения времени т . Данная корреляция также подтверждается зависимостью АЯ от технологических режимов синтеза, изображенной на рисунке 2, где минимальные изменения АЯ реализуются при высоких температурах испарения исходной загрузки и Т из середины диапазона используемых в процессе синтеза температур подложки.

• - эксперимент, ----- - расчет по уравнению (5)

Рисунок 3 - Влияние технологических режимов синтеза пленочных резисторов, полученных из исходной загрузки М’08Сг02 , на т

Таким образом, варьируя температурами подложки и испарения исходной загрузки можно управлять величиной параметров, определяющих зависимость сопротивления пленочных резисторов в процессе эксплуатации [7]. Для пленочных резисторов на основе хромоникелевых сплавов различного состава установлены технологические режимы синтеза, обеспечивающие формирование пленочных резисторов со стабильными во времени свойствами.

Подставляя выражения (5) и (4) в (3), получим уравнение, описывающее изменение сопротивления пленочных резисторов на основе хромоникелевых сплавов различных состава и толщины, синтезированных при выше указанных технологических режимах, в процессе эксплуатации:

R(T,

т t

исп п нап

t)

. \-Prn ' XNi (Тисп ,Тп ) • Уm (Тисп ,Тп) + Pcr ' XCr (Тисп ,Тп) ' УСг (Тисп ,Тп)] '1

a ■ VK (Тисп ,Тп ) • L

• ХСг (Тисп Тп )

Ат' ХСг (Тисп,Т п )

exp

t

(6)

времени

На рисунке 4 приведены зависимости сопротивления двух пленочных резисторов эксплуатации. Видно, что наблюдается хорошее совпадение экспериментальных данных и теоретических значений для пленочных резисторов с различными материалом электрических контактов, составом и технологическими режимами синтеза. Кроме того, разработанная модель справедлива для пленочных резисторов, имеющих различную толщину. Так, например, зависимости Я= / (?), изображенные на рисунке

4, характерны для пленочных резисторов толщиной 4'10

в то время как аналогичная зависимость на

рисунке 5.1 отвечает пленочному резистору толщиной, равной 1,2'10

О 20 40 60 80 100 t, сутки

• - Тисп =1530 К, Т =540 К, электрические контакты из Al

+ - Т =1480 К, Тп=550 К, электрические контакты из Си

---- - расчет по уравнению (6)

Рисунок 4 - Зависимости сопротивления пленочных резисторов, полученных при различных режимах

синтеза, от времени эксплуатации

Таким образом, разработанная аналитическая модель хорошо описывает экспериментальные зависимости сопротивления пленочных резисторов на основе хромоникелевых сплавов различного состава, синтезированных при Т =(1430-1600) К и Тп=(503-623) К, с материалами электрических контактов из In>Al,Си , в процессе длительной эксплуатации [8]. Она позволяет управлять выходными параметрами резисторов на стадии роста пленок за счет выбора технологических режимов синтеза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование тонкопленочных резисторов с термо- компенсирующей контактной площадкой /

И.А.Аверин, А.Н.Головяшкин, Р.М.Печерская, П.В.Рябов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. Международной научно-технической

конф. - Пенза, 1998. - С. 98 - 99.

2. Аверин И.А. Получение и исследование свойств пленочных резисторов со стабильными

электрическими характеристиками / Надежность и качество 2001: Тр. Международного симпозиума. -

Пенза, 21 -31 мая 2001.- С.346-348.

3' Палатник Л.С., Сорокин В.К. Основы пленочного полупроводникового материаловедения. - М: Энергия, 1973. - 296 с.

4. Стабилизация электропроводности пленок оксида цинка при термообработке на воздухе / Н.Д.Васильева, В.Н.Корнетов, В.А.Ханин, Д.В.Юров // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Мат. докл. международного научно-технического семинара. - Москва, 1-5 декабря 2003. - С. 194 - 198.

5. Real time spectroellipsometry study of the interaction of hydrogen with ZnO during ZnO la — Si (1 - x)C (x)H interface formation /I.An, Y.Lu, C.R. Wronski, R.W. Collins // Applied Physics Letters, 1994. - Vol/64(24). - P. 3317- 3319.

6. Аверин И.А., Печерская Р.М., Аношкин Ю.В. Определение кинетических параметров роста пленок многокомпонентных систем / Двенадцатой Всероссийской научной конф. студентов-физиков и молодых ученых: Мат. конф. - Новосибирск, 23-29 марта 2006. - С. 258 - 259.

7. Аверин И.А., Печерская Р.М. Чувствительный элемент твёрдотельного преобразователя информации

в тонкоплёночном исполнении / Перспективные технологии в средствах передачи информации: Мат. V

Международной научно-технической конф. - Владимир, 1-4 июля 2003. - С.171.

8. Аверин И.А., Печерская Р.М. Элементы для первичной передачи информации / Перспективные

технологии в средствах передачи информации: Мат. VI Международной научно-технической конф. -

Владимир, 20-22 апреля 2005. - С.135.