Пленочные резисторы

Структура резистора гибридной микросхемы показана на рис. 4, а (1 – резистивный слой, 2 – подложка, 3 – металлические контакты). В зависимости от требуемого сопротивления резистор может иметь конфигурацию полоски (рис. 4, б), параллельных полосок с металлическими перемычками (рис. 4, в) либо меандра (рис. 4, г).

Тонкопленочные резистивные слои из нихрома толщиной менее 0,1 мкм наносят вакуумным испарением и обеспечивают R_сл до 300 Ом/, ТКС = (0,01 %)/С. Сопротивление слоя до нескольких килоом на квадрат при ТКС ≤ (0,02 %)/С имеют пленки тантала, получаемые катодным распылением. Большим R_сл (до 10 кОм/) обладают тонкие пленки резистивных сплавов, например кремния и хрома в различных процентных соотношениях. Еще больше R_сл (до 50 кОм/) имеют пленки керметов – смесей диэлектрического материала с металлом (например, SiO и Сr), их ТКС порядка – (0,2 %)/С. Технологический разброс сопротивлений тонкопленочных резисторов в разных микросхемах около 5%, а отношение сопротивлений резисторов на одной подложке выдерживается с точностью 0,1 %. Их максимальное сопротивление (до 1 МОм) больше, а ТКС, технологический разброс и паразитная емкость существенно меньше, чем у полупроводниковых резисторов.

Тонкопленочные резисторы применяются не только в гибридных, но и в некоторых полупроводниковых микросхемах, в частности аналоговых диапазона СВЧ на арсениде галлия. Резистивный слой в них наносят непосредственно на поверхность нелегированной подложки.

а)

в)

б) г)

Рис. 4

Конденсаторы и индуктивные элементы

На рис. 5, а показана структура МДП-конденсатора. Одной из обкладок является n⁺-слой 1 толщиной 0,3...1 мкм, другой – слой металла (алюминия) 2, а диэлектриком – слой 3 диоксида кремния. Такой конденсатор применяют в полупроводниковых микросхемах при незначительном усложнении технологического процесса (требуются дополнительные операции литографии и окисления для создания слоя 3). Слой 1 формируется с помощью той же операции легирования, что и эмиттеры биполярных транзисторов или истоки и стоки n-канальных МДП-транзисторов. Топологическая конфигурация конденсатора – квадратная или прямоугольная. Для увеличения удельной емкости толщина d слоя 3 выбирается минимально возможной исходя из условия отсутствия пробоя: d ≥ U_проб/E_проб, где E_проб – электрическая прочность слоя 3, т.е. напряженность электрического поля, при которой начинается пробой (около 600 В/мкм). Поэтому максимальная удельная емкость:

.

Например, при U_проб = 50 В получаем С₀ = 4·10^–4 пФ/мкм².

а) б)

Рис. 5

Формирование пассивных элементов тонкопленочных гибридных микросхем

Наиболее производительно и экономично формирование рисунка пленочных элементов с помощью накладного металлического трафарета. Он представляет собой пластину толщиной 100 мкм из бериллиевой бронзы, покрытую тонким (10...20 мкм) слоем никеля. Методом фотолитографии в нем формируют отверстия с требуемым рисунком, через которые осуществляют сквозное травление бронзы. Минимальный размер отверстий трафарета порядка 100 мкм, точность воспроизведения невысока (около 20 мкм). Трафарет рассчитан на многократное использование (до 100 циклов).

Для получения сложного рисунка резисторов и проводников с высокой точностью воспроизведения размеров (до нескольких микрометров) применяется фотолитография. На подложку последовательно наносят сплошные резистивную и проводящую пленки. С помощью первой фотолитографии и последующего травления проводящего слоя получают проводники соединений и контакты с резистивным подслоем. С помощью второй фотолитографии травят резистивную пленку и формируют рисунок резисторов. Травитель, действующий на резистивный слой, не взаимодействует с проводящим и наоборот. При комбинированном методе наносят сплошную резистивную пленку, а на нее через трафарет – проводники соединений и контактные площадки. Затем с помощью фотолитографии формируют рисунок резисторов. Таким образом, при фотолитографическом и комбинированном методах под проводящим рисунком остается резистивный подслой. Он обеспечивает прочность сцепления проводников и контактов с подложкой.

Если резистивная пленка плохо поддается травлению, то применяют обратную («взрывную») фотолитографию. На подложку наносят пленку легко травящегося металла (Аl Сu и др.) и на нем формируют фоторезистивную маску, соответствующую негативному изображению будущего рисунка резисторов. После травления металла и удаления фоторезиста получают контактную маску, на которую наносят резистивную пленку. После травления материала маски эта пленка отслаивается.

Для получения конденсаторов фотолитография не используется из-за загрязнения диэлектрических пленок травителем и ухудшения их параметров. Так как пленочные конденсаторы большой емкости занимают на подложке большую площадь, то вместо них часто применяют дискретные миниатюрные конденсаторы.

Приведем типичную последовательность получения слоев пассивной части гибридных микросхем: напыление сплошной резистивной пленки, напыление сплошной проводящей пленки, фотолитография по проводящему слою, фотолитография по резистивному слою, последовательное напыление нижних обкладок, диэлектриков и верхних обкладок конденсаторов через трафареты, нанесение защитного слоя через трафарет (открытыми остаются лишь контактные площадки). В зависимости от конструктивных особенностей пассивной части микросхемы может быть и другая последовательность. В случае простого рисунка резисторов и проводников все слои наносятся через трафареты. Если микросхема не содержит пленочных конденсаторов, то процесс значительно упрощается – число наносимых слоев уменьшается в 2 раза.

Материалы, используемые для формирования контактов и соединений, должны иметь высокие удельную проводимость и адгезию к подложке, коррозионную стойкость и обеспечивать возможность сварки или пайки выводов. Всем этим требованиям трудно удовлетворить, используя один металл. Обычно применяют трехслойные системы, состоящие из тонкого подслоя, обеспечивающего адгезию к подложке (хром или нихром толщиной 10...100 нм), основного токонесущего слоя (медь толщиной 400...1000 нм) и защитного покрытия, предохраняющего токонесущий слой от коррозии (золото толщиной 50...60 нм, серебро – 80...100 нм или никель – 80...120 нм). Такие проводники имеют сопротивление слоя 0,02...0,04 Ом/.

Материалы, используемые для получения резисторов и конденсаторов, и параметры соответствующих пленок. Сопротивление резистивных пленок можно контролировать в процессе напыления, измеряя сопротивления тестового элемента. Таким способом удается получить технологический разброс сопротивлений не более 5%. Толщину пленок можно контролировать косвенно, измеряя резонансную частоту кристалла кварца, помещенного рядом с подложкой. Частота изменяется в зависимости от толщины осажденной на кристалл пленки. Электрические параметры элементов после их создания измеряют зондовым методом. В необходимых случаях осуществляют подгонку параметров элементов. Групповая подгонка делается стравливанием или окислением резистивных слоев, после чего их толщина уменьшается, а сопротивление возрастает. При индивидуальной подгонке сопротивлений и емкостей с высокой точностью удаляют часть пленки с помощью лазера. В результате можно воспроизвести сопротивление резистора с точностью до десятых долей процента.