薄膜电阻材料

1991焦 计 算 机 杂 志 第19卷第4期 薄 膜 电 阻 材 料 昊 夫 鼙 摘 要 本文介绍了薄膜电阻材料的主要电参 数 电阻率p，薄层电阻 Rs和电阻温度系数TCR。介绍 了常见的钽系、钛系、铬系、金属硅化物系和透明导电膜等三十多种薄膜电阻材料的主要物理、化学 性质和薄膜淀积 一 、 引 2)电阻值精确高， 薄膜电 阻的相对误差 言 可做到6 以内，相对误差比厚膜电阻低几倍， 比半导体扩散电阻低一个数量级。 随着微电子摘术的飞跃发展，对薄膜，厚 膜混台集成电路，半导体集成电路的功能、集 成度、精度、可靠性和使用寿命等，都提出了 越来越高的要求。薄膜混合集成电路的价格高， 但它的无源器件参数精度高，温度系数小，噪 声系数低，高频特性好，可靠性高。在薄膜混 合集成电路的制造工艺中，淀积薄膜电阻材料． 是薄膜混合集成技术重要的环节 一．薄膜 电 阻材料的用途也在不断开拓扩大。例如，在半 导律集成电路中，常采用半导体扩散电阻，它 能满足一般集成电路的要求。但是，在一些特 殊电路中，例如抗辐射电路，所有半导体电阻 在一定辐射环境下，电阻特性消失 都变为导 体．面薄膜电阻具有抗辐射特性，这种情况下， 电路中的电阻必须采用薄膜电阻．在低功耗电 路中，需要采用高阻值电阻，薄膜技术能提供 高电阻率、低温度系数的薄膜电阻器。在高频 电路和某些 高精度 模拟集 成电路中，例如 10 位以上 D-A，A-D转换器， 也多采 用薄膜电 阻． 薄膜电阻具有以下几个特点； 1)可调节的阻值范围宽广，小剜几欧姆， 大到数兆欧姆的电阻都能用薄膜电阻实现．利 用现代光刻技术，改变电阻线条的长宽比，可 以做出阻值范围很宽的任何阻值电阻。 3)电阻温度系数小，比 扩散电 阻低几个 数量级，也优于厚膜电阻。 4)制备高阻值电阻时，可 占有较小的芯片 面积。 6)寄生效应小． 选择合适的薄噗电阻材料，完善电阻器的 薄膜淀积工艺，是薄膜混合集成电路中最关键 技术，本文介绍常用的薄膜电阻材料。 二、薄膜电阻材料的主要电参数 1，电阻率P和薄层电阻Rs 导电金属材料的电阻率 P可由欧姆定律给 出。当金属上施加电场产生电流时，电流密度 ，正比于电场强度F，其比例常数 。即为电导 率 ： ，= 点 (1) 电阻率 P和电导率。互为倒数关系，即 1 P 寺 (2) 电阻率P为导电材料的固有属性 根据固 体物理理论，它由下式给出： 收到本文时间·1990年 l口月 15日 维普资讯 http://www.cqvip.com · 60 · p = (3) (3) 这里： ——单位体积内传导电子的数目，它 由费米能级处的状态 密度 Ⅳ(0) 给出： m ———传导电子的有效质量； ，一 金属电子的费米速度，可由方程 式 E，=音 ；求得； — — 传导电子的平均自由程． 金属薄膜材料， 即几 千埃 以下 的金属薄 膜 ，其物理性质和电学特性与块状金属有很大 差异．侧如，金属薄膜 的电阻率p，比块状金 属的电阻率P大得多，而且随薄膜 的厚 度 和 薄膜淀积工艺不同而异。因此 金属薄膜材料 的电阻率不是一常数 ，而是变量．设薄膜厚度 为 d，剐薄膜 的电阻率 p，可 由下 述经验 表示 ： p，=p(1+}-3 ) (4) 薄膜材料异常的电性能，是 由于其结构缺 陷及气柜分子突然凝聚成固相所产生的热力学 不稳定性造成的．在薄膜工艺和薄膜电阻器的 中，与其 用薄膜电 阻率 ， 倒不如用薄 层电阻 来表示薄膜的固有电阻 特 性 方 便． 所谓薄层电阻，就是长宽尺寸相等的薄膜材料， 在长度方向或宽度方向上的电阻值，它取决于 材辩的电阻率 p，和厚 度 d， 而与面积的大小 无关． Rj=号 (6) 薄膜电阻材料的薄层电阻常用四插针仪测 出 如果 巳知材料 的薄层电阻 风 ，则听需电 阻的几何尺寸，即长度和宽度之比可用所需电 ， 阻阻 值 求 得， R R ．L、 分踟为 电阻的长度和宽度．反之，根据工艺上可加工 的最小线宽，最大长蓖比秘巳知的薄层电阻值， 可以求得可能制作的电阻器最大电阻值．在设 计薄膜电阻器时十分有甩． 2．电阻温度系数TCR 电阻温度系数 TCR是薄膜电阻材 料的重 要参数，它由下式给出 TCR=吉·劳 (6) 很薄的电阻膜，TCR常 常是 负值；很厚 的电阻膜．TCR为正值．一 些薄膜 电阻材料 的实验结果表明，薄层电阻 R =40--60Q／N 的薄膜，电阻温度系数几乎等于零。在设计薄 膜电阻器时，力习勺将薄膜厚度选择在 R =4O～ 60~／N范围内， 以获得 TCR=0的电阻器， 保证电阻器在使用过程中电阻值稳定。 电阻温度系数 TCR按下式进行测量； = 击 ．等 (7) 这里： 。——2o℃ 时被测电阻的电阻值： △ ——温度循 环试 验 时，一65x3 + 1聃℃的电阻值变化； △ —— 一66℃～ +165℃的温度差． 三、主要薄膜 电阻材料 1．‘钽系材料 钽是一种高熔点(2996~C)稀有金羼 化学 性质非常稳定，体电阻率为15gOcm，常用电 子束蒸发和溅射法获得金属薄膜．用盒属钽制 作薄膜电阻器，似缣电阻率太低．作为薄膜电 阻材料，常采用它的化合物氯化钽．氮化钽薄 膜用反应溅射法翩备，薄膜的性质随溅射装置 而异 即使同一装置，对淀积参数、气氛的清 洁度等也很灵感。在二极溅射装置中，安装一 网眼状 电极接负偏压，进行偏压溅射，可以获 得高稳定性氮化钽薄膜。经过退火处理 ， C 可控制到 ±25ppm℃一， 电 阻 率为 10o～5oo cm．图 1和圈 2分别表 示不伺 氮气浓度和 偏压溅射的氮化钽 薄膜的电阻率和 C 的变 化曲线． ，， 在许多翥精度高阻值电阻阏络和薄膜混合 维普资讯 http://www.cqvip.com f^z浓霞{混 呲 图 l 麟射偏压和 N 浓度对 电阻塞的影响 蒌一 一 一 一 图 2 谶射偏压和 N 浓度对 TCR的影响 电路中，氮化钽薄膜的电阻率仍嫌较低．为了 提高薄膜的电阻 率，最近开发了 Ta—AI—N和 Ta-Si-o 三元 系 化台物 钽系薄膜电阻材料。 在 Ar-．-Nz混合气氛中、 溅射 Ta-A1台金靶， 可以获得龟阻率很高、TCR较小的薄膜。 囊 l Ta-AI-N薄膜成分和特性 靶材成份 含 N，比率 Pt(u0em) TCR(ppm℃) 63 Ta <48％ 20O～ 800 —90 f 3 AI <52 2GOO —l0O～ 一l000 1O一： I3cm的薄膜电阻材料 作为材料科学领域 2000 年实现的主要课题之一。 目前所研究的薄膜电阻材料，多集中在元 素周期表 ⅣB～ ⅥB过渡金属的台金，它们的 氮化物、氧化物和硅化物，它们的碳化物和硼 化物也是非常有前途的薄膜电阻材料。这些材 料除了有较高的电阻 率和较低的TCR外，还 髂 具有较高的熔点和硬度，有很好的耐磨性和化 学稳定性。随着对它 J物理、化学、电学和机 械性能的研究 它们在薄膜电阻器、电阻网络 薄膜集成电路方面的应用将越来越广泛。 参 考 文 慧 [1]今圊英一郎等一霄子材料，第 23卷，第 2 号，1 984，PP．81～84(日文)． [2]E． Schippe1．Thin Solid Films，1 46 (1987'133～13日． [3]S．R．Kurtz et a1．，圊上，14O(1q8B)?77 ～ 29O． [4]J．E．Sund~ren，同上，1 28(1985)21~44． [5]S．Schiller et a1．，同上 ，111(1984)2'59 ～ 26'8． [6]G．Sobe et a1．，同上，1 28(1 985)149--- 159． [7]E．Schabowsk~，同上，135(1 988)lI9～ 15B． [8】K．Hieber，同上，140(1986)191～1 35． [9]K．N．Tu，同上，140(1 986)71~78． [103 s．Takata el：a1．，同上，195(1 988)L ～ 1B7． [113 A．J．Perry。同上，157(1988)255—265． 维普资讯 http://www.cqvip.com