38

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического

приборостроения

Физико-химические основы технологии эвс

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

2004

Филатов Б.Г., Шелест Д.К., Воротынцев В.Ю.

Физико-химические основы технологии электронно-вычислительных средств: Лабораторный практикум / СПбГУАП. СПб.,2004. 38 с: ил.

Пособие содержит краткие теоретические сведения и методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу: "Физико-химические основы технологии электронных средств".

Пособие предназначено для студентов инженерных специальностей 200800 и 220500 всех форм обучения

Рецензенты:

кафедра технологии и дизайна Северо-Западного государственного университета

проф., д.т.н. С.В.Богословский

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

Учебное издание

Филатов Борис Георгиевич

Шелест Дмитрий Константинович

Воротынцев Владимир Юрьевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Лабораторный практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО

ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОЙ ПЛЕНКИ

Цель работы: изучение процесса измерения удельного поверхностного

сопротивления резистивных пленок и оценка экспериментальных данных с позиций

проектирования резисторов заданной точности

1.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К РАБОТЕ

Содержание работы: уяснить поставленную задачу, ознакомиться о методами измерений удельного поверхностного сопротивление резистивной пленки, ознакомиться с принципом действия измерительной установки, разработать программу экспериментальной части работы, провести измерение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки на подложке, обработать полученный экспериментальный материал и дать расчет резистора заданного номинала и точности.

1. Основные сведения из теории

Электрофизические свойства тонких пленок существенно отличаются от свойств массивного металла (чем тоньше пленка, тем сильнее отличаются ее свойства). Характер изменения поверхностного сопротивления пленки от ее толщины показан на рис.1.

Рис. 1.

Кривая зависимости поверхностного сопротивления имеет четыре характерных участка. Сверхтонкая пленка (при толщине пленки менее 5-10 нм) не является сплошной, а состоит из отдельных изолированных островков, поэтому свободные электроны не могут перемещаться в пленке, как в объеме металла. Электропроводность ее чрезвычайно мала и неустойчива, так как обусловлена холодной эмиссией электронов в зазорах между островками (туннельной проводимостью). При толщине 10-20 нм, которая называется первой критической толщиной, островки (кристаллиты) имеют толщину в несколько атомных слоев и в некоторых местах соединяются. Пленка становится проводящей, однако на ее проводимость сильно влияет эффект отражения электронов от ее поверхности (границы обрыва кристаллической решетки). Лишь при толщине пленки порядка 80-100 нм (второй критической толщине) ее можно считать гарантированно сплошной, поверхность ее становится гладкой. Влияние отражения электронов от поверхности, а также туннельной проводимости снижается и основное влияние на сопротивление пленки оказывают дефекты структуры (границы между зернами, молекулы поглощенного газа). Для производства ИМ, когда необходима стабильность электрических свойств пленки, важным условием является применение пленки толщиной не менее второй критической, т.е. более 100 нм (пологий участок на рис.1.). При дальнейшем увеличении толщины пленки поверхностное сопротивление приближается к объемному, оставаясь, однако, выше его.

Сопротивление резистора R определяется выражением

(1.1)

где ρ_пл - удельное сопротивление пленки,

l,b,d - соответственно длина, ширина и толщина резистивной пленки.

Ввиду того, что геометрические размеры резистора в плане (длина и ширина) обеспечиваются масками (свободной или контактной), контроль за процессом напыления резисторов требуемого номинала, таким образом, сводится к обеспечению необходимого удельного сопротивления пленки ρ_пл и ее толщины d. Поскольку ρ_пл зависит от условий напыления и толщины пленки, а непосредственное измерение толщины пленки в процессе напыления затруднено, целесообразно измерить комплексную величину ρ_пл/ d, представляющую собой поверхностное сопротивление пленки R₀ (сопротивление квадрата пленки)

. (1.2)

Тогда , где (1.3)

При конструировании пленочного резистора заданного номинала следует учитывать влияние на его точность целого ряда факторов

, (1.4)

где γ_R = ΔR/R - относительная погрешность сопротивления резистора,

γ_Кф - погрешность коэффициента формы,

γ_R0 - погрешность удельного сопротивления резистивной пленки,

γ_Rст - погрешность изменения сопротивления за счет старения пленки,

γ_Rt - температурная погрешность сопротивления,

γ_Rк - погрешность, обусловленная сопротивлением контактных переходов. Основную долю в погрешность сопротивления резистора вносят γ_Кф и γ_R0.

Относительная погрешность коэффициента формы характеризует невоспроизводимость резистора вследствие отклонения реальных значений длины и ширины резистора от расчетных величин, вызванного технологическими погрешностями. При масочном методе изготовления погрешность γ_Кф определяют: точность изготовления маски и степень их износа, экранирование атомарного потока маской (из-за ее конечной толщины) при "косом" напылении, подпыление за границы, определяемые маской, вследствие неплотного прилегания маски и т.п. При использовании фотолитографического метода формирования рисунка погрешность γ_Кф обусловлена исходной точностью изготовления фотошаблона, толщиной фоторезистивного слоя и качеством поверхности подложки, режимом экспонирования и проявления фоторезиста, а также травления резистивной пленки сквозь фогорезистивную маску и т.д.

Погрешность удельного поверхностного сопротивления пленки определяется градиентной и аппаратурной погрешностями [4].

Градиентная погрешность σ(R₀) характеризует разброс значений R₀ на поверхности подложки и обусловлена неравномерностью и нестационарностью во временя диаграммы направленности испарителя, градиентом температуры по поверхности подложки во времени в процессе напыления и термостабилизации пленки, разным временем напыления различных участков подложки, различной степенью чистоты поверхности подложки и т.п.

Аппаратурная погрешность σ(R₀) определяет невоспроизводимость среднего по циклу значения R₀ и обусловлена погрешностью контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры вакуумной установки напыления.

Чтобы иметь достаточно полное представление об удельном поверхностном сопротивлении резистивной пленки, необходимо знать закон распределения f(R₀), математическое ожидание m(R₀), среднеквадратичное отклонение σ(R₀). Величина m(R₀) позволяет производить соответствующую корректировку технологического процесса с целью обеспечения условия

m(R₀) = R_0расч. (1.5)

Часто ограниченные возможности технологического процесса, с точки зрения воспроизводимости удельного сопротивления плени, можно скомпенсировать применением селективного метода, заключающегося в сортировке подложек по значению величины R₀ на некоторое число групп и определении соответствующих размеров резисторов для каждой из групп подложек. Рассортировка подложек на группы производится по измерениям R₀ в центре подложек. Для каждой группы подложек изготавливается свой фотошаблон. Увеличение числа фотошаблонов экономически оправдывается повышением процента выхода годных микросхем.

Величина σ(R₀) характеризует градиентную погрешность удельного поверхностного сопротивления в пределах подложки и накладывает ограничения на точность номинальных значений проектируемых резисторов.