- 15-

Министерство Образования Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Арзамасский филиал

Расчет геометрии тонкопленочных резисторов

методические указания

к практическим занятиям

по дисциплине "Проектирование ИС"

для студентов специальности 200800

(дневная и вечерняя форма обучения)

г. Арзамас

2005 г.

1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Тонкопленочные резисторы (ТР) являются наиболее распространенными элементами гибридных интегральных схем и микросборок. Они изготавливаются напылением тонких узких полосок различной конфигурации (рис. 1) из соответствующего резистивного материала (табл.1).

Таблица 1

Электрические свойства и состав тонкопленочных резисторов толщиной 30-З00 нм

Марка сплава	Удельное сопротивление, Ом/□	ТКС*104, град-1 (не более)	Допустимая удельная мощность рассеяния, Вт/см2	Уход номинала сопротивления, % (не более)	Состав сплава
					Cr	Ni
РС-4800	100-1000	2	5	1	48
РС-3710	50-3000	1	5	0,5	10	37
РС-3001	80-3000	1	5	0,5	30
РС-1004	(3-50)•103	15	5	2		10
РС-1714	300-500	2	5	1	17
РС-4400	1000-5000	3	10		44
РС-4206	1000	0,5	2	0,5	42	6
РС-5402	50-100	0,5	2	1	54
РС-5406К	10-500	0,5	2	1	54
РС-5406Н	50-500	0,3	2	1-0,04	54	6
РС-2005	(8-50)•104	12,0	5	2
РС-2310	(1-8)•104	12,0	5	2
РС-5006	(3-20)•103	0,5	5	2

Примечания: 1. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) дается в интервале температур от -60 до +120^○С.

2. Уход номинала указывается после 1000ч работы при мощности рассеяния 1 Вт/см² и температуре 85^○С.

3. После термической обработки на воздухе при 500^○С в течение 1ч пленки, полученные ионно-плазменным распылением, имеют ТКС ≈ 2•10^-5 град^-1, и уход номиналов на них составляет 0,04%.

Выбор конфигурации ТР предопределяется его сопротивлением и рассеиваемой мощностью, требованиями к точности и стабильности (временной и температурной), предельной рабочей частотой, технологичностью и некоторыми другими факторами, зависящими от условий эксплуатации. Если при конструировании ТР не предъявляются особые требования, то их конфигурацию следует выбирать с прямолинейными очертаниями, так как такие ТР более технологичны, имеют лучшие высокочастотные свойства и электрическое поле в них более однородно. В связи с этим отсутствуют (или сведены к минимуму) локальные электрические перегрузки, которые могут привести к потере работоспособности (отказу) ТР. Поэтому наибольшее распространение получили конфигурации ТР в виде прямоугольной полоски (низкоомные резисторы) (рис. 1, а) и регулярного меандра (высокоомные) (рис. 1, б).

Для микросхем с повышенной мощностью рассеяния применяются ТР с расщепленной структурой: низкоомные (рис. 1, в) и высокоомные (рис. 1, г), а для прецизионных резисторов - конструкции гребенчатого типа (рис. 1, д), обеспечивающие подгонку сопротивлений до заданного номинала с высокой точностью.

а) б)

в) г) д)

Рис. 1. Тонкопленочные резисторы: а - прямоугольная полоска; б - регулярный меандр; в - низкоомные ТР с повышенной мощность рассеяния; г - высокоомные резисторы с повышенной мощностью рассеяния; д - прецизионные резисторы (с секциями подгонки).

При изготовлении ТР любой конфигурации необходимо обеспечить перекрытие резистивной пленки и контактной площадки, с помощью которой данный резистор соединяется с другими элементами МСБ в соответствии с принципиальной схемой устройства. Величина перекрытия определяется технологией изготовления ТР: при масочном методе она должна быть не менее 200 мкм, при фотолитографии – не менее 100 мкм.

Сопротивление прямоугольного пленочного резистора

, (1.1)

где – удельное объемное сопротивление материала пленки, Ом·см;

ℓ, b, h –длина, ширина и толщина резистивной пленки соответственно, см.

Формула (1.1) справедлива при постоянной плотности тока, равномерно распределенной по сечению резистивного слоя.

При расчете топологии ТР удобно пользоваться параметром, представляющим удельное сопротивление, отнесенное к толщине пленки:

(1.2)

Тогда

, (1.3)

где n – коэффициент формы ТР.

Коэффициент формы показывает, сколько квадратов с шириной b размещается по длине ℓ резистивной полоски; параметр ρ_S обычно приводится в справочных данных на резистивный материал (табл. 1).

Из (1.3) следует, что коэффициент формы определяется заданным сопротивлением ТР и удельным сопротивлением ρ_S резистивного материала:

(1.4)

Для низкоомных резисторов, изготавливаемых в виде прямоугольной полоски, коэффициент формы n = 0,3 – 10. Конструкции с n < 0,3 и n > 10 нетехнологичны, а если n > 10, то целесообразно выбирать конфигурацию ТР в виде регулярного меандра.

Топологический расчет тонкопленочного резистора сводятся к определению его геометрических размеров: ширины b и длины ℓ. Толщина h пленки зависит от условий получения стабильных параметров ТР.

Для определения геометрических параметров ТР используются следующие исходные данные:

R – номинальное сопротивление ТР, Ом;

–допуск на сопротивление, в %;

ρ_S – сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/□ (определяется выбором материала);

γ_□ – относительная погрешность квадрата резистивной пленки, %;

Р – мощность, рассеиваемая резистором, Вт;

Р_о, – максимально допустимая удельная мощность рассеяния резистивной пленки, Вт/см²;

∆b, ∆ℓ – погрешности линейных размеров ТР, определяемые методом формирования их конфигурации, см. При использовании масочного метода ∆ℓ = ∆b = (20 - 40) мкм, при использовании фотолитографии ∆ℓ = ∆b = (10 - 20) мкм.

Необходимость минимизации геометрических размеров ТР вызвана микроминиатюризацией радиоэлектронных устройств. Минимальные размеры ТР определяются тремя факторами: заданным допуском на сопротивление _доп, рассеиваемой мощностью Р и технологическими ограничениями метода создания конфигурации ТР.

В соответствии с теорией вероятностей относительная суммарная погрешность сопротивления резистивной полоски определяется как

, (1.5)

где – относительная погрешность квадрата резистивной пленки;

γ_n – относительная погрешность коэффициента формы.

Величина γ_n определяется по формуле

, (1.6)

где γ_ℓ - относительная погрешность длины пленочного резистора,

γ_b - относительная погрешность ширины пленочного резистора.

С учетом погрешности , вносимой сопротивлением контактного перехода резистораR_к, суммарная погрешность тонкопленочного резистора находится по формуле

(1.7)

В свою очередь, погрешность сопротивления контактного перехода зависит от условий формирования контактного перехода «резистивная пленка - проводящая пленка», обычно составляет 1-3% и определяется как

(1.8)

Так как

, (1.9)

где ρ_к – удельное переходное сопротивление, Ом∙см², то можно представить как

(1.10)

Величина ρ_к определяется экспериментально для каждой вакуумной установки. Для многопозиционных установок ρ_к = (0,05 - 0,25) ∙10^-2 Ом∙см².

ДО СИХ ПОР