Влияние толщины металлических пленок на удельное поверхностное сопротивление и его температурный коэффициент

При производстве интегральных схем металлические пленки используются для межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов, индуктивных, магнитных и резистивных элементов.

Структура пленок в зависимости от условий конденсации может изменяться от аморфного конденсата до эпитаксиальных пленок – структур совершенного монокристаллического слоя. Кроме этого, свойства металлических пленок связаны с размерными эффектами. Так их вклад электропроводность существенен, если толщина пленки соизмерима с l _ср.

На рисунке 11 представлены типичные зависимости поверхностного сопротивления тонких пленок r _s и его температурного коэффициента a_{r s} от толщины пленки. Поскольку взаимосвязь конструктивных (длины l, ширины b, толщины h пленки) и технологических (r_) параметров тонкопленочного резистора (ТПР) устанавливается уравнением:

где – сопротивление квадрата (или удельное поверхностное сопротивление), то примем традиционные обозначения r_„ вместо r _s и a_r— вместо a_{r s}.

Рост металлических пленок сопровождается четырьмя стадиями [6]:

I – образование и рост островков металла (механизмы, ответственные за перенос заряда – термоэлектронная эмиссия и туннелирование электронов, расположенных выше уровня Ферми. Поверхностное сопротивление участков подложки, где нет металлической пленки, с ростом температуры падает, что обуславливает отрицательный a_r— пленок малой толщины);

II – касание островков между собой (момент смены знака у a_r— зависит от рода металла, условий формирования пленки, концентрации примесей, состояния поверхности подложки);

III – образование проводящей сетки, когда уменьшаются размеры и число промежутков между островками;

IV – формирование сплошной проводящей пленки, когда проводимость и a_r— приближаются к значению массивных проводников, но все-таки удельное сопротивление пленки больше, чем у объемного образца, из-за высокой концентрации дефектов, примесей, захваченных в пленку при осаждении. Поэтому пленки, окисленные по границам зерен, являются электрически прерывными, хотя физически они сплошные. Вносит вклад в рост r_— и размерный эффект из-за снижения длины свободного пробега электронов при отражении их от поверхности образца.

При изготовлении тонкопленочных резисторов применяется три группы материалов: металлы, сплавы металлов, керметы [4, 5].