CC BY
47
Оземша М.М.
НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТНОГО УЗЛА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Контактный узел является неотъемлемой составной частью тонкопленочного резистора (ТПР) и от его электрических характеристик - электрического сопротивления, температурного коэффициента и временной нестабильности электрического сопротивления во многом зависят аналогичные характеристики резистора в целом. Кроме того, контактный узел (рис. 1) во многом определяет надежность тонкопленочного резистора, т.к. он представляет соединение различных конструктивных элементов ТПР - тонкопленочных слоев и соединительных проволочных перемычек, приводящих к неравномерному распределению токовой и мощностной нагрузки. Такое аномальное распределение нагрузочных характеристик ведет к ускоренному изменению электрических характеристик отдельных участков контакта, вплоть до появления катастрофического отказа. С учетом имеющейся тенденции к микроминиатюризации элементной базы радиоэлектронной аппаратуры и увеличения при этом удельных нагрузочных характеристик, а также необходимости улучшения собственно электрических характеристик ТПР, дальнейшее изучение контактного узла является актуальной задачей, а ее решение может быть полезным и при создании других микроэлектронных устройств.
Рис. 1. Схематичное изображение контактного узла тонкопленочного резистора. 1 - диэлектрическая
подложка; 2 - резистивный слой; 3 - подслой; 4 - контактный слой; 5 - проволочная перемычка.
К основным нагрузочным электрическим характеристикам ТПР относятся плотность тока и мощность рассеяния. Считается, что допустимый уровень плотности тока, т.е. уровень, когда практически отсутствует электромиграция материала слоя металлизации, составляет порядок (0,1 - 1)-10-6 А/см2 [1, 2], а допустимая мощность рассеивания определяет максимальный нагрев элемента за счет
джоулева тепла, при котором в течении заданного срока службы сохраняются электрические параметры и ее превышение может привести к последующему ускоренному изменению электросопротивления, в предельном случае, полной потере проводимости [3].
Публикации последних лет [2-6] свидетельствуют о значимости проблемы изучения нагрузочной способности узлов микроэлементной компонентной базы, в т.ч. контактного узла ТПР.
Сведения о концентрации тока и резком увеличении мощности рассеяния на узком участке перехода тока из металлизации в резистивный слой приведены в работах [1, 7-11]. К последним работам, где
указывается на отрицательный результат от такого эффекта в ТПР можно отнести работы [2, 12].
Однако опубликованные сведения в большинстве носят характер общего представления о процессах, происходящих в контактном узле в большей степени для одномерной системы, в частности по длине контакта. Не приводятся результаты исследований о распределении тока по объему или хотя бы по толщине контактного и резистивного слоя. Такое же состояние исследований наблюдается относительно распределения мощности рассеяния по участкам контакта. Отсутствуют исследования распределения тока и мощности в приконтактной области резистора.
В связи с необходимостью повышения электрических характеристик ТПР и их надежности и сложностью решения перечисленных задач в общем виде, в данной работе была поставлена цель исследования конструкции конкретного узла ТПР, для которых в настоящее время достигнуты наилучшие результаты временной и температурной стабильности сопротивления не более ±0,001% за 2000 часов и 1-10-6 1/°С соответственно. Эта конструкция характеризуется следующими параметрами: удельное
поверхностное сопротивление резистивного слоя - 500 Ом/Ш; поверхностное сопротивление контактного слоя - 0,05 Ом/Ш; поверхностное сопротивление подслоя 5 Ом/Ш; толщина слоев: резистивного - до
10 0 0 А, подслоя - до 10 0 0 А, контактного - до 2 мкм.
Приведенные в данной работе численные исследования являются продолжением работы [13] и
проводились в соответствии с методикой, изложенной в ней.
Полученные результаты представлены на рис. 2-4. На рис. 2 приведены графики распределения тока 7 по длине перехода из подслоя в резистивный слой в зависимости от длины N контакта (рис. 2а) и распределения тока 7 на конечном участке контактной площадки длинной 0,1 мкм выхода тока из
контакта (рис. 2б). Как видно 82% тока переходит из слоя металлизации в резистивный слой на длине
0,1 мкм, причем 27% его величины приходится на участок в 0,01 мкм.
Длина участка перехода тока со значением указанных величин практически не изменяется при изменении геометрических размеров контакта и его слоев, удельного поверхностного сопротивления подслоя, удельного поверхностного сопротивления резистивного слоя в исследованном диапазоне (100 - 500) Ом/Ш.
Исходные данные:
№ N м 1 п
слоя 1Р 1Р -1Р 1Р Рк
1 С 20 20 - 1
2 С 20 2 - 10
3 С 20 2 4 1000
а)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
- ]
0,33
Исходные данные:
№ N м 1 п Л
слоя 1Р 1Р 1Р 1Р рК
1 20 20 20 - 1
2 20 20 2 - 10
3 20 20 2 28 10000
Х,мкм
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
б)
Рис. 2. Распределение тока 7 по длине перехода N из подслоя в резистивный слой от длины N контакта: а) 1 - N = 0,5 мкм; 2 - N = 1,0 мкм; 3 - N = 1,5 мкм; 4 - N = 2,0 мкм. Здесь: М = 1
мкм; 1 = 0,1 мкм; р
б) N
М
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
I = _ ] I
0,24
0,13 0,1 0,09 0 08 0 08 0,07 0,07 0,07 0,07
0,1 мкм; 1 = 0,1 мкм; р
Исходные данные:
20
№ N м 1 п Pi
слоя 1Р 1Р 1Р 1Р Рк
1 20 20 20 - 1
2 20 20 2 - 10
3 20 20 2 28 10000
2= 2 2 I
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 3. Распределение тока 7 по участкам толщины резистивного слоя в сечении на границе окончания контакта. Здесь: 2 - текущий размер толщины; Z - относительный размер толщины; р = 20
На рис. 3 представлены в виде графика распределение тока 7 по толщине резистивной пленки по границе окончания контакта и выхода тока из него. Из графика видно, что ток неравномерен по толщине резистивного слоя. Можно считать, что для рассматриваемых соотношений удельного поверхностного сопротивления контактного и резистивного слоя, плотность тока достигнет своей максимальной величины в объеме, ограниченном зоной контакта с размерами 0,01 мкм по длине
конечного участка перехода тока из металлизации в резистивный слой, толщиной верхней десятой части резистивного слоя и 0,1 толщины резистивного слоя по длине участка резистора за границей контакта независимо от геометрических размеров контакта. При этом для ТПР с электрическими параметрами, принятыми для расчета, максимальная плотность тока в данном объеме превысит значение, рассчитанное для условия равномерного распределения тока в резистивном слое, более чем в 2,4 раза. Равномерным по толщине резистивного слоя ток становится на расстоянии ориентировачно равном толщине резистивного слоя от границы контакта. Таким образом, "стягивание" тока происходит не только по длине резистивного слоя контакта, но и по его толщине. Этот эффект распространяется и на приконтактный участок резистивного слоя, расширяя тем самым зону с увеличенной плотностью тока, т.е. с неблагоприятными условиями для улучшения стабильности ТПР.
На рис. 4 показано распределение мощности рассеяния по резистивному слою, находящемуся как в пределах контакта, так и в приконтактной области. Графически это распределение повторяет характер распределения тока по объему слоев. Соответственно и выводы можно сделать аналогичные. При этом в неблагоприятной зоне мощность рассеяния превысит расчетные для равномерного распределения мощности рассеяния по толщине слоя практически в 6 раз. В соответствии с выводами, сделанными в работе [13], сопротивление металлизации контакта составляет менее 5% сопротивления контакта и поэтому мощность, выделяемая в металлизации, практически не исказит общую картину распределения мощности рассеяния контакта. Таким образом, в верхней части резистивного слоя по обе стороны от границы контакта создается зона с повышенной возможностью появления электромиграции и повышенного нагрева материала слоев, что способно вызвать не только параметрический, но и катастрофический отказ из-за потери проводимости. Поэтому проектирование ТПР необходимо вести с учетом повышенной и неравномерной по толщине электрической нагрузке, как в контактной, так и в приконтактной области резистивного слоя. Однако это не противоречит тому, что площадь контакта может быть резко снижена без снижения уровня надежности за счет уменьшения длины, что способствует дальнейшему снижению габаритов ТПР. Полученные результаты должны быть немаловажны и при проектировании другой микро- и наноэлектронной элементной базы.
0,1
0,4
2
I 0,7
Р Вт
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Исходные данные:
№ N м 1 р,
слоя 1 Р 7 Р Рк
1 20 20 20 1
2 20 20 2 10
3 20 20 2 28 10000
0,1
0,3 0,5 0,7
0,9
1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1
X
х=
N
Рис. 4. Распределение мощности рассеяния по толщине резистивного слоя (I = 1 А)
ЛИТЕРАТУРА
конструкций
электронной аппаратуре.
- М:
1. Смирнов В.И., Матта Ф.Ю. Теория конструкций контактов Советстое радио, 1974. -174 с.
2. Жуков Г.Ф., Смолин В.К. Учет тепловых и электрических полей при проектировании тонкопленочных резисторов // Петербургский журнал электроники. - 2003. -№ 4. С. 43-4 8.
3. Кайнов С.В., Алексеева Э.А. Исследование условий получения надежного пленочного контакта // Электронная техника. - Сер. 9. Радиокомпоненты. -Вып.5. -1967. -С. 120-124.
4. Жуков Г.Ф., Смолин В.К. Способ определения переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам с электродами. А.с. 15387 03 А1 SU C G01R 27/100. // Бюллетень. № 34 от 10.12.95.
5. Стовповой М.А. Особенности топологического расчета планарных полупроводниковых резисторов // Петербургский журнал электроники. - 2001. -№ 1. С. 52-53.
6. Спирин В.Г. Оценка влияния сопротивления электродов на погрешность тонкопленочного резистора // Вестник МВВО. -Сер. Высокие технологии в радиоэлектронике, информатике, связи. -Вып.1 (9). -2003. -С. 11-14.
7. Кресин О.М., Харинский А.Л. Математический анализ тонкопленочного контакта. // Вопросы
радиоэлектроники - Сер. Детали и компоненты аппаратуры. -Вып. 5. -1964. -С.15-21.
8. Ермолаев Ю.П., Каримова Ф.Г. Исследование переходных контактов между проводящими и
резистивными пленками // Обмен опытом в радиоэлектронной промышленности. -19 65. - №4. -С.15-17.
9. Кресин О.М., Рогинский И.М., Харинский А.Л. Экспериментальное исследование пленочного
//
контакта (на моделях). // Электронная техника.
100.
10. Харинский А.Л. Основы конструирования отделение: Энергия, -1971. -263с. (С.367-373).
11. Ермолаев Ю.П. Переходное сопротивление фигурных контактов между проводящими и резистивными пленками // Известия вузов. - Сер. Радиотехника. -1966. -Т.9, №4. -С.553-557.
Сер. 6. Микроэлектроника. -Вып. 5. -элементов радиоаппаратуры
1967. -С.9 6-Ленинградское
12. Заявка №272772 МКИ Н01С, Польша, Изобретения стран мира, -№3, -1992.
13. Лугин А.Н., Оземша М.М. Моделирование контакта тонкопленочного резистора // Труды
международного симпозиума "Надежность и качество'2005" -Пенза. - 2005. -С.289-293.
14. Сигорский В.П. Анализ электронных схем. -Киев, Государственное издательство технической
литературы УССР, 1964. -199 С.
15. Амосов А.А, Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. -М: Высшая школа, 1994. -544 С.
