CC BY
65
Лугин А.Н., Оземша М.М. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНТАКТА
Повышение надежности тонкопленочного контакта уже более сорока лет остается актуальной задачей при проектировании тонкопленочных резисторов и схем на их основе. [1-5] При этом основное внимание
уделяется двум задачам - снижению плотности тока и снижению мощности рассеяния в слоях контакта.
Увеличение плотности тока и мощности рассеяния из-за Джоулева тепла приводит к электромиграции и электродиффузии и возможному катастрофическому отказу - "перегоранию" резистора. С повышением электрических характеристик резисторов и, прежде всего снижения допускаемого отклонения сопротивления и значения ТКС, указанные факторы начали выступать также в роли дестабилизирующих.
Тенденция к дальнейшей миниатюризации аппаратуры нашла свое отражение в требованиях снижения габаритов и изделий, выполненных с применением тонкопленочной технологии, а, следовательно, к уменьшению размеров их контактов и дальнейшему увеличению плотности тока и мощности рассеяния в контакте. Поэтому актуальность изучения процессов, характеризующих рабочее состояние контакта, методов анализа контакта и выработки способов оптимального проектирования возросла еще в большей степени.
Как показано в последних работах [6], при совершенствовании контакта тонкопленочного резистора имеет смысл рассматривать те участки контакта, в которых удельная мощность рассеяния превышает удельную мощность рассеяния резистора. К таким участкам относится наноразмерная приграничная зона контакт - резистивный элемент, в котором удельная мощность рассеяния многократно превышает расчетную удельную мощность резистора.
Для снижения мощности рассеивания наиболее эффективным способом считают применение так называемых "гантельных" резисторов, когда приграничная к контакту часть резистора имеет расширение [7 - 9]. Но в этом случае увеличиваются и габариты резистора.
Авторы [4 ] предлагают увеличивать толщину резистивного слоя под металлизацией контакта. Однако расчет по методике изложенной в [6] показывает, что в данной конструкции мощность рассеяния за счет дополнительного участка прохождения тока (утолщение резистивного слоя под металлизацией) только увеличивается.
В работе [3] предлагается применить 4-х выводное включение резистора, но в этом случае исключается только параметрический отказ. Возможные причины отказа из-за "перегорания" резистора не устраняются.
В [10] предлагается введение барьерного слоя между металлизацией и резистивным слоем. Но это не устраняет катастрофический отказ от перегорания или параметрический отказ от воздействия повышенной температуры от Джоулева тепла.
Анализ проделанных в [6] исследований показал, что реально снизить плотность тока и мощность рассеяния в приграничной зоне без увеличения габаритных размеров контакта можно, снизив удельное сопротивление материала резистивного слоя. Но этот прием имеет два недостатка. Во-первых, увеличивается длина резистивной линии, и, соответственно, габариты резистора. Во-вторых, не всегда имеются резистивные материалы с заданным удельным сопротивлением и требуемыми электрическими характеристиками по временной и температурной стабильности.
Для поиска приемлемого решения авторами данной работы были проведены следующие исследования. С учетом того, что уже есть резистивные материалы, характеризующиеся определенными высокими электрическими характеристиками в некотором диапазоне удельных поверхностных сопротивлений, на основе методики [6] были получены данные зависимости мощности рассеяния в контакте от толщины резистивной пленки. В результате, было установлено, что с увеличением толщины резистивного слоя при одном и том же объемном удельном сопротивлении (т.е. по сути, с уменьшением удельного поверхностного сопротивления) уменьшается как суммарная по толщине мощность рассеяния (рис. 1), так и мощность рассеяния в верхнем слое пленки (рис.2). При этом снижение мощности происходит по гиперболическому закону, т.е. в основном мощность снижается при увеличении толщины пленки до некоторого значения, после которого эффект снижения резко уменьшается. Этот факт позволил предложить конструкцию (рис. 3г) и технологию тонкопленочного резистора, в котором без увеличения габаритных размеров достигается снижение мощности рассеяния в приграничной с резистором зоне контакта.
Рис. 1. График зависимости суммарной (по толщине) мощности рассеяния от толщины резистивного слоя
Рис.2. График зависимости мощности рассеяния в верхнем слое резистивной пленки от толщины резистивного слоя (толщина верхнего слоя в расчетах не зависит от толщины резистивного слоя и равна 0,1 от ее минимального значения)
Уу/’/’/'У/Лх
^ _2/
а) б)
х
2
Исходные данные:
№ X 1 Р У УР \р Рг Рк
1 200 2 20 1
2 200 2 20 10000
3 100 2 20 10000
4 200 2 20 10000
5 100 2 20 10000
Рис. 3. Схематичное изображение конструкции тонкопленочного контакта:
а) сечение тонкопленочного контакта, нашедшего наибольшее применение;
б) сечение тонкопленочного контакта, представленного в работе [4];
в) сечение предлагаемого тонкопленочного контакта;
г) объемное изображение предлагаемой конструкции тонкопленочного контакта и части резистивного элемента:
Здесь: 1 - металлизация; 2 - резистивный слой (резистивная пленка) под металлизацией; 3 -
основная часть резистора (резистивного элемента); 4 - утолщение резистивного слоя под металлизацией; 5 - ступенчатое утолщение резистивного слоя; А - точка присоединения соединительного проводника и входа тока I в контакт; Ы, М, 1к, 1, т, п, п/, 1С - линейные размеры участков тонкопленочного контакта и резистивного элемента; X, У, 2 - оси координат.
Отличительной особенностью резистора является увеличение толщины резистивного слоя под контактом и в приграничной к контакту зоне резистора на длину не менее тройной толщины резистивного слоя (образование ступеньки). Положительный эффект при применении резистора такой конструкции подтверждается результатами расчета, графически представленными на рис. 4 (а - е) для конструкций рис. 3 (а, б, в)
соответственно.
1
3
Р, мВт
150
100
1
X, мкм
0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
(М) (М+л)
а) г)
Р мВт
М)
(М+л)
б) д)
Р, мВт
(М
(М+л7)
(М+л)
Р, мВт
в) е)
Рис. 4. Распределение суммарной мощности рассеяния Ри в резистивном слое по длине (Ы+п) резистивного слоя (а, б, в) и распределения мощности Р по толщине и длине резистивного слоя (г, д, е) при
исходных данных при исходных данных и согласно рис. 3 (г) и конструкций рис. 3 (а, б, в) соответ-
ственно и входном токе 1=1 мА, удельном поверхностном сопротивлении резистивного слоя = 500 Ом/Ш, р = 2 0
На рис. 5 (а, б, в) приведены результаты расчета токов для тех же конструкций рис. 3 (а, б, в),
которые также свидетельствуют и о снижении пикового значения тока.
200
50
0
0
0
Рис. 5. Расчетные (относительные) значения проходящего по резистивной пленке тока по толщине 1 длине (Ы+п) резистивного слоя: а, б, в - для конструкций контакта рис. 3 (а, б, в) соответственно.
Исходные данные согласно рис. 4.
Для реализации предложенной конструкции резистора можно использовать "сухое" травление резистивного слоя, т.е. ионное травление на заданную глубину. При этом достигается применение одного и того же материала для всего резистивного слоя как под контактом и в приграничной зоне контакта, так и в основном резистивном элементе.
Таким образом, утолщение резистивного слоя под контактом и в приграничной к контакту зоне резистивного элемента позволяет снизить пиковые значения тока и мощности рассеяния и повысить тем самым устойчивость резистора к параметрическим и катастрофическим отказам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кайнов С.В., Алексеева Э.А. Исследование условий получения надежного пленочного контакта // Электронная техника. - Сер. 9. Радиокомпоненты. - 19 67. - Вып.5. -С. 120-124.
2. Кресин О.М., Харинский А.Л. Математический анализ тонкопленочного контакта // Вопросы радиоэлектроники - Сер. Детали и компоненты аппаратуры. -19 64. -Вып. 5. - С. 15-21.
3. Патент Польши (РЬ) 155937. Заявка № 272772. Пленочный резистор. - Изобретения стран мира, № 3. - 1992г. - С. 4.
4. А.с. № 809411. М.Кл.3 Н01 С 7/06. Белеков А.С., Головин В.И., Смирнов А.Б., Юсипов Н.Ю. Тонкопленочный резистор. Бюл. № 8 от 28.02.1981г., заявлено 02.03.1979г.
5. Гильмутдинов А.Х., Ермалаев Ю.П. Модели оценки сопротивления пленочных контактов и резисторов с распределенными параметрами. -ЗАО"Новое знание". -Казань. -2005 г. -7 6 С.
6. Лугин А.Н., Оземша М.М. Моделирование контакта тонкопленочного резистора. Труды международного симпозиума "Надежность и качество". - 2005г. - Пенза. - С. 289-293.
7. Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Д., Крюков Ю.Г. Конструкции и технология микросхем (ГИС БГИС) // Советское радио. - 1980. - С. 254.
8. Спирин В.Г. Выбор конструкций тонкопленочных резисторов для микросборок высокой интеграции // Электронная промышленность. - № 1. - 2005 г. - С. 55-59.
9. Патент США № 3629782. Тонкопленочный резистор. Кл. 338-308, 1971г.
10. Патент США № 3649945 от 14.03.1972г. Тонкопленочный резистор.
