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镍铬薄膜电阻的制备和热处理分析 镍铬薄膜电 严琴冯勇建程翔● Researchamp;Development 嘲制备徽 处理分析 摘要:在采用磁控溅射方法制作用于集成电路的镍铬薄膜电阻过程中,发现在对薄膜热处理时薄膜的 电阻特性发生了有规律的变化,这种变化不是单纯的线形增大或减小.针对这种现象,我们经过分析认 为,由于金属薄膜的电阻率不同于块金属的电阻率,已不是定值,它与金属膜厚有着一定的关系,而热 处理所产生的凝聚效应,氧化效应和稳态效应对不同厚度的薄膜电阻率的影响程度是不一样的,因此电 阻经处理后的变化值最终表现出不同的变化趋势.这一现象的发现对我们今后在集成电路镍铬合金薄膜 电阻的设计优化方面具有较高的参考意义. 关键字:热处理;薄膜电阻;合金薄膜;溅射 中图分类号:0472.2文献标识码:A文章编号:1006-883X(2007)09-0017一O4 一 ,引言 在集成电路中,偏置网络,反馈控制,分压器,负载端接器和平衡应用等均需使用电阻器.考虑~lJIC 制造工艺,在集成电路中均采用薄膜层结构的形式来制备电阻器,因为将电阻等无源器件和有源器件集成在 同一衬底上不仅可以减小系统体积,提高稳定性,减小寄生效应,而且降低了混合集成封装的成本.与其它 金属或合金材料相比,NiCr薄膜电阻是比较早出现的薄膜电阻器,由于其具有性能稳定,阻值精度高,电阻 率高,阻值范围宽,电阻温度系数小,粘附型好,制备容易等优点,因而得到了广泛应用.本组实验中,镍 铬薄膜电阻主要应用在InP光接收芯片的单片集成电路中,与电阻接触的衬底有二氧化硅和InP. 二,薄膜导体的电阻率 如图1所示,平行于薄膜表面的方块 形状NiCr电阻,其阻值可表示为: R=pL/dW(1) 其中,JD一薄膜材料的电阻率; 薄膜厚度; 三一薄膜长度; 一 薄膜宽度. 如果L=W,则式(1)变成R=p/d=R(2) 因此,薄膜的一个方块的阻值与方块的大小尺寸无关,仅依赖于薄膜的电阻率p和厚度d.通常,薄膜 的一个方块的阻值R称为方块电阻,单位为D./n 由金属材料电阻率和薄膜厚度可以计算出膜层的方电阻船值.但是,在下面二种情况下是否也能直接引 用式(2)呢?首先,如果块金属的厚度d薄到与自由电子平均自由程0相近时;其次,如果薄膜不是块 金属的同类薄膜,而是通过不同的淀积工艺(如蒸发, 射等)制作的薄膜,材料的电阻率p值是否有所不同?【】 溅表2不同厚度下的电阻率 按桑得(Sondheimer)理论,当厚度d小于金属电子的 平均自由程时pgt;p0o为块金属电阻率).镍铬薄膜厚度一 般在几百埃以内,达到金属的电子平均自由程的量级,P与 P.已有一定的差别,而且这种差别取决与膜层厚度d,也 就是说,薄膜电阻率与薄膜厚度是密切相关的. 另外,薄膜电阻率还与成膜过程中的各种物理,化学 过程所引起的表面状态,晶格结构等变化有着密切关系, 因此如果笼统地利用P为定值来归纳方块电阻与薄膜电阻 膜厚的关系是不正确的.这就解答了上两个问题,因此, 才有下面热处理对薄膜电阻率的影响的讨论. 三,镍铬薄膜电阻的制备 在器件制备过程中,需要进行多次光刻,每次光刻都 需要一块具有特定几何图形的光刻掩模版(俗称光刻版). 图2为NiCr薄膜电阻版图,方块尺寸为50×50.电阻线宽 有三种,5pm,10l~m和15gm,板上有10×6个重复单元. 为满足本组实验(InP光接收芯片的单片集成电路)的 要求,考虑到工艺和集成难度,我们选用镍铬薄膜厚度d=30 nm,线宽W=10gm. r1)尺寸设计 本实验欲制备阻值为2kO的镍铬薄膜电阻(镍:铬 =80:20),膜厚为d=30nm,线宽W=lOgm 表1实验数据【1(单位:Q/口) 膜厚温度(.c) A室温21O230250270300330360390430 60305670726787816873X ≮282328373.x 2009596969798100103107lI2lI8 60_39049505049484746434440 注:一阻值离散 根据式(2)=×,可以得出在室温下的电阻率, 如表2所示.在膜厚为30nm时,为1.90~10一(Q.m),有: L=RWd/p=0.315789~10.in (2)制备 选用SiO2作为衬底,是因为在大部分的电极制作中,都 是以SiO2作为衬底,这样在集成时便于处理,同时sio2的存 在将有利于金属的剥离,并且它可以起到降低暗电流和起 0 到增透膜的作用.该试验SiO2层厚度为5000A. 因为考虑到两种工艺一剥离和湿法腐蚀,我们选用Sio2 作为衬底,在玻璃上溅射镍铬,采用湿法腐蚀的工艺.制 备工艺流程图,如图3所示.图4为NiCr薄膜电阻图形,从 左至右线宽分别为15gm,10