Управление параметрами резистивных структур посредством отжига

Аверин И.А., Печерская Р.М. УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР ПОСРЕДСТВОМ ОТЖИГА

Приведена физико-математическая модель управления выходными параметрами резистивных структур за счет условий конденсации и отжига. Показано, что отжиг в воздушной среде приводит рекристаллизации структуры материала пленок и отжигу дефектов, обеспечивающие стабилизацию выходных параметров резистивных структур.

Дефекты кристаллической решетки, обусловливают квазиравновесное состояние пленки, поэтому термообработка, с одной стороны, приводит к отжигу дефектов и рекристаллизации структуры материала, что обеспечивает уменьшение сопротивления пленок, а с другой стороны, вызывает окисление компонентов пленки, приводящее к росту их сопротивления. Экспериментальные данные изменения сопротивления резистивных структур на основе хромоникелевых соединений в процессе эксплуатации показывают, что одновременно протекают оба процесса. Это подтверждается тем, что сразу после отжига, проводимого в воздушной среде при температурах от 350 до 550 К, сопротивление структур возрастает, а затем в процессе эксплуатации изменяется значительно слабее по сравнению с пленочными резисторами, которые не подвергались термообработке [1]. Как указано в [2], окисление осуществляется по границам зерен пленок. Оно происходит либо за счет диффузии кислорода с поверхности пленки, либо за счет внутренней диффузии кислорода, находившегося на ловушках, к границам зерен, где формируется изолирующая фаза.

Состояние поверхности пленок играет важную роль при создании электрических контактов, определяя их переходное сопротивление и выходные параметры резистивных структур. Для исследования морфологии поверхности применяется атомно-силовой микроскоп с максимальной областью сканирования, равной (80x80) мкм2. Зондами служат стандартные кантилеверы фирмы «NT-MDT» из кремния пирамидальной формы с радиусом закругления 2 0 нм и жесткостью 1,7 Н/м. Сканирование поверхности проводится в режимах, как по постоянной высоте, так и при постоянной силе взаимодействия зонд - подложка в контактном режиме.

На рисунке 1 изображены поверхности отожженных и неотожженных пленок на основе хромоникелевых сплавов. Видно, что отжиг вызывает рекристаллизацию структуры пленки, проявляющуюся в увеличении размеров блоков. В результате этого стабилизируются выходные параметры резистивных структур, что подтверждается результатами исследования сопротивления пленочных резисторов в процессе хранения.

а б

а - поверхность пленки до отжига; б - поверхность пленки после отжига

Рисунок 1 - Поверхности пленок на основе хромоникелевых сплавов, полученные на атомно-силовом микроскопе

Экспериментальные зависимости сопротивления резистивных структур, подвергшихся отжигу в воздушной атмосфере, в процессе эксплуатации хорошо описываются системой уравнений [1]: соответственно до отжига (1), а после - (2):

г, [pNi %iTNi + Per XCrTcr] * b —г/ V AARXCr ,,,

R ^ p Ur  111

exp I -

xCr

t

I_ АО x7 Т

R =R exp

exp T T

пл пл

где pNi , pc - соответственно удельные сопротивления никеля и хрома; X - состав пленок; yNi , уСг -коэффициенты активности никеля и хрома; - сопротивление пленочного резистора после отжига; b ,

С - длина и ширина резистивной структуры; Vk - контактная разность потенциалов; к - постоянная Больцмана; T - температура; AM , A , AOz , АО^ - эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в [1]; t - время эксплуатации; Тотж - температура отжига. Толщина пленок определяется условиями синтеза и задается в виде произведения V t .

Контактная разность потенциалов структур пленка на основе хромоникелевых соединений и электрические контакты из Al и Cu, сформированные методом термического испарения в вакууме, определялась исходя из максимального совпадения экспериментальных значений и рассчитанных по выше представленным уравнениям зависимостей R = f (t) . Для неотожженных структур контактная разность потенциалов составляет 5-10-5-2-10-4 В. Переходное сопротивление, оцененное косвенным путем по величине V , электрических контактов неотожженных резистивных структур составляет 0,01-0,2 Ом, а после отжига его величины близка к нулю.

Таким образом, нагревание резистивных структур в воздухе приводит к отжигу дефектов кристаллической решетки и улучшению структуры хромоникелевых сплавов.

На рисунке 2 приведены экспериментальные зависимости сопротивления пленочных резисторов, отожженных при температурах 350 и 398 К, от времени эксплуатации и теоретические кривые, рассчитанные по уравнениям (1) и (2).

Из анализа графиков следует, что разработанная модель с высокой точностью описывает экспериментальные зависимости сопротивления пленочных резисторов от времени эксплуатации, причем она применима

для пленочных резисторов, характеризующихся различными условиями конденсации, материалом электрических контактов, толщиной, температурой отжига и временем с момента получения структуры.

Л,

Ом

68,0

2,05

2,00

1,95

1,90

/ и '# "+*Ь 1—

{

1 ^ £ - г 4 V ;

г

1

0 20 40 60 80 сутки

• - Тп = 57 3 К, электрические контакты из А1 , отжиг при Тот + - Т = 515 К, электрические контакты из Си , отжиг при Т0] ---- расчет по уравнениям

350 К;

398 К;

Рисунок 2 - Зависимости сопротивления пленочных резисторов, подвергшихся отжигу, от времени эксплуатации

Временная стабильность сопротивления пленочных резисторов существенно зависит от условий конденсации и термообработки в воздушной среде. Это хорошо подтверждается зависимостью, изображенной на рисунке 3. После отжига значения коэффициента старения сопротивления уменьшаются в 103-1,5-104 раз, причем наилучшие результаты достигаются при использовании температур, близких к 60 0 К. Длительная эксплуатация пленочных резисторов после отжига способствует стабилизации сопротивления, уменьшая коэффициент старения сопротивления в 5-15 раз за 100-200 суток.

100

Г,сутки 300

Рисунок 3 - Влияние температуры отжига на временную зависимость коэффициента старения сопротивления резистивной структуры с электрическими контактами из Си

Таким образом, экспериментально и теоретически показана возможность управления параметрами резистивных структур с различным составом посредством отжига в воздушной среде, причем термическая обработка приводит как к отжигу дефектов кристаллической решетки, рекристаллизации структуры, так и к окислению материала пленок.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ, Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы (20062 0 0 8 годы)», мероприятие 1. "Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов".

монография /

ЛИТЕРАТУРА

1. Аверин, И.А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства:

И.А. Аверин. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. -316 с.

2. Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майссел, Р. Глэнг. - М.: Сов. Радио, 1977. - Т. 2. -

7 68 с.