Исследование технологических погрешностей сопротивления тонкопленочного резистора

УДК 621.3.049.776

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО РЕЗИСТОРА

В. Г. Спирин

доктор техн. наук, Арзамасский политехнический институт, филиал Нижегородского технического университета им. Р.Е. Алексеева

Рассмотрены основные виды технологических погрешностей, которые оказывают непосредственное влияние на формирование сопротивления тонкопленочного резистора.

Технологические (производственные) погрешности тонкопленочных резисторов (ТПР) образуются в процессе их изготовления. Основными видами этих погрешностей являются: погрешности удельного поверхностного сопротивления; погрешности длины и ширины ТПР. Погрешность удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки включает в себя:

- градиентную и аппаратурную погрешности;

- погрешность ориентации длины резисторов на подложке;

- погрешность, обусловленную формированием защитной изоляции;

- погрешность, обусловленную наличием микродефектов.

Градиентная погрешность (погрешность толщины пленки) [1]- параметр,

определяющий невоспроизводимость сопротивления резисторов из-за градиентов технологических параметров напыления и термостабилизации по подложке. Основные источники градиентной погрешности - градиент температуры по поверхности подложки и градиент скорости нанесения резистивной пленки во время всего технологического цикла напыления. При вращении подложек на дисках или барабанах выравнивается распределение конденсата в направление движения подложек, но сохраняется его неоднородность в перпендикулярном направлении из-за пространственной неоднородности потока (рис. 1,а). Эффективное выравнивание конденсата по поверхности подложки может быть достигнуто с помощью специально спрофилированной (корректирующей) диафрагмы. Обычно направление вращения подложек на барабане совпадает с более длинной стороной подложки [2], поэтому в дальнейшем будем считать, что длинная сторона подложки ориентирована вдоль оси Х, а короткая сторона -вдоль оси Y. Отсюда градиентную погрешность можно разложить на две составляющих: дрх и дру, которые распределены соответственно по оси Х и по оси Y.

В [3] проведены исследования градиентной погрешности. Напыление резистивного сплава РС-3710 производилось на вращающиеся подложки ионноплазменным методом на установке УВН-75П-1. В итоге получены примерно одинаковые результаты распределения градиентной погрешности по поверхности подложки. Средняя неравномерность удельного поверхностного сопротивления с номинальным значением 1 кОм/ на ситалловых подложках составила: дрх = 1-3% и дру = 6-7%. Следует отметить, что градиентная погрешность дру носит нелинейный характер от параметра Y (рис. 1,б).

Y

Рис. 1. Неравномерность толщины пленки по оси Y подложки: структура (а): 1 - подложка,

2 - резистивный слой; градиентная погрешность сопротивления ТПР

Аппаратурная погрешность [1] - параметр, определяющий невоспроизводимость сопротивления резисторов из-за погрешностей контрольноизмерительной и регулирующей аппаратуры и погрешностей свидетеля. Аппаратурная погрешность имеет как систематическую составляющую, так и случайную. Систематическая погрешность компенсируется подбором измерительных приборов с требуемой точностью, точными конструкциями свидетеля и подбором величины удельного поверхностного сопротивления.

Погрешность ориентации длины резисторов на подложке. В работе [3] показано, что в пределах одной подложки различие сопротивлений резисторов, расположенных параллельно и перпендикулярно оси вращения барабана, составляет 4-7%. Проведенные автором исследования для резистивного материала РС-3710 показывают, что наблюдается устойчивое различие в величинах удельного поверхностного сопротивления по осям X и Y подложки (г >Ру). Это различие можно оценить коэффициентом анизотропии: Ка = рх /ру - 1. Коэффициент анизотропии для резисторов, изготовленных на ситалловых подложках (р = 1000 Ом/П), составляет 3,4 - 11,6%, а для резисторов, изготовленных на поликоровых подложках (р = 100, 200, 300, 500 Ом/П), коэффициент анизотропии составляет 1,1 - 9,8%. Причем ярко выраженной зависимости коэффициента анизотропии от величины р не наблюдалось. Учитывая, что толщина пленок РС-3710 в проведенном эксперименте не превышало 20-50 нм, что сравнимо с пиками бугорков подложки, то данное явление можно объяснить методами полировки подложек, разными профилями бугорков на их поверхности, а также неравномерной конденсацией и кристаллизацией резистивной пленки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для исключения данного вида погрешности длины всех резисторов должны иметь одинаковые направления на плате.

Погрешность, обусловленная формированием защитной изоляции. Обычно проверка и подгонка сопротивления резисторов производится до нанесения защитной изоляции. После нанесения защитной изоляции подложки разделяют на платы и направляют на сборку без проверки сопротивления резисторов. Как

2

показали исследования [4, 5] после нанесения защитной изоляции из фоторезистов ФН-11, ФН-11С сопротивление не термообработанных ТПР изготовленных из нихрома изменялось в пределах 0,5-3%, а термообработанных ТПР на 0,5-1,5%. Следует отметить, что после формирования защитной изоляции сопротивление ТПР с р < 300 Ом/а возрастает, а с р > 1000 Ом/а - уменьшается. Большой уход сопротивления резисторов при нанесении фоторезистивных покрытий можно объяснить химическим взаимодействием покрытия с пленкой фоторезиста при температуре 150-180 °С, при которой происходит его задубли-вание, а также процессами стабилизации и кристаллизации, происходящими в резистивной пленке [5]. В работе [6] рекомендуется измерение и подгонку сопротивления ТПР проводить после нанесения защитной изоляции. Погрешность ТПР, из-за влияния формирования защитной изоляции, можно отнести к погрешностям удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки.

Погрешности, обусловленные наличием микродефектов, образуются в результате влияния на воспроизводимость сопротивления ТПР следующих факторов: шероховатости подложки [7] и запыленности производственных помещений [1].

Шероховатость подложки оказывает влияние на точность воспроизведения сопротивления ТПР в связи с тем, что толщина резистивной пленки для нашего случая сравнима с пиками микробугорков, которые расположены на подложке случайным образом, в результате чего происходит изменение формы резисторов из-за "проколов" микробугорками резистивной пленки. Так как размеры резистора, как правило, существенно больше размеров дефекта, то попадание дефекта в рабочую область обычно не приводит к полному отказу резистора, а лишь несколько изменяет его сопротивление. Дефект в резистивной пленке вызывает нарушение равномерности тока по ее сечению и увеличивает сопротивление в области дефекта. На некотором расстоянии от дефекта ток по сечению пленки распределен равномерно.

Влияние запыленности производственных помещений. В связи с микронными размерами элементов и зазоров между ними присутствие в воздушной среде механических частиц может существенно ухудшать качество и снижать процент выхода годных изделий [8]. Механические частицы могут приводить к разрывам проводящих дорожек, коротким замыканиям элементов, образованию сквозных пор, проколов в фоторезисте.

Погрешности формирования длины и ширины резистора включают в себя: погрешности изготовления фотошаблонов и погрешности из-за процессов фотолитографии [9]. На воспроизводимость элементов микросборок (МСБ) самое непосредственное влияние оказывает инструмент, с помощью которого получают требуемый рисунок платы - фотошаблоны (ФШ). В зависимости от материала пленочного покрытия различают ФШ на основе фотографической эмульсии (эмульсионные ФШ), металлической пленки, например, пленка хрома (металлические ФШ) и других материалов, например, окиси железа (цветные ФШ). В многономенклатурном производстве МСБ наибольшее распространение получили эмульсионные ФШ, так как они обладают наименьшей стоимостью изготовления. Однако их точность несколько хуже, чем металлических или цветных ФШ. Кроме того, они обладают повышенной дефектностью. Классы точ-

3

ности ФШ в зависимости от значений допусков на элементы и их кодовые обозначения приведены в [10].

На погрешность сопротивления ТПР в основном влияют два параметра ФШ: погрешность топологического размера и четкость края. Четкость края определяет результат визуального положения неравномерности и размытости края топологического элемента. В области нечеткого края при фотолитографии МСБ не всегда происходит проявление фоторезиста, что увеличивает топологический размер МСБ. Еще одной погрешностью ФШ является погрешность несовмещения комплекта ФШ, которая, при исключении в конструкции ТПР КПП резистивного и проводящего слоя, увеличивает сопротивление ТПР.

Лучшие оптические микроскопы имеют погрешность визуальных измерений порядка 0,3-0,6 мкм [11], что в принципе достаточно для измерения размеров топологических элементов с допусками, указанными в [10]. Однако далеко не все предприятия-изготовители МСБ имеют подобное дорогостоящее оборудование. На практике иногда применяются микроскопы (например, УЦП-1М) с погрешностью в 3 мкм, что не обеспечивает требуемой точности измерения. Поэтому для измерения малых размеров топологических элементов технологи используют микроинтерферометр МИИ-4, который обеспечивает измерение линейных размеров с погрешностью не хуже 0,15 мкм. Погрешности линейных размеров элементов ФШ следует рассматривать как систематические, так как погрешность линейных размеров элементов МСБ определяется исходной точностью рисунка на ФШ.

Точность размеров элементов микросхем зависит главным образом от качества и стабильности процессов фотолитографии и влажного травления. Практика свидетельствует, что в процессе изготовления МСБ не удается получить полностью воспроизводимые размеры однотипных элементов даже в том случае, если партия подложек подвергалась фотолитографической обработке и травлению на одном и том же оборудовании, одним и тем же персоналом с применением одних и тех же материалов. Существует большое число факторов, определяющих погрешности размеров элементов. Основные погрешности возникают из-за: засветки фоторезиста под элементами ФШ вследствие явления дифракции и отражения света от подложки, а также за счет рассеяния света на неоднородностях фоторезиста; переэкспонирования и перепроявления фоторезиста; нарушения адгезии фоторезиста к поверхности пленки; большого зазора между ФШ и фоторезистом на подложке, который определяется валиком фоторезиста, образующего по краю прямоугольной подложки; неплосткосностью ФШ и подложки, а также частицами пыли, попавшими между ФШ и подложкой; подтравливания пленки вследствие изотропности ее травления [12].

Для получения рисунка МСБ применяют, как правило, позитивные фоторезисты. Увеличение зазора между ФШ и подложкой увеличивает размер засветки фоторезиста на границе элемента ФШ. Засветка фоторезиста приводит к его разрушению при проявлении, а, следовательно, к уменьшению размеров элементов фоторезистивной маски. Размер изображения в позитивных фоторезистах сильно зависит от сочетания времен экспонирования и проявления. Пе-реэкспонирование и перепроявление фоторезиста еще более уменьшает размеры элементов. Размер подтравливаемого участка пленки зависит от качества

4

фоторезиста, его адгезии к поверхности пленки, от свойств материала, подвергающегося травлению, и от свойств используемого травителя. Следует иметь ввиду, что сильные химические травители, такие, например, как фтористоводородная кислота, применяемая при травлении керметов, резистивных сплавов, частично разрушают и фоторезистивную маску. Это приводит к неконтролируемому изменению площади травления и еще большему снижению точности конфигурации элементов МСБ. Профили фоторезиста и тонких пленок, получаемых в процессе фотолитографии и травления, показаны на рис. 2, где А!флс -систематическая погрешность размера топологического элемента. Систематическая погрешность, вследствие рассмотренных выше физических явлений, приводит к уменьшению размеров тонкопленочных элементов МСБ.

- фотошаблон

- элемент фотошаблона

- фоторезист

- пленка

- подложка

т____mAlwc/2

Рис. 2. Профили фоторезиста и тонких пленок после фотолитографии и травления

ВЫВОДЫ

Рассмотрены основные виды погрешностей и их влияние на формирование сопротивления ТПР. Показано, что основными видами погрешностей являются погрешности формирования удельного поверхностного сопротивления, в частности градиентная погрешность и погрешность формирования рисунка ТПР при фотолитографии и травлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гимпельсон, В.Д. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - М.: Машиностроение, 1976.- 328 с.

2. Парфенов, О.Д. Технология микросхем. / О.Д. Парфенов - М.: Высшая школа, 1986.- 320 с.

3. Клименко, Б.И. Совершенствование технологии изготовления тонкопленочных резисторов из сплава РС-3710 / Б.И. Клименко, И.А. Сидорова. // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения. Производственнотехнический сборник.- 1987.- Вып.3-4.- С. 36-38.

4. Баранова, Н.В. Влияние защитной маски из фоторезиста ФН-11С на стабильность тонкопленочных резисторов / Н.В. Баранова, Ю.В. Кротова, Я.М. Сенишин, Л.М. Смеркло // Обмен производственно-техническим опытом.-1989.- Вып.8.- С. 21-22.

5. Волкова, И. А. Влияние защитных покрытий на стабильность тонкопленочных резисторов из нихрома / И.А. Волкова, О.А. Клокова, Л.А. Папенко, Я.М. Сенишин // Обмен опытом в радиопромышленности. - 1983.- Вып.2.- С. 40-41.

6. Крючатов, В.И. Подгонка тонкопленочных резисторов, защищенных фоторезистивным слоем / В.И. Крючатов, Р.И. Антипова, М.З. Валеев, Ю.П. Конов // Обмен производственно-техническим опытом.- 1988.- Вып.9.- С. 23-24.

5

7. Фомин, А.В. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок. / А.В. Фомин, Ю.И. Боченков, В.А. Сорокопуд. - М.: Радио и связь, 1981.- 352 с.

8. Коледов, Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. / Л.А. Коледов. - М.: Радио и связь, 1989.- 400 с.

9. Моро, У. Микролитография. / У. Моро - М.: Мир, 1990. - Т.1, 2.- 1240 с.

10.ОСТ 4 ГО.073.210-84. Фотошаблоны прецизионные. Общие технические условия.

11. Быстров, Ю.А. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. / Ю.А. Быстров, Е.А. Колгин, Б.Н. Котлецов. - М.: Радио и связь, 1988.- 168 с.

12. Шумилин, А.С. Точностные расчеты в микроэлектронике. / А.С. Шумилин. - Издательство Ленинградского университета, 1980.- 140 с. 6

6