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 элек-

трических 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 га-

баритов и изделий, выполненных с применением тонкопленочной технологии, а, следовательно, к уменьше-

нию 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 уве-

личивается.

В работе [3] предлагается применить 4-х выводное включение резистора, но в этом случае исключает-

ся только параметрический отказ. Возможные причины отказа из-за "перегорания" резистора не устраня-

ются.

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 рас-

сеяния в приграничной зоне без увеличения габаритных размеров контакта можно, снизив удельное сопро-

тивление материала резистивного слоя. Но этот прием имеет два недостатка. Во-первых, увеличивается

длина резистивной линии, и, соответственно, габариты резистора. Во-вторых, не всегда имеются рези-

стивные 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 электриче-

скими характеристиками в некотором диапазоне удельных поверхностных сопротивлений, на основе методи-

ки [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 объ-

емном 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 основ-

ном мощность снижается при увеличении толщины пленки до некоторого значения, после которого эффект

снижения резко уменьшается. Этот факт позволил предложить конструкцию (рис. 3г) и технологию тонко-

пленочного резистора, в котором без увеличения габаритных размеров достигается снижение мощности

рассеяния в приграничной с резистором зоне контакта.

P , мВт

l, мкм

Рис. 1. График зависимости суммарной (по толщине) мощности рассеяния от толщины резистивного слоя

P, мВт

l, мкм

Рис.2. График зависимости мощности рассеяния в верхнем слое резистивной пленки от толщины рези-

стивного слоя (толщина верхнего слоя в расчетах не зависит от толщины резистивного слоя и равна 0,1

от ее минимального значения)

Y0

Z

X

Y0

Z

X

Y0

Z

X

11

4

1

5

4

3 3 32 2 2

а) б) в)

1

M

M/2A

N/2lk

lc

l

n

m

N

Y

Z

X

5

2

4

3

n

Исходные данные:

Xi

lp

Yi

lp

l

li p

i

К

120

10000

10000

10000

20

20

20

3

4

5

1000020

200

100

200

100

200

2

2

2

2

22

1

№

г)

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 металлизаци-

ей; 5 – ступенчатое утолщение резистивного слоя; А – точка присоединения соединительного проводника

и входа тока I в контакт; N, M, lk, l, m, n, n/, lc – линейные размеры участков тонкопленочного кон-

такта и резистивного элемента; X, Y, Z – 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 (об-

разование 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.

00

2,5

50

5,0

100

7,5

150

1 ,0 0( )N ( )N+n

200

1 ,2 5

250

15,0 17,5 2 ,0 0

P, мВт

X, мкм

( )N

10,0 1,0011,01 ,021 ,031 ,041 ,05

0

20

40

60

80

100

120

140

P, мВт

X, мкм Zl

а) г)

0 2,5 5,0 7,5( )N ( )N+n1 ,0 0 1 ,2 5 15,0 17,5 2 ,0 0

0

50

100

150

200

250

P, мВт

X, мкм

( )N

1,02,0

0

10,011,01 ,021 ,031 ,041 ,05

0

20

40

60

80

100

120

140

P, мВт

X, мкм Z

l б) д)

0 2,5 5,0 7,5( )N ( )N+n( )N+n

/1 ,0 0 1 ,2 5 15,0 17,5 2 ,0 0

0

50

100

150

200

250

P, мВт

X, мкм

( )N

( )N+n/ 1,0

2,0

0

10,011,01 ,021 ,031 ,041 ,05

0

20

40

60

80

100

120

140

P, мВт

X, мкмZ

l в) е)

Рис. 4. Распределение суммарной мощности рассеяния P в резистивном слое по длине (N+n) резистив-

ного слоя (а, б, в) и распределения мощности P 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 I = 1 мА, удельном поверхностном сопротивлении резистивного слоя = 500

Ом/, p = 20 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.

X, мкм

I =j

I

Zl

X, мкм

I =j

I

Zl

X, мкм

I =j

I

Zl

Рис. 5. Расчетные (относительные) значения проходящего по резистивной пленке тока по толщине l

длине (N+n) 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 резистив-

ного 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 рези-

стивного 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. - 1967. - Вып.5. -С. 120-124.

2. Кресин О.М., Харинский А.Л. Математический анализ тонкопленочного контакта // Вопросы радио-

электроники - Сер. Детали и компоненты аппаратуры. -1964. -Вып. 5. - С. 15-21.

3. Патент Польши (PL) 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. Тонко-

пленочный 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. -76 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.