Интегральный тонкопленочный резистор кремниевой интегральной микросхемы

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ РЕЗИСТОР КРЕМНИЕВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Баранов Валентин Владимирович Глухманчук Владимир Владимирович Соловьев Ярослав Александрович Сякерский Валентин Степанович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Интегральный тонкопленочный резистор кремниевой интегральной микросхемы, содержащий резистивную пленку из сплава хрома, никеля и кремнияпокрытием на основе пентаоксида тантала, расположенную на межуровневом слое диэлектрика, ограничиваемого нижним и верхним слоями металлизации на основе алюминия, отличающийся тем,что между резистивной пленкой и межуровневым слоем диэлектрика расположен слой пентаоксида тантала толщиной 0,07-0,40 мкм, площадью, по меньшей мере, равной занимаемой резистивной пленкой, а между резистивной пленкой и верхним слоем металлизации расположен слой неокисленного тантала. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к конструкции кристалла интегральных микросхем, содержащих тонкопленочные резисторы. Изобретение может быть использовано при создании интегральных микросхем (ИМС) с многоуровневой разводкой (металлизацией). 11811 1 2009.04.30 Известен интегральный тонкопленочный резистор (ИТР) кремниевой ИМС 1, содержащий резистивную пленку из двухслойной структуры диборид хрома-силицид хрома,сформированную распылением при пониженном давлении в среде аргона с 2 добавлением азота, и верхний слой из монооксида силицида хрома. Однако из-за взаимодействия слоев резистивной пленки между собой и с материалом подложки данное устройство отличается низкой надежностью и стабильностью параметров ИТР при термических воздействиях. Кроме того, из-за сложности конструкции данный ИТР отличается низкой технологичностью. Известен ИТР кремниевой ИМС 2, содержащий резистивную пленку на основе сплава никеля и хрома, расположенную на подложке со слоем золота, которая формируется термообработкой при температуре диффузии золота с последующим удалением слоя золота на свободных участках. Однако и в данном устройстве не исключено взаимодействие резистивного слоя ИТР с материалами подложки, пассивации и многоуровневой металлизации, что обусловливает низкую надежность и стабильность параметров ИТР при термических воздействиях. Кроме того, данная конструкция также характеризуется низкой технологичностью в связи с удалением пленки золота, поддающейся травлению лишь в концентрированном растворе царской водки или в фреонсодержащей плазме. Наиболее близким к предлагаемому устройству является интегральный тонкопленочный резистор кремниевой интегральной микросхемы, содержащий резистивную пленку из сплава хрома, никеля и кремния с покрытием на основе пентаоксида тантала, расположенную на межуровневом слое диэлектрика, ограничиваемого нижним и верхним слоями металлизации 3. Формирование резистивной пленки ИТР вакуумным напылением без активации твердофазных реакций термообработкой двухслойной структуры позволяет улучшить технологичность данной конструкции. Покрытие пленки резистивного материала ИТР слоем пентаоксида тантала позволяет защитить ИТР от взаимодействия с окружающей средой или пассивирующим слоем. Однако и в данном устройстве не исключено взаимодействие пленки резистивного материала с материалом межуровневого слоя диэлектрика, а также с материалом многоуровневой металлизации. Образующиеся при этом промежуточные соединения типа силицидов и оксидов переходных металлов могут иметь значительную толщину и в силу фактора объемного роста вызывать дополнительные остаточные механические напряжения в твердотельной структуре, дестабилизирующие ее функционирование. Это обусловливает низкую надежность и стабильность параметров ИТР при термических воздействиях. Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и стабильности параметров ИТР при термических воздействиях. Поставленная задача решается тем, что в интегральном тонкопленочном резисторе кремниевой интегральной микросхемы, содержащем резистивную пленку из сплава хрома, никеля и кремния с покрытием на основе пентаоксида тантала, расположенную на межуровневом слое диэлектрика, ограничиваемого нижним и верхним слоями металлизации на основе алюминия, между резистивной пленкой и межуровневым слоем диэлектрика расположен слой пентаоксида тантала толщиной 0,07-0,40 мкм, площадью, по меньшей мере, равной занимаемой резистивной пленкой, а между резистивной пленкой и верхним слоем металлизации расположен слой неокисленного тантала. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что между резистивной пленкой и межуровневым слоем диэлектрика расположен слой пентаоксида тантала толщиной 0,07-0,40 мкм,площадью, по меньшей мере, равной занимаемой резистивной пленкой, а между резистивной пленкой и верхним слоем металлизации расположен слой неокисленного тантала. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Главный недостаток аналогов и прототипа состоит в том, что они неприменимы для микросхем с двухуровневой системой металлизации. Это обусловлено тем, что в ИМС данного типа нижний уровень металлизации покрывается слоем низкотемпературного оксида кремния, который характеризуется высокой плотностью дефектов строения, ненасыщенным характером связей,2 11811 1 2009.04.30 что при последующих термических воздействиях в маршруте приводит к взаимодействию с вышележащими слоями, в том числе с материалом пленочных резисторов, располагаемых на этом межуровневом диэлектрике. Кроме того, резисторы, располагающиеся на межуровневом диэлектрике, изменяют свои параметры в результате выполнения операций формирования вышележащих слоев при создании кристалла, микромонтажа и сборки микросхем, а также в процессе их эксплуатации при рассеивании кристаллом значительной мощности. Более того, надежность таких резисторов невелика из-за высокой вероятности выхода их из строя, главным образом, по причине протекания твердофазных реакций входящего в их состав кремния с кислородом и примесями, имеющимися в низкотемпературном оксиде. Если указанные причины хотя и не всегда приводят к деградации свойств резисторов на этапе изготовления кристаллов, однако зачастую являются причиной отбраковки значительной части кристаллов на пластине и, в целом, означают невысокую технологичность. Как показывает анализ причин отказов кристаллов ИМС с двухуровневой разводкой и тонкопленочными резисторами, располагаемыми на слое межуровневого диэлектрика, значительная доля отказов обусловлена изменением номинала резисторов из-за неконтролируемой реакции компонентов резистивного сплава с низкотемпературным оксидом кремния. Формирование между резистивным слоем и межуровневым слоем диэлектрика слоя пентаоксида тантала толщиной 0,07-0,40 мкм, площадью, по меньшей мере,равной занимаемой резистивной пленкой, позволяет исключить взаимодействие резистивной пленки с материалом подложки и тем самым повысить надежность и стабильность параметров ИТР при термических воздействиях. При толщине слоя пентаоксида тантала менее 0,07 мкм полного исключения взаимодействия резистивной пленки с материалом подложки не происходит и положительный эффект не достигается. При толщине слоя пентаоксида тантала более 0,4 мкм многослойная структура характеризуется значительными механическими напряжениями, что резко снижает надежность ИТР и стабильность его параметров. Формирование между резистивной пленкой и верхним слоем металлизации слоя неокисленного тантала позволяет исключить взаимодействие и твердофазные реакции между ними. В противном случае содержащийся в металлизации алюминий растворяет в себе компоненты резистивного сплава (в первую очередь кремний), что приводит к деградации контакта металлизации с ИТР, а значит, к низкой надежности и стабильности параметров ИТР. Сущность изобретения поясняется фигурой, где показана структура интегрального тонкопленочного резистора кремниевой ИМС, содержащей кремниевую подложку 1, слой высокотемпературного (плотного) диоксида кремния (2)2, тонкопленочную металлизацию первого уровня на основе алюминия 3, слой низкотемпературного диоксида кремния 4,слой пентаоксида тантала 5, резистивную пленку из сплава хром-никель-кремний 6, слой тантала 7, тонкопленочную металлизацию второго уровня на основе алюминия 8, слой пентаоксида тантала 9. В качестве материала резистивного слоя интегрального тонкопленочного резистора могут использоваться сплавы системы , например,3710,4906,2310 и др. Так, сплав 3710 содержит 37 вес.С, 10 вес.,- остальное. Нанесение пленок резистивного сплава возможно одним из методов нанесения пленок в вакууме, например,магнетронным распылением в среде аргона. Тогда при толщине пленки резистивного сплава 3710 15 нм после операции последующего отжига в среде осушенного азота при температуре 450-475 С поверхностное сопротивление составляет около 600 Ом/. Работает предлагаемый интегральный тонкопленочный резистор следующим образом. Слой пентаоксида тантала (Та 2 О 5), на котором расположена резистивная пленка, обеспечивает ее заданные электрические свойства - номинальную величину поверхностного сопротивления, температурный коэффициент сопротивления, коэффициент старения и др. благодаря высокой химической инертности слоя по отношению к сплаву на основе хроманикеля и кремния. Аналогичную роль выполняет и верхний слой Та 2 О 5. Слой тантала,3 11811 1 2009.04.30 расположенный на участках контактных площадок, также способствует обеспечению стабильности свойств резистора ввиду выполнения им функций диффузионного барьера,препятствующего взаимодействию алюминия верхнего уровня разводки с резистивной пленкой. Таким образом, резистивная пленка оказывается со всех сторон защищенной инертными по отношению к ней материалами - Та и Та 2 О 5. Изображенная на фигуре структура может быть изготовлена следующим образом. После формирования первого уровня алюминиевой металлизации 3 на пластину наносят межуровневый диэлектрик 4 из низкотемпературного фосфоросиликатного стекла или плазмохимического оксида, а поверх него магнетронным распылением наносят пленку тантала,после чего стандартными методами фотолитографии и травления формируют его топологический рисунок. Затем производят термообработку структуры в среде кислорода при температуре 450-475 С, в результате чего пленка тантала окисляется с образованием пентаоксида тантала 5. После этого методами вакуумного напыления наносят пленку резистивного материала 6 и пленку неокисленного тантала 7, а последующей фотолитографией и травлением формируют их топологический рисунок. Далее методами фотолитографии и травления производят вскрытие контактных окон к первому уровню металлизации 3 и магнетронным распылением наносят слой алюминия или его сплавов. После формирования фотолитографией и травлением топологического рисунка второго уровня металлизации 8 проводят термообработку структуры при температуре 450-475 С в среде кислорода,в результате чего пленка тантала окисляется с образованием пентаоксида тантала 9. В то время как между металлизацией второго уровня и пленкой резистивного материала остается слой неокисленного тантала 7. Как показали экспериментальные исследования, показатели качества предложенной конструкции интегрального тонкопленочного резистора существенно лучше по сравнению с используемыми тонкопленочными резисторами, конструкция которых соответствует выбранному прототипу. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 1. Таблица 1 Характеристики интегральных тонкопленочных резисторов в сравнении с прототипом ОбознаЗначение параметра, размерность Конструктивное исполнеНаименование чение,Заявляемая конструкниерезистивный слой параметра размерПрототип ция тонкопленочного расположен на ность резистора термическом 2 10 10 низкотемпературном фосфорносиликатном стекле Сопротивление , кОм(ФСС) пленке 34 пленке термического Та 2 О 5,коэффициент град-1 пленке 34 310-3 310-3 сопротивления пленке термического 25 210-3 Изменение термическом 2 20 15 сопротивления низкотемпературном ФСС 130 125 после прохож,пленке 34 50 45 дения тока пленке термического Та 2 О 5 5 в течение 100 чИзмерения параметров интегрального тонкопленочного резистора проводились с помощью измерительного комплекса типа 4061 А (США). 4 11811 1 2009.04.30 Как следует из данных табл. 1, параметры заявляемой конструкции интегрального тонкопленочного резистора существенно лучше, чем для известной конструкции. Это объясняется существованием стабильных границ раздела резистивного слоя с выше- и нижележащими слоями твердотельной структуры. Остальные контролируемые параметры практически не изменяются. Результаты сравнительных испытаний изготовленных интегральных схем с тонкопленочными резисторами на надежность, технологичность и устойчивость к воздействию повышенных температур представлены в табл. 2. Таблица 2 Данные испытаний интегральных схем с ИТР на надежность, технологичность и устойчивость к воздействию повышенных температур Наименование конОбознатролируемого пачение раметра Среднее время наработки до отказа Процент выхода годных структур на пластине Процент выхода годных структур после сборки Условия испытаний Ускоренные испытания Т 120 С Измерения параметров при нормальных условиях Сборка в корпус при температуре 350 С Значение контролируемого параметра, размерность Заявляемая конструкПрототип ция тонкопленочного резистора 400 ч Как следует из данных табл. 2, для заявляемой конструкции тонкопленочными резисторами наиболее существенно повышение процента выхода на операции сборки. Это объясняется наличием стабильных границ раздела материала тонкопленочного резистора с другими материалами твердотельной структуры. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить задачу повышения надежности и стабильности параметров ИТР при термических воздействиях. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5