DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Temperaturstabile Dünnfilmwiderstände aus Ti/TiN und Ti/NiCr mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und ihre Integration in einen Standard-CMOS-Prozess

Nachrodt, Dirk

Gegenstand dieser Arbeit war die Entwicklung und CMOS-Integration von Dünnfilmwiderständen aus den Schichtsystemen Ti/TiN und Ti/NiCr für Anwendungen insbesondere im Bereich Automobilelektronik mit typischen Betriebstemperaturen von –50°C bis hin zu 200°C. Für entsprechende hochpräzise Anwendungen müssen solche Widerstände einen möglichst geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) (weniger 100 ppm/K) und eine Drift des Widerstandes von nicht mehr als 0,1% nach 1000 Stunden bei 125°C - beziehungsweise für besondere Anwendungen beispielsweise im Motorraum sogar bis zu 200°C - aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden Betrachtungen zu den Widerstandsmechanismen in dünnen Metallfilmen gemacht. Im Gegensatz zu Bulkmetall kommen in Dünnfilmen zusätzliche Mechanismen zum tragen. Desweiteren wurde das für viele Anwendungen sehr wichtige Matching- und Trackingverhalten untersucht. Auf Grund wirtschaftlicher Erwägungen muss ein Widerstand zum Erzielen der o.a. Spezifikationen mit möglichst geringem Aufwand in einen herkömmlichen Submicron-CMOS-Prozess integrierbar sein. Standard-CMOS-Widerstände (hochdotierte Polysiliziumschichten und implantierte Bereiche) sind zwar sehr wirtschaftlich herstellbar, erfüllen jedoch bei weitem nicht die gestellten Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften und der Stabilität. Eine geeignete Alternative stellen Dünnfilmwiderstände dar. Schon seit langem werden solche zur Realisierung hochpräziser diskreter Chipwiderstände verwendet, insbesondere aus NiCr. Dünnfilmwiderstände in integrierten Schaltungen für spezielle Anwendungen gibt es seit einigen Jahren, jedoch stellen sie bisher einen teuren und aufwändigen Zusatzprozess dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Ni(80%)Cr(20%)-Widerstände mit wenigen Nanometern Titan (Standard-CMOS-Material) als Saatschicht realisiert. Durch eine zusätzliche geeignete Temperung gelang es erstmals, den TCR von Ni(80%)Cr(20%) – ein besonders stabiles Legierungsverhältnis – von über 100 ppm/K nach der Abscheidung auf unter 10 ppm/K zu reduzieren. Die Langzeitdrift bei 1000-stündiger 125°C-Lagerung lag etwa um den Faktor 10 niedriger als maximal zulässig. Bei 200°C-Lagerung lag die Drift mit etwa 0,25 geringfügig zu hoch. Titannitrid (TiN), dessen elektrische Eigenschaften schon seit längerem bekannt sind, ist in Kombination mit Titan u.a. als Diffusionsbarriere und Haftschicht Standard in CMOS. Zur Realisierung von Widerständen in CMOS wurde es bisher nicht eingesetzt. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass es sich prinzipiell zur Herstellung und Integration von hochwertigen Widerständen eignet. Die gestellten Anforderungen – insbesondere hinsichtlich des TCR – konnten nicht vollumfänglich erfüllt werden. Dennoch stellt der entwickelte Ti/TiN-Widerstand eine deutliche Verbesserung gegenüber implantierten und Polysiliziumwiderständen dar. Mit Hilfe einer TEM-Untersuchung wurde ein Modell identifiziert, mit dessen Hilfe die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Schichtdicke physikalisch erklärt werden kann. Untersuchungen zum Widerstandsmatching haben u.a. gezeigt, dass Widerstände aus beiden Materialien ein maximales Mismatch von deutlich unter 0,5% aufweisen und somit für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind.

Objective of this work was the development and CMOS-integration of thin film resistors from Ti/TiN and Ti/NiCr especially for automotive applications with typical operating temperatures from -50°C up to 200°C. For such very precise applications such resistors need a low temperature coefficient of resistance (TCR) of below 100 ppm/K and a drift of resistance of not more than 0.1% after 1000 hours at 125°C or - for special applications e.g. in the engine compartment - at 200°C. Within the scope of this work considerations regarding resistance mechanisms in thin metal films were made. In contrast to bulk metal additional resistance mechanisms are of importance in thin films. Moreover resistor matching and tracking - very important for many applications - were investigated as well. Due to economical considerations a resistor meeting the above-mentioned specifications need to be easiliy integrable in a conventional submicron CMOS-process. Standard-CMOS resistors such as polysilicon and implanted layers are very economical but do by far not meet the specifications with respect to electrical properties and stability. Thin film resistors are an appropriate alternative. For many years they have been succesfully used to realize highly stable discreet chip resistors, especially from NiCr. Thin film resistors in integrated circuits for special applications have alredy been used for a few years but they represent expensive nonstandard processes. Within the scope of this work Ni(80%)Cr(20%) resistors with a few nanometres of titanium (a standard-CMOS material) below were realized. By a proper temperature treatment (furnace annealing) it was possible for the first time to decrease the TCR of Ni(80%)Cr(20%) - a very stable composition - below 10 ppm/K. The resistance drift after 1000 hours at 125°C was about 10 times lower than required. In the case of 200°C longterm storage it was slightly too high with 0.25%. Titanium nitride (TiN), which electric properties have already been known quite a long time, is - in combination with titanium - a standard material in CMOS. So far it was not used to realize resistors in CMOS though. In this work it is shown that Ti/TiN is generally useful to manufacture and CMOS-integrate precise resistors. The required specifications - especially concerning the TCR - could on the other hand not completely be met. Still the developed Ti/TiN resistor represents a clear improvement in comparison to implanted and polysilicon resistors. By a TEM analysis a model physically explaining the effect of the film thickness on the specific resistance could be identified. Investigations of resistance matching have shown that both thin film materials show a maximum mismatch of considerably below 0.5% and are thus appropriate for high-precision applications.

Share and cite

Citation style:

Nachrodt, Dirk: Temperaturstabile Dünnfilmwiderstände aus Ti/TiN und Ti/NiCr mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und ihre Integration in einen Standard-CMOS-Prozess. 2008.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export