Nachrodt, Dirk:

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

Duisburg (2008), III, 127 Bl. : Ill., graph. Darst.
Buch / Monographie / Fach: Elektrotechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2008
Abstract:
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.

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