JPH09503627A - 電気的抵抗構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １番目の抵抗素材のフィルム(13)及び２番目の抵抗素材のフィルム(17)が、基板(11)の少なくとも一方の側に設けられて成り、該１番目のフィルムの抵抗素材と２番目のフィルムの抵抗素材と(13,17) は相互に異なるものであるところの基板(11)を有する電気的抵抗構造体において、上記１番目のフィルムと２番目のフィルムと(13,17) の間に、反拡散フィルム(15)が配置されている。そのような反拡散フィルム(15)の存在は、抵抗特性の著しい劣化を伴わずに抵抗構造体の焼なましの実施を許容する。そのような反拡散フィルム(15)に用いられる適切な合金素材としてはWTi があり、特にWTiNがある。１番目の抵抗フィルム(13)及び２番目の抵抗フィルム(17)の適切な模範的素材としては、それぞれSiCr合金及びCuNi合金がある。

Description

【発明の詳細な説明】 電気的抵抗構造体 本発明は、１番目の抵抗素材のフィルム及び２番目の抵抗素材のフィルムが、 基板の少なくとも一方の側に設けられて成り、該１番目のフィルムの抵抗素材と ２番目のフィルムの抵抗素材とは相互に異なるものであるところの基板を有する 電気的抵抗構造体(electrically resistive structure)に関する。 このタイプの電気的抵抗構造体はヨーロッパ特許明細書EP-B 0 175 654号によ り既知であって、該ヨーロッパ特許では Al₂O₃基板にサーメット(cermet)の抵抗 フィルムとNiCrの抵抗フィルムとが連続累積的に設けられている。NiCrフィルム のシート抵抗(sheet resistance)はサーメット・フィルムのシート抵抗に比べて 相当に低いから、このような構造体はオーム抵抗の高い抵抗器（サーメット）と オーム抵抗の低いシャント(NiCr)とによる平面的な並列配置と見なすことができ る。 このタイプの構造体が基板上の２つの端点間に接続用の二重ストリップとして 実現しているときには、それらの点の間の該構造体の平面内電気抵抗は、例えば ： − 該構造体の経路長を増加させるか、又はその幅を減少させることによって； − オーム抵抗の低いシャント・ストリップをエッチングにより除去することに よって；或いは − 残っているオーム抵抗の高い抵抗器ストリップ経路長を増加させるか、又は その幅を減少させることによって； 順次に増加させることができる。このようなやり方は、よく知られた選択的マス キング及びエッチング技術を用いて、制御しながら実行することができる。この 選択的マスキング及びエッチング技術については、例えば1987年にLondonのBlac kie & Son社で刊行したS.J.Moss及び A.Ledwith編“The Chemistry of the Semi conductor Industry”ISBN 0-216-92005-1 という書籍に、特にその第９章及び 第11章に、詳記されている。このやり方で、適切に規定された抵抗素材の表面ス トリップを持つ基板の製造ができるようになり、それらの表面ストリップは種々 の正確に調整された抵抗値を実現できるようになった。その端に電気的接点を設 けると、そのようなストリップは集積抵抗器として用いられて、全体が集積化さ れた薄膜抵抗器ネットワークが基板上に実現できるようになる。 任意の所与の見本基板上で実現できる抵抗値の範囲を最大化するためには、１ 番目のフィルム素材のシート抵抗値と２番目のフィルム素材のシート抵抗値とが 少なくとも一桁違うように（すなわち10倍違うように）すれば有利であり、数桁 違うように（例えば1000倍違うように）するのが好適である。そればかりでなく 、相対的に広い温度範囲で適切に規定された抵抗値の許容公差を実現するには、 安定した抵抗値温度係数(TCR -Temperature Coefficient of Resistance)を持つ 抵抗構造体が必要である。 明確を期するために茲では、電気抵抗がρの素材を含む厚さがｔのフィルムの シート抵抗Ｒ□を、Ｒ□＝ρ／ｔと定義することにする。 発明者達によれば、種々の単層構成の抵抗素材のTCR は一般的に、該素材が焼 なまし(annealing) 工程を経ることにより顕著に安定する、ということが観察さ れており、該焼なまし工程は、典型的には温度が約 350-550°Ｃで、（例えば空 気、窒素又はアルゴンを含む）気体の雰囲気中で行うものである。ところが２層 抵抗構造体の場合には、該構造体にそのような焼なまし処理を施すと、構造体の コンポネントである抵抗素材の少なくとも一方の特性が、一般的には劣化してし まうことが不幸にも判明した。特に、少なくとも一方の素材の TCR値が、当初意 図したものから著しく変化してしまうことがある。そればかりでなく、焼なまし 処理は１番目の抵抗フィルムと２番目の抵抗フィルムとのシート抵抗の差を著し く減少させることがあり、特に初めの差が大きい（例えば100-1000倍）ときには それが甚だしい。 本発明の目的は、冒頭に述べた電気的抵抗構造体において、１番目の抵抗フィ ルムのシート抵抗と２番目の抵抗フィルムのシート抵抗とが、十分な大きさの差 を実現し且つそれを維持するものを提供することである。本発明のもう１つの目 的は、該構造体の TCR値が本来的に安定しており且つ予測可能なものとすること である。特に、上述の焼なまし処理を経てもなお該構造体がそれらの特性をよく 保持することが本発明の目的である。 この目的は、冒頭に述べた電気的抵抗構造体が上記１番目のフィルムと２番目 のフィルムとの間に、反拡散フィルム（すなわち拡散障壁）を配置することによ り達成される。 本発明は発明者達の次のような観察に立脚している：既知の抵抗構造体では、 隣接の１番目及び２番目の抵抗フィルム間のインターフェース部で、焼なまし処 理により素材の顕著な相互拡散が誘発されることがある；これらのフィルムは通 常は極めて薄い（一般的には数百ナノメートル程度の）ものであるから、例え少 量の金属イオンの移動といえども、その移動が低抵抗の（例えばCuNi）フィルム から境界を接した高抵抗の（例えばCrSi）フィルムに向かって起こるならば、そ れは高抵抗フィルムのシート抵抗を劇的に減少させる；それによって当初はかな り大規模な両フィルム間のシート抵抗の差が結果的に鋭く減少する；またそのよ うな移動効果は、コンポネントであるフィルムの TCR値を、所望の値から大幅に 変えてしまう。本発明の拡散障壁の存在はこれらの不所望な効果を厳しく抑制す るものである。 このような本発明による反拡散フィルムの使用は、抵抗構造体の製造に対して も相当の単純化及び迅速化を可能とする。それは、中断しない溶着サイクルで種 々のフィルムが一旦溶着されてから、一工程で全構造体の焼なまし処理ができる からである。本発明による拡散障壁が欠落しているならば、熱的に誘導されるい かなる TCR安定化の意図も、フィルムごとに単調で効率の悪い工程を実行しなけ ればならず、構造体は個々のフィルムの溶着のたび毎に焼なまし処理を繰り返さ なければならないであろう。 本発明による反拡散フィルムは電気的良導体であるのが好適で、それによりそ の下側と上側とに在る抵抗フィルム間の均等な電気的接触が保証されるのである 。そのような電気的接触の利点は、上側の抵抗フィルムの表面の任意の場所に置 かれた電気的端子を経由して下側の抵抗フィルムがたやすく接触できることであ る。 しかし本発明による反拡散フィルムは、必ずしも導電素材を含む必要はない。 そのような場合には、下側の抵抗フィルムとの電気的接触は上側の抵抗フィルム を経由してたやすく行うことはできないが、その代わりとして、例えば橋絡縁接 触(bridging edge-contacts)を用いて、又は上に位置する素材をリソグラフィッ クに除去することにより下側のフィルムを露出して、別個に達成されるに相違な いであろう。 拡散を妨げるという主な能力以外に、拡散障壁の素材は TCRが低い（50 ppm/K 程度ないしそれ以下）のが望ましく、また例えばスパッタとか蒸着（物理学的な 又は化学的な）というような在来からの工業的手段でたやすく溶着できるのが好 適である。 このような望ましい特性については、本発明の反拡散フィルムが WTi合金を含 む抵抗構造体によって、極めて満足すべき結果が得られている。特に、本発明の 構造体の高度に効果的な実施例は、上記反拡散フィルムの素材が、WTiN合金を含 むことを特徴とし、ｘ及びｙがいずれも 0.7-0.9の範囲にあるとするとき、少な くとも 95 mol.% の(W_x Ti_1-x ) _y N_1-yを含むのが好適である（フィルムの残り の5 mol.% については、添加物又は不純物として他の物質を含むことが許される ）。そのようなWTiNフィルムは導電性で、典型的には30 ppm/Kより小さいTCR を 持ち、例えば窒素ガスを含む雰囲気中で WTi合金ターゲットをスパッタして容易 に溶着できる。拡散障壁の約100 nmという最小の厚さは、一般的に有効な機能を 保証するのに十分である。 本発明の反拡散障壁で用いられる適切な非導電素材の一例はSiO₂である。 本発明の構造体に使用する適切なオーム抵抗の高い合金素材としては、例えば CrSi，CrSiN，CrSiO等があり、また模範的なオーム抵抗の低い合金素材としては CuNi，NiCr，NiCrAlがある。このような素材は、例えば個々の単一コンポネント のターゲットから共スパッタ(co-sputtering) によって、又は合金ターゲットか ら単一ターゲット・スパッタ(single-target sputtering)によって溶着すること ができ、その場合にＯ又はＮの含有量は、酸素又は窒素をそれぞれ含む雰囲気中 で溶着を行うことによって達成できる。あるいはその代わりに、酸化物又は窒化 物の素材を真空中でスパッタしてもよい。特に好適な抵抗フィルムの組合せとし ては、オーム抵抗の高い方は 0.7≦ｘ≦0.8 なるSi_x Cr_1-x を用い、それに関連 してオーム抵抗の低い方は 0.6≦ｙ≦0.7 なるCu_y Ni_1-y を用いる。この特定の 組合せによってオーム抵抗の高いフィルムのシート抵抗はオーム抵抗の低いフィ ルムのシート抵抗の約1000倍を上回る。 本発明の抵抗構造体は、丁度２つよりも更に多い抵抗フィルムを用いて実現す ることも可能であることは云うまでもない。そのような多層抵抗構造体では、反 拡散フィルムがすべての連続累積的な抵抗フィルムの間に設けられなければなら ない。 抵抗構造体の個々の抵抗フィルムの間の本発明による拡散障壁以外にも、例え ば抵抗フィルムとそれに接続するすべての金属接触層との間にも拡散障壁を設け ることはやはり望ましい。この後の方の拡散障壁は、隣接する抵抗フィルム間に 挿入される本発明の拡散障壁と同じ組成のものである必要はない。例えばオーム 抵抗の高いCrSiフィルムとオーム抵抗の低いCuNiフィルムとの間に、反拡散フィ ルムとしてWTiNが用いられるのに対して、同じCuNiフィルムとその上に位置する Au又はAl接触層との間には拡散障壁としてWTi を用いることができる。 本明細書を通じて用いられる「構造体」(“structure”)という語はサンドイ ッチ又は一般的に多層の形態を指すものであって、その層組成がマスキングとか エッチングとか又はその他の技術を用いてパターン化してあるか否かは問うとこ ろではない、ということに留意されたい。同様に、「フィルム」という語も拡張 可能なシート状の層を指すこともあり、幅の狭いストリップ状の層を指すことも あるが、いずれにしてもそれ以上の形状ないしパターンには無関係である。 次に本発明及びそれに付帯する利点が、模範的実施例と付属図面とを用いて更 に詳細に説明される。図面は均一のスケールのものではなく： 図１は、本発明による抵抗構造体の一部の断面図であり； 図２は、図１の対象に引き続き多数の選択的エッチング工程を施した結果とし て描かれた模範的な集積化された抵抗ネットワークを示す図である。模範的実施例 図１及び図２は、本発明による抵抗構造体の、種々の製造段階を示すものであ る。両図の対応する部分には同一の参照記号ないし番号が付されている。 図１には、基板11に１番目の抵抗フィルム13と２番目の抵抗フィルム17とを設 けてあることが示されている。フィルム13の抵抗素材とフィルム17の抵抗素材と は相互に異なるものとし、それによってフィルム13のシート抵抗はフィルム17の シート抵抗を大幅に上回る（約1000倍程度を好適とする）ものとする。本発明に よれば、フィルム13とフィルム17との間に導電反拡散フィルム（拡散障壁）15が 挿入される。この構造体には更に電気的接触フィルム21が設けられ、それは拡散 障壁19によって抵抗フィルム17から隔離されている。 特定の実施例として、茲に示す抵抗構造体の各種コンポネントは具体的には次 の通りにすることができる： 基板11：研磨されたＨＦ浸漬Al₂O₃； １番目の抵抗フィルム13：焼結Si-Cr-SiO₂ターゲットからＲＦスパッター 溶着により得られた(Si₇₅Cr₂₅)₈₀O₂₀．275Ｗの電力で30分間スパッターした後に 、そのようなフィルムの厚さは約 75 nmであり、そのシート抵抗は近似的に 2-3 kΩである； 反拡散フィルム15：N₂の存在する中で W₇₀Ti₃₀ターゲットから反応スパッ ター溶着により得られた(W₈₀Ti₂₀)₈₀N₂₀．そのようなフィルムの典型的な厚さは 約100 nmであり、そのシート抵抗は近似的に35Ωである； ２番目の抵抗フィルム17：ＤＣスパッター溶着により得られたCu₆₆Ni₃₄． そのようなフィルムの厚さは 750Ｗの電力で10分間スパッターした後において 2 000 nm程度であり、そのシート抵抗は 2-3Ω程度である； 拡散障壁19：その厚さが約 150 nmのスパッターした W₇₅Ti₂₅； 電気的接触フィルム21：その厚さが約 500 nmのAl． フィルム13-21 の溶着に引き続いて、該構造体の全体が 425°Ｃの温度で15時 間に亙り焼なましされる。この焼なまし工程の後では、該構造体のTCR は（特に １番目の抵抗フィルムのそれは）50 ppm/Kより小さいことが観測され、フィルム 13のシート抵抗は依然としてフィルム17のシート抵抗を約1000倍程度上回ってい ることが判っている。 図２は、説明用の選択的マスキング工程及びエッチング工程を幾つか実行する のに引き続いて、焼なましのなされる図１の対象を示す。説明の便宜のために、 この図には直交座標(x,y,z) が定義され、ｘ軸及びｚ軸は基板11の面に平行で、 ｙ軸はその平面に垂直である。図に見られる通り、フィルム13-21 の一部分は局 部的に除去されていて、基板11の裸のストリップが (x,y)平面に露出するように なっていると共に、孤立したストリップＡ，Ｂ，及びＣが形成されている。 ストリップＡにおいては、フィルム21及びフィルム19が、ストリップの両端の ２つの部分23A,25A 以外では除去されている。これらの部分23A,25A は、その間 に挿入された抵抗フィルムのための電気的接点として用いられる。フィルム17A の抵抗はフィルム13A の抵抗より遙に小さいから（そしてフィルム17A はフィル ム13A をシャントするように使われているのだから）、点23A と点25A との間で 測定される抵抗値は比較的小さい。 ストリップＢのフィルム構成はストリップＡと同様であるが、幾何学的形状が 異なり、それは平面内で意図的に屈曲しているので、端点23B と端点25B との間 の実効経路長が増加している。その結果、これらの端点間で測定された電気抵抗 は、点23A と点25A との間で測定されたものより高い。 ストリップＣは、その幾何学的形状がストリップＡと類似であるが、フィルム 構成が異なるもので、オーム抵抗の高いフィルム13C のみから成っている（オー ム抵抗の低いフィルム17C はエッチングにより除去されている）。従って点23C と点25C との間で測定される抵抗値は、点23B と点25B との間のようなオーム抵 抗の低いシャントが存在しないから、点23B と点25B との間で測定される抵抗値 より高い。 上記に引用した測定値は別として、多層ストリップＡ，Ｂ，及びＣの抵抗値は 、ストリップのｘ軸方向の幅を適切に選ぶことにより正確に調整できる。云うま でもなく、このような抵抗ストリップは、多くの異なる幾何学的形状をとること ができ、その下に在る基板の表面に様々のパターンで配置することができる。シ ート抵抗は、１番目のフィルムと２番目のフィルムとでは典型的に1000倍の差が あると仮定して、極めて広汎な範囲(1Ω−1MΩ) の抵抗値を単一の基板上で得る ことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１番目の抵抗素材のフィルム及び２番目の抵抗素材のフィルムが、基板の少 なくとも一方の側に設けられて成り、該１番目のフィルムの抵抗素材と２番目の フィルムの抵抗素材とは相互に異なるものであるところの基板を有する電気的抵 抗構造体において、 上記１番目のフィルムと２番目のフィルムとの間に、反拡散フィルムが配置 されることを特徴とする電気的抵抗構造体。 ２．上記反拡散フィルムは導電性であることを特徴とする請求項１に記載の電気 的抵抗構造体。 ３．上記反拡散フィルムの素材は、WTi 合金を含むことを特徴とする請求項２に 記載の電気的抵抗構造体。 ４．上記反拡散フィルムの素材は、WTiN合金を含むことを特徴とする請求項３に 記載の電気的抵抗構造体。 ５．１番目の抵抗素材のフィルムはSiCr合金を含み、２番目の抵抗素材のフィル ムはCuNi合金を含むことを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に 記載の電気的抵抗構造体。 ６．反拡散フィルムの素材は、SiO₂を含むことを特徴とする請求項１に記載の電 気的抵抗構造体。