隨著系統(tǒng)集成封裝（SIP）技術(shù)發(fā)展，嵌入式薄膜電阻需同時滿足高方塊電阻（>100 Ω/sq）和近零電阻溫度系數(shù)（│TCR│<50 ppm/K）的嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)NiCr電阻因低方塊電阻（通常<50 Ω/sq）和TCR正偏移難以達(dá)標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)借助xfilm離線半自動四探針測試技術(shù)，精準(zhǔn)量化薄膜電阻的電學(xué)性能，結(jié)合磁控濺射工藝研究了鋁Al插入層厚度、NiCr電阻層厚度以及退火工藝對Al/NiCr雙層薄膜方塊電阻（R?）和電阻溫度系數(shù)（TCR）的影響。

Al/NiCr雙層薄膜中電子傳輸行為示意圖

實(shí)驗(yàn)方法

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樣品制備

• 磁控濺射法：在Al?O?基板上沉積Al（0-10 nm）/NiCr（5-20 nm）雙層薄膜，濺射速率（Al: 0.05 nm/s, NiCr: 0.073 nm/s）。
• 對比組：制備NiCr/Al（Al作為頂置層）結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證Al夾層的關(guān)鍵作用。
• 退火工藝：部分樣品在真空環(huán)境下300°C退火1小時。

測量方法

• 方塊電阻：采用四探針結(jié)合霍爾棒結(jié)構(gòu)測量，避免接觸電阻干擾。
• TCR測試：?55°C至125°C循環(huán)測量，每25°C恒溫5分鐘，計(jì)算TCR：

• 材料表征：AFM（表面粗糙度）、XRD（晶體結(jié)構(gòu)）、HRTEM與EDS（元素?cái)U(kuò)散）。

鋁插入層厚度對電學(xué)性能的影響

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Al插入層厚度對Al/NiCr雙層薄膜電學(xué)性能的影響(a)-(c) 方塊電阻；(d)-(f) TCR

• 方塊電阻Rs

當(dāng)鋁夾層厚度tAl從 2.5 nm 增加至 7.5 nm 時，Al/NiCr 雙層薄膜的方塊電阻Rs呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在tAl=5nm時達(dá)到峰值（265.95 Ω/sq，tNiCr=10 nm，300℃退火）。這一現(xiàn)象歸因于界面擴(kuò)散與晶粒尺寸效應(yīng)：> 當(dāng)tAl<5nm時，退火促進(jìn) NiCr 結(jié)晶，缺陷減少導(dǎo)致Rs下降；> 當(dāng)tAl≥5 nm時，Al-NiCr 互擴(kuò)散形成 15 nm 厚的 NiCrAl 中間層，同時 NiCr 層 內(nèi)小晶粒增多（晶粒尺寸 < 10 nm），晶界散射主導(dǎo)使Rs顯著提升；> 當(dāng)tAl>7.5 nm時，Al 層成為主要導(dǎo)電通道，導(dǎo)致Rs下降。

• 電阻溫度系數(shù)TCR調(diào)控：

Al夾層使TCR 隨tAl增加呈現(xiàn)“先降后升”趨勢，在tAl= 7.5 nm時達(dá)到最低值 - 6.61 ppm/K（tNiCr=10nm，400℃退火）。

退火工藝的界面效應(yīng)

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Al/5 nm NiCr雙層薄膜的表面成分與形貌分析

Al/NiCr雙層薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜表面成分（XPS）：300°C退火后，Al向NiCr層擴(kuò)散，形成Al-O/NiCr混合界面（抑制NiCr氧化）。微觀結(jié)構(gòu)（HRTEM）：

7.5 nm Al/20 nm NiCr雙層薄膜的橫截面顯微結(jié)構(gòu)分析

未退火樣品：Al/NiCr界面清晰。退火后：界面處生成非晶態(tài)Al?O?擴(kuò)散阻擋層（厚度~2 nm），減少晶格失配應(yīng)力。電阻穩(wěn)定性：退火后R?略微下降（5.3%），但TCR優(yōu)化幅度更大。

Al夾層與頂置結(jié)構(gòu)的對比

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Al頂置層厚度對NiCr/Al雙層薄膜電學(xué)性能的影響(a)-(c) 方塊電阻；(d)-(f) TCR

設(shè)計(jì) NiCr/Al 對照組（Al 層位于上方）發(fā)現(xiàn)，其Rs隨tAl增加單調(diào)下降，TCR 負(fù)移幅度顯著小于 Al 插入層結(jié)構(gòu)。這是由于覆蓋層 Al 無法有效誘導(dǎo) NiCr 層內(nèi)的晶粒細(xì)化與界面擴(kuò)散，且自身高導(dǎo)電性會降低整體阻值。該對比證實(shí)了中間層位置對界面調(diào)控的決定性作用—— 底部 Al 層通過晶格失配與擴(kuò)散源雙重機(jī)制，顯著提升調(diào)控效率。

性能優(yōu)化與應(yīng)用潛力

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通過正交實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)工藝窗口：tAl=5~7.5nm，tNiCr=10~20 nm，退火溫度 300~400℃。在此范圍內(nèi)，可獲得：

• 方塊電阻范圍：93.34~1439.01 Ω/sq（覆蓋嵌入式電阻器的典型需求）；
• TCR 范圍：-6.61~+78.81 ppm/K（近零 TCR 精度達(dá) ±10 ppm/K）。

與商用產(chǎn)品相比，本研究材料在高阻區(qū)（>200 Ω/sq）和 TCR 穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。

400℃退火后的薄膜仍保持低 TCR（-8.06 ppm/K）和高方阻Rs（208.39 Ω / sq ），滿足 CMOS 后端工藝的熱穩(wěn)定性要求。此外，Al 的低成本與磁控濺射的大面積沉積能力，為規(guī)?；a(chǎn)提供了工藝基礎(chǔ)。通過磁控濺射法制備不同結(jié)構(gòu)的Al/NiCr雙層薄膜，采用四探針法測量方塊電阻，結(jié)果顯示7.5 nm Al夾層可使20 nm NiCr薄膜的R?提升至265.95 Ω/sq，同時TCR優(yōu)化至?6.61 ppm/K；300°C退火后，Al/NiCr界面反應(yīng)形成擴(kuò)散阻擋層，有效降低TCR，為高精度薄膜電阻器件的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

xfilm離線半自動四探針

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xfilm離線半自動四探針是專為科學(xué)研究設(shè)計(jì)的方阻測試儀，可以對最大450mm * 400mm 樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測試， 獲得樣品不同位置的方阻/電阻率信息。

• 超寬測量范圍：1 mΩ~100 MΩ；
• 最大樣品尺寸：450 mm*400 mm；
• 測量精度：0.1%(標(biāo)準(zhǔn)電阻片,帶第三方檢測認(rèn)證)；
• 重復(fù)性：在測量標(biāo)準(zhǔn)電阻片時，測量重復(fù)性為＜0.2%

本文更通過xfilm離線半自動四探針的高精度數(shù)據(jù)采集為薄膜電阻的工業(yè)化參數(shù)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)，為嵌入式電阻和半導(dǎo)體集成提供了兼具性能突破與工藝可行性的解決方案。

原文參考：《Achieving high sheet resistance and near-zero temperature coefficient of resistance in NiCr film resistors by Al interlayers》

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