Проектирование тонкопленочных интегральных схем с повышенной надежностью

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ 
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ 
С ПОВЫШЕННОЙ 
НАДЕЖНОСТЬЮ
В.И. КРЮЧАТОВ
Рекомендовано к изданию 
Учебно-методическим управлением КНИТУ-КАИ
Москва
ИНФРА-М
2025
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.389(075.8)
ББК 32.85я73
 
К85
Р е ц е н з е н т ы:
Гильмутдинов А.Х., доктор технических наук, профессор, начальник 
отдела научно-производственного объединения «Радиоэлектроника» 
имени В.И. Шимко, г. Казань;
Сушенцов Н.И., кандидат технических наук, доцент, заведующий 
кафедрой конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар- Ола
ISBN 978-5-16-020043-9 (print)
ISBN 978-5-16-112587-8 (online)
© Крючатов В.И., 2025
Крючатов В.И.
К85  
Проектирование тонкопленочных интегральных схем с повышенной 
надежностью : учебное пособие / В.И. Крючатов. —  Москва : ИНФРА-М, 
2025. —  184 с. — (Высшее образование). —  DOI 10.12737/2155769.
ISBN 978-5-16-020043-9 (print)
ISBN 978-5-16-112587-8 (online)
В учебном пособии рассмотрены проблемы и пути повышения надежности и выхода годных плат тонкопленочных интегральных схем (ИС) 
с резистивными элементами.
Предложены современные технологии тонкопленочных интегральных 
схем с резистивными элементами, в том числе интегральных схем сверхвысокочастотного диапазона (ИС СВЧ), с повышенной надежностью.
Описаны принципы и разработанные на их основе новые методы проектирования тонкопленочных резисторов с использованием основных положений теории вероятностей, учитывающих производственные погрешности конструктивно- технологических параметров резисторов, которые 
возникают при их изготовлении. Рассмотрены системы автоматизированного проектирования резистивных элемен тов и автоматизированного 
статистического контроля качества, анализа и регулирования технологических процессов изготовления интегральных схем с резистивными элементами с учетом контактных сопротивлений для обеспечения высокой 
воспроизводимости электрических параметров в условиях серийного производства и надежности в процессе эксплуатации.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов, обучающихся по направлениям 11.03.03 и 11.04.03 
«Конструирование и технология электронных средств».
УДК 621.389(075.8)
ББК 32.85я73

Предисловие
Конструкторско-технологическое проектирование микроэлектронных изделий на базе тонкопленочных гибридных интегральных схем (ГИС) является важнейшим этапом создания 
современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), поскольку 
от уровня их параметров и характеристик зависят параметры и характеристики РЭА.
Необходимость издания учебного пособия вызвана отсутствием 
нормативной документации и учебно-методической литературы 
с изложением современной технологии, автоматизированных методов проектирования и статистического контроля качества резистивных элемен тов тонкопленочных интегральных схем, позволяющих существенно повысить надежность радиоэлектронной 
аппаратуры на основе гибридных интегральных микросхем и микросборок. Поэтому получаемые обучающимися знания из существующих источников в части проектирования гибридных интегральных схем с тонкопленочными резистивными элементами 
не соответствуют современным требованиям, предъявляемым 
к проектированию и серийному производству специальной радиоэлектронной аппаратуре, когда требование высокой надежности 
выдвигается на первый план.
Целью учебного пособия является освоение обучающимися 
теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и серийного производства высоконадежных тонкопленочных ГИС с улучшенными эксплуатационными 
и электрическими характеристиками.
Важными аспектами являются изложенные в учебном пособии 
исследования новых технологий изготовления элемен тов конструкций тонкопленочных ИС, разработанные на основе этих исследований новые методы проектирования и методики расчетов 
тонкопленочных резисторов, а также новые методики определения 
производственных погрешностей конструктивно-технологических 
параметров (КТП) резистивных элемен тов, включая контактные 
сопротивления. В учебном пособии показано, что путем оптимизации структуры элемен тов конструкции ИС, их размеров, подбора 
совокупности применяемых материалов, разработки новых методов 
проектирования, технологических процессов изготовления, применения автоматизированных систем технологического обеспечения 
качества при серийном изготовлении можно существенно повысить 

надежность, уровень электрических характеристик ГИС и поднять 
эффективность серийного производства.
Изложенные в учебном пособии материалы могут быть использованы обучающимися при исследованиях и проектировании ГИС, 
а также являются существенным дополнением при изучении дисциплины «Проектирование интегральных микросхем».
В результате изучения учебного пособия студент должен:
знать
 
• современные технологические процессы производства тонкопленочных интегральных схем и тенденции их развития;
 
• методику оперативного определения производственных погрешностей конструктивно-технологических параметров, основанную на измерении сопротивлений тестовых резисторов;
 
• методику расчета тонкопленочных резисторов с использованием 
основных положений теории вероятностей при учете производственных погрешностей и контактных сопротивлений;
уметь
 
• применять полученные знания при разработке технологий 
и проектировании тонкопленочных резисторов интегральных 
схем с резисторами;
 
• использовать автоматизированные системы контроля, анализа 
и регулирования технологических процессов при изготовлении 
интегральных схем с резисторами;
владеть
 
• методиками и программными средствами автоматизированного 
проектирования резистивных элемен тов и автоматизированного 
статистического контроля качества, анализа и регулирования 
технологических процессов изготовления интегральных схем 
с резистивными элементами с учетом контактных сопротивлений;
 
• методами оценки надежности и выхода годных ИС с резистивными элементами.
В первой главе проведен анализ путей повышения качества и надежности существующих конструкций и технологий изготовления 
тонкопленочных ИС с резистивными элементами. Рассмотрены 
существующие технологии изготовления ИС и пути их совершенствования, проблемы обеспечения температурной и временной 
стабильности резисторов, электрическое сопротивление контакта 
резисторов, методы их расчета и необходимость учета, способы 
измерения и определения контактных сопротивлений, надежность 
проводников ИС. Большое внимание уделено тестовым структурам 
и математическим моделям для автоматизации процессов проекти

рования, контроля качества и управления технологическими процессами изготовления компонентов ИС. Выявлены недостатки существующих конструкторско-технологических решений.
Во второй главе рассмотрены современные технологии тонкопленочных ИС с повышенной надежностью: структура проводников ИС, технологические маршруты изготовления ИС, технология тонкопленочных резисторов с малым переходным сопротивлением контактов, технология лазерной подгонки, обеспечивающая 
высокую стабильность резисторов.
Третья глава посвящена автоматизированным системам технологического обеспечения качества при серийном изготовлении тонкопленочных ИС с резистивными элементами с учетом контакт ных 
сопротивлений. Обоснована необходимость учета контактных сопротивлений при контроле качества изготовления ИС и расчете 
тонкопленочных резисторов. Приведены тестовая резистивная 
структура и математические модели, устанавливающие взаимосвязь погрешностей сопротивлений тонкопленочных резисторов 
с погрешностями их конструктивно-технологических параметров 
(КТП), включая контактные сопротивления. Описана методика расчета производственных погрешностей КТП тонкопленочных резисторов, включая контактные сопротивления. Также в третьей главе 
приведена методика автоматизации статистического контроля, анализа и регулирования технологических процессов изготовления 
ИС при учете контактных сопротивлений.
Четвертая глава посвящена проектированию резисторов тонкопленочных ИС с учетом производственных погрешностей, 
включая контактные сопротивления. Приведены основные формулы для учета производственных погрешностей КТП при расчете 
тонкопленочных резисторов, алгоритмы расчета резисторов, позволяющие разработать программы расчета на персо нальном компьютере.
В приложениях дано описание программы расчета прецизионных тонкопленочных резисторов с учетом производственных 
погрешностей и контактных сопротивлений, а также рассмотрены 
примеры расчета тонкопленочных резисторов и контроля качества 
партии ИС с резистивными элементами по измеренным значениям 
сопротивлений тестовых структур.

Условные обозначения и сокращения
R —  величина сопротивления резистора
R
Δ  —  допуск на сопротивление резистора в относительных единицах
s
ρ  —  удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя
l, b —  соответственно длина и ширина резистора
k
R , 
k
ρ  —  соответственно переходное сопротивление контакта 
и удельное переходное сопротивление контакта
d —  длина перекрытия резистивной и проводящей пленок контакта
n
δ  —  коэффициент, допускающий величину погрешности, вносимой контактным сопротивлением в общую погрешность изготовления резистора
kl  —  минимально допускаемая длина резистора, при которой 
контактные сопротивления можно не учитывать
0i
R  —  номинальное значение сопротивления резистора i-го типа
0s
ρ  —  номинальное значение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки
0i
l  —  номинальное значение длины резистора i-го типа
0i
b  —  номинальное значение ширины резистора i-го типа
ib∗ —  ширина резистора i-го типа, откорректированная с учетом 
контактного сопротивления
i
R , il , ib , 
ki
R  —  сопротивление, длина, ширина и переходное сопротивление контактов резистора i-го типа соответственно
1
Т
R , 
2
Т
R , 
3
Т
R , 
4
Т
R  —  номинальные величины сопротивлений тестовых резисторов
1
Тl , 
2
Тl , 
3
Тl , 
4
Тl  —  соответственно номинальные длины тестовых резисторов
1
Тb , 
2
Тb , 
3
Тb , 
4
Тb  —  соответственно номинальные ширины тестовых 
резисторов
, 
,
,
,
Tiq
Tiq
kTiq
Tiq
sq
R
l
b
R
ρ
 — соответственно величины сопротивлений 
и КТП изготовленных тестовых резисторов i-го типа q-й тестовой 
резистивной структуры
,
Тi j
b
 —  номинальная ширина пары резисторов 
,
Т
Т
i
j
R
R  с одной 
общей контактной площадкой при одинаковой ширине Т
Т
i
j
b
b
=
,
Т
Т
iq
k iq
R
R
Δ
Δ
 —  соответственно погрешность тестового резистора 
и погрешность контактного сопротивления изготовленного тестового резистора i-го типа q-й тестовой резистивной структуры

,
,
sq
q
q
l
b
Δρ
Δ
Δ
 —  величины систематических погрешностей соответственно удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины резисторов q-й тестовой резистивной структуры
,
Т
Т
iq
jq
R
R
 —  величины сопротивлений пары изготовленных резисторов тестовой структуры соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R  одинаковой ширины с одной общей контактной площадкой q-й тестовой резистивной структуры
,
Тi jq
b
 —  ширина пары изготовленных тестовых резисторов 
,
Т
Т
i
j
R
R  
с одной общей контактной площадкой при одинаковой ширине 
Т
Т
iq
jq
b
b
=
 q-й тестовой резистивной структуры
Тiq
l
, Тjq
l
 —  длины парных изготовленных тестовых резисторов соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R  q-й тестовой резистивной структуры
Т
k iq
R
, 
Т
k jq
R
, 
,
Т
k i jq
R
 —  сопротивления контактов пары тестовых резисторов соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R  одинаковой ширины q-й тестовой 
резистивной структуры
siq
ρ
, 
sjq
ρ
, 
sq
ρ  —  соответственно удельные поверхностные сопротивления резистивной пленки в местах расположения тестовых резисторов q-й тестовой резистивной структуры
,
,
kiq
kjq
kq
ρ
ρ
ρ  —  соответственно удельные переходные сопротивления контактов в местах расположения тестовых резисторов q-й 
тестовой резистивной структуры
Тil , Тjl  —  номинальные длины парных тестовых резисторов соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R
,
Тi jq
a
, 
,
Тi jq
d
 —  коэффициенты, определяющие величины контактных сопротивлений пары резисторов соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R  одинаковой ширины для q-й тестовой резистивной структуры
q —  номер тестовой структуры или платы
g —  количество тестовых структур
Rki
m
, 
Rki
σ
 —  соответственно оценки математического ожидания 
и среднеквадратического отклонения контактного сопротивления 
резисторов i-го типа шириной ib  для генеральной характеристики
,
Т
Rk i j
m
 —  оценка математического ожидания контактных сопротивлений пары резисторов 
,
Т
Т
i
j
R
R  одинаковой ширины для генеральной характеристики
,
,
,
Т
Т
i j
i j
a
d
 —  коэффициенты, определяющие среднюю величину 
контактных сопротивлений пары резисторов соответственно 
,
Т
Т
i
j
R
R  
одинаковой ширины
,
Т
Т
R
R
i
j
m
m
 —  соответственно оценки математических ожиданий 
сопротивлений парных резисторов тестовой структуры для генеральной характеристики

Т
R i
m
μ —  оценка математического ожидания тестового резистора 
i-го типа при изготовлении μ-й партии подложек
Тi
P μ —  вероятность выхода годных тестовых резисторов i-го типа 
μ-й партии подложек
μ
β  —  вероятность выхода годных всех тестовых резисторов μ-й 
партии подложек
кр
β  —  минимальная вероятность выхода годных тестовых резисторов, при которой достигается планируемый процент выхода 
годных резистивных элемен тов ИС
,
Т
b i j
m
 —  среднее значение ширины парных резисторов тестовой 
структуры
Т
R i
σ
 —  оценка среднеквадратического отклонения сопротивления 
тестового резистора i-го типа для генеральной характеристики
Тi
V  —  коэффициент вариации сопротивления тестового резистора 
i-го типа
,
,
s
l
b
μ
μ
μ
Δρ
Δ
Δ
 —  оценки систематических погрешностей соответственно удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины резисторов ИС по μ-й партии подложек
1,2
Т
Rk
m
μ, 
3,4
Т
Rk
m
μ —  оценки средних величин контактных сопротивлений пар резисторов соответственно 
1
2
,
Т
Т
R
R  и 
3
4
,
Т
Т
R
R  тестовой 
структуры по μ-й партии подложек
k
mρ μ —  оценка средней величины удельного переходного сопротивления контактов резистивных элемен тов ИС по μ-й партии подложек
s
S
μ
ρ , 
lS μ, 
b
S μ —  оценки среднеквадратических отклонений погрешностей соответственно удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины резистивных элемен тов ИС по μ-й партии 
подложек
1,2
Т
k
R
S
μ, 
3,4
Т
k
R
S
μ —  оценки среднеквадратических отклонений контактных сопротивлений пар резисторов соответственно 
1
2
,
Т
Т
R
R  и 
3
4
,
Т
Т
R
R  тестовой структуры по μ-й партии подложек
k
S
μ
ρ  —  оценка среднеквадратического отклонения удельного переходного сопротивления контактов резистивных элемен тов ИС 
по μ-й партии подложек
,
Т
k i j
R
S
μ —  оценка среднеквадратического отклонения контактных 
сопротивлений пар резисторов 
,
Т
Т
i
j
R
R  тестовой структуры по μ-й 
партии подложек
s
Sρ , 
b
S , 
l
S , 
k
Sρ  —  средние значения среднеквадратических отклонений соответственно удельного поверхностного сопротивления, 
ширины, длины резисторов и удельного переходного сопротив

ления контактов соответственно, определенные по n партиям подложек
s
Sρ , 
b
S , 
lS , 
k
Sρ  —  соответственно среднеквадратические отклонения погрешностей КТП относительно средних значений среднеквадратических отклонений, определенные по n партиям подложек
0
s
Sρ , 
0
b
S , 
0
lS , 
0
k
Sρ  —  соответственно среднеквадратические отклонения средних значений КТП резисторов, характеризующие разброс средних значений погрешностей КТП резисторов между партиями подложек
Ri
m , 
i
R
Δ
, 
Ri
σ , 
i
R
V  —  оценки соответственно математического ожидания, систематической погрешности, среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации сопротивления резистора i-го 
типа соответственно для генеральной характеристики (оценки, 
определяемые для большого объема выборки по большому количеству партий)
s
mρ , 
s
Δρ , 
s
ρ
σ , 
s
Vρ  —  оценки соответственно математического ожидания, систематической погрешности, среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации удельного поверхностного 
сопротивления резистивной пленки соответственно для генеральной характеристики
b
Δ , 
b
σ  —  оценки соответственно систематической погрешности 
и среднеквадратического отклонения ширины резисторов для генеральной характеристики
bi
m , 
ib
V  —  соответственно математическое ожидание и коэффициент вариации ширины резистора i-го типа
l
Δ , 
l
σ  —  оценки соответственно систематической погрешности 
и среднеквадратического отклонения длины резисторов для генеральной характеристики
li
m , 
ilV  —  соответственно математическое ожидание и коэффициент вариации длины резистора i-го типа
k
mρ , 
k
ρ
σ  —  оценка соответственно математического ожидания 
и среднеквадратического отклонения удельного переходного сопротивления контактов резисторов для генеральной характеристики
,
Т
k i j
R
S
 —  средние значения среднеквадратических отклонений 
контактных сопротивлений парных резисторов по результатам статистического контроля n партий подложек
,
Т
k i j
R
S
 —  среднеквадратические отклонения относительно 
средних значений среднеквадратических отклонений контактных 

сопротивлений парных резисторов по результатам статистического 
контроля n партий подложек
, 0
Т
k i j
R
S
 —  среднеквадратические отклонения средних значений 
контактных сопротивлений парных резисторов
,
Т
Rk i j
σ
 —  среднеквадратическое отклонение контактных сопротивлений пары резисторов 
,
Т
Т
i
j
R
R  одинаковой ширины для генеральной характеристики
,
A C —  соответствующие эмпирические коэффициенты для определения зависимости среднеквадратических отклонений контактных сопротивлений от ширины резисторов
Г l μ
Δ , Г bμ
Δ  —  границы регулирования для оценок соответственно 
средних погрешностей длины и ширины μ-й партии подложек
Г
s
mρ μ , Г
k
mρ μ —  границы регулирования для оценок соответственно 
средних значений удельного поверхностного сопротивления 
и удельного переходного сопротивления контактов μ-й партии подложек
ГSlμ, ГSbμ —  границы регулирования для оценок среднеквадратических отклонений погрешностей соответственно длины и ширины 
μ-й партии подложек соответственно
ГS s
ρ μ , ГS k
ρ μ —  границы регулирования для оценок среднеквадратических отклонений погрешностей соответственно удельного поверхностного сопротивления и удельного переходного сопротивления контактов μ-й партии подложек
,
,
,
,
R
l
b
R
i
i
s
ki
i
ρ
γ
γ
γ
γ
γ
 —  относительная погрешность соответственно 
сопротивления, длины, ширины, удельного поверхностного сопротивления и контактного сопротивления изготовленного резистора 
i-го типа
Rt
γ
 —  относительная температурная погрешность резистора
ст
R
γ
 —  относительная погрешность резистора, вызванная старением
ф
к i
γ
 —  относительная погрешность коэффициента формы резистора i-го типа
Ri
δ , 
Rki
δ
 —  половина поля рассеяния погрешностей соответственно сопротивления и контактного сопротивления резистора 
i-го типа
lδ , 
b
δ , 
s
ρ
δ  —  половина поля рассеяния погрешностей соответственно длины, ширины и удельного поверхностного сопротивления
R
α  —  температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистивной пленки