隨著系統集成封裝（SIP）技術發展，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（│TCR│<50 ppm/K）的嚴苛要求。傳統NiCr電阻因低方塊電阻（通常<50 Ω/sq）和TCR正偏移難以達標。本實驗借助xfilm離線半自動四探針測試技術，精準量化薄膜電阻的電學性能，結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（TCR）的影響。

Al/NiCr雙層薄膜中電子傳輸行為示意圖

實驗方法

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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）結構，驗證Al夾層的關鍵作用。
• 退火工藝：部分樣品在真空環境下300°C退火1小時。

測量方法

• 方塊電阻：采用四探針結合霍爾棒結構測量，避免接觸電阻干擾。
• TCR測試：?55°C至125°C循環測量，每25°C恒溫5分鐘，計算TCR：

• 材料表征：AFM（表面粗糙度）、XRD（晶體結構）、HRTEM與EDS（元素擴散）。

鋁插入層厚度對電學性能的影響

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

• 方塊電阻Rs

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

• 電阻溫度系數TCR調控：

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

退火工藝的界面效應

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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層擴散，形成Al-O/NiCr混合界面（抑制NiCr氧化）。微觀結構（HRTEM）：

7.5 nm Al/20 nm NiCr雙層薄膜的橫截面顯微結構分析

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

Al夾層與頂置結構的對比

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

設計 NiCr/Al 對照組（Al 層位于上方）發現，其Rs隨tAl增加單調下降，TCR 負移幅度顯著小于 Al 插入層結構。這是由于覆蓋層 Al 無法有效誘導 NiCr 層內的晶粒細化與界面擴散，且自身高導電性會降低整體阻值。該對比證實了中間層位置對界面調控的決定性作用—— 底部 Al 層通過晶格失配與擴散源雙重機制，顯著提升調控效率。

性能優化與應用潛力

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通過正交實驗確定最優工藝窗口：tAl=5~7.5nm，tNiCr=10~20 nm，退火溫度 300~400℃。在此范圍內，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 ±10 ppm/K）。

與商用產品相比，本研究材料在高阻區（>200 Ω/sq）和 TCR 穩定性方面具有顯著優勢。

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，為規模化生產提供了工藝基礎。通過磁控濺射法制備不同結構的Al/NiCr雙層薄膜，采用四探針法測量方塊電阻，結果顯示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優化至?6.61 ppm/K；300°C退火后，Al/NiCr界面反應形成擴散阻擋層，有效降低TCR，為高精度薄膜電阻器件的優化提供實驗依據。

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研究設計的方阻測試儀，可以對最大450mm * 400mm 樣品進行快速、準確的測試， 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%(標準電阻片,帶第三方檢測認證)；
• 重復性：在測量標準電阻片時，測量重復性為＜0.2%

本文更通過xfilm離線半自動四探針的高精度數據采集為薄膜電阻的工業化參數設計提供了可靠依據，為嵌入式電阻和半導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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