随着系统集成封装（SIP）技术发展，嵌入式薄膜电阻需同时满足高方块电阻（>100 Ω/sq）和近零电阻温度系数（│TCR│<50 ppm/K）的严苛要求。传统NiCr电阻因低方块电阻（通常<50 Ω/sq）和TCR正偏移难以达标。

本实验借助xfilm离线半自动四探针测试技术，精准量化薄膜电阻的电学性能，结合磁控溅射工艺研究了铝Al插入层厚度、NiCr电阻层厚度以及退火工艺对Al/NiCr双层薄膜方块电阻（Rₛ）和电阻温度系数（TCR）的影响。

Al/NiCr双层薄膜中电子传输行为示意图

实验方法

样品制备

磁控溅射法：在Al₂O₃基板上沉积Al（0-10 nm）/NiCr（5-20 nm）双层薄膜，溅射速率（Al: 0.05 nm/s, NiCr: 0.073 nm/s）。

对比组：制备NiCr/Al（Al作为顶置层）结构，验证Al夹层的关键作用。

退火工艺：部分样品在真空环境下300°C退火1小时。

测量方法

方块电阻：采用四探针结合霍尔棒结构测量，避免接触电阻干扰。

TCR测试：−55°C至125°C循环测量，每25°C恒温5分钟，计算TCR：

材料表征：AFM（表面粗糙度）、XRD（晶体结构）、HRTEM与EDS（元素扩散）。

铝插入层厚度对电学性能的影响

Al插入层厚度对Al/NiCr双层薄膜电学性能的影响(a)-(c) 方块电阻；(d)-(f) TCR

方块电阻Rs

当铝夹层厚度tAl从 2.5 nm 增加至 7.5 nm 时，Al/NiCr 双层薄膜的方块电阻Rs呈现先增后减的趋势，在tAl=5nm时达到峰值（265.95 Ω/sq，tNiCr=10 nm，300℃退火）。这一现象归因于界面扩散与晶粒尺寸效应：

当tAl<5nm时，退火促进 NiCr 结晶，缺陷减少导致Rs下降；

当tAl≥5 nm时，Al-NiCr 互扩散形成 15 nm 厚的 NiCrAl 中间层，同时 NiCr 层内小晶粒增多（晶粒尺寸 < 10 nm），晶界散射主导使Rs显著提升；

当tAl>7.5 nm时，Al 层成为主要导电通道，导致Rs下降。

电阻温度系数TCR调控：

Al夹层使TCR 随tAl增加呈现 “先降后升” 趋势，在tAl = 7.5 nm时达到最低值 - 6.61 ppm/K（tNiCr=10nm，400℃退火）。

退火工艺的界面效应

Al/5 nm NiCr双层薄膜的表面成分与形貌分析

Al/NiCr双层薄膜的X射线衍射（XRD）图谱

表面成分（XPS）：300°C退火后，Al向NiCr层扩散，形成Al-O/NiCr混合界面（抑制NiCr氧化）。

微观结构（HRTEM）：

7.5 nm Al/20 nm NiCr双层薄膜的横截面显微结构分析

未退火样品：Al/NiCr界面清晰。

退火后：界面处生成非晶态Al₂Oₓ扩散阻挡层（厚度~2 nm），减少晶格失配应力。

电阻稳定性：退火后Rₛ略微下降（5.3%），但TCR优化幅度更大。

Al夹层与顶置结构的对比

Al顶置层厚度对NiCr/Al双层薄膜电学性能的影响(a)-(c) 方块电阻；(d)-(f) TCR

设计 NiCr/Al 对照组（Al 层位于上方）发现，其Rs随tAl增加单调下降，TCR 负移幅度显著小于 Al 插入层结构。这是由于覆盖层 Al 无法有效诱导 NiCr 层内的晶粒细化与界面扩散，且自身高导电性会降低整体阻值。

该对比证实了中间层位置对界面调控的决定性作用—— 底部 Al 层通过晶格失配与扩散源双重机制，显著提升调控效率。

性能优化与应用潜力

通过正交实验确定最优工艺窗口：tAl=5~7.5nm，tNiCr=10~20 nm，退火温度 300~400℃。在此范围内，可获得：

方块电阻范围：93.34~1439.01 Ω/sq（覆盖嵌入式电阻器的典型需求）；

TCR 范围：-6.61~+78.81 ppm/K（近零 TCR 精度达 ±10 ppm/K）。

与商用产品相比，本研究材料在高阻区（>200 Ω/sq）和 TCR 稳定性方面具有显著优势。

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），满足 CMOS 后端工艺的热稳定性要求。此外，Al 的低成本与磁控溅射的大面积沉积能力，为规模化生产提供了工艺基础。

通过磁控溅射法制备不同结构的Al/NiCr双层薄膜，采用四探针法测量方块电阻，结果显示7.5 nm Al夹层可使20 nm NiCr薄膜的Rₛ提升至265.95 Ω/sq，同时TCR优化至−6.61 ppm/K；300°C退火后，Al/NiCr界面反应形成扩散阻挡层，有效降低TCR，为高精度薄膜电阻器件的优化提供实验依据。

xfilm离线半自动四探针

xfilm离线半自动四探针是专为科学研究设计的半自动四探针方阻测试仪，可以对最大450mm*400mm 样品进行快速、准确的测试， 获得样品不同位置的方阻/电阻率信息。

超宽测量范围：1 mΩ~100 MΩ；

最大样品尺寸：450 mm*400 mm；

测量精度： 0.1%(标准电阻片,带第三方检测认证)；

重复性：在测量标准电阻片时，测量重复性为＜0.2%

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