DE2116828A1

DE2116828A1 - Elektrischer (Sicherungs ) Schmelzeinsatz

Info

Publication number: DE2116828A1
Application number: DE19712116828
Authority: DE
Inventors: Ralph Robert Mendham Greig William John Somerville N J Soden (V St A)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1971-04-06
Publication date: 1971-11-04
Also published as: NL7104679A; FR2085918B1; GB1336938A; US3619725A; FR2085918A1; AU2695271A

Description

□ipl.-lng. H. Sauenland ■ Dn.-ing. R. König

Dipl_o-Ing_o K. Bergen

Patentanwälte · 4odo Dusseldorr · Cecilienaliee 76 · Telefon 43Ξ7 3Ξ

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Unsere Akte: 26 590 5. April 1971

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y₀ 10020 (V.St.A₀)

"Elektrischer (Sicherungs-) Schmelzeinsatz"

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Schmelzeinsatz, insbesondere ein Dünnschicht-Schmelzeinsatz zur Verwendung innerhalb des Verbindungs-Netzwerks einer integrierten Schaltung.

Bei integrierten Schaltungen ist es oft wünschenswert, eine oder mehrere Schmelzsicherungen in die Schaltung einzubeziehen. Derartige Schmelzsicherungen können entweder dazu benutzt werden, daß gewisse Teile der Schaltung vor Überlastung geschützt werden oder auch dazu, daß das absichtliche Abschalten gewisser Elemente der Schaltung ermöglicht wird, indem man einen Strom in gewünschter Höhe durch die Schaltung schickt. Sieht man eine Schmelzsicherung für eine integrierte Schaltung vor, so müssen die folgenden Faktoren bei deren Konstruktion berücksichtigt werden:

(a) Da die Sicherung ein Bestandteil des Verbindungs-Netzwerks der Schaltung sein soll, sollte sie aus einem Material hergestellt werden, das sich mit dem Material des Verbindungs-Netzwerks verträgt, um so die Anzahl der Schritte beim Herstellen der Schmelzsicherung minimal zu halten_e

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(b) Die Schmelzsicherung muß aus einem Material bestehen, das durchbrennt, sobald der gewünschte Strom durch die Schmelzsicherung fließt, um so einen einwandfreien Betrieb der Sicherung zu ermöglichen.

.(c) Die Schmelzsicherung sollte aus einem Material bestehen, das eine Abwandlung des Sicherungs-Aufbaus dahingehend erlaubt, daß sich die Durchbrenn—Stromstärke innerhalb eines weiten Bereichs von Stromstärken frei auswählen läßt.

(d) Die Schmelzsicherung sollte sich ohne nachteilige Auswirkungen auf die Funktion möglichst klein gestalten lassen, damit sie innerhalb der Schaltung nur einen minimalen Platzbedarf hatl

Die erfindungsgemäße Sicherung wird im folgenden als Schmelzsicherung auf einem Substrat beschrieben, wobei die Schmelzsicherung zwei mit Abstand zueinander angeordnete metallische Schicht-Kontakte enthält sowie eine Schmelzsicherungs-Schicht aus Titan, die elektrisch mit den Kontakten verbunden ist und sich zwischen diesen Kontakten erstreckt. Die Kontakte bestehen aus einem Metall, dessen Leitfähigkeit größer ist als diejenige der Titan-Schmelzsicherungs-Schicht. Letztere ist so bemessen, daß sie durchbrennt, sobald ein Strom in gewünschter Hohe durch die Schmelzsicherungs-Schicht fließt.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Schmelzeinsatz ;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig„ 1.

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In der Zeichnung ist ein Teil einer mit 10 bezeichneten integrierten Schaltung dargestellt, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mit 12 bezeichneten Schmelzeinsatzes enthält. Die integrierte Schaltung 10 enthält ein Substrat 14 aus Halbleiter-Material, z.B. Silizium, in welchem sich verschiedene aktive und passive elektrische Bauelemente befinden, wie etwa Transistoren, Dioden, Widerstände etc., die nicht abgebildet sind, da sie nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind und dem Fachmann bekannt sind« Auf der Oberfläche des Substrats 14 ist eine Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Kombinationen dieser Materialien, angeordnet. Auf der isolierenden Schicht 16 befindet sich ein Verbindungs-Netzwerk 18 aus elektrisch leitendem Material„ Das Verbindungs-Netzwerk 18, von dem nur ein Teil dargestellt ist, verbindet die verschiedenen elektrischen Bauelemente im Substrat 14 in einer gewünschten Schaltungs-Anordnung miteinander. Der Schmelzeinsatz 12 ist im Zuge des Verbindungs-Netzwerks angeordnet.

Wie in Fig. 2 dargestellt enthält der Schmelzeinsatz 12 eine auf die isolierende Schicht 16 aufgebrachte Schicht 20 aus Titan sowie eine Schicht 22 aus Platin, welche über der Titan-Schicht 20 liegt. Auf der Platin-Schicht 22 befindet sich eine dünne Schicht 24 aus einem Metall, das eine höhere Leitfähigkeit als Titan hat, etwa aus Gold. Diese dünne Schicht 24 erstreckt sich bis zu den einander gegenüberlxegenden Enden des Schmelzeinsatzes 12, Die hoch leitfähige Schicht 24 bildet die Kontakte für den Schmelzeinsatz 12. Wie in Fig. 1 dargestellt können die Titan-Schicht 20 und die Platin-Schicht 22 des Schmelzeinsatzes 12 einen Teil geringerer Breite enthalten, der durch Anbringen einer Kerbe 26 an einer Seitenkante dieser Schichten hergestellt werden kann. Dadurch bekommt der Schmelz-

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einsatz 12 einen verengten Teil, der leichter durchbrennt, wenn ein Strom in gewünschter Höhe hindurchfließt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, erstrecken sich die Titan-Schicht 20 und die Platin-Schicht 22 des Schmelzeinsatzes 12 über die Enden des Schmelzeinsatzes 12 hinaus und bilden - zusammen mit der hoch leitfähigen Schicht 24 - einen Teil des Verbindungs-Netzwerks 18. Wie noch erläutert werden wird, sind die Schmelzeinsatz-Schichten 20 und 22 deshalb auch Teil des Verbindungs-Netzwerks 18, damit die Herstellung des Schmelzeinsatzes 12 als Teil des Schaltungs-Netzwerks vereinfacht wird. Im Betriebszustand der integrierten Schaltung 10 fließt der Strom im Verbindungs-Netzwerk 18 über die hoch leitfähige Schicht 24. Sobald der Strom aber den Schmelzeinsatz 12 erreicht, muß er über die Schichten 20 und 22 höheren Widerstands des Schmelzeinsatzes fließen.

Der über den Schmelzeinsatz 12 fließende Strom verursacht eine Erwärmung der Schichten 20 und 22. Fließt nun ein Strom in Höhe eines kritischen Wertes (der abhängig ist vom speziellen Widerstandswert, von der speziellen Geometrie und der speziellen Reinheit des Schmelzeinsatzes) über den Schmelzeinsatz 12, so werden die Schichten 20 und 22- genügend hoch erhitzt um sie zum Durchbrennen bzw. Schmelzen zu bringen. Dadurch wird der Schmelzeinsatz unterbrochen und ein weiterer Stromfluß zumindest in dem Teil des Verbindungsnetzwerks verhindert, der den Schmelzeinsatz enthält. Da der kritische Strom oder Durchbrenn-Strom vom speziellen Widerstand des Schmelzeinsatzes 12 abhängt, kann ein gewünschter Durchbrenn-Strom dadurch erhalten werden, daß man den Widerstand des Schmelzeinsatzes 12 anpaßt bzw. verändert. Der Widerstand des Schmelzeinsatzes 12 läßt sich durch Verändern der Dicke einer oder beider Schichten 20 und 22 variieren. Um einen Schmelzeinsatz

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12 mit verhältnismäßig hohem Widerstandswert zu erhalten kann man die Platin-Schicht 22 ganz weglassen, so daß der Schmelzeinsatz 12 nur noch die Titan-Schicht 20 enthält.

In der folgenden Tabelle sind einige Widerstandswerte zusammengestellt, die man mit Schmelzeinsatz-Schichten und 22 verschiedener Dicke erhält„ Ferner sind die Durchbrenn-Ströme für jeden dieser Schmelzeinsätze angegeben. Alle in der Tabelle angegebenen Schmelzeinsätze waren 0,0127 mm lang, 0,0076 mm breit und hatten an der tiefsten Stelle der Kerbe 24 eine minimale Breite von 0,0038 mm,

Tabelle

Schichtdicke in Nanometer Widerstand Durchbrenn-Stromstär-Platin Titan in 0hm ke in Milliampere

120 2,5 240

120 5 120

120 6 100

120 10 75

120 20 45

70

120	2,5
120	5
120	6
120	10
120	20
120	15
75	35
50	3
25	3
25	7
50	8

50 3 180

25 3 160

25 7 100

50 8 50

Wie schon erwähnt, bilden die Titan-Schicht 20 und die Platin-Schicht 22 auch einen Bestandteil des Verbindungs-Netzwerks 18. Dadurch kann man den Schmelzeinsatz

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gleichzeitig mit dem Verbindungs-Netzwerk 18 herstellen. Das Verbindungs-Netzwerk 18 und der Schmelzeinsatz 12 werden auf der integrierten Schaltung 10 gebildet, nachdem die verschiedenen elektrischen Bauelemente im Substrat hergestellt wurden. Die isolierende Schicht 16 wird im we-• sentlichen während der Herstellung der verschiedenen elektrischen Bauelemente gebildet und hat überall dort Öffnungen, wo eine elektrische Verbindung zwischen dem Verbin— dungs-Netzwerk 18 und einem elektrischen Bauelement gewünscht wird.

Das Verbindungs-Netzwerk 18 und der Schmelzeinsatz 12 können dadurch gebildet werden, daß zunächst eine Titan-Schicht der gewünschten Dicke über die gesamte isolierende Schicht 16 und über diejenigen Bereiche der Oberfläche des Substrats aufgetragen wird, die infolge der Öffnungen in der isolierenden Schicht 16 freiliegen. Diese Titan-Schicht kann durch eine der beiden bekannten Techniken - Vakuum-Bedampfen oder -Zerstäuben - aufgetragen werden. Anschließend wird eine Platin-Schicht der gewünschten Dicke auf die gesamte Oberfläche der Titan-Schicht aufgebracht. Auch diese Platin-Schicht kann entweder durch Vakuum-Bedampfen oder -Zerstäuben aufgebracht werden_e Anschließend wird mittels photolithographischer Verfahren eine Masken-Schicht aus einem geeigneten Abdeck-Material auf diejenigen Stellen der Platin-Schicht aufgetragen, die das Verbindungs-Netzwerk 18 und den Schmelzeinsatz 12 bilden sollen. Die nichtbedeckte Fläche der Platin-Schicht wird sodann entfernt, etwa durch Ätzen mittels Königswasser. Danach wird die Masken-Schicht mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt.

Sodann wird mittels photolithographischer Verfahren eine Masken-Schicht aus einem geeigneten Abdeck-Material auf die beim Entfernen der Platin-Schicht freigelegte Fläche

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der Titan-Schicht aufgetragen und auch auf diejenige Fläche der Platin-Schicht, wo der Schmelzeinsatz 12 gebildet werden soll. Die freiliegende Fläche der Platin-Schicht wird sodann z.B. durch Elektroplattieren mit der Schicht 24 aus hoch leitfähigem Material, wie etwa Gold, beschichtet. Die Masken-Schicht wird dann mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt. Anschließend wird die freigelegte Fläche der Titan-Schicht entfernt, z.B. durch Ätzen mittels verdünnter Schwefelsäure. Danach bleiben die Titan-Schicht 20, die Platin-Schicht 22 und die hoch leitfähige. Metall-Schicht 24 in der Form des Verbindungs-Netzwerks 18 und des Schmelzeinsatzes 12 übrig. Soll der Schmelzeinsatz 12 ausschließlich aus der Titan-Schicht 20 bestehen, so kann der Teil der Platin-Schicht 22 am Schmelzeinsatz 12 entweder durch chemisches Ätzen mittels Königswasser entfernt werden oder durch die allgemein bekannte Technik des Sprühätzens_β

Wie man sieht, hat der erfindungsgemäße Schmelzeinsatz den Vorteil, eine Herstellung zu ermöglichen, die garantiert, daß die Sicherung bei irgend einem gewünschten Strom durchbrennt, und zwar innerhalb eines weiten Bereiches von Durchbrenn-Stromstärken. Man muß hierzu lediglich die Dikken der Titan-Schicht 20 und der Platin-Schicht 22 verändern, wodurch sich der Widerstand des Schmelzeinsatzes 12 ebenfalls ändert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schmelzeinsatzes besteht darin, daß er sich leicht im Rahmen des Verbindungs-Netzwerks 18 herstellen läßt,^ da er mit diesem gleichzeitig gefertigt wird. Darüber hinaus bringt die Verwendung von Titan und Platin für den Schmelzeinsatz noch andere Vorteile mit sich. Die Schmelz-Temperaturen von Titan und Platin liegen dicht beieinander (etwa 100 Kelvin Abstand), so daß das Schmelzen beim Durchbrennen der Sicherung nur sehr wenig inhomogen erfolgt« Ferner haben Titan und Platin beinahe gleiche Wärmeausdeh-

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nungs-Koeffizienten, wodurch Ausfälle infolge Temperatur-Wechsels auch auf ein Minimum reduziert werden. Titan hat eine weit kleinere Wärmeleitfähigkeit als Platin, so daß
das Titan eine Abschirmung hinsichtlich des Wärmeübergangs zum Substrat hin darstellt. Dadurch bleibt der größte Teil der Wärmej die durch den über den Schmelzeinsatz fließenden Strom erzeugt wird, im Schmelzeinsatz selbst, wodurch die für das Durchbrennen des Schmelzeinsatzes benötigte
Leistung auf ein Mindestmaß reduziert wird. Ferner begünstigt die Reaktion zwischen Titan und Platin unter Durchbrenn-Bedingungen das Aufschmelzen der Sicherung, da hierbei ein Überschuß an Mischungswärme entsteht, der die für das Durchbrennen des Schmelzeinsatzes erforderliche Energie noch weiter verringert.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A₀)

Patentansprüche:

Auf einem Substrat angeordnete Schmelzsicherung, gekennzeichnet durch (a) zwei mit Abstand zueinander angeordnete metallische Schicht-Kontakte (24), (b) eine Schmelzsicherungs-Schicht (20) aus Titan, die elektrisch mit den Kontakten (24) verbunden ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei (c) diese Kontakte (24) aus einem Metall bestehen, dessen Leitfähigkeit größer ist als diejenige der Schmelzsicherungs-Schicht (20) aus Titan und (d) die Schmelzsicherungs-Schicht (20) so bemessen ist, daß sie durchbrennt, sobald ein Strom in gewünschter Höhe hindurchfließt.
2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine über der Titan-Schicht (20) angeordnete Schicht (22) aus Platin.
3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (24) aus Gold-Schichten bestehen.
4. Schmelzsicherung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3) gekennzeichnet durch ein Verbindungs-Netzwerk (18), bei dem die Schicht (20) aus Titan auf einer Schicht (16) aus isolierendem Material angeordnet ist, ferner die Schicht (22) aus Platin auf der Titan-Schicht (20) und eine Schicht aus hoch leitfähigem Material auf der Platin-Schicht (22), wobei die Schmelzsicherungs-Schicht aus Titan eine Verlängerung der Titan-Schicht (20) des Verbindungs-Netzwerks (18) darstellt, und wobei

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sich die Schicht (24) aus hochleitfähigem Material des Verbindungs-Netzwerks (18) nur bis zu den Enden der Schmelzsicherungs-Schicht, d.h. des eigentlichen Schmelzeinsatzes (12) erstreckt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-• zeichnet, daß der Schmelzeinsatz eine Schmelzsicherungs-Schicht aus Platin über der Schmelzsicherungs-Schicht aus Titan enthält, wobei die Schmelzsicherungs-Schicht aus Platin eine Verlängerung der Platin-Schicht (22) des Verbindungs-Netzwerks (18) darstellt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus hoch leitfähigem Material aus Gold besteht.

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