DE2225163A1 - Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen Mikrostruktur - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen Mikrostruktur

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Description

GÜNTHER M. DAVID Va/RV·
Pai3nfa:.;~5scr
Anmelder: N. V. PHiLIPS' ÜLOEILAMPENFABfiiEKEN
Akte: PHN- 5868
Anmeldung vomi 23· Mai 1972
Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen Mikrostruktur.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellun; von Kondensatoren in einer planaren elektronischen Mikrostruktur, die aktive und/oder passive Halbleiterbauelemente enthält, bei welchem Verfahren örtlich eine erste Metallschicht auf einem Substrat niedergeschlagen wird, wonach eine dielektrische Schicht auf der ersten Metallschicht gebildet und eine zweite Metallschicht auf der dielektrischen Schicht niedergeschlagen wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf elektronische Mikrostrukturen, die einen durch dieses Verfahren hergestellten Kondensator enthalten.
Zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen Mikrostruktur wird vorzugsweise die Dünnschichttechnik angewandt, wobei
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die durch diese Technik hergestellten Kondensatoren eine grössere Kapazität pro Oberflächeneinheit und viel niedrigere Streuwiderstände als die üblichen diffundierten Uebergänge aufweisen.
Die Kapazität der Dünnschichtkondensatoren ist nicht von der angelegten Spannung abhängig, wie dies bei den Halbleiterüberpängen der Fall ist.
Das als Dielektrikum in den Kondensatoren verwendete Halbleitermaterial ist meistens Siliciumdioxyd, weil dieses Oxyd meistenn während Horstellungsbearbeitungen, bei denen von einem Siliciumsubstrat ausgegangen wird, gebildet wird. Dieses Oxyd hat jedoch eine geringe Dielektrizitätskonstante. Da sich bei Anwendung dieses Oxyds wegen der Gefahr des Auftretens von Isolationsfehlern sehr geringe Dicken schwer erzielen lassen, wurde versucht, dieses Dielektrikum durch andere Oxyde mit höheren Dielektrizitätskonstanten, wie z.B. Aluminiumoxyd oder Tantaloxyd, zu ersetzen. Die bekannten Verfahren zum Erhalten dünner, homogener und dichter Schichten dieser dielektrischen Oxyde erfordern zusätzliche verwickelte Bearbeitungen und eine erhebliche und kostspielige Anlage. So wird das Aluminiumoxyd vorzugsweise durch thermische Zersetzung einer organisch-metallischen Verbindung erhalten. Ein derartiges Verfahren erfordert av.sserdem wegen der Zersetzung dieser o\rganischmetallischen Verbindungen eine verhältnismässig hohe Substrattemperatur, bei der die Halbleiterbauelemente der Vorrichtung beschädigt werden können.
Das Oxyd kann auch durch anodische Oxydation erhalten werden, wobei eine Spannung zwischen der zu oxydierenden Metalloberfläche und einer in den Elektrolyten eingetauchten Elektrode angelegt wird. Die bei diesem Verfahren benötigten mehrfachen Kontaktpunkte er-
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geben grosse Schwierigkeiten wegen ihrer sehr g'rossen Anzahl und der geringen verfügbaren Oberfläche.
Ferner macht die Qualität des mit den.meisten bekannten
Verfahren erhaltenen Dielektrikums es notwendig, diese Schicht vor einer möglichen Diffusion des Metalls der Kondensatorplatten zu schützen. Das Aluminium, das vorzugsweise die Ve-rbindungsleiter der elektronischen Mikrostrukturen bildet, diffundiert in das durch die bekannten Verfahren erhaltene Aluminiumoxyd ein, wodurch eine Schutzschicht angebracht werden muss, die aus einem Metall besteht, das diese Diffusion verhindert; es wird z.B. Nickel zu beiden Seiten der Aluminiumoxydschicht niedergeschlagen.
Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der bekannter Verfahren zu beheben und Kondensatoren zu schaffen, die in einer planaren elektronischen Mikrostruktur durch reproduzierbare einfache Beax'beitungen integrieit werden können, die mit der Herstellung der übrigen Bauelemente der Mikrostruktur und insbesondere mit der Herstellung der Verbindungen zwischen den Bauelementen der Mikrostruktur vereinbar sind.
Veiter bezweckt die Erfindung, Kondensatoren zu schaffen, deren Dielektrikum ein Metalloxyd mit hoher Dielektrizitätskonstante ist und deren Metall übrigens für die Herstellung von Verbindungen an der Oberfläche einer Halbleiter-Mikrostrukturplatte geeignet ist*
Die Erfindung hat ferner den Zweck, Kondensatoren durch sin Verfahren herzustellen, das es auf zweckmässige Weise ermöglicht, die Bildung des Dielektrikums zu kontrollieren und eine regelmässige und. homogene dielektrische Schicht mit zuvor bestimmten Eigenschaften zu erhalten.
Hach der Erfindung wird ein dielektrisches Oxyd durch Oxy-
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dation eines Metalls mit guter elektrischer Leitfähigkeit unter regelbaren und reproduzierbaren Bedingungen gebildet, ohne dass von aussen her Strom zugeführt wird.
Nach der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von
Kondensatoren in einer planaren elektronischen Mikrostruktur mit aktiven und/oder passiven Halbleiterbauelementen, bei welchem Verfahren örtlich eine erste Metallschicht auf einem Substrat niedergeschlagen wird, wonach eine dielektrische Schicht auf der ersten Metallschicht gebildet und eine zweite Metallschicht auf der dielektrischen Schicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Niederschlagen der erwähnten ersten Schicht das erwähnte Substrat zusammen mit einej? PJlektrode, mit der das Substrat in elektrisch leitender Verbindung sbeht, in ein' Oxydationsbad eingetaucht wird, wobei die Anwendung einer äusseren Spannungsquelle vermieden wird, und wobei die Elektrode aus einem Metall hergestellt ist, das nicht von dem erwähnten Bad angegriffen werien kann und das in dem genannten Oxydationsbad ein Gleichgewichtspotential aufweist, das das der erwähnten ersten Fetallschicht um mindestens 2 V überschreitet.
Die Oxydation der Oberfläche der ersten Metallschicht, die durch eine oxydierende Lösung herbeigeführt wird, ergibt eine isolierende Oxydhaut, die die Wirkung üer Lösung schnell einschränkt. Ein elektrochemisches Gleichgewicht würde schnell erreicht werden, wenn in der Lösung kein Metall vorhanden wäre, dessen Gleichgewichtspotential in der Lösung das des Metalls der erwähnten Schicht überschreitet. Die Reaktion die durch den Batterieeffekt herbeigeführt wird, der von der gegen Angriff beständigen Elektrode erzeugt wird, ermöglicht es, eine homogene und dichtere Metallschicht mit der verlangten Dicke zu erhalten, die
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sich zur Anwendung als Dielektrikum in einem in einer Mikrostruktur integrierten Kondensator eignet.
Ein derartiges Verfahren ist einfach und wirtschaftlich
und erfordert keine Spannungsquelle und keine verwickelte Anordnung,
während keine hohe für die Halbleiterbauelemente schädliche Temperaturen notwendig sind. Die erhaltenen Kondensatoren weisen alle Vorteile der
Kondensatoren mit einer Oxyddielektrikuir.schicht auf. Die erhaltenen Kondensatoren sind nicht polarisiert, während diese Kondensatoren in dein
Falle, in dem die erste Metallschicht aus Aluminium hergestellt ist, alle
Vorteile der dielektrischen Eigenschaften von Aluminiumoxyd und insbesondere dessan hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Die erzielten Oxyddicken können sehr gering sein und ermöglichen es, pro Oberflächeneinheit hohe Kapazitäten zu erhalten. Diese Dicken sind einerseits von der Konzentration an oxydierenden Ionen des
Behandlungsbades und von der Art des die zweite Elektrode bildenden
Metalls und .andererseits von der Temperatur und der Dauer der Behandlung abhängig. Die Bedingungen zur Bildung von Oxyden lassen sich also leicht regeln und das Verfahren ist reproduzierbar.
Der Kontakt zwischen der Scheibe, in der die planare Mikrostruktur hergestellt ist, und der Elektrode muss besonders gut sein. Ein günstiges Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode mit einem sehr guten Kontakt besteht darin, dass eine Schicht des gewählten Metalls als Elektrode auf der Oberfläche der Scheibe niedergeschlagen wird, die aer
Oberfläche gegenüber liegt, auf der ein Kondensator niedergeschlagen
wird. Durch diese Massnahme wird der von der Scheibe selber hervorgerufene elektrische Widerstand zwischen der Elektrode und dem Metall der
ersten Schicht auf ein Hindestmass herabgesetzt, während das elektrische
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Feld regelmässig verteilt wird, wenn die Flächen parallel sind, wie dies praktisch stets der Fall ist. Die Durchschlagspannungen der erhaltenen dielektrischen Schichten sind hoch und v/eisen keine Streuung auf.
In dem Falle, in dem die erste Schicht aus Aluminium auf einer Siliciumscheibe gebildet wird, werden Dicken in der Grössenordrmng von einigen Zehn A des Oxyds erhalten, indem die Scheibe in ein Bad mit z.B. rauchender Salpetersäure eingetaucht wird, wobei die Scheite mit einer Elektrode aus einem Edelmetall in Kontakt ist, die von der Lösung. nicht angegriffen wird und vorzugsweise aus Gold besteht, dessen Gleichgewichtspotential in Salpetersäure mehr als 2 V höher als das von Aluminium ist. Ein ähnliches Ergebnis wire, erzielt, wenn ein Bad mit Xaliumbichro'mat bei einer Temperatur zwischen 70 und 85°C und eine Goldelektrode verwendet werden. Platin oder ein Metall aus der Platingruppe -kann statt Gold Anwendung finden.
Die planaren elektronischen Mikrostrukturen enthalten Bauelemente, die miteinander und mit anderen Bauelementen verbunden werden müssen. Die notwendigen Verbindungen sind meistens mit Hilfe niedergeschlagener Metalleiter hergestellt. Vorzugsweise werden die gemäss der Erfindung hergestellten Kondensatoren zugleich mit den Zwiechenverbindüngen erhalten. Auf diese Weise erfordert die Anbringung dieser Leiter durchaus keine zusätzliche Bearbeitung. Die beiden M&tallschichten können zwei Verbindungspegel bilden.
Es versteht sich, dass während des Eintauchens der Scheibe in das Oxydationsbad die Oberflächen, auf denen sich kein Oxyd befinden soll, sowie die Oberflächen ausserhalb der ersten Metallschicht durch einen geeigneten Schutzüberzug geschützt werden Können. Ks stellt sich
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heraus, dass eine Silxciumoxydschicht, wie die Schicht an der Oberfläche einer Siliciumscheibe nach den verschiedenen dem Vorgang zum Niederschlagen des Metalls für die Zwischenverbindiangen vorangehenden Bearbeitungen, für eine solche Schutzwirkung genügend ist.
Wenn kein direkter Kontakt auf der Metallschicht hergestellt werden soll, ist es günstig, dass das Oxydationsbad, in das die Scheibe eingetaucht wird, auf der örtlich eine Aluminiumschicht niedergeschlagen wird, unter Zuhilfenahme einer Photoätzbearbeitung zugleich zur Entfernung des unerwünschten zurückgebliebenen Photoätzlacks verwendet wird.
Bei der Herstellung von Siliciunscheiben mit einer Halbleiteranordnung mit schneller Empfindlichkeitskennlinie ist es bekannt, eine Golde iffusion durchzuführen, duroh die die Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial verringert wird. Vorzugsweise wird ein Goldniederschlag auf der Fläche der genannten Scheibe, die der Fläche gegenüber liegt, auf der die Metallschicht angebracht ist, als Golddiffusionsquelle und als Elektrode verwendet, welche Elektrode während des Eintauchens in das Oxydationsbad mit der Scheibe in Kontakt ist. Eine derartige Elektrode weist einen guten Kontakt und eine grosse Austauschoberfläche auf, während keine zusätzliche Bearbeitungen erforderlich sind und kein zusätzliches Material verbraucht wird.
Verschiedene Oxydationsbäder lassen sich verwenden, z.B. rauchende Salpetersäure, Kaliurnbichromat mit einem Fluoridzusatz zur Lösung der Chromoxyde und einem Carbonatzusatz zur Steigerung des pH-V/crtes des ii'-.des. Ammoniumsalze können statt Kalium- oder Natriumsalze verwendet werden.
Vorzugsweise wird eine Stabilißierungsbeh'andlung, durch die airm ctwpj^c l'oroi.itHt der gebildeten dielektrischen Schicht auf ein
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Mindestmass beschränkt wird, nach der Oxydation durchgeführt. Beim Durchführen dieser Behandlung kann das bekannte Verfahren verwendet werden (das in der angelsächsischen Literatur als "sealing" bezeichnet wird), das gewöhnlich zur Verbesserung poröser Oxydschichten verwendet wird und bei dem z.B. Eintauchen in sehr reines siedendes Wasser stattfindet.
Die vorliegende Erfindung wird zur Herstellung von Kondensatoren in elektronischen Mikrostrukturen und insbesondere in integrierten Schaltungen auf einem Siliciumsutstrat verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a - 1f die Stufen der Herstellung einer Scheibe nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleiterscheibe mit einer integrierten Schaltung mit einem gemäss der Erfindung hergestellten Kondensator, und
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer •Halbleiterscheibe mit einer integrierten Schaltung mit einem geaäss der Erfindung hergestellten Kondensator.
In den Beispiel nach den Figuren 1a - 1f wird von einer Halbleiterscheibe 1 ausgegangen, die örtlich mit einer Isolierschicht 2 überzogen ist, die meistens aus Silioiumoxyd (SiO_) besteht (?ig. 1a). Diese Scheibe ist auf einer Seite mit einer Goldschicht 3 überzogen, die zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften der in der Scheibe 1 hergestellten Anordnung dient (Fig. 1b). Auf der Oberflache dieser teilweise mit Siliciumoxyd überzogenen Scheibe und der mit Gold überzogenen Oberfläche gegenüber wird örtlich eine erste Aluminiumschicht 4 genäss einer Fläche niedergeschlagen, deren Form einer ersten Platte des herzustellen-
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den Kondensators entspricht, die in direkter elektrischer Verbindung mit der Halbleiterscheibe selber stehen muss (Fig. 1c).
Die Scheibe wird dann (Fig. 1d) in ein Oxydationsbad θ getaucht, wobei eine Schutzschicht 7 auf der ganzen Oberfläche der Scheibe angebracht wird, mit Ausnahme der Oberfläche, die dem Dielektrikum des herzustellenden Kondensators entspricht. Die so der Einwirkung eines Oxydationsbades ausgesetzte Aluminiumschicht wird teilweise in eine Aluminiunoxydschicht 6 umgewandelt; unter der Aluminiumoxydschicht bleibt eine Aluminiumschicht 5 zurück, die nicht angegriffen wird.
Die Scheibe wird anschliessend in sehr reines siedendes
Wasser 9 eingetaucht, so dass die poröse Aluminiumoxydschicht 6 in nichtporöses Aluminiumoxyd umgewandelt wird (Fig. 1e).
Die zweite Schicht 10 wird dann z.B. durch Aufdampfen im Vakuum niedergeschlagen, wonach eine Photoätzbehandlung durchgeführt wird (Fig. 1f).
Je nach der Dauer der Oxydationsbehandlung werden Kondensatoren erhalten, deren Durchschlagspannungen zwischen 5 und 200 V liegen können und deren Kapazität pro Oberflächeneinheit 200 pF/mm2 überschreiten kann.
Fig. 2 zeigt teilweise eine Draufsicht auf ein Seispiel einer integrierten Schaltung mit einem gemäss der Erfindung hergestellten Kondensator. Der gezeigte Teil enthält einen Kondensator, von dem eine obere Platte 23 und eine untere Platte 22 sichtbar sind. Die letztere Platte 22 ist mit einer Kontaktfläche 20 verbunden, während die andere Platte 23 über eine niedergeschlagene leitende.Schicht 25 mit einer Diode verbunden ist, von der ein Gebiet 15 und ein zweites Gebiet 18 sichtbar sind, wobei das letztere Gebiet eine Kontaktfläche 24 auf-
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weist. Der Yerbindungsleiter 25 ist auch mit der Basis 17 eines Transistors verbunden, dessen Emitter mit 16 und dessen Kollektor mit 19 bezeichnet ist. Die Schaltung enthält ausserdeia einen durch einen Niederschlagvorgang erhaltenen Widerstand 29. Die Platte 22 ist teilweise oxydiert und derart behandelt, dass das Dielektrikum des Kondensators gebildet wird. Die 2weite Platte 23 ist gleichzeitig mit den Leitern 25, 28 und 27 niedergeschlagen.
Der Schnitt nach Fig. 3 zeigt ein anderes Beispiel einer integrierten Schaltung mit einem gemäss der Erfindung hergestellten Kondensator. Der gezeigte Teil der Schaltung, der in einer Siliciumscheibe 30 hergestellt ist, umfasst einen Transistor, dessen Emitter 40 in die Basis 39 eindiffundiert ist, die ihrerseits in einen epitaktischen Kollektor 3& eindiffundiert ist. Ler Kollektor wird, wie die anderen Inseln von diffundierten Isolierzonen 37 begrenzt. Nach den Biffusionsbearbeitungen ist die Scheibe teilv/eise mit einer Isolierschicht aus SiC„ 33-45 überzogen. Eine erste Kondensatorplatte 34 ist zugleich nit den Basis-, Emitter- und Kollektorkontakten 44i 43 bzw. 42 niedergeschlagen, wobei der letztere Kontakt auf einem Kollektorkontaktgebiet 41 liegt. Das Dielektrikum des Kondensators besteht aus dem Oxyd 35» das durch Oberflächenoxydation des grossten Teiles der Metallschicht 34 erhalten ist. Die zweite Platte besteht aus der niedergeschlagenen Metallschicht 36.
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Claims (1)

  1. -11- · F.PHN. 5868.
    PATENTANSPRÜCHE:
    1.J Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer planaren elektronischen Mikrostruktur, die aktive und/oder passive Halbleiterbauelemente enthält, bei welchem Verfahren örtlich eine erste Metallschicht auf einem Substrat niedergeschlagen wird, wonach eine dielektrische Schicht auf der ersten Metallschicht gebildet und auf der dielektrischen Schicht eine zweite Metallschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dein Niederschlagen der erwähnten ersten Schicht das erwähnte Substrat zusammen mit einer Elektrode, mit der das erwähnte Substrat in elektrisch leitender Verbindung steht, in ein Oxydationsbad eingetaucht wird, wobei die Anwendung einer äusseren Spannungsquelle vermieden wird, und wobei die Elektrode aus einem Metall hergestellt ist, das ni'cht von dem erwähnten Bad angegriffen werden kann und das in den erv/ähnten Oxydationsbad ein Gleichgewichtspotential aufweist, das das der erwähnten ersten Metallschicht um mindestens 2 V überschreitet. 2, Verfahren -zur Herstellung von Kondensatoren in einer pla-
    naren elektronischen Mikrostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Elektrode dadurch erhalten wird, dass eine Schicht des erwähnten gegen Angriff beständigen Metalls auf der Oberfläche des erwähnten Substrats, die der die erwähnte erste Schicht tragenden Oberfläche gegenüber liegt, niedergeschlagen wird.
    5. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der
    Ansprüche 1 oder 2, bei dem örtlich eine erste Schicht aus Aluminium auf einem Siliciumsubstrat niedergeschlagen wird, wonach eine Aluminiumoxydschicht gebildet und eine zweite Aluminiumschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Elektrode aus Gold besteht. 4. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der
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    2275163
    -12- F.PHK. 5868.
    Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Bad aus rauchender Salpetersäure besteht.
    5· Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Bad ein Bichromat eines alkalischen Elements enthält und bei einer Temperatur aberhalb 7O0C verwendet wird.
    6. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Bad Ammoniumsalze enthält.
    7. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem örtlich eine erste Aluminiumschicht auf einem Siliciunsubstrat niedergeschlagen wird, wonach eine Alüminiumoxydschicht gebildet und eine zweite Aluminiumschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Elektrode aus einem Metall einer Gruppe besteht, die Platin, Iridium, Palladium und Rhodium umfasst.
    ,8. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der
    Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenverbindungen der Mikrostrukturen gleichzeitig mit der Platten der Kondensatoren durch das Niederschlagen der genannten Metallschichten gebildet werden. 9. Elektronische Mikrostruktur mit mindestens einem durch ein
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Kondensator.
    209850/0860
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DE19722225163 1971-05-24 1972-05-24 Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer planaren elektronischen MikroStruktur Expired DE2225163C3 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5459633A (en) * 1992-08-07 1995-10-17 Daimler-Benz Ag Interdigital capacitor and method for making the same

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SE369984B (de) 1974-09-23
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