DE2225163C3 - Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer planaren elektronischen MikroStruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer planeren elektronischen MikroStruktur, die aktive und/oder passive Halbleiterbauelemente enthält, bei welchem Verfahren örtlich eine erste Metallschicht auf einer der beiden Oberflächen eines Substrats niedergeschlagen wird, dann das Substrat zusammen mit einem zusätzlichen als Elektrode dienenden Metall in ein Oxydationsbad eingetaucht wird und dort auf der freien Oberfläche der ersten Metallschicht eine Oxydschicht, die als Kondensatordielektrikum dient, gebildet wird und darauf auf dieser dieleketrischen Schicht eine zweite Metallschicht niedergeschlagen wird.

Zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen MikroStruktur wird vorzugsweise die Dünnschichttechnik angewandt, wobei die durch diese Technik hergestellten Kondensatoren eine größere Kapazität pro Oberflacheneinheit und viel niedrigere Streuwiderstände als die üMichen diffundierten Übergänge tui weisen.

Die Kapazität der Dünnschichtkondensatoren ist nicht von der angelegten Spannung abhängig, wie dies bei den Halbleiterübergängen der Fall ist.

Das als Dielektrikum in den Kondensatoren verwendete Halbleitermaterial ist meistens Siliciumdioxyd. weil dieses Oxyd meistens während Herstellungsbearbeitungen, bei denen von einem Siliciumsubsirat ausgegangen wird, gebildet wird Dieses Oxyd hat jedoch eine geringe Dielektrizitätskonstante. Da sich bei Anwenwendung 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 außerdem wegen der Zersetzung dieser organisch-metallischen Verbindung eine verhältnismäßig hohe Substrattemperatur, bei der die Halbleiterbauelemente der Vorrichtung beschädigt werden können.

Es ist auch bekannt (siehe z. B. DT-AS Π 49 113), das. Oxyd durch anodische Oxydation zu erzeugen, wobei eine Spannung zwischen der zu oxydierenden Metalloberfläche und einer in den Elektrolyten eingetauchten Elektrode angelegt wird. Die bei diesem Verfahren benötigten Kontaktpunkte ergeben große Schwierigkeiten wegen ihrer sehr großen Anzahl und der geringen verfügbaren Oberfläche.

Es ist auoh bekannt (siehe z. B. DT-PS 6 67 529), daß die Oxydierung der Oberfläche eines Belagmetalls zur Bildung des Dielektrikums auch durch chemische Behandlung, also ohne Anwendung einer äußeren Spannungsquelle, erfolgen kann.

Die Qualität des mit den meisten bekannten Verfahren erhaltenen Dielektrikums macht es notwendig, diese Schicht vor einer möglichen Diffusion des Metalls der Kondensatorplatten zu schützen. Das Aluminium, das vorzugsweise die Verbindungsleiter der

elektronischen Mikrostrukturen bildet, diffundiert in das durch die bekannten Verfahren erhaltene Muminiumoxyd ein, so daß eine Schuteschicht angebracht werden muß, die aus einem Metall besteht, das diese Diffusion verhindert; so wird z. B. Nickel zu beiden Seiten der S Aluminiumoxydschicht niedergeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren in einer elektronischen MikroStruktur zu schaffen, das einfach, gut reproduzierbar und gut kontrollierbar durchgeführt werden kann, und das es gestattet. Kondensatoren mit einer hohen Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Elektrode verwendet wird, die aus einem Metall besteht das nicht von dem Oxydationsbad angegriffen werden kann und das in dem Oxydationsbad ein Glfichgewichtspoteniial aufweist, das das der ersten Metallschicht um mindestens 2 V überschreitet, daß die Elektrode vor dem Eintauchen in das Oxydationsbad in *> guten Kontakt mit dem Substrat gebracht wird und daß dann die freie Oberfläche der aufgebrachten ersten Metallschicht des in das Oxydationsbad eingetauchten Substrats ohne Anwendung einer zusätzlichen äußeren Spannungsquelle oxydiert wird.

Die Oxydation der Oberfläche der ersten Metallschicht, die durch eine oxydierende Lösung herbeigeführt wird, ergibt eine isolierende Oxydhaut, die die Wirkung der 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 ei wähnten 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 ν Hängten Dicke zu erhalten, die 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 Oxyddielektrikumschicht auf. Die erhaltenen Kondensatoren sind nicht polarisiert, während diese Kondensatoren in dem Falle, in dem die erste Metallschicht aus Aluminium hergestellt ist, alle Vorteile der dielektrischen Eigen- 5» schatten von Aluminiumoxyd und insbesondere dessen hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Die erzielten Oxyddicken können sehr gering sein und ermöglichen es, pro Oberilächeneinheit 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 besieht darin, daß eine Schicht des gewählten Metalls als Elektrode auf der Oberfläche der Scheibe niedergeschlagen wird, die der 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 Mindestmaß herabgesetzt, während das elektrische Feld regelmäßig verteilt wird, wenn die Rächen parallel sind, wie dies praktisch stets der Fall ist Die Durchschlagspannungen der erhaltenen dielektrischen Schichten sind hoch und weisen keine Streuung auf.

In dem Fails, in dem die erste Schicht aus Aluminium auf einer Siliciumscheibe gebildet wird, werden Dicken in der Größenordnung von einigen Zehn A des Oxyds erhalten, indem die Scheibe in ein Bad mit z. B. rauchender Salpetersäure eingetaucht wird, wobei die Scheibe 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 wird erzielt, wenn ein Bad mit Kaliumbichromat bei einer Temperatur zwischen 70 und ?5°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 wer den die gemäß der Erfindung hergestellten Kondensatoren zugleich mit den Zwischenverbindungen erhalten. Auf diese Weise erfordert die Anbringung dieser Leiter durchaus keine zusätzliche Bearbeitung. Die beiden Metallschichten können zwei Verbindungspegel bilden

Es versteht sich, daß während des Eintauchens de. Scheibe in das Oxydationsbad die Oberflachen, auf denen sich kein Oxyd befinden soll, sowie die Oberflächen außerhalb der ersten Metallschicht durch einen geeigneten Schutzüberzug geschützt werden können. Es stellt sich heraus, daß eine Siliciumoxydschicht, wie die Schicht an der Oberfläche einer Siliciumscheibe nach den Verschiedenen dem Vorgang zum Niederschlagen des Metalls für die Zwischenverbindungen vorangehenden Bearbeitungen, für eine solche Schutzwi^rkung 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 Siliciumscheiben mit einer Halbleiteranordnung mit schneller Empfindlichkeitskennlinie ist es bekannt, eine Golddiffusion durchzuführen, durch 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 Austuuschob-ifi.. ehe auf, während keine zusätzliche Bearbeitungen erforderlich sind und kein zusätzliches Material verbraucht wird.

Verschiedene Oxydationsbäder lassen sich verwenden, z. B. rauchende Salpetersäure, Kaliumbichromat

mit einem Fluoridzusatz zur Lösung der Chromoxyde und einem Carbonatzusatz zur Steigerung des pH-Wertes des Bades. Ammoniumsalze können statt Kaliumoder Natriumsalze verwendet werden.

Vorzugsweise wird eine Stabilisierungsbehandlung, durch die eine etwaige Porosität der gebildeten dielektrischen Schicht auf ein Mindestmaß beschränkt wird, nach der Oxydation durchgeführt. Beim Durchführen dieser Behandlung kann das bekannte Verfahren verwendet werden, das gewöhnlich zur Verbesserung poröser Oxydschichten verwendet wird und bei dem z. B. Eintauchen in sehr reines siedendes Wasser stattfindet.

Das vorliegende Verfahren wird zur Herstellung von Kondensatoren in elektronischen Mikrostrukturen und insbesondere in integrierten Schaltungen auf einem Siliciumsubstral verwendet.

Das Verfahren nach der Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung aufgezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ia-If die Stufen der Herstellung einer Scheibe.

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleiterscheibe mit einer integrierten Schaltung mit einem gemäß dem Verfahren hergestellten Kondensator, und

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer Halbleiterscheibe mit einer integrierten Schaltung mit einem gemäß dem Verfahren hergestellten Kondensator.

In dem Beispiel nach den F i g. 1 a - I f wird von einer Halbleiterscheibe 1 ausgegangen, die örtlich mit einer Isolierschicht 2 überzogen ist, die meistens aus Siliciumoxyd (SiOj) besteht (Fig. la). Diese Scheibe ist auf einer Seite mit einer Goldschicht 3 überzogen, die zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften der in der Scheibe 1 hergestellten Anordnung dient (F i g. Ib). Auf der Oberfläche dieser teilweise mit Siliciumoxyd überzogenen Scheibe und mit Gold überzogenen Oberfläche gegenüber wird örtlich eine erste Aluminiumschicht 4 niedergeschlagen, deren Fläche die gewünschte Form der Metallschicht eines ersten Belags des her/ustellcnden Kondensators hat, die in direkter elektrischer Verbindung mit der Halbleiterscheibe selber stellen muß (F ig. Ic).

Die Scheibe wird dann (F ig. Id) in ein Oxydationsbad 8 getaucht, wobei eine Schutzschicht 7 auf der ganzen Oberflüche der Scheibe angebracht wird, mit Ausnahme der Oberfläche, die die der Flache des Dielektrikums des herzustellenden Kondensators entspricht. Die so der Einwirkung eines Oxydationsbades ausgesetzte Aluminiumschicht wird teilweise in eine Aluminiumoxydschicht 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 (F ig. 1e).

Die zweite Metallschicht 10 wird dann z. B. durch Aufdampfen im Vakuum niedergeschlagen, wonach eine Photoätzbehandlung durchgeführt wird (F i g. 1 f).

]e 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.

F i g. 2 zeigt teilweise eine Draufsicht auf ein Beispiel einer integrierten Schaltung mit einem gemäß dem Verfahren hergestellten Kondensator. Der gezeigte Teil enthält einen Kondensator, von dem eine obere Metallschicht 23 und eine untere Metallschicht 22 sichtbar sind. Die letztere Schicht 22 ist mit einer Kontaktfläche 20 verbunden, während die andere

,o Metallschicht 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 aufweist. Der Verbindungsleiter 25 ist auch mit der Basis 17 eines

jj Transistors verbunden, dessen Emitter mit 16 und dessen Kollektor mit 19 bezeichnet ist. Die Schaltung enthält außerdem einen durch einen Niederschlagvorgang erhaltenen Widerstand 29. Die Metallschicht 22 ist teilweise oxydiert und derart behandelt, daß das Dielektrikum des Kondensators gebildet wird. Die zweite Metallschicht 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 nach dem Verfahren hergestellten Kondensator. Der gezeigte Teil der Schaltung, der in einer Siliciumschcibe 30 hergestellt ist. umfaßt einen Transistor, dessen Emitter 40 in die Basis 39 eindiffundiert ist, die ihrerseits in einer epitaktischen Kollektor 38 cindiffundicrt ist. Der

^₀ Kollektor wird, wie die anderen Inseln von diffundierter Isolierzonen 37 begren/i. Nach den Diffusionsbearbei lungen ist die Scheibe teilweise mit einer Isolicrschichi aus SiO₂ 33; 45 überzogen. Eine erste Metallschicht 34 des Kondcnsatorbclags 34 ist zugleich mit den Basis-

^₅ Emitter- und Kollektorkontaktcn 44, 43 b/w. 42 niedergeschlagen, wobei der letztere Kontakt auf einen· Kollektorkontaktgcbict 41 liegt. Das Dielektrikum de· Kondensators besteht aus dem Oxyd 35. das durcl Obcrflächcnoxydation des größten Teiles der Metall

ρ schicht 34 erhalten ist Der zweite Belag des Kondensators besteht aus der niedergeschlagener Metallschicht 36.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   J. Verfuhren zur Herstellung von Kondensatoren S #sejner planeren elektronischen MikroStruktur, die aktive und/oder passive Halbleiterbauelemente enthält, bei welchem Verfahren örtlich eine erste Metallschicht auf einer der beiden Oberflächen eines Substrats niedergeschlagen wird, dann das Substrat zusammen mit einem zusätzlichen als Elektrode dienenden Metall in ein Oxydationsbad eingetaucht wird und dort auf der freien Oberfläche der ersten Metallschicht eine Oxydschicht, die als Kondensatordielektrikum dient, gebildet wird und darauf auf dieser dielektrischen Schicht eine zweite Metallschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (3) verwendet wird, die aus einem Metall besteht, das nicht von dem Oxydationsbad (8) angegriffen werden kann und das in dem Oxydationsbad ein Gleichgewiohtspotential aufweist, das das der ersten Metallschicht (2) um mindestens 2 V überschreitet, daß die Elektrode (3) vor dem Eintauchen in das Oxydationsbad (8) in guten Kontakt mit dem Substrat (I) »5 gebracht wird und daß dann die freie Oberfläche der aufgebrachten ersten Metallschicht (2) des in das Oxydationsbad eingetauchten Substrats (1) ohne Anwendung einer zusätzlichen äußeren Spannungsquelle oxydiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) dadurch erhalten wird, daß eine Schicht des gegenüber dem Oxydationsbad beständigen Metall* auf der Oberflä ehe des Substrats (1), die der die erste Metallschicht (2) tragenden Oberfläche gegenüber liegt, niederge schlagen wird.
3. 3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem örtlich eine erste Schicht aus Aluminium auf einem Siliciumsubsirat niedergeschlagen wird, wonach eins: Aluminiumoxydschicht gebildet und eine zweite Aluminiumschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) aus Gold besteht.
4. 4. Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsbad (8) aus rauchender Salpetersäure besteht.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsbad (8) ein Bichromat eines alkalischen Elements enthält und bei einer Temperatur oberhalb 70⁰C verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis fi, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsbad (S) Ammoniumsalze enthält.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. bei dem örtlich eine erste Aluminiumschicht auf einem Siliciumsubstrat niedergeschlagen wird, wonach eine Aliiminiumoxydschicht gebildet und eine zweite Aluminiumschicht niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) aus einem Metall einer Gruppe besteht, die Platin, Iridium. Palladium.und Rhodium umfaßt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenverbindungen (25,27,28) der Mikrostrukturen gleichzeitig mit den Platten (23) der Kondensatoren durch das Niederschlagen der Metallschichten gebildet werden (F ig. 2).