DE2333167A1

DE2333167A1 - Elektrisches duennschichtbauteil

Info

Publication number: DE2333167A1
Application number: DE19732333167
Authority: DE
Inventors: Frank Groom Peters; Newton Schwartz
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1974-01-17
Also published as: FR2191401A1; US3786323A; NL7308955A; BE801614A

Description

BLUMBACH ■ WHSER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DlPL-ING. P. G. BLUMBA-CK · DiPL-PHYS. Dr. W. WESER · DiPL.-lNG. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMfiR

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 - TTL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

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WESTERN ELECTRIC COMPANY Peters-Schwartz 4-7

Incorporated
NEW YORK, N.-Y.-/ USA

Elektrisches Dünnschichtbauteil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtbauteilen und der sich daraus ergebenden Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich spezieller auf ein Verfahren zur Herstellung von Dünn schichtbaut eil en mit einer Tantal-Silicium-Legierungssehieht, deren Bestandteile besonders interessant für eine Verwendung als Anode bei elektrochemisch gebildeten Dünnschichtbauteilen und als Schichtwiderstand von anodisch niedergeschlagenen Widerständen sind.

Die Bauteile- und Schaltungsaufbauminiaturisierung in Verbindung mit den immer komplizierter werdenden modernen elektronischen Anlagen haben, ohne daß es einen Präzedenzfall dafür gibt, bewirkt,

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daß zuverlässige Dünnschichtbauteile gefordert werden. Überdies haben die durch das Raumzeitalter entstandenen außerordentlichen terrestrischen und interplanetarischen Umweltbedingungen die Schwierigkeit der mit der Bauteilzuverlässigkeit verbundenen Probleme weiter erhöht. Bisher wurde den hinsichtlich Stabilität, Präzision und Miniaturisierung gestellten Anforderungen gleichzeitig voll genügt, indem man Tantal-Kondensatoren mit einer Dünnschicht aus elementarem oder in einer Verbindung vorliegendem Tantal verwendete.

Obwohl man fang, daß diese Materialien für derartige Anwendungsfälle ganz besonders geeignet seien, haben Fachleute lange nach passenden Alternativen besonders für Schaltungen gesucht, die sowohl Widerstände als auch Kondensatoren enthalten. Bisher war es üblich, in solchen Anordnungen Beta-Tantal als Kondensatoranode und Tantalnitrid als Widerstandsmaterial zu verwenden,-

Die Herstellung solcher Anordnungen könnte wesentlich einfacher werden, wenn ein einzelnes Material verfügbar wäre,

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das sich in beiden Bauteilen günstig anwenden ließe.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß in den "interessierenden Bauteilen eine aufgestäubte Tantal-Silicium-Legierungsschicht als Dünnschichtmaterial verwendet wird. Die Erfindung betrifft kurz eine im Zerstäubungsverfahren auf ein .nichtleitendes Substrat niedergeschlagene Tantal-Silicium-Legierungsschicht mit 2, 5 bis 35 Gewichts-% Silicium und restlichem Tantal, und sie betrifft die Herstellung der gewünschten Bauteile nach irgendeinem konventionellen Verfahren. Es wurde ■ festgestellt, daß so hergestellte Bauteile ausgezeichnete Ausbeute- und Stabilitätscharakteristiken zeigen und sich vorteilhafterweise mit bekannten Anordnungen vergleichen lassen.

Die nachfolgende spezielle Beschreibung erleichtert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen das Verständnis der Erfindung. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. la bis 1 e Draufsichten auf einen in sukzessiven

Schritten hergestellten Widerstand; und

Fig. 2a bis 2d einen in sukzessiven Schritten hergestellten

Kondensator.

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In der Fig. la ist in Draufsicht ein Substrat 11 dargestellt, auf das eine Tantal-Silicium-Legierungsschicht 12 niedergeschlagen wurde. Die erfindungsgemäße Tantal-Silicium-Legierungsschicht kann durch irgendein geeignetes Zerstäubungsverfahren gebildet werden. Dabei kann es sich typischerweise um reaktives Zerstäuben von Tantal in einer Silan(SiH )-Argon-Umgebung, um Zerstäuben einer gesinterten zusammengesetzten T ant al -Silicium Kathode, um Wechselstrom-Zerstäuben von wassergekühlten Tantal - und Silicium-Stäben etc. handeln.

Die Tantal-Silicium-Legierungsschicht 12 kann dann beispielsweise mit einem Leiter 13 in Titan-Palladium-Gold-Zusammensetzung beschichtet werden, um die in Fig. Ib dargestellte Anordnung zu bilden. Danach kann mit Hilfe photolithographischer Verfahren ein geeignetes Leitermuster mit der in Fig. Ic dargestellten Struktur erzeugt werden. Die sich ergebende Anordnung wird dann einer weiteren photolithographischen Behandlung unterzogen, um ein in der Fig. Id dargestelltes Widerstandsmuster zu bilden. Anschließend wird die Tantal-SiIicium-Legierung in ein Anodisierungsbad (anodizing electrolyte) eingetaucht und gegenüber einer anderen in den Elektrolyten eingetauchten Elektrode positiv gemacht, damit sich eine in der Fig. Ie dargestellte Oxidschicht 14 bildet. Die Oxidschicht struktur

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kann dann in der in der US-PS 3 148 129 beschriebenen Weise einer Trimmanodisierung tmterzogen und/oder in der in der US-PS 3 159 556 beschriebenen Weise thermisch vorgealtert werden.

Wie bereits erläutert wurde, wird erfindungsgemäß ein Substrat verwendet, auf dem das interessierende Bauteil niedergeschlagen werden soll. Als Substrat sind solche Materialien geeignet, die den in den verschiedenen Verfahrensstufen gestellten Anforderungen genügen. Es werden Substrate mit relativ glatter Beschaffenheit vorgezogen, die gegen Temperaturen in der Größenordnung von 600 C, denen sie während des Niederschlagverfahrens ausgesetzt sein können, widerstandsfähig sind. Alle hitzefesten Materialtypen, wie etwa Glas, Keramiken und dgl. erfüllen diese Anforderungen. -

Das beim Niederschlagen der gewünschten Tantal-Silicium-Legierungsschicht verwendete Zerstäubungsverfahren kann, wie bereits dargelegt wurde, prak:isch als reaktives Zerstäuben von Tantal in der Gegen-

-4 wart von Silan und Argon mit einem Partialdruck von 3,0 bis 7,0 χ

-3
Torr bzw. 10 χ 10 Torr, als Wechselstrom-Zerstäuben von Stäben

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und als Zerstäuben einer zusammengesetzten Tantal-Siliciumkathode gewählt werden. Bei der Anwendung der Erfindung wurde gefunden, daß die Zusammensetzung der niedergeschlagenen Legierung zwischen 2, 5 und 35 Gewichts-% Silicium, der Rest Tantal, liegen muß, damit ein wirksam funktionierendes Bauteil entsteht. Zusammensetzungen mit weniger als 2, 5 Gewichts-% Silicium weisen anstatt der Mikrokristallstruktur der Tantal-Silicium-Legierung die kristallographische Beta-Tantal-Struktur auf. Obwohl das erwähnte Maximum von 35 Gewichts-% Silicium für Widerstände akzeptabel ist, besteht für Kondensatoren eine maximale Grenze von 12 Gewichts-%, oberhalb derer der Materialverlustfaktor nicht mehr akzeptiert werden kann. Die für Widerstände maximalen 35 Gewichts-% werden durch Überlegungen vorgeschrieben, die mit dem Widerstandstemperaturkoeffizienten zusammenhängen. Diese Kenngröße wird über das bezeichnete Maximum hinaus zu negativ, um in vielen Anwendungsfällen noch brauchbar zu sein. Also liegt für die Herstellung eines brauchbaren Dünnschichtmaterials interessierende Bereich zwischen 2, 5 und 35 Gewichts-% Silicium, der Rest ist Tantal, und der für Kondensatoren bevorzugte Bereich zwischen 2, 5 und 12 Gewichts-% Silicium,

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der Rest ist wiederum Tantal.

In Fig. 2a ist ein Substrat 21 in Draufsicht dargestellt, das sich zur Herstellung eines Kondensators geeignet verwenden laßt und auf das eine Tantal-Silicium-Legierungsschicht 22 niedergeschlagen wurde. Die so niedergeschlagene Legierungsschicht kann dann in ein typisches Anodisierungsbad (anodizing electrolyte) eingetaucht werden und gegenüber einer anderen in den Elektrolyten eingetauchten Elektrode positiv gemacht werden. Die Anodisierung wird genügend lange durchgeführt, bis eine Oxidschicht 23_, wie sie in der Fig. 2b dargestellt ist, gebildet ist. Wie aus der Figur hervorgeht, ist ein Teil der ursprünglichen Legierungsschicht 22 ohne eine Oxidschicht. Dieser oxidschicht-freie Teil ist derjenige Teil der Legierungsschicht 22, an den die Quelle zur Lieferung der Anodisierungsspanntuig angeschlossen wurde, und der folglich nicht in den . Elektrolyten eingetaucht war.

Der nächste Schritt bei der Herstellung eines Kondensators besteht darin, daß eine Gegenelektrode auf die Oxidschicht 23 aufgebracht wird. Das wird am günstigsten mit Hilfe von Vakuumverdampfungs-

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verfahren bewerkstelligt. In Fig. 2c wird eine Gegenelektrode 24, ■ die den Qxidfilm 23 kontaktiert, gezeigt.

Die Fig. 2d zeigt die Anordnung der Fig. 2c im Querschnitt. Wie aus 2d entnommen werden kann, liegt die ursprüngliche Legierungsschicht 22 unter der Oxidschicht 23. Der Teil der Legierungsschicht 22, der über die Oxidschicht 23 hinausreicht, bietet sich zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Kondensator an.

Nachstehend werden im Detail Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese Beispiele sind nur eingefügt worden, um den erfindungsgemäßen Gegenstand verstehen zu helfen. Fachleute können Änderungen vornehmen, onne daß sie von Inhalt und Umfang der Erfindung abqeichen.

Beispiel 1

Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Widerstandes.

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Es wurde eine Einrichtung zur kathodischen Zerstäubung mit einer Glasglocke, in der eine Tantal-Kathode mit einem Quer-

schnitt von 15 cm angeordnet war, in Verbindung mit einer 15 cm-Öldiffusionspumpe verwendet, die eine Auffangvorrichtung (trap) für flüssigen Wasserstoff besaß. Als Substrat wurde ein Durchziehglas für Mikroskope verwendet. Zunächst wurde das Durchziehglas auf bekannte Weise gereinigt, um die Oberfläche zu säubern. Der erste Schritt des Niederschlagsverfahrens bestand in einer 2-Stunden-langen Erwärmung des Substrates auf eine Temperatur von ungefähr 500 C, woraufhin es weitere 2 Stunden auf eine Temperatur von ungefähr 100 C abgekühlt wurde. Nach der Wärmebehandlung betrug der in der Zerstäubungseinrichtung

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auftretende Druck etwa 5 χ 10 Torr und stieg dann, als das System gedrosselt wurde, etwa auf 9 χ 10 Torr. Danach wurde Silan in einer ausreichenden Menge in die Kammer eingeleitet,

-4 um einen Partialdruck von ungefähr 3 χ 10 Torr herzustellen, und zu dem Silan Argon hinzugefügt, um einen Gesamtdruck von

10 Millitorr herzustellen. In einer 40-minütigen vorauslaufenden Aufstäubebehandlung wurde eine Deckschicht auf das Substrat niedergeschlagen, damit sich das Systemgleichgewicht einstellen konnte, und es wurde nach 45 Minuten eine 4000 A dicke

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Süicium-Tantal-L·egierungsschicht niedergeschlagen. Die sich ergebende Schicht war aus 2, 5 Gewichts-% Silicium, der REst Tantal, zusammengesetzt.

Anschließend wurde das Substrat mit FREON entfettet und durch Verdampfung darauf 500 R Titan, 1000 K Palladium und 10.000 K Gold niedergeschlagen, wobei das Substrat auf eine Temperatur von ungefähr 200 C erwärmt wurde. Dann wurde auf die resultierende Anordnung ein gebräuchlicher Photolack niedergeschlagen und mit Hilfe photolithographischer Verfahren Anschlüsse und Widerstände gebildet, wobei eine Lösung von Kaliumtrijudid zur Ätzung des Goldes und des Palladiums, eine Lösung mit 20 Volumenteilen Fluorwasserstoffsäure und einem Teil Wasser zur Ätzung des Titans und eine Lösung mit 5 Volumenteilen Fluorwasserstoffsäure, einem Volumenteü Salpetersäure und einem Volumenteil Wasser zur Entfernung der Tantal-Silicium-Legierung verwendet wurden. Im folgenden wurde die Anordnung stabilisiert, indem sie einer 5-stündigen Warmbehandlung bei 250 C unterzogen wurde. Endlich wurden die sich ergebenden Widerstände bei einer Stromdichte von 15, 5 Milliampere dividiert durch Quadrat Zentimeter bis 100 Volt anodisiert. Die so hergestellten Widerstände

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wiesen einen spezifischen Widerstand von ungefähr 205 χ 10 Ohm. cm, einen Widerstandstemperaturkoeffizienten von ungefähr -118 ppm/C und nach einer 1000-stündigen Warmbehandlung bei 150 C eine Stabilität von -0, 04 % auf.

Beispiel 2

Das im Beispiel 1 angeführte Niederschlagsverfahren wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Schicht jetzt 7, 8 Gewichts-% Silicium enthielt, was durch die Anwendung eines Silan-Partial-

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druckes von ungefähr 4 χ 10 Torr erreicht wurde. Das Substrat wurde anschließend mit FREON entfettet und darauf mittels photolithographischer Verfahren ein gewünschtes Muster erzeugt, wobei eine Ätzlösurg mit 5 Volumenteilen Fluorwasserstoffsäure, · einem Volumenteil Salpetersäure und einem Volumenteil Wasser zur Ätzung der Taiital-Silicium-Legierung verwendet wurde. Nach Entfernung des Photolackes und einem zweiten Entfettungs schritt wurde die Tantal-Silicium-Schicht in einer 0, 01 %-igen Trokarbonsäurelösung bei einer Stromdichte zwischen 0,15 und 0, 45 Milliampere dividiert durch Quadratzentimeter, bis 230 Volt anodisiert. Danach wurde die Anordnung wiederum entfettet und eine

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500 A dicke Nickel-Chrom-Legierungsschicht sowie 10.000 A dicke Goldschicht auf das Substrat aufgedampft. ■ Dann wurde ein Hiotolack niedergeschlagen und ein Gegenelektrodenmuster gebildet, wobei Kaliumtrijudid zur Ätzung des Goldes und Salzsäure, zur Ätzung der Nickel-Chrom-Legierung verwendet wurden. Schließlich wurden der Photolack entfernt, die Anordnung entfettet und die sich ergebenden Kondensatoren bestimmt. Die Kondensatoren wiesen auf: eine Käpazitätsdichte von 43,1 Nanu-

farad, dividiert durch cm , bei einer Frequenz' von 1 kHz einen kleineren Verlustfaktor als als 0,0035, für den Temperaturbereich zwischen 25 und 65 C einen Temperaturkoeffizienten von + 200, bei 50 Volt einen Leckstrom in der Größenordnung von 0, 033 A dividiert durch Farad und für stufenweise Spannungserhöhung eine Durchschlagsspannung von ungefähr 130 Volt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. I Elektrisches Dünnschichtbauteil mit einer Dünnschicht aus

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anodisierbarem Material auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das anodisierbare Material eine im Zerstäubungsverfahren auf das Substrat niedergeschlagene Tantal-Siliciumlegierung mit 2, 5-35 Gewichts-% Silicium und insbesondere zur Herstellung eines ohm'schen Schichtwiderstandes und mindestens einer Anodenelektrode eines Kondensators vorgesehen ist.

2. Dünnschichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht bei ihrer Verwendung als Anode eines Kondensators 2, 5 - 12 Gewichts-% Silicium enthält.

3. Dünnschichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht durch reaktives Zerstäuben in Silan-Argonumgebung hergestellt worden ist.

4. Dünnschichtbauteil nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Silän-Argon-Umgebung mit einem Partialdruck

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-4 für Silan und Argon von 3,0 bis 7,0 χ 10 Torr bzw. 10 χ 10 Torr gearbeitet worden ist.

5,- Dünnschichtbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß' die Dünnschicht durch Wechselstrom-Zerstäuben von wassergekühlten Silicium- und Tantalstäben hergestellt worden ist.

6. Dünnschichtbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet _> daß die Dünnschicht durch Zerstäuben einer gesinterten Tantal-Silicium-Kathode in reinem Argon hergestellt worden ist.

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