DE2429434B2

DE2429434B2 - Verfahren zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren in Dunnschichtschaltungen

Info

Publication number: DE2429434B2
Application number: DE2429434A
Authority: DE
Inventors: Helmold Dipl.- Phys. 8000 Muenchen Kausche; Alois Dipl.-Phys. Dr. 8022 Gruenwald Schauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-19
Filing date: 1974-06-19
Publication date: 1979-10-04
Also published as: ATA326275A; CH587568A5; DE2429434A1; NL7507269A; FR2275889A1; US4020222A; GB1482300A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren in Dünnschichtschaltungen aus derselben auf einem isolierenden Substrat niedergeschlagenen Grundschicht, die durch Kathodenzerstäubung auf ein nicht leitendes Substrat aufgebracht wird und einen Anteil von 2 bis 20 Atom% Tantal im Aluminium enthält.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 2 253490 bekannt.

In der Tantal-Dünnschicht-Technik werden für Widerstände üblicherweise Tantalnitridschichten und für Kondensatoren /3-Tantalschichten verwendet. Die Herstellung von integrierten RC-Dünnschichtschaltungen erfolgt beispielsweise auf die Weise, daß auf einem Substrat die Widerstände aus Tantalnitrid, auf einem anderen Substrat die Kondensatoren aus ß-Tantal erzeugt werden und daß schließlich beide Substrate zusammengefügt werden. Will man RC-Netzwerke auf einem für Widerstände und Kondensatoren gemeinsamen Substrat herstellen, so tritt eine gegenseitige Störung der Widerstands- und Kondensator-Herstellprozesse auf, die durch zusätzliche Maßnahmen wieder beseitigt werden können.

Ein wesentliches Problem dabei ist, daß Sandwich-Schichten aus Tantalnitrid und /3-Tantal nicht selektiv geätzt werden können. Es wurde daher zunächst vorgeschlagen, Zwischenschichten aus Tantalpentoxid (DE-AS 1615010) oder Aluminium (DE-AS 1615 011) zwischen der Tantalnitrid- und der ß-Tantalschicht einzufügen. Durch die Verwendung von Tantalpentoxid, das normalerweise ein Isolator ist, werden jedoch die elektrischen Verluste der Schaltung stark erhöht, während das selektive Ätzen von Tantal über Aluminium problematisch ist. Außerdem werden die Verfahren durch die Verwendung von jeweils drei Schichten kompliziert.

Eine verbesserte Lösung dieses Problems ist in der DE-OS 2021264 bzw. in der Zeitschrift »Proceedings, 1970, Electronic Components Conference«, Washington, Seiten 602 bis 612, beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird zunächst /3-Tantal aufgestäubt, geätzt und teilweise formiert, worauf Tantalnitrid ganzflächig niedergeschlagen wird. Die durch das Formieren des /3-Tantals gebildete Oxidschicht dient beim Ätzen des Tantalnitrids als Ätzbarriere, so daß Tantalnitrid an den gewünschten Stellen entfernt werden kann, ohne daß dabei das darunter liegende /f-Tantal auch weggeätzt wird. Die im weiteren Verlauf des bekannten Herstellungsverfahrens zur Stabilisierung der Widerstände erforderliche Temperung verschlechtert die Dielektrikumseigenschaften > des Tantalpentoxids, was durch eine zweite Formierung der Kondensatorgebiete wiedergutgemacht werden muß.

Die große Zahl der beim bekannten Verfahren benötigten Verfahrensschritte wirkt sich jedoch insbeii> sondere auf die erzielbare Schaltkreis-Ausbeute und damit auf die Wirtschaftlichkeit negativ aus. Die Herstellung von Dünnschicht-RC-Netzwerken auf einem für Widerstände und Kondensatoren gemeinsamen Substrat würde sich viel einfacher gestalten, wenn man Widerstände und Kondensatoren mit den geforderten Eigenschaften statt aus zwei Grundschichten aus einer einzigen Grundschicht herstellen könnte. Dieses Problem ist in der obengenannten Zeitschrift auf Seite 602 im 2. Absatz der rechten Spalte bereits angespro-■?< > chen. Dort ist auch ausgeführt, daß mit den bekannten Techniken eine Lösung dieses Problems nicht bzw. nur mit unzureichender Genauigkeit möglich war.

In der eingangs genannten DE-OS 2253490 sind aufgestäubte Al-Ta-Legierungsschichten mit etwa 2 bis 20 Atom% Tantal mit Aluminium angegeben, die sich durch hohe Oxidationsbeständigkeit und große Funkenspannung auszeichnen. In dem älteren deutschen Patent 2356419 sind Al-Ta-Schichten mit hohem Aluminiumgehalt beschrieben, deren Eigenschaften durch reaktiven Gaszusatz bei der Kathodenzerstäubung weiter variiert werden können im Hinblick auf deren Verwendung für Dünnschichtwiderstände und -kondensatoren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubilden, daß aus der gleichen Grundschicht temperaturkompensierte RC-Glieder herstellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Grundschicht in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von Sauerstoff zwischen 10"' und 10"² Pa reaktiv aufgestäubt wird, wobei der Sauerstoff-Partialdruck so gewählt wird, daß der TKR der fertigen Grundschicht etwa —500 ppm/K beträgt.

Es hat sich gezeigt, daß bei diesem so eingestellten TKR überraschenderweise der Temperaturkoeffizient von aus derselben Grundschicht hergestellten Kondensatoren etwa +500 ppm/K beträgt. Aus dieser Grundschicht hergestellte RC-Glieder sind also temperaturkompensiert.

Der spezifische Widerstand der erfindungsgemäßen Schichten ist relativ hoch. Er beträgt z. B. für sauerstoffhaltige Legierungen mit etwa 7 Atom% Tantal 2800 μΩοπι und für sauerstoffhaltige Schichten mit etwa 14 Atom% Tantal 3800 μΩαη. Das hat zur Folge, daß Schichten von etwa 400 nm Dicke einen Flächenwiderstand von 70 bzw. 100 Ω haben. Man erhält somit auch bei Verwendung relativ großer Schichtdicken - wie sie für die Kondensatorherstellung erwünscht sind - Ausgangsflächenwiderstände, welche günstig für die Herstellung von Widerstandsnetzwerken sind.

Im Vergleich mit den aufwendigen bekannten Herstellungsverfahren von RC-Netzwerken aus Tantal-Sandwichschichten, wie sie in der in der Beschreibungseinleitung zitierten Literatur ausführlich beschrieben sind, können bei der erfindungsgemäßen Verwendung der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schichten ti öf Q rtlctt* ^I*i t-7\»r (^rL-*a ^»n3 cötitlir-K oinfiplior h^roeictolit

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werden. Nachfolgend werden zwei mögliche Verfahren beschrieben, wobei die geringe Zahl der Verfahrensschritte bereits den großen Fortschritt bei der erfindungsgemäßen Verwendung der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schichten gegenüber den bekannten Schichtkombinationen offenbar macht.

1. Verfahren

1. Aufstäuben der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht auf ein Substrat.

2. Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.

3. Bildung des Kondensator-Dielektrikums durch anodische Oxidation.

4. Herstellen der Kondensator-Gegenelektroden und der Leiterbahnen durch Aufdampfen und Ätzen von z. B. Cr-Ni-Au.

5. Abgleich der Widerstände durch anodische Oxidation oder Laserstrahl und Stabilisierung der Widerstände durch Tempern.

6. Trenn-Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.

2. Verfahren

1. Aufstäuben einer sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht auf ein Substrat.

2. Aufdampfen einer Leiterbahnschicht aus z. B. Cr-Ni-Au.

3. Ätzen der Leiterbahnschicht und Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.

4. Abgleich der Widerstände durch anodische Oxidation oder Laserstrahl und Stabilisierung der Widerstände durch Tempern.

5. Bildung des Kondensator-Dielektrikums durch anodische Oxidation.

6. Herstellung der Kondensator-Gegenelektroden-Schicht durch Aufdampfen und Ätzen von z. B. Cr-Ni-Au.

7. Trenn-Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.

Das Aufstäuben der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schichten kann beispielsweise in einer der bekannten Kathodenzerstäubungs-Vorrichtungen mit Ringentladungsplasma unter Verwendung einer Al-Ta-Mischkathode, wie sie in den deutschen Patentschriften 1515311 und 1515314 beschrieben sind, erfolgen. Bei einer Zerstäubungsspannung von 600 V und einem Strom von 2 A wird dabei sowohl für das Argon als auch für den Sauerstoff ein Partialdruck von etwa 0,1 Pa eingestellt. Bei einer Bestäubungszeit von 12 bis 15 Minuten werden dabei etwa 400 nm dicke Schichten abgeschieden. Kondensatoren und Widerstände aus diesen Schichten haben folgende Eigenschaften: Bei einer Formierspannung von 200 V beträgt die Flächenkapazität ca. 330 pF/mm² und bei der Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien an Kondensatoren wird der zweifache Ladestrom erst bei Spannungen über 100 V erreicht. Die Kondensator-Ausbeute ist mindestens ebensogut wie bei Verwendung von ^-Tantal-Schichten. Widerstände zeigen im Langzeitversuch bei einer Lagerung von 125° C nach 2500 Stunden relative Widerstandsänderungen, die innerhalb ±0,2% liegen.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren in Dünnschichtschaltungen aus derselben auf einem isolierenden Substrat niedergeschlagenen Grundschicht, die durch Kathodenzerstäubung auf ein nicht leitendes Substrat aufgebracht wird und einen Anteil von 2 bis 20 Atom% Tantal im Aluminium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von Sauerstoff zwischen 10"¹ und 10"²Pa reaktiv aufgestäubt wird, wobei der O₂-Partialdruck so gewählt wird, daß der TKR der fertigen Grundschicht etwa -500ppm/K beträgt.