DE2520790A1 - Stable temp. compensated RC thin film circuit mfr. - from aluminium and tantalum alloy by reactive atomisation in atmos. contg. carbon dioxide - Google Patents

Stable temp. compensated RC thin film circuit mfr. - from aluminium and tantalum alloy by reactive atomisation in atmos. contg. carbon dioxide

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DE2520790A1 DE19752520790 DE2520790A DE2520790A1 DE 2520790 A1 DE2520790 A1 DE 2520790A1 DE 19752520790 DE19752520790 DE 19752520790 DE 2520790 A DE2520790 A DE 2520790A DE 2520790 A1 DE2520790 A1 DE 2520790A1
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Abstract

In the prodn. of stable, temp.-compensated RC thin film circuits from a common base film of an Al-Ta alloy, which is applied to an insulating substrate in vacuo contains 2-20, esp. 10-18 at.-% Ta in the Al, teh improvement comrpises reactive atomisation of the film of an atmos. with CO2 and selection of the compsn. of the film and the CO2 partial pressure so that the temp. coeffts. of capacitance and resistance are in the range from +200 to +500 and -200 to - 500 ppm/k respectively and compensate one another. The laims also cover the prodn. of discrete condensers. Temp. compensated RC thin film circuits and discrete resistors and capacitors of high stability cna be produced, in which the temp. coeffts. of resistivity can be regulated within wide limits.

Description

Verfahren zum Herstellen einer RC-Düunschichtschaltung.Method of making an RC nozzle layer circuit.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer stabilen, temperaturkompensierten RC-Dünnschichtschaltung aus einer gemeinsamen Grundschicht aus einer Aluminium-Tantal-Legierung und zur Herstellung diskreter Widerstände und Kondensatoren, die im Vakuum auf ein nichtleitendes Substrat schichtförmig aufgebracht werden und einen Anteil von 2 bis 20, insbesondere 10 bis -18 at % Tantal im Aluminium enthalten.The invention relates to a method for producing a stable, temperature-compensated RC thin-film circuit from a common base layer made of an aluminum-tantalum alloy and for the production of discrete resistors and Capacitors, which are applied in layers to a non-conductive substrate in a vacuum and a proportion of 2 to 20, in particular 10 to -18 at% tantalum in the aluminum contain.

Durch die DT-OS 2 253 490 sind Aluminium-Tantal-Schichten für Dünnschichtschaltungen und diskrete Widerstände und Kondensatoren bekannt, die 2 bis 20 Atom % Tantal im Aluminium enthalten und einen typischen spezifischen Widerstand zwischen 60 und 200 1u Ohm cm und einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (2KR) zwischen +100 und - 100 ppm/K besitzen.DT-OS 2 253 490 describes aluminum-tantalum layers for thin-film circuits and discrete resistors and capacitors are known to contain 2 to 20 atomic percent tantalum in the Contain aluminum and have a typical resistivity between 60 and 200 1u ohm cm and a temperature coefficient of resistance (2KR) between +100 and - 100 ppm / K.

Ein besonderes Merkmal dieser Schichten ist ihre bisher unerreichte Stabilität bei hohen Temperaturen. Während praktisch alle zuvor in der i?ünnschichttechnik verwendeten Widerstands-und Kondensatorschichten bei einer Lagerung in Luft zwischen 4000 und 500 cc innerhalb relativ kurzer Zeit vollständig durchoxidiert werden, bildet sich bei in dieser DU-OS beschriebenen Schichten selbst nach mehreren Stunden noch keine sichtbare Oxidschicht. Erst bei sehr langer Heißlagerung tritt eine geringe Drift auf, die je nach Schichtdicke auf die sich überlagerndenRekristallisationsvorgänge mit Widerstandserniedrigung oder Oxidationsvorgänge mit Widerstandserhöhung zurückzuführen ist.A special feature of these layers is their unprecedented level Stability at high temperatures. While practically everyone was previously in the thin-film technique used resistor and capacitor layers when stored in air between 4000 and 500 cc are completely oxidized within a relatively short time, forms in the layers described in this DU-OS even after several hours no visible oxide layer yet. Only after very long hot storage does a slight increase occur Drift on, depending on the layer thickness on the overlapping recrystallization processes with a decrease in resistance or oxidation processes with an increase in resistance is.

Das ältere Patent ... (Patentanmeldung amtliches Aktenzeichen P 23 56 419.4 a unsere Akte VPA 73/1221) schlägt ein Verfahren vor, nach dem Schichten mit weiter verbesserter Stabilität hergestellt werden und das außerdem in weiten Grenzen das Einstellen des TKR und/oder spezifischen Widerstandes erlaubt.The older patent ... (patent application, official file number P. 23 56 419.4 a our file VPA 73/1221) suggests a procedure according to the shifts can be produced with further improved stability and that also to a large extent Limits the setting of the TKR and / or specific resistance is allowed.

Die Schichten werden hierbei in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von Stickstoff und/oder Sauerstoff zwischen 10 1 und 10 2 Pa reaktiv aufgestäubt.The layers are here in an atmosphere with a partial pressure reactively atomized by nitrogen and / or oxygen between 10 1 and 10 2 Pa.

Bei diesem Verfahren ergibt sich über einen gewissen 3ereich des Partialdruckes nur eine relativ geringe Abhängigkeit des TKR. Es ist daher möglich, den Fremdgaseinbau auf maximale Schichtstabilität oder auf einen gewünschten spezifischen Widerstand zu optimieren, ohne daß dabei der TKR wesentlich geändert wird. Erst bei einem großen Anteil reaktiver Gase ändert sich der TKR, und zwar in Richtung auf negative Werte.With this method the partial pressure results over a certain range only a relatively low dependency of the TKR. It is therefore possible to install foreign gas for maximum layer stability or a desired specific resistance to optimize without significantly changing the TKR. Only with a big one Proportion of reactive gases changes the TKR, in the direction of negative values.

Durch das ältere Patent ... (Patentanmeldung amtliches Aktenzeichen P 24 29 434*6; unsere Akte VPA 74/1094) wird die Verwendung von 02-haltigen Aluminim-Tantal-tegiergscb ehten mit einem Anteil von 2 bis 20 Atom % Tantal im aluminum vorgeschlagen, deren 02-Gehalt so gewählt ist, daß aus derselben Grundschicht Widerstände und Kondensatoren mit Temperaturkompensation hergestellt werden körnen, z.B. TKR = -500 ppm/m und TKC = +500 ppm/K.With the older patent ... (patent application, official file number P 24 29 434 * 6; our file VPA 74/1094) the use of 02-containing aluminum-tantalum-tegiergscb Ehten proposed with a proportion of 2 to 20 atom% tantalum in the aluminum, their O2 content is chosen so that resistors and capacitors are from the same base layer can be produced with temperature compensation, e.g. TKR = -500 ppm / m and TKC = +500 ppm / K.

Der spezifische Widerstand dieser Schichten ist relativ hoch.The specific resistance of these layers is relatively high.

Er beträgt z.B. für sauerstoffhaltige Legierungen mit etwa 7 Atom d0 Tantal 2800 µR cm und für sauerstoffhaltige Schichten mit etwa 14 Atom % Tantal 3800µ# cm. Schichten von etwa 400 nm Dicke besitzen daher einen Flächenwiderstand von 70 bzw. 100 Ohm, weshalb man auch bei Verwendung relativ großer Schichtdicken - wie sie für die Kondensatorherstellung erwünscht sind - günstige Ausgangsflächenwiderstände für die Herstellung von Widerstandsnetzwerken erhält.It is e.g. for oxygen-containing alloys with about 7 atoms d0 tantalum 2800 µR cm and for layers containing oxygen with about 14 atom% tantalum 3800µ # cm. Layers about 400 nm thick therefore have a sheet resistance of 70 or 100 ohms, which is why you should use relatively thick layers - as they are desired for the production of capacitors - favorable output surface resistances for the production of resistor networks.

Im Vergleich mit den aufwendigen bekannten Herstellungsverfahren von RC-Netzwerken aus Tantal-Sandwich-Schichten können.In comparison with the complex, known manufacturing processes from RC networks made of tantalum sandwich layers can.

bei der hiernach vorgeschlagenen Verwendung der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schichten RO-Netzwerke wesentlich einfacher hergestellt werden, wie sich anhand der beiden nachstehend schematisch erläuterten Verfahren zeigt.with the use of the oxygen-containing Al-Ta layers RO networks can be produced much more easily, as can be seen based on of the two methods explained schematically below.

Erstes Verfahren 1. Aufstäuben der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht auf ein Substrat.First method 1. Dusting the oxygen-containing Al-Ta layer on a substrate.

2. Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.2. Etching of the oxygen-containing Al-Ta layer.

3. Bildung des Eondensator-Dielektrikums durch anodische Oxidation.3. Formation of the capacitor dielectric by anodic oxidation.

4. Herstellen der Kondensator-Gegenelektroden und der Leiterbahnen durch Aufdampfen (evtl. Ätzen) von z.B. Cr-ifi-Au.4. Manufacture of the capacitor counter-electrodes and the conductor tracks by vapor deposition (possibly etching) of e.g. Cr-ifi-Au.

5. Abgleich der Widerstände durch anodische Oxidation odEr Laserstrahl und Stabilisierung der Widerstände durch Tempern.5. Adjustment of the resistances by anodic oxidation or a laser beam and stabilization of the resistors by annealing.

6. Trenn-Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.6. Parting etching of the oxygen-containing Al-Ta layer.

Zweites Verfahren 1. Aufstäuben einer sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht auf ein Substrat.Second method 1. Dusting an oxygen-containing Al-Ta layer on a substrate.

2. Aufdampfen einer Leiterbahnschicht aus z.B. Cr-Ni-Au.2. Vapor deposition of a conductor track layer made of e.g. Cr-Ni-Au.

3. Ätzen der Leiterbahnschicht und Ätzen der sauerstoff,haltigen Al-Da-Schicht.3. Etching of the conductor track layer and etching of the oxygen-containing Al-Da layer.

4. Abgleich der Widerstände durch anodische Oxidation oder Laserstrahl und Stabilisierung der Widerstände durch Tempern.4. Adjustment of the resistances by anodic oxidation or laser beam and stabilization of the resistors by annealing.

5. Bildung des Eondensator-Dielektrikums durch anodische Oxidation.5. Formation of the capacitor dielectric by anodic oxidation.

6. Herstellung der Kondensator-Gegenelektroden-Schicht durch Aufdampfen und Ätzen von z.B. Cr-Ni-Au.6. Production of the capacitor counter-electrode layer by vapor deposition and etching of, for example, Cr-Ni-Au.

7. Trenn-Ätzen der sauerstoffhaltigen Al-Ta-Schicht.7. Parting etching of the oxygen-containing Al-Ta layer.

Der vorliegenden Erfindung liegt gleichfalls die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen stabiler temperaturkompensierter RO-Dunnschichtsche,ltungen und diskreter Widerstände und Kondensatoren hoher Stabilität anzugeben, bei denen die Temperaturkoeffizienten und der spezifische Widerstand innerhalb weiter Grenzen einstellbar sind.The present invention is also based on the object a process for the production of stable temperature-compensated RO thin-film solutions and to specify discrete resistors and capacitors of high stability where the temperature coefficient and the specific resistance within wide limits are adjustable.

Zur Herstellung dieser temperaturkompensierten RC-Dünnschichtschaltungen sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vor, daß die Schicht, bestehend aus einer Al-Da-Legierung, in einer Atmosphäre mit CO2 reaktiv aufgestäubt wird, und daß die Schichtzusammensetzung und der CO2-Partialdruck so gewählt werden, daß der TKC bzw. TKR im Bereich zwischen etwa +200 und +500 bzw. -200 und -500 ppm/K liegen und einander kompensieren.For the production of these temperature-compensated RC thin-film circuits the invention provides in a method of the type mentioned that the Layer, consisting of an Al-Da alloy, reactive with CO2 in an atmosphere is sputtered, and that the layer composition and the CO2 partial pressure so be chosen so that the TKC or TKR is in the range between about +200 and +500 or -200 and -500 ppm / K and compensate for each other.

Durch eine vorzugsweise im Anschluß an den Herstellungsprozeß durchgeführte temperung, die innerhalb der Grenzen von etwa 200 und 300 0C sowie 10 und 4 Stunden erfolgt, kann hierbei der TKC minimal bis auf Werte von etwa +250 ppm/K herabgesetzt und zusätzlich an den TKR der Schicht angepaßt werden.By a preferably carried out after the manufacturing process tempering within the limits of about 200 and 300 0C as well as 10 and 4 hours occurs, the TKC can be reduced to a minimum of around +250 ppm / K and can also be adapted to the TKR of the shift.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur Herstellung diskreter Kondensatoren, wobei im letztgenannten Fall eine Schicht aus einer Al-Da-Legierung als Grundelektrode in C02-freier Atmosphäre auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt, auf diese Schicht ohne Unterbrechung des Aufstäubvorganges in C02-haltiger Atmosphäre eine zweite Schicht aus einer Al-Ta-Legierung reaktiv aufgestäubt und durchformiert wird und auf diese iielektrikumsschicht eine erste Schicht aus Cr-Ni und schließlich eine zweite Schicht aus Au als zwette Elektrode aufgedampft werden.The method according to the invention is suitable both for production discrete capacitors, in the latter case a layer made of an Al-Da alloy sputtered onto a non-conductive substrate as a base electrode in a C02-free atmosphere, on this layer without interrupting the sputtering process in a C02-containing atmosphere a second layer of an Al-Ta alloy is reactively sputtered and formed and on this dielectric layer a first layer of Cr-Ni and finally a second layer of Au can be evaporated as a second electrode.

Wie nachstehent gezeigt, besitzen die in CO2-haltiger Atmosphäre reaktiv aufgestäubten Aluniinium-Tantal-Schichten im Vergleich zu den in 02-haltiger Atraosphäre reaktiv aufgestäubten Schichten gleicher Zusammensetzung weiter verbesserte Eigenschaften.As shown below, they have in an atmosphere containing CO2 reactive sputtered aluminum-tantalum layers compared to those in the atraosphere containing O2 Reactively sputtered layers of the same composition further improved properties.

So wurden beispielsweise Kondensatoren aus Tantal-Aluminium-Schichten mit geringem C02-Sinbau, entsprechend einem TKR# -50 ppm/K, und mit relativ hohem C02-Einbau, entsprechend einem TKR#-500 ppm/K, hergestellt, bei denen die Messung ihrer Strom-Spannungs-Kennlinien zeigt, daß der zweifache Ladestrom erst bei Spannungen über 100 V erreicht wird. Der TKO ungetemperter Kondensatoren liegt auch hier wie bei Schichten ohne bzw. mit 02-Einbau bei rund +500 ppm/K.Die Widerstandaschichten mit einem eingestellten TKR von -500 ppm/K zur Kompensation ungetemperter Kondensatorschichten bzw. von z.B. -300 ppm/K zur Kompensation der durch Temperung auf einen KO von z.B. +300 ppm/K reduzierten Kondensatorschichten lassen sich mit Ringentladungsplasma ohne Schwierigkeiten ähnlich den vorerwähnten, in 02-haltiger Atmosphäre reaktiv augestäubten Aluminium-antal-Schichten auSstauben.For example, capacitors were made from tantalum aluminum layers with low CO 2 build-up, corresponding to a TKR # -50 ppm / K, and with a relatively high level C02 installation, according to a TKR # -500 ppm / K, made, where the measurement its current-voltage characteristics shows that double the charging current is only possible with voltages over 100 V is reached. The TKO of untempered capacitors is also here like for layers without or with 02 installation at around +500 ppm / K. The resistance layers with a set TKR of -500 ppm / K to compensate for unannealed capacitor layers or from e.g. -300 ppm / K to compensate for the heat treatment to a KO of e.g. +300 ppm / K reduced capacitor layers can be achieved with ring discharge plasma without difficulty similar to those mentioned above, reactive in an 02-containing atmosphere Dust off dusted aluminum-antal layers.

Bei elektrischen Strom-Spannungawerten der AufstäubAppara tur von 2 A und 600 V wird bereits in 10 Minuten ein Substrat bestäubt. In Fig. 1 ist der Verlauf des TKR und des Flächenwiderstandes einer bei den vorstehenden elektrischen Strom-Spannungs-Werten aufgestäubten Al-Ta(12 et %)-Schicht in Abhängigkeit vom C02-Partialdruck aufgetragen. Bezogen auf die gewählte Apparatur werden für TKR-Werte von -300 und -500 ppm/K 002-Partialdracke von z.3 1,3 bzw. 1,4 x 10 3 Torr benötigt.With electrical current-voltage values of the atomizing device of 2 A and 600 V, a substrate is dusted in just 10 minutes. In Fig. 1 is the Course of the TKR and the sheet resistance of one of the above electrical Current-voltage values of sputtered Al-Ta (12 et%) - layer depending on C02 partial pressure plotted. Based on the selected equipment, TKR values of -300 and -500 ppm / K 002 partial pressures of e.g. 3 1.3 and 1.4 x 10 3 Torr are required.

Die Flächenwiderstände RF liegen entsprechend bei ca. 50 bzw.The surface resistances RF are accordingly approx.

100 Ohm.100 ohms.

Im Vergleich zu den in einer Atmosphäre mit 02-PartialdruGk reaktiv aufgestäubten Al-Ta-Schichten zeigen die in einer Atmosphäre mit C02-Partialdruck reaktiv aufgestäubten Schichten gleicher Zusammensetzung eine höhere Stabilität gegen Luftoxidation beim Tempern, eine gute Kontaktierbarkeit und einen hohen Flächenwiderstand. So zeigt der Widerstand, der z.B. bei 250 0C 7 Stunden getemperten und mit Cr-i-Au bedamp-,ten, in einer Atmosphäre mit CO2-Partialdruck reaktiv aufgestäubten A a-Schichten, kein Klirren und eine vernachlässigbar kleine UKR-Drift. Im Druckbereich zwischen 1,3 x 10 3 und 1,4 x 10 3 Torr ändern die Al-Ta-Schichten ihre Flächenwiderstände und Temperaturkoeffizienten beim Tempern relativ wenig, wie dies aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist.Compared to reactive in an atmosphere with O2 partial pressure Sputtered Al-Ta layers show those in an atmosphere with C02 partial pressure Reactively sputtered layers of the same composition have a higher stability against Air oxidation during annealing, good contactability and a high sheet resistance. The resistance, for example at 250 ° C, shows 7 hours annealed and vapor-deposited with Cr-i-Au, in an atmosphere with CO2 partial pressure reactively sputtered A a layers, no clinking and a negligibly small one UKR drift. The Al-Ta layers change in the pressure range between 1.3 × 10 3 and 1.4 × 10 3 Torr their surface resistances and temperature coefficients during tempering are relatively low, as can be seen from FIGS. 2 and 3.

7 Patentansprüche 3 Figuren7 claims 3 figures

Claims (7)

Patentansprüche 1Verfahren zum Herstellen einer stabilen, temperaturkonpensierten RC-Dünnschichtschaltung aus einer gemeinsamen Grundschicht aus einer Al-Ta-Legierung, die im Vakuum auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht wird und einen Anteil von 2 bis 20, insbesondere 1Q bis 18 at % Tantal im Aluminium enthält, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Schicht in einer Atmosphäre mit C°2 reaktiv aufgestäubt wird, und daß die Schichtsusammensetzung und der C02-Partialdruck so gewählt werden, daß der TKC bzw. der TKR im Bereich zwischen etwa +200 und +500 bzw. -200 und -500 ppm/K liegen und einander kompensieren. Claims 1 method for producing a stable, temperature compensated RC thin-film circuit from a common base layer made of an Al-Ta alloy, which is applied in a vacuum to a non-conductive substrate and a proportion contains from 2 to 20, in particular from 10 to 18 at% tantalum in the aluminum, d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the layer is reactive in an atmosphere with C ° 2 is dusted on, and that the layer composition and the C02 partial pressure so be chosen that the TKC or the TKR in the range between approximately +200 and +500 or -200 and -500 ppm / K and compensate for each other. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß zusätzlich der TKC durch Temperung der Schicht innerhalb der Grenzen von etwa 200 und 300 0C sowie 10 und 4 Stunden wahlweise auf Werte zwischen etwa t250 und +500 ppm/K eingestellt und an den TKR angepaßt wird. 2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that additionally the TKC by tempering the layer within the limits of about 200 and 300 ° C. and 10 and 4 hours, optionally to values between about t250 and +500 ppm / K is set and adapted to the TKR. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht bei etwa 250 o0 etwa 7 Stunden getempert wird. 3. The method according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the layer is tempered at about 250 o0 for about 7 hours. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Schicht in einer Atmosphäre mit einem C02-Partialdruck zwischen 1 x 10 3 und 1,5 x 10 Torr reaktiv aufgestäubt wird. 4. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the layer is in an atmosphere with a C02 partial pressure between 1 x 10 3 and 1.5 x 10 Torr is reactively sputtered. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht in einer Atmosphäre mit einem C02-Partialdruck von etwa 1,4 x 10 3 Torr reaktiv aufgestäubt wird. 5. The method according to claim 1 and 4, d a d u r c h g e -k e n n z E i c h n e t that the layer in an atmosphere with a C02 partial pressure of about 1.4 x 10 3 Torr is reactively sputtered on. 6. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t zur Herstellung diskreter Widerstände.6. The method according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t for production discrete resistances. 7. Verfahren ach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t zur Herstellung eines diskreten Eondensators, wobei eine Schicht aus einer Al-Ta-Legierung als Grundelektrode in C02-freier Atmosphäre auf ein nichtleitendes Substrat aui gestäubt, auf diese Schicht ohne Unterbrechung des Aufstäubvorgangs in C02-haltiger Atmosphäre eine zweite Schicht aus einer Al-Ta-Iiegierung reaktiv aufgestäubt und durchformiert wird, und auf diese Dielektrikumsschicht eine Cr-Ni-und auf diese eine Au-Schicht als zweite Elektrode aufgedampft werden.7. The method according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t for production a discrete capacitor, with a layer of an Al-Ta alloy as the base electrode dusted onto a non-conductive substrate in a C02-free atmosphere, onto this One layer without interrupting the sputtering process in a C02-containing atmosphere second layer of an Al-Ta-Iiegierung reactively sputtered and formed and a Cr — Ni layer on this dielectric layer and an Au layer on top of it be vapor deposited as a second electrode.
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