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Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Dünnschichtschaltung mit temperaturkompensierten RC-Gliedern aus einer N2- oder
vorzugsweise C02 oder 02-haltigen AlTa-Legierungsschicht mit etwa 3 bis 17 ae Tantal
im Aluminium, die auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt wird.
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Für Dünnschichtschaltungen mit temperaturkompensierten RC-Gliedern,
wie sie beispielsweise in "Electron. Comp. Conf." (1969) S. 367 bis 371 beschrieben
sind, wurden bisher ß-Tantal-Kondensatoren mit einem TKC-Wert, d.h. mit einem Temperaturkoeffizienten
der Kapazität von etwa +200 ppm/K und TaOXNY-Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten
des Widerstandes (TKR-Wert) von etwa -200 ppm/K eingesetzt.
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Die Entwicklung von Dünnschichtkondensatoren auf der Basis von AlTa
mit und ohne Gaszusatz gewinnt jedoch an Bedeutung, wobei die Fertigung einer AlTa-Schicht
mit Gaszusatz, z.B. gemäß DU-OS 2 356 419, durch reaktives Aufstäuben einer etwa
3 bis 17 atro Ta enthaltenden AlTa-Legierung erfolgt. Es zeigt sich, daß die daraus
aufgebauten Dünnschichtkondensatoren in vieler Hinsicht besser sind als die allein
aus Tantal gefertigten Kondensatoren. So wird für Kondensatoren auf der Basis von
AlTa im
Vergleich zu den eingangs genannten bekannten i3-Tantal-Kondensatoren
bei Stromspannungskennlinien die Spannung, bei welcher der doppelte Ladestrom fließt,
erst bei höheren Spannungen erreicht.
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Auch ist die Ausbeute wesentlich größer. Der TKC-Wert der so hergestellten
Kondensatoren liegt, wie dies beispielsweise der DD-OS 2 429 434 entnehmbar ist,
bei ca.+500 ppm/K. Für temperaturkompensierte RO-Glieder sind folglich Widerstände
mit einem TKR-Wert von -500 ppm/E nötig, der sich - wie die vorstehend genannten
Patentanmeldungen zeigen - durch reaktive Kathodenzerstäubung von AlTa mit °2- und/oder
N2-Zusatz und geeignete Wahl des Partialdrucks dieses Zusatzes und eines geeigneten
Ta-Anteils im Aluminium in einem größeren Wertebereich einstellen läßt.
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Um die infolge von unterschiedlichen lemperatureinflüssen u.U.
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auftretenden Änderungen elektrischer Eigenschaften in einzelnen Bereichen
einer Dünnsehichtschaltung besser ausgleichen zu können, sollten die vorzeichenverschiedenen
Temperaturkoeffizienten von R und C nicht nur gleich groß, sondern auch vom Absolutbetrag
her möglichst klein sein.
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Dies gelingt be8üglich des gKR-Wertes recht gut durch Variation des
Reaktivgasdruckes beim Aufstäuben einer AlTa-Schicht. Der TKC-Wert der entsprechenden
Dünnschichtkondensatoren kann dagegen auf diese Weise nicht oder nur in geringem
Maße variiert werden.
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Zur Lösung dieses Problems wurden deshalb gezielte Temperversuche
mit fertigen AlTa-Kondensatoren durchgeführt, wobei es gelang, den TKc-Wert von
ursprünglich ca. +500 ppm/K nach kleineren Werten hin (bis ca. +300 ppm/K) zu verschieben,
ohne dabei den TKR Wert zu verändern Damit ergibt sich die Möglichkeit, RC-Glieder
herzustellen, deren UK-Werte bereits bei + 300 ppm/K kompensiert sind. Auch aus
einem fertigungstechnischen Grund ist es erstrebenswert, temperaturkompensierte
RC-Glieder mit niedrigen TK-Absolutwerten zu verwenden. Beim reaktiven Aufstäuben
der AlTa-Grundschicht zeigt sich nämlich, daß Schichten, die mit niedrigen Reaktivgasdrucken
und damit kleinen TKR-Absolutwerten aufgestäubt werden, sich besser reproduzieren
lassen als solche mit großen
KR, weil mit zunehmendem Partialdruck
des reaktiven Gases die lineare Abhängigkeit zwischen TKR und diesem Gasdruck in
steigendem Maße exponentiell wird. Geringe Partialdruckänderungen fahren demnach
zu größeren TKR-Wertschwankungen und somit zu erschwerten Herstellungsbedingungen.
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Das Hauptpatent gibt ein Verfahren zur Herstellung einer RC-DUnnschichtschaltung
an, bei dem die Absolutwerte der vemperaturko.effizienten von R und C gleich und
möglichst klein sind.
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Hierbei wird eine N2- oder vorzugsweise 02-haltige Tantal-Aluminium-Legierungsschicht
mit etwa 3 bis 17 at% Tantal im Aluminium dadurch hergestellt, daß diese in einem
Arbeits-Reaktivgas-Gemisch, enthaltend mindestens eines der Gase 02, GO, und N2,
auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt wird, wobei der TKR-Wert durch den Tantal-Anteil
der Legierungsschicht und dem Partialdruck des Reaktivgases und durch Tempern die
Stabilität der Widerstände erhöht und der TKC-Wert der aus der Aluminium-Tantal-Legierungsschicht
gebildeten Kondensatoren mindestens angenähert entgegengesetzt gleich dem KR-Wert
eingestellt, d.h. üblicherweise gesenkt wird.
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Stäubt man in einem der vorstehend genannten Gase und bei entsprechendem
Partialdruck dieses Gases eine AlTa-Legierung des gewählten Zusammensetzungsbereiches
auf ein Substrat auf, derart, daß der TKR-Wert etwa -300 ppm/K beträgt, und tempert
man die üblicherweise durch anodische Oxidation der AlTa-Schicht und durch Auftrag
von Gegenelektroden auf die so erhaltenen Dielektrika gebildeten Kondensatoren in
Luft, z.B. 7 Stunden bei 25000, so fällt der gk -Wert von +500 ppm/K auf ca. +300
ppm/K ab, ohne daß der TKR-Wert wesentlich beeinflußt wird. Dieserart kann man also
aus einer einheitlichen Schicht, die einen Anfangswert des TK0-Wertes von etwa +500
ppm/K und einen durch entsprechende Wahl des Tantal-Anteils und/oder des Partialdrucks
des Reaktivgases auf etwa -300 ppm/K eingestellten TKR-Wert aufweist, durch Temperung
Widerstände und Kondensatoren mit einem UKR-Wert von -300 ppm/E und einem TKC-
Wert
von +300 ppm/E erhalten. Der Partialdruck des Reaktivgases beträgt, wenn zur Kathodenzerstäubung
z.B. das bekannte Verfahren mit Ringentladungsplasma (600 V, 2A) verwendet wird,
etwa 5.102 bis 1.101 Pa. Als Arbeitsgas dient z.B. Argon, dessen Partialdruck etwa
auf 1.101 Pa eingestellt ist.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß durch diese Temperung nicht nur
Dünnschichtschaltungen mit temperaturkompensierten RC-Gliedern aus einer Schicht
herstellbar sind, sondern auch die Qualität der AlTa-Kondensatoren insgesamt verbessert
wird. So nimmt beispielsweise der Isolationsstrom ab, und die Stromspannungskennlinien
werden besser. Im Dauerversuch zeigen die getemperten AlTa-Kondensatoren-geringere
Kapazitätscrift als die ungetemperten. Reaktiv aufgestäubte AlTa-Kondensatoren werden
sogar im Gegensatz zu ß-Tantal-Kondensatoren durch die Temperung in ihren elektrischen
Eigenschaften verbessert.
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I4it zunehmendem N2- und insbesondere mit zunehmendem 02- oder C02-Anteil
in der AlTa-Schicht erhöhen sich jedoch die Übergangswiderstände zwischen den Kontaktschichten,
z.B. CrNiAu-Schichten, und den Widerstandsschichten, so daß die Kontaktierung zu
wünschen übrig läßt. Durch die temperung wird dieser Effekt noch verstärkt.
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Das AlTa ist zwar außerordentlich oxidationsstabil, bildet aber offensichtlich
doch eine sehr dünne und mit zunehmendem Gaseinbau immer deutlicher in Erscheinung
tretende Oxidschicht.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die weitere Verbesserung des Verfahrens
nach dem Hauptpatent zur Aufgabe gestellt, insbesondere soll ein Verfahren und ein
Material angegeben werden, durch das die vorstehend aufgezeigte unerwünschte Erhöhung
der Ubergangswiderstände vermieden und trotzdem das Dielektrikum der Kondensatoren
nicht beschädigt wird.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung mit
temperaturkompensierten RO-Gliedern aus einer N2- oder vorzugs-
weise
02- oder C02-haltigen AlTa-Legierungsschicht mit etwa 3 bis 17 at% Tantal im Aluminium,
die in einem Arbeits-Reaktivgas-Gemisch, enthaltend mindestens eines der Gase 02,
C02 und N2, auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt wird und bei dem der TKR-Wert
durch den Ta-Anteil der Legierungsschicht und/oder rartialdruck des Reaktivgases
und der TK0-Wert der Kondensatoren durch Tempern mindestens angenähert entgegengesetzt
gleich dem TKR-Wert eingestellt wird, sieht die Erfindung zur Lösung der gestellten
Aufgabe vor, daß als Kontakte für die Widerstände und als Gegenelektroden der Kondensatoren
NiFe-Schichten vorzugsweise gleichzeitig und zwar insbesondere durch Kathodenzerstäubung
mit Ringentladungsplasma aufgestäubt werden.
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Das aufgestäubte Material ist im Vergleich zu den bisher verwendeten
üblichen Materialien verhältnismäßig preiswert. Bedingt durch die im Vergleich zum
aufdampfen relativ hohe Energie, mit der das Schichtmaterial aufges-täubt wird,
ist es möglich, die Übergangswiderstände in den Kontaktbereichen klein zu halten.
Sie liegen beispielsweise um 1 #mm (Kantenwiderstand). Die Ausbeuten der so hergestellten
Widerstände Lrnd Kondensatoren betragen bei einem Isolationsstrom <2 A/F über
90 %.
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Weiterhin als vorteilhaft erweist sich bei diesem Verfahren, daß die
RC-Glieder be-it-. vor em Kontaktieren der Widerstandsschichten getempert werden
können, was anstelle von Gold den Einsatz vergleichbar billiger Ni- oder Cu-Schichten
als Leiterbahn-, Gegenelektroden- und Kontaktschichten ermöglicht.
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2 Patentansprüche