DE2702207A1

DE2702207A1 - Verfahren und vorrichtung zum abgleich elektronischer bauelemente

Info

Publication number: DE2702207A1
Application number: DE19772702207
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Krueger; Klaus Ing Grad Kuettner; Erich Dipl Ing Leinauer; Manfred Widmaier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-01-20
Publication date: 1978-07-27
Also published as: US4134808A; JPS5391374A; DE2702207C2

Description

27.12.1976 Wt/Kö

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Verfahren und Vorrichtung zum
Abgleich elektronischer Bauelemente

Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abgleich elektronischer Bauelemente vorgeschlagen, die Dünnschichtschaltungen enthalten. Dabei werden auf chemischem Wege die elektrischen Eigenschaften von aus Dünnschichtbahnen gebildeten Schaltungselementen der Bauelemente verändert. Hierzu wird auf die Dünnschichtbahnen eine elektrolytische Paste aufgebracht und durch eine Elektrode in der elektrolytischen Paste ein Anodisierungs- : strom durch die elektrolytische Paste und die Dünnschichtbahn geleitet. Hierdurc 1 setzen sich die die Dünnschichtbahnen bildenden Stoffe teilweise chemisch um und verändern damit die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente. Durch geeignete Wahl des Anodisierungsstromes kann der Abgleich des Bauelementes während dessen Nennbetriebes vorgenommen werden. Außerdem wird vorgeschlagen, während des Abgleichvorganges einen oder mehrere Parameter des Bauelementes zu vermessen und die Größe des Anodisierungsstromes in Abhängigkeit von den Parametern einzustellen.

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei der Herstellung von integrierten elektronischen Bauelementen treten Pertigungstoleranzen auf, die einen Abgleich des fertigen Bauelementes erfordern. Aufgrund notwendiger Außenbeschaltung der integrierten Bauelemente ist es daher bekannt, hybride Bauelemente herzustellen, bei denen eine integrierter Schaltkreis in Form eines Chips mit diskreten Bauelementen kombiniert wird. Baut man nun das so entstandene hybride Bauelement so auf, daß für den Abgleich der Punktion des Bauelementes erforderliche Schaltungselemente als diskrete Schaltungselemente ausgebildet werden, ist es möglich, durch Beeinflussung dieser diskreten Schaltungselemente die elektrischen Eigenschaften des Bauelementes abzugleichen. So ist es beispielsweise möglich, einen das Arbeitsverhalten des Bauelementes bestimmenden Widerstand in Dünnschichttechnik auszubilden und den Abgleich des gesamten Bauelementes durch Beeinflussung des Widerstandes vorzunehmen.

Aus der DT-OS 1 640 518 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abgleich aktiver elektrischer Schaltungselemente bekannt, bei dem der Abgleich des Schaltungselementes durch Materialabtrag an einem Widerstand oder einem durch Materialabtrag in seinen elektrischen Charakteristika veränderbaren Schaltelement vorgenommen wird. Entsprechend der in der DT-OS 1 640 518 beschriebenen Vorrichtung wird zum Materialabtrag ein Sandstrahlgebläse verwendet, mit dem ein als Schicht auf einem Substrat aufgebrachter Widerstand so lange abgetragen wird, bis das elektrische Schaltungselement die gewünschten Charakteristika aufweist. Mit der in der DT-OS 1 640 518 beschriebenen Vorrichtung ist es auch möglich, den Prozeß des Materialabtragens durch die gewünschten Gleichspannungscharakteristika des Schaltungselementes zu steuern.

Es ist weiterhin bekannt, als Schichten ausgebildete Schaltungselemente eines integrierten Schaltkreises durch Materialabtrag

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vermittels eines Lasers zu verändern.

Nachteil dieser bekannten Verfahren ist, daß man beim Laserund Sandstrahlabtrag sicher sein muß, daß die das Schaltungselement bildende Schicht vollständig abgetragen worden ist, wozu das Substrat ebenfalls leicht angeritzt werden muß. Hierdurch besteht jedoch die Gefahr, daß der Bereich des Substrates, an dem Material abgetragen wurden, Ausgangspunkt für unerwünschte Mikrorisse wird. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahren ist es, daß die elektrischen Eigenschaften des Schichtmateriales entlang des durch die Abtragung entstandenen Grabens verändert werden. Überdies kann es zu Einschnürungen von Leiterbahnen und Widerstandsbahnen und damit zu Überschreitung der kritischen Stromdichte in diesen Bahnen kommen.

Aus der Zeitschrift "Thin Solid Films", 12 (1972) 335 - 339, ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch anodische Oxydation der auf einem Substrat befindlichen Tantalschicht die elektrischen Eigenschaften der Tantalschicht verändert werden. Die als Schaltungselement in einem integrierten Schaltkreis dienende Tantalschicht wird dabei mit einem Elektrolyt überdeckt, in den eine Elektrode hineinragt. Schließt man nun an die Elektrode eine negative Spannung und an eine die Tantalschicht begrenzende leitende Schicht eine positive Spannung an, kommt es zu einem Stromfluß von der Spannungsquelle über die Elektrode durch den Elektrolyt, die Tantalschicht und die leitende Schicht zurück zur Spannungsquelle. Bei Auswahl eines geeigneten Elektrolyten setzt sich dabei ein Teil der metallischen Tantalschicht in eine nicht leitende Verbindung um. Enthält der Elektrolyt beispielsweise 0H~-Ionen, setzt sich das Tantal an der Verbindungsfläche zwischen Elektrolyt und Tantalschicht in Tantaloxyd nach der Beziehung:

2 T ⁵⁺ + 10 OH" -*- Ta₀ 0,- + 5H_o0

el c. j c

Auf diese Weise ist es möglich, durch chemische Umsetzung einer Dünnschichtbahn einen Abgleich eines Bauelementes vorzunehmen.

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Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß mit dem Anodisierungsstrom die Dünnschichtbahn von einem Strom durchflossen wird und der Abgleich des Bauelementes während des Nennbetriebes nicht in jedem Falle möglich ist, da der für den elektrolytischen Umsetzungsprozeß erforderliche Anodisierungsstrom die Betriebseigenschaften des Bauelementes so weit beeinträchtigen kann, daß ein kontinuierlicher Abgleich nicht mehr möglich ist. Will man die Betriebseigenschaften des Bauelementes während des Abgleichvorganges vermessen, muß der Abgleichvorgang iterativ erfolgen, d.h. der Abgleich kann nur in kleinen Schritten erfolgen und nach jedem Schritt müssen die Kennwerte des Bauelementes neu vermessen werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und zeitraubend und damit für eine Großfertigung von integrierten Schaltelementen nicht brauchbar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich elektronischer Bauelemente hat demgegenüber den Vorteil, den Abgleich des elektronischen Bauelementes während dessen Nennbetriebes durchzuführen. Hierdurch ist eine schnelle und kostengünstige Fertigung von abgeglichenen elektronischen Bauelementen möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens ist es möglich, einen oder mehrere Kennwerte des abzugleichenden integrierten Bauelementes zu vermessen und die chemische Umsetzung des zum Abgleich verwendeten Schaltungselementes danach zu steuern.

Zeichnungen

Das erfindungsgemäße Verfahren, eine Ausführungsform einer

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Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein Prinzipschaltbild einer Anordnung für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Zeichnung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 2 eine Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 3 den zeitlichen Verlauf einer Spannung an der Vorrichtung nach Figur 2; Figur h das Prinzipschaltbild einer Anordnung für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Erfindung

In Figur 1 ist eine Prinzipzeichnung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Auf ein Substrat 1 ist eine Dünnschichtbahn 2 aus einem Stoff mittlerer Leitfähigkeit, vorzugsweise Tantal, aufgebracht. Die Dünnschichtbahn 2 ist an ihren Enden von einer leitfähigen Schicht 3> vorzugsweise aus Kupfer, abgegrenzt. Durch diese Anordnung wird ein Ohmsch'er Widerstand mit Anschlüssen an den beiden Enden der leitfähigen Schicht 3 realisiert. Auf die Dünnschichtbahn 2 ist eine Elektrolyt H aufgebracht, in den eine Elektrode 5 hineinragt. Die Elektrode 5 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 6 verbunden, ein Ende der leitfähigen Schicht 3 ist mit dem positiven Pol verbunden. Der durch die Dünnschichtbahn 2 .gebildete Ohmsche Widerstand ist Teil der Schaltung eines integrierten Bauelementes, dessen charakteristische Kennwerte durch Einstellung des Ohmschen Widerstandes eingestellt werden können. Im Nennbetrieb des integrierten Bauelementes wird die Dünnschichtbahn 2 von einem Strom (i) durchflossen. Wird die Spannungsquelle 6 in der obenbeschriebenen Weise zwischen die Elektrode 5 und die leitfähige Schicht 3 geschaltet, fließt durch die leitfähige Schicht 3, die Dünnschichtbahn 2, den Elektrolyt Ί und die Elektrode 5 ein Hilfsstrom (i„). Dieser Hilfsstrom bewirkt

eine Umsetzung des die Dünnschichtbahn 2 bildenden Stoffes

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an der Grenzfläche zwischen Dünnschichtbahn 2 und Elektrolyt H. Bei geeigneter Wahl des Stoffes der Dünnschichtbahn 2, beispielsweise Tantal, und des Elektrolyten 4 entsteht an der Grenzfläche zwischen Dünnschichtbahn 2 und Elektrolyt ¹J ein nicht leitendes Oxyd 7» ini genannten Beispiel Tantaloxyd (Ta„0 ). Die Menge des Oxyds 7 ist proportional zur Stärke des Hilfsstromes und zur Einwirkdauer und vergrößert den Ohmschen Widerstand der Dünnschichtbahn 2.

In Figur 2 ist eine Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein Bauelement 8 enthält eine integrierte elektronische Schaltung, deren charakteristische Kennwerte an den Anschlußpunkten 15 und 16 gemessen werden können. Die charakteristischen Kennwerte der integrierten Schaltung des Bauelementes 8 können durch Veränderung eines Ohmschen Widerstandes 9 abgeglichen werden. Der Widerstand 9 ist im Bauelement 8 zwischen den Anschlußpunkten 10 und 11 zugänglich entsprechend Figur 1 ausgebildet. Auf den Widerstand 9 ist eine an ihrer Spitze mit Elektrolyt versehene Elektrode 12 aufgesetzt, die an den negativen Pol einer regelbaren Stromquelle 13 angeschlossen ist. Der positive Pol der regelbaren Stromquelle 13 ist an den Anschlußpunkt 10 des Widerstandes 9 auf dem Bauelement 8 angeschlossen. Die Anschlußpunkte 15 und 16 des Bauelementes 8 sind mit einem Meßgerät 14 verbunden, von dem eine Steuerleitung 17 zu der regelbaren Stromquelle 13 führt. An den Anschlußpunkten 15 und 16 des Bauelementes 8 kann beispielsweise eine Ausgangsspannung (U.) gemessen werden, wie sie in Figur 3 in Abhängigkeit von der Zeit (t) dargestellt ist. Die Ausgangsspannung (U.) sei beispielsweise ein das Arbeitsverhalten des Bauelementes charakterisierende Kennwert. Wird nun das Bauelement 8 in in der Zeichnung nicht näher dargestellten Weise durch Anlegen an die Betriebsspannung in den Nennbetrieb versetzt, zeigt das Meßgerät 14 eine Ausgangsspannung (U_A), deren Wert aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Bauelementes

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vom Sollwert (Ug) abweicht. Die Ausgangsspannung (U_A) des Bauelementes 8 kann nun durch Erhöhen des Widerstandes 9 vermindert werden. Zu diesem Zwecke wird die regelbare Stromquelle 13 eingeschaltet und an der Grenzfläche der den Widerstand 9 bildenden Dünnschichtbahn 2 beginnt in der oben beschriebenen Weise der chemische Umsetzungsprozeß. Dies macht sich in Figur 3 durch den Spannungsverlauf 18 bemerkbar. Ist der Ausgangsspannungs-Sollwert (U₀) erreicht, wird

die regelbare Stromquelle 13 von Hand oder bei selbsttätiger Regelung über die Steuerleitung 17 abgeschaltet. Im Falle der selbsttätigen Regelung wird der gemessene Kennwert des Bauelementes 8 mit einem Sollwert verglichen und die regelbare Stromquelle 13 dann abgeschaltet, wenn der Sollwert und der Istwert des Kennwertes übereinstimmen. Aufgrund der Kinetik des chemischen Umsetzungsprozesses an der Grenzfläche zwischen Dünnschichtbahn 2 und Elektrolyt H stellt sich der Endwert des Kennwertes (U.) des Bauelementes 3 nicht auf den Sollwert ein, sondern auf einen etwas davon abweichenden Wert. In Figur wird zum Zeitpunkt t_Q die regelbare Stromquelle eingeschaltet. Die Ausgangsspannung (U.) bewegt sich nun entlang dem Spannungsverlauf l8 bis zum Zeitpunkt t₁ der Istwert mit dem Sollwert der Ausgangsspannung (U.) übereinstimmt. Die regelbare Stromquelle 13 wird nun abgeschaltet. Dadurch ergibt sich jedoch zum Zeitpunkt t₁ noch ein kleiner Spannungsprung, so daß der Endwert der Ausgangsspannung (U_n) unterhalb des Sollwertes (Ug) liegt. Die Spannungsdifferenz (δ U) ist dabei abhängig vom Betrage des von der regelbaren Stromquelle 13 gelieferten Stromes (i_u). Der Strom (i„) muß daher so niedrig

π Ji

gewählt werden, daß die Endabweichung des Kennwertes des Bauelementes 8 innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß der von der regelbaren Stromquelle 13 gelieferte Strom (i„) an der Dünn-

schichtbahn einen Spannungabfall hervorruft, der wesentlich kleiner ist als der durch den Nennstrom (ΐ>τ) hervorgerufene Spannungabfall. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zudem der Abgleichvorgang zunächst in einem ersten Bereich mit hohem Hilfsstrom vorgenommen und dann auf

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einen zweiten Bereich mit niedrigem Hilfsstrom umgeschaltet, wenn die Endabweichung des Kennwerts einen vorbestimmten Betrag unterschritten hat.

In Figur JJ ist das Prinzipschaltbild einer Anordnung für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein Hochfrequenzverstärker 20, der von einer Spannungsquelle 2h versorgt wird, soll bezüglich seines Verstärkungsfaktors abgeglichen werden. Hierzu wird der Rückkopplungswiderstand 21 als Dünnschichtbahn ausgeführt und mit einer an ihrer Spitze mit Elektrolyt versehenden Elektrode 22 beaufschlagt, die an den Pluspol einer zweiten Spannungsquelle 23 angeschlossen ist. Durch geeignetes Einstellen des Stromes durch die Elektrode 22 wird nun der Wert des Rückkopplungswiderstandes 21 in der oben beschriebenen Weise so lange erhöht, bis der Verstärkungsfaktor des Hochfrequenzverstärkers 20 den gewünschten Wert erreicht hat. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, den Stromfluß durch die Elektrode 22 durch den Verlauf des Verstärkungsfaktors des Hochfrequenzverstärkers 20 zu steuern. Der Wert des durch den Anodisierungsstrom am Rückkopplungswiderstand 21 hervorgerufenen Spannungsabfalls ist dabei so klein eingestellt, daß die Rückwirkung des Spannungsabfalls auf die Verstärkungseigenschaften des Hochfrequenzverstärkers 20 innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

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Claims

Patentansprüche

.· Verfahren zum Abgleich elektronische Dünnschichtschaltungen enthaltender Bauelemente mit aus Dünnschichtbahnen gebildeten, die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente bestimmenden Schaltungselementen durch chemische Veränderung der Leitfähigkeit der die üünnschichtbahnen bildenden Stoffe vermittels eines durch die Dünnschichtbahnen geleiteten Hilfsstromes, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichvorgang während des Nennbetriebes der Bauelemente (8) erfolgt und der durch den Hilfsstrom (i„) hervorgerufene Spannungsabfall an der Dünnschichtbahn (2) die durch den Abgleich einzustellenden elektrischen Eigenschaften der Bauelemente (8) am Ende des Abgleichvorganges nur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs beeinflußt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Hilfsstrom (i„) hervorgerufene Spannungsabfall an

der Dünnschichtbahn (2) wesentlich kleiner ist als der durch den Nennstrom (i>j) hervorgerufene Spannungsabfall.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnsrhichtschaltungen als äußere Widerstandsbeschaltung eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß die Dünnschichtbahn (2) mit einem

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ORIGINAL INSPECTED

Elektrolyt (4) überdeckt wird, daß eine Elektrode (5) in den Elektrolyt (4) eingeführt und der Hilfsstrom (i.,) durch den

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Elektrolyt (4) und die Dünnschichtbahn (2) geleitet wird.
5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtbahn (2) aus Tantal gebildet wird und der Elektrolyt (4) eine OH -Ionen enthaltende Paste ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abgleichvorganges wenigstens ein die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente (8) charakterisierende Parameter gemessen und die Amplitude des Stromes (i_H) in Abhängigkeit von dem Parameter geregelt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelbare Stromquelle (13) vorgesehen ist, deren negativer Pol an die Elektrode (12) und deren positiver Pol an eine die als Widerstand (9) ausgebildete üünnschichtbahn (2) abgrenzende leitfähige Schicht (3) angeschlossen ist, daß ein Meßgerät (14) mit Anschluß-

.punkten (15, 16) des Bauelementes (8) verbunden ist und eine Steuerleitung (17) vom Meßgerät (14) zu der regelbaren Stromquelle (13) führt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Stromquelle (13) einen ersten Bereich mit hohem Ausgangsstrom und einen zweiten Bereich mit niedrigem Aus-

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gangsstrom aufweist, daß die regelbare Stromquelle (13) Beginn des Abgleichvorganges im ersten Bereich betrieben und dann auf den zweiten Bereich umgeschaltet wird, wenn das Signal auf der Steuerleitung (17) auf einen vorbestimmten Betrag abgesunken ist.

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