DE2708036A1

DE2708036A1 - Thin-film circuit with low temp. coefficient - has temp. coefficient of its capacitive elements reduced by tempering before applying capacitor second plates

Info

Publication number: DE2708036A1
Application number: DE19772708036
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Juergens; Helmold Dipl Phys Kausche; Manfred Dr Roschy
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-10-17
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1978-08-31

Abstract

The thin-film circuit is used. It consists of temperature compensated RC elements made of an AlTa alloy with 3-17% tantalum and deposited on an insulating substrate, as in 2546675. To reduce the temperature coefficient of the capacitive elements the AlTa alloy layer that has already been oxidised in the regions where the capacitors are wanted is tempered before the second capacitor plates are formed. Tempering lasts for 0.5 hours at 400 deg.C.

Description

Verfahren zum Herstellen einer DünnschichtschaltungMethod of manufacturing a thin-film circuit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Ddnnschichtschaltung mit temperaturkompensierten RC-Gliedern aus einer AlXa-Legierungsschicht mit etwa 3 bis 17 at% Tantal im Aluminium, die auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt wird.The present invention relates to a method of making a Thin-film circuit with temperature-compensated RC elements made of an AlXa alloy layer with about 3 to 17 at% tantalum in the aluminum, which is sputtered onto a non-conductive substrate will.

Für Dünnschichtschaltungen mit temperaturkompensierten RC-Gliedern, wie sie beispielsweise in Mectron. Comp. Conf." (1969), Seiten 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.For thin-film circuits with temperature-compensated RC elements, as they are, for example, in Mectron. Comp. Conf. "(1969), pp. 367-371 are, so far ß-tantalum capacitors with a TKc # value, i.e. with a temperature coefficient the capacity of about +200 ppm / K and TaOxNy resistors with a temperature coefficient of the resistance (TKR value) of around -200 ppm / K are used.

In jüngerer Zeit gewinnt die Entwicklung von Dünnschichtkondensatoren auf der Basis von AlTa mit und ohne Gaszusatz an Bedeutung, wobei die Fertigung einer ÄlTa-Schicht mit Gaszusatz, wie dies z.B. in der DT-OS 2 356 419 beschrieben ist, durch reaktives Ausstauben einer etwa 3 bis 17 at% 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 ß-Tantal-Kondensatoren bei Stromspannungskennlinien die Spannung, bei welcher der doppelte ladestrom fließt, erst bei höheren Spannungen erreicht. Auch ist die Ausbeute wesentlich größer. Der TEc-Wert der so hergestellten Kondensatoren liegt, wie dies beispielsweise der DT-OS 2 429 434 entnehmbar ist, bei ca. +500 ppm/K. Fflr temperaturkompensierte RC-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 02- und/oder N2-Zusatz und geeignete Wahl des Partialdrucks dieses Zusatzes und eines geeigneten Ta-Anteils im Aluminium in einem größeren Wertebereich einstellen läßt.Recently, the development of thin film capacitors is gaining ground on the basis of AlTa with and without the addition of gas in importance, whereby the production an ÄlTa layer with added gas, as described e.g. in DT-OS 2 356 419 is by reactive dusting of an AlTa alloy containing about 3 to 17 at% Ta he follows. It turns out that the thin-film capacitors built therefrom in many Ways are better than that Capacitors made solely from tantalum. This is the case for capacitors based on alTa compared to those mentioned at the beginning known ß-tantalum capacitors with current-voltage characteristics the voltage at which double the charging current is only reached at higher voltages. Even the yield is much greater. The TEc value of the capacitors produced in this way is, as can be seen, for example, from DT-OS 2 429 434, at approx. +500 ppm / K. For temperature-compensated RC elements there are consequently resistors with a TKR value of -500 ppm / E is necessary, which - like the patent applications mentioned above show -by reactive cathode sputtering of AlTa with O2 and / or N2 addition and suitable choice of the partial pressure of this additive and a suitable proportion of Ta can be set in a larger range of values in aluminum.

Um die infolge von unterschiedlichen Temperatureinflüssen u.U.In order to prevent the

auftretenden inderungen elektrischer Eigenschaften in einzelnen Bereichen einer Dünnschichtschaltung besser ausgleichen zu können, sollten die vorzeichenverschiedenen Temperaturkoeffizienten von R und C nicht nur gleich groß, sondern auch vom Absolutbetrag her möglichst klein sein.occurring changes in electrical properties in individual areas To be able to better compensate for a thin-film circuit, the signs with different signs should be used Temperature coefficients of R and C not only have the same size, but also of the absolute value be as small as possible.

Dies gelingt bezüglich des TKR-Wertes recht gut durch Variation des Reaktivgasdruckes beim Aufstäuben einer AlTa-Schicht. Der TKC-Wert der entsprechenden Disttschichtkondensatoren kann dagegen auf diese Weise nicht oder nur in geringem Maße variiert werden. Zur Lösung dieses Problems wurden deshalb gezielte Temperversuche mit fertigen Allla-Kondeneatoren d@rchgeführt, wobei es gelang, den TEc-Wert von ursprtlnglich ca. +500 ppm/E nach kleineren Werten hin (bis ca. +300 ppm/K) zu verschieben, ohne dabei den T -Wert zu verändern. Damit ergibt sich die Möglichkeit, RC-Glieder herzustellen, deren Ig-Werte bereits bei + 300 ppm/E kompensiert sind.This works quite well with regard to the TKR value by varying the Reactive gas pressure when sputtering an AlTa layer. The TKC value of the corresponding Disttschichtkondensatoren on the other hand can not in this way or only to a small extent Dimensions can be varied. Targeted tempering tests were therefore used to solve this problem with finished Allla condensers, whereby it was possible to determine the TEc value of originally approx. +500 ppm / E to lower values (up to approx. +300 ppm / K), without changing the T value. This makes it possible to use RC elements produce whose Ig values are already compensated at + 300 ppm / U.

Auch aus einem fertigungstechnischen Grund ist es erstrebenswert, temperaturkompensierte RC-Glieder mit niedrigen TE-Absolutwerten zu verwenden. Beim reaktiven Aufstäuben der liTa-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 TKR, weil mit zunehmendem Partialdruck des reaktiven Gases die lineare Abhängigkeit zwischen TKR und diesem Gasdruck in steigendem Maße exponentiell wird. Geringe Partisidruckänderungen führen demnach zu größeren #-Wertschwankungen und somit zu erschwerten Herstellungsbedingungen.Also for a production-related reason it is desirable to temperature-compensated RC elements with low PD absolute values should be used. At the reactive sputtering of the liTa base layer shows that layers that dusted with low reactive gas pressures and thus small TKR absolute values can be reproduced better than those with large TKR, because with increasing Partial pressure of the reactive gas is the linear relationship between TKR and this Gas pressure becomes increasingly exponential. Slight changes in partisi pressure result accordingly to greater # -value fluctuations and thus to more difficult manufacturing conditions.

Das Hauptpatent gibt ein Verfahren zur Herstellung einer RO-DUnnschichtschaltung an, bei dem die Absolutwerte der Temperaturkoeffizienten von R und C gleich und möglichst klein sind.The main patent gives a method for the production of an RO thin film circuit where the absolute values of the temperature coefficients of R and C are equal to and are as small as possible.

Hierbei wird eine Tantal-Aluminium-Legierungsschicht mit etwa 3 - 17 at% Tantal im Aluminium in einem Arbeits-Reaktivgas-Gemisch, enthaltend mindestens eines der Gase 02, CO, und N2, auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt und der TKR-Wert durch den Tantal-Anteil der Legierungsschicht und/oder Partialdruck des Reaktivgases und der TK0-Wert durch Tempern der aus der Aluminium-Tantal-Legierungsschicht gebildeten fertigen, d.h. bereits mit Gegenelektroden versehenen Kondensatoren mindestens angenähert entgegengesetzt gleich dem ER-Wert eingestellt.A tantalum-aluminum alloy layer with about 3 - 17 at% tantalum in the aluminum in a working reactive gas mixture containing at least one of the gases 02, CO, and N2, sputtered onto a non-conductive substrate and the TKR value due to the tantalum content of the alloy layer and / or partial pressure of the Reactive gas and the TK0 value through tempering of the aluminum-tantalum alloy layer formed capacitors, i.e. capacitors already provided with counter electrodes at least set approximately opposite to the ER value.

Stäubt man in einem der vorstehend genannten Gase und bei entsprechendem Partialdruck dieses Gases eine liTa-Legierung des gewählten Zusammensetzungsbereiches auf ein Substrat auf, derart, daß der -Wert etwa -300 ppm/E beträgt und tempert man die üblicherweise durch anodische Oxidation der Al-a-Schicht und durch Auftrag von Gegenelektroden auf die so erhaltenen Dielektrika gebildeten Kondensatoren in Luft, z.B. 7 Stunden bei 25000, so fällt der TK0-Wert von +500 ppm/K auf ca. +300 ppm/t ab, ohne daß der TKR-Wert wesentlich beeinflußt wird. Dieserart kann man also aus einer einheitlichen Schicht, die einen Anfangswert des TEc-Wertes von etwa +500 ppm/E 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 TKR-Wert von -300 ppm/K und einem TEc-Wert von +300 ppm/t erhalten. Der Partialdruck des Reaktivgases beträgt, wenn zur Kathodenzerstäubung z.B. das bekannte Verfahren mit Ringentladungsplasma (600 V, 2A) verwendet wird, etwa 5.10#2 bis 1.10#1 Pa. Als Arbeitagas dient z.3. Argon, dessen Partialdruck etwa auf 1.10#1 Pa eingestellt ist.If you dust in one of the above-mentioned gases and with the corresponding Partial pressure of this gas is a LiTa alloy of the selected composition range on a substrate in such a way that the value is about -300 ppm / E and anneals usually by anodic oxidation of the Al-a layer and by application of counter electrodes on the thus obtained dielectrics formed capacitors in Air, e.g. 7 hours at 25,000, the TK0 value falls from +500 ppm / K to approx. +300 ppm / t without significantly affecting the TKR value. One can do this so from a uniform layer with an initial TEc value of around +500 ppm / E and one by choosing the tantalum content and / or the partial pressure accordingly of the reactive gas has TKR value set to about -300 ppm / K, by tempering Resistors and capacitors with a TKR value of -300 ppm / K and a TEc value of +300 ppm / t. The partial pressure of the reactive gas is when for cathode sputtering e.g. the known method with ring discharge plasma (600 V, 2A) is used, about 5.10 # 2 to 1.10 # 1 Pa. As working gas z.3. Argon, its partial pressure is set to about 1.10 # 1 Pa.

Untersuchungen haben gezeigt, daß durch diese Temperung nicht nur DUnnschichtschaltungen mit temperaturkompensierten RC-Gliedern aus einer Schicht herstellbar sind, sondern auch die Qualität der liTa-Kondensatoren insgesamt verbessert wird. So nimmt beispielsweise der Isolationsstrom ab, und die Strom-Spannungs-Kennlinien werden besser. Im Dauerversuch zeigen die getemperten AlTa-Kondensatoren geringere Kapazitätsdrift als die ungetemperten. Reaktiv aufgestäubte AlTe-Kondensatoren werden sogar im Gegensatz zu #-Tantal-Kondensatoren durch die Temperung in ihren elektrischen Eigenschaften verbessert.Investigations have shown that this tempering not only Thin-film circuits with temperature-compensated RC elements from one layer can be produced, but also improves the overall quality of the liTa capacitors will. For example, the insulation current decreases and so do the current-voltage characteristics be better. In the endurance test, the tempered AlTa capacitors show lower values Capacitance drift than the unannealed. Reactively sputtered AlTe capacitors are even in contrast to # -tantalum capacitors due to the tempering in their electrical Properties improved.

Die vorliegende Erfindung hat sich die weitere Verbesserung des Verfahrens nach dem Hauptpatent zur Aufgabe gestellt, insbesondere soll es durch dieses Verfahren möglich sein, anstelle der bisher Ublichen verhältnismäßig teueren Gegenelektroden für die Kondensatoren, d.h. z.3. anstelle von Legierungen aus TiPdAu oder CrNiAu Kondensator-Gegenelektroden aus billigerem Material zu verwenden.The present invention has continued to improve the process tasked according to the main patent, in particular it should through this process be possible instead of the relatively expensive counter-electrodes that have been used up to now for the capacitors, i.e. e.g. 3. instead of alloys made of TiPdAu or CrNiAu To use capacitor counter electrodes made of cheaper material.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Dtlnnschichtschaltung mit temperaturkompensierten RC-Gliedern aus einer 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 W2 auf ein nichtleitendes Substrat aufgestäubt wird, wobei der TK##Wert durch den Tantal-Anteil der Legierungsschicht und/oder Partialdruck des Reaktivgases und der T£C-Wert der aus der AlTa-Legierungsschicht gebildeten Kondensatoren durch Tempern mindestens angenähert entgegengesetzt gleich dem TER-Wert eingestellt wird, sieht die Erfindung in weiterer Verbesserung dieses Verfahrens nach dem Hauptpatent bzw. zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, daß zur Erniedrigung des TEC bereits die in den Bereichen der gewünschten Kondensatoren anodisch aufoxidierte, gegenelektrodenlose AlTa-Legierungsschicht getempert und erst anschließend die Gegenelektroden aufgebracht werden.In a method for producing a thin film circuit with temperature-compensated RC elements made of an AlTa alloy layer with about 3 containing up to 17 at% tantalum in aluminum, which in a working reactive gas mixture at least one of gases 02, C02 and W2 to a non-conductive Substrate is sputtered, the TK ## value being due to the tantalum content of the alloy layer and / or partial pressure of the reactive gas and the T £ C value from the AlTa alloy layer Capacitors formed by annealing are at least approximately the same in opposite directions the TER value is set, the invention sees this as a further improvement Process according to the main patent or to solve the problem before that to lower the TEC already those in the areas of the desired capacitors anodically oxidized, counterelectrode-free AlTa alloy layer annealed and only then are the counter electrodes applied.

Durch diese "vorgezogene" Erniedrigung des Temperaturkoeffizienten (tee) des noch nicht fertigen Kondensators können als Kondensatorgegenbeläge billigere Materialien wie z.B. Ni oder Legierungen aus CrNiCu und TiPdNi auf die anodisch oxidierten Bereiche der AlTa-Schicht aufgedampft oder aufgestäubt werden.This "advanced" lowering of the temperature coefficient (tee) of the not yet finished capacitor can be cheaper than capacitor backing plates Materials such as Ni or alloys made of CrNiCu and TiPdNi on the anodic oxidized areas of the AlTa layer are vapor-deposited or sputtered.

Dabei zeigt sich, daß durch kurzzeitiges Tempern von Oxidschichten aus AlTa mit etwa 3 bis 17 at% Ta im Al oder auch fertiger Kondensatoren bei 40000 an Luft 0,5 Stunden lang der TEc-Wert der Kondensatoren auf +155 ppm/K erniedrigt werden kann. Der Kapazitätswert dieser Kondensatoren nimmt zwar dabei um etwa 30 % ab, jedoch kann dies beim Erstellen der Layouts von RC-kompensierten Schaltkreisen ohne weiteres berücksichtigt werden.It can be seen that by brief tempering of oxide layers made of AlTa with about 3 to 17 at% Ta in the Al or finished capacitors at 40,000 in air, the TEc value of the capacitors is reduced to +155 ppm / K for 0.5 hours can be. The capacitance value of these capacitors increases by around 30 % off, but this can be done when creating the layout of RC compensated circuits can be taken into account without further ado.

2 Patentansprüche2 claims

Claims

Claims 1. A method for producing a thin-film circuit with temperature-compensated RC elements made of an AlTa alloy layer with approx 3 to 17 at% tantalum in the aluminum, which is contained in a libeits-reactive gas mixture at least one of the gases O2, CO, and N2, is sputtered onto a non-conductive substrate where the TKR value is determined by the tantalum content of the alloy layer and / or Partial pressure of the reactive gas and the TKC value from the AlTa alloy layer Capacitors formed by annealing are at least approximately the same in opposite directions the value is set, according to patent .. .. ... (patent application, official file number P 25 46 675.5; our file VPA 75 P 1175), d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that to lower the temperature coefficient (TKC) already in the Areas of the usual capacitors anodically anodized, back-electrode-less LiTa alloy layer annealed and only then applied the counter electrodes will.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that at 40,000 is annealed in air for about 0.5 hours.