DE2714034C3

DE2714034C3 - Verfahren zur Herstellung temperaturkompensierter Dünnschichtschaltungen aus einer Schicht

Info

Publication number: DE2714034C3
Application number: DE2714034A
Authority: DE
Inventors: Holm Dipl.-Phys. 6232 Bad Soden Baeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1980-01-10
Also published as: DE2714034B2; DE2714034A1

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von integrierten Dünnschichtschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren aus einer Schicht. Als integrierte Dünnschichtschaltungen werden Schaltungen aus Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und Leitungen bezeichnet, also RLC- bzw. flC-Schallungen mit oder ohne aktiven Verstärkerelen.enten. Zur Realisierung dieser Schaltungen müssen Widerstände, Kondensatoren und Leitungen auf einer gemeinsamen Unterlage hergestellt werden. Das ÄC-Produkt sollte möglichst temperaturunabhängig sein, so daß sich die Schaltungseigenschaften durch Temperaturschwankungen nicht ändern. Dazu ist es notwendig, den Temperaturkoeffizienten der Widerstände (TKR) negativ gleich groß dem Temperaturkoeffizienten der Kondensatoren (TKC) zu machen.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die zur Herstellung dieser temperaturkompensierten integrierten Dünnschichtschaltung für Widerstände und Kondensatoren unterschiedliche Ausgangsmaterialien verwenden. Diese Herstellungsverfahren lassen sich nochmals in zwei Gruppen unterteilen:

a) Verfahren ohne Zwischenschicht zwischen Widerstands- und Kondensatormaterial (DE-OS 20 21 264)

b) Verfahren mit Zwischenschicht zwischen Widerstands- und Kondensatormaterial (DE-PS 16 15 011,16 19 0474, US-PS 32 05 555)

Bei beiden genannten Verfahren sind mindestens zwei unterschiedliche Materialien notwendig, was eine große Anzahl von Herstellungsparametern bedeutet. Die Reproduzierbarkeit der Temperaturkompensation von R und C ist somit schwierig. Das Verfahren a), das bis jetzt als einziges technische Anwendung findet, benötigt noch zwei Vakuumschritte zur Herstellung des R- und des C-Netzwerks. Dadurch ist ein sehr komplizierter Herstellungsprozeß mit aufwendigen Reinigungsschritten notwendig. Bei den bisher bekannten und verwendeten Materialien für die Widerstandsund Kondensatorherstellung (siehe DE-OS 20 21264 bzw. »Proceedings 1970 Elect Comp. Conf., Washington, S.602-612), Tantaloxinitrid und /Ϊ-Tantal, ist es nicht möglich, die für die Widerstandsstabilisierung notwendige Temperung (z.B. 24-50h bei 250⁰C) zusammen mit den Kondensatoren durchzuführen, da die Kondensatoren durch das Tempern zerstört werden. Deshalb muß entweder erst das A-Netzwer* fertiggestellt und stabilisiert werden und anschließend das

ίο C-Netzwerk aufgebracht werden, oder das mitgetemperte Kondensatordielektrikum muß nachanodisiert werden. Dieser Umstand bedeutet eine weitere Komplikation für den Herstellungsprozeß. Das Ausgangsmaterial zur Kondensatorherstellung, das meistens /?-Ta ist, ist schwer zu beherrschen. /J-Ta entsteht bei den üblichen Kathodenzerstäubungsanlagen im Enddruckbereich. Im Enddruckbereich kann aber auch die Tantalmodifikation a-Ta oder ein Gemisch aus α-Tantal und ^-Tantal entstehen. Diese Tatsache zeigt, daß es schwierig ist, die für die Kondensatorherstellung gewünschte 0-TantaImodifikation reproduzierbar herzustellen. Beide Verfahren zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren auf einer gemeinsamen Unterlage benötigen bis zur Fertigstellung der Schaltung eine große Zahl photolithographischer Maskenschritte. Auf der Biisis AlTa mit 2-20 at % Ta ist ein Einschichtverfahren bekannt (DE-OS 24 29 434). Der Nachteil dieses Verfahrens liegt bei den relativ hohen Temperaturkoeffizienten von TKC= — TKR

=500ppm/°C bzw. TKC= -TKR=3Q0 ppm/°C und der damit verbundenen schlechten Reproduzierbarkeit der TK-Werte. Auf Grund der relativ niedrigen Flächenkapazität von 33 nF/cm² müssen große Flächenwiderstände realisiert werden, z. B. 100 ß/D. Nach dem

>5 Anodisieren der Grundelektrode erhält man unter der Grundelektrode einen Flächenwiderstand von ca.

150 ß/D. Dies hat zur Folge, daß der tan <5 = ωΛ · C für Frequenzen > 1 kHz stark ansteigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von integrierten temperaturkompensierten Dünnschichtschaltungen mit R und C auf einer gemeinsamen Unterlage zu vereinfachen. Außerdem sollte die Herstellung von Schaltungen mit temperaturkompensierten verteilten RC- Elementen ermöglicht werden. Bei verteilten /?C-Elementen bilden der Kondensator und der Widerstand eine Einheit, d. h. der Widerstand wird entweder als Grundelektrode oder als Deckelektrode des Kondensators ausgebildet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1

^r"> angegebenen Merkmale gelöst.

Zur Realisierung diskreter flC-Netzwerke, d. h. Netzwerke mit einzelnen Widerständen und Kondensatoren, werden die Widerstände der ca. 200 nm dicken Ausgangsschicht zusammen mit den Kondensatoren

v> anodisch oxidiert. Damit lassen sich bei einer Anodisierspannung von 200-220 V für die Widerstände Flächenwiderstände von 50 — 70 Ω/α realisieren.

Um die Verluste der Kondensatoren bei Frequenzen größer als ein Kilohertz klein zu halten, kann die Grundelektrode mit einer hochieitenden Umrandung so weit wie möglich eingefaßt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt mehreren Ausgangsmaterialien nur noch eine Schicht zur Schaltungsherstellung benötigt wird, Durch diese Prozeßvereinfachung ergibt sich eine bessere Reproduzierbarkeit bei der Temperaturkompensation und eine höhere Ausbeute als beim Mehrschichtsystem. Die aus der Schicht

hergestellten Bauelemente haben nach einer Temperung bei 200°C-250°C mit Temperzeiten von 10 min bis 50 Stunden die Temperaturkoeffizienten 7Xtf=-155ppmTC und TKC= + 155 ppm/°C. Die erzielbare Genauigkeit der Anpassung der Temperaturkoeffizienten ist besser als +10 ppm/°C. Die TK-Werte liegen 25% niedriger als bei den üblichen Schaltungen aus /3-Ta und Tantaloxinitrid und um den Faktor 2 niedriger als beim AITa-System. Das realisierbare ÄC-Produkt (Flächenwiderstand χ Flächenkapazität) liegt mit 3500 nFß/cm² sehr hoch, ohne daß damit der Verlustfaktor der Kondensatoren stark ansteigt Bei Kondensatoren mit niederohmiger Einfassung bleibt der Verlustfaktor bei 30 kHz unter 1 %. Die aus dieser Schicht hergestellten Kondensatoren zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Temperstabilität aus.

Somh ist es möglich, nach der Fertigstellung der Widerstände und Kondensatoren die für die Widerstände notwendige Voralterung durchzuführen (z. B. 24 h bei 250° C). Diese Stabilisierung bewirkt bei den Kondensatoren eine Absenkung des TKCs von 220 ± 20 ppm/" C auf +155 ± 5 ppm/° C und eine Verringerung des Verlustfaktors bei niedrigen Frequenzen. Der Umstand, daß die Widerstände und Kondensatoren gemeinsam stabilisiert werden können, bedeutet eine weitere Prozeßvereinfachung.

Mit der einen Ausgangsschicht ist es möglich, sowohl diskrete Widerstände und Kondensatoren als auch verteilte ßC-Elemente herzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von diskreten Widerständen und Kondensatoren aus einer Schicht wird im folgenden näher beschrieben.

F i g. 1 a Draufsicht auf die geätzte Struktur,

F i g. Ib Schnittzeichnung durch die Struktur nach der ersten Ätzung,

F i g. 2a Draufsicht auf die Struktur nach dem Anodisiervorgang,

F i g. 2b Schnittzeichnung zu 2a,

Fig.3a Draufsicht auf die fertigen Elemente nach dem Aufbringen von NiCr, Au und dem Ätzen der Leiterbahnen, Anschlüsse und Deckelektroden,
ι ο Fi g. 3b Schnittzeichnung zu 3a.

Auf eine Unterlage (z. B. Glas mit Tantalpentoxid als Ätzstopp) wird die Schicht zur Herstellung von temperaturkompensierten Dünnschichtschaltungen aufgebracht. Danach sind nur noch wenige Schritte bis zur is Schaltungsfertigstellung nötig.

1. Ätzen der Grundstruktur, d. h. Gnmdelektroden, Widerstandsmäander, Leiterbahnen und Anschlüsse, Flg. la, Ib (Ätzmittel, z. B. ein Flußsäure-Salpetersäuregemisch)

2. Anodisieren zur Einstellung de?· gewünschten ÄC-Produkts, F i g. 2a, 2b

3. Aufbringen der Leiterbahnen, Anschlüsse und Deckelektroden durch Aufdampfen von z. ü. NiCr und Au und anschließendes selektives Ätzen,

" F ig. 3a, 3b

4. Falls nötig, z. B. zum Einsetzen eines Beamlead-Operationsverstärkers, galvanisches Verstärken der Leiterbahnen, Anschlüsse und Deckelektroden.

Für den genannten Herstellungsprozeß sind nur noch drei Photolackschritte notwendig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Dünr.schichtschahungen mit temperaturkompensierten ÄC-Gliedern aus einer einzigen Schicht, wobei diese Schicht einen Gehalt an Stickstoff und Sauerstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial der Schicht Tantal ist und mit etwa 5 bis 15 Atom-% Stickstoff und etwa 20 bis 40 Atom-% Sauerstoff »dotiert« wird und daß der TKC-Wert der aus dieser Schicht in bekannter Weise gebildeten Kondensatoren durch Tempern etwa entgegengesetzt gleich dem TKR- Wert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flC-Schicht auf einen 7XÄ-Wert von etwa —145 ppm/" C eingestellt wurde und nach dem Anodisieren der Widerstände und Kondensatoren der TKR auf etwa -155 ppm/" C absinkt und der 7KC durch einen Temperschritt zwischen 200 und 300⁰C von etwa +220ppm/°C auf etwa + 155 ppm/" C erniedrigt wird.