DE3874785T2

DE3874785T2 - Duennfilmkondensator.

Info

Publication number: DE3874785T2
Application number: DE8888103915T
Authority: DE
Inventors: Lawrence Norman Smith
Original assignee: Microelectronics and Computer Technology Corp
Current assignee: Microelectronics and Computer Technology Corp
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-03-12
Also published as: EP0285854A1; JPS63266809A; DE3874785D1; EP0285854B1; US4890192A

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Dünnfilmkondensator und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Kondensators auf einer Substratscheibe.
Integrierte Dünnfilmkondensatoren sind wünschenswert zur Stromversorgungsregelung hochleistungsfähiger elektronischer Vorrichtungen, wie beispielsweise MOS und bipolarer Bausteine und anderer Typen von Halbleitervorrichtungen. Die erforderliche spezifische Kapazität ist jetzt in der Größenordnung von 50 nF/cm², und sie wird wohl ansteigen, wenn noch leistungsfähigere Elektronik verfügbar wird. Die Integration des Kondensators in dem Substrat (auf dem die Bausteine befestigt werden, oder das die Zwischenverbindungen zwischen Bausteinen bereitstellt) ist wünschenswert, weil sie mehr nutzbare Fläche für die Vorrichtungen liefern und die parasitäre Induktivität zwischen den Bausteinen und dem Kondensator minimieren würde. Selbst wünschenswert wäre die Integration des Kondensators direkt auf den Bausteinen selbst. Das primäre Problem bei der Herstellung eines solchen Kondensators liegt jedoch in dem Vorhandensein von punktuellen Defekten, die den Kondensator kurzschließen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines integrierten Dünnfilmkondensators und eines Verfahrens zum Herstellen von Kondensatoren mit einer spezifischen Kapazität, die viel höher ist als kurzfristig erforderlich ist, bei einer hohen Ausbeute.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung einen integrierten Dünnfilmkondensator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kondensators auf einer Substratscheibe gemäß Anspruch 6 vor.
Ein Grundprinzip besteht in der Herstellung zweier Kondensatoren in Reihe: M1-I1-M2-I2-M3, wobei M Metall bedeutet und I für einen dünnen (HDK-) Isolator mit hoher Dielektrizitätskonstante steht. Zusätzlich ist der mittlere Metallfilm M2 in viele, beispielsweise eine Million, einzelner isolierter Bereiche gemustert. Diese Struktur bildet dann eine Vielzahl kleinflächiger, parallel miteinander verbundener Kondensatoren, in der jeder Kondensator aus zwei in Reihe verbundenen Kondensatoren besteht. Die gesamte Struktur ist dann solange gut, wie es keine gleichzeitigen Fehler bzw. Defekte in beiden 11 und 12 an ein und demselben kleinflächigen Kondensator gibt.
Der integrierte Dünnfilmkondensator der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine erste, zweite und dritte metallische Leiterschicht, wobei die erste und zweite Schicht durch eine erste Isolatorschicht und die zweite und dritte Schicht durch eine zweite Isolatorschicht getrennt sind. Die erste und dritte Leiterschicht sind kontinuierliche Leiter, und die zweite Leiterschicht liegt zwischen der ersten und zweiten Leiterschicht und besteht aus einer Vielzahl von getrennten Leitern, wodurch die drei Leiterschichten eine Vielzahl von zwei in Reihe verbundenen Kondensatoren bilden, die alle parallel miteinander verbunden sind.
Der integrierte Kondensator ist als Teil einer Substratscheibe gebildet oder direkt aufintegrierten Schaltungsbausteinen integriert.
Die metallischen Leiterschichten beinhalten Niob oder Tantal.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators auf einer elektronischen Substratscheibe, einschließlich Beschichten eines Substrats mit einem ersten Dünnfilm aus Metall, Auftragen einer ersten dielektrischen Beschichtung auf dem ersten Metallfilm, Herstellen einer Vielzahl von getrennten und beabstandeten Metallfilmen auf der dielektrischen Beschichtung, Plazieren einer zweiten dielektrischen Beschichtung auf der Vielzahl beabstandeter Metallfilme und Auftragen eines zweiten Dünnfilms aus Metall über der -zweiten dielektrischen Beschichtung.
Die Vielzahl beabstandeter Metallfilme wird durch Auftragen einer Beschichtung aus Metall und Anodisieren beabstandeter Teile der Beschichtung aus Metall gebildet.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung gegenwärtig bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich, die zum Zwecke der Offenbarung angegeben und in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen benutzt wird; es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte, bruchstückhafte Querschnittsansicht eines integrierten Dünnfilmkondensators, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1,
Fig. 3 eine elektrischen Schemazeichnung des Kondensators von den Fig. 1 und 2,
Fig. 3A eine elektrische Schemazeichnung des Geräts von Fig. 2, wobei zwei Fehler angenommen werden, die sich nicht überlappen,
Fig. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E und 4F bruchstückhafte, erhöhte Perspektiveansichten der Herstellungsschritte des Kondensators der Fig. 1 und 2,
Fig. 5 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Kondensators nach dem Stand der Technik,
Fig. 6 eine elektrische Schemazeichnung zur Verdeutlichung der Wirkung eines Fehlers in der Struktur von Fig. 6 und
Fig. 7 eine bruchstückhafte, erhöhte Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Kondensators der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die vorliegende Erfindung lediglich zum Zwecke der Verdeutlichung als Bildung eines integrierten Teils eines elektronischen Substrats, wie beispielsweise eines Halbleiterbausteins oder eines Zwischenverbindungssubstrats, beschrieben wird, kann die Erfindung durch andere Verfahren hergestellt und in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft bei ihrer Anwendung in der Stromversorgung eines hochleistungsfähigen Bausteins zur Bereitstellung einer in hohem Maße konstanten Spannung. Typischerweise werden Kondensatoren möglichst nahe an den Bausteinen angebracht, und der vorliegende Kondensator hätte den Vorteil der Minimierung von elektrischem Rauschen und Steigern der Leistung des Bausteins.
Nunmehr auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend, wird der Kondensator allgemein durch die Bezugsnummer 10 angegeben und enthält mehrere Dünnfilme aus einander abwechselnden Leitern und Isolatoren. Der Kondensator kann beispielsweise eine erste metallische Leiterschicht 12, wie etwa aus Niob oder Tantal, von einer geeigneten Dicke, z. B. 500 nm (5.000 Angström), beinhalten. Eine Mittelschicht 14 eines metallischen Leiters ist vorhanden, die in einer Vielzahl beabstandeter und getrennter Leiter 16, beispielsweise von einer Dicke von 100 nm (1.000 Ångström) und einer Querschnittfläche von (40 um)² mit einer Trennung von 10 um zwischen den Leitern 16, geformt ist. Eine dritte metallische Leiterschicht 18 ist vorhanden, z. B. von einer Dicke von 500 nm (5.000 Ångström). Ein erster dünner HDK-Isolator (HDK = hohe Dielektrizitätskonstante) 20, wie beispielsweise Nioboxid oder Tantaloxid, befindet sich zwischen den metallischen Leitern 12 und 14. Ein zweiter Isolator mit hoher Dielektrizitätskonstante 22 befindet sich zwischen der zweiten Schicht 16 und der dritten Schicht 18 des metallischen Leiters. Die Schichten 20 und 22 können von einer Dicke von 50 nm (500 Ångström) und ein Oxid der benutzten Metalleiter sein. Die einzelnen Leiter 16 sind durch ein Dielektrikum 24, wie z. B. ein anodisiertes Metall, voneinander getrennt. Lediglich als Beispiel könnte die Querschnittfläche des Kondensators 10 100 cm² betragen.
Falls wünschenswert, können die erste 12 und dritte Metallschicht 18 in dieselben Weise gemustert sein, in der ein herkömmlicher Kondensator gemusterte Elektroden haben kann. Ferner kann der elektrischen Anschluß an die erste oder dritte Metallschicht 12 und 18 beispielsweise durch Ätzen durch beide Isolatorschichten und die Mittelelektrode erfolgen, ebenfalls im wesentlichen in derselben Weise, durch die elektrischer Kontakt mit beiden Schichten eines herkömmlichen Kondensators hergestellt werden kann.
Deshalb besteht der Kondensator 10 der vorliegenden Erfindung, wie in der Schemazeichnung in Fig. 3 am besten sichtbar, aus einer Vielzahl von zwei in Reihe verbundenen Kondensatoren, bei der die Vielzahl von in Reihe verbundenen Kondensatoren parallel verbunden ist. Die Schwierigkeit bei der Herstellung eines solchen Kondensators 10 besteht jedoch darin, daß die Isolierschichten 20 und 22 sehr dünn sind, und es ist schwierig, solche Isolatoren so zu bewahren und herzustellen, daß Kurzschlüsse im Kondensator 10 verhindert werden. Wie jedoch in Fig. 3A am besten sichtbar, ist der Kondensator 10 der vorliegenden Erfindung fehlerunempfindlich. Das heißt, wenn angenommen wird, daß ein Fehler 26 und 28 oder ein Kurzschluß im Kondensator 10 auftritt, schließen die Fehler nicht den gesamten Kondensator 10 kurz, es sei denn, sie treten beide in den beiden gleichen Kondensatoren in Reihe auf.
Dieser Vorteil ist aus der in den Fig. 5, 6 und 6A gezeigten, zum Stand der Technik gehörenden Struktur ersichtlich, in der metallische Leiter 30 und 32 durch einen dielektrischen Isolator 34 getrennt sind, was in der Schemazeichnung in Fig. 6 gezeigt wird. Wenn im Isolator 34 an Punkt 36 (Fig. 6A) ein Fehler auftritt, wird der gesamte, zum Stand der Technik gehörende Kondensator kurzgeschlossen. Der zum Stand der Technik gehörende Kondensator scheint wegen seiner größeren Fläche und einzigen dielektrischen Schicht spontan zwar eine größere Kapazität zu haben als die Kapazität 10 der vorliegenden Erfindung, aber der Kondensator 10 der vorliegenden Erfindung kann diesen Faktor durch seine Fähigkeit, dünnere Dielektrika und größere Flächen zu benutzen, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Ausbeute führt, mehr als nur ausgleichen. Das heißt, bei einem Versuch, den einfachen Kondensator wie in Fig. 5 gezeigt zu verwenden, wäre der Stand der Technik erforderlich, um dickere Dielektrika oder sogar mehrfach geschichtete Dielektrika zu benutzen, um eine niedrige Fehlerdichte zu erhalten.
Der Kondensator 10 kann durch typische Beschichtungsverfahren, wie sie etwa in der Halbleitertechnik verwendet werden, wo abwechselnde Schichten von Leitern und Isolatoren benutzt werden, und durch den Einsatz von Photolithographie und/oder Ätzen gebildet werden.
Nunmehr auf Fig. 4A Bezug nehmend, wird eine Schicht oder ein Film 12 aus Niob gebildet, wie am besten in Fig. 4A sichtbar, und wird, wie in Fig. 4B am besten sichtbar, teilweise anodisiert oder thermisch oxidiert, um eine hohe dielektrische Isolatorschicht 20 zu bilden. Die Isolatorschicht 20 wird dann mit einer Schicht 14 aus Niob beschichtet.
Als nächstes wird auf die obere Fläche der Schicht 14 eine herkömmliche Photolackmaske (nicht gezeigt) aufgebracht, und ein Muster wird photolitographisch auf die Photolackmaske gedruckt, die Photolackmaske wird entwickelt und ausgehärtet, alles auf herkömmliche Weise, um das abzudecken, was die einzelnen Leiter 16 sein werden, wie am besten in Fig. 4D sichtbar, und die blanken Teile werden durch die gesamte Dicke der zweiten Niobschicht anodisiert, um die Isolatorteile 24 zu bilden. Es ist wichtig, daß die Abstände zwischen den gemusterten Mittelelektroden 46 mit einem dicken Isolator gefüllt werden; andernfalls wären diese Bereiche Gegenstand von Kurzschlüssen. Bezug nehmend auf 4E, wird das übrige Niob von Schicht 14 teilweise anodisiert oder thermisch oxidiert, um die dielektrische Isolatorschicht 22 zu bilden. Und wie am besten in Fig. 4F sichtbar, wird ein Dünnfilm aus Niobmetall 18 oben auf die Isolatorschicht 22 aufgebracht, um den Kondensator 10 zu vervollständigen.
Falls wünschenswert, können andere Metalle und Isolatorschichten benutzt werden. Tantal kann beispielsweise für die metallischen Leiterschichten 12, 14 und 18 benutzt werden, und die Isolatoren 20, 22 und 24 können Tantaloxid verwenden. Außerdem können andere Verfahren zur Bildung der Metalleiter und Isolatoren angewandt werden, wie z. B. Maskieren und Ätzen. Abwechselnd könnten die Schichten 20 und 22 aus anderen Oxiden oder durch andere Verfahren, wie beispielsweise thermische Oxidation, gebildet werden.
Nunmehr auf Fig. 7 Bezug nehmend, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung am besten sichtbar, in dem ein Kondensator 10a hergestellt ist unter Verwendung einer ersten metallischen Leiterschicht 40, die aus Kupfer sein kann, einer zweiten Schicht 42 aus Niob, wodurch die Schicht aus Kupfer 40 einen niedrigen Flächenwiderstand für die Kondensatorelektroden liefern könnte. Eine Isolatorschicht 44 ist vorhanden, die aus Aluminium sein kann, das dann anodisiert werden kann, um Aluminiumoxid zu liefern. Die nächste Schicht des metallischen Leiters kann aus Niob oder Tantal sein, das durch Ätzen in die gewünschten einzelnen und beabstandeten Leitersegmente 46 gemustert werden kann. Wieder kann eine zweite Isolatorschicht 48 aus Aluminium sein, das in ein Oxid anodisiert wird. Eine weitere Schicht aus Niob 50 ist vorhanden und mit einer oberen Schicht aus Kupfer 52 verbunden, um einen niedrigen Widerstand zu liefern.

Claims

1. Integrierter Dünnfilmkondensator (10) mit:

kontinuierlicher erster (12) und dritter (18) metallischer Leiterschicht und einer gemusterten zweiten Leiterschicht (14), die zwischen der ersten (12) und dritten (18) Leiterschicht gelegen ist,

wobei die erste (12) und zweite (14) Leiterschicht durch eine erste dielektrische Isolatorschicht (20) getrennt sind, die zweite (14) und dritte (18) Leiterschicht durch eine zweite dielektrische Isolatorschicht (22) getrennt sind, die zweite Leiterschicht (14) in eine Vielzahl getrennter Leiter (16) gemustert ist, die durch Isolatoren (24) getrennt sind, wodurch die Leiterschichten (12, 14, 18) zusammen mit den Isolatorschichten (20, 22) eine Vielzahl von zwei in Reihen verbundenen Kondensatoren bilden, wobei diese Vielzahl parallel durch die zweite (12) und dritte (18) Leiterschichten verbunden ist.

2. Integrierter Dünnfilmkondensator nach Anspruch 1, bei dem der integrierte Kondensator als Teil einer Substratscheibe gebildet ist.

3. Integrierter Dünnfilmkondensator nach Anspruch 1, bei dem der integrierte Kondensator als ein Teil eines integrierten Schaltungschips gebildet ist.

4. Integrierter Dünnfilmkondensator nach Anspruch 2, bei dem die Leiterschichten (12' 14, 18) Niob umfassen.

5. Integrierter Dünnfilmkondensator nach Anspruch 2, bei dem die Leiterschichten (12, 14, 18) Tantal umfassen.

6. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmkondensators auf einer Substratscheibe mit:

Beschichten eines Substrates mit einem ersten Dünnfilm (12) aus Metall,

Auftragen einer ersten dielektrischen Beschichtung (20) auf den ersten Metallfilm,

Mustern eines zweiten Dünnfilmes (14) aus Metall, der auf der ersten dielektrischen Beschichtung (20) vorgesehen ist, in eine Vielzahl beabstandeter Metallfilme, die durch einen dielektrischen Isolator (24) getrennt sind,

Plazieren einer zweiten dielektrischen Beschichtung (22) auf der Vielzahl beabstandeter Metallfilme (16) und

Auftragen eines dritten Dünnfilmes (18) aus Metall über der zweiten dielektrischen Beschichtung (22), um dadurch einen Kondensator mit einer Vielzahl von in

zwei Reihen verbundenen Kondensatoren zu bilden, wobei diese Vielzahl parallel durch den ersten (12) und dritten (18) Metallfilm verbunden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Metallfilme Niob umfassen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Metallfilme Tantal umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Vielzahl von beabstandeten Metallfilmen (16) durch Auftragen einer Beschichtung aus Metall gebildet wird, woran sich ein Anodisieren zum Abschluß beabstandeter Teile der Beschichtung aus Metall anschließt.