DE4011580A1 - Herstellung von materialien mit verbesserten dielektrischen eigenschaften - Google Patents
Herstellung von materialien mit verbesserten dielektrischen eigenschaftenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
miniaturisierter Materialien mit verbesserten
dielektrischen Eigenschaften, wie Dielektrika für
Kondensatoren in integrierten Schaltkreisen (IC) und
wobei diese Kondensatoren unmittelbar auf dem
Mikrochip ausgebildet werden sollen.
Die Kapazität eines Kondensators ist umso größer, je
mehr Ladungen auf seinen Elektroden bei gegebener,
zwischen den Elektroden wirksamer elektrischer
Feldstärke angehäuft werden können. Um Leckströme oder
elektrischen Durchschlag zu vermeiden, muß die
Feldstärke für viele technische Anwendungen,
insbesondere in der Miniaturelektronik, niedrig
gehalten werden. Dies gelingt mit hochpolarisierbaren
Dielektrika als Kondensatorfüllung, in denen unter dem
Einfluß eines äußeren Feldes eine möglichst große
Dipoldichte induziert wird, die ein dem äußeren Feld
entgegengesetztes ("depolarisierendes") Feld aufbauen
und dieses damit weitgehend kompensieren. Ein Maß für
die Polarisierbarkeit eines Materials ist der Realteil
Σ1 seiner dielektrischen Funktion. Unter den
Substanzen mit den höchsten Σ1-Werten befinden
sich die Ferroelektrika, eine Klasse von guten
Isolatoren, deren Nachteil darin besteht, daß die
hohen Σ1-Werte nur innerhalb eines engen
Temperaturintervalls nahe dem ferroelektrischen
Phasenübergang vorliegen und nach beiden Seiten
abfallen. Man möchte die hochkapazitiven Eigenschaften
jedoch über einen möglichst großen Temperaturbereich
konstant halten. Die größte Polarisierbarkeit aller
Materialien weisen Metalle auf, deren große
Leitfähigkeit andererseits einen Einsatz als
Kondensatormaterialien verbietet. Neuere
Untersuchungen an matrixisolierten Sub-µm- und
µm-Metallteilchen haben gezeigt, daß deren
kapazitive Eigenschaften im µm-Bereich denen von
Ferroelektrika entsprechen, hier aber die
Leitfähigkeit gegenüber der des Kompaktleiters
reduziert ist.
Ein wichtiger Vorteil der dielektrischen Eigenschaften
derartiger Systeme liegt darin, daß sie in einem für
die Praxis relevanten Temperatur- und Frequenzbereich
weitgehend konstant sind. Die Dotierung von
Dielektrika durch solche matrix-isolierte
µm-Metallteilchen kann vorteilhaft zur Erhöhung
der Polarisierbarkeit einer gegebenen Matrix
eingesetzt werden. Beispielsweise wurde für das System
Al2O3/Ag bei einer Teilchengröße des Silbers von
750 nm und einem Füllfaktor der Metallteilchen von 40
Vol-% ein Wert der dielektrischen Funktion von
Σeff=1000+500 i gemessen. Die heute übliche
Herstellung solcher und ähnlicher Werkstoffe bzw.
Systeme ist beschrieben in DE 38 02 150 (Dispergieren
von Indium-Partikeln in Öl).
Mit den bekannten Verfahren lassen sich eine Vielzahl
von Bauteilen mit beliebiger Abmessungen bis hinunter
in den mm-Bereich herstellen. In vielen Bereichen der
Elektronik ist es jedoch notwendig, Bauteile noch
weiter zu miniaturisieren. Beispielsweise werden in
integrierten Schaltkreisen (ICs) Transistoren und
Dioden im µm-Bereich durch Aufdampfen in Form
dünner Schichten hergestellt.
Die für die integrierten Schaltkreise erforderlichen
Kondensatoren konnten jedoch bisher oftmals aufgrund
ihrer Baugröße nicht direkt in den Chip integriert
werden, vielmehr mußten sie in unmittelbarer
Nachbarschaft angeordnet werden, was einen
zusätzlichen Arbeitsschritt bedeutet und aufgrund der
erforderlichen elektrischen Verbindung eine latente
Gefahr für den Ausfall des Chips darstellt und hohe
Packungsdichten verhindert. Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, mit dem miniaturisierte Materialien mit
verbesserten dielektrischen Eigenschaften,
insbesondere Dielektrika für Mikrokondensatoren,
hergestellt werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und die darauf
zurückbezogenen Unteransprüche.
Es wurde überraschender Weise gefunden, daß durch die
Kombination der Merkmale A bis D in einfacher Weise
ein Material mit verbesserten dielektrischen
Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden kann, ohne
daß aufwendige mechanische Maßnahmen zur Einmischung
mesoskopischer Metallpartikel, d. h. Metallteilchen,
die einen Durchmesser von nicht mehr als 1 µm
aufweisen, in eine elektrisch isolierende Matrix
getroffen werden müssen.
Ein ganz besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß mit dem vorgeschlagenen Verfahren
Materialien mit beliebiger kleiner Schichtdicke
bereitgestellt werden können, die nach den bisher
bekannten Dickfilmtechniken nicht erhältlich waren.
Ein weiterer Vorteil ist, daß mit dem Verfahren
Kondensatoren auf dem Chip in situ hergestellt werden
können, so daß der Gebrauchswert des Chips erheblich
gesteigert wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einen
Träger, der z. B. aus einem Silicium-Wafer zur
Herstellung von Mikrochips besteht, eine erste
elektrisch isolierende Schicht, gegebenenfalls unter
Zuhilfenahme einer an sich bekannten Maske, mittels an
sich bekannter Verfahren ausgebildet. Diese erste
Schicht wird mit einem Film aus einem elektrisch
leitenden Metall belegt. Daran anschließend wird der
Metallfilm in schichtformig angeordnete, elektrisch
nicht leitende diskrete Metallpartikel mit einem
Durchmesser von 50 bis 1000 nm durch Warmezufuhr bis
zum Schmelzen des Metalls umgewandelt. Die Umwandlung
des Metallfilms kann dabei durch gezielte Auswahl des
Benetzungswinkels zwischen elektrisch isolierender
Schicht und dem eingesetzten Metall beeinflußt werden.
Wesentlich ist, daß der Metallfilm während der
Wärmezufuhr nicht spreitet, sondern vielmehr aufgrund
des Benetzungswinkels und der Oberflächenspannung in
kleine Metallkügelchen mit einem Durchmesser von 50
bis 1000 nm umgewandelt wird. Dabei können die
einzelnen Metallkügelchen voneinander isoliert sein
oder zum Teil auch miteinander in Berührung stehen.
Nach der Umwandlung wird eine weitere elektrisch
isolierende Schicht aus elektrisch nicht leitendem
Material derart aufgetragen, daß die diskreten
mesoskopischen Metallpartikel vollstandig bedeckt
sind. Das Material dieser Schicht kann dieselbe
Zusammensetzung wie die der ersten isolierenden
Schicht aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, diese
Schicht aus einem an sich bekannten Material mit hoher
Dielektrizitätskonstante herzustellen.
Wird auf die letzte isolierende Schicht ein weiterer
Metallfilm aufgetragen, der jedoch nicht durch
Wärmezufuhr umgewandelt wird, kann in einfacher Weise
die Gegenelektrode des Kondensators erhalten werden,
wobei die andere Elektrode durch einen diskreten Teil
der Siliciumträgerplatte des Chips selbst gebildet
wird.
Mit Hilfe des angegebenen Verfahrens ist es auch
grundsätzlich möglich, Kondensatoren mit mehr als zwei
Elektroden in Schichtaufbau und/oder Dielektrika mit
Multilayeraufbau bereitzustellen.
Die erste und die weiteren isolierenden Schichten
werden vorzugsweise mittels an sich bekannten CVD
und/oder PVD-Verfahren ausgebildet.
Das Auftragen des metallischen Filmes erfolgt
vorzugsweise mittels an sich bekanntem Sputtern oder
Vakuumbedampfung in einer Stärke von 10 bis 200 nm.
Die Umwandlung des metallischen Filmes in einzelne
diskrete mesoskopische Metallpartikel mittels
Wärmezufuhr kann durch Tempern, gegebenenfalls unter
Schutzgas erfolgen. Bevorzugt wird jedoch ein lokales
Aufschmelzen zwecks Umwandlung mittels Laser- oder
Elektronenstrahl, wobei diese Behandlung entweder
direkt während des Sputterns oder Vakuumbedampfens
oder unmittelbar daran anschließend erfolgen kann. Der
Laser- oder Elektronenstrahl wird dabei mit üblichen
Leiteinrichtungen über die umzuwandelnde Fläche
geführt. Der Vorteil dieser Maßnahme im Gegensatz zum
Tempern liegt in einer geringeren thermischen
Belastung des gesamten elektronischen Bauteils.
Als Ausgangsmaterial für die erste und die weiteren
isolierenden Schichten haben sich oxidische Keramiken
wie beispielsweise Al2O3 bewährt. Es sind aber auch
Materialien, wie die Titanate des Ba, Ca, Sr, Mg oder
Pb möglich, die bereits eine hohe
Dielektrizitätskonstante besitzen und aus der
Herstellung keramischer Kondensatoren bekannt sind.
Ebenso kann Titandioxid oder MgO eingesetzt werden,
wobei diese Materialien allein oder in Abmischung
verwendet werden.
Für die Herstellung des Metallfilms können
grundsätzlich alle elektrisch leitenden Metalle
herangezogen werden, sofern deren Schmelzpunkt unter
dem des Keramikmaterials liegt und die Metalle auf dem
Keramikmaterial nicht spreiten. Bevorzugt werden
jedoch Metalle, wie Ag, Au, Pt, Pd und Legierungen
daraus sowie Legierungen aus Edelmetallen mit
Halbedelmetallen. Die Aufbringung und Umwandlung
weiterer Metallschichten und elektrisch isolierender
Schichten kann so lange wiederholt werden, bis die
gewünschte Anzahl eines Multilayer-Aufbaus erreicht
ist.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich,
Dielektrika für miniaturisierte Kondensatoren mit
beliebig verringerter Schichtdicke herzustellen. Eine
untere Grenze für die Schichtdicke ist lediglich durch
die erforderliche Sicherheit gegen das Durchschlagen
bei der Betriebsspannung festgelegt.
Vorzugsweise wird daher zwischen der
Kondensatorelektrode und der eigentlichen
Dielektrikumsschicht eine weitere keramische
Beschichtung angeordnet, die eine besonders hohe
Durchschlagsfestigkeit aufweist. Für diese weitere
Schicht hat sich reines Al2O3 ganz besonders bewährt,
wobei das Auftragen dieser Schicht ebenfalls nach dem
CVD- oder PVD-Verfahren erfolgt.
Auf ein Substrat aus Aluminiumoxidkeramik wird mittels
Kathodenzerstäubung eine 30 nm dicke Goldschicht
aufgebracht. Das beschichtete Substrat wird dann auf
1100°C erwärmt und 15 min auf dieser Temperatur
gehalten. Hierbei bilden sich aus der Goldschicht
tröpfchenförmige, auf dem Substrat haftende Teilchen.
Die Größe der Teilchen liegt zwischen ca. 100 nm und
500 nm mit Schwerpunkit bei ca. 250 nm. Hierauf wird
eine neue Schicht aus Aluminiumoxid aufgebracht z. B.
durch reaktives Zerstäuben und dann eine neue
Goldschicht. Dieses Vorgehen wird bis zum Erreichen
der gewünschten Bauteilgröße wiederholt.
Der Füllfaktor der Metallteilchen beträgt 25%.
Der Wert der dielektrischen Funktion beträgt
Σeff=1500+300 i.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
Materialien mit verbesserten dielektrischen
Eigenschaften, insbesondere Dielektrika und damit
hergestellte Mikrokondensatoren für integrierte
Schaltkreise, gekennzeichnet durch die Kombination
folgender Merkmale:
- a) Ausbilden einer ersten, elektrisch isolierenden Schicht auf einem Träger,
- b) Belegen der ersten Schicht mit einem Film aus elektrisch leitendem Metall in einer Stärke von 10 bis 200 nm,
- c) Umwandlung des Filmes in schichtförmig angeordnete, diskrete mesoskopische Metallpartikel mit einem Durchmesser von 50 bis 1000 nm durch Wärmezufuhr bis zum Schmelzen des Metalls,
- d) Auftragen einer weiteren, elektrisch isolierenden Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausbilden der ersten Schicht mittels CVD-
oder PVD-Verfahren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der metallische Film mittels Sputtern oder
Vakuumbedampfung aufgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umwandlung des metallischen Films
gleichzeitig oder anschließend an das Auftragen
mittels lokalem Aufschmelzen durch Laserstrahl
oder Elektronenstrahl erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umwandlung des metallischen Films durch
Tempern erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die weitere elektrisch
isolierende Schicht aus einer oxidischen oder
nichtoxidischen Keramik gebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als oxidische Keramik Al2O3, Titanate des Sr,
Ca, Ba, Pb, Titandioxid und MgO allein oder in
Abmischung verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Metall Au, Ag, Pt, Pd, deren Legierungen
und/oder Legierungen aus Edelmetallen mit
Halbedelmetallen verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schritte b), c) und d) zur Ausbildung
eines Multilayer-Systems wiederholt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem nach den
Abschnitten a) bis d) hergestellten Dielektrikum
und den Kondensatorelektroden eine weitere
keramische Beschichtung mit hoher
Durchschlagsfestigkeit angeordnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die weitere Schicht aus Al2O3
besteht.
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| DE19904011580 DE4011580A1 (de) | 1990-04-10 | 1990-04-10 | Herstellung von materialien mit verbesserten dielektrischen eigenschaften |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE4011580A1 true DE4011580A1 (de) | 1991-10-17 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE4011580A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1640998A1 (de) * | 2003-06-30 | 2006-03-29 | Fuji Electric Holdings Co., Ltd. | Kondensator |
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| DE3802150A1 (de) * | 1987-07-14 | 1989-01-26 | Licentia Gmbh | Verfahren zum herstellen eines bezueglich seiner dielektrischen, pyroelektrischen und/oder magnetischen eigenschaften vorgebbaren materials und dessen verwendung |
| DE3804317A1 (de) * | 1988-02-12 | 1989-08-24 | Licentia Gmbh | Stoff mit vorgebbaren, dielektrischen und/oder magnetischen eigenschaften, herstellungsverfahren fuer den stoff und verwendung des stoffs |
-
1990
- 1990-04-10 DE DE19904011580 patent/DE4011580A1/de active Granted
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| EP1640998A4 (de) * | 2003-06-30 | 2007-02-28 | Fuji Electric Holdings | Kondensator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4011580C2 (de) | 1992-01-23 |
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