FI80541C - Framstaellningsfoerfarande foer en tunnskiktskondensator. - Google Patents

Description

80541

Ohutkalvokondensaattorin valmistusmenetelmä Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen ohutkalvokondensaattorin valmistusmenetelmä.

Aikaisemmissa ratkaisuissa ohutkalvokondensaattoreita on valmistettu kaksivaiheisella maskauksella, jolloin sekä eristettä että vastaelektrodia varten on tarvittu oma mas-kausvaiheensa.

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että ylimääräinen mas-kausvaihe lisää kustannuksia. Lisäksi toisen maskauksen vaatima kohdistus on hankala työvaihe.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen ohutkalvokondensaattorin valmistusmenetelmä.

Keksintö perustuu siihen, että kondensaattori valmistetaan yhdellä maskauksella, jolloin kunkin kondensaattorialueen määrittävän aukon alaosan poikkileikkauspinnan pinta-ala on yläosan poikkileikkauksen pinta-alaa suurempi ja aukon yläo-* san poikkileikkauksen kohtisuora projektio aukon alaosalle : " mahtuu aukon alaosan sisään.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisella menetelmällä säästytään toiselta mas-kaukselta ja lisäksi rakenne on itsekohdistava.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän anodisointia kuvaavaa jännite-aika-ominaiskäyrää.

2 80541

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisesti anodisoidun niobokalvon RBS-spektriä.

Kuviot 3a - 3c esittävät sivukuvantona keksinnön mukaista vastaelektrodin kasvatusta lift-off-litografiän avulla.

Kuviot 4a - 4f esittävät halkileikattuina sivukuvantoina tyypillisiä lift-off-resistin valmistusvaiheita.

Kuvio 5 esittää halkileikattuna sivukuvantona yksityiskohtaa kuvioiden 4a - 4f mukaisesta lift-off-resististä.

Kuvio 6 esittää yhden keksinnön mukaisen kondensaattorin ominaisuuksia taajuuden funktiona.

Kuvio 7 esittää halkileikkauksena DC-SQUID:issä käytetyn kondensaattorin reunaosaa.

Seuraavassa kuvataan erityisesti DC-SQUID:in yhteydessä käytettävää ohutkalvokondensaattoria ja sen valmistusta.

DC-SQUID :in siirtolinjaresonanssien vaimentamiseksi piirille integroitavan kondensaattorin kapasitanssin tulee olla ohut-kalvokondensaattoriksi suhteellisen suuri, satoja pikofara-deja. Komponentin toiminnan varmistamiseksi on suunnittelussa varottu myös kondensaattorin omia resonansseja, jotka on sijoitettu DC-SQUID:in toimintataajuuden yläpuolelle. Oleellisesti hajakapasitansseja suuremman kondensaattorin valmistaminen vaatii oman ohuen dielektrisen kalvon tai hyvin suuren pinta-alan. Jälkimmäinen vaihtoehto ei ole kondensaattorin omien resonanssien eikä suuren tilantarpeen vuoksi mahdollinen. Yleisesti käytettyjä eristemateriaaleja on luetteloitu taulukossa 1. Merkillepantavaa on, että materiaaliparametrit saattavat riippua voimakkaasti valmistusmenetelmästä ja lämpötilasta.

Taulukossa 1 on esitetty ohutkalvoeristeinä käytettyjä di-elektrisiä materiaaleja.

Il 3 80541 TAULUKKO 1 materiaali suhteellinen häviökulman läpilyöntikesto permittiivisyys tangentti % 1 kHz :11a MV/cm“l A1203 10 0,5 1-8

Nb205 45 - 100 S i02 4 0,01 - 0,1 1,5 - 10 S iOx 5,7-6 0,1 2

Ta205 16 - 27 0,05 - 1,0 1-6

Ti02 30 - 100 3 - 6,5 1 AIN 8,5 BN 4,1 0,1-0,5 0,32 S i3N4 9 0,1 1

Viitteet: Campell, 1978,

Harrop et ai., 1970 Young, 1961 -f Koska kondensaattorin pöhjaelektrodina on niobikalvo, luon- nollinen eristevalinta on natiivioksidi . Höyrystettäessä ja sputrattaessa kondensaattoreiden saantoa pienentävät kiin-’ teistä epäpuhtaushiukkasista aiheutuvat mikro-oikosulut, mi kä käytettävissä olevissa prosessointitiloissa on suuri vaara. Anodisoimalla sen sijaan on valmistettu valmistusmenetelmän ansiosta pölyhiukkasten suhteen itsekorjautuvia ja luotettavia kondensaattoreita. Näin saatavat eristekalvot eivät ole läpilyöntikestoisuudeltaan ja resistiivisyydeltään termisesti oksidoimalla kasvatettujen kalvojen veroisia, mutta valmistusmenetelmä antaa mahdollisuuden paksujen eris-tekalvojen kasvatukseen matalissa lämpötiloissa.

Niobipentoksidin suhteellinen permittiivisyys on ohuilla kalvoilla kryogeenisissä lämpötiloissa 29 - 38 (Henkels,

Kirchen, 1977, Villegier, Matheron, 1980) ja paksuna anodi-soituna kalvona noin 45 (Fuschillo et ai., 1975). Tämä riit- 4 80541 tää suunniteltuun kondensaattoriin hyvin, voihan kalvon paksuus olla tällöin noin 100 nm (Ca = 4,6 nF/nut\2).

Niobin anodisointiin eli elektrolyyttiseen oksidointiin on käytetty useita eri elektrolyyttejä, joita on lueteltu taulukossa 2.

TAULUKKO 2

Eletrolyytti Viite

Kylläinen boorihappo H3BO4 Hickmott 1966 3% ammoniunhydroksidi NH4OH Garvin et ai., 1986 - 0,1 M oksaalihappo H02CC02H Oechsner et ai., 1985 ammoniumpentaboraatti (NH4 )2Biq016 *®H2<-> 156 g etyleeniglykoli HOH2CCH2OH 1124 ml vesi 710 ml

Joynson et ai., 1967

Anodisoitaessa katodina käytetään inerttiä, jalometallipin-noitettua elektrodia, esimerkiksi platinapäällystettyä ti-taaniverkkoa. Anodiksi asetetaan niobikalvolla pinnoitettu kiekko, johon on maskattu halutut kuviot fotoresistillä. Eletrolyytin valinnassa on otettava huomioon fotoresistin kestävyys.

Tavallisin anodisointitäpä on vakiovirtamoodi, jolloin va-kiovirrantiheydellä saadaan lopetus jännitteeseen verrannollinen eristepaksuus. Ideaalisesti kennon yli oleva jännite kasvaa tällöin lineaarisesti. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää vakiojänniteanodisointia tai mieluiten lineaarisesti kasvavaa jänniteohjattua anodisointia, jolla voidaan eliminoida anodisoitavan kohteen pinta-alojen erojen vaikutus kasvavan oksidin paksuuteen (Sweeny et ai., 1985). Materiaalin läpilyöntijännitteestä saadaan arvio kasvatettavan kalvon paksuuden ja anodisointikennon jännitteen väliseksi ver-rannollisuuskertoimeksi (Harrop et ai., 1970). Niobin tapauksessa se on 2,3 nm/V virrantiheydellä 0,5 mA/cm^.

Il 5 80541

Anodisointielektrolyytiksi valittiin Joynsonin ammoniumpen-taboraattia ja etyleeniglykolia sisältävä elektrolyytti, joka on käytössä useissa Josephson-liitoksen valmistusprosesseissa (esim. Kroger et ai., 1981, Jillie et ai., 1983b, Smith et ai., 1983, Sweeny, 1985). Elektrolyytin ominaisuudet tunnetaan hyvin ja sillä on valmistettu runsaasti eris-tekerroksia pöhjaelektrodin suojaksi. Varsinaisesti konden-saattorieristeen valmistukseen sitä ei tiettävästi ole käytetty. Kalvon paksuuden määritys on mahdollista suorittaa visuaalisesti interferenssivärimuutoksia seuraten, mikä osoittautui luotettavimmaksi keinoksi prosessin tutkimusvaiheessa. Profilometrillä (mekaanisella kiekon pintaa pitkin liikkuvalla kärjellä) voidaan mitata kuvioituun kiekkoon kasvatetun portaan korkeus, josta voidaan laskea oksidin paksuus - osa oksidista on alkuperäisen niobin pinnan alla. Myös anodisointikennon läpi kulkevasta varauksesta voidaan määrittää kasvaneen oksidin määrä, sillä anodilla tapahtuva kokonaisreaktio on seuraava: 2 Nb5+ + 10 OH- -> Nb205 + 5 H20 * - Joynsonin elektrolyytillä anodisointiparametrejä on kuvattu taulukossa 3 (Joynson et ai., 1967).

TAULUKKO 3 virrantiheys 0,5 mA/cm^ katodi platina

lämpötila 20°C

oksidin kasvu 0,88 nm Nb -> 2,3 nm Nb205/1 V

Kuviossa 1 on esitetty tyypillinen anodisoinnin jännite-aika-ominaiskäyrä vakiovirtamoodissa. Sen lievä kaareutuminen johtuu maskaukseen käytetyn fotoresistin reunan irtoamisesta alleanodisoitumisen vuoksi. Myös substraattina käytetyn oksidoidun piikiekon oksidi saattaa alkaa vuotaa suuremmilla anodisointijännitteillä, mikä havaitaan jännitteen nousunopeuden hidastumisena. Anodisoinnin onnistumiseksi substraatin tulee olla eriste tai eristävällä kalvolla pin- 6 80541 noitettu (Si02)r anodisoitavien kohtien tulee olla galvaanisessa kontaktissa toisiinsa.

Kuviossa 1 on esitetty anodisoinnin jännite-aika-ominaiskäy-rä vakiovirtamoodissa (170 pA, 0,5 mA/cm^). Anodisoitavana DC-SQUID-anturin Anod.-maskitasolla maskattu 3" oksidoitu piikiekko, jonka toiselle pinnalle on kasvatettu niobikalvo.

Anodisoitujen kalvojen homogeenisuutta ja kompositiota tutkittiin Rutherfordin takaisinsironnalla, jolloin havaittiin edellä mainitulla elektrolyytillä anodisoitujen kalvojen sisältävän happea suhteessa niobiin 2,5 ± 0,25. Tulos indikoi kalvon kasvavan faasissa Nb2C>5 suhteellisen homogeenisena. Kuviossa 2 on esitetty anodisoidun niobikalvon RBS-spektri (He+ 2 MeV). Niobi on diffusoitunut hiukan piidioksidiin kasvatuksen yhteydessä.

Huonelämpötilaa korkeammassa, esim 120°C:n lämpötilassa tapahtuvalla kasvatuksella saadaan huoneenlämmössä paremmin eristäviä kalvoja, mutta jäähdytettäessä kalvot nestetypen lämpötilaan, 77°K:iin, mitatuilla johtavuuksilla ei ole eroa (Joynson et ai, 1967).

Anodisoimalla valmistetun eristeen ominaisuuksien tutkimiseksi valmistettiin eri anodisointijännitteillä ja vasta-elektrodeilla testikondensaattoreita edellä mainituilla ano-disointiparametreillä. Anodisoinnista johtuen vain osa kon-densaattorieristeestä on alkuperäisen niobin pinnalla.

Eristeen maskausta voidaan käyttää itsekohdistuvasti myös vastaelektrodin kuvioimiseen eristekerroksen suojaamiseksi myöhemmiltä prosessoinnin aiheuttamilta vaikutuksilta. Näin se saadaan kuvioiduksi ilman maskinkohdistusvirheitä paikalleen. Niinpä kuvioiden 3a - 3c mukaisesti kondensaattorin vastaelektrodi 8 voidaan kasvattaa itsekohdistuvasti lift-off-resistimaskin 3 avulla.

Kuvion 3a mukaisesti substraatille 1 kasvatetaan ensin poh-jaelektrodi 2, joka voidaan kuvioida kondensaattoreiden vai- 11 7 80541 mistuksen jälkeen tai myös sitä ennen, jolloin eristeen kasvatustavan ollessa anodisointi pöhjaelektrodin 2 tulee olla galvaanisesti yhtä virrankulun mahdollistamiseksi. Itse kondensaattorit määritetään lift-off-litografisella resistimas-killa 3, jonka yläosaan muodostuu ulospäin ulottuvat kielekkeet 4. Toisin sanoen resistimaskin 3 kunkin aukon 7 alaosan läpimitta a on yläosan läpimittaa b suurempi, jolloin aukon yläosan poikkileikkauksen kohtisuora projektio aukon alaosalle mahtuu aukon alaosan sisään. Eristekalvo 5 kasvatetaan elektrolyyttisesti anodisoimalla, jolloin koko aukon 7 pohjan ala täyttyy eristävällä kerroksella 5.

Kuvion 3b mukaisesti vastaelektrodi 8 voidaan kasvattaa esimerkiksi tyhjöhöyrystämällä ja sen koko määräytyy resistin pienimmän aukon ulottuvuuksien b mukaisesti.

Lopuksi lift-off-resisti 3 poistetaan, jolloin myös resistin 3 päälle kasvanut metalli 6 irtoaa ja kondensaattori on kuvion 3c mukaisesti valmis.

Eristekalvo 5 voidaan kasvattaa myös kaasufaasista esimerkiksi plasmaoksidoinnilla.

Kuvion 4a mukaisesti tyypillinen lift-off-resistin valmistus aloitetaan levittämällä ohut valoherkkä kerros 10 (paksuus :tyypillisesti 0,4 - 3 pm) esimerkiksi piikiekon 11 pinnalle.

Useimmiten resisti 10 on herkkä vain UV-valolle. Valoherkkä kerros 10 koostuu valoherkästä yhdisteestä, joka voi olla esimerkiksi diatsoketoniyhdistettä, filmiä muodostavaa polymeeriä, liuottimia ja erilaisia lisäaineita. Lift-off-resistimaski voi koostua myös useammista eri kerroksista. Yleisesti käytetty kaupallinen reistityyppi on Shipleyn MP 1470. Seuraavassa kuvataan tälle resistille sopivaa lift-of f-prosessia.

Kuvion 4b mukaisesti resistikalvo 10 valotetaan valotusmas-killa 12, jolloin valotusmaskin aukot määrittelevät resistin 10 aukkoalueet 13.

e 80541

Kuvion 4c mukaisesti valotettua resistiä 10 käsitellään liuottimilla 14. Usein käytetään menetelmiä, joissa resistin 10 pinta kovetetaan jollain aromaattisella hiilivedyllä, yleisimmin klorobentseenillä tai tolueenillä. Pinnan kovetuksen tarkoituksena on aikaansaada kuvion 4d mukainen rakenne, jossa aukkoalueelle 13 muodostetaan onkalo 16, jota ympäröivät onkalon päälle ulottuvat lipat 15.

Kuvion 4e mukaisesti höyrystetty materiaalikerros 17 tarttuu sekä resistin 10 pinnalle että muodostetun onkalon 16 pohjalle siten, että halutun materiaalikappaleen 18 muodon määrittelevät resistin lipat 15. Lopuksi resisti 10 poistetaan kuvion 4f mukaisesti.

Kuviossa 5 on esitetty yksityiskohtaisemmin kuvioissa 4b ja 4d esitettyjä rakenteita. Niinpä resistin 10 paksuutta on kuvattu symbolilla A, lipan 15 kärjen etäisyyttä valotusmas-kin 12 reunasta vetäymällä t, lipan leveyttä symbolilla 1, tunkeumaa symbolilla t ja ulkonemaa symbolilla o.

Vastaelektrodimateriaaleina käytettiin sekä pelkkää alumiinia että kultaa adheesion parantamiseksi käytetyn ohuen kro-mikerroksen päällä. Kondensaattoreista saatiin hyvänlaatuisia halutulla kapasitanssialueella, erityisesti nestetypen lämpötilaan jäähdytettyinä anodisoidun oksidin ominaisuudet olivat hyviä. Tulokset on koottu taulukkoon 4. Kondensaatto-reiden vuotovirrat nestetypen lämpötilassa 77 K:ssä olivat hyvin pienet, materiaalin resistiivisyys yli 10^0 cm. Eristeen paksuus on määritetty profilometrillä ja anodisoin-nin lopetus jännitteestä, kumpikin menetelmä antaa suhteellisen hyvin yhteensopivan tuloksen. Profilometrimittauksissa on otettu huomioon oksidin kasvaminen osittain niobikalvon sisään (taulukko 3).

Taulukossa 4 on anodisoitujen kondensaattoreiden ominaisuuksien yhteenveto, kondensaattoreiden pinta-ala lxl mm^, eristeen paksuus määritetty profilometrillä, kapasitanssiarvo mitattu 100 kHztn taajuudella. 77 K:n lämpötilassa johtavuus ei ollut mitattavissa suoraan, arvo yli ΙΟ^Λ. cm.

II

9 80541 TAULUKKO 4

An. Paks. Vastael. f 293 c293 £r293 c77 £r77

V nm 105-Slcm nF nF

20 41,7 Cr/Au 1,4 15,5 73 8,84 41,6 40 85 -"- 5,8 8,48 81,3 4,55 43,7 60 133,3 17 5,31 79,9 2,98 43,5 20 41,2 Ai 0,76 12,1 56,8 8,98 41,8 40 87,7 3,2 7,80 77,4 4,23 41,9 60 137,3 5,7 5,24 81,3 2,75 42,6

Kuviossa 6 on esitetty yhden kondensaattorin ominaisuuksia taajuuden funktiona huoneenlämmössä sekä nestetypen lämpötilassa ( 293 K: C = Δ, Q = o, 77 K: C = A, Q = ·). Eristeen paksuus oli 133,3 nm, vastaelektrodina oli 60 nm kultaa, pinta-ala lxl mm^. 77 K:n lämpötilassa kapasitanssiarvo on lähes muuttumaton mitatulla taajuusvälillä. Valmistetut kondensaattorit ovat ominaisuuksiltaan hyviä alhaisissa lämpötiloissa, huoneenlämmössä kondensaattorit ovat huomattavan häviöllisiä. Niiden ominaisuudet pysyvät muuttumattomina edelleen matalampiin lämpötiloihin jäähdytettäessä, 4,2 °K:ssä mitatut kapasitanssit olivat täsmälleen samoja kuin 77 °K:ssä mitatut arvot. Anturin kapasitanssitiheyden suunnitteluarvo on 4,6 nF/mm^, johon päästään noin 40 V:n lope-; tusjännitteellä. Saavutettavaan kapasitanssiarvoon vaikuttaa anodisoinnin lopetus jännitteen lisäksi käytetty virrantiheys (Young, 1961) ja koska anodisoitua pinta-alaa ei pystytty tarkasti määrittämään, niin anturin kondensaattorien tarkan kapasitanssiarvon kalibrointi on mahdollista vasta lopullisilla maskikuvioilla.

DC-SQUID-anturin kondensaattoreiden reunan rakenne on kuvion 7 mukainen. Kondensaattorieristeen 19 päälle (noin 100 nm, suhteellinen permittiivisyys £r yli 40) on kasvatettu itse-kohdistuvasti ohut vastaelektrodi 20, vastuskerroksen 21 pintaa peittää ohut er istepassivointi 22 ( 30 - 50 nm, £, r vain 5,7). Vastuskerros 21 on sijoitettu kondensaattorin vastaelektrodiin vaimentamaan korkean hyvyysarvon omaavia 10 80541 resonansseja. Vastuskerroksessa 21 käytetään eristepassi-vointia 22 kalvon pinnassa seuraavien prosessointivaiheiden ionisuihkuetsauksen suojana, muuten pinnalla oleva kultaker-ros etsautuisi nopeasti pois muuttaen kalvon neliövastusta voimakkaasti. Lyijykerros muodostaa kuitenkin helposti kontaktin vastuskalvon reunasta, koska eristekalvo on siellä hyvin ohut. Lisäksi ennen lyijykerroksen kasvatusta on ioni-suihkulla etsattava pois ensimmäisen lyijykerroksen proses-sipassivointi suprajohtavan kontaktin aikaansaamiseksi, mikä vaatii tavallista pitemmän etsauksen.

Valmistusprosessin tuloksena saatiin myös vuotoisia kondensaattoreita ja eräissä tapauksissa kondensaattoreiden kapasitanssiako oli vain murto-osa suunnitteluarvosta. Tuloksiin voi olla useita syitä. Kondensaattori voi mennä oikosulkuun vastaelektrodin reunasta itsekohdistuvan metalloinnin reunan ylityksen vuoksi tai jos ensimmäisten eristeker-rosten portaanpeitto on huono, saattaa lyijykalvo pystyä muodostamaan oikosulun reunasta. Myös ensimmäisen eristeker-roksen kasvatusta edeltävässä ionisuihkuetsauksessa voi kasvatetussa niobipentoksidikerroksessa niobi rikastua niin runsaasti, että se muuttuu johtavaksi. Tätä tutkittiin kuitenkin yhdellä näytteellä, josta todettiin pinnalle höyrys-tetyn piimonoksidin pikeminkin vähentävän vuotovirtoja. Laskettua liian pienet kapasitanssiarvot johtuvat vastaelektrodin passivointikerroksen kapasitanssista.

Itsekohdistuvasti valmistetussa kondensaattorissa mahdollisesti esiintyvä liftoff-prosessin reunavalli-ilmiö saattaa myös aikaansaada oikosulkuja kondensaattorieristeen yli. Jos fotoresistin reunalle siroaa vastaelektrodimetallointia, voi tämä reunavalli resistin poiston jälkeen muodostaa oikosulun. Estämällä tämä mahdollisuus kahdella maskauksella (vastaelektrodin kuviointi omalla, pienempikuvioisella maskilla tai anodisointi runsaasti ylivalotetun fotoresistiprosessin jälkeen) havaittiin kuitenkin vastaavia oikosulkuja.

Todennäköisimpänä syynä kondensaattoreiden oikosulkuihin kuitenkin on ensimmäisten piimonoksidikerrosten isotrooppi-

II

11 80541 nen etsaus resistin reunalle sironneiden jäämien poistamiseksi. Etsinä käytetään vetyfluorihappoa, joka heikentää eristekalvon portaanpeittoa ja saattaa etsautua eristeker-rosten läpi anodisoituun eristeeseen. Niobipentoksidinkin etsautuu vetyfluorihappoon. Itsekohdistuva vastaelektrodi suojaa eristekerroksen reunaa etsautumiselta. Kondensaattorit osoittautuivat toimivan halutulla tavalla niissä DC-SQUID-antureissa, joiden valmistuksessa pienennettiin SiOl-kerrosten etsausaikaa voimakkaasti.

Claims (2)

12 80541 Patenttivaatimukset ϊ

1. Ohutkalvokondensaattorien valmistusmenetelmä, jossa - pöhjaelektrodikalvon (2) päälle muodostetaan resistimaski (3), jonka aukkojen (7) avulla määritetään kondensaattorialueet, - kondensaattorin eristekerros (5) kasvatetaan kullekin kondensaattorialueelle joko elektrolyyttisesti tai kaasufaasista, - vastaelektrodialue (b) määritetään, ja - vastaelektrodi (8) kasvatetaan kunkin eris-tekerroksen (5) päälle tyhjöhöyrystämällä, tunnettu siitä, että - kondensaattorien eristekerros (5 ) ja vasta-elektrodi (8) määritetään lift-off-litografi-sella resistimaskilla (3), jolloin kunkin kondensaattor ialueen eristekerroksen (5) määrittävän aukon (7) alaosan poikkileikkauspinnan pinta-ala on vastaelektrodialueen (8) määrittävän yläosan poikkileikkauksen pinta-alaa suurempi ja aukon yläosan poikkileikkauksen kohtisuora projektio aukon alaosalle mahtuu aukon alaosan sisään.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että käytetään sellaista resistimas-kia (3), jonka yläpinnan pinta-ala on kauttaaltaan resisti-maskin (3) alaosien pinta-alaa suurempi, jolloin yläpinta muodostaa alaosien yli ulottuvat kielekkeet (4). Il 13 80541