DE2157923A1

DE2157923A1 - Verfahren zur Herstellung einer bestimmten RC Schaltung

Info

Publication number: DE2157923A1
Application number: DE19712157923
Authority: DE
Inventors: Frank Palmer Wescos ville Pa Pelletier (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-23
Publication date: 1972-06-08
Also published as: GB1354956A; US3718565A; NL7116041A; FR2116076A5; IT942947B; BE775707A; SE390862B; CA925630A

Description

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WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED · «· ' ^ ' ν *, *r

New York, V.St.A. ^P'^P· ^l^tier

Verfahren zur Herstellung einer bestimmten RC-Schaltung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bestimmten Dünnschicht-RC-Schaltung, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtaufbaus mit Widerständen und Kondensatoren auf Tantalbasis auf einem einstückigen Substrat. I

Die Miniaturisierung der Bauelemente und Schaltungen, gekoppelt mit der zunehmenden Komplexität moderner elektronischer Systeme hat in der Vergangenheit unvorhersehbare Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Dünnschicht-Bauelementen und die Notwendigkeit der vollständigen Ausnutzung der Technologie entstehen lassen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Tantal der Fall, welches lange als das vielseitigste Dünnschichtmaterial angesehen wurde. Um λ die Vorteile dieser Vielseitigkeit möglichst weitgehend auszunutzen, ist es oft erforderlich, bei der Herstellung von RC-Schaltungen auf einem Substrat verschiedene Tantalschichten zu verwenden, von denen eine als Widerstandsmaterial und die andere als Kondensatormaterial dient. Diese Schichten unterscheiden sich oft in Dicke und Art, z.B. bestehen beispielsweise aus ß-Tantal, Tantal niedrigerer Dichte, Tantalnitrid u.dgl., so daß der Verfahrensablauf kompli-

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ziert wird, weil die üblicherweise verwendeten selektiven Ätzverfahren keine Ätzmittel zur Ätzung der unterschiedlichen Schichten zur Verfügung stellen. Zur Überwindung dieses Nachteils ist die Verwendung von mechanischen Masken üblich. Unglücklicherweise haben mechanische Masken den ihnen anhaftenden Nachteil, daß die Muster auf lösung begrenzt ist, und daß ihre Verwendung unwirtschaftlich hohe Kosten verursacht. Obgleich andere Verfahren hierfür bekannt sind, haben auch diese bestimmte ihnen anhaftende Nachteile.

Seit neuerem ist ein Verfahren zur Vermeidung der vorerwähnten Schwierigkeiten bekannt, bei dem eine anfänglich auf entweder den Widerständen oder den Kondensatoren gebildete anodische Tantaloxidschicht als Ätzunterbrecher dient, wenn aufeinanderfolgend abgeschiedene Tantalkomponenten von den Flächen entfernt werden, in denen sie ursprünglich abgeschieden wurden. Obgleich dieses Verfahren sich in den meisten Anwendungsfällen als zufriedenstellend erwiesen hat, besteht bei den Fachleuten das Bestreben, alternative Verfahren zu entwickeln, die so ausgestaltet sind, daß eine Verminderung der Maskierebenen und der Anzahl der Ätzschritte erreicht wird, so daß eine erhöhte Ausbeute und eine wesentliche Verminderung der Herstellungskosten die Folge ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch einen neuen Verfahrensablauf erreicht, bei dem eine ß-Tantal-Kondensatorschicht zu-

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nächst auf einer Tantalnitrid-WiderStandsschicht abgeschieden und zum entsprechenden Oxid umgewandelt wird, welches als schützende Oxidschicht für den Widerstand dient und während der Ätzschritte nicht entfernt wird. Nach diesem Verfahren werden die Widerstände und Kondensatoren in einer Maskenebene gebildet, die Kondensatoren anodisiert und ein geeignetes Leitermaterial aufgedampft und zum gewünschten Muster umgebildet. Während des abschließenden Trimm-Anodisierungsschritts wird die über den Widerständen liegende Kondensatorschicht in Tantalpentoxid umgewandelt, wodurch eine schützende Umhüllung geschaffen wird. Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig. IA - IG Schnittansichten aufeinanderfolgender Herstellungsstufen einer erfindungsgemäßen Dünnschicht-Tantal-RC-Schaltung.

Zunächst wird ein geeignetes Substratteil bzw. eine Unterlage ausgewählt. Um eine möglichst hohe Qualität des abgeschiedenen Metalls zu erhalten, ist das Substrat vorzugsweise glatt und völlig frei von scharfen Umrißänderungen. Als für diesen Zweck geeignete Materialien erwiesen sich Gläser, glasierte Keramikmaterialien, hochschmelzende glasierte Metalle u.dgl. Diese Materialien erfüllen auch die Anforderungen an Wärmebeständigkeit und Nichtleitereigenschaft, die wesentlich für ihre Verwendung als Substrat in _; aktiven Zer - oder Aufstäubungsveriahren sind. ' ·

Das gewählte Substrat wird zunächst sorgfältig gereinigt, um seine Oberfläche von Verunreinigungen zu befreien. Hierfür können bekannte geeignete Reinigungsverfahren verwendet werden, wobei die Wahl eines speziellen Verfahrens von der Zusammensetzung des Substrats selbst abhängt. Wenn das Substrat beispielsweise aus Glas oder einem glasierten Keramikmaterial besteht, ist Ultraschallreinigung mit anschließendem Kochen in Wasserstoffperoxid eine geeignete Methode zur Reinigung der Oberfläche.

Im Anschluß an die Reinigung kann es erforderlich sein, eine dünne Schicht eines schichtbildenden Metalls durch bekanntes kathodisches Zerstäuben oder durch Vakuumaufdampfverfahren auf dem Substrat abzuscheiden und dann die so erhaltene abgeschiedene Schicht thermisch zu oxidieren, wie dies beispielsweise im US-Patent 3 220 938 beschrieben ist. Die resultierende Oxidschicht dient zum Schutz des Substrats gegen den Angriff von korrosiven Ätzmitteln während der nachfolgenden Weiterbearbeitung. Für den Fachmann ist es jedoch klar, daß eine solche Schutzschicht nicht erforderlich ist, wenn das gewählte Substrat von Hause aus widerstandsfähig gegen den Angriff der bei der Weiterbearbeitung verwendeten Ätzmittel ist.

Der nächste Schritt bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Abscheidung der Widerstandsschicht, die aus Tantalnitrid besteht. Dies wird in geeigneter Weise

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durch aktives Zerstäuben von Tantal in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre bei Spannungen im Bereich von 3 bis 7 kV und bei Stickstoff-Teildrücken im Bereich von 10" bis 10" Torr erreicht. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung beträgt die minimale Dicke der so abgeschiedenen Schicht etwa 500 S. Die Dicke ist nicht begrenzt, obwohl bei einer Steigerung auf über 2000 S kaum noch Vorteile erreicht werden. .

In Fig. IA ist eine Schnittansicht eines Substrats 11 mit einer in der im Vorstehenden beschriebenen Weise aufgebrachten Tantalnitridschicht 12 gezeigt.

Der nächste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Abscheidung einer ß-Tantal-Kondensatorschicht 13 durch kathodische Zerstäubungsverfahren bei Spannungen zwischen 4000 und 6000 V und Stromdichten zwischen 7,7 χ

—2 —2 2

10 bis 77 χ 10 mA/cra in einer Argonatmosphäre mit einem Argondruck von 20 bis 30 um Hg. Die Dicke der ß-Tantalschicht kann zwischen 1000 bis 3000 5? liegen, wobei diese Grenzen durch praktische Erwägungen, beispielsweise die Anodisierungsspannung und den Basiswiderstand der Kondensatorelektrode gegeben sind. Für den erfindungsgemäßen Zweck hängt die minimale Dicke der ß-Tantalschicht von zwei Faktoren ab. Einmal ist sie abhängig von der Dicke des während des nachfolgenden Anodisierungsschrittes zum Oxid umzuwandelnden Metalls. Zum anderen ist die minimale Dicke des in Übereinstimmung mit dem maximal zulässigen

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Widerstand in der ß-Tantal-EleJctrode nach der Anodisierung verbleibenden unoxidierten Metalls von Einfluß. Es wurde festgelegt, daß die bevorzugte Minimaldicke der ß-Tantalschicht, wie erwähnt, etwa lOOO 8 ist. Die obere Grenze dieser Dicke liegt bei etwa 3000 S. Der die ß-Tantalschicht 13 umfassende resultierende Aufbau ist in Fig. IB gezeigt.

Als nächster Verfahrensschritt wird in den Schichten 12 und 13 mit photographischen Verfahren ein Muster derart eingebracht, daß bestimmte Abschnitte der Schichten völlig entfernt werden, so daß ein Widerstandsmäander und ein Kondensatorspalt erzeugt wird. Hierfür kann ein beliebiges bekanntes Verfahren verwendet werden, wobei das gewählte Ätzmittel üblicherweise Fluorwasserstoffsäure enthält. Fig. IC zeigt eine Schnittansicht der resultierenden Anordnung, wobei die Widerstandswindung oder der Widerstandsmäander mit 14 und der Kondensator spalt mit 15 bezeichnet ist. Die Bezugszeichen bezeichnen die Flächen, von denen ß-Tantal und Tantalnitrid während des photographischen Abtragungsverfahrens entfernt wurde.

Als nächstes wird die Anordnung in Gegenwart von Luft auf eine Temperatur zwischen 250 und 400⁰C erwärmt und bis zu 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, wodurch die Nitridschicht stabilisiert wird.

Anschließend wird die resultierende Anordnung anodisiert, um eine anodische Oxidschicht zu bilden, die als Dielektri-

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kum des Kondensators dient. Vor der Anodisierung müssen die Flächen mit Masken abgedeckt werden, die nicht anodisiert werden müssen. Diese Maskierung erfolgt durch Verwendung geeigneter Photolacke, Maskierfette od.dgl. Die Anodisierung selbst kann in üblicher Weise durch elektrolytische Anodisierung od.dgl. durchgeführt werden. Bevorzugte Elektrolyte hierfür sind beispielsweise wässrige Lösungen von Oxalsäure, Zitronensäure, Weinsäure u.dgl. Fig. ID ist eine Schnittansicht der Anordnung nach Fig. IC nach der Anodisierung eines Abschnitts der ß-Tantalschicht 13 zu Tantalpentoxid 16. Im Anschluß an die Anodisierung wird die Maskierung durch übliche Reinigungsverfahren entfernt, um die Freiheit von Verunreinigungen und Maskenrückständen sicherzustellen.

Hierauf folgt die Abscheidung einer Leiteranschlußschicht auf der gesamten, in Fig. ID gezeigten Anordnung. Die in Fig. IE gezeigte Anschlußschicht 17 bildet einen Basisleiter in der Schaltung für Verbindungsleitungen und kann aus einer Nichrom-Gold-Schicht bestehen. Auch hier ist die Dicke dieser Schicht nicht kritisch und die minimale und maximale Dicke wird von praktischen Erwägungen bestimmt. Bei einer beispielsweisen Ausführungsform wird eine dünne Schicht aus Nichrom einer Dicke zwischen 100 und 500 A* und nachfolgend eine Goldschicht einer Dicke zwischen 1000 und 10.000 A* abgeschieden. ;

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Die LeiteranschluBschicht 17 wird dann von der Widerstandsfläche abgeätzt, wobei sie als Gegenelektrode für den Kondensator dient und die Verbindung zwischen dem Kondensator und der Schaltung herstellt. Der resultierende Aufbau ist in Fig. IF gezeigt, wobei die Bezugszeichen 18 und 19 die Flächen bezeichnen, von denen die Leiteranschlußschicht 17 entfernt ist. Dieser Ätzschritt erfolgt durch wiederholte Ätzung, wobei die Anschlußschicht in den Gebieten, in denen sie stehen bleiben soll, maskiert wird und die Anordnung in eine Kaiium-Jodid-Jod-Lösung und anschließend zur Entfernung des Goldes in eine Kalium-Jodid-Wasser-Lösung eingetaucht wird. Das Nichrora kann mit Salzsäure entfernt werden.

Bei dieser Verfahrensstufe wird die Widerstandsbahn anodisiert, während der andere Teil der Schaltung mit einem geeigneten Fett oder Photolack maskiert ist. Die Anodisierung kann in der oben dargelegten Weise erfolgen, wobei eine in Fig. IG gezeigte,, aus Tantaloxid (umgewandeltes ß-Tantal und Tantalnitrid) bestehende Anodisierungsschicht 20 entsteht. Diese Anodisierung hat die Trimmung der Widerstandsbahn auf den gewünschten Wert zur Folge.

Im folgenden ist im einzelnen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel und die vorhergehenden Erläuterungen sind jedoch lediglich des besseren Verständnisses wegen getroffen, und

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es ist klar, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen möglich sind.

Beispiel

Ein gläserner Mikroskop-Objektträger einer Breite von etwa 3,8 cm und einer Länge von etwa 7,6 cm mit einer in einer Dicke von etwa 1500 A* aufgebrachten Tantalpentoxidschicht wurde als Substrat gewählt. Das Substrat wurde unter Verwendung eines Detergens mit Ultraschall gereinigt und anschließend mit Leitungswasser nachgespült. Danach wurde es in kochendes Wasserstoffperoxid gebracht und anschliessend mit destilliertem Wasser gespült, worauf eine Nachspülung durch Übergießen mit destilliertem, entionisiertem Wasser erfolgte. Das Substrat wurde dann in Stickstoff trockengeblasen und anschließend 30 Minuten lang bei 550⁰C in einem Ofen erwärmt.

Als nächstes wurde die Anordnung in eine Zerstäubungsvorrichtung eingesetzt und die Kammer wurde auf einen Druck

—7
von 5 χ 10 Torr evakuiert. Nach dem Erreichen dieses Drucks wurde Stickstoff mit einem Partialdruck von etwa —7

6 χ 10 Torr in die Kammer eingelassen und nach Erreichen des Gleichgewichts wurde Argon mit einem Druck von etwa 12 um Hg zugeführt. Die Zerstäubung wurde durch Anlegen einer Gleichspannung von 6600 V an Kathode und Anode bei einem Strom von etwa 250 mA bewirkt. Die Zerstäubung wurde über genügend lange Zeit durchgeführt, so daß eine Tantal-

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nitridschicht von 1000 A* Dicke entstand.

Nach der Aufbringung der Tantalnitridschicht wurde die Anordnung in eine zweite Zerstäubungskammer überführt und die Kammer wurde auf einen Druck von etwa 1 χ 10 Torr evakuiert, worauf Argon eines Drucks von etwa 20 um Hg zugeführt wurde. An Kathode und Anode wurde dann eine Gleichspannung von 4000 V angelegt, wobei die Stromdichte 4,7 χ

—1 2
10 mA/cm betrug. Die Zerstäubung wurde etwa 45 Minuten lang durchgeführt, wodurch sich eine 5000 8 dicke Schicht aus ß-Tantal bildete.

Im Anschluß hieran wurde ein Photolack auf das ß—Tantal aufgebracht und zur Abätzung eines Widerstandsfensters und eines Kondensatorspalts wurde ein bekanntes photolithographisches Ätzverfahren durchgeführt, wobei als Ätzmittel eine 5:1:1 Lösung aus Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Wasser verwendet wurde. Die Anordnung wurde dann etwa 5 Stunden lang bei 250⁰C in Luft erwärmt, um das Tantalnitrid zu stabilisieren. Hierauf schloß sich eine Anodisie— rung der Anordnung in 0,01 %iger Zitronensäure-Wasserlö-

—1 2 sung mit einer Stromdichte von etwa 1,56 χ 10 mA/cm bei annähernd 100 % der zum Schluß erforderlichen Anodisierungsspannung an, wobei die nicht zur Anodisierung bestimmten Flächen in geeigneter Weise maskiert waren. Nach der Anodisierung wurde die Anordnung in eine Vakuum-Verdampfungsvorrichtung eingesetzt, in der eine Nichromschicht von 500 A*

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und anschließend eine Goldschicht von 5000 S aufgebracht wurden. Die so erhaltene Nichrom-Gold-Schicht wurde von der Widerstandsbahn und dem Kondensatormuster abgeätzt, indem die Flächen, die stehen bleiben solltenj mittels eines geeigneten Fettes maskiert wurden, und indem die Anordnung 30 Minuten lang in eine Kalium-Jodid-Jodlösung eingetaucht und anschließend in einer Kalium-Jodid-Wasserlösung gespült wurde* Dieser Vorgang wurde solange wiederholt, bis das Gold bei visueller Betrachtung entfernt war. Die Nichromschicht wurde durch Ätzen in einer ItI:20 Lösung aus Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Wasser entfernt. Die erhaltene Anordnung wurde dann durch Anodisieren auf den Sollwert getrimmt.

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Claims

Patentansprüche SS=SBSSSSSSSSSSfSSSSSESSSSSSr

1.7 Verfahren zur Herstellung einer bestimmten Dünnschicht-RC-S chaltung,

dadurchgekennzeichnet, daß zunächst auf einem Substrat eine Schicht aus Tantalnitrid und auf der Tantalnitridschicht eine Schicht aus 15-Tantal abgeschieden wird, auf denen die Widerstand- und Kondensatorflächen gebildet werden, daß die Widerstände dann durch Erwärmen in Luft auf Temperaturen zwischen 250° und 400°C stabilisiert und anschließend die Kondensatorflächen anodisiert werden, daß auf der gesaraten so hergestellten Anordnung eine Anschlußelektrode abgeschieden und ein Leitbahn- und Kondensatormuster in der Anordnung erzeugt wird, und daß schließlich die Widerstände durch Anodisierung auf den Sollwert getrimmt werden,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalnitrid- und ß-Tantalschicht durch kathodische Zerstäubung aufgebracht werden.

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