DE2034548A1 - Thin-film module for integrated circuits - Google Patents

Abstract

Thin-film resistors and thin-film capacitor plates are produced with a resistivity independent of film thickness and precise alloy composition, and also with a low temperature coefficient of the resistance. An insulating base is coated with a base metal layer of Ta, Nb, Zr, Hf, Ti, V or Mo. One or both sides of this layer carry a film of an alloy of these metals with Re and/or W. The whole is protected against corrosion by a beryllium oxide film.

Description

Leit- und Widerstandsschicht für Dünnschichtschaltungen Die Erfindung betrifft eine Beit- und Widerstandsschicht für Dünnschichtschaltungen, die z. B. einen Dünnschichtwiderstand, die Elektrode eines Dünnschichtkondensators, eine Leiterbahn oder eine Kontaktfläche bilden kann.Conductive and resistive layer for thin-film circuits The invention relates to a support and resistance layer for thin-film circuits which, for. B. a thin-film resistor, the electrode of a thin-film capacitor, a conductor track or can form a contact surface.

Es ist bekannt, daß derartige Schichten aus den unlegierten Metallen Tantal, Niob, Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadin, Molybdän hergestellt werden können.It is known that such layers are made of the unalloyed metals Tantalum, niobium, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, molybdenum can be produced.

Ferner ist bekannt, daß man beispielsweise Tantal mit den Metallen Kupfer, Nickel, Qsmium, Iridium, Molybdän oder mit den Edelmetallen Gold, Silber, Platin, Palladium und Ruthenium legieren kann, um Schichten mit niedrigerem Temperaturkoeffizienten und geringerer Alterungsrate zu erhalten.It is also known that, for example, tantalum can be mixed with the metals Copper, nickel, Qsmium, iridium, molybdenum or with the precious metals gold, silver, Platinum, palladium and ruthenium can alloy to form layers with lower temperature coefficients and lower aging rate.

Die Al-berung des elektrischen Widerstandes dieser Schichten ist meist auf die Bildung von Oxiden an der Phasengrenze Schicht/ Atmosphäre bzw. an Korngrenzen und/oder auf die Sauerstoffaufnahme des Kristallgitters zurückzuführen.The reduction of the electrical resistance of these layers is mostly on the formation of oxides at the layer / atmosphere phase boundary or at grain boundaries and / or due to the oxygen uptake of the crystal lattice.

Zur Verringerung der Alterungsrate werden bekanntlich die Schicht ten z.b. in reaktiver Atmosphäre wärmebehandelt, wobei sich diffusionshemmende Schichten bilden, die die weitere Korrosion einschränken. Die Korrosionsschichten können auch nach bekannten Verfahren nachträglich z. B. durch Aufdampfen aufgebracht werden. Prinzipiell eignen sich dafür auch Metalle, sofern der Diffusionskosffizient des zu echiltzenden Metalls Jenen gegenüber gering ist. Es ist insbesondere von hochschmelzenden Uotallen bekannt, daß der Diffusionskoeffizient einer ersten Komponente in einer zweiten Komponente umso kleiner ist, je mehr die Schmelztemperatur der zweiten Komponente die der ersten übersteigt, Die oben angeführten Werkstoffe bzw. Verfahren haben folgende Nachteile: a) Die Schmelztemperaturen der Metalle Cu, Ni, Ir und Mo sind geringer als die des tantals. Sie sind deshalb als Material für Diffusionsbarrieren auf lantal weniger gut geeignet.It is known that the layer is used to reduce the aging rate ten e.g. Heat-treated in a reactive atmosphere, with diffusion-inhibiting layers that limit further corrosion. The corrosion layers can also by known methods subsequently z. B. be applied by vapor deposition. In principle, metals are also suitable for this, provided that the diffusion coefficient of the to echoing metal is little compared to those. It is particularly of high melting point Uotallen known that the diffusion coefficient of a first component in a The higher the melting temperature of the second component, the smaller the second component that of the first, Have the materials or processes listed above the following disadvantages: a) The melting temperatures of the metals Cu, Ni, Ir and Mo are less than those of tantalum. They are therefore used as a material for diffusion barriers less suitable on lantal.

b) Die Edelmetalle zeigen keine oder nur geringe Löslichkeit in Tantal: Beispielsweise bilden Gold und Tantal in dünnen Schichten bei den üblichen biffusionstemperaturen von etwa 400 °C ein Eutektikum. Dadurch besteht die Gefahr der interkristallinen Korrosion, die durch elektrische felder noch gefördert wird c) Silber weist bei den üblichen Diffusionstemperaturen eine hohe Oberflächenbeweglichkeit auf. Dadurch besteht die Gefahr er "Vergiftung" benachbarter Bauelemente.b) The precious metals show little or no solubility in tantalum: For example, gold and tantalum form in thin layers at the usual diffusion temperatures a eutectic of about 400 ° C. This creates the risk of intergranular Corrosion that is further promoted by electrical fields c) Silver indicates the usual diffusion temperatures on a high surface mobility. Through this there is a risk of "poisoning" neighboring components.

d) Reines Tantal als Grundelektrode in Tantal-Tantaloxid-Dünnschichtkondensat oren reduziert infolge seiner hohen Löslic-hkeit für Sauerstoff benachbartes Tantaloxid, wodurch der Flächenwiderstand des Tantals zunimmt und im Tantaloxid ein exponentielles Profil der Sauerstoffionenleerstellenkonzentration entsteht. Letztere beeinflußt in hohem Maße die elektrischen Eigenschaften der Oxidschicht und bewirkt beispielsweise die Zunahme der relativen Dielektrizitätskonstante, der dielektrischen Verluste und der der elektrischen Leitfähigkeit.d) Pure tantalum as a base electrode in tantalum-tantalum oxide thin-film condensate Due to its high solubility for oxygen, oren reduces neighboring tantalum oxide, whereby the sheet resistance of the tantalum increases and an exponential one in the tantalum oxide Profile of the oxygen ion vacancy concentration emerges. The latter influences to a large extent the electrical properties of the oxide layer and causes, for example the increase in the relative dielectric constant, the dielectric losses and that of electrical conductivity.

e> Verfahrensmäßig bereitet es umso größere Schwierigkeiten, mit Hilfe der Aufdampftechnik Legierungeschichten herzustellen, deren Zusammensetzung der des Quellenmaterials entspricht, je mehr sich die Schmelztemperaturen bzw. Dampfdrucke der Komponenten unterscheiden0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leit- und Widerstandsschicht für Dünnschichtschaltungen zu schaffen, bei der die oben aufgeführten Nachteile durch geeignete Werkstoffkombinationen weitestgehend beseitigt sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Schicht aus einer Legierung von Metallen der Gruppe Tantal, Niob, Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadin, Molybdän mit Metallen der Gruppe Wolfram; Rhenium zusammengesetzt ist. Es besteht die Möglichkeit, daß die gesamte Schicht aus der Legierung besteht oder daß eine schmale, als biffusionsbarriere wirksame Legierungszone eine Schicht aus Metallen der erstgenannten Gruppe unter- und/oder überschichtet. Die Dünnschichtschaltung kann abschließend in an sich bekannter Weise mit einer Korrosionsschutzschicht, die beispielsweise aus Berylliumoxidwerkstoffen besteht, versehen werden. Die Kombination einer mit einer schmalen Legierungszone überschichteten Schicht und einer Berylliumoxidschicht ist besonders geeignet als Grundelektrode und Dielektrikum stabiler Dünnschichtkondensatoren.e> In terms of procedure, it is all the more difficult to work with Using vapor deposition to produce alloy layers and their composition that of the source material, the closer the melting temperatures or vapor pressures differentiate between components 0 The invention is based on the object of providing a and to create resistive layer for thin-film circuits in which the above The disadvantages listed are largely eliminated by suitable material combinations are. According to the invention this object is achieved in that the layer consists of a Alloy of metals the group tantalum, niobium, zirconium, hafnium, Titanium, vanadium, molybdenum with metals from the tungsten group; Composed of rhenium is. There is a possibility that the entire layer may be made of the alloy or that a narrow alloy zone effective as a diffusion barrier forms a layer made of metals of the first group under and / or overlaid. The thin-film circuit can finally in a known manner with a corrosion protection layer, which consists, for example, of beryllium oxide materials. The combination a layer overlaid with a narrow alloy zone and a beryllium oxide layer is particularly suitable as a base electrode and dielectric of stable thin-film capacitors.

Die Vorteile der aufgeführten Legierungen folgen aus den hohen Schmelztemperaturen der zweiten Gruppe und der dadurch bedingten Diffusionsbarrierenwirkung aus der vollstandigen bzw. begrenzten Ilisohbarkeit im flüssigen und festen Zustand über große Wonzentrationsbereiche und aus der bekannten Tatsache, daß die Löslichkeit für Gase, z. B. für Sauerstoff, bei einer bestimmten, vom Stolfpaar abhängigen Legierungszusammensetzung, gegen Null geht.The advantages of the listed alloys result from the high melting temperatures of the second group and the resulting diffusion barrier effect from the complete or limited availability in the liquid and solid state large concentration ranges and from the known fact that the solubility for gases, e.g. B. for oxygen, with a certain alloy composition depending on the stolf pair, goes to zero.

Verfahrenstechnisch bietet insbesondere das System Tantal - Rhenium Vorteile, weils sich die Schmelztemperaturen und Dampfdrucke beider nur sehr wenig unterscheiden. Die besondere Eignung dieser Legierungen als elektrisch leitende, dünne Schichten geht z. B. auch daraus hervor, daß der spezifische elektrische Widerstand von Ta-Re-Legierungen mit einem Re-Anteil von 32-bis 40 % ab Schichtdicken von wenigen hundert Angström schichtdickenunabhängig ist und nur wenig von der Legierungezusanimensetung abhängt und daß diese Schichten sehr niedrige Temperaturkoeffizienton des elektrischen Widerstandes aufweisen.In terms of process technology, the tantalum-rhenium system offers a particular advantage Advantages because the melting temperatures and vapor pressures of both differ very little differentiate. The particular suitability of these alloys as electrically conductive, thin layers go e.g. B. also shows that the specific electrical resistance of Ta-Re alloys with a Re content of 32 to 40% from a layer thickness of a few hundred angstrom is independent of the layer thickness and only a little of the alloy composition depends and that these layers have very low temperature coefficient of the electrical Have resistance.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen naher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die prinzipielle Anordnung der erfindungsgemä'ßen Schichten in entsprechenden Schaltungen.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments will. The associated drawing shows the basic arrangement of the inventive Layers in appropriate circuits.

Fig. 1: Anordnung, bestehend aus Unterlage und Widerstandsschicht.Fig. 1: Arrangement, consisting of base and resistance layer.

Fig. 2: Anordnung, bestehend aus Unterlage, Widerstandsschicht nach Anspruch 2 und Schutzschicht.Fig. 2: Arrangement, consisting of base, resistance layer according to Claim 2 and protective layer.

Fig. 3: Anordnung erfindungsgemaßer Leitschichten in einem Diinnsc'lichtkondensatoro Auf einer isolierenden Un-terlage 1 ist eine Viderstandsschicht 2.Fig. 3: Arrangement of conductive layers according to the invention in a thin light capacitor A resistive layer 2 is on an insulating base 1.

aufgebracht. Sie kann insgesamt aus einer Tantal-Rhenium-Legierung bestehen (Fig. 1) oder sie ist nach Anspruch 2 unterteilt in eine unlegierte Metallschicht 12 (Fig. 2) und eine als Diffusionsbarriere wirksame unter- und/oder überschichtete Legierungszone 13. Bs besteht die Möglichkeit, diese Schichten mit einer Schutzschicht 14 aus Berylliumoxid zu versehen oder beispielsweise zur Herstellung eines Dünnschichtkondensators weitere Schichten aufzubringen.upset. It can consist entirely of a tantalum-rhenium alloy exist (Fig. 1) or it is divided according to claim 2 into an unalloyed metal layer 12 (FIG. 2) and an under- and / or over-layered layer effective as a diffusion barrier Alloy zone 13. Bs there is the possibility of these layers with a protective layer 14 to be provided from beryllium oxide or, for example, for the production of a thin-film capacitor to apply further layers.

Als weitere Ausf;5.hrungsvariante (Fig. 3) soll die Herstellung eines Tantal-Tantaloxid-Dünnschichtkondensators mit stabilen elektrischen Eigenschaften erläutert werden: Auf einer isolierenden Unterlage 21 wird zunächst für eine haftfeste Schicht 22 mit möglichst niedrigem Flächenwiderstand reines Tantal beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht. Nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke wird die Tantal-Dampfquelle, Zö B. mit Hilfe einer Blende, abgeschaltet und durch kurzzeitiges Zuschalten einer 'Uantal-Rhenium-DampSquelle eine dünne 'Uantal-Rhenium=LegierungsH zone 23 gewünschter Zusammensetzung aufgedampft0 Durch erneuten Wechsel der Dampfquelle bringt man weiteres Tantal auf, das anschließend beispielsweise durch anodische oder thermische Oxydation durchoxydiert wird und als Dielektrikum 24 dient . Die Deckelektrode 25 kann aus den üblichen Materialien bestehen und nach bekannten Verfahren hergestellt werden.As a further variant (Fig. 3), the production of a Tantalum-tantalum oxide thin film capacitor with stable electrical properties be explained: On an insulating base 21 is first of all for an adhesive Layer 22 with the lowest possible sheet resistance, pure tantalum, for example applied by vapor deposition. After the desired layer thickness has been reached, the Tantalum steam source, e.g. with the help of a shutter, switched off and briefly Connection of a 'Uantalum-Rhenium-DampSquelle a thin' Uantal-Rhenium = AlloyH zone 23 of the desired composition vaporized 0 by changing the steam source again one brings on further tantalum, which then for example by anodic or thermal oxidation is oxidized through and serves as dielectric 24. the Cover electrode 25 can consist of the usual materials and according to known methods getting produced.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Leit- und Widerstandsschicht für Dünnschichtschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Legierung von Metallen der Gruppe Tantal, Niob, Zirkon, Hafnium, Titam, Vanadin, Molybdän mit Metallen der Gruppe Wolfram, Rhenium besteht.1. Conductive and resistance layer for thin-film circuits, thereby characterized in that they are made of an alloy of metals from the group tantalum, niobium, Zircon, hafnium, titam, vanadium, molybdenum with metals from the group tungsten, rhenium consists. 2. Leit- und Widerstandsschicht für Dünnschichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Schichten aus Metallen der Gruppe Tantal, Niob, Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadin, Molybdän im Grenzbereich zu anderen Schichten mit Metallen der Gruppe Wolfram, Rhenium legiert sind.2. Conductive and resistance layer for thin-film circuits according to claim 1, characterized in that known layers of metals of the group Tantalum, niobium, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, molybdenum in the border area to others Layers with metals of the group tungsten, rhenium are alloyed. L e e r s e i t eL e r s e i t e