DE2514139A1

DE2514139A1 - Verfahren zum herstellen eines kondensators

Info

Publication number: DE2514139A1
Application number: DE19752514139
Authority: DE
Inventors: Jun Lester Andrew Carr; Jun Joseph Mitchell
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-07-17
Filing date: 1975-03-29
Publication date: 1976-01-29
Also published as: US3894872A; GB1459990A; FR2279211A1; JPS50136383A; CA1025071A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4αοο Düsseldorf ao ■ Cecilienallee 76 · Telefon 43273s

26. März 1975 29 892 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,

New York. N.Y. 10020 (V₀St₀A.)

"Verfahren zum Herstellen eines Kondensators"

Die Erfindlang bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren, die aus zwei durch ein Dielektrikum voneinander getrennten Leitern bzw. Elektroden bestehen.

Bei Mikrowellenschaltungen besteht ein Bedürfnis nach Kondensatoren mit hohem Gütefaktor, d_eh. einem niedrigen Widerstandsanteil der Impedanz und hoher Kapazität pro Flächeneinheit, die Betriebsspannungen ohne Durchbruch aushalten. Dies ist mit herkömmlichen Kondensatoren nicht möglich. Zum Beispiel haben Metall-Keramik-Metall-Kondensatoren, die maschinell hergestellt werden, hohe Verluste bei Mikrowellenfrequenz oder eine niedrige Kapazitätsdichte. MOM (Metall-Oxid-Metall) -Kondensatoren, die mit Hilfe bekannter Techniken hergestellt werden, haben zwar niedrige Verluste bei Mikrowellenfrequenzen, jedoch besitzen sie auch niedrige Kapazitätsdichte.

Es ist bekannt, daß es möglich ist, Siliziumdioxidschichten und Siliziumnitridschichten auf Silizium aufzubringen«, Diese Schichten haben gute dielektrische Stärke, niedriges Fehlerniveau und erwünschte Dicke. Solche Schichten sind bisher zum Passivieren bipolarer Transistoren verwendet worden, sowie als Dielektrika für Gateelektroden von Unipolartransistoren und als Dielektrika in Metall-Oxid-Silizium

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(MOS)-Kondensatoren„ Die Verluste in diesen MOS-Kondensatoren sind jedoch für viele Mikrowellenschaltungen unannehmbar hoch ο

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es_s ein Verfahren zum Herstellen von Kondensatoren vorzuschlagen, die bei niedrigen Verlusten die gewünschte Kapazitätsdichte besitzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf ein Siliziumsubstrat eine Schicht Dielektrikum thermisch niedergeschlagen oder aufgewachsen wird, daß eine erste Elektrode auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht aufgebracht wird, daß das Siliziumsubstrat danach entfernt wird, so daß die dielektrische Schicht freigelegt wird, und daß schließlich eine zweite Elektrode auf der freigelegten dielektrischen Schicht aufgebracht wird.

Bei den erfindungsgemäß hergestellten Kondensatoren ist die Dicke der dielektrischen Schicht nur begrenzt durch die dielektrische Stärke des Materials und die Betriebsspannung, der der Kondensator ausgesetzt sein wird_o Das Entfernen des Siliziumsubstrats vermeidet überraschenderweise die bei MOS~Kondensatoren festgestellten Verluste.

Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 7 Querschnitte zur Verdeutlichung aufeinanderfolgender Schritte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ; und

Fig. 8 bis 15 den Figuren 1

Verdeutlichung aufeinanderfolgender¹ Verfahrens schritte eines anderen Ausführungs'beisplels dew Erfindung _Q

Es sei darauf hingewiesen, dai₉ obgleich, das erflndumgsgemäße

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Verfahren nachfolgend am Beispiel der Herstellung eines einzelnen Kondensators erläutert wird, selbstverständlich auch eine Vielzahl von Kondensatoren gleichzeitig aus einer einzelnen Siliziumscheibe hergestellt werden kann₀

Gemäß Fig. 1, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, trägt ein poliertes, einkristallines SiIiziumplättchen 2 sowohl auf seiner oberen als auch seiner unteren Oberfläche thermisch aufgewachsene Siliziumdioxidschichten 4 bzwο 6, die durch ein herkömmliches Dampfoxydationsverfahren hergestellt sein können, z.B_e nasse thermische Oxydation des Siliziumsubstrats 2 bei ungefähr 1200⁰C in einem Trommelofen führt innerhalb von 45 Minuten zu einer aufgewachsenen Siliziumdioxidschicht von ungefähr 8000 Ä Dicke_β Das Silizium in den Siliziumdioxidschichten 4 und 6 stammt vom Silizium des Siliziumplättchens 2. Die Dicke der Siliziumdioxidschichten 4 und 6 wird durch Ändern der Reaktionszeit und Temperatur gesteuerte Die Minimaldicke wird begrenzt durch die dielektrische Stärke des Materials sowie durch die Betriebsspannungen und Kapazität, die für den besonderen Anwendungszweck gefordert werden.

Zur Bildung der ersten Elektrode wird zunächst eine Chromschicht 8, die z.B₀ eine Dicke von ungefähr 150 Ä besitzen kann, auf der Siliziumdioxidschicht 4 mit bekannten Verfahren niedergeschlagen, ζ_βΒ_β durch Aufdampfen oder Hochfrequenzsprühen«, Sodann wird eine Kupferschicht 10, Z₆B. mit einer Dicke von ungefähr 3000 £ auf der Chromschicht 8 durch ein ähnliches Verfahren niedergeschlagen. Die Kupferschicht 10 wird sodann bis zu einer Dicke von ungefähr 0,075 mm (oder jede andere gewünschte Dicke) durch Elektroplattieren zusätzlichen Kupfers auf das ursprünglich niedergeschlagene Kupfer aufgebaut. Eine Goldschicht 12, z.B. mit einer Dicke von ungefähr 5000 Ä, wird auf die Kupferschicht 10 aufgebracht. Alternativ kann jedes verlustarme leitende Metall bzw. Metalle, die mit der dielektrischen

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Schicht 4 verträglich sind, als Elektrode aufgebracht werden, z.Bο Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium. Darauf kann dann jedes andere plattierbare Metall unter Anwendung bekannter Metallisierungsverfahren gebracht werden»

Nachdem die erste Metallelektrode fertiggestellt ist, werden das Siliziumsubstrat 2 und die untere Siliziumdioxidschicht 6 entfernt. Zur Vorbereitung wird die Metallschicht 12 mit einer nicht dargestellten Maskierschicht abgedeckt. Die Siliziumdioxidschicht 6 wird durch Ätzen mit einer gepufferten HF-Lösung in bekannter Weise entfernt. Das SiIiziumplättchen 2 wird durch Ätzen mit einer Lösung aus konzentrierter Salpeter- und konzentrierter Flußsäure (20:1) entfernt.

Nachfolgend werden zwei verschiedene Behandlungsarten beschrieben, die im Rahmen der Erfindung zur Vervollständigung des Bauteils zur Anwendung kommen können.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird der Schichtkörper, der nach dem zuvor beschriebenen Ätzen übrig bleibt, umgedreht (Figo 2), so daß die Siliziumdioxi.dschicht 4 nunmehr oben liegt. In dieser Lage, in der die Metallschichten 8, 10 und 12 mit der nicht dargestellten Maskierschicht abgedeckt sind, werden nacheinander Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold 14, 16 bzw. 18 (Fig. 3) in der zuvor beschriebenen Weise zur Bildung der zweiten Elektrode auf die Siliziumdioxidschicht 4 gebrachte

Als nächstes wird eine der flächenförmigen Elektroden des Kondensators in ihren Außenabmessungen begrenzt. Dies geschieht dadurch, daß die Goldschicht 18 mit einer nicht dargestellten Photoresistschicht abgedeckt und unter Anwendung bekannter Belichtungs- und Entwicklungsverfahren die Oberfläche der Goldschicht 18 teilweise freigelegt wird, woraufhin die Metallschichten 14, 16 und 18 entsprechend den frei-

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gelegten Bereichen weggeätzt werden, so daß kleinere Metallschichtbereiche 14*, 16* und 18* (Fig_e 4) entstehen«, Diese zusammengesetzte Metallschicht wird eine Plattenelektrode des Kondensators.

Die nicht mit den Metallagen 14¹, 16* und 18' bedeckten Kanten der Siliziumdioxidschicht 4 werden sodann mit gepufferter Flußsäure entfernt, so daß die kleinere Schicht 4* (Figo 5) entsteht. Die andere Plattenelektrode des Kondensators wird sodann ebenfalls in der zuvor beschriebenen Weise mittels Maskieren und Ätzen in ihren Abmessungen begrenzt, so daß die Metallagen 8«, 10¹ und 12* (Fig„ 6) entstehen. Die Fläche der die zweite Elektrode des Kondensators bildenden Metallagen kann kleiner als die der ersten Elektrode sein. Es wird grundsätzlich bevorzugt, daß der daraus herrührende überhängende Teil der Siliziumdioxidschicht 4¹ beibehalten wird, um den isolierenden Bereich zu vergrößern und die Möglichkeit von Kurzschlüssen oder Leckströmen zu verringern. Alternativ kann selbstverständlich der freiliegende Teil der Siliziumdioxidschicht 4¹ weggeätzt werden, so daß eine Siliziumdioxidschicht 4¹¹ entsteht, die eine Fläche bedeckt, die der der kleineren Elektrode (Fig. 7) entspricht.

Nachfolgend wird eine zweite Möglichkeit zur Fertigstellung des Kondensators beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß ein teilweise fertiggestelltes Bauteil vorliegt, das eine Siliziumdioxidschicht 4 besitzt, die sich auf einer zusammengesetzten Metallschichtplatte befindet, die ihrerseits aus Schichten 8, 10 und 12 aus Chrom, Kupfer bzw. Gold besteht„

Unter Anwendung bekannter Maskier- und Ätzverfahren wird die Siliziumdioxidschicht 4 in eine Vielzahl dielektrischer

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Inseln 20 (Fig. 8) unterteilte Diese Inseln 20 und die freiliegende Oberfläche der Chromschicht 8 werden dann zunächst mit einer dünnen Chromschicht 22 und danach mit einer Kupferschicht 24 (Fig«, 9) bedeckte

Sodann wird auf die Kupferschicht 24 eine Photoresistschicht 28 gebracht, die durch bekannte Belichtungs- und Entwicklungsverfahren so behandelt wird, daß Teile der Kupferschicht 24 in der in Fig₀ 10 dargestellten Weise offengelegt werden.

Dickere Kupferschichten 30 werden sodann mittels Elektroplattieren auf die freiliegende Kupferschicht 24 (Fig_o 11) aufgebracht«, Die Kupferschichten 30 können z„B₀ eine Dicke von ungefähr 0,075 nun besitzen. Sie dienen zusätzlich zu ihrer Elektroden-Funktion auch als Wärmesenke. Die Kupfer— schichten 30 werden mit einer dünnen Schutzschicht 32 aus leitendem Metall, z.B„ Gold bedeckt«,

Die verbleibenden Teile der Photoresistschicht 28 werden mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt, und die Teile der ersten Kupferschicht 24, die durch Entfernen der Photoresistteile 28 freigelegt sind, sowie die Chromschichten 22 und 8, die sich unterhalb der freigelegten Kupferschicht 24 befinden, werden weggeätzt (Fig„ 12).

Der letzte Verfahrensschritt besteht darin, die Kondensatoren in getrennte Einheiten 34 und 36 zu teilen, was durch Ätzen oder Sägen durch den Teil der Kupferschicht 10 und Goldschicht 12 geschehen kann, der zwischen den einzelnen Kondensatoren liegt (Fig„ 13) ο Auf diese Weise können mehrere hundert derartiger Kondensatoren gleichzeitig aus einem einzigen Siliziumplättchen hergestellt werden«,

Wenn als Dielektrikum Siliziumnitrid verwendet wird, kann es mit Hilfe chemischer Dampfniederschlagsverfahren auf

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dem Siliziumsubstrat aufgebracht werden, indem z„B. eine Mischung aus Siliziumtetrachlorid und Ammoniak in einem Trägergas über das Substrat geführt werden und das Siliziumsubstrat auf ungefähr 1000⁰C erhitzt wird, oder indem eine Mischung aus Silan und Ammoniak über ein Siliziumsubstrat geführt wird, das auf ungefähr 800⁰C erhitzt ist. Wie bei der Verwendung von Siliziumdioxid werden aufeinanderfolgende Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold als Elektroden auf die Siliziumnitridschicht (Dielektrikum) aufgebracht. Siliziumnitrid kann durch Ätzen mit Plußsäure entfernt werden.

Wenn Aluminiumoxid als Dielektrikum verwendet wird, kann es mittels Sprühen und Verdichten bei erhöhten Temperaturen oder durch chemische Dampfniederschlagung aufgebracht werden, wobei im zuletzt genannten Fall z.B_e eine Pyrolyse von Aluminiumtriisopropoxid auf dem Siliziumsubstrat bei 450 C stattfindet„ Aluminiumoxid kann durch Ätzen mit konzentrierter Flußsäure entfernt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kondensatoren können Spannungen von mindestens 200 bis 250 Volt aushalten. Sie sind besonders wertvoll für Mikrowellenschaltungen, die Bauteile mit hohem Gütefaktor erfordern.

Die Verwendung eines Siliziumsubstrats hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da es in sehr hoher Reinheit zu erhalten ist und da seine Oberfläche sehr glatt und haftend aufbereitet werden kann, um dielektrische Filme, wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid niederzuschlagen. Wegen seiner hohen Reinheit besteht wesentlich geringere Gefahr, daß Verunreinigungen in den dielektrischen Film gelangen. Dünne Filme können daher mit einem hohen Grad an Perfektion aufgebracht werden, was dazu führt, daß die hergestellten Kondensatoren eine hohe Kapazität pro Flächeneinheit besitzen«,

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In der beschriebenen Weise hergestellte Siliziumdioxidkondensatoren besitzen eine Kapazitätsdichte bis zu 10 pF/cm . Demgegenüber haben mit bisher bekannten Verfahren hergestellte MOM-Siliziumdioxid—Kondensatoren durchweg

4 2 eine Kapazitätsdichte nur bis zu ungefähr 10 pF/cm .

Bei 2 GHz hatte ein erfindungsgemäß hergestellter, 50 Picofarad-Siliziumdioxid-MIM-Kondensator einen Widerstand von ungefähr 0,15 Ohm. Bei 1,4 GHz hatte ein 60 Picofarad-MOS-Kondensator einen Widerstand von ungefähr 1,2 0hm. Es hat sich herausgestellt, daß die Verbesserung des Widerstandswertes, die mit der Erfindung durch Ersetzen des verlustreichen Siliziums eines MOS—Kondensators durch ein leitendes Metall, ζ_βΒ_β Chrom, Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium zu einer Widerstandsreduzierung um einen Faktor von ungefähr 10 führt.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York« N₀Yo 10020 (V₀St₀A.)

Patentansprüche;

Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, bestehend aus zwei voneinander durch ein Dielektrikum getrennten Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Siliziumsubstrat eine Schicht Dielektrikum thermisch niedergeschlagen oder aufgewachsen wird, daß eine erste Elektrode auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht aufgebracht wird, daß das Siliziumsubstrat danach entfernt wird, so daß die dielektrische Schicht freigelegt wird, und daß schließlich eine zweite Elektrode auf der freigelegten dielektrischen Schicht aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Dielektrikum aus thermisch aufgewachsenem Siliziumdioxid besteht«,
ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum Siliziumnitrid ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Dielektrikum Aluminiumoxid ist.

5ο Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Siliziumsubstrat eine Vielzahl von Kondensatoren hergestellt wird.

6ο Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Dielektrikum auf der ersten

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Elektrode in Inseln getrennt wird, daß eine Schicht eines leitenden Metalls auf den dielektrischen Inseln und der ersten Elektrode angeordnet wird, daß diese Metallschicht mit einem Photoresist überzogen wird, der derart belichtet und entwickelt wird, daß nur Teile der Oberfläche der Metallschicht freigelegt werden, die sich auf den dielektrischen Inseln befinden, daß die freigelegte Metallschicht mit einer zweiten Schicht aus leitendem Material bedeckt wird, daß die zweite Metallschicht sodann mit einer Schutzschicht aus einem leitenden Metall überzogen wird, daß das verbleibende Photoresistmaterial entfernt und schließlich die erste Metallschicht, die sich direkt unter dem genannten zunächst verbliebenen Photoresist befand, weggeätzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kondensatoren voneinander getrennt werden.
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