Способ изготовления тонкопленочного конденсатора

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА, включающий последовательное нанесение на диэлектрическую подложку нижнего электрода, основного диэлектрика, верхнего электрода , проведение электрической тренировки и нанесение защитного диэлектS G рика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности номинала конденсатора путем компенсации уменьшения погрешности емкости,.после тренировки на защитный диэлектрик наносят пленку металла, электрически соединенную с верхним электродом, а в качестве защитного диэлектрика используют материал, диэлектрическая npoHHnaeMoctb которого связана с диэлектрической проницаемостью основного диэлектрика следующим соотношением: ll ll EZ 2 g где диэлектрическая проницаемость защитного диэлектрика; 1, диэлектрическая проницаемость основного диэлектрика; d - толщина защитного диэлектри§ ка; d- - толщина основного диэлектрика. О U ел СО 01 Фи.1

00103 СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИК 151) Н 01 G 4/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. где Е

d

CO вВ .

Ю

CO

Сл

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КомитЕт ССОР

ГО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3545032/18-21 (22) 01.02.83 (46) 23.07.84. Бюл. У 27 (72) 3.Ю. Готра и Ю.Т. Лозинский (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола (53) 621.319.4(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Я- 288153, кл. Н 01 С 13/00, 1968;

2. Карасев В,И. и др. Некоторые технические приложения особенностей пробоя структур металл - диэлектрик— металл. — "Электронная техника", сер. III, 1972, вып. 2, с. 16-21. (54) (57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА, включающий последовательное нанесение на диэлектрическую подложку нижнего электрода, основного диэлектрика, верхнего электрода, проведение электрической трени.ровки и нанесение защитного диэлект,„SU„„ l l 04595. А рика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности номинала конденсатора путем компенсации уменьшения погрешности емкости, после тренировки на защитный диэлектрик наносят пленку металла, электрически соединенную с верхним электродом, а в качестве защитного диэлектрика используют материал, диэлектрическая проницаемость которого связана с диэлектрической проницаемостью основного диэлектрика следующим соотношением:

Е„d г ог диэлектрическая проницаемость 3 защитного диэлектрика; диэлектрическая проницаемость основного диэлектрика; толщина защитного диэлектрика; И толщина основного диэлектрика.

595 где Е„d

1 ч dq 1 1г

1104

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть исполь I зовано при изготовлении гидридных интегральных микросхем.

Известен способ изготовления тонкопленочного конденсатора, включающий нанесение на диэлектрическую подложку нижнего электрода, основного диэлектрика и верхнего электрода (1 )..

Однако при подгонке конденсатора

10 происходит значительное изменение его емкости за счет изменения площади верхней обкладки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является . способ изготовления тонкопленочного конденсатора, включающий последова" тельное нанесение на диэлектрическую подложку нижнего электрода, основного диэлектрика, верхнего электрода, проведение электрической тренировки для увеличения электрической прочности конденсатора и нанесение защитного диэлектрика (2 1..

Однако при этом вследствие значительного (1000) числа частичных лроббев NgM-структуры тонкопленочного конденсатора происходят уменьшение емкости за счет испарения верхней обкладки в местах частичных пробоев.

Величина изменений емкости может

30 достигать значений 12-15Х от исходного номинала конденсатора, что превышает допуск.

Цель изобретения — компенсация уменьшения емкости тонкопленочного конденсатора, происходящего вследствие электрической тренировки.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления тонкопленочного конденсатора, включающему последовательное нанесение на диэлектрическую подложку нижнего электрода, основного диэлектрика, верхнего электрода, проведение электрической тренировки и нанесение защитного диэлектрика, на защитный диэлектрик наносят пленку металла, электрически соединенную с верхним электродом, а в качестве защитного диэлектрика используют материал, диэлектрическая проницаемость которого связана с диэлектрической проницаемостью основного диэлектрика следующим соотношением: 55

2 диэлектрическая проница) емость защитного диэлектрика; диэлектрическая проницаемость основного диэлектрика; толщина защитного диэлектрика..; толщина основного диэлектрика.

На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая данный способ; на фиг.2— тонкопленочный конденсатор в виде

° его электрической модели; на фиг. 3—

NQM-структура; на фиг, 4 — конденсатор, полученный после напыления защитного диэлектрика и пленки металла; на фиг. 5 — уравнение прямой в координатах йС и К.

На диэлектрическую подложку 1 напыляют нижний электрод 2 тонкопленочного конденсатора, основной диэлектрик 3, верхний электрод 4 конденсатора. После этого производят электрическую тренировку приложением напряжения к электродам конденсатора, вследствие которой происходит испарение отдельных участков верхнего электрода и расположенного под ними диэлектрика. Испарение происходит в местах 5 дефектов NQM-структуры. Далее налыляют защитный диэлектрик 6 и пленку металла 7, соединяя ее электрически с верхним электродом.

Целесообразно аналитически оценить возможности предлагаемого способа с точки зрения обеспечения требуемой точности компенсации уменьшения емкости тонкопленочных конденсаторов после их тренировки.

Для удобства представим тонкопленочный конденсатор (ТПК) в виде его электрической модели — плоского конденсатора с площадью перекрытия обкладок S,,толщиной диэлектрика d,, диэлектрической постоянной Р„(фиг. 2).

В процессе электрической тренировки, как было сказано, происходит взрывообразное испарение части верхнего электрода ТПК и диэлектрика, расположенного под ней (д S — общее уменьшение площади перекрытия).

Если провести напыление защитного диэлектрика и пленки металла, соединенной с верхним электродом ТПК, то исходный конденсатор примет следующий вид: два параллельно соединенных ТПК (С1 и С ).

1104595 (ЬС = ЬБ(К-1) (6),3

Используя выражение для емкости плоского конденсатора, можно записать

С, 0,0885 †(1)

С 0,0885

2 . С 0,085

Изменение емкости по отношению 10 к исходному или расчетному может быть представлено как

"- (c1+ 2) СО (2) После подстановки (1) в (2) полу13 чим

Задаваясь различными значениями

Ь S и К, можно обеспечить изменение

Ь С в достаточно широком диапазоне значений, от положительных до отрицательных по отношению к исходному.

Причем всякое отношение Е,, Я, d „, d, при котором К = 1, позволяет свести ЬС к нулю. ь

Выражение (6) представляет собой уравнение прямой в координатах ЬС и К; представлена зависимость К =

= f (Ь С) для различных Ь S.

ЬС 0,0885 d S(— - —.-) (3)

Fz Ь

Е„д„

При расчетах намного удобнее поль- 20 зоваться не абсолютными значениями отклонений ьЯ и hC, а их значениями, выраженными в процентном отношении . к исходным величинам, поэтому выражение (3) может быть приведено к виду

С Ь8(Ег 1г- E id ) (4)

Е„!1, или ЬС = ЬБ(— ° — - — 1) (5)

Ег d

Е1 di

3О

Обозначив через К дробь

Е1 Д2 получаем окончательное выражение для

ЛС

Основным условием, при котором

ЬС равно нулю, есть г dg

Задавая d,,Е,, Е, можно определить d, необходимый для получения

ЬС = О. При этом можно использовать табл. 1 соотношений Е /Е„ для различных диэлектрических материалов, что позволяет определить 1> по известному d „, и выбранному E /f

Табл. 1 содержит соотношения Еg/E для основных, используемых в технологии гидридных интегральных схем, групп диэлектрических материалов.

1104595

1 1

1 l ! ф I сп 1

1-=Ч ! en l

I Рч 1 !

Л! ! о!

I VI ! «4 1

I 1

I l

<ч I

1 о! и

1 СЛ I ! — -!

1 ge> I

1 Р I о о о л ° о

1ГЪ л л о

° — СЧ

СЧ л л съ ь л

СЪ ь л сСЪ л л Г1 ь ф

CO л о

ОЪ

С"Ъ о 0 л о ь

СЧ

СЧ

ОЪ М л л о о

СЪ а о о л

СЧ

I/Ú л ь

ССЪ л о л о

00 о л л о о л л

° а СЧ л

СЧ л о

И СЪ л л л о о

СЧ л о

СЪ О л о л

О л ь о м

СЧ м л л о.о О

Ф л о а о

A о о л сч л л о о

CV л

СЧ .

41 л ь

СЧ и и л л л О С"Ъ ч м л л

CV М

М О О лл о

00 л о б О

О ССЪ л л о

ul л л л о

С Ъ ф а л

СЧ С Ъ л ф л ь л ь м

М ф .б со C) л л о со О л л

СЧ о

СЧ

CV о

СЧ СЧ л М л л м о ь л

00 л

1ФЪ

СЧ л О О л о м

ССЪ л о л ф Ф» л л

° СЧ О о л л о м л о бГ\ ГЪ о

СЧ л

СЧ

О Ъ

СО л о

Э ж

Х

8 о х

1» о о

v л а с —, ф л л о о о О СЧ о о л о ф

СЧ л о

МЪ

О О л о о м л о ь

МЪ СЧ

CV л л о ь ф СО О О О а л л с» СЧ О л л о

СЧ иЪ л о л » л л о л л о

ССЪ л

СЧ

ОЪ

СЪ

CO СЧ

I

14 1

1 а, I!

» l!

4 I

Э I

1 и I

Д 1 о н

Сп о

° г! Ф сп х м! !

СЕ 1

Я 1 сп 1

Е 1

: и 1

I .!

1 сб I!

1-ч

1

1

1

1 Ф

1 О

1 и

1 Е а

1 й

1 х

1 Ж

1 14 о а

1 !4

1 (У

1 !

t(о о

I Ж

I л

О!

: !

1 с:! I

l!! о о м1

Ж!! — 4

I I м!

1о!

N 1ГЪ

1 а3 I

СЧ! !

1 о

1 с!

1 ю.4 I

1 гч!! о!

1 лС 1 сп I! (. !

1 l

1 1! о!

M !

1 !

1 1

1 1

1 л! I

m Ъ eV сч О О О О а

СЧ СЧ Ч О. ca w . О сп сп Е Ф С-!, 1104595 равна 14. Произведем корректировку

Й по фиксированному значению

fqd 14 0,2

d - * = — =068íêì.

Kf 1,025 4

Таким же образом пожно производить расчет корректировки и для усло" вий ьС = О.

d MKM С nocJIe С после корректи- корректировки, пФ ровки, X

d, мкм С „с„, пФ бС после тренировки; пФ

AC после тренировЖ

0,6 5470

0,8

4890

0,36

5950

14,8

0,67 4930 0,72

1,22 2730 0,81

0,42

5320

4532

11,6

2990

2643

0,73

2510

6,7

1,27 2280

0,92

2340

0,91

3,48

1,56 1820

1940

0,96

2010

1,12

Полученные С = 0,72-0,96Х на поря- счет увеличения на 22 Е количест-, док меньше допуска на номинал емкос- ва ГИС, отвечающих эксплуатацион-.> ти, устанавливаемый для ГИС. .ным параметрам при этом себеЭкономический эффект от использо- б стоимость изделия снижается на вания изобретения обеспечивается за 20,2 >

Задавшись допустимым AC и измерив ЛЯ, можно выбрать как материал защитного диэлектрика, так и требуемую его толщину.

Следовательно, применяя предлага- 5 емый способ, можно практически полностью компенсировать уменьшение емкости, происходящее вследствие элекТрической тренировки ТПК.

Пример. ТПК на основе SiO

7 с толщиной диэлектрика (основного)

d = 0,2 мкм, площадью перекрытия алюминиевых обкладок 0,2х2 см (С„

710 пф) после тренировки имеет значение емкости С„- = 695 пФ. Это соответствует AS = 2Ж от исходного значения. Задавшись AC = 0,05Х, из фиг. 5 находим К = 1,025. Далее, из соображений обеспечения достаточной .электрической прочности принимаем

d2 = 3d„ или d = 0,6 мкм. После постановкй полученных значений получаем Е / Е = 3,075. Из табл. 1 определяем, что для SiO, использованного в качестве основного диэлектрика ТПК, можно для защитного диэлектрика применить Dy O, который наносится, например, высокочастотным ионно-плазменным распылением на установке ИПУ-6-5. Для Dy 0@ диэлектрическая постоянная б

Для сравнения с прототипом технических данных предлагаемого способа брати изготовлены 5х20 шт. ТПК с площадью перекрытия обкладок 0.25 см, SiO в качестве диэлектрика и толщиной с1, 0,36; 0,52; 0,13; 0,91;

1,12 мкм. После напыления верхней обкладки все они прошли электрическую тренировку для обеспечения рабочего напряжения 3 20 В. При этом за счет частичных пробоев происходило уменьшение емкости. Для компенсации этих изменений на установке ИПУ-6-5 производили допыпение DyqO толщиной d в соотношении 1,4 к d, далее напыляли вспомогательный электрод, соединяя его электрически с верхней обкладкой ТПК, В табл. 2 приведены данные измерения емкости ТПК на всех этапах: перед тренировкой, после тренировки и после компенсации.

Таблица 2

1104595

АS 3$ dS ок тп rr zeal%, -Лс Zpj7 7,Х 7д gpr

Заказ 5314/40 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель М. Щербакова

Редактор В. Петраш Техред C.Èèãóíîâà Корректор С. Черни