Способ изготовления тонкопленочного конденсатора

 

Изобретение относится к технологии электронной техники и может быть использовано в производстве тонкопленочных гибридных интегральных схем при изготовлении тонкопленочных конденсаторов . Цель изобретения - повышение напряжения пробоя и увеличение влагостойкости. На диэлектрическую подложку, например ситалловую, вакуумным термическим испарением при давлении 2,66·10^-4 Па и температуре подложки 250°C со скоростью 0,2 мкм/с наносится нижняя алюминиевая пленочная обкладка конденсатора, например, толщиной 0,5 мкм. Диэлектрический слой оксида алюминия формируется анодированием обкладки, например, в 0,5%-ном растворе винной кислоты в смеси воды и этиленгликоля 1 : 1. Толщина слоя 0,17-0,19 мкм. После анодирования обрабатывается слой оксида алюминия излучением лазера с длиной волны 1,06 мкм в режиме свободной генерации с плотностью энергии (1,5 - 35)·10⁴ Дж/м². На поверхность диэлектрического слоя наносится алюминиевая пленочная верхняя обкладка. Поглощение лазерного излучения, отраженного от поверхности электрода в области трещин диэлектрического слоя, обеспечивает разогрев и залечивание трещин, 1 табл.

Изобретение относится к технологии элементов радиоэлектронной техники и может быть использовано в производстве тонкопленочных гибридных интегральных микросхем, в частности, при изготовлении тонкопленочных конденсаторов со структурой диэлектрик Аl Al₂O₃) металл. Целью изобретения является повышение пробивного напряжения тонкопленочных конденсаторов, устранение эффекта полярности и повышение устойчивости к воздействию влаги за счет улучшения структуры переходного слоя системы Аl - Аl₂O₃. Пленки Аl₂O₃ легко кристаллизуются по сравнению с другими пленками, поэтому их электрические характеристики являются весьма критичными к различным воздействиям, в том числе и лазерному. Кристаллизация и ухудшение электрических свойств пленок Al₂O₃, при импульсном лазерном воздействии в существенной степени зависят от длины волны используемого лазера. Пороги пробоя пленок Аl₂O₃, при лазерном воздействии существенно снижаются при уменьшении длины волны используемого лазера в диапазоне 1,06; 0,69; 0,53; 0,35 и 0,26 мкм. Проведены эксперименты по облучению пленок Аl₂O₃ импульсами рубинового лазера λ=0,69 мкм, t_п=1,2 мс). Уже при плотности энергии в импульсе лазерного излучения 0,410 Дж/м² после лазерного облучения на пленке остается след в виде матового пятна, а эффект увеличения электрической прочности не достигается. При изменении длины волны от 1,06 до 0,27 мкм зона повреждения видоизменяется, превращаясь из области, занятой крупными изолированными ямками, в участок с более равномерными признаками повреждения. При использовании технологических лазеров нa λ=10,6 мкм вследствие большой мощности излучения и значительного поглощения в пленке наблюдается перегрев конденсаторных структур (выше 100-150^oC), который недопустим. Таким образом, при работе с системой Аl Аl₂O₃ для исключения процессов кристаллизации объема пленок и перегрева может быть использовано только лазерное излучение на длине волны 1,06 мкм. Для лазеров на стекле с неодимом (l= 1,06 мкм) используются два режима работы: режим свободной генерации (миллисекундные импульсы, t_п=0,8·10^-4с) и режим модулированной добротности (наносекундные импульсы, τ_п составляет десятки нс). В режиме модулированной добротности мощность излучения составляет 0,5x x10¹¹ Вт/м², в то время как для режима свободной генерации- около 10⁷ Вт/м². Большие мощности излучения в режиме модулированной добротности приводят к сильным термоударам в системе Аl Al₂O₃, перегреву и уменьшению пробивных напряжений. Аналогичные соображения могут быть приведены для лазеров на иттрий-алюминиевом гранате (λ=1,06 мкм). Из-за микротрещин в переходном слое системы Аl Аl₂O₃, слой оксида алюминия, прилегающий к пленке алюминия, представляет собой диэлектрик с распределенными в нем микронеоднородностями. Лазерное излучение отражается от алюминиевой металлизации и повторно поглощается на микронеоднородностях в слое оксида. В результате поглощения лазерного излучения на микронеоднородностях и их нагрева происходит залечивание микротрещин в слое оконца алюминия, прилегающем к нижнему металлическому электроду. Благодаря этому плотности энергии в импульсах лазерного излучения (1,5 3,5) · 10⁴Дж/м² достаточны для устранения микротрещин в переходном слое системы Аl Аl₂O₃. При этом система диэлектрик -Аl - Al₂O₃ не испытывает термоударов, приводящих к возникновению внутренних механических напряжений. Вследствие устранения микротрещин не происходит образование микроэмиттеров, размер которых значительно превышает размер микроэмиттеров на напыленной верхней обкладке, и в целом улучшается микрорельеф со стороны нижней обкладки. В результате происходит возрастание пробивного напряжения ТПК Аl Аl₂O₃ металл и устранение эффекта полярности. Благодаря повышению однородности слоя оконца алюминия, прилегающего к нижней обкладке конденсатора, повышается устойчивость ТПК к воздействию влаги. Плотности энергии в импульсе лазерного излучения меньше 1,5·10⁴Дж/м² недостаточны для устранения микротрещин и значительного увеличения пробивного напряжения при устранении эффекта полярности, а при плотностях энергии больше 3,5·10⁴Дж/м² пробивное напряжение ТПК снижается из-за появления внутренних механических напряжений, приводящих к трещинообразованию в слое оконца, прилегающем к нижней обкладке ТПК, и отслаиванию оконца от подложки. Пример 1. Изготовлены тонкопленочные конденсаторы на ситалловой подложке. На ситалловые подложки толщиной 1 мм, подвергнутые химической очистке, методом вакуумного термического испарения напыляют пленки алюминия. Используют установку УВН-71П-3 с безмасляной системой откачки, вакуум составляет 2·10^-6мм рт.ст. Напыление проводят при температуре подложки 250^oС. Время напыления 4 с, скорость напыления 2000 . Толщина напыленных пленок алюминия 0,5-0,6 мкм. В качестве формовочного электролита используют 0,5%-ный раствор винной кислоты в смеси воды и этиленгликоля (1:1 по объему). Анодированне проводят при 7^oС и интенсивном перемешивании электролита в комбинированном электрическом режиме: вначале линейный рост потенциала формовки, а затем при достигнутом постоянном напряжении окисление проводят до тех пор, пока плотность тока не достигнет 3 мкА/см². После завершения формовки образцы промывают в деионизованной воде с последующей сушкой в парах этилового спирта. Toлщина оксидных пленок Аl₂O₃ 0,17 0,19 мкм. Затем образцы ситалл Аl Al₂O₃ подвергают лазерной обработке, лазерное облучение осуществляют со стороны оксида алюминия с помощью квантового генератора ГОС-301 на длине волны 1,06 мкм в режиме свободной генерации. Длительность импульсов лазерного излучения 8х10^-4, плотность энергии в импульсе изменяется с 0,2х10⁴ до 5х10⁴ Дж/м₂, диаметр луча 15 мм. После лазерной обработки на оксид алюминия напыляют второй алюминиевый или никелевый электрод, завершая формирование структуры ТПК. Температура подложки во время осаждения второго электрода не превышает 100^oC. Измерения пробивных напряжений ТПК проводят до методике, обеспечивающей неразрушающий режим, с помощью шумовых характеристик. После выдержки в деионизованной воде в течение 4 ч пробивное напряжение ТПК, подвергнутых лазерной обработке, уменьшается в 2 раза, а для необлученных образцов в 8-10 раз. Пример 2. Изготовление конденсаторов проводят аналогично примеру 1 с изменением режима анодирования. Анодирование проводят в гальваностатическом режиме при комнатной температуре и плотности тока 0,3 мА/см². При этом в качестве формовочного электролита используют 1% -ный водный раствор винной кислоты. Последующая лазерная обработка пленок Аl₂O₃ ведется в тех же режимах. Пример 3. Лазерной обработке, аналогичной описанной в примере 1, подвергают конденсаторы, изготовленные согласно известному способу. Зависимость пробивного напряжения конденсаторов от плотности энергии лазерной обработки для трех примеров приведена в таблице. Как видно из таблицы, во всех случаях обработка системы подложка Аl - Al₂O₃, миллисекундными импульсами неодимового лазера на длине волны 1,06 мкм с плотностью энергии в импульсе в интервале (1,5-3,5)x10⁴ Дж/м² обеспечивает увеличение пробивного напряжения ТПК в 1,5-8 раз (в зависимости от полярности приложенного напряжения). За пределами этого интервала наблюдается сравнительно небольшое увеличение пробивного напряжения. Т.к. после выдержки во влажной атмосфере пробивное напряжение облученных ТПК уменьшается в 1,5 и более раз, то только в указанном диапазоне плотностей энергии обеспечиваются повышенные значения пробивных напряжений. ТПК, подвергнутые лазерной обработке в интервале плотностей энергии (1,5 3,5)·10⁴Дж/м², являются более влагостойкими по сравнению с необлученными.

Формула изобретения

Способ изготовления тонкопленочного конденсатора, включающий формирование нижней обкладки путем нанесения пленки алюминия на диэлетрическую подложку, формирования слоя оксида алюминия анодированием нижней обкладки и нанесение верхней обкладки, отличающийся тем, что, с целью повышения напряжения пробоя и повышения влагостойкости, после анодирования проводят совместную обработку сформированного слоя оксида алюминия, пленки алюминия и диэлектрической подложки со стороны оксида алюминия излучением лазера с длиной волны 1,06 мкм в режиме свободной генерации с плотностью энергии (1,5-3,5)·10⁴Дж/м².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---