DE2356419B2

DE2356419B2 - Verfahren zum Herstellen von Widerstandsschichten aus Aluminium-Tantal-Legierungen durch Kathodenzerstäubung

Info

Publication number: DE2356419B2
Application number: DE2356419A
Authority: DE
Inventors: Helmold Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Kausche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1973-11-12
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2356419A1; DE2356419C3

Description

20

Die Erfindung betrifft gemäß der älteren DE-PS 22 53 490 ein Verfahren zum Herstellen von Widerstandsschichten aus Aluminium-Tantal-Legierungen für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und Kondensatoren, die durch Kathodenzerstäubung auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht werden und einen Anteil von 2 bis 20 Atom-% Tantal im Aluminium enthalten.

Diese Schichten besitzen einen typischen spezifischen Widerstand zwischen 60 und 200μΩαη und einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TKR) zwischen + !00 und -lOOppm/K. Ein besonderes Merkmal dieser Schichten ist ihre bisher unerreichte Stabilität bei hohen Temperaturen. Während praktisch alle zuvor in der Dünnschichttechnik verwendeten Widerstands- und Kondensatorschichten bei einer Lagerung in Luft zwischen 400° und 500° C innerhalb weniger Minuten vollständig durchoxidiert werden, -to bildet sich bei in dem älteren Patent beschriebenen Schichten selbst nach mehreren Stunden noch keine sichtbare Oxidschicht. Erst bei sehr langer Heißlagerung tritt eine geringe Drift auf, die je nach Schichtdicke auf Rekristallisationsvorgänge mit Widerstandserniedrigung oder Oxidationsvorgänge mit Widerstandserhöhung zurückzuführen ist.

Aus der DE-AS IS 25 194 ist ein stabiler Metallschichtwiderstand bekannt, dessen Widerstandsschicht aus einer Tantal-Aluminium-Legierung besteht, die 40 so bis 75 Atomprozent Tantal enthält

Die DE-OS 22 62 022 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TKR) von Aluminium-Tantal-Schichten mit 40 bis 75 Atom-% Tantal im Aluminium, wobei diese Schicht bei 650 bis 900° C in einer Atmosphäre mit einem O2-Partialdruck von maximal 1,33 · 10~³ Pa getempert wird.

Die DE-OS 22 17 775 betrifft eine Aluminium-Tantal-Schicht mit 25 bis 75 Atom-% Tantal, wobei der Widerstand dieser Schicht ohne wesentliche Änderung des TKR durch den Einbau von O₂- oder N₂-lonen durch Ionenimplantation und Temperung bei 500 bis 700° C erhöht wird. Die hierbei vorgenommene Temperung dient ausschließlich zur Behebung von Strahlungsschä- M den und zur gleichmäßigen Verteilung der implantierten Ionen über die Schichtdicke.

Die DE-OS 21 27 130 beschreibt eine Ta₂N-Schicht

mit positiv einstellbarem TKR, wobei diese Schicht durch Zerstäuben von Tantal in N₂-haltiger, jedoch sauerstofffreier Atmosphäre hergestellt und die Schicht durch anschließenden Einbau von Sauerstoff dotiert wird. Die Dotierung erfolgt durch Tempern bei 150 bis 250° C in einer Sauerstoff atmosphäre, durch Ionenbeschuß mit Sauerstoff oder durch anodische Behandlung und anschließendes Tempern der Schicht im Vakuum.

Die DE-AS 19 53 070 beschreibt schließlich die Herstellung einer Tantaloxinitridschicht mit negativem TKR und einem spezifischen Widerstand zwischen 300 und 1500 · ΙΟ-⁶ Ohm ■ cm, bei deren Herstellung eine Temperung bei Temperaturen zwischen 200 und 300° C erfolgt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen derartiger Schichten anzugeben, die eine noch verbesserte Stabilität zeigen und das außerdem in weiten Grenzen das Einstellen des TKR und/oder des Flächenwiderstandes erlaubt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schichten in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von Stickstoff, Sauerstoff oder Stickstoff/Sauerstoff zwischen 10-' und 10-² Pa reaktiv aufgestäubt werden, wobei zur Einstellung des TKR oder des Flächenwiderstandes jeweils ein bestimmter Partialdruck gewählt und jeweils die andere Größe durch Tempern im Bereich zwi&chen etwa 400 und 550° C eingestellt wird.

Bei diesem Verfahren ergibt sich über einen weiten Bereich des Partialdruckes nur eine relativ geringe Abhängigkeit des TKR. Es ist daher möglich, den Fremdgaseinbau auf maximale Schichtstabilität oder auf einen gewünschten spezifischen Widerstand zu optimieren, ohne daß dabei der TKR wesentlich geändert wird. Erst bei einem großen Anteil reaktiver Gase ändert sich der TKR, und zwar in Richtung auf negative Werte.

Vorzugsweise werden die Schichten bei ca. 400⁰C im Anschluß an den Herstellungsprozeß getempert. Bei Schichten, in die ein kleiner Anteil von reinem Sauerstoff oder reinem Stickstoff eingebaut wurde, ergibt sich dabei eine Erhöhung des TKR zu positiven Werten, während der Widerstand etwa gleich bleibt. Bei Schichten, in die ein relativ großer Anteil an reinem Sauerstoff oder reinem Stickstoff eingebaut wurde, erniedrigt sich der TKR in Richtung auf negative Werte, während der Widerstand ansteigt. Die Grenze zwischen den beiden Bereichen, d. h., der Punkt, an dem trotz mehrstündiger Temperung bei 400° C weder eine Veränderung des TKR noch des Widerstandes eintritt, liegt bei einem Partialdruck der reaktiven Gase von 3 · 10-² Pa, wenn die Metallegierung 6,5 Atom-% Tantal im Aluminium enthält. Für andere Legierungszusammensetzungen der Metalle ergeben sich vergleichbare Werte.

Verwendet man ein Gemisch von Stickstoff und Sauerstoff, beispielsweise Luft, als reaktives Gas, so ergeben sich ähnliche Verhältnisse. Bei kleinen Werten des Partialdruckes der reaktiven Gase steigt der TKR geringfügig an, während er bei großen Werten kleiner wird. Der Punkt, bei dem keine Änderung des TKR auftritt, liegt bei ca. 2,6 · 10~² Pa. Der Widerstand nimmt bei geringem Fremdgaseinbau geringfügig ab, bei höherem Fremdgaseinbau nimmt er zu. Der Punkt, an dem trotz Temperung keine Widerstandsänderung auftritt, liegt bei etwa 4 · 10~² Pa. Bei Verwendung von Luft als reaktivem Gas liegen somit die Punkte, bei denen trotz Temperung bei 400° C nach mehreren Stunden keine TKR-Änderung bzw. keine Änderung

des spezifischen Widerstands auftreten, nicht an derselben Stelle.

Vorzugsweise können die Schichten auch bei ca. 550° C getempert werden. Durch ein? derartige Temperung steigt bei Metallschichten mit hohem Gaseinbau der Widerstand weiter an. im Gegensatz zu einer Temperung bei 400° C nimmt der TKR nicht weiter ab, sondern er steigt über den Ausgangswert an, in Richtung auf positivere Werte.

Zwischen 400° C und 550° C existiert demnach eine bestimmte Temperatur, bei der sich der TKR gegenüber dem Ausgangswert nicht verändert, wohl aber der Widerstand. Bei einer unterhalb dieser Temperatur liegenden Temperungstemperatur erniedrigt sich der TKR, bei einer oberhalb der Temperatur liegenden Temperatur erhöht er sich. Auf diese Weise gelingt es also, durch eine Wärmebehandlung den Widerstand und den TKR von AI-Ta-Legierungsschichten mit 2 bis 20 AtOm-¹Vb Tantal im Aluminium unabhängig voneinander einzustellen.

Anhand der Zeichnung sollen einige Meßergebnisse, die bei der Untersuchung erfindungsgemäß hergestellter und behandelter Schichten erhalten wurden, erläutert werden.

F i g. 1 zeigt für verschiedene Zusammensetzungen der Metalle (6,5 Atom-% Ta, 8 Atom-% Ta, 12 Atom-% Ta) die Abhängigkeit des TKR, gemessen in ppm/K, vom Stickstoff-Partialdruck /fo in der Zerstäubungsatmosphäre.

Man erkennt, daß mit wachsendem Tantalgehalt in so der Legierung der TKR von positiven Werten sich zu negativen Werten verändert. Mit zunehmendem Stickstoffeinbau bleibt der TKR zunächst etwa gleich, um bei höherem Gaseinbau sich nach negativen Werten zu verändern. Die Versuche haben ergeben, daß bei Verwendung von reinem Sauerstoff als reaktivem Gas sich ähnliche Kurven ergeben.

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit des TKR, gemessen in ppm/K und des Flächen-Widerstandes RF, gemessen in Ω, vom Stickstoffpartialdruck Pn2, gemessen in Pa, in der Zerstäubungsatmosphäre, und zwar für eine Legierung mit 6,5 Atom-% Ta. Die Kurve 11 zeigt die Abhängigkeit des TKR einer Schicht ohne Vorbehandlung, die Kurve 12 die Meßwerte nach einer 16stündigen Temperung bei 400° C. Die Kurve 21 zeigt den Widerstand ohne Vorbehandlung, die Kurve 22 zeigt die Meßwerte nach der löstündigen Temperung bei 400° C. Man erkennt, daß der TKR entsprechend der Kurve 11, und der Widerstand entsprechend der Kurve 21, sich über einen weiten Bereich des Stickstoffeinbaues praktisch nicht ändern. Bei rund 3 · 10~² Pa zeigt sich nach der Temperung weder eine Änderung im TKR, noch im spezifischen Widerstand. Dieser besonders stabile Punkt erscheint im System Aluminium-Tantal-Stickstoff auch bei anderen Legierungszusammensetzungen im erfindungsgemäßen Bereich, so daß TKR und spezifischer Widerstand aufeinander abgestimmt werden können. Außer der Zusammensetzung spielt auch die Schichtdicke eine gewisse Rolle. Eine Legierung, die mit einer diesem besonders stabilen Punkt entsprechen- t>o den Zusammensetzung hergestellt wird, eignet sich besonders für hochbelastbare stabile Schichtwiderstände.

F i g. 3 zeigt das Verhalten von Al-Ta-Schichten mit 6,5 Atom-% Tantal, wenn Luft als reaktives Gas ·>> verwendet wird. Die Kurve 31 zeigt die Abhängigkeit des TKR vom Partialdruck der Luft in der Zerstäubungsatmosphäre ohne Vorbehandlung der Schichten. Die Kurve 32 zeigt die Abhängigkeit des TKR nach einer 16stündigen Temperung bei 400° C, während die Kurve 33 die Meßwerte nach einer dreistündigen Temperatung bei 550° C wiedergibt Man erkennt, daß bei hohen, oberhalb etwa 2,6 · 10~² Pa liegenden Luftanteilen in der Zerstäubungsatmosphäre der TKR der Schichten durch eine Temperung bei 400° C gesenkt wird, während er durch eine Temperung bei 5M)°C erhöht wird.

Keine Besonderheiten zeigt demgegenüber der Widerstand RF. Die Kurve 41 zeigt die Meßwerte ohne Vorbehandlung. Bis zu einem Partialdruck der Luft im Zerstäubungsgas von etwa 4 ■ 10~² Pa bleibt der Widerstand zunächst praktisch gleich, um bei höheren Luftanteilen anzusteigen. Die Kurve 42 zeigt die Meßwerte nach einer 16stündigen Temperung bei 400°G Bei kleinen, unterhalb von etwa 4 · JO-² Pa liegenden Partialdrücken der Luft in der Zerstäubungsatmosphäre nimmt der Widerstand geringfügig ab, oberhalb des genannten Wertes nimmt er zu. Die Kurve 43 zeigt die Meßwerte nach einer dreistündigen Temperung bei 550° C; hier nimmt der Widerstand bei hohen Fremdgasanteilen weiter zu.

Wählt man beispielsweise eine Legierung mit einem Fremdgasanteil entsprechend einem Partialdruck von etwa 4 · 10~² Pa, so kann man durch geeignete Tempertemperaturen den TKR gegenüber dem der Ausgangsschicht erniedrigen (durch Tempern bei 400° C) oder erhöhen (durch Tempern bei 550° C), ohne daß sich der Widerstand der Schicht ändert Wählt man eine Legierung mit einem Fremdgasgehalt entsprechend etwa 2,6 · 10~² Pa in der Zerstäubungsgasatmosphäre, so kann man den Widerstand durch eine geeignete Temperbehandlung einstellen, ohne daß sich der TKR verändert

Für die Fertigung verschiedener Widerstandstypen in einer einzigen Anlage innerhalb kurzer Zeit kann die erfindungsgemäße Möglichkeit zur Steuerung des TKR und des Widerstandes durch eine Umstellung der Gaseinlaßrate und/oder durch eine nachfolgende Temperbehandlung vorgenommen werden, ohne daß die Anlage geöffnet werden muß. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet zur Metallisierung von Widerstandselementen im sogenannten Schüttgutverfahren.

Besonders geeignet ist der Abgleich der Widerstands·· elemente durch eine Temperung mittels Belastung; durch Stromimpulse. Hierzu wird zuerst durch geeignetes Tempern der TKR auf den Sollwert gebracht, z. B. durch eine Temperung bei 400° C zur TKR-Verringerung oder durch eine Temperung bei 550° C zur TKR-Erhöhung. Anschließend wird bei einer dazwischenliegenden Temperatur, bei der keine TKR-Veränderung eintritt wohl aber eine Widerstandserhöhung, der Widerstand von einem unter dem Sollwert liegenden Ausgangswert auf Sollwert gebracht Die Registrierung von Widerstandswert und TKR erfolgt zwischen den Temperimpulsen bzw. bei Verwendung von Einheitsimpulsen durch die Messung von Strom und Spannung während der Impulsdauer. Mit den gemessenen Daten kann der Abgleichvorgang automatisch gesteuert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen von Widerstandsschichten aus Aluminium-Tantal-Legierungen für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und Kondensatoren, die durch Kathodenzerstäubung auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht werden und einen Anteil von 2 bis 20 Atom-% Tantal im Aluminium enthalten, dadurch ge- ι ο kennzeichnet, daß sie in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von Stickstoff, Sauerstoff oder Stickstoff/Sauerstoff zwischen 10-' und 10-² Pa reaktiv aufgestäubt werden, wobei zur Einstellung des TKR oder des Flächenwiderstandes jeweils ein bestimmter Partialdruck gewählt und jeweils die andere Größe durch Tempern im Bereich zwischen etwa 400° C und 550° C eingestellt wird.