CH637167A5

CH637167A5 - Amorphe, tantal enthaltende metallschicht und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: CH637167A5
Application number: CH313978A
Authority: CH
Inventors: Guenther Menzel
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1983-07-15
Also published as: US4172718A; FR2389682A1; DE2719988C2; DE2719988A1; FR2389682B1; GB1588950A; JPS53137812A

Description

Die Erfindung betrifft eine amorphe, Tantal enthaltende Metallschicht, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Metalle und Metall-Legierungen in amorphem Zustand besitzen teilweise technisch interessante Eigenschaften, wie beispielsweise grosse magnetische Weichheit, hohen spezifischen elektrischen Widerstand und kleine oder sogar negative Werte für den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes [vgl. «Journ. of Chem. Physics», 48,6 (1968), 2560, «Phys. Rev.» B2 (1970), 1631]. Es wurde eine Reihe verschiedenartiger Methoden zur Herstellung derartiger amorpher Metalle entwickelt, die einerseits in der Stabilisierung des ungeordneten Zustandes flüssiger Metalle bzw. flüssiger Metall-Legierungen durch Abschrecken, andererseits in der Kondensation von Metalldämpfen auf gekühlten Substraten beruhen.

Das Prinzip der Abschreckung aus der Schmelze wird bei der «Splat-Cooling»-Technik angewendet. Diese Technik ist beispielsweise in der Literaturstelle «Trans. Met. Soc., AIME» 227 (1963), Seite 362ff. sowie in «Act. Met.» 15 (1967), Seite 1969 beschrieben worden. Die mit dieser Methode erzielbaren Schichtdicken für die amorphen Metallschichten betragen zwischen etwa 10 und 100 um. Gegenüber dieser Methode wird auch die «Vapor quenching»-Technik angewendet, bei der das Material der zu gewinnenden amorphen Metallschicht auf ein tiefgekühltes Substrat aufgestäubt oder aus der Dampfphase auskondensiert wird. Diese Methode gestattet die Erzielung auch von sehr geringen Schichtdicken < 1 um sowie eine sehr hohe Genauigkeit der Dicke der niedergeschlagenen Schichten. Die Abschreckgeschwindigkeit liegt in der Grössenordnung zwischen 106 bis 10s0 K/sec. Weiterhin können mit dieser Methode auch Legierungsschichten durch ein gleichzeitiges Niederschlagen mehrerer Komponenten auf dem gekühlten Substrat hergestellt werden. Die erzielten amorphen Dünnschichten können, sofern sie bei höheren Temperaturen Stabilität aufweisen, in der Dünnschichttechnik, z.B. für Dünnschichtwiderstände, verwendet werden. Solche amorphen Metallschichten, die auf stark gekühlten Substraten erzielt werden, gehen jedoch meist bei höheren Temperaturen, z.B. schon bei Zimmertemperatur, in einen kristallinen Zustand über. Um den amorphen Zustand solcher Schichten stabil zu halten, werden daher beim Herstellungsprozess im allgemeinen «Stabilisatoren», wie z.B. Si, P, S, B, Ge, Bi, zugesetzt. Durch solche Zusatzstoffe können aber die erstrebten und technisch interessanten Eigenschaften der amorphen Materialien in unerwünschter Weise verändert werden.

Bei der bisherigen Herstellung amorpher Metallschichten im Hochvakuum wurden die im Restgas vorhandenen Verunreinigungen Undefiniert in die Schichten miteingebaut. Die so eingebauten Verunreinigungen stabilisieren zwar den amorphen Zustand, verändern aber z.B. die elektrischen Eigenschaften und setzen die Reproduzierbarkeit der Herstellung von Schichten mit genau bestimmten Eigenschaften stark herab.

Demgemäss ist es Aufgabe der Erfindung, für eine wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene, Tantal enthaltende, amorphe Metallschicht eine Zusammensetzung anzugeben, mit der eine Stabilität dieser amorphen Schichten auch bei höheren Temperaturen, wie beispielsweise Zimmertemperatur, erreicht wird und die sich mit einer hohen Reproduzierbarkeit für ihre Eigenschaften, wie beispielsweise den spezifischen elektrischen Widerstand sowie den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, herstellen lässt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Herstellungsverfahren für diese amorphen, Tantal enthaltenden Metallschichten anzugeben.

Diese Aufgabe wird für eine wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene amorphe, Tantal enthaltende Metallschicht nach einer der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise gelöst.

Geeignete Verfahren zur Herstellung derartiger amorpher, Tantal enthaltender Metallschichten sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Verwendung von Nickel bzw. Kobalt als Zusatzstoff die niedergeschlagene amorphe Schicht nur aus metallischen Materialien besteht und dennoch bis etwa 350°C amorph bleibt. Erfolgt die Herstellung im Ultrahochvakuum, so werden keine Undefinierten Verunreinigungen in diese Schichten eingebaut, was die Reproduzierbarkeit der Schichten weiter erhöht. Bei der Verwendung von Stickstoff als Zusatzstoff verhält sich dieser inert. Die Verwendung von Stickstoff als Zusatzstoff hat weiter den Vorteil, dass bei der Herstellung einer solchen Schicht nur eine Verdampfungsquelle für das Tantal notwendig ist, da der Stickstoff beispielsweise durch ein Dosierventil als Gas zugeleitet werden kann. Durch Variation des Stickstoffpartialdruckes können die Eigenschaften der Schicht gezielt gesteuert werden. Zur Kühlung reicht dabei eine Kühlung mit flüssigem H2 oder N2 aus. Die Verwendung von Kobalt für die Zusammensetzung der Schicht ergibt eine amorphe Metallschicht, die bis 350°C stabil ist und einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zwischen —200 ppm/°K und +200 ppm/°K besitzt. Der spezifische Widerstand liegt zwischen 150 und 250 jiD cm.

Im folgenden wird die Erfindung beschrieben und anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch die zur Herstellung der erfin-dungsgemässen amorphen, Tantal enthaltenden Schicht verwendete Apparatur.

Als Beispiel diene die Herstellung einer Nickel enthaltenden amorphen Tantalschicht. In einem Rezipienten 1, der über einen Anschluss 2 mit einer Ultrahochvakuumpumpe verbunden ist, befinden sich zwei Verdampfungstiegel 3 bzw. 4, wobei sich in dem einen Tiegel zu verdampfendes Tantal 5 und in dem anderen Tiegel zu verdampfendes Nickel 6 befindet. Die Verdampfungstiegel 3 bzw. 4 werden beispielsweise elektrisch mittels Stromquellen 7 bzw. 8 beheizt. Statt dessen können auch Elektronenstrahlverdampfer eingesetzt werden. In dem Rezipienten 1 befindet sich weiter eine Kühlvorrichtung 9, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiger Wasserstoff oder flüssiger Stickstoff, hindurchgeleitet werden kann. Auf dieser Kühlvorrichtung 9 befindet sich das

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IS

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Substrat 10, auf dem die amorphe Schicht 11 niedergeschlagen wird. Das Substrat besteht beispielsweise aus Glas.

Als Ausgangsmaterial wird Tantal und Nickel des Reinheitsgrades 99,999% verwendet. Die Materialien werden in die Tiegel 3 bzw. 4 gebracht, im Ultrahochvakuum aufgeschmolzen und geglüht, so dass der Enddruck in der Anlage nach Ausheizen der gesamten Apparatur bei etwa 200°C einen Druck von 1.3.10 8Pa(= 1.10 '°Torr) erreicht hat.

Sodann werden die Verdampfungstiegel 3 und 4 aufgeheizt, so dass aus ihnen Tantal bzw. Nickel verdampft. Während dieser Verdampfung steigt der Druck in dem Rezipienten auf etwa 9.10 8 bis 8.10 7Pa an. Die Aufdampfrate am Substrat beträgt beispielsweise 0,2 nm pro sec; die*Ablagerung erfolgt solange, bis eine Schichtdicke von beispielsweise 45 bis 80 nm erreicht ist. Als Substratmaterial können neben Glas auch Quarz, AI2O3 oder BeO verwendet werden. Nach den im Zusammenhang mit der Erfindung vorgenommenen Untersuchungen werden in dem niedergeschlagenen Tantal bis etwa 8 Atom-% Nickel gelöst. Bei Schichten mit einem Nickelgehalt zwischen 8 und etwa 20 Atom-% bildet sich ein Phasengemisch aus a-Tantal und amorphem Tantal-Nickel. Aus diesem Grunde wird der Nickelanteil in der niedergeschlagenen Schicht zwischen 20 und 55 Atom-% gewählt. In diesem Bereich liegen die spezifischen elektrischen Widerstände solcher Schichten zwischen 130 und 320 u Ohm.cm. Die Temperaturkoeffizienten variieren zwischen etwa +500 und -300 ppm/°K. Derartige Schichten mit einem Nickelanteil zwischen 20 und 55 Atom-% bleiben bis etwa 300°C stabil. Danach zeigt sich eine geringfügige, irreversible Widerstandsabnahme, die bei 400°C ungefähr ein Zehntel des ursprünglichen Widerstandswertes beträgt, da diese Schichten bei dieser Temperatur in einen mikrokristallinen Zustand übergehen. Bei einem Nickelgehalt oberhalb von 55 5 Atom-% tritt in der niedergeschlagenen Schicht neben amorphem Tantal-Nickel auch ß-Tantal auf. Mit weiter steigendem Nickelgehalt kann die amorphe Phase verschwinden und ß-Tantal und Nickel nebeneinander auftreten.

Die Herstellung einer amorphen, Tantal enthaltenden Schicht mit einem Zusatz von Stickstoff erfolgt in entsprechender Weise, wobei über einen Gaseinlass 12 Stickstoff in den Rezipienten eingelassen wird. In diesem Fall entsteht als niedergeschlagene Schicht eine Tantalschicht mit eingelagertem Stickstoff. Derartige Schichten haben ebenfalls bis etwa 300°C ihren amorphen Zustand beibehalten. Bei der Abscheidung dieser Schicht wird in dem Rezipienten 1 ein Stickstoffpartialdruck von mehr als etwa 5.10"5Pa eingestellt. Das Substrat wird auf eine Temperatur von etwa — 160°C gebracht. Der spezifische elektrische Widerstand einer solchen Schicht beträgt z.B. bei einem N2-Partialdruck von 6.104Pa etwa 900 jiO cm. Die diesen N2-Partialdrücken entsprechenden Werte des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes betragen -750 ppm/°K bzw. —950ppm/°K.

Wird für die Zusammensetzung der Schicht Kobalt mit einem Anteil von z.B. 25 bis 30 Atom-% gewählt, so beträgt der spezifische elektrische Widerstand zwischen 150 und 180 jiQ cm, dessen Temperaturkoeffizient 0± 15 ppm/°K im Bereich von - 140CC bis +350°C.

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B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

637 167 PATENTANSPRÜCHE

1. Amorphe, Tantal enthaltende, mindestens bis 300°C temperaturstabile Metallschicht, bei der das Material dieser Schicht auf ein tiefgekühltes Substrat durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schicht neben Tantal entweder Nickel zwischen 20 und 55 Atom-% oder Kobalt zwischen 20 und 80 Atom-% oder in die Schicht eingelagerten Stickstoff enthält.

2. Verfahren zur Herstellung einer amorphen, Tantal enthaltenden Metallschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf Ultrahochvakuum evakuierbaren Gefäss zugleich mit dem Tantal auf das gekühlte Substrat Nickel oder Kobalt durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen oder Stickstoff auskondensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrates auf kleiner als —90°C gehalten wird.