DE2060476C2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- und Dünnschichtbauelementen - Google Patents

Description

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von mehrschichtigen magnetischen Dünnschichtbauelementen.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von mehrschichtigen, den Supraleitungseffekt ausnutzenden Dünnschichtbauelementen.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Dünnschichtbauelementen, die sowohl den Supraleitungs- als auch den Tunneleffekt ausnutzen.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 4 zur Herstellung von Dünnschichtbauelementen, deren Wirkungsweise auf dem Tunneln von Einzelpartikeln (normaler Tunneleffekt, Glaever'sches Tunneln) als auch auf dem Tunneln von Ladungsträgerpaaren (Josephson'sches Tunneln) beruht.

40

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Herstellung von Halbleiter- und Dünnschichtbauelementen werden häufig Verfahrensschritte ange- *5 wendet, die In einer zyklischen Wärmebehandlung des Materials bestehen. Ähnlichen zyklischen Erhitzungsbzw. Abkühlungsvorgängen sind Halbleiter- und Dünnschichtbauelemente häufig beim Betrieb ausgesetzt. Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Bauelementen, insbesondere bei mehrschichtigen Halbleiterbauelementen infolge von durch verschiedenartige Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Deckschicht entstehenden mechanischen Spannungen Defekte in den auf dem Substrat befindlichen dünnen Schichten auftreten. Ein Ausgleich dieser mechanischen Spannungen ruft Materialbewegungen hervor, welche häufig Anlaß zum Hervorwachsen kleiner Erhebungen auf der Oberfläche dünner Schichten führt. Eine besondere Art von Defekten werden als kleine Erhebungen insbesondere auf Dünnschlchten beobachtet. Diese sind auf bestimmte Atombewegungen zurückzuführen. Aus der Kristallographie sind Defekte bekannt, welche In drei Klassen eingeteilt werden. Man unterscheidet Punktdefekte, lineare und planare Defekte, wobei die linearen Defekte den Versetzungen und die planaren Defekte den Korngrenzen entsprechen. Die auf dünnen Schichten auftretenden Erhebungen sind naturgemäß bei Halbleiterbauelementen sehr unerwünscht, da sie die vorgegebenen Strukturen in unerwünschter Welse verändern und darüber hinaus Kurzschlüsse hervorrufen können. Außer mehrschichtigen Halbleiterbauelementen können derartige Defekte auch in magnetischen Dünnschichtvorrichtungen sowie In den Tunneleffekt ausnutzenden supraleitenden Vorrichtungen auftreten und Schaden anrichten. Bei Halbleiterbauelemente, die oft mit einer Glasschicht passiviert sind, können die genannten Erhebungen die Glasschicht durchbrechen und so die Passivierung des Bauelementes beeinträchtigen und Kurzschlüsse verursachen. Ganz besonders beeinträchtigt werden durch den genannten Effekt die bekannten auf dem Tunneleffekt beruhenden Dünnschichtvorrichtungen, da diese auch betriebsmäßig großen Temperaturunterschieden ausgesetzt werden müssen. Diese Gefahr 1st besonders dann akut, wenn die Vorrichtungen Blei, Zinn, Indium oder andere Metalle mit relativ niedrigem Schmelzpunkt besitzen. Der Wärmezyklus durchläuft den Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einem meist sehr niedrig liegenden Temperaturpunkt, bei dem die Supraleitfähigkeit auftritt. Als besonders anfällige Bauelemente sind diejenigen zu nennen, die auf dem Josephsonschen Effekt beruhen, weil dort die durch den Tunneleffekt zu überwindende Sperrschicht außerordentlich dünn 1st und eine Größenordnung zwischen 0,2 und 2 nm aufweist, wo auch Rekristallisationsprobleme besonders ins Gewicht fallen. Bei derartigen Bauelementen wird bereits die Entwicklung von kleinsten Erhebungen Infolge der genannten Defekte einen Kurzschluß über der Sperrschicht hervorrufen.

Es ist aus »Transactions of the Metallurglal Society of AIME«, vol. 242, März 1968, Selten 502 bis 511 bekannt, daß das in Form von metallischen Dünnschichten In der Halbleitertechnik verwendete Aluminium bei Erwärmung zur Bildung von warzenartigen Erhebungen neigt.

Aus »Journal of the Electrochemical Society«, Bd. 115, März 1968, No. 3, S. 70C, Abstract No. 98 Ist es bereits bekannt, daß die bei Temperaturbehandlung auftretenden warzenartigen Erhebungen in Aluminiumschichten durch die Korngröße und Legierungszusätze beeinflußbar ist.

Schließlich Ist dem Buch »Aluminium und Aluminiumlegierungen« von Dr. D. Altenpohl, Springer-Verlag, 1965, Seite 212 zu entnehmen, daß durch die Gegenwart von gelösten Fremdatomen, insbesondere Magnesium, das Verhalten von Leerstellen Im Aluminium beeinflußbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es gestattet, die Materialwanderung bzw. das Entstehen der kleinen Erhebungen In Dünnschichtstrukturen aus Blei mit seinen schädlichen Folgen zu vermeiden oder doch zumlndestens so stark herabzusetzen, daß eine geringere Schadenshäufigkeit erreicht wird. Das Verfahren soll auf alle möglichen Dünnschichtstrukturen anwendbar sein, gleichgültig, ob es sich um Halbleiterbauelemente, den Tunneleffekt ausnutzende Mehrschichtstrukturen oder ähnlichen Vorrichtungen handelt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

Nach der Lehre der Erfindung werden die oben genannten Materialschäden herabgesetzt bzw. die Lebenszelt von gefährdeten Bauelementen erhöht durch Steuerung der den Defekt hervorrufenden Materialbewegung innerhalb des Schichtmaterials mittels Zugabe der genannten legierenden Substanzen zum Schichtmaterial. Diese Substanzen, deren Zugabe eine Art von Dotierung

iarstellt, bewirken eine günstige Beeinflussung der vlikrostruktur der gefährdeten Dünnschichten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher beschrieben.

Es zeigt

F1 g. 1 A eine perspektivisch dargestellte metallurgische Struktur bzw. eine metallische Dünnschicht mit sinigen durch Materialwanderung infoige von zyklischer Wärmebehandlung entstandenen Erhebungen;

Fig. IB eine schematische Darstellung einer Leer- to stelle in einem Kristallgitter,

Fig. IC eine schematische Schnittdarstellung eines linearen Versetzungsdefekts in einem Kristallgitter,

Fig. ID eine schematische Schnittdarstellung eines planaren Korngrenzendefektes;

FJg. 2 eine schematische Darstellung einer Verdampfungsanlage, die sich zur Niederschlagung von dotierten Dünnschichten auf ein Substrat nach der Lehre der Erfindung eignet.

Fig. IA stellt eine idealisierte Ansicht eines Teiles einer Dünnschicht dar, auf der als Folge von kompressiven mechanischen Beanspruchungen infolge von zyklischen Erhitzungs- und Abkühlungsvorgängen warzenartig hervortretende Gebilde entstanden sind, die im angelsächsischen Sprachgebrauch mit »Hillocks« bezeichnet werden und die im folgenden »Warzen« genannt werden. Eine typische Dünnschicht 1-12 ist mit dem Substrat 1-10 überlagert. Die gezeigte Dünnschicht ist polykristalliner Natur, d. h. sie besitzt Kornbereiche 1-14. die gegeneinander durch die sog. Korngrenzen 1-16 abgegrenzt sind. Warzen 1-18 sind auf der Dünnschicht 1-12 der Fig. 1 A angedeutet. Die Warzen 1-18 entstehen infolge verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Dünnschicht 1-12 und des Substrates 1-10. Die unterschiedliche Ausdehnung von Substrat und Dünnschicht verursacht mechanische Spannungen, die ihrerseits einen atomaren Massentransport in Gang setzen, der wiederum zu diesen warzenartigen Materialdefekten innerhalb der Dünnschicht 1-12 führt.

Flg. 1 B zeltt schematisch einen Typ eines punktarti- *o gen Defekts, der unter dem Namen Leerstelle bekannt Ist. Die Figur zeigt eine Leerstelle 1-20, welche Inmitten gleichartiger Atome AA bis A-U ihren Sitz hat. Sowohl atomare Bewegungen unter dem Einfluß von Leerstellen als auch der Einfluß von verunreinigenden oder spurenweise zugesetzten Atomen können mittels dieser Figur veranschaulicht werden. In Fig. IB ist eine gedachte Gerade A-A' quer durch die Figur so eingetragen, daß links von der Geraden die Leerstelle zu liegen kommt, während auf der rechten Seite alle Atomplätze voll ^Μ besetzt sind. Für ein Atom rechts der Geraden, z. B. für das Atom A-6 kann ein Platzaustausch mit der Leerstelle betrachtet werden als eine effektive Atomwanderung, nämlich als Transport des Atoms A-6 von einer Stelle rechts der Geraden A-A' zu einer Stelle links dieser Geraden. Wir nehmen nun an, daß irgendein Atom in der Nähe der Leerstelle, z. B. das Atom /4-8, ein Fremdatom sein möge, welches bezüglich der übrigen Atome eine verunreinigende Substanz darstellt und daß eine Bindung zwischen der Leerstelle 1-20 und dem Fremdatom A-S ^ω bestehen möge. Dann Ist der Im vorstehenden erwähnte Austauschmechanismus beträchtlich unwahrscheinlicher, da unter der genannten Voraussetzung die Leerstelle nicht so leicht von dem Fremdatom -4-8 dissoziiert und deswegen bei einem Austausch sowohl die Leerstelle 1-20 als auch das Fremdatom A-S bewegt werden müssen, um überhaupt einen Massentransport zu realisieren. Offenbar ist nunmehr der Austauschvorgang bei weitem schwieriger zu bewerkstelligen, als wenn lediglich die Bewegung einer einzelnen Leersteiie erforderlich ist, was durch energetische Betrachtungen Jm einzelnen untermauert werden kann. Eine hohe Bindungsenergie zwischen Fremdatom und der Leerstelle trägt offensichtlich dazu bei, den Massentranspoii zu unterbinden oder zumindestens stark einzuschränken. Hierdurch ergiot sich gleichzeitig eine entsprechende Herabsetzung der durch einen Massentransport hervorgerufenen Materialdichte.

Fig. 1 C zeigt einen typischen linearen Defekt, nämlich eine Versetzung. Es ist deutlich zu sehen, wie die eine Versetzung 1-32 in einem sonst idealen Kristallgitter 1-30 zu einer durch gegenseitiges Gleiten der Gitterebenen hervorgerufenen Gleitstufe 1-34 Anlaß gibt. Derartige stufenförmige Fehler auf der Oberfläche eines kristallinen Körpers können eventuell zu einem Fehlverhalten des Bauelementes führen, da auch so geringfügige Wachstumsfehler wie eine Gleitstufe gelegentlich sich sehr ungünstig auswirkt. Ein typisches Beispiel, in dem eine Gleitstufe das völlige Versagen eines Bauelementes veranlaßt, stellt eine supraleitende Tunneldiode dar, bei der die zu durchtunnelnde Sperrschicht in der Größenordnung von 0,2 bis 2 nm Einheiten iiegt Die Figur zeigt die Versetzung im Querschnitt, d. h. die Versetzungslinie kommt aus der Papierebene hinaus bzw. sie läuft In diese hinein. Da die Bewegungen einer Versetzung Anlaß zu einer Gleitstufe gibt, so kann ebenfalls wieder ein Fremdatom bzw. die Ausfällung einer geeigneten Störsubstanz in unmittelbarer Nähe der Versetzung dazu dienen, diese bewegungsunfähig zu machen und so das Auftreten bzw. die Weiterbewegung einer Gleitstufe zu vermeiden.

Fi g. 1 D zeigt eine Korngrenze. Die Kornbereiche 1-40 und 1-42 hängen über die Korngrenze 1-44 miteinander zusammen. Da aber die Korngrenze eine Oberfläche mit irregulärer atomarer Struktur ist, ist ein Massentransport entlang der Korngrenzen zu den warzenartigen Defekten hin verhältnismäßig leicht zu bewerkstelligen. Fremdatome, welche an den Korngrenzen abgeschieden werden, können dazu beitragen, diesen Massentransport schwieriger zu gestalten und auf diese Weise die Bildung der warzenartigen Defekte zu unterbinden. Weiterhin können die genannten Defekte auch durch eine relative Bewegung von Körnern entlang der Korngrenze entstehen, d. h. das Korn 1-40 kann sich z. B. auf das Korn 1-42 zu fortbewegen. Solche relativen Bewegungen finden an den Korngrenzen 1-54 statt. Fremdatome, die entweder ein- oder zweiphasig eingebracht werden, können ebenfalls wieder als Sperre an den Korngrenzen wirken und damit die Bildung von warzenartigen Defekten unterbinden.

Fi g. 2 zeigt eine schematische Anordnung einer Apparatur, welche geeignet Ist, mit Fremdatomen versetzte Dünnschichten auf Substrate aufzubringen. Das Gesamtsystem ist von dem glockenartigen Evakuierungsgefäß 2-10 umschlossen, welches auf der Grundplatte 2-11 luftdicht aufgesetzt Ist. Diese Grundplatte besitzt einen Pumpstutzen 2-12. Ein oder mehrere Substrate 2-14 sind In dem Substrathalter 2-16 befestigt. Eine Heizvorrichtung für das Substrat 2-18 gestattet, dieses auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen. Das Dünnschichtmaterial und das Dotierungsmaterial werden aus getrennten Schiffchen 2-20 und 2-22 verdampft, die ihrerseits durch außerhalb gelegene Energiequellen 2-24 und 2-26 über die Heizwicklungen 2-21 und 2-23 beheizt werden. D'e Niederschlagsrate wird durch je einen Quarzkrlstallratenmonitor 2-28 und 2-30 getrennt gemessen bzw. gesteuert. Der Beginn und das Ende des Vakuumnlederschlagsverfahrensganges wird mit Hilfe der Verschluß-

klappe 2-39 festgelegt, die an dem Knopf 2-40 betätigt werden kann. Diese Verschlußklappe In Verbindung mit dem Abschirmblech 2-32 verhindert jede ungewollte Verunreinigung des Dünnschicht- und Dotiermaterials.

!Compressive mechanische Spannungen In einer Dünnschicht führen zu kompresslven Deformationen innerhalb der Schicht. Diese Spannungen können abgebaut werden, indem man Atome aus dem Innern auf die freie Oberfläche der Dünnschicht befördert. Unter freier Oberfläche 1st hierbei die Oberfläche der Dünnschicht zu verstehen, die nicht Grenzfläche zwischen Dünnschicht und Substrat Ist.

Die Beförderung von Atomen auf die freie Oberfläche einer Dünnschicht stellt einen Prozeß dar, der üblicherweise als plastischer Materialfluß innerhalb der Schicht bezeichnet wird. Es gibt für diesen plastischen Materialfluß in kristallinen Materlallen drei verschiedene Mechanismen. Diese sind ein Leerstellenmechanismus, der auch Kriechdiffusion genannt wird, ein Versetzungsmechanismus und ein mit den Korngrenzen zusammenhängender Bewegungsmechanismus. Sind die genannten Mechanismen gleichförmig Innerhalb des gesamten Inneren der Dünnschicht wirksam und ist der Materialfluß zur freien Oberfläche in der Dünnschicht überall homogen, so kann eine warzenartige Defektbildung nicht beobachtet werden. Tritt ein derartiger plastischer Materialfluß jedoch vereinzelt an verschiedenen punktartigen Stellen lokalisiert auf, so werden diese ungleichmäßigen Massentransportanteile Anlaß geben zur Bildung von warzenartigen Defekten. Diese können daher verhindert werden, wenn es gelingt, entweder den plastischen Fluß über die gesamte Dünnschicht hinweg homogen zu machen oder wenn man den plastischen Materialfluß überhaupt vermeidet. Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Innerhalb von Dünnschichten den plastischen Fluß sehr stark einzuschränken. Dies kann erreicht werden durch selektives Hinzufügen von legierenden bzw. dotierenden Substanzen zu der Dünnschicht. Diese Substanzen oder Elemente weisen die Tendenz auf, mit den Defekten, seien dies nur Leerstellenversetzungen oder Korngrenzen, eine Wechselwirkung einzugehen und diese soweit zu stabilisieren, daß die Beweglichkeit des Massentransports weitgehend reduziert oder völlig unterbunden wird. Die Kriterien, nach denen diese Elemente ausgewählt und verwendet werden, sind im folgenden näher beschrieben.

Eine Leerstelle führt über verschiedene Mechanismen zu einem Massentransport. Der einfachste Mechanismus besteht in einer sog. Kriechdiffusion, bei der die Atome direkt durch die Leerstelle 2um Wandern veranlaßt werden. Unter einer Leerstelle versteht man die Abwesenheit eines Äioms auf einem numiälcfweisc besetzten Gitterplatz, wie dies in F i g. 1 B gezeigt ist. Die Leerstelle 1-20 weist in einem Kristall eine ziemlich hohe Beweglichkeit auf. Sie bewegt sich innerhalb des Kristallverbandes, wobei, wie bereits erwähnt, eine reale Bewegung nur von den Atomen ausgeführt wird, Indem jeweils ein in die Leerstelle hineinwanderndes Atom an seinem ehemaligen Sitz eine neue Leerstelle hinterläßt. Unter der Einwirkung einer mechanischem Spannung führt die Wände- ^ω rung einer derartigen Leerstelle zu einem sog. mikroskopisch plastischen Materialfluß. Dieser Typ des plastischen Materialflußes heißt auch Nabarro-Herring-Kriech-Erscheinung. Können die Leerstellen durch die Zugabe von Fremdatomen in Form von legierenden Elementen oder Substanzen festgelegt werden, dann wird die Kriechdiffusion auf ein Minimum beschränkt. Es gibt eine große Anzahl von Untersuchungen, welche zeigen, daß Fremdatome die Tendenz aufweisen, mit Leerstellen wechselzuwlrken und diese mehr oder weniger zu flxleren.

Die Fremdatome stehen mit den Versetzungen über elastische Spannungsfelder, welche mit den Fremdatomen verknüpft sind, In Wechselwirkung. Die Ausfällungen wechselwirken mit den Versetzungen über das elastische Spannungsfeld und ebenso dadurch, daß sie eine physikalische Sperre gegenüber der Bewegung dieser Versetzungen aufbauen. Diese Sperren sind wirksamer als der vom Hauptmaterlal der Materialbewegung entgegengesetzte natürliche Widerstand und daher sehr geeignet, eine Weiterbewegung der Versetzungen zu unterbinden. Dies trifft für Silber und Gold in Blei zu, wobei das Gold mit dem Blei lokal reagiert und eine harte Substanz in Form einer Biel-Gcld-Leg'.erjng bildet. Diese harte Legierung verhindert die Bewegung der Versetzungen nicht nur durch den Aufbau weiterer Spannungsfelder, sondern auch durch ihre Härte an sich. Darüber hinaus ist die Bewegung der Versetzung eine Funktion ihrer Länge und bei feinen Kornmaterialien 1st die Versetzungsbewegung ziemlich begrenzt. Es ist jedoch sehr schwierig, die Korngröße in Dünnschichten aus reinen Materialien ausreichend zu beherrschen. Die Zugabe von legierendem Material bewirkt eine Unterdrückung der Versetzungsbewegung ebenfalls durch Herabsetzung der Korngröße in legierten Dünnschichten. Es Ist bekannt, daß legierte Dünnschichten eine kleinere Korngröße aufweisen als dies für reine Dünnschichten der Fall Ist.

Die nach der Lehre der Erfindung zu wählenden Dotiersubstanzen können somit direkt zum Abbau der kompressiven Spannungen beitragen. Beispielswelse entstehen In Dünnschichten aus Blei, welche auf Temperaturen abgekühlt werden, wie sie in der Kyrogentechnik üblich sind, kompresslve Spannungen während des Aufheizens, weil die Dünnschichten aus Blei während des Kühlvorgangs teilweise plastisch nachgeben. Die genannten Legierungssubstanzen unterbinden dieses Ausweichphänomen und die hiermit verknüpften kompressiven Spannungen.

Eine Bewegung der Korngrenzen tritt auf bei Bewegung eines Kornes relativ zu dem andern, und zwar entlang der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Körnern. Eine Korngrenze ist in der F i g. 1 B unter 1-44 versinnbildlicht. Bei im Vergleich mit dem Materialschmelzpunkt hohen Temperaturen, d. h. bei Kupfer und Zinn etwa bei Zimmertemperatur, und bei Aluminium bei einer etwa um 200° höher liegenden Temperatur tritt diese erhöhte Kornbeweglichkeit auf. Die Körner bewegen sich dann fast wie eine Flüssigkeit, wobei der Materialfluß unter einer Scherbeanspruchung vonstatten geht. Derartige Korngrenzcnbcwcgungen führer, zum sog. plastischer. Materiaiflüß. Es 1st daher notwendig, die Bewegung der Korngrenzen irgendwelchen Einschränkungen zu unterwerfen. Eine solche kann hervorgerufen werden durch Einfügung von Ausfällungen an den Korngrenzen. Diese Ausfällungen sind hart im Vergleich mit dem restlichen Material. Aus dem genannten Grunde sind bei Temperaturen, bei denen normalerweise eine ziemliche Beweglichkeit der Korngrenzen auftritt, solche mit Ausfällungen verhältnismäßig immobil. Sie stellen eine physikalische Barriere gegen das Bewegungsbestreben der Korngrenzen dar.

Anschaulich gesprochen können die Elemente mit geeigneten Eigenschaften zur Realisierung der Erfindung ausgewählt werden. So ergibt sich z. B. ein Härteprozeß durch Wechselwirkung einer Leerstelle mit einem Störatom, wenn der Durchmesser des Störatoms von dem des

zu behandelnden Materials abweicht. Im Falle des Vorllegens von Versetzungen und Korngrenzen sind derartige elastische Wechselwirkungen somit sehr wichtig. Sie unterstützen den physikalischen Widersland, welcher durch harte Ausfällungen gegeben 1st. Wenn die Störstellensubstanz sich in dem zu behandelnden Material bei angehobenen Temperaturen löst, so daß sich bei niedrigeren Temperaturen eine Ausfällung ergibt, so wird eine sog. Ausfällungshärtungstechnlk benutzt, bei der unter Anwendung einer hohen Temperatur eine feste Lösung gebildet wird, und durch Temperaturabschreckung eine Ausfällung erfolgt. Um eine solche Ausfällung an den Korngrenzen zu bewerkstelligen sollte die treibende Kraft der Ausfällungsreaktion effektiv gering sein. Das feste Element sollte vorzugsweise unter Bildung einer Verbindung ausfallen, well diese gewöhnlich einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und weitere günstige Eigenschaften besitzen, kleine Diffusionsraten und eine große Härte. Diese Ausfällungen tendieren dann effektiv dahin, die Bewegung von Defekten, z. B. der Versetzungen, zu blockleren.

Wenn das hinzugefügte Dotierungsmaterial nicht In Form einer Verbindung ausfällt, so ist es für die Praxis der vorliegenden Erfindung erforderlich, daß das feste Element härter 1st und eine geringere Diffusionskonstante besitzt als dies für die Muttersubstanz der Dünnschicht der Fall Ist. Weiterhin besteht eine wünschenswerte Eigenschaft der ausgefällten Substanz darin, daß sie bei Ihrer Entstehung die Muttersubstanz dehnt. Eine derartige Dehnungsbeanspruchung führt dazu, daß Defektbewegungen herabgesetzt werden und daß die Ausfällung vorzugsweise in der Gegend der Korngrenzen stattfindet. Feste Substanzen, die vorzugsweise in der Gegend der Korngrenzen ausfällen, können nach Maßgabe ihrer Gitterparamete sowie denjenigen der Muttersubstanz bestimmt und ausgewählt werden.

Damit man eine Spannung Innerhalb der Muttersubstanz erhält, sollte der Unterschied der Gitterparameter zwischen den beiden Stoffen nicht zu klein sein. Bei der Auswahl der Elemente, die an den Korngrenzen ausgefällt werden sollen, wird ein unterschiedlicher Atomdurchmesser gefordert und diese Bedingung gilt gleichfalls für die Sicherstellung einer günstigen Wechselwirkung zwischen Leerstellen und Störatomen. Deshalb tendiert eine Substanz, die mit Rücksicht darauf ausgewählt wurde, eine gute Härtung in der Gegend der Korngrenzen zu bewirken, ebenfalls dahin, die Bewegung der Leerstellen zu unterbinden.

Nach der Lehre der Erfindung sind Silber und Gold geeignete Dotierungsmaterialien für Dünnschkhten aus Blei. Silber und Gold sind im Blei bei höheren Temperaturen nur schwer löslich. Zur Herstellung der mit Gold oder Silber dotierten Bleidünnschichten wurde das Verfahren der gleichzeitigen Verdampfung benutzt, bei dem entweder Gold oder Silber simultan mit dem Blei zur Verdampfung gebracht wurden. Dieses Verfahren gestattet eine homogene Verteilung der Dotierungssubstanzen im Blei auch bei hohem Dotiersubstanzgehalt. Der Anteil von Dotierungssubstanzen, der durch die Ausfällungstechnik eingebracht werden kann, ist durch die Löslichkeit der Dotierungssubstanz in fester Form im Dünnschichtmaterlal begrenzt. Silber ist in Blei bei Raumtemperatur nicht löslich und neigt dazu, Einschlüsse aus im wesentlichen reinen Silber der Im wesentlichen reinen Bleidünnschicht zu bilden. Diese Silbereinschlüsse sind verhältnismäßig hart im Vergleich mit dem Blei und verhindern eine Bewegung der Versetzungen. Für den Fall, daß Silber in der Gegend der Korngrenzen Im Blei vorliegt, ergibt sich ebenfalls die Neigung einer starken Herabsetzung oder Unterbringung der Korngrenzenbewegung. Gold hat nicht nur die Wirkung, Goldeinschlüsse zu bilden, welche härter sind als die Muttersubstanz Blei, sondern es werden gleichzeitig intermetallische Verbindungen mit dem Blei gebildet, die härter als die Bleimuttersubstanz sind. Diese Verbindungen geben Anlaß zu einer Bildung von mechanischen Spannungsfeldern welche die Migration von Defekten herabsetzen oder verhin-Ό dem.

Das In der Fig. 2 dargestellte Schiffchen 2-20 enthält Blei und Schiffchen 2-22 Gold oder Silber. Die Materialquellen werden mittels der Heizelemente 2-21 und 2-23 aus Wolframdraht erhitzt. Die Dämpfe aus Gold und Blei werden auf den oxydierten Substraten 2-16 aus Silizium oder Glas aufgefangen. Der Anteil beider Metalle läßt sich mittels der Monitore 2-28 und 2-30 für die Aufdampfrate steuern. Diese Geräte bestehen Im wesentlichen aus Quarzkristalloszillatoren, welche ihre Frequenz In Abhängigkeit von der Dicke des Bleis, des Golds, bzw. des Silbers, welches auf den Quarzkristallen 2-29 und 2-31 niedergeschlagen wird, ändern. Durch Steuerung der Heizelemente können definierte Anteile von Gold oder Silber der Dünnschicht aus Blei zugesetzt werden. Es wurde beobachtet, daß bei Dünnschichten mit Silbergehalt die Dichte der Warzenbildung nach einer zyklischen Wärmebehandlung zwischen Raumtemperatur und der Temperatur des flüssigen Stickstoffs um einen Faktor 2 bis 5 kleiner gemacht werden konnte und daß In den Fällen, in denen Gold als Dotierungssubstanz benutzt wurde, in der Bleischicht sich keinerlei Warzenbildung einstellte.

Die Anwendung der Erfindung auf die Mehrschichttechnologie entspricht, abgesehen von den speziellen Dotierungsschritten, weitgehend dem bekannten Stand der Technik.

Dünnschichten aus Blei mit einer Nennstärke zwischen 200 und 200 nm wurden durch Verdampfung von Blei in einem Vakuumsystem hergestellt. Die Bleidünnschichten wurden von einer Bleiquelle verdampft, die mittels eines Wolframdrahtes erhitzt wurde. Der Bleidampf schlug sich auf einem auf Raumtemperatur befindlichen Substrat nieder, das aus oxydiertem Silizium oder Glas bestand. Das Vakuum betrug während des Niederschlagsvorganges 1,333 ■ 10~⁹ bar. Nach Abschluß des Abscheidungsvorganges wurden die Bleidünnschichten mit einem Lichtmikroskop untersucht und es wurde eine glatte glänzende Oberfläche festgestellt. Die Schicht wurde nun im Vakuum auf die Temperatur des flüssigen so Stickstoffs abgekühlt und wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Dieser Temperaturzyklus wurde einige Male wiederholt. Nach Durchführung der Wärmebehandlung wurde wiederum eine Hchtmikroskopische Untersuchung durchgeführt und es zeigte sich, daß sich auf der Oberfläehe warzenartige Defekte eingestellt hatten.

Zur Herabsetzung der Dichte der Defektbildung in Bleischichten wurden diese mit Silber und Gold dotiert bzw. legiert. Dies wurde in der folgenden Weise durchgeführt: Zwei Quellen mit den Substanzen Silber oder Gold und Blei wurden im Vakuum erhitzt und die entstehenden Dämpfe simultan auf das Substrat niedergeschlagen, wodurch sich eine Blei-Silber- bzw. eine Blei-Gold-Dünnschicht ausbildete. Diese bei Raumtemperatur niedergeschlagenen Dünnschichten wurden mehrmals einer zyklischen Wärmebehandlung unterzogen. Es zeigte sich eine starke Herabsetzung der Dichte der warzenförmigen Defekte. Es wurde festgestellt, daß das Gold eine größere stabilisierende Wirkung als das Silber aufwies. Der Anteil

an Silber oder Gold lag zwischen 7 bis 10 Gew.-%. Der Anteil der beiden Komponenten der Dünnschicht wurde während der Verdampfung konstant gehalten durch Benutzung eines Quarzoszillatorsystems, dessen Frequenzänderungen ein Maß für die aufgedampfte Schichtstärke darstellt. Die Änderung der Frequenz Ist etwa proportional der niedergeschlagenen Materialmenge.

Eine gleichzeitige Verdampfung wurde ausgeführt, um bei Raumtemperatur eine Legierung zu bewerkstelligen. Die Löslichkeit von Silber in Blei bei Raumtemperatur Ist

10

ziemlich gering. Die normalerweise benutzten Ausfällungs- bzw. Abscheldungsverfahren haben lediglich eine begrenzte oder keine ins Gewicht fallende Bedeutung. Die gleichzeitige Verdampfung stellt dann einen gangbaren Weg dar, den gewünschten Anteil von Silberdotierungsmaterial in die Bleidünnschicht einzuführen.

Weiterhin besitzen Gold und Blei eine sehr begrenzte gegenseitige Löslichkeit, jedoch kann auch hler ein beträchtlicher Anteil an Gold der Bleischicht durch einfaches gleichzeitiges Verdampfen einverleibt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- und DOnaschlchtbauelementen

a) mit auf einem Substrat aufgebrachte(r)n metallische(r)n Dünnschlcht(en),

b) wobei die metallische(n) Dünnschlcht(en) zur Unterdrückung von bei zyklischen Wärmebe- ₎₀ handlungen entstehenden warzenartigen Dünnschichtdefekten (»hillocks«) selektiv mit Dotiersubstanzen dotiert werden, welche eine starke Wechselwirkung mit den die Dünnschichtdefekte bewirkenden Kristallitdefekten, wie Leerstellen, ₎₅ Versetzungen und Korngrenzen aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

c) daß die metallische Dünnschicht aus Blei (Pb) besteht, und

d) daß als Dotiersubstanz(en) Silber (Ag) und/oder _M Gold (Au) benutzt werden.