DE2215151A1 - Verfahren zum herstellen von duennen schichten aus tantal - Google Patents
Verfahren zum herstellen von duennen schichten aus tantalInfo
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Description
SIEMSHS AKTIESGESELLSCHAFT Hünchen 2, 2 8. MRZ 1.97 2
Berlin und München Wittelsbacherplatz 2
72/1051
Verfahren zum Herstellen von dünnen Schichten aus Tantal
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von sehr
reinen, dünnen Schichten aus Tantal in der OC -Phase (kubisch
rauirizentrierrer. Gitter) durch Kathodenzerstäubung auf isolierende
Substrate.
Bei der Herstellung von Dünnschichtschaltungen der Elektronik
wird in großen Ausmaß Tantal als schichtbildendes Material verwendet.
Dabei werden die Schichten durch Kathodenzerstäubung hergestellt. Durch geeignete Wahl der Zerstäubungsparaaeter
kennen Schichten für ",'id erstände, Leiterbahnen und Kondensatoren
erzeugt v/erden. Durch thermische und anodische Oxidation wird daa Tantalisetall in nichtleitendes Tantaloxid übergeführt, das
als Schutzschicht gegen atmosphärische "Einwirkungen und als
Kondensatordielektrikurn geeignet ist.
Aufgestäubtem Tantal ist bisher in zwei unterschiedlichen Modifikationen
bekannt. Die älteste bekannte Modifikation ist das sogenannte -^C -Tantal, das wie das massive Material ein kubisch
raumzentriertes Gitter besitzt. Seit 1965 ist auch das sögenannte
ei -Tantal bekannt, das sich durch ein tetraeonales Gitter
auszeichnet, rb-Tantal besitzt einen relativ hohen spezifischen
elektrischen Widerstand von ca. 200 /u-A- cm und einen
Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von ca - 100 ppm/°C.
Es entsteht, wenn der Druckwert reaktiver Restgase bei der Bestäubung klein gehalten wird.
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Bei der Herstellung von Dünnschichtkondensatoren sollten zwei
Bedingungen erfüllt werden: Das für die !Elektroden verwendete
Material sollte niederohmig und das als Dielektrikum verwendete Oxid hochwertig sein. "Diese beiden Bedingungen werden von den
bisher bekannten Tnntalrnodifikationen nicht voll erfüllt. O -Tantal
ergibt zwar ein als Dielektrikum geeignetes Oxid, ist jedoch
recht hochohmig;^ -Tantal ist zwar niederohmiger, ergibt jedoch
kein als Kondensatordielektrikum geeignetes Oxid.
Bei Untersuchungen der bekannten, durch Kathodenzerstäubung hergestellten
Tantalnodifikationen hat es sich herausgestellt, daß
in dem bekannienci -Tantal relativ viel Fremdgas in das l.Cetallgitter
eingebaut ist, das den Aufbau einer dichten Oxidschicht stört. *
Es ist bereits ein Kathodenzerstäubungsverfahren zum Herstellen
von dünnen Schichten aus Tantal in der ·\· -Phase bekannt, mit
dem sich besonders reine und niederohmige Tantalrchichten herstellen
lassen, die sich hervorragend für Dünnfilmschaltkreise eignen. Dieses bekannte Verfahren besteht darin, dal3 ein Substrat,
dessen Oberfläche frei ist von absorbierten Fremdatomen,
in einer Katliouenzerst^ubungsvorrichtung mit Ringentladmigsplasraa
bestäubt wird und daß die Zerstüubungsatniosph;:re sehr
geringe Anteile von inaktiven Fremdgasen, vorzugsweise weniger als 10"" Torr Partialdruek enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren
zur Herstellung derartiger reiner und niederohmiger Tantalschichten
auf isolierenden Cv.hctraten für DünnfjJir.co^alte
anzvgcccn.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, da.3 das Substrat aus Glas besteht
und bei Temperaturen oberhalb 300 C ausgeheizt wird, daß in einer Kathodenzerstüu.bungsvorrichtung mit Hochfrequenzent-
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ladung gearbeitet v/ird und daß die Zerstäubungsatmosphäre
sehr geringe Anteile von reaktiven Fremdgasen enthält.
Vorteilhaft wird zur Zerstäubung Argon bei einem Druck von
1,5 . 10 Torr verwendet, wobei der Druck reaktiver Fremdgase
unter 10~ Torr liegt. Liegt der Patialdruck der reaktiven Gase, z.B. Sauerstoff oder Stickstoff über diesem Wert,
so wird das/5 -Tantal abgeschieden, wie es in der Literatur
schon mehrfach beschrieben worden ist. Die Abscheidung von
hochreiner, CK -Tantal mit Hilfe der Hochfrequ.enzzerstau.bung
war bisher jedoch noch nie beobachtet worden.
Vorzugsweise wird vor Beginn der Schichtabscheidung eine Vorzerstäubung
vorgenommen. Damit erreicht man eine Säuberung der Tantal-Kathode. Außerdem wird dabei durch die bekannte
Getterwirkung von Tantal die Zerstäubungsatmosphäre zusätzlich
von reaktiven Fremdgasen gereinigt.
Vorzugsweise werden die Tantalschichten auf ein oberflächlich mit TapOj- bedecktes Substrat abgeschieden. Die Oberfläche dieser
TapÖ^-Schicht läßt sich leichter von unerwünschten absorbierten
Fremdatonien reinigen, die das Entstehen der hochreinen
K. -Phase behindern.
Zur Verstärkung des Zerstäubungsplasmas wird vorzugsweise in
dem Bereich zwischen Anode und Kathode ein axiales magnetisches
Gleichfeld erzeugt. Dieses magnetische G-leicnfeld bewirkt, daß
die Elektronen und Ionen auf ihrem Weg von Anode zur Kathode auf schrai?benlinienförmigen Bahnen laufen, wodurch die Zahl
der ionisierten Gasatome erhöht wird.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden, Figur 1 zeigt eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung IL, die sur
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Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Man erkennt eine Vakuumglocke 2 aus unmagnetischen !vlaterial,
die auf einer Grundplatte 3 sitzt. In der Grundplatte 3 ist eine Öffnung 4 zum Anschluß einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt).
Man erkennt weiterhin ein Ventil 5 für den Einlaß des Zerstäubungsgnses, z.B. Argon und ein zweites Ventil 6
zum Einlaß reaktiver Gase. Die Magnetspule 7 wird an eine (nicht dargestellte) Gleichstromquelle angeschlossen und
erzeugt ein axial gerichtetes magnetisches Gleichfeld, wodurch das Zerstäubungsplasma verstärkt wird. Im Inneren der
Vorrichtung 1_ ist eine Heizvorrichtung 8 vorgesehen, die zur intensiven Ausheilung der zu bestäubenden Substrate 9 dient,
die an der Grundelektrode 10 befestigt sind. Vor den Substraten befindet sich eine bewegliche Blende 11, die während der
Vorzerstäubung die Abscheidung des Tantalmaterials auf dem Substrat verhindert. Ein Target 12 aus hochreinem-Tantal ist
gegenüber dem Substrat 9 angeordnet. An seiner dem Substrat abgewendeten Seite ist eine Abschirmung 13 vorgesehen. Die
hochfrequente Zerstäubungsspannung v/ird über die Leitung 14 zugeführt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer in Figur 1 dargestellten Zerstäubungsvorrichtung verwendet
man,mit Vorteil Argon mit einer Reinheit von 99*999 1P und
einem Druck von 1,5 · 10 Torr. Der Abstand zwischen Target
und Substrat beträgt ca. 4 cm, die Spannung etwa 2,5 kV bei 27 MHz und der Strom ca. 0,6 A. Sehr wichtig ist die Reinigung
der verwendeten Glassubstrate. Nach einer Reinigung im Ultraschallbad, Kochen in H?0? und Waschen in deionisiertem
Wasser werden sie in der Vakuumvorrichtung bei Temperaturen oberhalb 300 G ausgeheizt. Nach einer halbstündigen Vorzerstäubung
wird die Blende geöffnet und Schichten von 100 bis 400 nm Dicke bei einer Rate von ungefähr 14 nw/ Minute abgeschieden.
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Figur 2 zeigt den spezifischen Widerstand 9 der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Tantalschichten
in Abhängigkeit vom Stickstoff-Partialdruck ϊ\τρ· Man erkennt,
daß mit abnehmendem Stickstoffdruck zunächst TaN, -Ta2N und schließlich ^' -Tantal gebildet wird. Dieses OC-Tantal
ist jedoch noch relativ stark mit Fremgasen verunreinigt. Mit weiter abnehmendem Stickstoffgehalt der Zerstäubungsatmosphäre
wird ρ -Tantal abgeschieden, das sich durch ein tetragonales
Gitter auszeichnet. Der spezifische Widerstand ς>
des fi -Tantals liegt bei 160 /u-^- om. Bei noch weitergehender
Verringerung des Fremdgasgehalts in der Zerstäubungsatmonphäre
spaltet sich die expericenielle Kurve auf in di3 Äste a und b.
Die Kurve ο erhält man, wenn man die Substrate nicht bei Temperaturen
oberhalb 300 C ausheizt; es wird weiterhin/b-Tantal abgeschieden. Die Kurve a erhält man bei Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Bei einem Partialdruck der reaktiven Fremdgase von weniger als 10 Torr erhält man auf sorgfältig
ausgeheizten Substraten eine hochreine^· -Modifikation
des Tantal, die hier alsfl>*-Tantal bezeichnet ist. Der spezifische
Widerstand des oL *-Tantal beträgt 20 bis 25 /u-Λ cm,
während die bisher bekannten, durch Kathodenzerstäubung hergestelltenoC-Tantal-Schichten
einen spezifischen Widerstand von 50 /USL cm aufweisen.
Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten des
elektrischen Widerstandes TCp in Abhängigkeit\vom Stickstoff-Partialdruck
P,-p. Auch hier spaltet sich die experimentelle
Kurve in die Äste a und b auf. Das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte^ *-Tantal besitzt einen ΤΟ,, von ca» +
1.500 ppm/°C, während man auf nicht ausgeheizten Substraten
Schichten in der fi -Modifikation mit einem Temperaturkoeffizienten zwischen - 150 und - 200 ppm/°C erhält.
5 Patentansprüche - 6 -
3 Figuren
3Q984G/1G57
VPA 9/140/204-8
VPA 9/140/204-8
Claims (5)
- PatentansOrücheVerfahren zum Herstellen von dünnen Schichten aus Tantal in der X -Phase (kubisch raumzentriertes Gitter) durch Kathodenzerstäubung auf isolierende Substrate, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) aus Glas besteht und bei Temperaturen oberhalb 3000C ausgeheizt wird, daß in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung (1) mit Hochfrequenzentladung gearbeitet wird und daß d?'e Serstäubungsatinosphäre sehr geringe Anteile von reaktiven Fremdgasen enthalt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zerstäubung Argon bei einem Druck von 1,5 · 10 Torr verwendet wird und daß der Druck reaktiver Premdgase unter 10~ ToTr liegt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch g ekennzeichnet, daß vor Beginn der Schichtabscheidunf; eine Vorzerstätibung vorgenommen wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf ein oberflächlich mit Ta?0[- bedecktes Substrat abgeschieden werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch i-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Kathode ein axiales magnetisches Gleichfeld erzeugt wird.VPA 9/140/20483098A0/1057Leerseite
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