DE2215151B2 - Verfahren zum Herstellen von dünnen Schichten aus Tantal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dünnen Schichten aus Tantal in der α-Phase (kubisch raumzentriertes Gitter) durch Kathodenzerstäubung auf ein bei Temperaturen oberhalb 300° C ausgeheiztes Substrat aus Glas, wobei die Zerstäubungsatmosphäre sehr geringe Anteile von reaktiven Fremdgasen enthält.

Ein solches Verfahren ist bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 21 10 987). Zur Herstellung von dünnen hochreinen und niederohmigen Schichten aus Tantal in der «-Phase wird dort ein Substrat, dessen Oberfläche frei ist von absorbierten Fremdatomen, in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit Ringentladungsplasma bestäubt. Durch geeignete Wahl der Zerstäubungsparameter können dabei Schichten für Widerstände, Leiterbahnen und Kondensatoren erzeugt werden. Wird durch thermische und anodische Oxidation das Tantalmetall in nichtleitenden Tantaloxid übergeführt, so ist es als Schutzschicht gegen atmosphärische Einwirkungen und als Kondensatordielektrikum geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zusätzlich zu dem bereits vorgeschlagenen und mit einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit Ringentladungsplasma arbeitenden Verfahren ein weiteres Verfahren zu schaffen, das wahlweise gleichfalls zur Herstellung derartiger reiner und niederohmiger Tantalschichten auf isolierenden Substraten für Dünnfilmschaltkreise geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit Hochfrequenzentladung gearbeitet wird.

Die Abscheidung von hochreinem «-Tantal mit Hilfe der Hochfrequenzzerstäubung war bisher noch nie beobachtet worden. Da Kathodenzerstäubungsvorrichtungen mit Hochfrequenzentladung die auf dem Markt üblich erhältlichen Vorrichtungen sind, bietet die Möglichkeit, wahlweise auf diese ausweichen zu können, erhebliche Vorteile. Zudem kann, was fertigungstechnisch und hinsichtlich Zerstäubungsanfälligkeit bedeutend ist, das Gehäuse dieser Vorrichtungen aus Metall hergestellt werden. Im Unterschied hierzu bedarf es bei der mit Ringentladungsplasma arbeitenden Vorrichtung eines Glasbehälters.

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 Ta2Ü5 bedecktes Substrat abgeschieden. Die Oberfläche dieser Ta2O₅-Schicht läßt sich

ίο leichter von unerwünschten absorbierten Fremdatomen reinigen, die das Entstehen der hochreinen «-Phase behindern.

Zur Verstärkung des Zerstäubungsplasmas wird vorzugsweise in dem Bereich zwischen Anode und

is Kathode ein axiales magnetisches Gleichfeld erzeugt. Dieses magnetische Gleichfeld bewirkt, daß die Elektronen und Ionen auf ihrem Weg von Anode zur Kathode auf schraubenlinienförmigen Bahnen laufen, wodurch die Zahl der ionisierten Gasatome erhöht wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung 1, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Man erkennt eine Vakuumglocke 2 aus unmagnetischem Material, 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 Zerstäubungsgases, 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 Ausheizung 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 9 abgewendeten Seite ist eine Abschirmung 13 vorgesehen. Die hochfrequente Zerstäubungsspannung wird über die Leitung 14 zugeführt.

Zur Durchführung des Verfahrens mit einer in F i g. 1 dargestellten Zerstäubungsvorrichtung verwendet man mit Vorteil Argon mit einer Reinheit von 95,999% und einem Druck von 1,5 · 10-³Torr. 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 Ultraschalibad, Kochen in H2O2 und Waschen in deionisiertem Wasser werden sie in der Vakuum vorrichtung bei Temperaturen oberhalb 300⁰C ausgeheizt. Nach einer halbstündigen Vorzerstäubung wird die Blende geöffnet und Schichten von 100 bis 400 nm Dicke bei einer Rate von ungefähr 14 nm/Minute abgeschieden.

Fig.2 zeigt den spezifischen Widerstand 9 der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Tantalschichten in Abhängigkeit vom Stickstofl'-Partialdruck Pn 2· Man erkennt, daß mit abnehmendem Stickstoffdruck zunächst TaN, Ta2N und schließlich α-Tantal gebildet wird. Dieses α-Tantal ist jedoch noch relativ stark mit Fremdgasen verunreinigt. Mit weiter abnehmendem Stickstoffgehalt der Zerstäubungsatmosphäre wird /Ϊ-Tantal abgeschieden, das sich durch ein tetragonales Gitter auszeichnet. Der spezifische Wider-

stand ρ des ^-Tantals liegt bei 160μΩαη. Bei noch weitergehender Verringerung des Fremdgasgehalts in rier Zerstäubungsatmosphäre spaltet sich die experimentelle Kurve auf in die Äste a und b. Die Kurve b erhält man, wenn man die Substrate nicht bei Temperaturen oberhalb 300°C ausbeizt; es wird weiterhin ^-Tantal abgeschieden. Die Kurve a erhält man bei Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Bei einem Partialdruck der reaktiven Fremdgase von weniger als 10~⁶ Torr erhält man auf sorgfältig ausgeheizten Substraten eine hochreine «-Modifikation des Tantal, die hier als «'-Tantal bezeichnet ist. Der spezifische Widerstand des «'-Tantal beträgt 20 bis 25 μΏ cm, während die bisher bekannten, durch Kathodenzerstäubung hergestellten a-Tantal-Schichten einen spezifischen Widerstand von 50 μΩ cm aufweisen.

F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienter des elektrischen Widerstandes TCr in Abhängigkeit vom Stickstoff-Partialdruck P_{n 2}- Auch hier spaltet sich die experimentelle Kurve in die Äste a und b auf. Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte a*-Tantal besitzt einen TCr von ca. + i500 ppm/" C,

ίο während man auf nicht ausgeheizten Substraten Schichten in der ^-Modifikation mit einem Temperatürkoeffizienten zwischen —150 und -200ppm/°C erhält

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

22 15 15! Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von dünnen Schichten aus Tantal in der «-Phase (kubisch raumzentriertes Gitter) durch Kathodenzerstäubung auf ein bei Temperaturen oberhalb 300° C ausgeheiltes Substrat (9) aus Glas, wobei die Zerstäubungsatmosphäre sehr geringe Anteile von reaktiven Fremdgasen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung (1) mit Hochfrequenzentladung gearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Schichtabscheidung eine Vorzerstäubung vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Schicht auf ein oberflächlich mit TajOs bedecktes Substrat erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Kathode ein axiales magnetisches Gleichfeld erzeugt wird.