DE2217775A1 - Verfahren zur Herstellung stabiler Tantal-Aluminium-Dünnschichten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung stabiler Tantal-Aluminium-DünnschichtenInfo
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Description
Western Electric Company, Iac. H. Basseches Case 3-10-38-9-1
New York, U.S.A.
Verfahren zur Herstellung stabiler Tantal-Aluminium-Dünnschichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen und der hierdurch erzeugbaren
Bauteile. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen mit durch Kondensation
erzeugten Schichten aus einer Tantal-Aluminium-Legierung. Solche Bauelemente sind von besonderem Interesse
für Anwendungsfälle als Dünnschichtwiderstand.
Die Mxniaturisierung der Bauelemente und der Schaltungen in Verbindung mit immer größer werdender Komplexität der modernen
elektronischen Systeme hat in noch nie dagewesenem Maße die Anforderung an die Zuverlässigkeit von Dünnschicht-Bauelementen
wachsen lassen. Darüberhinaus haben die durch Eintritt in das Raumzeitalter aufgetretenen irdischen und interplanetarischen
Umgebungsbedxngungen die Schwierigkeit des mit der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Bauelemente verbundenen
Problems erhöht. Die meisten Erfordernisse bezüglich der Stabilität, der Präzision und der Mxniaturisierung wurden gleichzeitig
durch Tantal-Bauelementen erfüllt, bei denen elementares Tantal oder eine Tantal-Verbindung in Form einer Dünnschicht
verwendet wurde. Erst in jüngerer Zeit wurde jedoch herausgefunden,
daß Tantal-Aluminium-Legierungen konkurrenzfähig mit Tantal sind, und hinsichtlich der Stabilität in vieler Hin-
209845/1090
sieht dem reinen Tantal oder dessen Verbindungen überlegen
sind. Die Fachleute haben sehr schnell die außergewöhnlichen Festigkeitseigenschaften der Tantal-Aluminium-Legierungen
und den breiten Bereich von Widerstandsanwendungsfällen erkannt, für welche sie verwendbar sind. Untersuchungen haben
gezeigt, daß Tantal-Aluminium-Legierungen überlegene Festigkeitseigenschaften
bei Temperaturen in Bereichen von etwa 400° C zeigen,so daß sich ihre Verwendung als Widerstand
bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen anbietet. Unglücklicherweise standen bisher stabile bzw. beständige
Widerstandsmaterialien, wie z.B. Tantal-Aluminium-Legierungen,
-3 —2 O welche spezifische Widerstände im Bereich von 10 bis 10 j*· cm
haben, bisher für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen nicht zur Verfügung, die normalerweise Behandlungstemperaturen
im Bereich von 350 bis 400 C ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbesser tes Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen
anzugeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer beständigen
Tantal-Aluminium-Dünnschicht angegeben, bei dem aus der Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Gruppe ausgewählte
Ionen in eine Tantal-Aluminiumschicht mit 25-75 Atomprozent Aluminium implantiert werden, wobei die Tantal-Alumi-
209845/1090
niumschlcht durch Kondensationsverfahren auf einem Substratbauteil
niedergeschlagen ist, worauf die implantierte Schicht zur Wiederherstellung von Oberflächenbeschädigungen einer Temperbehandlung
unterzogen wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die aus dem Stand der Technik bekannten Begrenzungen
durch eine neue Verfahrenstechnik wirksam vermieden, wobei der spezifische Widerstand von hochbeständigen Tantal-Aluminium-Legierungsschichten
durch lonenimplantationsverfahren auf eine gewünschte Höhe angehoben werden, ohne daß die übrigen Eigenschaften
verändert werden. Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt kurz gesagt die Abscheidung einer
Tantal-Aluminium-Legierungsschicht auf einem geeigneten Substrat mittels üblicher Kondensationsverfahren, die Implantation
entweder von Stickstoff oder Sauerstoff in die abgeschiedene Schicht durch Ionenbeschuß und anschließendes
Tempern des implantierten Körpers.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert und zwar zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine durch kathodische Zerstäubung hergestellte Tantal—Aluminium—Legierungsschicht; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer für die Ionenimplantation des Bauteils nach Fig. 1 geeignete Vorrichtung.
2 098/;b/1090
Im folgenden wird insbesondere auf Figur 1 Bezug genommen, in der eine Draufsicht auf einen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellten Aufbau gezeigt ist. In der Zeichnung ist ein Substrat- oder Unterlagebauteil 11
gezeigt, auf dem ein Widerstandsmuster aus einer Tantal-Aluminium-Legierungsschicht
12 durch den Fachleuten an sich bekannte kathodische Zerstäubung niedergeschlagen ist. Die
Zerstäubungsvorrichtung hierfür weist eine so aufgebaute Kathodenkonfiguration auf, daß eine Tantal-Aluminium-Legierungsschicht
12 mit 25 bis 75 Atomprozent Aluminium erzeugt wird, wobei dieser Bereich durch Erwägungen bezüglich des
thermischen Oxidationswiderstands der Legierung gegeben ist. Ein solcher Aufbau hat üblicherweise die Form einer Tantal-Aluminium-Kathode
mit 25 bis 75 Atomprozent Aluminium, wobei eine Tantalscheibe mit Aluminium beschichtet ist oder bearbeitete
Streifen aus Aluminium trägt. Anschlußkontaktflächen 13 aus einem geeigneten Leitermaterial für den Widerstand
sind vorgesehen. Der so erhaltene Aufbau wird dann einer Ionenimplantation unterzogen, wobei Sauerstoff- oder Stickstoffionen
in die Tantal-Aluminium-Logierungsschicht im-plantiert
werden. Das für die Implantation verwendete Verfahren wird am einfachsten in Verbindung mit Figur 2 boschrieben.
Die verwendete Vorrichtung weist eine Ionenquelle ?o zur Erzeugung
von Sauerstoff- oder Stickstofίionen auf. lonenquel1 en
sind ausführlicher in "Methods of Experimental Physics" , ( hei ausqeqeben
von L. Mart.ow) , Band 4, Teil A (Academic Pi(1Ss, Hew
York, H.Y.) Seiten Ρ56-Γ83 (19Π7) beschrieben. Hei der Dm ch-
-Mi'UU b / I U 9 U
führung der Implantation focussieren (nicht gezeigte) elektrostatische
oder magnetische Linsen einen Ionenstrahl in eine Beschleunigersäule 21, welche die Ionen auf eine vorbestimmte
Energie beschleunigt. Der Ionenstrahl durchläuft dann eine Laufzeitröhre 22, welche einen langgestreckten, auf einen
Druck in der Größenordnung von 10" Torr evakuierten Bauteil umfaßt, und durchläuft dann einen Massentrennungsmagneten 23,
der Ionenverunreinigungen aus dem Strahl entfernt. Die Strahlrichtung wird durch einen x-y Ablenker 24 gesteuert, der den
Strahl auf einen gewünschten Zielbereich 25 richtet, welcher beispielsweise die in Figur 1 gezeigte Struktur sein kann.
Der Zielbereich 25 ist auf einer (nicht gezeigten) Halterung angeordnet, die aus einem unter den für die Implantation erforderlichen
Bedingungen beständigen Material besteht, beispielsweise aus korrosionsfestem Stahl oder Molybdän. Eine
Einrichtung 26 zum Erwärmen des Substrats zur Austemperung von Strahlungsschäden wird in einer weiteren auf die Implantation
erfolgenden Verfahrensstufe verwendet.
Wie erwähnt, werden die hier interessierenden Ionen auf eine erforderliche vorbestimmte Energie oder Geschwindigkeit beschleunigt,
um ihr angemessenes Eindringen sicherzustellen. Beschleunigungspotentiale im Bereich von 50.000 bis 3OCU0OO Volt
wurden als im allgemeinen geeignet für den angestrebten Zweck ermittelt. Das verwendete Beschleunigungspotential bestimmt
die Eindringtiefe der in Frage stehenden lone und seine Veränderung
hat Veränderungen in der Eindringtiefe und der gleich-
20 9 8 4 5/1090
zeitigen Steuerung der Dicke der implantierten Schicht zur Folge. Für die Zwecke des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die Eindringtiefe zwischen 400 und 2500 X
variiert werden, wenn erforderlich. Versuche haben außerdem gezeigt, daß eine gleichförmigere Verteilung der implantierten
Ionen erreicht werden kann, durch Beschüß mit Ionen von nach und nach abnehmender Energie.
Die Wärmebehandlung oder Temperung des erzeugten Bauelements wird schließlich in einem Temperaturbereich von
500 bis 700° C durchgeführt, um Strahlungsschäden zu entfernen.
Nachstehend sind im einzelnen Atisführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese Beispiele sollen lediglich
das Verständnis der Erfindung fördern.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Stickstoff-implantierten
Tantal-Aluminium-Schichtwiderstands gemäß einem Ausfüfhrungsbeispiel der Erfindung.
Es wurde eine Vorrichtung zur kathodischen Zerstäubung mit einer derart mit Aluminiumstreifen belegten Tantalkathode
verwendet, daß die geometrische Fläche des Aluminiums auf der Tantalkathode etwa 40 Atomprozent betrug.
20 9 845/1090
Bei der verwendeten Vorrichtung wurde eine schwebende, d.h. eine nicht angeschlossene Anode verwendet, wobei*
die Potentialdifferenz dadurch erreicht wurde, daß die Kathode relativ zur Erde negativ gemacht wurde.
Das gewählte Substrat war eine mit Siliziumdioxid beschichtete Siliziumscheibe von 17,463 mm Durchmesser.
Die Vakuumkammer wurde zunächst auf einen Druck in der Größenordnung von 1 χ 10"" Torr evakuiert, worauf Argon
mit einem Druck von 25 ja Hg zugeführt wurde. Eine Gleichspannung von etwa 4000 Volt wurde zwischen der Anode und
der Kathode angelegt und der Zerstäubungsvorgang etwa 6 Minuten lang durchgeführt, was zu einer Schicht aus
einer Tantal-Aluminium-Legierung mit etwa 60 % Tantal und 40 % Aluminium in einer Dicke von 630 A führte.
Die aufgestäubte Tantal-Aluminium-Legierung wurde dann mit
ο ο
einer 200 A dicken Schicht von Titan und einer 5000 A dicken Schicht von Gold belegt, und ein gewünschtes Widerstandsmuster
wurde hierin durch bekannte Verfahren erzeugt, so daß sich ein dem in Figur 1 gezeigten ähnlicher Aufbau
ergab.
Die Titan-Gold-Anschlußkontaktflachen des Aufbaus wurden
dann mittels einer Maske aus korrosionsfreiem Stahl abgeschirmt und ihre Rückseiten wurden mit Silberfarbe be—
2 U U b .·, b / 1 Ü 9 0
schichtet, um die während des Implantationsvorgangs erzeugte Joulesche Wärme abzuführen. Der erhaltene Aufbau
wurde dann in eine Vorrichtung gesetzt, wie sie beispielsweise in Figur 2 gezeigt ist, und es wurde eine Ionenimplantation
mit Stickstoffionen (N2 +) bis auf eine Tiefe
ο
von 630 A in einem Ionenbeschleuniger durchgeführt, in dem eine Spannung von 150 keV verwendet wurde, wobei eine inte-
von 630 A in einem Ionenbeschleuniger durchgeführt, in dem eine Spannung von 150 keV verwendet wurde, wobei eine inte-
17 2
grierte Gesamtbeaufschlagung von etwa 2 χ 10 As/cm erfolgte.
Im Anschluß an die Implantation wurde der Aufbau eine Stunde lang bei 700° C bei einem Druck von 10" Torr getempert, um
die Strahlungsschäden in der Schicht zu heilen und um eine gleichmäßige Verteilung der implantierten Ionen über die
Schichtdicke zu erreichen.
Die implantierte Schicht wurde durch Messung des spezifischen Flächenwiderstands bei IkH auf einem Impedanzvergleicher gekennzeichnet.
Der Temperaturkoeffizient: des Widerstands (TCR) wurde durch Widerstandsmessungen bei Raumtemperatur und der
Temperatur des flüssigen Stickstoffs bestimmt. Die Schichtdicke des Widerstands wurde durch Talysurf-Messxangen der
Schicht ermittelt und die strukturen lon Eigenschaften wurden
durch Rontgen-Beugung und durch Elektronen-Mikrotanterverfahren
.studiert.
Die so erhaltenen Messungen zeigten, daß der hergestellte Widerstand einen ursprünglichen spezifischen Flächenwiderstand
von 30,5Ju /Quadrat, 32,8 C^/Quadrat nach der Implan
tation und 37^»^/ Quadrat nach der Temperbehandlung hatte.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wurde mit geringeren Abwandlungen wiederholt, wobei die im folgenden angegebenen
Daten festgestellt wurden:
.Widerstandsschicht (Atom %) 60 Ta - 40 Al
Substrat SiOp-Si
Implantierte Ionen N^+
17 ?
Ionen Dosierung 10 /cm 2,46 bei 150 Kev
Ionen Dosierung 10 /cm 2,46 bei 150 Kev
Ionen Bereich A 630
ο
Anfängliche Schichtdicke A 630
Anfängliche Schichtdicke A 630
Anfängliches R„ 30,5 ζε/Quadrat
Rs nach der Implantation 32,8 £2/QUadrat
Rg nach der Temperbehandlung 3 7 ζ?- /Qu a drat
TCR PPM/°C —
Widers hands sch iaht (Atom ,(,)
60 Ta - 40 Al
S uhr; trat SiO0-Si
LmplrinLLf.'rto Ionon N
Ionen Dof! Lorunq 10 /cm'' 1,64 bei L50 Kev
209845/ 1090
- Io -
Ionen Bereich A 630
Anfängliche SchichtdickeA 630
Anfängliches R5 27,2 ic /Quadrat
Rg nach der Implantation 31,6 S^ /Quadrat
Rg -nach der Temperbehandlung 34,0 it: /Quadrat
TCR PPM/°C —
Widerstandsschicht (Atom %) 60 Ta - 40 Al
Substrat SiOp-Si
Implantierte Ionen Np+
17 ?
Ionen Dosierung 10 /cm 2,87 bei 150 Kev
Ionen Bereich A 630
Anfängliche SchichtdickeA 630
Anfängliches R3 28,6 Q /Quadrat
Rg nach der Implantation 31,6 ic /Quadrat
Rq nach der Temperbehandlung 34,0 S^ /Quadrat
TCR PPM/°C —
Widerstandaschicht (Atom %) 25 Ta - 75 Al
Substrat Quarz
Implantier I:α Ionen N2
Ionen Doi;ioruruj lü /cm 5,51
Ionen Bereich A 400-1300
AniängLiche .'ichIchtdIckeA 1500
.uifrinql Lches >
695 μ Q -
cm
I U U b *» b / 1 0 9 0
ο nach der Implantation 4100 μ Q. -cm
λ nach der Temperbehandlung 4690 ^i.Q -cm
TCR PPM/°C -265
Widerstandsschicht (Atom %) 25 Ta - 75 Al
Substrat Quarz
Implantierte Ionen ^+
Ionen Dosierung 1017/cm2 4,83
Ionen Bereich A 400-1300
Anfängliche Schichtdicke A 1500
Anfängliches^ 579 μζ}, -cm
ο nach der Implantation 2370 /u Q -cm
y nach der Temperbehandlung 2370 pi?, -cm
TCR PPM/°C -231
Widerstands sch- icht (Atom %) 25 Ta - 75 Al
Substrat Quarz
Implantierte Ionen 0^'
17 ?
Ionen Dosierung 10 /cm 7,53
Ionen Bereich
A* 400 - 1300
Anfängliche Schichtdicke A 1500
Anfängliches O 690 /uSii -cm
O nach der Implantation 11 610 p'ü1. -cm
ο nach der Temperbehandlung 13 054 p'ji1 -cm
TCR PPM/°C .
9 8^.5/1090
Eine Analyse der listenmäßig zusammengestellten Daten zeigt, daß die in den Beispielen 1 bis 3 erläuterten
Widerstände mit Verfahren hergestellt sind, bei denen der berechnete Io.nenbereich die Schicht-Substrat-Zwischenfläche
war. Untersuchungen der Schicht zeigten, daß wenigstens die Hälfte der implantierten Ionen die Schicht
vollständig durchdrang und im Substrat eingelagerVgefunden wurde. Reflexions- und Rontgenbeugungsuntersuchungen zeigten,
daß die implantierten Gebiete von der ^-Tantalphase in die bcc-Tantalphase umgewandelt waren.
Um eine gleichmäßigere Verteilung der implantierten Ionen zu erreichen, wurden die gemäß Beispiel 4 bis 6 hergestellten
Bauelemente mit Ionen progressiv geringer werdender Energien beschossen. Es wurde beobachtet, daß erhebliche Änderungen
des Widerstandes und der Dicke vor der Temperbehandlung auftraten, so daß angenommen werden muß, daß eine gleichmäßigere
Verteilung der implantierten Ionen über die Schichtdicke erreicht wurde. Zusätzlich wurde beobachtet, daß der Widerstand
der nach diesen Beispielen hergestellten Materialien sich um einen Faktor um etwa 20 änderte, ohne daß dabei
gleichzeitig erhebliche Änderungen des Widerstandstemperaturkoeffizienten auftraten.
2098/f 5/1090
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer stabilen Tantal-Aluminium-Dünnschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß aus der Stickstoff-/ Sauerstoffgruppe ausgewählte Ionen in eine durch Kondensation
auf einem Substrat niedergeschlagene Tantal-Aluminium-Schicht mit 25-75 Atomprozent Aluminium implantiert werden, und daß
die Schicht nach der Implantation zur Wiederherstellung von Oberflächenschäden einer Temperbehandlung unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch kathodische Zerstäubung niedergeschlagen
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Implantation mit Beschleunigungspotentialen im Bereich
von 50.000 bis 300.000 Volt bei Eindringtiefen von 400 A bis
ο
2500 A durchgeführt wird.
2500 A durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als Implantationsionen Stickstoffionen verwendet
werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als Implantationsionen Sauerstoffionen verwendet werden.
2098'4 5/1090
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Implantationsvorgang mit
Ionen von progressiv abnehmenden Energien in mindestens zwei Stufen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperbehandlung bei Temperaturen
im Bereich von 500 bis 700 C durchgeführt wird.
8. Nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellte Tantal-Aluminium-Dünnschicht.
209845/1090
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