DE2461096C3

DE2461096C3 - Verfahren zur Herstellung eines Dunnschichtwiderstandes

Info

Publication number: DE2461096C3
Application number: DE19742461096
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kamo; Yoshiichi Saito; Junichiro Yamazaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1978-04-06
Also published as: FR2256515B1; DE2461096B2; JPS5096897A; DE2461096A1; FR2256515A1; JPS555841B2; GB1429610A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstandes mit einer Widerstandsschicht aus Tantal, Aluminium und Stickstoff, wobei durch aktives Zerstäuben einer Tantal-Aluminium-Kathode unter einci Atmosphäre aus Stickstoff und inertem Gas eine 0,03 bis 0,150 /im (100 bis 1500 A) dicke Widerstamisschici-'. auf einen isolierenden Träger aufgebracht ^-vird.

Ein vergleichbares Verfahren is: der US-Patenischrift 3703456 entnehmbar. Dort wird die Herstellung eines Dünnschichtwiderstandes mit hohem Widerstand beschrieben, wobei die zu zerstäubende Kathode aus zwei verschiedenen Metallen bestehen muß, nämlich einerseits aus Chrom, Silicium, Beryllium, Aluminium oder Magnesium und andererseits aus Molybdän, Tantal oder Wolfram. Als reaktives Gas der Zerstäubungsatmosphäre ist Stickstoff, Stickstoffmonoxid, Distickstoffmonoxid oder Ammoniak vorgesehen, wobei der Dampfdruck an reaktivem Gas 0,5 bis 150 x 10 ' Torr betragen soll. Die Dicke der Widerstandsschicht soll mehr als angenähert 0,01 /<m betragen.

Ersichtlich erlauben diese Angaben zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen des bekannten Verfahrens, gemäß denen jeweils verschiedene Dünnschichtwiderstände erhalten werden. Nach den angegebenen Beispielen wird eine zu zerstäubende Kathode verwendet, die in allen Fällen Chrom enthält, während für die zweite Komponente Molybdän, Silber oder Gold genannt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das obengenannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß damit Dünnschichtwiderstand.: erhalten werden, die bei einem spezifischen Widerstand von 400 bis 1000 /iQcm einen Temperuturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes unter -300 10 '7° C und eine solche Alterungsbeständigkeit aufweisen, daß sich der Widerstandswert im Verlauf von 1000 Std. bei einer Temperaturbclastung von 150" C um weniger als 2% lindert.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren ist die erfindungsgemaße Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch die (icsamtheil der folgenden Verfahrensschritte, nämlich daß der Tantal-Flächenanteil zu 30 bis 80% gewählt wird, daß die Atmosphäre aus Argon und Stickstoff besteht und ein Stickstoffpartialdruck von 2,6 bis 13,3 10 ' mbar (2 bis

K) · 10 '⁴ Torr) eingestellt wird und daß beim gesamten Herstellungsprozeß eine Wärmebehandlung der Widerstandsschicht mit Temperaturen oberhalb von 250" C vermieden wird.
Aus der DE-AS 1925 194 ist bei einem vergleichbaren Verfahren die Zerstäubung einer Tantal-Aluminium-Kathode mit einem Flächenanteil von 25 bis 60% Aluminium bereits bekannt. Für die isolierte Maßnahme, eine Tantal-Aluminium-Kathode mit einem Tantal-Flächcnanteil von 30 bis 80% zu /erstäuben, wird daher kein Schutz beansprucht.

Weiterhin ist es aus der DE-AS 1490 927 für ein vergleichbares Verfahren bekannt, als Zerstäubungsatmosphäre ein Gemisch aus Stickstoff und Argon zu verwenden. Um eine Widerstandsschicht mit einem

^ϊο Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von weniger als 200x 10 V¹ C zu erhalten, soll dort der Stickstoffpartialdruck der Zerstäubungsatmosphärc2x IO ^sbis 1 x 10 'Torr betragen. Für die isolierte Maßnahme, nämlich eine Atmosphäre aus Argon und Stickstoff zu verwenden und den Stickstoffpartialdruck auf 2 bis 10x10 ⁴ Torr einzustellen, wird daher ebenfalls kein Schutz beansprucht.

Schließlich ist es auch aus der bereits genannten DE-AS 1925 194 bekannt, daß eine aufgestäubte Wi-

3" derstandsschicht aus Tantal-Aluminium-Legierung nach dem Aufbringen einer ausgewählten Leiterschicht und anodischer Oxidation 5 Stunden lang in Luft bei 250° C gealtert wurde. Alterungstemperaturen von 250 bis 450° C werden in der DE-AS 1490927 genannt.

Unabhängig von der Tatsache, daß einzelne Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits bekannt war^n, gewährleistet erst die Gesamtheit der erfindungsgemäß ausgewählten unu zugeordneten Maßnahmen die Lösung der erfindungsgemäüen Aufgabe, nämlich einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, der bei einem spezifischen Widerstand von 400 bis 1000 /iQcm einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes unter -300- KrVC und eine solche Alterungsbeständigkeit aufweist, daß sich der Widerstandswert im Verlauf von 1000 Stunden bei einer Temperaturbelastung von 150° C um weniger als 2% ändert.
Erfindungsgemäß wird somit beim Zerstäubungs-Vorgang eine Kathode verwendet, die aus Tantal und Aluminium in vorgegebener Zusammensetzung besteiit; weiterhin ist eine Zerstäubungsatmosphäre vorgesehen, die Stickstoff (N₂) und Argon (Ar) mit vorbestimmten Partialdrückcn enthält. Unter diesen Bedingungen wird auf einem Substrat aus einem Material wie Keramik oder dergleichen durch den Zerstäubungsvorgang eine Dünnschicht einer Ta, Al und N enthaltenden Zusammensetzung gebildet.

Im folgenden werden das erfindungsgemaße Ver-

fio fahren und dessen Vorteile anhand von Ausführungsbeispiclcn näher erläutert. Zur Erläuterung der Erfindung dienen auch 5 Blatt Abbildungen mit den Fig. 1 bis 5; im einzelnen zeigen

Fig. 1,2 und 3 in Form graphischer Darstellungen

^fi5 die Veränderung des spezifischen Widerstandes, des Tempernturkoeffizienten lies elektrischen Widerstandes bzw. der zeitlichen Widerstandsänderung bei Änderung des Tu-Al-Verhältnisses der Kathode und bei

Änderung ilcs Sticksloff-Partialdruckes; hierbei sind auf den horizontalen Achsen die Tu-Al-Zusammenset/ung und auf den vertikalen Achsen der Stickstoff-Partialdruck aufgetragen,

Fig. 3 in Form einer graphischen Darstellung die Änderung des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes der aus Ta-Al-N bestehenden Widerstandsschicht, in Abhängigkeit vom Stickstoff-Partialdruck bei verschiedenen Aluminiumanteilen, und

Fig. 5 die Widerstandsänderung nach einer H)(KJ Stunden dauernden Alterung hei 150° C für Ta-Al-N-Schichten mit einem Flächenwidcrsiand von etwa 500 Ohm und Schichtdicken von 0,03 /im in Abhängigkeit vom Stickstoff-Partialdruck und vom prozentualen Aluminiumanteil.

Mit den Fig. 1, 2 und 3 sind die Veränderungen des spezifischen Widerstandes, des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes bzw. der zeitlichen Widerstandsänderung in Verbindung mit dem Stickstoff-Partialdruck und der Ta-AI-Kathodenzusammensetzung im obenerwähnten Zerstäubungsverfahren im Variationsbereich von 0% bis 100% bzw. 100% bis 0% dargestellt. Die Zerstäubung erfolgte bei —5 kV und 0,53 mA/cnr, bis Dünnschichten mit einer Dicke von 0,03 bis 0,150 /im erhalten wurden. Die Messungen erfolgten an diesen Schichten.

Der Wert der zeitlichen Widerstandsänderung nach einer Temperaturbelastung von 1000 Stuntien, bei 150° C und ohne Anlegung einer Last ist das mit Fig. 3 dargestellte Δ R/R.

Mit Fig. 4 sind Änderungen des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes dargestellt, in Abhängigkeit vom Stickstoff-Partialdruck und von dein Al-Anteil der Ta-Al-Kathode; die Zerstäubung erfolgte wiederum bei —5 kV und 0,53 mA/cnr, bis Dünnschichtcn mit einer Dicke von 0,03 bis 0,150 /im erhalten wurden.

Wie aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich, weist die Dünnschicht der Ta-Al-N-Zusainmensetzung in dem Gebiet, das durch Zerstäubung einer Ta-Al-Kathode mit einem Tantalanteil von 30% bis H0% unter einem Stickstoff-Partialdruck von 2,6 bis 13,3 X 10 ⁴ mbar erhalten wurde, eine minimale Änderung des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf. Das heißt, die in diesem Gebiet gelegene Dünnschicht weist die stabilsten Eigenschaften hinsichtlich der zeitlichen Widerstandsänderung auf. Die Dünnschicht in dem in den Fig. 3 und 5 gezeigten und obenerwähnten stabilen Hereich weist einen spezifischen Widerstund von 400 bis 1000 /i£2cm auf, wie das auch Fig. 1 zu entnehmen ist. Aus den Fig. 3 und 5 ist ersichtlich, daß die Dünnschicht einer Ta-Al-N-Zusammensetzung im f labilen Bereich stabiler ist als eine Ta- Al-Zusammensetzung und erst recht stabiler ist als ejne Tu-N-Zusammensetzung.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Ta-Al-N-Dünnschicht beinahe denselben Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist, wie eine Ta-N-Dünnschicht.

Wie weiterhin der Fig. 4 zu entnehmen ist, weist die Ta-Al-N-Dünnsehicht eine Plateaueigenschaft auf, welche derjenigen einer Ta-N-Dünnschicht gleich

>o ist; dies gewährleistet bei der Bildung einer Ta-Al-N-Dünnschicht ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit, das demjenigen einer Ta-N-Dünnschkht entspricht.

Obwohl die Werte für den Widerstand und den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes für eine 0,03 bis 0,05 μη\ dicke Ta-Ai-N-Schicht mit einem Ouadratflächenwiderstand von 500 Ohm den Werten für eine 0,1 bis 0,15 μπι dicke Schicht entsprechen, ist in dem mit Fig. 5 dargestellten Bereich mangelnden Stickstoffs (Ta-AI-Schicht) oder mangelnden Aluminiums (Ta-N-Schicht) die Widerstandsänderung bei Alterung der dünneren Schicht größer als die entsprechende Änderung der dickeren Schicht. Erfindungsgemäß ist es beim Herstellungsprozeß erforderlich, alle Wärmebehandlungstemperaturen bei 250° C oder darunter zu halten. Im Gegensatz dazu erfordern die sehr dünnen Ta-N- und Ta-Al-Schichten eine höhere Stabilisierungstemperatur, nämlich 350° C oder mehr. Demgegenüber ist die Ta-Al-N-Dünnschicht hinsichtlich Alterung selbst bei einer Wärmebehandlungstemperatur vor. 200° C beständig (Fig. 5).

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Ta-Al-N-Dünnschichten mit vorteilhaften Eigenschäften erhalten; insbesondere bleibt die Stabilität des Widerstandes auch dann erhaben, wenn die Dicke der Schicht reduziert wird; der spezifische Widerstand der Schicht in dem in Fig. 3 dargestellten Bereich ist etwa viermal größer als der Widerstand einer Ta-N-Dünnschicht. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein Dünnschichtwiderstand hergestellt werden, der einen zehnmal größeren Flächenwiderstand aufweist als bei einer herkömmlichen Ta-N-Dünnschicht; und einen zwei- bis dreimal so großen Flächenwiderstand aufweist als bei einer Ta-Al-Dünnschicht. Im Ergebnis werden Ta-Al-N-Dünnschichtwiderstände erhalten, die bei einem spezifischen Widerstand von 400 bis 1000 μ Sicm einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes unter -300 X IO V C und eine solche Alterungsbeständigkeit aufweisen, daß sich der Wi derstandswert im Verlauf von K)(M) Std. bei einer Teiip>.raiurbelastung von 150° C um weniger als 2% ändert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstandes mit einer Widerstandsschieht aus Tantal, Aluminium und Stickstoff, wobei durch aktives Zerstäuben einer Tantal-Aluminium-Kathode unter einer Atmosphäre aas Stickstoff und inertem Gas eine 0,03 bis 0,150 /im (300 bis 1500 A) dicke Widerstandsschicht auf einen isolierenden Träger aufgebracht wird, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Verfahrensschritte, nämlich, daß der Tantal-Flächenanteil zu 30 bis 80% gewählt wird, daß die Atmosphäre aus Argon und Stickstoff besteht und ein Stickstoffpartialdruck von 2,6 bis 13,3 K) < mbar (2 bis 10 · K)'⁴ Torr) eingestellt wird und daß beim gesamten Herstellungsprozeß eine Wärmebehandlung der Widerstandsschicht mit Temperaturen oberhalb von 250° C vermieden wird.