DE2724498C2 - Elektrischer Schichtwiderstand und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Elektrischer Schichtwiderstand und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

3. Elektrischer Schichtwiderstand nach einem der Anspräche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht zwischen 8 nm und 50 nm beträgt
4. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einer Quelle (2), welche eine oder mehrere Chrom-Silizium-Verbindungen (3) enthält, durch Kathodenzerstäuben oder Aufdampfen als Schicht auf ein Substrat (5) niedergeschlagen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenzerstäuben oder Aufdampfen in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebungsatmosphäre erfolgt
6. Verfahren nach einem der Anspräche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrates (5) beim Niederschlagen der Schicht (6) zwischen etwa 3500C und 4300C gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Anspräche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsatmosphäre gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck zwischen 10-' N/m2 (10-3 T0n.) un(j lo-JN/m* (10-5 Torr) gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Anspräche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagungsgeschwindigkeit für die Schicht (6) zwischen 0,2 nm pro see und 0,5 nm pro see gehalten wird.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schichtwiderstand, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs näher angegeben ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In der Elektrotechnik werden nieder- und hochohmige Schichtwiderstände für viele Zwecke benötigt, beispielsweise für diskrete Widerstände, für ÄC-Netzwerke, für Dünnschicht-Dehnungsmeßstreifen sowie für Widerstände in integrierten Halbleiterschaltungen. Als Materialien für solche Schichtwiderstände sind Nickel-Chrom, Tantalnitrid (Ta2N) und Tantal-Oxinitrid bekannt (vgl. »Thin Solid Films«, Bd. 36 [1976], Seiten 357 bis 360). Diese Materialien sind relativ niederohmig; so weist beispielsweise eine Nickel-Chromschicht und eine Schicht aus Tantalnitrid einen Flächenwiderstand zwischen 50 und 300 Ω sowie einen Temperaturkoetfizienten des elektrischen Widerstandes im Bereich zwischen +50 und -300ppm/K auf. Weiter ist bekannt, als Material für Schichtwiderstände Obergangsphasen oder Gemische aus Metall und Metalloxid zu verwenden (»Radio Mentor Electronic«, Bd. 42,1972, Seiten 342 bis 346). Ferner ist bekannt, Chromdisilizid (CrSi2) als Material für elektrische Widerstände zu verwenden (L Nishida, »Journ. of Material Science«, Bd. 7, 1972, sowie »Thin Solid Films«, Bd. 36, 1976, Seiten 357 bis 360). Der spezifische elektrische Widerstand solcher Chromdisilizid-Schichten liegt im Bereich um 1400 μΩ · cm, und der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes (TKR) liegt im Bsreich zwischen 500 und 800 ppm/K. Aus der letztgenannten Veröffentlichung ist ferner entnehmbar, daß man durch Anreichern einer derartigen Widerstandsschicht mit Sauerstoff sehr hohe Widerstandswerte b*ei kleinem TKR erhalten kann.
Zur Herstellung von niederohmigen und hochohmigen Widerständen werden nach dem Stand der Technik jeweils unterschiedliche Materialien verwendet Dies ist mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, wenn beispielsweise in einer integrierten elektrischen Schaltung sowohl niederohmige wie auch hochohmige Widerstände hergestellt werden sollen, da die jeweiligen aäi Widerstände vorgesehenen Schichten in verschiedenen Herstellungsprozessen und in verschiedenen Apparaturen gefertigt werden müssen. Um eine solche kostspielige Doppelfertigung für nieder- und hochohmige Dünnschicht-Widerstände zu vermeiden, wird versucht die für niederohmige Schichten verwendeten Materialien auch auf hochohmige Widerstandswerte hin zu züchten. Dies bedingt jedoch für die mit solchen Materialien hergestellten hochohtnigen Widerstände eine hohe Ausfallrate aufgrund der stark verringerten Reproduzierbarkeit
Aufgabe der Erfindung ist es, für einen elektrischen Schichtwiderstand der eingangs genannten Art ein Material anzubieten, mit dem sich sowohl niedrige als auch hohe Werte des Flächenwiderstandes der Widerstandsschicht erreichen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Material der Schicht eine homogene amorphe Mischung aus einer oder mehreren Chrom-Silizium-Verbindungen und einem oder mehreren Oxiden des Siliziums ist, wobei das Verhältnis aus der Zahl der Chrom-Atome zur Zahl der Silizium-Atome zwischen 1 und 0,5 beträgt.
In diesem Bereich liegt eine atomare Mischung von Chrom, Silizium und Sauerstoff vor.
Zwar ist aus der bereits zitierten Zeitschrift »Thin Solid Films« 36 (1976) auf den Seiten 357 bis 360 zu entnehmen, daß durch den Einbau von SiO2 in eine schon hochohmige Chromsilizidschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der spezifische Widerstand noch weiter erhöht und gleichzeitig der Temperaturkoeffizient auf sehr kleine positive oder negative Werte gedrückt werden kann, doch sind dann die elektrischen Eigenschaften nicht mehr reproduzierbar zu steuern, weil sie sehr empfindlich von der Zusammensetzung abhängen. Schwankungen von ± 1 Atom % sind bereits zu groß. Außerdem hat auch die Verteilung CrSi2 und SiO2 einen großen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der gefertigten Widerstände. Durch das Vorliegen der atomaren Mischung von Chrom, Silizium und Sauerstoff in den erfindungsgemä-
Ben Bereich sind die elektrischen Eigenschaften nicht von der Verteilung der zwei Phasen CrSi2 und SiC>2 abhängig. Ferner ändern sich die elektrischen Eigenschaften in diesem Bereich nur geringfügig mit der Zusammensetzung.
Der amorphe Zustand der erfindungsgemäßen Schichten macht es möglich, hochohTiiges Widerstandsmaterial herzustellen, dessen elektrische Eigenschaften im amorphen Bereich unabhängig von Gefüge und geringen Konzentrationsschwankungen in der Legierung simi
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen elektrischen Schichtwiderstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere darin, daß die mit diesem Material gewonnenen niederohmigen Widerstandsschichten eine hohe Stabilität, einen kleinen Temperaturkoeffizienten zwischen —50 bis —150 ppm/K bei einem spezifischen elektrischen Widerstand von 580±50μΩ · cm aufweisen. Wird bei dem Herstellungsvorgang dafür gesorgt, daß ein Anteil des in der Schicht vorhandenen Siliziums als Siliziumoxid (SiO) oder als Siliziumdioxid (SiO2) vorliegt, so lassen sich Widerstandsschichten mit Rächenwiderständen zwischen 1000 und 8000 Ω bei einer Schichtdicke von etwa 20 nm erreichen. Dies entspricht einem spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 2000 und 16 000 μΩ · cm. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes besitzt dabei Werte zwischen 0 und — 440 ppm/K.
Der jeweilig gewünschte Widerstandsbereich kann auf einfache Weise durch den Sauerstoffgehalt der Umgebungsatmosphäre beim Niederschlagen der Widerstandsschicht gesteuert werden.
Aus der Zeitschrift »radio mentor electronic« 42 (1976) H. 9, S. 342 bis 346 ist u. a. ein Verfahren zum Herstellen von Metalloxidwiderstandsschichten durch reaktives Zerstäuben zu entnehmen, wobei darauf hingewiesen wird, daß beim Aufstäuben in O2-Atmo-Sphäre bei erhöhter Temperatur Konzentrationsänderungen in der Schicht auftreten können. Dieser Literaturstelle ist auch zu entnehmen, daß dem Sauerstoff beim Schichtaufbau bezüglich der erzielbaren elektrischen Eigenschaften eine wesentliche Rolle zukommt Konkrete Angaben über die Zusammensetzung einer aus Chrom-, Silizium- und Sauerstoff-Atomen bestehenden Widerstandsschicht werden jedoch nicht gemacht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines so Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert.
In der Figur ist schematisch dargestellt, wie ein erfindungsgemäßer elektrischer Schichtwiderstand hergestellt wird.
Die zur Herstellung verwendete Apparatur besteht aus einem evakuierbaren Rezipienten 1, in dem sich ein Tiegel 2 befindet, der das für die Widerstandsschicht vorgesehene Material 3 enthält Weiterhin befindet sich in dem Rezipienten ein Substrathalter 4, der mittels einer Stromquelle 7 beheizt werden kann. An dem Substrathalter 4 ist ein Substrat 5, das beispielsweise aus Corning-Glas oder Aluminiumoxid (Al2O3) besteht, befestigt Das Niederschlagen der Widerstandsschicht 6 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Einmal kann das Material 3 durch Erhitzen verdampft werden. Dazu dient eine Stromquelle 8, mit der der Tiegel beheizt werden kann.
Das Niederschlagen der Schicht kann aber auch durch Kathodenzerstäuben vorgenommen werden. Dazu wird über einen Gaseinlaß 9 das Innere des Rezipienten mit Argon bei einem Druck von 2,6 N/m2 (2 - 10"2 Torr) gefüllt Mit Hilfe einer Hochfrequenz-Antenne 10 und einer daran angeschlossenen Hochfrequenz-Stromquelle 11 wird im Innern des Rezipienten eine das Kathodenzerstäuben auslösende Entladung hervorgerufen. Die Spannung der Hochfrequenz-Stromquelle- 11 beträgt beispielsweise 1000 Volt, die Schwingfrequenz 13,6MHz, die HF-Leistung z.B. 700Watt Das Ausgangsmaterial 3 besteht aus einer Mischung von Chrom und Silizium, wobei der Siliziumanteil dieser Mischung so gewählt werden muß, daß die Siliziumkonzentration in der Schicht zwischen 50 und 66 Atom % liegt. Wird dieses Material verdampft bzw. zerstäubt und als Schicht 6 auf dem Substrat niedergeschlagen, so erhält man für die Schicht 6 eine CrSi-Schicht mit einem Si-Überschuß, die aufgrund des Si-Überschusses stark gestört ist und daher feinkristallin ist. Beträgt der Siliziumanteil beispielsweise 57 Atom %, so erhält man, wenn die Umgebungsatmosphäre im wesentlichen frei von Sauerstoff ist d. h. Sauerstoffpartialdruck kleiner ΙΟ-4 N/m2 (10-6Torr), Schichten mit einem spezifischen Widerstand von 580 + 50 μΩ · cm. Zur Herstellung von hochohmigen Widerstandsschichten 6 wird über das Ventil 9 Sauerstoff in den Rezipienten eingelassen, so daß ein Partialdruck des Sauerstoffes von etwa 10-3 bis 10-2 N/m2 (ΙΟ-5 bis ΙΟ-4 Torr) erreicht wird. Wird bei einer solchen Umgebungsatmosphäre das Material 3 verdampft oder durch Kathodenzerstäuben auf dem Substrat niedergeschlagen, so erhält man für die Schicht 6 eine homogene amorphe Mischung aus CrSi, SiO und SiO2. Durch die Beimengung von Sauerstoff in der niedergeschlagenen Schicht 6 können sich in der Schicht 6 keine kristallinen Bereiche bilden, so daß der spezifische Widerstand steigt. Wird während des Niederschiagens der Schicht 6 der Substrathalter 4 und damit das Substrat 5 bei einer Temperatur zwischen etwa 350° und 4500C gehalten, so wird gewährleistet, daß das überschüssige Silizium vollständig in Oxide umgewandelt ist, so daß später Alterungseffekte, deren Ursache eine solche Oxidation ist nicht mehr auftreten können. Damit wird erreicht daß die niedergeschlagene Widerstandsschicht sehr stabil ist.
Besonders günstige Ergebnisse für die Stabilität der niedergeschlagenen Schichten 6 und den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes dieser Schichten ergeben sich, wenn für das Ausgangsmaterial 3 ein Material verwendet wird, dessen Siliziumanteil zwischen 54 und 62 Atom % beträgt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Elektrischer Schichtwiderstand mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material, das Chrom- und Silizium-Atome enthält, auf einem Substrat,dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schicht (6) eine homogene amorphe Mischung aus einer oder mehreren Chrom-Silizium-Verbindungen und einem oder mehreren Oxiden des Siliziums ist, wobei das Verhältnis aus der Zahl der Chrom-Atome zur Zahl der Silizium-Atome zwischen 1 und 0,5 beträgt
2. Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material der Schicht das Verhältnis aus der Zahl der Chrom-Ato-
46
me zur Zahl der Silizium-Atome zwischen — und
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