DE2727659B2

DE2727659B2 - Verfahren zur Herstellung grobkristalliner oder einkristalliner Metallschichten

Info

Publication number: DE2727659B2
Application number: DE2727659A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Menzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1977-06-20
Publication date: 1980-01-10
Also published as: JPS548129A; FR2395326A1; FR2395326B1; GB1576707A; DE2727659A1; CH634605A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung grobkristalline, oder einkristalliner Metallschichten, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

In der Elektrotechnik und ·'tsbesondere in der Halbleitertechnologie werden diinne Metallschichten beispielsweise für Leiterbahnen, elektrische Widerstände oder als Kondensatorelektroden verwendet. Diese Bauteile müssen auch bei wechselnder thermischer Belastung eine sehr lange Lebensdauer und eine gute Stabilität ihrer elektrischen Eigenschaften aufweisen. So müssen derartige Metallschichten beispielsweise kurzzeitige Temperaturbelastungcn bis etwa 400⁰C sov.-ie dauernde Erwärmungen bis etwa 150⁰C ohne Eigenschaftsveränderungen überstehen.

Derartige Metallschichten werden meist durch Aufdampfen oder Aufsputtern auf Substrate wie Glas, Silizium oder Keramikmaterial hergestellt. Diese Metallschichten sind im allgemeinen feinkristallin. So weist beispielsweise Tantal, das bei einer Substrattemperatur von 150⁰C aufgedampft oder aufgesplittert wird, eine Korngröße von etwa IO nm auf. Die Eigenschaft der Schichten, feinkristallin zu sein, kann je nach ihrer Verwendung verschiedene Nachteile zur Folge haben. Werden mit solchen Metallschichtcn versehene Bauelemente beispielsweise bei höheren Temperaturen betrieben, so kann in diesen feinkristalli nen Metallschichten ein Kornwachstum eintreten, das die Eigenschaften dieser Schichten, beispielsweise den elektrischen Widerstand sowie den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, stark verändert. Werden solche feinkristallinen Metaiischichten als Leiterbahnen verwendet, so kann es bei der in hochintegrierten Schaltungen erforderten Stromdichten in solchen Leiterbahnen zu einer starken Elektromigration kommen (vgl. »Proc. of the IEEE«, Bd. 59, Nr. 10 (Okt. 1971). Seiten 1409-1418). Die Elektromigration hat als wesentliche Ursache Strukturinhomogenii;iten im Material der Leiterbahn, wie beispielsweise Korngrenzen. Um stabile Eigenschaften solcher Metallschichten in einem größeren Temperaturbereich zu erzielen, wurden bisher die Metallschichten einer langdauernden Wärmebehandlung unterzogen, die in der Regel zu einer Kornvergrößerung innerhalb der Schichten führt. Ein solcher Tempervorgang ist jedoch insbesondere bei Halbleiterschaltungen problematisch, da durch die zur Wärmebehandlung erfoi Verliehen hohen Temperaturen andere, bereits ausgebildete Bauelemente zerstört werden können. Weiterhin kann durch einen solchen Temperprozeß insbesondere bei schmalen Leiterbahnen ein Wachstum der Korngrenzflächen quer durch die ganze Leiterbahn verursacht werden. Dies wiederum führt bei einer Strombelastung der Leiterbahn zu einer verstärkten Elektromigration an diesen Stellen, die wiederum zum Ausfall der Leiterbahn und damit des Bauteiles führt. Wünschenswert ist, für die Leiterbahnen ein Material zu finden, das eine solche Elektromigration nicht aufweist. Dies ließe sich durch sehr grobkristalline bzw. einkristalline Metallschichten erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Verfahren zur Herstellung grobkristalliner oder einkristalliner Metallschichten Maßnahmen anzugeben, durch die gewährleistet wird, daß aucli bei niedrigen Temperaturen diese Metallschichten in grobkristalliner oder einkristalliner Form ausgebildet werden können, und mit dem die einzelnen Kristallkörper dieser Metaiischichten Im Durchmesser größer als etwa 50 μηι sind.

Diese Aufgabe wird für ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Verfahren erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches I angegebenen Weise gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die nach dem erfindungsgernäßen Verfahren hergestellten Metallschichten weisen gegenüber den bisher hergestellten Metallschichten wesentliche Vorteile auf. So weisen diese Schichten auch bei höheren Temperaturen keine Variation ihrer Schichtcigenschaften. beispielsweise ihres elektrischen Widerstandes, auf. Aus diesem Grunde brauchen diese Schichten keinen Temperaturprozessen mehr unterworfen werden, wodurch weiter die schädlichen Einflüsse der Temperprozesse auf bereits vorhandene Bauelemente einer integrierten Scha'tung vermieden werden. Weiterhin haben die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallschichten einen Korndurchmesser, der so groß ist, daß bei einer integrierten Schaltung einzelne Bauelemente durch einen Einkristall miteinander verbunden sind. Die große Homogenität eines Einkristalles läßt höhere Stromdichten zu, ohne daß durch Elektromigration Ausfälle zu erwarten sind.

Werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallschichten für Dünnschicht-Kondensatoren eingesetzt, so besitzen solche Dünnschicht-Kondensatoren aufgrund des sehr homogenen Materials eine sehr hohe Durchschlagsspannungsfestigkeil und damit auch eine sehr hohe Lebensdauer.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und anhand der Figur näher erläutert.

In der Figur ist schematich die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Apparatur dargestellt.

In einem Reziüienten 1. der auf Ultrahochvakuum

evakuiert werden kann, befindet sich ein Verdampfungstiegel 2, der das niederzuschlagende Metall 3 enthält Im Verdampfungstiegel gegenüberliegend ist ein Substrathalter 8 angebracht, durch den eine Kühlflüssigkeit 12 gepumpt werden kann. Auf dem Substrathalter 8 ist das Substrat 9 befestigt, auf dem die herzustellende Metallschicht 10 niedergeschlagen wird. Zum Verdampfen des in dem Tiegel befindlichen Metalles 3 kann der Tiegel beispielsweise durch eine Stromquelle 4 elektrisch beheizt werden. Soll das Material der Schicht 10 nicht durch Verdampfung, sondern durch Zerstäubung niedergeschlagen werden, so wird über ein Ventil 7 Argon in den Rezipienten 1 eingelassen. Der Argon-Partialdruck beträgt beispielsweise 1 Pa. Die zur Zerstäubung notwendigen Ionen werden beispielsweise mit Hilfe einer Hochfrequenzspule 5, die mit einer Hochfrequenzspannungsquelle erregt wird, erzeugt. Als Ausführungsbeispiel diene die Herstellung einer grobkristallinen Tantalschicht. Dazu wird aus dem Verdampfungstiegel 2 Tantal verdampft. Das Substrat 9 wird mit Hilfe der Kühlflüssigkei: 12, beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb von —90⁰C abgekühlt. Auf das so gekühlte Substrat wird Tantal als Schicht 10 niedergeschlagen, bis eine Schichtdicke von beispielsweise I μιτι erreicht ist. Die Kühlung des Substrates 9 bewirkt, daß die niedergeschlagene Tantalschicht 10 in amorpher Phase vorliegt. Wird nun die Kühlung des Substrates abgebrochen und das Substrat beispielsweise auf Zimmertemperatur oder höher, bis maximal etwa 300⁰C, erwärmt, so geht die amorphe Tantalschicht 10 durch Kristallisation in «-Tantal über. Diese Kristallisation führt zu Kristallen, deren Durchmesser oberhalb von 70 μηι liegt. Die Kristallisation des Tantals erfolgt damit bei so hergestellten Tantalschichten bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bei den bisher bekannten Verfahren, bei denen die zur Rekristallisation notwendige Temperatur Tr etwa die Hälfte der Schmelztemperatur 7s beträgt. Nach den im Zusammenhang mit der Erfindung vorgenommenen Untersuchungen sind außer Tantal auch die Metalle Wolfram, Kupfer, Kobalt, Aluminium und Aluminium-Legierungen sowie die Legierung Titan-Vanadium mit einem Vanadiumanteil von mehr als 70 Atom°/c zur Herstellung von derartigen grobkristallinen Metallschichten geeignet.. Das Aufdampfen des Materials auf das Substrat 9 erfolgt bevorzugt im Ultrahochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre, z. B. einer Edelgasatmosphäre, da in diesem Falle keine Störungen durch die Restgasatmosphär. möglich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung grobkristalliner oder einkristalliner Metallschichten, bei dem auf einem Substrat ein Metall durch Aufdampfen oder Zerstäubung niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material der Schicht ein Metall der Gruppe Ta, W, Cu, Co, Al oder AI-Legierungen oder eine Ti-V-Legierung mit einem V-Anteil oberhalb von 70 Atom°/o verwendet wird, daß bei dem Niederschlagen des Metalles die Substrattemperatur unterhalb von —90°C gehalten wird, und daß sodann das Substrat mit der darauf befindlichen Metallschicht bis auf Zimmertemperatur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen des Metalles in einem Hochvakuum bei einem Restgasdruck von weniger als 10~⁶ Pa ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen des Metalles in einer inerten Atmosphäre bei einem Partialdruck der gegenüber dem jeweiligen Metall und/oder dem Substrat reaktiven Gase von kleiner 10-^b Pa ausgeführt wird.