DE3445380A1 - Verfahren zur herstellung von duennschichtwiderstaenden hoher praezision - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen
• hoher Präzision Die Erfindung betrifft das Gebiet der Mikroelektronik, Objekte, bei denen die Erfindung anwendbar ist, sind Verfahren zur Herstellung von monolithischen oder Hybridschaltkreisen mit Dünnschichtwiderständen oder Dünnachicht-Chipwiderstandsnetzwerke, z. B. R-2R-Netzwerke für hochgenaue AnalogDigital-Wandler oder ähnliche Präzisionsschaltkreise.
• Als Dünnschicht-Widerstandsmaterialien werden liegierurgen mit ausschließlloh metallischen Komponenten, z. B. Cr-Ni, aber auch mit nichtmetallischen Komponenten, z. B. Cr-Si, Cr"SiO (Vermets), Ta-N, verwendet. Gewünschte Eigenschafts verbesserungen werden durch Zusätze weiterer metallischer oder nichtmetallischer Komponenten erzielt. Die Dünnschichtten werden üblicherweise durch physikalische oder chemische Schichtabscheideverfahren, z. B, Elektronenstrahlverdampfen, Sput-terverfahren oder chemische Gasphasenabscheidung, aus isolierendem Träger, meist ganzflächig, abgeschieden.
• Eine Möglichkeits die Eigenschaften der Dünnachichten gezielt zu verbessern, z. B, den Flächenwiderstand zu erhöhen, besteht im zusätzlichen Einbau von Sauerstoff, Stickstoff und/oder ähnlichen gasformigen Elementen. Es ist bekannt, diese Elemente während der Schichtabscheidung durch einen Eesehichtungsprozeß in einem mit diesen gasförmigen Elementen angereicherten Reaktionsgas einzubringen. Für die Herstellung der Widerstände in integrierten monolithischen und Hybridschaltkreisen ist es bekannt, die Dünnschichten durch fotolithografische Prozef3schritte und anschlieBenåes Ätzen zu strukturieren.
• Als Mangel der bisher bekannten Verfahren erweist sich, daß für viele Anwendungsfälle die erreichbare Präzision der Widerstandsnetzwerke noch nicht ausreicht bzw mangelhaft ist. Eine mangelhafte Präzision zieht zumindest eine geringe Ausbeute aus dem technologischen Prozeß nach sich.
• Weiterhin ist die Lebensdauer der Widerstandsnetzwerke meist durch allmähliche Überschreitung der Toleranzgrenzen bedingt, noch zu niedrig. Ein zusätzlicher Mangel besteht darin, daß der mögliche Arbeitstemperaturbereich der Widerstandsnetzwerke eingeengt werden muß oder aufwendige schaltungstechnische Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden müssen, da sonst durch die temperaturabhängigen Widerstandsänderungen zulässige Toleranzgrenzen überschritten werden.
• Die erreichbare Präzision, Stabilität und der mögliche Arbeitstemperaturbereich werden für viele Anwendungsfälle, z. 3. R-2R-Netzwerke in hochauflösenden Analog-Digital-Wandlern, nicht nur durch die absoluten Eigenschaften der Widerstandselemente selbst, sondern durch die Differenzen der Eigenschaften benachbarter Widerstandselemente des Widerstandsnetzwerkes entscheidend bestimmt, Die eigentliche Ursache für derartige Differenzen sind Unterschiede in den spezifischen Schichteigenschaften, z. B.
• in unterschiedlichen spezifischen Widerständen der Schichten, sowie Unterschiede in den relativen Schichteigenschaften, z. B. in unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und Alterungsraten der Widerstände, d. b., die Widerstände besitzen mangelnde Gleichlaufeigenschaften. Derartige Differenzen sind nicht durch geometrische Toleranzen bedingt, die z. B. infolge Schablonen-, Positionierungs-, Masken oder Ätzfehler entstehen.
• Ziel der Erfindung ist es, bei der Herstellung von Dünnschichtwiderständen die Qualität der Bauelemente und die Ausbeute aus dem technologischen Prozeß zu erhöhen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen, bei dem eine Widerstandsschicht erzeugt wird, die neben der Basislegierung Sauerstoff, Stickstoff und/oder ähnliche gasförmige Elemente gebunden enthält und bei dem die Widerstandsschicht sowie weitere Dünnschichten, beispielsweise Leitbahn-, Zwischen- und Kontaktschichtens strukturiert werden, so zu gestalten, daß die Gleichlaufeigenschaften der Widerstandselemente, insbesondere bezüglich der Präzision, der Stabilität und des Temperaturverhaltens verbessert werden.
• Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß nach der Abscheidung der Widerstandsschicht über diese eine zusätzliche Widersandsschicht aus der gleichen Basislegierung aufgebracht wird, in der jedoch eine geringere Menge oder keines der gasförmigen Elemente enthalten ist, und daß nach der Strukturierung der Dünnschichtwi.derstände sowie der Leitbahn-, Wontakt- und sonstigen Strukturelemente eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die mindestens 5 at der gasförmigen Elemente enthält. Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung wird die zusätliebe Widerstandsschicht mit einer Dicke von & 5 nm aufgebracht und die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ) 300 °C mit einer Dauer von > 10 min durchgeführt. Sofern zuerst Leitbahn-> Kontakt- und eventuell Zwischenschichten abgeschieden, diese strukturiert und erst dann die Widerstandsschicht abgeschieden wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls umzakehrens d. h., es ist zuerst die als zusätzliche Widerstandsschicht bezeichnete Schicht abzuscheiden und darüber ist die eigentliche Widerstandsschicht aufzubringen.
• ll( Ci-Schichten mit einer Schichtdicke von d = 40 nm werden reaktiv mit einem dc-Plasmatron auf thermisch oxydierte Si-Scheiben (1,2 /um SiO2-Schichtdicke) gesputtert, Als Reaktivgas wird Sauerstoff mit einem Partialdruck Po2 = 4,32.10-5 Torr in Argon (PAr = 4,0.10-3 Torr) verwendet.
• Das Target enthält Cr und Si in einem Verhältnis von etwa 0,7 und einen W-Zusatz. Anschließend wird ohne Unterbrechung des Beschichtungszyklus noch eine zusätzliche dünne (d = 5 nm) CrSi-Widerstandsschicht (Po2 ~ 3,16.10 Torr) aufgebracht. Danach wird mit einem weiteren Plasmatron eine 1,5 /um dicke Al-Schicht ohne Unterbrechung des Vakuums auf die CrSi-Schicht aufgebracht, Nachfolgend werden mit üblichen fotolithografischen Prozeßschritten und naßchemischen Ätzen zuerst Al-Leitbahnen und Kontaktflächen und anschließend die CrSi-Widerstandsschichten strukturiert. Dabei werden beide Widerstandsschichten als einheitliche Schicht behandelt. Beim Strukturieren werden quadratische Dünnschichtwiderstände mit unterschiedlicher geometrischer Größe (50x50 /um2 bis 1000x1000 /um2) erzeugt, Abschließend wird eine Wärmebehandlung bei 410 °C über 2 h an Luft durchgeführt. Die so hergestellten Dünnschichtwiderstände weisen geringere Eigenschaftsdifferenzen zwischen den geometrisch kleinsten und größten Widerständen auf, als nach bekannten Verfahren hergestellte.
• Die Differenzen im Temperaturkoeffizient der Widerstände (gemessen zwischen 20 oG und 120 °C) verringern sich auf < 15 % (100 % # jeweils den besten Werten bekannter Verfahren. Die Differenzen in der Alterungsrate (aus der Lagerung über 1000 h bei 120 °C an Luft ermittelt) verringern sich auf # 85 %.

Claims (3)

1. Patentanspruch 1. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen hoher Präzision, bei dem eine Widerstandsschicht erzeugt wird, die neben der Basislegierung Sauerstoff, Stickstoff und/oder ähnliche gasförmige Elemente gebun-^den enthält, und bei dem die Widerstandsschicht sowie weitere Dünnschichten, beispielsweise Beitbahn-, Zwischen- und Kontaktschichten, strukturiert werden, gekennzeichnet dadurch, daß nach der Abscheidung der Widerstandsschicht über diese eine zusätzliche Widerstandsschicht aus der gleichen Basislegierung aufgebracht wird, in der jedoch eine geringere Menge oder keines der gasföruligen Elemente enthalten ist, und daß nach der Strukturierung der Dünnschichtwiderstände sowie der Leitbahn-, Kontakt- und sonstigen Strukturelemente eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die mindestens 5 at % der gasförmigen Elemente enthält.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Widerstandsschicht mit einer Dicke von 5 nm aufgebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von >300 °C und mit einer Dauer von > 10 min durchgeführt wird.