DE4201001A1 - Verfahren zur reproduzierbaren herstellung von stoechiometrischen metall/nichtmetall-verbindungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur reprodu­ zierbaren Herstellung von stöchiometrischen Metall/Nichtmetall- Verbindungen mit homogen verteilter Wachstumsrate mittels Kato­ denzerstäubung in einer Sputterkammer.

Beim Absputtern von Atomen von einem Target mit mehreren Kom­ ponenten (zum Beispiel Legierung oder Metall/Nichtmetall-Ver­ bindung) treten in fast allen Fällen Effekte auf, in denen eine Komponente bevorzugt abgesputtert wird ("preferential sputtering"). Dies führt dazu, daß diese Komponente in der aufwachsenden Schicht in einer bestimmten Überstöchiometrie vorhanden ist und sich sowohl die kristallographischen als auch die elektrischen Eigenschaften der aufwachsenden Schicht zum Teil deutlich von denjenigen des Targetmaterials unter­ scheiden. Bei Metall/Nichtmetall-Verbindungen tritt zusätzlich noch das Phänomen auf, daß die abgesputterten Nichtmetallatome sich im Plasma zu Gasmolekülen verbinden und vom Pumpensystem der Sputteranlage abgesaugt werden.

Zum Kompensieren der beschriebenen Effekte ist bereits vorge­ schlagen worden, vor allem beim Sputtern von Legierungen Targets zu verwenden, die eine voreingestellte Überstöchio­ metrie derjenigen Komponente aufweisen, von der bekannt ist, daß sie beim Sputtern von einem stöchiometrischen Target weni­ ger stark abgesputtert wird. Als weitere, ebenfalls äußerst komplizierte Möglichkeit, die Stöchiometrie der aufwachsenden Schicht zu beeinflussen, ist bereits vorgeschlagen worden, sowohl elektrische als auch magnetische Felder an das Sputter­ plasma anzulegen ("Bias-Sputtern"), die eine bestimmte Art von Atomen ablenken bzw. abbremsen sollen. Da jedoch die meisten abgesputterten Atome ladungsmäßig neutral sind, ist diese Möglichkeit zur Lösung des gestellten Problems nur bedingt ge­ eignet. Metall/Nichtmetall-Verbindungen (z. B. Metalloxide) wurden bisher meist reaktiv, das heißt durch Zugabe des Nichtmetalls (z. B. Sauerstoff) zum gewöhnlichen Sputtergas (Argon) vom reinen Metalltarget abgesputtert. Dadurch konnten zum einen nicht alle Metall/Nichtmetall-Verbindungen reali­ siert werden (z. B. Ga₂O₃ - Gallium verflüssigt sich bereits bei ca. 30°), zum anderen führt dieses Verfahren zu erheb­ lichen Unterschieden in der geometrischen Verteilung der Wachstumsrate der Schichten auf einem Substrat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von stöchiometrischen Metall/Nichtmetall-Verbin­ dungen mit homogen verteilter Wachstumsrate mittels Katoden­ zerstäubung in einer Sputterkammer zu schaffen, das die beim Stand der Technik auftretenden Probleme vermeidet.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Kennlinie der Stöchiometrie als Funktion des Gesamtsputterdrucks in einer Sputter­ kammer.

Fig. 2 zeigt eine schematische Kennlinie der Wachstumsrate als Funktion der geometrischen Verteilung des Auf­ wachsvorgangs.

Die wichtigsten Größen, die die Stöchiometrie einer aufwach­ senden Metall/Nichtmetall-Verbindung beeinflussen, sind der Gesamtsputterdruck und der Anteil des Nichtmetalls (z. B. O₂ oder N₂) am Sputtergas. Auch ohne zusätzlich am Plasma an­ liegendes Feld läßt sich ein Gesamtsputterdruck finden, bei dem die aufwachsenden Sputterschichten nahezu die gleiche Stö­ chiometrie aufweisen wie das Target. Dies soll am Beispiel des Sputterns von SrTiO₃ verdeutlicht werden (vergl. Fig. 1). Bei niedrigem Gesamtsputterdruck ist in der aufwachsenden Schicht ein deutlicher Mangel an Strontium nachweisbar. Wird der Sputterdruck etwas erhöht, so gleicht die Stöchiometrie des gesputterten SrTiO₃ nahezu derjenigen des Targets (bzw. des Bulkmaterials). Es ergibt sich ein Plateau mit Sr/Ti=1. Bei einer weiteren Erhöhung des Gesamtsputterdruckes ist dann in den Schichten ein Mangel an Titan nachweisbar.

Eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der geometrischen Verteilung der Wachstumsrate der aufwachsenden Schichten kann durch die Zugabe des jeweiligen Nichtmetalls (zum Beispiel O₂ bzw. N₂) zum Sputtergas erreicht werden (vergl. Fig. 2). Metall/Nichtmetall-Verbindungen werden dann nicht mehr reaktiv vom Metalltarget, sondern reaktiv vom Metall/Nichtmetall-Tar­ get abgesputtert. Der Verlust des Nichtmetalls, das sich nach dem Absputtern zum Teil zu Gasmolekülen verbindet und vom Pum­ pensystem abgesaugt wird, wird durch die Zugabe entsprechender Konzentrationen des gleichen Gases zum Sputtergas kompensiert. Neben der homogenen Geometrie der aufwachsenden Schicht wird durch die Beimengung des Nichtmetalls zum Sputtergas auch eine prinzipiell kleinere Wachstumsrate erreicht (vergl. Fig. 2). Dies führt zur grundsätzlich verbesserten Prozeßkontrolle bei der Herstellung von Multilayer-Strukturen (zum Beispiel Einbau von Dotierungen in ein Metalloxid im Sandwich-Verfahren).

Im einzelnen ist für das Verfahren zur reproduzierbaren Her­ stellung von stöchiometrischen Metall/Nichtmetall-Verbindungen mit homogen verteilter Wachstumsrate mittels Katodenzerstäubung in einer Sputterkammer erfindungsgemäß vorgesehen, daß vor dem eigentlichen Herstellungsprozeß in einem Versuchsprozeß der Sputterdruck in der Sputterkammer zur Einstellung der Stöchio­ metrie so eingestellt wird, daß die auf einer Probe aufwach­ sende Sputterschicht angenähert die gleiche Stöchiometrie wie diejenige des verwendeten Target aufweist, und daß der einge­ stellte Sputterdruck der einzige veränderbare Prozeßparameter ist.

Die Einstellung des Sputterdrucks wird in einer vorbestimmten Meßreihe durchgeführt.

Die Einstellung der Stöchiometrie wird entweder über eine Regelung der Flußrate des verwendeten Sputtergases oder, falls dies praktikabler ist, eine Regelung des Zuführungsdrucks des verwendeten Sputtergases vorgenommen.

Ein Verlust von Atomen eines bestimmten Sputterplasma- Anteils, der durch Absaugen mittels einer der Sputterkammer zugeordneten Vakuumpumpe auftreten kann, wird erfindungsge­ mäß durch Zugabe betreffender Atome von außen ausgeglichen.

Claims (5)

1. Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von stöchio­ metrischen Metall/Nichtmetall-Verbindungen mit homogen verteil­ ter Wachstumsrate mittels Katodenzerstäubung in einer Sputter­ kammer, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem eigentlichen Herstellungsprozeß in einem Ver­ suchsprozeß der Sputterdruck in der Sputterkammer zur Einstel­ lung der Stöchiometrie so eingestellt wird, daß die auf einer Probe aufwachsende Sputterschicht angenähert die gleiche Stöchiometrie wie diejenige des verwendeten Target aufweist, und daß der eingestellte Sputterdruck der einzige veränderbare Prozeßparameter ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Sputterdrucks in einer vorbestimmten Meßreihe durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Stöchiometrie über eine Regelung der Flußrate des verwendeten Sputtergases vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Stöchiometrie über eine Regelung des Zuführungsdrucks des verwendeten Sputtergases vorge­ nommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlust von Atomen eines bestimmten Sputterplasma- Anteils, der durch Absaugen mittels einer der Sputterkammer zugeordneten Vakuumpumpe auftreten kann, durch Zugabe betref­ fender Atome von außen ausgeglichen wird.