DE4204371C2 - Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mittels reaktiver Kathodenzerstäubung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mittels reaktiver Kathodenzerstäubung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Nach der Entdeckung der oxydischen Hochtemperatursupra­ leiter im Jahre 1986 ist man bestrebt, diesen Werkstoff in der Mikroelektronik einzusetzen. Es handelt sich bei den oxydischen Hochtemperatursupraleitern um Ma­ terialien mit einer komplizierten Struktur. Damit mög­ lichst gute, nach Möglichkeit epitaktisch aufgewachsene Schichten hergestellt werden können, ist es erforder­ lich, bei der Dünnschichtherstellung dieser oxydischen Hochtemperatursupraleiter einen optimierten und während der Deposition zeitlich möglichst stabilen Ablauf der Abscheidung zu gewährleisten.

Eine Möglichkeit der Dünnschichtherstellung solcher Materialien liegt in dem Verfahren der Kathodenzerstäu­ bung. Dabei kann man mit entsprechend technischem Auf­ wand zwar die meisten Depositionenparameter, wie z. B. Substrat- oder Targettemperatur, Sputterleistung, Sput­ terstrom oder Prozeßgasdruck konstant halten.

Als Stand der Technik ist aus jeweils JP-A 62-211 378, JP-A 63-000 471 sowie JP-A 01-031 959 eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur reaktiven Aufstäubung bekannt, bei dem jeweils spektroskopische Messungen Werte liefern, die zur Regelung des Aufstäubungsprozesses eingesetzt werden. Dazu werden über einem Photodetektor oder ähnlichen Sensoren emissionsspektroskopische Signale erhalten. Vergleichbares ist aus DD-A52 88 405 bekannt.

Darüber hinaus ist aus DD-A1 239 810 bekannt, eine Anordnung von mehreren Metallröhrchen vorzusehen, die mit einem Lichtleiter verbunden sind. Die Metallröhrchen sind dabei an unterschiedlichen Stellen nicht allzu weit vom Plasma entfernt angeordnet. In jedes der Metallrohre ist eine einzelne Faser eines Lichtleiterkabels eingeführt, wobei außerhalb der Kammer diese einzelnen Lichtleitkabel zu einer einzigen zusammengefaßt und das erfaßte spektroskopische Signal auf einen Sensor gelangt. Die Maßnahme dieser Anordnung mehrerer Metallröhrchen solle verhindern, daß bei der Zerstäubung die jeweiligen einzelnen Lichtleiterkabel durch Beschichtung ihrer Innenwände zunehmend zugesetzt werden und somit das spektroskopische Signal nicht mehr weitertransportieren können.

Schließlich läßt sich aus US-PS 41 66 784 oder US- PS 37 38 926 entnehmen, daß aus spektroskopisch gemessenen und daraus abgeleiteten Signalen die Prozeßgaszusammensetzung gesteuert und die Zerstäubungsleistung benutzt wird.

Bei den bisher bekannten Kathodenzerstäubungsverfahren zeigt sich jedoch nachteilig, daß die abgeschiedenen Filme aus oxydischen Hochtemperatursupraleitern nicht perfekt einkristallin aufwachsen, sondern Inhomogeni­ täten in der Filmstruktur aufweisen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die genannten Nachteile vermindert und im Ergebnis zu einem Dünnfilm, insbesondere aus einem oxydischen Hoch­ temperatursupraleiter mit verminderter Inhomogenität führt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Dünnschichten zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem das Prozeßgas in der Kammer bis an das Plasma herangeführt wird, das dem Target während der Kathodenzerstäubung umgibt. In einem räumlichen Bereich einer zur Targetoberfläche parallel verlaufenden Quer­ schnittsfläche im Plasma wird dabei spektroskopisch wenigstens eine Emissionslinie für die Dauer der Ka­ thodenzerstäubung in-situ profilmäßig erfaßt. Nach Ein­ stellen eines gewünschten Querschnittprofiles beim Ein­ sputtervorgang wird dieses Querschnittsprofil zeitlich konstant gehalten, indem das Prozeßgasmischungsverhält­ nis nachgeregelt wird.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß zeitliche Veränderungen des Plasmas zum einen daher rühren, daß jedes sich in der Nähe des Plasmas befindliche Potential zu Verän­ derungen im elektrischen Feld und damit zu Veränderun­ gen im Plasma führt. Die zeitlichen Schwankungen der Plasmaeigenschaften können durch Potentialänderungen beispielsweise durch Aufladung durch Ladungsübertrag von Ionen aus dem Plasma auf die Oberflächen hervorge­ rufen werden.

Die zeitliche Änderung im Plasma kann andererseits durch die Beteiligung von Sauerstoff bei der Deposition von Hochtemperatursupraleitern hervorgerufen werden. Der Sauerstoff wird in die aus oxydischem hochtemperatur­ supraleitendem Material bestehenden Schicht eingebaut (z. B. YBa₂Cu₃O₇) und ist deswegen auch im Prozeßgas vorhanden. Der Sauerstoff kann dabei auf die Oberflächen, insbesondere auch die Targetoberfläche, angelagert oder wieder von ihnen freigegeben werden. Infolgedessen wird dem Abscheidungsprozeß Sauerstoff entzogen bzw. zuge­ führt. Es wurde erkannt, daß vor allem der Sauerstoff­ gehalt der Targetoberfläche bei diesen zeitlichen Änderungen im Plasma eine wesentliche Rolle spielt. Je nach Sauerstoffgehalt zeigen einige Hochtemperatur­ supraleiter (HTSL) metallisches oder Isolatorverhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Her­ stellung dünner Schichten aus hochtemperatursupralei­ tenden Materialien beschränkt. Vielmehr ist das erfin­ dungsgemäße Verfahren überall dort einsetzbar, wo mit Hilfe der reaktiven Kathodenzerstäubung dünne Schich­ ten hergestellt werden.

Es wurde erkannt, daß die zeitlichen Änderungen des Plasmas sich aus zwei unterschiedlichen Komponenten zusammensetzen. Zum einen zeigt ein solches Targetplas­ ma periodische Schwankungen im Bereich von einigen Mi­ nuten. Dazu wurde eine ausgewählte Emissionslinie einer Komponente des Plasmas emissionsspektroskopisch erfaßt und profilmäßig dargestellt. Zum anderen weist das Tar­ getplasma Kurzzeitschwankungen im Bereich von Bruchtei­ len von Sekunden bis zu einigen Sekunden auf. Diese Schwankungen zeigen sich z. B. in der gemessenen inte­ gralen Intensität des emissionsspektroskopisch erfaßten Querschnittprofils des Plasmas.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Kathodenzerstäubung das Querschnittsprofil emissions­ spektroskopisch erfaßt, ein gewünschtes Querschnitts­ profil eingestellt. Im zeitlichen Verlauf wird dieses Querschnittsprofil konstant gehalten, indem das Prozeß­ gasmischungsverhältnis nachgeregelt wird. In vorteil­ hafter Weise wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens erreicht, daß infolge der Konstanz des Quer­ schnittprofils auch die kurzzeitigen Schwankungen in der integralen Intensität des Emissionssignals stark reduziert werden. Im Ergebnis liefert das erfindungs­ gemäße Verfahren damit auch eine kontrolliertere Depo­ sition des HTSL-Materials auf das Substrat und damit eine Verbesserung der Qualität solcher mit Hilfe der Kathodenzerstäubung hergestellt Dünnfilme.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfaßt vorteilhafterwei­ se sowohl eine Optimierung als auch eine verbesserte Steuerung des Depositionsprozesses. Zur Optimierung des Prozeßgasmischungsverhältnisses wird das Prozeßgas gezielt an das Plasma herangeführt, bevorzugt in der Nähe der Targetoberfläche. Eine weitere Möglichkeit der Optimierung des Depositionsprozesses kann darin liegen, die Position des Substrates und/oder das Nach­ fahren der Substratposition zu beeinflussen in Abhängig­ keit der emissionsspektroskopisch beobachteten Schwan­ kung in der Linienintensität. Dabei ist das erfindungs­ gemäße Verfahren keineswegs nur auf die Beschichtung kleiner Substrate, sondern in vorteilhafter Weise ge­ rade auch bei großflächiger Beschichtung von Vorteil. Weiterhin könnten geeignete Profilblenden gezielt in das Targetplasma eingebracht werden.

Zur Verbesserung der HTSL-Schichtherstellung mit Hilfe der Kathodenzerstäubung erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Prozeßstabilisierung durch Konstanthal­ tung des beobachteten Profils des Emissionssignals. Dies kann durch zusätzliches und/oder vermindertes An­ bieten des Prozeßgases geschehen.

Im Falle der Herstellung dünner Filme aus oxydischen, hochtemperatursupraleitenden Materialien mit Hilfe reaktiver Kathodenzerstäubung unter Verwendung von einem Sauerstoff/Argon-Gasgemisch ist es möglich, im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens die Emissionslinie von 845 nm des atomaren Sauerstoffs zu beobachten und über das erhaltene Signal nachzusteuern. Es kann jedoch auch eine andere Emissionslinie des Sauerstoffs gewählt werden. Darüber hinaus ist auch die Möglichkeit gegeben, eine oder mehrere Emissionslinien der Inertgaskomponente Argon im Gasgemisch zu wählen. Schließlich könnte auch eine Emissionslinie einer anderen im Targetplasma vorhandenen Komponente gewählt werden.

Eine gleichmäßige Deposition kann mit Hilfe der vorteil­ haften Variante gemäß Anspruch 2 erzielt werden. Bei der Einstellung des Querschnittprofiles in einer zur Targetoberfläche parallel verlaufenden Querschnitts­ fläche - senkrecht zur Symmetrieachse des Targets bei symmetrischen Targets - im Plasma wird dazu ein symme­ trisches Profil, möglichst mit einem über die ganze Querschnittsfläche gleichen Intensitätswert eingestellt.

Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den An­ sprüchen 3 bis 7.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8. Weitere zweck­ mäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 9 bis 13. Als Inertgas im Gasgemisch des Prozeßgases eignet sich z. B. Argon oder Xenon. Als reaktives Gas kann z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Fluor oder einer der anderen reaktiven Gase der Hauptgruppe VI oder VII des periodischen Systems vorgesehen sein.

In den nachfolgenden Abbildungen sind Ergebnisse, erzielt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 relative, integrale, über das gesamte Quer­ schnittsprofil gemessene Intensität der Emissionslinie bei 845 nm des atomaren Sauerstoffs als Funktion der Zeit ohne Nach­ steuerung des Profils dieser Emissionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungsverhältnis­ ses;

Fig. 2 relative, integral über das gesamte Quer­ schnittsprofil gemessene Intensität der Emissionslinie bei 845 nm des atomaren Sauerstoffs als Funktion der Zeit mit Nach­ steuerung des Profils dieser Emissionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungsverhältnis­ ses;

Fig. 3 ortsaufgelöstes Querschnittsprofil zu zwei verschiedenen Zeiten während der Kathoden­ zerstäubung ohne stabilisierende Nach­ steuerung des Profils der gewählten Emis­ sionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungs­ verhältnisses;

Fig. 4 ortsaufgelöstes Querschnittsprofil zu zwei verschiedenen Zeiten während der Kathoden­ zerstäubung mit Nachsteuerung des Profils der gewählten Emissionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungsverhältnisses.

In den nachfolgenden Fig. 1 bis 4 werden Ergebnisse gezeigt zu der Herstellung eines Dünnfilmes aus hoch­ temperatursupraleitendem YBa₂Cu₃O₇ mit Hilfe der reak­ tiven Kathodenzerstäubung. Bei einem Prozeßgasdruck in der Prozeßkammer von 350 mTorr wurde dabei ein Gas­ gemisch aus 40 Standard-ccm Argon und 20 Standard-ccm Sauerstoff gewählt.

In den Fig. 1 und 2 ist als Funktion der Zeit die relative Intensität der beobachteten Sauerstofflinie bei 845 nm, integral über das gesamte Querschnittspro­ fil gemessen, als Funktion der Zeit aufgetragen. Dabei beobachtet man in beiden Figuren den sog. Einsputter­ vorgang im Bereich der ersten 1000-2000 s.

Die Fig. 1 zeigt Ergebnisse für den Fall, daß keine Nachsteuerung des Profils dieser Emissionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungsverhältnisses stattgefun­ den hat. Es wurde deshalb ab etwa 3000 s eine Schwan­ kung in der eingestellten Intensität oberhalb von 3000 s beobachtet. Zum einen sieht man Langzeitschwankungen z. B. im Zeitbereich von etwa 10000-12000 s, die im Bereich von Minuten liegen. Kurzzeitschwankungen im Bereich von Sekunden oder weniger sind die Ursache da­ für, daß die Kurve z. B. im Bereich zwischen 4000 und 6000 s die dargestellte Breite zeigt. Eine Nachsteuerung des Profils der gewählten Emissionslinie mit Hilfe des Prozeßgasmischungsverhältnisses führte, wie in der Fig. 2 dargestellt, im Ergebnis nach dem Einsputtervor­ gang zu einer erstaunlichen Verminderung der Schwankung in der relativen Intensität. In der Fig. 2 zeigt sich z. B. oberhalb von 800 s eine drastische Reduzierung, sowohl der in der Figur beobachteten Langzeit - als auch der Kurzzeitschwankungen in der relativen Inten­ sität. Im Ergebnis wurde eine weitaus bessere Dünnschicht­ herstellung mit der Nachsteuerung im Vergleich zu dem Fall ohne Nachsteuerung erzielt.

In den Fig. 3 und 4 sind die Ergebnisse zu den bei­ den oben geschilderten Experimenten in bezug auf das ortsaufgelöste Querschnittsprofil angegeben.

Es zeigt sich unter den gleichen experimentellen Be­ dingungen wie oben angegeben, daß sich das gewünschte Querschnittsprofil während der Messung ändert. Es sind für zwei verschiedene Zeiten im Falle der fehlenden Nachsteuerung im obigen Sinne in der Fig. 3 zwei Pro­ file zu unterschiedlichen Zeiten dargestellt. Die dra­ stischen Schwankungen in der Form des Profils verursa­ chen eine zeitlich inhomogene Deposition des HTSL-Ma­ terials am Substrat. Durch Nachsteuerung im obigen Sinne konnte die Form des Querschnittsprofils konstant ge­ halten werden. Es stellte sich dann heraus, daß auf­ grund dieser Maßnahme auch die kurzzeitigen Schwankun­ gen im Plasma in vorteilhafter Weise stark reduziert wurden. Im Ergebnis lagen Dünnfilme mit verbesserten Eigenschaften vor.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mittels reaktiver Kathodenzerstäubung, bei dem in einer Prozeß­ kammer mit Gaseinlaß und Gasauslaß zwecks Steuerung eines als Gasgemisch vorhandenen Prozeßgases, wenig­ stens einem als Kathode vorgesehenen Target, sowie einem Substrat der Druck des Prozeßgases konstant ge­ halten wird, während Material vom Target abgestaubt und auf das Substrat abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Prozeßgas in der Kammer bis an das dem Target während der Kathodenzerstäubung umgebenden Plasma herangeführt wird,
• - eine oder mehrere Emissionslinien wenigstens einer der im Plasma vorhandenen Komponenten in einem räumlichen Bereich einer zur Targetoberfläche parallel verlaufenden Querschnittsfläche im Plasma für die Dauer der Kathodenzerstäubung in-situ profilmäßig spektroskopisch erfaßt wird und
• - nach Einstellen eines gewünschten Querschnittsprofiles dieses Querschnittsprofil mittels Nachregelung des Prozeßgasmischungsverhältnisses zeitlich konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein symmetrisches Querschnittsprofil eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas ein aus wenigstens einem Inertgas und wenigstens einem reaktiven Gas der Hauptgruppe VI oder VII, insbesondere N₂, O₂ oder F₂, zusammen­ gesetztes Gasgemisch gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas eine Mischung aus Argon und Sauer­ stoff gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Gehalt des reaktiven Gases im Gasgemisch im Bereich von 5 bis zu 80% gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Target ein oxydischer Hoch­ temperatursupraleiter gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Bias vorgesehenes, auf einem geeigne­ ten elektrischen Potential gehaltenes Blendensystem im Bereich des während der Kathodenzerstäubung dem Tar­ get umgebenden Plasma so angeordnet wird, daß mit einer damit verbundenen Einschnürung des Plasmas eine erhöhte Stabilität des spektroskopisch erfaßten Querschnitts­ profils erreicht wird.

8. Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten mit Hilfe einer zur reaktiven Kathodenzerstäubung geeigneten Kammer mit Gaseinlaß und Gasauslaß zwecks Steuerung eines als Gasgemisch vorhandenen Prozeßgases, wenig­ stens einem als Kathode vorgesehenem Target, sowie einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Prozeßgasführung vorgesehen ist, die das Gas in der Kammer vom Gaseinlaß bis an das dem Target während der Kathodenzerstäubung umgebenden Plasma heranführt,
• - eine Meßeinrichtung zur in-situ Registrierung der Intensität einer oder mehreren Emissionslinien einer oder mehrerer im Plasma vorhandenen Komponenten vor­ gesehen ist, die so angeordnet ist, daß eine Erfas­ sung in einem räumlichen Bereich einer zur Targetoberfläche parallel verlaufenden Querschnittsfläche im Plasma erfaßt werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung und/oder Steuerung eines erfaßten Querschnittsprofils eine Regelungseinheit vorgesehen ist, die in Abhängigkeit des Meßsignals von der spek­ troskopischen Meßeinrichtung die Einstellung eines gewünschten Querschnittprofils und eine nachfolgende Nachregelung des Prozeßgasmischungsverhältnisses derart ermöglicht, daß dadurch das Querschnittsprofil zeitlich konstant gehalten werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas ein Gasgemisch aus wenigstens einem Inertgas und wenigstens einem reaktiven Gas der Haupt­ gruppe VI oder VII, insbesondere N₂, O₂ oder F₂, vor­ gesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas eine Mischung aus Argon und Sauer­ stoff vorgesehen ist.

12. Vorrichturig nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Targetmaterial ein oxydischer Hochtemperatur­ supraleiter vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Bias ein auf einem geeigneten elektrischen Potential gehaltenes Blendensystem zur Einschnürung des Targetplasmas vorgesehen ist.