EP0405304A2 - Dünnschichtwiderstände mit Flächenwiderstandswerten im Bereich zwischen 1M-Ohm und mehreren G-Ohm und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Dünnschichtwiderstände mit Flächenwiderstandswerten im Bereich zwischen 1M-Ohm und mehreren G-Ohm und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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EP0405304A2
EP0405304A2 EP90111587A EP90111587A EP0405304A2 EP 0405304 A2 EP0405304 A2 EP 0405304A2 EP 90111587 A EP90111587 A EP 90111587A EP 90111587 A EP90111587 A EP 90111587A EP 0405304 A2 EP0405304 A2 EP 0405304A2
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EP
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indium
film resistors
ohms
mbar
thin film
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Martin Dr. Hoheisel
Christine Mrotzek
Werner Müller
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01C7/006—Thin film resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/06—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base
    • H01C17/075—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thin film techniques
    • H01C17/08—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thin film techniques by vapour deposition
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    • H01C17/075—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thin film techniques
    • H01C17/12—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thin film techniques by sputtering

Definitions

  • the invention relates to thin film resistors with sheet resistance values in the range between 1 M-ohm (Megaohm) and several G-ohms (Gigaohm), processes for their manufacture, and the use of the process for the manufacture of such thin film resistors in integrated circuits.
  • resistors are also required for applications in large-area microelectronics.
  • the working resistances of amplifiers or logic circuits must be of the order of magnitude of the ON resistance of the transistors used.
  • Feedback resistors often have to be significantly larger.
  • TFTs made of amorphous silicon, very high resistance values result.
  • the object of the invention is to provide a material from which thin-film resistors between 1 M-ohm and several G-ohms can be produced.
  • the invention relates to a material for thin-film resistors with surface resistance values between the 1 M-ohm range up to the G-ohm range, which is characterized in that it consists of a transparent, conductive oxide and by sputtering or vapor deposition in an atmosphere an increased partial pressure of oxygen is produced. It is within the scope of the invention that this material consists of indium tin oxide.
  • indium tin oxide layers are used as a transparent, conductive material for electrodes for photodiodes in image sensor lines based on amorphous silicon.
  • the manufacturing conditions are optimized so that the layers have a high degree of transparency and the best possible electrical conductivity.
  • Typical sheet resistances of 100 nm thick ITO layers are around 200 ohms per square (corresponds to a specific electrical resistance of 20 x 10 ⁇ 4 ohm cm); the transparency for visible light is 90 percent.
  • ITO layers are produced by reactive sputtering or reactive electron beam evaporation. A metallic or oxidic material is assumed and the oxygen content of the deposited layer is adjusted by the partial pressure of oxygen during production.
  • the layers become more transparent, but they have a higher resistance. This effect takes advantage of the present invention.
  • the oxygen partial pressure in the recipient is reduced by temporarily switching off the oxygen supply.
  • ITO material
  • DC direct current
  • An ITO layer with a sheet resistance of 200 M-ohms is produced.
  • a metallic target consisting of 90 percent by weight indium and 10 percent by weight tin is used and the layer is sputtered in the DC sputtering system (BAK 600 from Balzers) with a gas mixture of 3 x 10 m3 mbar argon and 5 x 10 ⁇ 3 mbar oxygen.
  • the substrate is kept at room temperature; the sputtering power is 800 W.
  • the layer thickness is 95 nm and the sheet resistance is 200 M-ohms.
  • Another ITO layer with a sheet resistance of 1.5 G-Ohm is produced by changing the parameters for the first embodiment by setting the oxygen partial pressure to 2.6 x 10 ⁇ 3 mbar and the sputtering power to 750 W. After 8 minutes of sputtering, the layer thickness is 35 nm and the sheet resistance is 1.5 G-ohms.

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Abstract

Aus einem transparenten, leitfähigen Oxid, insbesondere aus Indium-Zinn-Oxid (= ITO) bestehende Dünnschichtwiderstände weisen Flächenwiderstandswerte zwischen 1 M-Ohm und mehreren G-Ohm auf, wenn ihre Herstellung durch Sputtern oder Aufdampfen in einer Atmosphäre mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck erfolgt. Es können Dünnfilm-Widerstände aus ITO-Schichten im Bereich von 8 M-Ohm und 40 G-Ohm realisiert werden, die für integrierte Schaltungen in der Großflächenelektronik Anwendung finden.

Description

  • Die Erfindung betrifft Dünnschichtwiderstände mit Flächenwider­standwerten im Bereich zwischen 1 M-Ohm (Megaohm) und mehreren G-Ohm (Gigaohm), Verfahren zu ihrer Herstellung, sowie die Ver­wendung der verfahren zur Herstellung von solchen Dünnfilmwi­derständen in integrierten Schaltungen.
  • Für Anwendungen in der Großflächenelektronik (Large-Area-­Microelectronics) werden neben aktiven Bauelementen, wie Dioden und Transistoren auch Widerstände benötigt. Dabei müssen Ar­beitswiderstände von Verstärkern oder Logikschaltungen in der Größenordnung des ON-Widerstandes der verwendeten Transistoren liegen. Rückkoppelwiderstände müssen oft noch wesentlich größer sein. Bei Dünnfilm-Transistoren, sogenannten TFTs, aus amor­phem Silizium ergeben sich dabei sehr hohe Widerstandswerte.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material anzugeben, aus dem sich Dünnschichtwiderstände zwischen 1 M-Ohm und mehreren G-Ohm herstellen lassen.
  • Aus einem Bericht von H. Steemers und R. Weisfield aus Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 118 (1988), Seiten 445 bis 449 ist bekannt, Widerstände aus amorphem Silizium (a-Si:H) herzustel­len. Verwendet man hochdotiertes a-Si:H, errreicht man nur Flächenwiderstandswerte um 10 k-Ohm bei Temperaturkoeffizien­ten von 2,5 Prozent/°C. Undotiertes a-Si:H erreicht zwar Flä­chenwiderstände von bis zu 10¹⁵ Ohm, allerdings bei Tempera­turkoeffizienten von 12 Prozent/°C. Dies ist für praktische Anwendungen unbrauchbar.
  • Aus einem Bericht von S. M. Ojha aus Thin Solid Films 57 (1979), Seiten 363 bis 366 ist bekannt, Widerstände aus Cermet zu ver­wenden. Es handelt sich dabei um gemeinsam aufgesputterte Schichten aus SiO₂ und einem Metall. Diese Cermet-Widerstände lassen sich allerdings nur mit Hilfe einer Hochfrequenz-Sput­teranlage herstellen, da die Targets zu hochohmig sind. Da eine Änderung der Targetzusammensetzung von 20 Prozent zu einer Änderung des Flächenwiderstands um mehrere Zehner-Po­tenzen führt, sind solche Widerstände schlecht reproduzier­bar herzustellen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Material für Dünnschichtwider­stände mit Flächenwiderstandswerten zwischen dem 1 M-Ohm-Be­reich bis in den G-Ohm-Bereich, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus einem transparenten, leitfähigen Oxid besteht und durch Sputtern oder Aufdampfen in einer Atmosphäre mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck hergestellt ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß dieses Material aus Indium-­Zinn-Oxid besteht.
  • Wie aus der europäischen Patentanmeldung 0 293 645 bekannt ist, werden Indium-Zinn-Oxid-Schichten als transparentes, leitfähi­ges Material für Elektroden für Photodioden in Bildsensorzei­len auf der Basis von amorphem Silizium verwendet. Dabei wer­den die Herstellbedingungen so optimiert, daß die Schichten eine hohe Transparenz und eine möglichst gute elektrisch Leit­fähigkeit aufweisen. Typische Flächenwiderstände von 100 nm dicken ITO-Schichten liegen um 200 Ohm pro square (entspricht einem spezifischen elektrischen Widerstand von 20 x 10⁻⁴ Ohm cm); die Transparenz für sichtbares Licht beträgt 90 Prozent. Die Herstellung von ITO-Schichten erfolgt durch reaktives Sputtern oder reaktives Elektronenstrahlverdampfen. Dabei wird von einem metallischen oder oxidischen Material ausgegangen und der Sauerstoffgehalt der abgeschiedenen Schicht durch den Sauerstoffpartialdruck während der Herstellung eingestellt. Erhöht man den Sauerstoff-Partialdruck, werden die Schichten zwar transparenter, jedoch hochohmiger. Dieser Effekt nutzt die vorliegende Erfindung aus. Bei dem in der europäischen Patentanmeldung beschriebenen Verfahren wird dagegen, um den Flächenwiderstand niedrig zu halten, während der Beschichtung der Sauerstoffpartialdruck im Rezipienten durch vorübergehen­des Abschalten der Sauerstoffzufuhr reduziert.
  • Die Erfindung nutzt auch diese Möglichtkeit aus und stellt mit dem gleichen Material (ITO) und in der gleichen DC (= Gleich­strom)-Sputteranlage mit dem gleichen Target sowohl Elektroden für Photodioden als auch Widerstände in einer intergrierten Schaltung her; nur der Sauerstoffpartialdruck muß erhöht bzw. erniedrigt werden, was aber leicht durchführbar ist.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere Verfahren zu ihrer Realisierung, ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungs­beispielen noch näher erläutert.
    • 1. Ausführungsbeispiel:
  • Hergestellt wird eine ITO-Schicht mit einem Flächenwiderstand von 200 M-Ohm. Dabei wird ein metallisches Target bestehend aus 90 Gewichtprozent Indium und 10 Gewichtprozent Zinn ver­wendet und die Schicht in der DC-Sputteranlage (BAK 600 von Balzers) mit einem Gasgemisch aus 3 x 10⁻³ mbar Argon und 5 x 10⁻³ mbar Sauerstoff aufgesputtert. Das Substrat wird da­bei auf Raumtemperatur gehalten; die Sputterleistung beträgt 800 W. Nach 49 Minuten Sputterzeit beträgt die Schichtdicke 95 nm und der Flächenwiderstand 200 M-Ohm.
    • 2. Ausführungsbeispiel:
  • Eine weitere ITO-Schicht mit einem Flächenwiderstand von 1,5 G-Ohm wird in Abänderung der Parameter zum 1. Ausführungsbei­spiel dadurch hergestellt, daß der Sauerstoffpartialdruck auf 2.6 x 10⁻³ mbar und die Sputterleistung auf 750 W eingestellt wird. Nach 8 Minuten Sputterzeit beträgt die Schichtdicke 35 nm und der Flächenwiderstand 1.5 G-Ohm.
  • Da es möglich ist, Dünnfilmwiderstände mit Geometrieverhält­nissen (Länge/Breite) von 1/25 bis 25/1 herzustellen, ist es auch möglich, mit erfindungsgemäßen ITO-Schichten Widerstände zwischen 8 M-Ohm und 40 G-Ohm zu realisieren. Durch Erhöhung des Partialdruckes dürften auch noch größere Widerstandswer­te zu erreichen sein.

Claims (7)

1. Dünnschichtwiderstände mit Flächenwiderständen im Bereich zwischen 1 M-Ohm und mehreren G-Ohm, bestehend aus einem trans­parenten, leitfähigen Oxid, hergestellt durch Sputtern oder Aufdampfen in einer Atmosphäre mit einem erhöhten Sauerstoff­partialdruck.
2. Dünnschichtwiderstände nach Anspruch 1, bestehend aus In­dium-Zinn-Oxid (ITO).
3. Verfahren zum Herstellen von Dünnschichtwiderständen aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) nach Anspruch 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Indium-Zinn-Oxid durch Sputtern mit einem metallischen Indium-Zinn-Target in einem Edelgas-Sauerstoff-Gasgemisch hergestellt wird.
4. Verfahren zum Herstellen von Dünnschichtwiderständen aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf integrierte Halbleiterschaltungen enthaltenden Substraten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Target aus einer Indium/Zinn-Legierung mit 98 bis 90 Gewichtsprozent Indium und 2 bis 10 Gewichtsprozent Zinn verwendet wird,
b) die Beschichtung in einer DC-Magnetron-Sputteranlage vorge­nommen wird,
c) ein Gasgemisch aus 2 x 10⁻³ mbar bis 1 x 10⁻¹ mbar Argon und 2 x 10⁻³ mbar bis 2 x 10⁻² mbar Sauerstoff verwendet wird,
d) die Substrate auf einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 80°C gehalten werden, und
e) die Sputterleistung im Bereich von 600 bis 3000 Watt einge­stellt wird.
5. Verfahren zum Herstellen von Dünnschichtwiderständen aus Indium-Zinn-Oxid mit einem Flächenwiderstand von 200 M-Ohm bei einer Schichtdicke von 95 nm nach Anspruch 4, da­durch gekennzeichnet, daß
a) ein Target aus einer Indium/Zinn-Legierung mit 90 Gewichts­prozent Indium und 10 Gewichtsprozent Zinn verwendet wird,
b) die Beschichtung in einer DC-Magnetron-Sputteranlage vor­genommen wird,
c) ein Gasgemisch aus 3 x 10⁻³ mbar Argon und 5 x 10⁻³ mbar Sauerstoff verwendet wird,
d) die Substrate auf Raumtemperatur gehalten werden und
e) die Sputterleistung im Bereich von 750 bis 850 Watt einge­stellt wird.
6. Verfahren zum Herstellen von Dünnschichtwiderständen aus Indium-Zinn-Oxid mit einem Flächenwiderstand von 1,5 G-Ohm bei einer Schichtdicke von 35 nm nach Anspruch 4, da­durch gekennzeichnet, daß
a) ein Target aus einer Indium/Zinn-Legierung mit 90 Gewichts­prozent Indium und 10 Gewichtsprozent Zinn verwendet wird,
b) die Beschichtung in einer DC-Magnetron-Sputteranlage vor­genommen wird,
c) ein Gasgemisch aus 3 x 10⁻³ mbar Argon und 2,6 x 10⁻³ mbar Sauerstoff verwendet wird,
d) die Substrate auf Raumtemperatur gehalten werden und
e) die Sputterleistung im Bereich von 750 W eingestellt wird.
7. Verwendung der Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6 zur Herstellung von Dünnfilmwiderständen in integrierten Schaltungen mit transparenten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden auf­weisenden Photodioden.
EP19900111587 1989-06-29 1990-06-19 Thin film resistors whose surface resistance values are comprised between 1m-ohms and several g-ohms and process of making it Withdrawn EP0405304A3 (en)

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JPH0336703A (ja) 1991-02-18
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