EP0575003B1 - Elektrische Widerstandsschicht - Google Patents

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EP0575003B1
EP0575003B1 EP93201714A EP93201714A EP0575003B1 EP 0575003 B1 EP0575003 B1 EP 0575003B1 EP 93201714 A EP93201714 A EP 93201714A EP 93201714 A EP93201714 A EP 93201714A EP 0575003 B1 EP0575003 B1 EP 0575003B1
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EP
European Patent Office
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layer
carbon
metals
resistance
hydrogen
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EP93201714A
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EP0575003A2 (de
EP0575003A3 (de
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Eckart Boettger
Heinz Prof. Dr. Dimigen
Claus-Peter Dr. Klages
Klaus Dr. Taube
Rudolf Thyen
Hubertus Hübsch
Rainer Veyhl
Andreas Dr. Weber
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Philips Patentverwaltung GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • 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
    • H01C17/12—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 a Me-C: H layer as a high-resistance electrical resistance layer as well as a discrete electrical resistance and use the electrical resistance layer.
  • DE-OS 25 09 623 describes a method for producing electrical resistance layers made of Ta-C X with 0.35>X> 0.8 by sputtering.
  • Resistance layers are also described in EP 0 247 413 A1 by atomizing zircon / palladium, titanium / gold, zircon / gold, hafnium / gold or titanium / palladium can be produced in a reactive gas atmosphere. It should according to the teaching of this document, layers in the form of nitrides (claim 3) or carbides or carbonitrides can be produced (description column 3, lines 16-19).
  • the layers produced according to this document therefore consist of metallic conductive inclusions (gold, palladium or platinum) in a metallic conductive Matrix (carbide or nitride).
  • metallic conductive inclusions gold, palladium or platinum
  • metallic conductive Matrix carbbide or nitride
  • Such metal composite layers are accordingly also not suitable as layers with a high specific resistance. The The temperature dependence of the resistance is not specified.
  • TK temperature coefficient of resistance
  • Thin Solid Films 201 (1991) 109 discloses a method for producing Cr-Si-C films for thin-film resistors by means of a DC magnetron sputtering method in an Ar-CH 4 atmosphere, in which hydrogen is incorporated into the film and films, for example the composition Si 0.30 Cr 0.12 C 0.28 H 0.30 arise. These films have a negative temperature coefficient which is larger than that of Cr-Si-O layers.
  • the resistance value of a discrete electrical resistance can be a microstructuring process (coils in cylindrical, meandering in flat Resistance bodies) can be increased.
  • the one to be achieved in this process The final value / basic value ratio is due to the limited total area of the resistor set an upper limit because the conductor track does not become arbitrarily narrow may.
  • the trend in the development of discrete electrical resistances continues Towards miniaturization.
  • the area of the smallest designs is currently just around 1 x 2 mm2.
  • the demand for high impedance is therefore only through an increase in the specific resistance of the layer material used to fulfill.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding one electrical resistance that can be used as a discrete component can specify.
  • an electrical resistance layer It is proposed that a highly cross-linked carbon-hydrogen matrix with 40 to 95 atom% carbon, 1 to 30 atom% Hydrogen and 4 to 60 atomic% of one or more metals selected from the 1st and / or 8th subgroup of the Periodic Table of the Elements (according to the new IUPAC nomenclature from the 8th and / or 9th and / or 10th and / or 11th group of the Periodic table of the elements), the metal or metals in the form of crystalline There are particles with a particle size in the nanometer range.
  • Me-C H layers unite specific resistance of greater than 1,000 ⁇ cm and a TK between -50 and +50 ppm / K, with no carbide formation between metal and carbon has taken place.
  • a preferred embodiment provides that as metals Metals from the copper group and / or platinum group can be selected. As Ag, Pt, Au and / or Cu has proven particularly suitable here.
  • Another advantageous variant provides that part of the carbon through Silicon and / or boron and / or nitrogen is replaced. It has proven to be cheap between 1 and 95%, advantageously between 1 and 40%, of the carbon content to be substituted by silicon and / or boron and / or nitrogen.
  • the layers according to the invention consist of a highly crosslinked hydrocarbon matrix with preferably embedded nanocrystalline, metallically conductive Particles. They behave at high electrical properties Metal contents metallic (positive TC), with a sufficiently low metal content like Semiconductors (negative TC).
  • TC Metal contents metallic
  • negative TC Semiconductors
  • the one to a layer with a TC Specific resistance estimated by interpolation is 0 ppm / K for the layer systems Ti-C: H, Ta-C: H and Nb-C: H approx. 200 - 300 ⁇ cm for the Layer systems Pt-C: H, Au-C: H and Cu-C: H around 10,000 ⁇ cm.
  • Me-C H layers are produced using the methods of the prior art Technology, i.e. with CVD or with PVD. Through a subsequent annealing process, preferably in air, the layer properties are subsequently stabilized (Pre-aging).
  • the changes in the layer structure increase particle size, healing of lattice defects, increase in matrix crosslinking
  • changes in chemical composition incorporation of oxygen, expulsion of hydrogen and carbon
  • can suitable tempering conditions temperature, time, surrounding medium
  • one TC close to 0 ppm / K can be achieved.
  • a passivation layer e.g. an approx. 100 nm thick amorphous, silicon-containing hydrocarbon layer (a-CSi: H).
  • a-CSi amorphous, silicon-containing hydrocarbon layer
  • the new thin-layer material according to the invention accordingly makes higher specific resistances than with CrSi (approx. 1,000 ⁇ cm) with the same TC. Due to the special microstructure of the material (dense amorphous network) there is also significantly improved long-term stability.
  • the invention further relates to an electrical resistance as a discrete component with the features of claim 5.
  • the electrical resistance layer described is then applied to a substrate in a layer thickness of 10 nanometers to 10 ⁇ m, preferably 50 nanometers to 5 ⁇ m, using the known method .
  • AIN, BN, Al 2 O 3 , SiC or silicate is used as the substrate.
  • the invention also relates to the use of the electrical resistance layer for producing electrical resistances as discrete and / or integrated components.
  • the invention is explained in more detail using three exemplary embodiments.
  • Pt-C H layers were produced by reactive HF sputtering.
  • the Traget-substrate distance was 5.5 cm, the total pressure was 0.020 mbar.
  • the proportion of ethyne in the gas phase was 2% (rest: argon), the target bias voltage 1.5 kV. That was how Ceramic substrates in 30 min. Obtain layers 0.5 ⁇ m thick.
  • the elementary analysis showed an atomic platinum fraction (Pt / (Pt + C)) of 0.09, the hydrogen content is lower overall than 30 at%.
  • the electrical characterization of the layer after an annealing process (1h, air, 300 ° C) gave a specific resistance of 19,000 ⁇ cm and a TK of 40 ppm / K at room temperature.
  • Pt-CSi H layers are produced by reactive HF sputtering with tetramethylsilane (TMS) been.
  • TMS tetramethylsilane
  • the target-substrate distance was 5.5 cm, the target bias voltage 2.0 kV.
  • the TMS partial pressure was 0.001 mbar (rest: argon).
  • the Elemental analysis showed an atomic platinum fraction (Pt / Pt + Si + C) of 0.33, one atomic silicon content (Si / (Pt + Si + C)) of 0.12 and an atomic carbon content (C / (Pt + Si + C)) of 0.55.
  • the total hydrogen content is less than 30 at%.
  • the electrical characterization of the layer after an annealing process (8h, air, 300 ° C) resulted a specific resistance of 63,000 ⁇ cm and a TK of -46 ppm / K Room temperature.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Me-C:H-Schicht als hochohmige elektrische Widerstandsschicht sowie einen diskreten elektrischen Widerstand und die Verwendung der elektrischen Widerstandsschicht.
Elektrische Widerstandsschichten sind bereits bekannt. Die DE-OS 25 09 623 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Widerstandsschichten aus Ta-CX mit 0,35 > X > 0,8 durch Kathodenzerstäubung.
Aus dieser Schrift geht hervor, daß im System Ta-C der geringe TK von -25 ppm/K mit einem spezifischen Widerstand von 200 - 300 µΩcm einhergeht (z.B. siehe Figur 3). Diese Schichten sind demnach für hochohmige Präzisionswiderstände, d.h. für Präzisionswiderstände mit einem spezifischen Widerstand von größer 1.000 µΩcm, nicht geeignet.
In der EP 0 247 413 A1 werden ebenfalls Widerstandsschichten beschrieben, die durch Zerstäubung von Zirkon/Palladium, Titan/Gold, Zirkon/Gold, Hafnium/Gold oder Titan/Palladium in reaktiver Gasatmosphäre hergestellt werden. Es sollen gemäß der Lehre dieser Schrift ausdrücklich Schichten in Form von Nitriden (Anspruch 3) oder Karbiden oder Karbonitriden hergestellt werden (Beschreibung Spalte 3, Zeilen 16 - 19).
Die nach dieser Druckschrift hergestellten Schichten bestehen demnach aus metallisch leitenden Einschlüssen (Gold, Palladium oder Platin) in einer metallisch leitenden Matrix (Carbid oder Nitrid). Derartige Metallkompositschichten sind demnach ebenfalls als Schichten mit einem hohen spezifischen Widerstand nicht geeignet. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wird nicht näher spezifiziert.
Moderne mikroelektronische Anwendungen erfordern aber gerade Widerstandswerte von mehr als 1 MΩ bei möglichst geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (im folgenden mit TK abgekürzt). Voraussetzung für die Realisierung solcher Komponenten sind Schichtmaterialien mit einem hohen spezifischen Widerstand von mindestens 1.000 µΩcm bei sehr geringem TK. Wie aus der Diskussion des Standes der Technik hervorgeht, sind diese Metall-Metallcarbid-Schichten nicht in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen. Deshalb werden z.Z. auch Systeme CrSi realisiert und für hochohmige Schichtwiderstände eingesetzt.
Aus Thin Solid Films 201 (1991) 109 ist ein Verfahren zur Herstellung von Cr-Si-C- Filmen für Dünnschichtwiderstände durch ein D.C. Magnetron - Sputterverfahren in Ar-CH4- Atmosphäre bekannt, bei dem Wasserstoff in den Film eingebaut wird und Filme beispielsweise der Zusammensetzung Si0.30Cr0.12C0.28H0.30 entstehen. Diese Filme haben einen negativen Temperaturkoeffizenten, der größer ist als der von Cr-Si-O-Schichten.
Der Widerstandswert eines diskreten elektrischen Widerstandes kann zwar durch einen Mikrostrukturierungsprozeß (Wendeln bei zylindrischen, Mändrieren bei flachen Widerstandskörpern) erhöht werden. Dem bei diesem Prozeß zu erzielenden Endwert/Grundwertverhältnis ist aber durch die begrenzte Gesamtfläche des Widerstandes eine obere Grenze gesetzt, da die Leiterbahn nicht beliebig schmal werden darf. Der Trend bei der Entwicklung diskreter elektrischer Widerstände geht aber in Richtung Miniaturisierung. Die Fläche der kleinsten Bauformen beträgt z.Z. nur noch rund 1 x 2 qmm. Die Forderung nach Hochohmigkeit ist deshalb nur durch eine Vergrößerung des spezifischen Widerstandes des verwendeten Schichtmaterials zu erfüllen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schichtwiderstandsmaterial zu realisieren, welches einen hohen spezifischen Widerstand, vorzugsweise von mehr als 1.000 µΩcm, mit einem niedrigen TK, vorzugsweise zwischen -100 und +100 ppm/K, verbindet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechenden elektrischen Widerstand, der als diskretes Bauelement verwendet werden kann, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine elektrische Widerstandsschicht vorgeschlagen wird, die aus einer hochvernetzten Kohlenstoff-Wasserstoff-Matrix mit 40 bis 95 Atom-% Kohlenstoff, 1 bis 30 Atom-% Wasserstoff und 4 bis 60 Atom-% eines oder mehrerer Metalle, ausgewählt aus der 1. und/oder 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente (nach neuer IUPAC-Nomenklatur aus der 8. und/oder 9. und/oder 10. und/oder 11. Gruppe des Periodensystems der Elemente), wobei das oder die Metalle in Form von kristallinen Partikeln mit einer Partikelgröße im Nanometerbereich vorliegen, besteht. Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Me-C:H-Schichten einen spezifischen Widerstand von größer 1.000 µΩcm und einen TK zwischen -50 und +50 ppm/K aufweisen, wobei zwischen Metall und Kohlenstoff keine Carbidbildung stattgefunden hat. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß als Metalle Metalle aus der Kupfer-Gruppe und/oder Platin-Gruppe, ausgewählt werden. Als besonders geeignet hat sich hier Ag, Pt, Au und/oder Cu erwiesen.
Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, daß ein Teil des Kohlenstoffes durch Silicium und/oder Bor und/oder Stickstoff ersetzt ist. Als günstig hat es sich erwiesen, zwischen 1 und 95 %, vorteilhafterweise zwischen 1 und 40 %, des Kohlenstoffanteiles durch Silicium und/oder Bor und/oder Stickstoff zu substituieren.
Die erfindungsgemäßen Schichten bestehen aus einer hochvernetzten Kohlenwasserstoff-Matrix mit bevorzugt eingebetteten nanocristallinen, metallisch leitenden Partikeln. Sie verhalten sich bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften bei hohen Metallgehalten metallisch (positiver TK), bei genügend niedrigem Metallgehalt wie Halbleiter (negativer TK). Für jedes Me-C:H-System gibt es demnach eine Zusammensetzung, bei der der TK = 0 ppm/K ist. Der zu einer Schicht mit einem TK = 0 ppm/K gehörende, durch Interpolation abgeschätzte spezifische Widerstand beträgt für die Schichtsysteme Ti-C:H, Ta-C:H und Nb-C:H ca. 200 - 300 µΩcm für die Schichtsysteme Pt-C:H, Au-C:H und Cu-C:H rund 10.000 µΩcm. Demnach weisen Schichten mit Metallen, die keine metallischen Carbide bilden, wie z.B. Platin, Gold und Kupfer, erhebliche Abweichungen von der als "Mooijschen Regel" bekannten empirischen Gesetzmäßigkeiten auf, wonach für die ganz überwiegende Zahl elektrischer Leiter ein TK zwischen -100 und +100 ppm/K mit einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 100 und 200 µΩcm einhergeht.
Die Herstellung dieser Me-C:H-Schichten erfolgt mit den Methoden des Standes der Technik, d.h. mit CVD oder mit PVD. Durch einen anschließenden Temperprozeß, vorzugsweise an Luft, werden die Schichteigenschaften nachträglich stabilisiert (Voralterung). Die so hervorgerufenen Änderungen der Schichtstruktur (Erhöhung der Partikelgröße, Ausheilung von Gitterfehlern, Erhöhung der Matrixvernetzung) sowie Änderungen der chemischen Zusammensetzung (Einbau von Sauerstoff, Austreibung von Wasserstoff und Kohlenstoff) haben auch eine Änderung der elektrischen Eigenschaften zur Folge. Je nach Schichtsystem und Metallgehalt kann durch geeignete Temperbedingungen (Temperatur, Zeit, umgebendes Medium) ein TK nahe 0 ppm/K erreicht werden. Um die Schicht beim Tempern vor einer thermischen Zersetzung mit dem Luftsauerstoff zu schützen, kann zusätzlich auf die eigentliche Funktionsschicht eine Passivierungsschicht, z.B. eine ca. 100 nm dicke, amorphe, siliciumhaltige Kohlenwasser-stoffschicht (a-CSi:H), aufgebracht werden. Durch das neue erfindungsgemäße Dünnschichtmaterial werden demnach höhere spezifische Widerstände als bei CrSi (ca. 1.000 µΩcm) bei gleichem TK ermöglicht. Aufgrund der besonderen Mikrostruktur des Materials (dichtes amorphes Netzwerk) ergibt sich zudem eine wesentlich verbesserte Langzeitstabilität.
Die Erfindung betrifft weiterhin noch einen elektrischen Widerstand als diskretes Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Erfindungsgemäß wird danach die beschriebene elektrische Widerstandsschicht auf ein Substrat in einer Schichtdicke von 10 Nanometer bis 10 µm, vorzugsweise 50 Nanometer bis 5 µm, mit dem bekannten Verfahren aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Substrat AIN, BN, Al2O3, SiC oder Silicat verwendet.
Letztlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung der elektrischen Widerstandsschicht zum Herstellen von elektrischen Widerständen als diskrete und/oder integrierte Bauelemente.
Die Erfindung wird anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Ausführungsbeispiele 1. Au-C:H
In einer mit einem Goldtarget (15 cm) ausgestatteten Parallelplatten-HF-Sputteranlage (13.56 MHz, 800 W, 1,5 kV Target-Biasspannung) (siehe Skizze 1) wird bei einem Druck von 0.03 mbar in einer Gasatmosphäre aus Argon (46 sccm, wobei sccm Standardkubikzentimeter pro Minute bedeutet und mit cm3/min. unter Standardbedingungen gleichzusetzen ist) und Ethylen (3 sccm) ein Plasma gezündet. Auf einem in 6 cm Abstand vom Target angebrachten Quarzsubstrat scheidet sich in 17 Minuten eine Au-C:H-Schicht von 1.5 µm Dicke ab. Die Elementaranalyse (Elektronenstrahl-Mikrosonde) ergibt einen atomaren Goldanteil (Au/(Au+C)) von 0,55, der Wasserstoffgehalt ist insgesamt kleiner als 30 at-%. Die elektrische Charakterisierung der Schicht ergibt einen spezifischen Widerstand von 2.500 µΩcm und einen TK von 45 ppm/K bei Raumtemperatur.
2. Pt-C:H
Pt-C:H-Schichten wurden durch reaktives HF-Sputtern hergestellt. Der Traget-Substratabstand betrug 5.5 cm, der Gesamtdruck 0.020 mbar. Der Ethin-Anteil der Gasphase betrug 2% (Rest: Argon), die Target-Biasspannung 1.5 kV. Auf diese Weise wurden auf Keramiksubstraten in 30 min. 0.5 µm dicke Schichten erhalten. Die Elementaranalyse ergab einen atomaren Platinanteil (Pt/(Pt+C)) von 0,09, der Wasserstoffgehalt ist insgesamt kleiner als 30 at-%. Die elektrische Charakterisierung der Schicht nach einem Temperprozeß (1h, Luft, 300°C) ergab einen spezifischen Widerstand von 19.000 µΩcm und einen TK von 40 ppm/K bei Raumtemperatur.
3. Pt-CSi:H
Pt-CSi:H-Schichten sind durch reaktives HF-Sputtern mit Tetramethylsilan (TMS) hergestellt worden. Der Target-Substratabstand betrug 5.5 cm, die Target-Biasspannung 2.0 kV. Bei einem Prozeßdruck von 0.01 mbar betrug der TMS-Partialdruck 0.001 mbar (Rest: Argon). Bei einer Beschichtungszeit von 1 Stunde wurden 2 µm dicke Schichten hergestellt. Die Elementaranalyse ergab einen atomaren Platinanteil (Pt/Pt+Si+C) von 0.33, einen atomaren Silicium-anteil (Si/(Pt+Si+C)) von 0.12 und einen atomaren Kohlenstoffanteil (C/(Pt+Si+C)) von 0.55. Der Wasserstoffgehalt ist insgesamt kleiner als 30 at%. Die elektrische Charakterisierung der Schicht nach einem Temperprozeß (8h, Luft, 300°C) ergab einen spezifischen Widerstand von 63.000 µΩcm und einen TK von -46 ppm/K bei Raumtemperatur.

Claims (7)

  1. Elektrische Widerstandsschicht aus einer hochvernetzten Kohlenstoff-Wasserstoff-Matrix mit 40 bis 95 Atom-% Kohlenstoff, 1 bis 30 Atom-% Wasserstoff und 4 bis 60 Atom-% eines oder mehrerer Metalle, ausgewählt aus der 1. und/oder 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, wobei das oder die Metalle in Form von kristallinen Partikeln mit einer Partikelgröße im Nanometerbereich vorliegen.
  2. Elektrische Widerstandsschicht gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Metalle Ag, Au, Cu, Pt und/oder Pd sind.
  3. Elektrische Widerstandsschicht gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Metalle in Form von kristallinen Partikeln mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 500 nm vorliegen.
  4. Elektrische Widerstandsschicht gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen 1 bis 95 % des Kohlenstoffanteiles durch Silicium und/oder Bor und/oder Stickstoff ersetzt ist.
  5. Elektrischer Widerstand als diskretes Bauelement mit einem Substrat und einer elektrischen Widerstandsschicht mit einer Dicke von 10 nm bis 10µm aus einer hochvernetzten Kohlenstoff-Wasserstoff-Matrix mit 40 bis 95 Atom-% Kohlenstoff, 1 bis 30 Atom-% Wasserstoff und 4 bis 60 Atom-% eines oder mehrerer Metalle, ausgewählt aus der 1. und/oder 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, wobei das oder die Metalle in Form von kristallinen Partikeln mit einer Partikelgröße im Nanometerbereich vorliegen.
  6. Elektrischer Widerstand als diskretes Bauelement gemäß Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Substrat aus AIN-, BN-, Al2O3-, SiC- und/oder Silikat-Keramik besteht.
  7. Verwendung der elektrischen Widerstandsschicht gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von elektrischen Widerständen als diskrete und/oder integrierte Bauelemente.
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