Präzisions-Widerstands-Dünnschicht

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik/­Mikroelektronik und betrifft Präzisions-Widerstands-Dünn­schichten, wie sie z.B. in Hybridschaltkreisen, Sensoren oder integrierten Schaltungen Anwendung finden.
Die Aufgabe der Erfindung, die Zusammensetzung der Schichten und ihre Struktur bezüglich der Heterogenität zu verändern, wird durch Präzisions-Widerstands-Dünnschichten auf der Basis von CrSiO mit 10 bis 50 Stoffmengenanteilen Sauer­stoff und einem Atomverhältnis Si:Cr zwischen 1 und 10 sowie mit einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen (x) von 0 bis 10 Stoffmengenanteilen und 0 bis 50 Stoffmengen­anteilen Al bezogen auf das Gesamtsystem CrSiXAl erfindungs­gemäß dadurch gelöst, daß die Schicht zwischen 2 und 20 Stoffmengenanteile Wasserstoff, bezogen auf das Gesamt­system CrSiCAlOH, enthält, daß ein Teil des Wasserstoffs in Form von OH-Gruppen abgebunden ist, und daß die Schicht eine Entmischung in O-reiche und O-arme Cluster aufweist, die mit einer Säulenstruktur gekoppelt ist.
Durch die Erfindung ist es möglich, Widerstands-Dünnschich­ten mit Präzisionseigenschaften anzugeben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik/­Mikroelektronik und betrifft Präzisions-Widerstands-Dünn­schichten, wie sie z.B. in Hybridschaltkreisen, Sensoren oder integrierten Schaltungen Anwendung finden.

[0002] Bekannt sind Präzisions-Widerstands-Dünnschichten auf der Basis von CrSiO mit 0 bis 60 Stoffmengenanteilen Sauerstoff (DE-OS 2 724 498). Weiterhin ist bekannt, daß solche Dünn­schichten W, Ta oder Mo mit 1 bis 10 Stoffmengenanteilen und/oder Al mit 5 bis 70 Stoffmengenanteilen zusätzlich enthalten können (DD 158 725, DD 230 106).

[0003] Alle diese Werkstoffzusammensetzungen haben die Nachteile, daß Temperaturkoeffizienten um Null entweder nur in einem engen Temperaturgebiet oder nur in einem schmalen Bereich des spezifischen Widerstandes erreicht werden und daß dieser Bereich weiterhin im unteren Teil des mit diesen Schichten überstreichbaren Widerstandsgebietes liegt, d.h., daß der nutzbare Widerstandsbereich um so enger ist, je weiter der Temperaturbereich ist, für den ein kleiner TK gefordert wird. Dies ist oft von - 55^oC bis 125^oC bzw. 155^oC der Fall. Es ist dann üblich, zur Charakterisierung des Tempe­raturkoeffizienten zwei Parameter zu verwenden, den TK zwischen 25^oC und 125^oC (sog. Wärme-TK) und die Paraboli­zität Δ TK (Unterschied des TK im Wärmebereich zu dem im Kältebereich, d.h. von - 55^oC bis 25^oC).

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Präzisions-­Widerstands-Dünnschicht anzugeben, deren TK und Δ TK gleich­zeitig einen Wert nahe Null in einem weiten und möglichst hohen Bereich des spezifischen Widerstandes haben, wobei die Zusammensetzung der Schichten und ihre Struktur bezüglich der Heterogenität zu verändern ist.

[0005] Die Aufgabe wird durch eine Präzisions-Widerstands-Dünnschicht auf der Basis CrSiO mit 10 bis 50 Stoffanteilen Sauerstoff und einem Atomverhältnis Si : Cr zwischen 1 und 10 und mit einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen (x) von 0 bis 10 Stoffmengenanteilen und von 0 bis 50 Stoffmengenanteilen Al, bezogen auf das System CrSiXAl erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schicht zwischen 2 und 20 Stoffmengenanteile Wasserstoff, bezogen auf das Gesamtsystem CrSiXAlOH, enthält, daß ein Teil des Wasserstoffs in Form von OH-Gruppen abge­bunden ist, und daß die Schicht eine Entmischung in O-reiche und O-arme Cluster aufweist, die mit einer Säulenstruktur gekoppelt ist.

[0006] Vorteilhafterweise hat die Schicht die Zusammensetzung
(Si_aCr_bW_c)_1-x (O_1-yH_y)_x ,
wobei die Koeffizienten a zwischen 0,5 und 0,85, b zwischen 0,15 und 0,5 und c zwischen 0 und 0,05 liegen, sowie x-­Werte zwischen 0,3 und 0,55 und y zwischen 0,1 und 0,15 annimmt.

[0007] Ebenfalls vorteilhaft ist die Zusammensetzung der Schicht durch
(Si_aCr_bAl_c)_1-x(O_1-yH_y)_x
gegeben, wobei die Koeffizienten a zwischen 0,5 und 0,8, b zwischen 0,15 und 0,5 und c zwischen 0 und 0,2 liegen, sowie x-Werte zwischen 0,3 und 0,55 und y zwischen 0,1 und 0,15 annimmt.

[0008] Zweckmäßig ist es weiterhin, daß möglichst viel des in der Schicht vorhandenen Wasserstoffs, d.h. mindestens 50 %, in Form von OH-Gruppen abgebunden ist.

[0009] Widerstandsschichten der angegebenen Zusammensetzung und Struktur haben entsprechend der Zielsetzung die Eigenschaft, daß TK und Δ TK in einem weiten und höheren Bereich des spe­zifischen Widerstandes gleichzeitig nahe Null sind.

[0010] Die Schichten lassen sich beispielsweise mit einem Plasma­tron herstellen. Das Sputtern erfolgt in einer H₂O-haltigen Atmosphäre mit einem Gesamtdruck zwischen 1 und 100 Pa.

[0011] Die Zusammensetzung und die Struktur der Schichten läßt sich beispielsweise folgendermaßen prüfen:

[0012] Die Konzentration der Elemente Si, Cr, W und O läßt sich durch die Rutherfordrückstreuspektroskopie bestimmen, die H-Konzentration durch eine kernphysikalische Analysenmethode entsprechend der Reaktion
¹H(¹⁵N,αγ)¹²C
ca. 1 Woche nach Schichtherstellung. Geringe leichtflüchtige Wasserstoffanteile, die hier vernachlässigt werden und die sich außerdem schwer verfolgen lassen, sind zu diesem Zeit­punkt nicht mehr in den Schichten vorhanden.

[0013] Der Nachweis der OH-Gruppen kann mit Hilfe der Infrarot­spektroskopie erfolgen; die Proben zeigen dann im Bereich von 3000 - 3600 cm⁻¹ Absorptionsbanden.

[0014] Die Entmischung und die Säulenstruktur lassen sich durch transmissions-elektronenmikroskopische Untersuchungen ein­schließlich der zugehörigen Beugungen nachweisen; die Säu­lenstruktur wird insbesondere bei Schrägstellung der Proben zum Elektronenstrahl deutlich.

Beispiele 1 und 2

[0015] Auf einem Substrat aus oxidiertem Silizium ist eine Wider­standsschicht von 80 nm Dicke vorhanden mit einer Zusammen­setzung, die durch
(Si₀,₅₅Cr₀,₄₃W₀,₀₂)_1-x(O_1-yH_y)_x
gegeben ist.

[0016] Das Beispiel 1 entspricht dem Stand der Technik.

Beispiel 1

[0017] A: y ≈ 0 und x ≈ 0,3
B: y ≈ 0 und x ≈ 0,4
C: y ≈ 0 und x ≈ 0,5

[0018] Nach Herstellung und anschließender Einstelltemperung, die wie üblich dem Werkstoff angepaßt wird, ergeben sich fol­gende Eigenschaften:
(ρ. = spezifischer Widerstand des ungetemperten Materials in µΩ cm
ρ = spezifischer Widerstand in µΩ cm nach Einstell­temperung bei der Temperatur T_E in ^oC. Dauer der Einstellung 2 h.
TK¹²⁵ = Temperkoeffizient des Widerstandes zwischen 25^oC und 125^oC
TK⁻⁵⁵= Temperkoeffizient des Widerstandes zwischen -55^oC und 25^oC
Δ TK = TK¹²⁵ - TK⁻⁵⁵)

Beispiel 2

[0019] A: y = 0,14 und x = 0,3
B: y = 0,12 und x = 0,4
C: y = 0,08 und x = 0,5

[0020] Dabei werden bei IR-spektroskopischen Untersuchungen breite Absorptionsbanden im Bereich von 3000 - 3600 cm⁻¹ mit inte­gralen Absorptionskoeffizienten zwischen 1 und 2 . 10⁵cm⁻² festgestellt.

[0021] Mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie wird ein Saulenaurbau der Schichten mit einer Saulenbreite von 5 bis 10 nm nachgewiesen. Die Auswertung von Beugungsuntersuchungen belegt die Entmischung der Schicht in O-reiche und O-arme Cluster. Dabei sind die O-reichen Schichten auch Si-reicher und die O-armeren auch Si-ärmer.

[0022] Die Schichten lassen sich folgendermaßen herstellen:

[0023] Es wird eine ultrahochvakuumdichte Anlage von 100 l Rezi­pientenvolumen benutzt, in die ein Plasmatron mit einem Target der Zusammensetzung 60 Si 38 Cr 2 W eingebaut ist. Die Saugleistung der Pumpen wird auf 20 l/s gedrosselt. Die Substratbewegung erfolgt nach dem bekannten Planetenprinzip. Der Abstand zwischen Target und Substratpalette ist 80 mm, der Arbeitsgasdruck (Argon) 4 Pa; die Kondensationsrate wird zu 10 nm/min festgelegt. Als Reaktivgas wird Wasser­dampf verwendet, der über eine Dusche eingelassen wird.

[0024] Nach Einstelltemperung, die wiederum dem Werkstoff angepaßt wird, ergeben sich folgende Eigenschaften (Legende siehe Beispiel 1):

Ansprüche

1. Präzisions-Widerstands-Dünnschicht auf der Basis von CrSiO mit 10 bis 50 Stoffmengenanteilen Sauerstoff und einem Atomverhältnis Si : Cr zwischen 1 und 10 sowie mit einem oder mehreren ochschmelzenden Metallen (x) von 0 bis 10 Stoffmengenanteilen und 0 bis 50 Stoffmengen­anteilen Al, bezogen auf das System CrSiXAl, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht zwischen 2 und 20 Stoff­mengenanteile Wasserstoff, bezogen auf das Gesamtsystem CrSiXAlOH, enthält, daß ein Teil des Wasserstoffs in Form von OH-Gruppen abgebunden ist, und daß die Schicht eine Entmischung in O-reiche und O-arme Cluster aufweist, die mit einer Säulenstruktur gekoppelt ist.

2. Präzisionswiderstandsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Schicht durch
(Si_aCr_bW_c)_1-x (O_1-yH_y)_x
gegeben ist, wobei die Koeffizienten a zwischen 0,5 und 0,85, b zwischen 0,15 und 0,5 und c zwischen 0 und 0,05 liegen, sowie x-Werte zwischen 0,3 und 0,55 und y zwischen 0,1 und 0,15 annimmt.

3. Präzisions-Widerstandsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Schicht durch
(Si_aCr_bAl_c)_1-x(O_1-yH_y)_x
gegeben ist, wobei die Koeffizienten a zwischen 0,5 und 0,8, b zwischen 0,15 und 0,5 und c zwischen 0 und 0,2 liegen, sowie x-Werte zwischen 0,3 und 0,55 und y zwi­schen 0,1 und 0,15 annimmt.

4. Präzisions-Widerstandsschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 50 % des in der Schicht vorhandenen Wasserstoffs in Form von OH-Gruppen abgebunden ist.