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

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material anzugeben, aus dem sich Dünnschichtwiderstände zwischen 1 M-Ohm und mehreren G-Ohm herstellen lassen.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere Verfahren zu ihrer Realisierung, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0010] Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungs­beispielen noch näher erläutert.

1. Ausführungsbeispiel:

[0011] 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:

[0012] 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.

[0013] 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.

Ansprüche

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.