DE2719988C2

DE2719988C2 - Amorphe, Tantal enthaltende mindestens bis 300 Grad C temperaturstabile Metallschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2719988C2
Application number: DE2719988A
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 8000 München Menzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1983-01-05
Also published as: FR2389682B1; JPS53137812A; FR2389682A1; GB1588950A; US4172718A; DE2719988A1; CH637167A5

Description

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Die Erfindung betrifft eine amorphe. Tantal enthallende, mindestens bis 300⁰C tt.tiperaturstabile Metallschicht, bei der das Material dieser Schicht auf ein liefgekühltes Substrat durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen ist. sowie ein Verfahren zu ihrer _w Herstellung.

Metalle und Metall-Legierungen in amorphem Zustand besitzen teilweise technisch interessante Kigenschaften, wie beispielsweise große magnetische Weichheit, hohen spezifischen e! ktrischen Widerstand j, und kleine oder sogar negative Werte für den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (vergl. .Journ. of Chem. Physics«. 48.b (1968). 2560. »Phys. Rev.« B2 (1970). 1631). Es wurde eine Reihe verschiedenartiger Methoden zur Herstellung derart!- ger amorpher Metalle entwickelt, die einerseits in der Stabilisierung des ungeordneten Zustandes flüssiger Metalle bzw. flüssiger Metall-Legierungen durch Abschrecken, andererseits in der Kondensation von Metalldämpfen auf gekühlten Substraten beruhen.

Das Prinzip der Abschreckung aus der Schmelze ist beispielsweise in der Literaturstelle »Trans. Met. Soc. AIME« 227 (1963). Seite 362 ff. sowie in »Act. Met.« 15 (1967). Seite 1969 beschrieben worden. Die mit dieser Methode erzielbaren Schichtdicken für die amorphen Metallschtchten betragen zwischen etwa 10 und 100 μηι. Eine andere Möglichkeit ist durch die Abschreckkondensation gegeben, bei der das Material der zu gewinnenden amorphen Metallschicht auf ein tiefgekühltes Substrat aufgestäubt oder aus der Dampfphase atiskondensiert wird. Diese Methode gestattet die Erzielung auch von sehr geringen Schichtdicken < 1 μιη sowie eine sehr hohe Genauigkeit der Dicke der niedergeschlagenen Schichten. Die Abschreckgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung zwischen 10* bis KPK/sec. Weiterhin können mit dieser Methode auch Legierungsschichten durch ein gleichzeitiges Niederschlagen mehrerer Komponenten auf dem gekühlten Substrat hergestellt werden. Die erzielten amorphen Dünnschichten können, sofern sie bei bi höheren Temperaturen Stabilität aufweisen, in der Dünnschichttechnik, /.. B. für Dünnschichtwiderstände, verwendei werden. Solche amorphen Metallschichten, die auf stark gekühlten Stubstraien erzielt werden, gehen jedoch meist bei höheren Temperaturen, z. B. schon bei Zimmertemperatur, in einen kristallinen Zustand über. Um den amorphen Zustand solcher Schichten stabil zu halten, werden daher beim Herstellungsprozeß im allgemeinen »Stabilisatoren« wie z. B. Si, P, S, B, Ge, Bi, zugesetzt. Durch solche Zusatzstoffe können aber die erstrebten und technisch interessanten Eigenschaften der amorphen Materialien in unerwünschter Weise verändert werden.

Bei der bisherigen Herstellung amorpher Metallschichten im Hochvakuum wurden die im Restgas vorhandenen Verunreinigungen Undefiniert in die Schichten miteingebaut. Die so eingebauten Verunreinigungen stabilisieren zwar den amorphen Zustand, verändern aber z. B. die elektrischen Eigenschaften und setzen die Reproduzierbarkeit der Herstellung von Schichten mit genau bestimmten Eigenschaften stark herab.

Aus der DE-OS 16 15 030 ist zwar eine aus Tantal bestehende Metallschicht mit hohen spezifischen elektrischen Widerstandswerten bekannt, doch besteht diese Metallschicht aus einer ^-Tantal-Modifikation und ist nicht amorph und temperaturstabil.

Aus der DE-OS 25 34 379 sind Metall-Legierungen, z. B. Tantal-Nickel-Legierungen, bekannt bei denen die amorphen Phase" nur in Gegenwart von Bor. Silizium. Phosphor und Schwefel oder durch Verunreinigungen des Hochvakuums stabil sind.

Aus der Zeitschrift »Vakuum Technik«. 1979, Heft 6, Seiten 134 — 13C sind Tantalaufdampfschichten bekannt, die zur Einstellung eines bestimmten elektrischen Widerstandes in ihrem Oberfläcbenbereich mit Sauerstoff und Stickstoff begast werden. Ein amorpher Zustand liegt nicht vor.

Aus der US-PS 34 27 154 sind schließlich Mehrkomponenten-Legierungen mit amorpher Struktur zu entnehmen, die als metastabil bezeichnet werden.

Von keiner der durch Jen Stand der Technik bekannten amorphen Metallscheren auf Tantalbasis ist jedoch bekannt, daß diese auch bei Temperaturen von 300" C und darüber noch bezüglich ihrer amorphen Eigenschaften stabil sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine amorphe Metallschicht auf Tantalbasis, die mindestens bis 300⁰C temperalurstabil ist. anzugeben, so daß eine hohe Reproduzierbarkeit ihrer Eigenschaften, wie beispielsweise des spezifischen elektrischen Widerstandes sowie des Temperaturhoeffizienten des elektrischen Widerstandes gewährleistet ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben.

Zur Lösung der erfindiingsgemäßen Aufgabe wird eine amorphe. Tantal enthaltende Metallschicht der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die neben Tantal entweder Nickel zwischen 20 und 55 Atom-% oder Kobalt zwischen 20 und 80 Atom-% oder in die Schicht eingelagerten Stickstoff enthält.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, diese Schicht dadurch herzustellen, daß in einem auf Ultrahochvaku· um evakuierbaren Gefäß zugleich mit dem Tantal auf das gekühlte Substrat Nickel oder Kobalt durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen oder Stickstoff auskondensiert wird. Die Temperatur des Substrates wird dabei auf kleiner —90'C gehalten.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung von Nickel bzw. Kobalt als Zusatzstoff die niedergeschlagene amorphe Schicht nur aus metalli-

sehen Materialien besteht und dermoch bis etwa 350°C amorph bleibt. Erfolgt die Herstellung im Ultrahochvakuum, so werden keine Undefinierten Verunreinigungen in diese Schichten eingebaut, was die Reproduzierbar keit der Schielen weiter erhöht. Bei der Verwendung von Stickstoff als Zusatzstoff verhält sich dieser iner· Die Verwendung von Stickstoff als Zusatzstofi hat weiter den Vorteil, daß bei der Herstellung einer solchen Schicht nur eine Vcrdampfungsquelle für das Tantal notwendig ist, da der Stickstoff beispielsweise durch ein Dosierventil als Gas zugeleitet werden kann. Durch Vhiiation des Stickstoffpartialdruckes können die Eigenschaften der Schicht gezielt gesteuert werden. Zur Kühlung reicht dabei eine Kühlung mit flüssigem H2 oder N2 aus. Die Verwendung von Kobalt für die Zusammensetzung der Schicht ergibt eine amorphe Metallschicht, die bis 350⁰C stabil ist und einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zwischen —200 ppm/'K und + 200 ppm/" K besitzt. Der spezifische Widerstand liegt zwischen 150 und 250 μ cm.

Im folgenden wird die Erfindung beschrieben und anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch die zur Herstellung der erfindungsgemäßen amorphen. Tantal enthaltenden Schicht verwendete Apparatur.

Als Beispiel diene die Herstellung einer Nickel enthaltenden amorphen Tantalschicht. In einem Rezipienten 1. der über einen Amchluß 2 mit einer Ultrahochvakuumpumpe verbunden ist. befinden sich zwei Verdampfungstiegel 3 bzw. 4, wobei sich in dem einen Tiegel zu verdampfendes Tantal 5 und in dem anderen Tiegel zu verdampfendes Nickel 6 befindet. Die Verdampfungstiegei 3 bzw. 4 werden beispielsweise elektrisch mittels Stromquellen 7 bzw. 8 beheizt. Statt dessen können auch Elektronenstrahlverdampfer eingesetzt werden. In dem Rezipienten 1 befindet sich weiter eine Kühlvorrichtung 9. durch die ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiger Wasserstoff oder flüssiger Stickstoff, hindurchgeleitet werden kann. Auf dieser Kühlvorricht ing 9 befindet sich das Substrat 10, auf dem die amorphe Schicht 11 niedergeschlagen wird. Das Substrat besteht beispielsweise aus Glas.

Als Ausgangsmaterial wird Tantal und Nickel des Reinheitsgrades 99.999% verwendet. Die Materialien werden in die Tiegel 3 bzw. 4 gebracht, im Ultrahochvjkuum aufgeschmolzen uwd geglüht, so daß der Enddruck in der Anlage nach Ausheizen der gesamten Apparatur bei etwa 200°C einen Druck von 3 ■ 10"⁸ Pa erreicht. Sodann werden die Verdampfungstiegel 3 und 4 aufgeheizt, so daß aus ihnen Tantal bzw. Nickel verdampft. Während dieser Verdampfung steigt der Druck in dem Rezipicnten auf etwa 9 · I0-* bis 8-10-⁷Pa an. Die Aufdampfgeschwindigkeit am Substrat beträgt beispielsweise 0,2 nm pro see; die Ablagerung erfolgt solang«? bis eine Schichtdicke von beispielsweise Ί5 bis 80 πίτι erreicht .~t. Ais Substratmaterial können neben Glas auch Quarz, AI₂O₃ oder BeO verwendet werden. Nach den im Zusammenhang mit der Erfindung vorgenommenen Untersuchungen werden in üem niedergeschlagenen Tantal bis etwa 8 Atom-% Nickel gelöst. Bei Schichten mit einem Nickelgehalt zwischen 8 und etwa 20 Atom-% bildet

lu sich ein Phasengemisch aus α-Tantal und amorphem Tantal-Nickel. Aus diesem Grunde wird der Nickelanteil in der niedergeschlagenen Schicht zwischen etwa 20 und etwa 55 Atom-% gewählt- In diesem Bereich liegen die spezifischen elektrischen Widerstände solcher Schichten zwischen etwa 130 und etwa 320 μ Ohm · cm. Die Temperaturkoeffizienten variieren zwischen etwa + 500 und — 300ppm/°K. Derartige Schichten mit einem Nickelanteil zwischen 20 und 55 Atom-% bleiben bis etwa 300°C stabil. Danach zeig: sich eine geringfügige, irreversible Widerstandsabnahme, die bei etwa 400^C ungefähr ein Zehntel ^ⁿs ursprünglichen Widerstandswertes beträgt, da diese Schichten bei dieser Temperatur in einen mikrokristallinen Zustand übergehen. Bei einem Nickelgehalt oberhalb von 55 Atom-% tritt in der niedergeschlagenen Schicht neben amorphem Tantal-Nickel auch /?-Tantal auf. Mit weiter steigendem Nickelgehalt kann die amorphe Phase verschwinden und /3-Tantal und Nickel nebeneinander auftreten.

jo Die Herstellung einer amorphen. Tantal enthaltenden Schicht mit einem Zusatz von Stickstoff erfolgt in entsprechender Weise, wobei über einen Gaseinlaß 12 Stickstoff in den Rezipienten eingelassen wird. In diesem Fall entsteht als niedergeschlagene Schicht eine Tantalschicht mit eingelagertem Stickstoff. Derartige Schichten haben ebenfalls bis etwa 300°C ihren amorphen Zustand beibehalten. Bei der Abscheidung dieser Schicht wird in dem Rezipienten 1 ein Stickstoffpartialdruck von mehr als etwa 5 · 10-⁵Pa eingestellt. Das Substrat wird auf eine Temperatur von etwa -16O⁰C gebracht. Der spezifische elektrische Widerstand einer solchen Schicht beträgt z. B. bei einem Nj-Partialdruck von 6 ■ IO-⁴ Pa etwa 900 μ cm. Die diesen Nj-Partialdrücken entsprechenden Werte des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes betragen —750 pp.Ti/"⁵ K bzw.

-95OpPm/⁰ K.

Wird für die Zusammensetzung der Schicht Kobalt mit einem Anteil von z. B. 25 bis 30 Atom-% gewählt, so

so beträgt der spezifische elektrische Widerstand zwischen 150 und 180 μ

cm. dessen Temperaturkoeffizient 0 ± 15 ppm/" K im Bereich von -140° C bis +35O¹C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Amorphe, Tantal enthaltende, mindestens bis 300°C temperaturstabile Metallschicht, bei der das Material dieser Schicht auf ein tiefgekühltes Substrat durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen ii;t, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht neben Tantal entweder Nickel zwischen 20 und 55 Atom-% oder Kobalt zwischen 20 und 80 Atom-% oder in die Schicht eingelagerten Stickstoff enthält.

2. Verfahren zur Herstellung einer amorphen Tantal enthaltenden Metallschicht nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß in einem auf Ultrahochvakuum evakuierbaren Gefäß zugleich mit dem ,5 Tantal auf das gekühlte Substrat Nickel oder Kobalt durch Aufdampfen oder Aufstäuben niedergeschlagen oder Stickstoff auskondensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichne· daß die Temperatur des Substrates auf kleiner lUiiius 90⁰C gehalten wird.