DE1515310A1

DE1515310A1 - Verfahren zum Herstellen gleichfoermiger duenner Schichten hoher Guete aus leitenden oder halbleitenden Materialien und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1515310A1
Application number: DE19661515310
Authority: DE
Inventors: Davidse Pieter Dirk; Koster Lawrence Ray
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-12-20
Filing date: 1966-12-15
Publication date: 1969-08-14
Also published as: CH471241A; DE1515309B2; CH469101A; GB1118758A; BE690690A; US3525680A; DE1515309A1; GB1118759A; FR1505162A; JPS4327930B1; SE334083B; NL6617765A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BaBLINGEN SINDELFINGER STRASSE 49

FERNSPRECHER (07031)6613040 1 ζ 1 ζ Q 1 Π

BöblIngen, den IjJ. Dezember I966 el-sto

Anmelders International Business Machines Corporation« Arraonk, N.Y. 10 504

Amtl. Aktenzeichen : Neuanmeldung Aktenz. der Anmelderin: Docket 14 422

Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte aus leitenden oder halbleitenden Materialien und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte aus leitenden oder halbleitenden Materialien und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Herstellung von dünnen Schienten hoher Qualität aus leitenden Materialien, wobei die Beschichtung alt einer verhältnismäßig hohen Niederschlagsrate erfolgt. AuSerdea gestattet die vorliegende Erfindung auoh die Durchführung von reaktiven Zerstäubungen von

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elektrisch leitenden Materialien unter Bildung von dünnen Schichten aus chemischen Verbindungen verschiedener Elemente. Die Kathodenzerstäubung einiger elektrisch leitender Materialien einschließlich gewisser Metalle wie Aluminium mittels eines Standard-GIeichstrom-Zerstäubungsverfahrens war bisher mit ausreichendem Wirkungsgrad sehr schwierig durchzuführen, weil die Oberflächen dieser Metalle außerordentlich Schnell oxydieren. Weiteres hierüber kann man einer Monographie von L. Holland entnehmen, welches den Titel "Vakuum Deposition of Thin Films¹' trägt. (New York I96I, Seite 429).

Die genannte Oxydation reduziert die Zerstäubungsrate auflerordentlich dadurch, daß eine Neutralisation der positiven Ionen, welche die Oberfläche der Kathode bombardieren, unterdrückt wird.

Derartige Zerstäubungsverfahren wurden unter anderen dazu benutzt, ohmsche Kontakte auf Halbleitern anzubringen. Es stellte si3h aber heraus, daß in der Oberfläche entstehende Oxyde, welche sich sehr schnell auf den Halbleiterkörpern bilden, die Erzeugung guter ohmscher Kontakte erschweren oder sogar unmöglich machen; z. B. blockiert das entstehende Siliziumdioxyd auf der Oberfläche eines Siliziumhalblelterkörpers die Bildung

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eines gut haftenden ohmsohen Kontaktes durch Aufdampfen von Aluminium.

Längere Zelt wurde angenommen, daß elektrisch leitende Materialien lediglich durch ein Gleichstrom benutzendes Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebradt werden könnten. Bei Anwendung einer Gleichstrom-Gasentladung wird der Zerstäubungsvorgang dann die Größenordnung einer praktisch brauchbaren Niedersohlagsrate aufweisen, wenn der Druck des inerten Gases innerhalb der Zerstäubungskammer oberhalt von 3 . 10 Torr liegt. Bei derartigen Drücken ist aber die freie Weglänge so gering, daß Restgase sloh mit dem zu zerstäubenden Material verbinden können, was vornehmlich für reaktive Materialien wie Aluminium innerhalb der reaktiven Umgebung gilt, wobei die Reaktion in der gesamten Vakuumkammer stattfindet. Die Verbindung des reaktiven leitenden Materials und der Restgase bringt eine Verunreinigung der aufgestäubten Schichten mit sich. Die verunreinigten leitenden Schichten zeigen normalerweise einen beträchtlich erhöhten spezifischen Widerstand. Aue den genannten Gründen war es bisher nicht möglich, nicht verunreinigte Schichten von elektrisch leitenden Materialien mit einem Gleichstrom benutzenden Zeratäubungsverfahren herzustellen, insbesondere konnten keine überzüge aus elektrisch leitenden reaktiven Materialien, unter Einhaltung von praktisch brauchbaren Niederschlagsraten.hergestellt werden. Man

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weiß, daß man die Kathodenzerstäubung mit Hilf· von mit Hochfrequenz betriebenen Oaaentladungen,allgemein unter dem Namen Hochfrequenzkathodenzerstäubung bekannt, bei niedrigeren Drücken ausführen kann, als sie bei Oleiohstromkathodenzerstäubungen erfordert werden. Die Zerstäubung bei niedrigeren Drücken reduziert die Verunreinigung der hergestellten Schichten stark. Ohne die Anwendung der vorliegenden Erfindung war die HF-Kathodenzarstäubung beschränkt auf isolierende bzw. dielektrische Materialien. Aus dem genannten Grunde gab das bekannte HF-Zerstäubungsverfahren keine geeignete Lösung zur Herstellung von nicht verunreinigten elektrisch leitenden Materlallen, insbesondere von Materialien, welche mit den Restgasen während des Kathodenzerstäubungsvorganges reagieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur AufstKubung von elektrisch leitenden Materialien anzugeben, welches dünne Schichten guter Qualität zu liefern imstande ist und bei dem relativ niedrige Drucke benutzt werden können. Trotzdem soll ein« genügend hohe Niederschlagsrat· erreicht werden. Die so durch Kathodenzerstäubung erzeugten Niederschlag· sollen weitgehend von Verunreinigungen frei und insbesondere dazu geeignet sein, gute ohasohe Kontakte auf elektrische Vorrichtungen aufsubrln-

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gen, vorzugsweise auf die Oberfläche von Halbleitermaterialien, die ihrerseits bereits eine Oxydschicht aufweisen.

Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daS die die Kathodenzerstäubung bewirkende Gasentladung mit Hoohfrequenzenergle betrieben wird und dafl die Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Oasentladungstrecke mittels eines Kondensators erfolgt.

Es wurde herausgefunden, daß elektrisch leitende Materia* lien bei verhältnismäßig hohen Aufstäubungeraten aufgestäubt werden können durch Benutzung eines Hochfrequenzkathodenzerstäubungsverfahrens, wobei ein Kondensator in Serie zwischen die Hochfrequenzquelle und die Zerstäubungskathode der Zerstäubungsvorrichtung eingeschaltet 1st. Es wurde außerdea gefunden, dafl auf diese Welse Partikel mit hoher Energie zerstäubt werden, so daß diese in der Lage sind, dünne Oxydschiohten zu durchdringen, welche sich auf der Oberfläche von halbleitenden Materialien befinden. So ergibt sich eine relativ leichte Heratellungseögilohkelt für gute ohm·one Kontakte, Insbesondere auf Oberflächen von Halbleiterkörpern.In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck ohasoher Kontakt .einen Kontakt,dtr sperr frei ist und daher nicht sur Oleloh richtung oder sur Injektion von Uberschußladungsträgern beiträgt.

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Unter Anwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, bei relativ hohen Niederschlagsraten und relativ niedrigen Drücken elektrisch leitende Materialien aufzustäuben. Hierdurch eröffnet sich weiterhin die Möglichkeit, glatte, undurshdringliche und von Verunreinigungen weitgehend freie dünne Schichten herzustellen. Dünne Schichten, welche entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, be- f sitzen V/ic-erstände, welche in der Nähe des aufgedampften Materials vor dem AufdampfVorgang liegen.

Dies kann normalerweise mit aufzustäubenden Metallen nicht erreicht werden, weil der bei den bisher bekannten Verfahren erforderliche Druck eine Oröflenordnung höher ist. Die Benutzung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von dünnen Schichten von elektrisch leitenden Materialien, Insbesondere von solchen Materialien, welche leitend und reaktiv sind, ermöglicht im wesentlichen gleichzeitig die Vorteile, die sowohl der HP- als auch der Oleichstrom-Kathodenzerstäubung eigen sind, ohne daß deren Begrenzungen wirksam werden.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Figuren hervor.

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In den Figuren bedeutenι Fig. 1: ein Schaltbild und eine schematisohe Ansicht

eines Zerstäubungssystems nach der Lehre der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2aj 2b: Schnittdarstellungen von Halbleiterplättchen,

welche mit einer ohesohen Kontaktschicht nach der Lehre der vorliegenden Erfindung versehen wurden.

Figur 1 zeigt einen Hezepienten 10, welcher aus einer herkömmlichen Glasglocke bestehen kann, der mit der Grundplatte 12 eine Vakuumkammer bildet. In dieser ist die Kathode 14, das Substrat 16 und der Substrathalter bsw. die Anode 18 enthalten. Die Vakuumpumpe 20 ermöglicht eine Evakuierung der Vakuumkammer durch die Zuleitung 22. ein geeignetes lonisierbares inertes oder reaktives Gas bzw. ein Gasgemisch kann in die Kammer durch den Einlad 24 eingegeben werden.

Die Kathode 14 umschließt ein listall, welches zerstäubt werden soll, wobei die hierzu benutzt« Gasentladung durch Hochfrequenz angeregt zzw. aufrechterhalten wird und eine dünne Schicht des zu zerstäubenden Metalles auf de« Substrat 16 niederschlägt .

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Das Substrat 16 ruht auf einem Substrathalter, der in elektrischer Verbindung mit der Grundplatte 12 steht. Die Kathode 14 führt über die Leitung 26 zu einer bekannten Hochfrequenzenergiequelle 28. Diese besteht aus einer bekannten Qeneratorsohaltung mit einer vorgeaohalteten Anpassungssohaltung 52, wie es aus der Figur 1 hervorgeht. In Serie zwischen der Auegangeklemme 28 und der Kathode 14 liegt der Kondensator 54.

Zur Durchführung des Zerstäubungevorganges wird das Zerstäubungegefäß, bestehend aus der Vakuumglooke 10 und der Grundplatte 12 durch die Pumpe 20 auf einen Druck von 1 . 10" bis 5 . 10 Torr evakuiert und anschließend ein ionisierbares Gas durch die Leitung 24 eingelassen und so ein Druck von 2 . 10**-* bis 10 . 10"-* Torr eingestellt. Das Gas kann inert sein wie Argon, Neon usw., es kann aber auch reaktive Eigenschaften besitzen wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw. oder es kann eine Mischung verschiedener inerter und/oder reaktiver Oase sein. Bei der Duronführung eines reaktiven ZerstKubungsverfahrens ist der Druck innerhalb des Zeratäubungsgefäfles normalerweise höher als die oben genannten Drucke. Die mittlere Weglänge sollte bein reaktiven Zerstäuben verhältnismäßig gering sein, so dafl StOBe zwischen den Molekülen der reaktiven Oase und dem ZerattubungsmaterIaI

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eine genügend hohe Wahrscheinlichkeit besitzen.

Ein geeignete* Substrat 16, z. B. ein Plättohen au« einem halbleitenden Material, ist auf den Substrathalter 18 gegenüber der Kathode 14 befestigt, der eine plattenfOrnlge Gestalt besitzt. Die Kathode 14 kann aus irgendeinen leitenden Material einsohliefilioh der Metalle bzw, der Leglerngen wie Aluminium, Kupfer, Chrom usw., außerdem aus Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium usw. bestehen.

Die Hoohfrequenzenergiequelle 28 wird dann in Betrieb genommen und es fließt ein Stroa über den Kondensator 24 sowie über die leitende Verbindung 26 zur Kathode 14. Die Ankopplung der Kathode an die Energiequelle über den Kondensator leitet die Glimmentladung Innerhalb des Entladungegefäßes ein, wobei sich al· erwUnsohtes Ergebnis die Zerstäubung des leitenden Materials und dessen Niederschlag auf die OberflMohe des Substrates 16 ergibt. In der beschriebenen Welse können dünne Schichten leitender Materlallen hoher Qualität in ziemlich kurzen Zeiten niedergeschlagen werden. Mit des genannten Verfahren bzw. der beschriebenen Apparatur können Materialien, die but Zerstäubung auoh gröfere Energien benötigen, zu dünnen Schichten zerstäubt werden· Dl« so zerstäubten Substanzen besitzen dl· Fähigkeit, dünn· Qxyd-. schichten zu durchdringen und unter diesen auf den Jeweiligen

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Substraten dünne Schichten mit guter Haftfähigkeit zu bilden.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens wurden unter Einhalten der in der folgenden Tabelle I angemerkte Daten dünne Schichten au» Aluminium hergestellt.

Tabelle I

HP-Eingangsenergie s Elektrodenspannung:

Frequenz:

Druck:

Gasfüllung:

Durchmesser der Elektrode, aus Al:

Zeit:
Sohiohtdioke:

350 Watt 5000 Volt Spitze-Spitze 13-56 NHa 5 χ ΙΟ"-' Torr 100# Argon

ca. 6,3 cn 15 Min.

21,300 8

Wie bereits oben erwähnt, kann das Verfahren bzw. die zugehörige Apparatur auch dazu benutzt werden, leitende Materialien In reaktiver Welse zu zerstäuben. Bei den Zerstäubungsverfahren, die mit Gleichstrom arbeiten, erhält man dünne Sohlohten geringer Qualität und höhere Niederschlagsraten, da die Reaktion nur unvollständig stattfindet. Steigert man die Konsentration der reaktiven Oase, s. B. des Sauerstoffes, so erhält man eine niedrigere Mlederaenlagsrate, da auf den

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Oberflächen der Kathode eine Oxydbildung eintritt, was mit einer Entsteh-ung von positiven Ladungen auf der Kathodenoberfläche verbunden 1st* Naoh der Lehre der vorliegenden Erfindung ist es RUgllah, unter Benutzung einer mit HF-Energie betriebenen Gasentladung leitende Substanzen in reaktiver Weise mit hohen Niederschlagsraten aufzustäuben. Als Beispiel für diese Variante des Erfindungegedankens wurde Aluminium in reaktiver Welse unter den in der Tabelle II angezeigten Bedingungen zerstäubt. In ähnlicher Weise können dünne Schichten aus Cadmiumsulfid, Silioiumdioxyd, Tantalnitrid und anderer Verbindungen mittels Kathodenzerstäubung des entsprechenden Metalles bzw. der entsprechenden Halbleitersubstans innerhalb einer reaktiven Zerstäubungsatmosphäre hergestellt werden.

Tabelle II	350 Watt
HP-Eingangaenergie t	4500 V Spitze-Spitze
Elektrodenspannung:	13.56 MHz
Frequenz ζ	15 χ 10~⁵ Torr
Druck:	90* Ar 10* 0
Zerstäubungsgas:	6,3 om
Scheibenförmige Aluminium-Elektrode, Durchmesser*	15 Min.
Zelt:	5000 Ä
Schichtdicke:

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DIe Niederschlagsrate, die etwa in der Oröflenordnung von 20.000 8/h liegt, ist eine Größenordnung größer als die Niederschlagsrate In der Gegend von 2.000 ft/h wie sie kürzlich im Zusammenhang mit einem Qleichstrom-Zerstäubungsverfahren in einer Arbelt von R.B. Freeser, H.C. Potter und A.W. Smith in einer Veröffentlichung des Meetings der Electrochemical Society vom Mai 1965, Abstract No. 2, Eleotr. Insolation Division, B^nd 2, erwähnt wurde.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird der genaue Wert des in die Versorgungsleitung eingefügten Kondensators zwisohen der HF-Energiequelle und der Kathode nicht kritisch sein. Es wuden Kondensatoren mit einem Wert von etwa 100 pF bis 20 000 pF mit Erfolg benutzt. Zum Beispiel wurde in einen System nach der Fig. 1 in dem Aluminium bzw. Aluminiumoxyd unter den aus den Tafeln I und II hervorgehenden Bedingungen niedergeschlagen wurde, ein Kondensator von 230 pF angewendet,

Eine besonders wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ist in der Herstellung von ohmseheη Kontakten auf Halbleitersubstraten zu erblicken. In der Fig. 2 ist ein Seitensohnitt eines Siliaiumnalbleiterplättohens 40 gezeigt, welohes eine Maske 42 aus Siliziumdioxyd auf seiner Oberfläche trägt. Die Maske 42 besitzt einen Spalt 44, durch welchen*die Oberfläche

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des Plättohene 4o teilweite exponiert. Der Spalt 44 legt das Flächengebiet der Plättohenoberfläche fest« innerhalb dessen der ohnsohe Kontakt angebracht werden soll.

Bei freiem Luftzutritt bedeckt sich der freigelegte Oberflächenbereich des Plättchen« 40 schnell mit einem Oxydfilm 46, der auch als selbstentstehende oder als natürliche Oxydschicht bekannt 1st und welcher in der Mehrzahl der FHlIe die Herstellung guter ohaeoher Kontakte durch die bisher bekannten Aufdampfverfahren unmöglich maoht.

Wird Jedoch da· in Fig. 2 gezeigte Plättchen in der Lage des Substrats 16 von Fig. 1 montiert und das ZerstKubungssystem unter Benutzung der aus der Tafel I hervorgehenden Daten in Betrieb genommen, so kann auf das Plättchen 40 durch den Spalt 44 hindurch ein ohmscher Kontakt hoher OUte aus Aluminium aufgestäubt werden.

Wie aus der Flg. 2 hervorgeht, durchdringt die ohmsohe Kontaktschicht 48 aus Aluminium oder auch aus einem anderen Metall die natürliche Oxydsohicht und haftet direkt auf der Oberfläche des Plättchens 40. Die Abmessung der aufgestäubten Kontaktschicht 48 kann durch eine geeignete Maskengeo-■etrie festgelegt werden. Nach Aufbringung der Kontaktschicht

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48 kann eine passivlerende dünne Schicht 50 aus Slliziuu-"dioxyd auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden. Nach der Lehre·der vorliegenden Erfindung kann die dünne Schicht 50 auch erzeugt werden durch ein reaktives Zerstäuben von 3ilizium bei Gegenwart von Sauerstoff in der Zerstäubungsatmosphäre. '

Zusammenfassend kann somit gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung die Möglichkeit eröffnet« leitende Materialien in normaler oder in reaktiver Weise aufzustäuben, um so dUnne Schichten hoher Adhäsionsfälligkeit auf leitende Materialien oder Verbindungen aus solchen aufzubringen. Verschiedene Modifikationen des beschriebenen Verfahrens bzw. der hierzu verwendeten Apparatur sind für diesen Zweck brauch· bar« wie dies den Fachmann geläufig sein wird, ohne daß er zu diesem Zweck Maßnahmen ergreifen muß, die über den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung hinausgehen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher OUte aus leitenden oder halbleitenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, dafl die die Kathodenzerstäubung bewirkende Gasentladung mit Hoehfrequenzenergie betrieben wird und daß die Ankopplung der Hoohfrequenzenergiequelle an die Gasentladungsstrecke mittels eines Kondensators erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl zur Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Gasentladungestrecke Kondensatoren mit einer Kapazität zwischen 100 pF und 20 000 pP benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl einer genügend hohen Gasentladungs spannung die kinetische Energie der zerstäubten Partikel so groß geeacht wird, dafl diese die auf den Sub straten befindliehe Oxydsohiohten durchdringen und unter diesen auf der reinen Substratoberfläche selbst gut haftend· Beläge bilden.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung von kontaktierenden Belägen auf Halbleiterkörpern.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zerstäubung bewirkende Gasentladung

. in einer Inerten oder in einem reaktiven Gas oder

in einer Mischung verschiedener Inerter und/oder

reaktiver Gase bei einem Gesamtdruck von 2 . 10 ^

-3
Torr bis 10 . 10 Torr aufrechterhalten wird*

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