Brevet FR2133869A1 — publié le 19721201

' 2133869 La présente invention concerne la préparation de composants à couche mince et les dispositifs formés Plus précisément, elle concerne un procédé de réalisation de composants à couche mince comprenant une couche condensée d'alliage tantale-aluminium. 5 De tels composants sont particulièrement intéressants comme résistance à couche mince. La miniaturisation des composants et des circuits, associée à la complexité croissante des dispositifs électroniques modernes, demande une fiabilité de plus en plus grande aux composants à 10 couche mince. De plus,les atmosphères extraordinaires terrestres et interplanétaires rencontrées au cours de l'ère spatiale accroissent l'acuité des problèmes posés par la fiabilité des composants. La plupart des impératifs de stabilité, de précision et de miniaturisation sont satisfaits simultanément par des composants 1 5 au tantale dans lesquels du tantale élémentaire ou un de ses composés constitue une couche mince. Cependant, on a récemment déterminé que les alliages tantale-aluminium peuvent concurrencer le tantale et, en ce qui concerne la stabilité, sont supérieurs à de nombreux égards au tantale seul ou compos'é. 20 On connaît des caractéristiques exceptionnelles de stabilité des alliages tantale-aluminium, ainsi que la large plage d'applications comme résistance à laquelle ils conviennent. Des études ont montré que les alliages tantale-aluminium présentent des caractéristiques excellentes de stabilité à des températures pouvant 25 atteindre 400°C, suggérant ainsi l'utilisation de tels alliages comme résistance pour les dispositifs à semiconducteur. Malheureusement, les matières stables destinées à former des résistances, .et , ' par exemple des alliages tantale-aluminium/ayant des résistivités —3 —2 comprises entre 10 et 10 ohm-centimètre n'ont pas encore été 30 disponibles pour la réalisation de dispositifs à semiconducteur normalement soumis à des températures de traitement comprises entre 350 et 400°C. L'invention concerne un procédé perfectionné de préparation de composants à couche mince, et de couches pour composants,. 35 selon lequel on forme une couche mince et stable d'alliage tantale-aluminium par implantation d'ions azote ou oxygènë dans une couche d'alliage tantale-aluminium contenant 25 à 75 atomes fo d'aluminium, 72 13650 2 2133869 déposée sur tua substrat par condensation, puis par recuit de la couche, destiné à la réparation des détériorations superficielles. Dans un mode de réalisation préféré, les limites imposées selon la technique antérieure sont supprimées par un traitement selon 5 lequel la résistivité des couches d'alliage tantale-aluminium qui sont très stables est élevée à la valeur voulue par implantation d'ions, sans modification des propriétés associées. En résumé, le procédé de l'invention comprend le dépôt d'une couche d'alliage tantale-aluminium sur un substrat convenable par une technique 10 classique de condensation, l'implantation d'azote ou d'oxygène dans la couche déposée, par un procédé de bombardement ionique, . puis le recuit du corps après implantation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront mieux de la description détaillée qui va suivre, faite 15 en référence au dessin annexé sur lequel : la figure 1 est une vue en plan d'une couche d'alliage tantale-aluminium préparée par pulvérisation cathodique ; et la figure 2 est un schéma d'un appareil^destiné à mettre en oeuvre une implantation d'ions sur l'élément représenté sur 20 la figure 1 . la figure 1 est une vue en plan d'un élément préparé selon un mode de réalisation de l'invention. Un substrat 11 porte un dessin résistant d'alliage 12 tantale-aluminium -déposé par pulvérisation cathodique qui est un 25 procédé bien connu des spécialistes. L'appareil de pulvérisation, ; M utilisé pour cette opération, a une cathode dont la configuration ; i est telle qu'il se forme line couche d'alliage tantale-aluminium 12 contenant 25 à 75 atomes $ d'aluminium, cette plage étant imposée par des considérations relatives à la résistance à l'oxy-30 dation thermique de 1'alliage. Par exemple, la cathode est en alliage tantale-aluminium contenant 25 à 75 atomes fo d'aluminium, sous forme d'un disque de tantale recouvert d'aluminium ou porte des copeaux usinés d'aluminium. Des patins 13 en matière conductrice convenable assvirent la connexion de la résistance. 35 De tels composants sont alors soumis à une implantation d'ions oxygène ou azote dans la couche d'alliage. Le procédé d'implantation est avantageusement décrit en référence à la figure 2. * i ■ t • J 72 13650 3 2133869 l'appareil utilisé comprend une source 20 d'ions oxygène ou azote. De telles sources sont décrites en détail dans "Methods of Expérimental Physics", 1. Martow, volume 4, Partie A, (Academic Press, New. York), pages 256-283 (1967). lors de la mise en 5 oeuvre de l'implantation, des lentilles électrostatiques ou électromagnétiques (non représentées) focalisent un faisceau d1ions dans une colonne 21 qui accélère les ions à une énergie prédé- . , comprenant, terminee voulue, le faisceau passe dans des tubes 22 de glissement/ —fi un organe sous vide, à une pression de l'ordre de 10-.. torr, 10 puis passe dans un aimant 23 de séparation en fonction de la masse, qui retire les impuretés du faisceau, la direction'de ce dernier est réglée par un dispositif de déviation x - y 24 qui dirige le faisceau sur la partie voulue de la cible -25, qui peut être le composant représenté sur la figure 1. la cible 25 est 15 montée sur un support non représenté formé d'une matière stable dans les conditions nécessaires à l'implantation, par exemple en acier inoxydable ou en molybdène. Un dispositif 26 de chauffage du substrat assure le recuit après l'implantation en vue de retirer les détériorations superficielles. 20 Comme noté précédemment, les ions intéressants sont accé lérés à une vitesse ou une énergie prédéterminée de manière à assurer la pénétration voulue. Par exemple, on constate qu'il convient de travailler avec des potentiels accélérateurs compris entre 50 000 et 300 000 volts, le potentiel utilisé détermine 25 la profondeur de pénétration des ions intéressants et sa variation provoque la variation de la profondeur de pénétration et le réglage de l'épaisseur de la couche implantée.Dans le mode de réalisation décrit, la profondeur de pénétration peut varier entre 400 et o 2500 A le cas échéant. Des études ont montré qu'on obtient une 30 répartition très uniforme des ions par bombardement avec des ions d'énergie diminuant progressivement. \ " Enfin, le recuit du composant est réalisé à des températures comprises entre 500 et 700°C, de manière à supprimer des détériorations dues aux radiations. 35 On va maintenant décrire en détail des exemples d'appli cations de l'invention,donnés à.titre purement explicatif, le premier exemple concerne la fabrication d'une résistance 72 13650 4 2133869 constituée d'une couche tantale-aluminium contenant des ions azote, réalisés selon le mode de réalisation de l'invention. On utilise un appareil de pulvérisation cathodique comprenant une cathode en tantale revêtue de bandes d'aluminium 5 de manière que la surface géométrique de l'aluminium sur la cathode en tantale représente environ 40 atomes fi. Dans l'appareil utilisé, l'anode est flottante, la différence de potentiel étant obtenue à l'aide d'une cathode négative par rapport à la masse. Le substrat choisi est un disque de silicium, revêtu de silice, 10 dont l'épaisseur est de 17,5 mm. La chambre sous vide est initialement évacué^à une pression de l'ordre de 10~^ torr , et de l'argon pénètre à une pression de 0,025 torr. On applique une tension continue d'environ 4000 volts entre l'anode et la cathode, et on réalise la pulvérisation pendant 6 mn, de manière à former 15 une couche d'alliage tantale-aluminium contenant environ 60 fi de tantale et 40 fi d'aluminium, et ayant une épaisseur d'environ 630 A . L'alliage pulvérisé est alors revêtu dîune couche de 0 0 titane de 200 A d'epaisseur et d'une couche d'or de 5000 A d'épais-20 seur, et on forme un dessin voulu pour la résistance par un procédé classique, de manière à former un composant analogue à celui représenté sur la figure 1 . Les zones de contact titane-or du composant sont alors protégées par un cache d'acier inoxydable et leur partie arrière 25 est revêtue de peinture à l'argent destinée à la dissipation de la chaleur dégagée par effet Joule au cours de l'implantation. Le composant obtenu est alors disposé dans un appareil du type 4* represente sur la figure 2 et l'implantation" d'ions azote K_ est 0 réalisée à une profondeur de 630 A, à l'aide d'un accélérateur 30 d'ions, à une tension de 150 keV, l'exposition totale intégrée 17 2 correspondant à environ 2x10 As/cm . Après l'implantation, le composant est recuit pendant une —6 heure à rJ00°C à une pression de 10 torr, de manière que les détériorations dues aux radiations disparaissent de la couche, 35 les ions étant uniformément répartis dans toute l'épaisseur de la couche. La couche après implantation est caractérisée par la mesure 72 13650 5 2133869 de sa résistance superficielle à 1 kHz, à l'aide d'un comparateur d'impédance. Le coefficient de température de la résistance est déterminé par mesure de la résistance à la température ambiante et à celle de l'azote liquide. L'épaisseur de la couche est con-5 trôlée par des traces relevées à l'appareil "Talysurf",.et les propriétés de structure sont étudiées par diffraction des rayons X et étude à la microsonde électronique. Les mesures obtenues montrent que la résistance préparée présente une résistance initiale superficielle de 30,5 ohms 10 par carré qui devient égale à 32,8 ohms par carré après implantation et à 37 ohms par carré après recuit. Le procédé décrit est répété avec des modifications peu importantes, les résultats figurant dans les tableaux qui suivent . 1 5 Exemple 1 Couche résistante (atome fi) 60 Ta - 40 al Substrat SiOp-Si "T Ion implanté Quantité d'ions 10^/cm^ 2,46 à 150 keV o 20 Profondeur des ions A 630 o Epaisseur initiale de la couche A 630 S. initial 30,5 ohms/carré S E. après implantation 32,8 . ohms/carré S Rs après recuit 37 ohms/carré 25 TCR ppm/oc — Exemple 2 Couche résistante (atome fi) 60 Ta - 40 Al Substrat SiOg-Si Ion implanté Kg* 30 Quantité d'ions 10^/cm^ 1,64 à 150 keY O Profondeur des ions A » 630 72 13650 6 2133869, o Epaisseur initiale de la couche A 630 R initial 27,2 ohms/carré S R après implantation 31,6 ohms/carré S R après recuit 34,0 ohms/carré S 5 TCR ppm/°0 — Exemple 3 Couche résistante (atome fi) 60 Ta - 40 Al Substrat SiO^-Si r + Ion implanté Ng 10 Quantité d'ions 10^/cm^ 2,87 à 150 keV o Profondeur des ions A 630 O Epaisseur initiale de la couche A 630 R initial 28,6 ohms/carré s R après implantation 31,6 ohms/carré S 15 R après recuit 34,0 ohms/carré TCR ppm/°C — Exemple 4 Couche résistante (atome fi) .*... '25 Ta - 75 Al Substrat quartz 20 Ion implanté ÏFg* Quantité d'ions 10^/crn^ 5,51 O Profondeur des ions A 400-1 300 o Epaisseur initiale de la couche A 1500 p initial 695 microhms-cm 25 p après implantation . 4100 microhms-cm p après recuit 4690 microhms-cm TCR ppm/°C -265 Exemple 5 Couche résistante (atome fi) 25 Ta - 75 al 30 Substrat quartz Ion implanté Kg Quantité d ' ions 10^/cm^ 4,83 Profondeur des ions A 400-1300 o Epaisseur initiale de la couche A 1500 35 p initial 579 microhms-cm p après implantation 2370 microhms-cm p après recuit 2370 microhms-cin TCR ppm/°C .' - 231 72 13650 7 2133869 Exemple 6 Couche résistante (atome %) 25 Ta - 75 Al Substrat quartz Ion implanté Og+ 5 Quantité d'ions 101^/cm2 7,53 O Profondeur des ions A 400-1300 o Epaisseur initiale de la couche A ....... 1500 p initial 690 micr ohms—cm p après implantation 11610 microhms- cm 10 p après recuit 13054 microhms-cm TCR ppm/°C » -221 l'analyse des données des tableaux montre que les résistances réalisées dans les exemples 1 à 3 concernent la mise en oeuvre de procédés dans lesquels la profondeur de pénétration 15' / calculée des ions projetés est^'la profondeur de l'interface couche- substrat. L'étude des couches montre qu'au moins larmoitié des ions traverse la totalité de la couche et se loge dans le substrat. Les études de réflexion et de diffraction des rayons X montrent que les régions implantées ont été totalement transformées de 20 la phase j3' à la phase bcc du tantale. Pour obtenir une répartition plus uniforme des ions implantés,on bombarde les composants réalisés dans les exemples 4 à 6 avec des ions d'énergie de plus en plus faible ■. On observe des variations notables de la résistance et de 1'épaisseur 25 avant recuit, suggérant qu'on obtient une répartition uniforme d'ions implantés dans l'épaisseur de la couche. De plus, la résistivité des matières préparées dans ces exemples varie d'un facteur de l'ordre de 20 sans modification notable concomitante du coefficient de température de la résistance (TCR). . 30 II est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 72 13650 8 2133869 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une couche mince stable d'alliage tantale-aluminium, caractérisé en ce qu'on implante des ions azote ou oxygène dans une couche d'alliage tantale-aluminium comprenant 25 à 75 atomes fi d'aluminium déposée sur un substrat par condensation, et on recuit la couche après implantation de manière à supprimer les détériorations superficielles. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose la couche par pulvérisation cathodique. 3. Procédé selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réalise l'implantation avec des potentiels accélérateurs compris entre 50 000 et 300 000 volts, la profondeur de pénétration des ions étant comprise entre 400 et 2500 A. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3> caractérisé en ce que les ions sont des ions azote. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3> caractérisé en ce que les ions implantés sont des ions oxygène. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise l'implantation avec des ions d'énergie de plus en plus faible, en au moins deux phases. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise le recuit à une température comprise entre 500 et 700°C. 8. Couche mince d'alliage tantale-aluminium, caractérisée en ce qu'elle est préparée par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.