DE102018104712A1

DE102018104712A1 - Verfahren zum Ausbilden einer Aluminiumnitridschicht

Info

Publication number: DE102018104712A1
Application number: DE102018104712.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Schiek; Christian Ceranski; Günter Scheinbacher
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: CN111869103A; US20210006220A1; DE102018104712B4; WO2019166285A1

Abstract

Ein Verfahren zum Ausbilden einer Aluminiumnitridschicht (310, 320) umfasst das Bereitstellen eines Substrats (100) und das Ausbilden einer strukturierten Metallnitridschicht (110). Eine Metallschicht (210) der unteren Elektrode wird auf den freigelegten Abschnitten (101) des Substrats ausgebildet. Ein Aluminiumnitridschichtabschnitt (320), der über dem freigelegten Abschnitt (101) des Substrats (100) aufgewachsen wird, weist piezoelektrische Eigenschaften auf. Ein Aluminiumnitridschichtabschnitt (310), der über der strukturierten Metallnitridschicht (110) aufgewachsen wird, weist keine piezoelektrischen Eigenschaften (310) auf. Beide Aluminiumnitridschichtabschnitte (320, 310) werden gleichzeitig aufgewachsen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Aluminiumnitridschicht. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung das Ausbilden einer Aluminiumnitridschicht auf einem Substrat, wobei verschiedene Abschnitte der Aluminiumnitridschicht unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Hintergrund
Aluminiumnitrid ist ein Material, das auf dem Gebiet elektronischer Komponenten weitverbreitet ist. Die Funktion der Komponenten basiert häufig auf den piezoelektrischen Eigenschaften einer Aluminiumnitridschicht (AlN-Schicht). In vielen Fällen werden andere Komponenten oder Funktionen, die Aluminiumnitrid wegen anderer Eigenschaften als seine piezoelektrischen Eigenschaften verwenden können, auf demselben Chip aufgenommen. Dies erfordert, dass Aluminiumnitrid, das piezoelektrische und nicht-piezoelektrische Eigenschaften aufweist, auf dem Substrat abgeschieden werden muss.
Aluminiumnitrid wird häufig für BAW-Resonatoren (Bulk Acoustic Wave, akustische Volumenwelle) verwendet, in denen ein elektrisches Signal eine akustische Resonanzwelle in einer Schicht des piezoelektrischen Aluminiumnitrids, die zwischen zwei elektrischen Elektroden angeordnet ist, verursacht. Es besteht möglicherweise Bedarf daran, andere Komponenten, die Aluminiumnitrid verwenden, auf demselben Substrat aufzunehmen, die vielmehr die mechanischen Eigenschaften von AlN und nicht die piezoelektrischen Eigenschaften nutzen. Zum Beispiel kann AlN als die dielektrische Schicht für On-Chip-Kondensatoren verwendet werden. Außerdem kann AlN als ein Wärmeleiter verwendet werden, um die in dem akustischen Resonator erzeugte Wärme an eine Wärmesenke zu transportieren. In diesen Fällen wird es bevorzugt, Aluminiumnitrid ohne piezoelektrische Eigenschaften einzusetzen, so dass die elektroakustische Funktion der Komponenten nicht beeinflusst wird.
Es besteht Bedarf daran, Aluminiumnitrid, das piezoelektrische Eigenschaften aufweist und nicht-piezoelektrische Eigenschaften aufweist, auf demselben Substrat aufzuwachsen. Es besteht ein weiterer Bedarf daran, Aluminiumnitrid, das piezoelektrische Eigenschaften und nicht-piezoelektrische Eigenschaften aufweist, gleichzeitig auf demselben Substrat aufzuwachsen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Aufwachsen von Aluminiumnitrid mit piezoelektrischen und nicht-piezoelektrischen Eigenschaften auf demselben Substrat bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Ausbilden von Aluminiumnitrid: Bereitstellen eines Substrats; Ausbilden einer Metallnitridschicht auf dem Substrat; Strukturieren der Metallnitridschicht, um eine Restmetallnitridschicht auszubilden und einen Abschnitt des Substrats freizulegen; Ausbilden einer Metallschicht auf dem freigelegten Abschnitt des Substrats; Ausbilden von Aluminiumnitrid auf der Metallschicht und über der Metallnitridschicht.
Piezoelektrisches AlN weist eine reguläre Struktur auf, die eine starke Ausrichtung entlang der C-Achse aufweist. Mit anderen Worten weist das piezoelektrische AlN eine kolumnare Orientierung mit Säulen, die sich im Wesentlichen entlang einer Hauptrichtung erstrecken, die die C-Achse oder Kompressionsachse des Kristalls darstellt. Das piezoelektrische AlN weist einen kristallinen Zustand auf, der eine kolumnare C-Achsenorientierung aufweist. Diese Achsenorientierung ist im Wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche des Substrats, auf dem Aluminiumnitrid aufgewachsen wird.
Nicht-piezoelektrisches AlN weist keine solche kristalline oder kolumnare oder C-Achsenorientierung. Stattdessen ist nicht-piezoelektrisches AlN amorph oder es kann polykristallin sein. Da in einer solchen polykristallinen oder amorphen Schicht aus AlN praktisch keine Hauptorientierung vorhanden ist, weist eine solche AlN-Schicht keine oder zumindest keine verwertbaren piezoelektrischen Eigenschaften auf.
Gemäß der Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt des Ausbildens einer Metallnitridschicht auf dem Substrat. Die Metallnitridschicht stellt eine orientierungsverhindernde Funktion bereit, so dass AlN, das über dem Bereich der Metallnitridschicht aufgewachsen wird, im Wesentlichen keine kristalline Orientierung aufweist und in einer polykristallinen oder amorphen Form aufgewachsen wird, während AlN, das direkt auf dem Substrat ohne ein darunterliegendes Metallnitrid aufgewachsen wird, eine verhältnismäßig gut orientierte Keimbildung bei seinem Wachstum auf dem Substrat zeigt.
Gemäß der Ausführungsform wird die auf dem Substrat abgeschiedene Metallnitridschicht strukturiert, um einen oder mehrere Abschnitte einer Restmetallnitridschicht auszubilden und den Restteil der Metallnitridschicht zu entfernen und dadurch einen Abschnitt der Fläche des Substrats freizulegen.
Dann wird eine Metallschicht für eine untere Elektrode zumindest auf dem freigelegten Abschnitt des Substrats ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform wird die Metallschicht auf der Restmetallnitridschicht und auf dem freigelegten Abschnitt des Substrats ausgebildet. Die Metallschicht der unteren Elektrode kann gleichzeitig in einem Abscheidungsschritt auf der Restmetallnitridschicht und auf den freigelegten Abschnitten des Substrats ausgebildet werden. Die abgeschiedene Metallschicht erbt die Struktur der darunterliegenden Schicht, entweder die Struktur der darunterliegenden Metallnitridschicht, die im Wesentlichen keine Hauptorientierung dahingehend aufweist, als sie orientierungsstörend ist, oder die Struktur von dem darunterliegenden Substrat, die das Wachstum einer auf eine C-Achse orientierten AlN-Schicht ermöglicht.
Dann wird Aluminiumnitrid auf der zuvor abgeschiedenen Metallschicht im Bereich des freigelegten Substrats und über der Restmetallnitridschicht ausgebildet. Die Metallschicht kann auch die Restmetallnitridschicht und somit die gesamte Fläche des Werkstücks, die den freigelegten Abschnitt des Substrats und die Restmetallnitridschicht umfasst, abdecken, so dass das Aluminiumnitrid auf der abgeschiedenen Metallschicht der unteren Elektrodenebene ausgebildet wird. Dieses Aluminiumnitrid erbt die Flächenstruktur, die durch die Metallschicht oder die Metallnitridschicht bereitgestellt wird. Das über der orientierungsstörenden Metallnitridschicht abgeschiedene AlN weist im Wesentlichen keine Orientierung auf und es ist amorph oder polykristallin, so dass es keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. In diesem Bereich kann das AlN zum Beispiel als eine dielektrische Schicht für einen Kondensator oder als ein Wärmeleiter verwendet werden. In dem Bereich mit keinem darunterliegenden Metallnitrid wird AlN mit einer kolumnaren, C-Achsen-, kristallinen Orientierung aufgewachsen, so dass es piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Es ist in der Technik allgemein bekannt, wie geeignete Betriebsparameter für die Abscheidung von AlN einzustellen sind, so dass es mit einer kolumnaren, C-Achsen-, kristallinen Orientierung aufwächst.
Es ist zu beachten, dass AlN im Allgemeinen eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, die im Wesentlichen höher ist als die Wärmeleitfähigkeitsraten anderer dielektrischer Materialien. Zum Beispiel weist AlN eine Wärmeleitzahl im Bereich von ungefähr 180 W/Km. In der Komponente erzeugte Wärme kann effizient an eine thermische Wärmesenke geleitet werden, so dass eine Temperaturdrift der Parameter der Komponente reduziert oder vermieden wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann beim Strukturieren der darunterliegenden orientierungsstörenden oder orientierungsverhindenden Metallnitridschicht piezoelektrisches und nicht-piezoelektrisches AlN gleichzeitig auf einem Werkstück aufgewachsen werden. Dieser Vorteil kann für elektroakustische Komponenten, wie z.B. BAW-Resonatoren, nützlich sein, die zusätzliche Komponenten oder Merkmale auf demselben Chip aufweisen können oder ein stabiles Temperaturverhalten erfordern.
Das Strukturieren der Metallnitridschicht kann mithilfe herkömmlicher Fotolithografie erzielt werden. Fotolithografische Prozesse sind zum Erzielen eines gut kontrollierten Ergebnisses einer strukturierten Metallnitridstruktur in der Technik allgemein bekannt. Die Fotolithografie umfasst das Beschichten der Metallnitridschicht mit einer Fotolackschicht. Die Fotolackschicht wird einer Strahlungsstruktur, z.B. eines sichtbaren Lichts, eines UV-Lichts, oder einer Strahlung niedrigerer Wellenlängen, in einem Belichtungswerkzeug ausgesetzt, in dem eine Maskenstruktur durch die Strahlungsquelle belichtet wird. Dann wird die belichtete Fotolackschicht entwickelt, so dass entweder die belichteten Abschnitte oder die nicht belichteten Abschnitte von dem Werkstück entfernt werden. Dieser Prozess erzielt eine gut definierte Maskenstruktur auf der Metallnitridschicht aus freigelegten und abgedeckten, geschützten Abschnitten der Metallnitridschicht. Dann werden die freigelegten, nicht geschützten Abschnitte der Metallnitridschicht in einem Trockenätzprozess geätzt, so dass das darunterliegende Substrat beim Entfernen der Metallnitridschicht freigelegt wird. Ein Nassätzprozess ist ebenfalls möglich. Die abgedeckten, geschützten Abschnitte der Metallnitridschicht bleiben nach dem Entfernen oder Strippen der Restabschnitte der Fotolackschicht zurück.
Folglich weist das Werkstück eine gut definierte Struktur aus freigelegten Substratabschnitten, auf denen Metallnitrid durch Ätzen entfernt wurde, und Restabschnitten der Metallnitridschicht, die durch die Fotolackmaske abgedeckt waren, auf. Da die Fotolithografie ein gut kontrollierter und gut verstandener Prozess ist, kann die Struktur mit beinahe jeder gewünschten Struktur und mit einer kontrollierten und zuverlässigen Genauigkeit erzeugt werden. Die Restabschnitte von Metallnitrid weisen eine orientierungsstörende Funktion dahingehend auf, als die Mikrostruktur der Metallnitridschicht im Wesentlichen keine inhärente Hauptrichtung der Orientierung aufweist.
Als ein nächster Schritt wird die Metallschicht der unteren Elektrode abgeschieden. Die Metallschicht erbt die Orientierung, die durch die jeweilige darunterliegende Schicht vorgegeben wird, die gemäß der durch den vorstehend beschriebenen fotolithografischen Prozess erzeugten Struktur entweder die freigelegte Substratfläche oder die Restmetallnitridschicht ist.
Als der nächste Schritt wird AlN auf dem Werkstück gemäß herkömmlichen Verfahren abgeschieden. Jene auf den freigelegten Flächenabschnitten des Substrats aufgewachsenen Abschnitte wachsen mit einer guten C-Achsenorientierung oder einer kolumnaren Orientierung oder als Kristalle, die eine C-Achsenorientierung aufweisen. Jene Abschnitte, die in den Bereichen der orientierungsstörenden Metallnitridschicht wachsen, wachsen in einer amorphen oder polykristallinen Form auf. Prozessparameter zum Aufwachsen eines solchen AlN sind in der Technik allgemein bekannt. Das Aluminiumnitrid kann mithilfe einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) unter Verwendung eines Aluminiumtargets in einer reaktiven Stickstoffatmosphäre abgeschieden werden. Andere AlN-Abscheidungsprozesse sind ebenfalls nützlich. Das AlN wächst mit piezoelektrischen Eigenschaften in den Bereichen des freigelegten Substrats und ohne piezoelektrische Eigenschaften in den Bereichen der orientierungsstörenden Metallnitridschicht gleichzeitig bei denselben Abscheidungsparametern auf. Dementsprechend wird ein einzelner Abscheidungsprozess verwendet, um AlN in einer piezoelektrischen und einer nicht-piezoelektrischen Form in Abhängigkeit von der darunterliegenden Struktur einer orientierungsstörenden Metallnitridschicht gleichzeitig und simultan aufzuwachsen. Das Substrat wird derart vorbereitet, dass es möglich ist, Aluminiumnitrid auf eine kontrollierte Weise in einer guten und einer mangelhaften C-Achsenorientierung aufzuwachsen, wobei eine Keimschicht strukturiert wird, um AlN-Dünnfilme mit und ohne piezoelektrische Eigenschaften benachbart aufzuwachsen. Die vorliegende Offenbarung nutzt die Tendenz von AlN, ein selbstorientiertes Wachstum auf einer darunterliegenden Struktur auszuführen. Die darunterliegende Struktur, wie z.B. die Metallschicht, wird durch die Anwesenheit oder Abwesenheit einer darunterliegenden orientierungsstörenden Schicht, wie z.B. eines Metallnitrids, beeinflusst.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erwies sich Titannitrid als ein geeignetes Metallnitrid, das orientierungsstörende Eigenschaften für das anschließend ausgeführte Aufwachsen von AlN aufweist. Als theoretische Erklärung wird angenommen, dass Titannitrid im Wesentlichen keine definierte Kristallstruktur aufweist und im Wesentlichen eine Mischung aus einer großen Vielzahl von Körnern, die eine unterschiedliche Orientierung aufweisen, umfasst. Außerdem wird angenommen, dass die Fläche der Titannitridschicht eine hohe Rauigkeit aufweist. Folglich erbt die auf einer Oberseite der Titannitridschicht abgeschiedene Metallschicht der unteren Elektrode die Nicht-Orientierung der Titannitridschicht, so dass die oben abgeschiedene AlN-Schicht auch in der nicht-orientierten Form aufwachsen kann. Dementsprechend ist Titannitrid ein bevorzugtes Material, um als eine orientierungsstörende Schicht als eine Basis für eine darauf aufzuwachsende AlN-Schicht zu fungieren.
Die Metallschicht der unteren Elektrode der auszubildenden elektronischen Komponente erbt die Struktur, die einerseits durch die darunterliegende orientierungsstörende Schicht des Metallnitrids und andererseits das freigelegte Substrat verursacht wird. Die Metallschicht kann eine Sandwich-Anordnung aus Metallschichten umfassen. Eine untere Schicht aus Aluminium weist eine gute Leitfähigkeit auf. Die Schicht aus Aluminium kann eine kleine Menge von Kupfer umfassen, das eine Al-Cu-Legierung bildet. Eine darauf angeordnete obere Schicht aus Wolfram weist eine niedrigere Leitfähigkeit, aber gute Hafteigenschaften für die später abzuscheidende AlN-Schicht auf. Alternativ kann die Metallschicht der unteren Elektrode eine Zusammensetzung aus einem oder mehreren von Molybdän, Ruthenium, Iridium und Platin umfassen, die eine im Wesentlichen homogene Form aufweisen kann.
Auf dem Gebiet der Anwendung dieser Offenbarung weist die Metallschicht die Funktion der unteren Elektrode eines akustischen Resonators, wie z.B. eines Resonators mit akustische Volumenwellen (BAW), auf. Das auf der Metallschicht über dem freigelegten Substrat ausgebildete AlN weist piezoelektrische Eigenschaften auf, so dass es einen Teil des BAW-Resonators darstellt. Die Metallschicht über der orientierungsstörenden Metallnitridschicht ist eine Keimschicht für die Abscheidung eines nicht-orientieren, nicht-piezoelektrischen AlN, das als ein Wärmeleiter dienen kann, um die in dem BAW-Resonator erzeugte Wärme weg von dem Resonator zu transportieren, so dass der Resonator enge Betriebsspezifikationen beibehält. In einem anderen Beispiel kann das auf der Metallschicht über der orientierungsstörenden Metallnitridschicht ausgebildete AlN das Dielektrikum eines Kondensators sein, dessen untere Elektrode die erweiterte untere Elektrode des Resonators darstellt. Der BAW-Resonator kann in einem HF-Filter in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, z.B. in einem Bandpassfilter, verwendet werden. Andere Gebiete der Anwendung der vorliegenden Offenbarung umfassen piezoelektrische Sensoren und piezoelektrische Stellglieder.
Das Substrat, auf dem die vorstehend beschriebene Struktur aufgewachsen wird, kann eine obere Schicht aus einem dielektrischen Material aufweisen. Die dielektrische Schicht kann ein Teil eines akustischen Spiegels, wie z.B. einer Bragg-Spiegel-Anordnung eines BAW-Resonators, sein. Die Bragg-Spiegel-Struktur umfasst einen Stapel aus abwechselnd angeordneten Schichten aus Materialien mit einer hohen akustischen Impedanz und Materialien mit einer niedrigen akustischen Impedanz. In einer Ausführungsform ist das Material mit einer hohen akustischen Impedanz Wolfram, und das Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz ist ein Dielektrikum, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO₂). Die obere Schicht der Bragg-Spiegel-Anordnung auf der Fläche, auf der die untere Elektrode des akustisch aktiven Resonatorabschnitts angeordnet ist, wird aus Siliziumdioxid gefertigt.
Herkömmliche Verfahren zum Ausbilden von Aluminiumnitrid, z.B. mithilfe von PVD, erfordern eine Sauerstoff-freie Fläche, so dass das Wachstum von Aluminiumnitrid eine gute Anhaftung an der darunterliegenden Struktur erzielt und die Kristallstruktur der darunterliegenden Schichten erbt. Vor dem Aufwachsen von Aluminiumnitrid musst jeglicher Sauerstoff von der darunterliegenden Metallschicht der unteren Elektrode entfernt werden. In einer Ausführungsform kann das Reinigen von Sauerstoff aus der unteren Elektrode in einer Wasserstoffplasma-Atmosphäre durchgeführt werden, so dass die Stellen der Keimbildung auf der Fläche der unteren Elektrode durch die abgeschiedene AlN-Schicht zugänglich sind.
Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche Beschreibung lediglich Beispiele sind und dazu gedacht sind, einen Überblick oder einen Rahmen bereitzustellen, um die Art und den Charakter der Ansprüche zu verstehen. Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein weiteres Verständnis bereitzustellen, und sind in dieser Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen zeigen eine oder mehrere Ausführungsformen und zusammen mit der Beschreibung dienen sie dazu, Prinzipien und den Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen zu erläutern.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Werkstück gemäß einem ersten Schritt einer Behandlung, das eine strukturierte Metallnitridschicht und einen freigelegten Substratabschnitt umfasst;
2 einen anderen Schritt einer Behandlung des Werkstücks mit einer für eine untere Elektrode abgeschiedenen Metallschicht;
3 noch einen anderen Schritt einer Behandlung des Werkstücks, das Aluminiumnitrid aufweist, das mit einem Abschnitt mit piezoelektrischen Eigenschaften und einem Abschnitt ohne piezoelektrische Eigenschaften abgeschieden ist;
4 eine Draufsicht auf das Werkstück von 3;
5 Rocking-Curve-Messungen von AlN-Dünnfilmen, die auf verschiedenen Materialschichten aufgewachsen sind; und
6 einen BAW-Resonator mit piezoelektrischem AlN, das von amorphem AlN für einen Wärmeleiter umgeben ist.

Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, welche Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, ausführlicher beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass die Offenbarung den Umfang der Offenbarung einem Fachmann vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, sondern derart gestaltet, dass sie die Offenbarung deutlich veranschaulichen. Dieselben Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen werden durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 bis 3 zeigen Querschnittsansichten aufeinanderfolgender Schritte eines Werkstücks, das in einem Prozess zum Ausbilden einer Aluminiumnitrid-(AlN)-Schicht behandelt wird. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Substrat 100 dargestellt, auf dem die nachstehend beschriebene Struktur ausgebildet wird. Das Substrat kann eine dielektrische Schicht sein, die die obere Schicht einer komplexeren Schichtanordnung darstellt. In der beschriebenen Ausführungsform wird das Substrat 100 aus Siliziumdioxid (SiO₂) gefertigt, das ein Abschnitt eines BAW-Resonators (akustische Volumenwelle) darstellt, wie ausführlicher in Verbindung mit 6 beschrieben.
Eine Schicht aus einem orientierungsstörenden oder orientierungsverhindernden Material, wie z.B. Titannitrid (TiN), wird abgeschieden. Die TiN-Schicht wird gemäß einem fotolithografischen Prozess strukturiert, so dass eine Restschicht aus TiN 110 erzielt wird. Das Strukturieren umfasst ein Beschichten der TiN-Schicht mit einem Fotolack, Belichten des Fotolacks mit einer Strahlungsstruktur, Entwickeln des belichteten Fotolacks, Entfernen von Abschnitten des entwickelten und nicht entwickelten Fotolacks. Die belichteten Abschnitte der TiN-Schicht werden relativ zu den verbleibenden Fotolackmaskenabschnitten trockengeätzt. Der Trockenätzprozess kann eine Chlorchemie, wie z.B. BCl₃ und Cl₂, umfassen. In Bereichen, in denen die TiN-Schicht entfernt wurde, ist die obere Fläche 101 des Substrats 100 freigelegt. Die Rest-TiN-Schicht 110 dient als eine orientierungsstörende Schicht, die ein C-Achsenorientiertes Wachstum einer später abzuscheidenden AlN-Schicht verhindert.
2 zeigt das Werkstück, das eine darauf abgeschiedene Metallschicht 210 aufweist. Die Metallschicht 110 kann die untere Elektrode eines elektronischen Bauelements sein, wie z.B. eines BAW-Resonators des fest montierten Resonatortyps, wie in Verbindung mit 6 beschrieben. Die Metallschicht 210 umfasst eine Sandwich-Anordnung aus Aluminium, das eine kleine Menge von Kupfer umfasst, und Wolfram, die nacheinander auf den Flächen der Rest-TiN-Schicht 110 und der freiliegenden Fläche 101 des Substrats 100 gebildet wird. Die Metallschicht 210 umfasst einen Abschnitt 210a, der auf der strukturierten TiN-Schicht 110 angeordnet ist, und einen Abschnitt 210b, der auf einem freigelegten Abschnitt 110 des Substrats 100 angeordnet ist. Der TiN-Schichtabschnitt 110 weist im Wesentlichen keine interne Vorzugsorientierung auf und kann eine Mischung aus einer Vielzahl von Körnern verschiedener Größe und Orientierung umfassen. Insbesondere weist die TiN-Schicht 110 keine kristalline Struktur auf. Der Metallschichtabschnitt 210a ist eine im Wesentlichen nicht-orientierte untere Elektrodenstruktur, die die nicht kristalline Mehrkornstruktur des TiN-Schichtabschnitts 110 geerbt hat. Der Metallschichtabschnitt 210b ist eine gut orientierte untere Elektrodenstruktur, da er aufgrund der Tatsache, dass er direkt auf dem Substrat 100 angeordnet ist, keine darunterliegende orientierungsstörende Schicht aufweist.
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Schicht aus Aluminiumnitrid gleichzeitig auf beiden Abschnitten 210a und 210b der Metallschicht 210 der unteren Elektrode abgeschieden. Die Abscheidungsparameter sind derart, dass ein Abschnitt 320 von AlN, der auf der gut orientierten unteren Elektrode 210b auf einem freigelegten Abschnitt des Substrats 100 aufgewachsen wird, mit einer guten C-Achsenorientierung wächst, so dass der AlN-Abschnitt 320 gute piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Die Abscheidung von AlN auf einer unteren Elektrodenstruktur, wie z.B. 210b, ist für die Herstellung eines BAW-Resonators oder beliebiger anderer elektroakustischer Komponenten allgemein bekannt. Der Abschnitt 310 von AlN wird gleichzeitig auf einem nicht orientierten Abschnitt 210a der unteren Elektrode aufgewachsen. Der Abschnitt 310 von AlN erbt die Struktur, die durch den nicht orientierten Abschnitt 210a der unteren Elektroden verursacht wird, so dass dieser AlN-Abschnitt 310 im Wesentlichen keine innere Orientierung aufweist. Der AlN-Abschnitt 310 weist keine C-Achsenorientierung oder kolumnare Orientierung oder kristalline Struktur auf, da er über der orientierungsstörenden TiN-Schicht 110 aufgewachsen wird. Stattdessen weist der AlN-Abschnitt 310 eine polykristalline oder amorphe Struktur auf. Durch Verwenden einer strukturierten Titannitridschicht 110 und einer unteren Elektrode 210, die auf dem Werkstück angeordnet sind, können der piezoelektrische AlN-Schichtabschnitt 320 und der nicht-piezoelektrische AlN-Abschnitt 310 gleichzeitig, ohne eine Änderung der Abscheidungsparameter der Abscheidungskammer, aufgewachsen werden. Die untere Elektrodenschicht 210a wird auf der TiN-Schicht 110 auf eine Weise abgeschieden, die ein normales Wachstum einer piezoelektrischen Schicht behindert, während ein gutes Wachstum eines piezoelektrischen AlN in Bereichen, die sich direkt auf dem Substrat 100 befinden, gefördert wird. Der AlN-Film auf einer Oberseite der freigelegten Fläche 101 des Substrats 100 erbt die Orientierung des Substrats 100 und weist daher piezoelektrisches Verhalten dort auf, wo er auf Gebieten der unteren Elektrode aufgewachsen wird, die sich nicht auf der orientierungsstörenden Schicht 110 befinden.
Um eine gute Anhaftung der AlN-Schicht auf der unteren Elektrode 210 zu erzielen und das Ausbilden einer C-Achsenorientierten Keimbildung im Bereich 210b und des nicht orientierten Wachstums im Bereich 210a zu ermöglichen, ist es nützlich, Sauerstoff von der Oberfläche der Metallschicht 210 unmittelbar vor der Abscheidung des AlN zu entfernen, um eine Sauerstoff-freie Oberfläche zu erhalten. Ein Entfernen von Sauerstoff kann in einem Wasserstoffplasma durchgeführt werden.
Während der piezoelektrische Schichtabschnitt 320 verwendet werden kann, um eine elektroakustische Komponenten herzustellen, die die piezoelektrischen Eigenschaften der Schicht 320 nutzt, kann die angrenzend abgeschiedene AlN-Schicht 310 des amorphen oder polykristallinen Typs verwendet werden, um einen Kondensator zu erzeugen, der den AlN-Schichtabschnitt 310 als das Dielektrikum aufweist. Der AlN-Schichtabschnitt 310 kann auch als ein Wärmeleiter dienen, um die in der piezoelektrischen Komponente erzeugte Wärme weg an eine Wärmesenke abzuführen, so dass die elektrischen Spezifikationen der elektroakustischen Komponente eine hinzunehmende oder im Wesentlichen keine Temperaturdrift aufweisen.
Es ist zu beachten, dass der über dem restlichen TiN-Schichtabschnitt 110 angeordnete Metallschichtabschnitt 210a weggelassen werden kann. In diesem Fall wird der AlN-Abschnitt ohne piezoelektrische Eigenschaften direkt auf dem restlichen TiN-Schichtabschnitt 110 aufgewachsen.
4 zeigt eine SEM-Aufnahme, die eine Draufsicht auf die Querschnittsdarstellung von 3 ist. Der untere rechte Abschnitt 320 zeigt AlN, das mit einer guten C-Achsenorientierung abgeschieden ist. Die deutlichen C-Achsensäulen können in der Aufnahme einzeln identifiziert werden. Der obere linke Abschnitt 310 ist das AlN, das ohne C-Achsenorientierung abgeschieden wurde, das amorph ist. Wie zu entnehmen ist, weisen die zwei Bereiche an der Grenze zwischen Abschnitten 320, 310 eine definierte Übergangskontaktfläche auf. Es besteht eine verhältnismäßig scharfe Grenzlinie zwischen dem piezoelektrischen Abschnitt 320 und dem nicht-piezoelektrischen Abschnitt 310. Der Abschnitt 320 wird dadurch erzeugt, dass die untere Elektrode 210b direkt auf der Fläche 101 des Substrats 100 angeordnet ist. Der Abschnitt 310 wird durch die nicht-orientierte untere Elektrode 210a verursacht, die auf einem orientierungsstörenden TiN-Schichtabschnitt 110 angeordnet ist, welcher auf dem Substrat 100 angeordnet ist. Dementsprechend erzielt die vorliegende Offenbarung das Wachstum eines Aluminiumnitrid-Dünnfilms in einer guten und einer mangelhaften C-Achsenorientierung auf eine kontrollierte Weise und erzielt Abschnitte von AlN mit und ohne piezoelektrische Eigenschaften nebeneinander und benachbart zueinander, die eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen.
5 zeigt eine Röntgenanalyse unter Verwendung einer Rocking-Curve-Messung von AlN-Filmen, die auf verschiedenen darunterliegenden Materialien aufgewachsen sind. Die horizontale Achse repräsentiert den Einfallswinkel des Röntgenstrahls, der die Rocking-Curve-Messung durchführt, in Grad. Die vertikale Achse repräsentiert die lineare Intensität in cps-Einheiten.
Die Kurve 510 rührt von einer AlN-Schicht, die auf einer mit PVD erzeugten TiN-Schicht abgeschieden ist. Die Kurve 510 ist flach, was anzeigt, dass die Fläche keine Orientierungshauptstruktur aufweist, so dass sie sehr unregelmäßig ist, wie in Abschnitt 310 in 4 dargestellt.
Die Kurve 520 rührt von einer AlN-Schicht, die auf mit CVD erzeugtem SiN (Siliziumnitrid) abgeschieden ist. Die Kurve 530 rührt von einer AlN-Schicht, die auf mit CVD erzeugtem SiO₂ abgeschieden ist. Die Kurve 540 rührt von einer AlN-Schicht, die auf mit PVD erzeugtem SiO₂ abgeschieden ist. Die Kurven 520, 530, 540 umfassen ein Maximum, was anzeigt, dass die Fläche eine Vorzugsorientierung aufweist und eine regelmäßige Struktur aufweist, wie im Abschnitt 320 von 4 dargestellt.
6 ist ein Querschnitt eines BAW-Resonators. Die Struktur wird auf einem Substrat 620 aufgebaut, das ein Siliziumwafer sein kann. Darauf abgeschieden wird eine Bragg-Spiegel-Anordnung 610, die aus einer abwechselnder Folge aus einem Material mit einer hohen akustischen Impedanz, wie z.B. Wolfram 612, und einem Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz, wie z.B. SiO₂ 611, gebildet wird. Die obere Schicht der Bragg-Spiegel-Anordnung 610 stellt die SiO₂-Schicht 611 dar. Die Funktion des Bragg-Spiegels 610 besteht darin, die Ausbreitung einer akustischen Resonanzwelle in das Substrat zu beschränken.
Auf der oberen SiO₂-Schicht 611 des Bragg-Spiegels ist eine Struktur einer TiN-Schicht 630 angeordnet. Darauf abgeschieden ist eine Metallschicht 640 einer unteren Elektrode, die einen Abschnitt 640b, der direkt auf der SiO₂-Schicht 611 angeordnet ist, und Abschnitte 640b, die auf dem strukturierten Abschnitt 630 der TiN-Schicht angeordnet sind, aufweist. Darauf ist eine AlN-Schicht angeordnet, die Abschnitte 650 auf strukturierten TiN-Schichtabschnitten 630 und einen Abschnitt 660, bei dem die untere Elektrodenschicht 640b direkt auf der SiO₂-Schicht 611 angeordnet ist, aufweist. AlN-Abschnitte 650 über der orientierungsstörenden TiN-Schicht 630 weisen keine piezoelektrischen Eigenschaften auf. Der Abschnitt 660, der auf dem direkt auf der SiO₂-Schicht 611 angeordneten Abschnitt 640b der unteren Elektrode angeordnet ist, weist eine starke C-Achsenorientierung, so dass der AlN-Schichtabschnitt 660 piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Auf einer Oberseite des AlN-Abschnitts 660 wird eine Metallschicht 670 der oberen Elektrode angeordnet.
Der BAW-Resonator von 6 des fest montierten Resonatortyps errichtet eine akustische Resonanzwelle innerhalb der piezoelektrischen Schicht 660 und zwischen der unteren und der oberen Elektrode 640b, 670. Die akustische Resonanzwelle erzeugt eine beträchtliche Wärme, die aus dem akustisch aktiven Bereich weggeführt werden muss, um eine Temperaturdrift der elektrischen Parameter des Resonators zu vermeiden. Aus diesem Grund dienen AlN-Schichtabschnitte 650 als Wärmeleiter zum Abführen der Wärme an eine Wärmesenke, wie z.B. Umgebungsluft, den Bulk-Abschnitt des Bragg-Spiegels 610 oder Lothügel (in 6 nicht dargestellt) oder andere Wärme-senkende Elemente, die thermisch mit den AlN-Schichten 650 verbunden sind. Als ein Vorteil der Verwendung der orientierungsstörenden TiN-Schicht 630 ist der AlN-Abschnitt 650 amorph und weist keine piezoelektrischen Eigenschaften auf, so dass er die akustisch aktiven Bereiche 640b, 660, 670 nicht stört oder beeinflusst. Unerwünschte Resonanzen werden insofern vermieden, als die Strukturen außerhalb des Resonators kein Resonanzverhalten aufweisen. Andererseits profitiert der AlN-Schichtabschnitt 650 von der guten Wärmeleitfähigkeit von AlN. Die Struktur kann insofern effizient hergestellt werden, als die AlN-Schichten 650, 660 in einem gemeinsamen Prozess aufgewachsen werden können, der den piezoelektrischen Abschnitt 660 und den nicht-piezoelektrischen Abschnitt 650 gleichzeitig erzeugt.
In einem Resonator, wie z.B. dem in 6 dargestellten BAW-Resonator, können bestimmte Strukturen bereitgestellt werden, die den akustisch aktiven Bereich 640b, 660, 670 umgeben. Solche Strukturen werden ausgelegt, um ein definiertes Frequenz- und Geschwindigkeitsprofil aufzuweisen, das bewirkt, dass die akustische Welle im Wesentlichen auf den aktiven Bereich beschränkt ist. Die Strukturen werden ausgelegt, so dass sie eine Reflexion der akustischen Welle veranlassen und ein Entweichen aus dem aktiven Bereich im Wesentlichen vermeiden. In dieser Hinsicht ist es zu beachten, dass piezoelektrisches AlN und nicht-piezoelektrisches AlN verschiedene akustische Impedanz- und verschiedene akustische Geschwindigkeitscharakteristiken aufweisen. Ein geeignetes Schichtstapeldesign kann vom Fachmann unter Verwendung von piezoelektrischem AlN und nicht-piezoelektrischem AlN, das eine laterale Energiebarriere für die akustische Welle bildet, so dass im Wesentlichen verhindert wird, dass die akustische Welle aus dem aktiven Bereich entweicht, erdacht werden. Diese lateralen Strukturen, die eine laterale Energiebarriere bilden, können mit einer abwechselnden Anordnung von piezoelektrischem und nicht-piezoelektrischem AlN unter Verwendung des orientierungsstörenden Metallnitridschichtkonzepts der vorliegenden Offenbarung erzielt werden. Der Gütefaktor des Resonator wird dadurch erhöht.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Offenbarung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. Da Modifikationen, Kombinationen, Teilkombinationen und Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen, die den Geist und die Substanz der Offenbarung aufnehmen, dem Fachmann einfallen können, sollte die Offenbarung derart ausgelegt werden, dass sie alles innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche aufnimmt.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Aluminiumnitridschicht, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats (100), Ausbilden einer Metallnitridschicht auf dem Substrat (100), Strukturieren der Metallnitridschicht, um eine Restmetallnitridschicht (110) auszubilden und einen Abschnitt (101) des Substrats freizulegen, Ausbilden einer Metallschicht (210) auf dem freigelegten Abschnitt (101) des Substrats, Ausbilden von Aluminiumnitrid (310, 320) auf der Metallschicht (210) und über der Metallnitridschicht (110).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens von Aluminiumnitrid ein Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht im Bereich des freigelegten Abschnitts (101) des Substrats mit einem höheren Niveau einer piezoelektrischen Eigenschaft als im Bereich der Restmetallnitridschicht (110) mit einem niedrigeren Niveau einer piezoelektrischen Eigenschaft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Ausbildens von Aluminiumnitrid ein gleichzeitiges Abscheiden von Aluminiumnitrid im Bereich des freigelegten Abschnitts (101) des Substrats und im Bereich der Restmetallnitridschicht (110) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, das ein Ausbilden der Metallschicht (210) auf der Restmetallnitridschicht (110) und auf dem freigelegten Abschnitt (101) des Substrats und anschließendes Ausbilden von Aluminiumnitrid (310, 320) auf der Metallschicht (210) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Strukturierens der Metallnitridschicht einen fotolithografischen Prozess umfasst, der eines oder mehrere von den Folgenden umfasst: Beschichten der Metallnitridschicht mit einer Fotolackschicht, Belichten der Fotolackschicht mit einer Strahlungsstruktur, Entwickeln der belichteten Fotolackschicht, Entfernen von Abschnitten der entwickelten oder der nicht entwickelten Fotolackschicht, um Abschnitte der Metallnitridschicht freizulegen, Ätzen der freigelegten Abschnitte der Metallnitridschicht und Strippen der restlichen Fotolackschicht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei der Schritt des Ausbildens von Aluminiumnitrid ein Abscheiden von Aluminiumnitrid im Bereich der freigelegten Abschnitte (101) des Substrats mit kristallinen Eigenschaften und/oder kolumnaren Eigenschaften und/oder einer C-Achsenorientierung und im Bereich der Restmetallnitridschicht (110) mit amorphen oder nicht-kristallinen Eigenschaften umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ausbilden einer Metallnitridschicht ein Ausbilden einer Titannitridschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ausbilden einer Metallschicht ein Ausbilden einer Sandwich-Anordnung aus Aluminium und Wolfram oder ein Ausbilden einer Sandwich-Anordnung aus einer Aluminium- und Kupferlegierung und Wolfram oder ein Ausbilden einer Zusammensetzung aus einem oder mehreren von Molybdän, Ruthenium, Iridium und Platin umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Substrats ein Bereitstellen eines Werkstücks umfasst, das eine obere Schicht aus einem dielektrischen Material (620) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Substrats ein Bereitstellen eines Werkstücks umfasst, das eine obere Schicht aus Siliziumdioxid (620) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Substrats ein Bereitstellen eines Werkstücks umfasst, das eine Bragg-Spiegel-Anordnung (610, 611, 612) umfasst, wobei die Bragg-Spiegel-Anordnung eine obere Schicht aus Siliziumdioxid (620) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das vor dem Schritt des Ausbildens von Aluminiumnitrid ferner ein Entfernen von Sauerstoff aus der Metallschicht (210) umfasst.