DE112010002790T5 - HERSTELLUNGSVERFAHREN FüR EINE PIEZOELEKTRISCHE SCHICHT SOWIE MITDEM HERSTELLUNGSVERFAHREN HERGESTELLTE PIEZOELEKTRISCHE SCHICHT - Google Patents

HERSTELLUNGSVERFAHREN FüR EINE PIEZOELEKTRISCHE SCHICHT SOWIE MITDEM HERSTELLUNGSVERFAHREN HERGESTELLTE PIEZOELEKTRISCHE SCHICHT Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einer Aluminiumnitriddünnschicht mit Scandium auf einem Substrat, wobei das Verfahren einen Sputterschritt aufweist zum Sputtern von Aluminium und Scandium in einer Atmosphäre, welche zumindest ein Stickstoffgas enthält. Heim Sputterschritt liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-%, wenn eine Ts in einem Bereich von 5°C bis 450°C liegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht und sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einem Substrat, auf welchem eine Aluminiumnitriddünnschicht vorgesehen ist, zu welcher Scandium hinzugefügt ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Einrichtungen, bei denen ein piezoelektrisches Phänomen oder ein piezoelektrischer Effekt verwendet werden, werden in verschiedenen Gebieten eingesetzt. Derartige Einrichtungen werden verstärkt bei tragbaren Geräten verwendet (z. B. bei einem Mobiltelefon), welche es notwendig machen, dass sie weiter miniaturisiert ausgebildet werden und einen geringeren Energieverbrauch aufweisen. Als Beispiele für derartige Einrichtungen seien IF-Filter (IF: Intermediate Frequency), RF-Filter (RF: Radio Frequency) und dergleichen genannt. Spezifische Beispiele für derartige IF-Filter und RF-Filter umfassen so genannte SAW-Filter, also Filter, die einen akustischen Oberflächenwellenresonator (SAWR: Surface Acoustic Wave Resonator) und dergleichen aufweisen.
  • Ein SAW-Filter ist ein Filter, der einen Resonator aufweist, bei welchem eine akustische Welle verwendet wird, die auf einer Festkörperoberfläche übertragen wird. Die Auslegung und das Herstellungsverfahren für eine SAW-Schicht wurden verbessert, um hohe Anforderungen durch die Nutzer zu erfüllen. Jedoch wurden bei der Verbesserung derartiger SAW-Filter mit dem Steigern der Frequenz bei der Verwendung Grenzen erreicht.
  • Im Hinblick auf diese Umstände wurde ein so genannter FBAR-Filter als neuer Filter anstelle des SAW-Filters entwickelt, nämlich ein Filter, welcher einen so genannten Film-Bulk-Akustlkresonator (FBAR) aufweist. Der FBAR-Filter bildet eine so genannte RF-MEMS-Einrichtung (RF-MEMS: Radio Frequency Micro Electro Mechanical System).
  • Die RF-MEMS-Technik ist eine Technik, die in letzter Zeit starke Beachtung fand. RF-MEMS werden gebildet durch Anwenden eines MEMS an einem RF-Frontend. Die MEMS bilden eine Technik zum Ausbilden eines Geräts oder einer Einrichtung (z. B. im Sinne eines sehr kleinen Aktuators, Sensors, Resonators usw.) und zwar durch Ausbilden einer mechanischen Mikrostruktur im Wesentlichen auf einem Halbleitersubstrat.
  • Der FBAR-Filter, welcher eine derartige RF-MEMS-Einrichtung bildet, ist ein Filter mit einem Resonator, bei welchem ein Schichtstärkenlongitudinalvibrations- oder -schwingungsmodus (thickness longitudinal vibration mode) einer Dünnschicht zum Anzeigen einer piezoelektrischen Antwort oder Reaktion verwendet wird. Der FBAR-Filter weist insbesondere einen Resonator auf, bei welchem das folgende Phänomen oder der folgende Effekt verwendet werden: Eine piezoelektrische Dünnschicht empfängt ein elektrisches Hochfrequenzsignal, um dadurch eine Schichtstärkenlongitudinalschwingung oder -vibration (thickness longitudinal vibration) zu erzeugen. Dann erzeugt die Schwingung oder Vibration eine Resonanz in einer Schichtstärkenrichtung der Dünnschicht. Auf diese Art und Weise kann der FBAR-Filter im Gigahertzband resonieren oder schwingen. Ein FBAR-Filter mit dieser Eigenschaft besitzt geringe Verluste und kann in einer weiten Bandbreite eingesetzt werden. Zusätzlich ermöglicht er eine weitere Miniaturisierung und eine Energieeinsparung im Hinblick auf tragbare Geräte.
  • Darüber hinaus ermöglichen RF-MEMS-Einrichtungen (zusätzlich zum FBAR-Filter, z. B. im Sinne eines RF-MEMS-Kondensators oder im Sinne eines RF-MEMS-Schalters), bei welchen das piezoelektrische Phänomen oder der piezoelektrische Effekt verwendet werden, geringe Verluste, eine hohe Isolation und eine geringe Belastung im Hochfrequenzband.
  • Die Patentliteratur 1 offenbart eine piezoelektrische Dünnschicht mit einer Aluminiumnitriddünnschicht, bei welcher Scandium als dritte Komponente hinzugefügt wird und die eine befriedigende piezoelektrische Antwort zeigt.
  • Zitatenliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Tokukai Nr. 2009-010926 A (Veröffentlichungsdatum: 15. Januar 2009)
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wenn jedoch die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome einer Aluminiumnitriddünnschicht insgesamt 100 Atom-% beträgt, und zwar gemäß der in der Patentliteratur 1 offenbarten piezoelektrischen Dünnschicht, wird die piezoelektrische Antwort in einem Fall, bei welchem die Anzahl der Atome des Scandiums in einem Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, verringert im Vergleich zu einem Fall, bei welchem Scandium nicht enthalten ist (siehe 1(b)). Das bedeutet, dass die in der Patentliteratur 1 beschriebene piezoelektrische Dünnschicht weiter verbessert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das zuvor beschriebene Probleme geschaffen. Es ist somit Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht zu schaffen, (i) deren piezoelektrische Antwort im Vergleich mit einer piezoelektrischen Schicht, welche kein Scandium enthält, selbst dann nicht vermindert ist, wenn die Anzahl der Scandiumatome im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, und (ii) welche eine mit Scandium versehene Aluminiumnitriddünnschicht aufweist.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben im Detail ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Schicht untersucht, bei welchem die piezoelektrische Antwort selbst dann nicht reduziert wird, wenn die Anzahl der Scandiumatome im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt. Im Ergebnis haben die Erfinder herausgefunden, dass die piezoelektrische Antwort der piezoelektrischen Dünnschicht nicht reduziert wird durch Einstellen der Substrattemperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs, wenn Scandium und Aluminium gesputtert werden. Entsprechend haben die Erfinder dadurch die vorliegende Erfindung geschaffen. Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen auf der Grundlage einer derartigen neuen Erkenntnis und weist die folgenden einzelnen Aspekte auf.
  • Um die zu Grunde liegende Aufgabe zu lösen, wird ein Verfahren geschaffen zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einem Substrat, auf welchem eine Aluminiumnitriddünnschicht mit Scandium vorgesehen wird, wobei das Verfahren erfindungsgemäß einen Sputterschritt aufweist zum Sputtern von Aluminium und Scandium derart, dass unter einer Atmosphäre, die zumindest ein Stickstoffgas aufweist, der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% liegt, wenn die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome eine Aluminiumnitriddünnschicht insgesamt 100 Atom-% beträgt, wobei das Substrat während des Sputterschritts eine Temperatur im Bereich von 5°C bis 450°C aufweist.
  • Selbst dann, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, wobei die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome einer Aluminiumnitridschicht insgesamt 100 Atom-% beträgt, kann die vorangehend beschriebene Anordnung ein Reduzieren in der piezoelektrischen Antwort bei der piezoelektrischen Dünnschicht verhindern. Selbst in einem Fall, bei welchem der Scandiumgehaltsanteil 35 Atom-% bis 40 Atom-% beträgt, kann darüber hinaus die piezoelektrische Antwort der piezoelektrischen Schicht im Vergleich mit einer piezoelektrischen Schicht mit einer Aluminiumnitriddünnschicht, die kein Scandium enthält, verbessert werden.
  • Aufgrund dieser Umstände ist es nicht nötig, den Scandiumgehaltsanteil genau einzustellen, wenn die piezoelektrische Dünnschicht hergestellt wird. Dadurch wird es möglich, die piezoelektrische Dünnschicht mit einer Aluminiumnitriddünnschicht, welche Scandium enthält, herzustellen. Folglich kann die Fehlerrate bei der herzustellenden piezoelektrischen Dünnschicht reduziert werden.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Wie oben beschrieben wurde, werden bei einem Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung Aluminium und Scandium derart gesputtert, dass unter einer Atmosphäre, welche mindestens ein Stickstoffgas enthält, der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% liegt, wenn die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome der Aluminiumnitriddünnschicht insgesamt 100 Atom-% beträgt. Ferner wird die Temperatur des Substrats beim Sputtern innerhalb eines Bereiches von 5°C bis 450°C eingestellt.
  • Diese Maßnahmen verhindern eine Reduktion in der piezoelektrischen Antwort der piezoelektrischen Dünnschicht im Vergleich mit einer piezoelektrischen Dünnschicht, welche eine Aluminiumnitriddünnschicht aufweist, die selbst kein Scandium enthält, und zwar selbst dann, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt.
  • Zum besseren Verständnis der Natur und der Vorteile der vorliegenden Erfindung, wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Scandiumgehaltsanteil und der piezoelektrischen Antwort einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung: 1(a) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur während des Sputterschritts 400°C betrug. 1(b) zeigt eine Substrattemperatur während des Sputterschritts bei 580°C.
  • 2 zeigt die Röntgenbeugungsintensität bei einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung: 2(a) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur beim Sputterschritt geändert wurde. 2(b) zeigt einen Fall, bei welchem der Scandiumgehaltsanteil geändert wurde.
  • 3 zeigt einen Parameter, welcher auf der Grundlage des Röntgenbeugungsmusters einer piezoelektrischen Dünnschicht aus Beispiel 1 und auf der Grundlage eines Röntgenbeugungsmusters einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 berechnet wurde: 3(a) zeigt die Länge eines Kristallgitters eines Scandium enthaltenden Aluminiumnitrids entlang einer c-Achse. 3(b) zeigt den FWHM einer Röntgenkippkurve (X-ray rocking curve) eines Scandium enthaltenen Aluminiumnitrids.
  • 4 zeigt einen Zustand, bei welchem eine Oberflächenrauhigkeit und eine Partikelgröße eines Kristalls im Beispiel 2 und die entsprechenden Werte beim Vergleichsbeispiel 2 unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops gemessen wurden: 4(a) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und ein Sc-Gehaltsanteil 0 Atom-%a betrugen. 4(b) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und der Sc-Gehaltsanteil 36 Atom-% betrugen. 4(c) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und der Sc-Gehaltsanteil 43 Atom-% betrugen. 4(d) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und der Sc-Gehaltsanteil 0 Atom-% betrugen. 4(e) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und der Sc-Gehaltsanteil 36 Atom-% betrugen. 4(f) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und der Sc-Gehaltsanteil 43 Atom-% betrugen. 4(g) zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Sc-Gehaltsanteil und der Partikelgröße des Sc enthaltenden Aluminiumnitrids bei einem Fall, bei welchem die Substrattemperatur während des Sputterschritts 400°C oder 580°C betrug.
  • 5 zeigt die piezoelektrische Antwort einer Scandium enthaltenden Aluminiumnitridschicht mit einem Scandium-Gehalt von 42% bei einem Fall, bei welchem die Substrattemperatur eine der Temperaturen Raumtemperatur (20°C), 200°C, 400°C, 450°C, 500°C und 580°C war.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Es wird nun eine piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1(a) und 1(b) sowie auf die 2(a) und 2(b) beschrieben. Vor der Beschreibung der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dünnschicht werden vorab die Begriffe usw. die im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung usw. verwendet werden, erläutert.
  • In einem Fall, bei welchem die piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung als piezoelektrisches Element, bei welchem ein piezoelektrisches Phänomen oder ein piezoelektrischer Effekt verwendet werden, eingesetzt wird, ist der dort beschriebene spezifische Einsatz der piezoelektrischen Dünnschicht nicht speziell beschränkt. Zum Beispiel kann die piezoelektrische Dünnschicht verwendet werden in einer SAW-Einrichtung oder bei einer RF-MEMS-Einrichtung. Der Begriff ”piezoelektrisches Material” bei der vorliegenden Beschreibung usw. beschreibt eine Substanz mit einer Eigenschaft, welche eine Potentialdifferenz bewirkt, wenn eine mechanische Energie dem Substrat aufgeprägt wird, d. h. also eine Piezoelektrizität (nachfolgend auch als piezoelektrische Antwort bezeichnet). Der Begriff ”piezoelektrische Dünnschicht” beschreibt eine dünne Schicht oder Dünnschicht mit der zuvor beschriebenen Eigenschaft.
  • Des Weiteren bezeichnet der Begriff ”Atom-%” in der vorliegenden Beschreibung usw. den Atomanteil oder das Atomprozent (atomic percentage). Bei der vorliegenden Beschreibung wird ”Atom-%” verwendet zum Anzeigen der Anzahl der Scandiumatome oder der Aluminiumatome, wenn die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome insgesamt 100 Atom-% beträgt, sofern nichts anderes gesagt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ”Atom-%” eine Konzentration von Scandiumatomen oder Aluminiumatomen in einem Scandium enthaltenden Aluminiumnitrid beschreibt. Des Weiteren wird bei der vorliegenden Beschreibung der Begriff ”Atom-%” im Hinblick auf das Scandium als Scandiumgehaltsanteil (scandium-content rate) in Bezug auf das Aluminiumnitrid beschrieben.
  • Eine Scandium enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht (nachfolgend beschrieben als Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht) wird dargestellt durch die folgende allgemeine Formel: ScxAl1-xN (wobei x den Scandiumgehaltsanteil beschreibt und der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,005 bis 0,5 liegt). Zum Beispiel wird eine Aluminiumnitriddünnschicht mit einem Scandiumgehalt von 10 Atom-% dargestellt durch ”Sc0.10Al0.90N”.
  • Aufbau der piezoelektrischen Dünnschicht
  • Ein Aufbau oder eine Anordnung für die piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Die piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat auf, auf welchem die Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht ausgebildet ist. Die Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht enthält Scandiumatome im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-%, wenn die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome insgesamt 100 Atom-% beträgt.
  • Das Substrat ist nicht beschränkt, solange das Substrat eine Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht tragen kann, ohne dass dabei eine Deformation der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht auftritt oder bewirkt wird. Beispiele für Materialien für das Substrat umfassen Silizium (Si) in monokristalliner Form sowie eine Basis (z. B. Si-Einkristall) mit einer Oberfläche, auf welcher Silizium, Diamant, oder eine andere polykristalline Schicht ausgebildet ist.
  • Des Weiteren wird bevorzugt, dass eine Röntgenkippkurve (X-ray rocking curve) der piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung einen FWHM-Wert von 3,2 Grad oder weniger aufweist. Wenn die Röntgenkippkurve einen FWHM-Wert von 3,2 Grad oder weniger aufweist, liegt der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 45 Atom-%. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass bevorzugt wird, dass der Scandiumgehaltsanteil der piezoelektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich von 0,5 Atom-% bis 45 Atom-% liegt. Zu bemerken ist, dass Details (z. B. eine Messbedingung der Röntgenkippkurve der piezoelektrischen Dünnschicht) nachfolgend beschrieben werden und dass die Beschreibung an dieser Stelle entfällt.
  • Es wird des Weiteren bevorzugt, dass die Oberflächenrauhigkeit Ra der piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung einen Wert von weniger als 1,2 nm aufweist.
  • Die Röntgenkippkurve besitzt einen FWHM-Wert von 3,2 Grad oder weniger. Die piezoelektrische Dünnschicht hat eine Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als 1,2 nm. Das bedeutet, dass eine hohe kristalline Orientierung vorliegt. Mit anderen Worten heißt das, dass, wenn der FWHM-Wert der Röntgenkippkurve und die Oberflächenrauhigkeit der piezoelektrischen Dünnschicht innerhalb der zuvor beschriebenen Bereiche liegen, entsprechende Kristalle stärker in einer Richtung orientiert sind. Entsprechend kann die Piezoelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht gesteigert werden.
  • Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Sputterschritt auf, bei welchem unter einer Atmosphäre, welche ein Stickstoffgas (N2) enthält (z. B. unter eine Atmosphäre eines Stickstoffgases (N2) oder unter einer Mischatmosphäre eines Stickstoffgases (N2) und eines Argongases (Ar)), ein Substrat (z. B. ein Siliziumsubstrate (Si)) unter Verwendung von Aluminium und Scandium derart einem Sputterprozess ausgesetzt wird, dass der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% liegt, wenn die Anzahl der Scandiumatome und die Anzahl der Aluminiumatome der Aluminiumnitridschicht insgesamt 100 Atom-% beträgt. Des Weiteren liegt beim Herstellungsverfahren für die piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung die Substrattemperatur während des Sputterschritts im Bereich von 5°C bis 450°C, Innerhalb dieses Bereichs für die Substrattemperatur ist die Substrattemperatur während des Sputterschritts vorzugsweise im Bereich von 200°C bis 400°C und weiter bevorzugt bei 400°C eingestellt.
  • Wenn eine Dünnschicht durch einen Sputtervorgang in einem Zustand ausgeführt wird, bei welchem das Substrat während des Sputterschritts eine Temperatur im Bereich von 5°C bis 450°C besitzt, wird die Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht ausgebildet, welche in enger oder dichter Art und Weise am Substrat angebracht ist und welche einen hohen Grad an Reinheit besitzt. Des Weiteren liegt während des Sputterschritts die Substrattemperatur im Bereich von 5°C bis 450°C. Daher kann die piezoelektrische Antwort verbessert werden, wenn der Scandiumgehaltsanteil in einem Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, und zwar verglichen mit einer piezoelektrischen Antwort, wenn der Scandiumanteil der Aluminiumnitridschicht 0 Atom-% beträgt.
  • Wenn während des Sputterschritts die Substrattemperatur in einem Bereich von 200°C bis 400°C lag, war herkömmlicherweise die piezoelektrische Antwort reduziert in einem Bereich für den Scandiumanteil von 35 Atom-% bis 40 Atom-%. Jedoch kann bei der vorliegenden Erfindung eine derartige Reduktion bei der piezoelektrischen Antwort in Bezug auf den zuvor beschriebenen Bereich vermieden werden. Dadurch wird es möglich, weiter die Fehlerrate bei herzustellenden piezoelektrischen Dünnschichten zu verringern. Folglich kann ein Herstellungsverfahren mit einer hohen Qualität bei der Herstellung für piezoelektrische Dünnschichten geschaffen werden.
  • Zu beachten ist, dass Scandium und Aluminium beim Sputterschritt verwendet werden können und dass Scandium und Aluminium vorzugsweise gleichzeitig gesputtert werden. Durch gleichzeitiges Sputtern von Scandium und Aluminium kann eine Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht ausgebildet werden, bei welcher Scandium und Aluminium nicht nur teilweise verteilt ausgebildet sind (d. h. sie sind gleichmäßig verteilt ausgebildet).
  • Details des Sputterschritts: Substrattemperatur
  • Nachfolgend wird der Bereich der Substrattemperatur beim Sputterschritt beschrieben. In einem Fall, bei welchem die piezoelektrische Dünnschicht gemäß der vorlegenden Erfindung hergestellt wird, liegt die Substrattemperatur in einem Bereich von einer Raumtemperatur bis zu 450°C während des Sputterschritts. Wie oben beschrieben wurde, ist es am meisten bevorzugt, dass innerhalb dieses Bereichs für die Substrattemperatur die Substrattemperatur während des Sputterschritts 400°C beträgt.
  • Der Grund dafür, dass die Substrattemperatur am meisten bevorzugt bei 400°C liegt, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 2(a) erläutert. 2(a) zeigt die Röntgenbeugungsintensität, wenn die Substrattemperatur von 27°C bis 580°C geändert wird, und zwar in einem Fall, bei welchem Sc0.43Al0.57N als Dünnschicht auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wird. Zu bemerken ist, dass die Röntgenbeugungsintensität gemessen wird unter Verwendung eines M03X-HF von der MAC Science Co. Ltd.
  • Wie in 2(a) dargestellt ist, wird ein einzelner Peak bei einem Winkel von 37,0° erzeugt, wenn die Substrattemperatur im Bereich von 27°C bis 400°C liegt. Die Stärke dieses einzelnen Peaks wird maximal, wenn sich die Substrattemperatur bei 400°C befindet. Des Weiteren, wenn die Substrattemperatur den Wert 500°C überschreitet, entstehen zwei Peaks bei einem Winkel von 36,06° und bei 37,30°. Die Starke jedes Peaks ist reduziert. Wenn darüber hinaus die Temperatur 580°C beträgt, entsteht ein einzelner Peak bei einem Winkel von 37,30°C. jedoch ist die Stärke dieses Peaks weiter reduziert.
  • Wie oben beschrieben wurde, zeigt 2(a), dass die Stärke des einzelnen Peaks maximal wird, wenn die Substrattemperatur 400°C beträgt. Wenn die Substrattemperatur 500°C übersteigt. wird die Position des Peaks zu einem höheren Winkel verschoben und die Stärke des Peaks wird reduziert. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Kristallinität des Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids maximal wird, wenn die Substrattemperatur 400°C beträgt. Die Gitterkonstante c des Kristalls wird kurz oder gering, wenn die Substrattemperatur 500°C überschreitet.
  • Es ist zu bemerken, dass ”Raumtemperatur” in der vorliegenden Beschreibung usw. eine Temperatur bezeichnet, wie sie im japanischen Industriestandard JIS Z 8730 beschrieben ist. Damit ist eine Temperatur gemeint in einem Bereich von 20°C ± 15°C (d. h., 5°C bis 35°C).
  • Details des Sputterschritts: Scandiumgehaltsanteil
  • Nachfolgend wird der Anteil an Scandium beschrieben, der in der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht enthalten ist.
  • Der Anteil an Scandium, welcher in der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht enthalten ist, kann im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-%, vorzugsweise im Bereich von 35 Atom-% bis 43 Atom-% und weiter bevorzugt bei 43 Atom-% liegen.
  • Dabei besitzt auch Aluminiumnitrid, bei welchem kein Scandium enthalten ist (d. h., dass der Sc-Anteil 0 Atom-% beträgt), in einem gewissen Ausmaß eine piezoelektrische Antwort (1(a)). Entsprechend hat die Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dünnschicht einen Scandiumgehaltsanteil in einem Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-%, um eine höhere piezoelektrische Antwort zu erhalten als in einem Fall, bei welchem der Scandiumanteil 0 Atom-% beträgt.
  • Nachfolgend wird kurz der Grund dafür erläutert, warum der Scandiumanteil vorzugsweise einen Wert von 43 Atom-% aufweisen sollte. 2(b) zeigt eine Änderung in der Röntgenbeugungsintensität in einem Fall, bei welchem der Scandiumgehaltsanteil von 0 Atom-% auf 55 Atom-% geändert wird. Es ist zu bemerken, dass die Röntgenbeugungsintensität gemessen wird unter Verwendung eines M03X-HF, hergestellt von MAC Science Co. Ltd., und zwar wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel.
  • Wie in 2(b) dargestellt ist, steigt die Röntgenbeugungsintensität an, wenn der Scandiumgehaltsanteil gesteigert wird, und zwar bis der Scandiumgehaltsanteil 41 Atom-% erreicht. Wenn jedoch der Scandiumgehaltsanteil den Wert 45 Atom-% oder mehr erreicht, wird die Röntgenbeugungsintensität rapid abgesenkt. Wie oben beschrieben wurde, zeigt 2(b), dass die Stärke oder Höhe des einzelnen Peaks maximal wird, wenn der Scandiumgehaltsanteil 43 Atom-% beträgt.
  • Zu bemerken ist, dass die Position des Peaks verschoben wird, um einen Winkel 2θ zu reduzieren, wenn der Scandiumgehaltsanteil gesteigert wird, und dass er dann verschoben wird, um den Winkel 2θ anzuheben, wenn der Scandiumgehaltsanteil den Wert 37% oder mehr erreicht. Diese Erkenntnisse zeigen, dass die Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht eine Kristallstruktur aufweist, die eine Wurtzitstruktur und eine c-Achsenorientierung besitzt.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1(a) die piezoelektrische Antwort beschrieben, die in einem Fall erhalten wird, bei welchem (i) die Substrattemperatur während des Sputterschritts 400°C betrug und (ii) der Scandiumgehaltsanteil von 0 Atom-% auf 55 Atom-% geändert wurde. Es ist zu bemerken, dass die Art und Weise, wie die in 1(a) gezeigten Daten gemessen werden, nachfolgend im Zusammenhang mit dem Beispiel 1 im Detail beschrieben werden, so dass hier jetzt eine detaillierte Beschreibung davon fortgelassen wird.
  • 1(a) zeigt, dass die piezoelektrische Antwort gesteigert wird, wenn der Scandiumgehaltsanteil von 0 Atom-% auf 43 Atom-% angehoben wird. Wenn ferner der Scandiumgehaltsanteil 43 Atom-% beträgt, erhält die piezoelektrische Antwort der piezoelektrischen Dünnschicht einen Maximalwert (von etwa 28 pC/N). Dieser Maximalwert ist größer als die piezoelektrische Antwort (etwa 25 pC/N), die erhalten wird, wenn die Substrattemperatur 580°C beträgt, wie dies bei einem herkömmlichen Beispiel der Fall ist.
  • Anders als bei einer herkömmlichen piezoelektrischen Dünnschicht mit einer Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht, wird die piezoelektrische Antwort bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dünnschicht nicht reduziert, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, wie dies in 1(a) gezeigt ist.
  • Nachfolgend wird nun beschrieben, wie der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% eingestellt wird. Um den Scandiumgehaltsanteil innerhalb des Bereiches von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% einzustellen, wird die Targetleistungsdichte oder Targetenergiedichte in Bezug auf das Scandium während des Sputterschritts in einen Bereich von 0,05 W/cm2 bis 10 W/cm2 in einem Fall eingestellt, bei welchem die Targetleistungsdichte von Aluminium auf einen Wert im Bereich von 7,9 W/cm2 eingestellt ist.
  • Zu bemerken ist, dass der Begriff ”Leistungsdichte” in der vorliegenden Beschreibung usw. einen Wert bezeichnet, der erhalten wird durch Division der Sputterleistung durch die Targetfläche. Des Weiteren ist zu bemerken, dass Scandium und Aluminium zum gleichen Zeitpunkt bei einem Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gesputtert werden, so dass zwei Arten von Targetleistungsdichten auftreten, nämlich eine Targetleistungsdichte in Bezug auf das Scandium und eine Targetleistungsdichte in Bezug auf das Aluminium. Der Begriff ”Targetleistungsdichte” ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung usw. erläutert und repräsentiert die Targetleistungsdichte in Bezug auf Scandium, sofern nichts anderes gesagt ist.
  • In einem Fall, bei welchem die Targetleistungsdichte im Bereich von 0,05 W/cm2 bis 10 W/cm2 liegt, liegt der Scandiumgehaltsanteil in einem Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-%.
  • Um den Scandiumgehaltsanteil in einem Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% einzustellen, muss die Targetleistungsdichte in einem Bereich von 6,5 W/cm2 bis 8,5 W/cm2 liegen.
  • Es ist zu bemerken, dass andere Bedingungen nicht in spezieller Weise limitiert sind, solange gewährleistet ist, dass während des Schritts des Sputterns die Substrattemperatur in einem Bereich von der Raumtemperatur bis 450°C und die Targetleistungsdichte im zuvor beschriebenen Wertebereich liegen. Zum Beispiel können der Sputterdruck und die Sputterzeitspanne in geeigneter Art und Weise gemäß der herzustellenden piezoelektrischen Dünnschicht eingestellt sein oder werden.
  • Vorteile in Bezug auf eine piezoelektrische Dünnschicht, die bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Dünnschicht hergestellt wird
  • Wie oben beschrieben wurde, liegt die Substrattemperatur während des Sputterschritts bei der piezoelektrischen Dünnschicht mit der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht im Bereich von Raumtemperatur bis 450°C. Dadurch wird es möglich, ein Absinken in der piezoelektrischen Antwort zu verhindern, welches erzeugt wird, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt. Zusätzlich wird es möglich, die piezoelektrische Antwort zu steigern, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, und zwar im Vergleich zu einem Fall, bei welchem die piezoelektrische Antwort bei einer Aluminiumnitriddünnschicht gemessen wird, die kein Sc enthält.
  • Demgemäß ist es nicht notwendig, den Sc-Gehaltsanteil in genauer Art und Weise einzustellen, wenn die piezoelektrische Dünnschicht mit der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht hergestellt wird, so dass die piezoelektrische Dünnschicht mit der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht eine verbesserte piezoelektrische Antwort zeigt und auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann.
  • Des Weiteren ist es nicht notwendig, den Scandiumgehaltsanteil in genauer Art und Weise einzustellen, und zwar in einem Fall, bei welchem die piezoelektrische Dünnschicht die Sc enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht aufweist und diese in industriellem Maßstab hergestellt wird. Dadurch wird es möglich, die Kosten zum Herstellen der piezoelektrischen Dünnschicht zu reduzieren. Des Weiteren ist es möglich, die Fehlerrate bei herzustellenden piezoelektrischen Dünnschichten zu reduzieren. Dadurch wird die Herstellungsqualität bei piezoelektrischen Dünnschichten verbessert.
  • Des Weiteren ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht bevorzugt, dass die Substrattemperatur während des Sputterschritts in einem Bereich von 200°C bis 400°C liegt.
  • Bei der herkömmlichen piezoelektrischen Dünnschicht mit der Scandium enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht wurde eine Absenkung in der piezoelektrischen Antwort beobachtet, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% lag. Jedoch kann bei der zuvor beschriebenen Anordnung ein Absenken der piezoelektrischen Antwort verhindert werden, wenn der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt.
  • Dadurch wird es möglich, weiter die Fehlerrate bei herzustellenden piezoelektrischen Dünnschichten zu senken und dadurch die Herstellungsqualität bei piezoelektrischen Dünnschichten zu verbessern.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht ist es weiter bevorzugt, dass die Substrattemperatur während des Sputterschritts 400°C beträgt.
  • Die zuvor beschriebene Anordnung kann ferner einen Maximalwert für die piezoelektrische Antwort bei piezoelektrischen Dünnschichten mit einer Scandium enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht steigern.
  • Ferner wird es bevorzugt, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht das Sputtern während des Sputterschritts so durchgeführt wird, dass der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt.
  • Zu bemerken ist, dass eine piezoelektrische Dünnschicht, die ausgebildet wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung liegt.
  • Es wird weiter bevorzugt, dass die volle Breite beim halben Maximalwert bei einer Röntgenkippkurve bei der so hergestellten piezoelektrischen Dünnschicht bei 3,2 Grad oder darunter liegt.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die so ausgebildete piezoelektrische Dünnschicht eine Oberfläche aufweist, deren arithmetisch gemittelte Rauheit 1,2 nm oder weniger beträgt.
  • Beispiel
  • Beispiel 1
  • Verfahren zum Ausbilden einer mit Scandium angereicherten Aluminiumnitriddünnschicht
  • Aluminium und Scandium wurden unter einer Atmosphäre aus Stickstoff auf ein Siliziumsubstrat gesputtert. Auf diese Art und Weise wurde auf dem Siliziumsubstrat eine Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht ausgebildet.
  • Das Sputtern wurde durchgeführt unter Verwendung eines Dual-RF-Magnetronreaktivitätssputtersystems (hergestellt durch ULVAC Inc., MPS-Reihe), und zwar mit den folgenden Sputterbedingungen: Die Substrattemperatur betrug 400°C. Die Stickstoffkonzentration war 40%. Der Kornwachstumsdruck (grain growth pressure) betrug 0,25 Pa. Beim Sputtern wurden Aluminium und Scandium auf ein Target mit einem Durchmesser von 50,8 mm gesputtert. Jedes Sputtern von Aluminium und Scandium wurde durchgeführt unter Verwendung einer Targetleistung von 160 W.
  • Des Weiteren wurde bei der verwendeten Sputterkammer der Innendruck auf 1,2·10–6 Pa oder weniger reduziert. Es wurde Argongas von 99,999% und Stickstoffgas von 99,999% in die Sputterkammer eingeleitet. Es ist zu bemerken, dass das dem Sputtern ausgesetzte Target für drei Minuten vor dem Abscheiden unter denselben Bedingungen wie den Abscheidebedingungen gehalten wurde.
  • Weiter ist zu bemerken, dass der Scandiumgehaltsanteil der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht, die auf diese Art und Weise ausgebildet wurde, auf der Grundlage eines Ergebnisses berechnet wurde, welches analysiert wurde mittels eines energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalysegeräts (hergestellt von Horida, EX-320X).
  • Messen der piezoelektrischen Antwort
  • Die piezoelektrische Antwort der so ausgebildeten Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht wurde gemessen unter Verwendung eines Piezometers (hergestellt von Piezoptest limited PM100), wobei ein Gewicht von 0,25 N bei einer Frequenz von 110 Hz verwendet wurde.
  • Kristallstrukturanalyse durch Verwendung von Röntgenstrahlung
  • Die Struktur und die Orientierung des Kristalls des Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht, die auf diese Art und Weise ausgebildet wurde, wurde gemessen unter Verwendung eines vollautomatischen Röntgendiffraktometers (hergestellt von MAC Science Co. Ltd., M03X-HF), bei welchem CuKα-Strahlung als Röntgenquelle verwendet wurde.
  • Die Größe oder Länge der Gitterkonstante entlang der c-Achse wurde berechnet auf der Grundlage des Röntgenbeugungsmusters, welches auf diese Art und Weise gemessen wurde. Die volle Weite oder Breite bei halbem Maximalwert (FWHM-Wert) der Röntgenkippkurve (X-ray rocking curve) wurde auch gemessen.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Es wurde eine Sc-enthaltende Aluminiumnitriddünnschicht unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1 ausgebildet, außer in Bezug auf folgenden Unterschied: Die Temperatur des Siliziumsubstrats beim Sputtern betrug 580°C.
  • Des Weiteren wurde die piezoelektrische Antwort der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht in derselben Art und Weise wie beim Beispiel 1 ausgebildet und gemessen. Des Weiteren wurde ebenso die Größe oder Länge des Kristallgitters entlang einer c-Achse sowie eine volle Weite bei einem halben Maximalwert (FWHM-Wert) einer Röntgenkippkurve in derselben Art und Weise wie beim Beispiel 1 gemessen.
  • Messergebnisse Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
  • 1(a) zeigt die piezoelektrische Antwort, die beim Beispiel 1 gemessen wurde. 1(b) zeigt die piezoelektrische Antwort, die beim Vergleichsbeispiel 1 gemessen wurde.
  • Die piezoelektrische Antwort wurde herkömmlicherweise abgesenkt, wenn die Substrattemperatur 580°C betrug. Wie in 1(a) gezeigt ist, kann das Absenken in der piezoelektrischen Antwort, wenn der Sc-Gehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt, verhindert werden durch Einstellen der Substrattemperatur während des Sputterschritts auf 400°C.
  • Des Weiteren zeigt 1(a), dass bei der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht, die in einem Zustand des Substrats bei 400°C ausgebildet wird, ein Absenken in der piezoelektrischen Antwort in einem Fall verhindern kann, bei welchem der Sc-Gehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt. Zusätzlich wurde die piezoelektrische Antwort verbessert im Vergleich zu einem Fall, bei welchem die Aluminiumnitriddünnschicht kein Scandium enthielt.
  • Die 3(a) und 3(b) zeigen jeweils einen Parameter, der berechnet wurde auf der Grundlage der jeweiligen Röntgenbeugungsmuster der im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1 erzeugten Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschichten. 3(a) zeigt eine Größe oder Länge eines Kristallgitters entlang der c-Achse des erzeugten Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids. 3(b) zeigt den FWHM-Wert (volle Weite bei halbem Maximalwert) der Röntgenkippkurve des so ausgebildeten Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids.
  • Wie in 3(a) dargestellt ist, wurde der Wert der Gitterkonstanten c deutlich reduziert, wenn der Sc-Gehaltsanteil 30 Atom-% überschritt, und zwar im Beispiel 1 (Substrattemperatur: 400°C) und beim Vergleichsbeispiel (Substrattemperatur: 580°C). Jedoch waren der Anstieg und der Abfall in der Gitterkonstanten c, die erhalten wurden, wenn der Sc-Gehaltsanteil gesteigert wurde, zwischen dem Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 1 nicht wesentlich unterschiedlich.
  • Wie in 3(b) gezeigt ist, waren der FWHM-Wert der Röntgenkippkurve nach Beispiel 1 deutlich unterschiedlich vom entsprechenden Wert gemäß dem Vergleichsbeispiel 1. Im Beispiel 1 (Substrattemperatur: 400°C) wurde der FWHM-Wert schrittweise reduziert mit dem Ansteigen des Sc-Gehaltsanteils. Wenn der Sc-Gehaltsanteil 43 Atom-% überschritt, stieg der FWHM-Wert deutlich an. Beim Vergleichsbeispiel 1 (Substrattemperatur: 580°C) dagegen stieg der FWHM-Wert deutlich an, wenn der Sc-Gehaltsanteil 30 Atom-% überschritt. Er wurde deutlich reduziert beim Überschreiten des Sc-Gehaltsanteils von 35 Atom-%. Wie beim Beispiel 1 wurde auch der FWHM-Wert wiederum deutlich gesteigert, beim Überschreiten eines Wertes von 43 Atom-% durch den Sc-Gehaltsanteil.
  • Zu bemerken ist, dass der FWHM-Wert der Röntgenkippkurve gemessen wurde unter Verwendung eines vollautomatischen Röntgendiffraktometers (MXP3VA-B-Typ), hergestellt durch MAC Science Co. Ltd. Bei diesem Röntgendiffraktometer wurde Cu-Kα-Strahlung als Röntgenquelle verwendet und es wurden D:1°, S:1° und R:0,3° als Schlitze verwendet.
  • Beispiel 2
  • Die Oberflächenrauhigkeit der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht, die erhalten wurde bei einer Substrattemperatur beim Sputtern von 400°C, wurde gemessen in einem Fall, bei welchem der Scandiumanteil 0 Atom-%, 36 Atom-% bzw. 43 Atom-% betrug. Des Weiteren wurde auch die Partikelgröße oder Teilchengröße (Partikeldurchmesser) des Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids gemessen.
  • Die Oberflächenrauhigkeit wurde gemessen unter Verwendung einer Rasterkraftmikroskops (AFM). Zu bemerken ist, dass der Begriff ”Oberflächenrauhigkeit” bei der vorliegenden Beschreibung usw. die Bedeutung hat einer arithmetisch gemittelten Rauheit (Ra).
  • Zu bemerken ist, dass die Oberflächenrauhigkeit gemessen wurde unter Verwendung des Geräts SPI3800N, hergestellt durch Seiko Instrument Inc., sowie SN-AF-01, hergestellt durch Olympus Corporation (Länge: 100 Mikrometer, Frequenz: 34 kHz, Federkonstante: 0,08 N/m) als Cantilever.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Die Oberflächenrauhigkeit und der Partikeldurchmesser der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht unter denselben Bedingungen wie beim Beispiel 2 außer mit dem nachfolgenden einen Unterschied: die Temperatur des Siliziumsubstrats betrug während des Sputterns 580°C.
  • Messergebnisse Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2
  • Die 4(a) bis 4(g) zeigen Messergebnisse in Bezug auf die Oberflächenrauhigkeit, die im Zusammenhang mit Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 2 gemessen wurden. Die 4(a) bis 4(g) zeigen einen Zustand, bei welchem die Oberflächenrauhigkeit und der Teilchendurchmesser eines Kristalls in Beispiel 2 und die entsprechenden Werte beim Vergleichsbeispiel 2 gemessen wurden, und zwar unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops: 4(a) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und der Sc-Anteil 0 Atom-% betrugen. 4(b) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und der Sc-Gehaltsanteil 36 Atom-% betrugen. 4(c) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 580°C und der Sc-Gehaltsanteil 43 Atom-% betrugen. 4(d) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und ein Sc-Gehaltsanteil 0 Atom-% betrugen. 4(c) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und ein Sc-Gehaltsanteil 36 Atom-% betrugen. 4(f) zeigt einen Fall, bei welchem die Substrattemperatur 400°C und ein Sc-Gehaltsanteil 43 Atom-% betrugen. 4(g) zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Sc-Gehaltsanteil und dem Teilchendurchrnesser des Sc enthaltenden Aluminiumnitrids, wenn die Substrattemperatur beim Sputtern 400°C oder 580°C betrug.
  • 4(g) zeigt, dass der Teilchendurchmesser größer wurde, wenn die Substrattemperatur anstieg. Des Weiteren zeigt die 4(g) auch, dass – unabhängig von der Substrattemperatur – der Teilchendurchmesser größer wurde, wenn der Scandiumgehaltsanteil anstieg.
  • Wenn der Scandiumgehaltsanteil 0 Atom-% betrug, nämlich wie in den 4(a) und 4(d), oder 43 Atom-%, wie in den 4(c) und 4(f), so ergab sich dennoch kein wesentlicher Unterschied in der Oberflächenrauhigkeit zwischen dem Fall eines Substrats mit einer Temperatur von 400°C im Vergleich zu einem Substrat mit einer Temperatur von 580°C. Wenn jedoch der Scandiumgehaltsanteil 36 Atom-% betrug, wie dies in der 4(b) und in der 4(e) gezeigt ist, betrug die Oberflächenrauhigkeit 0,5 nm, wenn die Substrattemperatur 400°C betrug, und die Oberflächenrauhigkeit betrug 2,7 nm, wenn die Substrattemperatur 580°C betrug. Wie in 4(g) dargestellt ist, wurde die Teilchengröße des Sc-enthaltenden Aluminiumnitrids ungleichförmig, wenn die Substrattemperatur 580°C betrug und der Scandiumgehaltsanteil einen Wert von 36 Atom-% annahm.
  • Wie in den 4(a) bis 4(g) dargestellt, bewirkte diese Ungleichförmigkeit oder Unebenheit eine Reduktion in der piezoelektrischen Antwort bei der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht mit einem Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-%, wenn die Substrattemperatur den Wert 580°C annahm.
  • Beispiel 3
  • Die piezoelektrische Antwort einer Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht mit einem Sc-Gehaltsanteil von 37 Atom-% wurde in einem Fall gemessen, bei welchem die Substrattemperatur während des Sputterns die Werte Raumtemperatur (20°C), 200°C, 400°C, 450°C, 500°C bzw. 580°C annahm. Zu bemerken ist dabei, dass (i) die Bedingungen des Herstellens der Sc-enthaltenden Aluminiumnitriddünnschicht außer in Bezug auf die Substrattemperatur und dass (ii) die Messbedingungen der piezoelektrischen Antwort ähnlich waren zu denjenigen im Beispiel 1.
  • 5 zeigt die piezoelektrische Antwort in einem Fall, bei welchem die Substrattemperatur die Werte Raumtemperatur (20°C), 200°C, 400°C, 450°C, 500°C und 580°C annahm.
  • Wie in 5 dargestellt ist, wurde die piezoelektrische Antwort gesteigert, wenn die Substrattemperatur zwischen Raumtemperatur und 400°C gesteigert wurde. Sie erhielt einen Maximalwert bei einer Substrattemperatur von 400°C. Wurde die Substrattemperatur über 400°C hinaus überschritten, so wurde die piezoelektrische Antwort merklich reduziert. Die piezoelektrische Antwort bei einer Substrattemperatur von 500°C wurde geringer als die piezoelektrische Antwort der Aluminiumnitriddünnschicht mit einem Sc-Gehaltsanteil von 0 Atom-%. Ein Ergebnis der 5 zeigt, dass ein Effekt oder Phänomen, bei welchem die piezoelektrische Antwort reduziert wird wenn der Sc-Anteil 35 Atom-% bis 40 Atom-% betrug, im Vergleich mit einem Fall von einem Sc-Gehalt von 0 Atom-% reduziert ist, verhindert werden kann durch Einstellen der Substrattemperatur während des Sputterns innerhalb eines Bereichs von Raumtemperatur (20°C) bis 450°C.
  • Die so beschriebene Erfindung kann in vielerlei Richtungen abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sollen den Bereich der vorliegenden Erfindung nicht verlassen. Sämtliche Modifikationen seien vom Bereich der folgenden Ansprüche mit umfasst.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Es wird eine piezoelektrische Dünnschicht verwendet, die hergestellt durch ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung und ist geeignet bei einer Einrichtung (z. B. einer RF-MEMS-Einrichtung) verwendet zu werden, bei welcher ein piezoelektrisches Phänomen oder ein piezoelektrischer Effekt zum Einsatz kommen. Des Weiteren kann die RF-MEMS-Einrichtung mit der piezoelektrischen Dünnschicht, die hergestellt wird durch das Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, in geeigneter Weise verwendet werden bei einer elektronischen Einrichtung, z. B. bei einem Mobiltelefon, welches eine geringe Größe aufweist und eine hohe Funktionalität besitzt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • JIS Z 8730 [0041]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einem Substrat, auf welchem eine Aluminiumnitriddünnschicht mit Scandium vorgesehen ist, wobei das Verfahren einen Sputterschritt aufweist zum Sputtern von Aluminium und von Scandium derart, dass unter einer Atmosphäre, welche mindestens ein Stickstoffgas enthält, der Scandiumgehaltsanteil in einem Bereich von 0,5 Atom-% bis 50 Atom-% liegt, wenn die Anzahl der Scandium-Atome und die Anzahl der Aluminiumatome der Aluminiumnitriddünnschicht insgesamt 100 Atom-% betragen, wobei während des Sputterschritts das Substrat eine Temperatur im Bereich von 5°C bis 450°C aufweist.
  2. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einem Substrat, auf welchem eine Aluminiumnitriddünnschicht mit Scandium vorgesehen ist, nach Anspruch 1, wobei während des Sputterschritts die Temperatur des Substrats im Bereich von 200°C bis 450° liegt.
  3. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einem Substrat, auf welchem eine Aluminiumnitriddünnschicht mit Scandium vorgesehen ist, nach Anspruch 1 oder 2, wobei während des Sputterschritts die Temperatur des Substrats 400°C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des Sputterschritts der Scandiumgehaltsanteil im Bereich von 35 Atom-% bis 40 Atom-% liegt.
  5. Piezoelektrische Dünnschicht, welche gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
  6. Piezoelektrische Dünnschicht nach Anspruch 5, wobei bei einer Röntgenkipp- oder -drehkurve die volle Weite beim halben Maximum 3,2 Grad oder weniger beträgt.
  7. Piezoelektrische Dünnschicht nach Anspruch 5 oder 6, wobei die arithmetisch gemittelte Rauheit einer Oberfläche weniger als 1,2 nm beträgt.
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