JP2024000432A - Deposition method and elastic wave device - Google Patents

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幸展 沼田
Yukinobu Numata
徹志 藤長
Tetsushi Fujinaga
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tungsten film deposition method that can minimize rise in resistivity as much as possible, when depositing a tungsten film on a surface of an aluminum nitride film.
SOLUTION: A deposition method according to the present invention includes the step of preparing a target substrate Sw with a thin film primarily composed of aluminum nitride formed on its surface, and depositing a tungsten film of a predetermined film thickness on a target substrate surface in a vacuum atmosphere. This method further includes a preliminary step for etching the surface of the aluminum nitride film at a predetermined etching rate to flatten its surface.
SELECTED DRAWING: Figure 4
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は 表面に、窒化アルミニウムを主成分とする薄膜が形成されたものを被処理基板とし、真空雰囲気中で被処理基板表面にタングステン膜を所定膜厚で成膜する工程を含む成膜方法及びこの成膜方法を実施して製作される弾性波デバイスに関する。 The present invention provides a film forming method including the step of forming a tungsten film to a predetermined thickness on the surface of the substrate to be processed in a vacuum atmosphere, using a substrate on which a thin film mainly composed of aluminum nitride is formed. The present invention also relates to an acoustic wave device manufactured by implementing this film-forming method.

例えば、通信機器には、電気信号に含まれるノイズを除去するため、その周波数帯域に応じてSAWデバイス(表面弾性波素子)やBAWデバイス(バルク弾性波素子)といったフィルタとして機能する弾性波デバイスが備えられる。例えば、BAWデバイスは、順次積層されるボトム電極膜、圧電膜及びトップ電極膜を有し、圧電膜としては、通常、窒化アルミニウム膜を主成分とする薄膜(AlN膜やScAlN膜)が用いられる(例えば、特許文献1参照)。 For example, communication equipment includes acoustic wave devices that function as filters, such as SAW devices (surface acoustic wave devices) and BAW devices (bulk acoustic wave devices), depending on the frequency band, in order to remove noise contained in electrical signals. Be prepared. For example, a BAW device has a bottom electrode film, a piezoelectric film, and a top electrode film that are sequentially laminated, and the piezoelectric film is usually a thin film mainly composed of an aluminum nitride film (such as an AlN film or a ScAlN film). (For example, see Patent Document 1).

一方、トップ電極膜としては、クロム、アルミニウム、チタン、銅、モリブデン、タングステン、タンタル(Ta)等の単層膜またはこれらの積層膜が用いられ、その中でも、高融点金属としてのタングステンは、電気機械結合係数(k)が大きく、しかも、比較的高温帯域でも圧電特性を保てることから、この種の電極膜として注目されている。このようなタングステンの電極膜の成膜には、生産性等を考慮して、タングステン製のターゲットを用いたスパッタリング法が一般に利用される。 On the other hand, as the top electrode film, a single layer film or a laminated film of chromium, aluminum, titanium, copper, molybdenum, tungsten, tantalum (Ta), etc., is used. Among them, tungsten, which is a high melting point metal, is This type of electrode film is attracting attention because it has a large mechanical coupling coefficient (k) and can maintain piezoelectric properties even in a relatively high temperature range. To form such a tungsten electrode film, a sputtering method using a tungsten target is generally used in consideration of productivity and the like.

ここで、スパッタリング法により圧電膜としての窒化アルミニウム膜上にトップ電極膜としてのタングステン膜を成膜すると、例えば、シリコンウエハの表面に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜の表面にタングステン膜を成膜した場合と比較して、比抵抗値が上昇することが判明した。このような比抵抗値の上昇は、デバイスの微細化開発を阻害する要因となるため、比抵抗値の上昇を可及的に抑制する必要がある。 Here, if a tungsten film is formed as a top electrode film on an aluminum nitride film as a piezoelectric film by a sputtering method, for example, a silicon oxide film is formed on the surface of a silicon wafer, and a tungsten film is formed on the surface of this silicon oxide film. It was found that the specific resistance value increased compared to the case where a film was formed. Such an increase in resistivity value becomes a factor that inhibits the development of miniaturization of devices, so it is necessary to suppress the increase in resistivity value as much as possible.

そこで、本願の発明者らは、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。即ち、窒化アルミニウム膜表面にタングステン膜を成膜すると、この成膜されたタングステン膜は、針状表面構造を持つ窒化アルミニウム表面に沿うように膜成長が生じ、結晶粒径が微細になる。タングステン膜を断面観察すると、窒化アルミニウム面の凹凸に沿って細かい柱状構造が観察された。単位体積あたりでのタングステン膜の細柱化は、結晶粒界の増加と同義であり、粒界の増加は電子の移動を妨げ、タングステン膜の電気特性悪化の原因となる。このようなタングステン膜の細柱化は、窒化アルミニウム膜表面(即ち、タングステン膜の成膜面)に微細な凹凸があることに起因するものと考えた。 Therefore, the inventors of the present application have conducted extensive research and have come to the following knowledge. That is, when a tungsten film is formed on the surface of an aluminum nitride film, the formed tungsten film grows along the aluminum nitride surface having an acicular surface structure, and the crystal grain size becomes fine. When the tungsten film was observed in cross section, fine columnar structures were observed along the unevenness of the aluminum nitride surface. The narrowing of the tungsten film per unit volume is synonymous with the increase in the number of grain boundaries, and the increase in the number of grain boundaries impedes the movement of electrons and causes deterioration of the electrical properties of the tungsten film. It was considered that such narrow columnarization of the tungsten film was caused by minute irregularities on the surface of the aluminum nitride film (ie, the surface on which the tungsten film was formed).

特開2020-178187号公報Japanese Patent Application Publication No. 2020-178187

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、窒化アルミニウム膜表面にタングステン膜を成膜したときの比抵抗値の上昇を可及的に抑制することができるタングステン膜の成膜方法及び比抵抗値の低い弾性波デバイスを提供することをその課題とするものである。 The present invention has been made based on the above findings, and provides a method for forming a tungsten film that can suppress as much as possible an increase in resistivity when a tungsten film is formed on the surface of an aluminum nitride film. The object of the present invention is to provide an acoustic wave device with a low specific resistance value.

上記課題を解決するために、本発明は、表面に、窒化アルミニウムを主成分とする薄膜が形成されたものを被処理基板とし、真空雰囲気中で被処理基板表面にタングステン膜を所定膜厚で成膜する工程を含む成膜方法において、窒化アルミニウム膜の表面を所定のエッチングレートでエッチングしてその表面を平坦化する前工程を更に含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention uses a substrate to be processed on which a thin film mainly composed of aluminum nitride is formed, and forms a tungsten film with a predetermined thickness on the surface of the substrate in a vacuum atmosphere. The film forming method including the step of forming a film is characterized in that it further includes a pre-step of etching the surface of the aluminum nitride film at a predetermined etching rate to planarize the surface.

本発明によれば、表面に微細な凹凸がある窒化アルミニウム膜に対して所定範囲のエッチングレートやエッチング量でドライエッチングを施すと、電界集中により凸部が優先的にエッチングされて、窒化アルミニウム膜の表面が平坦化される。このように平担化された窒化アルミニウム膜の表面に、タングステン製のターゲットを用いたスパッタリング法によりタングステン膜を成膜すると、タングステン膜が前工程のないものと比較して太い針状構造となることで、比抵抗値の上昇が可及的に抑制される。この場合、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチング量が283nm~1089nmの範囲になるように、前記窒化アルミニウム膜表面のエッチング量を設定することが好ましい。また、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチングレートが10nm/min~100nm/minの範囲になるように、前記窒化アルミニウム膜に対するエッチング条件が設定されることが好ましい。これにより、窒化アルミニウム膜の表面の算術平均高さ(Sa)が0.4nm~0.8nmの範囲にできる。 According to the present invention, when dry etching is performed on an aluminum nitride film having minute irregularities on the surface at a predetermined etching rate and etching amount, the convex portions are preferentially etched due to electric field concentration, and the aluminum nitride film is surface is flattened. When a tungsten film is formed on the surface of the planarized aluminum nitride film by a sputtering method using a tungsten target, the tungsten film becomes a thicker needle-like structure compared to one without the previous process. This suppresses the increase in specific resistance value as much as possible. In this case, it is preferable to set the etching amount on the surface of the aluminum nitride film so that the etching amount when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions is in the range of 283 nm to 1089 nm. Further, it is preferable that the etching conditions for the aluminum nitride film are set so that the etching rate when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions is in the range of 10 nm/min to 100 nm/min. This allows the arithmetic mean height (Sa) of the surface of the aluminum nitride film to be in the range of 0.4 nm to 0.8 nm.

なお、熱酸化シリコン膜に対するエッチングレートが10nm/minより遅くなるようなエッチング条件でエッチングしても窒化アルミニウムがエッチングされない。一方、熱酸化シリコン膜に対するエッチングレートが100nm/minより速くなるエッチング条件でエッチングすると、むしろ窒化アルミニウム膜表面がエッチングによって荒れてしまう。また、アルゴンガスを導入したドライエッチング時の真空チャンバ内の圧力は、0.1Pa~5.0Paの範囲に設定される。圧力が0.1Paより低いと、スパッタリング時におけるVdc電圧の上昇で被処理基板に対するイオン衝撃が増加し、むしろ窒化アルミニウム膜の表面が荒れてしまう。一方、圧力が5.0Paより高くなるとエッチングレートが低くなり過ぎる。 Note that even if etching is performed under etching conditions such that the etching rate for the thermally oxidized silicon film is slower than 10 nm/min, aluminum nitride is not etched. On the other hand, if etching is performed under etching conditions such that the etching rate for the thermally oxidized silicon film is faster than 100 nm/min, the surface of the aluminum nitride film is rather roughened by the etching. Further, the pressure inside the vacuum chamber during dry etching with argon gas introduced is set in the range of 0.1 Pa to 5.0 Pa. If the pressure is lower than 0.1 Pa, the increase in Vdc voltage during sputtering increases ion bombardment against the substrate to be processed, and rather the surface of the aluminum nitride film becomes rough. On the other hand, when the pressure is higher than 5.0 Pa, the etching rate becomes too low.

また、上記課題を解決するために、基板に一方の面に圧電膜と電極膜とを有する本発明の弾性波デバイスは、圧電膜が、窒化アルミニウムを主成分とする薄膜であって、熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチングレートが10nm/min~100nm/minの範囲になるエッチング条件で希ガスのプラズマによるドライエッチングが施されてその表面が平坦化されたものであり、上部電極がタングステン膜で構成されることを特徴とする。この場合、前記窒化アルミニウム膜の表面の算術平均高さ(Sa)が1.0nm以下であることが好ましい。 Further, in order to solve the above problems, the acoustic wave device of the present invention has a substrate having a piezoelectric film and an electrode film on one side, the piezoelectric film is a thin film mainly composed of aluminum nitride, and the piezoelectric film is a thin film mainly composed of aluminum nitride, and The surface of the silicon film is flattened by dry etching with rare gas plasma under etching conditions such that the etching rate is in the range of 10 nm/min to 100 nm/min. It is characterized by being composed of a tungsten film. In this case, it is preferable that the arithmetic mean height (Sa) of the surface of the aluminum nitride film is 1.0 nm or less.

本実施形態の成膜方法を利用して製作される本実施形態の弾性波デバイスの模式断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an acoustic wave device of this embodiment manufactured using the film forming method of this embodiment. バイアス電圧を印加してスパッタリング法によりタングステン膜を成膜したときの比抵抗値の変化を示すグラフ。5 is a graph showing a change in specific resistance value when a tungsten film is formed by a sputtering method while applying a bias voltage. 本実施形態の前工程を実施できるドライエッチング装置の模式断面図。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a dry etching apparatus that can perform the pre-process of this embodiment. 本発明の効果を示す実験結果のグラフ。1 is a graph of experimental results showing the effects of the present invention. タングステン膜の表面観察画像であり、(a)がドライエッチングなし、(b)がドライエッチングありである。These are surface observation images of a tungsten film, in which (a) is without dry etching and (b) is with dry etching.

以下、図面を参照して、弾性波デバイスをBAWデバイスとし、本発明の実施形態のタングステン膜の成膜方法及び弾性波デバイスの実施形態を説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for forming a tungsten film and an embodiment of an acoustic wave device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, assuming that the acoustic wave device is a BAW device.

図1を参照して、1は、物質の内部を伝播するバルク弾性波(BAW:Bulk Acoustic Wave)を利用したBAWデバイスであり、BAWデバイス1は、シリコンなどの半導体材料製の基板2を備え、基板2の一方の面には、ボトム電極膜3、圧電膜4及びトップ電極膜5が順次積層されている。ボトム電極膜3としては、クロム、アルミニウム、チタン、銅、モリブデン、タングステン、タンタル(Ta)等の単層膜またはこれらの積層膜が用いられる。そして、例えば、薄膜に応じたターゲットを用いるスパッタリング装置を利用して50nm~500nmの範囲の膜厚で成膜される。このようなスパッタリング装置を利用したボトム電極膜3の成膜としては公知のものが利用できるため、スパッタリング装置の構造やスパッタリング時の条件を含め、ここでは詳細な説明を省略する。 Referring to FIG. 1, 1 is a BAW device that uses bulk acoustic waves (BAW) propagating inside a substance, and the BAW device 1 includes a substrate 2 made of a semiconductor material such as silicon. On one surface of the substrate 2, a bottom electrode film 3, a piezoelectric film 4, and a top electrode film 5 are sequentially laminated. As the bottom electrode film 3, a single layer film of chromium, aluminum, titanium, copper, molybdenum, tungsten, tantalum (Ta), etc. or a laminated film of these is used. Then, for example, a film is formed with a thickness in the range of 50 nm to 500 nm using a sputtering apparatus that uses a target depending on the thin film. Since a known method can be used to form the bottom electrode film 3 using such a sputtering device, detailed explanations including the structure of the sputtering device and the conditions during sputtering will be omitted here.

圧電膜4としては、窒化アルミニウム膜を主成分とする薄膜(AlN膜やScAlN膜)が用いられる。窒化アルミニウム膜の成膜には、アルミニウム製のターゲットと反応ガスとしての窒素ガスを用いるスパッタリング装置を利用して反応性スパッタリング法により300nm~1000nmの範囲の膜厚で成膜される。また、トップ電極膜5としては、タングステン膜が用いられる。タングステン膜の成膜には、タングステン製のターゲットを用いるスパッタリング装置を利用して50nm~200nmの範囲の膜厚で成膜される。圧電膜4やトップ電極膜5に利用される成膜方法もまた、上記同様に、公知のものが利用できるため、スパッタリング装置の構造やスパッタリング時の条件を含め、ここでは詳細な説明を省略する。 As the piezoelectric film 4, a thin film (AlN film or ScAlN film) whose main component is an aluminum nitride film is used. The aluminum nitride film is formed to a film thickness in the range of 300 nm to 1000 nm by reactive sputtering using a sputtering apparatus that uses an aluminum target and nitrogen gas as a reactive gas. Further, as the top electrode film 5, a tungsten film is used. The tungsten film is formed to a thickness in the range of 50 nm to 200 nm using a sputtering apparatus using a tungsten target. As for the film-forming methods used for the piezoelectric film 4 and the top electrode film 5, well-known methods can be used, as described above, so detailed explanations, including the structure of the sputtering device and conditions during sputtering, will be omitted here. .

ここで、窒化アルミニウムの膜厚を40nm、1000nmとし、窒化アルミニウムの表面にタングステン膜(トップ電極膜5)を約70nmの膜厚で成膜すると、図2に示すように、例えば、シリコンウエハに形成した酸化シリコン膜表面に、上記と同条件でスパッタリング法によりタングステン膜を成膜した場合と比較して、比抵抗値が上昇し、このとき、圧電膜4の膜厚が薄い場合の方がより顕著に比抵抗値の上昇を招くことが判明した。参考として、酸化シリコン膜表面にタングステン膜を成膜する際に、0,35W,60W,80W(13.56MHz)の各電力でシリコンウエハにバイアス電力を投入したところ、顕著な比抵抗値の変化は見られなかった。なお、図2中、△は、圧電膜4の膜厚が40nmの場合、□は、圧電膜4の膜厚が1000nmの場合及び、◇は、シリコンウエハ表面に酸化シリコン膜を成膜した場合である。また、タングステン膜の成膜条件としては、タングステン製ターゲットへの投入電力を0.2kW、バイアス電力を60W、成膜時の真空チャンバ内の圧力を0.2Pa(アルゴンガス流量10sccm)、ターゲット-基板間の距離55mm,成膜時の基板温度400℃に設定した。このような比抵抗値の上昇を可及的に抑制するために、本実施形態の成膜方法では、次のドライエッチング装置6を用い、圧電膜4としての窒化アルミニウム膜の表面を所定のエッチングレートでドライエッチングして、その表面を平坦化する工程を設けることとした(前工程)。 Here, when the film thicknesses of aluminum nitride are set to 40 nm and 1000 nm, and a tungsten film (top electrode film 5) is formed to a film thickness of about 70 nm on the surface of aluminum nitride, as shown in FIG. Compared to the case where a tungsten film is formed on the surface of the formed silicon oxide film by the sputtering method under the same conditions as above, the specific resistance value increases, and at this time, when the piezoelectric film 4 is thinner, the It was found that this caused a more significant increase in the specific resistance value. For reference, when forming a tungsten film on the surface of a silicon oxide film, when bias power was applied to the silicon wafer at each power of 0, 35 W, 60 W, and 80 W (13.56 MHz), there was a noticeable change in the resistivity value. was not seen. In addition, in FIG. 2, △ indicates the case where the film thickness of the piezoelectric film 4 is 40 nm, □ indicates the case where the film thickness of the piezoelectric film 4 is 1000 nm, and ◇ indicates the case where the silicon oxide film is formed on the surface of the silicon wafer. It is. The conditions for forming the tungsten film were as follows: power input to the tungsten target was 0.2 kW, bias power was 60 W, pressure in the vacuum chamber during film formation was 0.2 Pa (argon gas flow rate 10 sccm), and the target The distance between the substrates was set to 55 mm, and the substrate temperature during film formation was set to 400°C. In order to suppress such an increase in the resistivity value as much as possible, in the film forming method of this embodiment, the surface of the aluminum nitride film as the piezoelectric film 4 is etched in a predetermined manner using the following dry etching apparatus 6. We decided to provide a process of flattening the surface by performing dry etching at a high rate (pre-process).

図3を参照して、ドライエッチング装置6は、ICP(誘導結合プラズマ)型のドライエッチング装置であり、ドライエッチング装置6は、上部開口61aを有する円筒状の真空チャンバ61を備える。真空チャンバ61の上部開口61aは、石英板で構成される誘電体窓62によってOリングを介して気密保持した状態で閉塞されている。誘電体窓62の上方には、複数段(本実施形態では2段)のループ状のアンテナコイル63が設けられ、アンテナコイル63には、高周波電源E1からの出力が接続されている。また、誘電体窓62とアンテナコイル63との間には、詳細には図示していないが、所謂スター電極64が配置されている。 Referring to FIG. 3, dry etching apparatus 6 is an ICP (inductively coupled plasma) type dry etching apparatus, and includes a cylindrical vacuum chamber 61 having an upper opening 61a. The upper opening 61a of the vacuum chamber 61 is hermetically closed by a dielectric window 62 made of a quartz plate via an O-ring. A plurality of stages (two stages in this embodiment) of loop-shaped antenna coils 63 are provided above the dielectric window 62, and the output from the high frequency power source E1 is connected to the antenna coil 63. Further, although not shown in detail, a so-called star electrode 64 is arranged between the dielectric window 62 and the antenna coil 63.

誘電体窓62の直下に位置させて真空チャンバ61内には、絶縁体65aを介してステージ65が設けられ、基板2表面にボトム電極膜3及び圧電膜4が形成されたもの被処理基板Swを保持することができる。ステージ2には、高周波電源E2からの出力が接続され、基板Swにバイアス電位を印加することができる。真空チャンバ1には、図示省略の真空ポンプに通じる排気管66が接続され、真空チャンバ61内を所定圧力に真空排気することができる。真空チャンバ61にはまた、図示省略の流量制御弁(例えばマスフローコントローラ)を介して各ガス源に通じるガス導入管67が接続され、所定の流量で希ガスにより構成されるエッチングガスを真空チャンバ1内に導入することができる。 A stage 65 is provided in the vacuum chamber 61 directly below the dielectric window 62 via an insulator 65a, and a substrate to be processed Sw has a bottom electrode film 3 and a piezoelectric film 4 formed on the surface of the substrate 2. can be retained. An output from a high frequency power source E2 is connected to the stage 2, and a bias potential can be applied to the substrate Sw. An exhaust pipe 66 leading to a vacuum pump (not shown) is connected to the vacuum chamber 1, and the inside of the vacuum chamber 61 can be evacuated to a predetermined pressure. The vacuum chamber 61 is also connected to a gas introduction pipe 67 that leads to each gas source via a flow control valve (for example, a mass flow controller) not shown, and supplies an etching gas composed of a rare gas to the vacuum chamber 1 at a predetermined flow rate. It can be introduced within.

圧電膜4が成膜されたものを被処理基板Swとして、被処理基板Swの圧電膜4をドライエッチング装置6によりドライエッチングする場合、被処理基板Swをステージ65上に設置し、真空ポンプの真空排気により真空チャンバ1内を真空排気する。真空チャンバ1内が所定圧力(例えば、10-5Pa)に達すると、ガス導入管67を介してエッチングガスを導入し、高周波電源E1からアンテナコイル63に高周波電力を投入すると共に、高周波電源E2からステージ65に高周波電力を投入する。エッチングガスとしては、アルゴンガスが用いられるが、ネオン、キセノンやクリプトンといった他の希ガスを利用することができる。真空チャンバ61内に導入するエッチングガスの流量は、10sccm~100sccm(一定の排気速度で真空排気される真空チャンバ61内の圧力が0.1Pa~5.0Paの範囲に維持される)。また、高周波電源E1からアンテナコイル63に投入する高周波電力としては、周波数が12.5MHz~13.56MHz、電力が400W~800Wに設定される。一方、高周波電源E2からステージ65に投入する高周波電力としては、周波数が12.5MHz~13.56MHz、電力が50W~400Wに設定される。 When dry etching the piezoelectric film 4 of the substrate Sw to be processed using the dry etching apparatus 6 using the substrate Sw to be processed having the piezoelectric film 4 formed thereon, the substrate Sw to be processed is placed on the stage 65 and the substrate to be processed Sw is turned on by the vacuum pump. The inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by vacuum evacuation. When the inside of the vacuum chamber 1 reaches a predetermined pressure (for example, 10 −5 Pa), etching gas is introduced through the gas introduction pipe 67, and high frequency power is supplied from the high frequency power source E1 to the antenna coil 63, and at the same time, the high frequency power source E2 is supplied with high frequency power to the antenna coil 63. High frequency power is supplied to the stage 65 from the stage 65. Argon gas is used as the etching gas, but other rare gases such as neon, xenon, and krypton can also be used. The flow rate of the etching gas introduced into the vacuum chamber 61 is 10 sccm to 100 sccm (the pressure inside the vacuum chamber 61, which is evacuated at a constant pumping speed, is maintained in the range of 0.1 Pa to 5.0 Pa). Furthermore, the frequency of the high frequency power input from the high frequency power source E1 to the antenna coil 63 is set to 12.5 MHz to 13.56 MHz, and the power is set to 400 W to 800 W. On the other hand, the high frequency power input from the high frequency power source E2 to the stage 65 is set to have a frequency of 12.5 MHz to 13.56 MHz and a power of 50 W to 400 W.

以上のエッチング条件により、圧電膜4に対するエッチングレートが、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチングレート、即ち、熱酸化シリコン膜のエッチングレート換算で10nm/min~100nm/minの範囲となる。他方で、圧電膜4に対するエッチング量は、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチング量が283nm~1089nmの範囲になるように、例えば、エッチング時間を適宜調整して設定される。熱酸化シリコン膜のエッチングレート換算で10nm/minより遅い場合、圧電膜4を効果的にエッチングできない一方で、100nm/minより速くなると、圧電膜4の表面がドライエッチングにより却って荒れてしまう。これにより、窒化アルミニウム膜の表面の平均高さ(Sa)は、0.4~0.8nmの範囲となる。また、アルゴンガスを導入したドライエッチング時の真空チャンバ61内の圧力は、0.1Pa~0.5Paの範囲に設定される。圧力が0.1Paより低い圧力では、Vdc電圧の上昇により圧電膜4へのイオン衝撃が増加し、圧電膜4の表面がドライエッチングにより却って荒れてしまう一方で、圧力が5.0Paより高くなると、エッチングレートが極端に遅くなってしまう。 With the above etching conditions, the etching rate for the piezoelectric film 4 is 10 nm/min to 100 nm/min in terms of the etching rate when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions, that is, the etching rate of the thermally oxidized silicon film. The range is . On the other hand, the etching amount for the piezoelectric film 4 is set, for example, by appropriately adjusting the etching time so that the etching amount when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions is in the range of 283 nm to 1089 nm. Ru. If the etching rate of the thermally oxidized silicon film is slower than 10 nm/min, the piezoelectric film 4 cannot be etched effectively, while if the etching rate is faster than 100 nm/min, the surface of the piezoelectric film 4 will become rough due to dry etching. As a result, the average height (Sa) of the surface of the aluminum nitride film is in the range of 0.4 to 0.8 nm. Further, the pressure inside the vacuum chamber 61 during dry etching with argon gas introduced is set in the range of 0.1 Pa to 0.5 Pa. When the pressure is lower than 0.1 Pa, the ion bombardment on the piezoelectric film 4 increases due to the increase in Vdc voltage, and the surface of the piezoelectric film 4 becomes rough due to dry etching, whereas when the pressure is higher than 5.0 Pa, , the etching rate becomes extremely slow.

以上によれば、表面に微細な凹凸がある圧電膜4に対して所定範囲のエッチングレート及びエッチング量でドライエッチングを施すと、電界集中により凸部が優先的にエッチングされ、圧電膜4の表面が平坦化される(即ち、圧電膜4の表面が、太い針状構造のタングステン膜(トップ電極膜5)を成膜することに好適な所定の算術平均高さを持つものにできる)。このように平担化された窒化アルミニウム膜の表面に、タングステン製のターゲットを用いたスパッタリング法によりタングステン膜を成膜すると、タングステン膜が前工程のないものと比較して太い針状構造となることで、比抵抗値の上昇が可及的に抑制される。その結果、BAWデバイス1のトップ電極膜5として、電気機械結合係数(k)が大きいなどの利点があるタングステン膜を用いても、比抵抗値の上昇が可及的に抑制され、比抵抗値の低い弾性波デバイスを製作することができる。 According to the above, when dry etching is performed on the piezoelectric film 4 having minute irregularities on the surface at a predetermined etching rate and etching amount, the convex portions are preferentially etched due to electric field concentration, and the surface of the piezoelectric film 4 is is flattened (that is, the surface of the piezoelectric film 4 can have a predetermined arithmetic mean height suitable for forming a tungsten film (top electrode film 5) having a thick needle-like structure). When a tungsten film is formed on the surface of the planarized aluminum nitride film by a sputtering method using a tungsten target, the tungsten film becomes a thicker needle-like structure compared to one without the previous process. This suppresses the increase in specific resistance value as much as possible. As a result, even if a tungsten film, which has advantages such as a large electromechanical coupling coefficient (k), is used as the top electrode film 5 of the BAW device 1, an increase in the specific resistance value is suppressed as much as possible, and the specific resistance value It is possible to fabricate an acoustic wave device with low

次に、本発明の効果を示す次の実験を行った。本実験では、被処理基板Swを、シリコン基板2表面にボトム電極膜3として350nmの膜厚でモリブデン膜を成膜し、モリブデン膜の表面に反応性スパッタリング法により825nmの膜厚で窒化アルミニウム膜を成膜したものとした。エッチング条件として、エッチングガスをアルゴンガスとし、また、高周波電源E1から投入する高周波電力を周波数13.6MHz、400W、高周波電源E2から投入する高周波電力を周波数12.5MHz、電力100Wに設定した。更に、ドライエッチング中、真空チャンバ61内の圧力が0.5Paに維持されるようにアルゴンガスの流量を設定した。このエッチング条件における窒化アルミニウムのエッチングレートは4.63nm/minであった。この場合、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングすると、エッチングレートは21.2nm/minであった。そして、ドライエッチング時間を517秒、800秒、1541秒、3082秒に夫々設定して窒化アルミニウム膜に対して室温にてドライエッチングを施した。つまり、窒化アルミニウムのエッチング量は40nm、61.7nm、119nm、238nmであり、熱酸化シリコン膜のエッチング量に換算すると183nm、283nm、545nm、1089nmであった。その後、公知のスパッタリング法により成膜し、窒化アルミニウム膜の表面にタングステン膜を70nmの膜厚で成膜した。 Next, the following experiment was conducted to demonstrate the effects of the present invention. In this experiment, a molybdenum film with a thickness of 350 nm was formed as a bottom electrode film 3 on the surface of a silicon substrate 2, and an aluminum nitride film with a thickness of 825 nm was formed on the surface of the molybdenum film by reactive sputtering. It was assumed that a film was formed. As etching conditions, the etching gas was argon gas, the high frequency power input from the high frequency power source E1 was set to a frequency of 13.6 MHz and 400 W, and the high frequency power input from the high frequency power source E2 was set to a frequency of 12.5 MHz and a power of 100 W. Furthermore, the flow rate of argon gas was set so that the pressure inside the vacuum chamber 61 was maintained at 0.5 Pa during dry etching. The etching rate of aluminum nitride under these etching conditions was 4.63 nm/min. In this case, when the thermally oxidized silicon film was dry etched under the same etching conditions, the etching rate was 21.2 nm/min. Then, dry etching was performed on the aluminum nitride film at room temperature by setting dry etching times to 517 seconds, 800 seconds, 1541 seconds, and 3082 seconds, respectively. That is, the etching amount of aluminum nitride was 40 nm, 61.7 nm, 119 nm, and 238 nm, and when converted into the etching amount of the thermal oxide silicon film, it was 183 nm, 283 nm, 545 nm, and 1089 nm. Thereafter, a tungsten film with a thickness of 70 nm was formed on the surface of the aluminum nitride film by a known sputtering method.

図4は、ドライエッチング時間に対するタングステン膜の比抵抗値の平均値の変化を示すグラフである。これによれば、窒化アルミニウム膜に対して全くドライエッチングを施していない場合、タングステン膜の比抵抗値は14.5μΩcmであった。それに対して、ドライエッチングを施すと、ドライエッチング時間が長くなるのに従い、比抵抗値が低くなり、約3000secの時間で窒化アルミニウム膜に対してドライエッチングを施した場合、タングステン膜の比抵抗値が約10μΩcmまで比抵抗値が低くなることが確認された。また、成膜後のタングステン膜の表面状態を原子間力顕微鏡(AFM)により観察すると、窒化アルミニウム膜に対してドライエッチングを全く施していないものは、単結晶のような膜質となり、針状構造で内部に空間を多く持つことが判る(図5(a)参照)。それに対して、約3000secの時間で窒化アルミニウム膜に対してドライエッチングを施した後に成膜したタングステン膜は、窒化アルミニウム膜の表面が平坦化されることで、ドライエッチングを全く施していないものと比較して太い針状構造となっていることが確認された。 FIG. 4 is a graph showing changes in the average specific resistance value of the tungsten film with respect to dry etching time. According to this, when no dry etching was performed on the aluminum nitride film, the specific resistance value of the tungsten film was 14.5 μΩcm. On the other hand, when dry etching is performed, as the dry etching time becomes longer, the specific resistance value decreases. It was confirmed that the specific resistance value decreased to about 10 μΩcm. Furthermore, when observing the surface condition of the tungsten film after it has been formed using an atomic force microscope (AFM), it is found that aluminum nitride films that have not been dry-etched at all have a single-crystal-like film quality, with an acicular structure. It can be seen that there is a lot of space inside (see Figure 5(a)). On the other hand, the tungsten film formed after dry etching the aluminum nitride film for about 3000 seconds flattens the surface of the aluminum nitride film, making it as if no dry etching had been performed at all. It was confirmed that it had a thick needle-like structure.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、成膜工程の前工程としてドライエッチング法によるものを例に説明したが、窒化アルミニウム膜の表面の算術平均高さ(Sa)が0.4nm~0.8nmの範囲となるように圧電膜4の表面を平坦化する前工程を実施できるものであれば、これに限定されるものではなく、エッチング液として、KOHなどを利用したウエットエッチングやCMPなどを利用することもできる。ウエットエッチングの場合、エッチングレートが10nm/min~100nm/minの範囲に設定される。 Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made without departing from the scope of the technical idea of the present invention. In the above embodiment, the dry etching method is used as a pre-process of the film forming process. The method is not limited to this, as long as it can perform a pre-process to planarize the surface of the piezoelectric film 4, and wet etching using KOH or the like as an etching solution, CMP, etc. can also be used. In the case of wet etching, the etching rate is set in a range of 10 nm/min to 100 nm/min.

Sw…被処理基板、1…BAWデバイス(弾性波デバイス)、2…シリコン基板、3…ボトム電極膜、4…圧電膜(窒化アルミニウム膜)、5…トップ電極膜(タングステン膜)。 Sw...substrate to be processed, 1...BAW device (acoustic wave device), 2...silicon substrate, 3...bottom electrode film, 4...piezoelectric film (aluminum nitride film), 5...top electrode film (tungsten film).

Claims (5)

表面に、窒化アルミニウムを主成分とする薄膜が形成されたものを被処理基板とし、真空雰囲気中で被処理基板表面にタングステン膜を所定膜厚で成膜する工程を含む成膜方法において、
窒化アルミニウム膜の表面を所定のエッチングレートでエッチングしてその表面を平坦化する前工程を更に含むことを特徴とする成膜方法。
In a film formation method including a step of forming a tungsten film to a predetermined thickness on the surface of the substrate to be processed in a vacuum atmosphere, using a substrate on which a thin film mainly composed of aluminum nitride is formed,
A film forming method further comprising a pre-step of etching the surface of the aluminum nitride film at a predetermined etching rate to planarize the surface.
前記前工程は、真空雰囲気中での希ガスのプラズマによるドライエッチングであり、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチング量が283nm~1089nmの範囲になるように、前記窒化アルミニウム膜表面のエッチング量が設定されることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。 The pre-process is dry etching using rare gas plasma in a vacuum atmosphere, and the nitriding process is performed so that the etching amount when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions is in the range of 283 nm to 1089 nm. 2. The film forming method according to claim 1, wherein the amount of etching on the surface of the aluminum film is set. 前記前工程は、真空雰囲気中での希ガスのプラズマによるドライエッチングであり、同等のエッチング条件で熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチングレートが10nm/min~100nm/minの範囲になるように、前記窒化アルミニウム膜に対するエッチング条件が設定されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の成膜方法。 The pre-process is dry etching using rare gas plasma in a vacuum atmosphere, and the etching rate is in the range of 10 nm/min to 100 nm/min when dry etching the thermally oxidized silicon film under the same etching conditions. 3. The film-forming method according to claim 1, wherein etching conditions for the aluminum nitride film are set in this manner. 基板に一方の面に圧電膜と電極膜とを有する弾性波デバイスにおいて、
圧電膜が、窒化アルミニウムを主成分とする薄膜であって、熱酸化シリコン膜をドライエッチングしたときのエッチングレートが10nm/min~100nm/minの範囲になるエッチング条件で希ガスのプラズマによるドライエッチングが施されてその表面が平坦化されたものであり、上部電極がタングステン膜で構成されることを特徴とする弾性波デバイス。
In an acoustic wave device having a piezoelectric film and an electrode film on one side of the substrate,
The piezoelectric film is a thin film mainly composed of aluminum nitride, and dry etching is performed using rare gas plasma under etching conditions such that the etching rate when dry etching the thermally oxidized silicon film is in the range of 10 nm/min to 100 nm/min. An acoustic wave device characterized in that the top electrode is made of a tungsten film.
前記窒化アルミニウム膜の表面の算術平均高さ(Sa)が1.0nm以下である請求項4記載の弾性波デバイス。



The acoustic wave device according to claim 4, wherein the arithmetic mean height (Sa) of the surface of the aluminum nitride film is 1.0 nm or less.



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