NL1023376C2

NL1023376C2 - Dunne laag en werkwijze voor het vervaardigen van een dunne laag.

Info

Publication number: NL1023376C2
Application number: NL1023376A
Authority: NL
Inventors: Marcel Hoekman; Rene Gerrit Heideman; Joseph Wilhelmus Mari Hoekstra
Original assignee: Lionix B V
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-15
Also published as: WO2004099864A3; WO2004099864A2

Description

Dunne laag en werkwijze voor het vervaardigen van een dunne laag

De uitvinding heeft betrekking op een dunne laag. De uitvinding betreft voorts een werkwijze voor het vervaardigen van een dunne laag. Met ‘dunne laag’ wordt hier en in het 5 navolgende bedoeld een op een ondergrond aangehrachte (bijvoorbeeld middels sputteren, opdampen of chemical vapour deposition) laag met een maximale dikte in de orde van honderd micrometer.

Bekend is dat de eigenschappen van een dunne laag onder andere afhangen van (uiteraard) 10 het type dunne-laag materiaal, van het type ondergrond (bijvoorbeeld chemische samenstelling en textuur), van de depositieparameters (bijvoorbeeld temperatuur en groeisnelheid), en mogelijk van externe parameters (bijvoorbeeld elektrisch veld en luchtvochtigheid). Met ‘eigenschappen’ wordt hier en in het navolgende bedoeld zowel morfologische eigenschappen (structuur, korrelgrootte en -vorm, kristalstructuur 15 enzovoorts) als ook fysische (elektrische, optische, mechanische, magnetische, piëzo-elektrische, elektro-optische enzovoorts) en/of chemische eigenschappen. Voorts is bekend dat een dunne laag in het algemeen niet homogeen is. Zo variëren de materiaaleigenschappen doorgaans in de dikterichling van de dunne laag, en met name de eigenschappen in de buurt van grensvlakken (bijvoorbeeld laaggrenzen of korrelgrenzen) 20 wijken in den regel af van de eigenschappen van de overige delen.

Indien slechts een deel van een dunne laag, bijvoorbeeld grensgebieden (= gebieden in de buurt van grensvlakken; met name laaggrensgebieden zoals de initiële laag of korrelgrensgebieden), een gewenste materiaaleigenschap vertoont, zal het overige deel van 25 de dunne laag min of meer nutteloos zijn. Indien voor een gewenst gedrag van de dunne laag als geheel een bepaald minimum volume met de gewenste materiaaleigenschap benodigd is, kan dat gedrag niet bereikt worden wanneer het gedeelte van de dunne laag met de gewenste materiaaleigenschap te klein is. Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een oplossing voor dit probleem.

30 De uitvinding verschaft daartoe een dunne laag volgens conclusie 1.

Van een dergelijke uit meerdere eerste sublagen opgebouwde dunne laag kan het werkzame volumedeel (dat wil zeggen het gedeelte met een bepaalde gewenste materiaaleigenschap) 102337« I groter zijn dan dat van een soortgelijke enkelvoudige dunne laag met een vergelijkbare I dikte.

I In een voorkeursuitvoering van een dunne laag volgens de uitvinding omvatten de eerste I sublagen elk ten minste een deel van een laaggrensgebied, zoals een initiële laag. Het I 5 volumedeel (van de dunne laag) met een gewenste eigenschap kan dan maximaal zijn. Bij I voorkeur bedraagt het aantal eerste sublagen minimaal drie, bij nadere voorkeur minimaal I zes. De dunne laag kan dan (ten opzichte van een initiële laag of andere laaggrensgebieden) I relatief dik zijn met een groot volumedeel met een gewenste materiaaleigenschap.

I Bij voorkeur bedraagt de dikte van de dunne laag maximaal 10 pm, bij nadere voorkeur 10 maximaal 1 pm. Dit zijn gangbare diktes voor, bijvoorbeeld middels sputteren, opdampen I of chemical vapour deposition aangebrachte, dunne lagen. De dikte van ten minste een deel I van de eerste sublagen bedraagt bij voorkeur maximaal 200 nm, bij nadere voorkeur 50 nm.

De dikte van initiële laag of andere laaggrensgebieden valt bij de meeste dunne lagen I binnen deze grenzen.

I 15 Ten minste een deel van de eerste sublagen kan in hoofdzaak zijn opgebouwd uit zinkoxide.

I Het eerst gedeponeerde deel of andere laaggrensgebieden van een zinkoxide dunne laag I kunnen onder de juiste voorwaarden een bepaalde gewenste materiaaleigenschap vertonen.

I Dit zal duidelijker worden in de navolgende toelichting aan de hand van de figuren.

I 20 Bij voorkeur omvat de dunne laag tevens een aantal tussen de eerste sublagen gelegen I tweede sublagen welke tweede sublagen dienen als substraatlagen voor ten minste een deel I van de eerste sublagen. Voor een dergelijke opbouw van de dunne laag, met afwisselend I eerste en tweede sublagen, kan worden gekozen indien bijvoorbeeld het initiële deel van I een op een tweede sublaag gegroeide laag een gewenste materiaaleigenschap vertoont. Dit I 25 zal duidelijker worden in de navolgende toelichting aan de hand van de figuren.

I De dikte van ten minste een deel van de tweede sublagen bedraagt bij voorkeur maximaal I 20 nm, bij nadere voorkeur maximaal 5 nm. Tweede sublagen met een dergelijke dikte voldoen als substraatlagen voor de eerste sublagen in de meeste toepassingen.

I Ten minste een deel van de tweede sublagen kan in hoofdzaak zijn opgebouwd uit I 30 siliciumoxide of sfiiciumnitride. Siliciumoxide en siliciumnitride worden veel gebruikt in I dunne-laag technologie en zijn geschikt als substraatlaag voor veel soorten eerste sublagen.

1 Π 9 9 3 7 « 3

Het gewenste gedrag kan bijvoorbeeld het elektro-optisch of piëzo-elektrisch gedrag van de dunne laag betreffen. Indien voor een gewenst elektro-optisch of piëzo-elektrisch gedrag van de dunne laag als geheel een bepaald minimum volume met een gewenste materiaaleigenschap is vereist, kan dat bijvoorbeeld met een stapeling van afwisselend 5 zinkoxide en siliciumoxide of sfliciumnitride sublagen worden bereikt.

Voorts verschaft de uitvinding een werkwijze volgens conclusie 13.

Aldus kan een dunne laag worden vervaardigd waarvan het werkzame volumedeel (dat wil zeggen het gedeelte met een bepaalde gewenste materiaaleigenschap) groter is dan dat van 10 een soortgelijke enkelvoudige dunne laag met een vergelijkbare dikte.

In een voorkeursuitvoering van een werkwijze volgens de uitvinding worden aan de eerste sublagen zodanige diktes gegeven dat de eerste sublagen elk ten minste een deel van een laaggrensgebied, zoals een initiële laag, omvatten. Zo kan een dunne laag worden vervaardigd waarvan het volumedeel met een gewenste eigenschap maximaal is. Bij 15 voorkeur worden minimaal drie, bij nadere voorkeur minimaal zes, eerste sublagen aangebracht. Zo kan een dunne laag worden vervaardigd welke (ten opzichte van een initiële laag of andere laaggrensgebieden) relatief dik is met een groot volumedeel met een gewenste materiaaleigenschap.

Bij voorkeur wordt aan de dunne laag een dikte van maximaal 10 μηο, bij nadere voorkeur 20 maximaal 1 pm, gegeven. Zoals gezegd, zijn dit zijn gangbare diktes voor, bijvoorbeeld middels sputteren, opdampen of chemical vapour deposition aangebrachte, dunne lagen. Bij voorkeur wordt aan ten minste een deel van de eerste sublagen een dikte van maximaal 200 nm, bij nadere voorkeur 50 nm, gegeven. Zoals gezegd, valt de dikte van initiële laag en andere laaggrensgebieden bij de meeste dunne lagen binnen deze grenzen.

25 Ten minste een deel van de eerste sublagen kan in hoofdzaak worden opgebouwd uit zinkoxide. Zoals gezegd, kunnen het eerst gedeponeerde deel of andere laaggrensgebieden van een zinkoxide dunne laag onder de juiste voorwaarden een bepaalde gewenste materiaaleigenschap vertonen, hetgeen duidelijker zal worden in de navolgende toelichting aan de hand van de figuren.

30

Bij voorkeur omvat de werkwijze teyens het tussen de eerste sublagen aanbrengen van een aantal tweede sublagen welke tweede sublagen dienen als substraat lagen voor ten minste een deel van de eerste sublagen. Zoals gezegd, kan voor een dergelijke opbouw van de 1023376 4 dunne laag, met afwisselend eerste en tweede sublagen, worden gekozen indien bijvoorbeeld alleen het eerst gedeponeerde deel van een op een tweede sublaag gegroeide laag een gewenste materiaaleigenschap vertoont.

De dikte van ten minste een deel van de tweede sublagen bedraagt bij voorkeur maximaal 5 20 nm, bij nadere voorkeur maximaal 5 im Zoals gezegd, voldoen tweede sublagen met een dergelijke dikte als substraatlagen voor de eerste sublagen in de meeste toepassingen. Daarbij kan ten minste een deel van de tweede sublagen in hoofdzaak worden opgebouwd uit siliciumoxide of siliciumnitride. Zoals gezegd, worden siliciumoxide en siliciumnitride veel gebruikt in dunne-laag technologie en zijn ze geschikt als substraatlaag voor veel 10 soorten eerste sublagen.

Het gewenste gedrag kan het elektro-optisch of het piëzo-elektrisch gedrag van de dunne laag betreffen. Zo kan een dunne laag worden vervaardigd welke als geheel een gewenst elektro-optisch of piëzo-elektrisch gedrag vertoont 15

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van twee niet-beperkende uitvoeringsvoorbeelden van een dunne laag volgens de uitvinding. Daartoe toont: - figuur la een doorsnede van eerste uitvoeringsvoorbeeld van een (gestapelde) dunne laag volgens de uitvinding met een gedeeltelijke uitvergroting; 20 - figuur lb een doorsnede van een eerste bekende vergelijkbare enkelvoudige dunne laag met een gedeeltelijke uitvergroting; - figuur 2a een doorsnede van tweede uitvoeringsvoorbeeld van een (gestapelde) dunne laag volgens de uitvinding met een gedeeltelijke uitvergroting, en - figuur 2b een doorsnede van een tweede bekende vergelijkbare enkelvoudige dunne 25 laag met twee gedeeltelijke uitvergrotingen.

Figuur la toont een op een ondergrond (14), bijvoorbeeld een silicium wafer, aangebrachte (bijvoorbeeld middels sputteren) stapeling van sublagen (12,13) die samen een piëzo-elektrisch actieve dunne laag (1) volgens de uitvinding vormen. De dunne laag (1) is 30 opgebouwd uit afwisselend eerste sublagen (12) van zinkoxide, van bijvoorbeeld 100 nm dik, en tweede sublagen (13) van bijvoorbeeld siliciumnitride, van bijvoorbeeld 5 nm dik. Ter vergelijking toont figuur lb een dunne laag (Γ) gegroeid op eenzelfde type ondergrond 1 ηοοο-»Λ_ 5 (14’) opgebouwd uh een enkelvoudige zinkoxide laag (12’) gegroeid op een siliciumnitride substraatlaag (13’).

Onder de gegeven omstandigheden kan het zinkoxide groeien als een laag (12’) van kristallijne korrels (15) waarbij de grootte van de korrels (15) vanaf de substraatlaag (13’) 5 toeneemt in de dikterichting van de laag (12’). Bekend is dat de korrels (15) gedepleteerde, piëzo-elektrisch actieve, korrelgrensgebieden (151) vertonen naast halfgeleidende, piëzo-elektrisch niet-werkzame, halfgeleidende kernen (151). In de initiële laag (10’) zijn de korrels (15) relatief klein en is de volumeverhouding tussen de werkzame korrelgrensgebieden (151) en de niet-werkzame kernen (152) groot, terwijl in het verder 10 van de substraatlaag (13’) gelegen deel (11’) van de laag (12’) deze volumeverhouding veel kleiner is.

In de gestapelde dunne laag (1) bestaan de eerste sublagen (12) elk uit een gedeelte van een initiële laag (10’). Het werkzame volumedeel is daarom in de gestapelde dunne laag (1) veel groter dan in de enkelvoudige dunne laag (Γ). Het piëzo-elektrisch gedrag van de 15 gestapelde dunne laag (1) zal derhalve veel sterker zijn dan dat van de enkelvoudige dunne laag (Γ) met vergelijkbare dikte en vergelijkbaar totaal volume.

Figuur 2a toont een op een ondergrond (24), bijvoorbeeld een silicium wafer, aangebrachte (bijvoorbeeld middels sputteren) stapeling van sublagen (22,23) die samen een elektro-20 optisch actieve dunne laag (2) volgens de uitvinding vormen. De dunne laag (2) is opgebouwd uit afwisselend eerste sublagen (22) van zinkoxide, van bijvoorbeeld 100 nm dik, en tweede sublagen (23) van bijvoorbeeld siliciumoxide, van bijvoorbeeld 5 nm dik. Ter vergelijking toont figuur 2b een dunne laag (2’) gegroeid op eenzelfde type ondergrond (24’) opgebouwd uit een enkelvoudige zinkoxide laag (22’) gegroeid op een siliciumoxide 25 substraatlaag (23’).

Onder de gegeven omstandigheden kan het zinkoxide groeien als kristallijne kolommen (25,25’) op een dunne initiële laag (20,20’). De kolommen (25,25’) kunnen weer gedepleteerde korrelgrensgebieden (251,251’) vertonen naast halfgeleidende kernen (252,252’).

30 Bij het aanleggen van een elektrische spanning over de dunne lagen (1,2) zullen accumulatie- respectievelijk depletielagen (211,213,211 ’,213’) ontstaan welke elektro-optisch werkzaam zijn. De volumeverhouding tussen de werkzame laaggrensgebieden (211,213,211’,213’) en de niet-werkzame laagdelen (212,212’) is in de enkelvoudige dunne 4 Λ O O O -> λ I laag (2s) veel kleiner dan in de gestapelde dunne laag (2). Het werkzame volumedeel is I daarom in de gestapelde dunne laag (2) veel groter dan in de enkelvoudige dunne laag (2’).

I Het elektro-optisch gedrag van de gestapelde dunne laag (2) zal derhalve veel sterker zijn I dan dat van de enkelvoudige dunne laag (2’) met vergelijkbare dikte en vergelijkbaar totaal I 5 volume.

I Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de gegeven I uitvoeringsvoorbeelden, maar dat ze alle stapelingen van lagen met een soortgelijk doel I betreft, waarbij uit meerdere sublagen een dunne laag wordt opgebouwd welke in haar I 10 geheel een bepaald gewenst gedrag vertoont welk gedrag niet haalbaar is met een I vergelijkbare enkelvoudige dunne laag omdat het gedeelte van de enkelvoudige dunne laag I met een gewenste materiaaleigenschap te klein is.

Claims

1. Dunne laag (1,2) omvattende meerdere soortgelijke eerste sublagen ¢12,22) welke eerste sublagen (12,22) zodanige diktes hebben dat een voldoende groot gedeelte van 5 elke sublaag (12,22) een gewenste materiaaleigenschap vertoont en de dunne laag (1,2) als geheel een gewenst gedrag vertoont welk gewenst gedrag niet haalbaar is met een vergelijkbare enkelvoudige dunne laag (l’,2’) omdat het gedeelte (10’,21Γ,213’) van de enkelvoudige dunne laag (l’,2’) met de gewenste materiaaleigenschap te klein is om dat gewenst gedrag te bereiken.

2. Dunne laag (1,2) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste sublagen (12,22) elk ten minste een deel van een laaggrensgebied (10’,211’,213’) omvatten.

3. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het aantal eerste sublagen (12,22) minimaal drie, bij voorkeur minimaal zes, bedraagt.

4. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de 15 dikte van de dunne laag (1,2) maximaal 10 pm, bij voorkeur maximaal 1 pm, bedraagt

5. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dikte van ten minste een deel van de eerste sublagen (12,22) maximaal 200 nm, bij voorkeur maximaal 50 nm, bedraagt.

6. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten 20 minste een deel van de eerste sublagen (12,22) in hoofdzaak is opgebouwd uit zinkoxide.

7. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dunne laag (1,2) tevens een aantal tussen de eerste sublagen (12,22) gelegen tweede sublagen ¢13,23) omvat welke tweede sublagen (13,23) dienen als substraatlagen voor 25 ten minste een deel van de eerste sublagen (12,22).

8. Dunne laag (1,2) volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de dikte van ten minste een deel van de tweede sublagen (13,23) maximaal 20 nm, bij voorkeur mflyimaal 5 nm, bedraagt.

9. Dunne laag (1,2) volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat ten minste een deel 30 van de tweede sublagen (13,23) in hoofdzaak is opgebouwd uit süichimoxide.

10. Dunne laag (1,2) volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat ten minste een deel van de tweede sublagen (13,23) in hoofdzaak is opgebouwd uit siliciumnitride. 1 023376

11. Dunne laag ¢1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het I gewenste gedrag het elektro-optisch gedrag van de dunne laag (1,2) betreft.

12. Dunne laag (1,2) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het I gewenste gedrag het piëzo-elektrisch gedrag van de dunne laag (1,2) betreft.

13. Werkwijze voor het vervaardigen van een dunne laag (1,2) welke werkwijze het I aanbrengen van meerdere soortgelijke eerste sublagen (12,22) omvat aan welke eerste sublagen (12,22) zodanige diktes worden gegeven dat een voldoende groot gedeelte van I elke sublaag (12,22) een gewenste materiaaleigenschap vertoont en de dunne laag (1,2) I 10 als geheel een gewenst gedrag vertoont welk gewenst gedrag niet haalbaar is met een vergelijkbare enkelvoudige dunne laag (l’,2’) omdat het gedeelte (10’;21Γ,213’) van I de enkelvoudige dunne laag (1\2’) met de gewenste materiaaleigenschap te klein is om I dat gewenst gedrag te bereiken.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat aan de sublagen (12,22) I 15 zodanige diktes worden gegeven dat de eerste sublagen (12,22) elk ten minste een deel I van een laaggrensgebied (10\211 ’,213’) omvatten.

15. Werkwijze volgens een der conclusies 13-14, met het kenmerk, dat minimaal drie, bij I voorkeur minimaal zes, eerste sublagen (12,22) worden aangebracht.

16. Werkwijze volgens een der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat aan de dunne laag 20 (1,2) een dikte van maximaal 10 jxm, bij voorkeur maximaal 1 pm, wordt gegeven.

17. Werkwijze volgens een der conclusies 13-16, met het kenmerk, dat aan ten minste een deel van de eerste sublagen (12,22) een dikte van maximaal 200 nm, bij voorkeur maximaal 50 nm, wordt gegeven.

18. Werkwijze volgens een der conclusies 13-17, met het kenmerk, dat ten minste een 25 deel van de eerste sublagen (12,22) in hoofdzaak wordt opgebouwd uit zinkoxide

19. Werkwijze volgens een der conclusies 13-18, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens omvat het tussen de eerste sublagen (12,22) aanbrengen van een aantal tweede I sublagen (13,23) welke tweede sublagen (13,23) dienen als substraatlagen voor ten minste een deel van de eerste sublagen (12,22).

20. Werkwijze volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat aan ten minste een deel van de tweede sublagen (13,23) een dikte van maximaal 20 nm, bij voorkeur maximaal 5 nm, wordt gegeven. I ΠΟΟΟ-7Λ-

21. Werkwijze volgens conclusie 19 of 20, met het kenmerk, dat, ten minste een deel van de tweede sublagen (13,14) in hoofdzaak wordt opgebouwd uit sflichnnoxicle.

22. Werkwijze volgens conclusie 19 of 20, met het kenmerk, dat, ten minste een deel van de tweede sublagen (13,14) in hoofdzaak wordt opgebouwd uit siliciumnitride.

23. Werkwijze volgens een der conclusies 13-22, met het kenmerk, dat het gewenste gedrag het elektro-optisch gedrag van de dunne laag (1,2) betreft.

24. Werkwijze volgens een der conclusies 13-23, met het kenmerk, dat het gewenste gedrag het piëzo-elektrisch gedrag van de dunne laag (1,2) betreft. t 023 3 7r