DE10017233B4 - Verfahren zum Deponieren einer Schicht und zur Herstellung eines akustischen Wellengerätes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht, wobei eine Modifikation ihrer kristallographischen Struktur durch den Einsatz von atomarem Wasserstoff durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht Titan oder eine Titanlegierung ist und die Modifikation die Verstärkung der <002> kristallographischen Orientierung des Titans oder der Legierung einschließt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht, wobei eine Modifikation ihrer kristallographischen Struktur durch den Einsatz von atomarem Wasserstoff durchgeführt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellengerätes, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3.
  • Es ist seit längerem bekannt, dass die Kornstruktur einer deponierten Schicht durch die Struktur der Schicht, auf welcher sie deponiert ist, beeinflusst werden kann. Diese Beziehung wurde im Zusammenhang mit Aluminiumschichten, die auf Titan deponiert waren, in der US 55 23 259 A und auf Titannitridschichten in der US 52 42 860 A diskutiert. Vielleicht die vollständigste und jüngste Veröffentlichung im Stand der Technik bezüglich der Kornstruktur von Metalleitern auf Barriereschichten, und wie eine bevorzugte Kornstruktur erreicht werden kann, ist in der WO 99/10921 A1 enthalten. Es gibt jedoch keinen Hinweis im Stand der Technik hinsichtlich der Beziehung zwischen der Struktur von metallischen deponierten Schichten und isolierenden Schichten, auf welchen sie aufliegen. Darüber hinaus gibt der Stand der Technik keinen Hinweis, wie solch eine isolierende Schicht behandelt werden kann, um die deponierte Schichtstruktur für diesen Zweck zu verbessern.
  • Aus der DE 1 690 276 B ist ein Kathodenzerstäubungsverfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf einem Halbleitersubstrat bekannt. Ein Gasgemisch wird in eine Prozesskammer eingeleitet und besteht im Wesentlichen aus einem Edelgas, wie beispielsweise Argon, Krypton oder Xenon, mit einem geringen Anteil Wasserstoff. Durch den Wasserstoff wird eine reduzierende Atmosphäre geschaffen, welche im Wesentlichen die Bildung von unerwünschten Oxiden auf den verschiedenen Oberflächen ausschaltet.
  • Zusätzlich zu diesen Zusammensetzungen betrifft eine andere Technologie, bei welcher dies von Bedeutung ist, die Herstellung von akustischen Wellengeräten, wobei die Orientierung der piezoelektrischen Schicht für die Leistungsfähigkeit dieses Gerätes signifikant sein kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Deponieren einer Metallschicht oder Schichten auf der exponierten Oberfläche, beispielsweise einer zuvor deponierten isolierenden Schicht, auf einem Substrat mit einer Behandlung der exponierten Oberfläche mit Wasserstoff oder einer gasförmigen Wasserstoffquelle in der Anwesenheit eines Plasmas vor der Ablagerung der metallischen Schicht oder der Schichten zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellengerätes mit den in Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die metallische Schicht Titan oder eine Titanlegierung ist und die Modifikation die Verstärkung der <002> kristallographischen Orientierung des Titans oder der Legierung einschließt. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines akustischen Wellengerätes der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass man eine metallische Schicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht deponiert.
  • Dies hat den überraschenden Vorteil, dass die Exposition gegenüber Wasserstoff die Struktur mindestens der exponierten Oberfläche der isolierenden Schicht dahingehend ändert, dass die Orientierung einer metallischen Schicht und insbesondere einer piezoelektrischen Schicht, die anschließend auf dem Substrat abgelagert wird, verbessert wird. Dies kann daran liegen, dass Wasserstoff in die exponierte Oberfläche implantiert wird, oder daran, dass der Wasserstoff die exponierte Oberfläche beispielsweise durch Ätzen modifiziert, oder eine Kombination der beiden Vorgänge.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Deponieren einer metallischen Schicht wird die metallische Schicht durch Sputtern deponiert und molekularer Wasserstoff zu dem metallischen Sputterverfahren beigegeben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert.
  • Das Ausmaß der Wasserstoffbehandlung ist beispielsweise derart, dass das volle Halbwellenmaximum (FWHM) der oszillierenden Kurve auf einer vorbestimmten kristallographischen Ebene einer deponierten Schicht geringer ist als 2,5°.
  • Das Plasma kann ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, wobei in diesem Fall das Substrat auf einer hochfrequenzvorgespannten Platte platziert wird, die erhitzt sein kann. Alternativ ist das Plasmaverfahren ein reaktives Ionenätzen. In dem ersten Fall liegt die Verfahrenszeit für die Wasserstoffbehandlung zwischen 35 und 24 Minuten, und im zweiten Fall beträgt die Behandlungsperiode mehr als 5 Minuten und weniger als 15 Minuten.
  • Typischerweise ist das Substrat ein Halbleiter, wie etwa Silizium. Die isolierende Schicht kann Siliziumdioxid sein. Dort, wo das Verfahren in der Form eines akustischen Wellengerätes zum Einsatz kommt, verlangt man vorzugsweise von der deponierten Schicht, dass sie eine schmale Röntgenstrahlungsbeugungsspitzenhalbbreite besitzt auf (002), so dass sie als piezoelektrischer dünner Film wirkt. Diese abgelagerte Schicht ist beispielsweise Aluminiumnitrid. Das Aluminiumnitrid wird beispielsweise bei einer Temperatur unterhalb von 500°C abgelagert.
  • Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die FWHM-Oszillationskurve einer Beugungsspitze eine gute Anzeige für das Ausmaß der Orientierung ist. Diese Oszillationskurve wird erhalten, indem man eine Probe in einem Röntgenstrahl, der auf die zu inspizierende Oberfläche gerichtet ist, rotiert. Ein spezieller Winkel der Kurve erzeugt eine Reflektionsspitze und durch die Oszillation der Probe um diese Spitze ist es möglich, den Oszillationswinkel zu bestimmen, der erforderlich ist, um die Probe von der Hälfte der maximalen Intensität auf einer Seite der Spitze zum entsprechenden Punkt auf der anderen Seite der Spitze zu bewegen. Dieser Winkel wird als FWHM-Messung bezeichnet, und je enger der Winkel ist, umso besser ist die Struktur geordnet.
  • Bei einem Experiment wurde Aluminiumnitrid auf einer Unterschicht von Aluminium (welches eine Elektrode bildet) abgelagert, welche auf einer Titanadhäsionsschicht auf einer isolierenden Schicht aus Siliziumdioxid abgelagert wurde. Die FWHM Oszillationskurve der Aluminiumnitridmessung ergab sich zu (002).
  • Die experimentellen Ergebnisse waren wie folgt: Verfahren
    Charakteristik Standard Verfahren 1 Verfahren 2
    Verfahrensweise hochfrequenzvorgespanntes induktiv gekoppeltes Plasma ICP hochfrequenzvorgespanntes induktiv gekoppeltes Plasma ICP reaktives Ionenätzen RIE
    induktive Spulenleistung 350 W 350 W
    Substratplattenleistung 400 W 110 W 600 W
    Plattentemperatur 150°C 400°C 400°C
    Verfahrensgas 30 scm3 Ar 50 scm3 H2 300 scm3 H2
    Verfahrenszeit 32 Sekunden 30 Minuten 10 Minuten
    FWHM-Oszillationskurve (002) Aluminiumnitridspitze 5,5 2,4 2,2
  • Alle Verfahren hier sind Sputterätzen.
  • ”ICP” bedeutet induktiv gekoppeltes Plasma mit einem Hochfrequenzspannungsanschluss hauptsächlich induktiv gekoppelt an ein Plasma und einem Hochfrequenzspannungsanschluss, angeschlossen an die Substratplatte.
  • ”RIE” wird hier verwendet im Industriestandardeinsatz, was bedeutet, dass die Verfahrensleistung hauptsächlich oder exklusiv an den Substrathalter angelegt wird. Jedes ”reaktive” Element hinsichtlich des Ätzens ist insignifikant bei den berichteten experimentellen Verfahren, da Siliziumdioxid insignifikant reaktiv mit Wasserstoff ist. Das hauptsächliche Ätzverfahren ist Sputtern und aufgrund der geringen Masse der Wasserstoffionen geht das Ätzen langsam vor sich.
  • Das Standardverfahren ist ein sehr kurzes Argonätzen, welches im Allgemeinen eingesetzt wird, um die Oberfläche eines Substrates vor der Ablagerung zu reinigen.
  • Obwohl, wie zuvor erwähnt, das Ätzen ein Teil dessen ist, was mit der Oberfläche geschieht, ist herauszustellen, dass das Ätzausmaß des Siliziumdioxids unter Einsatz von Wasserstoff beträchtlich geringer ist als bei Argon (2,1 nm/min (~21 Å/min) beim ”RIE”-Verfahren, 0,6 nm/min (6 Åmin) beim ICP-Verfahren, verglichen mit 45–65 nm/min (450–650 Å/min) beim ”Standard”-Verfahren).
  • Im Lichte dieser Betrachtungen wird es als wahrscheinlicher angesehen, dass Wasserstoff in die Oberfläche des Substrats unter Verbesserung der Kornstruktur dieser Oberfläche implantiert wird, oder es kann sein, dass der Wasserstoff in der Oberfläche vorteilhafte Bedingungen für die Kornorientierung der nachfolgend deponierten Schicht erzeugt. Dieses Verfahren ist, obwohl es die Herstellung von gesamt akustischen Wellengeräten ermöglicht, trotz der langen Verfahrenszeiten kommerziell durchführbar. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass ein 80 μm Titanfilm, der auf eine Siliziumscheibe in einem cryogenisch gepumpten Vakuumsystem aufgesputtert wurde, welches für einen langen Zeitraum leer stand (etwa 10 Stunden oder mehr) ein Ti<002>:<011> XRD-Verhältnis ergibt, welches hoch ist (> 10:1). Ein Vakuum würde unter solchen Bedingungen aufgrund der hinlänglich bekannten Unfähigkeit von cryogenen Pumpen Wasserstoff gut zu pumpen einen hohen Wasserstoffgehalt besitzen.
  • Die erste oder nachfolgende metallische Schicht eines vielschichtigen Aufbaues werden mit atomarem Wasserstoff typischerweise in einem Plasma behandelt. Dieses könnte am bequemsten gleichzeitig mit einem metallischen Sputterverfahren, z. B. Titan, Titannitrid, Titanoxid, Wolfram, Wolframnitrid, Tantal, Tantalnitrid, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Aluminiumnitrid ausgeführt werden.
  • Das Sputterverfahren erfordert ein Plasma zur Erzeugung der für das Verfahren erforderlichen Argonionen aus dem Argongas, welches der Vakuumprozesskammer zugeführt wird. Wasserstoffbeigaben in gesteuerten kleinen Mengen würden durch die elektrischen Felder, die innerhalb des Vakuumbehälters anwesend sind, ionisiert werden (oder könnten zuvor ionisiert werden). Somit würde atomarer Wasserstoff innerhalb mindestens der Oberfläche auf dem gesputterten Film inkorporiert, wodurch dessen kristallographische Struktur bevorzugt modifiziert wird.
  • Diese strukturelle Modifikation mindestens der Oberfläche ermöglicht einen höheren Anteil einer bevorzugten Kristallorientierung bei einem nachfolgend abgelagerten Metallleiter. Somit könnte eine Schicht einer metallischen Barrierestruktur, die zwischen einer isolierenden Schicht und einer leitenden Schicht liegt, kristallographisch durch den Einsatz dieser Wasserstoffbehandlung modifiziert werden, was bewirkt, dass weiter hierauf abgelagerte Schichten eine bevorzugte Struktur besitzen. Zusätzlich oder alternativ könnten die Schichten, die diese bevorzugte Kristallographie erfordern, selbst in der Anwesenheit von Wasserstoff gesputtert oder anschließend mit atomarem Wasserstoff behandelt werden. Dieser bevorzugte Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, dass er verbesserte funktionale Fähigkeiten aufgrund seiner regelmäßigen geordneten Kristallographie besitzt, d. h. einer reduzierten Empfänglichkeit gegenüber Elektromigration und ist häufig gekennzeichnet durch einen höheren Anteil an <111> Kristallorientierung.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht, wobei eine Modifikation ihrer kristallographischen Struktur durch den Einsatz von atomarem Wasserstoff durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht Titan oder eine Titanlegierung ist und die Modifikation die Verstärkung der <002> kristallographischen Orientierung des Titans oder der Legierung einschließt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht durch Sputtern deponiert wird und molekularer Wasserstoff zu dem metallischen Sputterverfahren beigegeben wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellengerätes, dadurch gekennzeichnet, dass man eine metallische Schicht gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche deponiert.
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