WO2002009131A2 - Halbleiterbauelement mit einer piezo- oder pyroelektrischen schicht und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einer piezo- oder pyroelektrischen schicht und dessen herstellungsverfahren Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component with a layer sequence for converting acoustic or thermal signals and electrical voltage changes into one another, and to a method for its production.
  • Such a semiconductor device typically has a lower electrode, an upper electrode and an interposed layer which is piezoelectric in the event that acoustic vibrations are generated or detected and is pyroelectric in the event that thermal signals are generated or detected ,
  • a distinctive texture of the crystal structure of the layer is sought in order to achieve the highest possible piezoelectric or pyroelectric coupling coefficient. The larger this coupling coefficient, the more pronounced are the measurable electrical voltage changes for a given acoustic or thermal signal.
  • a semiconductor device in which acoustic vibrations are generated by the piezoelectric effect by applying a voltage change is e.g. in Dubois et al, "Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications", Appl. Phys.
  • a layer sequence through which the acoustic vibrations are generated consists of a lower and an upper electrode and a piezoelectric layer made of AlN arranged between them.
  • a piezoelectric layer made of AlN arranged between them.
  • the invention is based on the object of specifying a semiconductor component with a layer sequence for converting acoustic or thermal signals and electrical voltage changes into one another, the piezoelectric or pyroelectric layer of which has an improved texture compared to the prior art. Furthermore, a method for producing such a semiconductor component is to be specified.
  • the object is achieved by a semiconductor component with a layer sequence for converting acoustic or thermal signals and electrical voltage changes into one another, the layer sequence having a lower electrode, an upper electrode and an intermediate layer which is piezoelectric or pyroelectric, with between the lower
  • An auxiliary layer is arranged in the electrode and the layer, which serves for a homogeneously oriented growth of the layer in the production process, the auxiliary layer essentially consisting of amorphous silicon, amorphous silicon oxide or amorphous silicon nitride.
  • the object is achieved by a method for producing a semiconductor component with a layer sequence for converting acoustic or thermal signals and electrical voltage changes into one another, in which, as part of the layer sequence, a lower electrode, an auxiliary layer above, a layer above it, which is piezoelectric or is pyroelectric, and above it an upper electrode is produced, the auxiliary layer being produced in such a way that it promotes homogeneous growth of the layer.
  • the auxiliary layer preferably consists essentially of amorphous silicon, amorphous silicon oxide or amorphous silicon nitride. It has been shown that due to the auxiliary layer, in particular from essentially amorphous silicon, amorphous silicon oxide or amorphous silicon nitride, a significantly better texture of the piezoelectric or pyroelectric layer is achieved.
  • the underlying physical effect is that the auxiliary layer according to the invention forms a chemically strictly defined surface, so that the growth of the piezoelectric or pyroelectric layer begins on all areas of the auxiliary layer with the same element. This surface ensures that the crystallites of the layer accumulate in a defined polarization.
  • the surface of the auxiliary layer can be passivated.
  • the auxiliary layer on the surface can be oxidized to a thickness of approximately 1 to 2 nm.
  • the auxiliary layer can be nitrided, for example.
  • the auxiliary layer can remain as a full-surface layer on semiconductor wafers without short circuits between the electrodes.
  • the auxiliary layer also acts as a diffusion barrier for impurities that diffuse out of layers below the lower electrode during the deposition of the layer. This property of the auxiliary layer is particularly advantageous, since it has been shown that even the smallest impurities due to oxygen or hydrogen seriously disturb the growth of the piezo or pyroelectric layer.
  • the production method of a semiconductor component according to the invention is particularly simple to carry out, since in particular a deposition of amorphous silicon, amorphous silicon oxide or amorphous silicon nitride is compatible with CMOS production.
  • the layer consists essentially of A1N, for example. However, other piezoelectric or pyroelectric materials are also suitable.
  • the thickness of the layer determines the frequency of the acoustic vibrations. If the semiconductor component is, for example, a resonator at 2 GHz, the thickness of the layer is approximately 2 m.
  • the lower electrode and / or the upper electrode consist for example essentially or partially of tungsten, molybdenum, platinum or an aluminum alloy, or of a combination of these metals.
  • the roughness of the surface also has a significant influence on the quality of the texture of the layer.
  • Crystal growth occurs locally perpendicular to the surface. Crystallites initially grow on rough surfaces with large changes in direction until they block each other in growth and only the essentially vertically oriented crystallites remain capable of growth.
  • the thickness of that part of the layer in which this selection process takes place is strongly dependent on the roughness of the surface. Since this portion of the layer has poor piezo or pyroelectric properties, the coupling coefficient of the layer deteriorates significantly on a rough surface.
  • the lower electrode In order to reduce the roughness of the surface, it is advantageous to produce the lower electrode by depositing a suitable material and then smoothing it by chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • This process step is particularly advantageous if the lower electrode is produced by depositing tungsten in a CVD process, since such an electrode has a particularly high roughness without smoothing. Since chemical mechanical polishing is only used for smoothing, A short CMP step is sufficient in which only 10 to 100 nm are removed.
  • the auxiliary layer can be applied by sputtering. This step can be carried out in situ or ex situ. In the first case, the layer is applied immediately after sputtering. In the second case, the auxiliary layer is exposed to the atmosphere before the layer is applied.
  • the semiconductor component can, for example, as a bulk
  • the layer sequence is arranged on a carrier which is designed such that it reflects acoustic vibrations generated by the layer sequence.
  • the carrier consists of a number of layers arranged one above the other, which alternately have a high and a low acoustic impedance.
  • the thickness of the auxiliary layer is preferably as small as possible so that reflection conditions of the support are met as well as possible.
  • the thickness of the auxiliary layer is between 5 nm and 50 nm.
  • the semiconductor component can also be configured as a surface wave resonator or thin-film resonator.
  • the figure shows a cross section through a bulk acoustic wave resonator with a layer sequence consisting of a lower electrode, an auxiliary layer, a layer and an upper electrode and a carrier.
  • a carrier T is produced starting from a substrate 1 made of silicon by a sequence of Layers Sl, S2 is deposited, which alternately have a high acoustic impedance and a low acoustic impedance.
  • the layers S1 with the high acoustic impedance consist of tungsten and are approximately 850 nm thick.
  • the layers S2 with the low acoustic impedance consist of SiO 2 and are approximately 750 nm thick.
  • a layer sequence is generated on the carrier T.
  • tungsten is first deposited in a thickness of approximately 400 nm to form a lower electrode.
  • the lower electrode U is then smoothed by chemical mechanical polishing, with tungsten being removed to a thickness of approximately 60 nm.
  • a 20 nm thick auxiliary layer H is produced on the lower electrode U by sputtering amorphous silicon.
  • a piezoelectric layer S is then produced by depositing AlN in a thickness of approximately 2 ⁇ m.
  • Aluminum is deposited in a thickness of approx. 400 nm to produce an upper electrode.
  • the component produced is a bulk acoustic wave resonator.
  • the carrier T acts as a Bragg reflector, which reflects acoustic waves generated by the layer sequence.
  • the thicknesses of the layers S1, S2 are designed so that at the operating frequency of the bulk acoustic wave
  • Resonators ⁇ correspond to the acoustic wavelength in the respective material.

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Abstract

Die Schichtenfolge weist eine untere Elektrode (U), eine obere Elektrode (O) und eine dazwischen angeordnete Schicht (S) auf, die piezoelektrisch oder pyroelektrisch ist. Zwischen der unteren Elektrode (U) und der Schicht (S) ist eine Hilfsschicht (H) angeordnet, die einem homogen orientierten Aufwachsen der Schicht (S) beim Herstellungsverfahren dient. Die Hilfsschicht (H) besteht bevorzugt im wesentlichen aus amorphem Silizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid.

Description

Beschreibung
Halbleiterbauelement mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elek- trischen Spannungsänderungen und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Ein solches Halbleiterbauelement weist typischerweise eine untere Elektrode, eine obere Elektrode und eine dazwischen angeordnete Schicht auf, die für den Fall, daß akustische Schwingungen erzeugt oder nachgewiesen werden, piezoelektrisch ist, und für den Fall, daß thermische Signale erzeugt oder nachgewiesen werden, pyroelektrisch ist. In beiden Fällen wird eine ausgeprägte Textur der Kristallstruktur der Schicht angestrebt, um einen möglichst hohen piezoelektrischen bzw. pyroelektrischen Koppelkoeffizienten zu erzielen. Je größer dieser Koppelkoeffizient ist, um so ausgeprägter sind die meßbaren elektrischen Spannungsänderungen bei einem vorgegebenen akustischen bzw. thermischen Signal.
Ein Halbleiterbauelement, bei dem durch Anlegen elektrischer Spannungsänderung akustische Schwingungen durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt werden, ist z.B. in Dubois et al, „Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications" , Appl . Phys .
Lett. Vol. 74, No.20, S.3032-3034 beschrieben. Eine Schichtenfolge, durch die die akustischen Schwingungen erzeugt werden, besteht aus einer unteren und oberen Elektrode und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht aus AlN. Zur Verbesserung der Textur wird vorgeschlagen, die untere Elektrode aus Platin zu erzeugen. Durch Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht auf Platin wird eine bessere Textur der Schicht erzielt, da Platin und AlN ähnliche Kristalleigenschaften aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbau- element mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen anzugeben, deren piezoelektrische oder pyro- elektrische Schicht im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Textur aufweist . Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterbauelement mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen, wobei die Schichtenfolge eine untere Elektrode, eine obere Elektrode und eine dazwischen angeordnete Schicht, die piezoelektrisch oder pyroelektrisch ist, aufweist, wobei zwischen der unteren Elektrode und der Schicht eine Hilfsschicht angeordnet ist, die einem homogen orientierten Aufwachsen der Schicht beim Herstellungsverfahren dient, wobei die Hilfsschicht im wesentlichen aus amorphem Silizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid besteht.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen, bei dem als Teil der Schichtenfolge eine untere Elektrode, darüber eine Hilfs- schicht, darüber eine Schicht, die piezoelektrisch oder pyroelektrisch ist, und darüber eine obere Elektrode erzeugt werden, wobei die Hilfsschicht derart erzeugt wird, daß sie ein homogenes Aufwachsen der Schicht fördert .
Bevorzugt besteht die Hilfsschicht im wesentlichen aus amorphem Silizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid. Es hat sich gezeigt, daß aufgrund der Hilfsschicht, insbesondere aus im wesentlichen amorphem Silizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid, eine wesentlich bessere Textur der piezoelektrischen oder pyroelektrischen Schicht erzielt wird. Der zugrundeliegende physikalische Ef- fekt besteht darin, daß die erfindungsgemäße Hilfsschicht eine chemisch streng definierte Oberfläche bildet, so daß auf sämtlichen Bereichen der Hilfsschicht das Wachstum der piezoelektrischen oder pyroelektrischen Schicht mit dem selben Element beginnt. Durch diese Oberfläche wird sichergestellt, daß sich die Kristallite der Schicht in definierte Polarisation anlagern.
Die Oberfläche der Hilfsschicht kann passiviert sein. Beispielsweise kann die Hilfsschicht an der Oberfläche in einer Dicke von ca. 1 bis 2 nm oxidiert sein. Alternativ kann die Hilfsschicht beispielsweise nitridiert sein.
Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Hilfsschicht ist es nicht erforderlich, die Hilfsschicht zu struk- turieren. Die Hilfsschicht kann als ganzflächige Schicht auf Halbleiterscheiben verbleiben, ohne daß es zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden kommt.
Die Hilfsschicht wirkt ferner als Diffusionsbarriere für Ver- unreinigungen, die aus Schichten unterhalb der unteren Elektrode während der Abscheidung der Schicht herausdiffundieren. Diese Eigenschaft der Hilfsschicht ist besonders vorteilhaft, da es sich gezeigt hat, daß bereits kleinste Verunreinigungen durch Sauerstoff oder Wasserstoff das Wachstum der piezo- bzw. pyroelektrischen Schicht empfindlich stören.
Das Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist besonders einfach durchführbar, da insbesondere eine Abscheidung von amorphem Silizium, amorphem Silizi- umoxid oder amorphem Siliziumnitrid kompatibel zur CMOS- Fertigung ist. Die Schicht besteht beispielsweise im wesentlichen aus A1N. Es sind jedoch auch andere piezoelektrische oder pyroelektri- sche Materialien geeignet.
Bei Halbleiterbauelementen, durch die akustische Schwingungen erzeugt oder nachgewiesen werden, bestimmt die Dicke der Schicht die Frequenz der akustischen Schwingungen. Ist das Halbleiterbauelement beispielsweise ein Resonator bei 2 GHz, so beträgt die Dicke der Schicht etwa 2 m.
Die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode bestehen beispielsweise im wesentlichen oder teilweise aus Wolfram, Molybdän, Platin oder einer Aluminiumlegierung, oder aus einer Kombination dieser Metalle.
Es hat sich gezeigt, daß neben der chemischen Stabilität der Oberfläche, auf der die Schicht abgeschieden wird, auch die Rauheit der Oberfläche die Qualität der Textur der Schicht wesentlich beeinflußt. Das Kristallwachstum erfolgt lokal senkrecht zur Oberfläche. Auf rauhen Oberflächen wachsen Kri- stallite zunächst mit großen Richtungsschwankungen, bis sie sich gegenseitig im Wachstum blockieren und nur die im wesentlichen senkrecht gerichteten Kristallite weiterhin wachstumsfähig bleiben. Die Dicke jenes Teils der Schicht, in dem dieser Selektionsprozeß erfolgt, ist stark von der Rauheit der Oberfläche abhängig. Da dieser Anteil der Schicht schlechte piezo- bzw. pyroelektrische Eigenschaf en aufweist, verschlechtert sich der Koppelkoeffizient der Schicht auf einer rauhen Oberfläche deutlich. Um die Rauheit der Oberfläche zu reduzieren, ist es vorteilhaft, die untere Elektrode zu erzeugen, indem ein geeignetes Material abgeschieden und anschließend durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) geglättet wird. Dieser Prozeßschritt ist besonders vorteilhaft, wenn die untere Elektrode durch Abscheiden von Wolfram in ei- nem CVD-Verfahren erzeugt wird, da eine solche Elektrode ohne Glätten eine besonders hohe Rauheit aufweist. Da das chemisch-mechanische Polieren nur zum Glätten verwendet wird, genügt bereits ein kurzer CMP-Schritt, bei dem lediglich 10 bis 100 nm abgetragen werden.
Die Hilfsschicht kann durch Sputtern aufgebracht werden. Die- ser Schritt kann insitu oder exsitu durchgeführt werden. Im ersten Fall wird die Schicht gleich nach dem Sputtern aufgebracht. Im zweiten Fall wird die Hilfsschicht vor dem Aufbringen der Schicht der Atmosphäre ausgesetzt .
Das Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Bulk-
Acoustic-Wave Resonator oder als Filter mit einem solchen Bulk-Acoustic-Wave Resonator ausgestaltet sein. Dazu ist die Schichtenfolge auf einem Träger angeordnet, der so ausgestaltet ist, daß er durch die Schichtenfolge erzeugte akustische Schwingungen reflektiert. Beispielsweise besteht der Träger aus einer Anzahl von übereinander angeordneten Schichten, die alternierend eine hohe und eine niedrige akustische Impedanz aufweisen.
Die Dicke der Hilfsschicht ist vorzugsweise so gering wie möglich, damit Reflexionsbedingungen des Träger möglichst gut erfüllt werden. Beispielsweise beträgt die Dicke der Hilfsschicht zwischen 5 nm und 50 nm.
Das Halbleiterbauelement kann auch als Oberflächenwellen- Resonator oder Dünnschicht-Resonator ausgestaltet sein.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert .
Die Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Bulk-Acoustic- Wave-Resonator mit einer Schichtenfolge bestehend aus einer unteren Elektrode, einer Hilfsschicht, einer Schicht und einer oberen Elektrode und aus einem Träger .
Im Ausführungsbeispiel wird ausgehend von einem Substrat 1 aus Silizium ein Träger T erzeugt, indem eine Folge von Schichten Sl, S2 abgeschieden wird, die abwechselnd eine hohe akustische Impedanz und eine niedrige akustische Impedanz aufweisen. Die Schichten Sl mit der hohen akustischen Impedanz bestehen aus Wolfram und sind ca. 850nm dick. Die Schichten S2 mit der niedrigen akustischen Impedanz bestehen aus Siθ2 und sind ca. 750nm dick.
Auf dem Träger T wird eine Schichtenfolge erzeugt . Dazu wird zunächst zur Bildung einer unteren Elektrode U Wolfram in ei- ner Dicke von ca. 400nm abgeschieden. Anschließend wird die untere Elektrode U durch chemisch-mechanisches Polieren geglättet, wobei Wolfram bis zu einer Dicke von ca. 60nm abgetragen wird. Auf der unteren Elektrode U wird eine ca. 20nm dicke Hilfsschicht H erzeugt, indem amorphes Silizium gesput- tert wird. Ohne das Substrat 1 zu belüften, wird anschließend eine piezoelektrische Schicht S erzeugt, indem AlN in einer Dicke von ca. 2μm abgeschieden wird. Darüber wird zur Erzeugung einer oberen Elektrode O Aluminium in einer Dicke von ca. 400nm abgeschieden.
Das erzeugte Bauelement ist ein Bulk-Acoustic-Wave-Resonator. Der Träger T wirkt als Bragg-Reflektor, der akustische Wellen, die durch die Schichtenfolge erzeugt werden, reflektiert. Die Dicken der Schichten Sl, S2 sind so ausgelegt, daß sie bei der Betriebsfrequenz des Bulk-Acoustic-Wave-
Resonators Ä der akustischen Wellenlänge im jeweiligen Material entsprechen.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen,
- wobei die Schichtenfolge eine untere Elektrode (U) , eine obere Elektrode (O) und eine dazwischen angeordnete Schicht (S) , die piezoelektrisch oder pyroelektrisch ist, aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß - zwischen der unteren Elektrode (U) und der Schicht (S) eine Hilfsschicht (H) angeordnet ist, die einem homogen orientierten Aufwachsen der Schicht (S) beim Herstellungsverfahren dient .
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Hilfsschicht (H) im wesentlichen aus amorphem Silizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid besteht .
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schicht (S) im wesentlichen aus AlN besteht.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , bei dem die untere Elektrode (U) und die obere Elektrode (O) im wesentlichen aus Wolfram, Molybdän, Platin, einer Aluminiumlegierung oder einer Kombination dieser Metalle bestehen.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , bei dem die Dicke der Hilfsschicht (H) zwischen 5nm und 50nm beträgt.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das als Bulk-Acoustic-Wave Resonator oder als Filter ausgestaltet ist, wobei die Schichtenfolge auf einem Träger (T) angeordnet ist, der so ausgestaltet ist, daß er durch die
Schichtenfolge erzeugte akustische Schwingungen reflektiert.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die untere Elektrode (U) an einer Oberfläche, die an die Hilfsschicht (H) angrenzt, poliert ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen, bei dem als Teile der Schichtenfolge eine untere Elektrode (U) , darüber eine Schicht (S) , die piezoelektrisch oder pyroelektrisch ist, und darüber eine obere Elektrode (0) erzeugt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß vor Erzeugung der Schicht (S) über der unteren Elektrode (U) eine Hilfsschicht (H) derart erzeugt wird, daß sie ein homogen orientiertes Aufwachsen der Schicht (S) fördert.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , bei dem die Hilfsschicht (H) im wesentlichen aus amorphem Si- lizium, amorphem Siliziumoxid oder amorphem Siliziumnitrid erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Schicht (S) im wesentlichen aus AlN erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die untere Elektrode (U) und die obere Elektrode (O) im wesentlichen aus Wolfram, Molybdän, Platin, einer Aluminiumlegierung oder einer Kombination dieser Metalle erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Hilfsschicht (H) in einer Dicke zwischen 5nm und 50nm aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , bei dem die untere Elektrode (U) erzeugt wird, indem Wolfram durch ein CVD-Verfahren abgeschieden und anschließend durch chemisch-mechanisches Polieren geglättet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 , bei dem das Halbleiterbauelement als Bulk-Acoustic-Wave Resonator oder als Filter erzeugt wird, wobei die Schichtenfolge auf einem Träger (T) erzeugt wird, der so erzeugt wird, daß er durch die Schichtenfolge erzeugte akustische Schwingungen reflektiert.
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