沉积方法与流程

1.本发明涉及一种在衬底上溅镀沉积金属层的方法。更明确来说，本发明涉及一种在例如体声波(baw)装置或表面声波(saw)装置的谐振器装置的制造中在衬底上溅镀沉积金属层的方法。本发明还涉及一种制造谐振器装置的方法。本发明还涉及包括金属层的相关联衬底及相关联谐振器装置。


背景技术：

2.例如体声波(baw)装置及表面声波(saw)装置的谐振器装置具有各种应用。举例来说，baw装置用于手机及其它无线应用中以允许接收及/或发射特定射频。这些谐振器装置使用压电效应从电输入产生机械谐振且还可将机械谐振转换成电输出。
3.谐振器装置通常包括循序沉积于例如图案化硅衬底的衬底上的多个层。所述层通常包含安置于两个金属电极之间的压电层，例如aln或alscn。例如溅镀的物理气相沉积(pvd)技术可用于沉积这些层。
4.期望减小谐振器装置中的层的厚度以便开发适于5g及未来rf滤波器世代的装置。然而，随着压电层变薄，跨电极层的晶片内应力变化对装置堆叠的耦合性质的贡献变得更加突出。即，电极的晶片内应力变化变成跨晶片控制耦合均匀性的更重要因素。期望开发沉积具有小于约200mpa的应力范围的电极层同时跨具有最小(例如<5mm)边缘去除区域的衬底(例如200mm的硅晶片)的整个表面还维持良好厚度均匀性(优选地<1％1σ)的方法。还期望电极层的应力可取决于所要应用来调谐。
5.例如aln或alscn谐振器装置的谐振器装置的电极层还必须以低热弹损失导电。电极层还应提供合适表面来生长具有优选晶向的压电材料。
6.已知钼(mo)展现比al少56倍的热弹损失，且已被用作用于电极层的材料。mo的体电阻率是5.34μω.cm。然而，溅镀沉积mo电极层的已知方法通常提供具有不小于约11μω.cm的电阻率的mo层。因此，期望开发一种沉积展现减小电阻率的例如mo层的电极层的方法。此将能够使电极层变薄，从而减少装置损失且提供所得谐振器装置的更高品质因子。


技术实现要素：

7.在至少一些本发明实施例中，本发明寻求解决上述问题、期望及需要。特定来说，本发明的实施例寻求提供一种导致金属层展现小于约10μω.cm的电阻率同时实现沉积金属层的优异应力控制及优异厚度均匀性的方法。总的来说，此可导致具有减少损失的更高品质谐振器装置，例如baw及saw装置。这些期望性质在开发下一代高品质谐振器装置中是关键的。
8.根据本发明的第一方面，提供一种在谐振器装置的制造中在衬底上溅镀沉积金属层的方法，其中所述金属层由从钼(mo)、钨(w)、钛(ti)、钽(ta)、铂(pt)或钌(ru)选出的金属组成，所述方法包括以下步骤：
9.提供包括腔室、安置于所述腔室内的衬底支撑件、由金属材料制成的靶标及等离
子体产生装置的磁控溅镀设备，其中所述衬底支撑件与所述靶标分离开10cm或更小的距离；
10.将所述衬底支撑于所述衬底支撑件上；
11.执行dc磁控溅镀步骤，其包括将所述金属材料从所述靶标溅镀到所述衬底上以便在所述衬底上形成金属层，其中在所述dc磁控溅镀步骤期间，所述腔室的惰性气体具有至少6毫托(至少约0.8pa)的压力，所述靶标被供应具有至少6w/cm2的功率密度的功率，且所述衬底具有200到600℃范围内的温度。
12.在谐振器装置的制造中溅镀沉积金属的已知方法在通常小于4毫托的低腔室压力下操作。所属领域中的当前普遍看法是在较高压力下操作会导致溅镀材料由等离子体散射更多。因此，沉积于衬底上的物种的能量减小，此导致不致密膜，其中更多气体变成结合于沉积层内。所属领域中的当前普遍看法是较高气体压力会导致膜展现较高电阻率，此是不合意的。因此，本发明的工艺条件完全违背所属领域中的当前普遍看法。
13.本发明者已发现，在至少6毫托的腔室压力与至少6w/cm2的靶标功率密度的组合下执行dc磁控溅镀步骤提供展现小于约10μω.cm的电阻率的金属层。另外，通过使用这些工艺条件，可根据需要将金属层中的应力控制成压缩的、拉伸的或约零，其中应力范围小于约250mpa、任选地小于200mpa、任选地小于150mpa及任选地小于120mpa。此外，所述方法实现优异厚度控制及厚度均匀性。
14.在不希望受任何理论或猜想束缚的情况下，据信，通过在高腔室压力与供应到靶标(阴极)的高功率密度下执行dc磁控溅镀步骤，仍然存在足够通量的高能离子及中性物种轰击衬底以产生具有最低水平气体结合的致密金属层。更明确来说，据信，施加到靶标的高功率密度(即，至少6w/cm2)补偿增加气体散射，且继而补偿由增大腔室压力引起的溅镀物种的能量衰减。总的来说，高腔室压力(即，至少6毫托)与供应到靶标的高功率密度(即，至少6w/cm2)的组合提供沉积具有减小电阻率的金属层的合适条件。
15.衬底可为硅衬底。衬底可为硅晶片。
16.供应到靶标的功率可具有至少8w/cm2的功率密度，任选地至少10w/cm2、任选地至少12w/cm2、任选地至少14w/cm2或任选地至少16w/cm2。供应到靶标的功率可具有小于约24w/cm2的功率密度，任选地小于约22w/cm2、任选地小于约20w/cm2、任选地小于约18w/cm2或任选地小于约16w/cm2。功率密度可为这些上限与下限的任何组合。除上述益处之外，高功率密度可提高沉积速率。
17.在dc磁控溅镀步骤期间，腔室可具有至少7毫托、任选地至少8毫托、任选地至少9毫托、任选地至少10毫托的压力。在dc磁控溅镀步骤期间，腔室可具有约20毫托或更小、任选地约15毫托或更小、任选地约12毫托或更小、任选地约10毫托或更小或任选地约8毫托或更小的压力。压力可为这些上限与下限的任何组合。
18.在至少200℃、任选地至少300℃或任选地约400℃的温度下执行dc磁控溅镀步骤。在约600℃或更小、任选地约500℃或更小或任选地约400℃或更小的温度下执行dc磁控溅镀步骤。可在这些上限与下限的任何组合下执行dc磁控溅镀步骤。
19.在dc磁控溅镀步骤期间，可将偏压功率供应到衬底支撑件。将偏压功率供应到衬底支撑件可控制所沉积金属层的应力。施加高偏压功率可导致所沉积金属层较大压缩(较小拉伸)。施加到衬底支撑件的偏压功率可经选择以便最小化金属层中的应力。举例来说，
施加到衬底支撑件的偏压功率可经选择以便提供具有约零(0mpa)的平均应力的金属层。偏压功率可为rf偏压功率。rf偏压功率具有13.56hz的频率。偏压功率可具有至少10w、任选地至少50w、任选地至少100w、任选地至少200w、任选地至少250w或任选地至少300w的功率。偏压功率可具有约600w或更小、任选地约500w或更小、任选地约400w或更小、任选地约300w或更小或任选地约200w或更小的功率。偏压功率可具有这些上限与下限的任何组合之间的功率。
20.金属材料是选自钼(mo)、钨(w)、钛(ti)、钽(ta)、铂(pt)、钌(ru)的金属。这些金属具有低热弹性损失。举例来说，mo可展现比铝少约56倍的热弹性损失。因此，使用这些低热弹性损失金属作为谐振器装置中的电极层可显著改进(减少)热弹性损失，借此提高谐振器装置的质量。
21.dc磁控溅镀步骤可包括使用由惰性气体形成的等离子体从靶标溅镀金属材料。惰性气体可为氩气(ar)、氪气(kr)、氙气(xe)或其混合物。惰性气体应被理解为周期表的18族气体。
22.金属层可具有约500nm或更小的厚度，任选地约350nm或更小、任选地约300nm或更小、任选地约250nm或更小、任选地约200nm或更小或任选地约150nm或更小。
23.衬底支撑件与靶标可分离开约75mm或更小的距离。
24.衬底支撑件在dc磁控溅镀步骤期间可为固定的。举例来说，衬底支撑件在dc磁控溅镀步骤期间可为旋转固定的(即，不旋转)。
25.谐振器可为声波装置。谐振器装置可为体声波(baw)装置。谐振器装置可为表面声波(saw)装置。
26.根据本发明的第二方面，提供一种制造谐振器装置的方法，其包括以下步骤：
27.(a)提供衬底；
28.(b)将第一金属层沉积到所述衬底上；
29.(c)将压电层沉积到所述第一金属层上；及
30.(d)将第二金属层沉积到所述压电层上，其中步骤(b)及(d)中的至少一者使用根据第一方面的方法执行。
31.衬底可为硅衬底。压电层可包括aln、alscn或另一合适压电材料。谐振器装置可为baw装置或saw装置。
32.根据本发明的第三方面，提供一种衬底，其包括使用根据第一方面的方法沉积的例如钼层的金属层，其中所述金属层具有小于约10μω.cm的电阻率。
33.电阻率可小于约9μω.cm。电阻率可在8到10μω.cm的范围内，任选地8到9μω.cm。低电阻率金属层可被制得更薄，同时仍实现相同接触电阻。此可导致更小、更高品质装置。衬底可为硅衬底，例如硅晶片。金属层可具有小于约250mpa的应力范围，任选地小于约200mpa、任选地小于约150mpa或任选地小于约120mpa。金属层可为电极层。金属层可为钨(w)、钛(ti)、钽(ta)、铂(pt)或钌(ru)层。
34.根据本发明的第四方面，提供一种谐振器装置，其包括使用根据第一方面的方法沉积的例如钼层的金属层，其中所述金属层具有小于约10μω.cm的电阻率。
35.金属层可具有小于250mpa的应力变化，任选地小于约200mpa、任选地小于约150mpa、任选地小于约120mpa。谐振器装置的晶片内应力可具有小于约250mpa的应力范围，
任选地小于约200mpa、任选地小于约150mpa或任选地小于约120mpa。金属层可为电极层。金属层可为钨(w)、钛(ti)、钽(ta)、铂(pt)或钌(ru)层。
36.谐振器装置可为声波装置。谐振器装置可为体声波(baw)装置。谐振器装置可为表面声波(saw)装置。
37.虽然上文已描述本发明，但其扩展到上文或以下描述、图式或权利要求书中陈述的特征的任何发明组合。举例来说，关于本发明的一个方面揭示的任何特征可与关于本发明的其它方面中的任何者揭示的任何特征组合。
附图说明
38.参考附图，现将仅通过实例描述本发明的实施例，其中：
39.图1是根据本发明的实施例的适于执行方法的溅镀设备的示意图；
40.图2展示使用本发明的示范性方法沉积的金属层的厚度变化；
41.图3展示使用本发明的示范性方面沉积的金属层的径向片电阻率；
42.图4展示电阻率(以μω.cm为单位)随压力(以毫托为单位)而变化的作图；
43.图5展示金属层中随平板功率而变化的平均应力及应力范围；及
44.图6展示金属层中随平板功率而变化的平均应力。
具体实施方式
45.本发明的实施例涉及在例如体声波(baw)或表面声波(saw)装置的谐振器装置的制造中将金属层溅镀沉积到衬底上的方法。本发明的示范性方法可使用合适dc磁控溅镀设备10执行，如图1中示意性展示。商业上可从总部位于英国南威尔士州纽波特(newport,south wales,uk)的spts技术有限公司(spts technologies limited)购买的具有dc磁控溅镀模块的spts西格玛(rtm)沉积系统适于执行根据本发明的实施例的dc磁控溅镀方法。为简单起见，图中已省略dc磁控溅镀设备10的一些熟知特征。此dc磁控溅镀设备的一般操作(例如，产生等离子体)在所属领域中是众所周知的且除理解本发明需要之外，这里不再描述。
46.参考图1，磁控溅镀设备10包括安置于腔室14内的衬底支撑件(例如平板)12。接地金属腔室14适于容纳等离子体。衬底支撑件12经调适以将衬底16固持成基本上水平定向，其中衬底的前表面面朝上。衬底16可为晶片，例如硅晶片。衬底16可为图案化硅晶片。衬底16可经由合适装载/卸载槽17来装载及卸载。
47.设备10进一步包括安置于腔室14内的靶标18。靶标18及衬底支撑件12经布置使得从靶标18溅镀的材料可经沉积到支撑于衬底支撑件12上的衬底16上。通常，靶标18被固持成与衬底支撑件12直接对置且在衬底支撑件12上方。靶标18与衬底16之间的距离是约10cm或更小或任选地75mm或更小。靶标18由溅镀材料制成。靶标18由金属材料制成。靶标可由钼(mo)、钨(w)、钌(ru)、钛(ti)、钽(ta)或铂(pt)制成。在本发明的示范性方法中，金属材料通常为适于用作谐振器装置中的电极金属的金属，例如低热弹损失电极金属。
48.气体可经由气体入口20进入腔室14，且可从腔室经由排气口22泵抽。设备10进一步包括用于在腔室14内产生等离子体的等离子体产生构件。设备10进一步包括用于接近靶标18产生使等离子体限于靶标18邻近处的磁场的磁控管24。磁控管24经安置于腔室14外。
电力供应器26经配置以在操作期间将dc功率提供到磁控管24。
49.电力供应器26经配置以将功率供应到靶标18。在溅镀沉积过程期间，靶标18用作阴极。
50.电力供应器28可将rf偏压功率供应到衬底支撑件12。具有图形用户接口(未展示)的控制器可用于控制电力供应。
51.在操作中，等离子体由等离子体产生构件维持且功率经施加到靶标18，使得等离子体中的物种(例如离子及中性原子)从靶标18溅镀材料。从靶标18溅镀的材料沉积到支撑于衬底支撑件12上的衬底16上以在其上形成金属层。在非反应性溅镀工艺中，金属层通常由与靶标18相同的材料组成。
52.在第一示范性方法中，使用dc磁控溅镀方法将金属层溅镀沉积到200mm直径的硅晶片上。此沉积过程是用于制造例如声波装置(例如baw或saw装置)的谐振器装置的工艺的一部分。用于沉积金属层的设备10是具有dc磁控溅镀模块的spts西格玛(rtm)沉积系统。在此实例中，靶标18由钼制成，且金属层由钼组成。
53.硅衬底16经定位到沉积设备10内的衬底支撑件12上。靶标18与衬底16之间的距离经设置为约10cm。
54.接着，执行dc磁控溅镀过程以将mo从靶标18溅镀到衬底16上。经由气体入口20将惰性气体引入到腔室14中且产生等离子体。惰性气体可为氩气、氪气、氙气或其任何组合。在第一示范性方法中，用于产生等离子体的惰性气体是氩气。将功率施加到靶标(阴极)18以便促进等离子体中的物种从靶标18溅镀材料。
55.在dc磁控溅镀过程期间，腔室14具有至少6毫托的压力，且施加到靶标18的功率具有至少6w/cm2的功率密度。通常，腔室压力在6到20毫托的范围内。通常，靶标功率密度在8到24w/cm2的范围内。
56.测量沉积金属层的厚度、电阻率及应力。金属层的厚度使用metapulse(tm)仪器使用无损计量测量来测量。图2展示初沉积mo金属层的厚度的等值图。平均膜厚度是189.36nm，且膜展示具有0.458％的1σ值的优异厚度均匀性(见表1)。
57.表1
[0058][0059]
金属层的片电阻率(r
s
)使用四点探针技术测量，且电阻率使用以下方程式确定。
[0060][0061]
图3展示初沉积膜的片电阻率的等值图。平均体电阻率是8.4μω.cm，如由(最粗)线32表示。一个标准偏差下的值由(中间厚度)线34表示。使用本方法实现的电阻率值远远优于(即，低于)先前已报告的已知电阻率值。另外，本发明能够实现优异厚度均匀性。
[0062]
初沉积膜的应力可通过在dc磁控溅镀过程期间将例如rf偏压功率的偏压功率施加到衬底支撑件12来控制。通常，rf偏压功率具有13.56hz的频率。然而，可使用其它rf频率。表2展示供应到衬底支撑件的偏压功率如何在相同高功率(即，至少6w/cm2)及高压力
(即，至少6毫托)条件下影响初沉积mo膜的电阻率及应力。
[0063]
表2
[0064][0065]
可通过将适当偏压功率施加到衬底支撑件(例如平板)12来调谐沉积金属层中的平均应力。一般来说，在dc磁控溅镀步骤期间施加到衬底支撑件12的较高偏压功率导致初沉积金属层中的应力更大压缩(更小拉伸)。供应到衬底支撑件12的偏压功率可经调谐使得沉积金属层可具有约0mpa的平均应力。此外，根据本发明的高功率及高压力沉积条件提供展现<200mpa的跨膜应力变化的所得金属层。此外，所有膜都展现≤9μω.cm的低电阻率。具有均匀厚度、均匀应力及低电阻率的此类金属层展现可用于制造例如具有较少损失的baw及saw装置的较高品质、较小谐振器装置的所要性质。
[0066]
这些方法及结果违背了所属领域中的当前普遍看法。当前普遍看法认为，在dc磁控溅镀步骤期间增大腔室压力导致溅镀材料在更大程度上散射且降落于衬底16上的溅镀材料的能量减小。据信，此导致初沉积膜中的气体结合增加，从而导致不致密且不导电金属层。然而，本发明者已发现，与此当前普遍看法相反，高压力(即，至少6毫托)与高靶标功率密度(即，至少6w/cm2)的组合可导致沉积金属层具有改进(更低)电阻率，同时还提供优异厚度均匀性及应力均匀性。使用本方法沉积的金属层的优异(低)电阻率值表明，膜很致密且在初沉积膜中具有最小气体结合。这些金属层具有改进特性且允许制造具有改进品质因子的谐振器装置。
[0067]
图4展示使用dc磁控溅镀沉积的300nm厚mo金属层的电阻率如何随腔室压力变化的作图(无任何偏压施加到衬底支撑件12)。作图a使用施加到靶标18的6.77w/cm2的功率密度。作图b使用施加到靶标18的16.92w/cm2的功率密度。沉积温度是200℃。
[0068]
使用6.77w/cm2的功率密度(图4，作图a)在高压力(约7.8毫托)及低压力(约1.4毫托)两者下提供优异电阻率(<9μω.cm)。然而，人们发现，增大压力可进一步改进电阻率(到<8.8μω.cm)。在较高压力下操作还提供更拉伸膜，其应力可使用施加到衬底支撑件12的rf偏压功率调谐。施加到衬底支撑件12的rf偏压功率通常导致金属层中的平均应力变成更大压缩(更小拉伸)。因此，为了更好控制沉积层的平均应力，宜在未施加偏压功率时使沉积层稍微拉伸。即，更大拉伸膜(例如，在较高压力下沉积)的平均应力可经调谐使得平均应力是约0mpa。优异(低)电阻率值表明，这些膜很致密。
[0069]
在低压力(约1.4毫托)下使用16.92w/cm2的功率密度(图4，作图b)导致具有次优电阻率(>10μω.cm)的金属层。然而，随着压力增大(到约7.8毫托)，对高功率密度操作的敏感度降低，从而实现更高沉积速率，同时减小沉积金属层的电阻率值(<9μω.cm)。
[0070]
图5展示初沉积200nm厚mo金属层中的平均应力(由圆形表示的线50)及应力范围(由三角形表示的线52)如何随施加到衬底支撑件12的偏压功率而变化。mo金属层在200℃
的温度下、在约8毫托的压力下且以6.77w/cm2的靶标功率密度沉积。约240w的衬底支撑件偏压功率导致mo金属层具有约0mpa的平均应力及约160mpa的应力范围。
[0071]
图6展示初沉积200nm厚mo金属层中的平均应力(线60)如何随施加到衬底支撑件12的偏压功率而变化。mo金属层在200℃的温度下、在约8毫托的压力下且以16.92w/cm2的靶标功率密度沉积。约95w的衬底支撑件偏压功率导致mo金属层具有约0mpa的平均应力。
[0072]
使用高靶标功率密度与高压力的组合(根据本发明)，可沉积展现<120mpa的优异应力均匀性的金属层，且对具有0mpa的平均应力的金属层而言，厚度均匀性<0.7 1σ％。另外，<200mpa的低晶片内应力范围可在各种平均应力下实现，同时维持<1.5％1σ的厚度非均匀性。
[0073]
表3说明根据本发明的示范性方法可用于沉积展现约零的平均应力的金属层的示范性处理参数。还展示比较过程。
[0074]
表3
[0075][0076]
在不受任何理论或猜想束缚的情况下，据信，在高压力及靶标功率密度下操作(根据本发明)，存在足够通量的高能离子及中性物种轰击衬底16以产生具有最低水平的气体结合的致密膜。高靶标(阴极)功率密度补偿原本可由于较高腔室压力所致的任何额外气体散射。相应地，高靶标功率密度补偿等离子体中的离子及中性物种的能量由于腔室压力增大的任何衰减，且因此提供实现致密膜的合适条件。因此，使用施加到靶标18的高功率密度与高腔室压力的组合导致等离子体中的物种具有最优能量以便形成展现改进电阻率、优异厚度均匀性及具有优异应力均匀性的应力控制的致密金属层。此类膜适于应用为例如baw及saw装置的谐振器装置中的电极层。
[0077]
使用高腔室压力及与施加到衬底支撑件12的受控偏压功率耦合的高靶标(阴极)功率密度，本发明者开发了一种沉积展现优异厚度均匀性、改进电阻率(<10μω.cm)及减小应力范围的金属层的方法。虽然上述实例主要涉及mo金属层的沉积，但相同工艺条件可用于溅镀沉积例如钨、钛、钽、铂及钌的其它金属。使用本方法沉积的金属层满足高度均匀、低应力mo薄膜的需要，且适于用作例如baw及saw装置的谐振器装置中的薄电极层。
[0078]
在另一示范性方法中，制造例如baw或saw装置的谐振器装置。使用关于第一示范性方法描述的相同dc磁控溅镀方法将第一金属层溅镀沉积到衬底上。衬底是图案化硅晶片。
[0079]
随后，将压电材料沉积到第一金属层上。压电材料层可由aln、alscn或其它合适压
电材料制成。
[0080]
接着，使用关于第一示范性方法描述的相同dc磁控溅镀方法将第二金属层溅镀沉积到压电材料层上。所得谐振器装置展现改进品质因子。