特開 2024-432 成膜方法及び弾性波デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024000432

(43)【公開日】2024-01-05

(54)【発明の名称】成膜方法及び弾性波デバイス

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/02 20060101AFI20231225BHJP

   C23C 14/14 20060101ALI20231225BHJP

   H03H 3/02 20060101ALI20231225BHJP

   H03H 9/17 20060101ALI20231225BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20231225BHJP

【ＦＩ】

C23C14/02 Z

C23C14/14 D

H03H3/02 B

H03H9/17 F

H01L21/302 105B

H01L21/302 101C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022099198

(22)【出願日】2022-06-20

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】弁理士法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】沼田 幸展

(72)【発明者】

【氏名】藤長 徹志

(72)【発明者】

【氏名】大久保 裕夫

【テーマコード（参考）】

4K029

5F004

5J108

【Ｆターム（参考）】

4K029AA04

4K029BA02

4K029BA03

4K029BA58

4K029CA05

4K029CA06

4K029DC03

4K029FA03

5F004AA11

5F004BA20

5F004BB13

5F004CA02

5F004CA06

5F004DA23

5F004DB12

5J108BB08

5J108FF01

5J108KK01

5J108KK02

5J108MM11

(57)【要約】

【課題】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を提供する。
【解決手段】本発明の成膜方法は、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Ｓｗ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み、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。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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）。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１７８１８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】本発明の効果を示す実験結果のグラフ。

【図5】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。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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）。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【符号の説明】

【0025】

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）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】