Einfluss der Schichtdicke und der Substratvorbehandlung auf die elektro-mechanischen Eigenschaften von gesputterten Aluminiumnitrid-Dünnfilmen

Abstract

Aluminiumnitrid aus der Gruppe der III-V Nitride wird auf Grund seiner piezoelektrischen Eigenschaften, hohen thermischen und elektrischen Stabilität und seiner Kompatibilität mit CMOS-Prozessen häufig in mikroelektromechanischen Bauelementen und Systemen eingesetzt. Im Zuge fortschreitender Bemühungen zur Miniaturisierung von MEMS- und NEMS-Bauelementen findet auch eine kontinuierliche Verringerung der Schichtdicke von aktiven und passiven AlN-Dünnfilmen statt. Im Rahmen dieser Arbeit werden die elektro-mechanischen Eigenschaften von Aluminiumnitrid Dünnfilmen in Abhängigkeit der Schichtdicke in einem Bereich von 400 bis 40 nm untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Leckstromdichte in dünnen Filmen geringer ist, was durch eine geringere Dichte an Störstellen im Dünnfilm erklärt werden kann. Die Durchbruchfeldstärke korreliert mit der Leckstromdichte und nimmt bei dünnen Filmen deutlich zu. Ein neuartiger Ansatz zur Auswertung von Bulge-Test-Messungen wird validiert und angewendet um zu demonstrieren, dass das E-Modul von AlN-Dünnfilmen weitestgehend schichtdickenunabhängig ist. Um die piezoelektrischen Eigenschaften von ultradünnen Schichten zu optimieren, wird eine Substratvorbehandlung eingesetzt. Dieser Prozessschritt erlaubt eine Realisierung von hohen Piezokonstanten hinab zu Schichtdicken von 70 nm und resultiert ebenfalls in einer deutlichen Verringerung der Leckstromdichten in den entsprechenden Schichten. Abschließend wird der Einfluss unterschiedlicher Grade der c-Achsenorientierung der aktiven AlN-Schicht auf das mechanische Verhalten eines einfachen resonanten Systems untersucht. Ein wesentlicher Einfluss kann dabei lediglich in der Langzeitstabilität der Bauelemente gefunden werden.

The group III-V nitride material aluminum nitride is frequently used in micro-electromechanical devices and systems due to its piezoelectric properties, its high thermal and electrical stability and its compatibility with CMOS technology. In light of an ongoing trend towards miniaturization of MEMS and NEMS devices, there also happens a continuous decrease of film thickness of active and passive AlN thin films. In the scope of this work, the electro-mechanical properties of aluminum nitride thin films are investigated for different film thickness, ranging from 400 down to 40 nm. It can be shown, that the leakage current density decreases with film thickness. This is attributed to a corresponding decrease in defect density in the film. The breakdown field correlates well with the leakage current density and therefore increases significantly with decreasing film thickness. A new approach for analyzing bulge test measurements is also validated and used to demonstrate, that the Young's modulus of AlN thin films is independent of film thickness. To improve the piezoelectric properties of thin films, an in-situ substrate pre-treatment process is used. Using this approach, high piezoelectric constants can be achieved at a film thickness as low as 70 nm. A second result of this process step is a significant decrease in leakage current compared to films deposited on untreated substrates. Finally, the influence of different degrees of c-axis orientation of the active AlN-layer on the mechanical properties of a simple resonant system is investigated. A significant impact is observed in regard to the long term stability of the measured devices.