RF sputter deposition of piezoelectric AlN thin films

Abstract

This thesis provides an in-depth investigation into the fabrication of piezoelectric Aluminum Nitride (AlN) thin films utilizing Radio Frequency (RF) magnetron sputtering. The primary objective is to leverage established knowledge from Direct Current (DC) sputtering and adapt it to an RF configuration suitable for the deposition of insulating targets. The research encompasses process stabilization, optimization of deposition parameters, and a comprehensive understanding of how varying deposition conditions affect key film properties, including crystalline texture, residual stress, and dielectric loss.The initial experimental phases tackled the issue of process instabilities, which manifested as severe arcing on the wafer holder. This problem was effectively addressed by pre-conditioning the holder with an inert gold layer, thereby preventing surface oxidation. Following this, a Random Forest regression model was employed to predict deposition rates with high precision. Moreover, a Definitive Screening Design (DSD) was employed to isolate the most influential variables, identifying RF power, chamber pressure, and target-to-substrate distance as the most significant parameters affecting the deposition process.One-Factor-at-a-Time (OFAT) experiments indicated a trend that contradicts conventional kinetic models: both the crystalline quality and dielectric properties of the AlN films improved with increased chamber pressure and target distance. Films deposited under low pressure (2 μbar) and short distances (45 mm) exhibited high compressive stress and suboptimal c-axis orientation. The underlying theoretical analysis suggests that this phenomenon can be attributed to the asymmetric design of the RF magnetron system, which generates a high DC self-bias and results in destructive ion bombardment. Consequently, a "thermalized" deposition regime, achieved through higher pressures and target distances, was required to mitigate lattice damage. Although functional AlN films were successfully synthesized, it is noteworthy that the RF process under the current setup yields elevated dielectric losses when compared to the institute’s optimized DC process, primarily due to the excessive energy regime experienced during deposition.

Diese Arbeit bietet eine eingehende Untersuchung der Herstellung piezoelektrischer AlN-Dünnschichten mittels RF-Magnetron-Sputtern. Das Hauptziel ist die Nutzung etablierten Wissens aus dem DC-Sputtern und dessen Anpassung an eine RF-Konfiguration, die sich für die Abscheidung isolierender Targets eignet. Die Forschung umfasst die Prozessstabilisierung, die Optimierung der Abscheidungsparameter und ein umfassendes Verständnis dafür, wie variierende Abscheidungsbedingungen die wichtigsten Filmeigenschaften beeinflussen, darunter die kristalline Textur, Eigenspannungen und die dielektrische Verlusttangente.Die anfänglichen experimentellen Phasen befassten sich mit dem Problem der Prozessinstabilitäten, die sich in starker Lichtbogenbildung am Waferhalter manifestierten. Dieses Problem wurde durch die Vorkonditionierung des Halters mit einer inerten Goldschicht effektiv behoben, wodurch Oberflächenoxidation verhindert wurde. Anschließend wurde ein Random-Forest-Regressionsmodell zur präzisen Vorhersage der Abscheideraten eingesetzt. Darüber hinaus wurde ein DSD verwendet, um die einflussreichsten Variablen zu isolieren, wobei RF-Leistung, Kammerdruck und Target-Substrat-Abstand als die signifikantesten Parameter für den Abscheidungsprozess identifiziert wurden. OFAT-Experimente zeigten einen trend, der im Widerspruch zu konventionellen kinetischen Modellen steht: Sowohl die kristalline Qualität als auch die dielektrischen Eigenschaften der AlN-Filme verbesserten sich mit erhöhtem Kammerdruck und größerem Targetabstand. Filme, die unter niedrigem Druck (2 μbar) und kurzen Abständen (45 mm) abgeschieden wurden, wiesen hohe Druckspannungen und eine suboptimale c-Achsen-Orientierung auf. Die zugrunde liegende theoretische Analyse legt nahe, dass dieses Phänomen auf das asymmetrische Design des RF-Magnetron-Systems zurückzuführen ist, welches eine hohe DC-Selbstvorspannung erzeugt und zu einem zerstörerischen Ionenbeschuss führt. Folglich war ein „thermalisiertes“ Abscheidungsregime, erreicht durch höhere Drücke und Targetabstände, erforderlich, um Gitterschäden zu mindern. Obwohl funktionelle AlN-Filme erfolgreich synthetisiert wurden, ist anzumerken, dass der RF-Prozess mit dem aktuellen Aufbau im Vergleich zum optimierten DC-Prozess des Instituts erhöhte dielektrische Verluste aufweist, was hauptsächlich auf das exzessive Energieregime während der Abscheidung zurückzuführen ist.