Titannitrid- und Titan-Schichten für die Nano-Elektromechanik

Abstract

Auf dem Gebiet der mikro- und besonders der nanoelektromechanischen Systeme (MEMS/NEMS) gibt es viele neue Entwicklungen. In Kombination mit metallischen Funktionsschichten, die monolithisch in die Metallisierungsebenen von CMOS-Schaltkreisen integriert werden, haben sie großes Potenzial für neue Anwendungen. Entscheidend für diese Integration sind Materialien, die kompatibel zu den CMOS-Fertigungsprozessen sind und gute mechanische und elektrische Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund sind Titan und speziell Titannitrid (TiN) attraktive Werkstoffe. Sie werden hauptsächlich als Diffusionsbarriere in der Aluminium- und Kupfermetallisierung oder als Antireflexionsschicht in der optischen Lithographie eingesetzt. Über die Wechselwirkung unterschiedlicher Herstellbedingungen auf die Materialeigenschaften in mikro- und nanomechanischen Anwendungen ist aber bisher wenig veröffentlicht. In der vorliegenden Arbeit wurde das DC-Magnetron-Sputtern von dünnen Titan- und TiN-Schichten systematisch untersucht. Ein Schwerpunkt war die Fragestellung, wie die Schichtspannung und der spezifische Widerstand über einen weiten Bereich mit den Sputterparametern kontrolliert werden kann. Allgemein wurde festgestellt, dass ein Kompromiss zwischen geforderter Schichtspannung und elektrischem Widerstand der gesputterten Materialien geschlossen werden muss. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein zweistufiger Abscheideprozess entwickelt, der sich als vielversprechend für die Einstellung und Kontrolle der Materialspannungen erwiesen hat. Dieser Prozess wurde zur Fertigung von strukturierten Mikrobalken mit verschiedenen Kombinationen aus Titan und Titannitrid eingesetzt und getestet. Die Möglichkeit, Zugspannungen in reinem Titan zu erzeugen, stellte ein zuverlässiges Mittel zur Kompensation der Druckspannungen des Titannitrids dar. Je nach Verhältnis der Schichtdicken im Zweischichtsystem konnten damit die resultierenden Spannungen zwischen Zug und Druck eingestellt werden. Das ermöglicht Mikroaktuatoren mit maßgeschneiderten elektromechanischen Eigenschaften. Als Beispiel wurden elektrostatische Schalter aus Mikrobalken mit einer Dicke von 100 nm und einer Breite von 500 nm hergestellt, die Grundelemente hochintegrierter elektromechanischer Nanorelais sein können.

There have been many recent developments in microelectromechanical and especially nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS). They have shown great potential for new applications when combined with the monolithic integration of metallic functional layers in CMOS backend metallisation schemes. To achieve this integration, materials that are compatible with the CMOS backend processing and possessing good mechanical and electrical properties are critical. Titanium and in particular titanium nitride (TiN) are attractive for these reasons. These materials are currently known as a diffusion barrier in the aluminium and copper metallisation schemes and as an antireflective coating in optical lithography. Little work has been reported investigating the interaction of the process fabrication conditions on the properties of these materials in micro- and nanomechanical applications. In this thesis the DC magnetron sputtering of thin titanium and titanium nitride films has been studied systematically. The main characterisation was to establish how the film stress and resistivity could be controlled over a wide range of sputtering parameters. Overall, it was found that, a compromise has to be made between the required film stress and the desired electrical resistivity of the sputtered materials. In the course of the work, a two-step deposition process was developed and shown to be promising for the adjustment and control of the deposited material stresses. This deposition process has been applied to the fabrication of structured microbeams with various combinations of titanium and titanium nitride layers. The ability to create a tensile stress in pure titanium was shown to provide a means of compensating the compressive stress of the titanium nitride. Depending on the thickness ratio the resultant stresses could be adjusted between tensile and compressive in the two-layer system. This leads to microactuators with tailor-made electromechanical properties. As an example electrostatic switches with 100 nm thick and 500 nm wide microbeams were fabricated. These structures could form the basis of mechanical elements in highly integrated electromechanical nanorelays.