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Die Erfindung betrifft eine Elektrode zur elektrischen Kontaktierung eines mikroakustischen Bauelements, ein mikroakustisches Bauelement umfassend eine derartige Elektrode sowie ein Herstellungsverfahren für eine Elektrode.
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Elektroden zur elektrischen Kontaktierung mikroakustischer Bauelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 102 06 369 A1 eine Elektrodenstruktur mit verbesserter Leistungsverträglichkeit und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Darin wird vorgeschlagen, für ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement die Elektrodenstruktur über einer mechanisch stabilen Anpassungsschicht anzuordnen, die zum Abbau des elektromechanischen Stresses dient.
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Im Allgemeinen muss bei der Auswahl von Elektrodenmaterialien für mikroakustische Bauelemente zwischen deren mechanischen, akustischen und elektrischen Eigenschaften abgewogen werden, insbesondere zwischen deren akustischer Impedanz und elektrischer Leitfähigkeit. Als Folge werden anstelle einer homogenen Schicht zum Teil Schichtsysteme aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen zur elektrischen Kontaktierung von mikroakustischen Bauelementen eingesetzt. Solche mehrlagigen Elektrodenstrukturen werden auch als Sandwichstrukturen bezeichnet.
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Insbesondere bei der Herstellung mikroakustischer Bauelemente werden die einzelnen, verhältnismäßig dünnen Schichten dabei durch aus dem Bereich der Halbleiterfertigung bekannte Methoden, wie insbesondere Sputtern oder Aufdampfen, hergestellt. Weitere Prozessschritte umfassen das so genannte Tempern, das unter Anderem zum Ausgleichen von Strukturfehlern durch Erhitzen der aufgewachsenen Strukturen eingesetzt wird.
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Versuche haben ergeben, dass diese und andere weiteren Prozessschritte die Eigenschaften der so erzeugten Sandwichstrukturen, zum Beispiel deren Leitfähigkeit, beeinflussen. Auch das Einwirken elektrischer Felder kann negative Einwirkungen auf die Sandwichstrukturen haben. Insbesondere nimmt die kombinierte Leitfähigkeit solcher Sandwichstrukturen bei der Abscheidung weiterer Schichten und auch bei folgenden Prozessierungsschichten wie zum Beispiel dem Tempern des mikroakustischen Bauelements wieder ab.
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Aus der
DE 101 34 748 B4 ist ein Oberflächenwellenbauelement bekannt, bei dem zwischen einem Aluminium umfassenden Kontaktpad und einem Bump drei unterschiedliche Metallschichten vorgesehen sind, wobei die mittlere Schicht ausgelegt ist, die Diffusion von Metallen der ersten und dritten Schicht zu verhindern und ein Metall aus Pd, Pt, Ni und Cu umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Elektrode, ein mikroakustisches Bauelement mit der Elektrode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, wobei die verbesserten Eigenschaften von mehrschichtigen Elektroden unabhängig von weiteren Prozessschritten weitgehend beibehalten werden.
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Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Elektrode zur elektrischen Kontaktierung eines mikroakustischen Bauelements gelöst, wobei die Elektrode wenigstens eine erste, einer aktiven Schicht des mikroakustischen Bauelements zugewandte Metallschicht und eine zweite, von der aktiven Schicht des mikroakustischen Bauelement abgewandte Metallschicht umfasst. Die Elektrodenstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht eine dritte, als Diffusionsbarriere dienende Schicht angeordnet ist. Die dritte Schicht umfasst dabei W, TiN, Al2O3, SiN, SiO2 und/oder amorphes Silizium a-Si, während die zweite Metallschicht eine Al-Cu Legierung umfasst.
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Die erfindungsgemäße Elektrode macht sich die Erkenntnis zunutze, dass durch eine als Diffusionsbarriere dienende Schicht die Bildung von Legierungen von Materialien einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht vermieden werden kann. Insbesondere unterbindet die dritte Schicht die Diffusion von Atomen entweder der ersten oder der zweiten Schicht in die jeweils andere Metallschicht und somit eine ungewünschte Legierungsbildung, die die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode nachteilig beeinflussen könnte.
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Erfindungsgemäß umfasst die dritte Schicht ein nicht legierungsbildendes Metall, einen metallischen Hartstoff oder ein dielektrisches Material, nämlich Wolfram (W), Titaniumnitrid (TiN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (SiN), Quarz (SiO2) und/oder amorphes Silizium (a-Si). Die genannten Materialien verhindern die Diffusion von Atomen einer ersten metallischen Schicht in eine benachbarte, zweite metallische Schicht. Die erste metallische Schicht besteht aus einer Al-Cu Legierung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die dritte Schicht eine Dicke von 2 bis 50 nm, bevorzugt 5 bis 20 nm auf. Es wurde festgestellt, dass eine derartige Schichtdicke zum einen die Diffusion fast vollständig verhindert und zum anderen die akustischen und/oder elektrischen Eigenschaften der Elektrodenstruktur nicht oder fast nicht negativ beeinflusst.
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Die erste Metallschicht weist eine gegenüber der zweiten Metallschicht verbesserte Leitfähigkeit auf. Die Vorsehung einer dem mikroakustischen Bauteil zugewandten ersten Metallschicht mit einer besonders guten Leitfähigkeit ermöglicht eine verlustarme flächige Kontaktierung des mikroakustischen Bauelements.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Metallschicht eine gegenüber der ersten Metallschicht verbesserte Haftfähigkeit auf. Durch die gleichzeitige Vorsehung einer zweiten Metallschicht, die von dem mikroakustischen Bauelement abgewandt ist, und eine verbesserte Haftfähigkeit aufweist, kann die mehrschichtige Elektrode sicher auf einem Substrat aufgewachsen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Metallschicht zur Mikrostrukturierung der Elektrode und/oder der aktiven Schicht des akustischen Bauelements dienen. Durch die Vorsehung einer zweiten Metallschicht, die sich zur Mikrostrukturierung eignet, können insbesondere sehr dünne Schichten gleichmäßig hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrode durch eine vierte, zwischen der ersten Metallschicht und der aktiven Schicht des mikroakustischen Bauelements angeordnete, leitfähige Schicht gekennzeichnet, wobei die vierte Schicht eine hohe akustische Impedanz aufweist. Durch das Vorsehen einer weiteren leitfähigen Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz kann insbesondere ein akustischer Resonator für das mikroakustische Bauelement gebildet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein mikroakustisches Bauelement beschrieben, das wenigstens eine aktive Schicht aus einem piezoelektrischen Material sowie wenigstens eine erste auf dem Substrat angeordnete Elektrode gemäß einer der vorherigen Ausgestaltungen umfasst. Ein derartiges mikroakustisches Bauelement weist verbesserte elektrische Eigenschaften und eine hohe Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und dem Einwirken starker elektrischer Felder auf.
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Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen ist das mikroakustische Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass es als SAW- (Surface Acoustic Wave), BAW-(Bulk Acoustic Wave), LBAW-(Lateral BAW), GBAW-(Guided BAW) oder MEMS-Bauelement (Micro-Electro-Mechanical System) ausgebildet ist. Solche Bauelemente eignen sich beispielsweise zur Verwendung in Hochfrequenzfiltern, insbesondere Filtern für den Radiofrequenzbereich (RF).
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine Elektrode beschrieben, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen eines Substrats,
- – Aufbringen einer ersten leitfähigen Schicht aus einem ersten legierungsbildenden Metall auf einer Oberfläche des Substrats oder einer dazwischen liegenden Schicht,
- – Aufbringen einer dritten Schicht aus einem nicht legierungsbildenden Material auf einer Oberfläche der ersten Schicht und
- – Aufbringen einer zweiten leitfähigen Schicht aus einem zweiten legierungsbildenden Metall auf einer Oberfläche der dritten Schicht.
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Durch die oben genannten Verfahrensschritte kann eine Elektrode mit verbesserten akustischen und/oder elektrischen Eigenschaften hergestellt werden, die ihre Eigenschaften auch in folgenden Prozessierungsschritten, insbesondere beim Tempern oder beim Einwirken elektrischer Felder, beibehält.
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Gemäß unterschiedlichen Ausgestaltungen kann die Elektrode entweder auf einem gesonderten Trägersubstrat oder direkt auf einer aktiven Schicht aus einem piezo-elektrischen Material aufgewachsen werden. Es ist auch möglich, zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der aktiven Schicht aufzuwachsen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste, zweite, dritte, vierte und/oder aktive Schicht durch Sputtern oder Atomic Layer Deposition (ALD) auf das Substrat aufgebracht. Sputtern oder ALD erlauben das kontrollierte Aufbringen besonders dünner Schichten auf einem Substrat.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird die erste, zweite, dritte, vierte und/oder aktive Schicht durch chemische Gasabscheidung auf das Substrat aufgebracht. Eine chemische Gasabscheidung erlaubt die einfache und kostengünstige Herstellung von Schichten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die erste, zweite, dritte, vierte und/oder aktive Schicht mikrostrukturiert. Hierzu eignet sich beispielsweise Trockenätzung aber auch andere bekannte nasschemische Verfahren. Durch Mikrostrukturierung können die Eigenschaften der so hergestellten Elektrode beziehungsweise einer damit verbundenen aktiven Schicht eins mikroakustischen Bauelements weiter verbessert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1A ein mikroakustisches Bauelement,
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1B ein weiteres mikroakustisches Bauelement,
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2A eine konventionelle Mehrschichtelektrode,
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2B eine verbesserte Mehrschichtelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden gemäß den 2A und 2B und
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4 ein Herstellungsverfahren für ein mikroakustisches Bauelement.
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1A zeigt ein mikroakustisches Bauelement 1. Bei dem mikroakustischen Bauelement 1 handelt es sich beispielsweise um einen so genannten BAW-Resonator (Bulk Acoustical Wave) für einen Hochfrequenzfilter.
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Das mikroakustische Bauelement 1 umfasst eine aktive Schicht 2 aus einem piezoelektrischen Material sowie eine darunter und darüber angeordnete Elektrode 3a beziehungsweise 3b zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 2. Die aktive Schicht 2 enthält ein geeignetes piezoelektrisches Material und besteht beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid. Auch andere, in Dünnschichtverfahren abscheidbare piezoelektrische Materialien sind geeignet.
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Die Struktur der Elektroden 3a und 3b wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2B näher beschrieben.
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Zusammen bilden das Substrat 2 sowie die Elektroden 3a und 3b einen akustischen Resonator. Der Resonator kann als Membran ausgebildet sein, die seitlich verspannt ist und so frei schwingen kann. Er kann aber auch über einem akustischen Spiegel direkt auf einem Trägersubstrat abgeschieden sein. Zu diesem Zweck sind unter der unteren Elektrode 3a wenigstens zwei alternierende Schichten mit jeweils einer niedrigen und hohen akustischen Impedanz angeordnet, die einen akustischen Reflektor bilden. Die untere Elektrode 3a kann dabei eine Teilschicht des Reflektors bilden.
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1B zeigt ein weiteres mikroakustisches Bauelement 1. Bei dem mikroakustischen Bauelement 1 handelt es sich beispielsweise um ein SAW (surface acoustic wave) Bauelement, insbesondere um ein Hochfrequenzfilter.
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Das mikroakustische Bauelement 1 umfasst ein Substrat, das im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine aktive Schicht 2 aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird, sowie eine darüber angeordnete Elektrode 3a. Diese ist beispielsweise als Interdigitalstruktur ausgebildet (in der 1B nicht dargestellt). Die aktive Schicht 2 ist aus geeignetem kristallinem, piezoelektrischem Material wie z. B. Quarz (SiO2) ausgebildet. Selbstverständlich können auch andere Piezomaterialien, wie zum Beispiel LiTaO3 oder LiNbO3, Verwendung finden. Die Struktur der Elektroden 3a wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2B näher beschrieben.
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Das SAW Bauelement kann auch andere Elemente wie z. B. Reflektoren, Pads und Verbindungsleitungen aufweisen, die den gleichen Aufbau wie die Elektroden umfassen und zusammen mit diesem im gleichen Schritt hergestellt sein können.
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In der 2A ist eine Elektrode 3' zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schicht 2 des mikroakustischen Bauelements 1 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Mehrschichtelektrode. Die Elektrode 3' umfasst eine erste metallische Schicht 5, eine zweite Metallschicht 6 sowie eine weitere Metallschicht 7.
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Im Ausführungsbeispiel besteht die erste Metallschicht 5 aus einer Legierung aus Aluminium und Kupfer (AlCu). Diese Schicht weist eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit auf. Anstelle von AlCu kann beispielsweise auch Gold (Au) oder Silber (Ag) in der ersten Metallschicht 5 Verwendung finden. Die erste Metallschicht 5 ist der in der 2A nicht dargestellten aktiven Schicht 2 zugewandt.
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Die zweite, in der 2A darunter liegende Metallschicht 6 besteht im Ausführungsbeispiel aus Titanium (Ti). Titanium weist gute Hafteigenschaften aus, was das Aufbringen der zweiten Metallschicht 6 auf ein in der 2A nicht dargestelltes Trägersubstrat erleichtert.
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Darüber hinaus besitzt Titanium strukturgebende Eigenschaften. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn zunächst die Elektrode 3' auf einem Trägersubstrat aufgebracht wird und erst nachfolgend darüber eine aktive Schicht 2 aus einem piezoelektrischen Material auf der Elektrode 3' aufgebracht wird. In diesem Fall kann die wohldefinierte kristalline Struktur der Titaniumschicht an die darüber liegende Schichten weitergegeben werden und so deren Struktureigenschaften verbessern.
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Die weitere Schicht 7 umfasst im Ausführungsbeispiel Wolfram (W). Wolfram weist eine besonders hohe akustische Impedanz auf und reflektiert daher eine akustische Welle. Bevorzugt weist die erste Metallschicht 5 oder zweite Metallschicht 6 eine demgegenüber niedrigere akustische Impedanz auf. Zusammen bildet der Schichtstapel der Elektrode 3' dann einen Teil eines akustischen Reflektors des mikroakustischen Bauteils bilden.
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Der bezüglich der 2A beschriebene Schichtaufbau verbindet die guten akustischen Eigenschaften der Wolfram-Schicht mit den guten elektrischen Eigenschaften der AlCu-Schicht und den mechanischen Eigenschaften der Titanium-Schicht. Wird ein solcher Schichtstapel jedoch elektrischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt, können die darin vorhandenen Aluminium- und Titanium-Atome in das Kristallgitter der benachbarten Schicht diffundieren, so dass sich Diffusionslegierungen der beteiligten Metalle bilden. Die sich bildende Legierungsschicht führt nach dem Tempern zu einer verschlechterten Leitfähigkeit der Elektrode 3' insgesamt.
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Um die beschriebene Legierungsbildung zu verhindern, wurde in einer verbesserten Elektrode 3 gemäß der 2B eine zusätzliche, dritte Schicht 9 zwischen der ersten Metallschicht 5 und der zweiten Metallschicht 6 angeordnet. Die dritte Schicht 9 umfasst im Ausführungsbeispiel Wolfram.
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Die dritte Schicht 9 ist verhältnismäßig dünn und weist im Ausführungsbeispiel eine Dicke von nur wenigen Nanometern, beispielsweise 5 bis 20 nm auf. Eine derartig dünne dritte Metallschicht 9 verändert die Leitfähigkeit der verbesserten Elektrode 3 insgesamt kaum. Gleichzeitig verhindert sie jedoch das Diffundieren von Aluminium- oder Titanium-Atomen in das Kristallgitter der jeweils benachbarten Metallschicht 5 beziehungsweise 6.
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Anstelle von Wolfram in der dritten Schicht 9 aus können auch andere Materialien zur Verhinderung einer Legierung der benachbarten Metallschichten 5 und 6 eingesetzt werden. Beispielsweise eignen sich auch Titaniumnitrid (TiN), amorphes Silizium (a-Si), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (SiN), oder Siliziumdioxid (SiO2).
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In der 3 links ist der Flächenwiderstand von Elektroden, die nicht getempert wurden, beziehungsweise und recht der Flächenwiderstand von getemperten Elektroden dargestellt.
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Wie sich aus der 3 ergibt, ist der Flächenwiderstand einer getemperten Elektrode 3 mit einer zusätzlichen dritten Schicht 9 geringer als der einer getemperten konventionellen Elektrode 3' gemäß 2A. Des Weiteren weist die getemperte Elektrode 3 mit der zusätzlichen dritten Schicht 9 einen nur geringfügig höheren spezifischen Widerstandswert (rechter Messwert) auf als eine entsprechende, ungetemperte Elektrode (linker Messwert). Dies verbessert nicht nur die Eigenschaften der Elektrode 3 während der Herstellung, sondern sorgt auch für eine langfristige Stabilität der elektrischen Eigenschaften eines mit der Elektrode 3 verbundenen mikroakustischen Bauelements 1.
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In der 4 ist ein Herstellungsverfahren für eine verbesserte Elektrode 3a gemäß 2B für ein mikroakustisches BAW-Bauelement 1 gemäß 1A dargestellt.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Trägersubstrat bereitgestellt. Beispielsweise wird ein Trägersubstrat aus Silizium oder einem sonstigen Halbleitersubstrat bereitgestellt. Es jedoch kann jedoch auch ein rein mechanisches Trägersubstrat zum Aufwachsen der nachfolgenden Schichten bereitgestellt werden.
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In einem weiteren Schritt S2 wird eine untere metallische Schicht 6 hergestellt. Im Ausführungsbeispiel wird eine Titanium-Schicht auf das Trägersubstrat aufgebracht.
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In einem weiteren Schritt S3 wird ein Schutzschild zur Verhinderung einer Legierungsbildung auf die Metallschicht 6 aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel wird eine 5 nm dicke Wolfram-Schicht 9 auf die Metallschicht 6 aufgesputtert.
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In einem weiteren Schritt S4 wird eine weitere Metallschicht 5, beispielsweise AlCu oder Au auf die Schicht 9 aufgebracht. Auch die weitere leitfähige Schicht 5 kann durch Sputtern aufgebracht werden.
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Auf die Schicht 5 wird in einem weiteren Schritt S5 eine weitere Metallschicht 7 mit einer hohen akustischen Impedanz aufgebracht. Beispielsweise wird eine Wolfram-Schicht auf die leitfähige Schicht 5 aufgesputtert.
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Zusammen bilden die Schichten 6, 9, 5 und 7 eine erste verbesserte Elektrode 3 gemäß 2B.
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Selbstverständlich können die Schritte S2 bis S5 auch ganz oder teilweise wiederholt werden, um aufwändigere Sandwichstrukturen herzustellen. Beispielsweise kann ein Elektrodenstapel mit drei legierungsbildenden Metallschichten durch zwei jeweils dazwischen liegende Schutzschichten aus nicht legierungsbildenden Materialen hergestellt werden.
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Zur Herstellung eines BAW-Bauelements wird nachfolgend eine aktive Schicht 2 aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf die hergestellte erste Elektrode 3a aufgebracht. Nachfolgend kann eine weitere Elektrode 3b auf der gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht 2 aufgebracht werden, wobei die Schritte S5 bis S2 dabei in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
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In einem weiteren, optionalen Schritt S6 wird der Schichtstapel oder das ihn umfassende mikroakustische Bauelement 1 weiter behandelt. Insbesondere wird der gesamte Schichtstapel getempert. Selbstverständlich kann ein Tempern auch wiederholt, beispielsweise einmal je abgeschiedener Schicht, durchgeführt werden.
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Bevorzugt werden alle Schichten nacheinander ohne zwischenzeitliches Entfernen des Schichtstapels aus einer Vakuum-Prozesskammer erzeugt. Optional können auch weitere Prozessschritte in derselben Prozesskammer durchgeführt werden.
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Anstelle des dargestellten und beschriebenen BAW-Bauelementes 1 kann die beschriebene verbesserte Elektrode 3 selbstverständlich auch in einem SAW-Bauelement (Surface Acoustical Wave) Verwendung finden. Bei ihrer Herstellung dient im Schritt S1 ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material selbst als Trägersubstrat, auf das die Elektrode 3 unmittelbar aufgebracht wird. Hierzu werden die Schritte S4 bis S2, wieder in umgekehrter Reihenfolge, ausgeführt.
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Die beschriebene Elektrodenstruktur eignet sich ebenso zur Verwendung in einem LBAW-Bauelement, bei dem die zweite Elektrode 3b eine Interdigitalstruktur wie bei einem SAW-Bauelement aufweist, in einem GBAW-Bauelement mit einer zusätzlichen Schicht zur Wellenleitung über einer Elektrode 3 sowie mikroelektromechanischen System (MEMS) im Allgemeinen, bei denen zur elektrischen Kontaktierung verwendete Elektroden ebenfalls mechanischen, elektrischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- mikroakustisches Bauelement
- 2
- aktive Schicht
- 3
- Elektrode
- 5
- erste Schicht
- 6
- zweite Schicht
- 7
- weitere Schicht
- 9
- dritte Schicht
- S1–S6
- Verfahrensschritte
