DE10216559B4

DE10216559B4 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10216559B4
Application number: DE2002116559
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Menzel; Hagen Schmidt; Matthias Dr. Albert; Christian Dr. Wenger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Tele Filter GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Microchip Frequency Technology GmbH
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: DE10216559A1

Abstract

Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit Streifenstrukturen aus einem Dünnschicht-Metallisierungssystem als Fingerelektroden, bei denen mindestens die Streifenstrukturen teilweise oder vollständig mit einer Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si ummantelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leistungs-SAW Bauelementen (Power SAW Devices) mit einem neuartigen Metallisierungssytem auf der Basis von Kupferdünnschichten. Für diese Kupfer SAW-Technologie sind dünne Barriereschichten zur Verhinderung einer Interdiffusion von Stoff erforderlich. Insbesondere gegen Sauerstoff und Kupferdiffusion.

Zur Herstellung von SAW Bauelementen werden international Metallisierungssysteme zur Herstellung der Fingerelektroden auf der Basis von Al, Al-Legierungen und Al-Schichtsystemen verwendet. Dazu werden auf einem piezoelektrischen Substrat (Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnO-Schichten o.a.), auf welchem sich eine Lackmaske befindet, eine oder mehrere Metallschichten (Multischichten) mit Hilfe bekannter Abscheideverfahren, vorteilhaft des Elektronenstrahlverdampfens oder des Magnetronsputterns, abgeschieden und anschließend durch Ablösen der Lackmaske (lift-off-Technik) strukturiert.

Eine andere prinzipielle Möglichkeit der Strukturierung ist die Ätztechnologie (entweder trocken- oder nasschemisches Ätzen), bei der die Wafer komplett mit Metall beschichtet werden und der zu erhaltende Elektrodenteil mit einer Maske abgedeckt wird, während die zu entfernenden Stellen weggeätzt werden. Auf diese Weise werden zwei fingerartig strukturierte, ineinander greifende Elektroden erzeugt, deren Einzelfinger einen definierten Abstand voneinander und einen bestimmten Überlappungsbereich (Apertur) aufweisen, sowie eine wohldefinierte Geometrie besitzen.

Eine weitere prinzipielle Möglichkeit der Herstellung strukturierter Metallfingerstrukturen ist mit dem CMP-Verfahren gegeben. Das CMP3 (chemischmetallisches Polieren) wurde ursprünglich als Planarisierungsverfahren für SiO₂ entwickelt. Bei Anwendung auf dreidimensional abgeschiedene Metallschichten in der sogenannten Damascene-Technologie führt die planarisierende Wirkung des Prozesses zu deren Strukturierung, womit sich das CMP als ein alternatives Strukturierungsverfahren für Metalle anbietet. Dieses Verfahren bietet auf Grund der chemischen und physikalischen Wirkungsweise und des breiten Variationsbereiches der Chemikalien und Zusätze die Möglichkeit, einen breiten Anwendungsbereich auch sehr harter Schichten zu bearbeiten. Dazu wird in eine Grabenstruktur, die sich vorzugsweise im Siliziumoxid oder aber auch im Substrat befinden kann, die benötigte Schichtfolge eingebracht, und im Wechsel mit der Beschichtung mit dem CMP-Verfahren planarisiert (Z: Stavreva, Dissertation, Dresden (1998)).

Durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an das Fingerelektrodenpaar wird eine zeitabhängige elektrische Feldstärke zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Elektrodenfingern erzeugt, wodurch im piezoelektrischen Substratmaterial eine ortsabhängige Verschiebung der Gitterbausteine resultiert. Es wird eine akustische Oberflächenwelle erzeugt, die je nach geometrischen und materialspezifischen Gegebenheiten eine bestimmte und prinzipiell berechenbare Ausbreitungscharakteristik hat. Bei guter Haftung der Metallisierung auf dem Substrat überträgt sich diese mechanische Verzerrung des Substratmaterials als örtliche Dehnung (mechanischer Zug) oder Stauchung (mechanischer Druck) auf die Fingerelektroden. Durch ständigen Wechsel der Polarität der einander benachbarten Elektroden in der Frequenz der angelegten elektrischen Spannung entsteht auf diese Weise eine hochdynamische mechanische Biege-Zug-Wechselbeanspruchung (high cyclic fatique loading). Diese zyklische Belastung mit hoher Frequenz bewirkt bei hohen Amplituden der SAW und/oder Temperaturen, d.h. bei hohen Leistungsdichten, im Elektrodenmaterial einen mittels mikroskopischer Methoden nachweisbaren stressinduzierten Stofftransport, sichtbar je nach Material an einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Loch- und Hügelbildung oder partieller Delamination der Metallschicht, besonders ausgeprägt in Al-Basissystemen. Dieser Prozess ist in der Literatur als Akustomigration bekannt (N. Kimura, u.a., IEEE Ultrasonics Symp. Proc. 1998, pp. 315–318; W. Ruile, u.a., IEEE Ultrasonics Symp. Proc. 2000, pp. 275–278; S. Menzel, u.a., Proceedings of the 12^th European Congress on Electron Microskopy, Vol. II, Physical Sciences, July 2000, Brno, Czech, pp. 541–542; S. Menzel, u.a., Proc. 6^th Int. Workshop on stress induced Phenomena in Metallization, Ithaca 2001; H. Schmidt, u.a. IEEE Ultrasonics Symp. 2001, Atlanta submitted). Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass dieser Stofftransport mit einer Veränderung des elektrischen Signalverhaltens von SAW-Bauelementen korreliert. Beispielsweise konnte bei Filterbauelementen eine deutliche nichtreversible Verschiebung der Resonanzfrequenz sowie eine Veränderung der Amplitude in der Admittanzkurve festgestellt werden (S. Menzel, u.a., Proceedings of the 12^th European Congress on Electron Microskopy, Vol. II, Physical Sciences, July 2000, Brno, Czech, pp. 541–542; H. Schmidt, u.a. IEEE Ultrasonics Symp. 2001, Atlanta submitted). Die Intensität der Schädigung durch Loch- und Hügelbildung ist neben der Leistung auch von der Betriebsdauer (bei gegebener Leistung) der Bauelemente abhängig, wodurch sich auch bei niedrigen Leistungsdichten ein Zusammenhang zur Lebensdauer ergibt. Bei starker Schädigung versagt das Bauelement in seiner Funktion.

Bekannt ist nach der US 5,343,107 A ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, welches eine Diamantschicht und eine piezoelektrische Dünnschicht enthält, zwischen denen epitaktisch gewachsene Kupferelektroden angeordnet sind.

Nach der WO 00/33394 ist ein Oberflächenwellenbauelement bekannt, welches aus einem metallisierten piezoelektrischen Substrat besteht, wobei zwischen Substrat und Metallisierung Elektroden angeordnet sind. Diese Elektroden bestehen aus einer ersten Schicht aus reinem Titan und aus einer zweiten Schicht aus einer Aluminium- und Titan-Legierung.

Es wurde auch bereits ein akustisches Oberflächenwellenbauelement vorgeschlagen, bei dem metallische Streifenstrukturen aus einem Kupfer- Basiswerkstoff aufgebracht sind, die mit einer oder mehreren Diffusionsbarriereschichten beschichtet oder umgeben sind ( DE 102 06 480 A1 ).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen, bei denen eine geringe oder keine Interdiffusion von Stoffen auftritt und ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung.

Die Erfindung wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen-Bauelemente weisen Streifenstrukturen aus einem Dünnschicht-Metallisierungssystem als Fingerelektroden auf, bei denen mindestens die Streifenstrukturen teilweise oder vollständig mit einer Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si ummantelt sind.

Vorteilhafterweise besteht das Dünnschicht-Metallisierungssystem aus einem Cu-Dünnschichtsystem.

Ebenfalls vorteilhafterweise besteht die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si aus 20–80 Atom-% Ta, aus 15–50 Atom-% Si und aus 0 bis 60 Atom-% N.

Besonders vorteilhafterweise besteht die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si aus 25–35 Atom-% Ta, aus 15–25 Atom-% Si und aus 45 bis 60 Atom-% N.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si amorph vorliegt.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si die Fingerelektroden vollständig ummantelt.

Auch vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si eine leitfähige Schicht ist.

Aber auch vorteilhaft ist es, wenn die Streifenstrukturen insgesamt abgedeckt sind und die abdeckende Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si isolierend ausgebildet ist.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen, bei dem in einer Clusteranlage auf einem unstrukturierten oder in Gräben eines strukturierten Wafers das Dünnschicht-Metallisierungssystem und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si als Zweilagen- oder als Multilagensystem abgeschieden werden.

Vorteilhafterweise werden die Fingerelektroden und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si auf einem piezoelektrischen Substrat abgeschieden.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Abscheidung auf einem piezoelektrische Substrat aus Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnO, KNbO₃, GaPO₄ Li₂B₄O₇ oder La₃Ga₅SiO₁₄ vorgenommen.

Auch vorteilhafterweise werden die Fingerelektroden aus einem Cu-Dünnschichtsystem mittels Magnetronsputtern, elektrochemischen Verfahren, MOCVD oder Verdampfen abgeschieden.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Dünnschichten aus TaSiN mittels des reaktiven Sputterns von einem TaSi-Target unter Stickstoffatmosphäre abgeschieden werden. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Abscheidung mittels Magnetronsputtern ohne Vakuumunterbrechung durchgeführt wird.

Es ist auch vorteilhaft, wenn das abgeschiedene Dünnschicht-Metallisierungssystem und/oder die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si getempert werden.

Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Dünnschicht-Metallisierungssystem und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si in Gräben eines strukturierten Wafers abgeschieden werden.

Einen höheren Widerstand gegen Akustomigration zeigen Dünnschicht-Metallisierungssysteme auf der Basis von Cu. Für diese Technologien ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Ummantelung besonders günstig, da diese Ummantelung als Diffusionsbarriere wirkt und die Diffusion von Kupfer in das Substrat und auch die Reaktion mit Sauerstoff mit den im Allgemeinen unbedeckten Fingerelektroden weitgehend oder vollständig verhindert.

Mit dem erfindungsgemäß vorteilhaften amorph abgeschiedenen Dünnschichtsystem aus TaSiN werden sehr gute Eigenschaften der akustischen Oberflächenwellen-Bauelemente erreicht. Insbesondere sind derartige erfindungsgemäße Bauelemente bis weit oberhalb der SAW-Betriebstemperaturen und der für technologische Zwischenbehandlungen notwendigen Temperaturen stabil.

Die chemische Zusammensetzung kann dabei in einem weiten Bereich variieren.

Im Weiteren ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
TaSiN-Schichten sind auf einer Cu-Schicht mittels Magnetronsputterns und ohne Vakuumunterbrechung in einer Clusteranlage auf einem LiNbO₃-Wafer abgeschieden worden. Dabei ummantelten die TaSiN-Schichten die Cu-Schichten, die in Form von Fingerelektroden vorliegen.
Dabei zeigt
Bild 1a) ein Ergebnis einer AES-Untersuchung für bei 400°C getemperte Proben mit der erfindungsgemäßen Schichtfolge TaSiN (50 nm)/Cu (150 nm)/TaSiN (50 nm)
im Vergleich dazu zeigt
Bild 1b) eine Schichtfolge von Ti (50 nm)/Cu (150 nm)/Ta (50 nm).
Bei der erfindungsgemäßen Schichtfolge ist noch bei 400°C aufgrund des amorphen Zustandes der ummantelnden Schicht eine sehr gute Barrierewirkung festzustellen.
Beispiel 2
1. Lithographie zur Strukturierung der SAW-Bauelemente:

Aufbringen des Lackes auf Substratvorderseite
Trocknung des Lackes
Belichtung des Lackes mit entsprechender Maske
Härten des Lackes

2. Trockenreinigung der Substratoberfläche Prozessparameter der ICP-Reinigung:

Leistung (Target):	200 W
Leistung (Substrat):	50 W
Arbeitsgas:	Ar
Ar-Fluss:	10 secm
Arbeitsdruck:	1 mTorr
Resultierende Bias-Spannung:	135 V
Reinigungszeit:	3 min

3. Reaktives HF-Magnetronsputtern der TaSiN-Kupferbarriere (50 nm) Prozessparameter der Abscheidung:

Leistung (Target):	1000 W
Leistung (Substrat):	0 W
Targetmaterial:	Ta₅Si₃
Arbeitsgas:	Ar
Ar-Fluss:	5 secm
Reaktionsgas:	N
N₂-Fluss:	4 secm
Arbeitsdruck:	1,2 mTorr
Resultierende Bias-Spannung:	110 V
Sputterzeit:	2:06 min
Substrattemperatur:	25°C

4. DC-Magnetronsputtern der Cu-Leistungsschicht (150 nm) Prozessparameter der Abscheidung:

Leistung (Target):	4000 W
Targetmaterial:	Cu
Arbeitsgas:	Ar
Ar-Fluss:	3 secm
Arbeitsdruck:	0,9 mTorr
Sputterzeit:	0:45 min
Substrattemperatur:	25°C

5. Reaktives HF-Magnetronsputtern der TaSiN-Sauerstoffbarriere (50 nm) Prozessparameter der Abscheidung:

6. Nasslackentfernung (lift off)

Entfernen des Lackes mit Acetonbad und Ultraschall (10 min)
Entfernen der Lackreste mit Ethanolbad und Ultraschall (5 min)
Trocknen des Substrates

Nachfolgend wird Zusammensetzung und spezifischer Widerstand der TaSiN-Schichten mit variiertem Stickstoffgehalt beschrieben.
Durch Variation des N₂-Flusses während des Sputterprozesses wird der Stickstoffgehalt in der TaSiN-Schicht gezielt geändert. Durch die Änderung der Zusammensetzung werden die mikrostrukturellen Eigenschaften (z.B. der spezifische Widerstand) der Barriereschicht beeinflusst (siehe Bild 2). Die Zusammensetzung wurde durch Rutherford Back Scattering bestimmt.
Der spezifische elektrische Widerstand steigt mit zunehmendem Stickstoffgehalt an (siehe Bild 3). Werden mehr als 50% Stickstoff in die TaSiN-Schicht eingebracht, so werden diese elektrisch isolierend.
Dabei zeigt
Bild 2 die Zusammensetzung der Barriereschicht in Abhängigkeit des N₂-Flusses
Bild 3 den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit des Stickstoffanteiles

Claims

Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit Streifenstrukturen aus einem Dünnschicht-Metallisierungssystem als Fingerelektroden, bei denen mindestens die Streifenstrukturen teilweise oder vollständig mit einer Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si ummantelt sind.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Dünnschicht-Metallisierungssystem aus einem Cu-Dünnschichtsystem besteht.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si aus 20–80 Atom-% Ta, aus 15–50 Atom-% Si und aus 0 bis 60 Atom-% N besteht.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si aus 25–35 Atom-% Ta, aus 15–25 Atom-% Si und aus 45 bis 60 Atom-% N besteht.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si amorph vorliegt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si die Fingerelektroden vollständig ummantelt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si eine leitfähige Schicht ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Streifenstrukturen insgesamt abgedeckt sind und die abdeckende Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si isolierend ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung von akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem in einer Clusteranlage auf einem unstrukturierten oder in Gräben eines strukturierten Wafers das Dünnschicht-Metallisierungssystem und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si als Zweilagen- oder als Multilagensystem abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Fingerelektroden und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si auf einem piezoelektrischen Substrat abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Abscheidung auf einem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnO, KNbO₃, GaPO₄ Li₂B₄O₇ oder La₃Ga₅SiO₁₄ vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Fingerelektroden aus einem Cu-Dünnschichtsystem mittels Magnetronsputtern, elektrochemischen Verfahren, MOCVD oder Verdampfen abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Dünnschichten aus TaSiN mittels des reaktiven Sputterns von einem TaSi-Target unter Stickstoffatmosphäre abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Abscheidung mittels Magnetronsputtern ohne Vakuumunterbrechung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das abgeschiedene Dünnschicht-Metallisierungssystem und/oder die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si getempert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Dünnschicht-Metallisierungssystem und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si in Gräben eines strukturierten Wafers abgeschieden werden.