JPH01303910A - 固体電子素子、その製造方法、及びそれを利用した装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体電子素子の信頼性向上に係り、特に大電力
を伝送する弾性表面波素子または大振幅の弾性表面波波
動が定在波として存在する弾性表面波共振器に好適な電
極、反射器、又は電流密度の高い電気配線を有する半導
体素子、或いは薄膜実装基板に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路のＭ配線電極に、ｉｏ’〜１０　、’　
Ａ／１以上の高密度の電流を流した場合には、エレクト
ロマイグレーションを生じ、突起（ヒロックス）、空隙
（ボイド）の発生により配線の短絡、或いは断線がしば
しば発生する。この原因は、電子の衝突により粒界でＭ
原子が拡散により移動するためであると考えられている
。この対策として、例えば特開昭４５−１１３５号、特
開昭４９−２２３９７号公報等に開示されているように
ＡｌにＣｕを添加したＡｌ金配線電極が考えられている
。

また、Ｔα、Ｈｆその他の元素の中間層を挾んだＭ配線
を用いる場合もある。

一方、近年弾性表面波装置の応用範囲が拡がり、大電力
を伝送する弾性表面波フィルタや、大振幅の表面波波動
が定在波として存在する弾性表面波共振器が用いられる
ようになった。ところが、上記の如き弾性表面波装置に
おいては、その送受波電極、反射器の微細なｕｔ極指に
おいて、電子通信学会論文誌、巻Ｊ６７Ｃ，第６号、２
７８〜２８５頁（１９８４年５月）に述べられている様
に、上記した半導体集積回路のＭ配線電極に生じるエレ
クトロマイグレーションによる場合と同様な欠陥が発生
し、大電力を伝送する弾性表面波フィルタでは短絡、断
線による出力停止という故障が頻発し、共振器では共撮
周波数の経時変化といった問題が生じていた。

弾性表面波装置における上記欠陥発生のメカニズムは、
上記文献では、［弾性表面波によって生じる基板表面の
歪が、表面上に形成されたＭ電極薄膜に内部応力を発生
させ、応力が閾値を超えた部分でＭ結晶粒界移動が起り
、ボイド及びヒロックスが生じる。内部応力による粒界
移動は、米国電気電子学会論文誌パーツ・バイブリンズ
・アンド・パッケージング、巻ＰＨＰ　−７，３号、１
′５４〜１６８頁（１９７１年９月）　（ＩＥＥＥ　、
　Ｔｒａｎｓ、、　”　Ｐａｒｔｙ。

Ｈｙｂｒｉｄｓ　ａｎｃｔ　Ｐａｃｋａ３）ｉｎｋ　’
　）に示される集積回路の温度サイクルにおける場合と
同じメカニズムと考えられる。」旨を述べている。上記
第１の文献では、この様なＭマイグレーションによる欠
陥対策として、半導体集積回路で用いられる微量（１〜
４ｗ１Ｓ）のＣｕを添加する方法を述べ、そのマイグレ
ーシｌン抑圧に対する有効性を述べている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、耐電力性、デバイスとしての損失、微
細加工に対する適性、量産性のすべての点において十分
に満足できるものではないのが現状であった。

例えばＣμを添加したＭ系合金の場合には、第一に、８
００ＭＨｚ程度の高周波弾性表面波素子では。

低周波弾性表面波素子に比べて大電力動作時に、十分な
寿命が保証できなくなる問題があった。第二に、膜の硬
度が大きくなり易く、ワイヤボンディングの歩留が低下
する欠点があった。

本発明は、耐電力性、デバイスとしての損失、量産性の
全ての条件を満足する固体電子素子の電極（配線、パッ
ド）を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明においては、弾性表面
波用圧電性基板、半導体基板、又は絶縁性配線用基板の
上に形成された電極、電気配線、又はワイヤによる相互
接続用のボンディングパッドの少なくとも一部を、Ｌｉ
をαｏ５〜３ｗｔｆｂ添加したＡｌ金薄膜で形成するこ
とにした。

〔作用〕

Ｌｉを添加したＭ系合金薄膜では、添加物濃度（ｗｔ俤
）に対する膜抵抗率が、Ｃｃ添加の場合に比べて小さい
ので、弾性表面波フィルタ、弾性表面波共振器としての
損失が小さくなる。

しかも組成安定なりＣマグネトロンスパッタ法を適用し
、Ｌｉ添添加系系合金薄膜高周波弾性表面波素子の送受
波電極を形成した結果、優れた耐電力性が確認できた。

これはＬｉ添添加系系合金薄膜は、Ｍ原子がその自己拡
散を抑えられ、応力に対して動き難くなり、しかも電極
膜の静的応力も小さく、ＳＡＷによる高周波応力も加え
た膜の全応力が小さくなっていることによると考えられ
る。またＭ原子の自己拡散を抑えられるため、電流によ
るエレクトロマイグレーションに対する耐性も大きくな
ると考えられ、大電力を必要とする電極等に適用した結
果、優れた耐電力性を得ることができた。

そしてＣｕ等に比べ、電極劣化の抑圧効果が大きいため
添加量が少なくて済む。その結果、第一に、元来Ｃｕ添
加に比べて抵抗率が小さく、抵抗増加が極めて少ないた
め、高周波で電力を加えた際の電極指抵抗による発熱が
Ｃμ添加よりも抑えられ、ＳＡＷ’応力に基づく劣化の
温度上昇による加速が低減され、大電力伝送用フィルタ
の耐電力性向上をもたらしている。第二に、添加量が少
なくてもよいので、Ｃμ添加に比べ硬度が小さいため、
ワイヤボンディングにおける歩留も向上する。

〔実施例〕

第１図は本発明を弾性表面波共振器に適用した一実施例
を示す。１は弾性表面波基板でｓｒカット水晶基板を用
い、この基板表面上に１組の送受波電極２．２′が開口
１０００μｍ、２８対で互いに弾性表面波を送受するよ
うに設けられており、ボンディングパッド５．３′と接
続されている。ボンディングパッド５．３′は、直径２
５μｍのＭ線、又はＡμ線のボンディングワイヤにより
、カンパッケージステムの入出力ピン４．４′に電気的
に接続されている。また上記１組の送受波電極２．２′
の両側には、７５０本の金属ス）　ＩＪツブからなる反
射器５．５′が設けられ、２開口弾性表面波共振器を構
成している。上記送受波電極２．２′、反射器５．５′
の膜厚は０．１μ肩で、共振周波数は６９７ＭＨｚ　、
　５０Ω系での負荷Ｑζ４０００となっており、電極材
料は０．１ｗｔ％Ｌｉを添加したＭ系合金であり、ＤＣ
マグネトロンスパッタ法により基板１上に蒸着形成され
た後、ホトエツチングによりパターン形成されたもので
ある。なお、送受波電極２．２′、反射器５．５′を形
成した基板１は導電性接着剤６によりＴＯ−５カンパツ
ケージステム７と接着されている。

本実施例、及びＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法、又
はＤＣマグネトロンスパッタ法により形成した各種Ｍ系
合金薄膜の耐電力性を、弾性表面波共振器により評価し
、その結果を第２図以降に示す。−第２図は共振器に印
加する入力電力と、劣化時間ＴＦ　（Ｔｉｔｙｒｇ　ｔ
ｏ　ＦａｉＬｕｒａ　）との関係を示すものである。加
速劣化試験の条件は周囲温度１２０’０、入力電力１０
０〜８００ｍＦ、劣化時間ＴＦは、共振周波数が試験時
間開始点から±５０ｋＨｚ変化した時間をもって示した
。第２図に示す如く、本発明のＬ＆添添加系系合金薄膜
用いた実施例は、０．７ｗｔ＊　Ｃμ添加ＥＢ蒸着薄膜
に対し、同一劣化時間において約５倍、Ｔｉ添加に対し
約２．５倍の入力電力に耐え得ることが判った。

更に第３図に示す周囲温度と劣化時間ＴＦの関係におい
て、Ｌｉ添添加系系合金薄膜直線の傾きが小さ（，０，
７ｗｔ４　Ｃｕ添加ＥＥ蒸着薄膜に対し、周囲温度の影
響を受は難いことが容易に理解できる。

本発明に係るＬｉ添添加系系合金薄膜０．１μｍ厚の膜
抵抗率を四端子法により測定した。第４図に示す如（、
Ｌｉ添添加系系合金薄膜膜抵抗率は０．１ｗｔ５Ｌｉに
おいて、五８μΩ−のであり、従来の０．７ｗｔ＊Ｃｕ
添加ＥＢ蒸着薄膜より若干低くなっていることが明らか
である。また第５図の原子１００個中の添加物原子の割
合（ａｔｏｍｉｃ％　）　　と抵抗率の関係よりＣμ添
加に比べ低添加量で低抵抗率を実現できるため膜の硬度
を大きくせずに済む。その結果、第６図に示す２開口弾
性表面波共振器の周波数特性においても本実施例では中
心周波数における損失は従来のＣｔＬ添加に比べ約２ｄ
Ｂ向上した。

なお．Ａｌ系合金薄膜の粒径と劣化時間の関係を調べた
ところ、第７図に示す如＜．Ａｌ系合金薄膜を構成する
粒子の大きさが、小さくなるに従って劣化時間が延びる
傾向にある。共振器による加速劣化試験の結果、入力１
００ｍＪＰ’において純Ｍスパッタ膜の劣化時間は１時
間であり、加速劣化試験から推測して純Ａｌに対し３０
０倍の耐電力性を得るためには、粒径の大きさは０．０
５μ罵　以下に抑える必要がある。また共振器、フィル
タの損失増加を防ぐため、ＡＭ　−Ｌｉの膜抵抗率の上
限を純Ｍの抵抗率の約２倍の７０μΩ−αとし、上記耐
電力性の目標である劣化時間３００　ｈｒを加味した結
果、第８図よりＬ番添加量（ｗｔ＊）は、０．０５〜３
ｗｔ％　　が適量であることが判る。

第９図は、Ｌ１添加Ｍ系合金薄膜を、セルラー無線分波
器用送信側第１段フィルタに用いた場合の周波数特性を
示す。本弾性表面波フィルタの中心周波数は８３５ＭＨ
ｚ、圧電性基板として３６度回転Ｙ軸カッ）Ｘ軸伝搬の
Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏｓを用いた。電極構成はＩＤＴ　（
ＩｎｔａｒｃｔｉｌｉｔａＬ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　
）型の１開口共撮器を９段に直列接続し、各共振周波数
を異ならせ、所要帯域をカバーするものである。共振周
波数近傍では、放射コンダクタンス、サセプタンスが大
きな状態にあり、エネルギーは相隣り合う異極性電極指
間を、弾性波および容量結合により伝搬する一方、高域
側の***振周波数においては遮断状態となるため、低損
失の通過域と帯域外域を生じる。このＩＤＴ共振器の９
段直列接続に、シールド電極を挾み対称に設け、ワイヤ
接続により帯域外抑圧度の劣化を対策している。各共振
器の開口は１０波長、ＩＤＴ対数４００対である。第９
図に示す如（、Ｌｉ添添加系系合金薄膜場合、中心周波
数８！＋５ＡｆＺｒｚの損失は１．０ｄＢと従来のＣｕ
添添加系系合金薄膜対し０．２ｃＬＢ向上し、阻止域８
９０□Ｉ／Ｈｚの抑圧度も約４ｄＪ向上した。また上記
弾性表面波素子を、周囲温度１００’Ｏ１出力電力４Ｗ
の条件下で加速劣化試験を行った所、Ｌｉ添添加系系合
金薄膜、Ｃμ添添加系系合金薄膜対し約５０倍の耐電力
性を示した。

上記実施例は、金属膜ス）　ＩＪツブによる反射器を用
いた２開口共振器、入力から出力側電極に大電力を伝送
するセルラー無線分波器用弾性表面波装置の場合である
が、本発明はそれらに限定することなく、１開口弾性表
面波共振器、その他高周波用弾性表面波装置であっても
、その効果に変わりがない。また弾性表面波圧電基板も
ｓｒカット水晶、ＬｉＮｂＯ２、Ｌ　＊　Ｔａ　０３等
各種基板、カット面方位であっても有効で、レーリー波
のみならず、疑似表面波、５ＳＢＷ、バルク波振動を用
いるものにも有効である。

上記実施例の固体電子素子は、圧電性基板上に形成した
弾性表面波装置であったが、大電流密度の半導体デバイ
スの配線、薄膜ＩＣの配線、大電力を必要とする各種弾
性表面波フィルタ、小電力でもＳＡＷ振幅が大きく、電
極に大きなＳＡＷ歪、応力を与える共振子を用いたセル
ラー無線システム、ＶＴＲ１ＣＡＴＶ用コンバータ、ポ
ケットベル、自動車電話、コンポルバーバルク振動素子
によるｓｓ通信方式（５ｐｒｅａｄ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ
　Ｓｙｓｔｅｍ　）に有効であり、ＳＡＷ歪、応力等に
よる電極劣化を低減でき、信頼性が向上する。またＭ　
　Ｌｉ合金を一層のみならず多層にすることにより、よ
り低抵抗率で、耐電力性の優れた構造となり、耐電力性
が向上する。

更に、Ａｌ−Ｌｉ合金に、膜内部応力を緩和するため耐
クリープ性が優れ、膜応力が比較的小さく、耐エレクト
ロマイグレーシ曹ン性に優れたＭ！、Ｔｉ１Ｃμを添加
したＭ系三元合金を用いることにより、耐電力性が向上
することは云うまでもない。

なお、本発明に係るＬｉ添添加系系合金薄膜用いた固体
電子素子をＤＣマグネトロンスパッタ法により電極を形
成したところ、ＥＢ蒸着法に比べ同一寿命において、約
１．２倍の耐電力性を有し、膜組成の制御にも優れてい
ることを確認した。膜作成法として抵抗加熱法は、簡単
に蒸着できる点で有利であり、ＥＥ蒸着法は抵抗加熱法
に比べ、薄膜材料への不純物の混入、蒸発源材料との反
応、高融点材料の蒸着の点で優れる。また誘導加熱法は
成膜速度が大きく、組成制御が容易であるために生産性
向上に優れる。イオンプレーティングは、蒸発粒子中に
かなりのイオンが含まれているため、加速、集束が可能
で、基板に対する膜付着強度が太ぎく、比較的成膜速度
が大きい点で生産性の点で有効であることがわかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、弾性表面波装置等
の損失を大きくせず、ワイヤポンディングの際の歩留も
高くできるなどの作成プロセス上の効果があり、従来の
Ｃμ添添加系系合金ＥＢ蒸着による電極に比べ、耐電力
性が５倍以上の優れた高信頼性が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図（α）は実施例弾性表面波共振器の平面図、第１
図（ｈ）は第１図（，１中のＡ−Ａ’線断面図、第２図
は入力電力と劣化時間の関係図、第３図は温度と劣化時
間の関係図、第４図は不純物添加濃度と膜抵抗率の関係
図、第５図は原子１００個中の添加物原子の割合（αｔ
ｏｔｘｉｃ％　）と抵抗率の関係、第６図は本発明を２
開口弾性表面波共振器に適用した場合の周波数特性図、
第７図は粒径と劣化時間の関係図、第８図はＬｉ添加濃
度と抵抗率および劣化時間の関係図、第９図は本発明を
セルラー無線分波器用送信側第１段フィルタに適用した
場合の周波数特性図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・・・・弾性表面波基
板２．２′・・・・・・・・・送受波電極３．３′・・
・・・・・・・ボンディングパッド４．４′・・・・・
・・・・入出力ビン５．５′・・・・・・・・・弾性表
面波反射器６・・・・・・・・・・・・・・・・・・導
電性接着剤７・・・・・・・・・・・・・叩・ＴＯ−５
カンパッケージステム代理人　弁理士　小　川　勝　男 閉１図 （Ｉｔ） °ｔ （ｂ） 梵２図 入力電〃（ｗ） ４５図 温、Ｌ　Ｔ　（Ｋ’ＸＩＤ’） ５１ｆ１４図 ′［ Ｚ。 ！ Ｉ− 添加掬濃慶（１１１１〆〕 罰５図 原子＋００４同中の小刀ＯＦｌ、戸、テのが）８（ａｚ
’／−）〒６図 Ｆｒｅｃｌ、ｕａｎｃｙ　　　（ＭＨｚ）閉７図 ａ径（Ａ７＋ｔ）

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．弾性表面波用圧電性基板、半導体基板、又は絶縁性
   配線用基板の上に形成された電極、電気配線、又はワイ
   ヤによる相互接続用のボンディングパッドの少なくとも
   一部が、Ｌｉを０．０５〜３ｗｔ％添加したＭ合金薄膜
   よりなることを特徴とする固体電子素子。
2. ２．電極、配線、又はパッドを形成するＡｌ金薄膜の粒
   径が０．０５μｍ以下であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の固体電子素子。
3. ３．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子であ
   る弾性表面波フィルタを使用したセルラー無線分波器。
4. ４．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子であ
   る弾性表面波共振子を使用したＶＴＲ又はＣＡＴＶ用コ
   ンバータ。
5. ５．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子であ
   る弾性表面波素子または半導体素子を使用したコンボル
   バ。
6. ６．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子であ
   る弾性表面波共振子フィルタを使用した自動車電話。
7. ７．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子であ
   る弾性表面波共振子フィルタを使用したポケットベル。
8. ８．特許請求の範囲第１項に記載した固体電子素子を使
   用したバルク波振動素子。
9. ９．始めに形成した純Ｍ薄膜またはＭ系合金薄膜の上に
   、次いでＡｌにＬｉを添加した合金薄膜を形成した二層
   構造膜よりなる特許請求の範囲第１項記載の固体電子素
   子。
10. １０．始めに形成したＡｌにＬｉを添加した合金薄膜の
    上に、次いで純ＡｌまたはＭ系合金薄膜を形成した二層
    構造膜よりなる特許請求の範囲第１項記載の固体電子素
    子。
11. １１．ＡｌにＬｉを添加した合金薄膜と、純ＭまたはＭ
    系合金薄膜とを、任意に多重に形成した多層構造膜より
    なる特許請求の範囲第１項記載の固体電子素子。
12. １２．ＡｌにＬｉ及びＴｉを添加したＡｌ−Ｌｉ−Ｔｉ
    三元合金薄膜を用いた特許請求の範囲第１、９、１０又
    は１１項記載の固体電子素子。
13. １３．ＡｌにＬｉ及びＭｇを添加したＡｌ−Ｌｉ−Ｍｇ
    三元合金薄膜を用いた特許請求の範囲第１、９、１０又
    は１１項記載の固体電子素子。
14. １４．ＡｌにＬｉ及びＣｕを添加したＡｌ−Ｌｉ−Ｃｕ
    三元合金薄膜を用いた特許請求の範囲第１、９、１０又
    は１１項記載の固体電子素子。
15. １５．Ａｌ薄膜およびＡｌ合金薄膜をスパッタ法により
    形成する特許請求の範囲第１、９、１０、１１、１２、
    １５又は１４項記載の固体電子素子の製造方法。
16. １６．Ａｌ薄膜およびＡｌ合金薄膜をエレクトロン・ビ
    ーム蒸着法により形成する特許請求の範囲第１、９、１
    ０、１１、１２、１５又は１４項記載の固体電子素子の
    製造方法。
17. １７．Ａｌ薄膜およびＭ合金薄膜を抵抗加熱法により形
    成する特許請求の範囲第１、９、１０、１１、１２、１
    ３又は１４項記載の固体電子素子の製造方法。
18. １８．Ａｌ薄膜およびＭ合金薄膜を誘導加熱法により形
    成する特許請求の範囲第１、９、１０、１１、１２、１
    ５又は１４項記載の固体電子素子の製造方法。
19. １９．Ａｌ薄膜およびＡｌ合金薄膜をイオン化プレーテ
    ィング法により形成する特許請求の範囲第１、９、１０
    、１１、１２、１３又は１４項記載の固体電子素子の製
    造方法。
20. ２０．Ａｌ薄膜およびＭ合金薄膜をＣＶＤ法により形成
    する特許請求の範囲第１、９、１０、１１、１２、１５
    又は１４項記載の固体電子素子の製造方法。
21. ２１．Ａｌ合金薄膜を熱拡散法により形成した特許請求
    の範囲第１、９、１０、１１、１２、１５又は１４項記
    載の固体電子素子の製造方法。