KR20120094489A - 높은 출력 호환성 및 높은 전기 전도도를 포함한 금속배선 - Google Patents

높은 출력 호환성 및 높은 전기 전도도를 포함한 금속배선 Download PDF

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Abstract

특히 음향파로 작동하는 소자를 위한 금속배선이 제공되며, 금속배선은 높은 성능 안정성 및 높은 전기 전도도를 가진다. 이를 위해, 금속배선은, 티타늄을 함유한 하부층(BL) 및 구리를 함유한 상부층(UL)을 가진 저부를 포함한다. 저부 상에 배치된 금속배선의 상부겹(TL)은 알루미늄을 함유한다.

Description

높은 출력 호환성 및 높은 전기 전도도를 포함한 금속배선{METALLIZATION HAVING HIGH POWER COMPATIBILITY AND HIGH ELECTRICAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 전류 반송 구조(current carrying structure)를 위한 높은 성능 안정성(performance stability) 및 높은 전기 전도도를 가진 금속배선 그리고 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 음향파로 작동하는 소자를 위한 전류 반송 구조를 위한 금속배선에 관한 것이다.
음향파로 작동하는 소자를 위한 금속배선은 특히 바람직하게는 성능 안정적으로 형성해야 한다. 상기 소자로부터 부스바, 부스바와 연결된 전극 핑거 또는 반사체 구조가 압전 기판 상에 형성되어 있다.
벌크 음향파(BAW = bulk acoustic wave) 또는 표면 음향파(SAW = surface acoustic wave)는 고체의 내부에 확산되거나 상기 고체의 표면에서 확산된다; 상기 파동의 주파수는 GHz 범위이다.
전기적 고주파 신호를 음향파로 변환하거나 반대로 음향파를 전기적 고주파 신호로 변환하는 전류 반송 (전극-) 구조는, 손상을 입지 않고도 음향파에 의해 한편으로는 전기 전류를, 다른 한편으로는 기계적 변형을 견뎌야 한다.
미국 특허 문헌 US 7,605,524 B2로부터 음향 표면파(SAW)로 작동하는 소자를 위한 전극 구조가 공지되어 있다. 일 형성방식에서, 전극 구조는 단결정 리튬탄탈레이트 또는 리튬니오베이트 상에 배치되어 있다. 전극 구조는 티타늄로 이루어진 제1층을 포함한다. 그 위에 증착된 제2층은 알루미늄을 포함한다. 제2층은 2개의 <1 1 1> 도메인들(domains)을 포함한다. 전극층의 제조 방법은 알루미늄을 포함한 층의 에피택시얼 성장에 관련된다. 알루미늄을 포함하는 하이 텍스쳐층(high-textured layer)은 양호한, 즉 높은 전기 전도도값 및 높은 성능 안정성을 포함한다.
기판 상에 증착된 층의 성장은, 층의 원자들의 정렬이 기판의 원자들의 정렬에 배향될 때, 에피택시얼이라고 한다. 에피택시얼 성장 시 일반적인 문제는 적합한 표면을 제공하는 것에 있다. 기판 표면의 성질은 - 기판과 층 사이의 교차점으로서 - 증착된 층의 원자들의 질서에 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 일반적으로, 기판은 템퍼링 또는 식각에 의해 사전 처리된다. 사전 처리와 고유의 증착 공정 사이에, 기판 표면은 더 이상 불순물로 오염되어서는 안된다.
기판 상에 전극 구조의 증착 시 리프트 오프 기술을 사용하는 것은, 특히 "깨끗한" 기판 표면이 중요한 경우에 문제가 된다. 경우에 따라서 사전 처리된 기판 표면에는 제1단계에서 래커층(레지스트층)이 적용되기 때문이다. 부가적 방법 단계에서, 래커층은 부분적으로 노광되고, 노광된 영역은 이후의 공정 단계에서 제거된다. 먼저 노광된 지점에서 기판 표면은 이제 다시 노출된다. 기판 표면은 그 사이에 래커층뿐만 아니라 노광된 래커층을 제거한 용제와 접촉하고 있었다. 즉, 기판 표면은 오염되어 있다.
리프트 오프 기술을 이용한 전극층의 에피택시얼 성장은 이제까지 불량한 정도로 가능하였다.
다른 방법, 소위 식각 방법은, 경우에 따라서 사전 처리된 기판 표면 상에 전극 물질을 대면적으로 적용하고, 전극 물질의 원하지 않는 덮임 영역을 제거 식각함에 따라 전극 구조를 얻는 것을 기초로 한다: 잉여의 전극 물질은 제거된다.
본 발명의 과제는, 성능 안정성을 가지며 높은 전기 전도도를 가지고 식각 방법뿐만 아니라 리프트 오프 방법과도 호환될 수 있는 전류 반송 구조용 금속배선을 제공하는 것이다.
상기 과제는 특허청구범위 제1항에 따른 금속배선 또는 청구된 제조방법에 의하여 해결된다.
본 발명은 전기적 소자에 응용될 수 있는 전류 반송 구조용 금속배선을 제공하고, 이 때 금속배선은 기판 상에 배치되어 있다. 금속배선은 저부(base) 및 그 위에 배치된 상부겹을 포함한다. 저부는 하부층을 포함하고, 하부층은 기판 표면 상에 직접적으로 또는 상위에 배치되어 있다. 하부층은 주성분으로 티타늄 또는 티타늄화합물을 포함한다. 저부는 상부층을 더 포함하고, 상부층은 하부층 상에 직접적으로 또는 상위에 배치되어 있고, 주성분으로 구리를 포함한다. 상부겹은 상부층 상에 직접 배치되어 있고, 주성분으로 알루미늄을 포함한다.
발명인은, - 일반적 의견에 대조되게 - 하이 텍스쳐 전류 반송 구조가 기판 상에 성장되고 이 때 리프트 오프 방법을 이용하여 구조화될 수 있는 것을 발견하였다. 이와 같이 성장된 구조화된 하이 텍스쳐(high-textured) 전극 구조는 매우 높은 전기 전도도 및 높은 기계적 성능 안정성을 가진다. 이러한 전극 구조는 식각 방법뿐만 아니라 리프트 오프 방법을 이용하여서도 구조화될 수 있는 것이 특히 유리하다. 리프트 오프 방법에서 기판의 가능한 오염은 하이 텍스쳐층의 형성을 방해하지 않는다. 이와 같은 전극 구조는 높은 품질 및 높은 재생산 가능성을 갖고 간단한 방식으로 제조될 수 있다.
이와 같이 제조된 전극 또는 상기 전극의 상부겹의 평면외(out-of-plane) 텍스쳐는 <1 1 1> 텍스쳐일 수 있다. 이러한 텍스쳐는, 상기 텍스쳐의 <1 1 1> 방향 - 즉 입방 면심화된 단위셀(cubic face-centred unit cell)의 공간 대각선 -은 기판의 면 법선과 일치한다는 것을 특징으로 한다. 또한, 평면내 텍스쳐는 기판 표면에 의해 정해지는 텍스쳐에 따라 정렬되어 있다.
저부는, 우선, 상부겹에 소정의, 즉 원자적으로 가능한 한 균일하게 형성된 표면을 제공하는 역할을 하고, 상기 표면 상에서 상부겹은 - 가능한 한 에피택시얼하게 - 성장할 수 있다. 상부겹은 다시, 우선 전기 전류를 반송하기 위해 제공된다.
일 형성 방식에서, 저부는 하부층과 상부층 사이에 배치된 중앙층을 포함한다. 중앙층은 알루미늄보다 고가인 원자를 포함하며, 즉 더 큰 (수소로 정규화된) 표준 전극 전위를 가진다.
일 형성방식에서, 저부의 하부층은 저부의 상부층보다 얇다. 하부층으로서 티타늄층이 고려된다. 티타늄층 또는 티타늄을 포함한 층은 바람직하게는 약 2 nm보다 두껍고, 약 20 nm보다 얇다. 하부겹이 너무 얇으면, 양호한 텍스쳐링 효과가 없어진다는 위험이 있다. 너무 두꺼운 하부층은 더 높은 거칠기 및 마찬가지로 더 불량화된 텍스쳐를 야기한다.
일 형성방식에서, 상부층은 상부겹보다 얇다. 상부층의 과제는 "표면 정보"를 상부겹에 전달하는 것으로 간주할 수 있다. 따라서, 상대적으로 얇은 상부층이 바람직하다. 실질적으로 상부겹이 전기 전류를 반송하고, 상부겹은 바람직하게는 저부보다 낮은 전기 저항을 가진다. 그럼에도 불구하고, 저부의 각각의 개별층은 상부겹보다 큰 전도도를 가질 수 있다. 상부겹은 상부겹의 두께로 인하여 더 낮은 저항을 가진다. 반송해야 할 전류에 따라, 그리고 음향파로 작동하는 소자의 경우 각각 원하는 질량 밀도(mass density)에 따라 상대적으로 두꺼운 상부겹이 유리하다. 예컨대 Cu로 이루어진 유리한 상부겹은 1 내지 30 nm의 두께이다. Cu를 포함한 상부층 없이, Al 포함한 하이텍스쳐 겹은 충분히 성능 안정적이지 않다.
다른 형성방식에서, 중앙층은 하부층보다 얇거나, 상부층보다 얇다. 따라서, 고가의 Ag를 포함할 수 있는 중앙층을 위한 물질 비용은 줄어든다; 증착 시간은 짧아진다. 상대적으로 얇은 중앙층에도 불구하고, 양호한 텍스쳐가 얻어진다. 이상적 텍스쳐를 위해 바람직한 중앙겹의 두께, 예컨대 Ag로 구성된 중앙겹의 두께는 0.5 nm 내지 10 nm이다.
다른 형성방식에서, 하부층은 질소 원자를 포함한다. 특히 TiN은 하부층의 물질로서 제공된다.
일 형성방식에서, 중앙층은 금, 은, 백금 또는 팔라듐을 포함한다.
일 형성방식에서, 중앙층은 은으로 구성된다. 이러한 금속배선은 주성분으로 티타늄 또는 티타늄화합물을 함유한 하부층, 주성분으로 구리를 함유한 상부층, 및 은을 함유한 중앙층으로 구성된 저부를 포함한다. 이 때, 중앙층은 하부층과 상부층 사이에 배치되어 있다. 금속배선은 특히 높은 성능 안정성을 가지며, 상기 금속배선의 상부겹은 이와 같은 저부 상에 배치되어 있다.
일 실시형태에서, 상부겹은 <1 1 1> 텍스쳐를 포함한다. <1 1 1> 방향은 상부겹의 단위셀의 공간 대각선의 방향이다. 상기 방향은 기판의 면 법선의 방향과 일치한다. 알루미늄은 일반적으로 소위 육각형의 가장 조밀한 패킹(hcp = hexagonal colsepacked)내에 존재한다. 이는 입방 면심화된 공간 격자에 상응한다. <1 1 1> 방향은, 알루미늄 원자들로 구성된 가장 조밀한 가능한 패킹된 겹을 수직으로 관통한다. 이러한 겹은 - <1 1 1> 방향에 대해 수직으로 - 육각형 망을 형성한다. 본 발명에 따른 금속배선은 평면내 텍스쳐(전극의 원자들은 기판 표면에 대해 평행한 방향에서 정렬되어 있다)뿐만 아니라 평면외 텍스쳐(전극의 원자들은 기판 표면에 대해 법선인 방향에서 정렬되어 있다)도 포함한다.
일 실시형태에서, 금속배선의 상부겹은 트윈 텍스쳐(twin texture) 또는 단일 텍스쳐를 포함한다. 앞에 이미 언급한 바와 같이, 상부겹의 원자들은 육각형으로 배치된 원자겹내에서 정렬되어 있다. 단일 텍스쳐는 트윈 텍스쳐보다 높은 질서도를 가진다. 트윈 텍스쳐는 단일 텍스쳐에 비해, 다양한 원자겹 상호간의 알맞은 정렬들 중 2개가 구현되어 있다는 점에서 상이하다. 단일 텍스쳐에서, 모든 겹에 있어서, 인접한 원자겹들 상호간의 소정의 상대적 정렬은 유지된다.
일 실시형태에서, 기판과 금속배선의 하부층 사이에 압전층이 배치되어 있다. 대안적 실시 형태에서, 기판 자체도 압전성이다. 이러한 기판 또는 압전층은 예컨대 리튬탄탈레이트 또는 리튬니오베이트를 포함할 수 있다.
음향파로 작동하는 소자에서, 전극 구조는 압전 효과에 의해 전기적 고주파 신호를 음향파로 변환하고, 반대로 음향파를 전기적 고주파 신호로 변환한다. 서두에 언급한 이중 부하(기계적 부하 및 전기적 부하)로 인하여, 본 발명에 따른 금속배선은 높은 성능 안정성에 의해 음향파로 작동하는 소자에 특히 적합하며, 음향파로 작동하는 소자에 사용되기 위해 제공된다.
이러한 소자는 벌크 음향파로 작동하는 소자일 수 있다. 그러나, 대안적 실시 형태에서, 본 발명에 따른 금속배선은 음향 표면파로 작동하는 소자에 사용된다. 특히, 금속배선을 음향파로 작동하는 듀플렉서에 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 이와 같은 금속 배선을 제조하는 방법은
- 기판을 제공하는 단계,
- 리프트 오프 기술을 이용하여 금속배선을 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 금속배선은, 상기 금속 배선이 리프트 오프 기술을 이용하여 기판 상에 적용된 경우 높은 성능 안정성 및 양호한 전기 전도도를 가진다는 것이 확인되었기 때문에, 이제, 적절한 금속배선을 포함한 소자의 제조 시 자유도가 생긴다.
특히, 본 발명에 따른 금속 배선의 제조 방법은
- 기판 표면을 세정하는 단계,
- 기판 표면 상에 포토레지스트을 적용하는 단계,
- 포토레지스트를 패터닝하는 단계,
- 기판 및 포토레지스트의 노출된 표면 상에 금속배선을 적용하는 단계,
- 포토레지스트 및 그 위에 직접 적용된 금속배선의 영역들을 떼어내는 단계를 포함할 수 있다.
포토레지스트의 패터닝(patterning)은 소위 네거티브 구조의 생성을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명은 실시예 및 그에 속한 개략도에 의거하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 기판 상에 배치된 패터닝된 금속배선의 횡단면도를 도시한다.
도 2는 기판 표면 상의 압전층 상에 배치된, 기판 상에 배치된 패터닝된 금속배선의 횡단면도를 도시한다.
도 3a는 리프트 오프 기술을 이용하여 기판 상에 배치된 일반적 금속배선의 평면내 텍스쳐의 현미경 사진을 도시한다.
도 3b는 리프트 오프 기술로 기판 상에 적용된 본 발명에 따른 금속배선의 평면내 텍스쳐의 현미경 사진을 도시한다.
도 1은 상부겹(TL)을 가진 금속배선(L)의 횡단면도를 도시하고, 금속배선은 저부 상에 배치되어 있다. 저부는 상부층(UL) 및 하부층(BL)을 포함한다. 상부층(UL) 및 하부층(BL)으로 구성된 저부는 기판(S)의 표면 상에 배치되어 있다. 상부겹(TL) 및 저부(UL)로 구성된 금속배선은 예컨대 SAW 소자의 전극 핑거를 위한 금속배선을 나타낼 수 있다. 도 1은 이러한 전극 핑거의 횡단면도를 도시한다.
도 2는 금속배선(M)의 다른 실시형태의 횡단면도를 도시한다. 금속배선(M)은 저부 상에 상부겹(TL)을 포함한다. 저부는 상부층(UL), 하부층(BL) 및 부가 부분으로서 중앙층(ML)으로 구성된다. 기판(S)과 금속배선(M)의 하부층(BL) 사이에 압전층(PL)이 배치되어 있다.
음향파로 작동하는 소자에 금속배선(M)이 사용되면, 이에 상응하여 금속배선으로부터 형성된 전극은 전기적 고주파 신호를 음향파(BAW 또는 SAW)로 변환하거나, 반대로 음향파를 전기적 고주파 신호로 변환한다.
음향 표면파는 기판의 표면에서 확산된다. 기판의 표면에서 음향 표면파가 유도될 수 있으려면, 기판은 극성이 서로 다른 전극 핑거들 사이의 전기장 분포와 상호작용해야 한다.
기판이 압전성이면, 전기적 고주파 교류장은 직접적으로 기판 내에서 음향 표면파를 여기시킬 수 있다. 기판이 압전성이 아니면, 적어도 하나의 압전층(PL)이 기판(S)의 표면 상에서 기판과 금속배선(M) 사이에 필요하다.
도 3a는 구조화되지 않거나 최상의 경우에 거의 구조화되지 않은 전극 표면의 현미경 사진을 도시하며, 상기 전극 표면은 리프트 오프 방법을 이용하여 기판 상에 배치되고 구조화되었다. 이와 달리 도 3b는 본 발명에 따른 하이 텍스쳐 금속배선의 현미경 사진을 도시하며, 금속배선은 마찬가지로 리프트 오프 방법을 이용하여 기판 상에 생성되었다. 육각형 망에 상응하는 3중 대칭의 텍스쳐링을 분명히 인식할 수 있다.
본 발명은 설명한 실시예들 중 어느 하나에 한정되지 않는다. 예컨대 부가적 층들 또는 겹들을 포함하거나 그 층들 또는 겹들이 부가적 요소들을 더 포함하는 변형예도 마찬가지로 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.
BL: 하부층
M: 금속배선
ML: 중앙층
PL: 압전층
S: 기판
TL: 상부겹
UL: 상부층

Claims (20)

  1. 전자 소자 내의 전류 반송 구조물을 위해 기판(S) 상에 배치되고, 저부 및 상기 저부 위에 배치된 상부겹(TL)을 포함하는 금속배선(M)에 있어서,
    상기 저부는 하부층(BL)을 포함하고,
    상기 하부층은 기판 표면 상에 또는 상위에 배치되고, 주성분으로 Ti 또는 티타늄화합물을 포함하고,
    상기 저부는 상부층(UL)을 포함하고,
    상기 상부층은 하부층(BL) 상에 직접적으로 또는 상위에 배치되고, 주성분으로 Cu를 포함하고,
    상기 상부겹(TL)은 상기 상부층 상에 직접 배치되고, 주성분으로 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선(M).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저부 내에 중앙층(ML)을 포함하고,
    상기 중앙층은 하부층(BL)과 상부층(UL) 사이에 배치되고, Al보다 고가인 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 하부층(BL)은 상기 상부층(UL)보다 얇은 것을 특징으로 하는 금속배선.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부층(UL)은 상기 상부겹(TL)보다 얇은 것을 특징으로 하는 금속배선.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙층(ML)은 상기 하부층(BL)보다 얇거나, 상기 상부층(UL)보다 얇은 것을 특징으로 하는 금속배선.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부층(BL)은 2 nm 내지 20 nm의 두께를 가지고,
    상기 중앙층(ML)은 0.5 nm 내지 10 nm의 두께를 가지고,
    상기 상부층(UL)은 1 nm 내지 30 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부층(BL)은 TiN을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙층(ML)은 Ag, Au, Pt 또는 Pd를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙층(ML)은 Ag로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    Al은 상기 상부겹(TL)의 주성분이고,
    상기 상부겹(TL)은 Cu, Mg, Al-Cu 합금, Al-Mg 합금 또는 Al-Cu-Mg 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부겹(TL)은 <1 1 1> 텍스쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부겹(TL)은 트윈 텍스쳐 또는 단일 텍스쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(S)과 상기 하부층(BL) 사이에 압전층(PL)이 배치되는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(S)은 압전성인 것을 특징으로 하는 금속배선.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(S) 또는 압전층(PL)은 LiTaO3 또는 LiNbO3을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    음향파로 작동하는 소자에 사용되기 위한 것을 특징으로 하는 금속배선.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    음향 표면파로 작동하는 소자에 사용되기 위한 것을 특징으로 하는 금속배선.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    음향 표면파로 작동하는 듀플렉서에 사용되기 위한 것을 특징으로 하는 금속배선.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 따른 금속배선을 제조하는 방법에 있어서,
    기판(S)을 제공하는 단계; 및
    리프트 오프 기술을 사용하여 금속배선을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속배선을 제조하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    기판 표면을 세정하는 단계;
    기판 표면 상에 포토레지스트를 적용하는 단계;
    포토레지스트를 패터닝하는 단계;
    기판(S) 및 포토레지스트의 노출된 표면 상에 금속배선을 적용하는 단계; 및
    포토레지스트와 함께, 상기 포토레지스트 위에 직접적으로 적용된 금속배선의 영역들을 떼어내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속배선을 제조하는 방법.
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