DE102010036256B4 - Mikroakustisches Bauelement und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Mikroakustisches Bauelement miteinem Substrat (1), das mindestens eine Schicht (4) auseinem dielektrischen oder piezoelektrischen Material aufweist, undeiner Elektrode (2),dadurch gekennzeichnet, dassdie Elektrode (2) als ALD-Schicht ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung mikroakustischer Bauelemente.
  • Bei der Herstellung mikroakustischer Bauelemente werden übliche Abscheideverfahren wie Aufdampfen, Sputtern oder PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) verwendet. Hierbei treten Schwankungen in der Dicke der abgeschiedenen Schichten auf. Eine ungleichmäßige Materialverteilung kann zwischen verschiedenen Wafern, aber auch auf demselben Wafer vorkommen. Da Kenngrößen der Bauelemente, beispielsweise die Frequenz, empfindlich von der Schichtdicke abhängen, werden die geforderten engen Spezifikationen nur von einem geringen Anteil der so hergestellten Bauelemente erfüllt, falls keine weiteren aufwändigen Prozessschritte durchführt werden.
  • Wenn dielektrische Schichten mit einem der genannten Verfahren abgeschieden werden, ist die Abscheiderate in der Regel so gering, dass der Prozess sehr lange dauert und folglich unwirtschaftlich werden kann, wenn eine große Schichtdicke von mehr als 1 µm hergestellt werden soll.
  • Wenn dielektrische Schichten auf strukturierten Metallebenen aufgebracht werden, soll eine gute Kantenbedeckung der Metallschicht erreicht werden. Falls dicke Metallisierungen mit hohem Metallanteil bedeckt werden, können im dielektrischen Material Hohlräume, so genannte Lunker, auftreten, die die Eigenschaften des Bauelementes deutlich verschlechtern.
  • Bei Oberflächenwellenbauelementen, die mit Elektroden versehen sind, die streifenförmig ausgebildet und kammartig miteinander verzahnt sind, kann ein unerwünschter Materialtransport auftreten, der durch mechanische Spannung in dem Elektrodenmaterial hervorgerufen wird. Ein solcher Materialtransport findet bei bestimmten Metallisierungen (zum Beispiel aus Kupfer) hauptsächlich an äußeren Grenzflächen statt, weswegen eine Ummantelung der Elektroden erforderlich ist. Eine ausreichend gute Abdeckung der äußeren Grenzflächen der Elektroden kann mit den genannten Abscheideverfahren jedoch nicht immer in der gewünschten Weise erreicht werden.
  • Bei Volumenresonatoren werden homogene dielektrische Schichten aufgebracht, um die akustischen Eigenschaften einer piezoelektrischen Schicht zu verändern. Zur Verbesserung der Frequenzgenauigkeit und der Betriebseigenschaften der mikroakustischen Bauelemente können Trimmprozesse durchgeführt werden. Ansonsten werden diejenigen Bauelemente aussortiert, die die vorgegebenen Toleranzgrenzen nicht einhalten.
  • Die Haftung der Schichten, die durch Bedampfen oder Sputtern hergestellt werden, insbesondere harter Schichten, ist unter Umständen ungenügend. Gegebenenfalls ist es erforderlich, die Schichtdicke zu reduzieren oder mit zusätzlichem Aufwand die Fläche, auf die die Schicht aufgebracht werden soll, zu verbessern, beispielsweise in einem O2-Plasma.
  • In der DE 10 2008 016613 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelementes mit mindestens einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material beschrieben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie bei mikroakustischen Bauelementen das Problem zu großer Schichtdickenschwankungen beseitigt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit dem mikroakustischen Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1, mit dem Verfahren zur Herstellung eines mikroakustischen Bauelementes mit dem Merkmal des Anspruches 10 beziehungsweise mit der Verwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition gemäß Anspruch 12 gelöst.
  • Das mikroakustische Bauelement besitzt ein Substrat, das mindestens eine Schicht aus einem dielektrischen oder piezoelektrischen Material aufweist, und eine metallische Streifenstruktur, wobei die metallische Streifenstruktur als ALD-Schicht ausgebildet ist. Als ALD-Schicht wird hierbei eine Schicht angesehen, die mit dem Verfahren der Atomic-Layer-Deposition hergestellt worden ist oder hergestellt werden kann.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel des mikroakustischen Bauelementes ist über dem Substrat eine Deckschicht angeordnet, mit der die metallische Streifenstruktur überdeckt ist, und die Deckschicht ist als ALD-Schicht ausgebildet.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine als ALD-Schicht ausgebildete Streifenstruktur oder Schicht ein Metall der ersten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente oder ein elektrisch isolierendes Oxid, Nitrid oder Carbid eines Elementes der dritten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine als ALD-Schicht ausgebildete Streifenstruktur oder Schicht ein Metall mit 5 bis 20 Atomprozenten eines weiteren Elementes.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine als ALD-Schicht ausgebildete Streifenstruktur oder Schichte ein Oxid, Nitrid oder Carbid mit 5 bis 50 Atomprozenten eines weiteren Elementes, Oxids, Nitrids oder Carbids.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine dielektrische Schicht über einem Schichtstapel angeordnet und als ALD-Schicht ausgebildet. Der Schichtstapel weist mindestens eine dotierte Schicht auf, die eine Dotierstoffkonzentration mit einem Gradienten besitzt.
  • Das mikroakustische Bauelement kann insbesondere ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, ein Bauelement mit geführten Volumenwellen (GBAW: guided bulk acoustic wave) oder ein FBAR-Bauelement (FBAR: thin-film bulk acoustic resonator) sein.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines mikroakustischen Bauelementes wird zumindestdie metallische Streifenstruktur durch Atomic-Layer-Deposition hergestellt. Weiterhin kann eine Deckschicht aus dielektrischem Material durch Atomic-Layer-Deposition hergestellt werden und eine metallische Streifenstruktur aus Gold oder aus einer Kupfer-, Silber- oder Aluminium-Legierung mit der Deckschicht ummantelt werden. Die genannte Aufgabe wird generell durch die Verwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition zur Herstellung eines mikroakustischen Bauelementes gelöst.
  • Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Bauelementes und des Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren.
    • Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines mikroakustischen Bauelementes.
    • Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
  • Die 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein mikroakustisches Bauelement. Ein Substrat 1 weist eine Schicht 4 aus dielektrischem oder piezoelektrischem Material auf. Die Schicht 4 kann auch das gesamte Substrat 1 umfassen, zum Beispiel, wenn das Material des Substrates 1 LiNbO3 ist. Auf der Schicht 4 ist eine metallische Streifenstruktur 2 angeordnet, die insbesondere für Elektroden des Bauelementes vorgesehen sein kann. Die metallische Streifenstruktur 2 kann zum Beispiel eine Mehrzahl parallel zueinander ausgerichteter Metallstreifen sein, die aufeinander folgend abwechselnd mit je einem Anschlussleiter verbunden sind und auf diese Weise zwei Elektroden bilden, die kammartig miteinander verzahnt sind. Mit derartigen Elektroden kann zum Beispiel ein Oberflächenwellenbauelement oder Oberflächenwellenfilter gebildet sein. In dem in der 1 dargestellten Beispiel ist die metallische Streifenstruktur 2 oberseitig mit einer Deckschicht 3 überdeckt, die ein dielektrisches Material, zum Beispiel SiO2, sein kann.
  • Die 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt gemäß der 1. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist statt einer einzelnen Schicht 4 aus dielektrischem oder piezoelektrischem Material ein Schichtstapel aus mindestens zwei Schichten 4, 5, 6 vorhanden. Die Schichten 4, 5, 6 des Schichtstapels können aus unterschiedlichen Materialien oder aus dem gleichen Material gebildet sein. Eine Schicht oder mehrere Schichten des Schichtstapels im Abstand zu der metallischen Streifenstruktur 2 können elektrisch leitend dotiertes Halbleitermaterial sein. Die Dotierstoffkonzentration in dem dotierten Halbleitermaterial kann insbesondere einen Gradienten aufweisen.
  • Die Schicht 4 aus dielektrischem oder piezoelektrischem Material, die metallische Streifenstruktur 2 und wahlweise zusätzlich die Deckschicht 3 sind als ALD-Schicht ausgebildet, worunter verstanden werden soll, dass diese Schicht mit einem Verfahren der Atomic-Layer-Deposition hergestellt worden ist. Mit diesem Verfahren werden atomare Lagen aus der Gasphase abgeschieden. Auf diese Weise lassen sich extrem dünne Schichten (sich selbst passivierende Monolagen) mit sehr gleichmäßiger Dicke herstellen, was für die mikroakustischen Bauelemente besonders vorteilhaft ist. Die Herstellung ist außerdem gut reproduzierbar, so dass eine optimale Frequenzgenauigkeit und Performance der Bauelemente erzielt werden.
  • Die Abscheidung aus der Gasphase ermöglicht eine optimale Kantenbedeckung, unabhängig von Material, Dicke und Metallisierungsgrad einer Schicht oder Schichtstruktur, auf die die Abscheidung erfolgt. Auf diese Weise kann insbesondere eine optimale Bedeckung einer Metallisierung erreicht werden, so dass die in der Metallisierung auftretende mechanische Eigenspannung und der dadurch bedingte Materialtransport an der Oberfläche der Metallisierung verringert werden.
  • Das Verfahren der Atomic-Layer-Deposition bewirkt eine sehr gute chemische Anbindung des abgeschiedenen Materials an die davon bedeckte Oberfläche. Die Haftung der so hergestellten Schichten ist deshalb sehr gut.
  • Bei Abscheidung aus der Gasphase kann der verwendete Reaktor fast beliebig in der Größe skaliert werden, ohne die Eigenschaften der Abscheidung zu verändern. Deshalb kann mit diesem Verfahren eine große Anzahl verschiedener Wafer in einem Durchlauf (Run) bearbeitet werden, und dieses Verfahren ist daher auch für die Herstellung dicker dielektrischer Schichten geeignet.
  • Bei FBAR-Bauelementen (thin-film bulk acoustic resonator) können Spiegelschichten, Elektroden und/oder piezoelektrische Schichten als ALD-Schichten ausgebildet werden. Mit dem ALD-Verfahren hergestellte Spiegelschichten sind auch für andere akustische Bauteile, insbesondere solche, die mit so genannten Phononic-Bandgaps arbeiten, geeignet.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Herstellung von GBAW-Bauelementen (guided bulk acoustic wave). Bei der Herstellung der Bauelemente muss sichergestellt werden, dass im Bereich der akustischen Welle keine störenden Unregelmäßigkeiten auftreten. Bei Metallisierungen mit hohem Aspektverhältnis, also mit deutlich ausgeprägten Stufen, erhält man bei herkömmlicher Abscheidung einer SiO2-Schicht häufig eine unregelmäßige Bildung von Hohlräumen. Durch die Verwendung des ALD-Verfahrens kann eine SiO2-Schicht auch bei hohem Aspektverhältnis lunkerfrei abgeschieden werden, so dass insbesondere GBAW-Bauelemente erheblich verbessert werden.
  • Auf herkömmlichen Oberflächenwellenbauelementen kann eine ALD-Schicht als extrem dünne, aber genau definierte Schicht zu Passivierungs- oder Trimmzwecken vorgesehen werden. Eine Deckschicht, insbesondere eine Deckschicht aus SiO2, kann als ALD-Schicht so dünn hergestellt werden, dass sie die Betriebseigenschaften (Performance) der Bauelemente nicht negativ beeinflusst. Mit Atomic-Layer-Deposition kann insbesondere eine Metallisierung aus Kupfer hergestellt werden.
  • Weitere ALD-Schichten, die bei mikroakustischen Bauelementen vorgesehen werden können, sind zum Beispiel Metallisierungsschichten mit einem geringen Anteil eines Dotierstoffes, der als sehr dünne Schicht eingebracht wird; harte dielektrische Schichten auf LiNbO3 oder LiTaO3; Schichtsysteme, die sich graduell verändern; Keimschichten (Seedlayer) zur Veränderung von Materialeigenschaften bei FBAR-Bauelementen; extrem genau und gleichmäßig abgeschiedene Tuning-, Trimming- und Passivierungslagen bei FBAR-Bauelementen; Haftschichten für UBM. Außerdem können spezielle Schichten, die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und zur Wärmediffusion eingesetzt werden, um lokale Überhitzungen zu vermeiden, (heat spreader) als ALD-Schichten vorgesehen werden.
  • Bei einer Anwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition für ein Oberflächenwellenbauelement kann insbesondere eine Deckschicht, die die Oberfläche des Bauelementes teilweise oder vollständig bedeckt, als ALD-Schicht ausgebildet sein. Bei einem Oberflächenwellenbauelement befindet sich üblicherweise auf einem piezoelektrischen Material eine metallische Streifenstruktur aus einem metallischen Basismaterial. Das Basismaterial kann mit mindestens einem weiteren metallischen Element legiert sein. Die metallische Streifenstruktur kann amorph, nanokristallin und/oder polykristallin sein. Sie kann auch aus einem mehrlagigen System (Multilayer) bestehen. Die metallische Streifenstruktur ist als ALD-Schicht ausgebildet. Speziell können sowohl die Deckschicht als auch die metallische Streifenstruktur als ALD-Schichten ausgebildet sein.
  • Eine ALD-Schicht eines Oberflächenwellenbauelementes kann ein Element der ersten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente aufweisen. Statt nur eines dieser Elemente kann eine Verbindung oder Legierung aus mindestens zwei dieser Elemente in der ALD-Schicht vorhanden sein. Bei diesen Elementen handelt es sich insbesondere um Metalle hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Palladium, Platin, Molybdän oder Rubidium. Diese Metalle sind insbesondere für die Elektroden des Oberflächenwellenbauelementes geeignet. Bei bevorzugten Ausgestaltungen kann insbesondere eines oder mehrere weitere Elemente in einem Anteil von 5 bis 20 Atomprozenten in der ALD-Schicht enthalten sein.
  • Eine dielektrische ALD-Schicht eines Oberflächenwellenbauelementes kann insbesondere ein Oxid, Nitrid oder Carbid eines Elementes der dritten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente sein. Hierfür kommen insbesondere Aluminiumoxid, Titanoxid, Rubidiumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Siliziumoxid, Tantalnitrid, Titannitrid, Titanaluminiumnitrid und Titancarbid in unterschiedlichen stöchiometrischen Verbindungen in Frage. Zusätzlich kann eines oder mehrere weitere Elemente oder Verbindungen, insbesondere aus den angegebenen Gruppen von Elementen, Oxiden, Nitriden oder Carbiden, vorzugsweise in einem Anteil von 5 bis 50 Atomprozenten, zur Stabilisierung einer bestimmten kristallographischen Phase vorhanden sein.
  • Bei dem mikroakustischen Bauelement können dielektrische oder elektrisch isolierende Schichten durch eine sequenzielle Herstellung mittels Atomic-Layer-Deposition als Multilagenanordnung erzeugt werden. Die elektrisch isolierenden Schichten können statt dessen durch eine gleichzeitige Herstellung mehrerer Komponenten mittels Atomic-Layer-Deposition als dotierte Schicht oder als Schichtstapel erzeugt werden, wobei mindestens eine Schicht des Schichtstapels dotiert sein kann. Mindestens eine Schicht des Schichtstapels kann insbesondere in einer Weise dotiert sein, dass die Dotierstoffkonzentration einen Gradienten in der Richtung senkrecht zur Schichtebene aufweist.
  • Ein metallisches Basismaterial, das in einem mikroakustischen Bauelement zum Beispiel als metallische Streifenstruktur eingesetzt wird, kann mindestens ein weiteres Element enthalten, das eine Diffusionskonstante für seine Diffusion in dem metallischen Basismaterial besitzt, die höher ist als die Selbstdiffusionskonstante des metallischen Basismateriales. Die Selbstdiffusionskonstante ist die Diffusionskonstante für das metallische Basismaterial in sich selbst. Die metallische Streifenstruktur kann in dem Basismaterial das weitere Element in gelöster Form als Legierung oder Solid-Solution, als Ausscheidung (Precipitation) oder als eine oder mehrere Multilagen enthalten. Ein metallisches oder isolierendes Basismaterial einer ALD-Schicht kann außerdem mindestens ein weiteres Element enthalten, mit welchem eine gezielte Einstellung der Fehlanpassung der Gitterkonstanten zwischen der mittels ALD aufgebrachten Schicht und einer jeweils benachbarten Schicht oder des Substrates vorgenommen wird.
  • Die gewünschten Eigenschaften der metallischen oder isolierenden ALD-Schicht können durch Wärmebehandlung und/oder äußere Triebkräfte in einer gezielt eingestellten Atmosphäre, vorzugsweise unter Gasatmosphäre und im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 300°C, eingestellt und fixiert werden.
  • Eine insbesondere als Elektroden vorgesehene metallische Streifenstruktur kann zum Beispiel aus einer Kupfer-, einer Silber- oder einer Aluminium-Basislegierung oder aus Gold bestehen. Die metallische Streifenstruktur kann aus einem Material gebildet sein, das derart mittels Atomic-Layer-Deposition ummantelt werden kann, dass nur dieses Material ummantelt wird. Zu diesem Zweck kann die Streifenstruktur ein Element enthalten, das eine Reaktivität (freie Bindungen) an einer freiliegenden Oberfläche der Streifenstruktur erzeugt.
  • Eine ALD-Schicht des Bauelementes kann amorph, nanokristallin, polykristallin oder einkristallin sein. Im Fall einer nanokristallinen ALD-Schicht werden die Korngrößen vorzugsweise im Wesentlichen in einem Bereich unterhalb von 50 nm gehalten.
  • Die Verwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition zur Herstellung mikroakustischer Bauelemente hat den Vorteil, dass eine sehr präzise Kontrolle der Schichtdicken möglich ist. Ein Trimmprozess kann zwar gegebenenfalls durchgeführt werden, um Frequenzstreuungen aufgrund sonstiger Einwirkungen auszugleichen, ist aber grundsätzlich nicht mehr erforderlich. Daher wird der gesamte Herstellungsprozess deutlich vereinfacht und somit auch wesentlich wirtschaftlicher.
  • Aufgrund der guten Kantenbedeckung, die mit einer Verwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition zur Herstellung mikroakustischer Bauelemente erreicht wird, ist es möglich, eine sehr gute Ummantelung einer Metallisierung herzustellen. Vor allem bei Metallisierungen aus Kupfer wird dadurch ein im Wesentlichen an der Oberfläche des Metalls stattfindender Diffusionsprozess deutlich verringert. Gleichzeitig wird eine definierte Einstellung des Eigenspannungszustandes erreicht, so dass die mittlere mechanische Eigenspannung der Metallisierung bei Belastung minimiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    metallische Streifenstruktur
    3
    Deckschicht
    4
    Schicht aus dielektrischem oder piezoelektrischem Material
    5
    Schicht eines Schichtstapels
    6
    Schicht eines Schichtstapels

Claims (12)

  1. Mikroakustisches Bauelement mit einem Substrat (1), das mindestens eine Schicht (4) aus einem dielektrischen oder piezoelektrischen Material aufweist, und einer Elektrode (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) als ALD-Schicht ausgebildet ist.
  2. Mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode als metallische Streifenstruktur (2) ausgebildet ist und über dem Substrat (1) eine Deckschicht (3) angeordnet ist, die die metallische Streifenstruktur (2) überdeckt, und bei dem die Deckschicht (3) als ALD-Schicht ausgebildet ist.
  3. Mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die als ALD-Schicht ausgebildete Elektrode (2) ein Metall der ersten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente aufweist.
  4. Mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die als ALD-Schicht ausgebildete Elektrode (2) ein Metall und 5 bis 20 Atomprozent eines weiteren Elementes aufweist.
  5. Mikroakustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem eine Schicht (4) aus einem dielektrischen oder piezoelektrischen Material als ALD-Schicht ausgebildet ist.
  6. Mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die als ALD-Schicht ausgebildete Schicht (3, 4) ein Oxid, Nitrid oder Carbid und 5 bis 50 Atomprozent eines weiteren Elementes, Oxids, Nitrids oder Carbids aufweist.
  7. Mikroakustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem eine dielektrische Schicht (3) über einem Schichtstapel (4, 5, 6) angeordnet ist, die dielektrische Schicht (3) als ALD-Schicht ausgebildet ist und der Schichtstapel (4, 5, 6) mindestens eine dotierte Schicht aufweist, die eine Dotierstoffkonzentration mit einem Gradienten besitzt.
  8. Mikroakustisches Bauelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das als akustisches Oberflächenwellenbauelement, als Bauelement mit geführten Volumenwellen oder als FBAR-Bauelement ausgebildet ist.
  9. Mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 5-8, bei dem die Schicht (3, 4) ein elektrisch isolierendes Oxid, Nitrid oder Carbid eines Elementes der dritten, vierten, fünften, sechsten oder achten Nebengruppe oder der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines mikroakustischen Bauelementes, bei dem eine Elektrode durch ein Verfahren einer Atomic-Layer-Deposition hergestellt wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines mikroakustischen Bauelementes nach Anspruch 10, bei dem eine Deckschicht (3) aus dielektrischem Material durch das Verfahren der Atomic-Layer-Deposition hergestellt wird und eine als metallische Streifenstruktur (2) ausgebildete Elektrode aus Gold oder aus einer Kupfer-, Silber- oder Aluminium-Legierung mit der Deckschicht (3) ummantelt wird.
  12. Verwendung des Verfahrens der Atomic-Layer-Deposition zur Herstellung einer Elektrode für ein mikroakustisches Bauelement nach Anspruch 1.
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