DE10216559A1 - Acoustic surface wave component has strip structures of thin film metallisation system as finger electrodes with strip structures partly or fully encased by thin film based on tantalum or silicon - Google Patents
Acoustic surface wave component has strip structures of thin film metallisation system as finger electrodes with strip structures partly or fully encased by thin film based on tantalum or siliconInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leistungs-SAW Bauelementen (Power SAW Devices) mit einem neuartigen Metallisierungssystem 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. The invention relates to a method for producing power SAW components (Power SAW Devices) with a novel metallization system based on Copper thin films. Thin barrier layers are used for this copper SAW technology Prevention of interdiffusion of substance required, especially against oxygen and Copper diffusion.
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 (Iift off-Technik) strukturiert. For the production of SAW components, international metallization systems for the production of finger electrodes based on Al, Al alloys and Al layer systems are used. For this purpose, one or more metal layers (multilayers ) are deposited on a piezoelectric substrate (quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 , ZnO layers or the like), on which there is a resist mask, using known deposition processes, advantageously electron beam evaporation or magnetron sputtering, and then structured by peeling off the paint mask (Iift off technique).
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, ineinandergreifende Elektroden erzeugt, deren Einzelfinger einen definierten Abstand voneinander und einen bestimmten Überlappungsbereich (Apertur) aufweisen sowie eine wohldefinierte Geometrie besitzen. Another principle of structuring is etching technology (either dry or wet chemical etching), in which the wafers are completely coated with metal be and the electrode part to be obtained is covered with a mask, while the to removing places are etched away. In this way, two become finger-like structured, interlocking electrodes are produced, the individual fingers of which define a defined one Have a distance from each other and a certain overlap area (aperture) and have a well-defined geometry.
Eine weitere prinzipielle Möglichkeit der Herstellung strukturierter Metallfingerstrukturen ist mit dem CMP-Verfahren gegeben. Das CMP 3 (chemisch-mechanisches 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 urd 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 [1]. Another basic possibility of producing structured metal finger structures is the CMP process. The CMP 3 (chemical mechanical polishing) was originally developed as a planarization process for SiO 2 . When applied to three-dimensionally deposited metal layers in the so-called Damascene + technology, the planarizing effect of the process leads to their structuring, which makes the CMP an alternative structuring method for metals. Due to the chemical and physical mode of action and the wide range of variation of the chemicals and additives, this process offers the possibility to process a wide range of applications, even of very hard coatings. For this purpose, the required layer sequence is introduced into a trench structure, which can preferably be in the silicon oxide or also in the substrate, and planarized in alternation with the coating using the CMP method [1].
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) bzw. 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 bzw. partieller Delamination der Metallschicht, besonders ausgeprägt in Al-Basissystemen. Dieser Prozess ist in der Literatur als Akustomigration bekannt [2-6]. 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 [4, 6]. 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. By applying a high frequency voltage to the pair of finger electrodes, a time-dependent electrical field strength between two oppositely polarized Electrode fingers generated, whereby a location-dependent in the piezoelectric substrate material Shifting of the lattice building blocks results. It becomes a surface acoustic wave generates a certain depending on the geometric and material-specific conditions and basically has predictable spreading characteristics. With good liability the Metallization on the substrate transfers this mechanical distortion of the Substrate material as local expansion (mechanical tension) or compression (mechanical Pressure) on the finger electrodes. By constantly changing the polarity of each other neighboring electrodes in the frequency of the applied electrical voltage arises this way a highly dynamic mechanical bending-tension alternating stress (high cyclic fatique loading). This cyclical loading with high frequency causes at high Amplitudes of the SAW and / or temperatures, d. H. at high power densities, in Electrode material a stress-induced demonstrable by microscopic methods Mass transfer, visible depending on the material on a more or less pronounced perforated and hill formation or partial delamination of the metal layer, particularly pronounced in Al-based systems. This process is known in the literature as acustom migration [2-6]. It could be demonstrated experimentally that this mass transport with a change correlates the electrical signal behavior of SAW components. For example, could in the case of filter components, a clear, irreversible shift in the resonance frequency as well as a change in the amplitude in the admittance curve [4, 6]. The In addition to the performance, the intensity of the damage caused by hole and hill formation is also dependent on the Operating time (for a given performance) of the components depends, which also means low power densities are related to the service life. With strong The component fails to function properly.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von akustischen Oberflächenwellen-, Bauelementen, bei denen eine geringe oder keine Interdiffusion von Stoffen auftreten und ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung. The object of the invention is to create surface acoustic wave, Components with little or no interdiffusion of substances and a simple method of making them.
Die Erfindung wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The invention is solved by the invention specified in the claims. Further training is the subject of the subclaims.
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. The surface acoustic wave components according to the invention have Strip structures from a thin-film metallization system as Finger electrodes on which at least the strip structures are partially or are completely covered with a thin layer based on Ta and Si.
Vorteilhafterweise besteht das Dünnschicht-Metallisierungssystem aus einem Cu- Dünnschichtsystem. The thin-film metallization system advantageously consists of a copper Thin-film system.
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. The thin layer is likewise advantageously based on Ta and Si 20-80 atomic% Ta, from 15-50 atomic% Si and from 0 to 60 atomic% 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. The thin layer is particularly advantageously based on Ta and Si from 25-35 atomic% Ta, from 15-25 atomic% Si and from 45 to 60 atomic% N.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si amorph vorliegt. It is also advantageous if the thin layer is based on Ta and Si amorphous.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si die Fingerelektroden vollständig ummantelt. It is also advantageous if the thin layer based on Ta and Si Fully coated finger electrodes.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si eine leitfähige Schicht ist. It is also advantageous if the thin layer based on Ta and Si is one is conductive layer.
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. But it is also advantageous if the stripe structures are covered as a whole and the covering thin film based on Ta and Si is made insulating is.
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. The object is further achieved by a method for producing surface acoustic wave components, in which in a cluster system an unstructured or in thin trenches of a structured wafer Metallization system and the thin film based on Ta and Si as Two-layer or as a multi-layer system can be deposited.
Vorteilhafterweise werden die Fingerelektroden und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si auf einem piezoelektrischen Substrat abgeschieden. The finger electrodes and the thin layer are advantageously based on the deposited by Ta and Si on a piezoelectric substrate.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Abscheidung auf einem piezoelektrische Substrat aus Quarz, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, KNbO3, GaPO4 LizBaO7 oder La3Ga5SiO14 vorgenommen. The deposition is likewise advantageously carried out on a piezoelectric substrate made of quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 , ZnO, KNbO 3 , GaPO 4 LizBaO 7 or La 3 Ga 5 SiO 14 .
Auch vorteilhafterweise werden die Fingerelektroden aus einem Cu- Dünnschichtsystem mittels Magnetronsputtern, elektrochemischen Verfahren, MOCVD oder Verdampfen abgeschieden. The finger electrodes are also advantageously made of a copper Thin-film system using magnetron sputtering, electrochemical processes, MOCVD or evaporation deposited.
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. It is also advantageous if the thin layers made of TaSiN by means of the reactive Sputtering are deposited from a TaSi target under a nitrogen atmosphere. It is also advantageous if the deposition by means of magnetron sputtering without Vacuum interruption is carried out.
Es ist auch vorteilhaft, wenn das abgeschiedene Dünnschicht-Metallisierungssystem und/oder die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si getempert werden. It is also advantageous if the deposited thin film metallization system and / or the thin layer is annealed on the basis of Ta and Si.
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. And it is also advantageous if the thin-film metallization system and the Thin film based on Ta and Si in trenches of a structured wafer be deposited.
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. Higher resistance to acustom migration show thin-film Metallization systems based on Cu. The use is for these technologies the sheathing according to the invention is particularly advantageous since this sheathing acts as a diffusion barrier and the diffusion of copper into the substrate and also the Reaction with oxygen with the generally uncovered finger electrodes largely or completely prevented.
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. With the amorphously deposited thin-film system which is advantageous according to the invention TaSiN turns very good properties of surface acoustic waves into Components reached. In particular, such components are according to the invention to far above the SAW operating temperatures and that for technological Intermediate treatments necessary temperatures stable.
Die chemische Zusammensetzung kann dabei in einem weiten Bereich variieren. The chemical composition can vary within a wide range.
Im weiteren ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail using several exemplary embodiments.
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. TaSiN layers were deposited on a Cu layer using magnetron sputtering and without vacuum interruption in a cluster system on a LiNbO 3 wafer. The TaSiN layers encased the Cu layers, which are in the form of finger electrodes.
Bild 1a) zeigt ein Ergebnis einer AES-Untersuchung für bei 400°C getemperten Proben mit der erfindungsgemäßen Schichtfolge TaSiN(50 nm)/Cu(150 nm)/TaSiN(50 nm) im Vergleich zu Bild 1b) mit einer Schichtfolge von Ti(50 nm)/Cu(150 nm)/Ta(50 nm). Figure 1a) shows a result of an AES examination for samples tempered at 400 ° C with the layer sequence TaSiN (50 nm) / Cu (150 nm) / TaSiN (50 nm) in comparison with Figure 1b) with a layer sequence of 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.
In the layer sequence according to the invention, a very good barrier effect can still be determined at 400 ° C. due to the amorphous state of the coating layer.
Aufbringen des Lackes auf Substratvorderseite Apply the varnish to the front of the substrate
Trocknen des Lackes Drying the paint
Belichtung des Lackes mit entsprechender Maske Exposure of the varnish with the appropriate mask
Härten des Lackes Hardening of the paint
Prozeßparameter der ICP-Reinigung: Process parameters of ICP cleaning:
Leistung (Target): 200 W Power (target): 200 W.
Leistung (Substrat): 50 W Power (substrate): 50 W.
Arbeitsgas: Ar Working gas: Ar
Ar-Fluß: 10 sccm Ar flow: 10 sccm
Arbeitsdruck: 1 mTorr Working pressure: 1 mTorr
Resultierende Bias-Spannung: 135 V Resulting bias voltage: 135 V
Reinigungszeit: 3 min Cleaning time: 3 min
Prozeßparameter der Abscheidung: Process parameters of the deposition:
Leistung (Target): 1000 W Power (target): 1000 W.
Leistung (Substrat): 0 W Power (substrate): 0 W
Targetmaterial:. Ta Target material :. Ta
55
SiSi
33
Arbeitsgas: Ar Working gas: Ar
Ar-Fluß: 5 sccm Ar flow: 5 sccm
Reaktionsgas: N Reaction gas: N
N N
22
-Fluß: 4 sccm-Flow: 4 sccm
Arbeitsdruck: 1,2 mTorr Working pressure: 1.2 mTorr
Resultierende Bias-Spannung: 110 V Resulting bias voltage: 110 V
Sputterzeit: 2:06 min Sputtering time: 2:06 min
Substrattemperatur: 25°C Substrate temperature: 25 ° C
Prozeßparameter der Abscheidung: Process parameters of the deposition:
Leistung (Target): 4000 W Power (target): 4000 W
Targetmaterial: Cu Target material: Cu
Arbeitsgas: Ar Working gas: Ar
Ar-Fluß: 3 sccm Ar flow: 3 sccm
Arbeitsdruck: 0,9 mTorr Working pressure: 0.9 mTorr
Sputterzeit: 0:45 min Sputtering time: 0:45 min
Substrattemperatur: 25°C Substrate temperature: 25 ° C
Prozeßparameter der Abscheidung: Process parameters of the deposition:
Leistung (Target): 1000 W Power (target): 1000 W.
Leistung (Substrat): 0 W Power (substrate): 0 W
Targetmaterial: Ta Target material: Ta
55
SiSi
33
Arbeitsgas: Ar Working gas: Ar
Ar-Fluß: 5 sccm Ar flow: 5 sccm
Reaktionsgas: N Reaction gas: N
N N
22
-Fluß: 4 sccm-Flow: 4 sccm
Arbeitsdruck: 1,2 mTorr Working pressure: 1.2 mTorr
Resultierende Bias-Spannung: 110 V Resulting bias voltage: 110 V
Sputterzeit: 2:06 min Sputtering time: 2:06 min
Substrattemperatur: 25°C Substrate temperature: 25 ° C
Entfernen des Lackes mit Acetonbad und Ultraschall (10 min) Entfernen der Lackreste mit Ethanolbad und Ultraschall (5 min) Trocknen des Substrates Remove the varnish with an acetone bath and ultrasound (10 min) Remove the paint residue with an ethanol bath and ultrasound (5 min) Drying the substrate
Zusammensetzung und spezifischer Widerstand der TaSiN-Schichten mit variierten StickstoffgehaltComposition and specific resistance of the TaSiN layers with varied nitrogen content
Durch die 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. In Bild 1 ist die Schichtzusammensetzung in Abhängigkeit des N2-Flusses
dargestellt. Die Zusammensetzung wurde durch Rutherford Back Scattering bestimmt.
Bild 1
Zusammensetzung der Barriereschicht in Abhängigkeit des N2-Flusses
The nitrogen content in the TaSiN layer is specifically changed by varying the N 2 flow during the sputtering process. By changing the composition, the microstructural properties (e.g. the specific resistance) of the barrier layer are influenced. Figure 1 shows the layer composition as a function of the N 2 flow. The composition was determined by Rutherford back scattering. Figure 1 Composition of the barrier layer depending on the N 2 flow
Der spezifische elektrische Widerstand steigt mit zunehmenden Stickstoffgehalt an (s. Bild 2).
Werden mehr als 50% Stickstoff in die TaSiN-Schicht eingebracht, so werden diese
elektrisch isolierend.
Bild 2
Spezifischer Widerstand in Abhängigkeit des Stickstoffanteiles
The specific electrical resistance increases with increasing nitrogen content (see Fig . 2). If more than 50% nitrogen is introduced into the TaSiN layer, these become electrically insulating. Figure 2 Specific resistance depending on the nitrogen content
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