DE10216559B4 - Acoustic surface acoustic wave device and method for its production - Google Patents
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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.acoustic Surface acoustic wave device with stripe structures of a thin-film metallization system as finger electrodes, where at least the stripe structures partly or completely with a thin film are coated on the basis of Ta and Si.
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.The The invention relates to a method for producing power SAW Components (Power SAW Devices) with a novel Metallisierungssytem based on copper thin films. For this Copper SAW technology are thin Barrier layers to prevent interdiffusion of fabric 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 (lift-off-Technik) strukturiert.For the production of SAW components, international metallization systems are used for the production of finger electrodes based on Al, Al alloys and Al layer systems. 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 methods, advantageously electron beam evaporation or magnetron sputtering, and then structured by detachment of the resist mask (lift-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, ineinander greifende Elektroden erzeugt, deren Einzelfinger einen definierten Abstand voneinander und einen bestimmten Überlappungsbereich (Apertur) aufweisen, sowie eine wohldefinierte Geometrie besitzen.A other principle possibility structuring is the etching technology (either dry or wet chemical etching), where the wafers complete coated with metal and the electrode part to be obtained covered with a mask while the places to be removed etched become. In this way, two finger-like structured, into each other produces gripping electrodes whose individual fingers have a defined 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 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)).Another principle possibility of producing structured metal finger structures is given by the CMP method. CMP3 (chemical metal 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 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 may be located preferably in the silicon oxide or else in the substrate, and planarized in alternation with the coating with the CMP process (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 12th European Congress on Electron Microskopy, Vol. II, Physical Sciences, July 2000, Brno, Czech, pp. 541–542; S. Menzel, u.a., Proc. 6th 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 12th 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.By applying a high-frequency voltage to the finger electrode pair, a time-dependent electric field strength is generated between two oppositely poled electrode fingers, resulting in a location-dependent displacement of the grating components in the piezoelectric substrate material. A surface acoustic wave is generated which, depending on geometric and material-specific conditions, has a specific propagation characteristic that can be calculated in principle. With good adhesion of the metallization on the substrate, this mechanical distortion of the substrate material translates as local strain (mechanical tension) or compression (mechanical pressure) on the finger electrodes. By constantly changing the polarity of the adjacent electrodes in the frequency of the applied electrical voltage in this way creates a high dynamic mechanical bending-tensile alternating stress (high cyclic fatique loading). This cyclic loading at high frequency causes at high amplitudes of the SAW and / or temperatures, ie at high power densities, in the electrode material detectable by microscopic methods stress-induced mass transfer, visible depending on the material at a more or less pronounced hole and hill formation or partial delamination the metal layer, especially pronounced in Al base systems. This process is known in the literature as akustomigration (N. Kimura, et al., IEEE Ultrasonics Symp. Proc., 1998, pp. 315-318; W. Ruile, et al., IEEE Ultrasonics Symp. Proc. 2000, pp. 275-278; workshop S. Menzel, among others, Proc 6 th Int; S. Menzel, among others, Proceedings of the 12 th European Congress on Electron Microskopy, Vol II, Physical Sciences, July 2000, Brno, Czech, pp 541-542.... Phenomena in Metallization, Ithaca 2001; H. Schmidt, IEEE Ultrasonics Symp. 2001, Atlanta submitted). It has been experimentally proven that this mass transport correlates with a change in the electrical signal behavior of SAW devices. For example, a significant non-reversible shift of the resonance frequency and a change in the amplitude in the admittance curve could in filter components are detected (p Menzel, among others, Proceedings of the 12 th European Congress on Electron Microskopy, Vol. II, Physical Sciences, July 2000, Brno, Czech, pp. 541-542, H. Schmidt, et al., IEEE Ultrasonics Symp., 2001, Atlanta submitted). The intensity of damage caused by hole and hill formation is dependent not only on the power but also on the operating time (for a given power) of the components, which results in a connection to the service life even at low power densities. In case of severe damage, the component fails in its function.
Bekannt
ist nach der
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.To WO 00/33394 is a surface acoustic wave device known, which consists of a metallized piezoelectric substrate consists, wherein between the substrate and metallization electrodes are arranged. These electrodes consist of a first layer of pure titanium and a second layer of an aluminum and titanium alloy.
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 (
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.task The invention relates to the provision of surface acoustic wave devices where little or no interdiffusion of substances occurs and a simple process for their preparation.
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 developments are the subject of the dependent claims.
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 acoustic according to the invention Surface Acoustic Wave Components have strip structures from a thin-film metallization system as finger electrodes, where at least the stripe structures partially or completely with a thin film are coated on the basis of Ta and Si.
Vorteilhafterweise besteht das Dünnschicht-Metallisierungssystem aus einem Cu-Dünnschichtsystem.advantageously, consists of the thin-film metallization system from a Cu 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.Also Advantageously, there is the thin film on the basis of Ta and Si from 20-80 atom% Ta, from 15-50 atom% Si and from 0 to 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.Especially Advantageously, there is the thin film based on Ta and Si from 25-35 at.% Ta, from 15-25 at.% Si and from 45 to 60 atom% N.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si amorph vorliegt.Farther It is advantageous if the thin film is amorphous on the basis of Ta and Si.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si die Fingerelektroden vollständig ummantelt.Also It is advantageous if the thin layer based on Ta and Si, the finger electrodes completely sheathed.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si eine leitfähige Schicht ist.Also It is advantageous if the thin layer based on Ta and Si is a 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 strip structures covered in total are and the covering thin film is formed insulating on the basis of Ta and Si.
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.Farther the task is solved by a method for producing surface acoustic wave components, at a cluster plant on an unstructured or in a cluster plant trenches of a patterned wafer, the thin film metallization system and the thin film on the basis of Ta and Si as a two-layer system or as a multilayer system be deposited.
Vorteilhafterweise werden die Fingerelektroden und die Dünnschicht auf der Basis von Ta und Si auf einem piezoelektrischen Substrat abgeschieden.advantageously, The finger electrodes and the thin film are based on Ta and Si deposited on a piezoelectric substrate.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Abscheidung auf einem piezoelektrische Substrat aus Quarz, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, KNbO3, GaPO4 Li2B4O7 oder La3Ga5SiO14 vorgenommen.Also advantageously, the deposition is carried out on a piezoelectric substrate made of quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 , ZnO, KNbO 3 , GaPO 4 Li 2 B 4 O 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.Also Advantageously, the finger electrodes are made of a Cu thin film system by means of 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 beneficial if the thin films from TaSiN by reactive sputtering from a TaSi target under nitrogen atmosphere be deposited. It is likewise advantageous if the deposition is performed by means of magnetron sputtering without vacuum interruption.
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 when the deposited thin film metallization system and / or the thin film be tempered 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 likewise advantageous if the thin-film metallization system and the thin film based on Ta and Si in trenches of a patterned 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.a higher Resistance to acoustomigration show thin-film metallization systems on the base from Cu. For These technologies are the use of the sheath according to the invention very cheap, because this sheath acts as a diffusion barrier and diffusion of copper in 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 invention advantageous amorphous deposited thin film system TaSiN achieves very good properties of the surface acoustic wave components. In particular, such devices according to the invention are far above SAW operating temperatures and for intermediate technological 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.in the Furthermore, the invention is explained in more detail in several embodiments.
Beispiel 1example 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.TaSiN layers have been deposited on a Cu layer by means of magnetron sputtering and without vacuum interruption in a cluster system on a LiNbO 3 wafer. The TaSiN layers encapsulated the Cu layers, which are in the form of finger electrodes.
Dabei zeigtthere shows
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 zeigt1a) a result of an AES examination for samples tempered at 400 ° C. with the layer sequence according to the invention TaSiN (50 nm) / Cu (150 nm) / TaSiN (50 nm)
in comparison shows
Bild 1b) eine Schichtfolge von Ti (50 nm)/Cu (150 nm)/Ta (50 nm).image 1b) 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.at the layer sequence according to the invention is still at 400 ° C due to the amorphous state of the sheath layer a very good barrier effect.
Beispiel 2Example 2
1. Lithographie zur Strukturierung der SAW-Bauelemente:1. Lithography for structuring the SAW components:
- Aufbringen des Lackes auf SubstratvorderseiteApply the paint on the front of the substrate
- Trocknung des LackesDrying of the paint
- Belichtung des Lackes mit entsprechender MaskeExposure of the paint with appropriate mask
- Härten des Lackeshardening of the paint
2.
Trockenreinigung der Substratoberfläche Prozessparameter
der ICP-Reinigung:
6. Nasslackentfernung (lift off)6. Wet paint removal (lift off)
- Entfernen des Lackes mit Acetonbad und Ultraschall (10 min)Removal of the paint with acetone bath and ultrasound (10 min)
- Entfernen der Lackreste mit Ethanolbad und Ultraschall (5 min)Removal of the paint residue with ethanol bath and ultrasound (5 min)
- Trocknen des SubstratesDry the substrate
Nachfolgend wird Zusammensetzung und spezifischer Widerstand der TaSiN-Schichten mit variiertem Stickstoffgehalt beschrieben.following becomes composition and resistivity of the TaSiN layers described with varied nitrogen content.
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.By varying the N 2 flow during the sputtering process, the nitrogen content in the TaSiN layer is deliberately changed. The change in the composition influences the microstructural properties (eg the resistivity) of the barrier layer (see Figure 2). The composition was determined by Rutherford Back Scattering.
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. Of the specific electrical resistance increases with increasing nitrogen content (see Figure 3). Be more than 50% nitrogen in the TaSiN layer introduced, so they are electrically insulating.
Dabei zeigtthere shows
Bild 2 die Zusammensetzung der Barriereschicht in Abhängigkeit des N2-FlussesFigure 2 shows the composition of the barrier layer as a function of the N 2 flow
Bild 3 den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit des Stickstoffanteilesimage 3 the electrical resistance as a function of the nitrogen content
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