JP4053320B2

JP4053320B2 - 弾性表面波デバイスの電極形成方法

Info

Publication number: JP4053320B2
Application number: JP2002075025A
Authority: JP
Inventors: 新一袴田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-03-18
Also published as: JP2003273683A; US6908562B2; US20030173332A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスの電極形成方法に関し、特にすだれ状電極（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；以下「ＩＤＴ」という）及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
図５は従来のＳＡＷデバイスのＩＤＴの断面構造図である。
【０００３】
図５の例では、ＬｉＴａＯ₃等の圧電基板１上にアルミニウム（Ａｌ）等の導電性膜２を形成し、フォトレジストをマスクにエッチング処理することによってＩＤＴパターンを形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来用いられてきたＡｌ膜をＩＤＴに使用した場合、マイグレーションが原因で耐電力性（面積当たりの電力耐性）が弱いという問題があった。
【０００５】
耐電力性を向上させる方法として、Ａｌに他の金属を少量添加したり、図６に示すような積層構造等が提案されているが、ＳＡＷデバイスの小型化や高周波化（電極の線幅と厚さは高周波化するにつれて小さくなる）の要求が大きくなるにつれ、性能を満たすことが困難な状況となっている。
【０００６】
図６は従来の３層構造を有するＩＤＴの断面構造図である。
【０００７】
図６の例では、基板１上に、順次、第１の導電性膜３、第２の導電性膜４、第３の導電性膜５を形成し、その上にレジスト膜を設け、該レジスト膜にフォトリソグラフィによってパターンを形成し、前記導電性膜３、４、５をドライエッチングしてＩＤＴを形成する。
【０００８】
耐電力性劣化のメカニズムからみると、劣化の原因は、パターン設計上の問題等もあるが、主に膜構造によるところが大きく、Ａｌ膜の場合には高電力印加に耐えられなかった膜応力によってボイド（隙間）やヒロック（突出部）が発生することにある。
【０００９】
これは、弾性表面波によって生じる歪みが電極膜に応力を発生させ、その応力が電極膜の限界応力を越えるとＡｌ原子が結晶粒界を移動し、電極内部にボイドができたり、電極表面にヒロックが発生することにある。
【００１０】
特にヒロックがＩＤＴパターンの側壁（サイド）に発生すると隣接電極間がショートして破壊に至る。
【００１１】
前記図６の例においても、電極側壁のヒロック発生を抑制することができなかった。
【００１２】
また、前記ドライエッチングにおいて、電極に含まれるＡｌ以外の成分が、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等のハロゲン化物の蒸気圧が高い物質である場合、残渣なくエッチングすることができる。しかし、Ｍｇ等のようにハロゲン化物の蒸気圧が低い金属を含む場合、ハロゲン化物が残渣として残りコロージョンを誘発したり、前記金属を高濃度に含む場合にはエッチング自体が進行しないという問題があった。これを解決するために、オーバーエッチングを行うと、基板もエッチングされるため、ＳＡＷ素子の特性が悪化する問題が発生する。
【００１３】
また、Ａｌ合金のドライエッチングでは、Ａｌ合金のエッチングレートの増大を目的としてＣｌ₂ガスが使用され、更に、自然酸化膜を除去するために、還元性のＢＣｌ₃等のガスが加えられる。さらに、Ｃｌ₂ガスに添加ハロゲンを含むガスは、側壁保護膜の成分となって、サイドエッチを防止する。しかし、Ａｌ電極がハロゲン化物の蒸気圧が低い他の金属を含む場合、残渣が発生したり、エッチングが進まない。これは、塩素ラジカルが電極の表面に付着しても、純Ａｌの電極と異なり、活性化エネルギーが高いため、エッチング反応が進行しないことによる。
【００１４】
本発明の目的は、ハロゲン化物の蒸気圧が低い金属を含んでいるＡｌ合金膜のエッチングにおいて、残渣を残さずに、ヒロックやボイドの発生を抑制し耐電力性が向上する弾性表面波デバイスの電極形成方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を達成するために以下の解決手段を採用する。
【００１６】
弾性表面波デバイスの電極形成方法において、基板上に、ＡｌとＭｇからなる合金膜を形成する工程と、前記合金膜をＢＣｌ ₃ 、Ｃｌ ₂ 、Ｎ ₂ からなるガスで選択的にエッチングすることによって、弾性表面波デバイスの電極を形成する工程とを有し、前記弾性表面波デバイスの電極は、サイドウォールを有するように形成することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【００１９】
図１では、ＬｉＴａＯ₃等の圧電基板３１上に第１のメタル膜３２をマグネトロンスパッタ法により成膜する。この時、第１メタル膜３２はＡｌに３．５重量％のＭｇを添加したものとする。
【００２０】
次に、前記第１メタル膜３２上にレジスト膜を設け、フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、その後、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング装置（マイクロ波エッチング装置）を用いて異方性のドライエッチングを行いＩＤＴを形成する。
【００２１】
図７は従来のＥＣＲエッチング装置の構成図である。
【００２２】
前記ＥＣＲエッチング装置は、図７に示すようにマグネトロン２００で発生したμ波が導波管２０１、導入窓２０２を経てエッチング室２０３に伝わり、そこで磁場制御コイル２０４により形成された磁場と電子サイクロトロン共鳴を起こし高密度プラズマを生成している。
【００２３】
また、試料ホルダ２０５には高周波電源２０６が接続され、ＲＦバイアスを独立して印加することができる。Ａｌのドライエッチングは例えばＢＣｌ₃／Ｃｌ₂等のハロゲンガスを使用して行われる。ここで主エッチング種として寄与する化学種はＣｌラジカルであり、自発的で極めて速やかなエッチング反応を進行させる。しかし、Ｃｌラジカルのみではエッチングが等方的に進行するので、通常はある程度の入射イオンエネルギーを与える条件下（ＥＣＲエッチング装置ではＲＦバイアスを印加）でイオンアシスト機構を働かせ、高異方性を達成している。
【００２４】
しかしながら、電極中にＭｇのようにハロゲン化物の蒸気圧が低い金属を含む場合、従来のＢＣｌ₃／Ｃｌ₂ガスだけでは残渣が発生したり、エッチング自体が進行しないという問題があった。
【００２５】
そこで、発明者は種々の実験を行った結果、ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂に少量のＮ₂を添加することで残渣の発生しない条件を見い出し本発明に至った。
【００２６】
Ｎ₂添加時のエッチング反応についての詳細は今のところ解明できていないが、Ｎ₂添加によりハロゲン分子の解離が促進され、エッチング速度が高まることが確認されている。（Ｎ₂添加により１０〜３０％、エッチング速度が向上する）
この時のエッチング条件は、反応ガスとなるＢＣｌ₃（塩化硼素）ガス、Ｃｌ₂（塩素）ガス、Ｎ₂（窒素）ガスが各３０ｓｃｃｍ、７０ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、処理圧力８ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー３００ｍＡ、ＲＦパワー３０Ｗとした。
【００２７】
続いて、同一装置内にあるアッシング処理室で不要になったレジストをＯ₂／ＣＨＦ₃混合ガスによりアッシング除去し、その後純水で約１分間水洗処理を施し、最後にホットプレート上で１００℃で１分間のベーキング処理を行った。
【００２８】
前記条件でエッチングを行うと、第１メタル膜３２の側壁に厚いサイドウォールポリマー膜３３が形成される。
【００２９】
このサイドウォールポリマー膜３３は、種々の元素を含む重合膜であり、元素分析の結果、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｎ、Ｃｌの成分が検出されている。
【００３０】
また、前記サイドウオールポリマー膜はサイドヒロックの発生を抑制し耐電力性を向上させる効果が高いことが耐電力の試験結果から判明した。
【００３１】
サイドウォールポリマー膜３３の幅はエッチング条件及ぴＭｇの添加量で変化するが、前記条件で約１．２μｍ幅、第１メタル膜厚が約４０００Åのパターンを形成した場合、サイドウォールポリマー膜の幅は約０．０３μｍであった。
【００３２】
上記の条件でエッチング処理を行った後、一般的なコロージョン耐性が見込める７２時間大気中に放置したが、メタル電極の腐食等は観察されず、良好な結果が得られた。
【００３３】
結果として、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成されているため、第１メタル膜３２のサイドヒロックが抑制されることになる。
【００３４】
なお、前記第１実施例では第１メタル膜３２に３．５重量％のＭｇを添加したＡｌを用いたが、Ｍｇ添加量が１重量％以上であれば、サイドウォールポリマー膜が形成されることが実験的に確認されており、耐電力性も向上する。また、Ｍｇの添加量が１５重量％以上であると、前記条件ではエッチングすることが困難となる。
【００３５】
以上述べた条件を構成する各種変量とサイドウォールポリマー膜の幅の関係をそれぞれ以下に示す。同時に対応する図を図４の各図に示す。
【００３６】
前記サイドウォールポリマー膜のサイドウォール幅は、図１に「ＳＷ」として示されるように、第１メタル膜の側壁と直角の方向の厚さをいう。
【００３７】
図４は本発明のサイドウォールポリマー膜の各種特性である。内訳は、図４（ａ）はＭｇ含有量ｖｓサイドウォール幅の特性、図４（ｂ）は圧力（ｍＴｏｒｒ）ｖｓサイドウォール幅の特性、図４（ｃ）はＲｆパワーｖｓサイドウォール幅の特性、図４（ｄ）はＮ₂ガス流量ｖｓサイドウォール幅の特性、図４（ｅ）はマイクロ波パワーｖｓサイドウォール幅の特性である。
（１）Ｍｇ添加量（重量％）とサイドウォール幅の関係を下記の表１に示す。
【００３８】
【表１】

前記表１のデータおよび図４（ａ）の特性から、実用上、Ｍｇ添加量が１〜１０重量％の範囲内であれば膜残りなくエッチングできて予定のサイドウォールポリマー膜が形成できるが、Ｍｇ添加量が１０重量％を越え、特に１５重量％を越えると、エッチングが完全にできずに余分のポリマー膜が残り、正しくサイドウォールポリマー膜の膜厚を測定できなくなる。このことから、Ｍｇ添加量は１〜１０重量％の範囲内であることが望ましい。
（２）圧力（ｍＴｏｒｒ）とサイドウォール幅の関係を下記の表２に示す。
【００３９】
【表２】

前記表２のデータおよび図４（ｂ）の特性から、５〜２０ｍＴｏｒｒの常用圧力範囲ではＳＷ幅に大きな変動は見られない。
（３）Ｒｆパワーとサイドウォール幅の関係を下記の表３に示す。
【００４０】
【表３】

表３のデータおよび図４（ｃ）の特性から、Ｒｆパワーが高いほどＳＷ幅は大きくなるが、５０Ｗ以上では変化しなくなる。
（４）Ｎ₂ガス流量とサイドウォール幅の関係を下記の表４に示す。
【００４１】
【表４】

表４のデータおよび図４（ｄ）の特性から、Ｎ₂ガス流量は２０ｓｃｃｍ以上では膜残りが発生するため、エッチング不可となる。このため、ＢＣｌ₃が３０ｓｃｃｍで、Ｃｌ₂が７０ｓｃｃｍの場合、Ｎ₂流量範囲は５〜１５ｓｃｃｍが使用可能となる。
【００４２】
但し、単位「ｓｃｃｍ」は、ｓｔａｎｄａｒｄｃｃ／ｍｉｎ、１ａｔｏｍ（大気圧１，０１３ｈＰａ）、２５℃一定温度で規格化された流量である。
（５）マイクロ波パワーとサイドウォール幅の関係を下記の表５に示す。
【００４３】
【表５】

表５のデータおよび図４（ｅ）の特性から、２００〜４００ｍＡの常用範囲では、ＳＷ幅に大きな変動は見られない。
【００４４】
以上のように、第１実施例によれば、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成されているため、第１メタル膜３２のサイドヒロックが抑制されて、耐電力性が大幅に向上する。
【００４５】
具体的には、第１実施例の電極の耐電力寿命は、図５に示す従来の、厚さ４２００ÅのＡｌ（アルミニウム）０．５重量％Ｃｕからなる導電性膜２に対し、１０００倍以上になる。
【００４６】
また、第１実施例の電極の耐電力寿命は、図６に示す従来の、Ｃｒ（１５０Å）からなる第１の導電性膜３／Ａｌ−０．５重量％Ｃｕ（３８００Å）からなる第２の導電性膜４／Ｃｒ（１５０Å）からなる第３の導電性膜５で構成される層状導電性膜に対し、１４倍以上になる。
【００４７】
（第２実施例）
図２は本発明の第２実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【００４８】
第２実施例におけるＩＤＴの各種特性は、第１実施例における表１〜表５の特性とする。
【００４９】
図２では、圧電基板３１上に第１メタル膜３２をマグネトロンスパッタ法により成膜する。この第１メタル膜３２は、基板側から、Ｃｒ膜を１００Å、次にＡｌ−３．５％Ｍｇ膜を約４０００Åの２層を順に成膜する。
【００５０】
次に、膜３２上にレジストパターンを形成し、フォトリソグラフィによってパターンを形成した後、ＥＣＲエッチング装置を用いて異方性のドライエッチングを行いＩＤＴを形成する。
【００５１】
続いて、同一装置内にあるアッシング処理室で不要になったレジストをＯ₂／ＣＨＦ₃混合ガスによりアッシング除去し、その後純水で約１分間水洗処理を施し、最後にホットプレート上で１００℃１分間のベーキング処理を行った。
【００５２】
この時、エッチングの第１ステップは、ＢＣＬ₃、Ｃｌ₂、Ｎ₂ガスを各３０ｃｃ、７０ｃｃ、１０ｃｃ、処理圧力８ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー３００ｍＡ、Ｒｆパワー３０Ｗで、Ａｌ−３．５％Ｍｇ膜をエッチングする。
【００５３】
第２ステップでは、ＣＬ₂、Ｏ₂ガスを各９０ｃｃ、１０ｃｃ、処理圧力８ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー３００ｍＡ、Ｒｆパワー０Ｗで、下層のＣｒ膜をエッチングする。
【００５４】
前記条件でエッチングを行うと、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成される。サイドウォールポリマー膜３３の幅はエッチング条件及びＭｇの添加量で変化するが、前記条件で約１．２μｍ幅、第１メタル膜厚が約４０００Åのパターンを形成した場合、サイドウォールポリマー膜３３の幅は約０．０３μｍであった。
【００５５】
上記の条件でエッチング処理を行った後、７２時間大気放置したが、メタル電極の腐食等は観察されず、良好な結果が得られた。
【００５６】
上記膜構造ではエッチング速度がＡｌの約５％と遅いＣｒ膜を最下層に用いることにより、第１ステップのエッチングで基板に損傷を与えることなくＣｒ膜でエッチングを止めることが可能となる。下層Ｃｒ膜は第２のステップでＲｆパワーを印加せずにエッチングを行っているので、基板に入射するイオンエネルギーが少なく、基板への損傷を最小限にとどめることができる。
【００５７】
なお、エッチングの基板３１へのダメージを少なくするために、下層Ｃｒ膜のエッチングは硝酸第２セリウムアンモニウムの薬液を用いてウェットエッチングで行っても良い。
【００５８】
以上のように、第２実施例によれば、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成されているため、第１メタル膜３２のサイドヒロックが抑制されて、耐電力性が大幅に向上する。
【００５９】
また、第１メタル膜３２の下層にＣｒ膜を用いているので、Ａｌ合金のエッチングの際に生じる基板への損傷を抑えることができると共に、中間にＣｒ膜を設けたので、Ｃｒ膜を介して基板とメタル膜との密着性が向上するという効果が得られる。
【００６０】
（第３実施例）
図３は本発明の第３実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【００６１】
第３実施例におけるＩＤＴの各種特性は、第１実施例における表１〜表５の特性とする。
【００６２】
図３では、圧電基板３１上に第１メタル膜３２をマグネトロンスパッタリング法により成膜する。この時、第１メタル膜３２は基板側から順にＣｒ／Ａｌ−３．５％Ｍｇ／Ｃｒ／Ａｌ−３．５％Ｍｇの４層を成膜する。各々の膜厚は１００／１８００／３５／１８００Åとする。
【００６３】
次に、第１メタル膜３２上にレジストを形成し、フォトリソグラフィによってパターンを形成した後、ＥＣＲエッチング装置を用いて異方性のドライエッチングを行いＩＤＴを形成する。
【００６４】
続いて、同一装置内にあるアッシング処理室で不要になったレジストをＯ₂／ＣＨＦ₃混合ガスによりアッシング除去し、その後純水で約１分間水洗処理を施し、最後にホットプレート上で１００℃１分間のベーキング処理を行った。
【００６５】
この時、エッチングは第１ステップで第１メタル膜３２の最下層であるＣｒ膜を除く残り３層分の膜、すなわち、Ａｌ−３．５％Ｍｇ／Ｃｒ／Ａｌ−３．５％Ｍｇの各膜を一括エッチングし、第２ステップで最下層のＣｒ膜をエッチングする方法とする。
【００６６】
まず、条件として、第１ステップでは、ＢＣＬ₃、Ｃｌ₂、Ｎ₂ガスを各３０ｃｃ、７０ｃｃ、１０ｃｃ、処理圧力８ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー３００ｍＡ、Ｒｆパワー３０Ｗとし、第２ステップではＣｌ₂、Ｏ₂ガスが各９０ｃｃ、１０ｃｃ、処理圧力８ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー３００ｍＡ、Ｒｆパワー０Ｗでエッチングした。
【００６７】
前記条件でエッチングを行うと、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成される。サイドウォールポリマー膜３３の幅はエッチング条件及びＭｇの添加量で変化するが、前記条件で約１．２μｍ幅のパターンを形成した場合、サイドウォールポリマー膜の幅は約０．０３μｍであった。
【００６８】
続いて、同一装置内にあるアッシング処理室で不要になったレジストを除去し、その後純水で約１分間水洗処理を施し、最後にホットプレート上で１００℃１分間のベーキング処理を行った。
【００６９】
上記の条件でエッチング処理を行った後、７２時間大気放置したが、メタル電極の腐食等は観察されず、良好な結果が得られた。
【００７０】
上記膜構造ではエッチング速度がＡｌの約５％と遅いＣｒ膜を最下層に用いることにより、第１ステップのエッチングで基板に損傷を与えることなくＣｒ膜でエッチングを止めることが可能となる。
【００７１】
第２のステップで、下層Ｃｒ膜をＲｆパワーを印加せずにエッチングを行っているので、基板への損傷を最小限にとどめることができる。
【００７２】
なお、下層Ｃｒ膜のエッチングは硝酸第２セリウムアンモニウムの薬液を用いてウェットエッチングで行っても良い。
【００７３】
更に、第２実施例の上下のＡｌ−３．５％Ｍｇ膜の中間に薄いＣｒ膜を挟んでサンドイッチ構造としたので、Ａｌ原子の移動がＭｇ膜により抑制されヒロックの発生を少なくすることができる。
【００７４】
以上のように、第３実施例によれば、第１メタル膜３２の側壁にサイドウォールポリマー膜３３が形成されるため、第１メタル膜３２のサイドヒロックが抑制されて、耐電力性が向上する。
【００７５】
また、第１メタル膜３２の下層膜にＣｒ膜を用いているので、Ａｌ合金のエッチングの際に生じるエッチングによる基板への損傷を抑えることができると共に、Ｃｒ膜を介在したので、該Ｃｒ膜を介した基板とメタル膜との密着性を向上させるという効果が得られる。
【００７６】
さらに、第２実施例の上下のＡｌ−３．５％Ｍｇ膜の中間に薄いＣｒ膜を挟んでサンドイッチ構造としたので、Ａｌ原子の移動が抑制されヒロックの発生を少なくすることが可能となり、耐電力性が更に向上する。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）弾性表面波デバイスの電極形成方法において、基板上に、ＡｌとＭｇからなる合金膜を形成する工程と、前記合金膜をＢＣｌ ₃ 、Ｃｌ ₂ 、Ｎ ₂ からなるガスで選択的にエッチングすることによって、弾性表面波デバイスの電極を形成する工程とを有し、前記弾性表面波デバイスの電極は、サイドウォールを有するように形成することを特徴とするので、Ａｌを使用した電極のヒロックおよびボイドの発生を抑制することができ、電極の耐電力性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【図２】本発明の第２実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【図３】本発明の第３実施例のＩＤＴ構造断面図である。
【図４】本発明のサイドウォールポリマー膜の各種特性である。
【図５】図５は従来のＳＡＷデバイスのＩＤＴの断面構造図である。
【図６】従来の３層構造を有するＩＤＴの断面構造図である。
【図７】従来のＥＣＲエッチング装置の構成図である。
【符号の説明】
３１圧電基板
３２第１メタル膜
３３サイドウォールポリマー膜

Claims

基板上に、ＡｌとＭｇからなる合金膜を形成する工程と、前記合金膜をＢＣｌ ₃ 、Ｃｌ ₂ 、Ｎ ₂ からなるガスで選択的にエッチングすることによって、弾性表面波デバイスの電極を形成する工程とを有し、前記弾性表面波デバイスの電極は、サイドウォールを有するように形成することを特徴とする弾性表面波デバイスの電極形成方法。