Title:
BAW-Vorrichtung
Kind Code:
A1
Abstract:

Eine BAW-Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Schicht mit einer überlegenen Kristallstruktur wird bereitgestellt. Die BAW-Vorrichtung weist eine Schichtabfolge, die eine erste Elektrodenschicht (E1), eine dielektrische Pufferschicht (BL), eine piezoelektrische Schicht (PL) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) umfasst, auf.



Inventors:
Caruyer, Gregory, Dr. (80805, München, DE)
Schwoebel, Andre (81825, München, DE)
Moulard, Gilles, Dr. (81829, München, DE)
Application Number:
DE102016103834A
Publication Date:
09/07/2017
Filing Date:
03/03/2016
Assignee:
SnapTrack, Inc. (Calif., San Diego, US)
International Classes:
Foreign References:
65420542003-04-01
KR100847528B12008-07-22
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. BAW-Vorrichtung mit einer Schichtabfolge, die umfasst:
– eine erste Elektrodenschicht (E1),
– eine dielektrische Pufferschicht (BL),
– eine piezoelektrische Schicht (PL),
– eine zweite Elektrodenschicht (E2).

2. BAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Schicht (PL) eines von PZT, ZnO, AlN, dotiertem AlN, LiNbO3 oder LiTaO3 umfasst, wobei die dielektrische Pufferschicht (BL) ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metallcarbid oder poröses Silizium umfasst.

3. BAW-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Pufferschicht (BL) aus einer Schicht aus SiO2, Si3N4, AlN, SiC und Al2O3 oder aus einem AlN-basierten Material ausgewählt ist.

4. BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Pufferschicht (BL) eine Dicke zwischen 3 nm und 50 nm oder zwischen 5 nm und 45 nm aufweist.

5. BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Substrat (SU) und einen akustischen Spiegel (AS), der zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenschicht (E1) angeordnet ist, umfasst, wobei der akustische Spiegel sich abwechselnde Schichten mit relativ hoher (HI) und relativ niedriger (LI) akustischer Impedanz umfasst, wobei die dielektrische Pufferschicht (BL) die gesamte Oberfläche bedeckt, auf der die piezoelektrische Schicht (PL) abgeschieden wurde.

6. BAW-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ein Substrat (SU), das eine Vertiefung (RC) auf seiner oberen Oberfläche aufweist, und eine Membran (M), die zur Bedeckung der Vertiefung aufgehängt ist, umfasst, wobei die Schichtabfolge auf der Membran aufgetragen ist.

7. BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Pufferschicht (BL) die gesamte Oberfläche der darunterliegenden Schicht bedeckt, wobei die piezoelektrische Schicht (PL) direkt an der Pufferschicht haftet.

8. BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Siliziumsubstrat (SU), auf dem die Schichtabfolge abgeschieden ist, umfasst, wobei die Schichtabfolge umfasst:
– einen akustischen Spiegel (AS), der sich abwechselnde Schichten aus SiO2 und einem Metall umfasst, wobei die obere Schicht des akustischen Spiegels eine SiO2-Schicht ist,
– eine erste Elektrodenschicht (E1), die Wolfram umfasst,
– eine dielektrische Pufferschicht (BL) aus SiO2 mit einer Dicke zwischen 3 nm und 50 nm,
– eine piezoelektrische Schicht (PL), die AlN umfasst,
– eine zweite Elektrodenschicht (E2), die Al umfasst.

9. Verfahren zur Herstellung der BAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst:
– Abscheiden einer ersten Elektrodenschicht auf einer Membran (M) oder auf der oberen Schicht eines akustischen Spiegels (AS),
– Abscheiden einer dielektrischen Pufferschicht (BL) mit einer gesteuerten Dicke auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht (E1),
– Abscheiden einer piezoelektrischen Schicht (PL) auf der Pufferschicht (BL),
– Abscheiden einer zweiten Elektrodenschicht (E2) auf der piezoelektrischen Schicht,
wobei die Pufferschicht (BL) mit einer kontrollierten einheitlichen Dicke aus der Gasphase abgeschieden wird, wobei die piezoelektrische Schicht (PL) in einer c-Achsen-orientierten Art abgeschieden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Oberfläche, auf die die Pufferschicht (BL) abgeschieden werden soll, durch einen chemischen/mechanischen Poliervorgang poliert und planarisiert wird, bevor die Pufferschicht abgeschieden wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
– wobei die Pufferschicht (BL) durch MOCVD oder PECVD mit einer kontrollierten Abscheidungsrate abgeschieden wird,
– wobei die piezoelektrische Schicht (PL) durch ein Sputterverfahren abgeschieden wird,
– wobei die Abscheidungsrate der piezoelektrischen Schicht kontrolliert wird.

Description:

BAW-Vorrichtungen (BAW = Bulk Acoustic Wave – akustische Volumenwelle) umfassen allgemein eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine piezoelektrische Dünnschicht, die zwischen den beiden Elektroden abgeschieden ist.

Aus BAW-Vorrichtungen können Filter gebildet werden, indem einige BAW-Resonatoren elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dabei sind die erste und zweite Elektrode strukturiert, während die piezoelektrische Schicht eine kontinuierliche Schicht sein kann, so dass alle BAW-Resonatoren einer solchen BAW-Vorrichtung die selbe kontinuierliche Schicht verwenden, die in einigen speziellen Bereichen weggeätzt sein kann, um von oben einen Kontakt mit der unteren Elektrode zu erhalten.

Während des Strukturierens der ersten Elektrode durch Auftragen der Elektrode in einer strukturierten Art oder durch Entfernen von Teilen der aufgetragenen Elektrodenschicht ist die Oberfläche der Schicht, auf der die erste Elektrode angeordnet ist, unbedeckt und freiliegend. Da die piezoelektrische Schicht auf der gesamten Oberfläche abgeschieden wird, muss die piezoelektrische Schicht sowohl die Oberfläche der ersten Elektrode als auch freiliegende Bereiche der Oberfläche, die unter der Elektrodenschicht liegt, bedecken. Zudem muss die piezoelektrische Schicht die Kanten der strukturierten ersten Elektrode bedecken. Dementsprechend muss die piezoelektrische Schicht auf zwei verschiedenen Materialien und zudem auf einer unebenen Topographie abgeschieden werden. Eine weitere Struktur kann unter der ersten Elektrode vorhanden sein, die weitere topographische Stufen aufweist.

Alle diese Faktoren sind unvorteilhaft für das Wachstum einer piezoelektrischen Schicht mit einer einheitlichen Struktur ohne jegliche Defekte, die auf der unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeit und auf den topographischen Stufen beruhen können. Solche Stufen können zu einem Versatz in der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht, die oberhalb einer und über eine solche Stufe wächst, führen.

Da der piezoelektrische Effekt der piezoelektrischen Schicht hauptsächlich von der kristallographischen Orientierung abhängt, kann die piezoelektrische Eigenschaft der piezoelektrischen Schicht unter Defekten und Stufen der darunterliegenden Schicht leiden. Zumindest sind die piezoelektrischen Eigenschaften nicht homogen über der piezoelektrischen Schicht. Ferner kann die piezoelektrische Schicht Risse in ihrer kristallographischen Struktur aufweisen, die die Zuverlässigkeit der BAW-Vorrichtung reduzieren können, indem Feuchtigkeit oder andere Chemikalien durch diese Risse eingeführt werden.

Bisher gab es Bemühungen, diese Nachteile zu vermeiden. Diese Bemühungen konzentrieren sich hauptsächlich auf das Bereitstellen planarer oder ebener Oberflächen, auf denen eine ebenere und eine homogenere piezoelektrische Schicht aufgewachsen werden kann.

Es wurde bereits vorgeschlagen, ein chemisch-mechanisches Polierverfahren zu verwenden, wie zum Beispiel in US 6,542,054 B2 beschrieben. Allerdings kann dieses Verfahren die topographischen Stufen, die durch das Strukturieren der ersten Elektrode unter der piezoelektrischen Schicht entstehen, nicht vollständig vermeiden. Und selbst mit dieser Lösung muss die piezoelektrische Schicht immer noch auf zwei verschiedenen Oberflächen wachsen.

Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine BAW-Vorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile vermeidet und die eine homogenere piezoelektrische Schicht aufweist, die frei von kristallographischen Defekten ist und die ohne zu viel zusätzlichen Aufwand hergestellt werden kann.

Dieses Ziel wird durch eine BAW-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen BAW-Vorrichtung sowie vorteilhafte Ausführungsformen werden in weiteren Ansprüchen angegeben.

Der Kern der Erfindung ist das Bereitstellen einer BAW-Vorrichtung, bei der eine dielektrische Pufferschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Deshalb umfasst ein solcher BAW-Resonator eine Schichtabfolge aus einer ersten Elektrodenschicht, einer dielektrischen Pufferschicht, einer piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrodenschicht. Eine solche Schichtabfolge liegt wenigstens in jenen Bereichen vor, in denen eine untere Elektrode vorliegt. In anderen Bereichen kann die Schichtabfolge ein anderes unteres Material wie zum Beispiel ein Substratmaterial umfassen.

Es ist von Vorteil, dass die Pufferschicht die Oberfläche unter der piezoelektrischen Schicht vollständig bedeckt, so dass die gesamte piezoelektrische Schicht auf der Pufferschicht aufgewachsen werden kann. Da das Wachstum der piezoelektrischen Schicht auf einer einheitlichen Oberfläche eines einheitlichen Materials fortschreitet, ist der Hauptnachteil von zwei unterschiedlichen Keimschichten beseitigt. Deshalb kann die Wachstumsrate der piezoelektrischen Schicht gesteuert werden, so dass sie über der gesamten Oberfläche gleichmäßig ist, einschließlich aller topographischen Stufen und aller Übergänge zwischen Gebieten mit einer ersten Elektrodenschicht und Gebieten, in denen außer der Elektrodenschicht ein anderes Oberflächenmaterial freiliegt, wo Teile der ersten Elektrodenschicht entfernt wurden oder wo die erste Elektrodenschicht nicht abgeschieden wurde. Deshalb werden unterschiedliche Wachstumsraten und unterschiedliche Orientierungen der aufwachsenden Schicht vermieden, die ansonsten zu den oben erwähnten Rissen führen können. Dadurch wird eine rissfreie und homogene piezoelektrische Schicht erzielt.

Die piezoelektrische Schicht kann ein piezoelektrisches Material, das als eine Dünnschicht abgeschieden werden kann, umfassen. Das Material kann aus PZT (= Lead Zirconium Titanate – Blei-Zirkonium-Titanat), Zinkoxid oder AlN (Aluminiumnitrid) auswählt werden. Dotiertes AlN, LiNbO3 und LiTaO3 sind weitere mögliche Materialien.

Eine angemessene dielektrische Pufferschicht, die für eine solche piezoelektrische Schicht verwendet werden kann, kann ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metallcarbid oder poröses Silizium umfassen. Alle diese dielektrischen Materialien können auf einer beliebigen Oberfläche mit einer homogenen Struktur abgeschieden oder aufgewachsen werden, wodurch das Wachstum einer homogenen piezoelektrischen Schicht auf dieser Pufferschicht ermöglicht wird.

Gemäß einer Ausführungsform kann die dielektrische Pufferschicht ein AlN-basiertes Material, wie zum Beispiel AlScN, sein. Andere Beispiele solcher Dielektrika sind aus dem Stand der Technik bekannt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die dielektrische Pufferschicht aus einer Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und Aluminiumoxid ausgewählt.

Eine aus Siliziumoxid hergestellte dielektrische Pufferschicht wird ganz besonders bevorzugt. Dieses Material hat den weiteren Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften der BAW-Vorrichtung mit einer solchen Schicht reduziert werden kann. Die reduzierte Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz der BAW-Vorrichtung ist äußerst vorteilhaft.

Aber als Nachteil reduziert jegliche dielektrische Schicht, die zwischen einer Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht abgeschieden wird, die Kopplung zwischen der Elektrode und der piezoelektrischen Schicht, so dass die effektive elektromechanische Kopplung (d. h. der Abstand zwischen der Reihen- und der Parallelresonanz des Resonators) reduziert wird.

Da alle diese Effekte mit steigender Dicke der dielektrischen Pufferschicht zunehmen, muss zwischen den vorteilhaften Effekten der besseren Struktur und des niedrigeren Temperaturkoeffizienten gegenüber der reduzierten Kopplungskonstante abgewogen werden.

Eine bevorzugte Dicke der dielektrischen Pufferschicht, die einen Kompromiss zwischen Vorteilen und Nachteilen bietet, liegt zwischen 3 nm und 50 nm. Ein weiterer bevorzugter Bereich liegt zwischen 5 nm und 45 nm. Ein anderer vorteilhafter Bereich liegt zwischen 3 nm und 20 nm.

BAW-Vorrichtungen können in zwei verschiedenen Strukturen ausgeführt werden, um die akustische Energie innerhalb der Schichtabfolge der BAW-Vorrichtung zu halten. In einer ersten Variante, die üblicherweise FBAR-Vorrichtung (Thin-Film Bulk Acoustic Resonator – akustischer Dünnschichtvolumenresonator) genannt wird, wird die Schichtabfolge des FBAR auf einer Membran angeordnet, die über einer Vertiefung auf dem Substrat aufgehängt ist. Dann ist die Schichtabfolge der BAW/FBAR-Vorrichtung, die auf der Membran abgeschieden ist und die diese umfasst, ausschließlich mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt, so dass die BAW-Vorrichtung unbehindert gegen Luft schwingen kann und keine Energie durch Dissipation in ein Volumenmaterial wie ein Substrat verloren wird.

In einer zweiten Variante wird die akustische Energie durch die Verwendung eines akustischen Spiegels, der zwischen einem Substrat und der Schichtabfolge der BAW-Vorrichtung angeordnet ist, innerhalb der Schichtabfolge gehalten. Ein solcher akustischer Spiegel funktioniert wie ein Bragg-Spiegel und umfasst sich abwechselnde Schichten aus einem ersten und einem zweiten Material. Ein erstes Material ist ausgewählt, das eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist, und ein zweites Material ist ausgewählt, das eine relativ niedrige akustische Impedanz bereitstellt. Üblicherweise werden Metalle verwendet, um die Hochimpedanzschichten des akustischen Spiegels zu bilden, während dielektrische Materialien verwendet werden, um die Niederimpedanzschichten zu bilden.

In der ersten Variante wird die erste Elektrode (untere Elektrode) auf die Membran abgeschieden, die eine einzelne Schicht sein kann oder die eine Mehrschichtstruktur aufweisen kann. Die obere Schicht der Membran ist vorzugsweise eine dielektrische Schicht oder eine Halbleiterschicht.

In der zweiten Variante ist die erste Elektrode auf der obersten Schicht des akustischen Spiegels angeordnet. Es wird bevorzugt, dass die oberste Schicht eine dielektrische Schicht ist, die eine Niederimpedanzschicht bildet, die der ersten Elektrodenschicht, die üblicherweise eine hohe Impedanz aufweist, benachbart ist. In diesem Fall bildet die untere Elektrodenschicht einen Teil des akustischen Spiegels.

Die dielektrische Pufferschicht kann sowohl die gesamte Oberfläche der strukturierten ersten Elektrodenschicht als auch die Bereiche der darunterliegenden Oberfläche, die während des Strukturierens der ersten Elektrodenschicht freigelegt wurden, bedecken. In den Gebieten, auf denen die piezoelektrische Schicht abgeschieden ist, liegt wenigstens die dielektrische Pufferschicht vor.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die BAW-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Siliziumsubstrat, auf das die Schichtabfolge abgeschieden wird. Die Schichtabfolge umfasst:

  • – einen akustischen Spiegel, wobei der Spiegel sich abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und einem Metall umfasst, wobei die obere Schicht des akustischen Spiegels eine Siliziumoxidschicht ist,
  • – eine erste Elektrodenschicht, die Wolfram umfasst,
  • – eine dielektrische Pufferschicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke zwischen 3 nm und 50 nm,
  • – eine piezoelektrische Schicht, die AlN umfasst,
  • – eine zweite Elektrodenschicht, die Aluminium umfasst.

Eine aus SiO2 hergestellte dielektrische Pufferschicht kann problemlos und mit geringen zusätzlichen Kosten aufgetragen werden. Ferner kann der Prozess des Auftragens einer SiO2-Schicht problemlos gesteuert werden, so dass eine sehr einheitliche Schichtdicke und Schichtstruktur erreicht werden kann.

Eine piezoelektrische Schicht, die Aluminiumnitrid (AlN) umfasst, wird auf der dielektrischen Pufferschicht abgeschieden. AlN wächst mit einer säulenartigen Struktur, die z-Achsen-orientiert ist. Eine solche z-Achsen orientierte piezoelektrische Schicht zeigt gute piezoelektrische Eigenschaften.

Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zur Herstellung der obigen BAW-Vorrichtung bereit. Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung eines Substrats und wenigstens einer Schicht auf dem Substrat, welches in Abhängigkeit von dem herzustellenden Typ der BAW-Vorrichtung aus einer Membran und einem akustischen Spiegel ausgewählt wird. Auf dieser oberen Schicht wird eine erste Elektrodenschicht abgeschieden. Auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht wird eine dielektrische Pufferschicht abgeschieden, wobei die Dicke der Pufferschicht kontrolliert wird. Auf die Pufferschicht wird eine piezoelektrische Schicht abgeschieden, bevor wenigstens eine zweite Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht abgeschieden wird.

Zum Abscheiden der Pufferschicht wird ein Gasphasenabscheidungsverfahren bevorzugt, das es erlaubt, die Dicke während der Abscheidung zu steuern, wodurch eine einheitliche Dicke der Pufferschicht über der gesamten Oberfläche erreicht wird.

Die Abscheidung der piezoelektrischen Schicht wird so durchgeführt, dass sich eine Kristallstruktur mit einer orientierten z-Achse bildet. Dies bedeutet, dass die z-Achsen aller wachsenden Kristallkörner parallel selbstausrichtend sind, so dass ein säulenartiges Wachstum erfolgt. Alle wachsenden Körner verbinden sich zu einer einheitlichen Schicht mit einer hoch geordneten Kristallstruktur, die gute piezoelektrische Eigenschaften zeigt.

In einer zweiten Ausführungsform wird die BAW-Vorrichtung auf einem akustischen Spiegel gebildet. Hierbei wird die obere Schicht des akustischen Spiegels mit einem chemischen/mechanischen Poliervorgang poliert und planarisiert, bevor die Pufferschicht abgeschieden wird. Eine solche polierte Oberfläche weist niedrigere oder keine topographischen Stufen auf und bietet optimale Voraussetzungen für das Wachstum einer einheitlichen Kristallschicht auf einer solchen polierten Oberfläche. Selbst falls die dielektrische Pufferschicht keine hoch geordnete Struktur aufweist, wächst die Schicht selbst mit einer einheitlichen Dicke, so dass sich eine ebene Oberfläche der Pufferschicht ergibt.

Ein kontrolliertes Wachstum einer Pufferschicht wird durch die Verwendung eines MOCVD Prozesses (Metal Organic Chemical Vapor Deposition – metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) oder eines PECVD Prozesses (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) erreicht. Um eine einheitliche Abscheidung zu erreichen, wird die Abscheidungsrate so gesteuert, dass eine niedrige Rate vorliegt.

Die piezoelektrische Schicht kann durch ein Sputterverfahren abgeschieden werden. Hierbei wird die Abscheidungsrate der piezoelektrischen Schicht ebenfalls so gesteuert, dass die piezoelektrische Schicht in einer z-Achsen-orientierten Art wächst.

Im Folgenden wird die Erfindung ausführlicher in Bezug auf spezielle Ausführungsformen in Verbindung mit entsprechenden Zeichnungen erläutert.

Die Zeichnungen sind nur schematisch ausgeführt und sind nicht maßstabsgetreu. Daher können keine absoluten oder relativen Maße aus den Zeichnungen genommen werden.

1 zeigt eine BAW-Vorrichtung, die mit einem ersten Verfahren hergestellt wurde, in einem schematischen Querschnitt.

2 zeigt eine BAW-Vorrichtung, die mit einem zweiten Verfahren hergestellt wurde, in einem schematischen Querschnitt.

3 zeigt eine BAW-Vorrichtung, die zwei Elemente umfasst, die mit einem Verbindungselement elektrisch verbunden sind.

4 zeigt eine BAW-Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem schematischen Querschnitt.

5 ist eine Fotografie, die einen Querschnitt durch eine BAW-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt.

6 ist eine Fotografie, die einen ähnlichen Querschnitt durch eine BAW-Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine BAW-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Die BAW-Vorrichtung ist ein Resonator, der in SMR-Technik (Solidly Mounted Resonator – fest montierter Resonator) hergestellt ist. Auf einem Substrat SU ist ein akustischer Spiegel AS abgeschieden, der wenigstens zwei Schichten, das heißt wenigstens eine Hochimpedanzschicht HI und eine Niederimpedanzschicht LI, umfasst. Der akustische Spiegel AS kann eine größere Anzahl solcher Schichtpaare umfassen, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa einem Viertel der Wellenlänge aufweist. Die obere Schicht des akustischen Spiegels AS ist eine Niederimpedanzschicht LI. Auf dem akustischen Spiegel AS sind eine erste Elektrodenschicht E1, eine piezoelektrische Schicht PL und eine zweite Elektrodenschicht E2 auf der jeweils vorangehenden Schicht angeordnet. Die zwei Elektrodenschichten E1 und E2 und die in der Schichtabfolge dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht PL bilden das piezoelektrische Element, das als Resonator arbeitet.

2 zeigt einen BAW-Resonator gemäß dem Membran- oder FBAR-Typ (FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Resonator – akustischer Dünnschichtvolumenresonator). Dieser Resonator ist auf einer Membran M hergestellt, die eine Vertiefung RC auf dem Substrat überdeckt. Die Membran ist über der Vertiefung aufgehängt. Die Schichtabfolge, die den Resonator selbst bildet, entspricht der in 1A gezeigten Schichtabfolge.

Einige BAW-Vorrichtungen benötigen eine elektrische Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Resonatoren. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Schichtabfolge, aus der zwei verschiedene BAW-Resonatoren durch Strukturieren und elektrisches Beschalten gefertigt werden können. Auf dem Substrat SU wird eine erste Elektrodenschicht E1 abgeschieden. Die Schicht muss strukturiert werden, um einzelne Elektrodenelemente für einzelne BAW-Resonatoren zu bilden. Es ist möglich, die ersten Elektrodenschichten in einer selbst-strukturierenden Art zu bilden, indem das Metall zum Beispiel durch die Verwendung einer Maske nur in den gewünschten Gebieten abgeschieden wird. Gemäß einem anderen Verfahren wird die Elektrodenschicht durch eine Lift-off-Technik strukturiert.

Die piezoelektrische Schicht PL wird über der gesamten Oberfläche der Anordnung abgeschieden, um die einzelnen ersten Elektroden und die dazwischen freiliegende Oberfläche des Substrats zu bedecken. Da die Kanten der einzelnen Elektroden topographische Stufen bilden, folgt die abgeschiedene piezoelektrische Schicht PL diesen Stufen, so dass sich andere topographische Stufen auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht bilden.

Ähnlich wird die zweite Elektrodenschicht E2 auf der gesamten Oberfläche abgeschieden und anschließend zum Beispiel durch eine Lift-off-Technik strukturiert. Da die piezoelektrische Schicht PL auf einer Oberfläche, die topographische Stufen aufweist, abgeschieden wird, können strukturelle Defekte entstehen und können sich Risse in der piezoelektrischen Schicht nahe den Stufen bilden. Ein solcher Defekt kann die piezoelektrische Funktion der BAW-Vorrichtung stören. Zumindest kann Feuchtigkeit durch die Risse eingeführt werden und kann Korrosion auslösen, die die Lebensdauer der BAW-Vorrichtung oder die Funktionalität verringern kann.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine BAW-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Auf dem Substrat SU ist ein akustischer Spiegel AS in Form einiger sich abwechselnder Hochimpedanz- und Niederimpedanzschichten HI und LI (nur eine Schicht davon ist in 4 gezeigt) hergestellt. Die oberste Schicht des akustischen Spiegels ist eine Niederimpedanzschicht LI. Auf dieser oberen Schicht wird eine erste Elektrodenschicht E1 in einer strukturierten Art gebildet, wodurch Teilgebiete der oberen Schicht des akustischen Spiegels freigelegt werden. Die erste Elektrodenschicht umfasst Wolfram W und kann weiter eine Legierung aus Aluminium und Kupfer, die eine Teilschicht der ersten Elektrodenschicht bilden kann, umfassen. Eine dünne Schicht aus Titan kann als Teilschicht auf der Unterseite der ersten Elektrodenschicht abgeschieden werden.

Gemäß der Erfindung wird eine dielektrische Pufferschicht BL über der gesamten Oberfläche der Anordnung abgeschieden, wodurch freiliegende Gebiete des freiliegenden akustischen Spiegels und die Oberseite der ersten Elektrodenschicht E1 bedeckt werden. Ein PECVD-Verfahren oder ein MOCVD-Prozess wird verwendet, um die dielektrische Pufferschicht mit gut kontrollierter Dicke und Homogenität abzuscheiden. Vorzugsweise wird Siliziumoxid als Dielektrikum abgeschieden. Auf der dielektrischen Pufferschicht BL wird eine piezoelektrische Schicht PL über der gesamten Oberfläche der Pufferschicht abgeschieden. Ein Sputterverfahren wird verwendet, um die piezoelektrische Schicht PL, die in einer bevorzugten Ausführungsform Aluminiumnitrid umfasst, abzuscheiden. Auf der piezoelektrischen Schicht PL wird eine zweite Elektrodenschicht E2 gebildet, die ein gut leitendes Metall, wie zum Beispiel Aluminium, umfasst.

Die gezeigte BAW-Vorrichtung bildet einen Resonator. In einem aktiven Gebiet des Resonators überlappen sich alle Schichten der Schichtabfolge erste Elektrodenschicht E1, Pufferschicht BL, piezoelektrische Schicht PL und zweite Elektrodenschicht E2. Durch das Strukturieren der ersten Elektrodenschicht E1 und der zweiten Elektrodenschicht E2 werden einzelne Elektroden einer Vielzahl von BAW-Resonatoren gebildet. Durch elektrisches Verbinden dieser einzelnen Resonatoren kann eine BAW-Vorrichtung gebildet werden, die mehrere elektrisch verbundene BAW-Resonatoren umfasst. Die elektrische Verbindung zwischen benachbarten BAW-Resonatoren kann in einem integrierten Herstellungsprozess durchgeführt werden, indem Teile der piezoelektrischen Schicht PL entfernt werden, um Gebiete der ersten Elektrodenschicht darunter offenzulegen. Die elektrische Verbindung kann zum Beispiel durch Abscheiden einer weiteren Verbindungsschicht auf der zweiten Elektrodenschicht und der freiliegenden ersten Elektrodenschicht hergestellt werden.

5 und 6 sind Fotografien eines Querschnitts durch eine BAW-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik (wie die in 3 gezeigte) und durch eine BAW-Vorrichtung gemäß der Erfindung (wie die in 4 gezeigte).

In beiden Fällen wird die gleiche Substratstruktur verwendet, bei der eine topographische Stufe TS existiert, über der die piezoelektrische Schicht abgeschieden wurde. 4 zeigt, dass sich ein Riss CR in der piezoelektrischen Schicht PL genau über der topographischen Stufe des Substrats gebildet hat.

6 unterscheidet sich von 5 durch die zusätzliche Pufferschicht, die über der ersten Elektrodenschicht E1 abgeschieden wurde, bevor die piezoelektrische Schicht PL abgeschieden wird. Die Fotografie zeigt klar, dass sich kein Riss gebildet hat, obwohl das gleiche Substrat mit der gleichen topographischen Stufe TS und die gleichen Abscheidungsbedingungen verwendet wurden.

Demzufolge weist die vorgeschlagene erfindungsgemäße BAW-Vorrichtung überlegene kristallographische Eigenschaften in Verbindung mit guten piezoelektrischen Eigenschaften und einer einheitlichen Struktur der piezoelektrischen Schicht auf. Wenn eine aus Siliziumoxid hergestellte dielektrische Schicht verwendet wird, wird zusätzlich der Temperaturkoeffizient der BAW-Vorrichtung gegenüber den BAW-Vorrichtungen aus 3 und 5 verringert. Ferner folgt daraus eine verbesserte Lebensdauer der BAW-Vorrichtung, da eine defektfreie BAW-Vorrichtung viel weniger anfällig für Korrosion als eine entsprechende Struktur mit Rissen und anderen Defekten ist.

Die Erfindung wurde in Bezug auf nur eine Ausführungsform erläutert, ist aber nicht beschränkt auf die entsprechende Zeichnung und die beschriebene Vorrichtung. Eine erfindungsgemäße BAW-Vorrichtung kann auf einem beliebigen Substrat, das eine beliebige Topographie oder zusätzliche Schichten obendrauf aufweisen kann, gebildet werden.

Im Schutzbereich der Erfindung befinden sich alle BAW-Vorrichtungen, die die beanspruchte Schichtabfolge mit der dielektrischen Pufferschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht aufweisen.

Bezugszeichenliste

  • AS
    akustischer Spiegel
    BL
    dielektrische Pufferschicht
    CR
    Riss
    E1,
    E2 erste und zweite Elektrodenschicht
    M
    Membran
    PL
    piezoelektrische Schicht
    RC
    Vertiefung
    SU
    Substrat
    TS
    topographische Stufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 6542054 B2 [0007]