DE102005004435B4

DE102005004435B4 - Baw-resonator

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Publication number: DE102005004435B4
Application number: DE102005004435A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr.Rer.Nat. Thalhammer; Robert Dr.-Ing. Aigner; Stephan Dr.rer.nat. Marksteiner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005004435A1; US7199683B2; US20060170519A1

Abstract

BAW-Resonator mit folgenden Merkmalen:
einem Resonatorbereich (1) mit einer piezoelektrischen Schicht (6) zwischen zwei Anregungselektroden (2, 3), wobei sich bei einem Betrieb des BAW-Resonators bei einer Resonanzfrequenz eine stehende Welle ausbildet;
und
einer Leckwellen-Reflexionsstruktur (10), die ausgebildet ist, um bei dem Betrieb des BAW-Resonators erzeugte Leckwellen (9) zu reflektieren, wobei sich die Leckwellen (9) in einer von einer Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle (8) unterschiedlichen Richtung ausbreiten,
wobei die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) in einem zum Resonatorbereich (1) lateral versetzen Außenbereich angeordnet ist, oder
wobei der Resonatorbereich (1) einen Spiegelbereich (4) aufweist, der ausgebildet ist, um eine akustische Welle zu reflektieren, wobei der Spiegelbereich (4) derart im Resonatorbereich (1) angeordnet ist, dass sich eine stehende akustische Welle (8) zwischen der piezoelektrischen Schicht (6) und dem Spiegelbereich (4) ausbildet, wobei der Spiegelbereich (4) und die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) in einer Einbettungsschicht (5) eingebettet sind, oder
wobei die Leckwellen-Reflexionsstruktur...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Halbleiterelektronik und insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das technische Teilgebiet der Bulk-Acoustic-Wave-Resonatoren (BAW-Resonatoren).

Bulk-Acoustic-Wave-Resonatoren (BAW-Resonatoren) werden in der Elektronik oftmals als kostengünstige und einfach herzustellende Resonatorstrukturen verwendet. Ein Beispiel für einen BAW-Resonator ist in 4 näher dargestellt. Hierin ist ein aktiver Resonatorbereich 1 abgebildet, der eine obere Elektrode 2 (Top-Elektrode) und eine untere Elektrode 3 (Bottom-Elektrode) zeigt, zwischen welchen eine piezoelektrische Schicht 6 angeordnet ist. Die obere Elektrode 2 und die untere Elektrode 3 wirken ferner als Zuführung bzw. Anregungselektroden, um beim Betrieb des BAW-Resonators eine mechanische Schwingung in der piezoelektrischen Schicht 6 hervorzurufen. Ferner ist die untere Elektrode und ein Teil einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 6 mit einer Einbettungsschicht 5 in Kontakt, die beispielsweise aus SiO₂ besteht. Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit der aktive Resonatorbereich 1 auf der Einbettungsschicht 5 angeordnet. Ferner sind in der Einbettungsschicht 5 eine oder mehrere Spiegelschichten 4 unterhalb des aktiven Resonatorbereiches 1 angeordnet, wie es beispielsweise in 4 anhand der zwei dargestellten Spiegelschichten 4 gezeigt ist. Weiterhin ist die Einbettungsschicht 5 auf einem Substrat 7 angeordnet.

Wird nun der aktive Resonatorbereich 1 durch ein Anlegen eines hochfrequenten Spannungssignals zwischen der oberen Elektrode 2 und der unteren Elektrode 3 angeregt, d.h. die piezoelektrische Schicht 6 durch die zwischen den Elektroden 2 und 3 anliegende Spannung in mechanische Schwingung versetzt, bildet sich zwischen dem aktiven Resonatorbereich 1 in Kombination mit den darunter liegenden, in der Einbettungsschicht 5 vergrabenen Spiegelschichten 4 eine stehende Welle 8 im BAW-Resonator aus.

Bezüglich der BAW-Resonatoren ist jedoch anzumerken, dass bei der Ausbildung einer stehenden Welle 8 ebenfalls lateral auslaufende Leckwellen 9 auftreten, die Energie aus einem Bereich, in dem die stehende Welle ausgebildet ist (d.h. dem Resonatorbereich 1 mit den darunter liegenden Spiegelschichten 4) transportieren und damit die Güte des BAW-Resonators vermindern. Dies ist beispielsweise in dem in 5 dargestellten Smith-Diagramm dargestellt, in welchem eine solche in 4 abgebildete herkömmliche Standardstruktur eines BAW-Resonators mittels einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet ist. Die Verminderung der Güte herkömmlicher BAW-Resonatoren lässt sich an einem geringeren Radius der entsprechenden Kennlinie in diesem Smith-Diagramm erkennen, die sich durch einen höheren Abstand zum Einheitskreis (kurz-gestrichelte Linie) insbesondere im Bereich hoher Impedanzen auszeichnet. Besonders deutlich wird dies in dem vergrößerten Ausschnitt 52 des Smith-Diagramms 50. Allgemein ist anzumerken, dass die Güte eines Resonators umso höher ist, je näher seine Charakteristik am Einheitskreis verläuft. Insbesondere im Bereich einer Parallelresonanz (hohe Impedanz, Punkt bei (1,0) zeigt sich ein deutlicher Unterschied einer herkömmlichen Standardstruktur und dem Einheitskreis.

In der Theorie für BAW-Resonatoren wird angenommen, dass außerhalb der Elektrodenfläche eine exponentiell abklingende „evaneszente" Welle für einen perfekten lateralen Einschluss der akustischen Energie sorgt. Die Bedingung für eine evaneszente Welle ist bei Membran-BAW-Resonatoren in der Regel erfüllt, da die Umgebung des Resonators eine höhere Resonanzfrequenz aufweist. Bei BAW-Resonatoren auf akustischen Spiegel gibt es jedoch eine Vielzahl von Ästen in einem entsprechenden Dispersionsdiagram und der Einschluss der akustischen Energie ist nie perfekt. Der Energieverlust und die damit verbundene Güteminderung wurden bisher immer in Kauf genommen.

Die Veröffentlichung von Thalhammer, R. u.a. „Prediction of BAW resondator performance using experimental and numerical methods", veröffentlicht in 2004 IEEE Ultrasonics Symposium, Vol. 1, 23.–27. 8. 2004 S. 282–285 offenbart Filter, welche auf BAW-Resonatoren basieren und die attraktiv für eine Reihe von Hochfrequenzanwendungen sind. Um verschiedenartigste Spezifikationen zu erfüllen und um schnelles und kostengünstiges Design zu erleichtern wird in der genannten Veröffentlichung eine effiziente Simulationsstrategie präsentiert, welche verschiedene Modellierungsansätze kombiniert. Als ein erster Schritt wird ein eindimensionales Übertragungsleitungsmodel (Mason-Model) verwendet, um einen Schichtstapel zu konstruieren, der die gewünschte Resonanzfrequenz und Bandbreite aufweist. Zweitens wird ein System von Newton'schen Bewegungsgleichungen und Maxwell'schen Gleichungen, verbunden durch den piezo-elektrischen Effekt, durch FEM-Simulationen gelöst. Auf diese Weise können laterale Strukturen, beispielsweise spezifische Grenzregionen entworfen werden, um den Q-Wert zu maximieren und das Austreten von Leckwellen zu minimieren. Die theoretischen Vorhersagen werden durch elektrische Messungen und Laserinterpherometrie bestätigt.

Die US 6842088 B2 zeigt einen akustischen Dünnfilmresonator und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Eine Vertiefung wird auf einem Substrat ausgeformt, das einen Siliziumwafer aufweist, auf dessen Oberfläche eine dünne Schicht Siliziumdioxid ausgebildet ist. Eine Sandwich-Struktur umfasst eine piezo-elektrische Lage und untere und obere Elektroden, die an beiden Seiten der piezo-elektrischen Lage aufgebracht sind, um die Vertiefung zu bedecken. Die obere Oberfläche der unteren Elektrode und die Oberfläche der piezo-elektrischen Lage, welche mit der oberen Oberfläche der unteren Elektrode verbunden ist, werden derart behandelt, dass die RMS-Variation deren Höhe gleich oder geringer 25 nm ist. Die Dicke der unteren E lektrode wird auf 250 nm oder weniger gesetzt. Gemäß einer solchen Struktur wird ein Hochleistungsdünnfilm BAW verwendet, welcher exzellente Eigenschaften in Bezug auf einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und einen akustischen Qualitätsfaktor aufweisen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen BAW-Resonator zu schaffen, der gegenüber einem herkömmlichen BAW-Resonator eine verbesserte Güte aufweist und zudem einfach und kostengünstig herzustellen sein soll.

Diese Aufgabe wird durch einen BAW-Resonator gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen BAW-Resonator mit folgenden Merkmalen:
einem Resonatorbereich mit einer piezoelektrischen Schicht zwischen zwei Anregungselektroden, wobei sich bei einem Betrieb des BAW-Resonators bei einer Resonanzfrequenz eine stehende Welle ausbildet; und
einer Leckwellen-Reflexionsstruktur, die ausgebildet ist, um bei dem Betrieb des BAW-Resonators erzeugte Leckwellen zu reflektieren, wobei sich die Leckwellen in einer von einer Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle unterschiedlichen Richtung ausbreiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, dass sich eine Erhöhung der Güte eines BAW-Resonators dadurch erreichen lässt, dass Leckwellen, die sich in einer von der Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle unterschiedlichen Richtung ausbreiten, durch eine geeignete Leckwellen-Reflexionsstruktur reflektiert werden können und somit kein Energieverlust durch einen Energietransport der lateralen Leckwelle aus dem Resonatorbereich bzw. den Bereich zwischen dem Resonatorbereich und den Spiegelschichten auftreten kann bzw. ein Energietransport aus dem Resonatorbereich weitestgehend unterbunden wird. Dies resultiert insbesondere daraus, dass bereits durch den Massebelag der Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Änderung des lokalen Schwingverhaltens in einem Material um die Leckwellen-Reflexionsstruktur an der Position der Leckwellen-Reflexionsstruktur bewirkt wird, welche zu der Reflexion einer akustischen/mechanischen Schwingung in dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur umgebenden Material führt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen BAW-Resonators besteht darin, dass nunmehr durch die Leckwellen-Reflexionsstruktur die Energie der stehenden akustischen Welle in einem definierten Bereich "zusammengehalten" werden kann und somit kein Güteverlust auftreten kann. Gegenüber herkömmlichen BAW-Resonatoren weist der erfindungsgemäße BAW-Resonator somit den Vorteil einer verbesserten Güte auf. Weiterhin ist anzumerken, dass sich eine Leckwellen-Reflexionsstruktur auch bei der Prozessierung bzw. Herstellung des erfindungsgemäßen BAW-Resonators einfach und somit kosten günstig herstellen lässt, wodurch sich der erfindungsgemäße BAW-Resonator auch kostengünstig in der Massenproduktion einsetzen lässt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des BAW-Resonators weist der Resonatorbereich ferner einen Spiegelbereich auf, der ausgebildet ist, um eine akustische Welle zu reflektieren, wobei der Spiegelbereich derart im Resonatorbereich angeordnet ist, dass sich eine stehende akustische Welle zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Spiegelbereich ausbildet. Ein solcher BAW-Resonator weist den Vorteil einer optimierten Führung der stehenden akustischen Welle gegenüber herkömmlichen BAW-Resonatoren mit einer Membran auf.

Günstig ist es auch, wenn bei einem BAW-Resonator die Leckwellen-Reflexionsstruktur ausgebildet ist, um Leckwellen zu reflektieren, die sich im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle ausbreiten. Dies bietet den Vorteil einer lateralen Reflexion einer Leckwelle, wenn die stehenden akustische Welle vertikal verläuft.

In einer günstigen Ausführungsform kann auch die Leckwellen-Reflexionsstruktur an einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein, was eine einfache Herstellung der Leckwellen-Reflexionsstruktur ermöglicht.

Auch kann die Leckwellen-Reflexionsstruktur an der dem Spiegelbereich zugewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein, was sich vorteilhaft für die Reflexionseigenschaften einer derart angebrachten Leckwellen-Reflexionsstruktur auszeichnet.

Ferner kann auch die Leckwellen-Reflexionsstruktur an der dem Spiegelbereich abgewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein, was sich besonders günstig bei der Herstellung einer solchen Leckwellen-Reflexionsstruktur auszeichnet.

Günstig ist es auch, wenn einer der Anregungselektroden und die Leckwellen-Reflexionsstruktur ein gleiches Material aufweisen, da dann die Leckwellen-Reflexionsstruktur und die entsprechende Anregungselektrode in einem Prozessschritt herstellbar sind.

Auch kann der Spiegelbereich und die Leckwellen-Reflexionsstruktur in einer Einbettungsschicht vergraben sein. Dies hat besonders vorteilhafte Wirkungen auf einer Reflexion von in der Einbettungsschicht verlaufenden Leckwellen.

Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der Spiegelbereich und die Leckwellen-Reflexionsstruktur ein gleiches Material aufweisen, was sich günstig durch eine einfache Herstellung der Leckwellen-Reflexionsstruktur im gleichen Prozessschritt wie der Spiegelbereich ausweist.

Weiterhin kann auch die Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Mehrzahl von Reflexionsstrukturelementen umfassen, wodurch sich eine exakte Einstellung eines Reflexionsfaktors oder der reflektierten Frequenz der Leckwellen-Reflexionsstruktur bewirken lässt.

Auch kann eine Breite der Leckwellen-Reflexionsstruktur von der Resonanzfrequenz abhängig sein, was sich ebenfalls durch eine günstige Einstellbarkeit des Reflexionsfaktors oder der reflektierten Frequenz der Leckwellen-Reflexionsstruktur auswirkt.

Auch kann der Abstand der Leckwellen-Reflexionsstruktur von dem Resonatorbereich von der Resonanzfrequenz abhängen. Hierdurch kann dann beispielsweise ein spezieller Reflexionsfaktor oder eine spezifische Resonanzfrequenz bestimmt werden. Diese Abhängigkeit kann dadurch bewirkt werden, dass sich durch das spezielle Verhältnis des Abstandes zwischen der Leckwellenreflexionsstruktur von dem Resonatorbereich und der Resonanzfrequenz eine konstruktive oder destruktive Interferenz ausbildet, durch welche sich dann auch der Reflexionsfaktor oder bei der Wahl eines vorbestimmten Abstandes die entsprechende Resonanzfrequenz einstellen lässt.

Ferner kann auch der Abstand zwischen den Reflexionsstrukturelementen von der Resonanzfrequenz abhängig sein, was sich ebenfalls günstig auf die Einstellbarkeit des Reflexionsfaktors oder der reflektierten Frequenz der Leckwellen-Reflexionsstruktur auswirkt. Bezüglich der Abhängigkeit des gegenseitigen Abstandes der Reflexionsstrukturelemente von der Resonanzfrequenz kann wiederum auf die Ausbildung der konstruktiven oder destruktiven Interferenzen hingewiesen werden, wie sie bereits vorstehend genannt wurden.

Auch ist es möglich, dass eine Anzahl von Reflexionsstrukturelementen von einem vordefinierten Reflexionsfaktor abhängig ist, wodurch auch bei Vorgabe des vordefinierten Reflexionsfaktors eine geeignete Wahl der Anzahl und/oder der Breite der einzelnen Reflexionsstrukturelemente möglich ist.

In einer günstigen Ausführungsform kann auch die Leckwellen-Reflexionsstruktur den Resonatorbereich ringförmig umgeben, wobei in der ringförmigen Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Öffnung zur Kontaktierung einer der Anregungselektroden ausgebildet sein kann. Dies ermöglicht eine sehr günstige Reflexionseigenschaft der Leckwellen-Reflexionsstruktur, da hierdurch ein nahezu vollständiger Einschluss der in dem Resonatorbereich schwingenden Energie ermöglicht wird.

Auch ist es möglich, dass die Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Stabform mit einer Längsachse aufweist, wobei die Längsachse im wesentlichen lotrecht auf eine durch die piezoelektrische Schicht definierte Ebene ausgerichtet sein kann. Hierdurch wird eine Tiefenwirkung der Leckwellen-Reflexionsstruktur in der Einbettungsschicht erreicht, wodurch ein hoher Anteil der auch in tieferen Bereichen der in der Einbettungsschicht verlaufenden Leckwellen reflektiert werden kann.

Ferner ist es auch günstig, wenn ein erstes Reflexionsstrukturelement einen ersten Minimalabstand von der piezoelektrischen Schicht aufweist und ein zweites Reflexionsstrukturelement einen zweiten Minimalabstand von der piezoelektrischen Schicht aufweist, wobei sich der erste Minimalabstand von dem zweiten Minimalabstand unterscheidet. Hierdurch lässt sich eine Matrixstruktur der Leckwellen-Reflexionsstruktur erreichen, da die einzelnen Reflexionsstrukturelemente in unterschiedlichen Tiefen von der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind und somit zusätzlich zu der durch die Impedanzänderung durch die Reflexionsstrukturelemente bewirkte Reflexion noch eine Ausnutzung der Gittereffekte einer solchen Anordnung der Reflexionsstrukturelemente möglich ist, was sich in einem höheren Reflexionsgrad und/oder einer verbesserten Winkelcharakteristik auszeichnen kann.

Auch kann die Leckwellen-Reflexionsstruktur ein Material mit einer akustischen Impedanz aufweisen, die höher ist, als eine akustische Impedanz eines Materials, das an die Leckwellen-Reflexionsstruktur angrenzt. Hierdurch ist es auch möglich, besonders vorteilhafte Eigenschaften durch eine günstige Wahl der Materialien für die Leckwellen-Reflexionsstruktur zu verwenden, ohne notwendigerweise auf die Materialien zur Ausbildung des Spiegelbereichs oder der Anregungselektroden zurückgreifen zu müssen.

Insbesondere kann auch innerhalb eines definierten Bereiches des BAW-Resonators eine Mehrzahl von Reflexionsstrukturelementen angeordnet sind, wobei die Reflexionsstrukturelemente einen im wesentlichen gleichen Abstand voneinander aufweisen. Dies ermöglicht eine optimierte Reflexionseigenschaft, da eine periodische Struktur durch einen gleichen Abstand der einzelnen Elemente bei einer vordefinierten Wellenlänge sehr günstige Eigenschaften aufweist, wenn dieser periodische Abstand in einer bestimmten Beziehung zur vordefinierten Wellenlänge steht.

Günstige Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine Draufsichtdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators;
1B eine Querschnittsdarstellung des in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators;
2 eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators;
3A eine Draufsichtdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators;
3B eine Querschnittsdarstellung des in 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators;
4 eine Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen BAW-Resonators; und
5 ein Smith-Diagramm mit Kennlinien des herkömmlichen BAW-Resonators sowie des erfindungsgemäßen BAW-Resonators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
In den beiliegenden Zeichnungen werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
In 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen BAW-Resonators in Draufsichtdarstellung wiedergegeben. Hierbei umfasst der in 1A dargestellte BAW-Resonator einen aktiven Resonatorbereich 1 dessen obere Elektrode 2 im Zentrum der 1A angeordnet ist. Diese obere Elektrode 2 ist auf einer in 1A aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten piezoelektrischen Schicht angeordnet, unter welcher die untere Elektrode 3 angeordnet ist. In 1A ist lediglich der Anschlusskontakt der unteren Elektrode 3 sichtbar, da bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die untere Elektrode 3 selbst durch die obere Elektrode 2 verdeckt ist. Um den aktiven Resonatorbereich 1 herum ist ein schmaler Bereich der unter dem aktiven Resonatorbereichs 1 angeordneten Spiegelschicht 4 zu erkennen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auch das Material der Einbettungsschicht in 1A nicht dargestellt.
Wie aus 1A zu entnehmen ist, ist um den aktiven Resonatorbereich 1 sowie die unter dem aktiven Resonatorbereich 1 vergrabene Spiegelschicht 4 eine Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 angeordnet, die ringförmig denjenigen Bereich umschließt, in welchem sich die stehende akustische Welle beim Betrieb des BAW-Resonators ausbildet. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 an einer Stelle eine Öffnung aufweist, um die Zuführung der unteren Elektrode 3 nach außen zu führen. Diese Öffnung für die Zuführung der unteren Elektrode 3 ist jedoch nicht zwingend notwendig, erleichtert jedoch eine Herstellung eines derartigen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators. Diese Erleichterung ergibt sich insbesondere daraus, dass bei der Herstellung einer derartigen Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 diese Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 in einem Schritt mit der Ausbildung der unteren Elektrode 3 durchgeführt werden kann und sich somit ein zusätzlicher Prozessschritt zum Ausbilden der Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 vermeiden lässt.
Ferner ist aus 1A ersichtlich, dass die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 mehrere Reflexionsstrukturelemente umfassen kann, wie sie in 1A durch die konzentrisch angeordneten und ringförmig den aktiven Resonatorbereich 1 umschließenden Reflexionsstrukturen 11 dargestellt sind. Wird nun die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 in einem Prozessschritt mit der unteren Elektrode 3 hergestellt, lässt sich vorzugsweise als Material der Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 das gleiche Material wie für die untere Elektrode 3 verwenden, wodurch sich der Aufwand für die Herstellung einer solchen Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 auf lediglich ein Redesign der entsprechenden Prozessierungsmasken reduzieren lässt. Weiterhin kann bei Verwendung von mehreren voneinander getrennten Reflexionsstrukturelementen 11 durch die Wahl der Breite dieser Reflexionsstrukturelemente 11 und/oder die Wahl des gegenseitigen Abstandes der Reflexionsstrukturelemente 11 auch ein Einfluss auf die durch die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 zu reflektierende Leckwellenfrequenz genommen werden, wodurch sich eine spezielle Anpassung an die Resonanzfrequenz des BAW-Resonators bzw. eventuelle harmonische Schwingungen dieser Resonanzfrequenz unabhängig einstellen lässt.
In 1B ist eine Querschnittsdarstellung des in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators wiedergegeben, wobei die Schnittkante der in 1B dargestellten Querschnittsdarstellung eine Schnittkante an der in 1A dargestellten Schnittlinie A-A' darstellt. Wie aus 1B ersichtlich ist, entspricht der prinzipielle Aufbau des ersten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators bis auf die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 dem Aufbau des in 4 dargestellten herkömmlichen BAW-Resonators. Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten herkömmlichen BAW-Resonator umfasst jedoch der in 1B dargestellte BAW-Resonator die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 mit den beiden Reflexionsstrukturelementen 11, die nebeneinander angeordnet sind. Hierbei ist die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 an einer ersten, den Spiegelschichten 4 zugewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 6 angeordnet. Eine derartige Anordnung der Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 weist den Vorteil auf, dass durch eine solche Anordnung sowohl Leckwellen in der piezoelektrischen Schicht 6 als auch Leckwellen in der Einbettungsschicht 5 bei einem Betrieb eines solchen BAW-Resonators effektiv reflektiert werden können.
Die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 bzw. die einzelnen Reflexionsstrukturelemente 11 können auf einer den Spiegelschichten 4 abgewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 6 angeordnet sein, wodurch sich dann ein Prozessschritt des Ätzens von entsprechenden Ausnehmungen in der Einbettungsschicht 5 vor dem Ausbilden der Reflexionsstrukturelemente 11 vermeiden ließe (siehe 2). Allerdings würde die Anordnung der Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 mit den Reflexionsstrukturelementen 11 auf der den Spiegelschichten abgewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 6 geringere Reflexionseigenschaften bezüglich einer in der Einbettungsschicht 5 auftretenden Leckwelle aufweisen. Für manche Anwendungsfälle, in denen eine Abwägung zwischen einer kostengünstigen Herstellung und einer hohen Güte zu treffen ist, wäre jedoch ein BAW- Resonator, wie er in 2 dargestellt ist, jedoch durchaus zu berücksichtigen.
In 3A ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen BAW-Resonators in Draufsichtdarstellung abgebildet. Hierbei umfasst die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 eine Vielzahl von Reflexionsstrukturelementen 11, die in einem Bereich um den aktiven Resonatorbereich 1 sowie die darunter liegenden Spiegelschichten 4 angeordnet sind. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist wiederum in 3A, wie auch in 1A, auf eine Darstellung der piezoelektrischen Schicht 6 sowie der Einbettungsschicht 5 verzichtet worden. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen BAW-Resonators, wie er in 3A dargestellt ist, sind die einzelnen Reflexionsstrukturelemente 11 in Form von "Punkten" ausgebildet. Abhängig davon, in welcher Schicht bzw. Schichten die Reflexionsstrukturelemente 11 realisiert werden sowie den oder der Dicken der entsprechenden Schichten entstehen im Querschnittsprofil Stäbe, die im wesentlichen lotrecht zur Zeichenebene der 3A ausgerichtet sind. Die Anordnung der einzelnen Reflexionsstrukturelemente 11 in dem BAW-Resonator ist in 3B näher dargestellt. Die 3B zeigt dabei wiederum eine Querschnittsdarstellung des in 3A abgebildeten dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen BAW-Resonators, wobei in der Zeichenebene der 3B ein Querschnittsprofil an der Schnittlinie A-A' abgebildet ist, entsprechend der in 3A gekennzeichneten Schnittlinie A-A'. Aus 3B ist somit zu entnehmen, dass die Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 sich aus den einzelnen Reflexionsstrukturelementen 11 zusammensetzt, die in die Einbettungsschicht 5 eingebettet sind. Auch hierbei kann wiederum eine Dicke bzw. ein Abstand der einzelnen Re flexionsstrukturelemente 11 zur Einstellung eines Reflexionsgrades bzw. einer zu reflektierenden Frequenz einer Leckwelle eingestellt bzw. angepasst werden.
Durch eine Simulation der Wirkungsweise der Leckwellen-Reflexionsstruktur 10 konnte nachgewiesen werden, dass sich durch den Einsatz einer Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Verbesserung der Güte des BAW-Resonators erzielen lässt. In 5 ist neben der simulierten Kennlinie einer herkömmlichen BAW-Resonatorstruktur auch eine simulierte Kennlinie eines BAW-Resonators mit einer Leckwellen-Reflexionsstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch eine lang-gestrichelte Linie dargestellt. Insbesondere aus dem vergrößerten Abschnitt 52 ist ersichtlich, dass der BAW-Resonator mit der Leckwellen-Reflexionsstruktur eine Kennlinie aufweist, die einen geringeren Abstand zum Einheitskreis als die herkömmliche Standardstruktur eines BAW-Resonators aufweist. Somit lässt sich aus der 5 entnehmen, dass ein BAW-Resonator mit einer Leckwellen-Reflexionsstruktur eine verbesserte Güte als ein herkömmlicher BAW-Resonator aufweist.
Zusammenfassend ist daher festzustellen, dass in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Randstrukturen für einen besseren Einschluss der Energie im Resonator vorgeschlagen werden, die auf akustischen Bandgap-Strukturen verschiedener Art beruhen. Von akustischen Bandgaps wird in diesem Zusammenhang gesprochen, wenn ein Festkörper so gestaltet ist, dass die Ausbreitung von akustischen Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich verhindert wird. In Äquivalenz zu photonischen Bandgaps sind dies in der Regel Strukturen aus verschiedenen Materialien, die in einer oder mehreren Dimensionen zumeist periodisch angeord net sind. Die Materialparameter der Geometrie und der Periode dieser Strukturen bestimmen den Frequenzbereich (d.h. das "Bandgap") in dem eine Wellenausbreitung in dem Festkörper unterbunden werden kann.
Es wird daher vorgeschlagen, beispielsweise im Außenbereich des Resonators geeignete Strukturen in einer oder mehreren Metalllagen anzubringen, die die lateral auslaufenden (Leck)wellen reflektieren und dadurch die Güte des Resonators erhöhen. Diese Lösung ist mit der Prozessierung kompatibel und erfordert (abgesehen vom Redesign der entsprechenden Maskenebenen) keinerlei Aufwand.
In den zusätzlichen Randstrukturen wird beispielsweise durch die höhere Masse des Metalls im Vergleich zum Oxid beispielsweise der Einbettungsschicht, die Dispersionsrelation geändert und damit ein Sprung in der akustischen Impedanz erzeugt. Dadurch entsteht vorzugsweise sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite eines jeden Reflektorstreifens (d.h. jedem Reflexionsstrukturelement) eine partielle Reflexion. Bei geeigneter Dimensionierung hinsichtlich Breite und Anzahl der Streifen kann durch konstruktive Überlagerung der partiellen Reflexionen an den einzelnen Reflexionsstrukturelementen ein akustisches Bandgap konstruiert werden, das im gewünschten Wellenlängenbereich einen bestimmten Reflexionsgrad erzielt. Wie aus den simulierten Charakteristiken im Smith-Diagramm aus 5 hervorgeht, kann damit bereits mit einem Ring oder wenigen Ringen wie sie in der 1A (und analog auch in 2) dargestellt sind, eine Verbesserung der Güte erreicht werden.
Verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen BAW-Resonators sind in den 1A bis 3B näher dargestellt. In den 1A und 1B wurde ein eindimensionales akustisches Bandgap durch eine geeignete Strukturierung der Bottom-Elektrode 3 (d.h. der unteren Elektrode) realisiert, d.h. zusätzlich Ringe bzw. Streifen um den aktiven Resonator herum angeordnet. Alternativ kann auch die obere Elektrode 2 (d.h. Top-Elektrode) verwendet werden, wie es in 2 näher dargestellt ist. Werden bei der Ätzung der Grube für den akustischen Spiegel (d.h. die Spiegelflächen 4) weitere Gräben um die eigentliche Spiegelgrube herum geätzt (wozu kein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich ist), entsteht beispielsweise durch die anschließende Wolfram- und Oxidabscheidung sowie den Polierschritten ein eindimensionales akustisches Bandgap entsprechend der 3B. Verschiedene Kombinationen hinsichtlich der Zahl und Geometrie der Reflexionsstrukturelemente (insbesondere deren Anzahl, Breite, Abstand und Form wie Ringe, Punkte oder Streifen) als auch bezüglich der verwendeten Ebenen (wie beispielsweise der Spiegelschicht, der Bottom-Elektrode, der Top-Elektrode oder mehrere Ebenen gleichzeitig) sind für die Anordnung der Leckwellen-Reflexionsstruktur in dem BAW-Resonator denkbar. Auch nicht-periodische Strukturen mit verschiedenen Abständen und/oder Breiten sind prinzipiell als Reflexionsstrukturen möglich oder denkbar.
Ein zwei-dimensionales akustisches Bandgap lässt sich beispielsweise dadurch erhalten, indem statt den umlaufenden Ringen, wie sie in den 1 und 2 dargestellt sind, beispielsweise ein periodisches Muster aus stabförmigen Reflexionsstrukturelementen am Rand eines Resonanzbereiches zwischen dem aktiven Resonatorbereich und den Spiegelschichten verwendet wird, wie es in 3A und 3B darge stellt ist. Analog ist es auch möglich, nicht-periodische (z.B. bezüglich Abstand und/oder Größe variierende) Muster zu verwenden und/oder die Muster aus den Reflexionsstrukturelementen in anderen Schichten (z.B. in der oberen Elektrode, in der unteren Elektrode oder in mehreren Schichten) zu realisieren. Ein zwei-dimensionales akustisches Bandgap hat dann insbesondere die Eigenschaft, dass es laterale Leckwellen unabhängig vom Einfallswinkel bezüglich des Resonator-Randes reflektiert.
Auch eine drei-dimensionale Reflexionsstruktur ist prinzipiell denkbar. Eine solche drei-dimensionale akustische Bandgap-Struktur bestünde dann zum Beispiel aus Würfeln eines Materials mit einer hohen akustischen Impedanz bezüglich eines umgebenden Materials, wobei dann beispielsweise die Würfel in eine Matrix aus Material mit niedriger Impedanz eingebettet sind und sich in x-, y-, z-Richtung vorzugsweise periodisch wiederholen. Die Herstellung einer drei-dimensionalen Struktur ist im Vergleich zu einer zweidimensionalen Struktur jedoch mit einem höheren Aufwand verbunden. Die einzelnen Würfel können dann auch in unterschiedlichen Höhen in der Einbettungsschicht und/oder in verschiedenen Abständen zu dem aktiven Resonatorbereich (bzw. dem Resonatorbereich und dem Spiegelbereich) angeordnet sein.
Die bevorzugte Lösung ist in 1A und 1B dargestellt, bei der eine Strukturierung der Leckwellen-Reflexionsstruktur im gleichen Prozessschritt wie die Strukturierung der unteren Elektrode durchgeführt werden kann. Diese Variante ist nicht nur am einfachsten zu realisieren, sondern verspricht auch aus theoretischer Hinsicht die beste Performance. Dies resultiert insbesondere daraus, dass die la teral auslaufenden Wellen vorwiegend im Oxid der Einbettungsschicht zwischen der Bottom-Elektrode und einer oder mehrerer Spiegelschichten geführt wird, d.h. die Strukturierung der Top-Elektrode ist weniger wirksam. Zusätzlich wird ein Teil der im Oxid der Einbettungsschicht laufenden Wellen in die darüber liegende piezoelektrische Schicht eingekoppelt. Eine akustische Bandgap-Struktur um die untere Elektrode (Bottom-Elektrode) wirkt auch auf diese Wellen in der piezoelektrischen Schicht und kann somit einen größeren Anteil der ansonsten dissipierenden Energie reflektieren.
Die piezoelektrische Schicht braucht außerhalb des Resonators nicht die gleiche Dicke aufweisen wie im Resonatorbereich. Ferner können auch die Elektroden unterschiedliche Größe aufweisen.

1: aktiver Resonatorbereich
2: obere Elektrode, Top-Elektrode
3: untere Elektrode, Bottom-Elektrode
4: akustischer Spiegel, Spiegelbereich
5: SiO₂-Einbettungsschicht
6: Piezoelektrische Schicht
7: Substrat
10: Leckwellen-Reflexionsstruktur
11: Reflexionsstrukturelemente
50: Smith-Diagramm
52: vergrößerter Ausschnitt des Smith-Diagramms 50

Claims

BAW-Resonator mit folgenden Merkmalen: einem Resonatorbereich (1) mit einer piezoelektrischen Schicht (6) zwischen zwei Anregungselektroden (2, 3), wobei sich bei einem Betrieb des BAW-Resonators bei einer Resonanzfrequenz eine stehende Welle ausbildet; und einer Leckwellen-Reflexionsstruktur (10), die ausgebildet ist, um bei dem Betrieb des BAW-Resonators erzeugte Leckwellen (9) zu reflektieren, wobei sich die Leckwellen (9) in einer von einer Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle (8) unterschiedlichen Richtung ausbreiten, wobei die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) in einem zum Resonatorbereich (1) lateral versetzen Außenbereich angeordnet ist, oder wobei der Resonatorbereich (1) einen Spiegelbereich (4) aufweist, der ausgebildet ist, um eine akustische Welle zu reflektieren, wobei der Spiegelbereich (4) derart im Resonatorbereich (1) angeordnet ist, dass sich eine stehende akustische Welle (8) zwischen der piezoelektrischen Schicht (6) und dem Spiegelbereich (4) ausbildet, wobei der Spiegelbereich (4) und die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) in einer Einbettungsschicht (5) eingebettet sind, oder wobei die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) eine Mehrzahl von Reflexionsstrukturelementen (11) umfasst.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) ausgebildet ist, um Leckwellen (9) zu reflektieren, die sich im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle (8) ausbreiten.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) an einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht (6) angeordnet ist.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 3, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur an der dem Spiegelbereich (4) zugewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht (6) angeordnet ist.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 3, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) an der dem Spiegelbereich (4) abgewandten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht (6) angeordnet ist.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine der Anregungselektroden (2, 3) und die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) ein gleiches Material aufweisen.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Spiegelbereich (4) und die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) ein gleiches Material aufweisen.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Breite der Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) von der Resonanzfrequenz abhängig ist.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Abstand der Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) von dem Resonatorbereich (1) von der Resonanzfrequenz abhängig ist.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen den Reflexionsstrukturelementen (11) von der Resonanzfrequenz abhängig ist.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem eine Anzahl von Reflexionsstrukturelementen (11) von einem vordefinierten Reflexionsfaktor abhängig ist.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche l bis 11, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) den Resonatorbereich (1, 4) ringförmig umgibt.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 11, bei dem in der ringförmigen Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) eine Öffnung zur Kontaktierung einer der Anregungselektroden (2, 3) ausgebildet ist.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 oder 7, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) eine Stabform mit einer Längsachse aufweist, wobei die Längsachse im wesentlichen Lotrecht auf eine durch die pie zoelektrische Schicht (6) definierte Ebene ausgerichtet ist.
BAW-Resonator gemäß dem Anspruch 1, wobei ein erstes Reflexionsstrukturelement (11) einen ersten Minimalabstand von der piezoelektrischen Schicht (6) aufweist und ein zweites Reflexionsstrukturelement (11) einen zweiten Minimalabstand von der piezoelektrischen Schicht (6) aufweist, wobei sich der erste Minimalabstand von dem zweiten Minimalabstand unterscheidet.
BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) ein Material mit einer akustischen Impedanz aufweist, die höher oder niedriger ist, als eine akustische Impedanz eines Materials, das an die Leckwellen-Reflexionsstruktur (10) angrenzt.
BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem die Reflexionsstrukturelemente (11) einen im wesentlichen gleichen Abstand voneinander aufweisen.