DE102006019505A1

DE102006019505A1 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement

Info

Publication number: DE102006019505A1
Application number: DE102006019505A
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr. Fattinger; Klaus Diefenbeck
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Contria San Us LLC; Contria San Wilming Us LLC
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: US7491569B2; US20070254397A1; DE102006019505B4

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Grundmaterials, Erzeugen einer Schichtstruktur aus einem leitfähigen Material auf dem Grundmaterial und Erzeugen einer Schutzschicht, die flächig auf die Schichtstruktur gebracht wird, Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die Schutzschicht und auf das Grundmaterial, Freilegen eines Abschnitts der Schutzschicht durch Strukturierung der Planarisierungsschicht, Planarisieren der Struktur durch entfernen der außerhalb des Abschnitts verbliebende Abschnitte der Planarisierungsschicht, derart, dass die Schutzschicht seitlich bündig an die Planarisierungsschicht angrenzt und eine planare Oberfläche bildet und Entfernen der Schutzschicht und eines entsprechenden Teils der seitlich bündig angeordneten Planarisierungsschicht. Im letzten Schritt werden die entsprechenden Teile der Schutzschicht und der Planarisierungsschicht derart entfernt, dass die Schichtstruktur und die verbleibende Planarisierungsschicht eine planare Oberfläche bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von piezoelektrischen Resonatoren, z.B. BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave = Akustische Volumenwelle), und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten hochplanaren Bodenelektrode für einen piezoelektrischen Resonator. Die hochplanare Bodenelektrode, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, zeichnet sich durch hervorragende Gleichmäßigkeit in der Schichtabscheidung als auch durch eine planare Oberfläche der gesamten Bodenelektrode aus.
Hochfrequenzfilter, die auf BAW-Resonatoren beruhen, sind von großem Interesse für viele HF-Applikationen. Für BAW-Resonatoren gibt es zwei Konzepte, zum einen der sogenannte Dünnschicht-BAW Resonator (thin film BAW-Resonatoren = FBAR), sowie sogenannte Solidly Mounted Resonatoren (SMR). Dünnschicht-BAW-Resonatoren bestehen aus einer Membran, auf der eine Schichtfolge bestehend aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen Elektrode angeordnet ist. Der akustische Resonator entsteht durch eine Reflexion an der Oberseite und an der Unterseite der Membran. Bei dem Alternativkonzept von Solidly Mounted Resonatoren umfasst ein SMR ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, auf dem die Schichtfolge bestehend aus der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode angeordnet ist. Um bei dieser Ausgestaltung akustischen Wellen im aktiven Bereich zu halten, ist ein sogenannter akustischer Spiegel erforderlich. Dieser befindet sich zwischen den aktiven Schichten, also den zwei Elektroden und der piezoelektrischen Schicht, und dem Substrat.
3 zeigt ein, im Stand der Technik bekanntes Beispiel für einen Solidly Mounted Resonator mit einem strukturierten Spiegel. Es ist ein Substrat 300 gezeigt, auf dessen obere Oberfläche 304 eine Oxidschicht 324 abgeschieden ist, in die eine Grube bzw. Vertiefung 326 eingebracht wird. Zwischen der Oxidschicht 324 und dem Substrat 300 können weitere Zwischenschichten vorgesehen sein. In der Grube 326 ist der akustische Spiegel gebildet, der aus einer Schichtfolge besteht, die eine erste Schicht 306a₁ mit hoher akustischer Impedanz, eine Schicht 306b mit niedriger akustischer Impedanz und eine Schicht 306a₂ mit hoher akustischer Impedanz aufweist. Auf der Oberfläche der sich so ergebenden Struktur ist eine Isolationsschicht 308 abgeschieden, auf der zumindest teilweise die untere Elektrode 310 gebildet ist. Der nicht von der unteren Elektrode 310 bedeckte Abschnitt der Isolationsschicht 308 ist von einer weiteren Isolationsschicht 328 bedeckt. Auf der Isolationsschicht 328 und auf der unteren Elektrode 310 ist die piezoelektrische Schicht 312 gebildet, auf deren Oberfläche wiederum teilweise die obere Elektrode 318 gebildet ist. Die von der oberen Elektrode 318 nicht bedeckten Abschnitte der piezoelektrischen Schicht 312 sowie Teile der oberen Elektrode 318 sind von der Passivierungsschicht 314 bedeckt. Die überlappenden Bereiche von unterer Elektrode 310, piezoelektrische Schicht 312 und oberer Elektrode 318 definieren den BAW-Resonator 322.
In beiden Konzepten für BAW-Resonatoren ist die Abscheidung einer piezoelektrischen Schicht, auf einer strukturierten Bodenelektrode notwendig, wobei die Bodenelektrode beispielsweise aus Metall besteht. Für die Qualität des Resonators ist dabei eine gleichförmige Abscheidung von entscheidender Bedeutung. Um eine gleichförmige Abscheidung zu ermöglichen, ist es erwünscht vor der Abscheidung der piezoelektrischen Schicht eine hochplanare Waferoberfläche, d.h. insbesondere eine Bodenelektrode mit einer hochplana ren Oberfläche zu haben. Dadurch werden Wachstumskanten in der piezoelektrischen Schicht vermieden und somit eine hohe Qualität des Piezomaterials ermöglicht. Dies schlägt sich in einer hohen elektromechanischen Kopplung sowie einer hohen akustischen Güte nieder. Außerdem werden nachfolgende Prozessschritte durch eine ebene Oberfläche vereinfacht. Dies betrifft insbesondere die Strukturierung der oberen Elektrode.
In bisherigen Verfahren wird dieses Problem wie folgt gelöst. Um eine planare Oberfläche vor der Piezoabscheidung zu gewährleisten werden im bisherigen Prozess folgende Schritte unternommen. Zuerst wird die Bodenelektrode strukturiert, wobei die Bodenelektrode beispielsweise aus einem metallischen Material besteht und die Strukturierung durch einen Ätzvorgang geschieht. Nach der Strukturierung der Bodenelektrode wird eine dielektrische Planarisierungsschicht (beispielsweise aus einem Siliziumoxid) mit einer Dicke ungefähr der Stufenhöhe nach der Bodenelektrodenätzung entsprechend, abgeschieden. Diese Planarisierungsschicht wird im folgenden im Bereich der Bodenelektrode geöffnet, so dass ein Steg am Rand der Bodenelektrode mit einer Breite von beispielsweise 1 μm stehen bleibt. Die Breite dieses Steges hängt allerdings von der Wahl der verwendeten Ätzmaske ab. Im anschließenden Oxid-CMP-Schritt (Chemical Mechanical Polishing = chemisch-mechanisches Polieren) wird dieser Steg wegpoliert, wonach eine ebene Oberfläche zurückbleibt.
Dieses Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist dahingehend problematisch, dass der Oxid-CMP-Schritt die Oberfläche der Bodenelektrode angreift. Dies führt dort zu einem sogenannten „Dishing"-Effekt, einer lokalen Variation der Elektrodendicke. Dies führt gleichermaßen zu lokalen Variationen der Piezoschichtdicke, die auf der Bodenelektrode abgeschieden wird. Da die Resonanzfrequenz des BAW-Resonators, abgesehen vom Material der Piezoschicht, im wesentlichen durch die Schichtdicke der Piezoschicht gegeben ist, führt die lokale Variation der Elektrodendicke zu einer Verbreiterung der Serienresonanz des BAW-Resonators, was eine wesentliche Verringerung der Seriengüte des BAW-Resonators zur Folge hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 8 der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine verbesserte Herstellung einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement. Es weist folgende Schritte auf, nämlich Bereitstellen eines Grundmaterials, Erzeugen einer Schichtstruktur aus einem leitfähigen Material auf dem Grundmaterial und Erzeugen einer Schutzschicht, die flächig auf die Schichtstruktur gebracht wird, Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die Schutzschicht und auf das Grundmaterial, Freilegen eines Abschnitts der Schutzschicht durch Strukturierung der Planarisierungsschicht, Planarisieren der Struktur durch entfernen der außerhalb des Abschnitts verbliebende Abschnitte der Planarisierungsschicht derart, dass die Schutzschicht seitlich bündig an die Planarisierungsschicht angrenzt und eine planare Oberfläche bildet und Entfernen der Schutzschicht und eines entsprechenden Teils der seitlich bündig angeordneten Planarisierungsschicht. Im letzten Schritt werden die entsprechenden Teile der Schutzschicht und der Planarisierungsschicht derart entfernt, dass die Schichtstruktur und die verbleibende Planarisierungsschicht eine planare Oberfläche bilden.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement, welches folgende Schritte aufweist, nämlich Bereitstellen eines Grundmaterials, Erzeugen einer strukturierten Schichtfolge bestehend aus ei ner ersten Metallschicht, einer zweiten Metallschicht, einer Verbindungsschicht und einer Schutzschicht, wobei die Verbindungsschicht flächig zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht gebracht wird und die erste Metallschicht flächig auf das Bodenmaterial gebracht wird und die Schutzschicht flächig auf die zweite Metallschicht gebracht wird, Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die Schutzschicht und auf das Grundmaterial, Freilegen eines Abschnitts der Schutzschicht durch Strukturierung der Planarisierungsschicht, Planarisieren der Struktur durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts verbliebende Abschnitte der Planarisierungsschicht derart, dass die Schutzschicht seitlich bündig an die Planarisierungsschicht angrenzt und eine planare Oberfläche bildet und Entfernen der Schutzschicht und eines entsprechenden Teils der seitlich bündig angeordneten Planarisierungsschicht. Im letzten Schritt werden die entsprechenden Teile der Schutzschicht und der Planarisierungsschicht derart entfernt, dass die strukturierte Schichtfolge und die verbleibende Planarisierungsschicht eine planare Oberfläche bilden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum einen eine Schutzschicht, die vor dem Planarisierungsschritt auf die Bodenelektrode aufgebracht wird, lokale Variationen der Schichtdicke der Bodenelektrode verhindert. Solche Schichtdickenvariationen sind eine Folge eines CMP-Prozesses, der normalerweise beim Planarisieren verwendet wird. Zum anderen liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Schutzschicht zusammen mit einem Teil der Planarisierungsschicht beispielsweise in einem Ätzvorgang entfernt werden kann. In diesem Schritt ist es vorteilhaft solche Materialien bzw. einen solchen Ätzvorgang zu wählen, so dass die Schutzschicht und die Planarisierungsschicht mit gleichen Raten geätzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Planarisierung der Bodenelektrode ohne die Bodenelektrode selbst anzugreifen. Wie erwähnt wird dies einerseits da durch erreicht, dass eine (dünne) Schutzschicht, welche die Bodenelektrode während eines CMP-Schrittes vor einem etwaigen Abtrag schützt, auf die Bodenelektrode aufgebracht wird. Andererseits wird eine Vorgehensweise vorgeschlagen, diese Schutzschicht wieder zu entfernen, ohne neuerlich eine wesentliche Topologie einzuführen und somit wird eine Bodenelektrode mit hochplanarer Oberfläche erhalten. Wie weiter unten näher erläutert wird, handelt es sich bei dieser Methode vorzugsweise um einen Ätzvorgang.
Erfindungsgemäß wird im Zuge der Abscheidung des Bodenelektrodenmaterials als letzte Schicht die dünne Schutzschicht aufgebracht. Die Bodenelektrode kann aus einem Metall bestehen, es kann aber auch eine Schichtstruktur bzw. eine Schichtfolge vorteilhaft sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das bevorzugte Elektrodenmaterial unzureichend auf das darunter liegende Substrat bzw. Grundmaterial haftet bzw. wenn es zu unerwünschten Reaktionen führt und eine geeignete Zwischenschicht somit zu einer Stressreduzierung führt.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der gesamte Bodenelektrodenstapel inklusive der Schutzschicht in einem Ätzschritt strukturiert. Danach erfolgt die konventionelle Planarisierung mittels eines dielektrischen Materials. Dabei ist es vorteilhaft, eine Schichthöhe der Planarisierungsschicht zu wählen, die der Schichthöhe des Bodenelektrodenstapels inklusive der Schutzschicht entspricht. Beim anschließenden CMP-Schritt ist das Bodenelektrodenmaterial durch die Schutzschicht gegen Abtrag geschützt.
Vorteilhafterweise wird zum Entfernen der Schutzschicht ein Ätzschritt herangezogen, welcher das Material der Schutzschicht sowie des Planarisierungsmaterials gleich schnell ätzt. Bei Verwendung eines solchen Ätzschrittes, ist bei der Auswahl der Materialien für die Schutzschicht und für die Planarisierungsschicht bzw. bei der Ausgestaltung des Ätzschrittes (z.B. durch eine geeignete Wahl des Ätzmit tels, der Temperatur, des Druckes etc) insbesondere darauf zu achten, dass möglichst gleich schnelle Ätzraten realisiert werden. Außerdem ist es vorteilhaft die Materialien derart zu wählen, dass das Bodenelektrodenmaterial als eine Ätzstoppschicht für den Ätzschritt zum Entfernen der Schutzschicht wirkt. Wenn die oberste Schicht des Bodenelektrodenmaterials beispielsweise Wolfram aufweist, dann ist es vorteilhaft einen entsprechende Ätzvorgang zu wählen, der an dieser Wolframschicht stoppt. Das Ergebnis ist schließlich eine perfekte planare Oberfläche und eine gleichförmig dicke Bodenelektrode.
Darüber hinaus kann vor dem Abscheiden der Schutzschicht auf dem Bodenelektrodenstapel optional ein CMP-Schritt ausgeführt werden. Dadurch wird das Bodenelektrodenmaterial ganzflächig geglättet, um beispielsweise ein gutes Wachstum einer nachfolgend aufzubringenden piezoelektrischen Schicht des piezoelektrischen Bauelementes zu gewährleisten.
Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die Schonung des Bodenelektrodenmaterials durch die Schutzschicht eine hohe Güte in der Serienresonanz erreicht wird. Dies ist der Fall, da der gesamte Resonatorbereich den Resonanzzustand bei nahezu gleicher Frequenz, die durch die akustische Dicke gegeben ist, erreicht. Wenn andererseits durch ein CMP-Schritt das Bodenelektrodenmaterial angegriffen werden würde, hätte eine Veränderung der Schichtdicke des Bodenelektrodenmaterials eine Verschlechterung der Serienresonanz zur Folge. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit einen BAW-Resonator mit deutlich verbesserter Qualität herzustellen.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1a–1e eine prinzipielle Darstellung des Prozessablaufs zur Herstellung einer Bodenelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 einen Solidly-Mounted-Resonator mit strukturiertem Spiegel gemäß dem Stand der Technik.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der 1a–1e wird ein Ausführungsbeispiel und eine bevorzugte Vorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
In 1a ist ein Grundmaterial 100 gezeigt, auf dessen Oberfläche eine Schichtstruktur 133, die nach Herstellung als Bodenelektrode wirksam wird, aufgebracht ist. In dem in 1 angegebenen Beispiel weist die Schichtfolge drei Schichten auf, einer ersten Metallschicht 110, einer Verbindungsschicht 120 und einer zweiten Metallschicht 130. Auf diesen drei Schichten wird eine Schutzschicht 140 aufgebracht, die die Schichtfolge 133 in der nachfolgenden Prozessierung schützen soll.
Optional kann vor dem Abscheiden der Schutzschicht 140 die Schichtfolge 133 gegebenenfalls durch einen CMP-Schritt geglättet werden, um beispielsweise ein gutes Wachstum einer nachfolgend aufzubringenden piezoelektrischen Schicht des piezoelektrischen Bauelementes zu gewährleisten.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Schichtfolge 133 drei Schichten auf. Wie oben beschrieben, kann eine Schichtfolge 133 insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein bevorzugtes Elektrodenmaterial unzureichend auf das darunter liegende Substrat bzw. Grundmaterial haftet bzw. wenn es zu unerwünschten Reaktionen führt und eine geeignete Schichtfolge somit zu einer Stressreduzierung führt. Beispielhaft können die folgenden Materialien für die Schichtfolge 133 verwandt werden, nämlich Aluminium, TiN (Titan Nitrid) und Wolfram, wobei die Schutzschicht 140 auf die Wolframschicht aufgebracht wird und die TiN-Schicht eine Verbindungsschicht zur Aluminiumschicht, die auf das Grundmaterial 100 aufgebracht wird, darstellt. Ein mögliches Material für die Schutzschicht 140 ist Siliziumnitrid (SiN) und weist beispielsweise eine Dicke von 10 bis 500 nm (vorzugsweise von 50 bis 100 nm) auf.
Wenn die Bodenelektrode mehrere Schichten aufweist, können diese Schichten nacheinander aufgebracht werden, und die Strukturierung kann beispielsweise über einen Ätzvorgang erfolgen. Dabei kann die Strukturierung der Schichten erst nach dem Aufbringen aller Schichten erfolgen oder, insbesondere wenn dies schwierig oder nicht möglich ist (falls z.B. ein entsprechender Prozess nicht zur Verfügung steht), kann die Strukturierung auch nacheinander, d.h. Schicht für Schicht erfolgen. Dies ist z.B. der Fall, wenn die unterschiedlichen Schichten unterschiedliche Ätzmittel bzw. Ätzbedingungen wie Temperatur, Druck etc. erfordern.
Für das erfindungsgemäße Verfahren, ist das Verwenden einer Schichtfolge bestehend aus drei Schichten nicht zwingend erforderlich. Wie bereits erwähnt, kann das Verwenden einer Schichtfolge 133 aus Prozessierungsgründen sinnvoll sein, aber gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Bodenelektrode auch nur aus einer oder auch zwei Schichten bestehen.
Nach dem Aufbringen der Schichtfolge 133 folgt eine konventionelle Planarisierung durch Aufbringen eines dielektrischen Materials, üblicherweise Siliziumoxid (SiO₂). Wie in 1b gezeigt, wird dazu die Schichtfolge bestehend aus den Schichten 110, 120 und 130 mit der Schutzschicht 140 eine Planarisierungsschicht 150 aufgebracht. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Schichtdicke 155 der Planarisierungsschicht 150 der Dicke 144 der Schichtfolge 133 und der Schutzschicht 140 entsprechen und nicht nur die Schutzschicht 140 bedecken, sondern darüber hinaus auch das Grundmaterial 100 zumindest teilweise bedecken. Die Planarisierungsschicht 150, die beispielsweise ein Oxidmaterial wie z.B. Siliziumoxid aufweist, wird unter Verwendung einer geeigneten Maske, beispielsweise einer Lackmaske oder einer Hartmaske strukturiert, um die in einem nachfolgenden Schritt zu entfernenden Abschnitte 170 der Planarisierungsschicht 150 zu definieren.
1c zeigt das Resultat des Freilegens des Abschnittes 170 der Planarisierungsschicht 150, das beispielsweise durch einen Ätzvorgang erfolgen kann. Bei der Entfernung des Abschnittes 170 der Planarisierungsschicht 150 wird eine Oberfläche 180 der Schutzschicht 140 freigelegt und lediglich am Randbereich verbleiben Stege 150a und 150b der strukturierten Planarisierungsschicht 150 zurück. Der Abschnitt 170 umfasst vorzugsweise zumindest den aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators, wobei aufgrund von Justagetoleranz und eventueller schrägen Ätzflanken der Bereich 170 im Regelfall etwas größer gewählt ist, als der sich später tatsächlich einstellende aktive Bereich des piezoelektrischen Resonators. Es ist ebenso vorteilhaft, dass der Bereich 170 nicht über die Schutzschicht 140 seitlich hinausragt, d.h. die Oberfläche 180 nur Teile der Oberfläche der Schutzschicht 140 umfasst. In diesem Fall, kann die Schutzschicht 140 beispielsweise als eine Ätzstoppschicht beim Entfernen der Planarisierungsschicht 150 im Bereich 170 dienen. Anderenfalls, d.h. wenn der Bereich 170 seitlich über die Schutzschicht 140 hinausragt, kann das Entfernen der Planarisierungsschicht 150 im Bereich 170 zu Gräben (nicht in den Figuren gezeigt) seitlich der Schutzschicht 140 führen. Beim Aufbringen der Piezoschicht auf die Schichtfolge 133, würden derartige Gräben wieder die Qualität des Resonators einschränken.
Anschließend wird die in 1c gezeigte Struktur einem Planarisierungsprozess ausgesetzt, bei dem die Stege 150a und 150b beispielsweise durch einen CMP-Prozess entfernt werden. Die sich einstellende Struktur ist in 1e gezeigt und weist eine im Idealfall planare Oberfläche auf. Insbesondere sollte die Oberfläche 180 der Schutzschicht 140 im wesentlichen bündig ist mit einer Oberfläche 185 der verbliebenden Abschnitte der Planarisierungsschicht 150 sein. Von dem CMP-Prozess sind jedoch nur die Planarisierungsschicht 150 und die Schutzschicht 140 betroffen, nicht jedoch die Schichtfolge 133, die von der Schutzschicht 140 beschützt wird. Daraus ergibt sich ein wesentlicher Vorteil des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, nämlich dass die Schichtfolge 133 und damit die spätere Bodenelektrode durch die Schutzschicht 140 gegen Abtrag geschützt wird und somit der CMP-Prozess nicht zu lokalen Variationen der Schichtdicke der Bodenelektrode führt.
In einem abschließenden Schritt wird die Schutzschicht 140 entfernt. Das Resultat ist in 1f gezeigt, bei dem nicht nur die Schutzschicht 140, sondern auch ein Teil der Planarisierungsschicht 150 abgetragen wird. Für diesen Prozess zum Entfernen der Schutzschicht 140 wird nun vorzugsweise ein Ätzschritt herangezogen, welcher das Material der Schutzschicht 140 sowie das Material der Planarisierungsschicht 150 gleich schnell ätzt. Dies ist z.B. für Siliziumnitrid und Siliziumoxid möglich und liefert als Ergebnis eine nahezu perfekte planare Oberfläche und eine nahezu gleichförmig dicke Bodenelektrode. Für das erfindungsgemäße Konzept ist es demnach wichtig, nicht nur einen entsprechenden Ätzvorgang zu wählen, sondern auch die Materialien der Schutzschicht 140 und der Planarisierungsschicht 150 so zu wählen, dass sie möglichst gleiche Ätzraten bezüglich des gewählten Ätzvorganges aufweisen. Die resultierende Schichtfolge 133 der Bodenelektrode weist somit im Idealfall eine planare Oberfläche auf und schließt dann bündig an die verbleibende Planarisierungsschicht 150 an. Vorzugsweise wird der Ätzvorgang dabei derart gewählt, dass die zweite Metallschicht 130 der Schichtfolge 133 als eine Ätzstoppschicht wirkt.
Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt damit sicher, dass bei einem Einsatz der Bodenelektrode in einem BAW-Resonator eine hohe Güte der Serienresonanz erreicht wird, da der gesamte Resonatorbereich den Resonanzzustand bei nahezu gleicher Frequenz erreicht, da die akustische Dicke nahezu keine lokalen Variationen aufweist.
Die Schichtfolge 133 der Bodenelektrode weisen beispielsweise die folgenden Materialien auf, nämlich Aluminium für die erste Metallschicht 110, TiN für die Zwischenschicht 120 und Wolfram für die zweite Metallschicht 130. Für die Schutzschicht 140 kann man in geeigneter Weise ein Siliziumnitridmaterial und für die Planarisierungsschicht 150 ein Siliziumoxidmaterial verwenden. Bei dieser Materialwahl ist gleichzeitig sichergestellt, dass der zum Entfernen der Schutzschicht verwendete (Trocken-) Ätzvorgang gleichzeitig zum Entfernen eines Teils der Planarisierungsschicht geeignet ist und auf der Wolframschicht stoppt. Gleichzeitig weisen Siliziumnitrid und Siliziumoxid ausreichend gleiche Ätzraten auf. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf diese Materialien beschränkt, sondern andere Materialien, die gleiche Ätzraten aufweisen, können gleichermaßen eingesetzt werden.
Die verwendeten Materialien sind nur als Beispiele zu verstehen, nicht aber zwingend für ein erfindungsgemäßes Verfahren erforderlich. Bei der Wahl der Schichtdicken der Schichtstruktur 133 ist zu berücksichtigen, dass die Schichtdicke der Schichtstruktur 133 einen Beitrag zur akustischen Dicke des akustischen Resonators liefert. Da sich im akustischen Resonator eine stehende akustische Welle bildet, beeinflusst eine veränderte akustische Dicke direkt die sich einstellende Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz kann also über eine Wahl der Schichtdicken entsprechend eingestellt werden. Im wesentlichen geschieht das durch eine entsprechende Wahl der Schichtdicke der Piezoschicht, aber eben auch durch eine geeignete Wahl der Schichtdicken der Schichten in der Schichtstruktur 133. Da das Einsatzgebiet des Resonators sehr variieren kann (beispielsweise von einigen MHz bis zu mehreren GHz), sind die Schichtdicken entsprechend zu wählen. Es sind nämlich gerade die Schichtdicken aller im Schichtstapel verwendeten Schichten, die die Frequenz des Resonators definieren. Da der Einsatzbereich hinsichtlich der Frequenz sehr breit ist, variieren die einzelnen Schichtdicken sehr stark.
Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel besteht die Bodenelektrode aus einer Schichtfolge 133 von drei Schichten. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Schichten der Bodenelektrode variiert werden. Die Anzahl bzw. die Auswahl der Schichten ist dabei im wesentlichen bedingt durch die Prozessierung bzw. Herstellung. Wie bereits erwähnt soll das Material der Schichten zueinander verträglich sein als auch verträglich zu den angrenzenden Materialien (d.h. zum Grundmaterials 100 und zum piezoelektrischen Material) sein. Insbesondere muss auch eine ausreichende Haftung der verwendeten Materialien sichergestellt sein. Geeignete Materialien zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie einen ausreichenden elektrischen Kontakt zur piezoelektrischen Schicht sicherstellen und dass sie die akustischen Eigenschaften des Resonators nicht negativ beeinflussen.

100: Grundmaterial
110: erste Metallschicht
120: Zwischenschicht
130: zweite Metallschicht
140: Schutzschicht
150: Planarisierungsschicht
150a: ein erster Steg an der Planarisierungsschicht
150b: ein zweiter Steg an der Planarisierungsschicht
170: geöffneter Bereich der Planarisierungsschicht
180: Oberfläche der Schutzschicht
300: Substrat
302: untere Oberfläche des Substrats
304: obere Oberfläche des Substrats
306: Schichtfolge des Spiegels
306a₁,306a₂: Schichten mit hoher akustischer Impedanz
306b: Schichten mit niedriger akustischer Impedanz
310: untere Elektrode
312: piezoelektrische Schicht
314: Isolationsschicht
318: obere Elektrode
322: BAW-Resonator
324: Oxidschicht
326: Vertiefung
328: Isolationsschicht
330: Schüsseltopologie

Claims

Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen eines Grundmaterials (100); (b) Erzeugen einer Schichtstruktur (133) auf dem Grundmaterial (100), wobei die Schichtstruktur (133) ein leitfähiges Material aufweist und Erzeugen einer Schutzschicht (140) flächig auf die Schichtstruktur (133); (c) Aufbringen einer Planarisierungsschicht (150) auf die Schutzschicht (140) und auf das Grundmaterial (100); (d) Freilegen eines Abschnitts (170) der Schutzschicht (140) durch Strukturierung der Planarisierungsschicht (150); (e) Planarisieren der Struktur aus Schritt (d) durch entfernen der außerhalb des Abschnitts (170) verbliebenden Abschnitte der Planarisierungsschicht (150a, 150b), damit die Schutzschicht (140) und die Planarisierungsschicht (150) seitlich bündig angrenzen und dieselben eine Planare Oberfläche (180, 185) bilden; und (f) Entfernen der Schutzschicht (140) und eines entsprechenden Teils der seitlich bündig angeordneten Planarisierungsschicht (150), um eine Planare Oberfläche der Schutzschicht (140) und der Planarisierungsschicht (150) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei dem der Schritt (f) des Entfernen eine gleiche Entfernungsrate aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Schritt (f) des Entfernens ein Ätzvorgang ist und die Schutzschicht (140) ein Material umfasst, dass bei dem Ätzvorgang gleiche Ätzraten aufweist wie die Planarisierungsschicht (150).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Schritt (c) die Planarisierungsschicht (150) eine Schichtdicke (155) aufweist, die eine Schichtdicke (144) der Schichtstruktur (133) und der Schutzschicht (140) übersteigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Schritt (c) die Planarisierungsschicht (150) eine Schichtdicke (155) aufweist, die einer Schichtdicke (144) der Schichtstruktur (133) und der Schutzschicht (140) entspricht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt (d) ein Ätzvorgang ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt (b) zusätzlich ein Glätten der Schichtstruktur (133) aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Bodenelektrode in einem piezoelektrischen Bauelement, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen eines Grundmaterials (100); (b) Erzeugen einer strukturierten Schichtfolge (133) bestehend aus einer ersten Metallschicht (110), einer zweiten Metallschicht (130), einer Verbindungsschicht (120) und einer Schutzschicht (140), wobei die Verbindungsschicht (120) zwischen der ersten Metallschicht (110) und der zweiten Metallschicht (130) gebracht wird und die erste Metallschicht (110) auf das Grundmaterial (100) gebracht wird und die Schutzschicht (140) auf die zweite Metallschicht (130) gebracht wird; (c) Aufbringen einer Planarisierungsschicht (150) auf die Schutzschicht (140) und auf das Grundmaterial (100); (d) Freilegen eines Abschnitts (170) der Schutzschicht (140) durch Strukturierung der Planarisierungsschicht (150); (e) Planarisieren der Struktur aus Schritt (d) durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts (170) verbliebenden Abschnitte (150a, 150b) der Planarisierungsschicht (150) damit die Schutzschicht (140) und die Planarisierungsschicht (150) seitlich bündig angrenzen und eine planare Oberfläche (180, 185) bilden; und (f) Entfernen der Schutzschicht (140) und eines entsprechenden Teils der seitlich bündig angeordneten Planarisierungsschicht (150), um eine planare Oberfläche der Schutzschicht (140) und der Planarisierungsschicht (150) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei bei dem Schritt (c) die Planarisierungsschicht (150) eine Schichtdicke (155) aufweist, die einer Schichtdicke (144) der strukturierten Schichtfolge (133) und der Schutzschicht (140) entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei bei dem Schritt (c) die Planarisierungsschicht (150) eine Schichtdicke (155) aufweist, die einer Schichtdicke (144) der strukturierten Schichtfolge (133) und der Schutzschicht (140) übersteigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Schritt (f) des Entfernens ein Ätzvorgang ist und die Schutzschicht (140) ein Material umfasst, das bei dem Ätzvorgang gleiche Ätzraten aufweist wie die Planarisierungsschicht (150).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Schritt (b) des Erzeugens zusätzlich ein Glätten der zweiten Metallschicht (130) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Schritt (b) des Erzeugens folgende Unterschritte aufweist: Strukturieren der ersten Metallschicht (110); Strukturieren der Verbindungsschicht (120); und Strukturieren der zweiten Metallschicht (130).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei bei dem Schritt (b) des Erzeugensdie erste Metallschicht (110) Aluminium und die zweite Metallschicht (130) Wolfram aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei bei dem Schritt (b) des Erzeugens die Zwischenschicht (120) Titan Nitrid aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem der Schritt (b) des Erzeugens die Planarisierungsschicht (150) Siliziumoxid und die Schutzschicht (140) Siliziumnitrid aufweist.