DE102009010863B4

DE102009010863B4 - Volumenakustikwellenvorrichtung mit Halbleiterschicht, sowie entsprechende Reihen- und Parallel-abstimmbare BAW-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009010863B4
Application number: DE102009010863A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Abd Allah; Werner Weber; Robert Thalhammer; Jyrki Kaitila
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2029-02-28
Also published as: US20090218912A1; DE102009010863A1; DE102009010863B9; DE102009010863A8; US7977850B2

Abstract

Volumenakustikwellen (BAW) Vorrichtung, enthaltend: eine erste Elektrode (110); eine zweite Elektrode (120); eine piezoelektrische Schicht (130) angeordnet zwischen der ersten (110) und zweiten (120) Elektrode, wobei die erste Elektrode (110) die piezoelektrische Schicht (130) kontaktiert; und eine Halbleiterschicht (140) angeordnet zwischen der ersten (110) und zweiten (120) Elektrode, wobei die Halbleiterschicht (140) elektrisch von der ersten Elektrode (110) isoliert ist.

Description

Hintergrund
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen das Gebiet der Volumenakustikwellenvorrichtungen bzw. BAW-Vorrichtungen (BAW = Bulk Acoustic Wave, Volumenakustikwellen) und speziell Vorrichtungen, welche eine Halbleiterschicht aufweisen.
DE 101 32 181 A1 beschreibt einen frequenzabstimmbaren Resonator mit einer zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordneten piezoelektrischen Schicht. Der Resonator weist ferner eine erste und eine zweite Halbleiterschicht auf, wobei die erste Halbleiterschicht zwischen einer Seite der piezoelektrischen Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und wobei die zweite Halbleiterschicht zwischen der anderen Seite der piezoelektrischen Schicht und der ersten Elektrode angeordnet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Volumenakustikwellenvorrichtung. Die BAW-Vorrichtung umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine piezoelektrische Schicht, welche zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, und eine Halbleiterschicht, welche zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist. Die Halbleiterschicht ist von der ersten Elektrode elektrisch isoliert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung werden leichter gewürdigt und besser verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, welche betrachtet werden sollte mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Ersatzschaltbild einer BAW-Vorrichtung zeigt;
3A Charakteristiken des BAW-Resonators und Reihenwiderständen zeigt;
3B Kombinationscharakteristiken des BAW-Resonators und der Reihenwiderstände zeigt;
4A verschiedene Frequenzantworten für verschiedene Werte von nebengeschlossenen variablen Kondensatoren zeigt:
4B ein Ersatzschaltbild eines BAW-Resonators mit einem einstellbaren parallelen Kondensator zeigt;
5 einen typischen Stapel einer BAW-Vorrichtung zeigt;
6 eine BAW-Vorrichtung zeigt, welche eine zusätzliche Halbleiterschicht aufweist;
7A und 7B die Bildung einer Verarmungszone durch Anwenden einer Spannung auf die Boden- und Deckelektrode der BAW-Vorrichtung zeigt;
8A bis 8B das Prozessieren einer BAW-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen; und
9 eine BAW-Vorrichtung zeigt, welche einen Parallelresonanz-DC-abgestimmten Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform aufweist.
Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend detaillierter beschrieben werden mit Bezug auf die Zeichnungen, sollte erwähnt werden, dass gleiche Elemente oder solche, die in einer gleichen Weise arbeiten, mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszahlen in den Zeichnungen ausgestattet sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen ist.
Detaillierte Beschreibung anschaulicher Ausführungsformen
Gegenwärtig werden BAW-Vorrichtungen primär verwendet als Filter und es gibt ein Bedürfnis, BAW-Vorrichtungen, als Frequenzresonatoren, anzuwenden, wovon noch keine Produkte verfügbar sind. Die Frequenzantwort eines BAW-Resonators ist hauptsächlich charakterisiert durch zwei Resonanzfrequenzen, nämlich die Reihenresonanzfrequenz und die Parallelresonanzfrequenz. Die Frequenzen der Resonanz (Reihen- oder Parallel-) sind, zum Beispiel, bestimmt durch Eigenschaften der Materialien in der Resonatorstruktur und der (Resonator-) Vorrichtungsgeometrie. Wenn die Vorrichtung einmal hergestellt ist, kann eine Veränderung einer ihrer Frequenzen realisiert werden durch Hinzufügen von extra Abstimmelementen (aufweisend zum Beispiel einen Kondensator oder einen Induktor) zu dem Resonator entweder in Reihe oder in paralleler Konfiguration.
In der Reihenresonanz wird das Abstimmen der Frequenz (Einstellen der Frequenz auf einen gewünschten Wert) durchgeführt durch einen Kondensator in Reihe mit der BAW-Vorrichtung. Das Abstimmen führt zu einer leichten Änderung in der Reihenresonanz, wobei die Veränderung eingestellt werden kann durch eine einstellbare Kapazität des Kondensators. Eine erhöhte Kapazität des Kondensators führt zu einer Verschiebung der Reihenwiderstandsresonanz zu einem höheren Wert in der Frequenz, wohingegen die Parallelresonanz unverändert ist.
Es ist auch möglich, eine Abstimmkapazität zu verwenden, zum Ändern der Parallelresonanzfrequenz. Dies kann erreicht werden durch Verwenden des Abstimmkondensators parallel zu der Volumenkapazität des Resonators. Analog zu dem Fall oben führt das Abstimmen zu einer leichten Änderung in der Parallelresonanz, wobei die Änderung eingestellt werden kann durch eine einstellbare Kapazität des Kondensators. Eine erhöhte Kapazität des Kondensators führt zu einer Verschiebung der Parallelwiderstandsresonanz zu einem niedrigeren Wert in der Frequenz, wohingegen die Reihenresonanz unverändert ist.
Konventionelle Lösungen zum Abstimmen der Resonanzfrequenzen einer BAW-Vorrichtung verwenden zusätzliche Kondensatoren. Die BAW-Vorrichtung hat zwei unabhängige Vorrichtungen, oder hat zwei Vorrichtungen, die auf demselben Wafer gebildet sind und dann durch Metallisierungsschichten elektrisch verbunden sind. Die Nachteile dieser Konfiguration betreffen zum Beispiel Kosten (bezüglich Chipgröße und Ausbeute) und Verluste aufgrund des Widerstandspfades zwischen dem Resonator und der Abstimmkapazität. Deshalb gibt es ein Bedürfnis zum Integrieren eines Kondensators mit einstellbarer Kapazität in einen Volumenakustikwellenresonator zur Frequenzabstimmung.
Ein konventioneller Vorrichtungsstapel einer fest montierten BAW-Vorrichtung umfasst, zum Beispiel, Deck- und Boden-Metallelektroden (oder eine erste und zweite Elektrode), welche eine piezoelektrische Schicht einschließen, die gebildet ist auf einem akustischen Spiegel, welcher wiederum gebildet ist auf (oder in) einem Substrat. Als ein Beispiel wechseln sich auf einer Oberseite eines Halbleitersubstrates Schichten von Hoch- und Niedrig-Akustikimpedanzmaterialien ab, zum Bilden eines akustischen Spiegels, um die Akustikwelle an einem Durchdringen durch das Substrat zu hindern.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel eine moderat dotierte kristalline Halbleiterschicht hinzugefügt. Durch Anlegen einer negativen (positiven für n-Typ Halbleiter) Spannung zwischen den Deck- und Bodenelektroden, wird eine Verarmungszone gebildet, deren Dicke abhängt von dem Wert der angelegten Spannung. Die resultierende Konfiguration ist in mancher Hinsicht ähnlich einer MOS-Kondensatorstruktur (MOS = metal an semiconductor, Metall auf Halbleiter) verwendend, zum Beispiel, das piezoelektrische Material der BAW-Vorrichtung als das Dielektrikum zwischen dem Metall und dem Halbleiter in der MOS-Struktur. In weiteren Ausführungsformen kann eine optionale Oxidschicht zwischen der piezoelektrischen Schicht und der kristallinen Halbleiterschicht ohne Beschränkung der Allgemeinheit hinzugefügt werden.
Durch Anlegen einer DC-Spannung (DC = direct current, Gleichstrom) zwischen den Deck- und Bodenelektroden des MOS-Kondensators reichern sich die Majoritätsträger von der Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Halbleiter ab. Eine weitere Erhöhung der Spannung führt zu einem weiteren Anstieg in dem Verarmungsgebiet. Der Anstieg in der Spannung kann durchgeführt werden bis zu einem bestimmten Wert vor einer Inversion, wo die Minoritätsträgerdichte größer wird als die Majoritätsträgerdichte, wohingegen der bestimmte Wert auch abhängt von dem Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur mit dem Frequenzbereich des Resonators.
Folglich enthalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine BAW-Vorrichtung mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht, welche zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist und ferner enthaltend eine Halbleiterschicht, welche zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist, vorzugsweise worin die Halbleiterschicht von der ersten Elektrode elektrisch isoliert ist. Die ersten und zweiten Elektroden und die piezoelektrische Schicht bilden einen BAW-Resonator und die Halbleiterschicht bildet ein Mittel zum Abstimmen der Resonanzfrequenz, welches integral ist mit dem BAW-Resonator.
Die Dicke der Verarmungsschicht definiert die Kapazität. Verschiedene Spannungen führen zu verschiedenen Verarmungsschichtdicken und verschiedene Dotierungsniveaus führen zu verschiedenen Verarmungsdickenbereichen wie auch zu verschiedenen Sensitivitäten der Verarmungsschichtdicke auf Spannungsänderungen, so dass eine leichte Spannungsänderung eine hohe Kapazitätsänderung ergibt. Aus diesem Grund sollte die Dotierung der Halbleiterschicht angepasst sein, um einen komfortablen (leicht handhabbaren) Spannungsbereich während der Abstimmung zu ermöglichen. Der verfügbare Spannungsbereich hängt ab von der konkreten Vorrichtungsstruktur, in welcher die BAW-Vorrichtung integriert ist. Das bevorzugte Dotierungsniveau hängt auch ab von Variationen des Frequenzbereichs, über welchen eine Frequenzabstimmung möglich sein sollte. Wenn die Prozessvariationen schwerwiegend sind, sollte auch die Trimmkapazität über einen weiteren Bereich einstellbar sein.
Die Halbleiterschicht kann zum Beispiel zwischen der piezoelektrischen Schicht und einer der Elektroden angeordnet sein, so dass die Kapazität der Verarmungsschicht als ein Reihenkondensator wirkt. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Kapazität der Verarmungsschicht als ein paralleler Kondensator wirkt, was erreicht werden kann durch Bilden der Kondensatorschicht neben der piezoelektrischen Schicht, so dass sie für den Wechselstromweg parallel verbunden ist. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Bilden einer isolierenden Schicht auf der Bodenelektrode und durch Bilden der Halbleiterschicht neben der piezoelektrischen Schicht auf der isolierenden Schicht und schließlich durch Bilden der Deckelektrode auf beiden, der Halbleiterschicht und der piezoelektrischen Schicht. In dieser Weise sind die piezoelektrische Schicht und die Halbleiterschicht (mit Bezug auf die Elektrodenschichten) lateral nebeneinander.
Folglich beruhen Ausführungsformen auf der Implementierung einer kristallinen Halbleiterschicht, welche als eine Verarmungskapazität (MOS-Kondensatorstruktur) innerhalb des Resonators wirkt, für eine einfache spannungsgesteuerte Abstimmung von Reihen- oder Parallelresonanzfrequenz eines BAW-basierten Resonators durch Anlegen einer DC-Spannung. Die DC-Spannung kann sich während des Betriebes ändern, zum Beispiel um eine Drift der Frequenz während des Betriebes zu kompensieren. Die kristalline Halbleiterschicht, die für die MOS-Kondensatorstruktur verwendet wird, kann, zum Beispiel, Silizium enthalten und kann zwischen einem Oxid und jeder der zwei Elektroden des Resonators, welche zum Beispiel Metall enthalten, hinzugefügt sein. Jedoch gibt es kein Bedürfnis für die Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit den Elektroden zu stehen. Die Halbleiterschicht kann auch zwischen der piezoelektrischen Schicht selbst, wenn sie ein dielektrisches Verhalten zeigt, und jeder der zwei Elektroden des Resonators angeordnet sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen auch ein Verfahren zum Herstellen einer BAW-Vorrichtung, enthaltend Bilden einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, Anordnen einer piezoelektrischen Schicht und einer Halbleiterschicht zwischen den ersten und zweiten Elektroden, so dass die Halbleiterschicht elektrisch von der ersten Elektrode isoliert ist.
Darüber hinaus enthalten Ausführungsformen ein Verfahren zum Abstimmen einer Frequenz eines BAW-Resonators, enthaltend Einstellen einer DC-Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode, so dass eine Verarmungsschicht in einer Halbleiterschicht gebildet wird. Die DC-Spannung wird eingestellt, bis der BAW-Resonator einen gewünschten Wert für die Reihenresonanzfrequenz und/oder die Parallelresonanzfrequenz aufweist.
Ausführungsformen weisen verschiedene Vorteile auf. Erstens gibt es einen Kostenvorteil, da eine Vorrichtung gewöhnlicherweise kostengünstiger hergestellt werden kann als zwei mit derselben Performance. Zusätzlich wird weniger Boardraum benötigt, da der Kondensator zum Abstimmen in den BAW-Resonator integriert ist. Darüber hinaus kann der Abstimmbereich der Frequenz (zum Beispiel durch Einstellen der DC-Spannung) verwendet werden zum Überwinden und Korrigieren von Abweichungen in der Frequenz aufgrund von Prozessabweichungen, zum Beispiel Schichtdickenvariationen der Elektrodenschichten und/oder piezoelektrischen Schicht. Zusätzlich kann diese Abstimmfähigkeit verwendet werden zum Kompensieren von Frequenzabweichungen aufgrund von Temperaturänderungen während eines Betriebes. Schließlich kann diese BAW-Vorrichtung auch verwendet werden als das Frequenz ändernde Element in einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO).
1 zeigt eine BAW-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die BAW-Vorrichtung umfasst eine erste Elektrode 110 (oder eine erste Elektrodenschicht), eine zweite Elektrode 120 (oder eine zweite Elektrodenschicht), eine piezoelektrische Schicht 130, angeordnet zwischen der ersten und zweiten Elektrode 110, 120 und eine Halbleiterschicht 140, angeordnet zwischen der zweiten Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130. Die piezoelektrische Schicht 130 isoliert die Halbleiterschicht 140 elektrisch von der ersten Elektrode 110. Ein erster Anschluss 210 kontaktiert ferner die erste Elektrode 110 und ein zweiter Anschluss 220 kontaktiert die zweite Elektrode 120.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer BAW-Vorrichtung mit äquivalenten Elementen, welche einen Kondensator Ca, einen Induktor La, einen Widerstand Ra, repräsentierend akustische Beiträge, und einen elektrischen Kondensator C0 in einer Resonanzschaltung aufweist. Die akustischen Beiträge 150 zu der Impedanz für diese Reihenresonanz sind innerhalb der gestrichelten Linie. Zusätzlich ist eine Abstimmkapazität Ct in Reihe enthalten und die äquivalenten Elemente kontaktieren einen ersten Anschluss 310 und einen zweiten Anschluss 320.
Das Abstimmen der entsprechenden Reihenresonanzfrequenz kann erreicht durch Einstellen der Kapazität Ct. Die Abstimmkapazität Ct kann kontinuierlich einstellbar sein, so dass die Reihenresonanzfrequenz verändert werden kann (innerhalb eines bestimmten Bereiches) durch Ändern der Abstimmkapazität Ct.
Folglich enthält ein Ersatzschaltbild für eine BAW-Vorrichtung als äquivalente Elemente eine Kapazität, eine Induktivität und einen Widerstand, welche die akustischen Eigenschaften der BAW-Vorrichtung modellieren. Zusätzlich enthält das Ersatzschaltbild für eine BAW-Vorrichtung eine elektrische Kapazität. Die äquivalenten Elemente stehen zum Beispiel in Beziehung mit der Geometrie der BAW-Vorrichtung wie auch der dielektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (zum Beispiel der Schichtdicken und/oder spezifischen dielektrischen Konstanten für die piezoelektrische Schicht).
3A zeigt die Charakteristiken eines BAW-Resonators und des ursprünglichen und des erhöhten Reihenwiderstandes. Im Detail zeigt 3A den absoluten Wert der Impedanz als eine Funktion der Frequenz (gemessen, zum Beispiel, in GHz). Ein erster Graph 410 zeigt die Frequenzabhängigkeit des absoluten Wertes der Impedanz (abs|Z|) für den BAW-Resonator zugehörig zu dem Ersatzschaltbild innerhalb der gestrichelten Linie 150 von 2. Der erste Graph 410 zeigt ein scharfes Maximum bei um 1,85 GHz, bezogen auf die Resonanzfrequenz des Ersatzschaltbildes in 2. Ein zweiter Graph 420 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Impedanz des elektrischen Kondensators C0 und ein dritter Graph 430 zeigt den erhöhten Widerstand (abs|Z|) der Kondensatoren Ct und C0 als eine Funktion der Frequenz.
3B zeigt Kombinationscharakteristiken des Ersatzschaltbildes von 2, das heißt kombinierend die akustischen Beiträge 150 wie auch die elektrischen Beiträge. Die Impedanz ist wieder dargestellt als eine Funktion der Frequenz, wie zum Beispiel gemessen in GHz. Ein erster Graph 412 zeigt eine Kombination des akustischen Beitrages mit der ursprünglichen Kapazität (dem elektrischen Kondensator C0). Ein zweiter Graph 413, welcher über dem ersten Graphen 412 ist, zeigt eine Kombination der akustischen Beiträge mit der verringerten Kapazität, die in Beziehung steht mit der (zusätzlichen) Abstimmkapazität Ct. Deshalb zeigt der erste Graph 412 eine Kombination der akustischen Beiträge 150 mit der elektrischen Kapazität C0 und der zweite Graph 413 zeigt eine kombinierte Impedanz von allen Elementen (in 2) – der akustischen Beiträge 150, der elektrischen Kapazität C0 und der Abstimmkapazität Ct.
Beide Graphen zeigen einen parallelen Resonanzpeak fp1 bei um 1,85 GHz und, zusätzlich, mit Bezug auf die Reihenresonanzen, eine erste Reihenresonanzfrequenz fs1 in dem ersten Graph 412 und eine zweite Reihenresonanzfrequenz fs2 in dem zweiten Graph 413, wobei die zweite Reihenresonanzfrequenz fs2 über der ersten Reihenresonanzfrequenz fs1 ist. Deshalb führt die zusätzliche Reihenkapazität zu einer Verschiebung der Reihenresonanz fs zu einem höheren Wert in der Frequenz, wohingegen die Parallelresonanz fp unverändert ist.
Bei den Reihenresonanzfrequenzen fs1 und fs2 ist die Impedanz an ihrem Minimum, wohingegen bei den Parallelresonanzfrequenzen fp1 der Absolutwert der Impedanz sein Maximum erreicht. Die Verschiebung in der Resonanzfrequenz von fs1 zu fs2 ist verursacht durch die zusätzliche Abstimmkapazität Ct, da der zweite Graph 413 beide enthält, die ursprüngliche elektrische Kapazität C0 und die Abstimmkapazität Ct.
4A und 4B zeigen ein Abstimmen bezogen auf eine Änderung der parallelen Resonanzfrequenz, welche als Pole in den Absolutwerten für die Impedanz erscheint. Dies kann erreicht werden durch Verwenden eines Abstimmkondensators parallel zu der Volumenkapazität des Resonators C0.
Für die Parallelresonanz ist ein weiteres Ersatzschaltbild in 4B dargestellt, wieder enthaltend akustische Beiträge 150 zu der Impedanz, welche eine Kapazität Ca', einen Widerstand Ra' und eine Induktivität La' enthalten, welche in Reihe verbunden sind. Für die Parallelresonanz enthält das weitere Ersatzschaltbild von 4B einen parallelen elektrischen Kondensator C0' und einen parallelen Abstimmkondensator Ct, welche beide parallel verbunden sind mit den akustischen Elementen 150 und die den ersten Anschluss 310 und den zweiten Anschluss 320 kontaktieren. Die Schaltungen in 2 und 4B können ineinander transformiert werden und deshalb sind verschiedene Symbole (Ca', Ra', La' und C0') in der weiteren Schaltung von 4B verwendet.
4A zeigt die Charakteristik (die Abhängigkeit des absoluten Wertes der Impedanz von der Frequenz) für verschiedene Werte des einstellbaren parallelen Kondensators Ct. In diesem Fall ist die Reihenresonanz (das Minimum in der Charakteristik) unverändert, wohingegen die Parallelresonanzen (Pole in der Charakteristik) verschoben sind bezogen auf die verschiedenen Werte der einstellbaren parallelen Kapazität Ct. Im Detail ist ein erster Graph 422, ein zweiter Graph 423, ein dritter Graph 424, ein vierter Graph 425, ein fünfter Graph 426 und ein sechster Graph 427 dargestellt. Im Vergleich mit 3A und 3B zeigt die Parallelresonanz von 4A und 4B eine gespiegelte Situation in dem Sinne, dass, je höher die einstellbare Resonanz Ct, desto niedriger die Impedanzwerte sind (der erste Graph 422 entspricht einem höheren Wert für die Trimkapazität Ct als der sechste Graph 427).
5 zeigt einen typischen Stapel einer konventionellen BAW-Vorrichtung, enthaltend eine erste Elektrode 110 (Deckelektrode), eine zweite Elektrode 120 (Bodenelektrode), und eine piezoelektrische Schicht 130, welche zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die erste Elektrode ist verbunden mit einem ersten Anschluss 210 und die zweite Elektrode 120 ist verbunden mit einem zweiten Anschluss 220. Die piezoelektrische Schicht 130 enthält eine mittlere Orientierung (die Orientierung der einzelnen Körner kann verschieden sein), welche angegeben ist durch die Pfeile 133 und welche, zum Beispiel, senkrecht ist zu den ersten und zweiten Elektroden 110 und 120. In weiten Ausführungsformen kann die Orientierung anders sein.
Die zweite Elektrode 120 ist angeordnet auf einem akustischen Spiegel 230, wobei der akustische Spiegel 230 einen Schichtstapel von alternierenden Hoch- und Niedrigakustikimpedanzmaterialien enthält. Zum Beispiel ist eine erste Schicht von hoher akustischer Impedanz 232a angeordnet auf dem Substrat 200, eine erste Schicht von niedriger akustischer Impedanz 234a ist angeordnet auf der ersten Schicht von hoher akustischer Impedanz 232a, eine zweite Schicht von hoher akustischer Impedanz 232b ist angeordnet auf der ersten Schicht von niedriger akustischer Impedanz 234a und, schließlich, ist eine zweite Schicht von niedriger akustischer Impedanz 234b, auf der zweiten Schicht von hoher akustischer Impedanz 232b angeordnet.
6 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine zusätzliche Halbleiterschicht 140 angeordnet ist zwischen der zweiten Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130. Die verbleibenden Schichten sind dieselben wie in 5 dargestellt und deshalb wird eine wiederholte Beschreibung hier weggelassen. Die Halbleiterschicht 140 kann zum Beispiel Silizium enthalten und kann, zum Beispiel, moderat positiv dotiert sein (p-Typ Halbleiter) und führt folglich zu einem abstimmbaren Kondensator, wobei die Abstimmung durchgeführt werden kann mit einer DC-Spannung 240, welche an die erste und die zweite Elektrode 110 und 120 angelegt wird.
Durch Ändern der DC-Spannung 240 ändert sich die Kapazität der MOS-Struktur, welche, in der Ausführungsform von 6, gegeben ist durch den Schichtstapel der ersten Elektrode 110, der piezoelektrischen Schicht 130 und der Halbleiterschicht 140. Nach dem Anlegen der DC-Spannung wird ein Verarmungsgebiet in der Halbleiterschicht 140 gebildet, was einen MOS-Kondensator ergibt. Die DC-Spannung 240 wird über das Hochfrequenzsignal 250 angelegt.
7A zeigt eine Bildung der Verarmungszone 142 durch Anlegen einer DC-Spannung 240 an die erste und zweite Elektrode 110 und 120. Die angelegte DC-Spannung hängt ab von dem Dotierungsniveau. Die Verarmungszone 142 bildet sich heraus aufgrund der DC-Spannung 240, welche die Majoritäts(ladungs)träger (abhängig von dem Dotierungstyp Löcher oder Elektronen) von der Halbleiterschicht 140 durch die zweite Elektrode 120 wegschafft.
Die Halbleiterschicht 140 kann zum Beispiel p-dotiertes Silizium sein, so dass die Majoritätsträger Löcher sind, welche weggetragen werden durch eine negative Spannung, die an die zweite Elektrode 120 angelegt ist (das heißt die Löcher werden ”gefüllt” mit Elektronen). In einer anderen Ausführungsform enthält die Halbleiterschicht 140 n-dotiertes Silizium, so dass die Majoritätsträger Elektronen sind, welche weggetragen werden durch Anlegen einer positiven Spannung an die zweite Elektrode 120.
7B ist äquivalent zu 7A, wobei die Verarmungszone 142 dargestellt ist als eine Verarmungsschicht mit einer Schicht Verarmungsdicke d. Deshalb, als ein Ergebnis der Verarmung, enthält die Halbleiterschicht 140 eine Verarmungsschicht (Verarmungszone) 142 und eine verbleibende Halbleiterschicht 144, welche, zum Beispiel, p- oder n-Typ dotiertes Silizium bleibt, wobei die meisten der Majoritätsträger noch verfügbar sind (aber physikalisch bleibt sie dennoch eine Schicht).
Die Verarmungsdicke d hängt ab von dem Betrag der DC-Spannung 240, welche an die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 angelegt ist. Zusätzlich hängt die Sensitivität, in welcher die Verarmungsschicht 142 durch Anlegen einer DC-Spannung auftritt, von dem Dotierungsgrad (Dotierungsniveau) ab, so dass ein niedriger Dotierungsgrad in einer höheren Sensitivität und umgekehrt resultiert. Die Ersatzschaltung für die Ausführungsform, wie sie in 7B dargestellt ist, wurde in 2 angegeben, wobei die Trimmkapazität Ct gegeben ist durch die Verarmungsschicht 142 (MOS-Kapazität) und der Wert der Kapazität Ct gegeben ist durch die Verarmungsdicke d der Verarmungsschicht 142.
Durch Ändern der DC-Spannung 240 ist es möglich, die Reihenresonanzfrequenz kontinuierlich zu ändern, was in einer Charakteristik wie in 3B dargestellt resultiert. Durch Erhöhen der DC-Spannung erhöht sich die Trimmkapazität Ct und folglich steigt auch die Reihenresonanzfrequenz fs an. Durch Anwenden dieses Mechanismus ist es möglich, die Resonanzfrequenz auf einen Zielwert einzustellen.
8A bis 8E zeigen einen möglichen Prozessfluss für eine Herstellung der BAW-Vorrichtung mit abstimmbarer Resonanzfrequenz.
8A zeigt eine isolierende Schicht 160, welche angeordnet ist zwischen dem Substrat 200 und der Halbleiterschicht 140, wobei das Substrat 200 eine Rückseite 190 entgegengesetzt zu der isolierenden Schicht 160 aufweist. Diese Schichtanordnung kann gebildet werden durch die SOI-Technik (SOI = Silicon On Insulator, Silizium auf Isolator), resultierend in einem SOI-Wafer.
In 8B ist ein nächster Schritt dargestellt, wobei die isolierende Schicht 160 von der Rückseite 190 des Substrates 200 geöffnet ist. Hierfür kann zum Beispiel ein Nassätzprozess von der Rückseite 190 aus durchgeführt werden, so dass das Nassätzen auf der isolierenden Schicht 160 stoppt. Die isolierende Schicht 160 kann zum Beispiel Siliziumoxid enthalten und das Substrat 200 Silizium, für welches Nassätzprozesse verfügbar sind. Die isolierende Schicht 160 kann geöffnet werden über einem Gebiet R, welches später das Gebiet definiert, auf welchem die Volumenakustikwellenvorrichtung gebildet wird.
8C zeigt einen weiteren Schritt, in welchem die isolierende Schicht 160 innerhalb des Gebietes R entfernt ist, so dass die Halbleiterschicht 140 von der Rückseite 190 des Substrates 200 offen ist. Dieser Schritt des Entfernens der isolierenden Schicht 160 kann zum Beispiel einen weiteren Nassätzschritt aufweisen, welcher an der Halbleiterschicht 140 stoppt. Die Entfernung der isolierenden Schicht 140 kann wiederum einen Ätzschritt aufweisen, welcher auf der Halbleiterschicht 140, die zum Beispiel Silizium enthält, stoppt.
8D zeigt, als einen nächsten Schritt, ein Bilden der zweiten Elektrode 120, was zum Beispiel durchgeführt werden kann durch eine Bodenmetallisierung, so dass die Elektrodenschicht 120 auf dem Substrat 200 von der Rückseite 190 und über das Gebiet R der Halbleiterschicht 140 gebildet wird.
8E zeigt, dass, als ein weiterer Schritt in dem Prozessieren, die piezoelektrische Schicht 130 auf der Halbleiterschicht 140 angeordnet wird und, schließlich, die erste Elektrode 110 auf der piezoelektrischen Schicht 130 über dem Gebiet R angeordnet wird, so dass die Halbleiterschicht 140 angeordnet ist zwischen der piezoelektrischen Schicht 130 und der zweiten Elektrode 120. Das Gebiet R definiert das Resonatorgebiet. Das Ergebnis ist ein Reihenresonanz-abstimmbarer Resonator 700. Nachdem der Schichtstapel des Reihenresonanz-abstimmbaren Resonators 700 gebildet wurde, werden die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 mit einer DC-Spannung 240 kontaktiert und können verbunden werden mit dem Hochfrequenzsignalweg 250.
Das Gebiet R, über welchem das Substrat 200 auf der Rückseite 190 entfernt wurde, definiert das Gebiet, in welchem die BAW-Vorrichtung gebildet wird. Entlang des Substrates 200 und/oder der piezoelektrischen Schicht 130 können verschiedene Gebiete gebildet sein, so dass verschiedene BAW-Vorrichtungen auf verschiedenen Plätzen entlang einer gegebenen piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet werden können.
Diese Schritte können auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden; zum Beispiel kann das Bilden der zweiten Elektrode 120 (und der anderen Schritte, die in den 8B bis 8D dargestellt sind) am Ende des Prozessierens durchgeführt werden, so dass eine Luftschnittstelle auf der Rückseite 190 auftritt. Eine Luftschnittstelle kann auch einen akustischen Spiegel 230 redundant machen, was bedeutet, dass der Schichtstapel von Hoch- und Niedrig-Akustikimpedanzmaterialien 232 und 234 (Materialien hoher und niedriger akustischer Impedanz) in diesem speziellen Fall nicht benötigt wird, da die Luft unterhalb der Bodenelektrode einen exzellenten akustischen Spiegel repräsentiert.
Folglich zeigten 8A bis 8E eine technische Realisierung eines Reihenresonanz-abstimmbaren Resonators 700 (Reihenkondensator in einem BAW-Schichtstapel), welcher realisiert sein kann als eine Membranvorrichtung, so dass weder die erste Elektrode 110 noch die zweite Elektrode 120 über dem Gebiet R, wo die BAW-Vorrichtung gebildet ist, in mechanischem Kontakt ist mit anderen festen oder flüssigen Materialien (hier ist Luft auf beiden Seiten).
Ein Parallelresonanz-abstimmbarer Resonator in Beziehung stehend mit dem Ersatzschaltbild, wie es in 4B dargestellt ist, kann auf eine ähnliche Weise realisiert sein, wiederum startend von einem exemplarischen SOI-Wafer, wie er in 8A dargestellt ist.
9 zeigt eine finale Struktur einer Ausführungsform für einen Parallelresonanz-abstimmbaren Resonator 800. In dieser Ausführungsform kann das Prozessieren wiederum starten, wie in 8A dargestellt, und eine Öffnung in dem Substrat 200 über dem Gebiet R wird gebildet wie in 8B (was wiederum durchgeführt werden kann durch Nassätzen, welches auf der isolierenden Schicht 160 stoppt). In dieser Ausführungsform wird die isolierende Schicht 160 nicht geätzt und die Halbleiterschicht 140 ist anders angeordnet.
Das Ergebnis ist in 9 dargestellt. Der Parallelresonanz abstimmbare Resonator 800 umfasst eine isolierende Schicht 160, welche auf einer Seite kontaktiert ist durch die zweite Elektrodenschicht 120 über einem Gebiet R und außerhalb des Gebietes R ist die isolierende Schicht 160 auf der Seite, welche von der zweiten Elektrodenschicht 120 durch das Substrat 200 separiert ist. Auf einer entgegengesetzten Seite der isolierenden Schicht 160 ist die piezoelektrische Schicht 130 über einem weiteren Gebiet L angeordnet, wobei das weitere Gebiet L innerhalb des Gebietes R ist. Über einen verbleibenden Teil des Gebietes R (welches außerhalb oder nicht Teil des weiteren Gebietes L ist) wird die Halbleiterschicht 140 auf der isolierenden Schicht 160 gebildet, so dass in der Querschnittsansicht von 9 die piezoelektrische Schicht 130 einen ersten und zweiten Teil der Halbleiterschicht 140a und 140b entlang der lateralen Richtung der isolierenden Schicht 160 separiert. Auf beiden, der piezoelektrischen Schicht 130 und der Halbleiterschicht 140 wird die erste Elektrode 110 gebildet, so dass die piezoelektrische Schicht 130 und die Halbleiterschicht 140 nebeneinander angeordnet sind zwischen der ersten Elektrode 110 und der isolierenden Schicht 160.
9 zeigt eine Querschnittsansicht, wobei die Halbleiterschicht 140 einen ersten Teil 140a und einen zweiten Teil 140b aufweist, welche Teil einer einzigen Struktur sein können, zum Beispiel, auftretend als ein Ring oder rechteckig, wenn von oben oder unten von dem Resonatorstapel gesehen.
Die erste Elektrode 110 ist verbunden mit einem ersten Anschluss 210 und die zweite Elektrode 120 ist verbunden mit einem zweiten Anschluss 220. Wie in der Ausführungsform, die in 8e dargestellt ist, ist zwischen dem ersten Anschluss 210 und dem zweiten Anschluss 220 von 9 eine DC-Spannung 240 anlegbar zusätzlich zu einem Hochfrequenzsignal 250.
In weiteren Ausführungsformen ist die isolierende Schicht 160 optional, so dass abhängig von den Materialien und der Dotierung der Halbleiterschicht (siehe unten) die isolierende Schicht 160 auch abwesend sein (fehlen) kann.
Im Vergleich zu dem Reihenresonanz-abstimmbaren Resonator 700, wie in 8e dargestellt, ist die Halbleiterschicht 140 parallel zu der piezoelektrischen Schicht 130 für den Parallelresonanz-abstimmbaren Resonator 800 angeordnet und ist für den Reihenresonanz-abstimmbaren Resonator 700 in Reihe angeordnet. Die Reihen- oder Parallel-Anordnung kann bezogen werden auf ein Passieren eines HF-Signals durch die BAW-Vorrichtung.
Für beides Prozessieren, was bedeutet für die Reihen- und Parallelresonanz-abstimmbaren Resonatoren 700 und 800, kann die exemplarische Tiefsilikonrückseitenätzung und Bodenmetallisierung an dem Ende des Prozesses durchgeführt werden anstatt am Anfang desselben.
Die DC-Spannung 240 kann auch dynamisch abgestimmt werden, was bedeutet, dass die DC-Spannung sich mit der Zeit ändern kann, so dass eine Wiederanpassung der Resonanzfrequenzen (seriell, parallel oder beides) zu jeder Zeit durchgeführt werden kann und speziell Abweichungen der Resonanzfrequenzen aufgrund von Temperatur oder anderen Einflüssen im Betrieb der BAW-Vorrichtung kompensieren kann.
In weiteren Ausführungsformen enthält mindestens eine der ersten und zweiten Elektrode 110 und 120 eine Anordnung von Schichten mit Materialien von verschiedenen akustischen Impedanzen, wie zum Beispiel Aluminium, Titan, Wolfram, Silber oder Kupfer. Speziell Aluminium und Kupfer weisen eine hohe Leitfähigkeit auf und sind darüber hinaus kompatibel mit der CMOS-Technologie. Ein prinzipieller Vorteil des Konstruierens von Elektroden, welche eine Vielzahl von Schichten enthalten, ist das Erzielen eines höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, resultierend von der Verwendung von Hochakustikimpedanzmaterial (was größere Filterbandbreiten erlaubt) und guter elektrischer Leitfähigkeit eines anderen Materials. Dies ist insbesondere zutreffend für eine geschichtete Elektrodenstruktur, welche Wolfram und Aluminium aufweist.
Der Dotierungsgrad der Halbleiterschicht 140 kann zum Beispiel innerhalb des Bereiches von 10¹⁴ bis 10¹⁶ oder um 10¹⁵ sein und kann Bor als möglichen Dotierstoff aufweisen. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 130 kann innerhalb des Bereichs von 700 bis 1.500 nm oder um 1.000 nm sein, was eine Breite der Verarmungsschicht 142 von ungefähr 900 nm innerhalb eines Abstimmbereichs von 5 V (als DC-Spannung) ergeben kann.
Mögliche Materialien für die Halbleiterschicht 140 umfassen (neben Silizium) III/V-Verbindungen (zum Beispiel GaAs) mit einer hohen Mobilität für die Ladungsträger. Die Mobilität sollte hoch sein, da die Leitfähigkeit des nicht verarmten Teils der Halbleiterschicht 140 stark abhängt von der Majoritätsladungsdichte und zum Beibehalten eines niedrigen Reihenwiderstandes sollte die Leitfähigkeit hoch sein. Dies ist besonders wichtig, da die Dotiergrade (Dotierniveaus) ausgewählt werden mit Bezug auf die Abstimmsensitivität (um innerhalb eines Zielbereichs für die DC-Spannung zu sein). Es ist auch möglich, Halbleiter zu verwenden, die eine hohe Bandlücke aufweisen, welche die Leckströme niedrig hält. Dies ist besonders vorteilhaft für Ausführungsformen von abstimmbarer Parallelresonanz, in welchem Fall die isolierende Schicht 160 redundant sein kann. Zusätzlich sind für die Halbleiterschicht 140 alle (halbleitenden) Materialien möglich, welche ein ausreichendes Wachstum für die piezoelektrische Schicht 130 erlauben (so dass eine zuverlässige Verbindung (compound) gebildet wird). III/V-Halbleiter repräsentieren mögliche Materialien für die Halbleiterschicht 140 (auf welchen zum Beispiel AlN als Material für die piezoelektrische Schicht 130 gebildet werden kann).
Mögliche Materialien für Schichten mit hoher akustischer Impedanz umfassen zum Beispiel: W, Mo, Pt, Ta, TiW, TiN, Ir, WSi, Au, Al₂O₃, SiN, Ta₂O₅ und Zirkonoxid, wobei die letzten vier dielektrische Materialien sind. Mögliche Materialien für die piezoelektrischen Schichten sind zum Beispiel AlN, ZnO, PZT und LiNbO₃. Materialien für die niedrige akustische Impedanz sind zum Beispiel Aluminium und Siliziumdioxid.
In weiteren Ausführungsformen sind andere Materialien oder Metalle für die Elektroden, Typen der Halbleiter, piezoelektrische Materialien und Akustikspiegelmaterialien möglich.
In einer nochmals anderen Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht 130 ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel AlN. Dieser exemplarische III/V-Halbleiter bietet die Möglichkeit zum Dotieren der piezoelektrischen Schicht 130 selbst oder mindestens eines Teils der piezoelektrischen Schicht. Folglich können die Halbleiterschicht 140 und die piezoelektrische Schicht 130 als eine einzige Schicht angeordnet sein, welche wiederum dotiert sein kann zu einem Grad, um die oben erwähnte Sensitivität sicherzustellen. In diesem Fall wird eine Verarmungsschicht innerhalb der halbleitenden piezoelektrischen Schicht 130 gebildet. Da der Spannungsabfall nur über die Verarmungsschicht auftritt, koppelt auch die Akustikwelle an die Spannung nur an der Verarmungsschicht. Dieser Effekt kann verwendet werden zum Herstellen eines Resonators mit abstimmbarer Reihenresonanzfrequenz. In dieser Ausführungsform umfasst der abstimmbare BAW-Resonator zwei Elektroden, welche separiert sind durch eine dotierte Halbleiter-piezoelektrische Schicht.

Claims

Volumenakustikwellen (BAW) Vorrichtung, enthaltend: eine erste Elektrode (110); eine zweite Elektrode (120); eine piezoelektrische Schicht (130) angeordnet zwischen der ersten (110) und zweiten (120) Elektrode, wobei die erste Elektrode (110) die piezoelektrische Schicht (130) kontaktiert; und eine Halbleiterschicht (140) angeordnet zwischen der ersten (110) und zweiten (120) Elektrode, wobei die Halbleiterschicht (140) elektrisch von der ersten Elektrode (110) isoliert ist.
BAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht (140) eine dotierte Halbleiterschicht mit einem Dotierniveau ist.
BAW-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Dotierniveau ein moderates Niveau innerhalb eines Bereichs von 10¹⁴ bis 10¹⁶ umfasst.
BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste (110) und zweite (120) Elektrode konfiguriert sind zum Anlegen einer abstimmbaren DC-Spannung (240) an die erste und zweite Elektrode (110, 120).
BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht (130) über ein Resonatorgebiet gesandwiched ist durch die erste (110) und zweite (120) Elektrode und die piezoelektrische Schicht (130) sich außerhalb des Resonatorgebietes erstreckt und die BAW-Vorrichtung gebildet ist als eine Membranvorrichtung mit einer Luftschnittstelle auf beiden Seiten des Resonatorgebietes.
BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht (140) kristallines Silizium umfasst.
BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend einen akustischen Spiegel (230), wobei der akustische Spiegel (230) einen Schichtstapel von Schichten (232a, 232b, 234a, 234b) von alternierenden Materialien von hoher und niedriger akustischer Impedanz umfasst.
BAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend eine isolierende Schicht (160), wobe i die isolierende Schicht (160) angeordnet ist zwischen der zweiten Elektrode (120) und der Halbleiterschicht (140), so dass die Halbleiterschicht (140) elektrisch isoliert ist von der ersten (110) und der zweiten (120) Elektrode oder die isolierende Schicht (160) zwischen der piezoelektrischen Schicht (130) und der Halbleiterschicht (140) angeordnet ist.
Reihen-abstimmbare Volumenakustikwellen (BAW) Vorrichtung, enthaltend: eine erste Elektrode (110); eine zweite Elektrode (120); eine Halbleiterschicht (140); eine piezoelektrische Schicht (130) angeordnet zwischen der ersten Elektrode (110) und der Halbleiterschicht (140), wobei die erste Elektrode (110) die piezoelektrische Schicht (130) kontaktiert und wobei die Halbleiterschicht (140) zwischen der piezoelektrischen Schicht (130) und der zweiten Elektrode (120) angeordnet ist.
Reihen-abstimmbare BAW-Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Halbleiterschicht (140) ein p-dotiertes Silizium oder ein n-dotiertes Silizium aufweist.
Reihen-abstimmbare BAW-Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, ferner enthaltend eine isolierende Schicht (160) und ein Substrat (200), wobei die Reihen-abstimmbare BAW-Vorrichtung über einem Gebiet (R) der piezoelektrischen Schicht (130) angeordnet ist und, außerhalb des Gebietes (R), die zweite Elektrode (120) von der Halbleiterschicht (140) durch das Substrat (200) und die isolierende Schicht (160) separiert ist.
Reihen-abstimmbare BAW-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Elektrode (110) einen ersten Anschluss (210) aufweist und die zweite Elektrode (120) einen zweiten Anschluss (220) aufweist, wobei der erste (210) und zweite (220) Anschluss anpassbar sind, um eine einstellbare DC-Spannung (240) anzulegen.
Parallel-abstimmbare Volumenakustikwellen (BAW) Vorrichtung, enthaltend: eine erste Elektrode (110); eine zweite Elektrode (120); eine Halbleiterschicht (140), welche gesandwiched ist zwischen der ersten (110) und zweiten (120) Elektrode; und eine piezoelektrische Schicht (130), welche gesandwiched ist zwischen der ersten (110) und zweiten Elektrode (120), wobei die erste Elektrode (110) die piezoelektrische Schicht (130) kontaktiert.
Parallel-abstimmbare BAW-Vorrichtung gemäß Anspruch 13, ferner enthaltend: eine isolierende Schicht (160) angeordnet zwischen der zweiten Elektrode (120) und der piezoelektrischen Schicht (130), wobei die isolierende Schicht (160) gesandwiched ist zwischen der zweiten Elektrode (120) und der Halbleiterschicht (140).
Parallel-abstimmbare BAW-Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die isolierende Schicht (160) Siliziumoxid aufweist.