DE102012108035B4 - Kondensator mit verbessertem linearen Verhalten - Google Patents

Abstract

Kondensator, umfassend – eine erste und eine zweite elektrisch leitende Lage, – eine erste und eine zweite in der ersten Lage strukturierte Elektrode und eine dritte in der zweiten Lage strukturierte Elektrode, – eine zwischen den leitenden Lagen angeordnete dielektrische Lage, wobei – ein Teil der ersten Elektrode und ein Teil der zweiten Elektrode jeweils zumindest einen Teil der dritten Elektrode überlappen, – die erste Elektrode und die zweite Elektrode Anschlusselektroden des Kondensators sind und – die dielektrische Lage eine Spiegellage eines mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelements ist.

Description

• Die Erfindung betrifft Kondensatoren mit verbessertem linearen Verhalten, z. B. für Hochfrequenz (HF) Schaltungen.
• Kondensatoren sind die realen Implementierungen idealer kapazitiver Elemente. In der Netzwerktheorie werden kapazitive Elemente deshalb alleine durch ihre Kapazität charakterisiert, während Kondensatoren neben ihrem kapazitiven Verhalten auch im Allgemeinen unerwünschte Frequenz- und Temperaturabhängigkeiten, parasitäre Induktivitäten und ein nicht lineares Verhalten aufweisen.
• Speziell in HF-Schaltungen, wie sie z. B. in mobilen Kommunikationsgeräten Verwendung finden können, ist die Entstehung unerwünschter IMD Produkten (IMD = Inter-Modulation Distortion) möglich. Aktuelle Mobilfunksysteme stellen an alle Komponenten in ihren Sende-Empfänger-Einheiten immer höhere Ansprüche, so auch an ihre Kondensatoren. Insbesondere nicht lineares Verhalten von Bauteilen, was in der Praxis die Generierung von harmonischen und Intermodulationsprodukten im Signalweg zur Folge hat, kann die Sensitivität der Empfängerseite stark minimieren.
• Mobile Kommunikationsgeräte können z. B. mit akustischen Wellen, z. B. mit akustischen Volumenwellen, arbeitende Filterbauelemente umfassen. Entsprechende Filterschaltungen können daher Kondensatoren aufweisen, deren elektromagnetische Eigenschaften denjenigen idealer kapazitiver Elemente entsprechen sollten.
• Aus der DE 10 2008 045 346 A1 beispielsweise sind HF-Filter in Duplexerschaltungen mobiler Kommunikationsgeräte enthalten.
• Aus der DE 10 2009 011 639 A1 ist bekannt, Kondensatoren in mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen zu integrieren, um ein Bauelement mit kleinen Abmessungen und guten elektrischen Eigenschaften zu erhalten.
• Aus dem US-Patent 5,576,926 sind Kondensatoren mit zwei Anschlusselektroden in einer Ebene und einer weiteren Elektrode in einer weiteren Ebene bekannt.
• Problematisch an bekannten Kondensatoren für HF-Filter sind die oben genannten unerwünschten Eigenschaften realer Kondensatoren.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kondensatoren anzugeben, die für die Verwendung in HF-Filterschaltungen geeignet sind und ein elektrisches Verhalten aufweisen, das demjenigen idealer kapazitiver Element möglichst nahe kommt und insbesondere ein verbessertes lineares Verhalten aufweisen. Ferner sollen solche Kondensatoren keine parasitären Resonanzen bewirken, wenn sie z. B. in mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen realisiert werden. Weiter sollen entsprechende Kondensatoren kostengünstig und ohne Vergrößerung des Herstellungsaufwands produzierbar sein. Ferner soll ein entsprechendes Bauelement mit einem solchen Kondensator kompatibel mit dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung sein.
• Diese Aufgaben werden durch einen Kondensator gemäß Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. Die in den Ansprüchen und nachfolgend beschriebenen Merkmale können dabei in beliebiger Kombination zusammenwirken, um einen individuell angepassten Kondensator zu ergeben.
• Ein Kondensator umfasst eine erste und eine zweite elektrisch leitende Lage. Der Kondensator umfasst ferner eine erste und eine zweite in der ersten Lage strukturierte Elektrode und eine dritte in der zweiten Lage strukturierte Elektrode. Zwischen den elektrisch leitenden Lagen ist eine dielektrische Lage angeordnet. Ein Teil der ersten Elektrode und ein Teil der zweiten Elektrode überlappen jeweils zumindest einen Teil der dritten Elektrode. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind dabei die Anschlusselektroden des Kondensators.
• Der Begriff „überlappen” bezeichnet die Tatsache, dass sich entsprechende Bereiche der Elektroden flächig gegenüberstehen. Zumindest die überlappenden Teile der Elektroden realisieren dabei im Wesentlichen je einen Plattenkondensator.
• Über die Anschlusselektroden des Kondensators, also über die erste Elektrode und die zweite Elektrode, ist der Kondensator mit einer Schaltungsumgebung verschaltbar.
• Es ist möglich, dass die erste Elektrode und die dritte Elektrode zusammen einen ersten Teilkondensator bilden, während die dritte Elektrode und die zweite Elektrode einen zweiten Teilkondensator bilden. Der Kondensator ist dann im Wesentlichen die Serienschaltung beider Teilkondensatoren.
• Der Kondensator weist somit eine Lagenstruktur auf, die kompatibel mit Herstellungsprozessen von mit akustischen Wellen, z. B. akustischen Volumenwellen, arbeitenden Bauelementen ist.
• Gute elektrische Eigenschaften des Kondensators können durch eine geeignete Wahl der Materialien der Lagen erhalten werden. Insbesondere die Wahl des Materials der dielektrischen Lage hat einen starken Einfluss auf die linearen Eigenschaften des Kondensators.
• In einer Ausführungsform ist die dielektrische Lage nicht piezoelektrisch. Damit unterscheidet sich das Material der dielektrischen Lage maßgeblich vom Material einer piezoelektrischen Schicht von mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen.
• Mit akustischen Volumenwellen arbeitende Bauelemente umfassen eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden. Ein Lagenstapel aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen Elektrode ist elektroakustisch aktiv, wenn ein HF-Signal mit der Resonanzfrequenz des Lagenstapels an diese Elektroden angelegt wird. In einem solchen Lagenstapel bildet sich dann eine akustische Resonanz aus. Es liegt somit ein elektroakustischer Resonator vor, der ein im hohen Maße nicht lineares Verhalten offenbart. Soll anstelle eines so genannten BAW-Resonators (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) ein Kondensator erhalten werden, so ist es möglich, einen entsprechenden Lagenstapel durch mechanische Eigenschaften wie das Abscheiden den Resonator verstimmender Schichten auf der Oberfläche der oberen Elektrode zu verstimmen. Ein ideales kapazitives Element wird dabei aber nicht erhalten.
• Es gibt BAW-Resonatoren, unter denen ein akustischer Spiegel angeordnet ist, der die Ausbildung akustischer Resonanzen unterstützt. Ein solcher Spiegel kann eine Schichtfolge von Materialien mit abwechselnd hoher akustischer Impedanz und niedriger akustischer Impedanz umfassen. Materialien hoher akustischer Impedanz sind insbesondere Materialien mit einer hohen spezifischen Dichte, z. B. Metalle. Die Verwendung eines Kondensators, dessen Dielektrikum nicht die piezoelektrische Lage eines BAW-Resonatorstapels ist, sondern der als Dielektrikum ein Material des Spiegels verwendet, ist möglich, aber sehr aufwändig, da die entsprechenden Elektroden, insbesondere die untere Elektrode, tief im Lagenstapel vergraben sind und eine relativ tief reichende Durchkontaktierung durch
• 1. die Lage mit dem piezoelektrischen Material,
• 2. die Lage mit der unteren Elektrode des BAW-Resonators und
• 3. die Lage mit dem unter der unteren Elektrode des BAW-Resonators angeordneten Lage mit dem dielektrischen Material des Kondensators
notwendig ist.
• Die vorliegende Erfindung gibt nun einen Kondensator an, bei dem keine Durchkontaktierung durch die Lage mit dielektrischem Material unter der Lage mit dem piezoelektrischen Material notwendig ist. Es wird also ein Kondensator angegeben, dessen Elektroden leicht kontaktiert werden können. Dadurch, dass die dielektrische Material nicht piezoelektrisch ist, werden sehr gute elektrische, insbesondere lineare, Eigenschaften erhalten.
• In einer Ausführungsform ist die dielektrische Lage des Kondensators entsprechend eine Spiegellage eines mit akustischen Wellen, z. B. eines mit akustischen Volumenwellen, arbeitenden Bauelements.
• In einer Ausführungsform ist die erste elektrisch leitende Lage eine Lage, in der Elektroden eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass die erste elektrisch leitende Lage eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators umfasst.
• In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators. Zumindest einer der Teilkondensatoren ist entsprechend unterhalb eines BAW-Resonatorstapels angeordnet. Da die erste Elektrode eine Elektrode eines BAW-Resonators ist, ist der elektrische Zugang zur ersten Elektrode leicht möglich. In einem solchen Fall wäre höchstens noch eine Durchkontaktierung durch die Lage mit dem piezoelektrischen Material nötig, um die zweite Elektrode zu erreichen und zu kontaktieren.
• In einer Ausführungsform umfasst der Kondensator entsprechend eine piezoelektrische Lage über der ersten elektrisch leitenden Lage und eine weitere elektrisch leitende Lage über der piezoelektrischen Lage. In der weiteren elektrischen Lage über der piezoelektrischen Lage können die oberen Elektroden von BAW-Resonatorstapeln strukturiert sein. Liegt eine Durchkontaktierung durch die Lage mit dem dielektrischen Material über der zweiten Elektrode vor, so kann strukturiertes Material der weiteren elektrisch leitenden Lage eine Verschaltung mit der zweiten Elektrode herstellen.
• Es wird somit ein Kondensator erhalten, der im Wesentlichen ohne zusätzliche Herstellungsprozesse geformt werden kann. Insbesondere ist keine Durchkontaktierung durch das dielektrische Material des Kondensators nötig.
• In einer Ausführungsform ist entsprechend eine der beiden Elektroden, die ausgewählt ist aus erster und zweiter Elektrode, über eine Durchkontaktierung durch die piezoelektrische Schicht mit einer HF-Filterschaltung verschaltet.
• In einer Ausführungsform ist zumindest eine der beiden Elektroden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, unter einer Bump-Verbindung angeordnet und mit der Bump-Verbindung verschaltet.
• BAW-Resonatorstapel, insbesondere mit akustischen Spiegeln, sind auf einem Trägersubstrat angeordnet und Teil eines BAW-Chips. Ein solcher Chip kann in Flip-Chip-Bauweise mit anderen Schaltungskomponenten bzw. entsprechenden Bauelementen (d. h. über Bump-Verbindungen) verschaltet und verbunden sein. Damit die Bump-Verbindungen die elektroakustischen Resonatoren nicht stören, sind sie nicht auf den BAW-Resonatoren, sondern neben den BAW-Resonatoren angeordnet. Um niedrig bauende Bauelemente zu erhalten, können die Bump-Verbindungen in Ausnehmungen in der Lage mit dem piezoelektrischen Material angeordnet sein. In einem solchen Fall könnte die Ausnehmung in dem piezoelektrischen Material also eine Durchkontaktierung bis zur ersten oder zweiten Elektrode des Kondensators darstellen.
• Zwischen einer der Elektroden des Kondensators und einer Bump-Verbindung kann eine so genannte UBM (Under Bump Metallization) angeordnet sein, um eine gute elektrische und mechanische Anbindung der Bump-Verbindung zu erhalten.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil einer HF-Filterschaltung. Als Filterschaltungen kommen insbesondere Sende- und/oder Empfangsfilter von Duplexerschaltungen für mobile Kommunikationsgeräte in Frage. Insbesondere an mit einem Antennenpfad verschaltete Kondensatoren werden besonders hohe Anforderungen bezüglich der Linearität gestellt, damit die Entstehung von Intermodulationsprodukten und Harmonischen möglichst gering ist. Die Verwendung eines erfindungsgemäßes Kondensators in schaltungstechnischer Nähe zu einem Antennenpfad ist deshalb besonders vorteilhaft.
• So ist es möglich, einen entsprechenden Kondensator in einer Impedanzanpassschaltung eines Duplexers zu verschalten.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil eines Saugkreises einer HF-Filterschaltung. Über einen solchen Saugkreis können unerwünschte Frequenzkomponenten, die Intermodulationsprodukte mit besonders störenden Frequenzkomponenten erzeugen würden, gegen Masse abgeleitet werden.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil eines Sperrkreises einer HF-Filterschaltung.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator parallel zu einem induktiven Element einer HF-Filterschaltung verschaltet. Bei der Impedanzanpassung mit parallel geschalteten induktiven Elementen an einem Filterport bewirken kleine Induktivitätswerte lange Wege im Smith-Chart. Meist kann aufgrund von Platzmangel kein induktives Element mit einer größeren Induktivität im Gehäuse für kurze Wege im Smith-Chart eingesetzt werden. Es gibt ferner Anwendungsfälle, in denen ein seriell verschaltetes induktives Element nicht in Frage kommt. In einem solchen Fall kann ein entsprechender Kondensator in einem Parallelzweig die Auswirkung einer kleinen Parallelinduktivität kompensieren, sodass ein induktives Element mit großen geometrischen Abmessungen entsprechend kleiner ausfallen oder sogar ganz entfallen kann.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil einer Duplexer-Anpassschaltung mit n-Glied oder mit T-Glied.
• π-Glieder und T-Glieder eignen sich gut zur Impedanzanpassung, z. B. zwischen einem Sendefilter und einem Empfangsfilter eines Duplexers, da solche Duplexer-Anpassschaltungen im Allgemeinen direkt mit dem Antennenpfad verschaltet sind.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator direkt mit oder über andere Schaltungselemente indirekt mit einem nicht direkt benachbart angeordneten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator gekoppelt, wobei der mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator nicht direkt benachbart zum Kondensator angeordnet ist. Eine Verschaltung eines entsprechenden Kondensators mit einem BAW-Resonator ist somit auch dann möglich, wenn in unmittelbarer Nähe zum BAW-Resonator zu wenig Platz vorhanden ist oder wenn vom Resonator aus emittierte akustische Wellen die Arbeitsweise des Kondensators stören würden.
• In einer Ausführungsform umfasst der Kondensator eine Serienschaltung aus zwei, vier, sechs, acht, zehn oder mehr Teilkondensatoren. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die dritte Elektrode sowohl mit der ersten Elektrode als auch mit der zweiten Elektrode überlappt. Es ist möglich, dass die erste Elektrode mit einer Elektrode der zweiten elektrisch leitenden Lage überlappt. Diese Elektrode der zweiten elektrisch leitenden Lage überlappt mit einer weiteren Elektrode der ersten elektrisch leitenden Lage, welcher mit einer wiederum weiteren Elektrode der zweiten elektrisch leitenden Lage überlappt. So wird eine Verkettung von Teilkondensatoren von der ersten Elektrode über eine entsprechende Anzahl von Zwischenelektroden zur zweiten Elektrode erhalten.
• In einer Ausführungsform des Kondensators ist die dielektrische Lage im Bereich zumindest einer Elektrode lokal gedünnt. Die Dicke der dielektrischen Lage kann dabei im Vergleich zur Dicke des dielektrischen Materials der entsprechenden Spiegelschicht eines BAW-Kondensators vermindert sein.
• Die Materialien der ersten und zweiten elektrisch leitenden Lage und der dielektrischen Lage können die Materialien konventioneller BAW-Resonatorstapel umfassen. So kommen Aluminium, Kupfer, Gold, Silber als elektrisch gut leitende Metalle oder Legierungen aus diesen Metallen in Frage. Die elektrisch leitenden Lagen können auch Titan, z. B. als Haftvermittlungsschicht, umfassen. Insbesondere ist es möglich, dass die elektrisch leitenden Lagen wiederum selbst aus einer Vielzahl von Lagen mit unterschiedlichen Metallen oder Legierungen bestehen.
• Die dielektrische Lage kann insbesondere nicht leitende Materialien hoher oder niedriger akustischer Impedanz, z. B. SiO₂, Si₃N₄ und/oder Ta₂O₅ umfassen. Auch die dielektrische Lage kann mehrere Teillagen umfassen.
• Die inverse Kapazität einer Serienschaltung von Teilkondensatoren ist im Wesentlichen die Summe der inversen Kapazitäten der entsprechenden Teilkondensatoren. Um eine möglichst große Kapazität pro Flächenbedarf zu erhalten, sind die Teilkondensatoren, d. h. ihr Überlappungsbereich, im Wesentlichen gleich groß.
• Ferner hängt die Kapazität der Teilkondensatoren vom Abstand der Elektroden und von der Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ab. Entsprechend kann das dielektrische Material eine besonders hohe oder besonders niedrige Dielektrizitätszahl aufweisen und die Dicke der dielektrischen Lage, z. B. durch Dünnen, auf einen vorher bestimmten Wert eingestellt sein.
• In einer Ausführungsform ist der Kondensator als Teil einer Duplexerschaltung verschaltet. Im Duplexer können neben dem bisher beschriebenen Kondensator noch weitere Kondensatoren mit einem analogen Aufbau enthalten sein. Es ist auch möglich, dass alle Kondensatoren des Duplexers wie oben beschrieben aufgebaut sind.
• Der Kondensator kann insbesondere in einer Antennenanpass-Schaltung des Duplexers verschaltet sein, z. B. als kapazitives Element einer π Schaltung mit zwei induktiven Elementen und dem kapazitiven Serienelement dazwischen.
• Die Antennenanpass-Schaltung kann einen Phasenschieber in der Duplexerschaltung darstellen. Ferner kann der gesamte Phasenschieber in einer IPD-(IPD = Integrated Passiv Device)Technologie ausgeführt und somit platzsparend im Duplexer realisiert sein.
• Der Duplexer kann ein Hybridduplexer mit BAW-Resonatoren im Tx-Signalpfad und mit SAW-Resonatoren im Rx-Signalpfad sein.
• Es ist ferner möglich, dass die Dicke der dielektrischen Lage im Bereich der ersten und zweiten Elektrode so eingestellt ist, dass eine virtuelle Resonanzfrequenz um mehr als den Duplexerabstand zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben ist. Die virtuelle Resonanzfrequenz ist dabei diejenige Frequenz, die die akustische Resonanzfrequenz des Kondensators wäre, wenn die dielektrische Lange piezoelektrisch wäre.
• Nachfolgend wird der Kondensator anhand von nicht einschränkenden aufzufassenden Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 die wesentliche Anordnung von erster, zweiter und dritter Elektrode,
• 2 die Anordnung der Elektroden in einem Lagenstapel,
• 3 die Verwendung des Kondensators in einem BAW-Resonatorstapel,
• 4 eine Ausführungsform, bei der die dielektrische Lage in unterschiedlichen Teilkondensatoren eine unterschiedliche Dicke aufweist,
• 5 eine Ausführungsform, bei der die Anschlusselektroden mittels Durchkontaktierungen verschaltet sind,
• 6 das Ersatzschaltbild des Kondensators,
• 7 eine Ausführungsform, in der der Kondensator parallel zu einem BAW-Resonator verschaltet ist,
• 8 das Ersatzschaltbild der in 7 gezeigten Elektrodenstruktur,
• 9 eine Ausführungsform einer Parallelschaltung des Kondensators mit einem BAW-Resonator mit drei Anschlüssen,
• 10 das Ersatzschaltbild der Elektrodenstruktur der 9,
• 11 eine Ausführungsform, bei der eine der Elektroden die Verlängerung einer unteren Elektrode eines BAW-Resonators ist,
• 12 das Ersatzschaltbild der Ausführungsform der 11,
• 13 eine Ausführungsform des Kondensators mit sechs Teilkondensatoren,
• 14 das Ersatzschaltbild einer Serienverschaltung des Kondensators mit einem Resonator,
• 15 eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die zweite Elektrode unter einer Bump-Verbindung angeordnet ist,
• 16 das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung, in der der Kondensator parallel zu einem Resonator verschaltet ist,
• 17 das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung, bei der der Kondensator in einem Sperrkreis verschaltet ist,
• 18 das Ersatzschaltbild eines Filters, bei dem der Kondensator parallel zu einem induktiven Element L2 und parallel zu einem Resonator X verschaltet ist,
• 19 das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung, in der der Kondensator in einem n-Glied verschaltet ist,
• 20 das Ersatzschaltbild eines Duplexers, in dem der Kondensator in einem T-Glied verschaltet ist,
• 21 eine Filterschaltung mit dem Kondensator als Serienzweigelement,
• 22 eine Filterschaltung, in der der Kondensator mit einem an einer beliebigen Stelle angeordnetem Resonator elektrisch verkoppelt ist,
• 23 eine Duplexerschaltung mit dem Kondensator in einer Anpass-Schaltung.
• 1 zeigt schematisch die Anordnung der drei Elektroden des Kondensators. In einer ersten elektrisch leitenden Lage EL1 sind eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2 strukturiert. In einer zweiten elektrisch leitenden Lage EL2 ist eine dritte Elektrode E3 strukturiert. Zwischen der ersten elektrisch leitenden Lage EL1 und der zweiten elektrisch leitenden Lage EL2 ist eine dielektrische Lage DL angeordnet. Zumindest ein Teil der ersten Elektrode E1 überlappt mit einem Teil der dritten Elektrode E3. Zumindest ein Teil der zweiten Elektrode E2 überlappt ebenfalls mit einem weiteren Teil der dritten Elektrode E3. Der Überlappungsbereich der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 bildet im Wesentlichen einen Plattenkondensator, symbolisiert durch das kapazitive Element C1. Der Überlappungsbereich der zweiten Elektrode E2 mit der entsprechenden Fläche der dritten Elektrode E3 bildet ebenfalls einen Plattenkondensator, symbolisiert/dargestellt durch das kapazitive Element C2. Der Kondensator der 1 ist also im Wesentlichen eine Serienverschaltung zweier Teilkondensatoren. Die Elektroden E1, E2 sind dabei die Anschlusselektroden des Kondensators, über die der Kondensator mit einer Schaltungsumgebung verschaltet werden kann. Entsprechend stellt die erste Elektrode E1 einen ersten Anschluss T1 dar, während die zweite Elektrode E2 einen zweiten Anschluss T2 darstellt. Der Kondensator stellt somit eine von den Teilkapazitäten C1, C2 abhängige Gesamtkapazität zur Verfügung, auf die ohne eine Durchkontaktierung durch die dielektrische Lage DL zugegriffen werden kann.
• Das Material bzw. die Materialien der dielektrischen Lage DL und die Materialien der Elektroden können dabei so gewählt werden, dass der Kondensator ausreichend gute elektrische Eigenschaften auch bei kritischen Frequenzen aufweist.
• 2 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die dielektrische Lage DL und die dritte Elektrode E3 Teil eines Spiegels MIR eines BAW-Resonators vom Spiegeltyp sind. Der Siegel MIR ist dabei auf einem Substrat SU angeordnet. Die Darstellung des Spiegels MIR ist symbolisch, d. h. der Spiegel MIR kann weitere Spiegelschichten mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz umfassen.
• Die Kapazität des Kondensators hängt von den Überlappungsflächen der Elektroden ab. Die Überlappungsfläche der Elektroden hängt insbesondere von der Elektrodenfläche bzw. deren Form und Durchmesser w1, w2 ab. Durch die Auswahl geeigneter Überlappungsflächen kann die gewünschte Gesamtkapazität des Kondensators eingestellt werden, wobei gilt: 1/C_ges = 1/C1 + 1/C2. Dabei ist C_ges die Gesamtkapazität des Kondensators, während C1 und C2 die entsprechenden Kapazitäten der Teilkondensatoren sind.
• Oberhalb der ersten elektrisch leitenden Lage EL1 kann ein dielektrisches Material und angeordnet darauf ein weiteres Elektrodenmaterial für obere Elektroden der Resonatorstapel vorhanden sein.
• Somit kann die oberste nicht leitende Spiegellage eines BAW-Resonators als Dielektrikum für den Kondensator dienen. Die Bodenelektrode kann dabei mehrere Einzelschichten umfassen. Die elektrische Kontaktierung des Kondensators erfolgt über die beiden Elektroden E1, E2 als elektrische Anschlüsse. Die Materialien unterhalb des Spiegels hängen nicht vom Kondensator ab und können deshalb beliebig sein. Eine gegebenenfalls vorhandene piezoelektrische Schicht über der ersten elektrisch leitenden Schicht EL1 kann aus herstellungstechnischen Gründen einen ganzen Wafer, in dem das Bauelement des Kondensators hergestellt wird, überziehen und nur an wenigen Stellen Ausnehmungen, z. B. Durchätzungen, aufweisen.
• 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des Kondensators, bei der oberhalb der ersten elektrisch leitenden Lage EL1 mit den Elektroden E1, E2 eine piezoelektrische Schicht PZ angeordnet ist. Um einen BAW-Resonator zu erhalten, ist eine weitere obere Elektrode TE über einer unter der piezoelektrischen Schicht angeordneten Elektrode, hier die erste Elektrode E1 als untere Elektrode BE, notwendig. Liegt an den Elektroden TE, BE ein HF-Signal an, so kann sich im Lagenstapel eine stehende akustische Welle ausbilden. Zur Ausbildung der akustischen Welle, d. h. für die Funktionsfähigkeit des BAW-Resonators, ist das Vorhandensein einer piezoelektrischen Schicht PZ notwendig. Ein solche piezoelektrische Schicht als Dielektrikum im Kondensator würde aber zu unerwünschten, nicht linearen Effekten führen. Diese Anordnung der dielektrischen Schichten und Elektrodenschichten relativ zueinander bietet somit ein Bauelement, in dem ein BAW-Resonator zusammen mit einem sehr linear arbeitenden Kondensator kombiniert und verschaltet sein können.
• 4 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei dem der Abstand der überlappenden Elektrodenbereiche, d. h. die Dicke des Dielektrikums der zwei Teilkondensatoren T1, T2, unterschiedlich gewählt ist. Die Kapazität eines Teilkondensators ergibt sich zu: C = ε₀ε_rA/D.
• Dabei ist A die Überlappungsfläche und ε_r die Dielektrizitätszahl der dielektrischen Lage, z. B. der obersten Licht leitenden Spiegellage. Durch Einstellen des Abstands D kann die Gesamtkapazität des Teilkondensators leicht eingestellt werden. Die Dicke kann insbesondere in einem Bereich des Kondensators, z. B. durch Dünnen, auf eine Dicke d1 > d2 vermindert sein. So kann zumindest lokal die flächenspezifische Kapazität von Teilkondensatoren erhöht werden.
• 5 zeigt eine Ausführungsform eines Kondensators in einem BAW-Bauelement, wobei die Elektroden E1, E2 durch Durchkontaktierungen durch eine piezoelektrische Lage PZ für eine Verschaltung mit weiteren Schaltungskomponenten zugänglich gemacht wurden. Über die Metallisierungen ME in den Durchkontaktierungen VIA werden somit die Anschlüsse T1, T2 zum Kondensator bereitgestellt.
• Die Durchkontaktierungen VIA durch die piezoelektrische Lage PZ können z. B. durch Ätzen geschaffen werden. Es ist auch möglich, dass die Elektroden E1, E2 direkt durch in den Durchkontaktierungen VIA angeordnete Metallisierung ME geschaffen ist. Dann berühren die Metallisierungen ME direkt die dielektrische Lage.
• In der Ausnehmung der Durchkontaktierung kann eine Bump-Verbindung, wie z. B. in 13 exemplarisch gezeigt, angeordnet und verschaltet sein.
• 6 zeigt das Ersatzschaltbild des Kondensators, nämlich eine Serienverschaltung zweier Teilkondensatoren zwischen den Anschlüssen T1 und T2. Die Figur zeigt somit das Ersatzschaltbild des Kondensators aus 5.
• 7 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die erste Elektrode E1 gleichzeitig die untere Elektrode eines weiteren Lagenstapels, umfassend ein dielektrisches Material D2 und eine Metallisierung des Anschlusses T2, ist. Ist das weitere dielektrische Material D2 piezoelektrisch, so ist die erste Elektrode E1 gleichzeitig die untere Elektrode des entsprechenden BAW-Resonatorstapels. Die Elektrodenanordnung der 7 zeigt dabei eine Parallelverschaltung des Kondensators mit einem die dielektrische Schicht D2 umfassenden Resonator. 7 zeigt somit eine Platz sparende Ausführungsform einer Parallelverschaltung eines Kondensators mit einem Resonator. Eine solche Elektrodenanordnung ermöglicht insbesondere die gezielte Reduktion der Resonatorkopplung des BAW-Resonators BAW.
• Eine solche Anordnung ermöglicht eine Einsparung an Chipfläche, weil der die Elektroden E1 und E3 umfassende Teilkondensator direkt unter dem Resonator BAW angeordnet ist. Der Platz unterhalb des Resonators BAW steht für weitere BAW-Resonatorstapel nämlich im Allgemeinen deswegen nicht zur Verfügung, weil diese Bereiche akustisch miteinander gekoppelt sind.
• 8 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenstruktur aus 7.
• 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der – im Gegensatz zur Ausführungsform der 7 – die zweite Elektrode E2 des Kondensators nicht mit der oberen Elektrode des BAW-Resonators BAW verschaltet ist. Die Ausführungsform der 9 stellt somit ein Bauelement mit drei unabhängigen Anschlüssen T1, T2, T3 dar.
• Es ist möglich, dass die Fläche der zweiten Elektrode E2 den Flächenbedarf des Anschlusses T2 um einen Faktor x übersteigt. x kann dabei zwischen 1 und 100 liegen und insbesondere 1.1, 2, 5, 10 und 50 betragen.
• 10 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenanordnung der 9.
• 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Elektrode E1 des Kondensators als Verlängerung der unteren Elektrode eines BAW-Resonators erhalten wird. Der BAW-Resonator umfasst dabei einen Teil der elektrisch leitende Lage mit der ersten Elektrode E1, Material der piezoelektrischen Lage und Material einer Elektrodenlage auf der piezoelektrischen Lage.
• 12 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenanordnung der 11. Ein Anschluss T3 ist mit dem Resonator aber nicht direkt mit dem Kondensator verschaltet. Ein Anschluss T2 ist mit dem Kondensator aber nicht direkt mit dem Resonator verschaltet. Ein Anschluss T1 ist sowohl mit dem Resonator als auch mit dem Kondensator direkt verschaltet.
• 13 zeigt exemplarisch eine Ausführungsform des Kondensators mit sechs Teilkondensatoren. Neben der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 umfasst die erste elektrisch leitende Schicht EL1 weitere Elektrodenstrukturen E. Die zweite elektrisch leitende Lage EL2 umfasst entsprechend weitere strukturierte Elektrodenabschnitte, sodass eine entsprechende Serienverschaltung aus sechs Teilkondensatoren erhalten wird. Auf diese Weise kann leicht eine Serienverschaltung aus 2n Teilkondensatoren erhalten werden, wobei n eine natürliche Zahl ≥ 1 ist.
• 14 zeigt das Ersatzschaltbild einer möglichen Verschaltung des Kondensators, nämlich einer Serienverschaltung, mit einem Resonator.
• 15 zeigt eine Ausführungsform eines Kondensators, bei dem die Kontaktierung der zweiten Elektrode über eine Bump-Verbindung BU realisiert ist. Die Bump-Verbindung BU stellt dabei den zweiten Anschluss des Kondensators dar. Die Bump-Verbindung BU kann dabei direkt auf der zweiten Elektrode aufsitzen. Es ist auch möglich, dass die Bump-Verbindung BU auf einer Metallisierung ME in einer Ausnehmung durch die piezoelektrische Lage PZ angeordnet ist. Zwischen der Bump-Verbindung BU und der ersten Elektrode E1 oder der Metallisierung ME kann eine weitere Schicht, z. B. eine so genannte UBM (UBM = Under Bump Metallization) zur besseren Kontaktvermittlung zwischen Bump BU und Elektrode angeordnet sein.
• Die Realisierung der Bump-Verbindung BU kann dabei durch ein Stück eines Bonddrahts, durch Lot oder andere konventionelle Methoden zur Herstellung erfolgen. Da eine Bump-Verbindung vorteilhafterweise eine Bodenstruktur aufweist, bietet es sich an, eine der Elektroden E1, E2 unter der Bump-Verbindung anzuordnen und den entsprechenden Abschnitt der obersten leitenden Spiegelschicht als dritte Elektrode E3 unter die Bump-Verbindung zu ziehen, um eine maximale Überlappungsfläche und damit maximale Kapazität des Kondensators zu erhalten.
• Die dritte Elektrode E3 umfasst einen Bereich, der unter der Bumpverbindung angeordnet ist.
• 16 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Filterschaltung F, in der ein die zwei in Serie verschalteten Teilkondensatoren C1, C2 umfassender Kondensator als Parallelzweigelement, z. B. in einer Laddertype-Filterstruktur, parallel zu einem Resonator X verschaltet ist. Der Kondensator kann somit einen, z. B. mit einem Signalpfad verschalteten, Anschluss B mit einem, z. B. mit Masse verschalteten, Anschluss A verschalten.
• Zwischen dem Anschluss A und einem Masseanschluss kann auch ein induktives Element L zur Masseanbindung verschaltet sein. Die direkte Verschaltung mit dem Kondensator X ist nicht notwendig. Der Kondensator kann den Anschluss B auch ohne weitere Schaltungselemente direkt mit dem Anschluss A verschalten. In einer Filterschaltung F und in einem entsprechenden Bauelement können mehr als ein erfindungsgemäßer Kondensator enthalten sein; die Punkte links in 16 zeigen entsprechend an, dass die gezeigten Schaltungselemente nur einen Teil einer umfangreicheren Schaltung darstellen.
• 17 zeigt einen in einem Sperrkreis verschalteten Kondensator mit den Teilkondensatoren C1 und C2. Der Kondensator ist dabei mit den induktiven Elementen L1 und L2 verschaltet. Insbesondere ist der Kondensator in Serie zwischen den beiden induktiven Elementen L1, L2 verschaltet. 17 zeigt den Kondensator als Teil eines Sperrkreises, z. B. an einem Filterport FP. Die Resonanzfrequenz f des Sperrkreises ist

  
• C_x ist dabei die statische Kapazität des Resonators X und C_ges ist 1/(1/C₁ + 1/C₂). Die induktiven Elemente L1, L2 sind dabei optional und können bei Bedarf weggelassen werden oder als parasitäre Induktivitäten, z. B. von Zuleitungen, realisiert sein. Auch die Parallelverschaltung mit dem Resonator X ist optional. Ohne die Verschaltung mit dem Resonator X ergibt sich eine entsprechend korrigierte Sperrfrequenz.
• 18 zeigt das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung F, wobei der Kondensator mit den Teilkondensatoren C1, C2 parallel zu einem induktiven Element L2 verschaltet sind. Das induktive Element L2 kann Teil einer Impedanzanpassschaltung zwischen der Filterschaltung F, z. B. einem Sende- oder Empfangsfilter, und einem weiteren Filter, z. B. einem entsprechenden Empfangs- oder Sendefilter eines Duplexers sein. Bei einer Impedanzanpassung mit parallelen induktiven Elementen und einem Filterport bewirken kleine Induktivitätswerte große Strecken im Smith-Chart. Meist kann aufgrund von Platzmangel im entsprechenden Bauelement kein induktives Element mit größerer Induktivität in einem entsprechenden Gehäuse eingesetzt werden. Es gibt auch Anwendungsfälle, in denen eine serielle Induktivität zur Kompensation nicht möglich ist. Dann schafft das/der Kondensator mit guten linearen Eigenschaften Abhilfe, wenn er parallel zu dem entsprechenden induktiven Element L2 geschaltet ist. Die Ausführungsform der 18 zeigt dabei noch ein weiteres induktives Element L1, welches aber optional ist und weggelassen werden kann oder durch eine parasitäre Induktivität, z. B. einer Zuleitung, realisiert sein kann. Auch die Verschaltung des Kondensators mit dem Resonator X ist optional und nicht zwingend.
• 19 zeigt das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung mit zwei Filterschaltungen F. Der Kondensator mit den Teilkondensatoren C1 und C2 ist dabei Teil einer π-Glied-Schaltung, z. B. zur Impedanzanpassung im Antennenport des Duplexers. Genauer: Der Kondensator ist in einem Parallelpfad des π-Glieds verschaltet. Im anderen Parallelpfad des π-Glieds ist ein weiteres kapazitives Element C verschaltet. Das weitere kapazitive Element C kann ebenfalls ein erfindungsgemäßes kapazitives Element oder ein konventionell hergestelltes kapazitives Element sein.
• 20 zeigt das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung mit zwei Filterschaltungen F, wobei der Kondensator mit den Teilkondensatoren C1, C2 im Serienpfad einer T-Glied-Anpassschaltung verschaltet ist. Im Parallelzweig des T-Glieds ist ein induktives Element C verschaltet. Das erfindungsgemäße induktive Element ist in Serie mit einem konventionellen oder ebenfalls erfindungsgemäßen kapazitiven Element C verschaltet.
• 21 zeigt allgemein ein Ersatzschaltbild, in dem der Kondensator als Serienzweigelement mit beliebigen weiteren Schaltungskomponenten verschaltet ist.
• 22 symbolisiert eine Schaltungsanordnung, bei der der Kondensator mit den Teilkondensatoren C1, C2 mit einem an einer beliebigen Stelle angeordnetem Resonator direkt oder indirekt elektrisch verkoppelt ist. Eine räumliche Nähe zwischen Kondensator und Resonator ist nicht zwingend notwendig, um die Vorteile des Kondensators auszuspielen. Die Parallelschaltung aus Resonator und Kondensator kann dabei über ein induktives Element L mit Masse verschaltet sein.
• 23 zeigt eine Duplexerschaltung DU mit einem Antennenanschluss ANT zwischen einem Sendeanschluss Tx und einem Empfangsanschluss Rx. Mit dem Antennenanschluss ANT ist eine Anpass-Schaltung mit zwei induktiven Elementen IE und dem Kondensator mit den zwei Teilkondensatoren C1, C2 verschaltet.
• Der Sendesignalzweig arbeitet im Wesentlichen mit akustischen Volumenwellen, während der Empfangszweig mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet. 23 stellt somit einen Hybridduplexer dar. Zwischen dem Antennenanschluss ANT und dem Empfangsanschluss Rx ist ein Grundglied einer Laddertypestruktur mit einer dreifachen Kaskade im Signalpfad und einer Vierfachen Kaskade im Parallelzweigpfad verschaltet. Zwischen dem Grundglied und dem Anschluss Rx ist eine DMS-(DMS = Dual Mode SAW)Struktur verschaltet. Der Empfangsanschluss Rx ist balanced (= erdsymmetrisch) ausgeführt. Der Sendeanschluss ist unbalanced (= erdunsymmetrisch) ausgeführt.
• Bezugszeichenliste:

• A, B:

  Filteranschlüsse

  ANT:

  Antennenanschluss

  BAW:

  BAW-Resonatorstapel, BAW-Resonator

  BE:

  untere Elektrode eines BAW-Resonatorstapels

  BU:

  Bump-Verbindung

  C:

  kapazitives Element

  C1, C2:

  erster, zweiter Teilkondensator

  D1, D2:

  Dicken der dielektrischen Lage

  D2:

  weiteres dielektrisches Material

  DL:

  dielektrische Lage

  DMS:

  DMS-Struktur

  DU:

  Duplexer

  E:

  weitere strukturierte Elektroden in der ersten elektrisch leitenden Lage

  E1, E2:

  erste, zweite Elektrode

  E3:

  dritte Elektrode

  EL1:

  erste elektrisch leitende Lage

  EL2:

  zweite elektrisch leitende Lage

  F:

  Filter

  f:

  Sperrfrequenz

  IE:

  induktives Element

  L1, L2:

  induktives Element

  ME:

  Metallisierung

  MIR:

  Spiegel

  PZ:

  piezoelektrische Lage

  Rx:

  Empfangsanschluss

  SU:

  Substrat

  T1, T2:

  erster, zweiter Anschluss des Kondensators

  TE:

  obere Elektrode eines BAW-Resonatorstapels

  Tx:

  Sendeanschluss

  UBM:

  Under Bump Metallization

  VIA:

  Durchkontaktierung

  W1, W2:

  laterale Abmessungen der ersten, zweiten Elektrode

  X:

  Resonator

Claims (16)

1. Kondensator, umfassend – eine erste und eine zweite elektrisch leitende Lage, – eine erste und eine zweite in der ersten Lage strukturierte Elektrode und eine dritte in der zweiten Lage strukturierte Elektrode, – eine zwischen den leitenden Lagen angeordnete dielektrische Lage, wobei – ein Teil der ersten Elektrode und ein Teil der zweiten Elektrode jeweils zumindest einen Teil der dritten Elektrode überlappen, – die erste Elektrode und die zweite Elektrode Anschlusselektroden des Kondensators sind und – die dielektrische Lage eine Spiegellage eines mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelements ist.
2. Kondensator nach dem vorherigen Anspruch, wobei die dielektrische Lage nicht piezoelektrisch ist.
3. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste elektrisch leitende Lage eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators umfasst.
4. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Elektrode eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators ist.
5. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – eine piezoelektrische Lage über der ersten elektrisch leitenden Lage und – eine weitere elektrisch leitende Lage über der piezoelektrischen Lage.
6. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der beiden Elektroden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, über eine Durchkontaktierung durch die piezoelektrische Schicht mit einer HF-Filterschaltung verschaltet ist.
7. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der beiden Elektroden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, unter einer Bump-Verbindung angeordnet und mit der Bump-Verbindung verschaltet ist.
8. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer HF-Filterschaltung ist.
9. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil eines Sperrkreises oder eines Saugkreises einer HF-Filterschaltung ist.
10. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der parallel zu einem induktiven Element einer HF-Filterschaltung verschaltet ist.
11. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer Duplexer-Anpassschaltung mit Pi-Glied oder mit T-Glied ist.
12. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der direkt oder indirekt über andere Schaltungselemente mit einem nicht direkt benachbart angeordneten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator gekoppelt ist.
13. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der eine Serienschaltung aus 2, 4, 6, 8, 10 oder mehr Teilkondensatoren umfasst.
14. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dielektrische Lage im Bereich zumindest einer Elektrode lokal gedünnt ist.
15. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer Duplexerschaltung ist.
16. Kondensator nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Dicke der dielektrischen Lage im Bereich der ersten und zweiten Elektrode so eingestellt ist, dass eine virtuelle Resonanzfrequenz um mehr als den Duplexerabstand zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben ist.

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