DE102012210239B4

DE102012210239B4 - Bulkakustikresonator, der eine nicht-piezoelektrische Schicht und eine Brücke aufweist

Info

Publication number: DE102012210239B4
Application number: DE102012210239.6A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Shirakawa; Phil Nikkel; Dariusz Burak
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: US20120319534A1; DE102012210239A1; US8350445B1

Abstract

Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator (100), welcher aufweist: eine erste Elektrode (215), die auf einem Substrat (205) gebildet ist, eine piezoelektrische Schicht (230), die auf der ersten Elektrode (215) gebildet ist, eine zweite Elektrode (105), die auf der piezoelektrischen Schicht (230) gebildet ist, eine nicht-piezoelektrische Schicht (220), die auf der ersten Elektrode (215) und angrenzend an der piezoelektrischen Schicht (230) gebildet ist, und eine Brücke (120), die zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105) gebildet ist.

Description

Hintergrund
Wandler (transducer) konvertieren im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale. Akustische Wandler konvertieren insbesondere elektrische Signale in akustische Wellen und akustische Wellen in elektrische Signale mittels inverser und direkt piezoelektrischer Effekte. Akustische Wandler beinhalten im Allgemeinen akustische Resonatoren, wie zum Beispiel Dünnfilm-Bulkakustikresonatoren (thin film bulk acoustic resonators) (FBARs), Oberflächenschallwellenresonatoren (surface acoustic wave resonators) (SAW) oder Bulk-Akustik-Wave Resonatoren (bulk acoustic wave resonators) (BAW) und können in einer umfangreichen Vielfalt von elektrischen Anwendungen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), elektronische Spielevorrichtungen, Laptop-Computer und andere tragbare Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel können FBARs für elektrische Filter und Spannungstransformatoren verwendet werden.
Ein akustischer Resonator kann mittels einer Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden) gebildet werden, die auf einer dünnen Membran gebildet werden können. Solch ein Resonator kann sowohl akustische Wellen generieren, die in lateralen Richtungen propagieren als auch harmonische Mischungsprodukte höherer Ordnung, wenn der Resonator mittels eines angelegten zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes stimuliert wird. Die lateral propergierenden Moden und die harmonischen Mischungsprodukte höherer Ordnung können einen schädlichen Einfluss auf eine Funktionalität haben.
Was demzufolge gebraucht wird, ist eine Struktur, die bei einem Abschwächen von akustischen Verlusten an den Grenzen des BAW Resonators von Nutzen ist, um eine Modenbeschränkung in der Region der Überlappung der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode eines BAW Resonators (gemeinhin als die aktive Region bezeichnet) zu verbessern.
Zusammenfassung
In Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel weist ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator auf: eine erste Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist, eine piezoelektrische Schicht, die auf der ersten Elektrode gebildet ist, eine zweite Elektrode, die auf der ersten piezoelektrischen Schicht gebildet ist, eine nicht-piezoelektrische Schicht, die auf der ersten Elektrode und angrenzend an die piezoelektrische Schicht gebildet ist und eine Brücke, die zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht und der ersten oder zweiten Elektrode gebildet ist.
In Übereinstimmung mit einem anderen repräsentativen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Bilden eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators offenbart. Das Verfahren weist auf: Bilden eines akustischen Reflektors in einem Substrat, Bilden einer ersten Elektrode auf dem Substrat über dem akustischen Reflektor, Bilden einer piezoelektrischen Schicht und einer nicht-piezoelektrischen Schicht angrenzend zueinander auf der ersten Elektrode, Bilden einer zweiten Elektrode über der piezoelektrischen Schicht und der nicht-piezoelektrischen Schicht und Bilden einer Schicht zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht und der ersten oder zweiten Elektrode, um eine Region für eine Brücke zu definieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die illustrativen Ausführungsbeispiele werden am besten von der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabgerecht gezeichnet sind. In der Tat können die Dimensionen für Klarheit der Diskussion beliebig vergrößert oder verkleinert sein. Wenn immer anwendbar und praktikabel beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
1 ist eine Draufsicht eines FBAR in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Querschnittsansicht des FBAR von 1, die entlang einer Linie A-B genommen ist.
3A und 3B sind Querschnittsansichten, die die Verwendung eines nicht-piezoelektrischen Materials illustrieren, um Verluste von akustischer Energie in dem FBAR von 2 zu verhindern.
4A und 4B sind Querschnittsansichten, die die Verwendung einer Luftbrücke illustrieren, um Verluste von akustischer Energie in dem FBAR von 2 zu verhindern.
5 ist eine Querschnittsansicht des FBAR von 2 mit Illustrationen der enthaltenen akustischen Energie.
6A bis einschließlich 6C sind Querschnittsansichten von unterschiedlichen Variationen des FBAR von 2 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsbeispielen.
7 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Herstellen eines FBAR in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert.
8 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Bilden einer piezoelektrischen Schicht und einer nicht-piezoelektrischen Schicht auf einer Elektrode in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert.
9 ist ein Ablaufschema, das ein anderes Verfahren zum Bilden einer piezoelektrischen Schicht und einer nicht-piezoelektrischen Schicht auf einer Elektrode in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert.
10 ist ein Diagramm, der den Qualitäts(Q)-Faktor eines FBAR als eine Funktion der Frequenz in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Lehre bezieht sich im Allgemeinen auf Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatorstrukturen wie zum Beispiel FBARs. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird, weisen die FBARs der repräsentativen Ausführungsbeispiele auf (a) eine Schicht eines piezoelektrischen Materials angeordnet zwischen Elektroden, (b) eine Schicht eines nicht-piezoelektrischen (auch bezeichnet hierin als „np”) Materials, das angrenzend an die Schicht des piezoelektrischen Materials angeordnet ist, und (c) eine Luftbrücke, die zwischen der Schicht des np Materials und einer der Elektroden angeordnet ist. Das np Material verhindert eine Kolbenmodenanregung (piston-mode excitation) an Impedanzdiskontinuitätsebenen der FBARs, was Strahlungsverluste (radiative losses) reduziert, die mittels Streuung des kontinuierlichen Spektrums der Kolbenmode erzeugt werden. Die Luftbrücke entkoppelt unterdessen propagierende Eigenmoden aus einer äußeren Region der FBARs, was Strahlungsverluste aufgrund einer Eigenmodenstreuung reduziert. Demzufolge reduziert die Kombination des np Materials und der Luftbrücke Strahlungsverluste, die mittels unterschiedlicher Arten von Streuung verursacht werden können.
In der Schicht des piezoelektrischen Materials werden Kristalle in Säulen gewachsen, die senkrecht zu der Ebene der Elektroden sind. Als solches sind die C-Achsenorientierungen der Kristalle im Wesentlichen zueinander ausgerichtet und die Schicht des piezoelektrischen Materials kann als eine hochstrukturierte C-Achsen-piezoelektrische Schicht bezeichnet werden. Solch eine Schicht eines piezoelektrischen Materials kann gemäß einer Vielzahl von bekannten Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel solche, die in dem U.S. Patent 6,060,818 von Ruby et al. offenbart sind, dessen Offenbarung hiermit mittels Referenz eingebunden ist. Die Schicht der np Schicht ist typischerweise aus der gleichen Substanz wie die Schicht des piezoelektrischen Materials gemacht, ist aber entweder amorph oder polykristallin und besitzt wenige oder keine piezoelektrischen Effekte aufgrund eines Kristallwachstums in einer Vielzahl von Richtungen. Die Schicht des np Materials kann mittels Verfahren hergestellt werden, die unten beschrieben werden oder gemäß der Lehre des U.S. Patents 7,795,781 von Barber et al., dessen Offenbarung hiermit mittels Referenz eingebunden ist.
Akustische Resonatoren und besonders FBARs können in einer Vielzahl von Konfigurationen für RF und Mikrowellenvorrichtungen wie zum Beispiel Filter und Oszillatoren, die in einer Vielzahl von Frequenzbändern operieren, eingesetzt werden. Für eine Verwendung in mobilen Kommunikationsvorrichtungen ist ein besonderes Beispiel für ein Frequenzband von Interesse, welches das 850 MHz „Netzband (cellular band)” ist. Im Allgemeinen vergrößert sich die Größe eines BAW-Resonators mit abnehmender Frequenz, so dass ein FBAR für das 850 MHz Band im Wesentlichen größer als ein ähnlicher FBAR für das 2 GHz persönliche Kommunikationsservices (personal communication services) (PCS) Band sein wird. In bestimmten Anwendungen stellen die BAW-Resonatorstrukturen Filter wie zum Beispiel Leiterfilter bereit.
Bestimmte Details der FBARs und der Materialien davon und ihre Verfahren der Herstellung können zum Beispiel in einem oder mehreren der folgenden gemeinsam besessenen U.S. Patenten, Patentanmeldungsveröffentlichungen und Patentanmeldungen gefunden werden: U.S. Pat. Nr. 6,107,721 von Lakin, U.S. Patente 5,587,620 , 5,873,153 , 6,507,983 und 7,629,865 von Ruby et al., U.S. Patent Nr. 7,280,007 von Feng et al., U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2007/0205850 von Jamneala et al., U.S. Patent Nr. 7,388,454 von Richard C. Ruby et al., U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0327697 von Choy et al. und U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0327994 von Choy et al. Zusätzliche Details können zum Beispiel in U.S. Patent Nr. 7,889,024 von Bradley et al., U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2012/248941 von Shirakawa et al., U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2012/218056 von Burak et al., U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2012/218055 von Burak et al. und U.S. Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2012/280767 von Burak et al. gefunden werden.
Die Offenbarung dieser Patente und Patentanmeldungen werden hiermit mittels Referenz speziell eingebunden. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren der Herstellung, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben werden, repräsentativ sind und andere Verfahren der Herstellung und Materialien innerhalb des Bereichs von einem Fachmann in Erwägung gezogen werden.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen FBAR 100 in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Wie mittels 1 illustriert wird, ist der FBAR 100 in der Form eines apodisierten Fünfecks gebildet.
Mit Bezug auf die 1 weist der FBAR 100 eine obere Elektrode 105 und eine Zwischenverbindung 110 auf. Die obere Elektrode 105 ist illustrativ mit fünf Seiten gebildet, einschließlich einer Verbindungsseite 115, die eine elektrische Verbindung mit der Zwischenverbindung 110 bildet. Die Zwischenverbindung 110 stellt elektrische Signale an die obere Elektrode 105 bereit, um akustische Wellen in piezoelektrischen Schichten des FBAR 100 anzuregen.
Die obere Elektrode 105 weist ferner eine Luftbrücke 120 auf, die auf mehreren Seiten angeordnet ist. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, reduziert die Luftbrücke 120 propagierende Eigenmoden an den Grenzen des FBAR 100, was zu einer verbesserten Einfügedämpfung (insertion loss) und einem verbesserten Q-Faktor über einem gewünschten Frequenzbereich, wie zum Beispiel einem Passband des FBAR 100, beitragen kann.
2 ist eine Querschnittsansicht des FBAR 100 in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Die Querschnittsansicht der 2 ist entlang einer Linie A-B in 1 genommen.
Mit Bezug auf die 2 weist der FBAR 100 ein Substrat 205, eine untere Elektrode 215, eine Planarisierungsschicht 225, eine piezoelektrische Schicht 230, eine nicht-piezoelektrischen (np) Schicht 220 und eine obere Elektrode 105 auf.
Das Substrat 205 enthält eine Kavität 210 oder einen anderen akustischen Reflektor, wie zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (distributed Bragg grating) (DBR). Die untere Elektrode 215 ist über dem Substrat 205 angeordnet und über der Kavität 210 aufgehängt. Die Planarisierungsschicht 225 ist über dem Substrat 205 gebildet und sie weist typischerweise nicht ätzbares Borosilicatglas (NEBSG) auf. Die Planarisierungsschicht 225 kann aus dem FBAR 100 weggelassen werden, um Herstellungskosten zu reduzieren, aber wenn sie vorliegend ist, tendiert sie die Qualität der nachfolgend gewachsenen Schichten zu verbessern, wie zum Beispiel eine hochstrukturierte C-Achsen piezoelektrische Schicht. Zusätzlich kann die Planarisierungsschicht 225 auch die Herstellung der nachfolgend gewachsenen Schichten vereinfachen.
Die piezoelektrische Schicht 230 ist über der unteren Elektrode 215 gebildet und sie weist typischerweise hochstrukturiertes C-Achsen piezoelektrisches Material auf, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO). Die np Schicht 220 ist angrenzend an die piezoelektrische Schicht 230 gebildet und ist typischerweise aus der gleichen Substanz wie die piezoelektrische Schicht 230 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt. Ungleich der piezoelektrischen Schicht 130 ist die np Schicht 220 entweder amorph oder polykristallin und besitzt wenige oder keine piezoelektrischen Effekte. Die obere Elektrode 105 ist über der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 angeordnet.
Die Luftbrücke 120 ist zwischen der np Schicht 220 und der oberen Elektrode 105 gebildet. Wie unten in weiterem Detail beschrieben wird, senkt die Luftbrücke 120 ein Zentrum einer Belastungsverteilung des FBAR 100, was propagierende Eigenmoden des FBAR 100 aus einer äußeren Region entkoppelt. Dieses Entkoppeln der propagierenden Eigenmoden verhindert ein Auslaufen einer akustischen Energie aus dem FBAR 100.
Typische Dimensionen der Luftbrücke 120 sind ungefähr 2,0 μm bis ungefähr 10,0 μm in der Breite und ungefähr 300 Å bis ungefähr 1500 Å in der Höhe (1 μm = 10^–6 m; 1 Å = 10^–10 m). Die Luftbrücke 120 erstreckt sich über die Kavität 210 mittels einer Überlappung 260. Die Überlappung 260, die auch als eine Entkopplungsregion 260 bezeichnet wird, hat eine typische Breite von ungefähr 0,0 μm (d. h. keine Überlappung) bis ungefähr 10,0 μm. Die Größe der Überlappung 260 kann den Q-Faktor und andere Eigenschaften des FBAR 100 beeinflussen und sie kann experimentell bestimmt werden, um diese Eigenschaften zu optimieren.
Die Breite der Luftbrücke 120 kann gemäß verschiedener Faktoren angepasst werden, wie zum Beispiel Energietunneln, Zuverlässigkeit und Chipgröße. Im Allgemeinen tendieren weite Brücken das Energietunneln zu minimieren, was ein starkes Entkoppeln zwischen Eigenmoden beidseitig innerhalb der Luftbrücke 120 erzeugt. Jedoch können weite Brücken auch die Zuverlässigkeit des FBAR 100 reduzieren und seine Chipgröße vergrößern. Im Allgemeinen kann die Breite der Luftbrücke 120 experimentell bestimmt werden, um die obigen Faktoren in Kombination mit anderen Überlegungen zu verbessern, wie zum Beispiel den Q-Faktor und einen elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten k_t ² des FBAR 100.
Wie oben angedeutet, hat die Luftbrücke 120 eine typische Höhe von ungefähr 300 Å bis ungefähr 1500 Å. Die untere Grenze der Höhe ist mittels Grenzen an einen Prozess eines Entfernens einer Opferschicht während der Ausbildung der Luftbrücke 120 bestimmt und die obere Grenze der Höhe ist bestimmt in Anbetracht der potentiellen Qualität der Schichten bestimmt, die über der Luftbrücke 120 gewachsen werden, und der Qualität des nachfolgenden Herstellens von möglicherweise nicht ebenen Strukturen.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Luftbrücke 120 um einen gesamten Umfang des FBAR 100 gebildet sein. Jedoch ist es nicht notwendig, die Luftbrücke 120 um den gesamten Umfang zu erstrecken. Zum Beispiel, in dem Beispiel von 1, ist die Luftbrücke 120 nur auf einer Seite des FBAR 100 gebildet.
Auch wenn die 2 eine Luftbrücke 120 mit einer rechteckigen Form zeigt, kann die Form der Luftbrücke 120 auf verschiedene Arten modifiziert werden. Zum Beispiel kann sie mittels eines Trapez gebildet werden, wie zum Beispiel in den 6A bis einschließlich 6C dargestellt ist. Zusätzlich modifizieren manche Ausführungsbeispiele auch die Luftbrücke 120, so dass sie ein Material anstelle einer Luftkavität enthält. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsbeispielen die Luftbrücke 120 mit NEBSG, CDO, SiC, oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material gefüllt sein, das nicht ausgelöst wird, wenn ein Opfermaterial in der Kavität 210 ausgelöst wird. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Luftbrücke 120 mit einem aus Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al) oder Iridium (Ir) oder einem anderen geeigneten Metall gefüllt, das nicht ausgelöst wird, wenn das Opfermaterial, das in der Kavität 210 angeordnet ist, ausgelöst wird.
Eine aktive Region 235 ist mittels einer Überlappung der unteren Elektrode 215, der piezoelektrischen Schicht 230 und der oberen Elektrode 105 definiert. Die Verwendung der np Schicht 220 in Kombination mit der Luftbrücke 120 reduziert akustische Verluste an den Grenzen des FBAR 100, um eine Modenbeschränkung in der aktiven Region 235 zu verbessern.
Die Breite einer Überlappung 240 zwischen der oberen Elektrode 105 und der np Schicht 220 wird ausgewählt, um akustische Verluste zu reduzieren, die von einem Streuen sowohl von kontinuierlichen Moden als auch einer propagierenden Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 220 an einer Kante 245 der oberen Elektrode 105 resultieren. Wie ausführlicher unten beschrieben wird, wird in bestimmten Ausführungsbeispielen die Breite der Überlappung 240 ausgewählt, um größer als oder gleich zu der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) (wobei k die Dämpfungskonstante der evaneszenten Mode niedrigster Ordnung (e^–kx) ist) in der np Schicht 220 zu sein, und die Breite der Überlappung 240 approximiert in guter Näherung das Verhalten der kontinuierlichen Moden. Alternativ wird die Breite der Überlappung 240 ausgewählt, um ein ganzteiliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) der Viertel-Wellenlänge (λ/4) der propagierende Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 108 zu sein.
Wenn das antreibende elektrische Signal eine Frequenz in einer Umgebung einer Reihenresonanzfrequenz (F_s) des FBAR 100 hat, wird elektrische Energie in akustische Energie und umgekehrt umgewandelt. Während ein elektrisches Feld (und folglich eine elektrische Energiedichte) in einer Region beschränkt wird, die mittels einer Überlappung der oberen Elektrode 105 und der unteren Elektrode 215 definiert ist, kann ein akustisches Feld (und folglich eine akustische Energiedichte) in der Region unter der Elektrode (in der Form von kontinuierlichen Moden) beschränkt sein und/oder es kann weg Propagieren (in der Form von propagierenden Eigenmoden). Das elektrische Feldprofil ist mittels der lateralen Form der oberen Elektrode 105 bestimmt, da die untere Elektrode 215 sich jenseits der oberen Elektrode 105 in einer x-y Ebene in dem dargestellten Koordinatensystem erstreckt.
Mathematisch kann die laterale Form des elektrischen Feldes in der aktiven Region 235 als eine Fourier-Überlagerung von ebenen Wellen repräsentiert werden, die mit unterschiedlichen Winkeln mit Bezug auf obere oder untere Grenzflächen der piezoelektrischen Schicht 230 in FBAR 100 propagieren. Es sollte betont werden, dass dies rein ein mathematisches Konzept ist, da hier keine physikalischen elektrischen Feldwellen sind, die in der Struktur propagieren (anders als mit propagierenden akustischen Wellen assoziiert). In anderen Worten ist das räumliche Spektrum des elektrischen Feldes mittels einer Fourier-Transformation auf einem elektrischen Feldprofil gegeben.
Jede räumliche spektrale Komponente des elektrischen Feldes regt eine akustische ebene Welle an, die mit dem gleichen Winkel mit Bezug auf die oberen oder unteren Grenzflächen der piezoelektrischen Schicht 230 propagieren. Ungleich dem elektrischen Feld, welches vertikal mittels der Anwesenheit der unteren und oberen Elektroden 215 und 105 beschränkt ist, können die angeregten akustischen Wellen vertikal durch alle der Schichten des FBAR hindurch propagieren. Jedoch mögen im Allgemeinen die elektrisch angeregten akustischen ebenen Wellen nicht frei jenseits der aktiven Region 235 des FBAR 100 aufgrund einer destruktiven Interferenz von diesen akustischen ebenen Wellen auf der Reflektion von den Grenzflächen propagieren.
Die nicht-propagierenden Wellen in der aktiven Region 235 bilden ein Set von kontinuierlichen Moden. Die kontinuierlichen Moden zerfallen exponentiell in einer Richtung weg von einer Anregungsregion, die mittels einer Überlappung der oberen Elektrode 105 und der piezoelektrischen Schicht 230 definiert ist. Jedoch interferieren für manche räumlichen spektralen Komponenten des elektrischen Feldes die angeregten akustischen Wellen konstruktiv bei Reflektionen aus den Grenzflächen des Schichtstapels, der den FBAR 100 aufweist. Diese akustischen ebenen Wellen können frei in der lateralen Richtung (x-z Ebene) hinweg von der aktiven Region 235 propagieren und werden als propagierende Eigenmoden des FBAR 100 bezeichnet. Falls diese propagierenden Eigenmoden nicht in der aktiven Region 235 beschränkt oder unterdrückt sind, resultieren schädliche Verluste der Energie. Dieser Verlust der Energie ist zum Beispiel mittels eines reduzierten Q-Faktors in dem FBAR 100 manifestiert.
Die Fourier-Überlagerung der ebenen Wellen, die unter der oberen Elektrode 105 angeregt werden, können mathematisch als eine Überlagerung der Beiträge von komplexen Polen repräsentiert werden, die zu propagierenden und evaneszenten Eigenmoden für einen gegebenen Stapel korrespondieren. Die evaneszenten Eigenmoden können im Allgemeinen nicht in den Stapel propagieren und zerfallen exponentiell ab dem Punkt der Anregung. Solch eine Auflösung kann im Allgemeinen für jedes gezwungene System durchgeführt werden, wo das Zwingen entweder durch elektrische Anregung (ähnlich zu unter der oberen Elektrode 105) oder durch mechanische Anregung passiert. Die mechanische Anregung tritt zum Beispiel an einer Grenzfläche zwischen zwei Regionen (zum Beispiel einer Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220) auf, wo eine Region eine bekannte zwingende Bewegung zeigt, während die andere Region passiv ist und beide Regionen durch die Kontinuität der Belastung hindurch und der Teilchengeschwindigkeiten an der Grenzfläche zwischen ihnen gekoppelt sind.
In dem FBAR 100 wird eine Bewegung in der aktiven Region 235 elektrisch angeregt, während eine Bewegung in der np Schicht 220 mechanisch angeregt wird und aus einer Grenzbedingung an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 resultiert. Die piezoelektrische Schicht 230 und die np Schicht 220 sind aus der gleichen Substanz hergestellt, um für diese Schichten im Wesentlichen elastisch identisch zu sein. Entsprechend werden ihre korrespondierenden Sets von propagierenden Eigenmoden und evaneszenten Eigenmoden auch im Wesentlichen identisch sein. Als eine Folge davon wird jede propagierende Eigenmode, die in der piezoelektrischen Schicht 230 innerhalb der aktiven Region 235 angeregt wird, eine korrespondierende propagierende Eigenmode einer im Wesentlichen gleichen Amplitude in der np Schicht 220 anregen. In ähnlicher Weise wird jede evaneszente Eigenmode, die mittels des elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht 230 in der aktiven Region 235 angeregt wird, eine korrespondierende evaneszente Mode einer im Wesentlichen gleichen Amplitude in der np Schicht 220 anregen.
Es gibt einen signifikanten Unterschied in den modularen Profilen zwischen den propagierenden und evaneszenten Eigenmoden in der lateralen Richtung (x-Richtung in 2). Das modale Profil ist definiert als eine komplexe Amplitude einer Teilchenauslenkung als eine Funktion der lateralen Richtung und einer vertikalen Richtung (y-Richtung in 2). Die propagierenden Moden haben eine Form einer räumlich periodischen Funktion sowohl in der aktiven Region 235 als auch in der np Schicht 220 außerhalb der aktiven Region 235. Im Gegensatz dazu haben die evaneszenten Moden ein konstantes Profil (das heißt die Auslenkungsamplitude hängt nicht von der x-Richtung ab) in der aktiven Region 235 und sie zerfallen exponentiell in der Richtung weg von der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220.
Für typische elektrische Anregungen enthält die evaneszente Eigenmode niedrigster Ordnung einen wesentlichen Anteil (das heißt ungefähr 50%) der elastischen Energie, im Vergleich zu der Energie, die in den anderen evaneszenten Eigenmoden höherer Ordnungen und in den propagierenden Eigenmoden beschränkt ist. Jedoch hängt diese Partitionierung der Energie zwischen den verschiedenen Eigenmoden von der Frequenz der Anregung und der Dicke und den Materialien der Schichten in dem FBAR 100 ab.
In bestimmten illustrativen Ausführungsbeispielen wird die Breite der Überlappung 240 gewählt, um größer als oder gleich zu der Inversen der Dämpfungskonstanten (1/k) der evaneszenten Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 220 zu sein. Als solches wird die evaneszente Mode niedrigster Ordnung an einer akustischen Impedanzdiskontinuität, die mittels einer Kante 245 der oberen Elektrode 105 definiert ist, ausreichend zerfallen sein, um einen Energieverlust aufgrund von Streuung an dieser Grenzfläche zu verhindern.
Die propagierenden Eigenmoden der np Schicht 220 werden mechanisch an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und np Schicht 220 angeregt und sie pflanzen sich in Richtung der Kante 245 der oberen Elektrode 105 fort. Die Kante 245 bietet eine vergleichbar große akustische Impedanzdiskontinuität für die propagierende Eigenmode, und bewirkt somit ein Streuen und eine Reflektion dieser Eigenmode zurück in Richtung der aktiven Region 235. Diese Rückwärts propagierende Eigenmode wird mit der propagierenden Mode interferieren, die an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 angeregt wird. Abhängig von der Phase bei der Reflektion und der Breite der Überlappung 240 kann die Interferenz der propagierenden Eigenmode, die an der Kante 245 reflektiert wird, mit der propagierenden Eigenmode, die an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 angeregt wird, entweder konstruktiv oder destruktiv sein. Es ist nützlich, die propagierende Modenamplitude zu unterdrücken, um die Menge der Energie zu reduzieren, die möglicherweise an die propagierenden Eigenmoden jenseits der Kante 245 verloren werden kann. Die existierenden Moden jenseits der Kante 245 beinhalten sowohl reine Propagationsscher- und Biegemoden als auch eine komplexe evaneszente Dickendehnungsmode.
Die propagierenden Eigenmoden der np Schicht 220 pflanzen sich auch von der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 in Richtung der Luftbrücke 120 fort. Die Luftbrücke 120 entkoppelt teilweise diese propagierenden Eigenmoden aus einer Region außerhalb des FBAR 100, was die Menge der akustischen Energie, die aufgrund dieser Moden verloren wird, reduzieren kann. Dieses Entkoppeln kann aufgrund der Reflektion der propagierenden Eigenmode an der Kante der Luftbrücke 120 passieren, analog zu der Reflektion der propagierenden Eigenmode an der Kante 245 der oberen Elektrode 105, die oben beschrieben ist.
Die obere Beschreibung ist eine Einzel-Anregung-Punkt-Näherung (zum Beispiel an der Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220) an den kompletten Fall des propagierenden Eigenmodenanregungsproblems und ist gegeben, um eine Grundbeurteilung für die Effekte zu erleichtern, die aus der Welleneigenschaft des Falls entspringen, der hier betrachtet wird. Wie oben erwähnt, werden die propagierenden Eigenmoden kontinuierlich in der gesamten aktiven Region 235 angeregt und bilden als solche ein Beugungsmuster in der np Schicht 220. Dieses Beugungsmuster ist ferner mittels der Gegenwart einer großen akustischen Impedanzdiskontinuität an der Kante 245 und an der Kante der Luftbrücke 120 kompliziert.
Typischerweise wird eine numerische Analyse benötigt, um das Beugungsmuster zu berechnen und zu analysieren, das in dem FBAR 100 gebildet wird, der die piezoelektrische Schicht 230, die np Schicht 220, die Kante 245 und die Luftbrücke 120 aufweist. Wie ausführlicher unten beschrieben wird, tritt eine verbesserte FBAR 100 Performanz (performance) auf, die aus einer Unterdrückung des Beugungsmuster in der np Schicht 220 resultiert, wenn die Breite der Überlappung 240 der oberen Elektrode 105 und der np Schicht 220 ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der propagierenden Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 220 ist. Um diesen Beugungseffekt zu pflegen, wird in bestimmten Ausführungsbeispielen die Breite der Überlappung 240 der oberen Elektrode 105 und der np Schicht 220 ausgewählt, ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) der Viertel-Wellenlänge (λ/4) der propagierenden Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 220 zu sein. Weil ein signifikanter Anteil der Energie der propagierenden Eigenmoden in der np Schicht 220 in der ersten Ordnung propagierende Eigenmode gefunden wird, kann die größte Menge der modalen Unterdrückung mittels Pflegens der Beugungsunterdrückung dieser Mode in der np Schicht 220 erreicht werden. In bestimmten Ausführungsbeispielen wird die größte parallele Impedanz (Rp) und das höchste Q mittels Auswählens der Breite der Überlappung 240 der oberen Elektrode 105 erreicht und die np Schicht 220 wird ausgewählt, ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) der Viertelwellenlänge (λ/4) der propagierenden Eigenmode niedrigster Ordnung in der np Schicht 220 zu sein.
3A und 3B sind Querschnittsansichten, die die Verwendung eines np Materials illustrieren, um einen Verlust von akustischer Energie in dem FBAR 100 von 2 zu verhindern. Für eine Einfachheit der Illustration zeigen die 3A und 3B den FBAR 100 ohne die Luftbrücke 120. Dies ist beabsichtigt, um die Effekte des np Materials unabhängig von der Luftbrücke 120 zu illustrieren.
Mit Bezug auf die 3A und 3B illustriert eine erste Kurve 305 evaneszente Eigenmoden und eine zweite Kurve 310 illustriert propagierende Eigenmoden. Die evaneszenten Moden haben ein konstantes Profil in der aktiven Region 235 und sie zerfallen exponentiell an den Grenzen der aktiven Region 235. Im Gegensatz haben die propagierenden Eigenmoden ein räumlich periodisches Profil sowohl innerhalb als auch außerhalb der aktiven Region 235. Jenseits der Kante der oberen Elektrode 105 kann nur eine komplexe evaneszente Version einer dicken Ausdehnungsmode (elektrisch angeregt unter der oberer Elektrode 105) existieren. Die komplexe evaneszente Mode ist im Allgemeinen mittels sowohl von Null verschiedener Real- als auch Imaginärteile der Propagationskonstante charakterisiert. Jedoch gibt es andere reine Propagationsmoden namentlich solche Scherrmoden und Beugemoden, die in der Region jenseits der oberen Elektrode 105 existieren können.
Die evaneszenten Eigenmoden und die propagierenden Eigenmoden tendieren beide an Impedanzdiskontinuitäten in dem FBAR 100 zu streuen. Zum Beispiel gibt es in den 3A und 3B Impedanzdiskontinuitäten an einer linken Grenze der oberen Elektrode 105 und einer rechten Grenze der Kavität 210.
In dem Beispiel von 3A erstreckt sich die aktive Region 235 den ganzen Weg zu den Impedanzdiskontinuitäten, daher tendieren die evaneszenten Eigenmoden an den Diskontinuitäten zu streuen, wie mittels zwei Pfeilen illustriert ist, die mit 315 bezeichnet sind. Dieses Streuen kann jedoch mittels Bildens der np Schicht 220 angrenzend an die piezoelektrische Schicht 230 reduziert werden, wie in 3B illustriert ist.
In dem Beispiel von 3B zerfallen die evaneszenten Eigenmoden exponentiell an den Grenzflächen zwischen der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220. Konsequenterweise sind diese Moden im Wesentlichen abwesend an den Impedanzdiskontinuitäten, die mittels der linken Grenze der oberen Elektrode 105 und der rechten Grenze der Kavität 210 definiert werden. Als ein Ergebnis ist die Streuung, die in 3A gezeigt wird, reduziert in dem Beispiel von 3B. Ferner ist in einem idealen Fall, vergleichbar zu 3B, das Beugungsmuster der propagierenden Mode derart, dass es perfekt unterdrückt wird und daher ist die Kurve 310, die in 3A vorliegend ist, in 3B abwesend.
4A und 4B sind Querschnittsansichten, die die Verwendung einer Luftbrücke illustrieren, um Verluste von akustischer Energie in dem FBAR von 2 zu verhindern. Für eine Einfachheit der Illustration zeigen die 4A und 4B den FBAR 100 ohne np Schicht 220. Dies ist beabsichtigt, um die Effekte der Luftbrücke 120 unabhängig von der np Schicht 220 zu illustrieren.
Mit Bezug auf die 4A und 4B repräsentieren eine innere Kurve 405, eine mittlere Kurve 410 und eine äußere Kurve 415 unterschiedliche Eigenmoden des FBAR 100. Genauer ausgedrückt repräsentiert die innere Kurve 405 Eigenmoden, die in einer inneren Region des FBAR 100 existieren, die mittlere Kurve 410 repräsentiert Eigenmoden in einer Region, die die Luftbrücke 120 beinhaltet und die äußere Kurve 415 repräsentiert Eigenmoden in einer äußeren Region des FBAR 100.
Mit Bezug auf die 4A haben in der Abwesenheit der Luftbrücke 120 die innere Kurve 405, die mittlere Kurve 410 und die äußere Kurve 415 im Wesentlichen die gleiche Form, was eine relativ starke Kopplung zwischen den Eigenmoden der inneren Region des FBAR 100 und der Eigenmoden der äußeren Region des FBAR 100 entlang der Verbindungsseite 115 andeutet, die in 1 gezeigt wird. Diese starke Kopplung erlaubt den propagierenden Eigenmoden der aktiven Region 235 ohne weiteres zu entfliehen, was einen Verlust von akustischer Energie verursacht.
Mit Bezug auf 4B verändert die Gegenwart der Luftbrücke 120 die Belastungsverteilung der Region, die die Luftbrücke 120 beinhaltet. Insbesondere kann die Luftbrücke 120 das Zentrum der Belastungsverteilung in diesem Bereich erniedrigen. Dies modifiziert die Eigenmoden der Region, die mittels der Luftbrücke 120 umgeben wird, wie mittels einer modifizierten Form der mittleren Kurve 410 in 4B illustriert wird. Die mittlere Kurve 410 korrespondiert zu einer komplexen evaneszenten Mode bei der Frequenz der Operation des FBARs, die exponentiell in der Richtung hinweg von einer Kante 420 der Luftbrücke 120 zerfällt. Währenddessen haben die inneren und äußeren Regionen des FBAR im Wesentlichen die gleichen propagierenden Eigenmoden sowohl in 4A als auch in 4B, wie mittels der inneren und äußeren Kurven 405 und 415 illustriert wird. Mittels Veränderns der Eigenmoden des FBAR 100 in dieser Art entkoppelt die Luftbrücke 120 die Eigenmoden der inneren Region des FBAR 100 von den Eigenmoden in der äußeren Region des FBAR 100. Im Allgemeinen hängt eine optimale Breite der Luftbrücke 120 ab von der Reflektion der Eigenmoden an der Kante 420, welche die Grenze der aktiven Region 235 (auch hierin als FBAR-Region bezeichnet) ist, und einer Entkopplungsregion 260. Aufgrund der kleineren Dicken der Schichten in der Entkopplungsregion 260 können nur komplexe evaneszente Moden für die Dickenausdehnungsbewegung bei der Operationsfrequenz des FBAR 100 existieren. Diese komplexen evaneszenten Moden sind mittels einer charakteristischen Zerfallslänge und einer spezifischen Propagationskonstante charakterisiert.
Die Luftbrücke 120 sollte ausgedehnt genug sein, um einen geeigneten Zerfall der komplexen evaneszenten Wellen zu sichern, die an der Grenze zwischen der FBAR-Region und der Entkopplungsregion angeregt werden. Ausgedehnte Brücken tendieren das Tunneln der Energie in die Feldregion zu minimieren, wo propagierende Moden bei einer Frequenz der Operation existieren, die mittels der äußeren Kurve 415 illustriert ist. Andererseits, falls die Luftbrücke 120 zu ausgedehnt ist, kann das elektrische Feld die Effektivität der elektromechanischen Kopplung des Resonators reduzieren und Zuverlässigkeitsprobleme können entspringen. Beide Faktoren können die Platzierung von ähnlichen FBARs (nicht gezeigt) von einem Platziert werden in großer Nähe limitieren, und somit unnötigerweise die gesamten Fläche eines Chips vergrößern.
In praktischen Situationen kann die propagierende Komponente der komplexen evaneszenten Welle verwendet werden, um die optimale Breite der Luftbrücke 120 zu finden. Im Allgemeinen kann, wo die Breite der Luftbrücke 120 gleich zu einem ganzzahligen Vielfachen der Viertel-Wellenlänge der komplexen evaneszenten Welle ist, die Reflektivität der Eigenmoden weiter vergrößert werden, was mittels Rp und Q manifestiert werden kann, die maximale Werte erzielen. Typischerweise können abhängig von den Details des Anregungsmechanismus andere propagierende Moden der Entkopplungsregion 260, wie zum Beispiel Scherrmoden und Biegemoden, Rp und Q beeinflussen. Die Breite der Luftbrücke 120 kann in Anbetracht dieser anderen propagierenden Moden modifiziert werden. Solch eine optimale Breite der Luftbrücke 120 kann experimentell bestimmt werden.
5 ist eine Querschnittsansicht des FBAR von 2 mit Illustrationen der enthaltenen akustischen Energie. Wie mittels 5 illustriert, reduziert die Kombination der np Schicht 220 und der Luftbrücke 120 mehrere Formen des Energieverlusts in dem FBAR 100. Insbesondere reduziert sie einen Energieverlust aufgrund von Streuung von evaneszenten Eigenmoden an Impedanzdiskontinuitäten, wie mittels der ersten Kurve 305 illustriert und sie reduziert auch einen Energieverlust aufgrund von propagierenden Eigenmoden, wie mittels innerer, mittlerer und äußerer Kurven 405, 410 bzw. 415 illustriert.
Die 6A bis einschließlich 6C sind Querschnittsansichten von unterschiedlichen Variationen des FBAR von 2 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsbeispielen. Diese Variationen sind beabsichtigt, um zu illustrieren, dass die Geometrie und Positionierung von verschiedenen Merkmalen des FBAR 100 in verschiedenen Wegen modifiziert werden können, um unterschiedliche Designziele zu erreichen.
In der Variation, die in 6A gezeigt wird, ist die Luftbrücke 120 mittels einer Luftbrücke 120' ersetzt, die eine trapezförmige Form hat, und eine zusätzliche Brückenstruktur 120'' ist unterhalb der oberen Elektrode 105 gebildet. Zusätzlich ist die Kavität 210 mittels einer Kavität 210' ersetzt. Die schrägen Wände der Kavität 210' reflektieren näher die Form, die wirklich während der Herstellung gebildet wird. Die schrägen Wände der Luftbrücke 120' können nützlich für die Qualität der Schichten sein, die über diesen Merkmalen gebildet werden. Die Luftbrücke 120' kann Dimensionen und Überlappungseigenschaften ähnlich zu denen haben, die oben mit Bezug auf 2 diskutiert werden. Die zusätzliche Brückenstruktur 120'' hat die Form näherungsweise einer Hälfte der Luftbrücke 120' und sie bildet eine flügelartige Form (siehe die oben verwiesen U.S. Patentanmeldung Nr. 2010/0327994 von Choy et al.) in der oberen Elektrode 105. Die piezoelektrische Schicht 230 ist zwischen der Luftbrücke 120' und der zusätzlicher Brückenstruktur 120'' zentriert.
In der Variation, die in 6B gezeigt wird, sind die Luftbrücke 120' und die zusätzliche Brückenstruktur 120'' beide repositioniert, so dass sie unterhalb der np Schicht 220 lokalisiert sind. In dieser Konfiguration können die Dimensionen und die Überlappungseigenschaften der Luftbrücke 120' ähnlich zu denen in 6A sein. Zusätzlich ist die piezoelektrische Schicht 230 zwischen der Luftbrücke 120' und der zusätzlichen Brückenstruktur 120'' zentriert.
In der Variation, die in 6C gezeigt wird, sind zwei Luftbrücken 120' oberhalb und unterhalb der np Schicht 220 auf einer rechten Seite der piezoelektrischen Schicht 230 gebildet und zwei zusätzliche Brückenstrukturen 120'' sind oberhalb und unterhalb der np Schicht 220 auf der rechten Seite der piezoelektrischen Schicht 230 gebildet. Die Verwendung von mehreren Luftbrücken kann ferner die propagierenden Eigenmoden einer aktiven Region von einer äußeren Region entkoppeln. Zusätzlich ist die piezoelektrische Schicht 230 zwischen den Luftbrücken 120' und den zusätzlichen Brückenstrukturen 120'' zentriert.
7 ist ein Ablaufschema, welches ein Verfahren zum Bilden eines FBAR in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert. Für den Komfort eines Erklärens wird das Verfahren von 7 mit Bezug auf FBAR 100 von 2 beschrieben. Jedoch ist das Verfahren nicht auf ein Bilden eines FBAR mit der Konfiguration von 2 limitiert. In der Beschreibung die folgt, sind Beispielsverfahrensschritte mittels runden Klammern angedeutet.
Mit Bezug auf 7 beginnt das Verfahren mittels Ätzens eines Substrats 205, um eine Kavität 210 (705) zu bilden. In einem typischen Beispiel weist das Substrat 205 Silizium auf und die Kavität 210 wird mittels konventionalen Ätztechniken gebildet.
Als Nächstes wird eine Opferschicht in der Kavität 210 gebildet (710). Die Opferschicht wird nachfolgend entfernt, um einen Luftspalt in der Kavität 210 zu bilden. Der Luftspalt kann als ein akustischer Reflektor agieren, um zu verhindern, dass akustische Energie mittels des Substrats 205 absorbiert wird. Als eine Alternative zu der Kavität 210 kann eine andere Art eines akustischen Reflektors in oder auf dem Substrat 205 gebildet werden, wie zum Beispiel ein verteilter Bragg-Reflektor.
Nachdem die Opferschicht in der Kavität 210 gebildet wird, wird die untere Elektrode 215 über dem Substrat 205 gebildet (715). Zusätzlich wird eine Planarisierungsschicht 225 auch über dem Substrat 205 gebildet (720).
Nachdem die untere Elektrode 215 und die Planarisierungsschicht 225 gebildet werden, wird die piezoelektrische Schicht 230 und die np Schicht 220 über der unteren Elektrode 215 und der Planarisierungsschicht 225 gebildet (725). Das Bilden der piezoelektrischen Schicht 230 und der np Schicht 220 kann zum Beispiel mittels eines Verfahrens erhalten werden, das in 8 oder 9 illustriert ist, wie nachstehend beschrieben wird.
Nachdem die piezoelektrische Schicht 230 und die np Schicht 220 gebildet werden, wird eine Opferschicht auf der np Schicht 220 abgelagert, um die Luftbrücke 120 zu definieren (730). Danach wird die obere Elektrode 105 über der piezoelektrischen Schicht 230, der np Schicht 220 und der Opferschicht, die die Luftbrücke 120 definiert, gebildet (735). Abschließend werden die Opferschicht der Luftbrücke 120 und die Opferschicht der Kavität 210 entfernt, um den FBAR 100 zu vollenden (740).
8 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Bilden einer piezoelektrischen Schicht und einer np Schicht auf einer Elektrode in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert. Das Verfahren von 8 kann zum Beispiel in Schritt 725 von 7 durchgeführt werden. Für Komfort einer Erklärung wird das Verfahren von 8 mit Bezug auf FBAR 100 von 2 beschrieben. Jedoch ist das Verfahren nicht auf ein Bilden eines FBAR mit der Konfiguration von 2 limitiert.
Mit Bezug auf 8 beginnt das Verfahren mittels Bildens einer Ätzstoppschicht (zum Beispiel AlN, nicht gezeigt) über der unteren Elektrode 215, um sie vor einem Geätzt werden in den nachfolgenden Prozessen zu schützen (805). Danach wird eine zerreißende Keimschicht (disruptive seed layer) (nicht gezeigt) über der unteren Elektrode 215 und der Planarisierungsschicht 225 gebildet (810). Für AlN kann die zerreißende Keimschicht ein Oxid (zum Beispiel Karbon-dotiertes Oxid (CDO) oder Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumcarbid (SiC)) sein. Die zerreißende Keimschicht kann relativ dünn mit einem Dicken Bereich zwischen ungefähr 50 Å und ungefähr 500 Å sein. Wie unten beschrieben, pflegt die zerreißende Keimschicht die Fabrikation der np Schicht 220, die ein amorphes oder polykristallines Material aufweist, das wenige oder keine piezoelektrische Effekte aufgrund eines Kristallwachstums in einer Vielzahl von Richtungen zeigt. Für andere piezoelektrische Materialien (zum Beispiel ZnO) kann ein Entfernen der Keimschicht, welche typischerweise bereitgestellt wird, um die Qualität des nachfolgend gewachsenen piezoelektrischen Materials zu verbessern, notwendig sein, um ein desorientiertes Wachstum zu pflegen.
Als Nächstes wird die zerreißende Keimschicht Foto strukturiert und außer in Regionen oberhalb der unteren Elektrode 215 entfernt, wo die np Schicht 220 erwünscht gewachsen wird (815). Als nächstes werden ausgesetzte Anteile der Ätzstopschicht mittels eines bekannten Verfahrens entfernt (820). Danach wird ein für die piezoelektrische Schicht 230 nutzbares Material über der ausgesetzten unteren Elektrode 215 und der zerreißenden Keimschicht (825) gewachsen. In den Regionen über der ersten Elektrode resultiert das Wachstum in hoch-strukturierten C-Achsen piezoelektrischen Materials, wie zum Beispiel AlN oder ZnO. Jedoch wird in Regionen über der zerreißenden Keimschicht Material der gleichen Substanz wie die piezoelektrischen Schicht 230 gebildet, aber das Kristallwachstum wird absichtlich desorientiert und einen amorphe oder polykristalline Schicht bildet die np Schicht 220.
9 ist ein Ablaufschema, welches ein anderes Verfahren zum Bilden einer piezoelektrischen Schicht und einer np Schicht auf einer Elektrode in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel illustriert.
Wie das Verfahren von 8 kann das Verfahren von 9 zum Beispiel auch in Schritt 725 von 7 durchgeführt werden. Für einen Komfort einer Erklärung wird das Verfahren von 9 mit Bezug auf den FBAR 100 von 2 beschrieben. Jedoch ist dieses Verfahren nicht auf ein Bilden eines FBAR mit der Konfiguration von 2 limitiert.
Mit Bezug auf 9 wird, nachdem die untere Elektrode 215 gebildet wird, eine Fabrikation eines hochstrukturierten C-Achsen-piezoelektrischen Materials (zum Beispiel AlN oder ZnO) eingeleitet (905). Nach einem Bilden einer anfänglichen piezoelektrischen Schicht, die eine Dicke hat, die einen Bruchteil der endgültigen Dicke der np Schicht 220 ist, wird das Wachstum unterbrochen (910) und eine Maske wird über dem Gebiet der piezoelektrischen Schicht gebildet, die bis dahin gewachsen ist, mit Ausnahme wo es erwünscht ist, dass eine np Schicht 220 wächst (915).
Die anfängliche Schichtdicke ist typischerweise ausgewählt, um in einem Bereich von 20% bis 80% der endgültigen Dicke der np Schicht 220 zu sein. Insbesondere, falls die anfängliche Schicht zu dünn ist, kann die nachfolgend gewachsene Schicht piezoelektrische Eigenschaften haben, welche nicht von der np Schicht 220 erwünscht sind. Im Gegensatz dazu, falls die anfängliche Schicht zu dick ist, können die piezoelektrischen Eigenschaften des bereits gewachsenen Materials die Eigenschaften der np Schicht 220 dominieren. Als solches wird die optimale anfängliche Schichtdicke experimentell bestimmt.
Als Nächstes wird ein Ionenimplantationsschritt ausgeführt, um die Kristallinität des Materials in der unmaskierten Region (das heißt wo die np Schicht 220 zu formen sein wird) (920) zu reduzieren oder zu zerstören. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Ionen, die für diesen Ionenimplantationsschritt verwendet werden, Sauerstoffionen, Argonionen, Borionen, Phosphorionen oder Wasserstoffionen sein. Die Ionenimplantation kann mittels bekannter Verfahren erreicht werden und sie kann mit einer einzelnen Energie und Dosis oder verschiedenen Energien und Dosen ausgeführt werden. Zum Beispiel können die Energie der Ionenimplantation in einem Bereich von ungefähr 150 keV bis ungefähr 450 keV sein, und die Dosen können zwischen ungefähr 1 × 10¹⁴/cm² bis ungefähr 1 × 10¹⁶/cm² sein.
Nachdem die Ionenimplantation abgeschlossen ist, wird die Maske entfernt und die Ablagerung des Materials setzt sich fort bis eine erwünschte Dicke erreicht wird (925). In den maskierten Regionen wird die piezoelektrische Schicht 230 gebildet und in den unmaskierten Regionen wird die np Schicht 220 gebildet. Insbesondere, weil eine zerreißende Keimschicht nicht bereitgestellt wird, haben die piezoelektrische Schicht 230 und die np Schicht 220 im Wesentlichen die gleiche Dicke und ihre oberen Oberflächen (über welchen die obere Elektrode 105 gebildet wird) sind im Wesentlichen coplanar.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die np Schicht 220 eine Dicke haben, die im Wesentlichen identisch zu der der piezoelektrischen Schicht 230 ist oder, aufgrund der hinzugefügten zerreißenden Keimschicht, leicht größer in der Dicke ist. Wie oben bemerkt, zeigt die np Schicht 220 wenige oder keine piezoelektrischen Effekte. In bestimmten Ausführungsbeispielen hat die np Schicht 220 einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e_33np), der geringer als der piezoelektrische Kopplungseffekt (e_33p) der piezoelektrischen Schicht ist. Illustrativ liegt e_33np in einem Bereich von ungefähr 0,01 e_33p bis ungefähr 0,8 e_33p. Wie oben beschrieben, sichert ein verhältnismäßig geringes e_33np einen nützlichen Zerfall der evaneszenten Eigenmode in der np Schicht 220, eine verbesserte Propagationseigenmodebeschränkung in der aktiven Region 235 und eine verbesserte Performanz (zum Beispiel Q-Faktor) von FBAR 100.
10 ist ein Diagramm, das den gemessenen Q-Faktor eines FBAR illustriert, so wie zum Beispiel der, der in 2 illustriert ist (Kurve 1005). Für Vergleichszwecke zeigt 10 auch Q-Faktoren des FBAR ohne die Luftbrücke aber mit der np Schicht 220 (Kurve 1010) und ohne der Luftbrücke und der nicht-piezoelektrischen Schicht (Kurve 1015). Wie mittels Kurve 1005 angedeutet, hat der FBAR, der die Luftbrücke und die np Schicht beinhaltet, einen signifikant verbesserten Q-Faktor in einem Frequenzbereich von Interesse um 2 GHz.

Claims

Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator (100), welcher aufweist: eine erste Elektrode (215), die auf einem Substrat (205) gebildet ist, eine piezoelektrische Schicht (230), die auf der ersten Elektrode (215) gebildet ist, eine zweite Elektrode (105), die auf der piezoelektrischen Schicht (230) gebildet ist, eine nicht-piezoelektrische Schicht (220), die auf der ersten Elektrode (215) und angrenzend an der piezoelektrischen Schicht (230) gebildet ist, und eine Brücke (120), die zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105) gebildet ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Brücke eine Luftbrücke (120) ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Brücke (120) eine Kavität aufweist, die mit einem dielektrischen Material oder einem Metall gefüllt ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die nicht-piezoelektrische Schicht (220) polykristallin ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Schicht (230) ein Material aufweist und die nicht-piezoelektrische Schicht (220) eine nicht-kristalline Form des Materials ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß Anspruch 5, wobei das Material Aluminiumnitrid ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher ferner einen akustischen Reflektor (210) aufweist, der unterhalb der ersten Elektrode (215) angeordnet ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß Anspruch 7, wobei der akustische Reflektor eine Kavität (210) aufweist und die Brücke (120) die Kavität (210) in einer lateralen Richtung des BAW-Resonators (100) überlappt.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die piezoelektrische Schicht (230) einen ersten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e₃₃) hat und die nicht-piezoelektrische Schicht (220) einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat, der geringer oder gleich zu 80% des ersten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Brücke (120) auf mehreren Seiten einer BAW-Resonatorstruktur gebildet ist, die in einer apodisierten Fünfeckform gebildet ist.
Der BAW Resonator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Brücke (120) eine trapezförmige Form hat.
Ein Verfahren zum Bilden eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators (100), welches aufweist: Bilden (705) eines akustischen Reflektors (210) in einem Substrat (205), Bilden (715) einer ersten Elektrode (215) auf dem Substrat (205) über dem akustischen Reflektor (210), Bilden (725) einer piezoelektrischen Schicht (230) und einer nicht-piezoelektrischen Schicht (220) angrenzend aneinander auf der ersten Elektrode (215), Bilden (735) einer zweiten Elektrode (105) über der piezoelektrischen Schicht (230) und der nicht-piezoelektrischen Schicht (220), und Bilden (710, 730) einer Schicht zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105), um eine Region für eine Brücke (120) zu definieren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Schicht, die zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105) gebildet ist, eine Opferschicht ist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Entfernen (740) der Opferschicht, um die Brücke als eine Luftbrücke (120) zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105) herzustellen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Schicht, die zwischen der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) und der ersten oder zweiten Elektrode (215, 105) gebildet wird, ein dielektrisches Material oder ein Metall aufweist, das als die Brücke (120) verwendet wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Bilden (725) der piezoelektrischen Schicht (230) und der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) angrenzend aneinander auf der ersten Elektrode (225) aufweist: Bilden (805) einer Ätzstoppschicht auf der ersten Elektrode (215), Bilden (810) einer zerreißenden Keimschicht über der ersten Elektrode (215), Entfernen (815) der zerreißenden Keimschicht außer in Regionen wo die nicht-piezoelektrische Schicht (220) zu bilden sein wird, Entfernen (820) der ausgesetzten Teile der Ätzstoppschicht, Ablagern (825) eines Materials, um die piezoelektrische Schicht (230) zu wachsen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Bilden (725) der piezoelektrischen Schicht (230) und der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) angrenzend aneinander auf der ersten Elektrode (215) aufweist: Ablagern (905) eines piezoelektrischen Materials auf der ersten Elektrode (215), Unterbrechen (910) eines Wachstums des piezoelektrischen Materials, Bilden (915) einer Ionenimplantationsmaske, die eine Region aussetzt, der zu der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) korrespondiert, Durchführen (920) der Ionenimplantation auf der ausgesetzten nicht-piezoelektrischen Schicht (220), und weiteres Ablagern (925) des Materials, um die piezoelektrische Schicht (230) und die nicht-piezoelektrische Schicht (220) zu wachsen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Brücke (120) den akustischen Reflektor in einer lateralen Richtung des BAW Resonators (100) überlappt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die piezoelektrische Schicht (230) und die nicht-piezoelektrische Schicht (220) Aluminiumnitrid aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die piezoelektrische Schicht (230) und die nicht-piezoelektrische Schicht (220) mit coplanaren oberen Oberflächen gebildet werden.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das Bilden (705) des akustischen Reflektors (210) in dem Substrat (205) aufweist ein Ablagern (710) einer Opferschicht in einer Kavität (210) des Substrats (205), und anschließendes Entfernen (740) der Opferschicht und wobei die Opferschicht, die in dem Substrat (205) abgelagert ist, das gleiche Material aufweist wie die Opferschicht, die auf der nicht-piezoelektrischen Schicht (220) gebildet wird, um die Region für die Luftbrücke (120) zu bilden.