DE102012213892B4

DE102012213892B4 - Bulk Acoustic Wave Resonator aufweisend eine innerhalb einer piezoelektrischen Schicht gebildeten Brücke

Info

Publication number: DE102012213892B4
Application number: DE102012213892.7A
Authority: DE
Inventors: Dariusz Burak; Phil Nikkel; Jyrki Kaitila; John D. Larson; Alexandre Shirakawa
Original assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: DE102012213892A8; US20120218060A1; DE102012213892A1; US9048812B2; KR20130018399A

Abstract

Eine Bulk Acoustic Wave, BAW, Resonator Struktur (100), aufweisendeine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist,eine piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist,eine zweite Elektrode (101), welche über der piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist, undeine Brücke (104, 104'), welche innerhalb der piezoelektrischen Schicht (108) verborgen ist, wobei die Brücke (104, 104') zumindest einen Teil eines Umfangs entlang einer aktiven Region (114) der BAW Resonator Struktur (100) definiert.

Description

Hintergrund der Erfindung
Umwandler oder Transducer konvertieren im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale. Insbesondere akustische Transducer konvertieren unter Verwendung des inversen oder des direkten piezoelektrischen Effekts elektrische Signale in akustische Wellen und akustische Wellen in elektrische Signale. Akustische Transducer enthalten im Allgemeinen akustische Resonatoren wie zum Beispiel Dünnfilm Bulk Acoustic Resonatoren (FBAR), Surface Acoustic Wave (SAW) Resonatoren oder Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonatoren und können in einer weiten Mannigfaltigkeit von elektronischen Anwendungen wie zum Beispiel in Mobilfunkgeräten, in Personal Digital Assistenten (PDAs), in elektronischen Spielvorrichtungen, in Notebook (Laptop) Computern und in anderen portablen Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel können FBARs in elektrischen Filtern und Spannungstransformatoren verwendet werden. Im Allgemeinen hat ein akustischer Resonator eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitfähigen Platten (Elektroden), welche auf einer dünnen Membran gebildet sein können. Insbesondere FBAR Vorrichtungen generieren (a) akustische Wellen, die in alle möglichen lateralen Richtungen propagieren können, wenn sie von einem angelegten zeitabhängigen elektrischen Feld stimuliert werden, genauso wie (b) harmonische Mischprodukte von höherer Ordnung. Die lateral propagierenden Moden und die harmonischen Mischprodukte von höherer Ordnung können einen schädlichen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit haben.
Auf der FBAR Technologie basierende Filter ermöglichen aufgrund des vergleichsweise hohen Gütefaktors (Q-Faktor) von FBAR Vorrichtungen eine vergleichbar geringe In-Band Einfügungsdämpfung (in-band insertion loss). FBAR basierte Filter werden oft in zellulären oder Mobilfunktelephonen verwendet, die in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten können. In solchen Vorrichtungen ist es wichtig, dass ein Filter, der dafür vorgesehen ist, ein bestimmtes Frequenzband („Passband“) passieren zu lassen, ein hohes Maß an Dämpfung bei anderen naheliegenden Frequenzbändern hat, welche Signale enthalten, die unterdrückt (rejected) werden sollten. Speziell kann es eine oder mehrere Frequenzen oder Frequenzbänder nahe des Passbandes geben, welche Signale mit relativ hohen Amplituden enthalten, die von dem Filter unterdrückt werden sollen. In solchen Fällen wäre es vorteilhaft, wenn es möglich wäre, die Unterdrückungscharakteristiken (rejection characteristics) des Filters bei solchen bestimmten Frequenzen oder Frequenzbändern zu erhöhen, auch wenn die Unterdrückung bei anderen Frequenzen oder Frequenzbändern nicht das gleiche Maß an Unterdrückung erhält.
Andere Typen von Filtern basieren auf der FBAR Technologie einschließlich eines gestapelten Bulk Acoustic Resonators (Stacked Bulk Acoustic Resonator - SBAR), die auch als doppelte Bulk Acoustic Resonatoren (double bulk acoustic resonator - DBAR) bezeichnet werden, und gekoppelten Resonator Filtern (coupled resonator filter - CRF). Die DBAR enthalten zwei Schichten von piezoelektrischem Material zwischen drei Elektroden in einem einzigen Stapel, der eine einfach resonante Kavität bildet. Dies bedeutet, dass eine erste Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen einer ersten (unteren) Elektrode und einer zweiten (mittleren) Elektrode gebildet ist, und dass eine zweite Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen der zweiten (mittleren) Elektrode und einer dritten (unteren) Elektrode gebildet ist. Im Allgemeinen ermöglicht der DBAR eine Reduzierung der Fläche einer einzigen Bulk Acoustic Resonator Vorrichtung auf ungefähr die Hälfte.
Ein CRF weist eine Kopplungsstruktur auf, die zwischen zwei vertikal gestapelten FBAR angeordnet ist. Der CRF kombiniert die akustische Aktion von den beiden FBAR und stellt eine Bandpass Filter Transfer Funktion (bandpass filter transfer function) zur Verfügung. Für einen gegebenen akustischen Stapel hat der CRF zwei fundamentale Resonanzmoden von unterschiedlichen Frequenzen, eine symmetrische Mode und eine antisymmetrische Mode. Das Ausmaß des Unterschiedes in den Frequenzen der Moden hängt unter anderem von dem Ausmaß oder der Stärke der Kopplung zwischen den beiden FBAR des CRF ab. Wenn das Ausmaß der Kopplung zwischen den beiden FBAR zu groß ist (übergekoppelt), ist das Passband unakzeptabel breit, und es ergibt sich eine nicht akzeptierbare Absenkung (swag) oder ein nicht akzeptierbarer Dip in der Mitte des Passbands, genauso wie es eine anwesende nicht akzeptierbar hohe Einfügungsdämpfung in der Mitte des Passbands machen würde. Wenn das Ausmaß der Kopplung zwischen den FBAR zu klein ist (untergekoppelt), ist das Passband des CRF zu schmal.
Alle FBAR und auf FBAR basierende Filter haben eine aktive Region. Die aktive Region eines CRF, zum Beispiel, weist eine Region einer Überlappung des oberen FBAR, der Kopplungsstruktur und des unteren FBAR auf. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die akustische Energie einer bestimmten gewünschten Mode innerhalb der aktiven Region räumlich zu beschränken. Wie es von jemanden, der in der Technik eine gewöhnlich Begabung hat, eingesehen werden sollte, kann eine Reflexion von gewünschten Moden an den Grenzen der aktiven Region zu einer Modenkonversion in störende / unerwünschte Moden und zu einem Verlust von akustischer Energie über einen gewünschten Frequenzbereich (z.B. das Passband des CRF) führen.
In FBAR Vorrichtungen wurde eine Herabsetzung von akustischen Verlusten an den Grenzen und die resultierende (räumliche) Begrenzung der Moden auf die aktive Region des FBAR (die Region des Überlapps der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode) mittels verschiedener Methoden bewirkt. Insbesondere werden Rahmen entlang einer oder mehrerer Seiten des FBAR gebildet. Die Rahmen erzeugen eine Fehlanpassung der akustischen Impedanz, welche Verluste reduziert, indem gewünschte Moden zurück in den aktiven Bereich des Resonators reflektiert werden, so dass die Begrenzung von gewünschten Moden innerhalb der aktiven Region des FBAR verbessert wird.
Während die Einarbeitung (incorporation) von Rahmen zu einer verbesserten Modeneingrenzung und zu einer dazugehörigen Verbesserung des Q-Faktors von FBAR geführt hat, hat eine direkte Anwendung von bekannten Rahmenelementen nicht zu einer signifikanten Verbesserung der Modeneingrenzung und des Q-Faktors von herkömmlichen DBAR und CRF geführt. Eine bessere Eingrenzung der akustischen Energie genauso wie weitere Verbesserungen des Q-Faktors des FBAR aufgrund einer besseren Eingrenzung von akustischer Energie sind notwendig für eine erhöhte Effizienz von FBAR, DBAR und CRF.
Zusammenfassung
In Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform enthält eine Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonator Struktur eine erste Elektrode, welche über einem Substrat angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, welche über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Eine Brücke ist innerhalb der piezoelektrischen Schicht gebildet, wobei die Brücke von einem piezoelektrischen Material der piezoelektrischen Schicht umgeben ist.
In Übereinstimmung mit einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine BAW Resonator Struktur eine erste Elektrode, welche über einem Substrat angeordnet ist, eine erste piezoelektrische Schicht, welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, eine zweite Elektrode, welche über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, eine zweite piezoelektrische Schicht, welche über der zweiten Elektrode angeordnet ist, eine dritte Elektrode, welche über der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, und eine erste Brücke, welche innerhalb einer von der ersten piezoelektrischen Schicht und der zweiten piezoelektrischen Schicht verborgen ist.
In Übereinstimmung mit einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine BAW Resonator Struktur einen ersten BAW Resonator, eine akustische Kopplungsschicht und einen zweiten BAW Resonator. Der erste BAW Resonator enthält eine erste Elektrode, eine erste piezoelektrische Schicht, welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, welche über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste piezoelektrische Schicht eine erste Brücke enthält, die in der ersten piezoelektrischen Schicht gebildet ist. Die akustische Kopplungsschicht ist über der zweiten Elektrode des BAW Resonators angeordnet, wobei die akustische Kopplungsschicht konfiguriert ist, um Passband Charakteristiken der BAW Resonator Struktur zu bestimmen. Der zweite BAW Resonator enthält eine dritte Elektrode, welche über der akustischen Kopplungsschicht angeordnet ist, eine zweite piezoelektrische Schicht, welche über der dritten Elektrode angeordnet ist, und eine vierte Elektrode, welche über der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Eine erste Brücke ist innerhalb einer von der ersten piezoelektrischen Schicht des ersten BAW Resonators und von der zweiten piezoelektrischen Schicht des zweiten BAW Resonators verborgen.
Figurenliste
Die illustrativen Ausführungsformen werden am besten verstanden von der folgenden Beschreibung, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungsfiguren gelesen werden. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Tatsächlich können die Dimensionen zum Zwecke der Klarheit der Diskussion beliebig vergrößert oder verkleinert sein. Immer wenn es passend ist, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.

1A zeigt eine Draufsicht eines FBAR in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
1B ist eine Querschnittsansicht des FBAR von 1A, aufgenommen entlang der Linie 1B-1B, welcher in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform eine Brücke hat, die innerhalb einer piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
1C ist eine Querschnittsansicht eines FBAR in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform, welcher eine Brücke hat, die innerhalb einer piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
2A bis 2D sind Querschnittsansichten von DBAR, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils Brücken haben, die innerhalb zweier piezoelektrischer Schichten des DBAR angeordnet sind.
3A bis 3B sind Querschnittsansichten von DBAR, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils eine Brücke haben, die innerhalb einer piezoelektrischen Schicht des DBAR angeordnet ist.
4A bis 4B sind Querschnittsansichten von DBAR, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils eine Brücke haben, die innerhalb einer anderen piezoelektrischen Schicht des DBAR angeordnet ist.
5A bis 5D sind Querschnittsansichten von CRF, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils Brücken haben, die innerhalb zweier piezoelektrischen Schichten des CRF angeordnet sind.
6A bis 6B sind Querschnittsansichten von CRF, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils eine Brücke haben, die innerhalb einer piezoelektrischen Schicht des CRF angeordnet ist.
7A bis 7B sind Querschnittsansichten von CRF, welche in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform jeweils eine Brücke haben, die innerhalb einer anderen piezoelektrischen Schicht des CRF angeordnet ist.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Lehren beziehen sich allgemein auf BAW Resonator Strukturen, die FBAR aufweisen. In bestimmten Anwendungen stellen die BAW Resonator Strukturen FBAR basierte Filter (z.B. Filterketten (ladder filters)) bereit. Bestimmte Details von FBAR und BAW Resonatoren und Resonator Filtern, Materialien davon und deren Verfahren zum Herstellen, können in einer oder mehrerer folgenden gemeinsam besessenen US Patente und Patentanmeldungen gefunden werden: US Patent Nr. 6,107,721 von Lakin; US Patent Nummern 5,587,620, 5,873,153, 6,507,983, 6,384,697, 7,275,292 und 7,629,865 von Ruby et al.; US Patent Nr. 7,280,007 von Feng et al.; US Patentanmeldung Nr. 2007/0205850 von Jamneala et al.; US Patent Nr. 7,388,454 von Ruby et al.; US Patentanmeldung. Nr. 2010/0327697 von Choy et al. und US Patentanmeldung Nr. 2010/0327994 von Choy et al. Die Offenbarungen dieser Patente und Patentanmeldungen werden hiermit durch Inbezugnahme eingeschlossen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren zur Herstellung, welche in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind und andere Verfahren zur Herstellung und Materialien innerhalb des Bereiches von jemanden mit üblicher Begabung in Betracht gezogen werden.
Ausführungsformen aufweisend FBAR
1A zeigt eine Draufsicht von einem FBAR 100 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Der FBAR enthält eine obere Elektrode 101 (unten als zweite Elektrode 101 bezeichnet), die fünf Seiten hat, mit einer Verbindungsseite 102, welche konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zu einem Verbindungselement (interconnect) 103 bereit zu stellen. Das Verbindungselement 103 stellt elektrische Signale für die zweite Elektrode 101 bereit, um gewünschte akustische Wellen in einer piezoelektrischen Schicht (nicht gezeigt in 1A) des FBAR 100 anzuregen.
1B zeigt eine Querschnittsansicht des FBAR 100 von 1A, aufgenommen entlang der Linie 1B-1B, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Der FBAR 100 enthält mehrere Schichten, die über einem Substrat 105 gestapelt sind, welches eine Kavität 106 hat. Die Einlagerung (inclusion) einer Kavität 106 zur Reflexion von akustischen Wellen in dem FBAR 100 ist lediglich illustrativ. In verschiedenen alternativen Konfigurationen kann ein bekannter akustischer Reflektor (z. B. ein Bragg Spiegel (nicht gezeigt)), der alternierende Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, in dem Substrat 105 bereitgestellt werden, um eine akustische Isolierung anstelle der Kavität 106 bereit zu stellen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Eine erste (untere) Elektrode 107 ist über dem Substrat 105 und teilweise über der Kavität 106 (oder Bragg Spiegel) angeordnet. Eine Planarisierungsschicht 107' ist ebenso über dem Substrat bereitgestellt, wie dargestellt. In einer repräsentativen Ausführungsform enthält die Planarisierungsschicht 107' zum Beispiel nicht ätzbares Borosilikat Glas (NEBSG). Im Allgemeinen muss die Planarisierungsschicht 107' nicht in der Struktur vorhanden sein (da sie die insgesamten Prozessierungskosten erhöht), wenn sie aber vorhanden ist, dann kann sie die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten verbessern und deren Prozessierung vereinfachen. Eine piezoelektrische Schicht 108 ist über der ersten Elektrode 107 angeordnet, und die zweite (obere) Elektrode 101 ist über der piezoelektrischen Schicht 107 angeordnet. Wie von jemandem mit durchschnittlicher Kenntnis in der Technik eingesehen werden sollte, ist die Struktur, die von der ersten Elektrode 107, der piezoelektrischen Schicht 108 und der zweiten Elektrode 101 bereitgestellt wird, ein Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonator. Wenn der BAW Resonator über einer Kavität angeordnet ist, ist sie ein sog. FBAR (z.B. FBAR 100), und wenn der BAW Resonator über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg Spiegel) angeordnet ist, dann ist sie ein sog. fest aufgebauter Resonator (solidly mounted resonator - SMR). Die vorliegenden Lehren sehen die Verwendung von entweder FBAR oder SMR in einer Vielfalt von Anwendungen, einschließlich Filter (z.B. Filterketten, die eine Mehrzahl von BAW Resonatoren aufweisen) vor.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Brücke 104 innerhalb der piezoelektrischen Schicht 108 verborgen, was bedeutet, dass die Brücke 104 von dem piezoelektrischen Material von der piezoelektrischen Schicht 108 umgeben ist. Die Brücke 104 ist entlang aller Seiten des FBAR 100 (d.h. entlang eines Umfangs des FBAR 100) angeordnet. Zum Beispiel hat in einer repräsentativen Ausführungsform die Brücke 104 (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) eine trapezförmige Querschnittsform. Es wird betont, dass die trapezförmige Querschnittsform der Brücke der repräsentativen Ausführungsform lediglich illustrativ ist und dass die Brücken nicht auf eine trapezförmige Querschnittsform beschränkt sind. Zum Beispiel könnte die Querschnittsform der Brücken der repräsentativen Ausführungsformen quadratisch oder rechteckig oder von einer unregelmäßigen Form sein. Die „geneigten“ Wände der Brücke 104 (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) sind vorteilhaft für die Qualität der Schichten (z.B. die Schicht der kristallinen piezoelektrischen Schicht(en)), die über der Brücke 104 (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) gewachsen sind. Typische Dimensionen der Brücke 104 (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) sind ungefähr 2,0 µm (= 2,0 · 10^-6 m) bis ungefähr 10,0 µm in der Breite (x-Richtung des Koordinatensystems, welches in 1B gezeigt ist) und ungefähr 150 A (150 Angström = 150 · 10^-10 m) bis ungefähr 3000 A in der der Höhe (y-Richtung des Koordinatensystems, welches in 1B gezeigt ist).
In bestimmten Ausführungsformen erstreckt sich die Brücke (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) über die Kavität 106 (dargestellt als Überlapp 113 in 1B). Der Überlapp 113 oder die Überlappung 113 (auch als Entkopplungsregion bezeichnet) hat eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 0,0 µm (d.h. kein Überlapp mit der Kavität 106) bis ungefähr 10,0 µm. Im Allgemeinen hängt die optimale Breite der Brücke 104 (und anderer Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) von der Reflexion der Eigenmoden an der Grenze von einer aktiven Region 114 (hier auch als FBAR Region bezeichnet) und einer Entkopplungsregion (decoupling region) (d.h. der Überlapp 113) ab. Aufgrund der kleineren Dicke der Schichten in der Entkopplungsregion 113 können bei der Betriebsfrequenz des FBAR 100 nur komplexe nicht ausbreitungsfähige (evanescent) Moden für die Dickenausdehnungsbewegung (thickness-extensional motion) existieren. Diese komplexen nicht ausbreitungsfähigen Moden zeichnen sich durch eine charakteristische Abklinglänge und durch eine spezifische Propagationskonstante aus. Die Brücke 104 muss breit genug sein, um ein geeignetes Abklingen von komplexen nicht ausbreitungsfähigen Wellen, die an der Grenze der FBAR Region 114 und der Entkopplungsregion angeregt sind, sicher zu stellen. Breite Brücken minimieren ein Tunneln von Energie in eine Feldregion 115, wo propagierende Moden bei der Betriebsfrequenz existieren. Auf der anderen Seite, wenn die Brücke 100 zu breit ist, können Funktionsfähigkeitsprobleme entstehen und die Platzierung von ähnlichen FBAR (nicht dargestellt), die in der Nähe platziert werden sollen, kann beschränkt werden (so dass auf unnötige Weise die gesamte Fläche eines Chips vergrößert wird). In praktischen Situationen kann die Propagierungskomponente der komplexen nicht ausbreitungsfähigen Welle verwendet werden, um eine optimale Breite der Brücke 104 zu finden. Im Allgemeinen, wenn die Breite der Brücke 104 gleich einem ungeraden Vielfachen der Viertelwellenlänge der komplexen nicht ausbreitungsfähigen Welle ist, kann die Reflektivität der Eigenmoden weiter erhöht werden, was sich dadurch manifestiert, dass ein Parallelwiderstand Rp und ein Q-Faktor maximale Werte erzielen. Typischerweise können abhängig von den Details des Anregungsmechanismus andere Propagierungsmoden der Kopplungsregion 113, wie zum Beispiel Schermoden (shear modes) und Biegemoden (flexural modes), Rp und den Q-Faktor beeinflussen. Die Breite der Brücke 104 kann in Anbetracht von diesen anderen Propagierungsmoden modifiziert werden. Eine solche optimale Breite der Brücke 104 kann experimentell bestimmt werden.
Zusätzlich werden die Breite und die Position der Brücke 104 (und anderer Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind) und das Ausmaß des Überlapps 113 mit der Kavität 106 gewählt, um eine Erhöhung des Q-Faktors der resonanten Kolbenmode (piston mode) zu verbessern. Im Allgemeinen ist die Verbesserung in dem Q-Faktor umso größer, je größer der Überlapp 113 der Brücke 104 mit der Kavität 106 des FBAR 100 ist, wobei die realisierte Verbesserung nach einem anfänglichen Anstieg ziemlich klein ist. Die Verbesserung in dem Q-Faktor muss abgewogen werden gegen eine Abnahme in dem elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten kt², welcher mit zunehmendem Überlapp 113 der Brücke 104 mit der Kavität 106 abnimmt. Eine Verschlechterung des Kopplungskoeffizienten kt² resultiert in einer Verschlechterung der Einfügungsdämpfung (S₂₁) eines Filters, der einen FBAR aufweist. Als solche kann der Überlapp 113 der Brücke 104 mit der Kavität 106 experimentell optimiert werden.
Die Brücke 104 (und andere Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) hat eine Höhe (y-Koordinate in dem Koordinatensystem von 1B) von ungefähr 150 Å (150 Angström = 150 · 10^-10 m) bis ungefähr 3000 Å. Insbesondere die untere Grenze der Höhe ist bestimmt durch die Grenzen des Prozesses des Auflösens von Opfermaterial beim Formen der Brücke 104 (und anderer Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind), und die obere Grenze der Höhe ist bestimmt durch die Qualität von Schichten, die über der Brücke 104 (und über anderen Brücken, die im Zusammenhang mit nachstehenden repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen sind) gewachsen sind, und durch die Qualität des nachfolgenden Prozessierens von möglicherweise nicht planaren Strukturen.
Zur Erläuterung, die erste Elektrode 107 und die zweite Elektrode 101 sind aus Wolfram (W) gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 1000 Å bis ungefähr 20000 Å hat. Andere Materialien können für die erste Elektrode 107 und die zweite Elektrode 101 verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkend auf Molybdän (Mo), Iridium (Ir), Kupfer (Cu), Aluminium (AI) oder einem bimetallischen Material. Zur Erläuterung, die piezoelektrische Schicht 108 ist aus Aluminiumnitrid (AIN) gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 5000 A bis ungefähr 25000 A hat. Andere Materialien können für die piezoelektrische Schicht 108 verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkend auf Zinkoxid (ZnO).
Um die Brücke 104 zu bilden wird das Wachstum der piezoelektrischen Schicht 108 auf der ersten Elektrode 107 unterbrochen. In der dargestellten Ausführungsform wurde das Wachstum der piezoelektrischen Schicht 108 bei ungefähr der Hälfte der erwarteten Dicke unterbrochen, was zu einer Bildung der Brücke 104 in ungefähr der Mitte der vervollständigten piezoelektrischen Schicht 108 führt. Diese Stelle der Brücke 104 bei ungefähr dem Punkt der maximalen Belastung der piezoelektrischen Schicht 108 maximiert den Energie Entkopplungseffekt der Brücke 104. Die Brücke 104 kann jedoch in verschiedenen relativen Stellen innerhalb der piezoelektrischen Schicht 108 gebildet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Sobald das Wachstum der piezoelektrischen Schicht 108 unterbrochen wird, kann die Brücke 104 durch ein Strukturieren (patterning) eines Opfermaterials über dem gewachsenen Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 108 gebildet werden und dann dass Wachstum des verbleibenden Abschnitts der piezoelektrischen Schicht 108 da drüber fortgesetzt werden. Nachdem die anderen Schichten des FBAR 100 wie gewünscht gebildet worden sind (z.B. die zweite Elektrode 101), wird das Opfermaterial abgebaut (released), so dass die Brücke 104 „ungefüllt“ (d.h. Luft enthaltend oder mit Luft gefüllt) gelassen wird. In einer repräsentativen Ausführungsform ist das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die Brücke 104 zu bilden, das gleiche wie das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die Kavität 106 zu bilden, wie zum Beispiel Phosphorsilikat Glas (PSG).
In einer repräsentativen Ausführungsform definiert die Brücke 104 einen Umfang entlang der aktiven Region 114 des FBAR 100. Die aktive Region 114 enthält daher die Abschnitte des akustischen Resonators, der über der Kavität 106 angeordnet ist der von dem Umfang beschränkt ist, der von der Brücke 104 bereit gestellt wird. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik eingesehen werden sollte, ist die aktive Region des FBAR 100 begrenzt um ihren Umfang herum von einer akustischen Impedanz Diskontinuität, die zumindest zum Teil von der Brücke 104 erzeugt wird, und oben und unten (Kavität 106) von einer akustischen Impedanz Diskontinuität aufgrund des Vorhandenseins von Luft. Daher ist eine resonante Kavität auf vorteilhafte Weise in der aktiven Region des FBAR 100 bereit gestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Brücke 104 nicht gefüllt (d.h. sie enthält Luft), so wie die Kavität 106. In anderen Ausführungsformen ist die Brücke 104 „gefüllt“ (d.h. sie enthält ein dielektrisches Material oder Metall, welche eine akustische Impedanz haben, um die gewünschte akustische Impedanz Diskontinuität bereit zu stellen), um eine Brücke 104' bereit zu stellen, die vollständiger nachstehend mit Bezug zu 1C beschrieben wird. Es wird angemerkt, dass die Brücke 104 an vier „Seiten“ des fünfseitigen FBAR bereit gestellt werden kann, wie in 1A gezeigt.
Die Fehlanpassung der akustischen Impedanz, die von der Brücke 104 bereitgestellt ist, verursacht an der Grenze eine Reflexion von akustischen Wellen, welche anderenfalls von der aktiven Region weg propagieren könnten und so verloren werden könnten, was zu einem Energieverlust führen würde. Die Brücke 104 dient dazu, die Moden von Interesse (modes of interest) innerhalb der aktiven Region 114 des FBAR 100 zu begrenzen und Energieverluste in dem FBAR 100 zu reduzieren. Ein Reduzieren solcher Verluste erhöht den Q-Faktor des FBAR 100. In Filteranwendungen des FBAR 100 wird, als Resultat des reduzierten Energieverlustes, die Einfügungsdämpfung (S₂₁) auf vorteilhafte Weise verbessert.
In einer illustrativen Konfiguration kann zu Zwecken der Erklärung angenommen werden, dass die Brücke 104 eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 5 µm, eine Höhe von ungefähr 1500 A und einen Überlapp 113 von ungefähr 2 µm hat, dass die piezoelektrische Schicht 108 eine Dicke (y-Dimension) von ungefähr 10000 Å hat und dass sich das Untere der Brücke 104 ungefähr 5000 Å über dem Unteren der piezoelektrischen Schicht 108 befindet, so dass sich die Brücke 104 ungefähr in der Mitte der piezoelektrischen Schicht 108 befindet. Eine Platzierung der Brücke 104 ungefähr in der Mitte der piezoelektrischen Schicht 108 erhöht beispielsweise bei einer Betriebsfrequenz von ungefähr 1,88 GHz den Parallelwiderstand Rp des FBAR von ungefähr 1,1 kΩ (= 1,1 kOhm)auf ungefähr 3,5 kΩ, was ein Anstieg von mehr als 300% ist. Da die Brücke 104 in Allgemeinen in einer Region von maximaler Belastung (stress) platziert ist, ist der Einfluss der beiden folgenden miteinander in Konkurrenz stehenden Phänomene maximiert: Streuungen an der Vorderkante (leading edge) der Brücke 104 (was im Allgemeinen zu einer Abnahme des Q-Faktors führt) und Entkoppeln der FBAR Moden von Feld Region Moden (field region modes) aufgrund einer Nullpunktrückstellung (zeroing) von normaler Belastung an der oberen und an der unteren Grenzen der Brücke 104 (was im Allgemeinen zu einem Anstieg des Q-Faktors führt). Ein dritter Effekt (welcher ebenso im Allgemeinen zu einer Abnahme des Q-Faktors führt) bezieht sich auf eine schlechtere Qualität des piezoelektrischen Materials in der Region, die unmittelbar über der Ebene des Stopp-Wachstums (stop-growth plane) gewachsen ist. Diese drei Faktoren werden auf geeignete Weise gewichtet, wenn die Platzierung der Brücke 104 innerhalb der piezoelektrischen Schicht 108 bestimmt wird, und daher kann eine Optimierung zum Beispiel experimentell durchgeführt werden.
Wie vorstehend erwähnt, ist in der repräsentativen Ausführungsform, die im Zusammenhang mit den 1A und 1B dargestellt und beschrieben ist, die Brücke 104 nicht gefüllt (d.h. sie enthält Luft als das akustische Medium). 1C zeigt eine Querschnittsansicht des FBAR 100, bei dem die Brücke mit einem Material gefüllt ist, welches eine akustische Impedanz hat, um eine signifikant große laterale Diskontinuität in der akustischen Impedanz an der Grenze zwischen der FBAR Region 114 und der Entkopplungsregion 113 bereit zu stellen. Der Mechanismus des Reduzieren von Verlusten in der gefüllten Brücke 104' beruht auf der Unterdrückung und der (räumlichen) Eingrenzung der propagierenden Eigenmoden, welche in der FBAR Region 114 als ein Teil einer Kolbenanregung (piston mode excitation) elektrisch angeregt werden. Beide Enden der gefüllten Brücke 104' stellen mechanische Diskontinuitäten bereit, um die Phase der reflektierten Mode zu steuern und um eine insgesamt vorteilhafte Unterdrückung der propagierenden Eigenmoden in der Haupt FBAR Region 114 bereit zu stellen. Außerdem wird in der Entkopplungsregion 113 der Hauptteil der Kolbenmode verschwindend, d.h. seine Amplitude verkleinert sich exponentiell so wie sie (die Kolbenmode) in Richtung der Feldregion 115 propagiert. Dieser Zerfallsprozess (decay process) minimiert eine Umwandlung der Kolbenmode in unerwünschte propagierende Moden bei den Regionen der Impedanz Diskontinuität, die von den Rändern der Kavität 106 und dem Substrat 105 erzeugt werden, was zu einem weiteren vorteilhaften Anstieg des Q-Faktors führt.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Brücke 104' mit NEBSG, Kohlenstoff dotiertem Siliziumdioxid (CDO), Siliziumkarbid (SiC) oder anderen geeigneten dielektrischen Materialien gefüllt, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. In anderen Ausführungsformen ist die Brücke 104' gefüllt mit einem von Wolfram (W), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Iridium (Ir) oder anderen geeigneten metallischen Materialien, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. Die Brücke 104' wird hergestellt durch ein Unterbrechen des Wachstums der piezoelektrischen Schicht 108 auf der ersten Elektrode 107, zum Beispiel wenn die piezoelektrische Schicht 108 bei ungefähr der Hälfte ihrer gewünschten Dicke ist, was zu einer Bildung der Brücke 104' in ungefähr der Mitte der vervollständigten piezoelektrischen Schicht 108 führt. Sobald das Wachstum der piezoelektrischen Schicht 108 unterbrochen ist, wird das NEBSG oder ein anderes Füllungsmaterial mittels eines bekannten Verfahrens gebildet. Der FBAR 100 wird vervollständigt, indem das Wachstum des verbleibenden Abschnitts der piezoelektrischen Schicht 108 fortgesetzt wird und darauf die zweite Elektrode 101 des FBAR 101 gebildet wird. Wenn die Kavität 106 durch das Auflösen des Opfermaterials gebildet wird, verbleibt die Brücke 104' mit dem ausgewählten nicht ätzbaren Material gefüllt.
Ein Bilden von Brücken innerhalb einer piezoelektrischen Schicht oder innerhalb mehrerer piezoelektrischer Schichten kann in anderen Typen von akustischen Resonatoren implementiert werden, einschließlich DBAR und CRF, was zu ähnlichen Verbesserungen in dem Parallelwiderstand Rp, Q-Faktoren und dergleichen führt. Zum Beispiel zeigen in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen die 2A bis 4B Querschnittsansichten von DBAR 200 bis 400, und die 5A bis 7A zeigen Querschnittsansichten von CRF 500 bis 700.
Ausführungsformen aufweisend DBAR
Die 2A bis 2D zeigen Querschnittsansichten eines DBAR 200 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Es kann für die Zwecke der Erklärung angenommen werden, dass die Draufsicht auf den DBAR 200 im Wesentlichen gleich ist wie die Draufsicht auf den FBAR 100, der vorstehend mit Bezug auf 1A diskutiert wurde. Dies bedeutet, dass der DBAR 200 eine obere Elektrode 101 (bezeichnet nachstehend als dritte Elektrode 101) enthalten kann und fünf Seiten aufweisen kann, mit einer Verbindungsseite 102, welche konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zu einem Verbindungselement (interconnect) 103 bereit zu stellen.
Bezugnehmend auf 2A weist der DBAR 200 eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Die Einlagerung (inclusion) einer Kavität 106 zur Reflexion von akustischen Wellen in dem DBAR 200 ist lediglich illustrativ. Es wird betont, dass anstelle der Kavität 106 ein bekannter akustischer Reflektor (z.B. ein Bragg Spiegel (nicht gezeigt)), der alternierende Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, in dem Substrat 105 bereitgestellt werden kann, um eine akustische Isolierung bereit zu stellen. Die Mehrzahl von Schichten enthält, wie nachstehend diskutiert, eine erste (untere) Elektrode 107, eine erste piezoelektrische Schicht 108, eine zweite (mittlere) Elektrode 111, eine zweite piezoelektrische Schicht 112 und eine dritte (obere) Elektrode 101.
Die erste Elektrode 107 ist über dem Substrat 105 und teilweise über der Kavität 106 (oder Bragg Spiegel) angeordnet. Wie dargestellt, ist eine Planarisierungsschicht 107' über dem Substrat bereit gestellt. In einer repräsentativen Ausführungsform weist die Planarisierungsschicht 107' NEBSG auf. Die erste piezoelektrische Schicht 108 ist über der ersten Elektrode 107 angeordnet, und eine erste Brücke 201 ist innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 enthalten, was bedeutet, dass die erste Brücke von dem piezoelektrischen Material der ersten piezoelektrischen Schicht 108 umgeben ist, wie oben mit Bezug auf die Brücke 104 beschrieben. Die erste Brücke 201 ist entlang aller Seiten (d.h. entlang des Umfangs) des DBAR 200 angeordnet. Die zweite Elektrode 111 und eine Planarisierungsschicht 109 sind über der ersten piezoelektrischen Schicht 108 angeordnet, wobei die Planarisierungsschicht 109 im Allgemeinen nicht mit der Kavität 106 überlappt. In einer repräsentativen Ausführungsform weist die Planarisierungsschicht 109 NEBSG auf. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik verstanden werden sollte, ist die Struktur, die mittels der ersten Elektrode 107, der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und der zweiten Elektrode 111 bereit gestellt wird, ein BAW Resonator, welcher in dieser illustrativen Ausführungsform einen ersten BAW Resonator des DBAR 200 aufweist. Wenn der BAW Resonator über einer Kavität angeordnet ist, ist er ein sog. FBAR; und wenn der BAW Resonator über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg Spiegel) angeordnet ist, ist er ein sog. SMR.
Die zweite piezoelektrische Schicht 112 ist über der zweiten Elektrode 111 und der Planarisierungsschicht 109 bereit gestellt, und eine zweite Brücke 202 ist innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 enthalten, was bedeutet, dass die zweite Brücke 202 von dem piezoelektrischen Material der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 umgeben ist, wie vorstehend mit Bezug auf die Brücke 104 diskutiert. Die dritte Elektrode 101 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt. Die zweite Brücke 202 ist entlang aller Seiten (d.h. entlang des Umfangs) des DBAR 200 angeordnet. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik verstanden werden sollte, ist die Struktur, die mittels der zweiten Elektrode 111, der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 und der dritten Elektrode 101 bereit gestellt wird, ein BAW Resonator, welcher in dieser illustrativen Ausführungsform einen zweiten BAW Resonator des DBAR 200 aufweist. Wie vorstehend erwähnt, wenn der BAW Resonator über einer Kavität angeordnet ist, ist er ein sog. FBAR; und wenn der BAW Resonator über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg Spiegel) angeordnet ist, ist er ein sog. SMR. Die vorliegenden Lehren erwägen die Verwendung von entweder FBAR oder SMR um DBAR zu bilden. Die DBAR werden in Erwägung gezogen für eine Vielfalt an Verwendungen, einschließlich Filter (z.B. Filterketten, die eine Mehrzahl von BAR Resonatoren aufweisen).
Zur Erläuterung, die erste Elektrode 107, die zweite Elektrode 111 und die dritte Elektrode sind aus W gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 1000 A (1000 Angström) bis ungefähr 20000 A hat. Andere Materialien können für die erste Elektrode 107, die zweite Elektrode 111 und die dritte Elektrode 101 verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkt auf Mo oder einem bimetallischen Material. Zur Erläuterung, die erste piezoelektrische Schicht 108 und die zweite piezoelektrische Schicht 112 sind AIN, welches eine Dicke von ungefähr 5000 A bis ungefähr 15000 A hat. Andere Materialien können für die erste piezoelektrische Schicht 108 und die zweite piezoelektrische Schicht 112 verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkend auf Zinkoxid (ZnO).
In repräsentativen Ausführungsformen kann die Konfiguration der ersten und zweiten Brücken 201, 202 im Wesentlichen gleich sein wie die Brücke 104, die vorstehend mit Bezug auf 1B diskutiert ist. Insbesondere sind die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 nicht notwendigerweise von der gleichen Form (z.B. eine könnte eine trapezförmige Querschnittsform und eine könnte eine rechteckige Querschnittsform haben). Zum Beispiel können die Dimensionen der ersten und der zweiten Brücke 201, 202 ungefähr 2,0 µm bis ungefähr 10,0 µm in der Breite (x-Dimension in dem Koordinatensystem, welches in 2A gezeigt ist) und ungefähr 150 A (150 Angström) bis ungefähr 3000 A in der der Höhe (y-Dimension in dem Koordinatensystem, welches in 1B gezeigt ist) sein.
Ferner erstrecken sich in bestimmten Ausführungsformen die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 über die Kavität 106 mit einem Überlapp 113. Der Überlapp 113 (auch als die Entkopplungsregion bezeichnet) hat eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 0,0 µm (d.h. kein Überlapp mit der Kavität 106) bis ungefähr 10,0 µm. Insbesondere müssen die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 nicht dieselben Dimensionen haben oder an denselben relativen Positionen angeordnet sein. Zum Beispiel ist der Überlapp 113 der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 mit der Kavität 106 in 2A als identisch gezeigt; dies ist aber nicht essentiell, da unterschiedliche erste und zweite Brücken 201, 202 die Kavität 106 in einem größeren oder kleineren Ausmaß als die anderen Brücken 201, 202 überlappen können.
Im Allgemeinen gelten die gleichen Überlegungen, wenn die Brücken 201 und 202 für den DBAR 200 gestaltet werden, wie für die Brücke 104 für den FBAR 100, der im Zusammenhang mit den 1B und 1C beschrieben ist. Zum Beispiel müssen die erste Brücke 101 und die zweite Brücke 202 breit genug sein, um einen geeigneten Zerfall der verschwindenden Wellen an der Grenze einer aktiven Region 114 (hier auch als DBAR Region bezeichnet) und der Entkopplungsregion (d.h. der Überlapp 113) sicherzustellen, um ein Tunneln von Moden in eine Feldregion 115 zu minimieren, wo propagierende Moden bei der Betriebsfrequenz existieren. Auf der anderen Seite, wenn die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 zu breit sind, können Funktionsfähigkeitsprobleme entstehen und auch die Platzierung von ähnlichen DBAR (nicht dargestellt), die in der Nähe platziert werden sollen, kann beschränkt werden (so dass auf unnötige Weise die gesamte Fläche eines Chips vergrößert wird). Als solche kann die optimale Breite der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 experimentell bestimmt werden.
Zusätzlich können die Breite und die Position der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 und der Überlapp 113 mit der Kavität 106 gewählt werden, um eine Q-Erhöhung der ungeraden resonanten Mode zu verbessern. Im Allgemeinen ist die Verbesserung in dem Q-Faktor umso größer, je größer der Überlapp 113 von jeder der ersten und der zweiten Brücke 201, 202 mit der Kavität 106 des DBAR 200 ist, wobei die realisierte Verbesserung nach einem anfänglichen Anstieg ziemlich klein ist. Die Verbesserung in dem Q-Faktor muss abgewogen werden gegen eine Abnahme in dem elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten kt², welcher mit zunehmendem Überlapp 113 der ersten und der zweiten Brücke 201, 202 mit der Kavität 106 abnimmt. Eine Verschlechterung des Kopplungskoeffizienten kt² resultiert in einer Verschlechterung der Einfügungsdämpfung (S₂₁) eines Filters, der einen DBAR aufweist. Als solches kann der Überlapp 113 der ersten und der zweiten Brücke 201, 202 mit der Kavität 106 experimentell optimiert werden.
Um die erste Brücke 201 zu formen, wird das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 auf der ersten Elektrode 107 unterbrochen. In entsprechender Weise, um die zweite Brücke 202 zu formen, wird das Wachstum der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 auf der zweiten Elektrode 111 unterbrochen. In der dargestellten Ausführungsform wird das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bei ungefähr dem halben Weg über die erwartete Dicke unterbrochen, was, wie vorstehend beschrieben, zu der Bildung der ersten Brücke 201 bzw. der zweiten Brücke 202 in ungefähr der Mitte der komplettierten ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der komplettierten zweiten piezoelektrischen Schicht 112 führt. Die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 können jedoch in verschiedenen relativen Stellen innerhalb der piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der piezoelektrischen Schicht 112 gebildet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Sobald das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 unterbrochen wird, kann die erste Brücke 201 durch ein Strukturieren (patterning) eines Opfermaterials über dem gewachsenen Abschnitt der ersten piezoelektrischen Schicht 108 gebildet werden und dann dass Wachstum des verbleibenden Abschnitts der ersten piezoelektrischen Schicht 108 da drüber fortgesetzt werden. In entsprechender Weise kann nach der Bildung der zweiten Elektrode 111 das Wachstum der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 unterbrochen werden und die zweite Brücke 202 kann durch ein Strukturieren (patterning) eines Opfermaterials über dem gewachsenen Abschnitt der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 gebildet werden. Das Wachstum des verbleibenden Abschnitts der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 wird dann da drüber fortgesetzt. Nachdem die anderen Schichten des DBAR 200 wie gewünscht gebildet worden sind (z.B. die dritte Elektrode 101), wird das Opfermaterial abgebaut (released), so dass die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 „ungefüllt“ verbleiben. In einer repräsentativen Ausführungsform ist das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 zu bilden, das gleiche wie das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die Kavität 106 zu bilden, wie zum Beispiel PSG.
In einer repräsentativen Ausführungsform definieren die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 einen Umfang entlang der aktiven Region 114 des DBAR 200. Die aktive Region 114 enthält daher die Abschnitte des ersten BAW Resonators und des zweiten BAW Resonators, der über der Kavität 106 angeordnet ist und der von dem Umfang begrenzt ist, der von der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 bereit gestellt wird. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik eingesehen werden sollte, ist die aktive Region des DBAR 200 begrenzt um ihren Umfang herum von einer Diskontinuität in der akustischen Impedanz, die zumindest zum Teil von der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 erzeugt wird, und oben und unten (Kavität 106) von einer akustischen Impedanz Diskontinuität aufgrund des Vorhandenseins von Luft. Daher ist eine resonante Kavität auf vorteilhafte Weise in der aktiven Region des DBAR 100 bereit gestellt. In bestimmten Ausführungsformen sind die ersten Brücke 201 und die zweite Brücke 202 wie die Kavität 106 ungefüllt (d.h. sie enthalten Luft). In anderen Ausführungsformen, welche nachstehend vollständiger beschrieben werden, ist die erste Brücke 201 oder die zweite Brücke 202 oder sind beide mit einem Material gefüllt, um die gewünschte Diskontinuität in der akustischen Impedanz bereit zu stellen.
Es wird angemerkt, dass die erste Brücke 201 oder die zweite Brücke 202 oder beide sich nicht notwendigerweise entlang aller Kanten des DBAR 200 und daher nicht entlang des Umfangs des DBAR 200 erstrecken müssen. Zum Beispiel können die erste Brücke 201 oder die zweite Brücke 202 oder beide an vier Seiten eines fünfseitigen DBAR 200 (ähnlich zu dem fünfseitigen FBAR 100, der in 1A dargestellt ist) vorgesehen sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die erste Brücke 201 entlang der gleichen vier Seiten des DBAR 200 wie die zweite Brücke 202 angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die erste Brücke 201 entlang von vier Seiten (z.B. alle Seiten außer der Verbindungsseite 102) des DBAR 200 angeordnet und die zweite Brücke 202 ist entlang von vier Seiten des DBAR 200 angeordnet, welche nicht die gleichen vier Seiten sind wie die der ersten Brücke 201 (z.B. die zweite Brücke 202 ist entlang der Verbindungsseite 102 angeordnet).
Die Fehlanpassung der akustischen Impedanz, die von der ersten Brücke 201 und der zweiten Brücke 202 bereitgestellt ist, verursacht an der Grenze eine Reflexion von akustischen Wellen, welche anderenfalls aus der aktiven Region heraus propagieren könnten und so verloren werden könnten, was zu einem Energieverlust führen würde. Die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 dienen dazu, die Moden von Interesse (modes of interest) innerhalb der aktiven Region 114 des DBAR 200 zu begrenzen und Energieverluste in dem DBAR 200 zu reduzieren. Ein Reduzieren solcher Verluste dient dazu den Q-Faktor von Moden von Interesse in dem DBAR 200 zu erhöhen. In Filteranwendungen des DBAR 200 wird, als Resultat des reduzierten Energieverlustes, die Einfügungsdämpfung (S₂₁) auf vorteilhafte Weise verbessert.
In der repräsentativen Ausführungsform, die im Zusammenhang mit 2A gezeigt und beschrieben ist, sind die erste Brücke 201 und die zweite Brücke 202 ungefüllt (d.h. sie enthalten Luft als das akustische Medium). 2B zeigt eine Querschnittsansicht des DBAR 200, bei dem beide Brücken, bezeichnet als erste Brücke 201' und als zweite Brücke 202', mit einem Material gefüllt sind, um die Diskontinuität in der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen sind die erste Brücke 201' und die zweite Brücke 202' gefüllt mit NEBSG, CDO, SiC oder anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. In anderen Ausführungsformen sind die erste Brücke 201' und die zweite Brücke 202' mit einem von Wolfram (W), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Iridium (Ir) oder anderen geeigneten metallischen Materialien gefüllt, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. Die erste Brücke 201' und die zweite Brücke 202' sind hergestellt durch Bilden des NEBSG oder des anderen Füllungsmaterials innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112, indem das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der zweiten piezoelektrischen Schicht 112, wie vorstehend beschrieben, unterbrochen wird und die entsprechenden Schichten des DBAR 200 darauf gebildet werden. Wenn die Kavität 106 gebildet durch das Auflösen des Opfermaterials wird, verbleiben die erste Brücke 201' und die zweite Brücke 202' mit dem ausgewählten nicht ätzbaren Material „gefüllt“.
2C zeigt eine Querschnittsansicht des DBAR 200, bei dem die zweite Brücke 202' mit einem Material gefüllt ist, um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren, und die erste Brücke 201 ist mit Luft gefüllt. Diese Modifikation des DBAR 200 wird hergestellt mittels eines Strukturierens eines Materials (z.B. NEBSG) innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112, welches Material sich nicht auflösen wird, bevor die dritte Elektrode 101 gebildet wird. Die erste Brücke 201 wird gebildet durch ein Strukturieren eines Opfermaterials innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und durch ein Auflösen des Opfermaterials, wie vorstehend beschrieben.
2D zeigt eine Querschnittsansicht eines DBAR 200, bei dem die zweite Brücke 202 mit Luft gefüllt ist, und bei dem die erste Brücke 201' mit einem Material gefüllt ist, um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren. Diese Modifikation des DBAR 200 wird hergestellt mittels eines Strukturierens eines Materials (z.B. NEBSG) innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108, welches sich nicht auflösen wird, bevor die zweite Elektrode 111 gebildet wird. Die zweite Brücke 202 wird gebildet mittels eines Strukturierens (patterning) eines Opfermaterials innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 und mittels eines Auflösens des Opfermaterials, wie vorstehend beschrieben.
In den vorliegend beschriebenen Ausführungsformen ist eine einzige Brücke in einem illustrativen DBAR bereit gestellt. Die einzige Brücke ist in jeder Ausführungsform innerhalb einer einzigen piezoelektrischen Schicht bereit gestellt und bildet einen Umfang, der die aktive Region des DBAR umschließt. Mittels eines Platzierens der Brücke innerhalb verschiedener piezoelektrischer Schichten können die vielfältigen Ausführungsformen studiert werden, um das Ausmaß des Koppelns von Moden in der aktiven Region (DBAR Region) und den Moden in der Feldregion zu testen. Im Allgemeinen entkoppelt die Brücke Moden mit einer vergleichsweise großen Fortpflanzungskonstanten (propagation constant) k_r von den Moden in der Feldregion. Wie nachstehend beschrieben, weisen bestimmte Ausführungsformen eine „ungefüllte“ Brücke und bestimmte Ausführungsformen weisen eine „gefüllte“ Brücke auf. Viele Details der vorliegenden Ausführungsformen sind gleich wie diese, die vorstehend im Zusammenhang mit den repräsentativen Ausführungsformen der 1A bis 1C und 2A bis 2D beschrieben sind. Im Allgemeinen werden die gleichen Details nicht in der Beschreibung von Ausführungsformen wiederholt, die eine einzige Brücke aufweisen.
Die 3A und 3B zeigen Querschnittsansichten eines DBAR 300 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Der DBAR 300 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Viele Aspekte des DBAR 300 sind gleich mit denen des DBAR 200, der vorstehend beschrieben ist, und werden nicht wiederholt, um ein Verdunkeln der Beschreibung der hier beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
3A zeigt eine Brücke 301, die innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bereit gestellt ist. Die Brücke 301 ist ungefüllt (d.h. sie enthält Luft). Die Brücke 301 ist um den Umfang der aktiven Region 114 des DBAR 300 angeordnet und fördert eine Einengung von Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 300. Zu Zwecken der Illustrierung der Verbesserung der Einengung der Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 300 wurde die Brücke 301 bereit gestellt, die eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 5 µm, eine Höhe von ungefähr 500 Å (500 Angström) und einen Überlapp 113 der Kavität 106 von ungefähr 2 µm hat. Ein Anstieg in dem Q-Faktor von ungefähr 100% (abhängig von der Betriebsfrequenz, z.B. bei der Parallelresonanzfrequenz (parallel resonance frequency)) kann im Vergleich zu einem bekannten DBAR, welcher keine Brücke enthält, erwartet werden.
3B zeigt eine Brücke 301', die innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 des DBAR 300 bereit gestellt ist. Die Brücke 301' ist mit einem Material „gefüllt“ (z.B. NEBSG oder ein anderes vorstehend beschriebenes Material), um eine Diskontinuität in der akustischen Impedanz bereit zu stellen. Die Brücke 301' ist um den Umfang der aktiven Region 114 des DBAR 300 angeordnet und fördert eine Eingrenzung von Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 300. Ähnliche Verbesserungen in dem Q-Faktor, die für die Brücke 301 erwartet werden, werden mit der Verwendung der Brücke 301' erwartet. Auf vorteilhafte Weise stellt die Verwendung einer gefüllten Brücke eine mechanisch stabilere Struktur zur Verfügung.
Die 4A und 4B zeigen Querschnittsansichten eines DBAR 400 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Der DBAR 400 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Viele Aspekte des DBAR 400 sind gleich mit denen des DBAR 200, der vorstehend beschrieben ist, und werden nicht wiederholt, um ein Verdunkeln der Beschreibung der hier beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
4A zeigt eine Brücke 402, die innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt ist. Die Brücke 402 ist ungefüllt (d.h. sie enthält Luft). Die Brücke 402 ist um den Umfang der aktiven Region 114 des DBAR 400 angeordnet und fördert eine Einengung von Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 400. Zu Zwecken der Illustrierung der Verbesserung der Einengung der Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 400 wurde die Brücke 402 bereit gestellt, die eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 5 µm, eine Höhe von ungefähr 500 Å (500 Angström) und einen Überlapp 113 der Kavität 106 von ungefähr 2 µm hat. Ein Anstieg in dem Q-Faktor von ungefähr 100% (abhängig von der Frequenz des Betriebes, z.B. bei der Parallelresonanzfrequenz (parallel resonance frequency)) kann im Vergleich zu einem bekannten DBAR, welcher keine Brücke enthält, erwartet werden.
4B zeigt eine Brücke 402', die innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt ist. Die Brücke 402' ist mit einem Material „gefüllt“ (z.B. NEBSG oder ein anderes vorstehend beschriebenes Material), um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen. Die Brücke 402' ist um den Umfang der aktiven Region 114 des DBAR 400 angeordnet und fördert eine Eingrenzung von Moden in der aktiven Region 114 des DBAR 400. Für die Brücke 402', welche die gleiche Breite, die gleiche Höhe und den gleichen Überlapp wie die Brücke 402 hat, werden ähnliche Verbesserungen in dem Q-Faktor, die für die Brücke 402 erwartet werden, mit dem Verwenden der Brücke 402' erwartet. Auf vorteilhafte Weise stellt die Verwendung einer gefüllten Brücke eine mechanisch stabilere Struktur zur Verfügung.
Ausführungsformen aufweisend CRF
Die 5A - 5D zeigen Querschnittsansichten von CRF 500 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Es kann für die Zwecke der Erklärung angenommen werden, dass die Draufsicht auf den CRF 500 im Wesentlichen gleich ist wie die Draufsicht auf den FBAR 100, der vorstehend mit Bezug auf 1A diskutiert wurde. Dies bedeutet, dass der CRF 500 eine obere Elektrode 101 (bezeichnet nachstehend als vierte Elektrode 101) enthalten kann und fünf Seiten aufweisen kann, mit einer Verbindungsseite 102, welche konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zu einem Verbindungselement (interconnect) 103 bereit zu stellen.
Bezugnehmend auf 5A weist der CRF 500 eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Die Einlagerung (inclusion) einer Kavität 106 zur Reflexion von akustischen Wellen in dem CRF 500 ist lediglich illustrativ. Es wird betont, dass anstelle der Kavität 106 ein bekannter akustischer Reflektor (z.B. ein Bragg Spiegel (nicht gezeigt)), der alternierende Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, in dem Substrat 105 bereitgestellt werden, um eine akustische Isolierung bereit zu stellen. Die Mehrzahl von Schichten enthält, wie nachstehend diskutiert, eine erste (untere) Elektrode 107, eine erste piezoelektrische Schicht 108, eine zweite (erste obere) Elektrode 111, eine Kopplungsschicht 116, eine dritte (zweite untere) Elektrode 117, eine zweite piezoelektrische Schicht 112 und eine vierte (zweite obere) Elektrode 101.
Die erste Elektrode 107 ist über dem Substrat 105 und teilweise über der Kavität 106 (oder Bragg Spiegel) angeordnet. Wie dargestellt, ist eine Planarisierungsschicht 107' über dem Substrat bereit gestellt. In einer repräsentativen Ausführungsform weist die Planarisierungsschicht 107' NEBSG auf. Die erste piezoelektrische Schicht 108 ist über der ersten Elektrode 107 angeordnet, und eine erste Brücke 501 ist innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 enthalten, was bedeutet, dass die erste Brücke 501 von dem piezoelektrischen Material der ersten piezoelektrischen Schicht 108 umgeben ist, wie oben mit Bezug auf die Brücke 104 beschrieben. Die erste Brücke 501 ist entlang aller Seiten (d.h. entlang des Umfangs) des CRF 500 angeordnet. Die zweite Elektrode 111 und eine Planarisierungsschicht 109 sind über der ersten piezoelektrischen Schicht 108 angeordnet, wobei die Planarisierungsschicht 109 im Allgemeinen nicht mit der Kavität 106 überlappt. In einer repräsentativen Ausführungsform weist die Planarisierungsschicht 109 NEBSG auf. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik verstanden werden sollte, ist die Struktur, die mittels der ersten Elektrode 107, der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und einer zweiten Elektrode 111 bereit gestellt wird, ein BAW Resonator, welcher in dieser illustrativen Ausführungsform einen ersten BAW Resonator des CRF 500 aufweist. Wenn der BAW Resonator über einer Kavität angeordnet ist, ist er ein sog. FBAR; und wenn der BAW Resonator über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg Spiegel) angeordnet ist, ist er ein sog. SMR.
Die akustische Kopplungsschicht 116 („Kopplungsschicht 116“) ist über der zweiten Elektrode 111 bereit gestellt. In einer repräsentativen Ausführungsform kann die Kopplungsschicht 116 Kohlenstoff dotiertes Oxid (CDO) oder NEBSG aufweisen, so wie in der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung US 2011/0204997 A1 mit dem Titel „ Bulk Acoustic Resonator Structures Comprising a Single Material Acoustic Coupling Layer Comprising Inhomogeneous Acoustic Property“ von Elbrecht et al., die am 23 Februar 2010 eingereicht wurde, beschrieben ist. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hierbei durch Inbezugnahme mit aufgenommen. Insbesondere ist CDO eine allgemeine Klasse von dielektrischen Materialien mit einer vergleichsweise geringen dielektrischen Konstante (Iow-k). Solche dielektrischen Materialien schließen z.B. Kohlenstoff dotierte Siliziumoxid (carbon-doped silicon oxide - SiOCH) Filme ein, aus denen die Kopplungsschicht 116 gebildet werden kann. Alternativ kann die Kopplungsschicht 116 andere dielektrische Materialien mit einer geeigneten akustischen Impedanz und akustischen Dämpfung aufweisen, einschließlich aber nicht beschränkend auf poröses Siliziumoxynitrid (silicon oxynitride - SiON), poröses Bor dotiertes Silikatglas (boron doped silicate glass - BSG) oder poröses Phosphorsilicatglas (phosphosilicate glass - pSG). Im Allgemeinen ist das Material, welches für die Kopplungsschicht 116 verwendet wird, ausgewählt, um eine vergleichsweise niedrige akustische Impedanz und einen vergleichsweise niedrigen Verlust bereit zu stellen, um die gewünschte Passbandcharakteristik bereit zu stellen.
Die dritte Elektrode 117 ist über der Kopplungsschicht 116 bereit gestellt, und die zweite piezoelektrische Schicht 112 ist über der dritten Elektrode 117 und der Planarisierungsschicht 109 bereitgestellt. Eine zweite Brücke 502 ist innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 enthalten, was bedeutet, dass die zweite Brücke 502 von dem piezoelektrischen Material von der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 umgeben ist, wie vorstehend mit Bezug auf die Brücke 104 diskutiert. Die vierte Elektrode 101 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt. Die zweite Brücke 502 ist entlang aller Seiten (d.h. entlang des Umfangs) des CRF 500 angeordnet. Wie von jemanden mit üblicher Begabung in der Technik verstanden werden sollte, ist die Struktur, die mittels der dritten Elektrode 117, der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 und der vierten Elektrode 101 bereit gestellt wird, ein BAW Resonator, welcher in dieser illustrativen Ausführungsform einen zweiten BAW Resonator des CRF 500 aufweist. Wie vorstehend erwähnt, wenn der BAW Resonator über einer Kavität angeordnet ist, ist er ein sog. FBAR; und wenn der BAW Resonator über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg Spiegel) angeordnet ist, ist er ein sog. SMR. Die vorliegenden Lehren ziehen die Verwendung von entweder FBAR oder SMR in Erwägung, um die CRF zu bilden. Die CRF werden für eine Vielfalt von Verwendungen in Erwägung gezogen, einschließlich Filter.
Zur Erläuterung, die erste Elektrode 107 und die vierte Elektrode 101 sind aus Mo gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 1000 Å (1000 Angström) bis ungefähr 20000 Å hat, und die zweite Elektrode 111 und die dritte Elektrode 117 sind aus W gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 1000 Å bis ungefähr 20000 Å hat. Andere Materialien können für die erste Elektrode 107, die zweite Elektrode 111, die dritte Elektrode 117 und die vierte Elektrode 101 verwendet werden. Beispielhaft sind die erste piezoelektrische Schicht 108 und die zweite piezoelektrische Schicht 112 aus AIN gebildet, welches eine Dicke von ungefähr 5000 Å bis ungefähr 15000 Å hat. Andere Materialien können für die erste piezoelektrische Schicht 108 und für die zweite piezoelektrische Schicht 112 verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkend auf ZnO.
In repräsentativen Ausführungsformen kann die Konfiguration der ersten und zweiten Brücken 501, 502 im Wesentlichen gleich sein wie die Brücke 104, die vorstehend mit Bezug auf 1B diskutiert ist. Insbesondere sind die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 nicht notwendigerweise von der gleichen Form (z.B. eine könnte eine trapezförmige Querschnittsform und eine könnte eine rechteckige Querschnittsform haben). Zum Beispiel können die Dimensionen der ersten und der zweiten Brücke 501, 502 ungefähr 2,0 µm bis ungefähr 10,0 µm in der Breite (x-Dimension in dem Koordinatensystem, welches in 5A gezeigt ist) und ungefähr 150 Å (150 Angström) bis ungefähr 3000 Å in der der Höhe (y-Dimension in dem Koordinatensystem, welches in 1B gezeigt ist) sein.
Ferner erstrecken sich in bestimmten Ausführungsformen die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 über die Kavität 106 mit einem Überlapp 113. Der Überlapp 113 (auch als die Entkopplungsregion bezeichnet) hat eine Breite (x-Dimension) von ungefähr 0,0 µm (d.h. kein Überlapp mit der Kavität 106) bis ungefähr 10,0 µm. Insbesondere müssen die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 nicht dieselben Dimensionen haben oder an denselben relativen Positionen angeordnet sein. Zum Beispiel ist der Überlapp 113 der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 mit der Kavität 106 in 5A als identisch gezeigt; dies ist aber nicht essentiell, da unterschiedliche erste und zweite Brücken 501, 502 die Kavität 106 in einem größeren oder kleineren Ausmaß als die anderen Brücken 201, 202 überlappen können.
Im Allgemeinen gelten die gleichen Überlegungen, wenn die Brücken 501 und 502 für den CRF 500 gestaltet werden, wie für die Brücke 104 für den FBAR 100, der im Zusammenhang mit den 1B und 1C beschrieben ist. Zum Beispiel müssen die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 breit genug sein, um einen geeigneten Zerfall der verschwindenden Wellen an der Grenze einer CRF Region und einer Entkopplungsregion sicherzustellen, um ein Tunneln von Moden in eine Feldregion zu minimieren, wo propagierende Moden bei der Betriebsfrequenz existieren. Auf der anderen Seite, wenn die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 zu breit sind, können Funktionsfähigkeitsprobleme entstehen und auch die Platzierung von ähnlichen CRF (nicht dargestellt), die in der Nähe platziert werden sollen, kann beschränkt werden (so dass auf unnötige Weise die gesamte Fläche eines Chips vergrößert wird). Als solche kann die optimale Breite der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 experimentell bestimmt werden.
Zusätzlich können die Breite und die Position der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 und der Überlapp 113 mit der Kavität 106 gewählt werden, um eine Q-Erhöhung der ungeraden resonanten Mode zu verbessern. Im Allgemeinen ist die Verbesserung in dem Q-Faktor für ungerade Moden (odd-mode Q-factor - Q₀) und dem Q-Faktor für geraden Moden (even mode Q-factor - Q_c) umso größer, je größer der Überlapp 113 von jeder der ersten und der zweiten Brücke 501, 502 mit der Kavität 106 des CRF 500 ist, wobei die realisierte Verbesserung nach einem anfänglichen Anstieg ziemlich klein ist. Die Verbesserung in Q₀ und in Q_c muss abgewogen werden gegen eine Abnahme in dem elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten kt², welcher mit zunehmendem Überlapp 113 der ersten und der zweiten Brücke 201, 202 mit der Kavität 106 abnimmt. Eine Verschlechterung des Kopplungskoeffizienten kt² resultiert in einer Verschlechterung der Einfügungsdämpfung (S₂₁). Als solches kann der Überlapp 113 der ersten und der zweiten Brücke 501, 502 mit der Kavität 106 experimentell optimiert werden.
Um die erste Brücke 501 zu formen, wird das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 auf der ersten Elektrode 107 unterbrochen. In entsprechender Weise, um die zweite Brücke 502 zu formen, wird das Wachstum der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 auf der dritten Elektrode 117 unterbrochen. In der dargestellten Ausführungsform wird das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bei ungefähr dem halben Weg über die erwartete Dicke unterbrochen, was, wie vorstehend beschrieben, zu der Bildung der ersten Brücke 501 bzw. der zweiten Brücke 502 in ungefähr der Mitte der komplettierten ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der komplettierten zweiten piezoelektrischen Schicht 112 führt. Die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 können jedoch in verschiedenen relativen Stellen innerhalb der piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der piezoelektrischen Schicht 112 gebildet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Sobald das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 unterbrochen wird, kann die erste Brücke 501 durch ein Strukturieren (patterning) eines Opfermaterials über dem gewachsenen Abschnitt der ersten piezoelektrischen Schicht 108 gebildet werden und dann das Wachstum des verbleibenden Abschnitts der ersten piezoelektrischen Schicht 108 da drüber fortgesetzt werden. In entsprechender Weise kann nach der Bildung der dritten Elektrode 117 (auf der Kopplungsschicht 116) das Wachstum der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 unterbrochen werden und die zweite Brücke 502 kann durch ein Strukturieren (patterning) eines Opfermaterials über dem gewachsenen Abschnitt der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 gebildet werden. Das Wachstum des verbleibenden Abschnitts der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 wird dann da drüber fortgesetzt. Nachdem die anderen Schichten des CRF 500 wie gewünscht gebildet worden sind (z.B. die vierte Elektrode 101), wird das Opfermaterial abgebaut (released), so dass die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 „ungefüllt“ verbleiben. In einer repräsentativen Ausführungsform ist das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 zu bilden, das gleiche wie das Opfermaterial, welches verwendet wird, um die Kavität 106 zu bilden, wie zum Beispiel PSG.
In einer repräsentativen Ausführungsform definieren die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 einen Umfang entlang der aktiven Region 114 des CRF 500. Die aktive Region 114 enthält daher die Abschnitte des ersten BAW Resonators und des zweiten BAW Resonators, der über der Kavität 106 angeordnet ist und der von dem Umfang begrenzt ist, der von der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 bereit gestellt wird. Wie von jemandem mit gewöhnlicher Begabung in der Technik eingesehen werden sollte, ist die aktive Region des CRF 500 um ihren Umfang herum von einer akustischen Impedanz Diskontinuität begrenzt, die zumindest zum Teil von der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 erzeugt wird, und oben und unten (Kavität 106) von einer akustischen Impedanz Diskontinuität aufgrund des Vorhandenseins von Luft. Daher ist eine resonante Kavität auf vorteilhafte Weise in der aktiven Region des CRF 500 bereit gestellt. In bestimmten Ausführungsformen sind die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 wie die Kavität 106 ungefüllt (d.h. sie enthalten Luft). In anderen Ausführungsformen, welche nachstehend vollständiger beschrieben werden, ist die erste Brücke 501 oder die zweite Brücke 502 oder sind beide mit einem Material gefüllt, um die gewünschte Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen.
Es wird angemerkt, dass die erste Brücke 501 oder die zweite Brücke 502 oder beide sich nicht notwendigerweise entlang aller Kanten des CRF 500 und daher nicht entlang des Umfangs des CRF 500 erstrecken müssen. Zum Beispiel können die erste Brücke 501 oder die zweite Brücke 502 oder beide an vier Seiten eines fünfseitigen CRF 500 (ähnlich zu dem fünfseitigen FBAR 100, der in 1A dargestellt ist) vorgesehen sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die erste Brücke 501 entlang der gleichen vier Seiten des CRF 500 wie die zweite Brücke 202 angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die erste Brücke 501 entlang von vier Seiten (z.B. alle Seiten außer der Verbindungsseite 102) des CRF 500 angeordnet und die zweite Brücke 502 ist entlang von vier Seiten des CRF 500 angeordnet, welche nicht die gleichen vier Seiten sind wie die erste Brücke 501 (z.B. ist die zweite Brücke 502 entlang der Verbindungsseite 102 angeordnet).
Die Fehlanpassung in der akustischen Impedanz, die von der ersten Brücke 501 und der zweiten Brücke 502 bereitgestellt ist, verursacht an der Grenze eine Reflexion von akustischen Wellen, welche anderenfalls aus der aktiven Region heraus propagieren könnten und so verloren werden könnten, was zu einem Energieverlust führen würde. Die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 dienen dazu, die Moden von Interesse (modes of interest) innerhalb der aktiven Region 114 des CRF 500 zu begrenzen und Energieverluste in dem CRF 500 zu reduzieren. Ein Reduzieren solcher Verluste dient dazu, den Q-Faktor von Moden (Q₀ und Q_e) von Interesse in dem CRF 500 zu erhöhen und die Einfügungsdämpfung (S₂₁) über das Passband des CRF 500 zu verbessern.
In der repräsentativen Ausführungsform, die im Zusammenhang mit 2A gezeigt und beschrieben ist, ist die erste Brücke 501 und die zweite Brücke 502 ungefüllt (d.h. sie enthalten Luft als das akustische Medium). Die 5B zeigt eine Querschnittsansicht des CRF 500, bei dem beide Brücken, bezeichnet als erste Brücke 501' und als zweite Brücke 502', mit einem Material gefüllt sind, um die Diskontinuität in der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen sind die erste Brücke 501' und die zweite Brücke 502' gefüllt mit NEBSG, CDO, SiC oder anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. In anderen Ausführungsformen sind die erste Brücke 501' und die zweite Brücke 502' mit einem von Wolfram (W), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Iridium (Ir) oder anderen geeigneten metallischen Materialien gefüllt, die sich nicht auflösen, wenn das Opfermaterial, welches in der Kavität 106 angeordnet ist, aufgelöst wird. Die erste Brücke 501' und die zweite Brücke 502' sind durch Bilden des NEBSG oder des anderen Füllungsmaterials innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 hergestellt, indem das Wachstum der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bzw. der zweiten piezoelektrischen Schicht 112, wie vorstehend beschrieben, unterbrochen wird und die entsprechenden Schichten des CRF 500 darauf gebildet werden. Wenn die Kavität 106 durch das Auflösen des Opfermaterials gebildet wird, verbleiben die erste Brücke 501' und die zweite Brücke 502' mit dem ausgewählten nicht ätzbaren Material „gefüllt“.
5C zeigt eine Querschnittsansicht des CRF 500, bei dem die zweite Brücke 502' mit einem Material gefüllt ist, um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren, und die erste Brücke 501 ist mit Luft gefüllt. Diese Modifikation des CRF 500 wird hergestellt mittels eines Strukturierens eines Materials (z.B. NEBSG) innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112, welches sich nicht auflösen wird, bevor die vierte Elektrode 101 gebildet wird. Die erste Brücke 501 wird gebildet durch ein Strukturieren eines Opfermaterials innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 und durch ein Auflösen des Opfermaterials, wie vorstehend beschrieben.
5D zeigt eine Querschnittsansicht eines CRF 500, bei dem die zweite Brücke 502 mit Luft gefüllt ist, und bei dem die erste Brücke 501' mit einem Material gefüllt ist, um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen, um Verluste zu reduzieren. Diese Modifikation des CRF 500 wird hergestellt mittels eines Strukturierens eines Materials (z.B. NEBSG) innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108, welches sich nicht auflösen wird, bevor die zweite Elektrode 111 gebildet wird. Die zweite Brücke 502 wird gebildet mittels eines Strukturierens (patterning) eines Opfermaterials innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 und mittels eines Auflösens des Opfermaterials, wie vorstehend beschrieben.
In den vorliegend beschriebenen Ausführungsformen ist eine einzige Brücke in einem illustrativen CRF bereit gestellt. Die einzige Brücke ist in jeder Ausführungsform innerhalb einer einzigen piezoelektrischen Schicht bereit gestellt und um einen Umfang herum angeordnet, der die aktive Region des CRF umschließt. Mittels eines Platzierens der Brücke innerhalb verschiedener piezoelektrischer Schichten können die vielfältigen Ausführungsformen studiert werden, um das Ausmaß des Koppelns von Moden in der aktiven Region (CRF Region) und den Moden in der Feldregion zu testen. Im Allgemeinen entkoppelt die Brücke Moden mit einer vergleichsweise großen Fortpflanzungskonstanten (propagation constant) k_r von den Moden in der Feldplattenregion (field plate region). Wie nachstehend beschrieben, weisen bestimmte Ausführungsformen eine „ungefüllte“ Brücke und bestimmte Ausführungsformen weisen eine „gefüllte“ Brücke auf. Viele Details der vorliegenden Ausführungsformen sind gleich wie diese, die vorstehend im Zusammenhang mit den repräsentativen Ausführungsformen der 1A bis 1C und 5A bis 5D beschrieben sind.
Die 6A und 6B zeigen Querschnittsansichten eines CRF 600 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Der CRF 600 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Viele Aspekte des CRF 600 sind gleich mit denen des CRF 500, der vorstehend beschrieben ist, und werden nicht wiederholt, um ein Verdunkeln der Beschreibung der hier beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
6A zeigt eine Brücke 601, die innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 bereit gestellt ist. Die Brücke 601 ist ungefüllt (d.h. sie enthält Luft). Die Brücke 601 ist um den Umfang der aktiven Region 114 des CRF 600 angeordnet und fördert eine Einengung von Moden in der aktiven Region 114 des CRF 600. Ähnlich wie bei dem FBAR 100, der vorstehend diskutiert ist, wird erwartet, dass eine solche erhöhte Modenbegrenzung (mode confinement) in dem CRF 600 die Einfügungsdämpfung und die Qualitätsfaktoren der ungeraden und geraden Moden verglichen zu einem bekannten CRF (ohne eine Brücke) verbessert.
6B zeigt eine Brücke 601', die innerhalb der ersten piezoelektrischen Schicht 108 des CRF 600 bereit gestellt ist. Die Brücke 601' ist mit einem Material „gefüllt“ (z.B. NEBSG oder ein anderes vorstehend beschriebenes Material), um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen. Die Brücke 601' ist um den Umfang der aktiven Region 114 des CRF 600 angeordnet. Auf vorteilhafte Weise stellt die Verwendung einer gefüllten Brücke eine mechanisch stabilere Struktur zur Verfügung.
Die 7A und 7B zeigen Querschnittsansichten eines CRF 700 in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Der CRF 700 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die über einem Substrat 105 angeordnet sind, welches eine Kavität 106 hat. Viele Aspekte des CRF 700 sind gleich mit denen des CRF 500, der vorstehend beschrieben ist, und werden nicht wiederholt, um ein Verdunkeln der Beschreibung der hier beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
7A zeigt eine Brücke 702, die innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt ist. Die Brücke 702 ist ungefüllt (d.h. sie enthält Luft). Die Brücke 402 ist um den Umfang der aktiven Region 114 des DBAR 400 angeordnet und fördert eine Einengung von Moden in der aktiven Region 114 des CRF 700. Ähnlich wie bei dem FBAR 100, der vorstehend diskutiert ist, wird erwartet, dass eine solche erhöhte Modenbegrenzung (mode confinement) in dem CRF 700 die Einfügungsdämpfung und die Qualitätsfaktoren der ungeraden und geraden Moden verbessert, verglichen zu einem bekannten CRF (ohne eine Brücke).
7B zeigt eine Brücke 702', die innerhalb der zweiten piezoelektrischen Schicht 112 bereit gestellt ist. Die Brücke 702' ist mit einem Material „gefüllt“ (z.B. NEBSG oder ein anderes vorstehend beschriebenes Material), um eine Diskontinuität der akustischen Impedanz bereit zu stellen. Die Brücke 702' ist um den Umfang der aktiven Region 114 des CRF 700 angeordnet und fördert eine Eingrenzung von Moden in der aktiven Region 114 des CRF 700. Auf vorteilhafte Weise stellt die Verwendung einer gefüllten Brücke eine mechanisch stabilere Struktur zur Verfügung.
Es ist anzumerken, dass jeder der FBAR 100, DBAR 200 bis 400 und CRF 500 bis 700 vielfältige zusätzliche Merkmale enthalten kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Zum Beispiel kann eine innere erhobene Region und/oder eine äußere erhobene Region auf einer oberen Oberfläche der oberen Elektrode (z.B. der zweiten Elektrode 101 in den 1A bis 1C, der dritten Elektrode 101 in den 2A bis 4B, der vierten Elektrode 101 in den 5A bis 7B) in der aktiven Region 114 enthalten sein. Die innere erhobene Region kann von den Kanten der aktiven Region oder von einer inneren Kante der äußeren erhobenen Region mittels einer Lücke (gap) getrennt sein. Einzelheiten über solche innere und äußere erhobene Regionen, einschließlich illustrativer Dicken- und Breitendimensionen von entsprechenden Lücken, sind in der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung US 2012/0248941 A1 von Shirakawa et al. mit dem Titel „Stacked Bulk Acoustic Resonator and Method of Fabricating Same“, eingereicht am 29 März 2011 beschrieben, deren Offenbarung hiermit durch Inbezugnahme in dieses Dokument aufgenommen ist. Die Kombination von den Brücken, den inneren erhobenen Regionen und/oder den äußeren erhobenen Regionen verbessert weiter eine Modeneingrenzung in der aktiven Region (z.B. der aktiven Region 114) der repräsentativen FBAR 100, DBAR 200 bis 400 und CRF 500 bis 700.

Claims

Eine Bulk Acoustic Wave, BAW, Resonator Struktur (100), aufweisend eine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist, eine zweite Elektrode (101), welche über der piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist, und eine Brücke (104, 104'), welche innerhalb der piezoelektrischen Schicht (108) verborgen ist, wobei die Brücke (104, 104') zumindest einen Teil eines Umfangs entlang einer aktiven Region (114) der BAW Resonator Struktur (100) definiert.
Die BAW Resonator Struktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Brücke eine ungefüllte Brücke (104) aufweist, die Luft enthält.
Die BAW Resonator Struktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Brücke eine gefüllte Brücke (104') aufweist, die ein dielektrisches Material enthält.
Die BAW Resonator Struktur (100) gemäß Anspruch 3, wobei das dielektrisches Material eines von nicht ätzbarem Borosilikat Glas (NEBSG), Kohlenstoff dotiertem Siliziumdioxid (CDO) oder Siliziumkarbid (SiC) aufweist.
Die BAW Resonator Struktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Brücke eine gefüllte Brücke (104') aufweist, die ein Metall enthält.
Die BAW Resonator Struktur gemäß Anspruch 5, wobei das Metall eines von Wolfram (W), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu) oder Iridium (Ir) aufweist.
Die BAW Resonator Struktur (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Brücke (104, 104') eine trapezförmige Querschnittsform hat.
Eine Bulk Acoustic Wave, BAW, Resonator Struktur (200), aufweisend eine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist, eine erste piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, eine zweite Elektrode (111), welche über der ersten piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist, eine zweite piezoelektrische Schicht (112), welche über der zweiten Elektrode (111) angeordnet ist, eine dritte Elektrode (101), welche über der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) angeordnet ist, und eine erste Brücke (201; 202), welche innerhalb einer von der ersten piezoelektrischen Schicht (108) und der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) verborgen ist.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß Anspruch 8, wobei die erste Brücke eine ungefüllte Brücke (201) aufweist, die Luft enthält.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner aufweisend eine zweite Brücke (202; 201), welche innerhalb der anderen von der ersten piezoelektrischen Schicht (108) und der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) verborgen ist.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß Anspruch 10, wobei zumindest eine von der ersten Brücke (201) und von der zweiten Brücke (202) eine ungefüllte Brücke (201; 202) aufweist, die Luft enthält.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß Anspruch 10, wobei zumindest eine von der ersten Brücke (201) und von der zweiten Brücke (202) eine gefüllte Brücke (201', 202') aufweist, die ein Füllungsmaterial enthält, welches eine akustische Impedanz hat.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß Anspruch 12, wobei das Füllungsmaterial eines von einem dielektrischen Material oder einem Metall aufweist.
Eine Bulk Acoustic Wave, BAW, Resonator Struktur (500), aufweisend einen ersten BAW Resonator aufweisend eine erste Elektrode (107), eine erste piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist, und eine zweite Elektrode (111), welche über der ersten piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist, eine akustische Kopplungsschicht (116), welche über der zweiten Elektrode (111) des ersten BAW Resonators angeordnet ist, wobei die akustische Kopplungsschicht (116) konfiguriert ist, um Passband Charakteristiken der BAW Resonator Struktur (500) zu bestimmen, einen zweiten BAW Resonator aufweisend eine dritte Elektrode (117), welche über der akustischen Kopplungsschicht (116) angeordnet ist, eine zweite piezoelektrische Schicht (112), welche über der dritten Elektrode (117) angeordnet ist, und eine vierte Elektrode (101), welche über der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) angeordnet ist, und eine erste Brücke (501; 502), welche innerhalb einer von der ersten piezoelektrischen Schicht (108) des ersten BAW Resonators und von der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) des zweiten BAW Resonators verborgen ist.
Die BAW Resonator Struktur (500) gemäß Anspruch 14, wobei die erste Brücke eine ungefüllte Brücke (501, 502) aufweist, die Luft enthält.
Die BAW Resonator Struktur (200) gemäß Anspruch 14, ferner aufweisend eine zweite Brücke (502; 501), welche innerhalb der anderen von der ersten piezoelektrischen Schicht (108) des ersten BAW Resonators und von der zweiten piezoelektrischen Schicht (112) des zweiten BAW Resonators verborgen ist.
Die BAW Resonator Struktur (500) gemäß Anspruch 16, wobei zumindest eine von der ersten Brücke und von der zweiten Brücke eine ungefüllte Brücke (501, 502) aufweist, die Luft enthält.
Die BAW Resonator Struktur (500) gemäß Anspruch 16, wobei zumindest eine von der ersten Brücke und von der zweiten Brücke eine gefüllte Brücke (501', 502') aufweist, die ein Füllungsmaterial enthält, welches eine akustische Impedanz hat.
Die BAW Resonator Struktur (500) gemäß Anspruch 18, wobei das Füllungsmaterial eines von einem dielektrischen Material oder einem Metall aufweist.
Die BAW Resonator Struktur (500) gemäß Anspruch 17, wobei die akustische Kopplungsschicht (116) zumindest eines von Kohlenstoff dotiertem Siliziumdioxid (CDO) und von nicht ätzbarem Borosilikat Glas (NEBSG) aufweist.