DE102014107592B4

DE102014107592B4 - Bulk-Akustik-Wave Resonator mit piezoelektrischer Schicht mit variierenden Mengen an Dotiermittel

Info

Publication number: DE102014107592B4
Application number: DE102014107592.7A
Authority: DE
Inventors: Kevin J. Grannen; John Choy
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: DE102014107592A1; US9602073B2; US20140354109A1

Abstract

Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatorstruktur (300, 500), umfassend:
eine erste Elektrode (307), die über einem Substrat (305) angeordnet ist;
eine piezoelektrische Schicht (308), die über der ersten Elektrode (307) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (308) eine einzelne Schicht (408B) umfasst, die undotiertes piezoelektrisches Material und dotiertes piezoelektrisches Material umfasst, wobei das dotierte piezoelektrische Material unterschiedlich mit piezoelektrischem Material mit variierenden Atomprozentsätzen an dem mindestens einen Seltenerdelement dotiert ist, zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (308) und zur Verringerung der Druckbeanspruchung; und
eine zweite Elektrode (301), die über der piezoelektrischen Schicht (308) angeordnet ist.

Description

Transducer wandeln im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale um. Akustische Transducer wandeln insbesondere elektrische Signale in akustische Signale (akustische Wellen) um und wandeln empfangene akustische Wellen in elektrische Signale über inverse und direkte piezoelektrische Effekte um. Akustische Transducer beinhalten im Allgemeinen akustische Resonatoren, wie zum Beispiel akustische Oberflächenwellen (surface acoustic wave, SAW) Resonatoren und Bulk-akustische Wellen bzw. Bulk-Akustik-Wave (bulk acoustic wave, BAW) Resonatoren, und können in einer breiten Vielzahl von elektronischen Anwendungen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), elektronische Spielegeräte, Laptop-Computer und andere tragbare Kommunikationsgeräte, verwendet werden. BAW-Resonatoren beinhalten zum Beispiel Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBARs), die Resonatorstapel beinhalten, die über einem Substrathohlraum gebildet sind, und fest montierte Resonatoren (solidly mounted resonators, SMRs), die Resonatorstapel beinhalten, die über einem akustischen Reflektor (z.B. einem Bragg-Spiegel) gebildet sind. Die BAW-Resonatoren können zum Beispiel für elektrische Filter und Spannungstransformatoren verwendet werden.
Im Allgemeinen weist ein akustischer Resonator eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden), die auf einer dünnen Membran gebildet werden können, auf. Das piezoelektrische Material kann ein dünner Film von verschiedenartigen Materialen sein, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Dünne, aus AlN gemachte Filme sind vorteilhaft, da sie im Allgemeinen piezoelektrische Eigenschaften bei hohen Temperaturen (z.B. über 400 °C) beibehalten. Jedoch hat AlN einen niedrigeren piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ als zum Beispiel sowohl ZnO als auch PZT.
Ein dünner AlN-Film kann mit verschiedenartigen spezifischen Kristallorientierungen abgeschieden werden, einschließlich einer Wurtzit (0001) B4-Struktur, die aus einer hexagonalen Kristallstruktur mit abwechselnden Schichten von Aluminium (Al) und Stickstoff (N) besteht, und einer Zinkblende-Struktur, die aus einer symmetrischen Struktur von Al- und N-Atomen besteht, zum Beispiel. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Modells der herkömmlichen Wurtzit-Struktur. Auf Grund der Natur der Al-N Bindung in der Wurtzit-Struktur, gibt es eine Polarisation des elektrischen Felds in dem AlN-Kristall, was zu den piezoelektrischen Eigenschaften des dünnen AlN-Films führt. Um diese Polarisation und den entsprechenden piezoelektrischen Effekt auszunutzen, muss man das AlN mit einer spezifischen Kristallorientierung synthetisieren.
Unter Bezugnahme auf 1 sind die a-Achse und die b-Achse in der Ebene des Hexagons am oberen Ende, während die c-Achse parallel zu den Seiten der Kristallstruktur ist. Bei AlN beträgt der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ entlang der c-Achse zum Beispiel ungefähr 3,9 pm/V. Im Allgemeinen ist ein hoher piezoelektrischer Koeffizient d₃₃ gewünscht, weil je höher der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ ist, desto weniger Material wird benötigt, um für den gleichen piezoelektrischen Effekt zu sorgen. Um den Wert des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ zu verbessern, können einige der Al-Atome durch ein anderes metallisches Element ersetzt werden, was als „Dotieren“ bezeichnet werden kann. Zum Beispiel haben frühere Bemühungen zur Verbesserung des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ das Stören der stöchiometrischen Reinheit des AlN-Kristallgitters durchweg durch die gesamte piezoelektrische Schicht durch Zugabe von Seltenerdelementen an Stelle einiger Al-Atome beinhaltet.
Zusammenfassung
In Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform beinhaltet eine Bulk-Akustik-Wave (bulk acoustic wave, BAW) Resonatorstruktur eine erste Elektrode, die über einem Substrat angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht beinhaltet undotiertes piezoelektrisches Material und dotiertes piezoelektrisches Material, wobei das dotierte piezoelektrische Material mit mindestens einem Seltenerdelement dotiert ist, zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht und zur Verringerung der Druckbeanspruchung (compressive stress).
In Übereinstimmung mit einer weiteren repräsentativen Ausführungsform beinhaltet eine Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonator (thin film bulk acoustic resonator, FBAR) Struktur ein Substrat, das einen Hohlraum umgrenzt bzw. definiert, eine erste Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Mindestens ein Teil bzw. Abschnitt der ersten Elektrode ist über dem Hohlraum in dem Substrat gebildet. Die piezoelektrische Schicht beinhaltet eine undotierte Teilschicht (Unterschicht, sub-layer), die aus undotiertem Aluminiumnitrid (AlN) Material gebildet ist, und eine erste dotierte Teilschicht (Unterschicht, sub-layer), die aus einem ersten dotierten AlN-Material gebildet ist, wobei das erste dotierte AlN-Material mit einem ersten Atomprozentsatz an einem Seltenerdelement dotiert ist.
In Übereinstimmung mit einer weiteren repräsentativen Ausführungsform beinhaltet eine fest montierte Resonator (solidly mounted resonator, SMR) Struktur ein Substrat, einen akustischen Reflektor (Spiegel), der auf dem Substrat gebildet ist, eine erste Elektrode, die über dem akustischen Reflektor angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Der akustische Reflektor beinhaltet eine Vielzahl an akustischen Impedanzschichten, wobei mindestens zwei der akustischen Impedanzschichten verschiedene akustische Impedanzen aufweisen. Die piezoelektrische Schicht beinhaltet eine undotierte Teilschicht (Unterschicht, sub-layer), die aus undotiertem Aluminiumnitrid (AlN) Material gebildet ist, und eine erste dotierte Teilschicht (Unterschicht, sub-layer), die aus einem ersten dotierten AlN-Material gebildet ist, wobei das erste dotierte AlN-Material mit einem ersten Atomprozentsatz an einem Seltenerdelement dotiert ist.
Figurenliste
Die veranschaulichenden Ausführungsformen können aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein, um Klarheit in der Diskussion zu haben. Wo immer anwendbar und zweckmäßig, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Modells einer Kristallstruktur von Aluminiumnitrid (AlN).
2A und 2B sind Querschnittsansichten eines repräsentativen dünnen Films auf einem Substrat, der Zug- bzw. Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist.
3A zeigt eine Draufsicht eines Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonators (FBAR) mit einer piezoelektrischen Schicht, die aus undotierten und dotierten Teilschichten gebildet ist, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
3B ist eine Querschnittsansicht von dem FBAR entlang der Linie 3B-3B von 3A mit einer piezoelektrischen Schicht, die aus undotierten und dotierten Teilschichten gebildet ist, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
4A und 4B sind Querschnittsansichten von piezoelektrischen Schichten, die aus undotierten und dotierten Abschnitten gebildet sind, in Übereinstimmung mit alternativen repräsentativen Ausführungsformen.
5 ist eine Querschnittsansicht eines fest montierten Resonators (SMR) mit einer piezoelektrischen Schicht, die aus undotierten und dotierten Teilschichten gebildet ist, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
6 ist ein Graph, der Spuren zeigt, die Kopplungskoeffizienten von piezoelektrischen Schichten zu Vergleichszwecken darstellen, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegenden Lehren betreffen im Allgemeinen BAW-Resonatorgeräte, die verschiedene Filter (z.B. Abzweigfilter) und andere Geräte bereitstellen können. Bestimmte Details über BAW-Resonatoren, einschließlich FBARs, SMRs und Resonatorfilter, deren Materialien und deren Herstellungsverfahren können in einer oder mehreren der folgenden, gemeinschaftlich gehörenden US-Patenten und Patentanmeldungen gefunden werden: US 6,107,721 von Lakin; US 5,587,620 , US 5,873,153 , US 6,507,983 , US 6,384,697 , US 7,275,292 und US 7,629,865 von Ruby et al.; US 7,280,007 von Feng et al.; US 2007/0205850 von Jamneala et al.; US 7,388,454 von Ruby et al.; US 2010/0327697 von Choy et al.; und US 2010/0327994 von Choy et al.. Die gesamten Inhalte dieser Patente und Patentanmeldungen werden hiermit unter Bezugnahme aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen offenbart sind, stellvertretend sind und andere Herstellungsverfahren und Materialien werden innerhalb des Bereichs von einem Durchschnittsfachmann in Betracht gezogen.
Verschiedene Ausführungsformen betreffen das Bereitstellen eines dünnen Films an piezoelektrischem Material (piezoelektrische Schicht), wie zum Beispiel AlN, mit einem erhöhten piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einem erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt², indem ein oder mehrere Seltenerdelemente in das Kristallgitter eines Abschnitts (Teils) der piezoelektrischen Schicht eingebaut werden. Das bedeutet, dass die piezoelektrische Schicht mehrere Teilschichten (Unterschichten) beinhalten kann, wobei mindestens eine Teilschicht aus einem stöchiometrischen AlN-Material gebildet ist (undotierte AlN-Teilschicht) und mindestens eine weitere Teilschicht aus einem AlN-Material, das mit einem Seltenerdelement dotiert ist, gebildet ist (dotierte AlN-Teilschicht). Alternativ dazu kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die verschiedene (z.B. abgestufte, gestaffelte) Ebenen (Gehalte, Grade) an Dotierung durchweg der Dicke der piezoelektrischen Schicht beinhaltet. Zum Beispiel kann sich der Atomprozentsatz eines Seltenerdelements stufenweise (graduell) über die Dicke der piezoelektrischen Schicht ändern. Zum Beispiel kann die piezoelektrische Schicht undotiertes AlN-Material an dem unteren Ende beinhalten mit stufenweise (graduell) zunehmenden Atomprozentsätzen eines Seltenerdelements, das über die Dicke der piezoelektrischen Schicht zugegeben ist. Durch Einbauen bzw. Einfügen spezifischer Atomprozentsätze der mehreren Seltenerdelemente werden die piezoelektrischen Eigenschaften von dem AlN, einschließlich des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einem erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt², verbessert, verglichen mit vollständig stöchiometrischem (undotiertem) AlN. Auch sorgt das Vorhandensein des undotierten Abschnitts der piezoelektrischen Schicht für eine mechanische Stabilität, die ein Biegen zum Beispiel, wie unter Bezugnahme auf 2A und 2B besprochen, verhindert.
Wie oben erwähnt, kann das AlN-Material mit Scandium (Sc) zum Beispiel dotiert sein, wodurch eine AlScN-Verbindung mit einem vorgegebenen Atomprozentsatz an Sc erzeugt wird. Das Sc-Atom hat einen Atomradius, der größer als der Atom-Radius des Al-Atoms ist, was zu einer Sc-N Bindungslänge (2,25 Å) führt, die größer als die Al-N Bindungslänge (1,90 Å) ist. Dieser Unterschied bei den Bindungslängen verursacht eine Belastung (Stress) in dem sich ergebenden AlScN-Material.
Auch kann ein dünner Film von piezoelektrischem Material, wie zum Beispiel AlN, das auf einem Substrat aufgetragen (abgeschieden) ist (z.B. unter Bildung einer piezoelektrischen Schicht) in einem Zugzustand von Stress oder einem Druckzustand von Stress sein. Der Stresszustand (Belastungszustand, Beanspruchungszustand) des dünnen Films wird teilweise durch die Abscheidungsbedingungen und das Substrat bestimmt. Zum Beispiel führt das Anlegen eines negativen Potentials an das Substrat zu positiven Ionen von dem Plasma, das den wachsenden Film bombardiert, was verursacht, dass der Film eine Druckbeanspruchung zeigt. Diese Druckbeanspruchung kommt von dem „hämmernden“ Effekt (Kugelstrahleffekt, Peening-Effekt) der bombardierenden Ionen.
2A und 2B sind Querschnittsansichten von repräsentativen dünnen Filmen auf einem Substrat. Der dünne Film 208A, der auf dem Substrat 205 abgeschieden ist, zeigt eine Zugbeanspruchung in 2A, wie durch die nach außen zeigenden Pfeile angedeutet, und der dünne Film 208B, der auf dem Substrat 205 abgeschieden ist, zeigt eine Druckbeanspruchung in 2B, wie durch die nach innen zeigenden Pfeile angedeutet. Die Zugbeanspruchung führt dazu, dass das Substrat 205 nach oben gebogen wird, während die Druckbeanspruchung dazu führt, dass das Substrat 205 nach unten gebogen wird. Wenn die dünnen Filme 208A, 208B und das Substrat 205 getrennt wären und sich die dünnen Filme 208A, 208B in ihren unbeanspruchten Zustand entspannen dürften, würde sich der dünne Film 208A zusammenziehen, so dass er kürzer als das laterale Ausmaß des Substrats 205 wäre, wie in der oberen Abbildung in 2A gezeigt, und der dünne Film 208B würde sich ausdehnen, so dass er länger als das laterale Ausmaß des Substrats 205 wäre, wie in der oberen Abbildung in 2B gezeigt. Um die dünnen Filme 208A, 208B passend zu dem Ausmaß des Substrats 205 zu machen, muss im Allgemeinen Zugbeanspruchung an den dünnen Film 208A, der kleiner im lateralen Ausmaß als das Substrat 205 ist, angelegt werden und Druckbeanspruchung muss an den dünnen Film 208B, der größer als das Substrat 205 ist, angelegt werden.
Wenn der dünne AlN-Film mit einem Seltenerdelement dotiert wird, nimmt im Allgemeinen die Druckbeanspruchung auf den dünnen AlN-Film mit zunehmendem Atomprozentsatz des Seltenerdelements zu. Die Zunahme der Druckbeanspruchung kann dazu führen, dass das Wafer-Substrat, auf dem der dünne AlN-Film gebildet ist, gebogen wird, wie zum Beispiel in 2B gezeigt, in solch einem großen Ausmaß, dass es nicht mehr durch photolithographische Mittel verarbeitet werden kann. Weiterhin hängt der Kopplungskoeffizient kt² eines dotierten dünnen AlN-Films teilweise von der Menge an Belastung ab, die der dünne AlN-Film erfährt. Der Kopplungskoeffizient kt² variiert im Allgemeinen linear mit der Menge an Belastung in dem dotierten dünnen AlN-Film, wobei der Kopplungskoeffizient kt² um ungefähr 0,1 Prozent zunimmt bei jeder Zunahme der Belastung um 100 MPa. Demzufolge ist eine gleichförmige Menge an Belastung über den Wafer erwünscht. Anderenfalls erfüllen die Geräte nicht die Produktspezifikationen. Um dotierte dünne AlN-Filme zur Konstruktion von BAW-Geräten zum Beispiel zu verwenden, sollten die Auswirkung des absoluten Grades an Belastung sowie die Variation der Belastung über den Wafer auf einem Minimum sein. Dies kann erreicht werden, indem undotiertes und dotiertes AlN innerhalb des dünnen Films enthalten ist, wie unten besprochen.
3A zeigt eine Draufsicht von FBAR 300 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Das FBAR 300 beinhaltet eine obere Elektrode 301, die fünf (5) Seiten hat, mit einer Verbindungsseite 302, die konfiguriert ist, um für eine elektrische Verbindung zu einem Verbinder (interconnect) 303 zu sorgen. Der Verbinder 303 stellt elektrische Signale an die obere Elektrode 301 bereit, um die gewünschten akustischen Wellen in einer piezoelektrischen Schicht (nicht gezeigt in 3) von dem FBAR 300 anzuregen.
3B zeigt eine Querschnittsansicht von dem FBAR 300 entlang der Linie 3B-3B in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Der FBAR 300 beinhaltet einen akustischen Stapel 310, der aus mehreren Schichten über einem Substrat 305 (z.B. einem Wafer) mit einem Hohlraum 306 gebildet ist. Eine erste oder untere Elektrode 307 ist über dem Substrat 305 angeordnet und erstreckt sich über den Hohlraum 306. Eine Planarisierungsschicht 307' ist auch über dem Substrat vorgesehen, wie gezeigt. In einer repräsentativen Ausführungsform beinhaltet die Planarisierungsschicht 307' zum Beispiel nicht-ätzbares Borosilikatglas (NEBSG). Im Allgemeinen muss die Planarisierungsschicht 307' nicht in der Struktur vorliegen (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht), aber wenn sie vorhanden ist, kann sie die Qualität des Wachstums von darauffolgenden Schichten verbessern und deren Verarbeitung vereinfachen. Eine piezoelektrische Schicht 308 ist über der unteren Elektrode 307 angeordnet und eine zweite oder obere Elektrode 301 (in 3A gezeigt) ist über der piezoelektrischen Schicht 308 angeordnet. Wie von einem Durchschnittsfachmann anerkannt werden sollte, bildet die Struktur, die durch die untere Elektrode 307, die piezoelektrischen Schicht 308 und die obere Elektrode 301 bereitgestellt wird, den akustischen Stapel 310 eines BAW-Resonators.
Das Substrat 305 kann aus verschiedenen Arten an Materialen gebildet sein, einschließlich Halbleitermaterialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie zum Beispiel Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen, das zum Integrieren von Verbindungen und Elektronik geeignet ist und somit die Größe und die Kosten verringert. Veranschaulichend sind die untere Elektrode 307 und die obere Elektrode 301 aus Wolfram (W) mit einer Dicke von ungefähr 1000 Ä bis ungefähr 10000 Ä gebildet. Andere Materialien können für die untere Elektrode 307 und die obere Elektrode 301 verwendet werden, einschließlich - aber nicht darauf beschränkt - Molybdän (Mo) oder ein Bimetallmaterial. Der Hohlraum 306 kann unter Verwendung eines Opfermaterials, wie zum Beispiel Phosphosilikatglas (PSG), gebildet werden, das anschließend entfernt wird. Die untere Elektrode 307 kann auf die obere Oberfläche des Substrats 305 und des Opfermaterials, das anfangs den Hohlraum 315 ausfüllt, aufgebracht werden bzw. die obere Elektrode 301 kann auf die obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 308 aufgebracht werden unter Verwendung einer Aufschleuder- (spin-on), Sputter- (Zerstäubungs-), Verdampfungs- oder chemischen Gasphasenabscheidungs- (CVD) Technik zum Beispiel bis zur gewünschten Dicke.
Die piezoelektrische Schicht 308 ist eine Kombination von undotiertem piezoelektrischen Material und dotiertem piezoelektrischen Material, wobei das dotierte piezoelektrische Material mit mindestens einem Seltenerdelement dotiert sein kann. Das Kombinieren des undotierten und dotierten piezoelektrischen Materials verbessert die piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht 308, wie zum Beispiel eine Erhöhung des Kopplungskoeffizienten kt² über den Wert eines vollständig undotierten piezoelektrischen Materials. Gleichzeitig führt das undotierte und dotierte piezoelektrische Material zu einer Verringerung und gleichmäßigeren Verteilung von Belastung (Beanspruchung, Stress) in der piezoelektrischen Schicht 308, wodurch die gesamte Druckbeanspruchung verringert wird und die Druckbeanspruchung gleichmäßiger über das Substrat 305 verteilt wird.
In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die piezoelektrische Schicht 308 eine erste Teilschicht (Unterschicht) 308-1 und eine zweite Teilschicht 308-2, die in dieser Reihenfolge auf der unteren Elektrode 307 gestapelt sind. Die ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 werden in getrennten Verarbeitungsschritten gebildet und stellen zusammen die piezoelektrische Schicht 308 bereit. Die erste Teilschicht 308-1 wird aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet, wie zum Beispiel standardmäßiges stöchiometrisches AlN, während die zweite Teilschicht 308-2 aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet wird, wie zum Beispiel AlN, das zum Beispiel mit mindestens einem von Sc oder Y dotiert ist. Alternativ kann die erste Teilschicht 308-1 aus dem dotierten piezoelektrischen Material gebildet werden und die zweite Teilschicht 308-2 kann aus dem undotierten piezoelektrischen Material gebildet werden. Selbstverständlich können andere piezoelektrische Materialien und/oder Seltenerdelemente oder Kombinationen von zwei oder mehr Seltenerdelementen in den ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 eingebaut werden, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Im Allgemeinen kann der Stresszustand (Belastungszustand, Beanspruchungszustand) von jeder der ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 „eingestellt“ werden, um einen gesamten akustischen Stapel 310 zu ergeben, der einen Belastungsgrad aufweist, der mit anderen Herstellungsschritten kompatibel ist, sowie einen akzeptablen Belastungswert über den Wafer aufweist, wie zum Beispiel unten in Bezug auf Tabelle 1 besprochen. Darüber hinaus kann die Dicke von jeder der ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 variiert werden, um einen gewünschten Kopplungskoeffizienten kt² bereitzustellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die piezoelektrische Schicht 308 eine gesamte Schichtdicke von ungefähr 5000 Ä bis ungefähr 25000 Ä haben und jede der ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 kann etwa die Hälfte der gesamten Dicke ausmachen, so dass zum Beispiel eine Teilschicht eine Dicke von ungefähr 2500 Ä bis ungefähr 12500 Ä hat. Die jeweiligen Dicken der ersten und zweiten Teilschichten 308-1 und 308-2 können in jedem Verhältnis variieren, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führt. Zum Beispiel, unter der Annahme, dass die erste Teilschicht 308-1 aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist und die zweite Teilschicht 308-2 aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist, wenn die erste Teilschicht 308-1 dicker als die zweite Teilschicht 308-2 ist (z.B. 75 Prozent erste Teilschicht 308-1 und 25 Prozent zweite Teilschicht 308-2), weist die sich ergebende piezoelektrische Schicht 308 im Allgemeinen eine niedrigere und gleichmäßiger verteilte Druckbeanspruchung auf, aber weist eine geringere Verbesserung bei dem Kopplungskoeffizienten kt² gegenüber einer piezoelektrischen Schicht, die vollständig aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist. Im Vergleich dazu, wenn die erste Teilschicht 308-1 dünner als die zweite Teilschicht 308-2 ist (z.B. 25 Prozent erste Teilschicht 308-1 und 75 Prozent zweite Teilschicht 308-2), erfährt die sich ergebende piezoelektrische Schicht 308 eine größere Verbesserung bei dem Kopplungskoeffizienten kt², aber weist eine höhere und weniger gleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung auf.
Ebenso kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Atomprozentsatz des Seltenerdelements bzw. der Seltenerdelemente in dem dotierten piezoelektrischen Material variiert werden, um die Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht 308 zu beeinflussen. Zum Beispiel, unter der Annahme, dass die erste Teilschicht 308-1 aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist und die zweite Teilschicht 308-2 aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist, je höher die Konzentration des Seltenerdelements in der zweiten Teilschicht 308-2 ist, z.B. von etwa 0,5 Atomprozent des piezoelektrischen Materials bis zu etwa 40 Atomprozent des piezoelektrischen Materials, desto größer ist die Verbesserung bei dem Kopplungskoeffizienten kt² der piezoelektrischen Schicht 308 gegenüber einer piezoelektrischen Schicht, die vollständig aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist. Jedoch ist die Druckbeanspruchung höher und weniger gleichmäßig verteilt mit zunehmendem Atomprozentsatz des Seltenerdelements. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn der Atomprozentsatz des Seltenerdelements relativ hoch ist in einer dünnen zweiten Teilschicht 308-2, z.B. in einem Bereich von etwa 30 Atomprozent bis etwa 40 Atomprozent, kann die sich ergebende piezoelektrische Schicht 308 eine wünschenswerte Ausgewogenheit zwischen verbessertem Kopplungskoeffizienten kt² und verbesserten Druckbeanspruchungseigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann die erste Teilschicht 308-1 wesentlich dicker als die zweite Teilschicht 308-2 sein (z.B. 90 Prozent erste Teilschicht 308-1 und 10 Prozent zweite Teilschicht 308-2), um für eine sehr geringe und gleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung zu sorgen, während die zweite Teilschicht 308-2 einen relativ hohen Atomprozentsatz eines Seltenerdelements aufweisen kann (z.B. etwa 40 Atomprozent), um immer noch für einen verbesserten Kopplungskoeffizienten kt² zu sorgen. Oder die erste Teilschicht 308-1 und die zweite Teilschicht 308-2 können in etwa die gleiche Dicke haben, um für verbesserte Druckbeanspruchungseigenschaften zu sorgen, während die zweite Teilschicht 308-2 einen relativ kleinen Atomprozentsatz eines Seltenerdelements aufweisen kann (z.B. weniger als etwa 10 Atomprozent), um für einen verbesserten Kopplungskoeffizienten kt² zu sorgen. Im Allgemeinen variiert der Atomprozentsatz des Seltenerdelements bzw. der Seltenerdelemente umgekehrt zu der Dicke der Teilschicht, die das dotierte piezoelektrische Material umfasst, um für die wünschenswerte Ausgewogenheit zwischen Druckbeanspruchung und Kopplungskoeffizienten kt² zu sorgen. Selbstverständlich kann die Ausgewogenheit zwischen Druckbeanspruchung und Kopplungskoeffizienten kt² variiert werden, um einzigartige Vorteile für jede besondere Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Designanforderungen von verschiedenartigen Anwendungen zu erfüllen, wie einem Durchschnittsfachmann ersichtlich wäre.
Wenn das dotierte piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht 308 dotiertes AlN umfasst, sind eine Anzahl an Al-Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch ein Seltenerdelement zu einem vorgegebenen Prozentsatz ersetzt, was auch als ein „dotierendes Element“ bezeichnet wird. In alternativen Konfigurationen kann eine Anzahl an Al-Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch mehr als eine Art von Seltenerdelement zu jeweils vorgegebenen Prozentsätzen ersetzt sein. Da die dotierenden Elemente ausschließlich Al-Atome (z.B. von einem Al-Target) ersetzen, bleibt der Prozentsatz an Stickstoffatomen in dem piezoelektrischen Material im Wesentlichen gleich, ungeachtet der Menge an Dotierung. Wenn Prozentsätze von dotierenden Elementen hierin besprochen werden, ist es in Bezug auf die gesamten Atome (einschließlich Stickstoff) des piezoelektrischen AlN-Materials. Die Seltenerdelemente beinhalten Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praesodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), wie einem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Die verschiedenen Ausführungsformen ziehen den Einbau von jedem einen oder mehreren Seltenerdelement(en) in Erwägung, auch wenn hierin spezifische Beispiele besprochen werden.
Gemäß verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann das undotierte und dotierte piezoelektrische Material in einer Vielzahl an Wegen in eine piezoelektrische Schicht eingebracht werden. Zum Beispiel kann die piezoelektrische Schicht aus einer undotierten Teilschicht, die aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist, und einer dotierten Teilschicht, die aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist, gebildet werden, wie oben unter Bezugnahme auf 3B besprochen. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht mehrere undotierte Teilschichten, die aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet sind, und/oder mehrere dotierte Teilschichten, die aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet sind, beinhalten. Weiterhin kann die piezoelektrische Schicht keine Teilschichten beinhalten, wobei in diesem Fall die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht an piezoelektrischem Material mit undotierten und dotierten Abschnitten ist, die durch Variieren der Menge an Dotierung während des Bildungsvorgangs gebildet werden, wie unten besprochen.
4A zeigt eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Schicht 408A, die aus mehr als zwei undotierten und/oder dotierten piezoelektrischen Materialien gebildet sind, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. 4B zeigt eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Schicht 408B, die aus einer einzelnen Schicht mit variierenden Mengen an Dotiermittel innerhalb des piezoelektrischen Materials gebildet ist, in Übereinstimmung mit einer weiteren repräsentativen Ausführungsform. Die piezoelektrischen Schichten 408A und 408B können in dem oben besprochenen akustischen Stapel 310 an Stelle der piezoelektrischen Schicht 308 enthalten sein.
Unter Bezugnahme auf 4A beinhaltet die piezoelektrische Schicht 408A eine repräsentative erste Teilschicht 408A-1, zweite Teilschicht 408A-2, dritte Teilschicht 408A-3 und vierte Teilschicht 408A-4, die in dieser Reihenfolge auf einer unteren Elektrode, wie zum Beispiel die untere Elektrode 307, gestapelt sind. Die ersten bis vierten Teilschichten 408A-1 bis 408A-4 werden in getrennten Bearbeitungsschritten gebildet, um gemeinsam die piezoelektrische Schicht 408A bereitzustellen. Mindestens eine von der ersten bis vierten Teilschichten 408A-1 bis 408A-4 ist aus undotiertem piezoelektrischen Material, wie zum Beispiel AlN, gebildet, und mindestens eine andere von der ersten bis vierten Teilschichten 408A-1 bis 408A-4 ist aus dotiertem piezoelektrischen Material, wie zum Beispiel AlScN, gebildet. Als ein Beispiel kann die erste Teilschicht 408A-1 aus undotiertem AlN-Material gebildet sein, während die zweiten bis vierten Teilschichten 408A-2 bis 408A-4 aus AlN-Material, das mit variierenden Atomprozentsätzen an Sc dotiert ist, gebildet sein können. Zum Beispiel können die zweiten bis vierten Teilschichten 408A-2 bis 408A-4 aus dotiertem AlN-Material mit inkrementell zunehmenden Atomprozentsätzen an dem Sc gebildet sein, wobei die zweite Teilschicht 408A-2 den niedrigsten Atomprozentsatz an Sc aufweist und die vierte Teilschicht 408A-4 den höchsten Atomprozentsatz an Sc aufweist. Dies ist schematisch durch die zunehmende Dichte der Punkte in den jeweiligen zweiten bis vierten Teilschichten 408A-2 bis 408A-4 der piezoelektrischen Schicht 408A angedeutet.
Selbstverständlich können in alternativen Konfigurationen die zweiten bis vierten Teilschichten 408A-2 bis 408A-4 aus dotiertem AlN-Material mit inkrementell abnehmenden Atomprozentsätzen an Sc gebildet sein oder mit Atomprozentsätzen an Sc, die lediglich voneinander verschieden sind ohne notwendigerweise zunehmend oder abnehmend zu sein. Als ein weiteres Beispiel können die ersten bis vierten Teilschichten 408A-1 bis 408A-4 abwechseln zwischen undotiertem AlN-Material und dotiertem AlN-Material, wie zum Beispiel AlScN, wobei das dotierte AlN-Material (z.B. in den zweiten und vierten Teilschichten 408A-2 und 408A-4) den gleichen oder verschiedene Atomprozentsätze an Sc aufweisen können. Die Anzahl der Teilschichten sowie die Anzahl und Arten der Dotierungsmittel können variieren, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Zum Beispiel können mehrfach dotierte Teilschichten piezoelektrisches Material enthalten, das mit voneinander verschiedenen Seltenerdelementen dotiert ist, piezoelektrisches Material, das mit verschiedenen Atomprozentsätzen an dem gleichen oder verschiedenen Seltenerdelementen dotiert ist, oder dotierte und/oder undotierte Teilschichten können verschiedene piezoelektrische Materialien enthalten.
Unter Bezugnahme auf 4B beinhaltet die piezoelektrische Schicht 408B eine einzelne Schicht mit repräsentativen undotierten und dotierten Abschnitten bzw. Teilen, die auf einer unteren Elektrode gebildet ist, wie zum Beispiel die untere Elektrode 307. Die piezoelektrische Schicht 408B wird in einem einzelnen Bearbeitungsschritt gebildet, bei dem die Mange an Dotiermittel im Verlauf des Bearbeitungsschritts eingestellt bzw. angepasst wird. Das bedeutet, dass die piezoelektrischen Schicht 408B eine einzelne Schicht von unterschiedlich dotiertem piezoelektrischen Material, wie zum Beispiel AlN, beinhaltet mit variierenden Atomprozentsätzen an dem mindestens einen Seltenerdelement, wie zum Beispiel Sc und/oder Y, über bzw. entlang einer Dicke der piezoelektrischen Schicht 408B. Ein Abschnitt bzw. Teil des piezoelektrischen Materials in der piezoelektrischen Schicht 408B ist undotiert. Zum Beispiel, wie in 4B angedeutet ist, kann die piezoelektrischen Schicht 408B aus undotiertem AlN-Material an dem unteren Ende der piezoelektrischen Schicht 408B und dotiertem AlN-Material mit inkrementell zunehmenden Atomprozentsätzen an dem Sc, das durchgehend während des Bildungsvorgangs bereitgestellt wird, gebildet werden, mit dem Ergebnis, dass in der Nähe des unteren Endes der piezoelektrischen Schicht 408B (unmittelbar oberhalb des Abschnitts von undotiertem AlN-Material) ein relativ kleiner Atomprozentsatz an Sc vorliegt und ein relativ großer Atomprozentsatz an Sc an dem oberen Ende der piezoelektrischen Schicht 408B vorliegt. Das piezoelektrische Material beinhaltet somit inkrementell zunehmende Atomprozentsätze an dem Sc über die Dicke der piezoelektrischen Schicht 408B. Dies ist schematisch durch die zunehmende Dichte der Punkte in Richtung des oberen Endes der piezoelektrischen Schicht 408B angedeutet.
Selbstverständlich kann in alternativen Konfigurationen die piezoelektrische Schicht 408B aus dotiertem AlN-Material mit inkrementell abnehmenden Atomprozentsätzen an dem Sc, das durchgehend während des Bildungsvorgangs bereitgestellt wird, gebildet werden, mit dem Ergebnis, dass in der Nähe des unteren Endes der piezoelektrischen Schicht 408B ein relativ großer Atomprozentsatz an Sc vorliegt und ein relativ kleiner Atomprozentsatz an Sc an dem oberen Ende der piezoelektrischen Schicht 408B vorliegt. Das piezoelektrische Material beinhaltet somit inkrementell abnehmende Atomprozentsätze an dem Sc über die Dicke der piezoelektrischen Schicht 408B. Auch kann in einer Konfiguration mit einem inkrementell abnehmenden Atomprozentsatz an Sc das undotierte AlN-Material der piezoelektrischen Schicht 408B an dem oberen Ende der piezoelektrischen Schicht 408B gelegen sein. Als ein weiteres Beispiel können die Atomprozentsätze an Sc durchweg in der piezoelektrischen Schicht 408B variieren, d.h. ohne notwendigerweise zunehmend oder abnehmend in Bezug auf die Dicke der piezoelektrischen Schicht 408B zu sein. Die Grade der Dotierung sowie die Anzahl und Arten der Dotierungsmittel können variieren, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird.
5 zeigt eine Querschnittsansicht von SMR 500 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Die verschiedenen Elemente von dem SMR 500 sind im Wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Elemente, die oben unter Bezugnahme auf den FBAR 300 in 3B besprochen wurden, außer dass der SMR 500 einen akustischen Reflektor (Spiegel) 520 beinhaltet, der über dem Substrat 305 an Stelle des Hohlraums 306 gebildet ist, um für eine akustische Isolierung zu sorgen. Der akustische Reflektor 520 kann zum Beispiel ein verteilter Bragg-Reflektor bzw. ein Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector, DBR) oder ein anderer akustischer Stapel sein, der aus mehreren akustischen Impedanzschichten gebildet ist, wie durch die repräsentativen ersten bis sechsten akustischen Impedanzschichten 521 bis 526 angedeutet ist. Die erste oder untere Elektrode 307 und die Planarisierungsschicht 307' sind über dem akustischen Reflektor 520 angeordnet, die piezoelektrische Schicht 308 ist über der unteren Elektrode 307 angeordnet und die zweite oder obere Elektrode 301 ist über der piezoelektrischen Schicht 308 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 308 beinhaltet erste und zweite Teilschichten 308-1 und 308-2, von denen eine aus undotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist und die andere aus dotiertem piezoelektrischen Material gebildet ist. Alternative Anordnungen von undotierten und dotierten piezoelektrischen Materialien können an Stelle der piezoelektrischen Schicht 308 vorgesehen sein, wie zum Beispiel diejenigen, die oben in Bezug auf die piezoelektrischen Schichten 408A und 408B beschrieben sind. Wie von einem Durchschnittsfachmann anerkannt werden sollte, bildet die Struktur, die durch die untere Elektrode 307, die piezoelektrischen Schicht 308 und die obere Elektrode 301 bereitgestellt wird, den akustischen Stapel 310 eines BAW-Resonators.
Insbesondere wird der akustische Reflektor 520 auf dem oberen Ende des Substrats 305 wachsen gelassen und er sorgt für eine akustische Isolierung zwischen dem Substrat 305 und dem akustischen Stapel 310. Die akustischen Impedanzschichten 521 bis 526 des akustischen Reflektors 520 werden aus Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen gebildet. Zum Beispiel können die akustischen Impedanzschichten 521 bis 526 abwechselnd niedrige und hohe akustische Impedanzen aufweisen, so dass zum Beispiel die akustische Impedanzschicht 521 eine relative niedrige akustische Impedanz aufweist, die akustische Impedanzschicht 522 eine relative hohe akustische Impedanz aufweist, die akustische Impedanzschicht 523 eine relative niedrige akustische Impedanz aufweist, die akustische Impedanzschicht 524 eine relative hohe akustische Impedanz aufweist, die akustische Impedanzschicht 525 eine relative niedrige akustische Impedanz aufweist und die akustische Impedanzschicht 526 eine relative hohe akustische Impedanz aufweist. Diese unterschiedlichen akustischen Impedanzen können zum Beispiel dadurch erhalten werden, dass die ungeradzahligen akustischen Impedanzschichten 521, 523 und 525 aus einem relativ weichen Material gebildet sind und die geradzahligen akustischen Impedanzschichten 522, 524 und 525 aus einem relativ harten Material gebildet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der akustischen Impedanzschichten von sechs verschieden sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Im Allgemeinen kann die Anzahl der akustischen Impedanzschichten durch eine gegenseitige Abstimmung zwischen der gewünschten Spiegelleistung (z.B. je mehr Schichten desto besser) und Kosten- und Verarbeitungsgesichtspunkten (z.B. je weniger Schichten desto billiger und unkomplizierter ist das Wachstum des Spiegels und die Nachbearbeitung) bestimmt werden.
Der Umfang der akustischen Isolation, die durch den akustischen Reflektor 520 bereitgestellt wird, hängt im Allgemeinen von dem Kontrast zwischen den akustischen Impedanzen von benachbarten akustischen Impedanzschichten 521 bis 526 ab, wobei ein größere Menge an Kontrast eine bessere akustische Isolation erzeugt. In manchen Ausführungsformen wird der akustische Reflektor 520 in Paaren von dielektrischen Materialien mit gegensätzlichen (kontrastierenden) akustischen Impedanzen gebildet. Zum Beispiel können die ungeradzahligen akustischen Reflektorschichten 521, 523 und 525 aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz gebildet sein, wie zum Beispiel Siliciumoxid (SiO_x), wobei x eine ganze Zahl ist, während die geradzahligen akustischen Reflektorschichten 522, 524 und 526, die mit den entsprechenden ungeradzahligen akustischen Reflektorschichten 521, 523 und 525 gepaart sind, aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz gebildet sein können, wie zum Beispiel Wolfram (W) oder Molybdän (Mo). In einem weiteren Beispiel können die ungeradzahligen akustischen Reflektorschichten 521, 523 und 525 aus einem mit Kohlenstoff dotierten Siliciumoxid (carbondoped silicon oxide, CDO) gebildet sein, während die geradzahligen akustischen Reflektorschichten 522, 524 und 526, die mit den entsprechenden ungeradzahligen akustischen Reflektorschichten 521, 523 und 525 gepaart sind, aus einem Siliciumnitrid (SiN_x), wobei x eine ganze Zahl ist, gebildet sein können. Ein Vorteil bei diesem Paar ist es, dass die Schicht in einer einzigen Maschine wachsen gelassen werden kann, indem CDO auf einem Silicium Wafer zum Beispiel innerhalb einer ersten Kammer abgeschieden wird, der Wafer in eine zweite Kammer bewegt wird, Siliciumnitrid auf dem Wafer in der zweiten Kammer abgeschieden wird, der Wafer wieder zurück in die erste Kammer bewegt wird, und so weiter. Dieser Vorgang kann weniger teuer (z.B. um etwa 10 Prozent) sein als die Herstellung eines (weg)geätzten Lufthohlraums zum Beispiel und somit einen kosteneffizienten Ersatz für einen Lufthohlraum bereitstellen.
Der akustische Reflektor 520 kann unter Verwendung von verschiedenen alternativen Techniken hergestellt werden, wovon ein Beispiel in dem Patent US 7,358,831 von Larson III et al. beschrieben ist, das hiermit unter Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Selbstverständlich können die Materialien mit niedrigen und hohen akustischen Impedanzen, welche die gestapelten Schichten des akustischen Reflektors 520 bilden, variieren, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Die vorliegenden Lehren schließen auch die Verwendung von FBARs (z.B. der FBAR 300) oder SMRs (z.B. der SMR 500) in einer Mannigfaltigkeit von Anwendungen ein, einschließlich Filter (z.B. Abzweigfilter, die eine Vielzahl von BAW-Resonatoren umfassen).
Zum Zwecke der Veranschaulichung kann die undotierte Teilschicht (z.B. die erste Teilschicht 308-1) der piezoelektrischen Schicht 308 aus AlN gebildet sein und die dotierte Teilschicht (z.B. die zweite Teilschicht 308-2) der piezoelektrischen Schicht 308 kann aus mit Sc dotiertem AlN gebildet sein. Zum Beispiel kann für die erste Teilschicht 308-1 Al auf eine Impfschicht, die auf einer oberen Oberfläche der unteren Elektrode 307 gewachsen ist, gesputtert bzw. zerstäubt werden oder es kann direkt auf die obere Oberfläche der unteren Elektrode 307 gesputtert bzw. zerstäubt werden, in Gegenwart einer Argon (Ar) - Stickstoff (N₂) Gasatmosphäre innerhalb einer Reaktionskammer. Die obere Oberfläche der unteren Elektrode 307 kann vorher unter Verwendung von Ar und/oder Wasserstoff (H₂) Gas gereinigt werden. Für die zweite Teilschicht 308-2 können Aluminium und Scandium in Kombination direkt auf die obere Oberfläche der ersten Teilschicht 308-1 gesputtert bzw. zerstäubt werden, auch in Gegenwart der Ar-N₂ Gasatmosphäre innerhalb der Reaktionskammer. Insbesondere wird in verschiedenen Ausführungsformen ein Komposit-Target (oder mehrere Targets), das aus Al und dem gewünschten Anteil an Sc gebildet ist (und somit effektiv eine Al-Sc Legierung bildet), in der Reaktionskammer bereitgestellt. Das Anlegen von Wechselstrom erzeugt ein Ar-N₂ Plasma, mit dem das Target reagiert, mit dem Ergebnis einer Sputter- (bzw. Zerstäubungs-) Abscheidung von Stickstoff-, Aluminium und Scandiumatomen in entsprechenden anteilsmäßigen Mengen auf der oberen Oberfläche der ersten Teilschicht 308-1. Beispiele für allgemeine AlN-Sputterabscheidungsverfahren werden durch die Patentanmeldung US 2011/0180391 von Larson III et al. bereitgestellt, die hiermit unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
In einer Ausführungsform kann das Target (oder die mehreren Targets), das aus Al mit dem gewünschten Anteil bzw. den gewünschten Anteilen an Seltenerdelement(en) gebildet ist, eine vorher gebildete Legierung von Al und dem Seltenerdelement bzw. den Seltenerdelementen sein, die in den gewünschten Proportionen gemischt sind. In einer alternativen Ausführungsform kann das Target ein Komposit-Target sein, das im Wesentlichen aus Al gebildet ist und das Seltenerdelement bzw. die Seltenerdelemente werden eingebracht, indem Löcher in dem Aluminium-Target gebildet werden und „Stopfen“ des Seltenerdelements bzw. der Seltenerdelemente in die entsprechenden Löcher in den gewünschten Proportionen eingeführt werden. Der Prozentsatz von jedem Seltenerdelement entspricht dem gesamten Volumen von dem Element, das in ein oder mehrere entsprechende Löcher eingeführt ist und das ein entsprechendes Volumen an Aluminium verdrängt. Die Größe und die Anzahl der Löcher sowie die Menge des Seltenerdelements, das jedes der Löcher füllt, kann fallweise bestimmt werden, abhängig von dem gewünschten Prozentsatzes an Dotierung. Zum Beispiel können die Löcher teilweise oder vollständig durch das Aluminium-Target mit den gewünschten Größen und in der gewünschten Anzahl in verschiedenen Mustern gebohrt werden. In ähnlicher Weise kann in alternativen Ausführungsformen das Seltenerdelement bzw. die Seltenerdelemente zu dem Al-Target in den gewünschten Proportionen hinzugefügt werden unter Verwendung von verschiedenen alternativen Arten von Einführungstechniken, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Zum Beispiel können ganze oder teilweise Ringe, die aus dem Seltenerdelement bzw. den Seltenerdelementen gebildet sind, in jedes Al-Target eingelegt werden. Die Anzahl, die Breite, die Tiefe und der Umfang bzw. der Kreisumfang von jedem Ring kann so eingestellt werden, dass die gewünschte Eigenschaft von jedem einzelnen Element bereitgestellt wird.
In alternativen Ausführungsformen können das Al und die dotierenden Seltenerdelemente direkt auf die obere Oberfläche der ersten Teilschicht 308-1 gesputtert bzw. zerstäubt werden unter Verwendung von mehreren Targets, die jeweils aus verschiedenen Elementen gebildet sind. Zum Beispiel kann eine Al-Sc-Y Legierung aufgebracht werden unter Verwendung eines Al-Targets, eines Sc-Targets und eines Y-Targets, die getrennt voneinander mit dem Ar-N₂ Plasma reagieren. Die gewünschten Proportionen der Elemente (z.B. das Al und die Seltenerdelement-Dotiermittel) können erhalten werden, indem die Wechselspannung, die an jedes der Targets angelegt wird, variiert wird und/oder indem die Größen der Targets in Bezug untereinander variiert werden. Selbstverständlich kann jedes beliebige andere Verfahren zum Aufbringen der Seltenerdelemente in den gewünschten Proportionen zur Bildung einer dotierten piezoelektrischen Schicht verwendet werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird.
Im Allgemeinen sind Al und N zu jeweils ungefähr 50 Prozent proportioniert (d.h. der gesamte Atomprozentsatz an dem Al beträgt ungefähr 50). Die Sc-Atome und andere Seltenerdelemente zum Beispiel ersetzen Al-Atome (in dem AlN-Kristallgitter), während die proportionierte Menge an Stickstoff im Wesentlichen gleich bleibt. Zum Beispiel für den Fall, dass das Al-Target etwa 5 Prozent Sc enthält, weist das Al in der dotierten zweiten Teilschicht 308-2 der piezoelektrischen Schicht 308 einen Atomprozentsatz von ungefähr 47, 5 auf, während das Sc einen Atomprozentsatz von ungefähr 2,5 aufweist. Die atomare Beschaffenheit der zweiten Teilschicht 308-2 der piezoelektrischen Schicht 308 kann dann zum Beispiel als Al_0,475Sc_0,025N_0,50 dargestellt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Menge an dem Sc-Dotiermittel und/oder dem Y-Dotiermittel, die in dem dotierten Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 308 vorliegt, zum Beispiel weniger als ungefähr jeweils zehn Atomprozent sein. Auch kann in verschiedenen Ausführungsformen die Menge an dem Sc-Dotiermittel und/oder dem Y-Dotiermittel, die in dem dotierten Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 308 vorliegt, zum Beispiel weniger als ungefähr jeweils ein Atomprozent sein. Auch wenn unter Bezugnahme auf AlN, das mit Sc und/oder Y dotiert ist, beschrieben, ist zu verstehen, dass der dotierte Abschnitt mit einem oder mehreren anderen Seltenerdelementen in im Wesentlichen der gleichen Art und Weise dotiert sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Auch kann das allgemeine Konzept des Dotierens eines Abschnitts bzw. Teils der piezoelektrischen Schicht 308 mit einem Seltenerdelement bei anderen piezoelektrischen Materialien, wie zum Beispiel Zinkoxid (ZnO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), angewendet werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird.

Tabelle 1 zeigt die Wirksamkeit bei der Verringerung der Variation der gesamten Beanspruchung (Belastung, Stress) und der Variation der Beanspruchung (Belastung, Stress) über den Wafer (cross-wafer stress) eines dünnen AlN-Films dadurch, dass ein undotierter Abschnitt und dotierte Abschnitte in der piezoelektrischen Schicht enthalten sind, wie zum Beispiel durch die piezoelektrische Schicht 308 gezeigt. Insbesondere vergleicht die Tabelle 1 die Beanspruchungsebenen (stress level) einer piezoelektrischen Schicht, die vollständig aus einem AlN-Material, das mit Sc dotiert ist, gebildet ist, mit einer piezoelektrischen Schicht, die aus einer ersten Teilschicht aus undotiertem AlN-Material und einer zweiten Teilschicht aus dem AlN-Material, das mit Sc dotiert ist (mit dem gleichen Atomprozentsatz). Tabelle 1 vergleicht ferner die Beanspruchungsebenen (Stresslevel) einer piezoelektrischen Schicht, die vollständig aus einem AlN-Material, das mit Y dotiert ist, gebildet ist, mit einer piezoelektrischen Schicht, die aus einer ersten Teilschicht aus undotiertem AlN-Material und einer zweiten Teilschicht aus dem AlN-Material, das mit Y dotiert ist (mit dem gleichen Atomprozentsatz). Tabelle 1

Material der piezoelektrischen Schicht	Durchschnittliche Beanspruchung (MPa)	Minimale Beanspruchung (MPa)	Maximale Beanspruchung (MPa)	Standardabweichung
nur AlScN	541	363	694	127
AlN/AlScN Teilschichten	117	-2	326	72
nur AlYN	-772	-383	-1147	230
AlN/AlYN Teilschichten	198	118	333	45

Unter Bezugnahme auf Tabelle 1, in Bezug auf die Sc-Dotierung in dem gesamten dünnen AlN-Film (nur AlScN) beträgt die durchschnittliche Beanspruchung 541 MPa und die Standardabweichung über den Wafer beträgt 127 MPa, was beides relativ große Werte sind. Unter Anwendung des „sechs Sigma“ Prinzips bei der Standardabweichung beträgt der gesamte Beanspruchungsbereich über den Wafer etwa +/- 390 MPa. Wie oben besprochen, erhöht sich der Kopplungskoeffizient kt² des dotierten dünnen AlN-Films linear um etwa 0,1 Prozent bei jeder Zunahme der Beanspruchung um 100 MPa. Dementsprechend würde der dünne AlN-Film eine Variation des Kopplungskoeffizient kt² um ungefähr 0,8 Prozent über den Wafer zeigen. Im Vergleich dazu weist der dünne AlN-Film mit mehreren Teilschichten (AlN/AlScN), bei dem eine der Teilschichten aus undotiertem AlN-Material gebildet ist, eine durchschnittliche Beanspruchung von 117 MPa und eine Standardabweichung über den Wafer von 72 MPa auf. Der gesamte Beanspruchungsbereich über den Wafer beträgt daher etwa +/- 225 MPa, was einer Variation des Kopplungskoeffizient kt² um nur ungefähr 0,4 Prozent über den Wafer entspricht. Eine geringere Variation des Kopplungskoeffizient kt² über den Wafer bedeutet, dass mehr von dem Wafer die elektrischen Spezifikationen des Produkts erfüllt mit dem Ergebnis eine höheren Herstellungsausbeute zum Beispiel.
In ähnlicher Weise, in Bezug auf die Y-Dotierung des gesamten dünnen AlN-Films (nur AlYN) beträgt die durchschnittliche Beanspruchung -772 MPa und die Standardabweichung über den Wafer beträgt 230 MPa, was beides relativ große Werte sind. Der gesamte Beanspruchungsbereich über den Wafer beträgt daher etwa +/- 690 MPa. Dementsprechend würde der dünne AlN-Film eine Variation des Kopplungskoeffizient kt² um ungefähr 1,4 Prozent über den Wafer zeigen. Im Vergleich dazu weist der dünne AlN-Film mit mehreren Teilschichten (AlN/AlYN) eine durchschnittliche Beanspruchung von 198 MPa und eine Standardabweichung über den Wafer von 45 MPa auf. Der gesamte Beanspruchungsbereich über den Wafer beträgt daher etwa +/- 135 MPa, was einer Variation des Kopplungskoeffizient kt² um nur ungefähr 0,3 Prozent über den Wafer entspricht. Der Vorteil bei der Verwendung eines dünnen AlN-Films mit mehreren Teilschichten ist daher sogar noch ausgeprägter, wenn Y als das Dotierungsmittel verwendet wird.
6 ist ein Graph, der Spuren (traces) zeigt, die Kopplungskoeffizienten von piezoelektrischen Schichten mit Variationen bei der Dotierung darstellen, in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 6 werden sechs Reihen bzw. Sätze von Spuren zu Vergleichszwecken gezeigt, die sechs Sätzen an Proben entsprechen. „PentSize“ bezieht sich auf die Größe in Quadratmikrometer des Pentagon-förmigen Resonators von jeder Probe (z.B. wie in 3A gezeigt) und „Split“ bezieht sich auf den Aufbau der piezoelektrischen Schichten oder Teilschichten von jedem Satz an Proben. Es sei darauf hingewiesen, dass die sechs Probensätze in drei Paare Spuren gruppiert sind, wobei die Spuren in jedem Paar im Wesentlichen den gleichen Aufbau haben und unter im Wesentlichen gleichen Bedingungen getestet wurden, um Wiederholbarkeit zu begründen. Das erste Paar beinhaltet die Spurensätze 610A und 610B, bei denen die Probenresonatoren piezoelektrische Schichten aufweisen, die vollständig aus einer einzigen Schicht aus undotiertem AlN mit einer Dicke von etwa 10.000 Ä gebildet sind. Das zweite Paar beinhaltet die Spurensätze 620A und 620B, bei denen die Resonatoren piezoelektrische Schichten aufweisen, die vollständig aus einer einzigen Schicht aus mit Sc dotiertem AlN (AlScN) mit einer Dicke von etwa 10.000 Ä gebildet sind. Das dritte Paar beinhaltet die Spurensätze 630A und 630B, bei denen die Resonatoren piezoelektrische Schichten aufweisen, die aus einer Teilschicht aus undotiertem AlN mit einer Dicke von etwa 5.000 Å und einer Teilschicht aus dotiertem AlScN mit einer Dicke von etwa 5.000 Å gebildet sind.
Die Spurensätze 610A und 610B zeigen Kopplungskoeffizienten kt² für eine piezoelektrische Schicht, die vollständig aus undotiertem AlN-Material gebildet ist, die im Bereich von etwa 6,1 bis etwa 6,5 liegen, wobei er bei den größeren Proben geringfügig höher liegt. Die Spurensätze 620A und 620B zeigen Kopplungskoeffizienten kt² für eine piezoelektrische Schicht, die vollständig aus AlN-Material, das mit ungefähr 2,5 Atomprozent Sc dotiert ist, gebildet ist, die im Bereich von etwa 7,2 bis etwa 8,5 liegen, wobei er bei den größeren Proben geringfügig höher liegt. Die Spurensätze 630A und 630B zeigen Kopplungskoeffizienten kt² für eine piezoelektrische Schicht, die eine erste Teilschicht aus undotiertem AlN-Material und eine zweite Teilschicht aus AlN-Material, das mit ungefähr dem gleichen Atomprozentsatz an Sc dotiert ist, aufweist gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, die im Bereich von etwa 6,5 bis etwa 7,2 liegen, wobei er bei den größeren Proben geringfügig höher liegt.
Verglichen mit den Spurensätzen 610A/610B zeigen die Spurensätze 620A/620B und die Spurensätze 630A/630B eine Verbesserung bei der elektrischen Leistungsfähigkeit der piezoelektrischen Schicht unter dem Gesichtspunkt von erhöhten absoluten Werteverteilungen des Kopplungskoeffizienten kt² auf Grund der Dotierung des AlN-Materials mit Sc. In der Tat zeigen die Spurensätze 620A/620B, dass die höchste Zunahme bei dem Kopplungskoeffizienten kt² erreicht werden kann unter Verwendung der piezoelektrischen Schicht, die vollständig aus dem dotierten AlN-Material gebildet ist. Jedoch zeigen die Spurensätze 620A/620B auch die größte Variation des Kopplungskoeffizienten kt² über den Wafer (was durch die Länge von jeder Spur angezeigt ist) mit einem Streubereich von ungefähr 1 Prozent, was auf die zunehmenden Beanspruchungsebenen (Stresslevel), die durch das Dotieren verursacht werden, zurückzuführen ist. Im Vergleich dazu zeigen die Spurensätze 630A/630B eine Reduktion um etwa 50 Prozent bei der Variation des Kopplungskoeffizienten kt² über den Wafer mit einem Streubereich von nur etwa 0,5 Prozent, während sie immer noch eine merkliche Verbesserung bei den absoluten Werteverteilungen des Kopplungskoeffizienten kt² gegenüber dem piezoelektrische Material, das nur aus undotiertem AlN gebildet ist, wie durch die Spurensätze 610A/610B gezeigt, bereitstellen. Dementsprechend sorgt die piezoelektrische Schicht, die aus sowohl undotierten als auch dotierten Abschnitten an AlN-Material besteht, mittels mehrerer Teilschichten (z.B. 3B und 4A) oder durch Variation der dotierenden Mengen innerhalb einer einzelnen Schicht (z.B. 4B) für eine wünschenswerte Ausgewogenheit zwischen erhöhtem Kopplungskoeffizienten kt² und Beständigkeit über den Wafer.
Es sei darauf hingewiesen, dass hierin piezoelektrische Schichten, die aus sowohl dotierten als auch undotierten Abschnitten an piezoelektrischem Material bestehen, unter Bezugnahme auf BAW-Resonatorgeräte, einschließlich FBARs und SMRs, als Beispiele beschrieben wurden. Es ist jedoch zu verstehen, dass solche piezoelektrische Schichten auch in Resonatorstapeln von verschiedenen anderen Arten an Resonatorgeräten verwendet werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Zum Beispiel können piezoelektrische Schichten, die aus dotierten und undotierten Abschnitten an piezoelektrischem Material bestehen, in Resonatorstapeln eines gestapelten Bulk-Akustik Resonator (stacked bulk acoustic resonator, SBAR) Geräts, eines Doppel-Bulk-Akustik Resonator (double bulk acoustic resonator, DBAR) Geräts oder eines gekoppelten Resonatorfilter (coupled resonator filter, CRF) Geräts gebildet werden.

Claims

Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatorstruktur (300, 500), umfassend: eine erste Elektrode (307), die über einem Substrat (305) angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht (308), die über der ersten Elektrode (307) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (308) eine einzelne Schicht (408B) umfasst, die undotiertes piezoelektrisches Material und dotiertes piezoelektrisches Material umfasst, wobei das dotierte piezoelektrische Material unterschiedlich mit piezoelektrischem Material mit variierenden Atomprozentsätzen an dem mindestens einen Seltenerdelement dotiert ist, zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (308) und zur Verringerung der Druckbeanspruchung; und eine zweite Elektrode (301), die über der piezoelektrischen Schicht (308) angeordnet ist.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine Seltenerdelement Scandium (Sc) und/oder Yttrium (Y) umfasst.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 2, wobei eine Konzentration von jedem von dem mindestens einen Seltenerdelement weniger als 10 Atomprozent des dotierten piezoelektrischen Materials beträgt.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 2, wobei eine Konzentration von jedem von dem mindestens einen Seltenerdelement in einem Bereich von 30 Atomprozent bis 40 Atomprozent des dotierten piezoelektrischen Materials liegt.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 1, wobei das dotierte piezoelektrische Material einen inkrementell zunehmenden Atomprozentsatz an dem mindestens einen Seltenerdelement in einer Richtung wegweisend von dem Substrat (305) hat.
BAW-Resonator Struktur (300, 500) nach Anspruch 1, wobei das dotierte piezoelektrische Material einen inkrementell abnehmenden Atomprozentsatz an dem mindestens einen Seltenerdelement in einer Richtung wegweisend von dem Substrat (305) hat.
Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonator (FBAR) Struktur (300), umfassend: ein Substrat (305), das einen Hohlraum (306) umgrenzt; eine erste Elektrode (307), die über dem Substrat (305) angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der ersten Elektrode (307) über dem Hohlraum (306) in dem Substrat (305) gebildet ist; eine einzelne piezoelektrische Schicht (308, 408B), die über der ersten Elektrode (307) angeordnet ist, wobei die einzelne piezoelektrische Schicht (308, 408B) einen undotierten Bereich (308-1), der aus undotiertem Aluminiumnitrid (AlN) Material gebildet ist, und einen dotierten Bereich (308-2), der aus einem dotierten AlN-Material gebildet ist, umfasst, wobei das dotierte AlN-Material mit einem Seltenerdelement dotiert ist; und eine zweite Elektrode (301), die über der einzelnen piezoelektrischen Schicht (308, 408B) angeordnet ist.
Fest montierte Resonator (SMR) Struktur (500), umfassend: ein Substrat (305); einen akustischen Reflektor (520), der auf dem Substrat (305) gebildet ist, wobei der akustische Reflektor (520) eine Vielzahl an akustischen Impedanzschichten (521, 522, 523, 524, 525, 526) umfasst, wobei mindestens zwei der akustischen Impedanzschichten (521, 522, 523, 524, 525, 526) verschiedene akustische Impedanzen aufweisen; eine erste Elektrode (307), die über dem akustischen Reflektor (520) angeordnet ist; eine einzelne piezoelektrische Schicht (308, 408B), die über der ersten Elektrode (307) angeordnet ist, wobei die einzelne piezoelektrische Schicht (308, 408B) einen undotierten Bereich (308-1), der aus undotiertem Aluminiumnitrid (AlN) Material gebildet ist, und einen dotierten Bereich (308-2), der aus einem dotierten AlN-Material gebildet ist, umfasst, wobei das dotierte AlN-Material mit einem Seltenerdelement dotiert ist; und eine zweite Elektrode (301), die über der piezoelektrischen Schicht (308, 408B) angeordnet ist.
Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonator (FBAR) Struktur (300), umfassend: ein Substrat (305), das einen Hohlraum (306) umgrenzt; eine erste Elektrode (307), die über dem Substrat (305) angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der ersten Elektrode (307) über dem Hohlraum (306) in dem Substrat (305) gebildet ist; eine piezoelektrische Schicht (308, 408A), die über der ersten Elektrode (307) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (308, 408A) aufweist: eine undotierte Teilschicht (408A-1), die aus undotiertem Aluminiumnitrid (AlN) Material gebildet ist; eine erste dotierte Teilschicht (408A-2), die aus einem ersten dotierten AlN-Material gebildet ist, umfasst, wobei das erste dotierte AlN-Material mit einem ersten Atomprozentsatz an einem Seltenerdelement dotiert ist; und eine zweite dotierte Teilschicht (408A-3, 408A-4) umfasst, die aus einem zweiten dotierten AlN-Material gebildet ist, wobei das zweite dotierte AlN-Material mit einem zweiten Atomprozentsatz an dem Seltenerdelement dotiert ist, wobei der zweite Atomprozentsatz verschieden von dem ersten Atomprozentsatz ist.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 10, wobei das erste Seltenerdelement Scandium (Sc) und/oder Yttrium (Y) umfasst.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 10, wobei eine Konzentration von dem ersten Seltenerdelement weniger als 10 Atomprozent des ersten dotierten AlN Materials beträgt.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 10, wobei eine Konzentration von dem zweiten Seltenerdelement weniger als 10 Atomprozent des zweiten dotierten AlN Materials beträgt.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 10, wobei eine Konzentration von dem ersten Seltenerdelement in einem Bereich von 30 Atomprozent bis 40 Atomprozent des ersten dotierten AlN Materials liegt.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 10, wobei eine Konzentration von dem zweiten Seltenerdelement in einem Bereich von 30 Atomprozent bis 40 Atomprozent des zweiten dotierten AlN Materials liegt.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 8, wobei das Seltenerdelement Scandium (Sc) und/oder Yttrium (Y) umfasst.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 8, wobei das Seltenerdelement weniger als 10 Atomprozent des dotierten AlN Materials beträgt.
FBAR Struktur (300) nach Anspruch 8, wobei eine Konzentration von dem Seltenerdelement in einem Bereich von 30 Atomprozent bis 40 Atomprozent des dotierten AlN Materials liegt.
SMR Struktur (500) nach Anspruch 9, wobei das Seltenerdelement Scandium (Sc) und/oder Yttrium (Y) umfasst.
SMR Struktur (500) nach Anspruch 9, wobei das Seltenerdelement weniger als 10 Atomprozent des dotierten AlN Materials beträgt.
SMR Struktur (500) nach Anspruch 9, wobei eine Konzentration von dem Seltenerdelement in einem Bereich von 30 Atomprozent bis 40 Atomprozent des dotierten AlN Materials liegt.