DE102015117953A1

DE102015117953A1 - Eine akustische Volumenwellen-Resonatoreinrichtung, die eine Temperaturkompensationsanordnung mit einer Schicht von niedriger akustischer Impedanz umfasst

Info

Publication number: DE102015117953A1
Application number: DE102015117953.9A
Authority: DE
Inventors: Dariusz Burak; Qiang Zou; Genichi Tsuzuki
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: US20160118957A1; DE102015117953B4; US9621126B2

Abstract

Eine akustische Resonatoreinrichtung umfasst eine Temperaturkompensationsanordnung, die: unter der ersten Elektrode und über dem Substrat angeordnet ist, oder über der ersten Elektrode angeordnet und in Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht ist, oder unter der zweiten Elektrode angeordnet und in Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht ist, oder in der piezoelektrischen Schicht eingebettet verdeckt ist.

Description

HINTERGRUND
Elektrische Resonatoren sind weit verbreitet in modernen elektronischen Einrichtungen enthalten. Beispielsweise werden in drahtlosen Kommunikationseinrichtungen Radiofrequenz (RF)- und Mikrowellenfrequenz-Resonatoren als Filter verwendet, wie etwa als Leiterfilter, die elektrisch verbundene Serien- und Abzweig-Resonatoren, die in einer Leiterstruktur ausgebildet sind, aufweisen. Die Filter können beispielsweise in einem Duplexer enthalten sein, der zwischen einer einzelnen Antenne (einerseits) und einem Empfänger und einem Sender (andererseits) angeordnet ist, um respektive empfangene und übertragene Signale zu filtern.
Verschiedene Arten von Filtern verwenden mechanische Resonatoren, wie etwa akustische Volumenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonatoren, die akustische Schichtvolumen-Resonatoren (FBAR, film bulk acoustic resonators) und festmontierte Resonatoren (SMR, solidly mounted resonators) umfassen, oder akustische Oberflächenwellen (SAW, surface acoustic wave)-Resonatoren. Die Resonatoren wandeln allgemein elektrische Signale in mechanische Signale oder Schwingungen und/oder mechanische Signale oder Schwingungen in elektrische Signale um. Beispielsweise ist ein BAW-Resonator eine akustische Einrichtung, die einen Stapel umfasst, der allgemein eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material zwischen zwei Elektroden enthält. Akustische Wellen erzielen über dem akustischen Stapel eine Resonanz, wobei die Resonanzfrequenz der Wellen durch die Materialien in dem akustischen Stapel und die Dicke von jeder Schicht (z.B. piezoelektrische Schicht und Elektrodenschichten) bestimmt ist. Eine Art von einem BAW-Resonator enthält eine piezoelektrische Schicht als das piezoelektrische Material, das als ein FBAR bezeichnet werden kann, wie dies oben erwähnt ist. FBARs schwingen auf GHz-Frequenzen und sind folglich vergleichsweise kompakt, wobei sie Dicken in der Größenordnung von Mikrometern, und Längen- und Breitenabmessungen von einigen Hundert Mikrometern aufweisen.
Resonatoren können verwendet werden als Bandpassfilter mit zugehörigen Durchlassbändern, die Bereiche von Frequenzen bereitstellen, für die es zugelassen ist, durch die Filter hindurchzulaufen. Die Durchlassbänder der Resonatorfilter neigen dazu, sich in Antwort auf Umwelt- und Betriebsfaktoren, wie etwa Veränderungen in der Temperatur und/oder der eingebrachten Leistung, zu verschieben. Beispielsweise bewegt sich das Durchlassband eines Resonatorfilters in Antwort auf eine ansteigende Temperatur und eine höhere eingebrachte Leistung hinsichtlich seiner Frequenz abwärts.
Insbesondere Mobiltelefone werden durch Verschiebungen im Durchlassband aufgrund von Fluktuationen in der Temperatur und der Leistung negativ beeinflusst. Ein Mobiltelefon umfasst beispielsweise Leistungsverstärker (PA, power amplifier), die in der Lage sein müssen, mit größeren als erwarteten Einfügungsverlusten (insertion loss) an den Rändern der Filter (Duplexer) umzugehen. Wenn sich das Filterdurchlassband in der Frequenz nach unten verschiebt, z.B. aufgrund einer ansteigenden Temperatur, dann bewegt sich der Punkt der maximalen Absorption von Leistung in dem Filter, der dazu entworfen ist, oberhalb des Durchlassbandes zu sein, abwärts in den Frequenzbereich, in dem die Mehrheit der Leistung vom dem PA ausgesendet wird. An diesem Punkt beginnt der Filter, mehr Leistung aus dem PA zu absorbieren und wärmt sich auf, was bewirkt, dass die Temperatur weiter ansteigt. Demzufolge verschiebt sich das Filterdurchlassband hinsichtlich der Frequenz weiter abwärts, was den maximalen Filterabsorptionspunkt noch dichter bringt. Dies baut eine mögliche Durchbrennsituation auf, die nur durch die Tatsache vermieden wird, dass die reflektierte Leistung groß wird und der Filter sich möglicherweise bei irgendeiner hohen Temperatur einregelt. Eine Lösung zum Entschärfen von dieser Durchbrennsituation ist es, die spektrale Lage des Durchlassbandes des Filters im Hinblick auf Temperaturveränderungen zu stabilisieren.
PAs sind spezifisch dazu ausgelegt, die Belastbarkeit des schlimmsten Falles (worst case power handling) des Filters an den Ecken des Durchlassbandes zu bewältigen. Ströme eines typischen PA können von einigen wenigen mA in der Mitte des Filterdurchlassbandes bis zu etwa 380 mA bis 450 mA an den Rändern laufen. Dies ist eine signifikante Leistungsaufnahme auf dem PA ebenso wie auf der das Mobiltelefon treibenden Batterie, und dies ist noch stärker ausgeprägt, wenn der Punkt der Maximalabsorption des Filters sich hin zu dem Frequenzbereich bewegt, wo die von den PA abgegebene RF-Leistung am größten ist. Das kann einer der Gründe sein, warum ein Mobiltelefon, das mehr im Sendemodus (d.h. Sprechzeit) als im Empfangsmodus (d.h. Zuhörzeit) arbeitet, die Batterieleistung schneller entleert. Darüber hinaus ist eine Ungleichheit des Leistungsverbrauchs zwischen einem Sender-PA und einem Empfänger-PA deshalb, weil die abgegebene Leistung die Basisstation erreichen können muss, wobei die Basisstation in einem Abstand angeordnet sein kann, der erhöhte Niveaus der von dem Mobiltelefon ausgesendeten RF-Leistung erfordert.
Ein erhöhter Leistungsverbrauch kann zu erhöhten Betriebstemperaturen führen, die die Betriebsfrequenz der akustischen Resonatoren, die in Filtern und anderen Komponenten von RF Eingangskomponenten (RF front-end), wie etwa Leistungsverstärkern, verwendet wird, nachteilig beeinflussen können. Zusätzlich dazu kann eine Frequenzabwärtsverschiebung des Durchlassbands eines Filters eine nicht gewünschte Interferenz mit anderen Durchlassbändern, die entweder von der FCC (Federal Communications Commission) oder der Regierung angewiesen sind, bewirken. Eine derartige Situation tritt beispielsweise bei den sogenannten Splitterbänder (sliver bands) 13 und 30 in den USA auf. Splitterbänder erfordern insbesondere Filter, die hinsichtlich der Temperatur kompensiert sind und sehr schmale Durchlassbänder aufweisen (von der Größenordnung von 1–3%). Derzeit verfügbare piezoelektrische Materialien (z.B. Aluminiumnitrid, Zinkoxid, mit Scandium dotiertes Aluminiumnitrid) sind allgemein praktikabel zum Entwerfen von optimierten, nicht hinsichtlich der Temperatur kompensierten Filtern mit Durchlassbändern, die näherungsweise zwei bis drei Mal breiter sind. Das Implementieren einer Temperaturkompensation und das Verschmälern des Durchlassbands eines Filters, um die Anforderungen von Splitterbändern (sliver bands) zu erfüllen, führt allgemein zu schlecht leistenden Resonatoren (niedriger Qualitätsfaktor Q) und Filtern (verschlechterte Einfügungs- und Zurückweisungsverluste, (insertion and rejection losses)), die diese Resonatoren umfassen.
Es besteht daher ein Bedarf an einem BAW-Resonator, der zumindest die oben beschriebenen Nachteile der bekannten BAW-Resonatoren überwindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beispielhaften Ausführungsformen werden am besten aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen zur Klarheit der Darstellung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein. Wo immer dies anwendbar und praktikabel ist, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
1A ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
1B ist ein akustisches Dispersionsdiagramm, das simulierte Schwingungsmoden eines akustischen Referenzresonators und eines akustischen Resonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform bei verschiedenen Frequenzen zeigt.
2 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
5 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
6 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Querschnittdarstellen, die eine BAW-Resonatoreinrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung sind für Zwecke der Darstellung und nicht zur Beschränkung repräsentative Ausführungsformen dargelegt, die spezifische Einzelheiten offenbaren, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird jedoch für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung gehabt hat, offensichtlich werden, dass andere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten, spezifischen Einzelheiten abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche bleiben. Des Weiteren können Beschreibungen von wohl bekannten Vorrichtungen und Verfahren ausgelassen werden, um die Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind offensichtlich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Relative Ausdrücke, wie etwa „über“, „unter“, „oberseitiger“, „unterseitiger“, „oberer und unterer“ verwendet werden, um die Beziehungen der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, so wie das in den beigefügten Zeichnungen dargelegt ist. Es ist beabsichtigt, dass diese relativen Ausdrücke verschiedene Orientierungen der Einrichtungen und/oder Elemente miteinschließen, zusätzlich zu den in den Zeichnungen gezeigten Orientierungen. Wenn beispielsweise die Einrichtung im Hinblick auf die Ansicht in den Zeichnungen invertiert wäre, dann wäre ein Element, das beispielsweise als „oberhalb“ eines anderen Elements beschrieben ist, nun „unterhalb“ dieses Elementes. Gleichermaßen, wenn die Einrichtung um 90° in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen gedreht wäre, dann wäre ein Element, das als „oberhalb“ oder „unterhalb“ eines anderen Elements beschrieben ist, „benachbart“ zu dem anderen Element, wobei „benachbart“ entweder bedeutet, an dem anderen Element anstoßend, oder eine oder mehrere Schichten, Materialien, Strukturen, usw. zwischen den Elementen aufweisend.
Aspekte der vorliegenden Lehren sind für Komponenten von BAW-Resonatoreinrichtungen und Filtern, deren Materialien und deren Herstellungsverfahren relevant. Verschiedene Einzelheiten von derartigen Einrichtungen und entsprechenden Herstellungsverfahren können beispielsweise in einer oder mehreren der nachfolgenden US Patent-Veröffentlichungen gefunden werden: US Patent Nr. 6,107,721 an Lakin; US Patente Nrn. 5,587,620 , 5,873,153 , 6,507,983 , 7,388,454 , 7,629,865 und 7,714,684 an Ruby et al.; US Patente Nrn. 7,791,434 , 8,188,810 und 8,230,562 an Fazzio et al.; US Patent Nr. 7,280,007 an Feng et al.; US Patent Nr. 8,248,185 an Choy et al.; US Patent Nr. 7,345,410 an Grannen et al.; US Patent Nr. 6,828,713 an Bradley et al.; US Patent Nr. 7,561,009 an Larson et al.; US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2012/0326807 an Choy et al.; US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2010/0327994 an Choy et al.; US Patentanmeldungsoffenlegungsschriften Nrn. 2011/0180391 und 2012/0177816 an Larson III et al.; US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2007/0205850 an Jamneala et al.; US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/0266925 an Ruby et al.; US Patentanmeldung Nr. 14/161,564 mit dem Titel „Method of Fabricating Rare-Earth Element Doped Piezoelectric Material with Various Amounts of Dopants and a Selected C-Axis Orientation“ („Verfahren zum Herstellen von mit Seltenerdelementen dotierten piezoelektrischen Materialien mit verschiedenen Mengen von Dotierstoffen und einer ausgewählten C-Achsenorientierung“) an John L. Larson III und eingereicht am 22. Januar 2014; US Patentanmeldung Nr. 13/662,460 mit dem Titel „Bulk Acoustic Wave Resonator having Piezoelectric Layer with Multiple Dopants“ („Akustischer Volumenwellen-Resonator mit piezoelektrischer Schicht mit mehreren Dotierstoffen“) an Choy et al. und eingereicht am 27. Oktober 2012; US Patentanmeldung Nr. 13/906,873 mit dem Titel „Bulk Acoustic Wave Resonator having Piezoelectric Layer with Varying Amounts of Dopants“ („Akustischer Volumenwellen-Resonator mit piezoelektrischer Schicht mit veränderlichen Mengen von Dotierstoffen“) an John Choy et al. und eingereicht am 31. Mai 2013 und US Patentanmeldung Nr. 14/191,771 mit dem Titel „Bulk Acoustic Wave Resonator having Doped Piezoelectric Layer“ („Akustischer Volumenwellen-Resonator mit dotierter piezoelektrischer Schicht“) an Feng et al. und eingereicht am 27. Februar 2014. Die gesamte Offenbarung von jedem dieser Patente, veröffentlichten Patentanmeldungen und Patentanmeldungen, die oben angeführt sind, werden hierin spezifisch durch Verweis aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind, und dass auch andere Herstellungsverfahren und Materialien innerhalb des Überblicks von einem Fachmann in Betracht gezogen werden können.
Gemäß einer repräsentativen Ausführungsform umfasst ein akustischer Volumenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonator ein Substrat, das einen akustischen Reflektor umfasst; eine erste Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die erste Elektrode eine erste akustische Impedanz aufweist; eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode eine zweite akustische Impedanz aufweist; und eine Temperaturkompensationsanordnung (oder -struktur), die unter der ersten Elektrode und über dem Substrat angeordnet ist. Die Temperaturkompensationsanordnung umfasst folgendes: eine erste Schicht; und eine zweite Schicht, die eine dritte akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die erste und die zweite akustische Impedanz ist. So wie das unten vollständiger beschrieben ist und unter anderen Merkmalen der BAW-Resonatoren der repräsentativen Ausführungsformen, kombinieren sich die Materialien, die zur Aufnahme in der Temperaturkompensationsanordnung ausgewählt sind, und die Anordnung selbst derart, dass die Frequenzantwort über einem gewünschten Betriebstemperaturbereich verbessert wird, während die durch die temperaturinduzierte Frequenzantwort des BAW-Resonators (und folglich von Filtern, die die BAW-Resonatoren gemäß der repräsentativen Ausführungsformen umfassen) auf einen vergleichsweise schmalen Bereich beschränkt wird.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 1A eine Querschnittsansicht von einer BAW-Resonatoreinrichtung 100 mit einer Elektrode, die eine Schicht mit einer Temperaturkompensationsanordnung aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
Mit Verweis auf 1A umfasst eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 100 einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. Der akustische Stapel umfasst eine erste Elektrode 103, eine piezoelektrische Schicht 106 und eine zweite Elektrode 108. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der zumindest entlang von einer Seite, wenn nicht entlang von allen Seiten desselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann mit einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, verbunden sein. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben und die Brücke ist in der oben bezeichneten US Schrift 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien, einschließlich Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumcarbid (SiC), Borsilikatglas (BSG), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (SiN), Polysilizium und dergleichen, ausgebildet sein kann, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet sein. Die Dicke der Passivierungsschicht muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umgebung zu isolieren, einschließlich einem Schutz vor Feuchtigkeit, Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen. Die erste und die zweite Elektrode 103 und 108 sind elektrisch verbunden mit einem externen Schaltkreis über Kontaktpads (nicht gezeigt), die aus einem leitfähigen Material, wie etwa Gold, eine Gold-Zinn-Legierung oder dergleichen, ausgebildet sein kann.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform umfasst die erste Elektrode 103 mehrere Schichten, und kann hierin als eine Verbundelektrode (composite electrode) bezeichnet werden. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Elektrode 103 eine Temperaturkompensationsanordnung mit einer ersten Schicht 104 und einer zweiten Schicht 105, die aufeinanderfolgend unter der piezoelektrischen Schicht 106 gestapelt sind.
Das Substrat 101 kann aus verschiedenen Arten von Halbleitermaterialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie etwa Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen, ausgebildet werden, was zum Integrieren von Verbindungen und Elektronikschaltungen nützlich ist, wodurch die Größe und Kosten verringert werden. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolation derart bereitzustellen, dass der akustische Stapel über einem Luftraum aufgehängt angeordnet ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ohne eine Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise kann der akustische Stapel über einem akustischem Spiegel ausgebildet werden, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (distributed Bragg reflector) (in 1A nicht gezeigt), der abwechselnd Schichten eines Materials mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hierin durch Verweis aufgenommen ist, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 104 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise die gleiche wie, oder höher als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. Etwas anders ausgedrückt, die erste Schicht 104 ist aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche weist die erste Schicht 104 einen Temperaturkoeffizienten auf, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen. Insbesondere werden unten in Verbindung mit der 1B einige Vorteile für die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 100 beschrieben, die herrühren von dem Ausbilden der zweiten Schicht 105 aus einem Material, das im Vergleich zu den anderen Schichten in dem FBAR 100 (insbesondere die erste Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 106, die zweite Elektrode 108 und die Passivierungsschicht 109) eine relativ niedrige akustische Impedanz aufweist.
Die zweite Schicht 105 umfasst ein Material, das im Wesentlichen gegenüber Ätzmitteln, die während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 100 verwendet werden, inert ist. Als solche dient die zweite Schicht 105, die sich entlang der vertikalen Seiten der ersten Schicht 104 erstreckt und somit die erste Schicht 104 einkapselt, als ein Ätzstopp (etch stop) und verhindert praktisch im Wesentlichen das Ätzen der ersten Schicht 104 während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 100, wie etwa während des Entfernens von Opferschichten, die in der Vertiefung 102 und unter der zweiten Elektrode 108 während des Ausbildens des auskragenden Abschnitts 107 und der Brücke (nicht gezeigt) bereitgestellt worden sind.
Die erste Schicht 104 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise nicht dotiertes Siliziumglas (USG, undoped silicon glass) (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)), Borsilikatglas (BSG), Chrom (Cr) oder Telluroxid (TeO_(x)), die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der positive Temperaturkoeffizient der ersten Schicht 104 gleicht negative Temperaturkoeffizienten von anderen Materialien in dem akustischen Stapel, einschließlich der zweiten Schicht 105, der piezoelektrischen Schicht 106, der ersten Elektrode 103 und der zweiten Elektrode 108, aus. Verschiedene veranschaulichende Techniken zum Ausbilden einer temperaturkompensierenden Schicht oder Anordnung werden beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 7,561,009 an Larson III et al. beschrieben. Wie das unten vollständiger beschrieben wird, kann zum Zweck des Herabsetzens des Kopplungskoeffizienten (kt²) des Stapels (was z.B. in den sogenannten „Splitterband“-Anwendungen von RF-Filtern und -Duplexern gefordert wird) die zweite Schicht 105 aus verschiedenen dielektrischen Materialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG, non-etchable borosilicate glass), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC, diamond like carbon) und Siliziumnitrid (SiN) umfassen, beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-, Verdampfungs- oder CVD-Technik, ausgebildet werden.
So wie das in der oben bezeichneten US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/0266925 beschrieben ist, kann durch „Kurzschließen“ einer parasitären Serienkapazität in einer leitfähigen Zwischenlageschicht ein Kopplungskoeffizient (kt²) der hierin beschriebenen BAW-Resonatoreinrichtung vergleichsweise erhöht werden, wobei eine Temperaturkompensation bereitgestellt wird. So wie das aus einem Review der Temperaturkompensationsschicht gewertschätzt werden kann, wird durch die Aufnahme der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, die allgemein aus dielektrischen Materialen ausgebildet sind, eine parasitäre Serienkapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108, eingeführt. Als solcher wird der Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 100 aufgrund eines zusätzlichen Spannungsabfalls über den piezoelektrischen, nicht-aktiven, dielektrischen Bereichen der ersten und der zweiten Schicht 104 und 105 vergleichsweise verringert. In einer repräsentativen Ausführungsform ist der Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 100 im Bereich von näherungsweise 1,0% bis näherungsweise 4%. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden wird, verringert die Verkleinerung des Kopplungskoeffizienten (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 100 das Durchlassband von Filtern, die die BAW-Resonatoreinrichtung 100 umfassen. In den sogenannten „Splitter“-Betriebsbändern („sliver“ operating bands) (z.B. um 750 MHz für das Band 13 oder 2,5 GHz für das Band 30) beispielsweise sind schmale Betriebsfrequenzbereiche gewünscht. Durch das Einbauen der Temperaturkompensationsanordnung, die die erste und die zweite Schicht 104, 105 umfasst, kann die BAW-Resonatoreinrichtung 100 verwendet werden, um Filter bereitzustellen, die in solch schmalen Durchlassbändern (im Bereich von näherungsweise 1% bis näherungsweise 3% der Frequenz des zentralen Durchlassbandes) recht gut arbeiten, und zwar mit im Wesentlichen vollständiger Temperaturkompensation.
Die piezoelektrische Schicht 106 ist über der zweiten Schicht 105 und der ersten Elektrode 103 ausgebildet. Die piezoelektrische Schicht 106 kann aus einem Dünnschicht-Piezoelektrikum, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder dergleichen, ausgebildet sein. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 kann beispielsweise von etwa 1000 Å bis etwa 100.000 Å reichen, obwohl die Dicke variieren kann, um einzigartige Vorteile für irgendeine bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, so wie das für einen Fachmann offensichtlich sein würde. In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Schicht 106 auf einer Keimschicht (seed layer) (nicht gezeigt) ausgebildet werden, die über einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 103 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Keimschicht aus Al ausgebildet werden, um das Wachstum einer piezoelektrischen Schicht 106 aus AlN zu fördern. Die Keimschicht kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen.
Insbesondere kann das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105 die Qualität der kristallinen Struktur der piezoelektrischen Schicht 106 verringern. Insbesondere umfasst die zweite Schicht 105 allgemein ein Material, das weniger als optimal ist für die Herstellung von einer stark strukturierten (highly textured) piezoelektrischen Schicht, die eine wohldefinierte kristalline Orientierung aufweist. Als solche wird die Gesamtqualität der über der zweiten Schicht 105 ausgebildeten piezoelektrischen Schicht 106 verringert im Vergleich zu derjenigen, die über der ersten Elektrode 103 ausgebildet wird, was mit oder ohne einer darüber ausgebildeten Keimschicht eine bessere Oberfläche bereitstellt, über der eine stark strukturierte piezoelektrische Schicht aufwachsen soll. Eine derartige piezoelektrische Schicht ist somit nicht stark strukturiert, hat einen vergleichsweise verringerten piezoelektrischen Kopplungskoeffizient (e₃₃) und hat infolgedessen einen vergleichsweise verringerten Kopplungskoeffizienten (kt²). Als solches, mit dem gewünschten Endergebnis einer repräsentativen Ausführungsform, die ein vergleichsweise schmales Durchlassband aufweist, führt die weniger als stark strukturierte piezoelektrische Schicht 106 zu einem verringerten Kopplungskoeffizienten (kt²) in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 und einem vergleichsweise schmalen Durchlassband. Beispielsweise kann das Ablagern der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105 den Kopplungskoeffizienten kt² um näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 3% verringern im Vergleich zu dem Kopplungskoeffizienten (kt²) einer stark strukturierten piezoelektrischen Schicht.
Die zweite Elektrode 108 wird über der piezoelektrischen Schicht 106 ausgebildet. Die zweite Elektrode 108 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie etwa Mo, W, Al, Pt, Ru, Nb, Hf oder dergleichen. In einer Ausführungsform ist die zweite Elektrode 108 aus dem gleichen Material wie die erste Elektrode 103 ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen jedoch kann die zweite Elektrode 108 aus einem anderen Material als die erste Elektrode 103 ausgebildet sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
In einer Ausführungsform ist eine erste Gesamtdicke T₁₀₃ der ersten Elektrode 103, die die erste und die zweite Schicht 104, 105 umfasst, im Wesentlichen die gleiche, wie eine zweite Gesamtdicke T₁₀₈ der zweiten Elektrode 108, wie dies in 1A gezeigt ist. Beispielsweise können die Dicken von jeder von der ersten und der zweiten Elektrode 103 und 108 von etwa 600 Å bis etwa 30.000 Å reichen, obwohl die Dicken variieren können, um einzigartige Vorteile für irgendeine bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwicklungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, so wie das für einen Fachmann offensichtlich sein würde.
Die mehreren Schichten der ersten Elektrode 103 weisen entsprechende Dicken auf. Beispielsweise kann die Dicke der ersten Elektrode 103 unter der ersten und der zweiten Schicht 104, 105 der Temperaturkompensationsanordnung von etwa 400 Å bis etwa 30.000 Å reichen, die Dicke der ersten Schicht kann von näherungsweise 100 Å bis etwa 5000 Å reichen und die Dicke der zweiten Schicht 105 kann von etwa 100 Å bis etwa 10.000 Å reichen. Jede der Schichten der ersten Elektrode 103 kann verändert werden, um verschiedene Merkmale im Hinblick auf Temperaturkoeffizienten und Kopplungskoeffizienten zu erzeugen, während die gesamte erste Dicke T₁₀₃ der ersten Elektrode 103 im Wesentlichen die gleiche bleibt wie die gesamte zweite Dicke T₁₀₈ der zweiten Elektrode 108. Beispielsweise können die Dicken der ersten oder der zweiten Schicht 104, 105 verändert werden, um den Gesamttemperaturkoeffizienten des akustischen Stapels zu beeinflussen, oder um die parasitäre Serienkapazität und folglich den Kopplungskoeffizienten (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 100 zu beeinflussen.
Es sei angemerkt, dass die Topologie von verschiedenen in den 1A bis 6 gezeigten Schichten abweichen von dem, was gezeigt ist. Beispielsweise können in 1A die erste und die zweite Schicht 104, 105 mit geneigten, anstatt mit vertikalen Rändern abgeschlossen werden, so wie das in der US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/026692 offenbart ist. Daher würde sich die piezoelektrische Schicht 106 um die Kanten der zweiten Schicht 105 herumwickeln, was zu einer nicht-planaren, sich allmählich abwärts neigenden (in der Nähe der geneigten Kante (nicht gezeigt) der zweiten Schicht 105) oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 106 führt. Weil diese Nicht-Planarität jedoch außerhalb des aktiven Bereichs der BAW-Resonatoreinrichtung 100 auftreten würde, würde diese nicht irgendeinen signifikanten Einfluss auf die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsformen (im Hinblick beispielsweise auf Abschneidefrequenzen, Kopplungskoeffizienten (kt²) oder Qualitätsfaktor Q) haben und daher sind derartige, nicht-wesentliche topologische Veränderungen aus den 1 bis 6 ausgelassen worden.
1B zeigt akustische Dispersionsdiagramme (Schaubilder) (laterale Wellenzahl ktx versus Frequenz), die simulierte Schwingungsmoden von einer BAW-Referenzresonatoreinrichtung und einer BAW-Resonatoreinrichtung 100 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform bei verschiedenen Betriebsfrequenzen zeigen. Insbesondere zeigen die Kurven 130 die laterale Wellenzahl ktx versus der Frequenz für eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 100, und die Kurven 131 zeigen die laterale Wellenzahl ktx versus der Frequenz für eine BAW-Referenzresonatoreinrichtung.
In diesem veranschaulichenden Beispiel umfasst die BAW-Resonatoreinrichtung 100 eine erste Elektrode 103, die Molybdän (Mo) mit einer Dicke von näherungsweise 2300 Å aufweist; die erste Schicht 104, die nicht-dotiertes Silikatglas (USG) mit einer Dicke von näherungsweise 800 Å aufweist, umfasst; die zweite Schicht 105, die gesputtertes Siliziumcarbid (SiC) mit einer Dicke von näherungsweise 1500 Å umfasst; die piezoelektrische Schicht 106, die Aluminiumnitrid (AlN) mit einer Dicke von näherungsweise 4500 Å umfasst; die zweite Elektrode 108, die Mo mit einer Dicke von näherungsweise 3000 Å umfasst; und die Passivierungsschicht 109, die AlN mit einer Dicke von näherungsweise 3000 Å umfasst.
Die BAW-Referenzresonatoreinrichtung umfasst den gleichen Stapel wie die BAW-Resonatoreinrichtung 100, jedoch ist die zweite Schicht 105 aus Mo mit einer Dicke von näherungsweise 1500 Å ausgebildet. Etwas anders ausgedrückt, ist der einzige Unterschied zwischen den akustischen Stapeln der BAW-Resonatoreinrichtung 100 und der BAW-Referenzresonatoreinrichtung das Material, das zum Ausbilden der zweiten Schicht 105 verwendet worden ist. In der BAW-Referenzresonatoreinrichtung ist die zweite Schicht 105 aus Mo mit relativ hoher akustischer Impedanz (näherungsweise 65 Mega-Rayls (MR)) und Poisson-Verhältnis (näherungsweise 0,33) ausgebildet, während in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 die zweite Schicht 105 aus gesputtertem SiC mit relativ niedriger akustischer Impedanz (näherungsweise 30 Mega-Rayls) und Poisson-Verhältnis (näherungsweise 1,8) ausgebildet ist. Sowohl die BAW-Referenzresonatoreinrichtung als auch die BAW-Resonatoreinrichtung 100 haben vergleichbare Serienresonanzfrequenzen Fs von näherungsweise 2,3 GHz. Jedoch hat die BAW-Referenzresonatoreinrichtung einen Kopplungskoeffizienten (kt²) von näherungsweise 3,4 %, wohingegen die BAW-Resonatoreinrichtung 100 einen Kopplungskoeffizienten (kt²) von näherungsweise 2,9 % hat. Der Unterschied in dem Kopplungskoeffizienten kt² zwischen der BAW-Referenzresonatoreinrichtung und der BAW-Resonatoreinrichtung 100 rührt her von der Tatsache, dass die vergleichsweise niedrigere akustische Impedanz der zweiten Schicht 105 in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 zum Eingrenzen (confinement) eines größeren Anteils der akustischen Energie in dieser Schicht führt als im Vergleich zu dem Anteil der akustischen Energie, die in der zweiten Schicht 105 mit vergleichsweise hoher Impedanz in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung eingegrenzt ist. Infolgedessen ist der Anteil der in der piezoelektrischen Schicht 106 eingegrenzten Energie (was vorwiegend den Kopplungskoeffizienten kt² bestimmt) näherungsweise 38% in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 im Vergleich zu näherungsweise 48% in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung. Um eine so dicht wie praktisch mögliche Anpassung der Strukturen der BAW-Resonatoreinrichtung 100 und der BAW-Referenzresonatoreinrichtung zu ermöglichen, ist in den Simulationen angenommen, dass gesputtertes SiC ein halbleitendes Material ist, das die erste Schicht 104 in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 effektiv kurzschließt, und dass die piezoelektrische Schicht 106 in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 und in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung die gleichen sind.
In 1B entspricht die horizontale Achse der lateralen Wellenzahl Kx, wobei positive Zahlen reale Kx-Werte angeben und negative Zahlen imaginäre Kx-Werte angeben. Jeder Punkt in der 1B entspricht einer Eigenmode mit einer spezifischen akustischen Polarisierung und Ausbreitungsrichtung, die von dem jeweiligen akustischen Stapel unterstützt wird. Reale Kx-Werte (positive Kx) zeigen an, dass eine gegebene Mode eine sich ausbreitende Mode ist (d.h. sie kann sich in einer periodischen Weise von einem Anregungspunkt aus fortpflanzen), wohingegen imaginäre Kx-Werte (negative Kx) angeben, dass eine gegebene Mode eine verschwindende Mode ist (d.h. sie kann von einem Anregungspunkt exponentiell abfallen). Die Vorzeichenkonvention für verschwindende (negatives Vorzeichen) und sich ausbreitende (positives Vorzeichen) Eigenmoden ist lediglich eine Frage der Vereinfachung der Darstellung. Die Ausbreitungsgleichungen für akustische Wellen in verschiedenen Bereichen der BAW-Referenzresonatoreinrichtung und der BAW-Resonatoreinrichtung 100 erlauben beide Vorzeichen für jede Eigenmoden-Lösung, und die tatsächliche Auswahl des Vorzeichens der Wellenzahl ist durch geeignete Randbedingungen (Grenzflächenbedingungen) bestimmt.
Die in 1B gezeigten Moden umfassen die folgenden:
Dehnungsmoden (L1), Biegemoden (F1), verschwindende Dicken-Scherungs-Moden (eTS1), sich ausbreitende Dicken-Scherungs-Moden (pTS1), sich ausbreitende Dicken-Ausdehnungsmoden mit negativer Dispersion der Gruppengeschwindigkeit (pTE1–), sich ausbreitende Dicken-Ausdehnungsmoden mit positiver Dispersion der Gruppengeschwindigkeit (pTE1+), verschwindende Dicken-Ausdehnungsmoden (eTE1) und sich ausbreitende Dicken-Scherungs-Moden von zweiter Ordnung (pTS2). Es wird angemerkt, dass die hier verwendete Notation nicht der standardmäßigen Aufteilung der Moden in symmetrische und anti-symmetrische Klassen folgt, weil die akustischen Stapel, die in der akustischen BAW-Resonatoreinrichtung 100 und der BAW-Referenzresonatoreinrichtung umfasst sind, signifikant komplizierter sein können als einzelne Schichten, für die eine derartige Klassifizierung gültig ist. Sogenannte komplexe verschwindende Moden sind in 1B zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Komplexe verschwindende Moden breiten sich in einer periodischen Weise von einem Anregungspunkt aus, jedoch fällt ihre Amplitude der Oszillation exponentiell ab. Allgemein sind diese Moden sehr kurzreichweitig, was bedeutet, dass sie innerhalb von 1 bis 2 µm vom Anregungspunkt abfallen und allgemein nicht zum Strahlungsenergieverlust beitragen.
Serien (F_s)-, Parallel (FP)- und zweite-Ordnungsscherungs(F_TS2)-Resonanzfrequenzen sind als gestrichelte horizontale Linien gezeigt. Genauer gesagt zeigt F_TS2 ^Mo eine Scherungsresonanzfrequenz von zweiter Ordnung der BAW-Referenzresonatoreinrichtung mit der aus Mo ausgebildeten zweiten Schicht 105 an, wohingegen F_TS2 ^SiC Scherungsresonanzfrequenzen von zweiter Ordnung der BAW-Resonatoreinrichtung 100 mit aufgesputtertem SiC ausgebildeten zweiten Schicht 105 anzeigt. Eine relative Frequenztrennung (Fractional Frequency Separation) kann durch die folgende Gleichung (1) mathematisch dargestellt werden: FFS = 100·(F_TS2 – F_S)/F_S[%] (1)
Die Bedeutung von FFS beim Minimieren von Strahlungsverlusten bei der Parallelresonanzfrequenz Fp und für das Maximieren des Parallelwiderstands Rp beruht auf einer Überlagerung (oder einem Grad der Ähnlichkeit) von einer Mason-Pseudomode und einer eTE1-Eigenmode durch den gesamten akustischen Stapel der BAW-Referenzresonatoreinrichtung oder der BAW-Resonatoreinrichtung 100. Die Mason-Pseudomode ist eine spezifische Verteilung einer longitudinalen Uz-Verschiebung über dem gesamten akustischen Stapel der BAW-Referenzresonatoreinrichtung oder der BAW-Resonatoreinrichtung 100, die durch eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103 und 108, respektive, angelegte vertikale Spannung erzeugt wird. In dem in 1B gezeigten Dispersionsdiagramm kann die Mason-Pseudomode als eine vertikale Linie bei Kx = 0 dargestellt werden, was einer räumlich gleichförmigen Verteilung von Uz in einer lateralen Richtung der BAW-Referenzresonatoreinrichtung oder der BAW-Resonatoreinrichtung 100 entspricht. Aus diesem Grund kann die Mason-Pseudomode auch als eine Kolben-Mode (piston mode) bezeichnet werden. Es sei angemerkt, dass die Mason-Pseudomode nicht irgendwelche Scherungs-Ux-Verschiebungskomponenten bei irgendwelchen Betriebsfrequenzen aufweist und vielmehr die Dicken-Ausdehnungsmode von erster Ordnung um Fs herum ist, was bedeutet, dass die longitudinale Uz-Verschiebung eine Null nahe bei der Mitte des Stapels aufweist, während die Oberseite und die Unterseite des Stapels in entgegengesetzter Richtung in Bezug zu ihren anfänglichen (d.h. ohne angelegte Spannung) Positionen verschoben sind. Andererseits gehören die pTE1-, eTE1- und die pTS2-Mode zu einer Familie von Dicken-Ausdehnungsmoden erster Ordnung und Dicken-Scherungs-Moden zweiter Ordnung, was bedeutet, dass die longitudinale Uz-Verschiebung eine Null in der Nähe der Mitte des Stapels (ähnlich wie die Mason-Pseudomode) aufweist und dass die Scherungs-Ux-Verschiebung zwei Nullen innerhalb des Stapels aufweist.
Wenn die Frequenz sich von unterhalb Fs nach oberhalb F_TS2 in 1B verändert, verändern sich die dominanten Polarisationen der Moden, die durch pTE1-, eTE1- und pTS2-Zweige dargestellt sind, von vorwiegend longitudinal um die Fs-Frequenz in vorwiegend Scherung um die F_TS2-Frequenz, und gleichzeitig ändert sich die Ordnung der Mode von vorwiegend erster Ordnung um die Fs-Frequenz in vorwiegend zweite Ordnung um die F_TS2-Frequenz. Insbesondere ist bei Fp die eTE1-Eigenmode eine gemischte longitudinal/Scherungsmode von erster Ordnung/zweiter Ordnung, wobei die spezifische Aufteilung der Energie zwischen den Uz- und Ux-Komponenten von der Frequenztrennung zwischen F_TS2 und F_S, und zwischen Fp und Fs abhängt. Weil für die meisten der akustischen Stapel Fp relativ dicht bei Fs ist im Vergleich zu F_TS2, kann FFS als ein einfaches Maß für die modale Ähnlichkeit von eTE1-Eigenmoden und Mason-Pseudomoden verwendet werden. Es sei angemerkt, dass für eine Frequenz F in sehr dichter Nähe zu Fs (F – FS << Fp – Fs), die Mason-Pseudomode und die eTE1-Eigenmode praktisch identisch sind. Genauer gesagt, ist die FFS für die BAW-Referenzresonatoreinrichtung näherungsweise 18% (F_TS2 ^Mo ist näherungsweise 2,69 GHZ), und FFS für die BAW-Resonatoreinrichtung 100 ist näherungsweise 34% (F_TS2 ^SiC ist näherungsweise 3,04 GHz). Etwas anders ausgedrückt, ermöglicht das Ersetzen der zweiten Schicht mit relativ hoher akustischer Impedanz (ausgebildet aus Mo) in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung durch die zweite Schicht 105 mit relativ niedriger akustischer Impedanz (ausgebildet aus SiC) in der BAW-Resonatoreinrichtung 100, dass FFS um näherungsweise einen Faktor zwei abnimmt. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden sollte, besteht der Hauptunterschied in den akustischen Dispersionsdiagrammen zwischen den akustischen Stapeln der BAW-Referenzresonatoreinrichtung und der BAW-Resonatoreinrichtung 100 in der spektralen Lage der F_TS2-Resonanz: alle anderen Zweige von Eigenmoden (z.B. L1, F1, eTS1, pTS1, pTE1– und TE1+) sehen aufgrund der Ähnlichkeit der akustischen Stapel, die in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung und in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 umfasst sind, im Wesentlichen ähnlich aus.
Für die BAW-Referenzresonatoreinrichtung oder die BAW-Resonatoreinrichtung 100 bei der Parallelresonanzfrequenz Fp ist die Uz-Verschiebung für eine Mason-Pseudomode gleichförmig (flat) über der zweiten Elektrode 108 und wird an den Rändern der zweiten Elektrode 108 abrupt beendet. Weil die Abschneidefrequenz für die Dickenausdehnungs (TE1)-Resonanz in dem Bereich außerhalb der zweiten Elektrode 108 signifikant höher als in dem aktiven Bereich ist, klemmt sie die gesamte Verschiebung außerhalb des aktiven Bereichs der BAW-Resonatoreinrichtung im Wesentlichen ein. Dieses Einklemmerfordernis verstärkt (über geeignete Kontinuitätsbedingungen für Spannung und Teilchengeschwindigkeit) eine Unterdrückung der Gesamtbewegung am Rand der zweiten Elektrode 108, was primär durch eine mechanische Anregung einer eTE1-Mode in der entgegengesetzten Phase zu der Mason-Pseudomode, die durch ein elektrisches Feld getrieben ist, erzielt werden kann. Infolgedessen zeigt eine Gesamt-Uz-Verschiebung einen verschwindenden Abfall in Richtung zu den Elektrodenrändern, von der Mitte des Resonators aus betrachtet. Jedoch kann eine eTE1-Mode eine gesamte Uz-Verschiebung an den Rändern der oberen Elektrode nicht vollständig unterdrücken, weil sie auch eine von Null verschiedene Scherungs-Ux-Verschiebung enthält. Weil die Mason-Pseudomode rein longitudinal ist, ist die Gesamt-Scherungs-Komponente der Gesamtverschiebung am Rand der oberen Elektrode vorwiegend gleich der Scherungs-Ux-Komponente der eTE1-Mode an den oberen Elektrodenrändern. Daher erfordert eine unvollständige Unterdrückung von Komponenten von longitudinalen Uz-Verschiebungen einer Mason-Pseudomode und eine verstärkte Anregung der Scherungs-Ux-Verschiebung der eTE1-Eigenmode an den oberen Elektrodenrändern eine Anregung von anderen, sich ausbreitenden und komplexen Eigenmoden, die in 1B beispielsweise als eTE1-, pTS1-, L1- und F1-Zweige für die BAW-Referenzresonatoreinrichtung und die BAW-Resonatoreinrichtung 100 gezeigt sind, um die erforderlichen Kontinuitätsbedingungen für die Spannung und die Teilchengeschwindigkeit am oberen Elektrodenrand zu ermöglichen. Sich ausbreitende, verschwindende und komplexe Moden, die in dem aktiven Hauptbereich angeregt werden, führen zu einem vergrößerten lokalisierten viskosen Verlust und zu einem Ohm‘schen Verlust aufgrund der Joule-Erwärmung, vorausgesetzt dass eine gegebene Mode eine Dicken-Ausdehnungs-Komponente enthält. Sich ausbreitende Moden im Bereich außerhalb der oberen Elektrode führen zu einer akustischen Strahlung von Energie in umgebende Bereiche. Alle drei Verlustmechanismen (durch Strahlung, Viskosität und Ohm‘schen Widerstand) verschlechtern die Leistungsfähigkeit des Resonators, und erniedrigen insbesondere den Parallelwiderstand Rp und den Qualitätsfaktor Q der BAW-Resonatoreinrichtung.
So wie das oben angemerkt ist, ist ein vorwiegender Grund für verstärkte akustische Verluste bei der Parallelresonanzfrequenz Fp die Unfähigkeit, die elektrisch angeregten longitudinalen Verschiebungen der Mason-Pseudomode mit der abklingenden eTE1-Eigenmode zu unterdrücken, und zwar aufgrund des Vorhandenseins einer von Null verschiedenen Scherungs-Komponente der eTE1-Eigenmode. Jedoch und wie dies in Verbindung mit der 1B angemerkt ist, ist der Grad (die Stärke) der Scherungs-Komponente in einer eTE1-Eigenmode vorwiegend durch FFS bestimmt, d.h. durch die Trennung der Abschneidefrequenz F_TS2 der Scherung von zweiter Ordnung von der Serienresonanzfrequenz Fs. Somit kann man durch Neuentwerfen des akustischen Stapels zum Vergrößern von FFS die Scherungs-Komponente in der eTE1-Eigenmode verringern, eine effizientere Unterdrückung der Gesamtbewegung am Rand der oberen Elektrode ermöglichen, und somit Rp und den Q-Faktor erhöhen. So wie das in Verbindung mit der 1B gezeigt ist, ermöglicht das Ersetzen der zweiten Schicht mit relativ hoher akustischer Impedanz (ausgebildet aus Mo) in der BAW-Referenzresonatoreinrichtung durch eine zweiten Schicht 105 mit relativ niedriger akustischer Impedanz (ausgebildet aus SiC) einer BAW-Resonatoreinrichtung 100, dass FFS um näherungsweise einen Faktor zwei erhöht wird, was zu einem erwarteten Anwachsen des Parallelwiderstands Rp und des Qualitätsfaktors Qp bei der Parallelresonanzfrequenz Fp in der BAW-Resonatoreinrichtung 100 im Verhältnis zu der BAW-Referenzresonatoreinrichtung führt.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 2 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 200, die eine Temperaturkompensationsanordnung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform enthält.
Mit Verweis auf 2, eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 200 umfasst einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. Viele Einzelheiten der oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschriebenen BAW-Resonatoreinrichtung 100 sind gemeinsam mit denen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 200 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Der akustische Stapel umfasst eine piezoelektrische Schicht 106, die zwischen einer ersten Elektrode 103 und einer zweiten Elektrode 108 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der entlang von zumindest einer Seite, wenn nicht allen Seiten derselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann an einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien ausgebildet sein kann, einschließlich AlN, Siliziumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN, Polysilizium und dergleichen, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet werden. Die Dicke der Passivierungsschicht muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umgebung zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform sind die erste und die zweite Schicht 104, 105 über der piezoelektrischen Schicht 106 und unter der zweiten Elektrode 108 angeordnet. Insbesondere, und in der Reihenfolge der Ablagerung, kann die zweite Schicht 105 ausgebildet werden, bevor die erste Schicht 104 ausgeführt wird, jedoch ist zur Konsistenz der Funktionalität (und zwar dass die erste Schicht 104 einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist) die Bezeichnungskonvention der 1 beibehalten. Um einen Schutz der ersten Schicht 104 von Ätzmitteln bereitzustellen, wird zwischen der zweiten Schicht 105 und der zweiten Elektrode 108 eine Zwischenschicht 201 bereitgestellt, und diese erstreckt sich entlang der Seiten der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, wodurch ein Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht hergestellt wird, wie dies gezeigt ist.
Zur Erläuterung, die Zwischenschicht 201 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf). Zusätzlich zum Bereitstellen eines elektrischen Pfades zwischen der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 dient die Zwischenschicht 201 als ein Ätzstopp und verhindert praktisch im Wesentlichen das Ätzen der ersten Schicht 104 während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 200, wie etwa während des Entfernens von Opferschichten, die in der Vertiefung 102 und unter der zweiten Elektrode 108 während des Ausbildens des auskragenden Abschnitts 107 und der Brücke (nicht gezeigt) bereitgestellt worden sind. Alternativ dazu kann die Zwischenschicht 201 aus verschiedenen dielektrischen Materialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, ausgebildet werden, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN). Der Vorteil des Ausbildens der Zwischenschicht 201 mit dem oben erwähnten dielektrischen Material ist, den Kopplungskoeffizienten (kt²) weiter zu verringern, wenn dies für die finale Anwendung der BAW-Resonatoreinrichtung 200 wünschenswert ist.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolierung bereitzustellen, so dass der akustische Stapel über einem Luftraum aufgehängt ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ohne eine Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise und wie oben angemerkt, kann der akustische Stapel über einem akustischen Spiegel ausgebildet werden, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (nicht in 2 gezeigt), der abwechselnd Schichten von Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, wobei ein Beispiel dafür in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hiermit durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 104 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise gleiche wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. Etwas anders ausgedrückt, die erste Schicht 104 wird aus einem Material ausgebildet, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105, der Zwischenschicht 201, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche weist die erste Schicht 104 Temperaturkoeffizienten auf, die ausgewählt sind, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Die erste Schicht 104 kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise nicht-dotiertem Siliziumglas (USG) (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)), Borsilikatglas (BSG), Chrom (Cr) oder Telluroxid (TeO_(x)), die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der positive Temperaturkoeffizient der ersten Schicht 104 gleicht die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Materialien in dem akustischen Stapel, einschließlich der piezoelektrischen Schicht 106, der ersten Elektrode 103 und der zweiten Elektrode 108, aus. Verschiedene veranschaulichende Techniken zum Ausbilden der temperaturkompensierenden Schicht 104 sind beispielsweise in dem oben erwähnten US Patent Nr. 7,561,009 an Larson III et al. beschrieben. Die Dicke der ersten Schicht 104‘ kann von 100 Å bis etwa 5000 Å reichen.
Wie dies oben in der Beschreibung der 1A erwähnt ist, kann die zweite Schicht 105 aus verschiedenen Materialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, ausgebildet werden, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN), und diese Schichten können beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-, Aufdampfoder CVD-Technik ausgebildet werden. Die zweite Schicht 105 kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen. Einige Vorteile für die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 200, die herrühren vom Ausbilden der zweiten Schicht 105 aus einem Material, das eine relativ niedrige akustische Impedanz im Vergleich zu den anderen Schichten der BAW-Resonatoreinrichtung 200 aufweist, insbesondere die erste Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 106, die zweite Elektrode 108 und die Passivierungsschicht 109, sind ähnlich wie diejenigen, die oben in Verbindung mit der 1B beschrieben sind.
So wie das aus einem Review der Temperaturkompensationsanordnung gewertschätzt werden kann, wird durch die Aufnahme der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, die allgemein aus dielektrischen Materialien ausgebildet werden, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108, eine parasitäre Serienkapazität eingefügt. Anders als bei der Temperaturkompensationsanordnung in der US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/0266925 , wird diese parasitäre Serienkapazität nicht kurzgeschlossen oder anderweitig kompensiert. Als solche und wegen der zusätzlichen Kapazität in dem akustischen Stapel wird ein Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 200 aufgrund des zusätzlichen Spannungsabfalls über die piezoelektrisch nicht-aktiven dielektrischen Bereiche der ersten und der zweiten Schicht 104 und 105 vergleichsweise verringert. In einer repräsentativen Ausführungsform ist der Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 200 im Bereich von näherungsweise 1,0% bis näherungsweise 4,0%. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden wird, verringert die Verringerung des Kopplungskoeffizienten (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 200 das Durchlassband von Filtern, die die BAW-Resonatoreinrichtung 200 umfassen. Beispielsweise in den sogenannten „Splitter“-Betriebsbändern („sliver“ operating bands) (z.B. um 750 MHz oder 2,5 GHz), sind die schmalen Betriebsfrequenzbereiche häufig gewünscht. Durch Aufnehmen der Temperaturkompensationsanordnung, die die erste und die zweite Schicht 104, 105 umfasst, kann die BAW-Resonatoreinrichtung 200 verwendet werden, um Filter bereitzustellen, die recht gut in derartigen schmalen Durchlassbändern (im Bereich von näherungsweise 1% bis näherungsweise 3% der zentralen Durchlassbandfrequenz) arbeiten, und zwar mit näherungsweise vollständiger Temperaturkompensation.
Die piezoelektrische Schicht 106 wird über der zweiten Schicht 105 und der ersten Elektrode 103 ausgebildet. Die piezoelektrische Schicht 106 kann aus einem Dünnschicht-Piezoelektrikum, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder dergleichen, ausgebildet werden. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 kann beispielsweise von etwa 1000 Å bis etwa 100.000 Å reichen, obwohl die Dicke variieren kann, um einzigartige Vorteile für irgendeine bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, so wie das für einen Fachmann offensichtlich sein würde. In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Schicht 106 auf einer Keimschicht (seed layer) (nicht gezeigt), die über einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 103 angeordnet ist, ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Keimschicht aus Al ausgebildet werden, um das Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht 106 aus AlN zu fördern. Die Keimschicht kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 3 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 300, die eine Schicht mit einer Temperaturkompensationsanordnung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform enthält.
Mit Verweis auf 3 umfasst die veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 300 einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. Viele Einzelheiten der BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200, die oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind, sind gemeinsam mit denjenigen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 300 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Der akustische Stapel umfasst eine piezoelektrische Schicht 106, die zwischen einer ersten Elektrode 103 und einer zweiten Elektrode 108 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der zumindest entlang einer Seite, wenn nicht allen Seiten derselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann an einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien ausgebildet sein kann, einschließlich AlN, Siliziumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN, Polysilizium und dergleichen, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet werden. Die Dicke der Passivierungsschicht muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umgebung zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform sind die erste und die zweite Schicht 104, 105 in der piezoelektrischen Schicht 106 und folglich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108 angeordnet. Insbesondere und wie in der Querschnittsansicht der 3 dargestellt, kapselt die zweite Schicht 105 die erste Schicht 104 im Wesentlichen ein. Wie oben angemerkt, umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das im Wesentlichen inert gegen Ätzmittel ist, die während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 300 verwendet werden. Als solche dient die zweite Schicht 105 als ein Ätzstopp und verhindert praktisch im Wesentlichen das Ätzen der ersten Schicht 104 während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 300, wie etwa während des Entfernens von Opferschichten, die in der Vertiefung 102 und unter der zweiten Elektrode 108 während des Ausbildens des auskragenden Abschnitts 107 und der Brücke (nicht gezeigt) bereitgestellt worden sind.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolierung bereitzustellen, so dass der akustische Stapel aufgehängt über einem Luftraum angeordnet ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ohne Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise und wie oben angemerkt, kann der akustische Stapel über einem akustischen Spiegel ausgebildet werden, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (in 3 nicht gezeigt), der abwechselnd Schichten von Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hiermit durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
Wie oben angemerkt und in verschiedenen Ausführungsformen, umfasst die erste Schicht 104 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise die gleiche wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. Etwas anders ausgedrückt, die erste Schicht 104 ist aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche hat die erste Schicht 104 einen Temperaturkoeffizienten, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schicht, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Die erste Schicht 104 kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise nicht-dotiertem Siliziumglas (USG) (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)), Borsilikatglas (BSG), Chrom (Cr) oder Telluroxid (TeO_(x)), die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der positive Temperaturkoeffizient der ersten Schicht 104 gleicht die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Materialien in dem akustischen Stapel, einschließlich der piezoelektrischen Schicht 106, der ersten Elektrode 103 und der zweiten Elektrode 108, aus. Verschiedene veranschaulichende Techniken zum Ausbilden der temperaturkompensierenden Schicht 104 sind beispielsweise in dem oben benannten US Patent Nr. 7,561,009 an Larson III et al. beschrieben. Die Dicke der ersten Schicht 104 kann von 100 Å bis etwa 5000 Å reichen.
So wie das in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen der 1A beschrieben ist, kann die zweite Schicht 105 aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN), und kann beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-, Aufdampfungs- oder CVD-Technik ausgebildet werden. Die zweite Schicht 105 kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen. Bestimmte Vorteile für die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 300, die herrühren vom Ausbilden der zweiten Schicht 105 aus einem Material, das eine relativ niedrige akustische Impedanz im Vergleich zu den anderen Schichten in der BAW-Resonatoreinrichtung 300, insbesondere die erste Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 106, die zweite Elektrode 108 und die Passivierungsschicht 109, aufweist, sind ähnlich wie diejenigen, die oben in Verbindung mit der 1B beschrieben sind.
So wie das von einem Review der Temperaturkompensationsanordnung gewertschätzt werden kann, wird durch die Aufnahme der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, die allgemein aus dielektrischen Materialien ausgebildet sind, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108, eine parasitäre Serienkapazität eingefügt. Anders als die Temperaturkompensationsanordnung in der US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/0266925, wird diese parasitäre Serienkapazität nicht kurzgeschlossen oder anderweitig kompensiert. Als solche, wegen der zusätzlichen Kapazität in dem akustischen Stapel, wird ein Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 300 aufgrund eines zusätzlichen Spannungsabfalls über den piezoelektrisch nicht-aktiven dielektrischen Bereichen der ersten und der zweiten Schicht 104 und 105 vergleichsweise verringert. In einer repräsentativen Ausführungsform ist der Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 300 im Bereich von näherungsweise 1,0% bis näherungsweise 4,0%. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden wird, verringert die Verringerung des Kopplungskoeffizienten (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 300 das Durchlassband von Filtern, die die BAW-Resonatoreinrichtung 300 umfassen. Beispielsweise in den sogenannten „Splitter“-Betriebsbändern (z.B. um 750 MHz oder 2,5 GHz) sind die schmalen Betriebsfrequenzbereiche gewünscht. Durch Aufnehmen der Temperaturkompensationsanordnung, die die erste und die zweite Schicht 104, 105 umfasst, kann die BAW-Resonatoreinrichtung 300 verwendet werden, um Filter bereitzustellen, die in solchen schmalen Durchlassbändern (in dem Bereich von näherungsweise 1 % bis näherungsweise 3 % der zentralen Durchlassbandfrequenz) recht gut arbeiten, und zwar mit näherungsweise vollständiger Temperaturkompensation.
Die piezoelektrische Schicht 106 kann durch ein bekanntes Verfahren ausgebildet werden, wie etwa eines von den Verfahren, die in bestimmten, oben beschriebenen, aufgenommenen Patenten, Patentanmeldungsoffenlegungsschriften oder Patentanmeldungen beschrieben sind.
Nach dem Ausbilden einer anfänglichen Menge werden die erste und die zweite Schicht 104, 105 mittels der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet. Die Ausbildung der piezoelektrischen Schicht setzt dann über der zweiten Schicht 105 fort. Insbesondere, um einen symmetrischen akustischen Stapel bereitzustellen, können die erste und die zweite Schicht 104, 105 ausgebildet werden nachdem näherungsweise eine Hälfte der gewünschten Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 ausgebildet ist. Die piezoelektrische Schicht 106 kann aus einem Dünnschicht-Piezoelektrikum, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder dergleichen, ausgebildet werden. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 kann beispielsweise von etwa 1000 Å bis etwa 100.000 Å reichen, obwohl die Dicke variieren kann, um einzigartige Vorteile für irgendeine bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfsanforderungen von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, so wie das für einen Fachmann offensichtlich sein würde. In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Schicht 106 auf einer Keimschicht (nicht gezeigt), die über einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 103 angeordnet ist, ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Keimschicht aus Al ausgebildet werden, um das Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht 106 aus AlN zu fördern. Die Keimschicht kann eine Dicke im Bereich von beispielsweise etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen.
So wie das oben angemerkt ist, kann das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105 die Qualität der kristallinen Struktur der piezoelektrischen Schicht 106 verringern. Insbesondere umfasst die zweite Schicht 105 allgemein ein Material, das bei der Ausbildung einer hochstrukturierten piezoelektrischen Schicht, die eine wohl definierte kristalline Orientierung aufweist, weniger optimal ist. Als solche ist die Gesamtqualität der über der zweiten Schicht 105 ausgebildeten piezoelektrischen Schicht 106 verringert im Vergleich zu der, die über der ersten Elektrode 103 ausgebildet ist, was mit oder ohne einer darüber ausgebildeten Keimschicht eine bessere Oberfläche bereitstellt, über der eine hochstrukturierte piezoelektrische Schicht aufwachsen soll. Eine derartige piezoelektrische Schicht ist folglich nicht hoch strukturiert, hat einen vergleichsweise verringerten piezoelektrischen Kopplungskoeffizient (e₃₃), und hat infolgedessen einen vergleichsweise verringerten Kopplungskoeffizienten (kt²). Als solche und mit dem gewünschten Ende einer repräsentativen Ausführungsform, die ein vergleichsweise schmales Durchlassband aufweist, führt die weniger als hoch strukturierte piezoelektrische Schicht 106 zu einem verringerten Kopplungskoeffizienten (kt²) in der BAW-Resonatoreinrichtung 300 und zu einem vergleichsweise schmalen Durchlassband. Beispielsweise kann das Ablagern der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105 den Kopplungskoeffizienten (kt²) um näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 3% im Vergleich zu einem Kopplungskoeffizienten (kt²) der hoch strukturierten piezoelektrischen Schicht 106 verringern.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 4 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 400, die eine Schicht einer Temperaturkompensationsanordnung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform enthält.
Mit Verweis auf 4 umfasst eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 400 einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. Viele Einzelheiten der BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200, 300, die oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind, sind gemeinsam mit denjenigen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 400 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorgeschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Der akustische Stapel umfasst eine piezoelektrische Schicht 106, die zwischen einer ersten Elektrode 103 und einer zweiten Elektrode 108 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der entlang zumindest einer Seite, wenn nicht allen Seiten derselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann an einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien, einschließlich AlN, Siliziumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN, Polysilizium und dergleichen, ausgebildet sein kann, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet sein. Die Dicke der Passivierungsschicht muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels vor der Umgebung zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, vor Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform sind die erste und die zweite Schicht 104, 105 in der piezoelektrischen Schicht 106 und folglich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108 angeordnet. So wie das in der Querschnittsansicht der 4 dargestellt ist, ist die zweite Schicht 105 unter der ersten Schicht 104 bereitgestellt. Eine Zwischenschicht 401 ist über der ersten Schicht 104 bereitgestellt, erstreckt sich auf die Seiten der ersten Schicht 104 und kapselt die erste Schicht 104 zusammen mit der zweiten Schicht 105 im Wesentlichen ein. Wie die zweite Schicht 105, so umfasst die Zwischenschicht 401 ein Material, das im Wesentlichen gegenüber Ätzmitteln, der während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 400 verwendet werden, inert ist. Als solche dienen die Zwischenschicht 401 und die zweite Schicht 105 als ein Ätzstopp und verhindern praktisch im Wesentlichen das Ätzen der ersten Schicht 104 während der Verarbeitung der BAW-Resonatoreinrichtung 400, wie etwa während des Entfernens von Opferschichten, die in der Vertiefung 102 und unter der zweiten Elektrode 108 während des Ausbildens des auskragenden Abschnitts 107 und der Brücke (nicht gezeigt) bereitgestellt worden sind.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolierung bereitzustellen, so dass der akustische Stapel aufgehängt über einem Luftraum angeordnet ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ohne eine Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise und wie oben angemerkt, kann der akustische Stapel über einem akustischen Spiegel ausgebildet werden, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (in 4 nicht gezeigt), der abwechselnd Schichten von Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hierin durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
Wie oben angemerkt und in verschiedenen Ausführungsformen, umfasst die erste Schicht 104 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise gleiche wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. Des Weiteren umfasst die Zwischenschicht 401 ein Material, das einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und kann aus einem Material ausgebildet werden, das zum Ausbilden von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 verwendet wird. Etwas anders ausgedrückt ist die erste Schicht 104 aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105, der Zwischenschicht 401, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche hat die erste Schicht 104 einen Temperaturkoeffizienten, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Die erste Schicht 104 kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise nicht-dotiertes Siliziumglas (USG) (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)), Borsilikatglas (BSG), Chrom (Cr) oder Telluroxid (TeO_(x)), die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der positive Temperaturkoeffizient der ersten Schicht 104 gleicht die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Materialien in dem akustischen Stapel, einschließlich der piezoelektrischen Schicht 106, der ersten Elektrode 103 und der zweiten Elektrode 108, aus. Verschiedene veranschaulichende Techniken zum Ausbilden der temperaturkompensierenden Schicht 104 sind beispielsweise in dem oben erwähnten US Patent Nr. 7,561,009 an Larson III et al. beschrieben. Die Dicke der ersten Schicht 104 kann von 100 Å bis etwa 5000 Å reichen.
So wie das oben in Verbindung mit 1A erwähnt ist, kann die zweite Schicht 105 aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN), und kann beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-, Aufdampf- oder CVD-Technik ausgebildet werden. Die zweite Schicht 105 kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen. Wiederum sind bestimmte Vorteile für die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 400, die herrühren von dem Ausbilden der zweiten Schicht 105 aus einem Material, das eine relativ niedrige akustische Impedanz im Vergleich zu den anderen Schichten in der BAW-Resonatoreinrichtung 400 (insbesondere die erste Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 106, die zweite Elektrode 108 und die Passivierungsschicht 109) aufweist, ähnlich wie diejenigen, die oben in Verbindung mit 1B beschrieben sind.
Die Zwischenschicht 401 kann ebenfalls aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
So wie das aus einem Review der Temperaturkompensationsanordnung gewertschätzt werden kann, wird durch die Aufnahme der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, die allgemein aus dielektrischen Materialien ausgebildet sind, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103, 108, eine parasitäre Serienkapazität eingefügt. Insbesondere wird das Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht 106 unterbrochen, um die erste und die zweite Schicht 104, 105 auszubilden. Nach dem Ausbilden der ersten und der zweiten Schicht 104, 105 wird das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 106 fortgesetzt. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden wird, kann das Unterbrechen des Aufwachsens der piezoelektrischen Schicht 106, in Kombination mit der zusätzlichen Oberfläche (d.h. der Oberfläche der Zwischenschicht 401), über der das Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht 106 fortgesetzt wird, für die Qualität bzw. kristalline Orientierung der resultierenden piezoelektrischen Schicht 106, die über der Zwischenschicht 401 ausgebildet wird, nachteilig sein. Diese beeinträchtigte Qualität kann die Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 400 und jeglicher Filter, die die BAW-Resonatoreinrichtung 400 eingebaut haben, nachteilig beeinflussen. Andererseits kann die akustische Impedanz der Zwischenschicht 401 niedriger sein als die der piezoelektrischen Schicht 106, die in diesem unterbrochenen Vorgang ausgeführt wird, und kann daher die Eingrenzung der akustischen Energie in dem mittleren Abschnitt des akustischen Stapels verbessern, was zu einer besseren Gesamtleistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 400 führt aufgrund der erhöhten FFS-Zahl, die in Verbindung mit der 1B beschrieben worden ist. Jedoch wäre das wahrscheinlichere Szenario die verringerte Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 400 aufgrund der beeinträchtigten Qualität der piezoelektrischen Schicht 106, die über der Zwischenschicht 401 ausgebildet ist.
Anders als die Temperaturkompensationsanordnung in der US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2011/0266925 ist diese parasitäre Serienkapazität nicht kurzgeschlossen oder in anderer Weise kompensiert. Als solcher, wegen der zusätzlichen Kapazität in dem akustischen Stapel, ist ein Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 400 aufgrund eines zusätzlichen Spannungsabfalls über den piezoelektrischen, nicht-aktiven dielektrischen Bereichen der ersten und der zweiten Schicht 104 und 105 vergleichsweise verringert. In einer repräsentativen Ausführungsform ist der Kopplungskoeffizient (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 400 im Bereich von näherungsweise 1,0% bis näherungsweise 4,0%. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden wird, verringert die Verringerung des Kopplungskoeffizienten (kt²) der BAW-Resonatoreinrichtung 400 das Durchlassband von Filtern, die die BAW-Resonatoreinrichtung 400 umfassen. Beispielsweise in den sogenannten „Splitter“-Betriebsbändern (z.B. um 750 MHz oder 2,5 GHz) sind die schmalen Betriebsfrequenzbänder gewünscht.
Durch Einbauen der Temperaturkompensationsanordnung, die die erste und die zweite Schicht 104, 105 umfasst, kann die BAW-Resonatoreinrichtung 400 verwendet werden, um Filter bereitzustellen, die recht gut in derartigen schmalen Durchlassbändern (im Bereich von näherungsweise 1% bis näherungsweise 3% der mittleren Durchlassbandfrequenz) arbeiten, und zwar mit näherungsweise vollständiger Temperaturkompensation.
Die piezoelektrische Schicht 106 wird mittels eines bekannten Verfahrens ausgebildet, wie etwa eines der Verfahren, das in bestimmten aufgenommenen Patenten, Patentanmeldungsoffenlegungsschriften oder Patentanmeldungen, die oben erwähnt sind, beschrieben ist. Nach dem Ausbilden einer anfänglichen Menge werden die erste und zweite Schicht 104, 105 mittels der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet. Als nächstes wird die Zwischenschicht 401 über der ersten Schicht 104 bereitgestellt und stellt einen Kontakt mit der zweiten Schicht 105 her. Die Ausbildung der piezoelektrischen Schicht setzt dann über der Zwischenschicht 401 fort. Insbesondere können, um einen symmetrischen akustischen Stapel bereitzustellen, die erste und die zweite Schicht 104, 105 und die Zwischenschicht 401 ausgebildet werden nachdem näherungsweise eine Hälfte der gewünschten Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 ausgebildet ist, und können aus einem Material mit einer akustischen Impedanz, die niedriger als die akustische Impedanz der piezoelektrischen Schicht 106 ist, ausgebildet werden.
Die piezoelektrische Schicht 106 kann aus einem Dünnschicht-Piezoelektrikum ausgebildet werden, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder dergleichen. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 106 kann beispielsweise von etwa 1000 Å bis etwa 100.000 Å reichen, obwohl die Dicke variieren kann, um einzigartige Vorteile für irgendeine Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, so wie das für einen Fachmann offensichtlich sein würde. In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Schicht 106 auf einer Keimschicht (nicht gezeigt), die über einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 103 angeordnet ist, ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Keimschicht aus Al ausgebildet werden, um das Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht 106 aus AlN zu fördern. Die Keimschicht kann eine Dicke im Bereich beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen.
Wie oben angemerkt, kann das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105 die Qualität der kristallinen Struktur der piezoelektrischen Schicht 106 verringern. In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist die Zwischenschicht 401 aus einem Material ausgewählt, das förderlicher für das Ausbilden einer kristallinen Struktur von besserer Qualität ist. Während die Aufnahme der ersten und der zweiten Schicht 104, 105 zu Problemen mit dem Ausbilden einer hoch strukturierten piezoelektrischen Schicht, die eine wohl definierte kristalline Orientierung aufweist, führen kann, fördert das Einschließen der Zwischenschicht 401 ein besseres Wachstum. Als solche, weil die piezoelektrische Schicht 106 von einer besseren kristallinen Natur ist als wenn die Zwischenschicht 401 nicht verwendet werden würde, könnte ein etwas verbesserter piezoelektrischer Kopplungskoeffizient (e₃₃) realisiert werden, und infolgedessen ein vergleichsweise verringerter Kopplungskoeffizient (kt²) realisiert werden. Daher ist die Verschlechterung des piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e₃₃) und des Kopplungskoeffizienten (kt²) nur durch die parasitäre Serienkapazität, die durch die Temperaturkompensationsanordnung eingeführt wird, ein wenig beschränkt. Demgemäß können der piezoelektrische Kopplungskoeffizient (e₃₃) und der Kopplungskoeffizient (kt²) einigermaßen auf bestimmte Erfordernisse maßgeschneidert werden, um ein bestimmtes schmales Durchlassbandfilter, das eine BAW-Resonatoreinrichtung 400 verwendet, bereitzustellen.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 5 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 500, die eine Schicht mit eine Temperaturkompensationsanordnung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform enthält.
Mit Verweis auf 5, die veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 500 umfasst einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. Viele Einzelheiten der BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200, 300, 400, die oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind, sind gemeinsam mit denjenigen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 500 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 5 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 500 mit einer Elektrode, die eine Schicht mit einer Temperaturkompensationsanordnung aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
Mit Verweis auf 5 umfasst die veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 500 einen akustischen Stapel, der über einem Substrat ausgebildet ist. Der akustische Stapel umfasst eine piezoelektrische Schicht 106, die zwischen einer ersten Elektrode 103 und einer zweiten Elektrode 108 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der zumindest entlang einer Seite, wenn nicht allen Seiten davon, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann an einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt 107 ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien ausgebildet sein kann, einschließlich AlN, Siliziumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN, Polysilizium und dergleichen, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet werden. Die Dicke der Passivierungsschicht muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels vor der Umgebung zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen. Die erste und zweite Elektrode 103 und 108 sind mit einem externen Schaltkreis elektrisch verbunden über Kontakt-Pads (nicht gezeigt), die aus einem leitfähigen Material, wie etwa Gold, einer Gold-Zinn-Legierung oder dergleichen, ausgebildet sein können.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform umfasst die erste Elektrode 103 mehrere Schichten, und kann hierin als eine Verbundelektrode (composite electrode) bezeichnet werden. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Elektrode 103 eine Temperaturkompensationsanordnung, die eine erste Schicht 104‘ und eine zweite Schicht 105‘, die nacheinander unter der piezoelektrischen Schicht 106 übereinander gestapelt sind, aufweist.
Das Substrat 101 kann aus verschiedenen Arten von Halbleitermaterialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie etwa Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen, ausgebildet werden, was nützlich ist zum Integrieren von Verbindungen und Elektronikschaltungen, wodurch eine Größe und Kosten verringert werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolierung bereitzustellen, so dass der akustische Stapel über einem Luftraum aufgehängt angeordnet ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat ohne Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise kann der akustische Stapel über einem akustischen Spiegel ausgebildet werden, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (in 5 nicht gezeigt), der abwechselnd Schichten von Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hierin durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 104‘ ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105‘ ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise gleiche wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104‘ ist. Etwas anders ausgedrückt ist die erste Schicht 104‘ aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105‘, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche hat die erste Schicht 104‘ einen Temperaturkoeffizienten, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel enthalten sind, teilweise auszugleichen.
Der BAW-Resonator umfasst auch eine dritte Schicht 104“ und eine vierte Schicht 105“, die über der piezoelektrischen Schicht 106 und unter der zweiten Elektrode 108 angeordnet sind. Um einen elektrischen Kontakt zwischen der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 aufrechtzuerhalten, ist zwischen der zweiten Schicht 105 und der zweiten Elektrode 108 eine Zwischenschicht 501 bereitgestellt und erstreckt sich entlang der Seiten von der ersten und der zweiten Schicht 104, 105, wodurch ein Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht hergestellt wird, wie dies gezeigt ist.
Gemäß einer repräsentativen Ausführungsform ist die dritte Schicht 104“ im Wesentlichen die gleiche wie die erste Schicht 104‘, und die vierte Schicht 105“ ist im Wesentlichen die gleiche wie die zweite Schicht 105‘. Als solche umfasst die dritte Schicht 104“ ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die im Wesentlichen dieselbe wie die der ersten Schicht 104‘ ist und die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die vierte Schicht 105“ ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die im Wesentlichen die gleiche wie die der zweiten Schicht 105‘ ist und die näherungsweise die gleiche wie oder größer als die akustische Impedanz der dritten Schicht 104“ ist. Etwas anders ausgedrückt, die erste und dritte Schicht 104‘, 104“ sind aus Materialien hergestellt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten und der vierten Schichten 105‘, 105“, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche haben die erste und die dritte Schicht 104‘, 104“ Temperaturkoeffizienten, die ausgewählt sind, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Die erste Schicht 104‘ und die dritte Schicht 104“ können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise nicht-dotiertes Siliziumglas (USG) (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)), Borsilikatglas (BSG), Chrom (Cr) oder Telluroxid (TeO_(x)), die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der positive Temperaturkoeffizient der ersten Schicht 104 gleicht die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Materialien in dem akustischen Stapel, der die piezoelektrische Schicht 104, die erste Elektrode 103 und die zweite Elektrode 108 umfasst, aus. Verschiedene veranschaulichende Techniken zum Ausbilden der temperaturkompensierenden Schicht 104 sind beispielsweise in dem oben genannten US Patent Nr. 7,561,009 an Larson III et al. beschrieben. Die Dicken der ersten Schicht 104‘ und der dritten Schicht 104“ können von näherungsweise 100 Å bis näherungsweise 5000 Å reichen.
Wie dies oben in Verbindung mit der 1 erwähnt ist, können die zweite Schicht 105‘ und die vierte Schicht 105“ ebenfalls aus verschiedenen Materialien, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN), hergestellt werden, und können beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-, Aufdampfungs- oder CVD-Technik ausgebildet werden. Die Dicken der zweiten Schicht 105‘ und der vierten Schicht 105“ können von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å reichen. Bestimmte Vorteile für die elektrische Leistungsfähigkeit der BAW-Resonatoreinrichtung 500, die herrührt von dem Ausbilden der zweiten und der vierten Schicht 105‘ und 105“ aus einem Material, das eine relativ niedrige akustische Impedanz im Vergleich zu den anderen Schichten in der BAW-Resonatoreinrichtung 500 (insbesondere die erste Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 106, die zweite Elektrode 108 und die Passivierungsschicht 109) aufweist, sind ähnlich wie diejenigen, die oben in Verbindung mit der 1B beschrieben worden sind.
Die Zwischenschicht 501 kann ebenfalls aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf). Die Zwischenschicht 401 kann eine Dicke beispielsweise von etwa 50 Å bis etwa 5000 Å aufweisen.
Wie oben angemerkt, führt der Einschluss der ersten und der zweiten Schicht 104‘, 105‘ in der ersten Elektrode 103 und unter der piezoelektrischen Schicht 106 zu einer parasitären Serienkapazität in der BAW-Resonatoreinrichtung 500. Gleichermaßen wird durch den Einschluss der dritten und vierten Schicht 104“, 105“, die allgemein aus dielektrischen Materialien ausgebildet sind, zwischen der ersten und zweiten Elektrode, 103, 108, eine parasitäre Serienkapazität eingeführt. Diese parasitären Serienkapazitäten degradieren (verschlechtern) den Kopplungskoeffizienten (kt²) aufgrund eines zusätzlichen Spannungsabfalls über den piezoelektrisch nicht-aktiven dielektrischen Bereichen der ersten und der dritten Schichten 104‘, 104“ und 105‘, 105“. Gleichermaßen ist das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 106 über der zweiten Schicht 105‘ weniger als optimal hinsichtlich der Ausbildung einer hoch strukturierten piezoelektrischen Schicht, die eine gut definierte kristalline Orientierung aufweist. Als solches wird die Gesamtqualität der piezoelektrischen Schicht 106, die über der zweiten Schicht 105‘ ausgebildet ist, im Vergleich zu der, die über der ersten Elektrode 103 ausgebildet ist, verringert, was mit oder ohne einer darüber ausgebildeten Keimschicht, eine bessere Oberfläche bereitstellt, über der eine hoch strukturierte piezoelektrische Schicht aufwachsen soll. Eine derartige piezoelektrische Schicht ist folglich nicht stark strukturiert, hat einen vergleichsweise verringerten piezoelektrischen Kopplungskoeffizient (e₃₃), und hat infolgedessen einen vergleichsweise verringerten Kopplungskoeffizient (kt²). Als solches, und mit dem gewünschten Ende einer repräsentativen Ausführungsform, die ein vergleichsweise schmales Durchlassband aufweist, führt die weniger als stark strukturierte piezoelektrische Schicht 106 zu einem verringerten Kopplungskoeffizienten (kt²) in der BAW-Resonatoreinrichtung 500 und zu einem vergleichsweise schmalen Durchlassband.
Es sein angemerkt, dass insbesondere die kombinierte Dicke der ersten bis vierten Schicht 104“ bis 105“ im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dicken der ersten und der zweiten Schicht 104, 105 in den BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200. Als solche ist die gesamte parasitäre Serienkapazität in der BAW-Resonatoreinrichtung 500 im Wesentlichen dieselbe wie in den BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200. Jedoch ist der akustische Stapel, der die erste Elektrode 103, die erste und die zweite Schicht 104‘, 105‘ die piezoelektrische Schicht 106, die dritte und die vierte Schicht 104“, 105“ und die zweite Elektrode 108 umfasst, im Wesentlichen symmetrisch um eine Symmetrieachse, die die piezoelektrische Schicht 106 halbiert. Genauer gesagt, eine Symmetrisierung der akustischen Energieverteilung in Bezug auf die geometrische Mitte des Stapels kann eine effizientere Verwendung der akustischen Energiebegrenzungsmerkmale, wie etwa sogenannte „Flügel“ und „Rahmenelemente“ ermöglichen, was zu einem verbesserten Qualitätsfaktor Q des BAW-Resonators führt. Beispiele für „Flügel“ und „Rahmenelemente“, die in BAW-Resonatoreinrichtungen gemäß der vorliegenden Lehren verwendet werden, werden unten in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen der 6 beschrieben. Wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden sollte, sind diese Merkmale für BAW-Resonatoren optimiert, die nicht temperaturkompensiert sind und die allgemein eine untere Elektrode, eine piezoelektrische Schicht, eine obere Elektrode und die Passivierungsschicht umfassen. In derartigen BAW-Resonatoren tritt die Spitze (oder der Peak) der akustischen Energie allgemein in der Nähe der geometrischen Mitte des Stapels (in der vertikalen Richtung) auf. Das Einfügen einer Temperaturkompensationsanordnung, wie beispielsweise in der BAW-Resonatoreinrichtung 100, erzeugt eine Asymmetrie in der Energieverteilung über dem akustischen Stapel der BAW-Resonatoreinrichtung 100 durch das Einführen von einer anderen
Energiespitze (Energie-Peak) in der ersten Schicht 104 aufgrund der niedrigsten akustischen Impedanz der ersten Schicht 104 in dem akustischen Stapel. Eine derartige asymmetrische Energieverteilung über dem akustischen Stapel der BAW-Resonatoreinrichtung 100 führt allgemein zu einem verringerten FFS, der in Verbindung mit 2 beschrieben ist, was einem niedrigeren Parallelwiderstand und Qualitätsfaktor Qp bei der Parallelresonanzfrequenz Fp führt. Der nachteilige Einfluss einer asymmetrischen Energieverteilung auf FFS und die Resonator-Leistungsfähigkeit kann durch Anordnen einer anderen temperaturkompensierenden Anordnung über der piezoelektrischen Schicht minimiert werden, so wie das in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen der 5 beschrieben ist. Eine andere Herangehensweise zum Bereitstellen einer symmetrischen akustischen Energieverteilung über dem akustischen Stapel und zum immer noch weiteren Vergrößern der FFS besteht darin, die Temperaturkompensierungsanordnung innerhalb der piezoelektrischen Schicht anzuordnen, so wie das in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen der 4 beschrieben ist. Jedoch und wie dies oben angemerkt ist, kann eine solche Herangehensweise die Qualität der piezoelektrischen Schicht 106, die über der Temperaturkompensationsanordnung, die die erste Schicht 104, die zweite Schicht 105 und die Zwischenschicht 401 in der BAW-Resonatoreinrichtung 400 umfasst, verschlechtern. Somit können die tatsächlichen Verarbeitungskosten und Leistungsfähigkeitsvergleiche zwischen den asymmetrischen BAW-Resonatoreinrichtungen 100, 200 und 300 und den symmetrischen BAW-Resonatoreinrichtungen 400 und 500 verwendet werden, um zu bestimmen, welcher Entwurf in der letzten Anwendung verwendet werden würde.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 6 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatoreinrichtung 600 mit einer Elektrode, die eine Schicht mit einer Temperaturkompensationsanordnung umfasst, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Viele Einzelheiten der BAW-Resonatoreinrichtungen 100 bis 500, die oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind, sind gemeinsam mit denjenigen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 600 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Mit Verweis auf 6 umfasst eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 600 einen akustischen Stapel, der über dem Substrat 101 ausgebildet ist. Der akustische Stapel umfasst eine erste Elektrode 103, eine piezoelektrische Schicht 106 und eine zweite Elektrode 108. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der entlang von zumindest einer Seite, wenn nicht allen Seiten derselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann auf einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Eine Passivierungsschicht 109, die aus verschiedenen Arten von Materialien, einschließlich AlN, Siliziumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN, Polysilizium und dergleichen, ausgebildet sein kann, kann über der zweiten Elektrode 108 angeordnet werden. Die Dicke der Passivierungsschicht 109 muss ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umwelt zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, Ätzstoffen, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen. Die erste und die zweite Elektrode 103 und 108 sind mit elektrischen Schaltkreisen elektrisch verbunden über Kontakt-Pads (nicht gezeigt), die aus einem leitfähigen Material, wie etwa Gold, einer Gold-Zinn-Legierung oder dergleichen, ausgebildet sein können.
In der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform umfasst die erste Elektrode 103 mehrere Schichten und kann hierin als eine Verbundelektrode bezeichnet werden. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Elektrode 103 eine Temperaturkompensationsanordnung, die eine erste Schicht 104 und eine zweite Schicht 105 umfasst, die nacheinander unter der piezoelektrischen Schicht 106 gestapelt sind.
Das Substrat 101 kann aus verschiedenen Arten von Halbleitermaterialien hergestellt werden, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie etwa Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen, was zum Integrieren von Verbindungen und Elektronikschaltungen nützlich ist, wodurch die Größe und Kosten verringert werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Substrat 101 eine Vertiefung 102, die unter dem akustischen Stapel ausgebildet ist, um eine akustische Isolierung bereitzustellen, derart, dass der akustische Stapel aufgehängt über einem Luftraum angeordnet ist, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ohne Vertiefung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von SMR-Technologie. Beispielsweise kann der akustische Stapel über einem akustischen Spiegel, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor (in 6 nicht gezeigt), der abwechselnd Schichten von Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist, die in dem Substrat 101 ausgebildet sind. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hierin durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Die erste Elektrode 103 umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa verschiedene Metalle, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 104 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise gleich wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. Etwas anders ausgedrückt, die erste Schicht 104 ist aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der zweiten Schicht 105, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 ausgleicht. Als solche hat die erste Schicht 104 einen Temperaturkoeffizienten, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Die BAW-Resonatoreinrichtung 600 umfasst auch ein erhöhtes Rahmenelement 601 (gelegentlich als ein „Outie“ bezeichnet) und ein zurückgesetztes Rahmenelement 602 (das gelegentlich als ein „Innie“ bezeichnet wird), das entlang der meisten, wenn nicht allen Seiten der zweiten Elektrode 108 angeordnet ist. Weitere Einzelheiten der Verwendung, Ausbildung und Vorteile des erhöhten Rahmenelements 601 und des vertieften Rahmenelements 602 werden gefunden beispielsweise in dem oben bezeichneten, gemeinsam besessenen US Patent Nr. 7,280,007 an Feng et al., den gemeinsam besessenen US Patenten 8,230,562 , 8,188,810 und 7,791,434 an Fazzio et al., dem gemeinsam besessenen US Patent 7,714,684 an Ruby et al., der gemeinsam besessenen US Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2007/0205850 mit dem Titel „Piezoelectric Resonator Structure and Electronic Filters having Frame Elements“ („Elektrische Resonatoranordnung und elektronischer Filter mit Rahmenelementen“) an Jamneala et al.. Wiederum werden die Offenbarungen dieser Patente und Patentanmeldungsoffenlegungsschriften hierin durch Verweis spezifisch aufgenommen. So wie das bekannt ist, stellen das erhöhte Rahmenelement 601 und das vertiefte Rahmenelement 602 eine akustische Fehlanpassung am Umfang der zweiten Elektrode 108 bereit, Verbessern die Signalreflexionen und Verringern akustische Verluste. Letztlich übersetzen sich verringerte Verluste in einen verbesserten Q-Faktor der Einrichtung. Während das erhöhte Rahmenelement 601 und das vertiefte Rahmenelement 602 auf der zweiten Elektrode 108 gezeigt sind, können diese Merkmale stattdessen auf der ersten Elektrode 103 bereitgestellt werden, oder wahlweise auf sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode 103, 108.
Der Einschluss der erhöhten und vertieften Rahmenelemente 601, 602 ist nicht auf die BAW-Resonatoranordnung der 6 beschränkt. Stattdessen können die erhöhten und vertieften Rahmenelemente 601, 602 zur Verwendung in den BAW-Resonatoreinrichtungen 100 bis 600 vorgesehen werden.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist 7 eine Querschnittsansicht einer BAW-Resonatorvorrichtung 700 mit einer Elektrode, die eine Schicht mit einer Temperaturkompensationsanordnung aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Viele Einzelheiten der BAW-Resonatoreinrichtungen 100 bis 600, die oben in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen beschrieben sind, sind gemeinsam mit denjenigen, die vorliegend in Verbindung mit der BAW-Resonatoreinrichtung 700 beschrieben werden. Häufig brauchen diese Einzelheiten nicht wiederholt zu werden, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Mit Verweis auf 7 umfasst eine veranschaulichende BAW-Resonatoreinrichtung 700 einen akustischen Stapel, der über einem Substrat 101 ausgebildet ist. So wie das oben erläutert worden ist, können die BAW-Resonatoren der vorliegenden Ausführungsform über einer Vertiefung ausgebildet werden (und sind folglich FBARs) oder können über einem akustischen Spiegel, wie etwa einem verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet werden (und sind folglich SMRs), die einem Fachmann bekannt sind. Die BAW-Resonatoreinrichtung 700 ist erläuternd über einem verteilten Bragg-Reflektor 102‘ ausgebildet, der abwechselnde Schichten von Materialien mit niedriger akustischer Impedanz und mit hoher akustischer Impedanz umfasst. Ein akustischer Reflektor kann gemäß verschiedener Techniken hergestellt werden, von denen ein Beispiel in dem US Patent Nr. 7,358,831 an Larson III et al., das hierin durch Verweis aufgenommen wird, beschrieben ist.
Der akustische Stapel umfasst eine erste Elektrode 103, eine piezoelektrische Schicht 106 und eine zweite Elektrode 108. Die zweite Elektrode 108 umfasst einen auskragenden Abschnitt 107 (auch als ein Flügel bekannt), der entlang von zumindest einer Seite, wenn nicht allen Seiten derselben, angeordnet ist. Die zweite Elektrode 108 kann an einer Verbindungsseite (nicht gezeigt), die eine Brücke (nicht gezeigt) umfasst, angeschlossen werden. Der auskragende Abschnitt ist beispielsweise in dem oben bezeichneten US Patent Nr. 8,248,185 beschrieben, und die Brücke ist in der oben bezeichneten US 2012/0326807 beschrieben.
Die BAW-Resonatoreinrichtung 700 umfasst eine erste Schicht 104, die ein Material umfasst, das eine akustische Impedanz aufweist, die niedriger als die akustische Impedanz von entweder der ersten Elektrode 103 oder der zweiten Elektrode 108 ist. Des Weiteren umfasst die zweite Schicht 105 ein Material, das eine akustische Impedanz aufweist, die näherungsweise gleiche wie, oder größer als, die akustische Impedanz der ersten Schicht 104 ist. So wie dies oben angemerkt ist, ist die erste Schicht 104 aus einem Material hergestellt, das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der die negativen Temperaturkoeffizienten der Schichten, die zum Ausbilden des verteilten Bragg-Reflektors 102‘, der zweiten Schicht 105, der ersten Elektrode 103, der zweiten Elektrode 108 und der piezoelektrischen Schicht 106 verwendet werden, ausgleicht. Als solches hat die erste Schicht 104 einen Temperaturkoeffizienten, der ausgewählt ist, um die negativen Temperaturkoeffizienten der anderen Schichten, die in dem akustischen Stapel umfasst sind, auszugleichen.
Der Einschluss des verteilten Bragg-Reflektors 102‘ anstelle der Vertiefung 102 ist nicht auf die BAW-Resonatoreinrichtung der 7 beschränkt. Stattdessen kann der verteilte Bragg-Reflektor 102‘ zur Verwendung anstelle der Vertiefung 102 in den BAW-Resonatoreinrichtungen 200 bis 600 verwendet werden.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen umfasst ein akustischer Stapel eine BAW-Resonatoreinrichtung eine Temperaturkompensationsanordnung. Die Temperaturkompensationsanordnung hat einen Temperaturkoeffizienten, der ein entgegengesetztes Vorzeichen von einem Temperaturkoeffizienten von mindestens einem anderen Element in dem akustischen Stapel aufweist, wodurch die Einflüsse von diesen Temperaturkoeffizienten ausgeglichen werden.
Die verschiedenen Komponenten, Materialien, Anordnungen und Parameter sind zur Veranschaulichung und lediglich als Beispiel, und nicht in irgendeinem beschränkenden Sinn enthalten. Im Hinblick auf diese Offenbarung können Fachleute die vorliegenden Lehren implementieren, wobei sie ihre eigenen Anwendungen und benötigten Komponenten, Materialien, Anordnungen und Ausrüstung bestimmen, um diese Anwendungen zu implementieren, während sie innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche verbleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6107721 [0019]
US 5587620 [0019]
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US 6828713 [0019]
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US 2012/0326807 [0022, 0049, 0076, 0094, 0109, 0119]
US 7358831 [0025, 0053, 0065, 0079, 0097, 0112, 0118]
US 2011/0266925 [0058]
US 20120/326807 [0062]

Claims

Ein akustischer Volumenwellen-(BAW, bulk acoustic wave)-Resonator, der folgendes aufweist: ein Substrat, das einen akustischen Reflektor umfasst; eine erste Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die erste Elektrode eine erste akustische Impedanz aufweist; eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode eine zweite akustische Impedanz aufweist; und eine Temperaturkompensationsanordnung, die unter der ersten Elektrode und über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Temperaturkompensationsanordnung folgendes aufweist: eine erste Schicht, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist; und eine zweite Schicht, die eine dritte akustische Impedanz aufweist, die kleiner als die erste und die zweite akustische Impedanz ist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht ein erstes dielektrisches Material umfasst und die zweite Schicht ein zweites dielektrisches Material umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 2, wobei das erste dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 50 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das erste dielektrische Material eines von nicht-dotiertem Silikatglas (USG, undoped silicate glass) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das zweite dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 60 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das zweite dielektrische Material eines von nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG, non-etchable borosilicate glass), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon) und Siliziumnitrid (SiN) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die erste Schicht einen Stapel mit einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die zweite Schicht einen Stapel mit einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht ein dielektrisches Material umfasst und die zweite Schicht ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1, 7 oder 9, wobei die erste Schicht ein dielektrisches Material umfasst und die zweite Schicht einen Stapel mit einer Mehrzahl von Metallschichten oder einer Mehrzahl von Metalllegierungsschichten oder beides umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Temperaturkompensationsanordnung ferner eine dritte Schicht mit einer akustischen Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 120 MR umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturkompensationsanordnung über der ersten Elektrode angeordnet ist und in Berührung (oder in Kontakt) mit der piezoelektrischen Schicht ist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 12, wobei die erste Schicht ein erstes dielektrisches Material umfasst und die zweite Elektrode ein zweites dielektrisches Material umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 13, wobei das erste dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 50 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das erste dielektrische Material eines von nicht-dotiertem Silikatglas (USG) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das zweite dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 60 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das zweite dielektrische Material eines von nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Temperaturkompensationsanordnung ferner eine dritte Schicht mit einer akustischen Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 120 MR umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturkompensationsanordnung unter der zweiten Elektrode angeordnet ist und in Berührung (oder in Kontakt) mit der piezoelektrischen Schicht ist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 19, wobei die erste Schicht ein erstes dielektrisches Material umfasst und die zweite Elektrode ein zweites dielektrisches Material umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 20, wobei das erste dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 60 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei das erste dielektrische Material eines von nicht-dotiertem Silikatglas (USG) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das zweite dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 50 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das zweite dielektrische Material eines von nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Temperaturkompensationsanordnung ferner eine dritte Schicht mit einer akustischen Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 120 MR umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturkompensationsanordnung in der piezoelektrischen Schicht eingebettet verdeckt ist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 26, wobei die zweite Schicht die erste Schicht im Wesentlichen einkapselt.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei die erste Schicht ein erstes dielektrisches Material umfasst und die zweite Schicht ein zweites dielektrisches Material umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 28, wobei das erste dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 50 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß Anspruch 28 oder 29, wobei das erste dielektrische Material eines von nicht-dotiertem Silikatglas (USG) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei das zweite dielektrische Material eine akustische Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 60 MR aufweist.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei das zweite dielektrische Material eines von nicht-ätzbarem Borsilikatglas (NEBSG), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC) und Siliziumnitrid (SiN) umfasst.
Ein BAW-Resonator gemäß einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei die Temperaturkompensationsanordnung ferner eine dritte Schicht mit einer akustischen Impedanz im Bereich von näherungsweise 5 MR bis näherungsweise 120 MR umfasst.