DE102017118804B3 - Akustischer Resonator mit hohem Q - Google Patents

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Abstract

Es wird ein akustischer BAW-Resonator mit hohem Q, mit hoher Kopplung und verbesserter Unterdrückung störender Moden dargestellt. Der BAW-Resonator umfasst einen aktiven Resonatorbereich (AR), der durch eine Überlappung der drei Schichten untere Elektrode (BE), piezoelektrische Schicht (PL) und obere Elektrodenschicht (TE) gebildet ist. Eine innere Klappe (IF) ist durch eine dielektrische 3D-Struktur gebildet, die auf einem Randbereich (MR) des aktiven Resonatorbereichs (AR) liegt oder an diesen angrenzt, sich nach innen in Richtung von dessen Zentrum ausdehnt und einen Abschnitt aufweist, der parallel zu und entfernt von der oberen Oberfläche des Resonators verläuft, wobei er einen inneren Spalt (IG) dazu oder einen Winkel Θ beibehält.

Description

  • BAW-Resonatoren verfügen in der Praxis über laterale Abmessungen von endlicher Größe und über Anschlussbereiche, die aus einer der folgenden drei Arten bestehen:
    1. (i) keine Elektrodenzusammenschaltung;
    2. (ii) obere Elektrodenzusammenschaltung oder
    3. (iii) untere Elektrodenzusammenschaltung.
  • Die oberen und die unteren Zusammenschaltungen werden verwendet, um den Anschluss eines Resonators mit anderen Elementen in einer Schaltung elektrisch zu verbinden, z. B. mit anderen Resonatoren, die in einer leiterartigen Konfiguration (ladder type) angeordnet sind und einen Frequenzfilter bilden.
  • Im Fall (i) wird der Anschlussbereich in der Regel gebildet, indem zuerst die obere Elektrode angeschlossen wird und anschließend die untere Elektrode angeschlossen wird oder indem sowohl die obere als auch die untere Elektrode an ungefähr der gleichen Stelle angeschlossen werden.
  • In den Fällen (ii) und (iii) wird der Anschlussbereich gebildet, indem jeweils die untere und die obere Elektrode angeschlossen werden, während es der anderen Elektrode ermöglicht wird, sich bis an ein anderes Schaltungselement auszudehnen, wie beispielsweise an eine Durchkontaktierung oder an einen anderen Resonator.
  • Anschlussbereiche von Resonatoren sind in der Regel die Hauptquelle von Störmodenanregung. An diesen Stellen werden die lokalisierten inneren, lateral wirkenden Kräfte, die auf die sich zusammenziehenden Materialien oder auf die sich ausdehnenden Materialien rückwirken, nicht aufgehoben, da sie sich in der Nähe des Zentrums des Resonators befinden. Dies führt zu einer Anregung lateraler Moden und anderer unerwünschter Bulk-Moden, die sich zurück in Richtung des Inneren des Resonators oder nach außen weg von der aktiven Resonatorfläche ausbreiten. In beiden Fällen wird die Energie in der Regel als verloren betrachtet und führt zu einem allgemein niedrigeren Qualitätsfaktor (Q) für die jeweilige Mode - in diesem Fall der Dickenausdehnung. Außerdem können störende Signale in der elektrischen Antwort der Vorrichtung bei Frequenzen auftreten, bei denen sich die lateralen Moden in der aktiven Fläche vor und zurück ausbreiten und resonieren, wenn die lateralen Abmessungen des Hohlraums in einer bestimmten Beziehung zu der charakteristischen Wellenlänge der lateralen Mode stehen.
  • Eine Optimierung der Anschlussgeometrie kann die störende Anregung der Moden reduzieren und es ermöglichen, dass mehr Energie innerhalb des Resonators enthalten bleibt, wodurch das Q der Vorrichtung verbessert und der Störsignalpegel über das jeweilige Spektrum der Vorrichtung reduziert wird. Eine korrekt optimierte Anschlussgeometrie verbessert wiederum die allgemeine Filterleistung sowohl bandintern als auch bandextern, wobei die bandexterne Leistung bei Multiplexing-Anwendungen wesentlich ist.
  • Aus der US 2011/0148547 A1 ist ein BAW Resonator bekannt, der auf seiner oberen Elektrode eine nach außen weisende über der Elektrode überstehende Metallstruktur aufweist.
  • Aus der US 2015/0280687 A1 ist ein BAW Resonator bekannt, bei dem zwischen einer piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode eine Rahmenstruktur angeordnet ist, unter der ein ringförmiger luftgefüllter Zwischenraum eingeschlossen ist.
  • Aus der US 2014/0176261 A1 und der DE 10 2016 109 826 A1 ist jeweils ein BAW Resonator bekannt, dessen obere Elektrode einen auskragenden äußeren Abschnitt aufweist, unter dem ein ringförmiger luftgefüllter Spalt angeordnet ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen BAW-Resonator bereitzustellen, der neue laterale Anschlussgeometrien enthält, die hohes Q, geringe Störsignalverfälschung und nahezu maximale elektromechanische Kopplungen bereitstellen (für eine(n) gegebene(n) Schichtstapel und Resonatorgröße).
  • Diese und andere Aufgaben werden durch einen BAW-Resonator nach Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Variationen können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Diese Erfindung offenbart neue Anschlussgeometrien für Resonatoren, die die allgemeine Resonatorleistung verbessern. Ein Ansatz für die Modenunterdrückung und die Verbesserung des Qs wird gegeben. Mit der Erfindung wird ein verbessertes Q von ~ 1800 bis 3000 bei etwa 2 GHz erwartet, basierend auf bewährten Simulationsinstrumenten. Außerdem wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt2 für denselben Schichtstapel und dieselbe Resonatorgröße von ~ 6,0 auf 6,3 % verbessert.
  • Ein BAW-Resonator umfasst mindestens einen Träger, eine untere Elektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine obere Elektrode, die in der gegebenen Sequenz direkt übereinander von unten nach oben angeordnet sein können. Unter und über den unteren und oberen Elektroden befinden sich jeweils akustische Reflektoren, die verwendet werden, um Energie innerhalb des Stapels zu halten, und die im Allgemeinen Luftgrenzflächen (z. B. mit einem Film Bulk Acoustic Resonator - FBAR) sind oder eine akustische Bragg-Struktur, die alternierende Schichten aus Materialien von hoher und niedriger akustischer Impedanz (z. B. mit einem Solidly Mounted Resonator - SMR) enthalten, oder eine Kombination aus beiden (z. B. Luftreflektor oben und Bragg unten - was die geläufigste SMR-Art ist). Ein aktiver Resonatorbereich wird durch eine Überlappung der unteren Elektrodenschicht, der piezoelektrischen Schicht, der oberen Elektrodenschicht und der oberen und unteren akustischen Reflektoren definiert und schließt nicht die lateralen Anschlussstrukturen ein. In diesem aktiven Bereich ist es bevorzugt, nur Moden anzuregen, die sich in eine vertikale Richtung ausbreiten (z. B. die Dickenausdehnungsmode) .
  • Um Anregung und Ausbreitung von störenden lateralen Moden zu verhindern, schlägt diese Erfindung vor, eine auf einem Randbereich des aktiven Resonatorbereichs oder des daran angrenzenden Bereichs angeordnete innere Klappe zu verwenden. Die innere Klappe ist eine dielektrische 3D-Struktur, die sich lateral und nach innen in Richtung der zentralen Fläche des Resonatorbereichs ausdehnt und die von der oberen Oberfläche des Resonators entfernt ist und durch einen Spalt getrennt ist. Ein dielektrischer Anker der Klappe ist an der Oberfläche der Resonatorvorrichtung außerhalb der aktiven Resonatorfläche oder so nahe an der Kante des aktiven Bereichs, wie es der Prozess ermöglicht, angebracht und dehnt sich über eine endliche Länge aus, wobei er ein Merkmal bildet, das als äußere Überlappung bezeichnet wird. Ferner umfasst die Vorrichtung eine weitere Klappe, die als äußere Klappe bezeichnet wird, wobei dieselbe dielektrische Schicht verwendet wird, die zum Bilden der inneren Klappe und der äußeren Überlappung verwendet wird, die sich lateral und nach außen weg von der zentralen Fläche des aktiven Resonatorbereichs ausdehnt und die von der oberen Oberfläche des Resonators entfernt und durch einen weiteren Spalt getrennt ist.
  • Die offenbarte neue dielektrische innere Klappe ist so konzipiert, dass sie wie eine Kragarm-Mode, an einem Ende fixiert und am anderen frei, eigenresonant ist, bei etwa derselben Frequenz, bei der der aktive Resonatorbereich resonant oder antiresonant ist (in der Dickenausdehnungsmode). Unter dieser Bedingung wird das Profil der Dickenausdehnungsmode entlang der späteren Abmessungen des Resonators in der gesamten aktiven Fläche der Vorrichtung sehr einheitlich - mehr noch als das, welches nach dem Stand der Technik in der Nähe der Randbereiche des Resonators beobachtet wird - was tendenziell den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt2 der Vorrichtung maximiert. Der passive dielektrische äußere Überlappungsbereich ermöglicht eine gleichmäßige Zuspitzung des Profils der Dickenausdehnungsmode außerhalb der aktiven Fläche und reduziert die Anregung lateraler Störmoden. Die Breite der äußeren Überlappung kann optimiert werden, sodass lateral entweichende Energie auf konstruktive Art und Weise zu ihrem Anschluss zurück reflektiert wird und auf konstruktive Art und Weise zurück auf den aktiven Resonatorbereich fokussiert wird, was das Q der Vorrichtung weiter verbessert. Da die Struktur der äußeren Überlappung dielektrisch, passiv und außerhalb der aktiven Fläche ist, reduziert ihre Aufnahme den kt2 nicht, wie es der Fall wäre bei anderen bekannten Unterdrückungstechniken für störende Moden, die leitfähige Überlappungen und äußere Klappen verwenden, die elektrisch in Kontakt mit der aktiven oberen Elektrode sind.
  • Im Randbereich des Resonators mit einer oberen Elektrodenverbindung können zusätzliche Probleme mit lateralen Moden auftreten.
  • Es ist in der Regel erforderlich, dass das Metall der oberen Elektrodenverbindung vor Korrosion geschützt wird, indem die gesamte Vorrichtung in eine dielektrische Schicht eingekapselt wird - hier dient sie auch als Frequenztrimmschicht. Wenn die Passivierungsschicht dem Material der inneren Klappe/äußeren Überlappung/äußeren Klappe (bezüglich der Ätzselektivität) zu ähnlich ist, wird das Erstellen einer äußeren Überlappung im Verbindungsbereich problematisch, da ihre Strukturierung einen Teil des Metalls der Umgebung freilegen und zu Korrosion der oberen Elektrode führen kann. Um dies zu umgehen, kann es der äußeren Überlappung ermöglicht werden, sich „unendlich“ auszudehnen - d. h. dass sie nicht auf den Bereich der oberen Elektrodenverbindung geätzt wird. Alternativ kann in diesen Bereich immer noch eine äußere Überlappung aufgenommen werden, wenn dies auch mit einer äußeren Klappe kombiniert wird.
  • Vorzugsweise sind die innere Klappe und die äußere Überlappung entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorbereichs angeordnet. Die äußere Klappe ist hauptsächlich im Bereich der oberen Elektrodenverbindung angeordnet. In den Bereichen, in denen die innere Klappe, die äußere Überlappung und gegebenenfalls die äußere Klappe vorhanden sind, sind diese Objekte durch eine herkömmliche dielektrische 3D-Struktur gebildet. Die finale Vorrichtung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein passivierter Resonator/Filter nach dem Trimmen modifiziert wird, indem zuerst der Wafer mit einem Opfermaterial beschichtet wird, dann das Opfermaterial strukturiert wird (z. B., indem es in Bereichen der äußeren Überlappung abgelöst wird), dann der Wafer mit dem dielektrischen 3D-Material beschichtet wird, dann die inneren/äußeren Klappen mit dem dielektrischen strukturiert werden und dann zuletzt das Opfermaterial entfernt wird.
  • Es ist gewünscht, dass die Längen der inneren Klappe, der äußeren Überlappung und der äußeren Klappe in jedem der Anschlussbereiche i, ii und iii einheitlich sind, es ist jedoch nicht erforderlich, dass sie für jede Bereichsart gleich sind. Die Höhen der Spalte aller inneren/äußeren Klappen sind gleich (dies ist jedoch nicht erforderlich), wenn ein einziger Prozess für die Opferschicht und ein einziger Prozess für die dielektrische Schicht vorgesehen ist, wie oben beschrieben. Die tatsächliche gesamte Dicke der äußeren Überlappung kann als größer betrachtet werden als die Dicke der inneren/äußeren Klappe, wenn die Dicke der darunter liegenden Passivierungsschicht mit eingeschlossen wird. In einem alternativen Prozess könnte die darunter liegende Passivierungsschicht und/oder Elektrodenschicht zusammen mit der Öffnung der Opferschicht entfernt werden, um: i) die tatsächliche Dicke der äußeren Überlappung zu reduzieren und ii) um die Steuerung der Anpassung der dielektrischen 3D-Struktur an die obere Elektrode zu verbessern.
  • In der Nähe des Randbereichs des Resonators ist die tatsächliche Dicke der oberen Elektrode dünner, wenn als ein optionales Merkmal, das als untere Überlappung bezeichnet wird, aufgenommen wird. Dieses Merkmal ist nützlich, um Störmoden-Kopplung bei Frequenzen unter der Grundresonanz der Vorrichtung zu reduzieren (bei einem Stapel der Art II - nicht nützlich bei einem Stapel der Art I), wenn sie korrekt bemessen ist. In der Regel wird die Struktur der unteren Überlappung durch Reduzieren der Elektrodendicke gebildet, doch in dieser Erfindung wird sie auf eine neue Weise gebildet, indem die Passivierungsschicht an ausgewählten Stellen rings um den Randbereich des Resonators herum getrimmt wird.
  • Ein Merkmal, das als Graben bezeichnet wird, womit ein Graben in der Passivierungsschicht und der Schicht der inneren Überlappung, der äußeren Überlappung und der optionalen äußeren Überlappung bis zur piezoelektrischen Schicht gemeint ist, kann während der Strukturierung der dielektrischen 3D-Struktur gebildet werden. Die laterale Abmessung kann abgestimmt werden, um das Q der Vorrichtung weiter zu verbessern. Die Steigerung des Qs kann auf das Erstellen zusätzlicher Reflexionsstellen für übrig bleibende, später entweichende Energie zurückgeführt werden, die sich, wenn sie zurück in Richtung des aktiven Resonators gerichtet wird, konstruktiv verhält.
  • Dielektrische 3D-Strukturen und die Passivierungsschicht können dasselbe Material umfassen und können z. B. aus Siliziumnitrid, was meist SiN genannt wird, gebildet sein. Andere dielektrische Materialien, vorzugsweise anorganische Oxide, Nitride und Karbide, werden jedoch bevorzugt.
  • Die äußere Überlappung kann auf dem Randbereich der oberen Elektrode, deren Oberfläche sie teilweise bedeckt, liegen. Alternativ bedeckt die äußere Überlappung keine Komponente der oberen Elektrode im aktiven Resonatorbereich.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die 3D-Struktur aus einer Schicht von einheitlicher Dicke aus einem hauptsächlich konform strukturierten Opfermaterial über der Resonatoroberfläche gebildet. Folglich folgt die obere Oberfläche der dielektrischen 3D der Topografie der darunter liegenden Oberfläche, wo sie in engem Kontakt zu ihr ist.
  • Die Erfindung kann mit BAW-Resonatoren verschiedener Bauarten verwendet werden - z. B. mit Film Bulk Acoustic Wave Resonatoren (FBAR) oder Solidly Mounted Resonatoren (SMR). Ein BAW-Resonator vom SMR-Typ ist unter engem Kontakt des aktiven Resonatorbereichs mit dem Träger montiert. Um dabei zu helfen, die akustische Energie innerhalb des Resonators zu halten, ist ein Bragg-Spiegel zwischen der Trägeroberfläche und der unteren Elektrode angeordnet. Der Spiegel umfasst alternierende Schichten von hoher und niedriger akustischer Impedanz. Je höher die Impedanzdifferenz ist, desto besser ist der Reflektionskoeffizient bzw. desto niedriger ist die erforderliche Anzahl der erforderlichen Spiegelschichten.
  • Außerdem kann die Erfindung an einem FBAR verwendet werden, der einen mit Luft gefüllten Hohlraum direkt unter dem aktiven Resonatorbereich benötigt. Der Hohlraum wird als Aussparung im Träger gebildet oder durch das Ablösen des Trägers von der unteren Seite, wobei eine Membran gebildet wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und die begleitenden Figuren ausführlicher erklärt. Die Figuren sind nur schematisch und sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Zum besseren Verständnis können manche Details in vergrößerter Form dargestellt sein.
    • 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen BAW-Resonator gemäß dem Stand der Technik;
    • 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen BAW-Resonator mit inneren Klappen und einer äußeren Überlappung, einem Graben und einer unteren Überlappung, die durch Strukturierung der Passivierungsschicht gebildet sind, wobei die linke Seite des Bildes einen unteren Elektrodenverbindungsbereich zeigt und die rechte Seite des Bildes einen oberen Elektrodenbereich zeigt;
    • 3 zeigt einen BAW Resonator, der dieselben Merkmale wie die der von 2 hat, allerdings ist es ein Resonator vom SMR-Typ anstatt vom FBAR-Typ;
    • 4 zeigt einen BAW Resonator, der dieselben Merkmale wie der von 2 hat, allerdings hat er eine obere Verbindungselektrode, die dünner ist als die Elektrode im aktiven Bereich;
    • 5 zeigt in einer Querschnittsansicht dieselben Merkmale wie 2, allerdings ist die untere Überlappung in der oberen Elektrode gebildet anstatt in der Passivierungsschicht;
    • 6 zeigt in einer Querschnittsansicht einen erfindungsgemäßen BAW Resonator, der dieselben Merkmale wie der Resonator von 2 hat, dabei allerdings äußere Klappen in jeder der folgenden Anschlussarten mit einschließt: Bereiche mit (i) keiner Verbindung, (ii) einer Verbindung der oberen Elektrode und (iii) einer Verbindung der unteren Elektrode;
    • 7 zeigt in einer Querschnittsansicht einen BAW Resonator, derdieselben Merkmale wie der von 2 hat, allerdings innere Klappen hat, die nicht ganz parallel zur Oberfläche der Vorrichtung sind, sondern eher in einem bestimmten Winkel gebildet sind, jedoch allgemein nach innen in Richtung der aktiven Fläche zeigen;
    • 8 zeigt einen BAW Resonator, der dieselben Merkmale wie der von 2 hat, allerdings ist die untere Elektrode (für Abschlüsse der Art I und/oder Art II) vor dem Trägerankerpunkt abgeschlossen.
  • Eine Querschnittsansicht durch einen BAW-Resonator gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. In einem Träger SU aus Silicium ist zum Beispiel eine Aussparung RC gebildet. Der aktive Resonatorbereich AR ist über der Aussparung RC angeordnet und umfasst einen Träger, eine untere Elektrode BE, eine piezoelektrische Schicht PL und eine obere Elektrode TE. Das Bauelement der unteren Elektrode bedeckt die Aussparung RC. Die Strukturen der unteren Überlappung UL, der oberen Überlappung OLE und der äußeren Klappe OFE sind auf der oberen Elektrode TE für die Anschlussbereiche der Art i (keine) und iii (untere) strukturiert. Im Bereich der unteren Überlappung ULE ist die obere Elektrode dünner als im aktiven Bereich AR. Im Bereich der oberen Überlappung OLE ist die obere Elektrode TE dicker als der aktive Bereich AR. Hier besteht die äußere Klappe OFE aus Metall und dehnt sich vom aktiven Bereich AR nach außen aus. Für den Anschlussbereich der Art ii (obere) wird eine Verbindung aus einer unteren Überlappung UL, einer oberen Überlappung OLE und einer akustischen Brücke (Luftbrücke) AB gebildet. Die akustische Brücke bildet die Verbindung der oberen Elektrode TC, um die obere Elektrode mit einem anderen Resonator oder einem Anschluss eines Filters zu verbinden. Eine Passivierungsschicht IL wird auf die obere Elektrode TE aufgetragen, passiviert jedoch die Seiten der Elektrode oder die Unterseite der oberen Elektrodenverbindung TC (Luftbrücke) nicht.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen BAW-Resonator. Entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorbereichs AR bildet eine dielektrische 3D-Struktur, die aus einer dielektrischen 3D-Schicht DL strukturiert ist, innere Klappen IF. Eine obere Elektrodenverbindung TC ist aus einer Ausdehnung der oberen Elektrodenschicht TE strukturiert. Die obere Elektrode TE hat im aktiven Bereich AR und bei der oberen Elektrodenverbindung TC dieselbe Dicke. Die äußere Überlappung OL ist die Komponente der dielektrischen Schicht, die mit der piezoelektrischen Schicht PL entlang des Umfangs des aktiven Bereichs AR, jedoch nicht im Bereich der oberen Elektrodenverbindung TC, direkt in Kontakt ist.
  • In einem Abschnitt der Passivierungsschicht IS, der die obere Elektrode TE im Randbereich MR bedeckt, wird die Dicke der Passivierungsschicht IL und/oder der dielektrischen Schicht DL durch eine untere Überlappung UL reduziert.
  • Die 3D-Struktur/dielektrische Schicht DL hat eine Überlappung mit dem Bereich, in dem die untere Überlappung UL gebildet ist. Diese Überlappung ist ein kleiner Rand, der eine Breite G hat und sich entlang des gesamten Umfangs des aktiven Bereichs ausdehnt, mit Ausnahme des Abschnitts, in dem die obere Elektrodenverbindung TC gebildet ist. Auf diesem Rand liegt die 3D-Struktur, die die innere Klappe IF bildet, auf der Passivierungsschicht IL in einem Bereich auf, in dem sie die untere Elektrode BE überlappt.
  • In einem Graben TR, der die dielektrische Schicht DL/Passivierungsschicht IS strukturiert, ist die obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PL freigelegt, allerdings nicht in der oberen Elektrodenverbindung TC.
  • Zwischen der inneren Klappe IF und der dielektrischen Schicht ist ein innerer Spalt IG gebildet, wo sich die dielektrische 3D-Struktur in einem konstanten Abstand zu der dielektrischen Oberfläche befindet. Über der oberen Elektrodenverbindung haben die Passivierungsschicht IS und die dielektrische Schicht DL die ursprüngliche Dicke.
  • Die 3D-Struktur/dielektrische Schicht DL ist z. B. aus SiN gebildet und liegt auf der Passivierungsschicht IL. Die innere Klappe IF, die die nach innen ragende Komponente der 3D-Struktur ist, folgt der Topografie der oberen Elektrodenschicht TE in einem konstanten Abstand, wobei der innere Spalt IG bei einer konstanten Höhe gehalten wird. Folglich folgt die innere Klappe der Stufe von der unteren Überlappung UL zum aktiven Bereich AR.
  • Die untere Elektrode BE kann an einer Seitenkante des aktiven Resonatorbereichs AR verlängert sein, um eine untere Elektrodenverbindung BC zu bilden.
  • Eine dünne Passivierungsschicht IL aus z. B. SiN oder SiO2 bedeckt die gesamte Oberfläche der oberen Elektrode TE und der oberen Elektrodenverbindung TC. Die Dicke der Passivierungsschicht IL ist geringer als die Dicke der inneren Klappen und folglich geringer als die Dicke der Schicht, aus der die 3D-Struktur strukturiert ist.
  • Unter dem aktiven Resonatorbereich AR hat der Träger eine mit Luft gefüllte Aussparung RC, wie in dem nach dem Stand der Technik gezeigten Resonator von 1.
  • Die untere und obere Elektrode BE, TE bestehen aus üblicherweise verwendeten Materialien. Die Materialien können aus Wolfram W, Molybdän Mo und AICu-Legierung ausgewählt sein oder die Elektroden können mehrschichtige Hybridelektroden, z. B. aus W/AlCu, sein.
  • Die piezoelektrische Schicht PL kann AIScN umfassen, was Aluminiumnitrid AIN ist, das zusätzlich Scandiumnitrid enthält.
  • Der Träger SU umfasst vorzugsweise Silicium Si, kann aber auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen, wie zum Beispiel HTCC- und LTCC-Keramiken.
  • Die Passivierungsschicht IL und die dielektrischen 3D-Strukturen können dasselbe Material umfassen, z. B. SiN.
  • Der Bereich mit keiner Verbindung (nicht gezeigt) ist dem unteren Elektrodenverbindungsbereich ähnlich, hat jedoch eine untere Elektrode, die nach dem Anschluss der äußeren Überlappung endet.
  • 3 zeigt einen BAW-Resonators, der dem der 2 ähnlich ist. Als Alternative zur Aussparung RC ist ein Bragg-Spiegel BM zwischen dem Träger SU und der unteren Elektrode BE angeordnet. Der Bragg-Spiegel BM umfasst alternierende Schichten aus einem ersten Material HI von hoher akustischer Impedanz und einem zweiten Material LI von niedriger akustischer Impedanz. Die verschiedenen Schichten des akustischen Bragg-Spiegels BM können Schichten mit abnehmender Fläche bilden, sodass eine gestufte Mesastruktur gebildet wird. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der gestufte Bragg-Spiegel nicht dargestellt.
  • Das erste Material von hoher akustischer Impedanz HI kann ein Metall wie zum Beispiel Wolfram W sein. Das zweite Material von niedriger akustischer Impedanz LI kann ein Dielektrikum wie zum Beispiel SiO2 sein. Für gewöhnlich sind die Schichten von hoher Impedanz HI mit dem zweiten Material, das ein Dielektrikum ist, strukturiert und darin eingebettet, um Kopplungen mit benachbarten Resonatoren zu vermeiden. Die untere Elektrode BE und die weiteren Schichten darüber sind in derselben Art und Weise ausgeführt, wie unter Bezugnahme auf 2 gezeigt und erklärt.
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen BAW-Resonator. Dieser entspricht dem der 2 mit der Ausnahme, dass die Dicke D der oberen Elektrode in der oberen Elektrodenverbindung TC dünner ist als im aktiven Bereich AR.
  • Eine vierte Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Diese Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform wie in 2 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Dicke H der oberen Elektrode TE im aktiven Bereich AR durch eine untere Überlappung UL im Randbereich reduziert ist. Die Dicke der Passivierungsschicht IS kann im aktiven Bereich AR und im Randbereich MR gleich sein.
  • 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorbereichs AR bildet die dielektrische Schicht DL/3D-Struktur innere Klappen IF wie in 2 gezeigt. Entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorbereichs AR bildet die dielektrische Schicht, die die 3D-Struktur bildet, zusätzlich äußere Klappen OF, wobei die dielektrische Schicht die äußere Überlappung OL in einem Abstand zu der Oberflächenpassivierungsschicht IS verlängert. Dadurch wird ein äußerer Spalt OG gebildet. Alle anderen Merkmale dieser Ausführungsform können 2 entsprechen. Die Passivierungsschicht IL bedeckt jedoch die gesamte Oberfläche der oberen Elektrode TE und der oberen Elektrodenverbindung TC und kann ferner die piezoelektrische Schicht PL dort bedecken, wo diese nicht von der oberen Elektrode TE oder der oberen Elektrodenverbindung TC bedeckt wird. Folglich ist der Graben TR, der in den Ausführungsformen der 2 bis 5 vorhanden ist, weggelassen.
  • In dieser Ausführungsform sind die äußeren Klappen optionale Merkmale für jede Anschlussart i, ii und iii.
  • 7 zeigt einen BAW-Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform hat dieselben Merkmale wie der in 2 gemäß der ersten Ausführungsform gezeigte BAW-Resonator, hat allerdings innere Klappen IF, die nicht ganz parallel zur Oberfläche der Vorrichtung sind, sondern eher in einem bestimmten Winkel Θ gebildet werden, jedoch allgemein nach innen in Richtung der aktiven Fläche AR zeigen.
  • 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, die dieselben Merkmale der Ausführungsform aus 2 hat, mit der Ausnahme, dass die untere Elektrode BE (für Abschlüsse der Art i und/oder Art ii) vor dem Trägerankerpunkt abgeschlossen ist, wo die untere Elektrode BE mit der Kante des Trägers SU in der Aussparung RC in Kontakt ist.
  • Die Herstellung des BAW-Resonators kann in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren erfolgen. Jede Schicht kann getrennt abgeschieden werden und kann, falls nach der Abscheidung erforderlich, strukturiert werden. Abscheidungsverfahren sind Sputtern und CVD-Verfahren, die plasmaunterstützt sind. Die Elektroden können durch einen galvanischen Prozess verstärkt werden. Schutzmasken und Photolithographie können verwendet werden, sofern erforderlich. Hervorragende Komponenten (innere und äußere Klappen) werden durch eine Opferschicht, die, wenn sie als Schicht aufgetragen wird, unter dem hervorragenden Teil liegt, gebildet. Nachdem die dielektrische Schicht (Vorläufer der 3D-Struktur) lateral strukturiert wurde, kann die Opferschicht durch Ätzen aufgelöst werden. Eine Opferschicht aus SiO2 kann gezielt gegen SiN geätzt werden, sodass SiN als Ätzstopp fungieren kann. Anders ausgedrückt kann SiO2 geätzt werden, ohne das SiN aus der dielektrischen 3D-Struktur aufzulösen.
  • In den Figuren ist jeweils nur ein Resonator dargestellt. In der Praxis können auf einem Träger mit einer großen Fläche zahlreiche BAW-Resonatoren parallel hergestellt werden. Während derartige Resonatoren in einer Ladder Type Anordnung zu einer Filterschaltung verschaltet werden, können elektrische Verbindungen und Schaltkreise in einem integrierten Prozess hergestellt werden.
  • Da die Erfindung nur in wenigen konkreten Ausführungsformen dargestellt wurde, darf der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die angegebenen Ausführungsformen beschränkt werden. Ferner sind Ausführungsformen möglich, die Merkmale, die in verschiedenen Figuren gezeigt werden, kombinieren. Jede andere Variation innerhalb des Schutzumfangs ist auch möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • AB
    Luftbrücke
    AR
    aktiver Resonatorbereich
    BC
    untere Elektrodenverbindung
    BE
    untere Elektrode
    BM
    Bragg-Spiegel
    D
    Dicke der oberen Elektrode in der oberen Elektrodenverbindung
    DL
    dielektrische Schicht, die 3D-Strukturen bildet
    G
    Rand, wo die 3D-Struktur einen Abschnitt der unteren Überlappung überlappt
    H
    Höhe der oberen Elektrode im aktiven Bereich
    HI
    erstes Material von hoher akustischer Impedanz
    IF
    innere Klappe
    IG
    innerer Spalt
    IL
    Passivierungsschicht
    LI
    zweites Material von niedriger akustischer Impedanz
    MR
    Randbereich
    OF
    äußere Klappe
    OG
    äußerer Spalt
    OL
    äußere Überlappung
    PL
    piezoelektrische Schicht
    RC
    Aussparung im SU
    SU
    Träger
    TC
    obere Elektrodenverbindung
    TE
    obere Elektrode
    TR
    Graben
    UL
    untere Überlappung
    Θ
    Winkel der inneren Klappen in Ausführungsform 6

Claims (10)

  1. BAW-Resonator, umfassend in einer Sequenz von unten nach oben - einen Träger (SU) - eine untere Elektrode (BE) - eine piezoelektrische Schicht (PL) - eine obere Elektrode (TE) wobei - ein aktiver Resonatorbereich (AR) durch eine Überlappung der drei Schichten untere Elektrode, piezoelektrische Schicht und obere Elektrodenschicht gebildet ist, - eine innere Klappe (IF), die durch eine dielektrische 3D-Struktur gebildet wird, auf einem Randbereich (MR) des aktiven Resonatorbereichs (AR) liegt oder an diesen angrenzt, sich nach innen in Richtung des Zentrums des aktiven Resonatorbereichs (AR) ausdehnt und einen Abschnitt aufweist, der in einem Abstand zu der oberen Oberfläche des Resonators verläuft, - die obere Elektrode (TE) an einer Seitenkante durch eine obere Elektrodenverbindung (TC) elektrisch angeschlossen ist, - eine äußere Klappe (OF) über der oberen Elektrodenverbindung (TC) liegt, die sich weg vom aktiven Resonatorbereich (AR) ausdehnt und die einen hervorragenden Abschnitt aufweist, der parallel zu und entfernt von der oberen Oberfläche der oberen Elektrodenverbindung verläuft, wobei ein äußerer Spalt (OG) beibehalten wird, undwobei die äußere Klappe (OF) und die innere Klappe (IF) eine gemeinsame 3D-Struktur bilden.
  2. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die äußere Klappe entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorbereichs (AR) ausdehnt, wobei ein sich nach außen ausdehnender Spalt (OG) zu der darunter liegenden Schicht an allen Peripheriepositionen beibehalten wird.
  3. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die innere Klappe (IF) nach innen ausdehnt, wobei ein innerer Spalt (IG) von konstanter Höhe zu der darunter liegenden Schicht beibehalten wird.
  4. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator einen Randbereich (MR) umfasst, in welchem die obere Elektrode (TE) eine geringere Dicke aufweist als im aktiven Resonatorbereich (AR) und eine Stufe zu der zentralen Fläche bildet.
  5. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode (TE) einen Randbereich (MR) umfasst, in welchem die darüber liegende Passivierungsschicht (IL) eine geringere Dicke als im aktiven Resonatorbereich (AR) aufweist und die Dicke der oberen Elektrode (TE) im Randbereich (MR) und im aktiven Resonatorbereich (AR) gleich ist.
  6. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die innere Klappe (IF) der Topografie der Oberfläche im Randbereich folgt, wobei ein innerer Spalt (IG) von konstanter Höhe beibehalten wird.
  7. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Passivierungsschicht (IL) den BAW-Resonator mindestens im aktiven Resonatorbereich (AR) bedeckt.
  8. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemeinsame 3D-Struktur der inneren Klappe (IF) und der äußeren Klappe (OF) mindestens teilweise über der dielektrischen Schicht angeordnet ist.
  9. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (SU) unter dem aktiven Resonatorbereich (AR) eine Aussparung (RC) umfasst, die einen mit Luft gefüllten Hohlraum bildet.
  10. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger (SU) einen Bragg-Spiegel (BM) umfasst, der unter dem aktiven Resonatorbereich (AR) angeordnet ist.
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