DE102018105290B4

DE102018105290B4 - Schichtsystem, Herstellungsverfahren und auf dem Schichtsystem ausgebildetet SAW-Bauelement

Info

Publication number: DE102018105290B4
Application number: DE102018105290.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Metzger; Yoshikazu Kihara; Thomas Pollard
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: JP7432518B2; DE102018105290A1; US11949400B2; CN111801890A; JP2021516015A; US20210013862A1; WO2019170334A1

Abstract

Schichtsystem, umfassendein monokristallines Saphirsubstrat mit einer ersten Oberfläche,eine kristalline piezoelektrische Schicht, epitaxial auf der ersten Oberfläche aufgewachsen und mit einer von der ersten Oberfläche wegweisenden zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine kristallographische R-Ebene von Saphir ist,wobei die epitaxiale Beziehung zwischen dem Saphirsubstrat und der piezoelektrischen Schicht wie folgt ist:die (11-20)-Ebene der piezoelektrischen Schicht (x-Schnitt) verläuft parallel zu der (1-102)-Ebene von Saphir (R-Ebene),die planare [1-100]-Richtung der piezoelektrischen Schicht verläuft parallel zu der [-1-120]-Richtung von Saphir, unddie planare [000-1]-Richtung (kristallographische c-Achse) der piezoelektrischen Schicht verläuft parallel zu der [1-10-1] -Richtung von Saphirwobei die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes A1N umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, das einen dünnen piezoelektrischen Film umfasst, ein Herstellungsverfahren und ein auf dem Schichtsystem mit der piezoelektrischen Schicht ausgebildetes SAW-Bauelement.
In den vergangenen Jahren wurde die standardmäßige SAW-Technologie auf Basis von Lithiumtantalat(LT)-Wafern zum Realisieren von HF-Filtern im Gebiet von 500 MHz bis 3 GHz immer mehr durch fortgeschrittene mikroakustische Technologien wie etwa BAW oder temperaturkompensiertes SAW ersetzt, um die ständig steigende Leistungsanforderung von Mobiltelefonsystemen zu erfüllen.
Mobiltelefone auf WCDMA- und LTE-Basis erfordern HF-Filter, Duplexer und Multiplexer mit geringstem Verlust, um fortgeschrittene HF-Konzepte wie Carrier-Aggregation, Diversity-Antennen und MIMO-Konzepte oder neue Modulationsschemata zu unterstützen. Bei dem neuen 5G-Standard werden die Anforderungen für mikroakustische Bauelemente bezüglich mehrerer Schlüsselcharakteristika wie geringster Verluste, reduzierter Temperaturdrift über der Temperatur, höherer Linearität und Leistungsbeständigkeit, neuer Frequenzbänder zwischen 3 und 6 GHz und größerer Filterbandbreite weiter zunehmen. Außerdem gibt es eine fortgesetzte Nachfrage nach einer Reduktion von Kosten, Größe und Höhe der mikroakustischen Bauelemente.
Heutzutage werden im Grunde zwei mikroakustische Technologien (SAW und BAW) zum Realisieren von Hochleistungsresonatoren, - filtern, -duplexern und -multiplexern für Mobiltelefonanwendungen verwendet. Die SAW-Technologie nutzt überwiegend Einzelwafermaterial wie Lithiumtantalat LT oder Lithiumniobat LN als piezoelektrisches Substrat, auf dem geeignete metallbasierte Elektrodenstrukturen (z. B. Interdigitalwandler) realisiert werden, um akustische Oberflächenwellen zu erregen. Zusätzliche Funktionsschichten wie Passivierungsschichten, die z. B. aus Siliziumnitrid bestehen, Temperaturkompensationsschichten, die z. B. aus amorphem Siliziumoxid bestehen, oder dicke Metallzwischenverbindungen werden verwendet, um die Bauelementleistung weiter zu verbessern.
Weiter fortgeschrittenere SAW-Bauelemente verwenden auf einen Trägerwafer gebondete dünne piezoelektrische Einkristallschichten. Innerhalb dieser Bauelemente kann ein Energieeinschluss in der piezoelektrischen Schicht durch einen Wellenleitereffekt realisiert werden, der insgesamt zu weiteren reduzierten Verlusten führt. Durch geeignetes Wählen des Schichtsystems können zusätzliche Charakteristika des mikroakustischen Bauelements verbessert werden, z. B. durch Einführen zusätzlicher Schichten, wie oben erwähnt, oder durch Verwendung eines hochresistiven Siliziumwafers mit guter Wärmeleitfähigkeit, um die Wärmeableitung und die Leistungsbeständigkeit zu verbessern. Die dünne piezoelektrische Einkristallschicht wird typischerweise durch Bonden eines einkristallinen Wafers auf das Trägersubstrat mit Hilfe von wohlbekannten Waferbondverfahren und dann Dünnen des piezoelektrischen Wafers herunter zu der erforderlichen Schichtdicke typischerweise im Bereich von einer halben bis einer Viertelwellenlänge bis zu einer Wellenlänge der mikroakustischen Welle mit Hilfe von Waferschleif- und -polierverfahren realisiert.
Das Erzielen einer sehr gleichförmigen piezoelektrischen Schicht bezüglich der Schichtdicke erfordert fortgeschrittene Dünnungsverfahren. Typischerweise wird die Orientierung der piezoelektrischen Schicht (kristallographische Orientierung) auf Basis von fortgeschrittenen Simulations- und Modellierungsverfahren wie Finite-Element-Simulation (FEM) sorgfältig gewählt, um die beste Bauelementleistung zu erzielen. Da das piezoelektrische Wafermaterial typischerweise mit Hilfe von Einkristallaufwachsverfahren aus der Schmelze aufgewachsen wird, steht eine große Vielzahl an möglichen Kristallorientierungen zur Verfügung. Ein Hauptnachteil ist die Nichtverfügbarkeit von Waferlösungen mit großem Durchmesser wie 200 mm- und 300 mm-Wafern, da z. B. Lithiumtantalatwafer mit derartigen großen Durchmessern heutzutage nicht in Produktionsmengen zur Verfügung stehen.
Ein anderes Verfahren zum Realisieren von dünnen piezoelektrischen Schichten wäre die Abscheidung solcher Schichten durch wohlbekannte Dünnfilmabscheidungsverfahren wie etwa Sputtern, gepulste Laserabscheidung (PLD), chemische Dampfabscheidung (CVD) einschließlich metallorganischer CVD (MOCVD) und plasmaunterstützter CVD (PECVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Atomlagenabscheidung (ALD) oder Sol-Gel-Abscheidung. Mit diesen Technologien ist es möglich, die piezoelektrischen Schichten (typischerweise Aluminiumnitrid A1N oder Scandium-dotiertes Aluminiumnitrid AlScN) für BAW-Bauelemente auf einem geeigneten Wafersubstrat wie etwa hochresistivem Silizium aufzuwachsen. Typischerweise werden die AlN-basierten piezoelektrischen Filme für BAW-Bauelemente heutzutage durch Sputterverfahren aufgewachsen, wobei ein hochorientierter, aber polykristalliner Dünnfilm mit einer Orientierung der kristallographischen c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche realisiert wird. Diese hochorientierten polykristallinen piezoelektrischen Schichten unterstützen die Ausbreitung von Longitudinalwellen entlang der kristallographischen c-Achse der AlN-basierten piezoelektrischen Schicht sehr gut. Mit diesem Design und dieser Struktur können verlustarme BAW-Resonatoren und - Bauelemente realisiert werden. Dennoch ist die planare Orientierung der AlN-basierten Kristallite im Vergleich zu realen Einkristall- oder epitaxialen Schichten weniger ausgeprägt, da ein epitaxiales Aufwachsen der AlN-basierten piezoelektrischen Schicht mit den typischerweise verwendeten Niedertemperatur-Sputterverfahren nicht erzielt werden kann.
Typischerweise hat die Realisierung von piezoelektrischen Dünnfilmschichten mit Hilfe von Dünnfilmabscheidungsverfahren signifikante Vorteile wie etwa eine sehr gute Dickenkontrolle, eine gute Schichtadhäsion, preiswerten Prozess, geringen Materialverbrauch, volle Integration in eine Waferlinie, Realisierung von Schichten auf Wafern mit großem Durchmesser und eine leichte Abänderung der chemischen Schichtzusammensetzung im Vergleich zu dem Bond- und Dünnungsansatz mit einkristallinen Wafern.
Deshalb wurden verschiedene Ansätze vorgenommen, um solche AlN-basierten Dünnfilme für die Realisierung von SAW-Bauelementen zu nutzen, um sowohl von dem Dünnfilmansatz im Vergleich zu einem einkristallinen Ansatz zu profitieren, wie oben erwähnt, als auch der SAW-Designflexibilität im Vergleich zu einem BAW-Design. SAW Bauelemente werden durch Lithographieverfahren mit einer ausgezeichneten Gleichförmigkeit strukturiert, was die Realisierung von Resonatoren, alle mit unterschiedlichen Frequenzen, in einem Prozessschritt gestattet. In der BAW-Technologie ist die Dicke der piezoelektrischen Schicht das hauptsächliche frequenzdefinierende Merkmal. Trimmverfahren gestatten die Realisierung einer hohen Frequenzgleichförmigkeit. Die Realisierung von Resonatoren mit unterschiedlichen Frequenzen auf einem Wafer erfordert mehrere Prozessschritte wie die nachträgliche Abscheidung und Strukturierung von Schichten.
Die Hauptbeschränkung beim Kombinieren von SAW-Designprinzipien und durch Dünnfilmabscheidungsverfahren aufgewachsenen A1N-basierten piezoelektrischen Schichten ist die Orientierung der A1N-basierten Schichten. Da die kristallographische c-Achse immer mehr oder weniger senkrecht zu der Substratoberfläche orientiert ist, wenn Niedertemperatursputtern verwendet wird, verläuft die piezoelektrische Hauptkopplung ebenfalls senkrecht zu der Substratoberfläche, wobei eine sich lateral ausbreitende akustische Oberflächenwelle auf der Substratoberfläche eine signifikant bezüglich der Oberflächenormalen geneigte c-Achse erfordern würde, um eine ausreichend große Filterbandbreite zu erzielen.
Außerdem können spezielle Elektrodenkonfigurationen das Erregen von akustischen Oberflächenwellen oder Lamb-Wellen/Plattenmodi mit einer lateralen Ausbreitungsrichtung unterstützen, obwohl die kristallographische c-Achse der AlN-basierten Schicht senkrecht zu der Substratoberfläche verläuft. Dennoch ist es mit diesem Design kaum möglich, einen effektiven Koppelkoeffizienten für mikroakustische Resonatoren über 5% zu erzielen, auch wenn AlN-Schichten mit einem signifikanten Niveau von beispielsweise einer Sc-Dotierung verwendet werden, was schließlich die Kombination aus SAW-Strukturen und AlN-basierten dünnen piezoelektrischen Filmen auf einige wenige Anwendungen beschränkt, wo nur kleine Filterbandbreiten erforderlich sind.
Aus der US 2001/0 035 695 A1 ist eine SAW Vorrichtung bekannt, realisiert auf einem R plane Saphir Substrat mit einer darauf aufgewachsenen ZnO Schicht und einer wiederum darauf aufgewachsenen piezoelektrischen Schicht.
Aus der US 4 511 816 A ist eine SAW Vorrichtung bekannt, bei der eine A1N Schicht auf R plane Saphir aufgewachsen ist.
Aus der US 2003/0 005 878 A1 ist ein Saphir/ZnO Substrat für z.B. SAW Bauelemente bekannt, wobei eine ZnO Schicht epitaktisch auf einen R plane Saphir aufgewachsen ist. Deshalb wäre es günstig, ein Schichtsystem zu realisieren, das einen AlN-basierten piezoelektrischen Dünnfilm aufweist, der durch Dünnfilmabscheidungsverfahren aufgewachsen ist, wobei die kristallographische c-Achse bezüglich der Normalen der Substratoberfläche signifikant geneigt ist.
Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1 erfüllt. Ein Herstellungsverfahren sowie ein auf dem Schichtsystem ausgebildetes SAW-Bauelement werden durch weitere Ansprüche angegeben.
Die vorliegende Erfindung stellt einen anderen Ansatz bereit, wie ein Schichtsystem mit einer AlN-basierten
piezoelektrischen Schicht zu realisieren ist, wobei die c-Achse mehr oder weniger parallel zu der Substratoberfläche verläuft.
Es wird vorgeschlagen, ein monokristallines Saphirsubstrat mit einer kristallographischen R-Ebene des Saphirs (als (1-102)-Ebene in der Bravais-Miller-Notation ausgewiesen) als eine erste Oberfläche zu verwenden. Auf diese erste Oberfläche kann eine kristalline piezoelektrische Schicht, die A1N umfasst, epitaxial aufgewachsen werden gemäß dem epitaxialen Gesetz, wobei die (11-20)-Ebene der A1N-basierten Schicht parallel zu der (1-102)-Ebene des Saphirs verläuft, die planare [1-100]-Richtung der AlN-basierten Schicht parallel zu der [-1-120]-Richtung des Saphirs verläuft und die planare [000-1]-Richtung (kristallographische c-Achse) der AlN-basierten Schicht parallel zu der [1-10-1]-Richtung des Saphirs verläuft. Ein epitaxiales Aufwachsen dieser AlN-basierten Schicht ergibt eine bevorzugte Orientierung, wobei die kristallographische c-Achse mehr oder weniger parallel zu der Substratoberfläche verläuft. Infolgedessen ist die zweite Oberfläche, die die Oberfläche der kristallinen piezoelektrischen Schicht ist, die (11-20)-Ebene. Die AlN-basierte piezoelektrische Schicht umfasst mit Sc dotiertes A1N.
Mit dem neuartigen Schichtsystem ist es möglich, eine hohe Kopplung parallel zur c-Achse und somit parallel zu der Schichtebene zu erzielen. Infolgedessen ist die piezoelektrische Schicht angepasst, um ein SAW-Bauelement darauf auszubilden, das einen hohen Kopplungskoeffizienten erzielt. Die Schicht kann durch üblicherweise verwendete Schichtaufwachstechniken ausgebildet werden, die gesteuert werden können, um ein epitaxiales Aufwachsen zu erzielen.
Saphir mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit und seinen niedrigen HF-Verlusten in Kombination mit der hohen Schallgeschwindigkeit ist ein ideales Substratmaterial zum Realisieren von mikroakustischen HF-Bauelementen und ist in Waferform mit einer R-Ebene als einer ersten Oberfläche verfügbar. Zudem sind solche Saphirwafer mit größeren Waferdurchmessern als monokristalline Piezowafer aus LT oder LN verfügbar, die aus einem aus einer Schmelze gezogenen Ingot geschnitten werden. Trotz der Verfügbarkeit von R-Ebene-Saphir und seiner früheren Verwendung z. B. als ein Substrat zum Aufwachsen von Schichten für optoelektronische Anwendungen ist jedoch der R-Ebene-Saphir kaum als ein Substrat für mikroakustische Bauelemente verwendet worden.
Ein Schichtsystem mit zusätzlicher verbesserter hoher piezoelektrischer Kopplung parallel zu der Substratoberfläche umfasst mit geeigneten Dotierstoffen wie Sc dotierte, A1N-basierte piezoelektrische Schichten. Ein Dotierstoff wie Sc kann zum Verbessern der piezoelektrischen Kopplung von A1N und zum Erhöhen der piezoelektrischen Antwort der piezoelektrischen Schicht verwendet werden.
Auch AlScN kann epitaxial auf dem neu vorgeschlagenen R-Ebene-Saphir mit Hilfe geeigneter Abscheidungsverfahren wie Hochtemperatursputtern, PLD, MOCVD, ALD oder MBE aufgewachsen werden.
In Abhängigkeit von der Verwendung des Schichtsystems können unterschiedliche Dotierungsstärken verwendet werden. Somit umfasst gemäß einer Ausführungsform die piezoelektrische Schicht AlScN, wobei die in der piezoelektrischen Schicht enthaltene Menge an Sc zwischen 5 und 45 Atom% liegt. Jedoch kann auch ein beliebiger Dotierstoff vorteilhaft sein, der die piezoelektrische Kopplung verbessert.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Schichtsystem eine kristallographische Orientierung der piezoelektrischen AlN-Schicht, bei der die (11-20)-Ebene der AlN-Schicht parallel zu der (1-102)-Ebene des Saphirs verläuft, die planare [1-100]-Richtung der AlN-Schicht parallel zu der [-1-120]-Richtung des Saphirs verläuft und die planare [000-1]-Richtung (kristallographische c-Achse) der AlN-Schicht parallel zu der [1-10-1]-Richtung des Saphirs verläuft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes A1N und ist auf einer Keimschicht aus epitaxialem reinen undotierten A1N angeordnet. Die Keimschicht ist somit zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen AlScN-Schicht angeordnet. Diese AlN-Keimschicht hilft auch dabei, einen wellenleitenden Effekt aufgrund der größeren Schallgeschwindigkeit im AlN im Vergleich zu der Schallgeschwindigkeit im zum Beispiel Scdotierten AlN zu erzeugen. Eine wellenleitende piezoelektrische Schicht gestattet die Ausbreitung der SAW mit geringerem Verlust und somit mit höherer Effizienz. Das Auftreten von Störmodi wird ebenfalls in einem wellenleitenden Schichtsystem unterdrückt.
Um auch die Aufwachsrichtung der polaren c-Achse der piezoelektrischen Schicht unzweideutig zu definieren, könnte ein geringfügiges Kippen im Bereich von 0,5 bis 6 Grad der R-Ebene-Saphiroberfläche notwendig sein.
Das Schichtsystem kann weiterhin eine Passivierungsschicht und/oder eine Temperaturkompensationsschicht aus SiO₂, abgeschieden auf der zweiten Oberfläche, umfassen.
Mit diesem Wafer mit dem epitaxial darauf aufgewachsenen A1N-basierten Schichtsystem können Elektrodenstrukturen zum Erregen von akustischen Wellen wie Interdigitalwandler auf der Oberfläche des AlN-basierten Schichtsystems realisiert werden, wobei die Orientierung dieser Strukturen bezüglich der Kristallorientierung auf eine Weise gewählt werden kann, dass eine optimale Leistung bezüglich verwendbarer Wellenart, piezoelektrischer Kopplung, Nichtauftreten von Störmodi, Temperaturkoeffizient der Frequenz, Verlustmechanismen und anderer kritischer Parameter erzielt wird. Variationen über ein gegebenes Schichtsystem sind durch eine Rotation der IDT-Orientierung um die Oberflächenormale des Schichtsystems möglich. Die Interdigitalwandler IDT können eine beliebige planare Orientierung mit einem Rotationswinkel zwischen 0° und 90° um die Oberflächennormale besitzen.
Die Schallgeschwindigkeit entlang der Ausbreitungsrichtung und die Teilung der interdigitalen Elektrodenstruktur definieren die Frequenz und Wellenlänge der so erregbaren SAW. Dann kann eine bevorzugte Dicke der dotierten AlN-Schicht typischerweise in dem Bereich des 0,3- bis 3,0-fachen der Wellenlänge λ der akustischen Oberflächenwelle SAW eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Interdigitalelektrodenstruktur Cu und/oder Al.
Weitere Funktionsschichten, ausgewählt aus der Gruppe von Passivierungsschicht, Trimmschicht aus SiN und Temperaturkompensationsschicht, können in die Schichtsequenz des Schichtsystems eingearbeitet werden, bevorzugt über der piezoelektrischen Schicht.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und die beiliegenden Figuren ausführlicher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Zum besseren Verständnis können einige Details in vergrößerter Form dargestellt worden sein.

1 zeigt schematisch die Position der R-Ebene innerhalb eines Saphirgrundkristalls.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Schichtsystem, das ein Saphir-R-Ebene-Substrat, eine darauf angeordnete AlScN-Schicht und eine Elektrodenstruktur für ein SAW-Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst.
3 zeigt ein ähnliches Schichtsystem mit einer Elektrodenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Wafer mit dem Schichtsystem und der Elektrodenstruktur gemäß der ersten Ausführungsform.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Wafer mit dem Schichtsystem und der Elektrodenstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform.
6A und 6B zeigen die Admittanz eines auf dem Schichtsystem der ersten Ausführungsform aufgebauten SAW-Resonators mit unterschiedlichen Mengen von Sc in AlScN.
7A und 7B zeigen die Admittanz eines auf dem Schichtsystem der zweiten Ausführungsform aufgebauten SAW-Resonators mit unterschiedlichen Mengen von Sc in AlScN.

1 zeigt schematisch die Position der R-Ebene innerhalb eines Saphirkristalls.
Eine AlScN-Schicht mit einem Sc-Gehalt von 40 Mol% kann epitaxial direkt auf diesem R-Ebene-Saphirwafer aufgewachsen werden. In diesem Fall ist die [11-20]-Richtung der AlScN-Schicht die Normale zu der Substratoberfläche (x-geschnittenes AlScN). Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein zum Beispiel aus reinem und undotiertem A1N hergestelltes Keimschichtsystem als eine Bodenschicht auf dem Saphirsubstrat aufgewachsen werden. Eine derartige AlN-Schicht kann das epitaxiale Aufwachsen unterstützen. Die Dicke der Keimschicht kann so dünn wie 30 nm sein, kann aber wie erforderlich angepasst werden.
Für das epitaxiale Aufwachsen einer AlScN-Schicht auf der Keimschicht wird eine Abscheidungstechnik ausgewählt aus metallorganischer CVD (MOCVD), plasmaunterstützter CVD (PECVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Atomlagenabscheidung (ALD), Sol-Gel-Abscheidung, Hochtemperatursputtern und gepulster Laserabscheidung PLD.
Zudem werden aufgrund der Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeit innerhalb dieses Materials von der Geschwindigkeit innerhalb von AlScN verschieden ist, verbesserte akustische Eigenschaften wie zum Beispiel ein wellenleitender Effekt des Schichtsystems erzielt. Die c-Achse der aufgewachsenen AlScN-Schicht ist parallel zu der ersten Oberfläche des Saphirsubstrats orientiert.
Auf der AlScN-Schicht werden Interdigitalwandler, die zum Beispiel Al- oder Cu-basierte Elektroden nutzen, mit einer spezifischen Orientierung bezüglich der kristallographischen Achsen des AlScN realisiert.
2 zeigt den Hauptschichtstapel mit einer dünnen Keimschicht aus A1N, einer dünnen AlScN-Schicht und einer Elektrodenstruktur IDT mit einer ersten möglichen Orientierung bezüglich der kristallographischen Achsen sowohl von Al₂O₃ als auch AlScN gemäß der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform erregt das SAW-Bauelement, das durch die Elektrodenstruktur IDT in 2 erzielt wird, eine akustische Hauptmode mit einem Schercharakter. Die Ausbreitungsrichtung ist die kristallographische [1-100]-Richtung von AlScN. Die Dicke der piezoelektrischen AlScN-Schicht wird in Abhängigkeit von der durch die Schrittweite der Elektrodenstruktur eingestellten Mittenfrequenz als innerhalb eines Bereichs von dem 0,5- bis 1,5-fachen der Wellenlänge λ gewählt. Größere Dicken sind möglich, sind aber nicht erforderlich. Die Dickenverhältnisse der verschiedenen Schichten können auf eine Weise modifiziert werden, dass ein maximaler wellenleitender Effekt erzielt werden kann.
3 zeigt den gleichen Schichtstapel, der aber mit einer Elektrodenstruktur IDT mit einer zweiten möglichen Orientierung bezüglich der kristallographischen Achsen von sowohl Al₂O₃ als auch AlScN gemäß der zweiten Ausführungsform versehen ist. Tatsächlich ist der IDT um 90° um die Oberflächennormale gegenüber der IDT-Orientierung in 2 gedreht. In dieser Ausführungsform von 3 erregt das SAW-Bauelement eine akustische Hauptmode mit einem Rayleigh-Charakter. Die Ausbreitungsrichtung ist die kristallographische [0001]-Richtung von AlScN.
Zusätzliche Funktionsschichten wie Passivierungsschichten, Temperaturkompensationsschichten oder Frequenztrimmschichten können auf den SAW-Elektrodenstrukturen aufgebracht werden.
Der Vorteil eines derartigen mikroakustischen Bauelements mit dem vorgeschlagenen Schichtsystem liegt in der Kombination aus den Vorzügen bezüglich der Designflexibilität bei SAW-Bauelementen und der leichten Produktion von BAW-Bauelementen. In SAW-Bauelementen werden die hauptsächlichen frequenzdefinierenden planaren Strukturen durch Lithographieverfahren mit einer ausgezeichneten Gleichförmigkeit strukturiert, was die Realisierung von Resonatoren, alle mit unterschiedlichen Frequenzen, in einem Prozessschritt gestattet. Die durch die BAW-Technologie bereitgestellten Vorteile sind durch die mögliche Dünnfilmverarbeitung begründet. Diese sind zum Beispiel eine sehr gute Dickenkontrolle, gute Schichtadhäsion, preiswerte Verarbeitung, geringer Materialverbrauch, volle Integration in eine Waferlinie, Realisieren von Schichten auf Wafern mit großem Durchmesser und einfache Variation der chemischen Schichtzusammensetzung. Im Vergleich zu dem früheren Prozess zum Herstellen von Dünnfilm-SAW-Bauelementen durch Bonden und Dünnen von Einkristall-Piezo-Wafern machen die Vorteile der Dünnfilmtechnologie das neue Schichtsystem und die darauf hergestellten SAW-Bauelemente der „alten“ Technologie überlegen.
Zusätzliche Vorteile bezüglich der Verwendung von Saphirwafern sind reduzierte HF-Verluste, die keine komplexe, haftstellenreiche Schichttechnologie erfordert, die typischerweise notwendig ist, wenn hochresistive Si-Wafer verwendet werden. Weiterhin muss eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, die die Leistungsbeständigkeit der mikroakustischen Bauelemente verbessert, betont werden. Zudem unterstützt die hohe Schallgeschwindigkeit in dem Schichtsystem das Wellenleiten von mikroakustischen Schichten. Die mit dem AlN-basierten Materialsystem erzielbare, relativ hohe Schallgeschwindigkeit ermöglicht auch die Realisierung von akustischen Hochfrequenz-Oberflächenwellen-Bauelementen mit reduzierten Anforderungen hinsichtlich der verwendeten Fotolitographietechnologie.
Die 4 und 5 zeigen eine Draufsicht auf zwei beispielhafte Orientierungen des SAW-Elektrodenstruktur IDT bezüglich der kristallographischen Achsen der AlScN-Schicht.
In 4 ist die c-Achse [000-1] der AlScN-Schicht um 90° bezüglich der Oberflächennormalen geneigt, und die Orientierung der Elektrodenstruktur IDT ermöglicht eine SAW-Hauptausbreitung entlang der [1-100]-Richtung.
In 5 ist die c-Achse [000-1] der AlScN-Schicht um 90° bezüglich der Oberflächennormalen geneigt, und die Orientierung der Richtung der Elektrodenstruktur IDT ermöglicht eine SAW-Hauptausbreitung entlang der kristallographischen c-Achse ([000-1]-Richtung). In dieser zweiten Ausführungsform ist die Elektrodenstruktur IDT im Vergleich zu der in 4 gezeigten Elektrodenstruktur IDT um 90° gedreht.
Die 6A, 6B zeigen Admittanzkurven eines SAW Resonators gemäß der in 4 angegebenen Konfiguration. Für die Simulation wurden veröffentlichte Materialeigenschaften für piezoelektrische AlScN-Schichten mit 7% Sc-Gehalt (6A) beziehungsweise 37,5% Sc-Gehalt (6B) verwendet. Die Schichtdicke von AlScN beträgt etwa 1200 nm/3700 nm (erster Wert für niedrigen Sc-Gehalt, zweiter Wert für hohen Sc-Gehalt). Die Elektrodenstruktur IDT wird durch Cu-Elektroden mit einer Höhe von etwa 100 nm verkörpert. Die jeweilige Schrittweite p eines Wandlers der Elektrodenstruktur ist in beiden Fällen auf 0,8 µm eingestellt. Das Metallisierungsverhältnis a/p, wobei a eine Fingerbreite und p eine Distanz zwischen Mitten von benachbarten Elektrodenfingern ist, ist auf etwa 0,45 eingestellt.
Die Ausbreitungsrichtung der SAW verläuft parallel zu der [-1100]-Richtung des AlScN. Mit dieser Konfiguration kann ein horizontaler SAW-Schermodus erregt werden.
7A und 7B zeigen Admittanzkurven von SAW-Resonatoren gemäß der in 5 angegebenen Konfiguration. Wieder sind für die Simulation die gleichen veröffentlichten Materialeigenschaften für piezoelektrische AlScN-Schichten mit 7% Sc-Gehalt (7A) beziehungsweise 37,5% Sc-Gehalt (7B) verwendet worden. Die Schichtdicke des AlScN beträgt etwa 1000 nm/800 nm (erster Wert für niedrigen Sc-Gehalt, zweiter Wert für hohen Sc-Gehalt). Die Elektrodenstruktur IDT wird durch Cu-Elektroden mit einer Höhe von etwa 150 nm verkörpert. Die jeweilige Schrittweite eines Wandlers der Elektrodenstruktur ist in beiden Fällen auf 0,8 µm eingestellt. Das Metallisierungsverhältnis a/p, wobei a eine Fingerbreite ist und p eine Distanz zwischen Mitten von benachbarten Elektrodenfingern ist, ist auf etwa 0,5/0,4 eingestellt (erster Wert für einen niedrigen Sc-Gehalt, zweiter Wert für einen hohen Sc-Gehalt). Die Ausbreitungsrichtung der SAW verläuft parallel zu der kristallographischen c-Achse ([000-1]-Richtung). Mit dieser Konfiguration kann eine reine Rayleigh-Moden-SAW erregt werden. Eine kleinere piezoelektrische Kopplung kann durch Reduzieren des Sc-Gehalts der AlScN-Schicht erzielt werden (wie für die Ausführungsform von 7A mit 7% Sc eingestellt im Vergleich zu dem höheren Sc-Gehalt von 37,5% in 7B).
Aufgrund der beschränkten Anzahl von Ausführungsformen soll die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sein. Das Schichtsystem kann zum Realisieren von anderen Bauelementen mit anderen Elektrodenstrukturen, unterschiedlichen Schichtdicken und Kombinationen mit zusätzlichen Schichten, die für Spezialzwecke hilfreich sein können, verwendet werden. Die Realisierung und die Effekte von solchen Variationen sind in der Technik per se bekannt. Ein voller Schutzbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche angegeben.

Claims

Schichtsystem, umfassend ein monokristallines Saphirsubstrat mit einer ersten Oberfläche, eine kristalline piezoelektrische Schicht, epitaxial auf der ersten Oberfläche aufgewachsen und mit einer von der ersten Oberfläche wegweisenden zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine kristallographische R-Ebene von Saphir ist, wobei die epitaxiale Beziehung zwischen dem Saphirsubstrat und der piezoelektrischen Schicht wie folgt ist: die (11-20)-Ebene der piezoelektrischen Schicht (x-Schnitt) verläuft parallel zu der (1-102)-Ebene von Saphir (R-Ebene), die planare [1-100]-Richtung der piezoelektrischen Schicht verläuft parallel zu der [-1-120]-Richtung von Saphir, und die planare [000-1]-Richtung (kristallographische c-Achse) der piezoelektrischen Schicht verläuft parallel zu der [1-10-1] -Richtung von Saphir wobei die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes A1N umfasst.
Schichtsystem nach dem obigen Anspruch, bei dem die Dicke der piezoelektrischen AlScN-Schicht als innerhalb eines 0,3- bis 1,5-fachen der Wellenlänge λ der eingestellten Mittenfrequenz gewählt ist.
Schichtsystem nach dem obigen Anspruch, wobei die in der piezoelektrischen Schicht enthaltene Menge an Dotierstoff Sc zwischen 5 und 45 Atom% liegt.
Schichtsystem nach einem der obigen Ansprüche, wobei eine Keimschicht aus reinem A1N zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen AlScN-Schicht angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem der obigen Ansprüche, umfassend eine auf der zweiten Oberfläche abgeschiedene Schicht aus SiO₂.
SAW-Bauelement umfassend das Schichtsystem nach einem der obigen Ansprüche und mit einer auf der zweiten Oberfläche angeordneten Interdigitalelektrodenstruktur.
SAW-Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste Oberfläche gegen die R-Ebene um einen Winkel δ von 0,5° bis 6° geneigt ist.
SAW-Bauelement nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Interdigitalelektrodenstrukturen eine planare Orientierung mit einem Rotationswinkel zwischen 0° und 90° um die Oberflächennormale besitzen.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 6-8, wobei die Interdigitalelektrodenstruktur Cu und/oder Al umfasst.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 6-9, umfassend weitere Funktionsschichten ausgewählt aus der Gruppe aus einer Passivierungsschicht, einer Trimmschicht aus SiN und einer Temperaturkompensationsschicht.
Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems umfassend eine AlN-Schicht mit einer c-Achse parallel zu der AlN-Schicht, umfassend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen eines Saphirsubstrats mit einer ebenen ersten Oberfläche, die eine kristallographische R-Ebene ist, B) Abscheiden einer Keimschicht aus reinem A1N auf der ersten Oberfläche, C) epitaxiales Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht umfassend AlScN auf der Keimschicht durch Verwenden einer Abscheidungstechnik ausgewählt unter metallorganischer CVD (MOCVD), plasmaunterstützter CVD (PECVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Atomlagenabscheidung (ALD), Sol-Gel-Abscheidung, Hochtemperatursputtern und gepulster Laserabscheidung PLD D) Ausbilden einer Elektrodenstruktur umfassend eine Interdigitalelektrode auf der piezoelektrischen Schicht, wobei die Interdigitalelektrode ausgelegt ist zum Generieren einer SAW-Welle mit einer Mittenfrequenz, wobei Schritt C) beim epitaxialen Aufwachsprozess das Steuern der Dicke dp der epitaxialen piezoelektrischen Schicht auf einen Wert von 0,3 λ ≤ d_P ≤ 3 λ umfasst, wobei λ der Wellenlänge des SAW bei der Mittenfrequenz entspricht.