DE102018109383B3

DE102018109383B3 - Akustischer Volumenwellenresonator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102018109383B3
Application number: DE102018109383.7A
Authority: DE
Inventors: Cimang LU; Stanley Seungchul Song; Periannan Chidambaram
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Europe GmbH
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: WO2019201521A1

Abstract

Ein akustischer Volumenwellenresonator umfasst ein Substrat (101) und einen Schichtstapel (110) mit elektroakustischen Eigenschaften, der eine erste und zweite Elektrode (111, 112) umfasst, zwischen denen eine piezoelektrische Schicht (113) liegt. Der Schichtstapel erstreckt sich in einer Richtung, die zur Oberfläche des Substrats transversal ist, so dass ein erstes Ende (110a) des Schichtstapels der Substratoberfläche nahe ist und ein zweites Ende (110b) des Schichtstapels von der Substratoberfläche fern ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen akustischen Volumenwellenresonator, der einen Stapel von Schichten mit elektroakustischen Eigenschaften umfasst. Speziell betrifft die vorliegende Offenbarung einen akustischen Volumenwellenresonator, der ein Substrat und einen Schichtstapel mit elektroakustischen Eigenschaften umfasst. Der Schichtstapel umfasst eine erste und zweite Elektrode und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen akustischen Volumenwellenresonatorvorrichtung.
Stand der Technik
Akustische Volumenwellen- bzw. BAW-Resonatorvorrichtungen werden vielfältig in mobilen Anwendungen zur Ausführung verschiedener Filterfunktionen verwendet. Ein an die Elektroden angelegtes elektronisches Signal wird in eine akustische resonierende Welle umgewandelt und umgekehrt. Die akustische resonierende Welle stellt sich zwischen den Elektroden ein und führt eine Filterfunktion im elektrischen Bereich mit geringem Verlust und hoher Selektivität aus. Akustische Volumenwellenresonatoren werden oft in Filterentwürfen von mobilen elektronischen Vorrichtungen wie Mobiltelefonen und Smartphones verwendet. Die Wechselwirkung von elektrischem und akustischem Betrieb erlaubt eine sehr kompakte Größe, so dass viele solche Vorrichtungen in Mobilgeräten verwendet werden können, um Filter für vielfältige HF-Dienste bereitzustellen. Da zukünftige mobile Vorrichtungen einen großen HF-Bandbreitenumfang abdecken müssen, werden in den mobilen Geräten viele Resonatorvorrichtungen erforderlich sein.
Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit, über eine akustische Volumenwellenresonatorvorrichtung zu verfügen, die kleine mechanische Abmessungen aufweist und einen hohen Grad an Integration erzielt. Die Resonatorvorrichtung sollte einen großen Frequenzumfang abdecken, so dass das Mobilgerät einen großen Umfang von HF-Diensten bedienen kann. Die Resonatorvorrichtung muss außerdem sehr effizient sein und muss so wenig Strom wie möglich verbrauchen, um den Energiesparanforderungen zukünftiger mobiler Vorrichtungen zu genügen.
In der JP 2009-124697 A ist ein akustischer Volumenwellenresonator beschrieben, der auf einem Substrat senkrecht stehende Resonatorelemente umfasst. Jedes Resonatorelement ist zylindrisch aufgebaut und umfasst eine innere Elektrode, die von einer piezoelektrischen Schicht umgeben ist, die wiederum von einer äußeren Elektrode umgeben ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines akustischen Volumenwellenresonators, der eine oder mehrere der oben erwähnten Anforderungen erfüllt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines akustischen Volumenwellenresonators, der kleine Abmessungen aufweist, energieeffizient ist und einen großen Frequenzumfang abdeckt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer akustischen Volumenwellenresonatorvorrichtung, die eine oder mehrere der oben erwähnten Anforderungen erfüllt.
Kurzfassung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein akustischer Volumenwellenresonator ein Substrat mit einer Oberfläche. Ein Schichtstapel, der elektroakustische Eigenschaften aufweist, umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnete piezoelektrische Schicht. Der Schichtstapel erstreckt sich in einer zur Oberfläche des Substrats transversalen Richtung, so dass ein erstes Ende des Schichtstapels der Oberfläche des Substrats nahe ist und ein zweites Ende des Schichtstapels der Oberfläche des Substrats fern ist. Auf dem Substrat sind ein erster Verbindungsbereich, der mit einer der ersten und zweiten Elektroden des Schichtstapels verbunden ist, und ein zweiter Verbindungsbereich, der mit der anderen der ersten und zweiten Elektroden des Schichtstapels verbunden ist, angeordnet. Ferner sind Metallkontaktstellen auf einem jeweiligen der Verbindungsbereiche angeordnet.
Der akustische Volumenwellenresonator der vorliegenden Offenbarung umfasst einen elektroakustischen aktiven Bereich, der sich in einer Richtung erstreckt, die zur Oberfläche des Substrats, das die Vorrichtung trägt, transversal ist. Bei einer Ausführungsform steht der Schichtstapel der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der dazwischen geschichteten piezoelektrischen Schicht senkrecht oder vertikal auf der Oberfläche des Substrats. Die gemeinsame Oberfläche zwischen dem Substrat und dem elektroakustischen aktiven Bereich ist der Querschnitt des Schichtstapels, der auf dem Substrat steht. Dementsprechend wird nur eine geringe Menge Energie im Substrat umgesetzt, so dass die Vorrichtung sehr effizient ist und einen hohen Gütefaktor aufweist.
Die Materialien für die Elektroden und die piezoelektrische Schicht können Fachleuten bekannte Materialien sein, wie etwa Wolfram und kristallines/kolumnares Aluminiumnitrid. Ein freistehender, z.B. vertikaler akustischer Volumenwellenresonator kann speziell ein aus der Gruppe orthorhombischer leitfähiger Oxide ausgewähltes Elektrodenmaterial verwenden, und ein Material für die piezoelektrische Schicht kann aus der Gruppe der Perovskite ausgewählt sein.
Ein Perovskitmaterial wie Bleizirkonattitanat (PZT) weist einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k_t auf, so dass der Flächeninhalt und die Dicke der piezoelektrischen Schicht verringert werden können, so dass die Größe des aktiven Bereichs verringert werden kann, ohne die elektroakustische Leistungsfähigkeit aufzuopfern. Ein hohes k_t favorisiert außerdem Breitbandbetrieb.
Ein orthorhombisches leitfähiges Oxid wie Strontiumruthenatoxid (SRO) weist eine sehr ähnliche Gitterkonstante wie Perovskit wie PZT auf, so dass der Schichtstapel von Elektroden und piezoelektrischem Material wenig innere mechanische Anspannung aufweist. Dementsprechend weist die PZT-Schicht verbesserte Qualität auf. Die Kombination von orthorhombischem leitfähigem Oxid für die Elektrodenschichten und Perovskitmaterial für die piezoelektrische Schicht gewährleistet kleine Abmessungen, kleinen Flächeninhalt und dünne Filme, während sie einen großen Kopplungsfaktor k_t aufweist. Die freistehende SRO-Schicht ist versetzungsfrei, so dass die angefügte PZT-Schicht verbesserte Qualität aufweist.
Auf dem Substrat können jeweilige Verbindungsbereiche als Verbindungsbereiche für die freistehenden oder vertikalen Elektroden angeordnet sein. Die Verbindungsbereiche können aus demselben Material wie die Elektroden bestehen. Eine der Elektroden kann auf einer Keimschicht aus Platin angeordnet sein. Die Platinschicht kann zwischen dem Substrat und dem Verbindungsbereich einer der Elektroden angeordnet sein. In der Praxis wird der Verbindungsbereich, der zuerst produziert wird und der mit der Elektrode verbunden ist, die zuerst produziert wird, auf der Platinkeimschicht angeordnet.
Das orthorhombische leitfähige Oxid kann aus Materialien wie Strontiumruthenatoxid (SRO), Strontiumtitanatoxid (SrTiO) und Calciumrutheniumoxid (CaRuO) ausgewählt sein. Diese Materialien können eine Gitterkonstante aufweisen, die der der Perovskitmaterialien für die piezoelektrische Schicht ähnlich ist.
Die Materialien für die piezoelektrische Perovskitschicht können aus der Gruppe von Bleizirkonattitanat (PZT, PbMgNbO(PMN)-PZT, PMN-PT), Bariumtitanatoxid (BaTiO, BTO) und Bariumnatrium-Titanatoxid (BaNaTiO, BNT) ausgewählt sein.
Auf dem freien Ende des Schichtstapels der Elektroden und der piezoelektrischen Schicht, das das Ende ist, das von dem Substrat fern ist, kann eine Ankerschicht angeordnet werden. Die Ankerschicht kann ein Isolatormaterial wie Siliziumdioxid sein, so dass das freie Ende des elektroakustischen aktiven Bereichs mit einem steifen Material versehen wird, um das akustische Verhalten des Schichtstapels zu verbessern.
Auf den Verbindungsbereichen, die mit den Elektroden verbunden sind, können Kontaktstellen angeordnet werden, um Konnektivität mit dem Äußeren der Vorrichtung bereitzustellen. Die Kontaktstellen können aus Metall wie Kupfer bestehen. Andere Metalle sind auch nützlich.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Volumenwellenresonators die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats, Bilden von Säulen aus einer ersten Opferschicht mit Seitenwänden auf dem Substrat; Bilden einer ersten Elektrodenschicht mit einem ersten Teil, die auf den Seitenwänden der Säulen der ersten Opferschicht angeordnet ist, und mit einem zweiten Teil, der auf dem Substrat angeordnet ist; Entfernen der ersten Opferschicht, um dadurch eine Oberfläche der ersten Elektrodenschicht an dem ersten Teil freizulegen; Bilden einer piezoelektrischen Schicht auf der freigelegten Oberfläche der ersten Teile der ersten Elektrodenschicht; und Bilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schicht.
Das Verfahren verwendet Schritte des Abscheidens und Strukturierens von Opferschichten, um die freistehende und vorstehende Orientierung des elektroakustischen aktiven Bereichs zu erzielen. Die Elektrodenmaterialien und die piezoelektrischen Materialien werden konform abgeschieden und durch Lithografieschritte strukturiert, um die gewünschte Größe und Form zu erzielen. Durch Entfernung der Opferschichten weist die resultierende Struktur die freistehende, vorzugsweise vertikale Orientierung des SRO/PZT/SRO-Schichtstapels des aktiven Bereichs und die Metallkontaktstellen für die elektrische Verbindung der Vorrichtung auf.
Es versteht sich, dass sowohl die obige allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft sind und eine Übersicht oder einen Rahmen bereitstellen sollen, um das Wesen und die Beschaffenheit der Ansprüche zu verstehen. Die beigefügten Zeichnungen sind vorgesehen, um ein weiteres Verständnis zu gewährleisten und sind in die vorliegende Beschreibung integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen zeigen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien und Funktionsweise der verschiedenen Ausführungsformen.
Figurenliste
Es zeigen:

1A, 1B und 1C eine Querschnitts-, perspektivische und Draufsicht einer akustischen Volumenwellenresonatorvorrichtung;
2A und 2B eine perspektivische und Draufsicht einer anderen akustischen Volumenwellenresonatorvorrichtung;
3A bis 3G mehrere Phasen während der Herstellung der akustischen Oberflächenwellenresonatorvorrichtung von 1A bis 1C; und
4A und 4B Phasen der Herstellung der akustischen Volumenwellenresonatorvorrichtung von 2A und 2B.

Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird nun im Folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen realisiert werden und sollte nicht als Beschränkung der hier dargelegten Ausführungsformen aufgefasst werden. Stattdessen werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass die Offenbarung den Umfang der Offenbarung Fachleuten vollständiger vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sollen jedoch die Offenbarung deutlich veranschaulichen. Dieselben Elemente in verschiedenen Figuren werden mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
1A zeigt eine Querschnittsansicht einer akustischen Volumenwellen- bzw. BAW-Resonatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die BAW-Vorrichtung ist auf einem Substrat 101 angeordnet, das aus einem Siliziumdioxid gebildet sein kann. Der elektroakustische aktive Bereich ist aus dem Schichtstapel 110 zusammengesetzt, der eine erste elektrisch leitfähige Elektrode 111, eine zweite elektrisch leitfähige Elektrode 112 und eine zwischen den Elektroden 111, 112 angeordnete piezoelektrische Schicht 113 umfasst. Der Schichtstapel 110 steht vertikal oder senkrecht auf der Oberfläche 102 des Substrats 101. Es sind andere Orientierungen des Schichtstapels 110 relativ zur Oberfläche 102 des Substrats 101 möglich. Der Schichtstapel 110 kann im Allgemeinen eine transversale oder schräge Orientierung der längenweisen Erstreckung der Schichten des Schichtstapels 110 aufweisen. Der Winkel zwischen der Richtung der Erstreckung des Schichtstapels 110 und der Oberfläche 102 kann kleiner als 90° sein. Ein erstes Ende 110a des Schichtstapels ist dem Substrat nahe und befindet sich in Kontakt mit der Oberfläche 102 des Substrats. Das ferne Ende 110b des Schichtstapels ist freistehend.
Ein Verbindungsbereich 121 ist mit der ersten Elektrode 111 verbunden und ist aus demselben Material wie die Elektrode 111 gebildet. Der Verbindungsbereich 121 ist auf dem Substrat 101 angeordnet. Ein anderer Verbindungsbereich 122 ist mit der zweiten Elektrode 112 verbunden. Unter dem Verbindungsbereich 121 ist eine Keimschicht 123 angeordnet, die aus einem Metall wie Platin gebildet ist. Über den Verbindungsbereichen 121, 122 sind jeweilige Metallleitungen 131, 132 angeordnet, die als Kontaktstellen oder Kontaktanschlüsse zum Eingeben und Ausgeben eines elektrischen Hochfrequenzsignals zu und von der Vorrichtung dienen.
1B zeigt eine perspektivische Ansicht zweier paralleler BAW-Vorrichtungen auf demselben Substrat 101, die sich eine der Metallelektroden 132 teilen. 1C zeigt eine Draufsicht auf die vollständige Vorrichtung, von der in 1B ein Hauptteil abgebildet ist. 1C zeigt zwei parallele verbundene Resonatoren, die sich die gemeinsame Metallelektrode 132 teilen. Die Vorrichtung ist auf dem Substrat-Chipbereich 101 angeordnet.
Wieder mit Bezug auf 1A können die Materialien für den elektroakustischen Schichtstapel aus den herkömmlichen Materialien ausgewählt werden, die auf dem Gebiet elektroakustischer Resonatoren verwendet werden. Die Materialien können Wolfram oder eine Schichtzusammensetzung mit Wolfram für die Elektroden 111, 112 und ein herkömmliches piezoelektrisches Material wie kristallines oder kolumnares Aluminiumnitrid (AlN) sein. Es sind auch andere herkömmliche piezoelektrische Materialien möglich wie Aluminiumscandiumnitrid oder dotiertes Aluminiumnitrid.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die piezoleketrische Schicht 113 aus Bleizirkonattitanat (PZT) bestehen. PZT weist einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k_t auf, der 20,25% beträgt, was etwa zehnmal höher als das k_t von AlN ist. Dementsprechend kann der Flächeninhalt der PZT-Schicht 113 etwa 100 mal kleiner als der Flächeninhalt eines herkömmliche piezoelektrische Materialien wie AlN verwendenden Resonators sein. Ferner kann die Dicke des PZT-Dünnfilms 113 ohne signifikanten Verlust piezoelektrischer Eigenschaften auf etwa 50 nm herunterskaliert werden. Insgesamt erzielt die Verwendung von PZT anstelle von herkömmlichen piezoelektrischen Materialien eine sehr kleine, dichtgepackte BAW-Vorrichtung, während ähnliche akustische und elektrische Eigenschaften aufrechterhalten werden. Ferner erlaubt das große k_t von PZT eine große Betriebsbandbreite der Vorrichtung.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die Elektroden 111, 113, des Resonators oder des elektroakustischen aktiven Bereichs aus Strontiumruthenatoxid (SRO) gebildet sein. SRO weist eine PZT sehr ähnliche Gitterkonstante auf. Die Gitterfehlanpassung zwischen SRO und PZT beträgt nur etwa 1,5%, so dass die auf der SRO-Elektrodenschicht angeordnete piezoelektrische PZT-Schicht Brüche in der PZT-Schicht vermeidet. Besonders die schräge oder vertikale Orientierung des Schichtstapels verglichen mit der Substratoberfläche gewährleistet sogar noch bessere Qualität der SRO-Schicht und folglich der darauf angeordneten PZT-Schicht, da die schräge/vertikale SRO-Schicht freistehend ist und kein darunterliegendes Substrat aufweist. Als Folge hat die piezoelektrische PZT-Schicht eine hohe Qualität und weist nur wenige oder fast keine Brüche in der Schicht auf.
Der Verbindungsbereich 121 auf der Platin-Keimschicht 123 kann Versetzungen in der SRO-Schicht aufweisen. Der vertikale Teil der Elektrode 111 ist jedoch freistehend, so dass es im Wesentlichen keine Versetzungen in der Elektrode 111 gibt. Folglich weist der Schichtstapel 110 fast keine Defekte auf, die sich auf die Funktion der Vorrichtung auswirken könnten. Stattdessen erlaubt das hohe k_t einen kleinen, hochdichten Entwurf der Vorrichtung.
Der vertikale freistehende Schichtstapel 110 weist nur eine niedrige gemeinsame Kontaktoberfläche an dem Ende 110a mit der Oberfläche 102 des Substrats 101 auf. Der Kontaktbereich ist der Querschnittsbereich des Schichtstapels 110, der auf dem Substrat steht. Der Kontakt zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Substrat ist dementsprechend nur der Querschnittsbereich der PZT-Schicht. Da die vertikale BAW-Vorrichtung nur Randkontakt zwischen dem PZT-Dünnfilm und dem Substrat aufweist, ist der Energieverlust verglichen mit herkömmlichen, horizontalen BAW-Vorrichtungen geringer.
Der Gütefaktor der BAW-Vorrichtung kann proportional zu dem Quotienten von gespeicherter Energie und verlorener Energie sein. Der kleine Randkontaktbereich zwischen PZT-Dünnfilm und Substrat führt zu geringerem Energieverlust von dem PZT-Film in das Substrat, was zu einem höheren Gütefaktor als bei herkömmlichen horizontalen Entwürfen führt.
Das SRO-Material für die Elektrodenschichten 111, 112 weist einen relativ hohen Elastizitätsmodul von etwa 200 GPa auf, während es eine relativ kleine mechanische Dichte von etwa 6,8*10³ kg/m³ aufweist. Der große Elastizitätsmodul und die kleine Dichte von SRO ermöglichen eine hohe Schallgeschwindigkeit in der Elektrode im Bereich von etwa 6300 m/s und somit Zunahme des Frequenzbereichs der elektroakustischen Oszillation in der Vorrichtung. Zum Beispiel kann für Dünnfilme im Bereich von 30 nm für SRO und 50 nm für PZT des Schichtstapels 110 die Betriebsfrequenz bis zu etwa 25 GHz betragen. Folglich geben der vertikale Entwurf der BAW-Vorrichtung und die Auswahl der spezifischen Materialien wie oben erläutert eine kleine kompakte Vorrichtung mit guter Prozessintegrität, geringem Energieverlust und relativ hohem Gütefaktor und erlauben einen großen Umfang der Betriebsfrequenz. Wie oben erläutert können herkömmliche Materialien für die Elektroden und die piezoelektrische Schicht auch für den vertikalen Entwurf verwendet werden, während die beschriebenen SRO- und PZT-Materialien sogar verbesserte Eigenschaften bereitstellen. Für die Elektrodenschichten 111, 113 und die Verbindungsschichten 121, 122 können im Allgemeinen andere orthorhombische leitfähige Oxidmaterialien nützlich sein, wie etwa Strontiumtitanatoxid (SrTiO) oder Calciumruthenatoxid (CaRuO). Andere orthorhombische leitfähige Oxide können auch nützlich sein.
Der piezoelektrische Film 113 kann aus Bleizirkonattitanat (PZT) bestehen, wie etwa PbMgNbO(PMN)-PZT oder PMN-PT. Es sind auch andere piezoelektrische Perovskitmaterialien nützlich, zum Beispiel Bariumtitanatoxid (BaTiO, BTO) oder Bariumnatriumtitanatoxid (BaNaTiO, BNT). Andere piezoelektrische Perovskitmaterialien sind auch nützlich.
2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer BAW-Resonatorvorrichtung. Wie in 2A gezeigt, wird die Oberseite des Schichtstapels 110 durch ein oberes Ankerelement 210 bedeckt. Der obere Anker 210 kann aus einem isolierenden Material bestehen, wie etwa Siliziumdioxid, das ein relativ steifes Material ist. Der obere Anker 210 deckt den ansonsten offenendigen Schichtstapel 110 ab. Er stellt dadurch eine steife Verbindung der Elektrode und der Schichten des Schichtstapels 110 bereit, so dass die mechanische Steifigkeit verbessert wird. Als Ergebnis werden die elektroakustischen Eigenschaften verbessert.
2B zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung dieser Ausführungsform. 2B zeigt den über dem Schichtstapel 110 angeordneten oberen Siliziumdioxidanker 210. Der obere Anker 210 weist eine Breite dergestalt auf, dass er zwischen zwei angrenzende Kontaktstellen 131, 132 passt. Der obere Anker verbindet mehrere Teile 210 durch einen Verbindungsteil 211, der außerhalb der Kontaktstellen 131, 132 liegt.
3A bis 3G zeigen Querschnitte eines Arbeitsstücks in aufeinanderfolgenden Phasen während der Herstellung einer BAW-Resonatorvorrichtung. Mit Bezug auf 3A wird ein Substrat 101 aus Siliziumdioxid (SiO₂) bereitgestellt, auf dem eine Keimschicht 123 aus Platin abgeschieden wird. Die Platinschicht kann eine Dicke von 40 nm aufweisen. Danach wird eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) mit einer Dicke von zum Beispiel 500 nm abgeschieden. Die SiO₂-Schicht wird unter Verwendung eines Lithografieschritts, der eine Maske erzeugt, relativ zu der die SiO₂-Schicht durch Trockenätzung entfernt wird, strukturiert. Die SiO₂-Strukturen 311, die nach der Trockenätzung verbleiben, weisen parallele Gräben mit einer Breite von etwa 2 µm auf und dienen als eine Dummy-Struktur für die folgenden Prozessschritte. In den Gräben zwischen den Dummy-Strukturen 311 wird die freigelegte Platinschicht entfernt. Die Gräben zwischen den SiO₂-Dummy-Strukturen werden in einem CVD-Abscheidungsprozess mit einem anderen Isolator, wie etwa Siliziumnitrid (SiN), der relativ zu SiO₂ geätzt werden kann, gefüllt. Die Siliziumnitridfüllung hat die Funktion einer Opferschicht, mit der eine spezifische Topografie nachfolgend abgeschiedener Schichten erzielt wird und die später entfernt wird. Danach wird die Oberfläche des Arbeitsstücks zum Beispiel durch einen Prozess des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) poliert, um eine gleichförmige und gleichmäßige Oberfläche zu erzielen, die Teile einer aus SiO₂ zusammengesetzten Dummy-Struktur 311 und andere Teile der Opferschicht 312 aus einem anderen isolierenden Material wie SiN freilegt.
Nunmehr mit Bezug auf 3B wird die SiO₂-Dummy-Struktur 311 durch einen Trockenätzprozess entfernt, wobei die SiN-Opferschicht 312 verbleibt. Ein geeigneter Ätzprozess, der SiO₂ relativ zu SiN ätzt, ist Fachleuten bekannt. Dann wird das Material für die erste Elektrodenschicht 321 konform auf der Oberfläche des Arbeitsstücks abgeschieden. Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die Elektrodenschicht 321 ein Material, das aus der Gruppe orthorhombischer leitfähiger Oxide, zum Beispiel Strontiumruthenatoxid (SRO), ausgewählt ist. Die vertikalen Seitenwände der Opferschicht 312 werden durch vertikale Teile 321a der SRO-Schicht 321 bedeckt, die während der späteren Prozessschritte die erste Elektrode des BAW-Resonators bilden werden. Im vorliegenden Fall sind die Seitenwände der Opferschicht 312 mit Bezug auf die Oberfläche des Substrats 101 vertikal oder senkrecht. Für Fachleute ist erkennbar, dass die Seitenwände der Opferschicht 312 auch eine schräge oder transversale Orientierung mit Bezug auf die Oberfläche des Substrats 101 aufweisen kann.
Nunmehr mit Bezug auf 3C wird eine zweite Schicht aus einem Opfermaterial wie SiN 331 abgeschieden, um die Gräben auf dem Arbeitsstück zu füllen. Die SiN-Schicht kann durch einen CVD-Prozess mit einer Dicke von zum Beispiel 500 nm abgeschieden werden. Dann wird die Oberfläche des Arbeitsstücks poliert, um die horizontalen Teile der Elektrodenschicht 321 zu entfernen und Oberflächen der ersten und zweiten Opferschicht 312, 331 freizulegen. Dann wird die erste Opferschicht 312 durch einen Nassätzprozess entfernt, und die resultierende Struktur ist in 3C gezeigt. Das Arbeitsstück zeigt vertikal orientierte Teile der ersten Elektrode 111 und horizontale Teile 121 eines zukünftigen Verbindungsbereichs, der aus SRO gebildet ist. Das Arbeitsstück wird etwa 1000 Sekunden lang einem Ausheizprozess bei etwa 500 °C unterzogen, um etwaige Defekte in den Schichten zu glätten und das SRO-Elektrodenmaterial zu kristallisieren.
Nunmehr mit Bezug auf 3D wird eine Schicht aus piezoelektrischem Material konform auf dem Arbeitsstück mit einer Dicke von etwa 50 nm abgeschieden. Die piezoelektrische Schicht wird isotrop trockengeätzt, um die an den vertikalen Teil 111 der Elektrode angebrachte vertikale Schicht 113 zu erzielen. Die piezoelektrische Schicht kann aus der Gruppe der Perovskitmaterialien ausgewählt werden, zum Beispiel Bleizirkonattitanat (PZT). Ein Ausheizprozess wird bei etwa 500 °C etwa 1000 Sekunden lang durchgeführt, um Kristallisierung der PZT-Schicht zu erlauben.
Nunmehr mit Bezug auf 3E wird eine weitere Schicht aus Elektrodenmaterial wie SRO konform mit einer Dicke von etwa 30 nm auf dem Arbeitsstück abgeschieden. Ein Ausheizprozess wird bei etwa 500 °C etwa 1000 Sekunden lang durchgeführt, um Kristallisierung der SRO-Elektrodenschicht zu erlauben. Dann wird eine dritte Opferschicht aus SiN 351 mit einer Dicke von etwa 500 nm durch einen CVD-Prozess abgeschieden. Die Oberfläche wird durch CMP poliert, um die horizontalen oberen Teile der zuvor abgeschiedenen dritten Opfer-SiN-Schicht und die horizontalen Teile der SRO-Schichten zu entfernen und eine gleichförmige und ebenmäßige obere Oberfläche zu erzielen, wie in 3E abgebildet.
Nunmehr mit Bezug auf 3F wird das Arbeitsstück für die Verbindungsverdrahtung strukturiert. In die zweite und dritte Opfer-SiN-Schicht 331, 351 werden Gräben geätzt, um die SRO-Elektroden-Verbindungsbereiche 121, 122 freizulegen. Die Gräben weisen eine Breite von etwa 400 nm auf. Die Gräben werden durch einen Kupferplattierungsprozess mit einem Metall wie Kupfer gefüllt. Die Kupferfüllungen 131, 132 werden elektrisch mit den Verbindungsbereichen 121, 122 verbunden, die mit den Elektrodenschichten 111, 112 verbunden sind. Das Arbeitsstück wird durch einen CMP-Prozess poliert, um überschüssiges Kupfer zu entfernen, wodurch die in 3F abgebildete Struktur erzeugt wird.
Nunmehr mit Bezug auf 3G wird das Opfermaterial 331, 351 durch einen SiN-Nassätzprozess entfernt, so dass die Gräben 371, 372 zwischen den Kupferverbindungsdrähten 131, 132 und dem elektroakustisch aktiven Bereich 110 verbleiben. Folglich steht ein freistehender aktiver Bereich 110, der eine erste und zweite leitfähige Elektrode umfasst, zwischen die eine piezoelektrische Schicht geschichtet ist, in einer relativ zu der Oberfläche des Substrats 101 im Wesentlichen senkrechten Orientierung vor. Die obere Oberfläche der Drähte 131, 132 und des aktiven Bereichs 110 befindet sich auf derselben Ebene, sowie es durch einen gemeinsamen CMP-Prozess erzielt wird. Das Arbeitsstück von 3G zeigt zwei BAW-Resonatoren, die sich eine gemeinsame Kupferelektrode 132 teilen und die eine gegenseitig verbundene SRO-Elektrode aufweisen. Die Wärmebilanz der Kristallisierung von SRO und PZT beträgt etwa 500 °C, was hoch genug ist, um die Elektroden- und piezoelektrischen Schichten zu kristallisieren, und die die verbleibenden Strukturen nicht beschädigt.
Die in 4A und 4B gezeigten Prozessschritte betreffen das Bilden einer oberen Ankerschicht auf dem freistehenden aktiven Bereich 110. Die in Verbindung mit 3A bis 3E beschriebenen Herstellungsschritte gelten auch für die Ausführungsform von 4A und 4B. Das Arbeitsstück wird gemäß 3A bis 3E hergestellt. Dann wird eine Schicht aus Siliziumdioxid über dem Arbeitsstück abgeschieden, wie in 4A gezeigt. Mit der Strukturierung des Arbeitsstücks für die Verbindungsdrähte wird auch die SiO₂-Schicht strukturiert, so dass Streifen 210 der SiO-Schicht auf dem oberen Ende des Schichtstapels 110 und den angrenzenden Teilen des zweiten und dritten Opfermaterials 321, 351 verbleiben. Das Kupfermaterial der Verbindungsdrähte wird weiter bis auf eine Ebene zurückgeätzt, die niedriger als die obere Oberfläche der Opferschichten 331, 351 ist (4A).
Nunmehr mit Bezug auf 4B werden die Opferschichten 331, 351 durch die Öffnung zwischen der oberen SiO₂-Ankerschicht 210 und dem unteren Ende der Kupferverbindungsdrähte 133, 134 durch eine Nassätzung entfernt. Die oberen Ankerdrähte 210 verbleiben auf dem oberen Ende des Schichtstapels 110 und verbessern die Steifigkeit dieses Endteils des Schichtstapels 110.
Es wurde ein vertikaler freistehender akustischer Volumenwellenresonator für Filteranwendungen vorgeschlagen. Mit dem vertikalen SRO-Film wird ein qualitativ hochwertiger PZT-Film für die piezoelektrische Schicht erzielt. Der vertikale akustische Volumenwellenresonator weist eine kleine Größe auf und kann einen großen Umfang von Frequenzen abdecken. Die Vorrichtung ist energieeffizient und weist einen hohen Gütefaktor auf. Sie kann in elektronischen Filtern im HF-Frontend von Mobilgeräten verwendet werden.

Claims

Akustischer Volumenwellenresonator, umfassend: - ein Substrat (101) mit einer Oberfläche (102); - einen Schichtstapel (110) mit elektroakustischen Eigenschaften, der eine erste Elektrode (111) und eine zweite Elektrode (112) und eine zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnete piezoelektrische Schicht (113) umfasst, wobei sich der Schichtstapel in einer zur Oberfläche des Substrats transversalen Richtung erstreckt, so dass ein erstes Ende (110a) des Schichtstapels der Oberfläche des Substrats nahe ist und ein zweites Ende (110b) des Schichtstapels von der Oberfläche des Substrats fern ist; - einen auf dem Substrat (101) angeordneten ersten Verbindungsbereich (121), der mit einer der ersten und zweiten Elektroden des Schichtstapels (110) verbunden ist, und einen auf dem Substrat (101) angeordneten zweiten Verbindungsbereich (122), der mit einer anderen der ersten und zweiten Elektroden des Schichtstapels verbunden ist; und - Metallkontaktstellen (131, 132), die auf einem jeweiligen der Verbindungsbereiche (121, 122) angeordnet sind.
Akustischer Volumenwellenresonator nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (111) und die zweite Elektrode (112) jeweils ein orthorhombisches leitfähiges Oxidmaterial umfassen und die piezoelektrische Schicht (113) ein Perovskitmaterial umfasst.
Akustischer Volumenwellenresonator nach Anspruch 2, der ferner eine auf dem Substrat (101) angeordnete Keimschicht (123) umfasst, die zwischen dem Substrat (101) und einem der ersten und zeiten Verbindungsbereiche (121, 122) angeordnet ist.
Akustischer Volumenwellenresonator nach Anspruch 2 oder 3, wobei das orthorhombische leitfähige Oxidmaterial der ersten und zweiten Elektrode (111, 112) aus einem von Strontiumruthenatoxid, Strontiumtitanatoxid und Calciumrutheniumoxid gebildet ist.
Akustischer Volumenwellenresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Perovskitmaterial der piezoelektrischen Schicht (113) aus einem von Bleizirkonattitanat, Bariumtitanatoxid und Bariumnatrium-Titanatoxid gebildet ist.
Akustischer Volumenwellenresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner eine obere Ankerschicht (210) aus einem Isolatormaterial umfasst, die über dem zweiten Ende des Schichtstapels (110) von der Oberfläche des Substrats entfernt angeordnet ist.
Akustischer Volumenwellenresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die erste und die zweite Elektrode (111, 112) und die piezoelektrische Schicht (113) des Schichtstapels in einer Richtung erstrecken, die zur Oberfläche (102) des Substrats (101) senkrecht ist.
Verfahren zur Herstellung eines akustischen Volumenwellenresonators, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats (101), Bilden von Säulen aus einer ersten Opferschicht (312) mit Seitenwänden auf dem Substrat; Bilden einer ersten Elektrodenschicht (321) mit einem ersten Teil (111, 321a), der auf den Seitenwänden der Säulen der ersten Opferschicht angeordnet ist, und mit einem zweiten Teil (121), der auf dem Substrat angeordnet ist; Entfernen der ersten Opferschicht (312), um dadurch eine Oberfläche der ersten Elektrodenschicht (111) freizulegen; Bilden einer piezoelektrischen Schicht (113) auf der freigelegten Oberfläche der ersten Teile der ersten Elektrodenschicht (111); Bilden einer zweiten Elektrodenschicht (112) auf der piezoelektrischen Schicht (113).
Verfahren nach Anspruch 8, das vor dem Schritt des Bildens von Säulen aus einer ersten Opferschicht (312) die folgenden Schritte umfasst: Bilden von Teilen einer Keimschicht (123) auf dem Substrat (101); Bilden von Dummy-Schichtteilen (311) auf den Keimschichtteilen (123); Füllen von Gräben zwischen den Dummy-Schichtteilen (311) mit einem isolierenden Material, um die Säulen aus der ersten Opferschicht (312) zu bilden; Entfernen der Dummy-Schichtteile (311).
Verfahren nach Anspruch 9, das nach dem Schritt des Bildens einer ersten Elektrodenschicht den folgenden Schritt umfasst: Bilden einer zweiten Opferschicht (331); nach dem Schritt des Bildens der zweiten Elektrodenschicht (112) die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer dritten Opferschicht (351) in Gräben zwischen der gebildeten zweiten Elektrodenschicht (112) ; dann Entfernen von Teilen von der zweiten und dritten Opferschicht (331, 351); Füllen der von der zweiten und dritten Opferschicht entfernten Teile mit Metall, um Metallkontaktstellen (131, 132) zu bilden, die mit der ersten und zweiten Elektrodenschicht (121, 122) verbunden sind; dann Entfernen der zweiten und dritten Opferschicht (331, 351).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste Elektrodenschicht (111) und die zweite Elektrodenschicht (121) jeweils ein orthorhombisches leitfähiges Oxidmaterial umfassen und die piezoelektrische Schicht ein Perovskitmaterial umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das orthorhombische leitfähige Oxidmaterial der ersten und zweiten Elektrodenschicht aus einem von Strontiumruthenatoxid, Strontiumtitanatoxid und Calciumrutheniumoxid gebildet ist und wobei das Perovskitmaterial der piezoelektrischen Schicht (113) aus einem von Bleizirkonattitanat, Bariumtitanatoxid und Bariumnatrium-Titanatoxid gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bildens von Teilen einer Keimschicht (123) Abscheiden und Strukturieren einer Schicht aus Platin umfasst, wobei das Bilden der ersten, zweiten und dritten Opferschicht (312, 331, 351) Abscheiden von Siliziumnitrid umfasst und wobei das Bilden von Dummy-Schichtteilen Abscheiden und Strukturieren von Silziumoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das nach dem Schritt des Bildens einer dritten Opferschicht (351) ferner die folgenden Schritte umfasst: Durchführen eines Polierens, um eine Querschnittsoberfläche des Schichtstapels der ersten Elektrodenschicht (111), der piezoelektrischen Schicht (113) und der zweiten Elektrodenschicht (112) freizulegen und Oberflächen der zweiten und dritten Opferschicht (331, 351) freizulegen; Abscheiden und Strukturieren eines anderen Isolationsmaterials, um eine obere Ankerschicht (210) zu bilden, die auf der Querschnittsoberfläche des Schichtstapels (110) und auf angrenzenden Oberflächen der zweiten und dritten Opferschicht (331, 351) angeordnet ist.