DE102018112705A1

DE102018112705A1 - Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators und akustische Volumenwellenresonatorvorrichtung

Info

Publication number: DE102018112705A1
Application number: DE102018112705.7A
Authority: DE
Inventors: Willi Aigner; Maximilian Schiek
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Europe GmbH
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: WO2019228750A1; DE102018112705B4

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators umfasst ein Bilden eines Werkstücks auf einem Substrat (A), das eine Trennschicht (111) umfasst, auf der eine Seltenerdmetalloxidschicht (130) gebildet wird, die als eine Keimschicht für das Bilden einer Metallelektrodenschicht (140) dient. Der Werkstückschichtstapel wird an ein Trägersubstrat (B) gebondet, sodass das Werkstücksubstrat aufgespalten und entfernt werden kann. Eine BAW-Resonatorvorrichtung, die gemäß dem Verfahren hergestellt ist, weist hochkristalline Metallelektroden auf, die eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, was zweckmäßig für Hochfrequenz-BAW-Resonatoren ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektroakustische Resonatoren. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators, das ein Bilden einer Metallelektrodenschicht, einer piezoelektrischen Schicht, einer weiteren Metallelektrodenschicht und eines akustischen Reflexionselements aufweist. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf einen akustischen Volumenwellenresonator, der gemäß dem Verfahren hergestellt wird.
Hintergrund
Akustische Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave-(BAW)-Resonatoren) werden häufig in elektronischen Systemen verwendet, um HF-Filter zu realisieren. Eine piezoelektrische Schicht wird zwischen ein Paar Elektroden gepackt. Durch das Anlegen eines elektrischen Signals an die Elektroden entsteht in der piezoelektrischen Schicht eine akustische Resonanzwelle. BAW-Resonatoren können vom Typ eines fest angeordneten Resonators (Solidly Mounted Resonator-(SMR)-Typ) sein, bei dem der akustisch aktive Bereich auf ein Substrat befestigt ist, das einen akustischen Reflektor wie zum Beispiel einen Bragg-Spiegel enthält, um die akustischen Wellen daran zu hindern, in das Substrat zu entweichen, oder vom Typ eines Folien- oder freistehenden akustischen Volumenresonators (Film or Freestanding Bulk Acoustic Resonator-(FBAR)-Typ) sein, bei dem ein Hohlraum, der als ein akustischer Reflektor dient, unter dem akustisch aktiven Bereich angebracht ist.
Hochfrequenz-(HF-)BAW-Resonatoren benötigen Faktoren mit einer hohen akustischen und elektromagnetischen Qualität. Die akustische Qualität kann von der Qualität des Materials wie zum Beispiel der piezoelektrischen Schicht und den vertikalen und seitlichen Schallwelleneinschränkungsmerkmalen abhängig sein. Die elektromagnetische Qualität kann von der Leitfähigkeit der Metallelektroden abhängig sein.
Mit zunehmenden Betriebsfrequenzen der BAW-Resonatoren nehmen die Gestaltungsmerkmalgrößen der Resonatoren ab. Insbesondere zukünftige Hochfrequenzanwendungen benötigen abnehmende Dicken der Elektroden der Resonatoren, was zu erheblichen ohmschen Verlusten in den Metallelektrodenschichten führt.
Es besteht ein Bedarf an zukünftigen akustischen HF-Volumenwellenresonatoren, die hohe Qualitätsfaktoren aufweisen. Insbesondere besteht ein Bedarf an HF-BAW-Resonatoren mit verringerten ohmschen Verlusten in den Metallelektroden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators bereitzustellen, der verringerte ohmsche Verluste aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators bereitzustellen, der Elektroden umfasst, die eine verbesserte Leitfähigkeit aufweisen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung einen akustischen Volumenwellenresonator für HF-Frequenzanwendungen mit verringerten ohmschen Verlusten in den Elektroden bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators erfüllt, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Werkstücks, umfassend: Bereitstellen eines Substrats; Bilden einer Trennschicht in dem Substrat; Bilden einer Seltenerdmetalloxidschicht auf dem Substrat; Bilden einer Metallelektrodenschicht auf der Seltenerdmetalloxidschicht; Bilden einer piezoelektrischen Schicht auf der Metallelektrodenschicht; und Bilden einer weiteren Metallelektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schicht; Bilden eines akustischen Reflexionselements; Bonden eines weiteren Substrats an das Werkstück; und Teilen des Substrats entlang der Trennschicht und Entfernen eines abgespaltenen Abschnitts des Substrats.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Werkstückwafer bereitgestellt, der eine Trennschicht in einem Substrat umfasst. Eine Seltenerdmetalloxidschicht wird auf der Trennschicht gebildet, sodass der aktive Bereich des BAW-Resonators auf der Seltenerdmetalloxidschicht gebildet werden kann. Das Bilden des Schichtstapels des aktiven Bereichs umfasst das Bilden einer Metallelektrodenschicht auf der Seltenerdmetalloxidschicht, das Bilden einer piezoelektrischen Schicht auf der Metallelektrodenschicht und das Bilden einer weiteren Metallelektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schicht. Die Seltenerdmetalloxidschicht dient als eine Keimschicht für das Abscheiden der Metallelektrodenschicht. In diesem Fall erzeugt das Abscheiden einer Metallschicht auf einer Seltenerdmetalloxidschicht eine hochkristalline Metallschicht. Die nachfolgend abgeschiedenen Schichten übernehmen die kristalline Struktur der zuerst abgeschiedenen Metallelektrodenschicht, sodass auch die piezoelektrische Schicht und die weitere Metallelektrodenschicht eine hochkristalline Struktur aufweisen. Infolgedessen sind die Metallelektroden hochkristallin, was durch die anfängliche Abscheidung einer Seltenerdmetalloxidschicht verursacht wird, sodass der ohmsche Widerstand der Metallelektrodenschicht relativ niedrig ist und die elektrische Leitfähigkeit relativ hoch ist. Die ohmschen Verluste werden im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verringert, bei denen die Metallelektroden nur eine geringe oder keine kristalline Struktur aufweisen. Auch die piezoelektrische Schicht weist eine verbesserte Kristallinität auf, da sie auf einer hochkristallinen ersten Metallelektrodenschicht abgeschieden wird.
Außerdem folgt im Verlauf des Verfahrens zum Herstellen des BAW-Resonators, dass ein akustisches Reflexionselement gebildet wird, dass ein Bragg-Spiegelschichtstapel für einen SMR-Typ-BAW-Resonator oder ein Hohlraum, der Luft enthält, für einen FBAR-Typ-BAW-Resonator sein kann. Ein Trägersubstrat wird an das Werkstück gebondet. Obwohl das andere Trägersubstrat an der hergestellten BAW-Resonatorvorrichtung verbleibt, wird das ursprüngliche Substrat des Werkstücks entlang der Trennschicht aufgespalten, um einen abgespaltenen Abschnitt von diesem Substrat zu entfernen. Der abgespaltene Abschnitt des Substrats kann wiederaufbereitet und für die Herstellung zusätzlicher Resonatoren wiederverwendet werden. Auf dem Werkstück bleibt ein Abschnitt der Trennschicht und der Seltenerdmetalloxidschicht zurück, die von dem Werkstück entfernt werden, um die zweite Metallelektrodenschicht freizulegen. Die zweite Metallelektrodenschicht ist strukturiert, um die BAW-Resonatorvorrichtung zu vollenden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Trennschicht aus einer porösen Schicht, die in dem Substrat angebracht ist, zusammengesetzt. Das Substrat kann ein dotierter Siliziumwafer sein, sodass die poröse Schicht durch eine elektrochemische Anodisierung gebildet werden kann. Die Parameter des elektrochemischen Anodisierungsprozesses können variiert werden, um poröse Schichtabschnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden. Eine erste poröse Schicht, die in einer größeren Tiefe in dem dotierten Siliziumsubstrat angebracht ist, weist zum Beispiel eine höhere Dichte von Poren auf und besitzt die Funktion einer Trennschicht. Eine zweite poröse Schicht, die über der ersten porösen Schicht in einer geringeren Tiefe des dotierten Siliziumsubstrats angebracht ist, ist aus Poren mit einer geringeren Dichte zusammengesetzt. Die zweite poröse Schicht dient als eine Keimschicht für das Abscheiden der Seltenerdmetalloxidschicht. Der dotierte Siliziumwafer kann ein dotierter kristalliner Siliziumwafer sein, sodass die zweite poröse Schicht in der Nähe der Waferoberfläche hervorragende Bedingungen für das Abscheiden der Seltenerdmetalloxidschicht bereitstellt.
Der Siliziumwafer kann nach dem Bilden der ersten und der zweiten porösen Schicht getempert werden, um jegliche Schäden zu passivieren und zu reparieren, die durch den elektrochemischen Anodisierungsprozess erzeugt werden, um die Oberfläche des dotierten Siliziumwafers neu zu kristallisieren. Das Dotieren kann in dem Bereich von ungefähr 10¹⁸ Atomen/cm³ durch einen p-dotierenden Agenten wie zum Beispiel Bor erfolgen.
Während der elektrochemischen Anodisierung kann die Stromdichte als eine Funktion der Zeit variiert werden, um Schichten mit einer unterschiedlichen Porosität in verschiedenen Tiefen des Siliziumwafers zu erzeugen. Zum Beispiel kann eine Schicht mit einer geringen Porosität in einer geringeren Tiefe eine Stromdichte in dem Bereich von 5 bis 7 mAcm^-2, vorzugsweise 6 mAcm^-2 für ungefähr 10 Sekunden benötigen und eine Schicht mit einer höheren Porosität in einer größeren Tiefe kann eine Stromdichte von ungefähr 100 mAcm^-2 für ungefähr 1 Sekunde erfordern. Der Elektrolyt kann Flusssäure in Wasser und Ethanol sein. Die Schicht mit geringer Porosität enthält Poren mit einer geringeren Dichte und die Schicht mit hoher Porosität enthält Poren mit einer höheren Dichte. Die Poren der Schicht mit geringer Porosität können auch kleiner sein als die Poren der Schicht mit hoher Porosität.
Die Seltenerdmetalloxidschicht, die eine Keimschicht für das nachfolgende Abscheiden einer kristallinen Metallelektrode ist, kann aus einem beliebigen Seltenerdmetall hergestellt sein, die für diesen Zweck nützlich ist. Vorzugsweise kann das Seltenerdmetall entweder aus Gadolinium oder Erbium ausgewählt werden. Beide Seltenerdmetalle sind handelsüblich und können in kontrollierter Weise abgeschieden werden und sie sind zweckmäßig für das nachfolgende Abscheiden einer kristallinen Molybdän-Elektrode.
Bei einer Ausführungsform kann nach dem Temperprozess und vor dem Abscheiden der Seltenerdmetalloxidschicht eine epitaktische Siliziumschicht auf der Oberfläche des Wafers abgeschieden werden, um eine Keimbildung und eine Haftung der Seltenerdmetalloxidschicht zu erleichtern.
Das Bonden des Werkstücks an ein Trägersubstrat erlaubt die Verwendung einer Vielzahl von Substraten. Das zusätzliche Trägersubstrat, an welches das Werkstück gebondet wird, kann der Siliziumwafer, ein Glaswafer oder ein Kunststoffwafer sein, sodass der BAW-Resonator mehr Flexibilität für das weitere Verarbeiten und für die Verwendung von Materialien bietet, die kostengünstiger sind. Das zusätzliche Trägersubstrat kann ein flexibles Substrat sein. Das flexible Substrat kann aus einem Polyimid hergestellt sein.
Eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben können auch durch eine akustische Volumenwellenresonatorvorrichtung erfüllt werden, die gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsprozess hergestellt wird und umfasst: eine untere Elektrode und eine obere Elektrode; eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angebracht ist; ein akustisches Reflexionselement, das an der unteren Elektrode angebracht ist; wobei mindestens eine der unteren und der oberen Elektrode eine Dicke von 200 Nanometer oder weniger aufweist und ein Metallmaterial umfasst, das eine kristalline Struktur aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform können die Vorrichtungsmerkmale eine Resonanzfrequenz in dem Bereich von 3 GHz oder mehr und insbesondere in dem Bereich von 3 GHz bis 8 GHz ermöglichen. Die erforderliche Dicke der Metallelektroden zum Erreichen dieser Betriebsfrequenz liegt unter ungefähr 200 nm insbesondere zwischen 50 nm und 200 nm. Eine typischste Dicke kann in dem Bereich von 100 nm liegen. Der BAW-Resonator, der gemäß dem vorliegenden Herstellungsprozess hergestellt wird, umfasst obere und untere Elektroden aus einem Metallmaterial wie zum Beispiel Molybdän. Die Molybdän-Elektrode weist eine hohe hochkristalline Struktur auf. Aufgrund der kristallinen Struktur enthalten die oberen und unteren Metallelektroden des aktiven Bereichs des BAW-Resonators weniger Korngrenzen und Kontaktoberflächen zwischen den Kristallen als üblich, sodass sie einen relativ niedrigen ohmschen Widerstand aufweisen, wodurch die Verluste während des elektroakustischen Betriebs relativ niedrig sind. Weniger Korngrenzen ermöglichen auch eine große Reflexion der akustischen Wellen in dem piezoelektrischen Material an der Oberfläche der Elektroden. Dies ermöglicht eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit bei hohen Frequenzen in dem Bereich von 3 GHz bis 8 GHz.
Insbesondere für einen FBAR-Typ-BAW-Resonator enthält das zweite Substrat, das an eine der Elektroden gebondet ist, einen Hohlraum, der als ein Reflektor für die akustischen Resonanzwellen in dem aktiven Bereich dient. Der Hohlraum wird erreicht, indem in das Substrat bis zu einer ersten Tiefe geätzt wird, wobei das Substrat ein Siliziumwafer sein kann. Das Substrat selbst weist eine Dicke auf, die größer als die erste Tiefe ist, sodass es den Hohlraum umschließt und der Stegabschnitt des Substrats, der gegenüber dem Hohlraum und gegenüber dem aktiven Bereich angebracht ist, stabilisiert die Struktur des Resonators. Der Prozess gemäß der vorliegenden Offenbarung, der den FBAR-Typ-Resonator betrifft, erzeugt einen relativ robusten BAW-Resonator des FBAR-Typs.
Es ist selbstverständlich, dass sowohl die oben stehende allgemeine Beschreibung und die nachfolgende detaillierte Beschreibung rein beispielhaft sind und so zu verstehen sind, dass sie eine Übersicht oder ein Rahmenwerk zum Verständnis der Natur und des Charakters der Ansprüche bereitstellen. Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein besseres Verständnis bereitzustellen, und sie wurden in diese Beschreibung eingefügt und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen eine oder mehrere Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und die Funktion der zahlreichen Ausführungsformen zu erklären. Die gleichen Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figurenliste
In den Zeichnungen:

Die 1A bis 1I zeigen aufeinanderfolgende Prozessschritte während des Herstellens von SMR- und FBAR-Typ-BAW-Resonatoren.
Die 2A bis 2D zeigen zusätzliche aufeinanderfolgende Prozessschritte für das Herstellen eines SMR-Typ-BAW-Resonators.
Die 3A bis 3C zeigen zusätzliche aufeinanderfolgende Prozessschritte für das Herstellen eines FBAR-Typ-BAW-Resonators.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung wird jetzt ausführlicher in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und darf nicht so verstanden werden, dass sie auf die hier erörterten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, sodass die Offenbarung dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, aber sie sind konfiguriert, um die Offenbarung eindeutig darzustellen.
Die 1A bis 1I zeigen eine beispielhafte Abfolge von Prozessschritten zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators. 1A zeigt einen Siliziumwafer A, der aus einem dotierten kristallinen Siliziumwafer besteht. Der Siliziumwafer kann mit Bor mit einer Konzentration von 10¹⁸ Atomen/cm^-3 dotiert werden. Andere kristalline leitfähige Substrate können auch zweckmäßig sein.
1B zeigt den Wafer A nach einem ersten elektrochemischen Anodisierungsprozess, der eine poröse Schicht 110 in der Nähe der Oberseite des Wafers A erzeugt. Der elektrochemische Anodisierungsprozess erzeugt Poren in einer bestimmten Tiefe in dem Wafer. Die Tiefe, Größe und Dichte der Poren können durch die Stromdichte und den Zeitraum gesteuert werden, während dessen die Stromdichte angewandt wird. Zum Beispiel wird die Stromdichte 100 mAcm^-2 für ungefähr 1 Sekunde angewandt, um Poren mit einer relativ hohen Dichte und Größe in einer relativ großen Tiefe in dem Substrat erzeugt. Die Chemikalien umfassen ein Elektrolyt von Flusssäure in Wasser und Ethanol.
1C zeigt den Wafer A nach einem anderen elektrochemischen Anodisierungsprozess, der eine weitere poröse Schicht 120 erzeugt, die eine geringere Porendichte oder Porosität in einer geringeren Tiefe in dem Wafer A im Vergleich zur porösen Schicht 110 aufweist, die eine höhere Porendichte oder Porosität aufweist. Die Poren der Schicht 120 können kleiner als die Poren der Schicht 110 sein. Die poröse Schicht 120 ist näher an der Oberseite des Wafers A als die erste poröse Schicht 110 und weist kleinere Poren als die Poren der Schicht 110 auf. Bei einem Beispiel kann die Schicht 120 eine Porosität von 20 bis 30 % aufweisen und die Schicht 110 kann eine Porosität von 60 bis 75 % aufweisen. Bei einem Beispiel kann die Dicke der Schicht 120 1 bis 3 µm betragen und die Dicke der Schicht 110 kann 0,2 bis 0,3 µm betragen.
1D zeigt den Wafer A nach einem Hochtemperaturtemperschritt, der den Wafer A einer hohen Temperatur unterzieht. Die Tempertemperatur kann in dem Bereich von ungefähr 1000 °C liegen. Die Defekte in den Schichten 110 und 120 werden passiviert und die Poren werden neu organisiert, sodass die untere poröse Schicht 110 in die poröse Schicht 111 umgewandelt wird und die obere poröse Schicht 120 in die poröse Schicht 121 umgewandelt wird. Die Poren der Schicht 120 können zu noch größeren Poren wachsen, welche die Schicht 111 entstehen lassen und die Oberfläche auf der porösen Schicht 120 kann neu aufgebaut und neu kristallisiert werden, was die poröse Schicht 121 erzeugt. Die poröse Schicht 111 dient als eine Trennschicht, um den Wafer entlang der Linie, die durch die Schicht 111 eingerichtet wird, als Reaktion auf einen mechanischen Stoß zu trennen, und die Schicht 121 dient als eine Keimschicht für den nachfolgenden Abscheidungsprozess, wie hier weiter unten ausführlicher erläutert wird.
1E zeigt den Wafer A nach dem Aufwachsen einer Seltenerdmetalloxidschicht 130. Die getemperte Oberfläche der porösen Schicht 121 ist eine gute Keimschicht für das Abscheiden der Seltenerdmetalloxidschicht 130. Das Seltenerdmetall kann Erbium oder Gadolinium sein. Auch andere Seltenerdmetalle sind zweckmäßig. Optional kann eine (in 1A nicht gezeigte) epitaktische Siliziumschicht vor dem Abscheiden der Seltenerdmetalloxidschicht 130 durch einen CVD-Prozess auf die Oberfläche der porösen Schicht 121 aufgewachsen werden, um die Oberflächenqualität zu verbessern.
1F zeigt den Wafer A nach dem Abscheiden einer Metallelektrodenschicht 140 auf der Seltenerdmetalloxidschicht 130. Die Schicht 130 dient als eine Keimschicht für den Metallabscheidungsprozess, was die Keimbildung der Kristalle erleichtert, um eine hochkristalline Metallelektrodenschicht 140 einzurichten. Das Metallmaterial der Schicht 140 kann Molybdän sein, das in einer hochkristallinen Struktur auf einem Seltenerdmetalloxid wie zum Beispiel der Schicht 130 aufgewachsen wird. Das Aufwachsverfahren zum Abscheiden einer Molybdän-Elektrodenschicht 140 umfasst eine Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE), eine chemische Gasphasenabscheidung von Metalloxiden (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition, MOCVD), eine gepulste Laserabscheidung (Pulsed Laser Deposition, PLD), eine Kathodenzerstäubung und eine Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD). Vorzugsweise wird die Molybdän-Metallelektrodenschicht 140 durch eine Kathodenzerstäubung mithilfe eines Molybdän-Targets oder durch einen MOCVD-Prozess abgeschieden. Abhängig von dem Aufwachsverfahren und den Parametern kann die epitaktische Molybdän-Elekrode eine großräumige Kristallinität oder kleinere Korngrößen aufweisen.
1G zeigt den Wafer A nach dem Bilden einer piezoelektrischen Schicht 150. Das piezoelektrische Schichtmaterial kann ein Aluminiumnitrid in kristalliner oder kolumnarer Form sein, sodass es piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Die piezoelektrische Schicht 150 kann durch ein Zerstäuben in einem Kathodenzerstäubungsprozess, indem ein Aluminium-Target in einer Stickstoff-Atmosphäre verwendet wird, oder durch einen epitaktischen Aufwachsprozess abgeschieden werden. Die piezoelektrische Schicht 150 kann alternativ aus einem Aluminum-Scandium-Nitrid, Al(1 - x)Sc(x)N (0 < x < 0,3), hergestellt werden. Da die darunterliegende Metallelektrodenschicht 140 eine hochkristalline Struktur aufweist, wird der Keimbildungsprozess einer hochkristallinen Aluminiumnitrid-Schicht 150 auch vereinfacht. Die kristalline Struktur, die an der Oberfläche der Elektrodenschicht 140 bereitgestellt wird, wird von der piezoelektrischen Schicht 150 übernommen und auf diese übertragen, um eine piezoelektrische Schicht 150 mit einem noch weiter verbesserten Grad der piezoelektrischen Eigenschaft zu erzeugen.
1H zeigt den Wafer A mit einer weiteren Elektrode 160, die auf der piezoelektrischen Schicht 150 abgeschieden wird.
Die Elektrode 160 kann auch eine Molybdän-Schicht umfassen, die hochkristallin ist und die kristalline Orientierung übernimmt, die durch die piezoelektrische Schicht 150 bereitgestellt wird.
1I zeigt den Werkstückwafer A mit einer strukturierten Elektrode 161. Teile der Elektrode 160 sind entfernt worden, sodass die Spaltbereiche mit der dielektrischen Schicht 170 gefüllt werden, die zum Beispiel aus einem Siliziumdioxid hergestellt ist. Die Oberseite des soweit verarbeiteten Wafers A kann durch einen chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP-Prozess) planarisiert werden, um eine planarisierte Oberseite der Elektrode 161 und der Siliziumdioxid-Schicht 170 zu erhalten.
Die 2A bis 2D zeigen die folgenden Prozessschritte, die nach dem Schritt der 1I ausgeführt werden müssen, um einen BAW-Resonator des SMR-Typs herzustellen. 2A zeigt einen Bragg-Spiegelschichtstapel 210, der als eine vertikale akustische Barriere dient, um die akustischen Wellen daran zu hindern durch die Metallelektrodenschicht 161 aus dem akustisch aktiven Bereich des Resonators zu entweichen. Das Bilden eines Bragg-Spiegelschichtstapels ist dem Fachmann wohlbekannt. Der Bragg-Spiegel umfasst mindestens zwei Schichten 212, 213 eines Materials mit einer hohen akustischen Impedanz wie zum Beispiel Wolfram oder (amorphes) Aluminiumnitrid. Die Schichten 212, 213 sind in ein Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz 211 wie zum Beispiel Siliziumdioxid eingebettet. Die freiliegende Oberfläche 214 des Bragg-Spiegels kann planarisiert werden, um eine ebene und gleichförmige Oberfläche 214 zu erreichen.
2B stellt den Schichtstapel der 2A dar, der auf ein weiteres Substrat wie zum Beispiel das Trägersubstrat B gebondet ist. Die Oberfläche des Substrats B ist auf die Oberfläche 214 des Bragg-Spiegels 210 gebondet. Wie in 2B gezeigt wird, wurde der Werkstückwafer A umgedreht, sodass der Schichtstapel eine auf den Kopf gestellte Orientierung aufweist. Das Bonden kann erreicht werden, indem die zu bondenden Oberflächen gereinigt werden und indem sie mit Haftungskräften gebondet werden. Es kann auch ein Klebstoff verwendet werden, um das Substrat B auf die Oberfläche 214 zu bonden. Das Substrat B kann aus einem isolierenden Material wie zum Beispiel Silizium, das dotiert wird, um eine intrinsische Leitfähigkeit zu kompensieren, oder einem Glas oder einem Kunststoffmaterial oder einem flexiblen Material hergestellt werden. Bei einem Beispiel kann das flexible Material ein Polyimid sein. Eine große Vielfalt von Materialien ist möglich, um den Wafer B an die Oberfläche 214 des Bragg-Spiegels 210 zu bonden. Dies bietet mehr Optionen für die Verwendung des BAW-Resonators in einem elektronischen HF-Filter oder bietet die Möglichkeit preiswertere Materialien wie zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Polyimid zu verwenden.
2C zeigt, dass ein Abschnitt 220 des Wafers A von dem Schichtstapel entlang der Trennschicht 111 abgespalten wird. Ein Teil 222 der porösen Trennschicht 111 liegt in dem abgespaltenen Teil 220 des Wafers A und ein anderer Teil 221 liegt in dem Resonatorschichtstapel. Der Spaltungsprozess wird mit der Anwendung eines mechanischen Stoßes eingeleitet, was eine thermisch induzierte mechanische Spannung und/oder ein mechanischer Schlag z.B. mithilfe eines Bolzens sein kann. Ein Teil 220 des Wafers A wird von dem Resonatorschichtstapel abgelöst und kann wiederverwendet werden, nachdem der Teil 222 der porösen Trennschicht 111 entfernt wird, der in dem abgelösten Teil des Wafers A liegt.
Wie in 2D gezeigt wird, sind die auf der Oberfläche der Metallelektrode 140 verbleibenden Schichten entfernt worden. Dies bedeutet, dass der Teil 221 der Trennschicht 111, der auf dem Resonatorschichtstapel nach dem Ablösen des Wafers A verblieben ist, die zweite poröse Keimschicht 121 und die Seltenerdmetalloxidschicht 130 entfernt werden, wodurch die Oberfläche der Molybdän-Metallelektrode 140 freigelegt wird. Diese Schichten können durch ein Ätzen, ein mechanisches Fräsen oder ein mechanisches Schleifen entfernt werden. Die verbleibende Molybdän-Schicht 140 ist so strukturiert, dass sie eine Elektrode 141 bildet. Der sich überschneidende Bereich der oberen Metallelektrode 141 und der unteren Metallelektrode 161 definiert den aktiven Bereich des BAW-Resonators.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung sind die Metallelektroden 141, 161 hochkristallin, sodass sie eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Dicke der Elektrodenschichten 141, 161 können verringert werden, um die Resonanzbedingungen von hohen Frequenzen von über ungefähr 3 GHz wie zum Beispiel in dem Bereich von 3 GHz bis 8 GHz zu erfüllen, ohne ohmsche Verluste in den Elektroden zu erleiden. Darüber hinaus umfassen die Oberflächen zwischen den Elektroden 141 und 161 und der piezoelektrischen Schicht 140 eine verringerte Menge an Korngrenzen, sodass eine hohe Richtcharakteristik der Reflexion der akustischen Resonanzwellen an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und der piezoelektrischen Schicht erreicht wird. Es wird auch eine geringe Größe einer Modenwandlung (Längsmode zu Schermode) erreicht. Dies führt zu verringerten akustischen Verlusten, was einen hohen Qualitätsfaktor Q bei hohen akustischen Resonanzfrequenzen ermöglicht. Infolgedessen erlaubt der beschriebene Prozess des Verwendens einer Seltenerdmetalloxidschicht als eine Keimschicht für die erste Metallelektrode, das Bonden eines Werkstückwafers an ein weiteres Trägersubstrat und das Verwenden einer porösen Schicht zum Aufspalten des Werkstückwafers erlaubt das Herstellen eines BAW-Resonators des SMR-Typs, der geeignet ist, um in Frequenzen über 3 GHz zu funktionieren, ohne unter größeren akustischen und elektrischen Verlusten zu leiden.
Die 3A bis 3C zeigen im Zusammenhang mit dem in den 1A bis 1I dargestellten Prozess die Prozessschritte zum Herstellen eines FBAR-Typ-BAW-Resonators. 3A stellt einen Substratwafer B wie zum Beispiel einen leicht dotierten Siliziumwafer dar, der einen Hohlraum 310 enthält, der als ein akustisches Reflexionselement gemäß dem FBAR-Prinzip dient. Der Hohlraum 310 kann durch ein reaktives Ionenätzen oder ein Nassätzen oder einen anderen zweckmäßigen Ätzprozess erhalten werden, um einen großen Hohlraum in dem Substrat zu erzeugen. Die laterale Breite des Hohlraums 310 wird durch den aktiven Bereich des BAW-Resonators ermittelt. Das Ätzen des Hohlraums 310 stoppt in einer bestimmten Tiefe in dem Substrat B und richtet eine Unterseite ein, sodass ein Stegabschnitt 311 des Substrats unterhalb des Hohlraums verbleibt. Im Prinzip ist auch jedes weitere Substrat wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff oder Polyimid zweckmäßig, welches das Bilden des Hohlraums in dem Substrat erlaubt. Das Substrat kann ein flexibles Substrat sein.
3B stellt den Trägersubstratwafer B dar, der an ein vorgefertigtes Werkstücksubstrat A gebondet ist, das aus dem in 1I dargestellten Prozessschritt entnommen wird. Das Substrat B wird an das Werkstücksubstrat A in einer solchen Weise gebondet, dass der Hohlraum 310 dem aktiven Bereich des Resonators gegenüberliegt, welcher der Teil der Packung aus der oberen und der unteren Elektrode 140, 161 und der piezoelektrischen Schicht 150 ist, in der die elektroakustische Oszillation stattfindet. Der verbleibende Substratstegabschnitt 311 des Wafers B stabilisiert die Schichtstruktur der Resonatorvorrichtung, was zu einem robusten, mechanisch stabilen FBAR-Typ-BAW-Resonator führt.
Ähnlich wie für den in 2C dargestellte Prozess für den SMR-Typ-Resonator zeigt 3B für den FBAR-Typ-Resonator, dass der Substratwafer A an der Trennschicht 111 gespalten wird, sodass der abgespaltene Abschnitt des Wafers A abgelöst und für das Herstellen von weiteren Resonatorvorrichtungen wiederverwendet werden kann. Ein Abschnitt der Trennschicht 111, die poröse Keimschicht 121 und die Seltenerdmetalloxidschicht 130 verbleiben auf der Metallelektrodenschicht 140. Diese Schichten können durch ein Ätzen, Fräsen und/oder Schleifen entfernt werden, um die Oberseite der Elektrodenschicht 140 freizulegen.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3C ist die obere Elektrodenschicht 140 strukturiert, was zu einer strukturierten oberen Elektrode 141 führt. Der aktive Bereich der Resonatorvorrichtung ist in dem Bereich angebracht, in dem die strukturierten Elektroden 141, 161 liegen. Der Hohlraum 310 ist auch unter dieser Bereichsüberschneidung angebracht, sodass der Hohlraum auf den aktiven Bereich des Resonators ausgerichtet ist. Wie aus der 3C entnommen werden kann, ist die linke Wand 312 des Hohlraums 310 im Wesentlichen auf die Seitenwand 162 der strukturierten Elektrode 161 ausgerichtet, wobei die Elektrode 161 die dielektrische Schicht 170 berührt. Die rechte Seitenwand 313 des Hohlraums 310 ist im Wesentlichen auf die strukturierte Seitenwand 142 der oberen Elektrode 141 abgeglichen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Hohlraum in dem Substrat B größer als der aktive Bereich des Resonators sein.
Zusammenfassend weisen BAW-Resonatoren des SMR- und des FBAR-Typs, die eine poröse Trennschicht und Elektroden mit einer hohen Kristallinität umfassen, eine verbesserte Leitfähigkeit auf. Die BAW-Resonatoren gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen relativ niedrige ohmsche Verluste auf, obwohl die Dicken der Elektroden verringert wurden, um die Hochfrequenzresonanzbedingungen zu erfüllen. Das Bilden der Elektroden auf einer Seltenerdmetalloxidkeimschicht erzeugt hochkristalline Metallelektroden, die eine relativ hohe spezifische Leitfähigkeit aufweisen, sodass die ohmschen Verluste verringert werden. Der Herstellungsprozess umfasst ein Bonden eines Werkstücks mit einem vorgefertigten Schichtstapel an ein weiteres Substrat, wobei der Werkstückwafer aufgespalten und von dem Resonator abgelöst wird. Diese Prozessabfolge erlaubt das Abscheiden einer Seltenerdmetalloxidkeimschicht, um die Kristallinität der Elektrodenschichten zu verbessern. Die Trennschicht und die Seltenerdmetalloxidkeimschicht werden nach dem Aufspalten des Werkstückwafers entfernt, um die BAW-Resonatorschichtstruktur zu erreichen.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass zahlreiche Veränderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie sie in den angefügten Ansprüchen festgelegt werden. Da dem Fachmann Veränderungen, Kombinationen, Teilkombinationen und Variationen, die den offenbarten Ausführungsformen den Erfindungsgedanken und das Wesen der Offenbarung enthalten, in den Sinn kommen können, ist die Offenbarung so zu verstehen, dass sie alles umfasst, was in den Umfang der angefügten Ansprüche fällt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines akustischen Volumenwellenresonators, das die folgenden Schritte umfasst: - Bilden eines Werkstücks, umfassend: - Bereitstellen eines Substrats (A); - Bilden einer Trennschicht (110, 111) in dem Substrat; - Bilden einer Seltenerdmetalloxidschicht (130) auf dem Substrat; - Bilden einer Metallelektrodenschicht (140) auf der Seltenerdmetalloxidschicht; - Bilden einer piezoelektrischen Schicht (150) auf der Metallelektrodenschicht; und - Bilden einer weiteren Metallelektrodenschicht (161) auf der piezoelektrischen Schicht; - Bilden eines akustischen Reflexionselements (210, 310); - Bonden eines weiteren Substrats (B) an das Werkstück; und - Aufspalten des Substrats entlang der Trennschicht (111) und Entfernen eines abgespaltenen Abschnitts (220) des Substrats (A).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens einer Trennschicht (110, 111) ein Bilden einer porösen Schicht (110, 111) in dem Substrat (A) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das außerdem ein Bilden einer weiteren porösen Schicht (120, 121) in dem Substrat (A) auf der porösen Schicht (110, 111) umfasst, wobei die Porosität der weiteren porösen Schicht geringer als die Porosität der porösen Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bilden der porösen Schicht und das Bilden der weiteren porösen Schicht eine elektrochemische Anodisierung eines dotierten Siliziumwafers umfassen, wobei sich die Stromdichte zwischen dem Schritt des Bildens der porösen Schicht (110, 111) und dem Schritt des Bildens der weiteren porösen Schicht (120, 121) ändert.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, das außerdem ein Tempern des Werkstücks nach dem Bilden der weiteren porösen Schicht (120) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Bildens eines akustischen Reflexionselements ein Bilden eines akustischen Reflexionselements (210, 310) auf der weiteren Metallelektrodenschicht (161) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Bildens eines akustischen Reflexionselements ein Bilden eines akustischen Bragg-Spiegelschichtstapels (210) auf der weiteren Metallelektrodenschicht (161) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Bildens eines akustischen Reflexionselements ein Bilden eines Hohlraums (310) in dem weiteren Substrat (B) und ein Anbringen des Hohlraums gegenüber der weiteren Metallelektrodenschicht (161) während des Schritts des Bondens umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das außerdem ein Entfernen der Seltenerdmetalloxidschicht (130) nach dem Schritt des Entfernens eines abgespaltenen Abschnitts (220) des Substrats (A) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das außerdem ein Bilden einer epitaktischen Siliziumschicht auf dem Werkstück nach dem Schritt des Temperns und vor dem Schritt des Bildens der Seltenerdmetalloxidschicht (130) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Substrats (A) ein Bereitstellen eines Wafers aus dotiertem kristallinem Silizium umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schritt des Bildens einer Metallelektrodenschicht (140) ein Bilden einer Molybdän-Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des Bondens eines weiteren Substrats (B) an das Werkstück ein Bonden eines aus Silizium, Glas, einem flexiblen Material, Kunststoff oder Polyimid hergestellten Wafers an das Werkstück umfasst.
Akustische Volumenwellenresonatorvorrichtung, die nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist, umfassend: - eine untere Elektrode (161) und eine obere Elektrode (141) ; - eine piezoelektrische Schicht (150), die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angebracht ist; - ein akustisches Reflexionselement (210, 310), das an der unteren Elektrode (161) angebracht ist; - wobei mindestens eine der unteren und der oberen Elektrode (161, 141) eine Dicke von 200 Nanometer oder weniger aufweist und ein Metallmaterial umfasst, das eine kristalline Struktur aufweist.
Akustische Volumenwellenresonatorvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die untere Elektrode (161) kristallines Molybdän umfasst und wobei die piezoelektrische Schicht (150) ein Element aus Aluminiumnitrid und Aluminium-Scandium-Nitrid umfasst, ferner umfassend ein Siliziumsubstrat (B), das an der unteren Elektrode (161) angebracht ist, wobei das akustische Reflexionselement ein Hohlraum (310) ist, der in dem Siliziumsubstrat (B) angebracht ist, wobei das Substrat eine Dicke aufweist, die größer als eine Tiefe des Hohlraums (310) ist.