DE102018117248A1

DE102018117248A1 - BAW-Resonator mit einem hohen Q-Wert und Störmodenunterdrückung

Info

Publication number: DE102018117248A1
Application number: DE102018117248.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pollard
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2038-07-18
Also published as: US20210143792A1; CN112425073A; DE102018117248B4; US12021505B2; WO2020015904A1; KR20210025051A

Abstract

Es ist ein BAW-Resonator vorgesehen, wobei die obere Elektrode eine äußere Klappe aufweist. Die Klappe erstreckt sich vom aktiven Resonatorgebiet fort und hat einen vorstehenden Abschnitt, der in einem Niveau oberhalb der piezoelektrischen Schicht verläuft, das höher ist als das Niveau der oberen Elektrode in jeglichen der sich innen befindenden Bereiche, die von der äußeren Klappe eingeschlossen sind. Das höhere Niveau ist durch ein eingefügtes stufenbildendes Material gebildet, das zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode in der äußeren Klappe angeordnet ist. Das stufenbildende Material umfasst eine strukturierte Schicht mit einer akustischen Impedanz, die in Bezug auf die Impedanz der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht gering ist.

Description

BAW-Resonatoren weisen in der Praxis entlang ihren lateralen Abmessungen eine begrenzte Größe auf und haben Anschlussgebiete eines der folgenden drei Typen: (i) keine Zwischenverbindung, (ii) Obere-Elektrode-Zwischenverbindung oder (iii) Untere-Elektrode-Zwischenverbindung. Die oberen und unteren Zwischenverbindungen werden zum elektrischen Verbinden des Resonators mit anderen Elementen in der Schaltung, beispielsweise mit anderen Resonatoren, die bei Frequenzfilteranwendungen in einer Leiterkonfiguration angeordnet sind, verwendet. Für Fall (i) wird das Gebiet typischerweise durch Anschließen der oberen Elektrode oder durch Anschließen sowohl der oberen als auch der unteren Elektrode in etwa am gleichen Ort gebildet. Für die Fälle (ii) und (iii) wird das Gebiet durch Anschließen der unteren bzw. der oberen Elektrode gebildet.
Die Anschlüsse im Resonator können die Quelle einer Störmodenanregung sein, weil die lokalisierten inneren lateralen Kräfte, die bei einer Kompression oder Ausdehnung auf die Materialien zurückwirken, nicht aufgehoben werden, wie es in der Nähe des Zentrums des Resonators geschieht. Dies kann dazu führen, dass sich laterale Moden ins Innere des Resonators zurück ausbreiten. Zusätzlich kann dieses Gebiet direkt Moden anregen, die sich vom Resonator fort ausbreiten, was zu einem geringeren Qualitätsfaktor des Resonators führt.
Eine geeignete Optimierung der Anschlussgeometrie kann die Störmodenanregung und -kopplung verringern und auch dabei helfen, mehr Energie innerhalb der Resonatoren zu halten. Dies verbessert die Gesamtfilterleistungsfähigkeit innerhalb und außerhalb des Bands (beispielsweise ist die Außer-Band-Leistungsfähigkeit bei Multiplexierungsanwendungen wichtig).
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen BAW-Resonator bereitzustellen, der einen weiter erhöhten Qualitätsfaktor Q und gleichzeitig eine verbesserte Unterdrückung von Störmoden aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, neuartige Resonatoranschlussgeometrien bereitzustellen, welche die Gesamtleistungsfähigkeit des Resonators verbessern.
Diese und andere Aufgaben werden durch einen BAW-Resonator nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Verbesserungen und bevorzugte Ausführungsformen werden durch abhängige Ansprüche bereitgestellt.
Ein BAW-Resonator hat eine Schichtsequenz, die von unten nach oben ein Substrat, eine untere Elektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine obere Elektrode umfasst. Der Bereich, wo alle drei Schichten aus der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrodenschicht einander überlappen, ist das akustisch aktive Resonatorgebiet. Ein spezielles Merkmal des BAW-Resonators ist an der oberen Elektrode bereitgestellt, die am Rand des aktiven Gebiets eine äußere Klappe bildet. Die Klappe erstreckt sich vom aktiven Resonatorgebiet fort und hat einen vorstehenden Abschnitt, der in einem Niveau oberhalb der piezoelektrischen Schicht verläuft, das höher ist als das Niveau der oberen Elektrode in jedweden sich innen befindender Bereiche, die von der äußeren Klappe eingeschlossen sind. Das höhere Niveau ist durch ein eingefügtes stufenbildendes Material gebildet, das zwischen der piezoelektrischen Schicht und der äußeren Klappe angeordnet ist. Das stufenbildende Material umfasst eine strukturierte Schicht aus einem Material mit einer akustischen Impedanz, die in Bezug auf die akustische Impedanz der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht gering ist.
Beispiele solcher Materialien geringer Impedanz sind SiO₂, Al, Ti, Mg usw. Das Material geringer Impedanz kann ein Dielektrikum sein, weil es nicht zu den Elektrodeneigenschaften beitragen muss, sondern nur die akustischen Moden beeinflussen muss. Das Material kann jedoch auch ein elektrisch leitendes Material sein. Geeignete Materialien können entsprechend ihren akustischen Eigenschaften gewählt werden, die aus auf dem Fachgebiet bekannten Tabellen entnommen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Rand des aktiven Resonatorgebiets ein so genanntes Überlappungsgebiet, worin die Dicke der oberen Elektrode höher ist als im aktiven Resonatorgebiet. Die erhöhte Dicke wird durch Einfügen einer Struktur eines aus einem Schwermetall oder einem anderen Material hoher akustischer Impedanz in der Art von Molybdän und Wolfram ausgewählten zusätzlichen Materials zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht im Rand des aktiven Resonatorgebiets erreicht.
Die vertikale Schichtstruktur des Resonators im Überlappungsgebiet erstreckt sich vorzugsweise bis zum Ende der äußeren Klappe. Nur das stufenbildende Material geringer Impedanz wird zusätzlich angeordnet, vorzugsweise zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode.
Der neuartige Resonator hat eine verbesserte Leistungsfähigkeit. Es wird ein Ansatz zur Modenunterdrückung und Q-Wert-Erhöhung gegeben. Gemäß der Erfindung werden auf der Grundlage bewährter Simulationswerkzeuge verbesserte Q-Werte von ~1800 - 3000 um 2 GHz erwartet. Ferner können Störmoden kompensiert werden und harmlos gemacht werden. Störsignale an den Resonatorelektroden werden minimiert. Insbesondere können laterale Moden, die normalerweise in einem Randbereich auftreten können, durch die äußere Klappe verringert werden.
Gemäß dieser Erfindung wirken mit einer optimierten Dicke des zusätzlichen W und SiO₂ im Überlappungs- bzw. Klappengebiet und mit optimierten lateralen Abmessungen die beiden Merkmale zusammen, um eine laterale Randbedingung zu erzeugen, welche den Überlappungs-Q-Faktor des Resonators erhöht, welcher besser ist als er nur mit einer Überlappungsstruktur erreicht wird.
Die Erfindung kann bei BAW-Resonatoren unterschiedlicher Konstruktionstypen verwendet werden. Ein BAW-Resonator vom SMR-Typ (vom Typ eines fest montierten Resonators) ist in engem Kontakt mit dem Substrat angebracht. Um die akustische Energie innerhalb des Resonators zu halten, ist ein Bragg-Spiegel zwischen der Substratoberfläche und der unteren Elektrode angeordnet. Ein solcher akustischer Spiegel kann abwechselnde Schichten hoher und geringer akustischer Impedanz umfassen. Je höher die Impedanzdifferenz ist, desto besser ist der Reflexionskoeffizient oder desto geringer ist die erforderliche Anzahl von Spiegelschichten.
Überdies kann die Erfindung bei einem FBAR (akustischen Dünnfilmresonator) verwendet werden, der einen luftgefüllten Hohlraum direkt unterhalb des aktiven Resonatorgebiets erfordert. Der Hohlraum kann als Vertiefung im Substrat ausgebildet sein, die mit einer Membran oder einer oder mehreren schwebenden Resonatorschichten (beispielsweise Elektrodenschicht) überdeckt ist.
Die äußere Klappe kann sich entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorgebiets erstrecken und dabei das aktive Gebiet umgeben. Die Form der äußeren Klappe kann entlang des gesamten Umfangs gleich sein, wenn der BAW-Resonator ein allein stehender Resonator ist oder wenn der Resonator eine Zwischenverbindung oder einen Anschluss der unteren Elektrode aufweist.
Eine dielektrische Schicht, die zumindest eine SiN-Schicht umfasst, kann die obere Elektrode bedecken.
Als optionale weitere vorteilhafte Einzelheit ist eine Unterlappung an einem Rand des aktiven Resonatorgebiets gebildet, welche sich entlang dem gesamten Umfang zwischen dem aktiven Resonatorgebiet und der äußeren Klappe erstreckt. Die Unterlappung ist ein Gebiet, in dem die Gesamtdicke der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht geringer ist als die jeweilige Gesamtdicke der Schichtsequenz im Zentrum des aktiven Resonatorgebiets.
Dieses Merkmal ist bei geeigneter Dimensionierung nützlich, um eine Störmodenkopplung bei Frequenzen unterhalb der Grundfrequenz der Vorrichtung zu verringern (für einen Typ-II-Stapel - nicht verwendbar für einen Typ-I-Stapel).
In der Unterlappung kann die geringere Gesamtdicke durch eine verringerte Dicke der oberen dielektrischen Schicht erreicht werden.
Alternativ kann die geringere Gesamtdicke in der Unterlappung durch Vergrößern der Höhe ausschließlich im aktiven Gebiet durch eine zusätzliche Schicht, welche die obere Elektrode im aktiven Resonatorgebiet, jedoch nicht im Unterlappungsgebiet bedeckt, erreicht werden. Diese zusätzliche Schicht kann eine dielektrische Schicht oder eine elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise eine zusätzliche Schicht aus SiN, sein. Die zusätzliche Schicht sollte nicht zu dicht sein, um die Empfindlichkeit der Resonatoreigenschaften gegenüber ihrer Dicke nicht zu erhöhen und um zu verhindern, dass zu viel akustische Energie in Material mit einem höheren Verlust der oberen Elektrode gezogen wird, wodurch andernfalls der Q-Faktor des Resonators verringert werden würde.
Als weitere Alternative kann die geringere Gesamtdicke in der Unterlappung durch Verringern der Dicke der oberen Elektrode im Unterlappungsgebiet erreicht werden.
Als weiteres optionales Merkmal umfasst der Rand des aktiven Resonatorgebiets ein Überlappungsgebiet, das außen an die Unterlappung angrenzt, worin die Dicke der oberen Elektrode höher als in der Unterlappung und im aktiven Resonatorgebiet ist. Daher wird das Überlappungsgebiet zwischen der Unterlappung und der äußeren Klappe angeordnet.
Im Überlappungsgebiet kann ein zweites stufenbildendes Material zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst das zweite stufenbildende Material ein Material mit einer verhältnismäßig hohen akustischen Impedanz. Ein geeignetes Material kann zumindest eines von W, Pt, Mo und Ta sowie Legierungen davon umfassen. Es kann jedoch auch ein Dielektrikum in der Art von SiO₂ zur Bildung der Überlappung verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die obere Elektrode eine untere Schicht, die zumindest eines von W, Pt, Mo und Ta umfasst, und eine obere Schicht, die AlCu umfasst, auf. Es ist nun möglich, das erste stufenbildende Material an der äußeren Klappe zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht der oberen Elektrode anzuordnen.
Alternativ kann das stufenbildende Material unter der äußeren Klappe zwischen der piezoelektrischen Schicht und der unteren Schicht der oberen Elektrode angeordnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke der unteren Schicht der oberen Elektrode im Überlappungsgebiet höher als ihre Dicke in der Unterlappung und im aktiven Resonatorgebiet.
Vorzugsweise ist die Dicke der oberen Elektrodenschicht und ihrer Teilschichten in der Überlappung und an der äußeren Klappe gleich.
Das Material der piezoelektrischen Schicht kann AlN oder ZnO umfassen. Es ist jedoch möglich, das AlN beispielsweise mit Sc (AlScN) zu dotieren, um die piezoelektrische Kopplung zu erhöhen. In der Praxis kann der Anteil von Sc in AlScN auf einen Wert zwischen 1 und 40 Molprozent gelegt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen und die anliegenden Figuren erklärt. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet. Zum besseren Verständnis können einige Einzelheiten in vergrößerter Form dargestellt sein.
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht durch einen BAW-Resonator vom SMR-Typ mit äußeren Klappen und zwei vergrößerten Abschnitten,
2 eine Schnittansicht durch einen anderen BAW-Resonator vom SMR-Typ mit einem modifizierten akustischen Spiegel,
3 eine detailliertere Schnittansicht durch das Randgebiet des BAW-Resonators,
4 eine detailliertere Schnittansicht durch ein modifiziertes Randgebiet des BAW-Resonators,
5 eine Schnittansicht durch einen BAW-Resonator vom FBAR-Typ,
6 eine Schnittansicht durch ein modifiziertes Randgebiet des BAW-Resonators,
7 eine Schnittansicht durch ein anderes modifiziertes Randgebiet des BAW-Resonators,
8 eine Schnittansicht durch ein anderes modifiziertes Randgebiet des BAW-Resonators,
9 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Filterschaltung vom Leitertyp, wobei der BAW-Resonator verwendet werden kann,
10 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer hybriden Filterschaltung vom Leitertyp, wobei der BAW-Resonator sowie aus passiven Elementen gebildete Resonatoren verwendet werden können, und
11 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Gitterfilterschaltung, wobei der BAW-Resonator verwendet werden kann.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den BAW-Resonator. Ein Stapel ist durch eine Schichtsequenz auf einem Substrat SU, beispielsweise aus Si, gebildet. Es kann auch ein beliebiges anderes geeignetes steifes Material verwendet werden. Auf dem Si-Körper kann eine Schicht aus SiO₂ für Isolationszwecke gebildet werden.
Als nächstes wird ein akustischer Bragg-Spiegel auf dem Substrat SU gebildet und strukturiert, welcher zwei Spiegel M1, M2 umfasst, die aus zwei Paaren von Spiegelschichten bestehen. Im Bragg-Spiegel alternieren eine Schicht HI hoher Impedanz und Schichten LI geringer Impedanz. Die Spiegelschichten können sich in der Dicke leicht unterscheiden, um ein gewünschtes Reflexionsband festzulegen. Die Schicht HI hoher Impedanz kann W umfassen, und die Schichten LI geringer Impedanz umfassen SiO₂. Zusätzliche dünne haft- oder orientierungsfördernde Schichten, beispielsweise aus Ti oder AlN, können unterhalb des Spiegelpaars abgeschieden werden.
Optional kann eine CMP-Planarisierung der obersten Spiegelschicht aus SiO₂ für die Spiegelschichten und/oder die späteren unteren Elektrodenschichten verwendet werden.
Als nächstes wird die untere Elektrode BE unter Verwendung einer hochleitfähigen AlCu-Schicht und einer W-Schicht hoher Impedanz gebildet. Wiederum kann eine dünne haft- oder orientierungsfördernde Schicht zwischen der unteren Elektrode und dem obersten Spiegel, beispielsweise aus Ti oder AlN, verwendet werden. Auch kann eine Abdeck- und/oder Ätzstoppschicht auf den oberen Teil der AlCu-Schicht aufgebracht werden, um das Strukturieren eines zusätzlichen Resonatorverstimmungsmaterials, das sich zwischen der Wolfram- und der AlCu-Schicht der unteren Elektrode befindet, zu ermöglichen.
Auf der unteren Elektrode W wird eine piezoelektrische Schicht PL beispielsweise aus AlN oder AlScN gebildet. Die Dicke davon infolge des zusätzlichen Massenbelastungseffekts wegen der Anbringung an den oberen/unteren Elektroden und am Spiegel wird auf weniger als die Hälfte der Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz gesetzt.
Alle vorstehend erwähnten Schichten im Stapel sind kontinuierliche Schichten, die sich zumindest über dem späteren aktiven Resonatorbereich erstrecken.
Auf der piezoelektrischen Schicht PL wird eine stufenbildende Materialstruktur SM beispielsweise aus SiO₂ oder SiO₂ und W angeordnet, die das aktive Resonatorgebiet AR des Resonators umgibt. Dieses stufenbildende Material SM kann lediglich zwischen der Wolframschicht der oberen Elektrode TE und der piezoelektrischen Schicht PL aufgebracht werden. Es ist auch eine Anordnung des stufenbildenden Materials SM zwischen beliebigen anderen zwei Schichten oder oberhalb der oberen Schicht möglich.
Auf der bereits beschriebenen Anordnung und oberhalb der stufenbildenden Materialstruktur SM bildet ein Schichtstapel die obere Elektrode TE und die obere passivierende dielektrische Schicht DL, beispielsweise aus SiN. Ausgehend von der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PL werden eine dünne Ti-Haftschicht, eine Wolframschicht, eine AlCu-Schicht, eine dünne TiN-Schicht und eine dielektrische Schicht, beispielsweise aus SiN, abgeschieden. Die SiN-Schicht sorgt für eine Passivierung der Vorrichtung und dient als Frequenzfeinabstimmungs-Trimmschicht.
Die beiden vergrößerten Querschnitte am unteren Teil der Figur zeigen eine detailliertere Struktur des stufenbildenden Materials. Der auf der linken unteren Seite von 1 dargestellte Abschnitt zeigt eine Ausführungsform, bei der das stufenbildende Material SM mit einer geringen akustischen Impedanz zwischen der unteren Schicht der oberen Elektrode aus W/AlCu und der piezoelektrischen Schicht PL angeordnet ist. Oberhalb der durch das stufenbildende Material SM gebildeten Stufe bildet die obere Elektrode oder ihre obere Teilschicht die äußere Klappe OF.
Der auf der rechten Unterseite von 1 dargestellte Abschnitt zeigt eine Ausführungsform, bei der das stufenbildende Material SM geringer akustischer Impedanz zwischen der unteren Schicht der oberen Elektrode aus W und der oberen AlCu-Schicht der oberen Elektrode TE angeordnet ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen BAW-Resonator, der einen akustischen Spiegel aus einer Schicht HQLI geringer Impedanz mit einer hohen Qualität und optional einer Schicht HQHI hoher Impedanz umfasst. Diese beiden Schichten bilden einen oberhalb des zweiten Spiegels M2 aus 1 und direkt unterhalb der unteren Elektrode gebildeten dritten Spiegel M3. Die Dicke der Schichten des dritten Spiegels M3 wird wie gewöhnlich angesichts des gewünschten Reflexionsbands festgelegt. Der Abscheidungsprozess wird jedoch gesteuert, um ein Wachstum polykristalliner Spiegelschichten mit einer verbesserten akustischen Impedanz und Qualität zu ermöglichen.
Für die Abscheidung kann ein CVD-, ein PECVD- oder ein Sputterverfahren verwendet werden. Vorzugsweise werden Bedingungen zum Erreichen eines langsamen und homogenen Kristallwachstums eingestellt und gesteuert. Auch andere Prozessparameter in der Art der Temperatur, der Gasströmung, des Drucks oder der Vorspannung werden sorgfältig gesteuert, um eine regelmäßige Orientierung und Bildung großer Körner innerhalb der polykristallinen Schichten zu unterstützen.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Randgebiet des BAW-Resonators mit weiteren optionalen Entwurfsmerkmalen. Die äußere Klappe ist wie dargestellt im rechten vergrößerten Abschnitt von 1 verwirklicht. Ausgehend vom aktiven Resonatorgebiet AR und zum Rand hin fortschreitend ist ein Unterlappungsgebiet angrenzend an das aktive Resonatorgebiet AR ausgebildet. Hier ist die Dicke der oberen Elektrode in Bezug auf das aktive Gebiet verringert. Im Überlappungsgebiet OL angrenzend an das Unterlappungsgebiet UL ist ein zweites stufenbildendes Material beispielsweise aus W unter der oberen Elektrode TE oberhalb der piezoelektrischen Schicht PL angeordnet. Im Überlappungsgebiet OL ist die Gesamtdicke der Schichten oberhalb der piezoelektrischen Schicht höher als in sich weiter innen befindenden Gebieten.
Angrenzend an das Überlappungsgebiet OL ist das erste stufenbildende Material SM angeordnet, um das höchste Höhenniveau für die die äußere Klappe OF bildende obere Elektrode oberhalb der als Rahmen ausgebildeten Struktur des ersten stufenbildenden Materials SM bereitzustellen.
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Randgebiet eines anderen BAW-Resonators mit den gleichen weiteren optionalen Entwurfsmerkmalen wie bei der Ausführungsform aus 3, jedoch mit einer umgekehrten Reihenfolge des ersten stufenbildenden Materials SM in Bezug auf die Teilschichten der oberen Elektrode TE. Die Anordnung stimmt in dieser Einzelheit mit dem unteren linken Querschnitt von 1 überein. Es wird angenommen, dass diese Anordnung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des BAW-Resonators die bessere Wahl ist.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen BAW-Resonator des FBAR-Typs. Hier ist die Schichtsequenz ausgehende von der unteren Elektrode BE oberhalb einer Vertiefung RC im Substrat SU angeordnet. Zumindest unterhalb des aktiven Resonatorgebiets stellt ein luftgefüllter Hohlraum infolge der Stufe hoher Impedanz an der Grenzfläche zur unteren Elektrode akustische Reflexion bereit. Alle anderen Merkmale und optionale Merkmale können wie in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben verwirklicht werden.
6 zeigt Einzelheiten eines Rands an der Außenkante der äußeren Klappe OF. Die dielektrische Schicht DL aus SiN bedeckt die Kante und die benachbarte Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PL. Hier ist die Unterlappung als in SiN strukturiert dargestellt, anstatt in der oberen Elektrodenschicht wie in den 3 und 4 dargestellt .
7 zeigt die gleiche Einzelheit an der Außenkante des BAW-Resonators. Gegenüber 6 ist die Sequenz aus dem stufenbildenden Material SM und der unteren Teilschicht der oberen Elektrode ausgetauscht. Sowohl in 6 als auch in 7 bedeckt die TiN-Schicht unterhalb der SiN-Schicht nur die obere Fläche der oberen Elektrode TE, jedoch nicht die Kante.
8 zeigt einen Querschnitt durch einen BAW-Resonator, der die gleiche Schichtsequenz aufweist wie der Resonator aus 6. Jedoch ist an der Außenkante ein Graben durch die dielektrische Schicht DL strukturiert, um einen Streifen der oberen Fläche der piezoelektrischen Schicht sowie der Kante der oberen Elektrode freizulegen. Wenn der Graben in Bezug auf den Anschluss/die Kante der oberen Elektrode geeignet dimensioniert ist, wird ein Teil gestreuter lateraler Energie reflektiert. Die reflektierte Welle verbessert die akustischen Eigenschaften und verhindert Verluste, falls die reflektierte Energie in Phase ist, ist jedoch destruktiv, falls sie außer Phase ist. Ihre Phase kann durch geeignetes versetztes Positionieren des Grabens in Bezug auf die Kante gesteuert werden.
Im Graben ist das Kappendielektrikum DL aus SiN aus der Seitenwand der Struktur entfernt, wodurch ermöglicht ist, dass die äußere Klappe „freier“ ist, weil das SiN verhältnismäßig steif ist. Hierdurch wird eine geringere Kraft auf den Bereich ausgeübt, in dem das SiN in Kontakt mit dem Piezoelektrikum gelangt, und die laterale Energiestreuung/-anregung verringert. All diese Materialien können in einem Schritt auf einmal geätzt werden (beispielsweise die Schichten aus SiN, TiN, AlCu, W, SiO₂ und Ti).
Die 9 bis 11 zeigen schematische Blockdiagramme von Filterschaltungen, welche Resonatoren umfassen, die zur Bildung von HF-Filtern verschaltet sind. BAW-Resonatoren, wie sie vorstehend beschrieben wurden, können in diesen Filterschaltungen vorteilhaft verwendet werden.
9 zeigt eine leiterartige Anordnung mit Reihen-BAW-Resonatoren SR_S und parallelen BAW-Resonatoren BR_P , die gemäß der Erfindung mit Spiegelschichten hoher Qualität gebildet werden können. Gemäß dieser Ausführungsform bilden ein jeweiliger Reihen-BAW-Resonator SR_S und ein entsprechender paralleler BAW-Resonator BR_p einen Basisabschnitt BS_LT der leiterartigen Anordnung. Eine leiterartige Anordnung umfasst eine Anzahl von Basisabschnitten BS_LT , die in Reihe geschaltet werden können, um eine gewünschte Filterfunktion zu erreichen.
10 zeigt ein Blockdiagramm eines Hybridfilters, das mit einer minimalen Anzahl von Elementen dargestellt ist. Eine reale Schaltung kann eine größere Anzahl solcher Strukturen umfassen. In 10 umfasst eine erste Teilschaltung PC1 des Hybridfilters ein Reihenimpedanzelement IE_S und ein paralleles Impedanzelement IE_P . Das Reihenimpedanzelement IE_S kann als ein Kondensator verwirklicht sein, und das parallele Impedanzelement IE_P kann als eine Spule verwirklicht sein. Eine zweite Teilschaltung PC2 umfasst wenigstens einen Reihen-BAW-Resonator BR_S und wenigstens einen parallelen BAW-Resonator BR_P . Innerhalb der kombinierten Filterschaltung können erste und zweite Teilschaltungen PC1, PC2, wie in der 10 dargestellt, alternieren oder in einer beliebigen Sequenz angeordnet sein. Der genaue Entwurf eines solchen Hybridfilters kann entsprechend den Anforderungen des gewünschten Hybridfilters optimiert werden. Eine solche Optimierung kann von Fachleuten leicht durch ein optimierendes Computerprogramm ausgeführt werden.
11 zeigt eine gitterartige Anordnung von BAW-Resonatoren, welche Reihen- und parallele BAW-Resonatoren umfasst. Im Gegensatz zur leiterartigen Anordnung sind die parallelen BAW-Resonatoren BR_P in parallelen Zweigen angeordnet, welche zwei Reihensignalleitungen mit Reihen-BAW-Resonatoren BR_S verbinden. Die parallelen Zweige sind in einer überkreuzten Anordnung geschaltet, so dass der Basisabschnitt der gitterartigen Anordnung BS_LC einen ersten und einen zweiten Reihen-BAW-Resonator SR_S umfasst, die in zwei verschiedenen Signalleitungen und zwei parallelen Zweigen angeordnet sind, welche so geschaltet sind, dass sie einander kreuzen, wobei darin ein jeweiliger paralleler BAW-Resonator SR_P angeordnet ist. Ein gitterartiges Filter kann entsprechend den Filteranforderungen eine höhere Anzahl von Basisabschnitten umfassen.
Zwei oder mehr der in den 9 bis 11 dargestellten Filterschaltungen können kombinierte Filter in der Art von Duplexern oder Multiplexern bilden. Die Filter können in HF-Schaltungen als Bandpass-, Kerb- oder Kantenfilter verwendet werden. Die Filterschaltungen können mit anderen Schaltungselementen kombiniert werden, die nicht dargestellt oder erwähnt sind, jedoch auf dem Fachgebiet allgemein bekannt sind.
Die Erfindung wurde nur anhand einer begrenzten Anzahl von Beispielen erklärt und ist demgemäß nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Erfindung ist durch den Schutzumfang der Ansprüche definiert und kann von den bereitgestellten Ausführungsformen abweichen.
Bezugszeichenliste

BE: untere Elektrode
PL: piezoelektrische Schicht
TE: obere Elektrode
AR: aktives Resonatorgebiet
OL: Überlappungsgebiet
UL: Unterlappung
OF: äußere Klappe
DL: dielektrische Schicht, umfassend
SiN: SiN-Schicht
BE: untere Schicht der oberen Elektrode, welche Wolfram umfasst
AlCu: obere Schicht der oberen Elektrode, welche AlCu umfasst
SM: zwischenstehendes stufenbildendes Material
RC: Vertiefung im Substrat unterhalb des aktiven Resonatorgebiets
M1, M2: akustische Spiegel
SU: Substrat
HI: Schicht hoher Impedanz von M
LI: Schicht geringer Impedanz von M
HQLI: Schicht hoher Qualität und geringer Impedanz
HQHI: Schicht hoher Qualität und hoher Impedanz

Claims

BAW-Resonator, der in einer Schichtsequenz von unten nach oben Folgendes umfasst: - ein Substrat, - eine untere Elektrode, - eine piezoelektrische Schicht, - eine obere Elektrode, wobei - ein aktives Resonatorgebiet gebildet ist, wo alle drei Schichten aus der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrodenschicht einander überlappen, - die obere Elektrode eine äußere Klappe bildet, die sich vom aktiven Resonatorgebiet fort erstreckt und einen vorstehenden Abschnitt aufweist, der in einem Niveau oberhalb der piezoelektrischen Schicht verläuft, das höher ist als das Niveau der oberen Elektrode an jeglichen der sich innen befindenden Bereiche, die durch die äußere Klappe eingeschlossen sind, wobei das höhere Niveau durch ein eingefügtes stufenbildendes Material gebildet ist, das zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode in der äußeren Klappe angeordnet ist, und - das stufenbildende Material eine strukturierte Schicht mit einer akustischen Impedanz umfasst, die in Bezug auf die Impedanz der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht gering ist.
BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Rand des aktiven Resonatorgebiets ein Überlappungsgebiet umfasst, das nach außen an eine Unterlappung angrenzt, worin die Dicke der oberen Elektrode höher als im aktiven Resonatorgebiet ist, wobei die erhöhte Dicke durch Einfügen eines zusätzlichen Materials, das aus einem Schwermetall in der Art von Molybdän und Wolfram ausgewählt ist, zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht erreicht wird.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die äußere Klappe entlang des gesamten Umfangs des aktiven Resonatorgebiets erstreckt, wodurch das aktive Gebiet umgeben wird.
BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine dielektrische Schicht, die wenigstens eine SiN-Schicht umfasst, die obere Elektrode bedeckt.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einem Rand des aktiven Resonatorgebiets eine Unterlappung gebildet ist, die sich entlang dem gesamten Umfang zwischen dem aktiven Resonatorgebiet und dem Überlappungsgebiet erstreckt, wobei in der Unterlappung die Gesamtdicke der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht geringer ist als eine jeweilige Gesamtdicke der Schichtsequenz im Zentrum des aktiven Resonatorgebiets.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Unterlappung die geringere Gesamtdicke durch eine verringerte Dicke der dielektrischen Schicht erreicht wird.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Unterlappung die geringere Gesamtdicke durch Vergrößern der Höhe im aktiven Gebiet durch eine zusätzliche Schicht, welche die obere Elektrode am aktiven Resonatorgebiet ausschließlich im von der Unterlappung eingeschlossenen Bereich bedeckt, erreicht wird.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Unterlappung die geringere Gesamtdicke durch eine verringerte Dicke der oberen Elektrode erreicht wird.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode eine untere Schicht, die zumindest eines von W, Pt, Mo und Ta umfasst, und eine obere Schicht, die AlCu umfasst, umfasst, wobei an der äußeren Klappe das stufenbildende Material zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht der oberen Elektrode angeordnet ist.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode eine untere Schicht, die zumindest eines von W, Pt, Mo und Ta umfasst, und eine obere Schicht, die AlCu umfasst, umfasst, wobei das stufenbildende Material unter der äußeren Klappe zwischen der piezoelektrischen Schicht und der unteren Schicht der oberen Elektrode angeordnet ist.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Überlappungsgebiet die Dicke der unteren Schicht der oberen Elektrode höher ist als in der Unterlappung und im aktiven Resonatorgebiet.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Überlappung und an der äußeren Klappe die Dicke der oberen Elektrodenschicht und ihrer Teilschicht gleich ist.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes AlN umfasst.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine Vertiefung unterhalb des aktiven Resonatorgebiets, wodurch ein luftgefüllter Hohlraum gebildet ist, umfasst.
BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat einen unterhalb des aktiven Resonatorgebiets angeordneten Bragg-Spiegel umfasst.