DE102019104726B4

DE102019104726B4 - Elektroakustischer Resonator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102019104726B4
Application number: DE102019104726.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Lochner
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: DE102019104726A1; WO2020173632A1; US20220094322A1

Abstract

Ein elektroakustischer Resonator umfasst einen akustischen Spiegel (120), der auf einem Trägersubstrat (110) angeordnet ist, eine untere Elektrode (130) und eine piezoelektrische Schicht (140). Auf der piezoelektrischen Schicht ist eine Aluminiumkeimschicht (180) und auf der Aluminiumkeimschicht eine strukturierte Siliziumdioxidklappenschicht (150) angeordnet. Die Aluminiumkeimschicht (180) erhöht den Qualitätsfaktor des Resonators und führt zu einer verbesserten HF-Filterleistung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen elektroakustischen Resonator. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen elektroakustischen Resonator, der eine piezoelektrische Schicht umfasst, die zwischen einer unteren und einer oberen Elektrode angeordnet ist. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektroakustischen Resonators. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein HF-Filter, das mehrere Resonatoren umfasst.
Hintergrund
Elektroakustische Resonator werden häufig in elektronischen Vorrichtungen verwendet, um frequenzselektive Funktionen auszuführen. Ein BAW(Bulk Acoustic Wave)-Resonator umfasst eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der unteren und der oberen Elektrode angeordnet ist. Ein an die Elektroden angelegtes elektrisches Signal erzeugt eine akustische Resonanzwelle innerhalb der piezoelektrischen Schicht, die bezüglich des elektrischen Signals frequenzselektiv ist. Ein HF-Filter, das mehrere elektroakustische Resonatoren umfasst, kann in Kommunikationsausrüstung verwendet werden, um das erwünschte Signal aus dem empfangenen Signalspektrum auszuwählen oder das zu sendende Spektrum zu formen.
Eine dielektrische Schicht, die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, die den akustisch aktiven Bereich umgibt, erzeugt ein Stufenmerkmal auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht, um die akustische Energie innerhalb des aktiven Bereichs im Wesentlichen zu begrenzen und zu verhindern, dass die akustische Welle aus dem aktiven Bereich entweicht.
Ein HF-Filter, das eine Anordnung mehrerer BAW-Resonatoren in einer Struktur vom Abzweigtyp umfasst, kann speziell in Kommunikationsdiensten des Standes der Technik, wie z.B. dem Kommunikationsstandard 4G (LTE), verwendet werden. Da die Hersteller von Kommunikationsausrüstung stets bestrebt sind, die Qualität ihrer Vorrichtungen zu verbessern, ist es notwendig, die Durchlassbandeigenschaften des HF-Filters zu verbessern, z.B. innerhalb des Durchlassbands eines HF-Filters die Übertragung zu erhöhen oder die Dämpfung zu reduzieren. Selbst ein mäßiger Schritt zur Verbesserung der Filterleistung ist dem Hersteller von Kommunikationsausrüstung willkommen. Dementsprechend besteht ein Bedarf, den Qualitätsfaktor eines BAW-Resonators zu verbessern und die Durchlassbandleistung eines HF-Filters zu verbessern.
Die Druckschrift US 2014/0132117 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem seltenen Erdenelement dotierten piezoelektrischen Materials mit einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und dem seltenen Erdenelement.
Die Druckschrift DE 11 2008 002 199 T5 betrifft ein Verfahrem zum Bilden einer Multilayer-Elektrode zum darauf Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen elektroakustischen Resonator vom Typ mit akustischen Volumenwellen bereitzustellen, der einen verbesserten Qualitätsfaktor hat.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen Resonators bereitzustellen, der einen verbesserten Qualitätsfaktor hat.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein HF-Filter mit verbesserter Durchlassbandleistung bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Ein elektroakustischer Resonator, der eine oder mehrere der vorstehend genannten Aufgaben erzielt, umfasst die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 1.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein elektroakustischer Resonator ein Trägersubstrat und einen darauf angeordneten akustischen Spiegel. Eine Sandwichanordnung aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen Elektrode ist auf dem akustischen Spiegel angeordnet und bildet einen akustisch aktiven Bereich in dem Überlappungsgebiet der unteren und der oberen Elektrode. Auf Abschnitten der piezoelektrischen Schicht ist eine Siliziumdioxidschicht vorgesehen. Eine Keimschicht aus Aluminium ist zwischen der piezoelektrischen Schicht und der Siliziumdioxidschicht vorgesehen. Die Siliziumdioxidschicht ist strukturiert und umgibt den akustisch aktiven Bereich, wobei der Abschnitt der Siliziumdioxidschicht in dem aktiven Bereich entfernt wurde.
Durch Verwendung einer Aluminiumkeimschicht für eine anschließende Abscheidung der Siliziumdioxidschicht werden die elektroakustischen Eigenschaften des Resonators verbessert. Es hat sich herausgestellt, dass der Qualitätsfaktor des elektroakustischen Resonators mit einer Aluminiumkeimschicht im Vergleich zu anderen Keimschichten, wie z.B. einer Titankeimschicht, verbessert wird. Ein HF-Filter, das mehrere dieser Resonatoren verwendet, z.B. in einer Filterstruktur vom Abzweigtyp, hat eine geringere Dämpfung oder Einfügungsdämpfung und eine höhere Übertragung in dem Durchlassbandfrequenzgebiet des Filters. Der Resonator mit einer Aluminiumkeimschicht und der darauf angeordneten strukturierten Siliziumdioxidschicht erreicht eine vorhersagbare und zuverlässige Leistungsfähigkeit in dem Filterdurchlassbandgebiet, was zu einer erhöhten Filterleistung führt.
Die Siliziumdioxidschicht wird auf dem Wafer abgeschieden, der die Aluminiumkeimschicht auf seiner oberen Oberfläche aufweist, und wird unter Verwendung von Maskierungs- und Lithographieschritten strukturiert, um einen Abschnitt zu entfernen, in dem danach die obere Metallelektrode gebildet wird. Die Aluminiumkeimschicht kann in dem Bereich verbleiben, in dem die Siliziumdioxidschicht entfernt wird, so dass das Aluminium von der Keimschicht einen Ätzstopp für das Ätzen der Siliziumdioxidschicht bildet, der während des Ätzprozesses zuverlässig erfasst werden kann. Auch eine Überlappungsschicht kann sich in den Bereich des entfernten Abschnitts der Siliziumdioxidschicht hinein erstrecken. Die strukturierte Siliziumdioxidschicht umgibt das Gebiet, in dem die obere Elektrode angeordnet ist. Die strukturierte Siliziumdioxidschicht wird oft als eine Klappenschicht bezeichnet. Eine der Funktionen der strukturierten Siliziumdioxidschicht besteht darin, die akustische Energie innerhalb des aktiven Bereichs zu begrenzen und im Wesentlichen zu verhindern, dass akustische Energie aus dem aktiven Bereich entweicht. Die strukturierte Siliziumdioxidschicht fügt der piezoelektrischen Schicht, die den aktiven Bereich umgibt, zusätzliche Masse hinzu, so dass sich die akustischen Eigenschaften in dem Gebiet, in dem sich die Siliziumdioxidklappe befindet, ändern, was einen Energiebeschränkungseffekt bewirkt.
Die obere Elektrode als solche ist aus Metall gebildet und kann ein Stapel von Schichten sein. Die obere Elektrode kann einen Schichtstapel umfassen, der eine untere Schicht gegenüber und benachbart der piezoelektrischen Wolfram-Schicht, eine darauf angeordnete Zwischenschicht aus Aluminium und Kupfer und eine darauf angeordnete obere Schicht aus einem Metallnitrid, wie z.B. Titannitrid, umfasst. Die Aluminium-Kupfer-Schicht kann durch eine Sputtertechnik unter Verwendung von einem AICu-Target gebildet werden. In einem Beispiel kann die untere Elektrode die gleichen Schichten wie die obere Elektrode haben. Der Schichtstapel der oberen Elektrode ist von der strukturierten Siliziumdioxidschicht umgeben. Die Elektroden bilden den akustisch aktiven Bereich innerhalb der piezoelektrischen Schicht, wo die piezoelektrische Schicht zwischen der unteren und oberen Elektrode angeordnet ist.
Gemäß Ausführungsformen kann eine Überlappungsschicht auf der strukturierten Siliziumdioxidschicht vorgesehen sein. Die Überlappungsschicht kann sich von der oberen Oberfläche der Siliziumdioxidschicht in einen Abschnitt des akustisch aktiven Bereichs hinein erstrecken, wo die Siliziumdioxidschicht entfernt ist. Die Überlappungsschicht erstreckt sich von der oberen Oberfläche der Siliziumdioxidschicht entlang einer vertikalen Seitenwand der Siliziumdioxidschicht auf die piezoelektrische Schicht innerhalb des akustisch aktiven Bereichs. Innerhalb des akustisch aktiven Bereichs ist die Metallüberlappungsschicht zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Die obere Elektrode bedeckt den aktiven Bereich einschließlich eines Abschnitts der Klappenschicht und eines Abschnitts der Überlappungsschicht. Die Metallüberlappungsschicht kann einen Schichtstapel aus einer auf der Siliziumdioxidschicht angeordneten Titanschicht und einer auf der Titanschicht angeordneten Wolframschicht umfassen. Die obere Wolframschicht wird entfernt und die untere Titanschicht der Überlappungsschicht bleibt als ein Haftvermittler für die anschließende Bildung der oberen Elektrode erhalten. In diesem Fall verbleiben dünne Schichten aus Aluminium und Titan in dem aktiven Bereich, auf dem die obere Elektrode abgeschieden wird. Es ist auch möglich, beide Schichten aus Wolfram und Titan des Überlappungsschichtstapels innerhalb eines Abschnitts des akustisch aktiven Bereichs zu entfernen.
Die piezoelektrische Schicht kann aus piezoelektrischem Aluminiumnitrid gebildet sein, das kristallines, kolumnares Aluminiumnitrid sein kann, oder kann aus Aluminium-Scandium-Nitrid gebildet sein. Andere piezoelektrische Materialien sind ebenfalls nützlich. Der Scandiumanteil innerhalb der piezoelektrischen Aluminium-Scandium-Nitrid-Schicht kann im Bereich von 0 bis etwa 35 Gew.-% liegen. Insbesondere kann der Scandiumanteil im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% liegen, noch spezieller kann der Scandiumanteil 7 Gew.-% innerhalb der Aluminium-Scandium-Nitrid-Schicht betragen.
Eine oder mehrere der vorstehend genannten Aufgaben werden auch durch ein Verfahren erzielt, das die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 10 umfasst.
Die Herstellung eines elektroakustischen Resonators umfasst das Bereitstellen eines Trägersubstrats, auf dem ein akustischer Spiegel vorgesehen wird. Auf dem akustischen Spiegel wird eine strukturierte untere Elektrode gebildet, indem die Schicht oder der Schichtstapel der metallischen unteren Elektrode abgeschieden wird und die Elektrodenstruktur durch Maskierungs- und Lithographieschritte gebildet wird. Die piezoelektrische Schicht wird abgeschieden und erstreckt sich als eine Volumenschicht auf dem Werkstück. Eine relativ dünne Aluminiumschicht wird auf der piezoelektrischen Schicht gebildet. Die Aluminiumschicht dient als eine Keimschicht für die anschließende Bildung einer Siliziumdioxidschicht. Die Siliziumdioxidschicht wird auf der Aluminiumkeimschicht gebildet und dann in einem Strukturierungsschritt unter Verwendung von Maskierungs- und Lithographieschritten in einem Gebiet gegenüber der unteren Elektrode entfernt. Die Aluminiumkeimschicht wird an dem Abschnitt freigelegt, wo die Siliziumdioxidschicht entfernt wird. Auf der piezoelektrischen Schicht wird in dem Gebeit, wo die Keimschicht freigelegt wird, eine obere Elektrode gebildet, so dass durch den Schichtstapel aus unterer Elektrode, piezoelektrischer Schicht und oberer Elektrode, die einen Abschnitt der Elektrode über der Klappenschicht umfasst, ein akustisch aktiver Bereich gebildet wird.
Die Siliziumdioxidschicht kann durch einen physikalischen Dampfabscheidungs(PVD)- Prozess gebildet werden. Die PVD-Abscheidung kann ein Siliziumtarget unter einer Argon/Sauerstoff-Atmosphäre verwenden. Eine chemische Dampfabscheidung (CVD) zur Abscheidung der Siliziumdioxidschicht kann ebenfalls möglich sein. Der CVD-Abscheidungsprozess verwendet ein TEOS-Gas in der Reaktionskammer, um die Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht abzuscheiden. Ein Silangas anstelle eines TEOS-Präkursorgases ist ebenfalls möglich. Eine PVD-abgeschiedene Siliziumdioxidschicht hat eine höhere Dichte als eine CVD-abgeschiedene Siliziumdioxidschicht, so dass sich die akustische Geschwindigkeit in einer PVD-Siliziumdioxidschicht von der akustischen Geschwindigkeit in der CVD-Siliziumdioxidschicht unterscheidet. Die akustische Geschwindigkeit in der PVD-Schicht ist höher als die akustische Geschwindigkeit in der CVD-Schicht. Es hat sich herausgestellt, dass eine physikalisch abgeschiedene Siliziumdioxidschicht unter Verwendung eines PVD-Abscheidungsprozesses zu einem höheren Qualitätsfaktor des Resonators und einer verbesserten Leistungsfähigkeit eines HF-Filters vom Abzweigtyp mit diesen Resonatoren im Vergleich zu Resonatoren mit einer CVD-Siliziumdioxidschicht führt.
Gemäß Ausführungsformen wird nach der Strukturierung der Siliziumdioxidschicht und vor der Bildung der oberen Elektrode eine Überlappungsschicht gebildet. Die Überlappungsschicht kann aus Metall, wie z.B. einem Schichtstapel aus Titan und Wolfram, gebildet sein. Mindestens ein Abschnitt der Überlappungsschicht wird in einem der unteren Elektrode gegenüberliegenden Gebiet entfernt, wobei ein weiterer Abschnitt der Überlappungsschicht in dem der unteren Elektrode gegenüberliegenden Gebiet verbleibt, so dass nach der Bildung der oberen Elektrode die Überlappungsschicht zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode angeordnet ist.
Eine oder mehrere der vorstehend genannten Aufgaben werden auch durch ein HF-Filter erzielt, das die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 13 umfasst.
Das HF-Filter umfasst einen Reihenpfad, der zwischen ein erstes und ein zweites Filtertor gekoppelt ist. Der Reihenpfad umfasst eine Reihenschaltung von mehreren vorstehend beschriebenen elektroakustischen Resonatoren. Es sind einer oder mehrere Shunt- oder Parallelpfade vorgesehen, die zwischen mindestens einen der Resonatoren des Reihenpfades und einen Anschluss für ein Bezugspotential, wie z.B. Massepotenzial, gekoppelt sind. Die Shunt-Pfade umfassen mindestens einen elektroakustischen Resonator, wie vorstehend beschrieben. Das HF-Filter weist eine Struktur vom Abzweigtyp auf. Der Reihenpfad kann vier in Reihe geschaltete Resonatoren umfassen, wobei vier Shunt-Pfade vorgesehen sind. Die Resonatoren der Reihen- und Shunt-Pfade können unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Die Resonatoren können praktisch drei verschiedene Resonanzfrequenzen haben. Das HF-Filter weist im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren eine erhöhte Übertragung innerhalb des Filterdurchlassbandes oder eine reduzierte Einfügungsdämpfung oder Dämpfung innerhalb des Filterdurchlassbandes auf. Die Verbesserung der Filterleistung wird durch die direkt auf der piezoelektrischen Schicht ohne Zwischenschicht angeordnete Siliziumdioxidschicht, vorzugsweise mit einem CVD-Abscheidungsprozess, erzielt. Als Beispiel kann das Filter ein Sende-(Tx)-Filter für das LTE-Band 25 sein, das ein Durchlassband zwischen 1,85 GHz und 1,915 GHz hat.
Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur exemplarisch sind und einen Überblick oder Rahmen geben sollen, um das Wesen und den Charakter der Ansprüche zu verstehen. Die beiliegenden Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis und sind in diese Beschreibung integriert und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen zeigen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien und Funktionsweise der verschiedenen Ausführungsformen zu erklären. Die gleichen Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigen:

1 einen Querschnitt eines Abschnitts eines akustischen Volum enwellenresonators;
2 ein schematisches Diagramm eines HF-Filters; und
3 ein Übertragungsdiagramm des HF-Filters gemäß 2.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, näher beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass die Offenbarung dem Fachmann den Umfang der Offenbarung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, sondern so ausgelegt, dass sie die Offenbarung deutlich darstellen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines BAW(Bulk Acustic Wave)-Resonators gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Der Resonator ist vom Typ fest montierter Resonator (SMR), der einen akustischen Spiegel, wie z.B. einen Bragg-Spiegel, umfasst, auf dem ein akustisch aktives Gebiet angeordnet ist. Genauer umfasst der abgebildete BAW-Resonator ein Trägersubstrat 110, wie z.B. einen Silizium-Wafer. Eine Bragg-Spiegelanordnung 120 ist auf dem Trägersubstrat 110 angeordnet. Der Bragg-Spiegel 120 umfasst eine Reihe von Schichten mit akustisch höherer Impedanz, wie z.B. die Schichten 122, 124, die aus Wolfram gebildet sein können, und andere Schichten mit akustisch niedriger Impedanz, wie z.B. die Schichten 121, 123, 125, die aus einem dielektrischen Material, wie z.B. Siliziumdioxid, gebildet sein können. Die oberste Schicht 125 des Bragg-Spiegels 120 ist in dem vorliegenden Beispiel aus Siliziumdioxid gebildet. Eine untere Elektrode 130 ist auf dem Bragg-Spiegel 120 angeordnet. Die Elektrode 130 erstreckt sich auf der linken Seite über den in 1 dargestellten Abschnitt hinaus zu anderen Schaltungselementen, wie z.B. einem Kontakthöcker zum Verbinden der Elektrode 130 mit anderen Elementen der elektronischen Schaltung. Eine piezoelektrische Schicht 140 ist auf dem Bragg-Spiegel 120 und auf der unteren Elektrode 130 vorgesehen. Die piezoelektrische Schicht 140 kann in dem vorliegenden Beispiel aus Aluminium-Scandium-Nitrid mit 7 Gew.-% Scandium gebildet sein. Andere piezoelektrische Materialien, wie z.B. Aluminium-Scandium-Nitrid mit einem beliebigen Scandiumanteil oder Aluminiumnitrid oder ein anderes piezoelektrisches Material sind ebenfalls möglich.
Eine Aluminiumschicht 180 ist auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 140 vorgesehen. Die Aluminiumschicht 180 dient als eine Keimschicht, um die Haftung und Bildung einer Siliziumdioxidschicht darauf zu erleichtern. Eine auf der oberen Oberseite der piezoelektrischen Schicht 140 vorgesehene Siliziumdioxidschicht 150 dient als eine Klappenschicht. Die Siliziumdioxidklappenschicht 150 wird durch Maskierungs- und Lithographieschritte strukturiert, um einen Abschnitt zu bilden, in dem die Siliziumdioxidschicht 150 entfernt wird, der der unteren Elektrode 130 gegenüberliegt und in dem die obere Elektrode 170 angeordnet ist. Die Siliziumdioxidschicht 150 umgibt und umschließt den entfernten Abschnitt, in dem die obere Elektrode 170 angeordnet ist. Die Dicke der Siliziumdioxidklappenschicht kann im Bereich von 140 nm liegen, zum Beispiel für einen Resonator für ein Filter eines Bandes 25. Die Dicke kann je nach Prozessanforderung etwas höher im Bereich von 150 nm bis 160 nm sein. Die Wirkung von variierenden Dicken der Siliziumdioxidschicht auf die elektroakustischen Eigenschaften der Resonatorvorrichtung ist nahezu vernachlässigbar. In einem Resonator für ein Filter gemäß dem 5G-Standard kann die Dicke beispielsweise bis zu 20 nm geringer sein. Die Dicke der Aluminiumkeimschicht 180 kann im Bereich von 5 nm bis 10 nm liegen, abhängig von den Massenlastanforderungen, die durch die Bedingungen der akustischen Resonanz erforderlich sind. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Aluminiumkeimschicht etwa 8 nm oder 8 nm. Die Masse einer 8 nm Aluminiumschicht ähnelt oder entspricht der Masse einer 5 nm Titanschicht, die durch die Aluminiumschicht ersetzt wird, um die Bedingungen der akustischen Resonanz aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus hat Aluminium eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit. Im Vergleich zu Titan ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium etwa 15-mal höher, was die ohmschen Verluste in dem Resonator reduzieren kann.
Gemäß einer Ausführungsform bleibt die Aluminiumkeimschicht 180 selbst nach der Strukturierung der Siliziumdioxidschicht 150 erhalten, so dass die Aluminiumschicht 180 in dem Bereich vorhanden ist, in dem die Siliziumdioxidschicht entfernt wurde. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Aluminiumkeimschicht 180 zusammen mit der Siliziumdioxidschicht entfernt werden, um die piezoelektrische Schicht 140 freizulegen.
Eine Überlappungsschicht 160, die aus einem Metall oder einem Stapel von Metallschichten gebildet ist, ist auf der Siliziumdioxidschicht 150 vorgesehen und erstreckt sich in den akustisch aktiven Bereich hinein, wo ein Abschnitt des Siliziumdioxids 150 entfernt ist. Die Überlappungsschicht 160 kann eine untere Schicht aus Titan und eine obere Schicht aus Wolfram umfassen. Die Überlappung 160 erstreckt sich über die vertikale Seitenwand der Siliziumdioxidschicht 150 und berührt die obere Oberfläche der Aluminiumschicht 180. Die Überlappungsschicht 160 wird von einem inneren Abschnitt des akustisch aktiven Bereichs entfernt, um den Kontakt zwischen der oberen Elektrode 170 und der Aluminiumschicht 180 zu ermöglichen. Insbesondere kann die obere Wolframschicht der Überlappung 160 entfernt werden, wobei die untere Titanschicht der Überlappung 160 noch als Keimschicht in dem akustisch aktiven Bereich vorhanden sein kann, um eine geeignete Ausbildung der oberen Elektrode 170 innerhalb des aktiven Bereichs zu ermöglichen. Gemäß der anderen Ausführungsform, bei der die Aluminiumschicht 180 in dem aktiven Bereich entfernt wird, erstreckt sich die Überlappungsschicht über die vertikale Seitenwand der Siliziumdioxidschicht 150 und berührt die obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 140.
Die Siliziumdioxidschicht 150 kann als eine Klappenschicht bezeichnet werden, die die piezoelektrische Schicht mit Ausnahme der Abschnitte bedeckt, wo eine Elektrode in Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht 140 ist, wie z.B. die obere Elektrode 170 in dem akustisch aktiven Bereich. Der akustisch aktive Bereich ist in dem Überlappungsgebiet der unteren Elektrode 130 und der oberen Elektrode 170 gebildet. Durch Anlegen eines elektrischen HF-Signals an die Elektroden 130, 170 wird innerhalb der piezoelektrischen Schicht 140 zwischen den Elektroden 130, 170 eine akustische Resonanzwelle erzeugt. Die Klappenschicht 150 erzeugt an ihrer vertikalen Seitenwand ein Stufenmerkmal, das die Funktion eines den akustisch aktiven Bereich umgebenden Energiebegrenzungsrings hat, so dass verhindert wird, dass die in dem akustisch aktiven Bereich konzentrierte akustische Energie seitlich daraus in die Gebiete des piezoelektrischen Substrats 140 außerhalb des akustisch aktiven Bereichs und außerhalb des entfernten Bereichs der Klappenschicht 150 entweicht.
Bei der Herstellung des in 1 dargestellten BAW-Resonators werden das Trägersubstrat 110 und der darauf angeordnete akustische Spiegel 120 bereitgestellt, wodurch die obere dielektrische Schicht 125 der Bragg-Spiegelanordnung 120 freigelegt wird. Die untere Elektrodenschicht 130 wird auf der oberen Schicht 125 des Bragg-Spiegels abgeschieden und so strukturiert, dass sie die untere Elektrode des akustisch aktiven Bereichs bildet. Anschließend wird eine piezoelektrische Schicht 140, wie z.B. eine Aluminium-Scandium-Nitrid-Schicht mit 7 Gew.-% Scandium, abgeschieden. Eine dünne Aluminiumschicht wird auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht abgeschieden, die als Keimschicht für die weiteren Abscheidungsschritte dient. Die Aluminiumschicht kann eine Dicke im Bereich von 8 nm aufweisen. Das Werkstück kann für die Siliziumdioxidabscheidung in eine andere Abscheidekammer überführt werden, und der Prozess wird mit der Abscheidung der Siliziumdioxidschicht 150 fortgesetzt, der ein PVD-Abscheidungsprozess oder ein CVD-Abscheidungsprozess sein kann. Während des PVD-Prozesses wird ein Siliziumtarget unter einer Sauerstoffatmosphäre mit Argonionen beschossen. Während des CVD-Prozesses wird die Kammer mit einem siliziumhaltigen Präkursorgas, wie z.B. TEOS (Tetraethylorthosilikat), gefüllt, durch das in einem Plasmaprozess eine Siliziumdioxidschicht gebildet wird. Ein Silangas kann ebenfalls möglich sein. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht beträgt etwa 140 nm. Anschließend wird die Siliziumdioxidschicht 150 dadurch strukturiert, dass der der unteren Elektrode 130 gegenüberliegende Abschnitt der Schicht entfernt wird, um eine Klappenschicht 150 zu erzeugen, die ein Energiebegrenzungsringmerkmal für die akustische Resonanzwelle bildet. Die Aluminiumkeimschicht wird in dem Bereich aufrechterhalten, in dem die Siliziumdioxidschicht entfernt wird. Es wird eine Überlappungsschicht 160 abgeschieden, wobei mindestens ein Abschnitt der Überlappungsschicht 160 innerhalb eines Teils des aktiven Bereichs entfernt wird. Die Überlappungsschicht 160 umfasst einen Schichtstapel aus einer Titanschicht und einer Wolframschicht, wobei die Wolframschicht entfernt und die Titanschicht erhalten wird. In dem aktiven Bereich befindet sich eine dünne Doppelschicht aus Aluminium von der Aluminiumkeimschicht und aus Titan von der Überlappungsschicht. Gegenüber der unteren Elektrode 130 wird eine obere Elektrodenschicht 170 abgeschieden, um den aktiven Bereich in dem Überlappungsgebiet der unteren und oberen Elektrode 130, 170 zu bilden. Die Überlappungsschicht 160 kann sich von der oberen Oberfläche der Siliziumdioxidklappenschicht 150 entlang eines definierten Ausmaßes der Länge etwas in den aktiven Bereich unter der oberen Elektrode 170 hinein erstrecken.
Das Ätzen der Siliziumdioxidschicht 150 zur Erzeugung der Klappenstrukturen kann durch ein Trockenätzverfahren mit geeigneten Mitteln zum Trockenätzen von Siliziumdioxid, wie z.B. den Gasen CF4, CHF4, Ar, O2 durchgeführt werden. Das Ätzen wird in einem Gebiet gegenüber der unteren Elektrode 130 durchgeführt. Der Ätzprozess wird fortgesetzt, bis die Aluminiumkeimschicht 180 erreicht ist und das Auftreten einer Aluminiumkomponente in der Ätzkammer als ein Ätzstopp genutzt werden kann. Die Aluminiumkeimschicht kann zuverlässig erfasst werden, um den Ätzprozess abzuschließen, so dass das Ätzen sicher stoppt, bevor es die piezoelektrische Schicht erreicht.
Der PVD-Sputterprozess zum Abscheiden der Siliziumdioxidschicht 150 kann in einem exemplarischen Prozess die folgenden Parameter verwenden:

Temperatur des Substrates: 100 °C
Targetleistung: 2,25 kW
Sauerstoffstrom: 100 SCCM
Argonstrom: 20 SCCM
Kammerdruck: 6,7 bis 6,9 mTorr (0,89 Pa bis 0,92 Pa)
Aufspannplatte HF-Durchlassleistung: 325 W

Der chemische CVD-Abscheidungsprozess zur Abscheidung der Siliziumdioxidschicht 150 kann in einem exemplarischen Prozess die folgenden Parameter verwenden:

Kammerdruck = 8,2 Torr (1,093 kPa)
Substrattemperatur = 390 °C
Sauerstoffstrom = 1100 SSCM
Heliumstrom = 1200 SSCM
TEOS-Strom = 1100 mgm (Milligramm pro Minute)
HF-Leistung = 680 W

Die PVD- oder CVD-Abscheidung der Klappenschicht 150 wird auf der Aluminiumkeimschicht durchgeführt, wodurch ein Resonator mit erhöhtem Qualitätsfaktor erreicht wird, wobei sich herausgestellt hat, dass eine PVD-Abscheidung einer CVD-Abscheidung vorgezogen wird, da die PVD-Abscheidung einen höheren Qualitätsfaktor ergibt. Ein HF-Filter, das mehrere der Resonatoren umfasst, hat eine erhöhte Leistungsfähigkeit, wie nachstehend erläutert. Experimente haben gezeigt, dass der Qualitätsfaktor eines BAW-Resonators mit einer CVD-abgeschiedenen Siliziumdioxidklappenschicht auf einer Aluminiumkeimschicht gegenüber einem BAW-Resonator mit einer herkömmlichen Titankeimschicht und einer CVD-abgeschiedenen Siliziumdioxidklappenschicht bis zu 8 % verbessert ist und dass der Qualitätsfaktor für einen BAW-Resonator mit einer PVD-abgeschiedenen Siliziumdioxidklappenschicht auf einer Aluminiumkeimschicht gegenüber dem BAW-Resonator mit der herkömmlichen Titankeimschicht unter einer PVD-abgeschiedenen Siliziumdioxidschicht um bis zu 4 % verbessert ist.
Während die Eigenschaften der Klappenschicht vorstehend in dem Gebiet des akustisch aktiven Bereichs diskutiert wurden, in dem die piezoelektrische Schicht in einer Sandwich-Struktur zwischen der unteren und der oberen Elektrode angeordnet ist, kann der Schichtstapel aus Überlappungsschicht, Siliziumdioxidklappenschicht und darunterliegender Keimschicht sowie ferner aus der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht in einem oder mehreren Ätzprozessschritten in einem Gebiet außerhalb des aktiven Bereichs entfernt werden, um auf der unteren Elektrode anzukommen. Dies ermöglicht die Bildung einer Kontaktfläche an der unteren Elektrode und trennt die Resonatoren voneinander.
2 zeigt das schematische Diagramm eines HF-Filters. Das HF-Filter umfasst ein erstes und ein zweites Ein-/Ausgangstor 201, 202, zwischen denen vier Reihenresonatoren 210, 211, 212, 213 in Reihe geschaltet sind. Der Knoten zwischen den Resonatoren 210, 211 ist mit einem Shunt-Pfad gekoppelt, der den Resonator 214 umfasst. Der Resonator 214 ist zwischen den Knoten 221 und den Anschluss 222 für Massepotenzial geschaltet. Zwischen entsprechenden Knoten von Reihenresonatoren und Massepotential sind weitere Shunt-Pfade mit jeweils einem Resonator 215, 216, 217 vorgesehen. Die in 2 dargestellte Filtertopologie ist allgemein als Filter vom Abzweigtyp bekannt. Alle Resonatoren 210, ...., 217 haben die in 1 dargestellte Struktur mit einer direkt auf der piezoelektrischen Schicht 140 angeordneten Klappenschicht 150. Gemäß Schaltungskonzepten vom Abzweigtyp können die Resonatoren 210, ...., 217 unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Drei verschiedene Resonanzfrequenzen sind nützlich für die Resonatoren des Filters vom Abzweigtyp gemäß 2.
Das Filter gemäß 2 kann so bemessen sein, dass es ein Durchlassband für Band 25 bildet, wie in 3 dargestellt. Das Uplink(Tx)-Durchlassband des Bandes 25 weist eine untere Flanke 301 bei 1,85 GHz und eine obere Flanke 302 bei 1,915 GHz auf. Das Diagramm in 3 zeigt eine Vielzahl von Übertragungskurven 320 von HF-Filtern mit Vergleichsresonatoren, die eine 5 nm dicke Titankeimschicht zwischen der piezoelektrischen Schicht und der 140 nm dicken CVD-abgeschiedenen Siliziumoxid-Klappenschicht aufweisen, und eine Vielzahl von Übertragungskurven 310 von HF-Filtern mit BAW-Resonatoren gemäß den in 1 beschriebenen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, die eine 140 nm dicke CVD-abgeschiedene Siliziumdioxidschicht mit einer 8 mm dicken Aluminiumkeimschicht unter der Siliziumdioxidschicht umfassen. Die in 3 dargestellten Kurven basieren auf tatsächlichen Messungen von HF-Filtern mit Resonatoren, die auf Wafern aus derselben Herstellungscharge vorgesehen sind. Die unterschiedlichen Kurven können sich aus natürlichen Ungleichmäßigkeitsschwankungen über den Wafer und zwischen Wafern der Charge ergeben.
Wie aus 3 ersichtlich ist, weist das HF-Filter mit BAW-Resonatoren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung Übertragungskurven 310 auf, die über mindestens einem Teil der Übertragungskurven 320 gemäß dem Vergleichs-HF-Filter liegen. In dem unteren Teil des Durchlassbandes, z.B. von 1,85 GHz bis etwa 1,88 GHz, liegt mindestens ein Teil der gemessenen Übertragungskurven 310 über den Vergleichsübertragungskurven 320. In dem oberen Teil des Durchlassbandes, z.B. von 1,88 GHz bis 1,915 GHz, befindet sich mindestens ein Teil der Übertragungskurven 310 deutlich oberhalb der Vergleichsübertragungskurven 320, obwohl die Variation der Übertragungskurven 310 größer ist als die Variation der Vergleichsübertragungskurven, die auch Kurven 310 unterhalb der Kurven 320 umfassen.
An der oberen Flanke des Durchlassbandes bei 1,915 GHz, was ein entscheidender Teil für die Leistungsfähigkeit eines HF-Filters ist, liegt die minimale Dämpfung, die mit den Vergleichskurven 320 erreicht wird, bei etwa -3,745 dB, während die minimale Dämpfung, die mit den Kurven 310 gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung erreicht wird, bei etwa -3,54 dB liegt, was eine Verbesserung von 0,205 dB, etwa 5,5 % darstellt.

Claims

Elektroakustischer Resonator, umfassend: - ein Trägersubstrat (110), - einen akustischen Spiegel (120), der auf dem Trägersubstrat angeordnet ist; - eine untere Elektrode (130), die auf dem akustischen Spiegel angeordnet ist; - eine piezoelektrische Schicht (140), die auf der unteren Elektrode angeordnet ist; - eine Keimschicht (180), die Aluminium umfasst, die auf der piezoelektrischen Schicht (140) angeordnet ist; - eine strukturierte Siliziumdioxidschicht (150), die auf der Keimschicht (180) angeordnet ist; und - eine obere Elektrode (170), die auf der piezoelektrischen Schicht (140) angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach Anspruch 1, wobei die strukturierte Siliziumdioxidschicht (150) ein Gebiet umgibt, in der die obere Elektrode (170) angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die strukturierte Siliziumdioxidschicht (150) ein Gebiet umgibt, in dem die Siliziumdioxidschicht entfernt ist und in der die obere Elektrode (170) angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die obere Elektrode (170) einen Schichtstapel umfasst, der eine untere Schicht aus Wolfram, eine Zwischenschicht aus einer Zusammensetzung aus Aluminium und Kupfer und eine obere Schicht aus einem Metallnitrid umfasst.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Metallüberlappungsschicht (160), die auf der strukturierten Siliziumdioxidschicht (150) angeordnet ist und sich unter einem Abschnitt der oberen Elektrodenschicht (170) erstreckt, wobei die Metallüberlappungsschicht zwischen der oberen Elektrode (170) und der piezoelektrischen Schicht (140) an diesem Abschnitt angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach Anspruch 5, wobei die Metallüberlappungsschicht (160) einen Schichtstapel aus Titan und Wolfram umfasst.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die piezoelektrische Schicht (140) eines von Aluminiumnitrid und Aluminium-Scandium-Nitrid umfasst.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Keimschicht aus Aluminium gebildet ist und die Dicke der Keimschicht im Bereich von 5 nm bis 10 nm liegt oder die Dicke der Keimschicht 8 nm beträgt.
Elektroakustischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die piezoelektrische Schicht (140) Aluminium-Scandiumnitrid mit einem Scandiumanteil von höchstens 35 Gewichts-% oder von 5 Gewichts-% bis 15 Gewichts-% oder von 7 Gewichts-% umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen Resonators, umfassend die Schritte von: - Bereitstellen eines Trägersubstrats (110) und eines akustischen Spiegels (120), der auf dem Trägersubstrat angeordnet ist; - Bilden einer strukturierten unteren Elektrode (130) auf dem akustischen Spiegel; - Bilden einer piezoelektrischen Schicht (140) auf der unteren Elektrode; - Bilden einer Keimschicht (180), die Aluminium umfasst, auf der piezoelektrischen Schicht (140); - Bilden einer Schicht aus Siliziumdioxid (150) auf der Keimschicht (180); - Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht (150) in einem Gebiet gegenüber der unteren Elektrode (130), wodurch die Keimschicht (180) freigelegt wird; - Bilden einer oberen Elektrode (170) in dem Gebiet der freiliegenden Keimschicht (180).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bildens einer Schicht aus Siliziumdioxid (150) das Abscheiden der Schicht aus Siliziumdioxid auf einer Aluminiumkeimschicht (180) durch physikalische Dampfabscheidung umfasst, wobei ein Siliziumtarget einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei nach dem Schritt des Entfernens eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht (150) und vor dem Schritt des Bildens einer oberen Elektrode (170) ein Schritt des Bildens einer Überlappungsschicht (160) aus Metall und des Entfernens eines Abschnitts der Überlappungsschicht in einem der unteren Elektrode (130) gegenüberliegenden Gebiet durchgeführt wird, so dass die Überlappungsschicht zwischen der oberen Elektrode (170) und der Keimschicht (180) in einem Gebiet angeordnet wird, in der der Abschnitt der Siliziumdioxid(150)-Schicht entfernt wird.
HF-Filter, umfassend: - ein erstes und ein zweites Tor (201, 202); - einen zwischen das erste und das zweite Tor gekoppelten Reihenpfad, wobei der Reihenpfad eine Reihenschaltung von elektroakustischen Resonatoren (210, 211, 212, 213) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, - einen oder mehrere Shunt-Pfade, die mit mindestens einem der Resonatoren des Reihenpfades gekoppelt sind, wobei der eine oder die mehreren Shunt-Pfade jeweils mindestens einen elektroakustischen Resonator (214, 215, 216, 217) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassen.