DE10234980B4 - Durchschlagfester mit akustischen Wellen arbeitender Resonator - Google Patents
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Abstract
Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator, enthaltend: – eine untere Elektrode (UE) und eine obere Elektrode (OE) – eine piezoelektrische Schicht (PS), die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist, – eine durchschlagsfeste Schicht (DS), die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist, wobei die Durchschlagsfestigkeit der durchschlagsfesten Schicht größer als die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Schicht ist und wobei die piezoelektrische Schicht (PS) mindestens doppelt so dick ist wie die durchschlagsfeste Schicht (DS).
Description
- Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (oder FBAR, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator).
- Solche Resonatoren sind insbesondere für Bandpaßfilter in der modernen Filtertechnik geeignet und können z. B. in den Geräten der mobilen Kommunikation eingesetzt werden.
- Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator weist eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen zwei Metallschichten (Elektroden) angeordnet ist. Die Schichten werden auf einem Substrat aufeinanderfolgend abgeschieden und zu Resonatoren strukturiert, welche miteinander elektrisch verbunden sind und zusammen z. B. eine Filterschaltung realisieren können.
- Es ist bekannt, daß anstelle nur einer piezoelektrischen Schicht eine Schichtfolge, z. B. aus AlN und einer piezoelektrischen Schicht (die Druckschrift
US 6,239,536 B1 ) benutzt werden kann. Dabei dient die AlN-Schicht einerseits als Schutz der Elektrodenoberfläche vor Korrosion und andererseits als Substrat zur Abscheidung der piezoelektrischen Schicht aus ZnO. - Beim Einsatz von Bauelementen auf FBAR-Basis in Endgeräten, insbesondere beim Auspacken oder Verlöten der Bauelemente mit einem Systemträger, treten oft elektrische oder elektrostatische Durchschläge der piezoelektrischen Schicht zwischen den FBAR-Elektroden auf, was die Funktionalität der FBARs beeinträchtigt. Dies geschieht einerseits aufgrund einer Ansammlung hoher statischer Ladungen in der Umgebung des Bauteils oder aufgrund des pyroelektrischen Effekts piezoelektrischer Materialien und andererseits wegen der geringen Dicke der piezoelektrischen Schicht, die meist nur wenige Mikrometer beträgt und deswegen keine hohen Spannungen aushalten kann. Auch im Betrieb sind insbesondere (an eine Antenne angeschlossene) Front-End-Filter mit FBAR-Komponenten durch statische Entladungen gefährdet.
- Es ist im Prinzip möglich, die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Schicht selbst zu verbessern oder ein geeignetes Material für diese Schicht auszuwählen. Bekannte piezoelektrische Materialien verfügen in der Regel jedoch nicht über eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit, welche insbesondere den Systemanforderungen in Mobilfunkgeräten genügt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein durchschlagsfestes mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement anzugeben.
- Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.
- Die Erfindung gibt einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (oder FBAR, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator) an, der eine untere und eine obere Elektrode, eine piezoelektrische und eine durchschlagsfeste Schicht, welche zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet sind, aufweist, wobei die Durchschlagsfestigkeit der durchschlagsfesten Schicht größer als die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Schicht ist.
- Dabei weist die piezoelektrische Schicht eine Dicke auf, welche mindestens doppelt so groß ist wie die Dicke der durchschlagsfesten Schicht. Dadurch sind die akustischen Eigenschaften des Bauelements nach wie vor im Wesentlichen durch die piezoelektrische Schicht bestimmt.
- Die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise aus PZT, AlN (hexagonal), ZnO, LiNbO3, La3Ga5SiO14, LiTaO3, KNbO3, KNaNbO3, Wismut/Natrium-Titanat, Blei/Scandium-Tantalat oder Quarz bestehen. Auch Kombinationen der genannten Materialien oder anderer geeigneter Materialien (Schichtfolgen) sind möglich.
- Die durchschalgsfeste Schicht besteht aus einem dielektrischen Material, wobei die Durchschlagsfestigkeit (auf Englisch: dielectric strength, breakdown potential, breakthrough field strength) der durchschlagsfesten Schicht größer ist als die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Schicht. Die Durchschlagsfestigkeit eines dielektrischen Materials ist diejenige Feldstärke des elektrischen Feldes, bis zu welcher der Durchschlag des Materials (dielectric breakdown) nicht erfolgt. Die Durchschlagsfestigkeit ist also die Durchschlagsspannung (breakthrough voltage) pro Längeneinheit, z. B. pro mm, und ist daher normalerweise unabhängig von der Schichtdicke des Materials. Bei sehr dünnen Schichten, deren Dicke unter 1 μm liegt, ist die Durchschlagsfestigkeit unter Umständen jedoch abhängig von der Schichtdicke.
- Die durchschlagsfeste Schicht kann aus einem dielektrischen Material bestehen, das keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Es ist auch möglich, daß die durchschlagsfeste Schicht aus einem piezoelektrischen Material besteht.
- Als Material für die durchschlagsfeste Schicht ist beispielsweise SiO2, Si3N4, ONO (Schichtfolge Oxid/Nitrid/Oxid, z. B. von Silizium), PZT, ein BCB (Benzocyclobuten), BST – (Ba, Sr)TiO3 – oder SBT – (Sr, Bi)TiO3 – geeignet. Auch Kombinationen der genannten Materialien oder anderer geeigneter Materialien (Schichtfolgen) sind möglich.
- Die durchschlagsfeste Schicht weist eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die piezoelektrische Schicht oder die piezoelektrischen Schichten bei einer Schichtfolge aus mehreren piezoelektrischen Schichten auf und beugt dadurch elektrischen Durchschlägen zwischen den Elektroden des erfindungsgemäßen Resonators vor.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert.
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1 und2 zeigen den Schichaufbau des erfindungsgemäßen Resonators im schematischen Querschnitt -
3 zeigt den schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Bauelements mit einer durchschlagsfesten und zwei piezoelektrischen Schichten -
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt. Das Bauelement stellt einen FBAR dar, der eine piezoelektrische Schicht PS umfaßt, welche zwischen einer unteren Elektrode UE und einer durchschlagsfesten Schicht DS angeordnet ist. Die durchschlagsfeste Schicht DS ist zwischen einer oberen Elektrode OE und der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Die untere Elektrode liegt dabei auf dem Substrat SU, welches vor allem als mechanische Unterlage beim Abscheiden der Schichten des FBARs dient. Das Substrat SU kann mehrere verschiedenartige dielektrische Schichten enthalten und einen funktionellen Schichtaufbau darstellen, welcher beispielsweise zur Abstimmung der Frequenz des Resonators geeignet sein kann. Insbesondere kann der funktionelle Schichtaufbau einen akustischen Spiegel umfassen. Die untere Elektrode kann Teil des akustischen Spiegels sein. - Die durchschlagsfeste Schicht kann aus einem dielektrischen (ggf. auch piezoelektrischen) Material sein, welches die akustischen Eigenschaften des Resonators nicht wesentlich beeinträchtigt. Die Dicke der durchschlagsfesten Schicht ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Dicke der piezoelektrischen Schicht.
- In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Elektroden UE und OE aus Aluminium in einer Dicke von 200 nm, die durchschlagsfeste Schicht DS aus SiO2 in einer Dicke von 100 nm und die piezoelektrische Schicht PS in einer Dicke von 2000 nm ausgebildet werden.
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2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Die durchschlagsfeste Schicht DS ist in diesem Fall zwischen der unteren Elektrode UE und der piezoelektrischen Schicht PS angeordnet. -
3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung. Der dargestellte FBAR enthält zwei piezoelektrische Schichten PS1, PS2 und eine durchschlagsfeste Schicht DS, welche zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet ist.
Claims (7)
- Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator, enthaltend: – eine untere Elektrode (UE) und eine obere Elektrode (OE) – eine piezoelektrische Schicht (PS), die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist, – eine durchschlagsfeste Schicht (DS), die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist, wobei die Durchschlagsfestigkeit der durchschlagsfesten Schicht größer als die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Schicht ist und wobei die piezoelektrische Schicht (PS) mindestens doppelt so dick ist wie die durchschlagsfeste Schicht (DS).
- Resonator nach Anspruch 1, bei dem die durchschlagsfeste Schicht (DS) zwischen einer Elektrode (OE, UE) und der piezoelektrischen Schicht (PS) angeordnet ist.
- Resonator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest zwei voneinander getrennte durchschlagsfeste Schichten (DS) vorgesehen sind.
- Resonator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, der zumindest zwei piezoelektrische Schichten umfaßt, wobei zumindest eine durchschlagsfeste Schicht (DS) zwischen jeweils zwei piezoelektrischen Schichten angeordnet ist.
- Resonator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zumindest eine piezoelektrische Schicht (PS) aus PZT, AlN, ZnO, LiNbO3, La3Ga5SiO14, LiTaO3, KNbO3, KNaNbO3, Wismut/Natrium-Titanat, Blei/Scandium-Tantalat, Quarz oder beliebigen Schichtfolgen dieser Materialien besteht.
- Resonator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zumindest eine durchschlagsfeste Schicht aus einem dielektrischen oder piezoelektrischen Material besteht.
- Resonator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zumindest eine durchschlagsfeste Schicht aus SiO2, SiN, einer Siliziumoxid/Siliziumnitrid/Siliziumoxid-Dreifachschicht, PZT, einem Benzocyclobuten, BST, SBT oder einer beliebigen Schichtfolge dieser Materialien besteht.
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