DE112004002068B4

DE112004002068B4 - Temperaturkompensierte Akustischer-Filmvolumenresonator-(FBAR-) Bauelemente

Info

Publication number: DE112004002068B4
Application number: DE112004002068.9T
Authority: DE
Inventors: John D. III Larson
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: US20050104690A1; GB2421646A; DE112004002004B4; US20050110597A1; GB2423428A; DE112004002004T5; US7358831B2; WO2005043754A1; GB0605779D0; WO2005043751A1; GB2423428B; GB0610006D0; JP4676440B2; DE112004002068T5; GB2422969B; JP2007514341A; JP2007510382A; US7332985B2; GB2422969A; WO2005043756A1

Abstract

Ein temperaturkompensiertes Akustischer-Filmvolumenresonator-(FBAR-)Bauelement (100; 200; 300), das folgende Merkmale aufweist: einen FBAR-Stapel (111; 211; 311), der folgende Merkmale aufweist: einen FBAR (110, 120; 150, 160), der durch eine Resonanzfrequenz gekennzeichnet ist, die einen Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei der FBAR (110, 120; 150, 160) gegenüberliegende planare Elektroden (112, 114, 122, 124; 152, 154, 162, 164) und ein piezoelektrisches Element (116, 126; 156, 166) zwischen den Elektroden (112, 114; 152, 154) aufweist, wobei das piezoelektrische Element (116, 126; 156, 166) einen Temperaturkoeffizienten aufweist, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz zumindest teilweise abhängt, und ein Temperaturkompensationselement (109), das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements (116, 126; 156, 166) entgegengesetzt ist, und gemäß einer der folgenden Alternativen ausgebildet ist: (a) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Niobium-Molybdän-(Nb-Mo-)Legierung auf, (b) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Kobalt-Palladium-(Co-Pd-)Legierung auf, oder (c) das Temperaturkompensationselement (109) weist ein ferroelektrisches Material auf.

Description

Hintergrund
FBAR-Bauelemente, die ein oder mehr akustische Filmvolumenresonatoren (FBARs – film bulk acoustic resonators) umfassen, gehören zu einer sich ständig vergrößernden Vielzahl von elektronischen Produkten, insbesondere drahtlosen Produkten. Zum Beispiel umfassen moderne Zellulartelefone einen Duplexer, bei dem jedes der Bandpassfilter eine Leiterschaltung umfasst, wobei jedes Element der Leiterschaltung ein FBAR ist. Ein Duplexer, der FBARs umfasst, ist von Bradley et al. in dem US-Patent Nr. 6,262,637 mit dem Titel Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators (FBARs) offenbart, das an den Anmelder dieser Offenbarung übertragen ist. Ein derartiger Duplexer ist aus einem Senderbandpassfilter, das in Reihe zwischen den Ausgang des Senders und die Antenne geschaltet ist, und einem Empfängerbandpassfilter gebildet, das in Reihe mit einem 90°-Phasenschieber zwischen die Antenne und den Eingang des Empfängers geschaltet ist. Die Mittenfrequenzen der Durchlassbänder des Senderbandpassfilters und des Empfängerbandpassfilters sind voneinander versetzt. Leiterfilter, die auf FBARs basieren, werden auch bei anderen Anwendungen verwendet.
EP 1 100 196 A2 offenbart einen piezoelektrischen Resonator mit einem laminierten Aufbau, der ein piezoelektrisches Laminat, mindestens ein Paar von Elektroden und ein Substrat aufweist. Das piezoelektrische Laminat umfasst mindestens eine erste piezoelektrische Schicht, die aus Aluminiumnitrit (AlN) ausgebildet ist und einen positiven Temperaturkoeffizienten ihrer Resonanzfrequenz aufweist, und mindestens zweite piezoelektrische Schicht, die aus Zinkoxid (ZnO) ausgebildet ist einen negativen Temperaturkoeffizienten ihrer Resonanzfrequenz aufweist. Durch eine geeignete Anpassung der Dicken der piezoelektrischen Schichten kann erreicht werden, dass der Temperaturkoeffizient des piezoelektrischen Laminats nahezu Null wird.
US 2003/0128081 A1 offenbart eine akustische Volumenwelleneinrichtung, die zwei Resonatoren in einer übereinandergestapelten Anordnung und eine dazwischen angeordnete dielektrische Schicht umfasst. Jeder der Resonatoren umfasst eine piezoelektrische Schicht, die beispielsweise aus Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS) oder Lithiumtantalat (LiTaO₃) ausgebildet ist. Die zwischen der Resonatoren angeordnete dielektrische Schicht ist aus Siliziumoxid (SiO₂) ausgebildet und weist einen positiven Temperaturkoeffizienten und eine geeignet gewählte Dicke auf, um die allgemein negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen Schichten zu kompensieren.
US 4,456,850 offenbart einen piezoelektrischen Resonator, der eine zwischen zwei Elektroden angeordnete Kompositschicht aufweist. Diese Kompositschicht umfasst zwei aus Zinkoxid (ZnO) ausgebildete, piezoelektrische, dünne Schichten und eine zwischen diesen angeordnete, einzelne dünne Schicht, die aus Siliziumoxid (SiO₂) ausgebildet ist, damit sie einen im Vergleich zu den piezoelektrischen Schichten entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz aufweist.
DE 29 38 158 offenbart eine Schallwellenvorrichtung, die ein Quarzsubstrat mit einer glatten Oberfläche, und eine erste und eine zweite sich längserstreckende Schallwellen-Verzögerungsleitung, die auf der glatten Oberfläche des Quarzsubstrat angeordnet sind, aufweist. Zum Ausbilden einer akustischen Oberflächenwellen-(SAW, surface acoustic wave)-Vorrichtung ist die glatte Oberfläche ein ST-Schnittquarz. Die erste Schallwellen-Verzögerungsleitung ist ausgerichtet, damit sich Oberflächen-Schallwellen entlang einer X-Achse ausbreiten. Die zweite Schallwellen-Verzögerungsleitung ist unter einem zu 41° gewählten Winkel ausgerichtet. Die Phasen der beiden Verzögerungsleitungen verändern sich mit der Temperatur. Die Ausrichtung der zweiten Verzögerungsleitung im Verhältnis zur ersten ist so gewählt, dass ein summierter Ausgang im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist, d. h. zumindest über den Bereich von –40°C bis 70°C, was zu einer stabilen Oszillatorfrequenz führt. In einer Ausführungsform umfasst die Schallwellenvorrichtung ferner eine zweite Hilfsverzögerungsleitung, die gleich wie die zweite Schallwellen-Verzögerungsleitung, jedoch verschieden ausgerichtet ist, so dass deren Phasenänderung mit der Temperatur ein entgegengesetztes Vorzeichen zur Phasenänderung der zweiten Schallwellen-Verzögerungsleitung hat.
1 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines FBAR-basierten Bandpassfilters 10, das zur Verwendung als das Senderbandpassfilter eines Duplexers geeignet ist. Das Senderbandpassfilter ist aus Reihen-FBARs 12 und Nebenschluss-FBARs 14 gebildet, die in einer Leiterschaltung verbunden sind. Die Reihen-FBARs 12 weisen eine höhere Resonanzfrequenz als die Nebenschluss-FBARs 14 auf.
2 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel 30 eines FBAR. Der FBAR 30 ist aus einem Paar von Elektroden 32 und 34 und einem piezoelektrischen Element 36 zwischen den Elektroden gebildet. Das piezoelektrische Element und die Elektroden hängen über einem Hohlraum 44, der in einem Substrat 42 definiert ist. Diese Art des Hängens des FBAR ermöglicht, dass sich der FBAR ansprechend auf ein elektrisches Signal, das zwischen den Elektroden angelegt wird, mechanisch in Resonanz befindet.
Die US-Patentanmeldung Seriennummer 10/699,289 (veröffentlicht als US 2005/0093653 A1 ) offenbart ein Bandpassfilter, das einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR – decoupled stacked bulk acoustic resonator) umfasst, der aus einem unteren FBAR, einem oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs gebildet ist. Jeder der FBARs ist aus einem Paar von Elektroden und einem piezoelektrischen Element zwischen den Elektroden gebildet. Ein elektrisches Eingangssignal wird zwischen den Elektroden des unteren FBAR angelegt, und der obere FBAR liefert ein bandpassgefiltertes elektrisches Ausgangssignal zwischen seinen Elektroden. Das elektrische Eingangssignal kann alternativ dazu zwischen den Elektroden des oberen FBAR angelegt werden, wobei in diesem Fall das elektrische Ausgangssignal von den Elektroden des unteren FBAR genommen wird.
Die US-Patentanmeldung Seriennummer 10/699,481 (veröffentlicht als US 2005/0093656 A1 ) offenbart einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT – film acoustically-coupled transformer), der aus zwei entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonatoren (DSBARs) gebildet ist. Eine erste elektrische Schaltung verbindet die unteren FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel. Eine zweite elektrische Schaltung verbindet die oberen FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel. Symmetrische oder unsymmetrische FACT-Ausführungsbeispiele, die Impedanzwandlungsverhältnisse von 1:1 oder 1:4 aufweisen, können abhängig von den Konfigurationen der elektrischen Schaltungen erhalten werden. Derartige FACTs liefern auch eine galvanische Isolation zwischen der ersten elektrischen Schaltung und der zweiten elektrischen Schaltung.
Der FBAR, der im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, und Bauelemente, wie zum Beispiel Leiterfilter, DSBARs und FACTs, die ein oder mehr FBARs umfassen, werden in dieser Offenbarung allgemein als FBAR-Bauelemente bezeichnet.
Die meisten FBAR-Bauelemente weisen eine Frequenzantwort auf, die eine Bandpasscharakteristik aufweist, die durch eine Mittenfrequenz charakterisiert ist. Die Komponenten-FBARs weisen eine Frequenzantwortcharakteristik auf, die durch eine Resonanzfrequenz charakterisiert ist. Bei praktischen Ausführungsbeispielen von aktuellen FBAR-Bauelementen, bei denen das Material des piezoelektrischen Elements Aluminiumnitrid (AlN) ist und das Material der Elektroden Molybdän (Mo) ist, weist die Resonanzfrequenz der ein oder mehr FBARs einen Temperaturkoeffizienten von etwa –20 ppm/°C bis etwa –35 ppm/°C auf. Derartige Temperaturkoeffizienten verringern den Temperaturbereich, über den das FBAR-Bauelement, das die FBARs umfasst, seine Durchlassbandbreitenspezifikation erfüllen kann. Derartige Temperaturkoeffizienten verringern außerdem eine Herstellungsausbeute, da die Bandbreitengrenzen, bis zu denen die FBAR-Bauelemente getestet werden, eingesetzt sein müssen, um sicherzustellen, dass das FBAR-Bauelement seine Bandbreitenspezifikation über seinen gesamten Betriebstemperaturbereich erfüllt.
Deshalb wird ein FBAR benötigt, dessen Resonanzfrequenz einen verringerten Temperaturkoeffizienten aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein temperaturkompensiertes Akustischer-Filmvolumenresonator-(FBAR-)Bauelement, das einen FBAR-Stapel aufweist. Der FBAR-Stapel weist einen FBAR und ein Temperaturkompensationselement auf. Der FBAR ist durch eine Resonanzfrequenz gekennzeichnet, die einen Temperaturkoeffizienten aufweist, und weist gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Element weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz zumindest teilweise abhängt. Das Temperaturkompensationselement weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements entgegengesetzt ist, und es ist gemäß einer der folgenden Alternativen ausgebildet: (a) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Niobium-Molybdän-(Nb-Mo-)Legierung auf, (b) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Kobalt-Palladium-(Co-Pd-)Legierung auf, oder (c) das Temperaturkompensationselement (109) weist ein ferroelektrisches Material auf.
Infolge des entgegengesetzten Vorzeichens seines Temperaturkoeffizienten verringert das Temperaturkompensationselement die Wirkung des Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements und normalerweise außerdem die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der Elektroden auf den Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements. Folglich ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements geringer als derjenige eines ähnlichen FBAR-Bauelements ohne ein Temperaturkompensationselement.
Das Temperaturkompensationselement ist normalerweise als ein oder mehr Temperaturkompensationsschichten strukturiert, die in dem FBAR-Stapel angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Temperaturkompensationsschicht neben einer oder beiden der Elektroden angeordnet. Zum Beispiel ist die Temperaturkompensationsschicht zwischen der Elektrode und dem piezoelektrischen Element angeordnet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel befindet sich die Temperaturkompensationsschicht auf der bezüglich des piezoelektrischen Elements anderen Seite der Elektrode. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Temperaturkompensationsschicht in dem piezoelektrischen Element eingebettet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen eine oder beide der Elektroden einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem piezoelektrischen Element entgegengesetzt ist, und liefern das Temperaturkompensationselement.
Beispiele eines FBAR-Bauelements umfassen einen FBAR, wie zum Beispiel einen FBAR, der ein Element eines Leiterfilters liefert, einen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR – stacked bulk acoustic resonator), einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR), ein Bandpassfilter, ein Gekoppelter-Resonator-Filter und einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT).
In einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung ein akustisches Bauelement, das einen akustischen Ausbreitungsweg aufweist, der eine ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft aufweist. Die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft weist einen Temperaturkoeffizienten auf. Der akustische Ausbreitungsweg weist ein akustisches Ausbreitungselement auf, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, von dem die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft des akustischen Ausbreitungswegs zumindest teilweise abhängt. Der akustische Ausbreitungsweg weist außerdem ein Temperaturkompensationselement auf, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des akustischen Ausbreitungselements entgegengesetzt ist, und das gemäß einer der folgenden Alternativen ausgebildet ist: (a) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Niobium-Molybdän-(Nb-Mo-)Legierung auf, (b) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Kobalt-Palladium-(Co-Pd-)Legierung auf, oder (c) das Temperaturkompensationselement (109) weist ein ferroelektrisches Material auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung eines Leiterfilters, das FBARs gemäß dem Stand der Technik umfasst.
2 ist eine Querschnittsansicht eines FBAR gemäß dem Stand der Technik.
3A ist eine Grundrissansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung.
3B ist eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements, das in 3A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 3B-3B.
3C–3F sind Querschnittsansichten von alternativen Strukturen des Temperaturkompensationselements des FBAR-Bauelements, das in 3A gezeigt ist.
4A ist eine Grundrissansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung.
4B ist eine Querschnittsansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements, das in 4A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 4B-4B.
5A ist eine Grundrissansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung.
5B ist eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements, das in 5A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 5B-5B.
5C ist eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements, das in 5A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 5C-5C.
5D ist ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltungen des dritten Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements, das in 5A gezeigt ist.
6A–6J sind Grundrissansichten, die einen Prozess zum Herstellen eines Ausführungsbeispiels eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung veranschaulichen.
6K–6T sind Querschnittsansichten jeweils entlang der Schnittlinien 6K-6K bis 6T-6T jeweils in den 6A–6J.
Detaillierte Beschreibung
Wie derselbe in dieser Offenbarung verwendet wird, bezieht sich der Begriff FBAR-Stapel auf einen Stapel von Schichten aus verschiedenen Materialien, der ein oder mehr FBARs aufweist. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der FBAR-Stapel mehr als einen FBAR aufweist, können sich die FBARs auf der gleichen Ebene in dem FBAR-Stapel oder auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel befinden, oder einige der FBARs können sich auf der gleichen Ebene in dem FBAR-Stapel befinden, und einige der FBARs können sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel befinden. Zum Beispiel befinden sich die FBARs in einem FBAR-Leiterfilter normalerweise auf der gleichen Ebene in dem FBAR-Stapel, die FBARs in einem entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) befinden sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel, und einige der FBARs eines akustisch gekoppelten Dünnfilmtransformators (FACT) befinden sich auf der gleichen Ebene in dem FBAR-Stapel und einige der FBARs des FACT befinden sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel.
Ein FBAR weist eine Resonanzfrequenz auf, die direkt von der Geschwindigkeit der Ausbreitung von Schall in dem FBAR abhängt und die umgekehrt von den Dicken der Schichten abhängt, die den FBAR bilden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in den meisten Materialien, aus denen FBARs derzeit hergestellt werden, weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, weil die interatomaren Kräfte mit zunehmender Temperatur schwächer werden. Eine Verringerung dieser Kräfte führt zu einer Verringerung der elastischen Konstante des Materials mit einer damit einhergehenden Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Eine Zunahme der Temperatur bewirkt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit abnimmt, und bewirkt auch, dass die Schichten bezüglich der Dicke zunehmen. Diese beiden Wirkungen tendieren dazu, die Resonanzfrequenz des FBAR zu verringern, was zu dem im vorhergehenden beschriebenen negativen Temperaturkoeffizienten führt. Zum Beispiel betragen die Temperaturkoeffizienten von Aluminiumnitrid (AlN) und Molybdän (Mo), aus denen FBARs derzeit hergestellt werden, etwa –25 ppm/°C bzw. –60 ppm/°C.
Die Beziehung zwischen einem Gesamttemperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz des FBAR und den Temperaturkoeffizienten der Elektroden und des piezoelektrischen Elements des FBAR wird durch die relativen Dicken der Elektroden und des piezoelektrischen Elements bestimmt. Ein FBAR-basierter Duplexer weist ein Empfängerleiterfilter auf, bei dem die FBARs normalerweise relativ dünne Elektroden und ein relativ dickes piezoelektrisches Element aufweisen. Die Resonanzfrequenz derartiger FBARs weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der demjenigen von AlN ähnlich ist, d. h. etwa –25 ppm/°C. Das Senderleiterfilter des FBAR-basierten Duplexers weist normalerweise FBARs mit relativ dicken Elektroden und einem relativ dünnen piezoelektrischen Element auf. Der Temperaturkoeffizient des Molybdäns der Elektroden liefert einen größeren Beitrag zu dem Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz des FBAR. Folglich weist die Resonanzfrequenz derartiger FBARs einen Temperaturkoeffizienten in einem Bereich von etwa –35 ppm/°C bis etwa –40 ppm/°C auf.
Gemäß der Erfindung umfasst der FBAR-Stapel außerdem ein Temperaturkompensationselement, das den Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz des FBAR-Bauelements verringert. Das Temperaturkompensationselement weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem piezoelektrischen Element, das zu dem FBAR-Stapel gehört, entgegengesetzt ist, d. h. das Temperaturkompensationselement weist bei dem obigen Beispiel, bei dem das piezoelektrische Element einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Mit dem Temperaturkompensationselement passt der effektive Temperaturkoeffizient TC_eff des FBAR zu einer ersten Näherung: TC_eff = {(TC_E·t_E) + (TC_P·t_P) + (TC_C·t_C)}/(t_E + t_P + t_C) (1) wobei TC_E der Temperaturkoeffizient des Elektrodenmaterials ist, TC_P der Temperaturkoeffizient des Materials des piezoelektrischen Elements ist, TC_C der Temperaturkoeffizient des Temperaturkompensationselements ist, t_E die Gesamtdicke der Elektroden ist, t_P die Dicke des piezoelektrischen Elements ist, und t_C die Gesamtdicke des Temperaturkompensationselements ist. Die Dicken werden in der Richtung gemessen, in der sich Schall während eines Betriebs des FBAR-Bauelements durch die Elemente ausbreitet. Gleichung (1) gilt für sowohl longitudinale als auch Schermoden einer Ausbreitung. Gleichung (1) ignoriert die Wirkung zweiter Ordnung der akustischen Impedanzen der Elektroden, des piezoelektrischen Elements und des Temperaturkompensationselements auf die Temperaturkompensationswirkung des Temperaturkompensationselements.
Materialien, die eine Ausbreitungsgeschwindigkeit mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, die zur Aufnahme in einen FBAR-Stapel geeignet sind, sind relativ rar, aber es gibt sie. Einige erwünschte Eigenschaften des Temperaturkompensationselements umfassen:

1. Unlöslich oder von Ätzmitteln, die bei Prozessen verwendet werden, die ihrer Aufbringung folgen, nur langsam angegriffen.
2. Eine Erweichungs- und/oder Zersetzungstemperatur über der Aufbringungstemperatur des piezoelektrischen Materials (normalerweise etwa 450°C für AlN), falls dasselbe vor dem piezoelektrischen Element aufgebracht wird, oder ansonsten über der Aufbringungstemperatur des Elektrodenmaterials (normalerweise etwa 300°C für Mo).
3. Fähigkeit, stark an den Materialien der Elektroden und des piezoelektrischen Elements zu haften.
4. Fähigkeit, durch Photolithographie strukturiert zu werden und durch die gleichen Nass- oder Trockenätzmittel wie das Elektrodenmaterial geätzt zu werden.
5. Fähigkeit, in bis zu 1 μm dicken Schichten vakuumaufgebracht oder aufgesputtert zu werden.
6. Eine relativ einfache chemische Zusammensetzung, zum Beispiel eine Binärmetalllegierung oder eine anorganische Binärverbindung.
7. Ein Metalltemperaturkompensationselement weist eine geringe magnetische Permeabilität und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und kann eine gesamte Elektrode oder einen Teil einer Elektrode bilden.
8. Ein isolierendes Temperaturkompensationselement weist einen geringen Verlustfaktor auf.

Vor allem weist bei typischen FBAR-Bauelementen, bei denen die Resonanzfrequenz der FBARs einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Temperaturkompensationselements einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Die 3A und 3B sind eine Grundrissansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels 100 eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung. Das FBAR-Bauelement 100 weist einen FBAR-Stapel auf, der einen FBAR aufweist. Der FBAR ist ein exemplarischer FBAR eines FBAR-Leiterfilters, wie zum Beispiel des Leiterfilters, das in 1 gezeigt ist, oder eine exemplarischer FBAR eines FBAR-Duplexers. Die restlichen FBARs eines derartigen Leiterfilters oder Duplexers bilden auch einen Teil des FBAR-Stapels. Die restlichen FBARs sind jedoch aus den 3A und 3B weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Das FBAR-Bauelement 100 weist einen FBAR-Stapel 111 auf. Der FBAR-Stapel 111 weist einen FBAR 110 und ein Temperaturkompensationselement 109 auf. Der FBAR 110 weist gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Element 116 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden ab. Das Temperaturkompensationselement 109 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements entgegengesetzt ist. Infolge des entgegengesetzten Vorzeichens seines Temperaturkoeffizienten verringert das Temperaturkompensationselement 109 die Wirkung des Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements auf den Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 100. Folglich ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 100 geringer als derjenige eines ähnlichen FBAR-Bauelements ohne das Temperaturkompensationselement.
Bei dem Beispiel, das in 3B gezeigt ist, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus einer Temperaturkompensationsschicht 113, die zwischen der Elektrode 112 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet ist, und einer Temperaturkompensationsschicht 115, die zwischen der Elektrode 114 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet ist, gebildet. Die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 sind jede eine Schicht aus einem Temperaturkompensationsmaterial und weisen einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens den Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements 116 und der Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 entgegengesetzt ist. Ein Verwenden eines Temperaturkompensationsmaterials, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, als das Material der Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 verhindert, dass die Temperaturkompensationsschichten auf unerwünschte Weise die Kopplungskonstante des FBAR 110 verringern. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 100 weisen das piezoelektrische Element und die Elektroden einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, und die Temperaturkompensationsschichten weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Wie derselbe in dieser Offenbarung verwendet wird, ist der Temperaturkoeffizient einer Komponente des FBAR-Stapels 111, zum Beispiel des Temperaturkompensationselements 109, der Temperaturkompensationsschichten 113 und 115, des piezoelektrischen Elements 116 und der Elektroden 112 und 114, der Temperaturkoeffizient eines Parameters der Komponente, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 110 abhängt. Normalerweise ist der Parameter eine Kombination der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in der Komponente und des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Komponente. Der Parameter kann außerdem die akustische Impedanz der Komponente berücksichtigen.
Bei dem gezeigten Beispiel weisen die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115, die das Temperaturkompensationselement 109 bilden, im Wesentlichen die gleiche Form und Größe wie die Elektroden 112 bzw. 114 in einer Ebenen auf, die zu den Hauptoberflächen der Schichten parallel ist. Ebenfalls bei dem gezeigten Beispiel sind die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 neben den Elektroden 112 bzw. 114 angeordnet und sind zwischen der Elektrode 112 und dem piezoelektrischen Element 116 bzw. zwischen der Elektrode 114 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet. Alternativ dazu weisen die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 im Wesentlichen die gleiche Form und Größe wie das piezoelektrische Element 116 auf.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 jeweils auf den bezüglich des piezoelektrischen Elements 116 entgegengesetzten Seiten der Elektrode 112 und der Elektrode 114 angeordnet, wie es in 3C gezeigt ist. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Temperaturkompensationsschichten außerhalb des elektrischen Feldes angeordnet sind, das an das piezoelektrische Element 116 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 112 und 114 angelegt wird, kann das Temperaturkompensationsmaterial der Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Temperaturkompensationselement 109 aus nur einer einzigen Temperaturkompensationsschicht 113 gebildet, wie es in 3D gezeigt ist. Die einzige Temperaturkompensationsschicht 113 weist eine Dicke auf, die gleich der Summe der Dicken der Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 ist, und ist neben der Elektrode 112 angeordnet. Bei dem gezeigten Beispiel ist die einzige Temperaturkompensationsschicht zwischen der Elektrode 112 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet. Ein Verwenden eines Temperaturkompensationsmaterials, das eine hohe bis mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als das Material der Temperaturkompensationsschicht 113 verhindert, dass die Temperaturkompensationsschicht auf unerwünschte Weise die Kopplungskonstante des FBAR 110 verringert. Die einzige Temperaturkompensationsschicht kann alternativ dazu auf der bezüglich des piezoelektrischen Elements 116 entgegengesetzten Seite der Elektrode 112 auf eine Weise angeordnet sein, die derjenigen ähnlich ist, die in 3C gezeigt ist. Das einzige Temperaturkompensationselement kann alternativ dazu neben der Elektrode 114 auf eine beliebige der Arten angeordnet sein, die soeben bezüglich der Elektrode 112 beschrieben wurden.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 3D gezeigt ist, kann die Dicke der Elektrode 114 erhöht werden, um die Symmetrie des FBAR-Bauelements 100 wiederherzustellen. Ein Erhöhen der Dicke der Elektrode 114 erhöht jedoch den Temperaturkoeffizienten, der durch das Temperaturkompensationselement 109 kompensiert werden muss. Eine Bauelementasymmetrie verringert die Kopplungskonstante, aber eine derartige verringerte Kopplungskonstante ist normalerweise akzeptabel.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Temperaturkompensationselement 109 aus einer einzigen Temperaturkompensationsschicht 113 gebildet, die in dem piezoelektrischen Element 116 eingebettet ist, wie es in 3E gezeigt ist. Dies ordnet die Temperaturkompensationsschicht 113 ein Stück innerhalb, zum Beispiel bei der Hälfte, der Dicke des piezoelektrischen Elements 116 an. Das piezoelektrische Element 116 weist zwei Teile 116A und 116B auf, zwischen denen die Temperaturkompensationsschicht 113 angeordnet ist. Ein Verwenden eines Temperaturkompensationsmaterials, das eine hohe bis mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als das Material der Temperaturkompensationsschicht 113 verhindert, dass die Temperaturkompensationsschicht auf unerwünschte Weise die Kopplungskonstante des FBAR 110 verringert.
Das Temperaturkompensationselement 109 liefert normalerweise eine wirksamere Temperaturkompensation bei Ausführungsbeispielen, bei denen dasselbe zwischen den Elektroden 112 und 114 angeordnet ist, als bei Ausführungsbeispielen wie z. B. demjenigen, das in 3C gezeigt ist, bei denen dasselbe an einem anderen Ort angeordnet ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Temperaturkompensationselement 109 aus den Elektroden 112 und 114 gebildet, wie es in 3F gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 112 und 114 einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens demjenigen des piezoelektrischen Elements 116 entgegengesetzt ist. Die Resonanzfrequenz von Ausführungsbeispielen des FBAR 110, bei denen der Temperaturkoeffizient der Elektroden 112 und 114 bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements 116 entgegengesetzt ist, weist einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten als denjenigen von Ausführungsbeispielen auf, bei denen der Temperaturkoeffizient der Elektroden das gleiche Vorzeichen wie derjenige des piezoelektrischen Elements aufweist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Temperaturkompensationselement 109 aus nur einer der Elektroden 112 und 114 gebildet, und das Material der anderen der Elektroden ist ein herkömmliches Elektrodenmaterial. Ein Verwenden eines Temperaturkompensationsmaterials, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, als das Material der Elektroden 112 und 114 verhindert, dass der Widerstand der Elektroden den Reihenwiderstand des FBAR 110 erhöht.
Bei den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen verringert das Temperaturkompensationselement 109 den Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz des FBAR 110. Der positive Temperaturkoeffizient der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Temperaturkompensationselements gleicht zumindest teilweise den negativen Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Elements und der Elektroden aus. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Dicke des Temperaturkompensationselements derart eingestellt, dass der effektive Temperaturkoeffizient des FBAR 110 null ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Dicke des Temperaturkompensationselements derart eingestellt, dass der effektive Temperaturkoeffizient des FBAR 110 negativ bleibt, jedoch wesentlich geringer als der Temperaturkoeffizient eines herkömmlichen FBAR-Bauelements ist, bei dem der FBAR-Stapel 111 kein Temperaturkompensationselement aufweist. Eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des FBAR 110 erhöht entweder den Betriebstemperaturbereich oder die Herstellungsausbeute des FBAR 110 oder beides. Eine nützliche Zunahme der Herstellungsausbeute wird einfach durch ein Verringern des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 110 auf die Hälfte desjenigen des herkömmlichen FBAR-Bauelements erhalten.
Bei dem gezeigten Beispiel weist das FBAR-Bauelement 100 außerdem ein Substrat 102 auf. Ein Hohlraum 104 ist in dem Substrat 102 definiert, und der FBAR-Stapel 111 hängt über dem Hohlraum. Der Hohlraum 104 isoliert den FBAR-Stapel 111 akustisch von dem Substrat 102. Der FBAR-Stapel 111 ist deshalb frei, um ansprechend auf ein elektrisches Signal, das zwischen den Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Der FBAR-Stapel 111 kann alternativ dazu von dem Substrat 102 durch einen akustischen Bragg-Reflektor isoliert sein, wie es von Lakin in dem US-Patent Nr. 6,107,721 offenbart ist. Akustische Bragg-Reflektoren, die aus abwechselnden Metall-Bragg-Schichten und Kunststoff-Bragg-Schichten gebildet sind, die eine akustische Isolation liefern, die mit derjenigen vergleichbar ist, die durch den Hohlraum 104 geliefert wird, wobei nur ein oder zwei Paare von Bragg-Schichten verwendet werden, sind von Larson III et al. in der US-Patentanmeldung Seriennummer 10/969,744 (veröffentlicht als US 2005/104690 A1 ) mit dem Titel Cavity-less Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Devices beschrieben, die an den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist.
Elemente, die in dieser Offenbarung als nebeneinander angeordnet beschrieben sind, kontaktieren einander normalerweise physisch, wie es in 3B gezeigt ist. Nebeneinander angeordnete Elemente können jedoch durch dazwischenliegende Elemente getrennt sein, vorausgesetzt, dass solche dazwischenliegenden Elemente eine vernachlässigbare Wirkung auf die akustischen Eigenschaften der nebeneinander angeordneten Elemente aufweisen.
Das Temperaturkompensationselement 109 bildet einen Teil der akustisch resonanten Struktur des FBAR 110. Um einen FBAR mit einer spezifizierten Resonanzfrequenz zu bilden, ersetzt das Temperaturkompensationselement einen Teil von ein oder mehr der anderen Komponenten, d. h. des piezoelektrischen Elements und der Elektroden, des FBAR. Verfügbare Temperaturkompensationselemente weisen normalerweise elektroakustische Eigenschaften auf, die denjenigen der anderen Komponenten des FBAR unterlegen sind. Zum Beispiel weisen typische Metalltemperaturkompensationselemente einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand auf als typische Elektrodenmaterialien. Folglich hat das Temperaturkompensationselement das Potential, die elektroakustischen Eigenschaften von Ausführungsbeispielen des FBAR 110 relativ zu denjenigen eines ähnlichen herkömmlichen FBAR-Bauelements zu verschlechtern. Die Verschlechterung kann durch eine Verwendung eines Temperaturkompensationsmaterials mit einem großen positiven Temperaturkoeffizienten als das Material des Temperaturkompensationselements minimiert werden, da gemäß Gleichung (1) dies ermöglicht, dass die Dicke des Temperaturkompensationselements minimiert wird. Dies minimiert die Verringerung der Dicken der anderen Komponenten. Ein Minimieren der Dicke des Temperaturkompensationselements minimiert die Wirkung des Temperaturkompensationselements auf die elektroakustischen Eigenschaften des FBAR.
Bei einem Beispiel umfasst ein Empfängerleiterfilter ein Ausführungsbeispiel des FBAR 110, das demjenigen ähnlich ist, das in 3B gezeigt ist, bei dem die Elektroden 112 und 114 jede eine 110 nm dicke Schicht aus Molybdän sind, das piezoelektrische Element 116 eine 1,5 μm dicke Schicht aus Aluminiumnitrid ist, und die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 jede eine 115 nm dicke Schicht aus einem Temperaturkompensationsmaterial sind, das einen Temperaturkoeffizienten von +200 ppm/°C aufweist. Die Temperaturkompensationsschichten 113 und 115 verringern den Temperaturkoeffizienten des FBAR 110 auf null. Die Temperaturkompensationsschichten verringern außerdem die Dickekopplungskonstante k_t ² des FBAR-Bauelements 110 auf etwa 5%. Die Kopplungskonstante charakterisiert den Wirkungsgrad, mit dem der FBAR elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, und sollte möglichst hoch sein. Zum Vergleich weist ein herkömmlicher FBAR mit der gleichen nominalen Resonanzfrequenz ein 2,2 μm dickes piezoelektrisches Element, einen Temperaturkoeffizienten von etwa –25 ppm/°C und eine Dickekopplungskonstante k_t ² von etwa 5,5% auf. Bei einem Ausführungsbeispiel des FBAR 110, bei dem das Temperaturkompensationsmaterial einen niedrigeren positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wären die Temperaturkompensationsschichten dicker als bei dem obigen Beispiel. Derartige dickere Temperaturkompensationsschichten könnten die Kopplungskonstante unter den Pegel verringern, der bei der Empfängerleiterfilteranwendung akzeptabel ist.
Bei einem weiteren Beispiel umfasst ein herkömmliches Senderleiterfilter einen FBAR, bei dem die Elektroden 112 und 114 jede eine 440 nm dicke Schicht aus Molybdän sind, und das piezoelektrische Element 116 eine 760 nm dicke Schicht aus Aluminiumnitrid ist. Senderfilter können auf eine hohe HF-Leistung treffen und benötigen ein zusätzliches Resonanzfrequenzbudget, um die sich ergebende HF-Erhitzung zu berücksichtigen. Senderfilter benötigen normalerweise eine niedrigere effektive Kopplungskonstante, um das spezifizierte Roll-Off zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Elektroden dicker gemacht werden. Dicke Elektroden aus herkömmlichen Elektrodenmaterialien weisen den unerwünschten Effekt eines Erhöhens des Temperaturkoeffizienten des FBAR auf. Gemäß der Erfindung werden die Elektroden jedoch aus dem Temperaturkompensationsmaterial anstelle von Molybdän hergestellt, wie es in 3F gezeigt ist. Dies liefert den doppelten Vorteil eines Verringerns der effektiven Kopplungskonstante und eines Verringerns des Temperaturkoeffizienten des FBAR.
Die obigen Ausführungsbeispiele des FBAR 100 können als ein Beispiel eines akustischen Bauelements betrachtet werden, das einen akustischen Ausbreitungsweg aufweist, der eine ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft aufweist, die einen Temperaturkoeffizienten aufweist. Der Ausbreitungsweg ist aus ein oder mehr akustischen Ausbreitungselementen gebildet. Die akustischen Ausbreitungselemente weisen zusammen einen Temperaturkoeffizienten auf, der den Temperaturkoeffizienten der ausbreitungszeitbezogenen Eigenschaft zumindest teilweise bestimmt. Der Ausbreitungsweg ist außerdem aus einem Temperaturkompensationselement gebildet, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten der akustischen Ausbreitungselemente entgegengesetzt ist. Wie dieselben in dieser Offenbarung verwendet werden, umfassen die Begriffe akustisch und Schall einen viel breiteren Bereich von Schwingungsfrequenzen als den Tonfrequenzbereich.
Bei dem Beispiel, das in 3B gezeigt ist, ist die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft die Resonanzfrequenz des FBAR 110. Der akustische Ausbreitungsweg erstreckt sich von der Elektrode 112 zu der Elektrode 114, und die akustischen Ausbreitungselemente sind die Elektrode 112, die Elektrode 114 und das piezoelektrische Element 116. Die akustischen Ausbreitungselemente weisen zusammen einen Temperaturkoeffizienten auf, der bewirkt, dass die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft des akustischen Ausbreitungswegs einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Ebenfalls in dem akustischen Ausbreitungsweg enthalten ist das Temperaturkompensationselement 109. Das Temperaturkompensationselement 109 weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens demjenigen der akustischen Ausbreitungselemente entgegengesetzt ist. Das Temperaturkompensationselement 109 verringert den Betrag des Temperaturkoeffizienten der ausbreitungszeitbezogenen Eigenschaft des akustischen Ausbreitungswegs. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 3C gezeigt ist, erstreckt sich der akustische Ausbreitungsweg von der Temperaturkompensationsschicht 113 zu der Temperaturkompensationsschicht 115.
Andere Beispiele des im Vorhergehenden beschriebenen akustischen Bauelements umfassen Oberflächenwellen-(SAW-)Filter, Kristallfilter, Gekoppelter-Resonator-Filter und Verzögerungsleitungen.
Die 4A und 4B sind eine Grundrissansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels 200 eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung. Das FBAR-Bauelement 200 ist ein Bandpassfilter, bei dem der FBAR-Stapel aus zwei FBARs und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs gebildet ist. Die FBARs und der akustische Entkoppler bilden einen einzigen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR).
Das FBAR-Bauelement 200 weist einen FBAR-Stapel 211 auf. Der FBAR-Stapel 211 weist den FBAR 110, der im Vorhergehenden beschrieben ist, und ein Temperaturkompensationselement 109 auf. Der FBAR 110 ist ein unterer FBAR in dem FBAR-Stapel. Der FBAR-Stapel 211 weist außerdem einen oberen FBAR 120, der auf den unteren FBAR 110 gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs auf.
Der untere FBAR 110 weist gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Element 116 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 110 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 110 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 112 und 114 ab. Der obere FBAR 120 weist gegenüberliegende planare Elektroden 122 und 124 und ein piezoelektrisches Element 126 zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Element 126 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 120 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 120 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 122 und 124 ab. Das Temperaturkompensationselement 109 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 entgegengesetzt ist.
Infolge des entgegengesetzten Vorzeichens seines Temperaturkoeffizienten verringert das Temperaturkompensationselement 109 die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 und normalerweise außerdem die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der Elektroden 112, 114, 122 und 124 auf den Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 200. Folglich ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 200 geringer als derjenige eines ähnlichen FBAR-Bauelements ohne ein Temperaturkompensationselement.
Bei dem Beispiel, das in 4B gezeigt ist, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus einer Temperaturkompensationsschicht 115, die bei dem FBAR 110 zwischen der Elektrode 114 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet ist, und einer Temperaturkompensationsschicht 123 gebildet, die bei dem FBAR 120 zwischen der Elektrode 122 und dem piezoelektrischen Element 126 angeordnet ist. Die Temperaturkompensationsschichten 115 und 123 sind jede eine Schicht aus dem im Vorhergehenden beschriebenen Temperaturkompensationsmaterial, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens den piezoelektrischen Elementen 116 und 126 entgegengesetzt ist. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 200 weisen die piezoelektrischen Elemente 116 und 126 jedes einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, und das Temperaturkompensationselement weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Alternativ dazu kann das Temperaturkompensationselement 109 aus Temperaturkompensationsschichten gebildet sein, die in dem FBAR-Stapel 211 relativ zu den FBARs 110 und 120 in einer beliebigen der Konfigurationen angeordnet sind, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 3B–3F beschrieben sind. Ein Ausführungsbeispiel des Temperaturkompensationselements 109, bei dem die Temperaturkompensationsschichten 115 und 123 neben der Elektrode 114 des FBAR 110 bzw. der Elektrode 122 des FBAR 120 angeordnet sind, und diese Elektroden 114 und 122 außerdem neben dem akustischen Entkoppler 130 angeordnet sind, wie es in 4B gezeigt ist, ist jedoch normalerweise wirksamer beim Liefern einer Temperaturkompensation als andere Ausführungsbeispiele des Temperaturkompensationselements.
Bei dem FBAR-Bauelement 200 ist der akustische Entkoppler 130 zwischen den FBARs 110 und 120, insbesondere zwischen der Elektrode 114 des FBAR 110 und der Elektrode 122 des FBAR 120 angeordnet. Der akustische Entkoppler steuert die Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Der akustische Entkoppler koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt würde. Bei dem Beispiel, das in 6B gezeigt ist, ist der akustische Entkoppler 130 aus einer akustischen Entkopplungsschicht aus akustischem Entkopplungsmaterial gebildet.
Bei dem gezeigten Beispiel hängt der FBAR-Stapel 211 über einem Hohlraum 104, der in einem Substrat 102 definiert ist. Der Hohlraum 104 isoliert den FBAR-Stapel 211 akustisch von dem Substrat 102. Die akustische Isolation zwischen dem FBAR-Stapel 211 und dem Substrat 102 ermöglicht, dass die FBARs 110 und 120, die den DSBAR 106 bilden, ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen den Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch in Resonanz sind. Die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, geht durch den akustischen Entkoppler 130 in den anderen FBAR. Der FBAR, der die akustische Energie empfängt, wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das zwischen seinen Elektroden geliefert wird. Die elektrische Signalausgabe zwischen den Elektroden des FBAR, der die akustische Energie empfängt, weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die im Wesentlichen frei von unerwünschten störenden Artefakten ist, die sich aus einer unerwünschten akustischen Kopplung zwischen dem FBAR-Stapel 211 und dem Substrat 102 ergeben.
Bei dem gezeigten Beispiel sind die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 mit Anschluss-Anschlussflächen 132 bzw. 134 durch elektrische Bahnen 133 bzw. 135 elektrisch verbunden. Außerdem sind die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 durch elektrische Bahnen 137 und 139 elektrisch mit Anschluss-Anschlussflächen 134 bzw. 138 verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel, das eine elektrische Isolation zwischen Eingang und Ausgang liefert, ist die elektrische Bahn 137 mit einer zusätzlichen Anschluss-Anschlussfläche (nicht gezeigt) anstelle der Anschluss-Anschlussfläche 134 verbunden. Die Anschluss-Anschlussflächen 132, 134 und 138 werden verwendet, um elektrische Verbindungen von dem FBAR-Bauelement 200 zu externen elektrischen Schaltungen (nicht gezeigt) herzustellen.
Bei dem gezeigten Beispiel ist der akustische Entkoppler 130 eine Viertelwellenschicht aus akustischem Entkopplungsmaterial. Die akustische Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials ist geringer als diejenige der Materialien der FBARs 110 und 120 und ist wesentlich größer als diejenige von Luft. Die akustische Impedanz eines Materials ist das Verhältnis von Belastung zu Partikelgeschwindigkeit in dem Material und wird in Rayleighs gemessen, das als rayl abgekürzt wird. Die akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs sind normalerweise größer als 30 Mrayl (35 Mrayl für AlN und 63 Mrayl für Mo), und die akustische Impedanz von Luft beträgt etwa 1 krayl. Bei Ausführungsbeispielen des FBAR-Bauelements 200, bei denen die Materialien der FBARs 110, 120 wie im Vorhergehenden angegeben sind, funktionieren akustische Entkopplungsmaterialien mit einer akustischen Impedanz in dem Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 8 Mrayl gut als das akustische Kopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130.
Eine Viertelwellenschicht weist eine nominale Dicke t auf, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ_n in dem akustischen Entkopplungsmaterial eines akustischen Signals ist, das bezüglich der Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbands des FBAR-Bauelements 200 ist, d. h. t ≈ (2m + 1)λ_n/4, wobei t und λ_n wie im Vorhergehenden definiert sind, und m eine Ganzzahl größer oder gleich null ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Wert der Ganzzahl m null, d. h. t ≈ λ_n/4. Die Frequenzantwort eines Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements 200, das einen akustischen Entkoppler aufweist, bei dem der Wert der Ganzzahl m null ist, weist mit geringerer Wahrscheinlichkeit störende Artefakte auf als ein Ausführungsbeispiel, das einen akustischen Entkoppler aufweist, bei dem der Wert der Ganzzahl m größer als null ist. Die Frequenzantwort des letzteren Ausführungsbeispiels, bei dem der Wert der Ganzzahl m größer als null ist, weist aufgrund der Fähigkeit des dickeren akustischen Entkopplers, mehrere akustische Moden zu unterstützen, mit größerer Wahrscheinlichkeit störende Artefakte auf.
Ausführungsbeispiele des akustischen Entkopplers 130, die sich bezüglich der Dicke von der nominalen Viertelwellendicke um etwa ±10% von λ_n/4 unterscheiden, können alternativ dazu verwendet werden. Eine Dicketoleranz außerhalb dieses Bereichs kann bei einer gewissen Leistungsverschlechterung verwendet werden. Der akustische Entkoppler 130 sollte sich jedoch bezüglich der Dicke erheblich von einem ganzzahligen Vielfachen von λ_n/2 unterscheiden.
Viele Kunststoffmaterialien weisen akustische Impedanzen in dem im Vorhergehenden beschriebenen Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 8 Mrayl auf und können in Schichten gleichmäßiger Dicke in den im Vorhergehenden genannten Dickebereichen aufgebracht werden. Derartige Kunststoffmaterialien sind deshalb potentiell zur Verwendung als das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 geeignet. Das akustische Entkopplungsmaterial muss jedoch auch in der Lage sein, den Temperaturen der Herstellungsoperationen zu widerstehen, die durchgeführt werden, nachdem der akustische Entkoppler 130 hergestellt worden ist. Wie es im Folgenden genauer beschrieben ist, werden bei praktischen Ausführungsbeispielen des FBAR-Bauelements 200 die Elektroden 122 und 124 und die piezoelektrische Schicht 126 durch Sputtern aufgebracht, nachdem der akustische Entkoppler 130 hergestellt worden ist. Temperaturen von bis zu 400°C werden während dieser Aufbringungsprozesse erreicht. Somit wird ein Kunststoff, der bei derartigen Temperaturen stabil bleibt, als das akustische Entkopplungsmaterial verwendet.
Kunststoffmaterialien weisen normalerweise eine sehr hohe akustische Dämpfung pro Einheitslänge verglichen mit den anderen Materialien der FBARs 110 und 120 auf. Da jedoch der akustische Kunststoffentkoppler 130 normalerweise weniger als 1 μm dick ist, z. B. 200 nm dick, ist die akustische Dämpfung, die durch ein derartiges Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 eingeführt wird, normalerweise vernachlässigbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Polyimid als das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 verwendet. Polyimid wird unter dem Warenzeichen Kapton^® von E. I. du Pont de Nemours and Company vertrieben. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist der akustische Entkoppler 130 aus einer Viertelwellenschicht aus Polyimid gebildet, die auf die Elektrode 114 durch Schleuderbeschichtung aufgebracht wird. Polyimid weist eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl auf.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Poly-(Para-Xylylen) als das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 verwendet. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist der akustische Entkoppler 130 aus einer Viertelwellenschicht aus Poly-(Para-Xylylen) gebildet, die durch eine Vakuumaufbringung auf die Elektrode 114 aufgebracht wird. Poly-(Para-Xylylen) ist in der Technik auch als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer Di-Para-Xylylen, aus dem Parylen hergestellt wird, und eine Ausrüstung zum Durchführen einer Vakuumaufbringung von Schichten von Parylen sind von vielen Lieferanten erhältlich. Parylen weist eine akustische Impedanz von etwa 2,8 Mrayl auf.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein vernetztes Polyphenylenpolymer als das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 verwendet. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist der akustische Entkoppler 130 eine Viertelwellenschicht eines vernetzten Polyphenylenpolymers, das durch Schleuderbeschichtung aufgebracht wird. Vernetzte Polyphenylenpolymere wurden als dielektrische Materialen mit einer niedrigen dielektrischen Konstante zur Verwendung bei integrierten Schaltungen entwickelt und bleiben folglich bei den hohen Temperaturen stabil, denen der akustische Entkoppler 130 während der nachfolgenden Herstellung des FBAR 120 ausgesetzt wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass vernetzte Polyphenylenpolymere außerdem eine berechnete akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweisen. Die akustische Impedanz liegt in dem Bereich von akustischen Impedanzen, der dem FBAR-Bauelement 200 eine nützliche Durchlassbandbreite liefert.
Vorläuferlösungen, die verschiedene Oligomere enthalten, die sich polymerisieren, um jeweilige vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden unter dem Warenzeichen SiLK von The Dow Chemical Company, Midland, MI, vertrieben. Die Vorläuferlösungen werden durch Schleuderbeschichtung aufgebracht. Das vernetzte Polyphenylenpolymer, das von einer dieser Vorläuferlösungen erhalten wird, die als SiLK^TM J bezeichnet wird, die außerdem einen Haftungspromotor enthält, weist eine berechnete akustische Impedanz von 2,1 Mrayl, d. h. etwa 2 Mrayl auf.
Die Oligomere, die sich polymerisieren, um vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden aus Biscyclopentadienon und aromatisches Acetylen enthaltenden Monomeren hergestellt. Ein Verwenden derartiger Monomere bildet lösliche Oligomere ohne die Notwendigkeit einer unangemessenen Substitution. Die Vorläuferlösung enthält ein spezifisches Oligomer, das in Gammabutyrolacton- und Cyclohexanon-Lösungsmitteln aufgelöst ist. Der Anteil des Oligomers in der Vorläuferlösung bestimmt die Schichtdicke, wenn die Vorläuferlösung aufgeschleudert wird. Nach der Aufbringung verdampft ein Anwenden von Hitze die Lösungsmittel, härtet dann das Oligomer, um ein vernetztes Polymer zu bilden. Die Biscyclopentadienone reagieren mit den Acetylenen in einer 4 + 2-Cycloadditionsreaktion, die einen neuen aromatischen Ring bildet. Ein weiteres Härten führt zu dem vernetzten Polyphenylenpolymer. Die im Vorhergehenden beschriebenen vernetzten Polyphenylenpolymere sind von Godschalx u. a. in dem US-Patent Nr. 5,965,679 offenbart. Zusätzliche praktische Details sind von Martin u. a., Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect, 12 ADVANCED MATERIALS, 1769 (2000), beschrieben. Verglichen mit Polyimid weisen vernetzte Polyphenylenpolymere eine niedrigere akustische Impedanz, eine niedrigere akustische Dämpfung und eine niedrigere dielektrische Konstante auf. Außerdem ist eine aufgeschleuderte Schicht der Vorläuferlösung in der Lage, einen qualitativ hochwertigen Film des vernetzten Polyphenylenpolymers mit einer Dicke der Größenordnung von 200 nm zu erzeugen, wobei es sich um eine typische Dicke des akustischen Entkopplers 130 handelt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der akustische Entkoppler 130 aus akustischen Entkopplungsschichten (nicht gezeigt) aus akustischen Entkopplungsmaterialien gebildet, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wie es in der US-Patentanmeldung Seriennummer 10/965,449 (veröffentlicht als US 2005/0093658 A1 ) von John D. Larson III und Stephen Ellis mit dem Titel Pass Bandwidth Control in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices beschrieben ist. Die akustischen Impedanzen und Dicken der akustischen Entkopplungsschichten definieren zusammen die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers 130. Die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers definiert wiederum die Durchlassbandbreite des FBAR-Bauelements 200. Das Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130, der aus akustischen Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien gebildet ist, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, ist strukturiert, um eine nominale Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 Radian bei einem akustischen Signal zu bewirken, das bezüglich der Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR-Bauelements 200 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der akustische Entkoppler strukturiert, um eine nominale Phasenänderung von π/2 Radian bei einem akustischen Signal zu bewirken, das bezüglich der Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist. Diese Phasenänderung ist gleich der nominalen Phasenänderung, die durch einen akustischen Entkoppler bewirkt wird, der aus einer einzigen Schicht aus akustischem Entkopplungsmaterial gebildet ist, die eine nominale Dicke aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem akustischen Entkopplungsmaterial eines akustischen Signals ist, das bezüglich der Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist.
Bei einem Beispiel war der akustische Entkoppler 130 aus einer akustischen Entkopplungsschicht aus einem vernetzten Polyphenylenpolymer, das eine akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweist, auf einer akustischen Entkopplungsschicht aus Polyimid, das eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl aufweist, gebildet. Ein derartiger akustischer Entkoppler liefert ein Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 200 mit einer Durchlassbandbreite, die zwischen den Durchlassbandbreiten von Ausführungsbeispielen liegt, bei denen die akustischen Entkoppler aus einer einzigen Viertelwellenschicht aus Polyimid oder einer einzigen Viertelwellenschicht aus dem vernetzen Polyphenylenpolymer gebildet sind.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die akustische Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials des akustischen Entkopplers 130 wesentlich größer als diejenige der Materialien der FBARs 110 und 120. Keine akustischen Entkopplungsmaterialien, die diese Eigenschaft aufweisen, sind derzeit bekannt, es kann jedoch sein, dass derartige Materialien in Zukunft verfügbar werden. Alternativ dazu kann es sein, dass FBAR-Materialien mit geringeren akustischen Impedanzen in Zukunft verfügbar werden. Die Dicke eines akustischen Entkopplers 130 aus einem derartigen akustischen Entkopplungsmaterial hoher akustischer Impedanz ist wie im Vorhergehenden beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist der akustische Entkoppler 130 als eine Bragg-Struktur strukturiert, die aus einem Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz gebildet ist, das sandwichartig zwischen Bragg-Elementen hoher akustischer Impedanz angeordnet ist. Das Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz ist eine Schicht aus einem Material niedriger akustischer Impedanz, wohingegen die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz jedes eine Schicht aus Material hoher akustischer Impedanz sind. Die akustischen Impedanzen der Bragg-Elemente sind als „niedrig” und „hoch” mit Bezug aufeinander und außerdem mit Bezug auf die akustische Impedanz des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 charakterisiert. Zumindest eines der Bragg-Elemente weist außerdem einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand und eine niedrige dielektrische Permittivität auf, um eine elektrische Isolation zwischen Eingang und Ausgang des FBAR-Bauelements 200 zu liefern.
Jede der Schichten, die das Bragg-Element bilden, ist nominal eine Viertelwellenschicht. Schichten, die sich von der nominalen Viertelwellendicke um etwa ±10% eines Viertels der Wellenlänge unterscheiden, können alternativ dazu verwendet werden. Eine Dicketoleranz außerhalb dieses Bereichs kann bei einer gewissen Leistungsverschlechterung verwendet werden, aber die Dicke der Schichten sollte sich wesentlich von einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge unterscheiden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), das eine akustische Impedanz von etwa 13 Mrayl aufweist, und jedes der Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz ist eine Schicht aus dem gleichen Material wie die Elektroden 114 und 122, z. B. Molybdän, das eine akustische Impedanz von etwa 63 Mrayl aufweist. Ein Verwenden des gleichen Materials für die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz und die Elektroden der FBARs 110 und 120 ermöglicht, dass die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zusätzlich als die Elektroden der FBARs dienen, die benachbart zu den akustischen Kopplungselementen sind.
5A ist eine Grundrissansicht eines dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels 300 eines FBAR-Bauelements gemäß der Erfindung. Das FBAR-Bauelement 300 ist ein akustisch gekoppelter Filmtransformator (FACT), bei dem der FBAR-Stapel aus vier FBARs gebildet ist, die als zwei entkoppelte gestapelte akustische Volumenresonatoren (DSBARs) angeordnet sind. Die 5B und 5C sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 5B-5B bzw. 5C-5C in 5A. 5D ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des Beispiels des FACT 300, der in 5A gezeigt und im Folgenden beschrieben ist.
Das FBAR-Bauelement 300 weist einen FBAR-Stapel 311 auf. Der FBAR-Stapel 311 weist einen FBAR 110, der im Vorhergehenden beschrieben ist, und ein Temperaturkompensationselement 109 auf. Der FBAR 110 ist ein unterer FBAR in dem FBAR-Stapel. Der FBAR-Stapel 311 weist außerdem einen oberen FBAR 120, der auf den unteren FBAR 110 gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs 110 und 120 auf. Der FBAR 110, der FBAR 120 und der akustische Entkoppler 130 bilden den im Vorhergehenden beschriebenen DSBAR 106. Der FBAR-Stapel 311 weist außerdem einen zweiten DSBAR 108 auf, der aus einem unteren FBAR 150, einem oberen FBAR 160, der auf den unteren FBAR 150 gestapelt ist, und einem akustischen Entkoppler 170 zwischen den FBARs 150 und 160 gebildet ist. FBAR 110 weist gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden auf.
Der FACT 300 ist außerdem aus einer elektrischen Schaltung, die die unteren FBARs 110 und 150 der DSBARs 106 bzw. 108 verbindet, und einer elektrischen Schaltung, die die oberen FBARs 120 und 160 der DSBARs 106 bzw. 108 verbindet, gebildet. 5D zeigt ein Beispiel, bei dem eine elektrische Schaltung 141 den unteren FBAR 110 des DSBAR 106 und den unteren FBAR 150 des DSBAR 108 antiparallel schaltet und eine elektrische Schaltung 142 den oberen FBAR 120 des DSBAR 106 und den oberen FBAR 160 des DSBAR 108 in Reihe schaltet.
Bei dem DSBAR 106 ist der untere FBAR 110 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden gebildet. Das piezoelektrische Element 116 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 110 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 110 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 112 und 114 ab. Der obere FBAR 120 ist aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einem piezoelektrischen Element 126 zwischen den Elektroden gebildet. Der obere FBAR 120 weist gegenüberliegende planare Elektroden 122 und 124 und ein piezoelektrisches Element 126 zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Element 126 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 120 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 120 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 122 und 124 ab. Das Temperaturkompensationselement 109 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 entgegengesetzt ist.
Bei dem DSBAR 108 ist der untere FBAR 150 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 152 und 154 und einem piezoelektrischen Element 156 zwischen den Elektroden gebildet. Das piezoelektrische Element 156 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 150 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 150 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 152 und 154 ab. Der obere FBAR 160 ist aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 162 und 164 und einem piezoelektrischen Element 166 zwischen den Elektroden gebildet. Das piezoelektrische Element 166 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des FBAR 160 zumindest teilweise abhängt. Die Resonanzfrequenz des FBAR 160 hängt normalerweise außerdem von dem Temperaturkoeffizienten der Elektroden 162 und 164 ab. Das Temperaturkompensationselement 109 weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Elemente 156 und 166 entgegengesetzt ist.
Infolge des entgegengesetzten Vorzeichens seines Temperaturkoeffizienten verringert das Temperaturkompensationselement 109 die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Elemente 116, 126, 156 und 166 und normalerweise außerdem die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der Elektroden 112, 114, 122, 124, 152, 154, 162 und 166 auf den Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 300. Folglich ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 300 geringer als derjenige eines ähnlichen FBAR-Bauelements ohne ein Temperaturkompensationselement.
Bei dem Beispiel, das in 5B gezeigt ist, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus einer Temperaturkompensationsschicht 115, die bei dem FBAR 110 zwischen der Elektrode 114 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet ist, einer Temperaturkompensationsschicht 123, die bei dem FBAR 120 zwischen der Elektrode 122 und dem piezoelektrischen Element 126 angeordnet ist, einer Temperaturkompensationsschicht 155, die bei dem FBAR 150 zwischen der Elektrode 154 und dem piezoelektrischen Element 156 angeordnet ist, und einer Temperaturkompensationsschicht 163, die bei dem FBAR 160 zwischen der Elektrode 162 und dem piezoelektrischen Element 166 angeordnet ist, gebildet. Die Temperaturkompensationsschichten 115, 123, 155 und 163 sind jede eine Schicht aus dem im Vorhergehenden beschriebenen Temperaturkompensationsmaterial, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens demjenigen der piezoelektrischen Elemente 116, 126, 156 und 166 entgegengesetzt ist. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 300 weisen die piezoelektrischen Elemente 116, 126, 156 und 166 jedes einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, und das Temperaturkompensationselement weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Alternativ dazu kann das Temperaturkompensationselement 109 aus Temperaturkompensationsschichten gebildet sein, die in dem FBAR-Stapel 311 relativ zu den FBARs 110, 120, 150 und 160 in einer beliebigen der Konfigurationen angeordnet sind, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 3B–3F beschrieben sind. Ein Ausführungsbeispiel des Temperaturkompensationselements 109, bei dem die Temperaturkompensationsschichten 115 und 123 neben der Elektrode 114 des FBAR 110 bzw. der Elektrode 122 des FBAR 120 angeordnet sind, und die Elektroden 114 und 122 außerdem neben dem akustischen Entkoppler 130 angeordnet sind, und bei dem die Temperaturkompensationsschichten 155 und 163 neben der Elektrode 154 des FBAR 150 bzw. der Elektrode 162 des FBAR 160 angeordnet sind, und die Elektroden 154 und 162 außerdem neben dem akustischen Entkoppler 170 angeordnet sind, wie es in 5B gezeigt ist, ist jedoch normalerweise wirksamer beim Liefern einer Temperaturkompensation als andere Ausführungsbeispiele des Temperaturkompensationselements.
Bei dem FACT 300 ist der akustische Entkoppler 130 des DSBAR 106 zwischen dem unteren FBAR 110 und dem oberen FBAR 120 angeordnet; insbesondere zwischen der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 und der Elektrode 122 des oberen FBAR 120. Der akustische Entkoppler 130 steuert die Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Der akustische Entkoppler 130 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 110 und 120 als gekoppelt würde, wenn die FBARs sich in direktem Kontakt miteinander befänden, wie es bei einem herkömmlichen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR) der Fall wäre. Außerdem ist der akustische Entkoppler 170 des DSBAR 108 zwischen den FBARs 150 und 160 angeordnet; insbesondere zwischen der Elektrode 154 des unteren FBAR 150 und der Elektrode 162 des oberen FBAR 160. Der akustische Entkoppler 170 steuert die Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 150 und 160. Der akustische Entkoppler 170 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 150 und 160 als gekoppelt würde, wenn die FBARs sich in direktem Kontakt miteinander befänden. Die Kopplung von akustischer Energie, die durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 definiert ist, bestimmt die Durchlassbandbreite des FACT 300.
Bei dem Beispiel, das in den 5A–5C gezeigt ist, sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweilige Teile einer akustischen Entkopplungsschicht 131. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeder aus akustischen Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialen gebildet, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wie es in der internationalen Patentanmeldung WO 2005/043753 A1 von John D. Larson et al. mit dem Titel Pass Bandwidth Control in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices beschrieben ist, die an den Anmelder dieser Offenbarung übertragen ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 strukturell unabhängig.
5D zeigt schematisch ein Beispiel der elektrischen Schaltungen, die die DSBARs 106 und 108 verbinden und die DSBARs 106 und 108 mit externen elektrischen Schaltungen (nicht gezeigt) verbinden. Die elektrische Schaltung 141 verbindet die unteren FBARs 110 und 150 antiparallel und mit Signalanschluss 143 und Masseanschluss 144. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in den 5A–5C gezeigt ist, liefert eine Anschluss-Anschlussfläche 138 den Signalanschluss 143, und Anschluss-Anschlussflächen 132 und 172 liefern den Masseanschluss 144. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 141 durch eine elektrische Bahn 133, die sich von der Anschluss-Anschlussfläche 132 zu der Elektrode 112 des FBAR 110 erstreckt, eine elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 114 des FBAR 110 zu einer Zwischenverbindungsanschlussfläche 136 in elektrischem Kontakt mit einer Zwischenverbindungsanschlussfläche 176 erstreckt, eine elektrische Bahn 139, die sich von der Zwischenverbindungsanschlussfläche 176 zu einer Signalanschlussfläche 138 erstreckt, eine elektrische Bahn 177, die sich von der Zwischenverbindungsanschlussfläche 176 zu der Elektrode 152 des FBAR 150 erstreckt, eine elektrische Bahn 173, die sich von der Elektrode 154 des FBAR 150 zu der Anschluss-Anschlussfläche 172 erstreckt, und eine elektrische Bahn 167, die die Anschluss-Anschlussflächen 132 und 172 verbindet, geliefert.
Bei dem exemplarischen elektrischen Schema, das in 5D gezeigt ist, verbindet die elektrische Schaltung 142 die oberen FBARs 120 und 160 in Reihe und mit Signalanschlüssen 145 und 146 und mit einem optionalen Mittelabgriffanschluss 147. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in den 5A–5C gezeigt ist, liefern Anschluss-Anschlussflächen 134 und 174 Signalanschlussflächen 145 und 146, und eine Anschluss-Anschlussfläche 178 liefert den Mittelabgriffanschluss 147. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 142 durch eine elektrische Bahn 135, die sich von der Anschluss-Anschlussfläche 134 zu der Elektrode 124 des FBAR 120 erstreckt, eine elektrische Bahn 171, die sich von der Elektrode 122 des FBAR 120 zu der Elektrode 162 des FBAR 160 erstreckt, eine elektrische Bahn 179, die sich von der Bahn 171 zu dem Mittelabgriff 137 erstreckt, und eine elektrische Bahn 175, die sich von der Elektrode 164 des FBAR 160 zu der Anschluss-Anschlussfläche 174 erstreckt, geliefert. Ebenfalls gezeigt sind Anschluss-Anschlussflächen 163 und 168, die durch eine elektrische Bahn 169 verbunden sind, die lokale Massen für die Anschluss-Anschlussflächen 134 und 174 liefern. Bei dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die elektrische Bahn 169 außerdem zu der Anschluss-Anschlussfläche 178. Bei anderen Beispielen wird die Anschluss-Anschlussfläche 178 floatend gelassen.
Die elektrischen Verbindungen, die in 5D exemplarisch dargestellt sind, liefern einen FACT mit einer symmetrischen Primärwicklung und einem 4:1-Impedanzwandlungsverhältnis oder einen FACT mit einer symmetrischen Sekundärwicklung und einem 1:4-Impedanzwandlungsverhältnis. Die unteren FBARs können alternativ parallel, in Reihe und in Antireihe verbunden sein, und die oberen FBARs können alternativ parallel, antiparallel und in Antireihe verbunden sein, um andere Impedanzwandlungsverhältnisse zu erreichen, wie es in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist.

Parallel Reihe Antiparallel Anti-Reihe

Parallel U 1:1 NIEDRIG X X U 1:4

Reihe X B 1:1 HOCH B 4:1 X

Antiparallel X B 1:4 B 1:1 NIEDRIG X

Anti-Reihe U 4:1 X X U 1:1 HOCH

Tabelle 1
In Tabelle 1 zeigen die Zeilenüberschriften die Konfiguration der elektrischen Schaltung 141 an, die Spaltenüberschriften zeigen die Konfiguration der elektrischen Schaltung 142 an, B zeigt an, dass der FACT elektrisch symmetrisch ist, U zeigt an, dass der FACT unsymmetrisch ist, und X bezeichnet einen nicht funktionierenden FACT. Das gezeigte Impedanzwandlungsverhältnis ist die Impedanzwandlung von der Konfiguration der elektrischen Schaltung 141, die durch die Zeilenüberschrift angezeigt ist, zu der Konfiguration der elektrischen Schaltung 142, die durch die Spaltenüberschrift angezeigt ist. Bei den Konfigurationen, die ein 1:1-Impedanzwandlungsverhältnis aufweisen, bezeichnet NIEDRIG, dass der FACT eine niedrige Impedanz aufweist, äquivalent zu derjenigen von zwei parallelen FBARs, und HOCH zeigt an, dass der FACT eine hohe Impedanz aufweist, äquivalent zu derjenigen von zwei FBARs in Reihe.
Bei Ausführungsbeispielen der FBAR-Bauelemente 100, 200 und 300, die im Vorhergehenden beschrieben sind, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus ein oder mehr Temperaturkompensationsschichten aus einer Niobium-Kobalt-Legierung gebildet. In Anomalous Temperature Dependence of Elastic Constants in Nb-Mo Alloys, 39 PHYS. LETT., 261–262 (1972) berichten W. C. Hubbell et al. Daten, aus denen der Erfinder einen positiven Temperaturkoeffizienten einer Ausbreitungsgeschwindigkeit für eine Schermode von etwa 300 ppm/°C für eine Legierung mit einem 34%-Molybdänanteil berechnet hat. Longitudinale Moden weisen normalerweise einen niedrigeren positiven Temperaturkoeffizienten einer Ausbreitungsgeschwindigkeit auf. Legierungen mit einem Molybdänanteil in dem Bereich von etwa 17% bis etwa 51% sollten ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, und Legierungen mit einem Molybdänanteil in dem Bereich von etwa 32% bis etwa 36% sollten einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Wie es im Vorhergehenden erwähnt ist, ermöglicht ein hoher positiver Temperaturkoeffizient, dass ein relativ dünnes Temperaturkompensationselement eine nützliche Verringerung des Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements liefert. Die Dicke des Temperaturkompensationselements wird unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet, um einen gewünschten Temperaturkoeffizienten zu erhalten, der kleiner als der Temperaturkoeffizient eines ähnlichen FBAR-Bauelements ohne ein Temperaturkompensationselement ist.
Eine derartige Niobium-Molybdän-Legierung kann durch Sputtern von einem Target der Legierung oder durch eine Co-Aufdampfung von einem Tiegel von Niobium und einem Tiegel von Molybdän aufgebracht werden. Die Legierung wird durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert.
Bei Ausführungsbeispielen der FBAR-Bauelemente 100, 200 und 300, die im Vorhergehenden beschrieben sind, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus ein oder mehr Temperaturkompensationsschichten aus einer Kobalt-Palladium-Legierung gebildet. In Thermal Expansion Coefficient and the Temperature Coefficient of Young's Modulus of Cobalt and Palladium Alloys, 11 TRANS. JPN. INST. OF METALS, 91–93 (1970), berichten H. Masumoto et al. Daten, aus denen der Erfinder einen positiven Temperaturkoeffizienten einer Ausbreitungsgeschwindigkeit für longitudinale Moden von etwa 300 ppm/°C für eine Legierung mit einem 94%-Palladiumanteil berechnet hat. Legierungen mit einem Palladiumanteil in dem Bereich von etwa 92% bis etwa 96% sollten ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, und Legierungen mit einem Palladiumanteil in dem Bereich von etwa 93% bis etwa 95% sollten einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die Vorteile eines derartigen hohen positiven Temperaturkoeffizienten sind im Vorhergehenden beschrieben.
Eine derartige Kobalt-Palladium-Legierung kann durch Sputtern von einem Target der Legierung oder durch Co-Aufdampfung von einem Tiegel von Kobalt und einem Tiegel von Palladium aufgebracht werden. Die Legierung wird durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert.
Bei Ausführungsbeispielen der FBAR-Bauelemente 100, 200 und 300, die im Vorhergehenden beschrieben sind, ist das Temperaturkompensationselement 109 aus ein oder mehr Temperaturkompensationsschichten aus einem ferroelektrischen Material gebildet. Ferroelektrische Materialien sind normalerweise elektrisch isolierend.
Bleinickelniobat ist ein ferroelektrisches Material mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten. In Brillouin and Dielectric Studies of the Phase Transition in the Relaxor Ferroelectric Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃, 91 J. APPL. PHYS., 2262–2266 (2002), berichten Fan et al. Daten, die einen positiven Temperaturkoeffizienten von 371 ppm/°C für Bleinickelniobat mit einem Nickelanteil von etwa einem Drittel nahelegen. Die Vorteile eines derartigen hohen positiven Temperaturkoeffizienten sind im Vorhergehenden beschrieben.
Ein derartiges Bleinickelniobat kann durch Sputtern unter Verwendung eines Targets von PBNiNbO3 oder von Targets von Zwischenoxiden aufgebracht werden. Bleinickelniobat wird durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert.
Ein weiteres verwendbares ferroelektrisches Material ist Nephelin ((KAlSiO₄)(NaAlSiO₄)₃). In Elastic and Thermoelastic Constants of Nepheline, 46 J. APPL. PHYS., 4339–4340 (1975) berichten L. J. Bonczar et al., dass die elastischen Konstanten von Nephelin einen positiven Temperaturkoeffizienten von 25 ppm/°C aufweisen. Nephelin kann durch Sputtern aufgebracht werden und durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert werden.
Ein weiteres verwendbares ferroelektrisches Material ist Zirkoniumwolframat (ZrW₂O₈). In Origin of Negative Thermal Expansion In Cubic ZrW₂O₈ Revealed by High Pressure Inelastic Neutron Scattering, 86 PHYS. REV. LETT., 4692–4895 (2001), offenbaren R. Mittel et al. ein Material, das einen linearen Koeffizienten einer thermischen Ausdehnung von –27 ppm/°C aufweist. Dieser negative Ausdehnungskoeffizient legt nahe, dass das Material einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz erzeugt, wenn dasselbe als das Material des Temperaturkompensationselements 109 verwendet wird. Zirkoniumwolframat kann durch Sputtern aufgebracht werden und durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert werden.
Eine Herstellung im Wafermaßstab wird verwendet, um Tausende von FBAR-Bauelementen, die den im Vorhergehenden beschriebenen FBAR-Bauelementen 100, 200 oder 300 ähnlich sind, gleichzeitig herzustellen. Eine derartige Herstellung im Wafermaßstab macht es kostengünstig, die FBAR-Bauelemente herzustellen. Ein Beispiel des Herstellungsverfahrens, das verwendet wird, um ein Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 200, das im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben ist, herzustellen, wird anschließend unter Bezugnahme auf die Grundrissansichten der 6A–6J und die Querschnittsansichten der 6K–6T beschrieben. Mit unterschiedlichen Masken kann der Prozess auch verwendet werden, um Ausführungsbeispiele der FBAR-Bauelemente 100 und 300 herzustellen. Das Durchlassband des Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements 200, dessen Herstellung beschrieben wird, weist eine nominale Mittenfrequenz von etwa 1,9 GHz auf. Ausführungsbeispiele zum Betrieb bei anderen Frequenzen sind in ihrer Struktur und Herstellung ähnlich, weisen jedoch Dicken und laterale Abmessungen auf, die sich von denjenigen unterscheiden, die im folgenden exemplarisch dargestellt sind. Das Beispiel des FBAR-Bauelements 200, dessen Herstellung im Folgenden beschrieben wird, weist ein Temperaturkompensationselement auf, das in seiner Struktur dem Temperaturkompensationselement 109 ähnlich ist, das im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben ist. Der beschriebene Prozess kann modifiziert werden, um das Temperaturkompensationselement 109 mit Konfigurationen herzustellen, die denjenigen ähnlich sind, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 3C–3F beschrieben sind.
Ein Wafer aus Einkristallsilizium wird bereitgestellt. Ein Abschnitt des Wafers bildet für jedes FBAR-Bauelement, das hergestellt wird, ein Substrat, das dem Substrat 102 des FBAR-Bauelements 200 entspricht. Die 6A–6J und die 6K–6T veranschaulichen die Herstellung des FBAR-Bauelements 200 in und an einem Abschnitt des Wafers, der das Substrat 102 bildet, und die folgende Beschreibung beschreibt dieselbe. Wenn das FBAR-Bauelement 200 hergestellt wird, werden die restlichen FBAR-Bauelemente an dem Wafer auf ähnliche Weise hergestellt.
Der Wafer wird selektiv nassgeätzt, um einen Hohlraum 104 an dem Ort jedes FBAR-Bauelements zu bilden, wie es in den 6A und 6K gezeigt ist. Eine Schicht aus Füllmaterial (nicht gezeigt) wird auf die Oberfläche des Wafers mit einer Dicke aufgebracht, die ausreichend ist, um jeden Hohlraum zu füllen. Die Oberfläche des Wafers wird dann planarisiert, was jeden Hohlraum mit Füllmaterial gefüllt zurücklässt. Die 6A und 6K zeigen den Hohlraum 104 in dem Substrat 102 mit Füllmaterial 105 gefüllt.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Füllmaterial Phosphorsilikatglas (PSG) und wurde unter Verwendung einer herkömmlichen chemischen Niederdruckdampfaufbringung (LPCVD) aufgebracht. Das Füllmaterial kann alternativ dazu durch Sputtern oder durch Schleuderbeschichtung aufgebracht werden.
Als eine Alternative zum Bilden und Füllen des Hohlraums 104 mit Füllmaterial 105 werden abwechselnde Bragg-Schichten aus Metall und Kunststoff auf die Oberfläche des Wafers 102 aufgebracht und werden strukturiert, um einen akustischen Bragg-Reflektor zu definieren, wie es durch Larson III et al. in der US-Patentanmeldung Seriennummer 10/969,744 (veröffentlicht als US 2005/104690 A1 ) mit dem Titel Cavity-less Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Devices beschrieben ist, die an den Anmelder dieser Offenbarung übertragen ist.
Eine erste Metallschicht wird auf die Hauptoberfläche des Substrats 102 und das Füllmaterial 105 aufgebracht. Die erste Metallschicht wird strukturiert, wie es in den 6B und 6L gezeigt ist, um die Elektrode 112, die Anschluss-Anschlussfläche 132 und die elektrische Bahn 133, die sich zwischen der Elektrode 112 und der Anschluss-Anschlussfläche 132 erstreckt, zu definieren.
Die Elektrode 112 weist normalerweise eine asymmetrische Form in einer Ebene auf, die zu der Hauptoberfläche des Wafers parallel ist. Eine asymmetrische Form minimiert laterale Moden bei dem FBAR 110 (4B), zu dem die Elektrode 112 gehört. Dies ist in dem US-Patent Nr. 6,215,375 von Larson III et al. beschrieben. Die Elektrode 112 lässt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freiliegend, so dass das Füllmaterial später durch ein Ätzen entfernt werden kann, wie es im Folgenden beschrieben ist.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 4B wird die Elektrode 114 in einer zweiten Metallschicht definiert, die Elektrode 122 wird in einer dritten Metallschicht definiert, und die Elektrode 124 wird in einer vierten Metallschicht definiert, wie es im Folgenden im Detail beschrieben ist. Die Metallschichten, in denen die Elektroden definiert sind, werden derart strukturiert, dass in jeweiligen Ebenen, die zu der Hauptoberfläche des Wafers parallel sind, die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, und die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen. Normalerweise weisen die Elektroden 114 und 122 außerdem die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Material jeder der Metallschichten Molybdän, das durch Sputtern mit einer Dicke von etwa 300 nm aufgebracht wurde. Die Metallschichten wurden jede durch Trockenätzen strukturiert. Die Elektroden, die in jeder der Metallschichten definiert sind, waren fünfeckig, jede mit einer Fläche von etwa 12000 Quadratmikrometern. Andere Elektrodenflächen ergeben andere charakteristische Impedanzen. Andere hochschmelzende Metalle, wie zum Beispiel Wolfram, Niobium und Titan, können alternativ als das Material der Metallschichten verwendet werden. Die Metallschichten können jede alternativ dazu Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Ein Faktor, der beim Auswählen des Materials der Elektroden des FBAR-Bauelements 300 zu berücksichtigen ist, sind die akustischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials: Die akustischen Eigenschaften der ein oder mehr Materialien der restlichen Metallteile des FBAR-Bauelements sind weniger wichtig als andere Eigenschaften, wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit. Somit können ein oder mehr Materialien der restlichen Metallteile des FBAR-Bauelements 300 sich von dem Material der Elektroden unterscheiden.
Eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und wird strukturiert, wie es in den 6C und 6M gezeigt ist, um das piezoelektrische Element 116 zu definieren. Die piezoelektrische Schicht wird strukturiert, um die Elektrode 112 zu bedecken, jedoch die Anschluss-Anschlussfläche 132 und einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freizulegen. Andere Abschnitte des piezoelektrischen Elements 116 erstrecken sich über das Substrat 102 außerhalb des Hohlraums 104.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das piezoelektrische Material, das aufgebracht wurde, um das piezoelektrische Element 116 und das piezoelektrische Element 126, die im Folgenden beschrieben sind, zu bilden, Aluminiumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 1,4 μm durch Sputtern aufgebracht. Das piezoelektrische Material wurde durch Nassätzen in Kaliumhydroxid oder durch ein chlorbasiertes Trockenätzen strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrischen Elemente 116 und 126 umfassen Zinkoxid, Kadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien, wie zum Beispiel ferroelektrische Perowskit-Materialien, einschließlich Bleizirkoniumtitanat, Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
Eine erste Schicht aus Temperaturkompensationsmaterial wird aufgebracht und wird strukturiert, wie es in den 6D und 6N gezeigt ist, um die Temperaturkompensationsschicht 115 zu definieren, die einen Teil des Temperaturkompensationselements 109 bildet. Das Temperaturkompensationsmaterial wird strukturiert, um die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position wie die Elektrode 112 aufzuweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Material der ersten Schicht aus Temperaturkompensationsmaterial und der zweiten Schicht aus Temperaturkompensationsmaterial, deren Aufbringung im Folgenden beschrieben wird, eine Palladium-Kobalt-Legierung mit einem Palladiumanteil von etwa 94%. Das Temperaturkompensationsmaterial wurde durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen strukturiert. Die Schichtdicke hing von dem gewünschten Temperaturkoeffizienten des FBAR-Bauelements 200 (4A) ab.
Die zweite Metallschicht wird aufgebracht und wird strukturiert, um die Elektrode 114, die Anschluss-Anschlussfläche 134 und die elektrische Bahn 135, die sich zwischen der Elektrode 114 und der Anschluss-Anschlussfläche 134 erstreckt, zu definieren, wie es in den 6E und 6O gezeigt ist. Dies schließt die Herstellung des FBAR 110 ab.
Eine Schicht aus akustischem Entkopplungsmaterial wird dann aufgebracht und wird strukturiert, um den akustischen Entkoppler 130 zu definieren, wie es in den 6F und 6P gezeigt ist. Der akustische Entkoppler 130 wird strukturiert, um zumindest die Elektrode 114 zu bedecken, und wird außerdem strukturiert, um die Anschluss-Anschlussflächen 132 und 134 und einen Teil des Füllmaterials 105 freizulegen. Der akustische Entkoppler ist normalerweise eine Viertelwellenschicht aus Kunststoffmaterial.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 Polyimid mit einer Dicke von etwa 200 nm, d. h. ein Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid. Das Polyimid wurde durch Schleuderbeschichtung aufgebracht und wurde durch Photolithographie strukturiert. Polyimid ist photoempfindlich, so dass kein Photoresist benötigt wird. Wie es im Vorhergehenden erwähnt ist, können andere Kunststoffmaterialien als das akustische Entkopplungsmaterial verwendet werden. Das akustische Entkopplungsmaterial kann durch andere Verfahren als Schleuderbeschichtung aufgebracht werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid war, wurde der Wafer nach dem Aufbringen und Strukturieren des Polyimids anfangs bei einer Temperatur von etwa 250°C in Luft und schließlich bei einer Temperatur von etwa 415°C in einer inerten Atmosphäre, wie zum Beispiel einer Stickstoffatmosphäre, gebacken, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wurde. Das Backen verdampft flüchtige Bestandteile des Polyimids und verhindert, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während einer nachfolgenden Verarbeitung eine Trennung von nachfolgend aufgebrachten Schichten bewirkt.
Die dritte Metallschicht wird aufgebracht und wird strukturiert, um die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 122 zu der Anschluss-Anschlussfläche 134 erstreckt, zu definieren, wie es in den 6G und 6Q gezeigt ist. Die Anschluss-Anschlussfläche 134 ist auch durch die Bahn 135 elektrisch mit der Elektrode 114 verbunden.
Eine zweite Schicht aus Temperaturkompensationsmaterial wird aufgebracht und wird strukturiert, wie es in den 6H und 6R gezeigt ist, um die Temperaturkompensationsschicht 123 zu definieren, die den Rest des Temperaturkompensationselements 109 bei diesem Ausführungsbeispiel bildet. Das Temperaturkompensationsmaterial wird strukturiert, um die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position wie die Elektrode 122 aufzuweisen.
Die zweite Schicht aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und wird strukturiert, wie es in den 6I und 6S gezeigt ist, um das piezoelektrische Element 126 zu definieren. Die zweite piezoelektrische Schicht wird strukturiert, um die Anschluss-Anschlussflächen 132 und 134 und einen Teil des Füllmaterials 105 freizulegen.
Die vierte Metallschicht wird aufgebracht und wird strukturiert, um die Elektrode 124, die Anschluss-Anschlussfläche 138 und eine elektrische Bahn 139, die sich von der Elektrode 124 zu der Anschluss-Anschlussfläche 138 erstreckt, zu definieren, wie es in den 6J und 6T gezeigt ist. Dies schließt die Herstellung des FBAR 120 und des FBAR-Stapels 211 ab.
Eine Goldschutzschicht (nicht gezeigt) wird auf die freiliegenden Oberflächen der Anschluss-Anschlussflächen 132, 134 und 138 aufgebracht.
Ein Lösungsätzen wird durchgeführt, um das Opfermaterial 105 aus dem Hohlraum 104 zu entfernen. Dies hinterlässt das FBAR-Bauelement 200, wie es in den 4A und 4B gezeigt ist.
Der Wafer wird dann in einzelne FBAR-Bauelemente geteilt, die das FBAR-Bauelement 200 umfassen
Das FBAR-Bauelement 200 wird in einer elektrischen Hostvorrichtung, wie zum Beispiel einem drahtlosen Telefon, befestigt, und elektrische Verbindungen werden zwischen den Anschluss-Anschlussflächen 132, 134 und 138 des FBAR-Bauelements und Anschlussflächen, die zu der Hostvorrichtung gehören, hergestellt.
Wie es im Vorhergehenden erwähnt ist, ist ein alternatives akustisches Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 ein vernetztes Polyphenylenpolymer. Nachdem die dritte Metallschicht strukturiert worden ist, um die Elektrode 114 zu definieren, wie es im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 6E und 6O beschrieben ist, wird die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer auf eine Weise aufgeschleudert, die derjenigen ähnlich ist, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 6F und 6P beschrieben ist, wird jedoch nicht strukturiert. Die Formulierung der Vorläuferlösung und die Schleudergeschwindigkeit sind so ausgewählt, dass das vernetzte Polyphenylenpolymer eine Schicht mit einer Dicke von etwa 187 nm bildet. Dies entspricht einem Viertel der Wellenlänge λ_n in dem vernetzten Polyphenylenpolymer eines akustischen Signals, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR-Bauelements 200 ist. Nach dem Aufbringen der Schicht der Vorläuferlösung wurde der Wafer bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 385°C bis etwa 450°C in einer inerten Umgebung, wie z. B. unter Vakuum oder in einer Stickstoffatmosphäre, gebacken, bevor ein weiteres Verarbeiten durchgeführt wird. Das Backen vertreibt zuerst die organischen Lösungsmittel aus der Vorläuferlösung und bewirkt dann, dass sich das Oligomer vernetzt, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, um das vernetzte Polyphenylenpolymer zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel war die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer eine, die von The Dow Chemical Company vertrieben und mit SiLK^TM J bezeichnet wird. Alternativ dazu kann es sich bei der Vorläuferlösung um eine beliebige geeignete der Vorläuferlösungen handeln, die jetzt oder in Zukunft von The Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen SiLK vertrieben werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wurde eine Schicht eines Haftungspromotors aufgebracht, bevor die Vorläuferlösung aufgeschleudert wurde. Vorläuferlösungen, die Oligomere enthalten, die, wenn dieselben gehärtet werden, ein vernetztes Polyphenylenpolymer bilden, das eine akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweist, können jetzt oder in Zukunft von anderen Lieferanten erhältlich sein und können ebenfalls verwendet werden.
Die dritte Metallschicht wird dann auf die Schicht aus dem vernetzten Polyphenylenpolymer auf eine Weise aufgebracht, die derjenigen ähnlich ist, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 6G und 6Q beschrieben ist, wird jedoch anfänglich ähnlich der Strukturierung des akustischen Entkopplers 130, der in 6F gezeigt ist, strukturiert, um eine Hartmaske zu definieren, die später verwendet wird, um die Schicht aus dem vernetzten Polyphenylenpolymer zu strukturieren, um den akustischen Entkoppler 130 zu definieren. Die anfänglich strukturierte dritte Metallschicht weist die gleiche Erstreckung wie der akustische Entkoppler 130 auf und legt die Anschluss-Anschlussflächen 132 und 134 und Teile des Füllmaterials 105 frei.
Die Schicht aus dem vernetzten Polyphenylenpolymer wird dann strukturiert, wie es in 6F gezeigt ist, wobei die anfänglich strukturierte dritte Metallschicht als eine Hartätzmaske verwendet wird. Ein Strukturieren der Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers definiert die Erstreckung des akustischen Entkopplers 130, was die Anschluss-Anschlussflächen 132 und 134 und Teile des Füllmaterials 105 freilegt. Das Strukturieren wird mit einem Sauerstoffplasmaätzen durchgeführt.
Die dritte Metallschicht wird dann erneut strukturiert, wie es in den 6G und 6Q gezeigt ist, um die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137 zu definieren, die sich zwischen der Elektrode 122 und der Anschluss-Anschlussfläche 134 erstreckt.
Eine Herstellung des Ausführungsbeispiels des FBAR-Bauelements 200 mit einer Schicht aus einem vernetzten Polyphenylenpolymer als seinem akustischen Entkoppler wird durch ein Durchführen der Verarbeitung abgeschlossen, die im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 6H–6J und 6R–6T beschrieben ist.
Eine ähnliche Technik, die der soeben beschriebenen ähnlich ist, kann verwendet werden, um den akustischen Entkoppler 103 in einer Schicht aus Parylen zu definieren, die durch Vakuumaufbringung aufgebracht wird.
Die im Vorhergehenden exemplarisch betrachteten Dicken der Elektroden und der piezoelektrischen Elemente sind Dicken für ein herkömmliches FBAR-Bauelement, das einem Ausführungsbeispiel des FBAR 200 ohne ein Temperaturkompensationselement 109 ähnlich ist. Bei einem Ausführungsbeispiel des FBAR-Bauelements 200 werden ein oder mehr der Dicken verringert, um die Mittenfrequenz des FBAR-Bauelements trotz der Hinzufügung des Temperaturkompensationselements 109 zu dem FBAR-Stapel 211 aufrechtzuerhalten. Die Identität der ein oder mehr Elemente, deren Dicken verringert werden, und die jeweiligen Dickeverringerungen hängen von der Dicke und dem Material des Temperaturkompensationselements 109 und der Menge der Temperaturkompensation ab, die durch das Temperaturkompensationselement 109 geliefert wird. Die Identität der Elemente und die Dickeverringerungen hängen außerdem von der Anwendung ab, bei der das FBAR-Bauelement verwendet wird, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist. Ein Verringern der Dicke der piezoelektrischen Elemente verringert die Kopplungskonstante: Ein Verringern der Dicke von ein oder mehr der Elektroden erhöht den Reihenwiderstand, außer das Temperaturkompensationsmaterial weist eine elektrische Leitfähigkeit auf, die mit derjenigen der Elektroden vergleichbar ist.

Claims

Ein temperaturkompensiertes Akustischer-Filmvolumenresonator-(FBAR-)Bauelement (100; 200; 300), das folgende Merkmale aufweist: einen FBAR-Stapel (111; 211; 311), der folgende Merkmale aufweist: einen FBAR (110, 120; 150, 160), der durch eine Resonanzfrequenz gekennzeichnet ist, die einen Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei der FBAR (110, 120; 150, 160) gegenüberliegende planare Elektroden (112, 114, 122, 124; 152, 154, 162, 164) und ein piezoelektrisches Element (116, 126; 156, 166) zwischen den Elektroden (112, 114; 152, 154) aufweist, wobei das piezoelektrische Element (116, 126; 156, 166) einen Temperaturkoeffizienten aufweist, von dem der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz zumindest teilweise abhängt, und ein Temperaturkompensationselement (109), das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Elements (116, 126; 156, 166) entgegengesetzt ist, und gemäß einer der folgenden Alternativen ausgebildet ist: (a) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Niobium-Molybdän-(Nb-Mo-)Legierung auf, (b) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Kobalt-Palladium-(Co-Pd-)Legierung auf, oder (c) das Temperaturkompensationselement (109) weist ein ferroelektrisches Material auf.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei: der FBAR (110, 120; 150, 160) ein unterer FBAR (110; 150) ist; und das FBAR-Bauelement (100; 200; 300) außerdem folgende Merkmale aufweist: einen oberen FBAR (120; 160), der auf den unteren FBAR (110; 150) gestapelt ist, wobei der obere FBAR (120; 16) gegenüberliegende planare Elektroden (122, 124; 162, 164) und ein piezoelektrisches Element (126; 166) zwischen den Elektroden (122, 124; 162, 164) aufweist, und einen akustischen Entkoppler (130; 170) zwischen den FBARs (110, 120; 150, 160).
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei: der erste, untere FBAR (110), der zweite, obere FBAR (120) und der akustische Entkoppler (130) einen ersten entkoppelten, gestapelten, akustischen Volumenresonator (DSBAR) (106) bilden; der FBAR-Stapel (311) außerdem einen zweiten DSBAR (108) aufweist, der einen zweiten, unteren FBAR (150), einen zweiten, oberen FBAR (160), der auf den zweiten, unteren FBAR (150) gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler (170) zwischen den FBARs (150, 160) aufweist; und das FBAR-Bauelement (311) außerdem folgende Merkmale aufweist: eine erste elektrische Schaltung (141), die die unteren FBARs (110; 150) verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung (142), die die oberen FBARs (120; 160) verbindet.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei: der FBAR ein erster FBAR (110; 150) ist; der FBAR-Stapel (111; 211; 311) außerdem einen oder mehrere zusätzliche FBARs (120; 160) aufweist; und die FBARs (110, 120, 150, 160) als ein Leiterfilter verbunden sind.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement (109) eine Temperaturkompensationsschicht (115; 123) aufweist, die neben einer der Elektroden (114, 122) angeordnet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 5, bei dem das Temperaturkompensationselement (109) außerdem eine zusätzliche Temperaturkompensationsschicht (155; 163) aufweist, die neben der anderen der Elektroden (154, 162) angeordnet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die Temperaturkompensationsschicht (109) zwischen der einen der Elektroden (122) und dem piezoelektrischen Element (126) angeordnet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement (109) eine Temperaturkompensationsschicht (115, 123; 155, 163) aufweist, die neben einer der Elektroden (114, 122; 154, 162) jedes der FBARs (110, 120; 150, 160) angeordnet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 8, bei dem bei jedem der FBARs (110, 120; 150, 160) die Temperaturkompensationsschicht (109) zwischen der einen der Elektroden (114, 122; 154, 162) und dem piezoelektrischen Element (116, 126; 156, 166) desselben liegt.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem bei jedem der FBARs (110, 120; 150, 160) die eine der Elektroden (114, 122; 154, 162) neben dem akustischen Entkoppler (130, 170) angeordnet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement (109) eine Temperaturkompensationsschicht (123; 163) aufweist, die in das piezoelektrische Element (126; 166) eingebettet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement (109) eine Temperaturkompensationsschicht (123; 163) aufweist, die in das piezoelektrische Element (126; 166) jedes der FBARs (120; 160) eingebettet ist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement eine der Elektroden aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem das Temperaturkompensationselement eine der Elektroden jedes der FBARs aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (a) des Anspruchs 1, bei dem die Niobium-Molybdän-Legierung einen Molybdänanteil in dem Bereich von etwa 17% bis etwa 51% aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (a) des Anspruchs 1, bei dem die Niobium-Molybdän-Legierung einen Molybdänanteil in dem Bereich von etwa 32% bis etwa 36% aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (b) des Anspruchs 1, bei dem die Kobalt-Palladium-Legierung einen Palladiumanteil in dem Bereich von etwa 92% bis etwa 96% aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (b) des Anspruchs 1, bei dem die Kobalt-Palladium-Legierung einen Palladiumanteil in dem Bereich von etwa 93% bis etwa 95% aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 1, bei dem das ferroelektrische Material Bleinickelniobat (Pb(Ni_xNb_1-x)O₃ aufweist, bei dem der Nickelanteil x etwa ein Drittel beträgt.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 1, bei dem das ferroelektrische Material Nephelin (KAlSiO₄)(NaAlSiO₄)₃ aufweist.
Das FBAR-Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 1, bei dem das ferroelektrische Material Zirkoniumwolframat (ZrW₂O₈) aufweist.
Ein akustisches Bauelement (100; 200; 300), das einen akustischen Ausbreitungsweg aufweist, der eine ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft aufweist, wobei die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft einen Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei der akustische Ausbreitungsweg folgende Merkmale aufweist: ein akustisches Ausbreitungselement (116, 126; 156, 166), das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, von dem die ausbreitungszeitbezogene Eigenschaft des akustischen Ausbreitungswegs zumindest teilweise abhängt; und ein Temperaturkompensationselement (109), das einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der bezüglich des Vorzeichens dem Temperaturkoeffizienten des akustischen Ausbreitungselements (116, 126; 156, 166) entgegengesetzt ist, und gemäß einer der folgenden Alternativen ausgebildet ist: (a) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Niobium-Molybdän-(Nb-Mo-)Legierung auf, (b) das Temperaturkompensationselement (109) weist eine Kobalt-Palladium-(Co-Pd-)Legierung auf, oder (c) das Temperaturkompensationselement (109) weist ein ferroelektrisches Material auf.
Das akustische Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 22, bei dem das ferroelektrische Material Bleinickelniobat (Pb(Ni_xNb_1-x)O₃ aufweist, bei dem der Nickelanteil x etwa ein Drittel beträgt.
Das akustische Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 22, bei dem das ferroelektrische Material Nephelin (KAlSiO₄)(NaAlSiO₄)₃ aufweist.
Das akustische Bauelement gemäß der Alternative (c) des Anspruchs 22, bei dem das ferroelektrische Material Zirkoniumwolframat (ZrW₂O₈) aufweist.