DE3817728A1 - Oberflaechenwellenbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenbauelement mit monolithischem Aufbau, bei dem eine dünne piezoelektrische Schicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.

Oberflächenwellenbauelemente mit einem Aufbau, bei dem eine dünne piezoelektrische Schicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, sind bekannt. Oberflächenwellenbauelemente mit diesem Aufbau sind auf vielen Anwendungsgebieten auf­ grund ihres monolithischen Aufbaus sehr bedeutend, da die Oberflächenwellenbauelemente und die dafür vorgesehenen peripheren aktiven Schaltungen auf einem gemeinsamen Halb­ leitersubstrat in integrierter Form ausgebildet werden können.

Ähnlich wie bei Oberflächenwellenbauelementen, die aus einem piezoelektrischen Einkristall oder einem piezoelektrischen keramischen Material bestehen, ist es auch bei Oberflächen­ wellenbauelementen wie Filtern, Resonatoren, Oszillatoren usw., die einen Aufbau aus einer dünnen piezoelektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat haben, wie er oben be­ schrieben wurde, notwendig, daß die Geschwindigkeit und die Mittenfrequenz der gebildeten akustischen Oberflächenwelle sowie die Verzögerungszeit usw. sich nicht ändern und bezogen auf Temperaturschwankungen stabil sind. Bei Oberflächenwellen­ bauelementen aus einem piezoelektrischen Einkristall oder einem piezoelektrischen keramischen Material ist es möglich, eine ausgezeichnete Temperaturcharakteristik beispielsweise dadurch zu erzielen, daß ein Substratmaterial, beispielsweise ST geschnittener kristallisierter Quarz mit guter Temperatur­ charakteristik, eine kristallographische Fläche und eine Fortpflanzungsrichtung gewählt werden.

Im Gegensatz zu Oberflächenwellenbauelementen aus einem piezoelektrischen Einkristall oder einem piezoelektrischen keramischen Material ist es bei dem monolithischen Aufbau aus einem Halbleitersubstrat aufgrund der Tatsache, daß das Substratmaterial auf ein Halbleitermaterial wie beispiels­ weise Silizium Si, Gallium-Arsenid (GaAs) und Silizium auf Saphir begrenzt ist, im allgemeinen unmöglich, eine zufrie­ denstellende Temperaturcharakteristik nur durch die Wahl des Materials,der kristallographischen Fläche und der Richtung zu erzielen.

Aus diesem Grunde wurde die Temperaturcharakteristik eines Bauelementes bisher dadurch kompensiert, daß es aus zusammen­ gesetzten Materialien einschließlich einer Glasschicht wie beispielsweise einer relativ dicken Siliziumoxidschicht und einer dünnen piezoelektrischen Schicht gebildet wurde. Das ist ein Verfahren zum Kompensieren von Temperaturschwankungen, das dazu dient, den sich ergebenden Temperaturkoeffizienten des Bauelementes dadurch zu verringern, daß eine dünne Schicht mit einem Temperaturkoeffizienten verwandt wird, dessen Vor­ zeichen dem Vorzeichen entgegengesetzt ist, das der Tempera­ turkoeffzient des Substratmaterials hat.

Bei dem obigen Verfahren der Kompensation der Temperatur­ schwankungen wird nur auf die Wirkung geachtet, die haupt­ sächlich durch den Temperaturkoeffizienten der dünnen Schicht erhalten wird, und werden zur Kompensation von Temperatur­ schwankungen für ein Halbleitersubstrat nur das Material, die kristallographische Oberfläche und die Fortpflanzungs­ richtung so gewählt, daß eine Temperaturcharakteristik er­ halten wird, die so gut wie möglich ist, obwohl diese Wahl unzureichend ist und in einem schmalen Bereich erfolgt. Die Wahl des Substratmaterials erfolgt darüberhinaus im allge­ meinen vorrangig vor der Temperaturcharakteristik in Abhängig­ keit vom Anwendungsgebiet, der Funktion usw.

Durch die Erfindung soll ein Oberflächenwellenbauelement geschaffen werden, das eine ausgezeichnete Temperaturcharak­ teristik zeigt, indem der Temperaturkoeffizient des Materials des Halbleitersubstrats verringert ist.

Dazu ist gemäß der Erfindung ein Dotierstoff mit hoher Dichte in das Halbleitersubstrat eingebracht.

Aufgrund des Einbringens des Dotierstoffes mit hoher Dichte in das Halbleitersubstrat in der oben beschriebenen Weise kann der Temperaturkoeffizient des Substrates verringert wer­ den und ist dann die Temperaturcharakteristik des Oberflächen­ wellenbauelementes verbessert.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrie­ ben. Es zeigen

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines ersten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellen­ bauelementes,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellen­ bauelementes und

Fig. 3-5 in graphischen Darstellungen die Temperaturcharak­ teristik der Oberflächenwellenbauelemente.

Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung, von denen jedes aus einem mit hoher Dichte dotierten Silizium-Substrat besteht.

In Fig. 1 sind ein einkristallines Silizium-Substrat 1, eine darauf ausgebildete Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifi­ schen Widerstand, eine dünne piezoelektrische Schicht 3 bei­ spielsweise aus ZnO, AlN usw., die auf der Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand ausgebildet ist, und kammförmige Elektroden 4, 5 dargestellt, die auf der dünnen piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind, um akustische Oberflächenwellen zu erzeugen und zu erfassen. Die oben er­ wähnte Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Wider­ stand ist eine mit hoher Dichte dotierte Schicht. Diese Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Widerstand, die eine hochdotierte Schicht ist, kann dadurch gebildet werden, daß die Oberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrates 1 einer Diffusion oder einer Ionenimplantation ausgesetzt wird oder eine mit hoher Dichte dotierte dünne Siliziumschicht auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 durch Aufdampfen ausgebildet wird.

In Fig. 2 ist ein einkristallines Siliziumsubstrat 6 mit niedrigem spezifischen Widerstand dargestellt, auf dem eine dünne piezoelektrische Schicht 3 ausgebildet ist, auf der die kammförmigen Elektroden 4 und 5 angeordnet sind. Das einkristalline Siliziumsubstrat mit niedrigem spezifischen Widerstand ist die mit hoher Dichte dotierte Schicht.

Die beschriebenen Dotierstoffe sind hauptsächlich Phosphor P, Arsen As und Antimon Sb, die N-leitende dotierte Stoffe sind, sowie Bor B, das ein P-leitender Dotierstoff ist.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau der Oberflächenwellenbauelemente bewirken die Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Widerstand, die mit hoher Dichte dotiert ist, und das einkristalline Siliziumsubstrat 6 mit niedrigem spezifischen Widerstand eine Verringerung des Tempe­ raturkoeffizienten der Oberflächenwellenbauelemente.

Bei anderen Ausführungsbeispielen, bei denen ein Passie­ vierungseffekt und eine Verringerung des Temperaturkoeffi­ zienten erwartet werden, können Glasschichten, wie bei­ spielsweise Siliziumdioxidschichten, an der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Widerstand und der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 und auf der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau sowie an der Grenzfläche zwischen dem einkristallinen Siliziumsubstrat 6 mit niedrigem spezifischen Widerstand und der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 und auf der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau vorgesehen sein.

Fig. 3 und 4 zeigen in graphischen Darstellungen die Tempe­ raturcharakteristik von Oberflächenwellenbauelementen mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau, wobei auf der Abszisse die Temperatur T und auf der Ordinate die Frequenzänderungen F aufgetragen sind.

In diesen graphischen Darstellungen zeigen die unterbrochenen Linien die Temperaturcharakteristik bekannter Oberflächenwel­ lenbauelemente, bei denen dünne piezoelektrische Schichten auf einem N-leitenden einkristallinen Halbleitersubstrat (Dotierstoff: Sb) mit niedrigem spezifischen Widerstand von 18/1000 Ω × m ausgebildet waren, während die ausgezogenen Linien die Temperaturcharakteristik von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes zeigen, bei denen Schichten mit niedrigem spezifischen Widerstand zwischen dünnen piezoelektrischen Schichten und einkristalli­ nen Siliziumsubstraten durch Diffundieren von Phosphor P als Dotierstoff durch die Oberfläche der einkristallinen Si­ liziumsubstrate mit hoher Dichte in der oben beschriebenen Weise ausgebildet wurden.

Die dünne piezoelektrische Schicht bei dem obigen Aufbau besteht aus ZnO bei dem Oberflächenwellenbauelement von Fig. 3, während sie aus AlN bei dem Oberflächenwellenbau­ element von Fig. 4 besteht, in beiden Fällen ist sie 500 nm dünn ausgebildet.

Die kammförmigen Elektroden zum Erzeugen und Erfassen der akustischen Oberflächenwellen sind auf der dünnen piezoelek­ trischen Schicht ausgebildet und die Wellenlänge der akusti­ schen Oberflächenwellen beträgt 14 µm. Die Mittenfrequenz der akustischen Oberflächenwellen liegt in beiden Fällen bei etwa 350 MHz.

Die Dotierstoffdichte in der Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand beträgt 1,0×10²⁰ cm^-3 an der Oberfläche und die Tiefe der Diffusionsschicht liegt bei etwa 10 µm.

Bei den graphischen Darstellungen der Fig. 3 und 4 be­ steht der Unterschied im Aufbau zwischen den Oberflächen­ wellenbauelementen, deren Charakteristiken durch ausgezoge­ ne und unterbrochene Linien dargestellt sind, nur darin, daß die mit Phosphor P mit hoher Dichte dotierte Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand vorhanden ist oder fehlt. Bei den Oberflächenwellenbauelementen mit den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Charakteristiken ist ersicht­ lich, daß die Temperaturcharakteristik eines Bauelementes mit einer Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand um etwa 5 bis 7 ppm/°C verbessert ist und daß somit die Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand die Temperatur­ charakteristik des Bauelementes verbessert.

Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung die Tempera­ turcharakteristik eines Oberflächenwellenbauelementes mit dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Das Substrat ist ein P-leitendes einkristallines Siliziumsubstrat (Dotierstoff: B) mit einem spezifischen Widerstand von 18/1000 Ω × cm. Die dünne piezoelektrische Schicht besteht aus AlN und ist 500 nm stark. Die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen beträgt 14 µm und ihre Mittenfrequenz liegt bei etwa 350 MHz. Die Dotierstoffdichte des Siliziumeinkristalls mit niedrigem spezifischen Widerstand liegt bei 5×10¹⁸cm^-3 und ist im gesamten Volumen gleichmäßig.

Aus der graphischen Darstellung von Fig. 5 ist ersichtlich, daß das einkristalline Siliziumsubstrat mit niedrigem spezifi­ schem Widerstand die Temperaturcharakteristik des Oberflächen­ wellenbauelementes wesentlich verbessert. Weitere Meßergebnisse zeigen, daß als Dotierstoff Bor B einen außerordentlich be­ zeichnenden Einfluß auf die Verbesserung der Temperaturcharak­ teristik hat.

Wie es oben beschrieben wurde, ist es möglich, die Temperatur­ charakteristik des Bauelementes dadurch zu verbessern, daß eine Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand, in die ein Dotierstoff mit hoher Dichte eingeführt ist, in das Oberflächenwellenbauelement eingebaut wird. Die Kompensa­ tionswirkung auf den Temperaturkoeffizienten nimmt mit stei­ gender Dotierstoffdichte zu und ist insbesondere dann merklich, wenn die Dichte 10¹⁸cm^-3 überschreitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Kompensation von Tempera­ turschwankungen kann weiterhin auch auf elektroakustische Elemente angewandt werden, die aus Oberflächenwellenbauele­ menten bestehen und die Wechselwirkung zwischen Trägern im Halbleiter und der Oberflächenwelle ausnutzen.

Wenn eine Siliziumepitaxialschicht mit hohem spezifischen Widerstand und einer für einen gegebenen Zweck geeigneten Dotierstoffdichte auf der Siliziumschicht mit niedrigem spe­ zifischen Widerstand oder dem einkristallinen Siliziumsubstrat mit niedrigem spezifischen Widerstand angeordnet ist, wie es oben beschrieben wurde, ist es möglich, die Temperaturcharak­ teristik mittels der Schicht mit niedrigem spezifischen Wider­ stand zu verbessern und gleichzeitig die notwendigen elektri­ schen Funktionen mittels der Schicht mit hohem spezifischem Widerstand sicherzustellen.

Wie es oben beschrieben wurde, ist es gemäß der Erfindung mög­ lich, ein Oberflächenwellenbauelement mit ausgezeichneter Temperaturcharakteristik dadurch zu verwirklichen, daß Dotier­ stoffe mit hoher Dichte in das Halbleitersubstrat eingeführt werden, so daß der Temperaturkoeffizient des Materials des Halbleitersubstrates verringert wird oder das Vorzeichen der Temperaturkoeffizienten umgekehrt wird.

Claims (4)

1. Oberflächenwellenbauelement gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (1, 2; 6), das mit hoher Dichte mit Dotierstoffen dotiert ist, eine dünne piezoelektrische Schicht (3), die darauf ausgebildet ist,und Elektroden (4, 5) zum Er­ zeugen und Aufnehmen einer akustischen Oberflächenwelle, die auf der dünnen piezoelektrischen Schicht (3) angeordnet sind.

2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1, 2) aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat (1) und einer darauf angeordneten Siliziumschicht (2) mit niedrigem spezifischen Wi­ derstand besteht, in die die Dotierstoffe in großer Dichte ein­ gebracht sind.

3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (6) aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit niedrigem spe­ zifischen Widerstand besteht, in das die Dotierstoffe mit hoher Dichte eingebracht sind.

4. Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotier­ stoffdichte des Halbleitersubstrates (1, 2; 6) über 10¹⁸cm^-3 liegt.