DE60306196T2

DE60306196T2 - Halterung für akustischen resonator, akustischer resonator und entsprechende integrierte schaltung

Info

Publication number: DE60306196T2
Application number: DE60306196T
Authority: DE
Inventors: Guillaume Bouche; Gregory Caruyer; Pascal Ancey
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: DE60306196D1; US20050023931A1; JP2006508598A; EP1568129A1; US7391143B2; US7391142B2; US20070182284A1; AU2003294093A1; WO2004051848A1; US20060226736A1; FR2848036A1; EP1568129B1; FR2848036B1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten Schal tungen und insbesondere der integrierten Schaltungen, die einen oder mehrere akustische oder piezoelektrische Resonatoren aufweisen.
Solche Schaltungen können in Signalverarbeitungsanwendungen verwendet werden, beispielsweise in einer Filterfunktion dienen.
Die akustischen Resonatoren sind mit der integrierten Schaltung integral, wobei sie gleichzeitig akustisch oder mechanisch zu dieser isoliert sein müssen. Zu diesem Zweck kann man eine Halterung vorsehen, die in der Lage ist, eine solche Isolierung zu realisieren. Die Halterung kann eine Abfolge aus einer Schicht mit hoher akustischer Impedanz und einer Schicht mit niedriger akustischer Impedanz aufweisen, siehe das Dokument US 6 081 171 .
Man versteht unter akustischer Impedanz die Größe Z, das Produkt der Materialdichte ρ und der akustischen Geschwindigkeit ν, nämlich Z = ρ × ν.
Für ν, akustische Geschwindigkeit, kann man als Definition nehmen: ν = (ρ × C33)1/2 wobei C₃₃ einer der Koeffizienten der elastischen Compliance-Matrix ist.
Für erhöhte akustische Isolationseigenschaften ist es wünschenswert, daß der Unterschied der akustischen Impedanzen der Materialien der größtmögliche ist.
Die Erfindung zielt darauf, diesem Wunsch entgegenzukommen.
Die Erfindung schlägt eine Halterung für einen akustischen Resonator mit einem hohen akustischen Isolationsvermögen vor.
Die Halterung für einen akustischen Resonator gemäß einem Aspekt der Erfindung weist mindestens eine Doppelschichtanordnung auf, die eine Schicht aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz und eine Schicht aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, realisiert aus einem Material mit niedriger elektrischer Permittivität, aufweist. In der Tat hat man erkannt, daß die niedrige elektrische Permittivität Hand in Hand geht mit der niedrigen akustischen Impedanz. In einem solchen Material pflanzt sich eine akustische Welle langsam fort.
Vorteilhaft ist die relative elektrische Permittivität des Materials mit niedriger akustischer Impedanz kleiner als 4, vorzugsweise kleiner als 3, oder noch besser kleiner als 2,5.
Vorteilhaft wird die Schicht aus Material mit niedriger akustischer Impedanz ausgehend von einem der Materialien hergestellt, die für die Fertigung der restlichen Schaltung, deren Teil sie ist, verwendet werden, zum Beispiel für die Fertigung von Zwischenverbindungsebenen.
Das Material mit niedriger akustischer Impedanz weist SiOC auf. SiOC ist ein Material, das manchmal verwendet wird, um an einem Substrat oder in den Zwischenverbindungen dielektrische Schichten einer sehr niedrigen Permittivität herzustellen. Vorzugsweise kann man poröses SiOC verwenden, dessen akustische Impedanz noch niedriger ist. Die Poren eines solchen Materials sind im allgemeinen mit einem Gas, beispielsweise Argon, gefüllt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Halterung eine einzige Doppelschichtanordnung auf. Die Halterung ist somit besonders kompakt und wirtschaftlich. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann man eine Halterung aus zwei Doppelschichtanordnungen vorsehen, die eine ausgezeichnete akustische Isolierung sicherstellt und dabei gleichzeitig kompakter und wirtschaftlicher ist als die bekannten Halterungen, die im allgemeinen mindestens drei Doppelschichtanordnungen aufweisen. Wenn die erfindungsgemäße Halterung trotzdem drei oder mehr Doppelschichtanordnungen aufweist, sind die akustischen Isolationseigenschaften bei gleicher Kompaktheit sehr deutlich verbessert.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Material mit hoher akustischer Impedanz mindestens einen der folgenden Werkstoffe auf: Aluminiumnitrid, Kupfer, Nickel, Wolfram oder Platin, Molybdän. Aluminiumnitrid kann in seiner amorphen Form vorliegen und vorteilhaft sein, da es oft zur Herstellung anderer Schichten der Schaltung verwendet wird. Kupfer hat eine niedrigere akustische Impedanz als Wolfram, ist aber wegen seiner häufigen Verwendung in den Zwischenverbindungen der Schaltung von Interesse. Eine Kupferschicht der Halterung kann somit im Verlaufe eines Fertigungsschritts gemeinsam mit Zwischenverbindungen hergestellt werden. Wolfram hat eine besonders hohe akustische Impedanz.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Schicht aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz eine Dicke zwischen 0,3 und 3,2 μm.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Schicht aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz eine Dicke zwischen 0,3 und 0,7 μm.
Die Erfindung schlägt außerdem einen akustischen Resonator vor, der ein aktives Element und eine Halterung aufweist. Die Halterung weist mindestens eine Doppelschichtanordnung auf, die eine Schicht aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz und eine Schicht aus einem Material mit niedriger akustischen Impedanz, realisiert aus einem Material mit niedriger elektrischer Permittivität, aufweist. Das Material mit niedriger akustischer Impedanz weist SiOC auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das aktive Element mindestens eine zwischen zwei Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht auf. Eine untere Elektrode kann auf der Halterung ruhen. Die piezoelektrische Schicht kann aus kristallinem Aluminiumnitrid bestehen. Die Halterung dient als Schnittstelle zwischen dem aktiven Element und der restlichen Schaltung.
Die Erfindung schlägt außerdem eine integrierte Schaltung vor, die ein Substrat, eine Zwischenverbindungsanordnung und einen akustischen Resonator aufweist, der mit einem aktiven Element und einer Halterung ausgestattet ist. Die Halterung weist mindestens eine Doppelschichtanordnung auf, die eine Schicht aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz und eine Schicht aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, realisiert aus einem Material mit niedriger elektrischer Permittivität, aufweist. Das Material mit niedriger akustischer Impedanz weist SiOC auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der akustische Resonator oberhalb der Zwischenverbindungsanordnung angeordnet, beispielsweise indem er von einer oberen dielektrischen Schicht der Zwischenverbindungsanordnung getragen wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der akustische Resonator in der Ebene der Zwischenverbindungsanordnung angeordnet, die obere Elektrode des aktiven Elements des akustischen Resonators kann mit der oberen Oberfläche der Zwischenverbindungsanordnung bündig sein.
Vorteilhaft haben die Halterung und das Substrat oder die Zwischenverbindungsanordnung mindestens ein Material gemeinsam. Kupfer kann gleichzeitig für die Halterungsschicht aus Material mit hoher akustischer Impedanz und für die Metallisierungsleitungen der Zwischenverbindungsanordnung dienen. Vorzugsweise wird man einen gemeinsamen Fertigungsschritt für die Halterungsschicht aus Material mit hoher akustischer Impedanz und die Metallisierungsebenen der Zwischenverbindungsanordnung vorsehen.
Eine Schicht aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz kann in der gleichen Ebene angeordnet sein wie eine Zwischenverbindungsschicht.
Beim Lesen der detaillierten Beschreibung einiger Ausführungsformen, die als nicht einschränkende Beispiel gegeben sind und durch die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, wird die vorliegende Erfindung besser verständlich und werden sich weitere Vorteile zeigen.
1 ist eine schematische Ansicht einer integrierten Schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht einer integrierten Schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
3 ist eine schematische Ansicht eines akustischen Resonators gemäß einem Aspekt der Erfindung.
Wie in 1 zu sehen ist, weist eine integrierte Schaltung 1 ein Substrat 2 auf, in welchem im allgemeinen aktive Zonen (nicht gezeigt) gebildet sind, und weist eine oberhalb des Substrats 2 und in Kontakt mit dessen oberer Oberfläche angeordnete Zwischenverbindungsanordnung 3 auf, die mindestens mit einer Metallisierungsebene versehen ist, die eine Herstellung von Verbindungen zwischen Elementen des Substrats ermöglicht.
Ergänzend zur integrierten Schaltung 1 ist ein mechanischer Resonator 4 vorgesehen, der oberhalb der Zwischenverbindungsanordnung 3 in Kontakt mit deren oberer Oberfläche angeordnet ist. Der von der Zwischenverbindungsanordnung 3 getragene mechanische Resonator 4 ist ebenfalls mit nicht gezeigten elektrischen Verbindungen versehen.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der akustische Resonator 4 in der Zwischenverbindungsanordnung 3 angeordnet und ist bündig mit deren oberer Oberfläche 3a. Diese Ausführung erlaubt eine bessere Kompaktheit der integrierten Schaltung 1. Ein unterer Teil des akustischen Resonators 4 kann in der Zwischenverbindungsanordnung 3 eingebettet sein, während ein oberer Teil frei belassen ist, so daß er schwingen kann, wobei er vom Rest der Zwischenverbindungsanordnung 3 durch eine Rille 5 getrennt ist. Die Rille 5 stellt die Isolierung des Bauteils in lateralen Richtungen sicher, das heißt, erlaubt ein Schwingen der Schichten ohne direkte Wechselwirkung mit dem Substrat. Die Dicke der Rille 5 kann gering sein, zum Beispiel weniger als 1 μm.
Die Struktur des akustischen Resonators 4 ist mit Bezug auf 3 detaillierter beschrieben.
Der akustische Resonator 4 weist ein aktives Element 6 und eine Halterung 7 auf, die auf der oberen Oberfläche 3a der Zwischenverbindungsanordnung 3 ruht und das aktive Element 6 trägt.
Das aktive Element 6 weist drei Hauptschichten in Form einer unteren Elektrode 8, einer piezoelektrischen Schicht 9 und einer oberen Elektrode 10 auf. Die Elektroden 8 und 10 sind mit Leitungen, die in der Zwischenverbindungsanordnung 3 bereitgestellt sind, elektrisch verbunden (nicht gezeigt). Die Elektroden 8 und 10 sind aus einem leitenden Material hergestellt, zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Platin, Molybdän, Nickel, Titan, Niobium, Silber, Gold, Tantal, Lanthan usw. Die zwischen den Elektroden 8 und 10 angeordnete piezoelektrische Schicht 9 kann zum Beispiel aus kristallinem Aluminiumnitrid, aus Zinkoxid, aus Zinksulfid, aus Keramik des Typs LiTaO, PbTiO, PbZrTi, KNbO₃ oder auch Lanthan enthaltend usw., hergestellt sein.
Die piezoelektrische Schicht 9 kann eine Dicke von einigen μm, beispielsweise 2,4 μm, haben. Die Elektroden 8 und 10 können eine deutlich geringere Dicke als die piezoelektrische Schicht 9 haben, beispielsweise 0,1 μm.
Die Halterung 7 weist eine Schicht 11 mit hoher akustischer Impedanz auf, die auf der oberen Oberfläche 3a der Zwischenverbindungsanordnung 3 ruht, und weist eine Schicht 12 mit niedriger akustischer Impedanz auf, die die untere Elektrode 8 trägt.
Die Schicht 11 mit hoher akustischer Impedanz kann aus einem dichten Material hergestellt sein, zum Beispiel amorphem Aluminiumnitrid, Kupfer, Nickel, Wolfram, Gold oder Molybdän. Legierungen oder übereinanderliegende Schichten dieser Werkstoffe können in Betracht kommen. Wolfram hat eine sehr hohe akustische Impedanz und kann auf eine solche Weise erhalten werden, um die restlichen Fertigungseinschränkungen, insbesondere in einer Xenon-Umgebung, zum Beispiel durch ein Xenonplasma, zu vermeiden. Kupfer hat weniger günstige akustische Impedanzeigenschaften als Wolfram, hat aber den Vorteil, daß es in den Zwischenverbindungsanordnungen zur Herstellung der Leiterbahnen häufig verwendet wird. Seine Verwendung in der Schicht 11 mit hoher akustischer Impedanz kann erlauben, die Schicht 11 durch den gleichen Fertigungsschritt herzustellen wie die Leiterbahnen der Zwischenverbindungsanordnung, was besonders wirtschaftlich ist.
Wegen des Zusammenhangs von niedriger elektrischer Permittivität und niedriger akustischer Impedanz wird die Schicht mit niedriger akustischer Impedanz aus einem Material mit niedriger elektrischer Permittivität hergestellt. Die Permittivität des Materials der Schicht 12 ist kleiner als 4. Jedoch ist bevorzugt, ein Material mit einer Permittivität kleiner als 3 zu verwenden, beispielsweise ein dielektrisches Material mit einer Permittivität in der Größenordnung von 2,9, das oft als dielektrische Schicht in den aktiven Zonen des Substrats oder in der Zwischenverbindungsanordnung 3 verwendet wird. Hier wiederum kann der gleiche Fertigungsschritt dazu dienen, die Schicht 12 und eine dielektrische Schicht der Zwischenverbindungsanordnung 3 herzustellen. Man kann zum Beispiel SiOC oder ein Material auf der Basis von SiOC nehmen. Es ist noch vorteilhafter, die Schicht 12 aus einem Material mit sehr niedriger Permittivität von kleiner als 2,5, zum Beispiel in der Größenordnung von 2,0, herzustellen. Zu diesem Zweck kann man die Schicht 12 aus porösem SiOC oder auf der Basis eines solchen Materials herstellen.
Es ist zu erkennen, daß es unter einem wirtschaftlichen Gesichtspunkt besonders vorteilhaft ist, die Halterung 7 ausgehend von chemischen Werkstoffen herzustellen, die für die Fertigung der Zwischenverbindungsanordnung verwendet werden. Man kann dann zur Herstellung der Halterung 7 Fertigungsschritte der Zwischenverbindungsanordnung nutzen. Man vermeidet auf diese Weise zusätzliche Schritte und eine Verlängerung des Fertigungsprozesses.
Da das Material der Schicht 12 mit niedriger akustischer Impedanz im Vergleich zur Impedanz des Materials der Schicht 11 einen sehr großen Unterschied der akustischen Impedanz bietet, hat sich die durch die Schicht 7 sichergestellte akustische und/oder mechanische Isolation zwischen dem aktiven Element 6 und der restlichen integrierten Schaltung als verbessert herausgestellt. Daraus ergibt sich, daß man bei gleichen Isolationseigenschaften die Anzahl der Schichtpaare 11 und 12 der Schicht 7 verringern kann. Somit kann eine Anwendung, die auf herkömmliche Weise drei oder vier Schichtpaare erfordert, mit nur einem oder zwei Schichtpaaren 11 und 12 realisiert werden, und damit ein Gewinn an Kompaktheit des akustischen Resonators und eine Verringerung der Kosten realisiert werden. In 3 ist eine Halterung 7 mit einem Schichtpaar 11 und 12 dargestellt. Jedoch kann man eine Halterung 7 mit zwei übereinander liegenden Schichtpaaren 11 und 12 oder auch mit drei oder mehr Schichtpaaren 11 und 12 vorsehen, was dann sehr hohe akustische Isolationseigenschaften bietet.
Anzumerken ist, daß ein Reflektor eine ungerade Anzahl von Schichten aufweisen kann, für den Fall, daß man eine erste Schicht mit niedriger akustischer Impedanz unter einer oder mehreren Doppelschichten anordnet.
Die Dicke der Schicht 12 mit niedriger akustischer Impedanz hängt von der für das aktive Element 6 vorgesehenen Resonanzfrequenz ab und könnte vorteilhaft mit einer Dicke in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge bemessen sein. Die Schicht 12 kann eine Dicke in der Größenordnung von einigen zehntel Mikrometern haben, vorzugsweise weniger als 0,7 μm, zum Beispiel 0,2 μm bis 0,7 μm. Die Dicke der Schicht 11 mit hoher akustischer Impedanz kann in der Größenordnung von einigen zehntel Mikrometern sein, beispielsweise 0,3 μm bis 3,2 μm.
Die Erfindung bietet also eine Halterung für einen akustischen Resonator mit einer sehr hohen akustischen Impedanz zwischen 30 × 10^–6 und 130 × 10^–6 kgm^–2s^–1. Man kann somit von einem akustischen Resonator und einer integrierten Schaltung profitieren, die wegen der verringerten Anzahl von Schichten kompakter und wirtschaftlicher sind.

Claims

Halterung (7) für einen akustischen Resonator (4), die mindestens eine Doppelschichtanordnung aufweist, die eine Schicht (11) aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz und eine Schicht (12) aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, realisiert aus einem Material mit niedriger elektrischer Permittivität, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit niedriger akustischer Impedanz SiOC aufweist.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Permittivität des Materials mit niedriger akustischer Impedanz kleiner als 4, vorzugsweise kleiner als 3, ist.
Halterung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative elektrische Permittivität des Materials mit niedriger akustischer Impedanz kleiner als 2,5 ist.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit niedriger akustischer Impedanz poröses SiOC aufweist.
Halterung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder zwei Doppelschichtanordnungen aufweist.
Halterung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit hoher akustischer Impedanz mindestens einen der folgenden Werkstoffe aufweist: Aluminiumnitrid, Kupfer, Nickel, Wolfram oder Platin, Molybdän.
Halterung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz eine Dicke zwischen 0,3 und 3,2 μm hat.
Halterung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Material mit niedri ger akustischer Impedanz eine Dicke von weniger als 0,7 μm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,7 μm, hat.
Akustischer Resonator (4), der ein aktives Element (6) und eine Halterung (7) nach Anspruch 1 aufweist.
Resonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (6) mindestens eine zwischen Elektroden (8, 10) angeordnete piezoelektrische Schicht (9) aufweist.
Integrierte Schaltung (1), die ein Substrat (2), eine Zwischenverbindungsanordnung und einen akustischen Resonator (4) aufweist, der mit einem aktiven Element (6) und einer Halterung (7) nach Anspruch 1 ausgestattet ist.
Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Resonator (4) oberhalb der Zwischenverbindungsanordnung (3) angeordnet ist.
Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Resonator (4) in der Ebene der Zwischenverbindungsanordnung (3) angeordnet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz in gleicher Höhe wie eine Zwischenverbindungsschicht angeordnet ist.