JP2015165659A - アルミニウムスカンジウム窒化物および温度補償要素を含む音響共振器 - Google Patents
アルミニウムスカンジウム窒化物および温度補償要素を含む音響共振器 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】音響共振器の性能を評価する為の測定基準として、電極と圧電材料間のエネルギー伝達効率を示す電気機械結合係数（ｋｔ２）があり、より高いレベルの電気機械結合係数（ｋｔ２）を有する音響共振器を提供する。【解決手段】音響共振器２００は、基板１０５上に配置された第１の電極１１５ｔと、第１の電極上に配置され、アルミニウムスカンジウム窒化物を含む圧電層１２５と、圧電層上に配置された第２の電極１３５と、圧電層、第１の電極および第２の電極の温度係数の少なくとも一部を相殺する温度係数を有する温度補償要素とを含む。【選択図】図２
Description
関連出願に対する相互参照
本出願は、共同所有の、２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，０２６号、２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，７９３号、及び２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，０７７号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、それら特許出願の各々は、２０１３年７月３１日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／９５５，７７４号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／９５５，７７４号は２０１３年２月２８日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／７８１，４９１号の一部継続出願であり、米国特許出願第１３／７８１，４９１号は２０１２年１０月２９日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／６６３，４４９号の一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１３／９５５，７７４号は、２０１１年８月１２日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／２０８，８８３号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／２０８，８８３号は２０１１年３月２９日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／０７４，２６２号の一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１４／０９２，７９３号は、２０１３年２月１４日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／７６６，９９３号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／７６６，９９３号は２０１２年１０月２５日に出願された米国特許出願第１３／６６０，９４１号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１４／０９２，０７７号は２０１３年２月１４日に出願された米国特許出願第１３／７６７，７５４号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願である。
本出願は、共同所有の、２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，０２６号、２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，７９３号、及び２０１３年１１月２７日に出願された米国特許出願第１４／０９２，０７７号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、それら特許出願の各々は、２０１３年７月３１日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／９５５，７７４号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／９５５，７７４号は２０１３年２月２８日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／７８１，４９１号の一部継続出願であり、米国特許出願第１３／７８１，４９１号は２０１２年１０月２９日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／６６３，４４９号の一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１３／９５５，７７４号は、２０１１年８月１２日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／２０８，８８３号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／２０８，８８３号は２０１１年３月２９日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／０７４，２６２号の一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１４／０９２，７９３号は、２０１３年２月１４日に出願された共同所有の米国特許出願第１３／７６６，９９３号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、米国特許出願第１３／７６６，９９３号は２０１２年１０月２５日に出願された米国特許出願第１３／６６０，９４１号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願であり、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。また、米国特許出願第１４／０９２，０７７号は２０１３年２月１４日に出願された米国特許出願第１３／７６７，７５４号の米国特許規則§1.53(b)の下での一部継続出願である。
背景
音響共振器は、様々な電子応用形態において信号処理機能を実現するために使用され得る。例えば、幾つかの携帯電話および他の通信装置は、送信信号および／または受信信号用の周波数フィルタを実現するために音響共振器を使用する。異なる応用形態に従って、幾つかの異なるタイプの音響共振器が使用されることができ、例には、薄膜バルク音響共振器（Thin Film Bulk AcousticResonator：ＦＢＡＲ）、結合共振器フィルタ（Coupled Resonator Filter：ＣＲＦ）、スタック型バルク音響共振器（Stacked Bulk Acoustic Resonator：ＳＢＡＲ）、二重バルク音響共振器（Double Bulk Acoustic Resonator：ＤＢＡＲ）、及びソリッドマウント共振器（Solidly Mounted Resonator：ＳＭＲ）のようなバルク弾性波（Bulk Acoustic Wave：ＢＡＷ）共振器が含まれる。
音響共振器は、様々な電子応用形態において信号処理機能を実現するために使用され得る。例えば、幾つかの携帯電話および他の通信装置は、送信信号および／または受信信号用の周波数フィルタを実現するために音響共振器を使用する。異なる応用形態に従って、幾つかの異なるタイプの音響共振器が使用されることができ、例には、薄膜バルク音響共振器（Thin Film Bulk AcousticResonator：ＦＢＡＲ）、結合共振器フィルタ（Coupled Resonator Filter：ＣＲＦ）、スタック型バルク音響共振器（Stacked Bulk Acoustic Resonator：ＳＢＡＲ）、二重バルク音響共振器（Double Bulk Acoustic Resonator：ＤＢＡＲ）、及びソリッドマウント共振器（Solidly Mounted Resonator：ＳＭＲ）のようなバルク弾性波（Bulk Acoustic Wave：ＢＡＷ）共振器が含まれる。
代表的な音響共振器（例えば、ＦＢＡＲ）は、音響スタック（stack：積重体）と呼ばれる構造体において、２つの平板電極間に挟まれた圧電材料層を含む。入力電気信号が電極間に印加される場合、可逆性または逆圧電効果により、音響スタックは、圧電材料の分極に応じて機械的に膨張または収縮する。入力電気信号が時間と共に変化する場合、音響スタックの膨張および収縮は、様々な方向に音響共振器中を伝播する音波（音響波）を生成し、圧電効果により出力電気信号へ変換される。幾つかの音波は、音響スタックにわたる共振を達成し、この場合、共振周波数は、音響スタックの材料、寸法、及び動作条件のような要因によって決まる。音響共振器のこれら及び他の機械的特性は、その周波数応答を決定する。
音響共振器の性能を評価するために使用される１つの測定基準は、その電気機械結合係数（ｋｔ２）であり、それは電極と圧電材料との間のエネルギー伝達の効率を示す。他の条件が同じなら、より高いｋｔ２を有する音響共振器は一般に、より低いｋｔ２を有する音響共振器に対して優れた性能を有すると考えられる。従って、４Ｇ及びＬＴＥの応用形態のような高性能無線応用形態において、より高いレベルのｋｔ２を有する音響共振器を使用することが一般に望ましい。
音響共振器のｋｔ２は、圧電材料および電極の寸法、組成、及び構造特性のような幾つかの要因により影響を受ける。そしてまた、これら要因は、音響共振器を製作するために使用される材料および製造プロセスにより影響を受ける。従って、より高いレベルのｋｔ２を有する音響共振器を製作するための継続的努力において、研究者は、音響共振器の設計および製造に対する改善された手法を探し続けている。
例示的な実施形態は、添付図面と共に読まれる場合に、以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴要素が必ずしも一律の縮尺に従わずに描かれていることが強調される。実際には、寸法は、考察の明瞭化のために任意に増減され得る。適用可能および実用的であれば、同じ参照符号は同様の要素を指す。
詳細な説明
以下の詳細な説明において、説明のために及び制限しないために、特定の細部を開示する例示的な実施形態が、本教示の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本開示の利益を有する当業者には明らかなように、本明細書に開示された特定の細部から逸脱する、本教示に従った他の実施形態は、依然として添付の特許請求の範囲の範囲内にある。更に、よく知られた装置および方法の説明は、例示的な実施形態の説明を曖昧にしないように省略され得る。係る方法および装置は、明らかに本教示の範囲内にある。
以下の詳細な説明において、説明のために及び制限しないために、特定の細部を開示する例示的な実施形態が、本教示の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本開示の利益を有する当業者には明らかなように、本明細書に開示された特定の細部から逸脱する、本教示に従った他の実施形態は、依然として添付の特許請求の範囲の範囲内にある。更に、よく知られた装置および方法の説明は、例示的な実施形態の説明を曖昧にしないように省略され得る。係る方法および装置は、明らかに本教示の範囲内にある。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけであり、限定することを意図されていない。定義された用語は、関連する文脈において一般に理解される及び受け入れられるように、定義された用語の技術的意味、科学的意味または通常の意味に追加される。
用語「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「前記（the）」は、文脈で特に明示しない限り、単一の対象、及び複数の対象の双方を含む。このため、例えば、「デバイス（a device）」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。用語「実質的な」又は「実質的に」は、許容可能な限界内または又は程度内を意味する。用語「約」は、当業者にとって許容可能な限界内または量内を意味する。「〜より上に」、「〜より下に」、「上部」、「底部」、「上側」及び「下側」などのような相対的な用語は、添付図面に示されたように様々な要素の相互の関係を説明するために使用され得る。これらの相対的な用語は、図面に示された向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きを包含することが意図されている。例えば、デバイスが図面の表示に対して反転された場合、例えば、別の要素の「上に」と説明された要素は、今度はその要素の「下に」あることになる。第１のデバイスが第２のデバイスに接続または結合されると言われている場合、これは、１つ又は複数の中間デバイスを利用して、２つのデバイスを互いに接続することができる例を包含する。対照的に、第１のデバイスが第２のデバイスに直接的に接続または直接的に結合されると言われている場合、これは、２つのデバイスが電気コネクタ（例えば、ワイヤ、ボンディング材料など）以外の任意の中間デバイスを用いずに互いに接続される例を包含する。
本教示は一般に、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）又はソリッドマウント共振器（ＳＭＲ）のような音響共振器に関するが、当該説明は便宜上、ＦＢＡＲを対象とする。材料および製造方法を含む、音響共振器の特定の細部が、１つ又は複数の以下の共同所有の米国特許および米国特許出願に見いだされ得る。即ち、Lakinによる米国特許第６，１０７，７２１号、Ruby他による米国特許第５，５８７，６２０号、米国特許第５，８７３，１５３号、米国特許第６，５０７，９８３号、米国特許第６，３８４，６９７号、米国特許第７，２７５，２９２号、及び米国特許第７，６２９，８６５号、Feng他による米国特許第７，２８０，００７号、Jamneala他による米国特許出願公開第２００７／０２０５８５０号、Ruby他による米国特許第７，３８８，４５４号、Choy他による米国特許出願公開第２０１０／０３２７６９７号、Choy他による米国特許出願公開第２０１０／０３２７９９４号、Nikkel他による米国特許出願第１３／６５８，０２４号、Burak他による米国特許出願第１３／６６３，４４９号、Burak他による米国特許出願第１３／６６０，９４１号、Burak他による米国特許出願第１３／６５４，７１８号、Ruby他による米国特許出願公開第２００８／０２５８８４２号、及びKaitila他による米国特許第６，５４８，９４３号である。これら特許および特許出願の開示は特に、参照により全体として本明細書に組み込まれる。強調されることは、これら特許および特許出願に記載されたコンポーネント（構成要素）、材料および製造方法は代表例であり、当業者の理解範囲内にある他の製造方法および材料が企図される。
後述される特定の実施形態において、音響共振器構造体は、基板上に配置された第１の電極、第１の電極上に配置されてアルミニウムスカンジウム窒化物を含む圧電層、圧電層上に配置された第２の電極、及び圧電層、第１の電極、又は第２の電極の温度係数の少なくとも一部を相殺する温度係数を有する温度補償要素を含む。温度補償要素は、温度の変化に起因する性能の変動を低減することに貢献し、圧電層におけるスカンジウムの存在は、温度補償要素が存在することから結果として生じるかもしれないｋｔ２の減少を補償することに貢献する。
図１は、代表的な実施形態による、音響共振器１００の上面図であり、図２〜図７は、様々な実施形態に従って線Ａ−Ａ’に沿った、音響共振器１００の断面図である。断面図は音響共振器１００の様々な変形形態に対応し、それぞれ音響共振器２００〜７００と呼ばれる。音響共振器２００〜７００は、多くの同じ特徴要素を有し、そのため冗長性を避けるために、これら特徴要素の反復的な説明は省略され得る。
図１を参照すると、音響共振器１００は、５つの辺（側部）を有する上側電極１３５を含み、この場合、接続側部１０１が相互接続１０２に電気接続を提供するように構成されている。相互接続１０２は、音響共振器１００の圧電層（図１には示されない）に所望の音波を励起させるために上側電極１３５に電気信号を提供する。音響共振器１００の当該辺はアポダイズ構成を有し、アポダイズ構成は、それら全てが異なる長さを有することを意味する。更に、当該辺は一般に、２つの辺が平行でないように構成される。一般に、ＦＢＡＲ形状は、５つの辺に制限されない。例えば、一般的な代替のＦＢＡＲ設計は、四辺形、五角形および他の形状を含む。それは他の形状を有することができる。
図２〜図７は、代表的な実施形態による、音響共振器を示す断面図である。図２〜図７に示された例において、音響共振器は、説明の便宜上、ＦＢＡＲである。しかしながら、理解されるように、本教示の範囲から逸脱せずに、他のタイプの音響共振器が含まれ得る。図２〜図７に示された音響共振器のそれぞれは、アルミニウムスカンジウム窒化物を含む圧電層、並びに音響スタックの電極または圧電層内に又はそれらの上に配置された温度補償要素（例えば、温度補償層）を含む。理解されるように、同じ一般的な構成は、本教示の範囲から逸脱せずに、追加の構造的特徴要素を有する音響共振器に含まれ得る。
図２を参照すると、ＦＢＡＲとすることができる音響共振器２００は例えば、空洞（キャビティ）１１０（例えば、空気空洞）を有する基板１０５、基板１０５及び空洞１１０上に配置された下側電極１１５ｔ、下側電極１１５ｔに隣接して基板１０５上に配置された第１の平坦化層１２０、下側電極１１５ｔ及び第１の平坦化層１２０上に配置された圧電層１２５、圧電層１２５上に配置された上側電極１３５を含む。カラー（collar：つば）のような他のオプションの構造的特徴要素の配置に応じて、第２の平坦化層（図示せず）が、上側電極１３５に隣接して圧電層１２５上に配置されてもよい。全体として、下側電極１１５ｔ、圧電層１２５、及び上側電極１３５が音響共振器２００の音響スタックを構成する。
音響共振器２００は更に、下側電極１１５ｔの温度補償層１１７として示された温度補償要素を含み、それは、温度変化に応じて、圧電層１２５の音速およびカットオフ周波数の変化を補償する。より具体的には、下側電極１１５ｔは、基板１０５上にこの順序で積み重ねられた、外側電極層１１６、温度補償層１１７、及び導電インターポーザ層１１８を含む。インターポーザ層１１８は、圧電層１２５から温度補償層１１７を分離し、そのため、温度補償層１１７が下側電極１１５ｔ内に有効に埋め込まれる又はカプセル封入される。言い換えれば、温度補償層１１７は、下側電極１１５ｔの上面または底面上に形成されず、それ故に音響スタックにおいて、隣接する構成要素（例えば、圧電層１２５及び基板１０５）から分離される。特定の実施形態において、温度補償層１１７は、空洞１１０の周辺部内に配置される。例えば、それは、空気空洞の周辺部から約０〜２μｍ（ミクロン）の距離に配置されたエッジを有することができるが、この距離は変更され得る。代案として、温度補償層１１７の一方または双方のエッジは、空洞１１０の周辺部の外側に配置されてもよい。
第１の平坦化層１２０の存在は必須ではない。例えば、特定の代替の実施形態において、図３の音響共振器３００により示されるように、第１の平坦化層１２０は省かれることができ、温度補償層１１７が先細になるように（テーパ状）エッチングされて、インターポーザ電極１１８及び外側電極層１１６に埋め込まれる。
インターポーザ層１１８の存在は必須ではないが、それは、製造プロセス中に、圧電層１２５の適切な成長を容易にし、（例えば、ウエットエッチング又はウエット解放プロセスに使用されるフッ化水素酸（ＨＦ）からの）温度補償層１１７の保護を提供する。また、インターポーザ層１１８の存在および厚さは、温度補償層１１７の温度補償効果に影響を及ぼす。更に、例えば低いシート抵抗の金属から作製された厚さが十分なインターポーザ層１１８は、温度補償層１１７を電気的に短絡することができ、それ故にその直列静電容量を除去し、場合によっては電気機械結合係数ｋｔ２を増大させる。他方では、比較的厚いインターポーザ層１１８は、２つの高い音響エネルギー密度領域（温度補償層１１７及び圧電層１２５）を分離する低い音響エネルギー密度領域（インターポーザ層１１８）を形成することにより、スタックを音響的に不平衡にする可能性があり、今度は音響放射メカニズムに対する損失の増大、及びＱ値および並列抵抗Ｒｐの減少をもたらす可能性がある。様々な例示的な温度補償層および製造技術が、Burak他による米国特許出願第１３／７６６、９９３号（２０１３年２月１４日に出願）により説明されており、それは、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８及び／又は温度補償層１１７の相対的な厚さは、本教示の範囲から逸脱せずに、変更され得る。例えば、インターポーザ層１１８の厚さは増大されることができ、それ故に温度補償層１１７を下側電極１１５ｔへより深く「沈める」（及びアクティブな圧電層１２５から更に離す）。一般に、下側電極１１５ｔ内の温度補償層１１７の厚さと位置ならびに外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８の厚さは、許容可能な線形温度係数に対して結合係数を最大にするために最適化されるべきである。この最適化は例えば、当業者に明らかであるようなMasonモデルを用いて、音響スタックの等価回路をモデル化することにより、達成され得る。温度補償層１１７を沈めることにより温度係数の相殺効果に何らかの低下が存在するが、音響共振器２００の結合係数は改善され得る。当業者に明らかであるように、例えば、Simplex方法のような多変量最適化技術を用いて、温度係数と結合係数との間のトレードオフに鑑みて、下側電極１１５ｔにおける温度補償層１１７の深さを最適化するためのアルゴリズムが開発され得る。更に、温度補償層１１７の深さは、最低限必要な結合係数および最大許容温度係数のような様々な制約により、制限され得る。同様に、温度補償層１１７の厚さは、音響共振器２００の最適な結合係数および最低限の総合温度係数を提供するために調整され得る。また、温度補償層に関する係る最適化および対応する考察は、本明細書で説明される他のＦＢＡＲ（例えば、後述される音響共振器３００及び４００）にも適用可能である。
図２に示されるように、カプセル封入された温度補償層１１７は、外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８により取り囲まれている。温度補償層１１７をカプセル封入する例は、Burak他による米国特許出願第１３／７６６，９９３号（２０１３年２月１４日に出願）によってより詳細に説明されており、それは参照により全体として本明細書に組み込まれる。しかしながら、代替の実施形態において、温度補償層１１７は、カプセル封入されなくてもよく、又は部分的にカプセル封入されてもよく、そのため温度補償層１１７の少なくとも一部は、下側電極１１５ｔの１つ又は複数のエッジ（上側、下側または側部）において露出する。例えば、温度補償層１１７は、下側電極１１５ｔの全幅（図示された向きにおける水平方向）に延在することができる。また、例えば、温度補償層１１７の表面は、圧電層１２５の表面に当接することができ、つまりそれはインターポーザ層１１８が存在しない場合である。
下側電極１１５ｔにおいて、外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８は、半導体プロセスに適合する様々な金属のような導電材料から形成されることができ、当該金属には例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、又はハフニウム（Ｈｆ）が含まれる。図示された実施形態において、外側電極層１１６及びインターポーザ層は、同じ導電材料（例えば、Ｍｏ）から形成される。しかしながら、様々な代替の実施形態において、外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８は、異なる導電材料から形成されることができ、この場合、外側電極層１１６は、比較的より低い導電率および比較的より高い音響インピーダンスを有する材料から形成され、インターポーザ層１１８は、比較的より高い導電率および比較的より低い音響インピーダンスを有する材料から形成される。例えば、外側電極層１１６はＷから形成されることができ、インターポーザ層１１８はＭｏから形成されることができるが、他の材料および／または材料の組み合わせが、本教示の範囲から逸脱せずに使用され得る。
温度補償層１１７は半導体プロセスに適合する様々な材料から形成されることができ、当該材料には例えば、正の温度係数を有する、ボロンシリケートガラス（ＢＳＧ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、クロム（Ｃｒ）又は酸化テルル（ＴｅＯ（ｘ））が含まれる。温度補償層１１７の正の温度係数は、圧電層１２５、上側電極１３５、下側電極１１５ｔの外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８を含む音響スタックの他の材料の負の温度係数を相殺する。
基板１０５は例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、サファイア、又はアルミナ等のような、半導体プロセスに適合する様々な材料から形成され得る。基板の空気空洞に関する様々な例示的な製造技術が、Grannen他による米国特許第７，３４５，４１０号（２００８年３月１８日）により説明されており、それは、参照により全体として本明細書に組み込まれる。圧電層１２５は例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又はジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）のような、半導体プロセスに適合する任意の圧電材料から形成され得る。更に、後述されるように、圧電材料は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はエルビウム（Ｅｒ）のような少なくとも１つの希土類元素と化合され得る。
第１の平坦化層１２０は例えば、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）から形成され得る。第１の平坦化層１２０は、音響共振器２００が機能することに厳密には必要ではないが、その存在は様々な利点を与えることができる。例えば、第１の平坦化層１２０の存在は、音響共振器２００の構造的安定性を改善することに貢献し、後続層の成長の品質を改善することができ、下側電極１１５ｔが空洞１１０を超えて延在するそのエッジを有さずに形成されることを可能にすることができる。また、第１の平坦化層１２０の存在は、下側電極の先細になること（テーパ）、及び下側電極の先細になるように（テーパ状）エッチングすることに起因した下側電極の斜面の上側での不十分な品質のＡＬＮ成長を回避することに貢献する。平坦化の更なる潜在的な利点の例は、Burak他による米国特許出願公開第２０１３／０１０６５３４号に提示されており、それは参照により全体として本明細書に組み込まれる。下側電極１１５ｔ及び上側電極１３５は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）のような１つ又は複数の導電金属材料から形成され得る。下側電極１１５ｔ及び上側電極１３５は、同じ又は異なる材料から形成され得る。当然のことながら、本教示の範囲から逸脱せずに、他の材料が上記のもの及び音響共振器２００の他の特徴要素へ混ぜられることができる。
図４を参照すると、音響共振器４００は、上側電極１３５ｔ中の温度補償層１３７として示された温度補償要素の配置を除いて、音響共振器２００に類似する。即ち、音響共振器４００は、空洞（キャビティ）１１０を有する基板１０５、基板１０５及び空洞１１０上に配置された下側電極１１５、下側電極１１５に隣接して基板１０５上に配置された第１の平坦化層１２０、下側電極１１５及び第１の平坦化層１２０上に配置された圧電層１２５、圧電層１２５上に配置され、温度補償層１３７を含む上側電極１３５ｔを含む。
上側電極１３５ｔは、圧電層１２５上にこの順序で積み重ねられた、導電インターポーザ層１３６、温度補償層１３７、及び外側電極層１３８を含む。インターポーザ層１３６は、圧電層１２５から温度補償層１３７を分離する。インターポーザ層１３６の存在は、特にそれが圧電層１２５の成長を支援するのに必要ではないので、必須ではないが、それは製造プロセス中に、（例えば、ウエットエッチングに使用されるフッ化水素酸（ＨＦ）からの）温度補償層１３７の保護を提供し、そうでなければ温度補償層１３７の温度補償効果に影響を及ぼす。代替の実施形態において、インターポーザ層１３６は含まれず、ひいては温度補償層１３７は圧電層１２５の上面に直接的に形成される。また、温度補償層１３７は上側電極１３５ｔ内にカプセル封入されて示されているが、理解されるように、本教示の範囲から逸脱せずに、それは上側電極１３５ｔの全幅に延在してもよく、又は上側電極１３５ｔ内にほんの部分的にカプセル封入されてもよい。また、上述されたように例えば、温度補償層１３７の表面は、圧電層１２５の表面に当接することができ、つまりそれはインターポーザ層１３６が存在しない場合である。
上側電極１３５ｔにおいて、インターポーザ層１３６及び外側電極層１３８は、外側電極層１１６及びインターポーザ層１１８に関して上述されたように、同じ又は異なる導電材料から形成され得る。一実施形態において、外側電極層１３８は、比較的より低い導電率および比較的より高い音響インピーダンスを有する材料から形成されることができ、インターポーザ層１３６は、比較的より高い導電率および比較的より低い音響インピーダンスを有する材料から形成され得る。例えば、外側電極層１３８はＷから形成されることができ、インターポーザ層１３６はＭｏから形成されることができるが、他の材料および／または材料の組み合わせが、本教示の範囲から逸脱せずに使用され得る。温度補償層１３７は、半導体プロセスに適合する様々な材料から形成されることができ、当該材料には例えば、正の温度係数を有する、ＢＳＧ、ＳｉＯ２、Ｃｒ又はＴｅＯ（ｘ）が含まれる。
図５を参照すると、音響共振器５００は、音響共振器３００に類似して第１の平坦化層１２０が省かれて、温度補償層１３７が先細になるようにエッチングされていることを除いて、音響共振器４００に類似する。
図６を参照すると、音響共振器６００は、圧電層１２５ｔ中の温度補償層１２７として示された温度補償要素の配置を除いて、音響共振器２００に類似する。即ち、音響共振器６００は、空洞（キャビティ）１１０を有する基板１０５、基板１０５及び空洞１１０上に配置された下側電極１１５、下側電極１１５に隣接して基板１０５上に配置された第１の平坦化層１２０、下側電極１１５及び第１の平坦化層１２０上に配置され、温度補償層１２７を含む圧電層１２５ｔ、圧電層１２５ｔ上に配置された上側電極１３５を含む。
圧電層１２５ｔは、下側電極１１５上にこの順序で積み重ねられた、第１の圧電副層１２５ｔ−１、温度補償層１２７、及び第２の圧電副層１２５ｔ−２を含む。従って、図示された実施形態において、温度補償層１２７は、圧電層１２５ｔ内に埋め込まれている。言い換えれば、温度補償層１２７は、圧電層１２５ｔの上面または底面に形成されず、それ故に音響スタックの隣接する構成要素（例えば、下側電極１１５及び上側電極１３５）から分離されている。図示された実施形態において、温度補償層１２７は例えば、圧電層１２５ｔの全厚さのほぼ半分のところに配置される。圧電層１２５ｔの第１の圧電副層１２５ｔ−１及び第２の圧電副層１２５ｔ−２は、同じ材料から形成されることができ、この場合、温度補償層１２７は中間に形成される。温度補償層１２７は、半導体プロセスに適合する様々な材料から形成されることができ、当該材料には例えば、正の温度係数を有する、ＢＳＧ、ＳｉＯ２、Ｃｒ又はＴｅＯ（ｘ）が含まれる。温度補償層１２７の正の温度係数は、圧電層１２５ｔ、下側電極１１５、及び上側電極１３５を含む音響スタックの他の材料の負の温度係数を相殺する。また、温度補償層１２７は圧電層１２５ｔ内にカプセル封入されて示されているが、理解されるように、本教示の範囲から逸脱せずに、それは圧電層１２５ｔの全幅に延在してもよく、又は圧電層１２５ｔ内にほんの部分的にカプセル封入されてもよい。また、例えば、温度補償層１２７の表面は、下側電極１１５又は上側電極１３５の一方の表面に当接することができる。更に、音響共振器２００〜５００に類似して、温度補償層１２７は、本教示の範囲から逸脱せずに、温度補償層１２７の下、上または両側に配置された金属層内にカプセル封入されてもよい。
図７を参照すると、音響共振器７００は、第１の平坦化層１２０が省かれて、温度補償層１２７が先細になるようにエッチングされて、金属層７０５内にカプセル封入されていることを除いて、音響共振器６００に類似する。
一般に、音響共振器１００〜７００において、代表的な温度補償層１１７、１２７及び／又は１３７のような温度補償層の追加は、対応する音響共振器デバイスの電気機械結合係数ｋｔ２を低減する。補償するために、圧電層１２５、１２５ｔは、本質的により高い圧電係合係数を有する材料（例えば、ＡｌＮの代わりにＺｎＯ）から形成され得る。また、様々な実施形態において、圧電層１２５、１２５ｔは例えば、圧電層１２５、１２５ｔにおいて圧電結合係数ｅ３３を増加させるために、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はエルビウム（Ｅｒ）のような１つ又は複数の希土類元素で「ドーピング」されることができ、それによって、温度補償層１１７、１２７又は１３７によりもたらされる音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ２の低下の少なくとも一部を埋め合わせる。電気機械結合係数ｋｔ２を改善するために圧電層を１つ又は複数の希土類元素でドーピングする例は、Bradley他による２０１２年１０月２７日に出願された米国特許出願第１３／６６２，４２５号、及びGrannen他による２０１２年１０月２７日に出願された米国特許出願第１３／６６２，４６０号により提供され、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。
温度補償材料に起因したｋｔ２の減少を補償することに加えて、スカンジウムのような材料で「ドーピング」された圧電層は、従来の圧電層に比べて、幾つかの更なる利点を提供することができる。例えば、アルミニウムスカンジウム窒化物は、音速を低減することに貢献し、それにより改善された性能を可能にする、又は同じ周波数（及び同時に起こる共振器面積の減少）に戻るために共振器の全ての層の厚さの縮小を可能にすることができる。また、アルミニウムスカンジウム窒化物は、より高い誘電率を有する傾向があり、同じ全インピーダンスに対して更なる共振器面積の低減を可能にする。更に、比例的により厚い電極は、改善されたＱ値を提供する傾向があり、それは挿入損失を低減することに貢献する。これは、より良好な性能、又は更なるダイの縮小に関して圧電層を更にもっと薄くすることによって有効にｋｔ２を縮小することに使用され得る。一般に、これら及び他の潜在的な利点の大きさは、圧電層１２０のスカンジウムの量に応じて変化するかもしれない。特定の実施形態において、上述されたように、圧電層は、約３〜１０重量％のスカンジウムを有するアルミニウムスカンジウム窒化物からなることができる。
例示的な実施形態が本明細書に開示されたが、当業者ならば理解されるように、本教示に従った多くの変形形態が、可能であり、依然として添付の特許請求の範囲の範囲内にある。例えば、上述されたように、カラー（collar）及び／又はフレームの場所、寸法、及び材料は、様々に変更され得る。更に、説明されたデバイスの様々な性能特性を更に改善するために、他の特徴要素が追加および／または取り除かれ得る。これら及び他の変形形態は、本明細書、図面、及び特許請求の範囲を精査した後に、当業者には明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想および範囲内にあることを除いて、制限されるべきではない。
Claims (20)
- 音響共振器構造体であって、
基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置され、アルミニウムスカンジウム窒化物を含む圧電層と、
前記圧電層上に配置された第２の電極と、
前記圧電層、前記第１の電極、又は前記第２の電極の温度係数の少なくとも一部を相殺する温度係数を有する温度補償要素とを含む、音響共振器構造体。 - 前記アルミニウムスカンジウム窒化物が、約３〜１０重量％のスカンジウムを含む、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、酸化ケイ素を含む、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記第１の電極と前記圧電層との間に配置された温度補償層からなる、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償層の上に形成され、前記第１の電極と接触するインターポーザ層を更に含む、請求項４に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記第２の電極上に配置された温度補償層からなる、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償層の上に形成され、前記第２の電極と接触するインターポーザ層を更に含む、請求項６に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記圧電層内に埋め込まれた温度補償層からなる、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償層の上に形成された第１のインターポーザ層、及び前記温度補償層の下に形成された第２のインターポーザ層を更に含む、請求項８に記載の音響共振器構造体。
- 前記基板に配置された空気空洞を更に含み、前記温度補償要素が、前記空気空洞の周辺部内に配置されている、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記空気空洞の周辺部から約０〜２μｍ（ミクロン）の距離に配置されたエッジを有する、請求項１０に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素の温度係数が正の温度係数であり、前記圧電層、前記第１の電極および前記第２の電極の温度係数が負の温度係数である、請求項１に記載の音響共振器構造体。
- 音響共振器構造体であって、
基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置され、少なくとも１つの希土類元素と化合された圧電材料を含む圧電層と、
前記圧電層上に配置された第２の電極と、
前記圧電層、前記第１の電極、又は前記第２の電極の温度係数の少なくとも一部を相殺する温度係数を有する温度補償要素とを含む、音響共振器構造体。 - 前記少なくとも１つの希土類元素がスカンジウム（Ｓｃ）からなる、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記少なくとも１つの希土類元素が、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）及びエルビウム（Ｅｒ）の少なくとも１つからなる、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記圧電層が、約３〜１０重量％の前記少なくとも１つの希土類元素を含む、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、ボロンシリケートガラス（ＢＳＧ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、クロム（Ｃｒ）又は酸化テルル（ＴｅＯ（ｘ））の少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記第１の電極と前記圧電層との間に配置された温度補償層からなる、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記第２の電極上に配置された温度補償層からなる、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
- 前記温度補償要素が、前記圧電層内に埋め込まれた温度補償層からなる、請求項１３に記載の音響共振器構造体。
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