WO2003050950A1 - Akustischer spiegel mit verbesserter reflexion - Google Patents

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Ralph Stoemmer
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Epcos Ag
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Definitions

  • a membrane can also be arranged as a thin carrier layer between the lower electrode and the substrate. This arrangement is also called a bridge-type resonator.
  • Another disadvantage of a BAW resonator of the mirror type lies in the complexity of the processes for the deposition and structuring of the multilayer structure required for this.
  • Each ⁇ / 4 layer increases the complexity and thus the cost of the manufacturing process.
  • the errors also increase, so that a considerable spread of the resonance frequencies of the resonators and thus the center frequency of filters can be accepted over an entire wafer.
  • Layers with a high dielectric constant can lead to a coupling of electrical signals to the substrate, which leads, for example, to undesired crosstalk and to an increase in insertion loss.
  • the acoustic impedance Z is according to the formula calculated, these two low values c and p result in extremely low acoustic impedances which, in combination with materials of high impedance Z, result in the highly reflective acoustic mirror according to the invention.
  • the reflectivity of a single ⁇ / 4-layer pair is sufficient to produce a good acoustic mirror for a BAW resonator.
  • layer pairs with layer thicknesses of odd-numbered Chen of ⁇ / 4 are understood, as well as layers that differ slightly from this value.
  • the acoustic reflectivity at the interface between the lower electrode and the low-k dielectric alone is over 90% if Au is selected as the material for the lower electrode.
  • the acoustic reflectivity at the Au / low-k interface is only 40%.
  • the acoustic refectivity R at the interface between two layers 1 and 2 is calculated using the formula
  • Low-k dielectrics preferred for the invention are polyaromatic polymers which are obtained, for example, by polymerizing monomers substituted with cyclopentadienone and acetylene. Ren of the polyphenylenes or bisbenzocyclobutene monomers are derived.
  • the low-k dielectric SiLK has a glass transition temperature (maximum temperature stability) of more than 490 ° C, an elastic constant of about 2.45 GPa, an average density of 1.2 g / cm A 3 and thus an acoustic impedance of only 1.7 x 10 A 6 kg / s / m A 2.
  • the high thermal stability of this material is ideally suited to enable subsequent layer deposition of further functional layers, such as, for example, another high-impedance layer, piezoelectric layers, electrodes, diffusion barriers or passivations, even at the high temperatures required for this. It can be applied in a very homogeneous layer structure using the spin-on technique, and a desired layer thickness can be set with high accuracy.
  • the coupling in the BAW resonator is increased with a pair of mirror layers which comprises such a polyaromatic layer. This also changes the bandwidth in the BAW filter increased by an average of 14% compared to conventional acoustic mirrors. In this way, a BAW resonator with an acoustic mirror becomes a fully fledged alternative to a BAW resonator with a bridge structure.
  • the scattering of the center frequency over all resonators produced on a single wafer is also reduced.
  • the interfering electrical coupling to the substrate caused in particular when using metallic high-impedance layers in the acoustic mirror, is reduced by reducing the number of layers in the mirror and by reducing the relative dielectric constants of the low-k dielectric.
  • BCB Another material with low dielectric constant, low density and a low elastic constant c besides SiLK ® is benzocyclobutene.
  • This material known as BCB for short, is known from microelectronics as a dielectric, insulation and cover layer. It is also outstandingly suitable for acoustic mirror layers according to the invention with low acoustic impedance, since it also ensures high layer thickness homogeneity during application and can be applied in a desired and reproducible manner to a desired thickness on a substrate, for example by means of spin-on technology.
  • the layer thicknesses for the layer pairs of the acoustic mirror are adapted to the desired resonance frequency of the resonators and thus to the center frequency of the resulting filters. Because of the high bandwidth, a given pair of layers of ⁇ / 4 or 3 ⁇ / 4 layers can be used not only for a given resonance frequency, but also for other resonance frequencies within the bandwidth of the mirror or for resonators with such resonance frequencies.
  • a material with a high coupling constant is preferably selected which is homogeneous in the desired and dependent on the center frequency
  • Zinc oxide or aluminum nitride are particularly suitable for BAW resonators. In principle, however, other piezoelectric materials are also suitable, provided that they meet the specified boundary conditions. In principle, the same selection applies to the upper electrode layer as to the lower electrode layer.
  • Each of the "lower" layers of a BAW resonator layer structure serves as a "substrate" for the layer applied above it and must accordingly withstand at least the deposition conditions of the layer above it undamaged, as well as have low surface roughness so that no acoustic scattering at the interfaces , Losses and growth disturbances occur which reduce the dynamics of the resonators and thus increase the insertion loss of the resulting filters.
  • reactance filters made of BAW resonators have required resonators that have a separate resonance frequency for each resonance frequency. fitted acoustic mirrors required.
  • the acoustic mirrors according to the invention it is now possible to use a single acoustic mirror consisting of only one pair of layers for the two filters of a duplexer and yet to meet the high requirements for the slope, bandwidth and near-selection.
  • the aid of the invention it is thus possible to implement the resonators for two filters operating in closely adjacent frequency ranges on only one substrate with only one acoustic mirror according to the invention applied over the entire surface. This simplifies production and reduces costs.
  • FIG. 3 shows the ad itance curves of a BAW resonator according to the invention compared to the admittance curve of a conventional resonator.
  • FIG. 4a shows an example of a possible structure of a reactance filter in a ladder-type structure.
  • FIG. 4b shows an example of a further possible structure of a reactance filter in a ladder-type structure.
  • FIG. 5 shows an example of the transmission curve of a reactance filter constructed from BAW resonators according to the invention, compared to the transmission curve of a reactance filter constructed from conventional BAW resonators.
  • FIG. 7 shows the transmission curves of a duplexer constructed from BAW resonators according to the invention as a function of layer thickness deviations of the low-k dielectric.
  • BAW resonators constructed duplexers as a function of layer thickness deviations of the high impedance layer of the acoustic mirror according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a schematic cross section of a BAW resonator with an acoustic mirror according to the invention, whose mirror layers can be designed independently of one another as ⁇ / 4 layers or 3 ⁇ / 4 layers. Slight deviations from these conditions serve to optimize the resonator properties.
  • FIG. 1 a shows a schematic cross section of a BAW resonator with an acoustic mirror according to the invention, whose mirror layers can be designed independently of one another as ⁇ / 4 layers or 3 ⁇ / 4 layers. Slight deviations from these conditions serve to optimize the resonator properties.
  • Below the schematic cross section is an electronic equivalent circuit diagram of the BAW
  • Resonators specified This is built up on a substrate S, which serves only as a mechanically solid support.
  • the choice of suitable materials is correspondingly broad.
  • a first layer HZ with high acoustic impedance is applied directly to the substrate, for example a tungsten layer. This has an impedance of approximately 105 x 10 e kg / sm 2 .
  • the thickness of the layer HZ is selected so that it has a thickness of ⁇ / 4 at the desired resonance frequency of the BAW resonator and the propagation speed of the acoustic wave given in the material (tungsten). At a resonance frequency of 2.1 GHz, for example, this is a thickness of 611 nm.
  • a low-k dielectric is arranged above the layer HZ as a further layer with a thickness of ⁇ / 4 or a thickness of 3 ⁇ / 4, for example a material which is marketed as a dielectric by the Dow Chemical Corporation under the name SiLK®.
  • the SiLK® material system consists of cross-linked polyphenylenes, which can be obtained by polymerizing monomers substituted with cyclopentadienone and acetylene.
  • the acoustically very similar material, BCB consists of cross-linked bisbenzocyclobutenes.
  • the mirror layer thickness of a ⁇ / 4 layer is selected to be approximately 165 nm
  • the mirror layer thickness of a 3 ⁇ / 4 layer is selected to be approximately 500 nm.
  • a broadband acoustic mirror A can be realized, which has more than 95% reflectivity for the acoustic energy of a wave of the mentioned center frequency.
  • a second electrode layer E2 is arranged above the piezoelectric layer P, not necessarily made of the same material as the first electrode layer E1.
  • the upper electrode El is additionally provided with tuning, trimming or passivation layers.
  • An SCF as described in the previous paragraphs relating to FIG. 1 a, is initially constructed like a BAW resonator. The materials, manufacturing techniques and processes used are similar.
  • a second piezoelectric layer P2 is applied over the electrode layer E2, which is deposited on a piezoelectric layer P1, for example by means of sputtering technology. This in turn is covered by a top electrode E3.
  • one or more acoustic mirror layers are inserted between electrode E2a and a further electrode E2b deposited thereon, which change the electrical and acoustic coupling between the resonator El-Pl-E2a and the resonator E2b-P2-E3.
  • these mirror layers which can be designed as ⁇ / 4 or 3 ⁇ / 4 layers, low-k dielectrics such as SiLK or BCB can be used as low-impedance layers.
  • An electronic equivalent circuit diagram of the simple embodiment of the SCF is given below the schematic cross section.
  • Low-k dielectrics such as BCB or SiLK ® , which are applied to surfaces using spin-on technology, additionally smooth out the roughness of the layers below thanks to their flow properties.
  • the interface roughness which can accumulate upwards in conventional mirrors, is not shown further up in these low-k dielectrics. Measures such as polishing surfaces that are conventional
  • FIG. 3 shows the admittance curve of a BAW resonator provided with an acoustic mirror A according to the invention. Its curve 2 is compared with a curve 1, which is determined using a conventional BAW resonator with a conventional acoustic mirror. This known acoustic mirror is made up of two ⁇ / 4 pairs of layers Si0 2 / W. The figure shows that a higher bandwidth is obtained with the resonator according to the invention than with the resonator with a conventional mirror. The bandwidth results from the distance between the resonance frequency f r and the anti-resonance frequency f a . The broadband is the best.
  • FIG. 3 shows an increase in the bandwidth of 9.4 MHz. Compared to the bandwidth of a BAW resonator with a conventional mirror of 57.5 MHz, this means a bandwidth increase of 16%.
  • the admittance curves shown correspond to BAW resonators with gold and aluminum as the electrode material. Silicon serves as the substrate.
  • the improved properties of the resonator according to the invention are in particular attributed to the favorable properties of the low-k dielectric layer LK, which is improved in essential parameters compared to the silicon dioxide previously used for this.
  • the following table provides an overview of the most important properties of the known material (Si0 2 ) and the polyaromatic SiLK ® used in accordance with the invention:
  • FIG. 4 shows three exemplary possibilities of how a reactance filter can be constructed from several BAW resonators.
  • at least one resonator R s is connected in series between the filter input and the filter output.
  • at least one further resonator R p is connected to ground.
  • the ladder-type structure can be expanded by any further serial and parallel resonators, wherein each parallel resonator R p can be composed of two parallel resonators connected in parallel and each serial resonator R s can be composed of two resonators connected in series.
  • the well-known design rule for ladder-type filters can be applied.
  • the bandwidth here also increases by 13% for TX filters and by 14% for the RX filters.
  • the TX filter has a ladder-type structure as shown in FIG. 4a, the RX filter has a further parallel resonator Rp at the input.
  • the layer thickness of the first high-impedance mirror layer (here: tungsten) is varied by +/- 300 nm in deviation from the optimal value (here: ⁇ llnm).
  • the two transmission curves, each with non-optimal layer thicknesses are almost indistinguishable, although the layer thickness deviation for the tungsten ⁇ / 4 layer is almost +/- 50%.
  • the pass curves lead to bandpass filters that meet the specified specifications.
  • acoustic mirrors according to the invention provide a higher degree of freedom in the selection of the desired materials, which enable further optimization of BAW resonators and filters made therefrom.
  • the properties of conventional BAW resonators are at least achieved, but, as shown, considerably exceeded for optimal layer combinations.

Abstract

Für einen BAW-Resonator oder einen Stacked Crystal Filter wird ein akustischer Spiegel vorgeschlagen, der zumindest ein Schichtenpaar aus λ/4- oder 3λ/4-Schichten aufweist, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht mit niedriger akusti-scher Impedanz und eine zweite Schicht mit relativ dazu hoher akustischer Impedanz umfaßt und wobei als Material mit nied-riger akustischer Impedanz ein Low-k-Dielektrikum ausgewählt ist.

Description

Beschreibung
Akustischer Spiegel mit verbesserter Reflexion
Die Erfindung betrifft einen akustischen Spiegel für einen Bulk Acoustic Wave Resonator (BAW-Resonator) und einen Stak- ked Crystal Filter (SCF-Filter) , mit zumindest einem Schichtenpaar aus ambda-Viertel -Schichten oder 3λ/4 Schichten, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht mit einem ersten Material niedriger akustischer Impedanz und eine zweite
Schicht mit einem zweiten Material relativ dazu hoher akustischer Impedanz umfaßt .
Mit akustischen Wellen arbeitende Volumenschwinger, sogenann- te FBAR (Thin-Film-Bulk-Acoustic-Resonator) oder auch BAW- Resonatoren genannt, basieren auf einem piezoelektrischen Grundkörper, der an zwei Hauptoberflächen mit je einer Elektrode versehen ist. Ein solcher Resonator weist eine Resonanzfrequenz fr auf, die näherungsweise nach der Formel fr = v/2L0
von der Gesamtdicke L0 des schwingenden Grundkörpers abhängig ist. Mit v ist dabei die Geschwindigkeit der Longitudinalwel- le im piezoelektrischen Grundkörper bezeichnet. Solche Reso- natoren können beispielsweise zum Aufbau von HF-Filtern verwendet werden. Dazu werden mehrere solcher Resonatoren in Abzweigschaltungen zu einem Filternetzwerk, einem sogenannten Reaktanzfilter, verschaltet.
Die für einen im HF-Bereich resonierenden BAW-Resonator erforderliche Schichtdicke L0 des Grundkörpers liegt im μ - und im sub-μm-Bereich. Zur Herstellung der Schichten des Grundkörpers sind daher Dünnschichtverfahren erforderlich.
Um die Energie der akustischen Welle innerhalb des Resonatorgrundkörpers zu halten und eine scharfe Resonanzfrequenz des Resonators zu gewährleisten, sind zwei prinzipielle Konstruk- tionsprinzipien bekannt, die eine genügend hohe Reflexion der akustischen Welle an Grenzflächen ermöglichen, um dabei eine ausreichende Filterwirkung mit niedrigen akustischen bzw. elektrischen Verlusten gewährleisten.
Eine Möglichkeit, die Energie der akustischen Welle innerhalb des Resonatorgrundkörpers zu erhalten, besteht darin, den Grundkörper über einem Hohlraum anzuordnen, wobei zwischen der unteren Elektrode und dem Substrat noch eine Membran als dünne Trägerschicht angeordnet sein kann. Diese Anordnung wird auch Bridge-Type Resonator genannt .
Weiterere BAW-Resonatoren vom Mirror-Type verwenden einen sogenannten akustischen Spiegel. Dieser besteht aus einer Viel- zahl von Schichtenpaaren mit alternierenden Schichten aus Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz. Jede der Schichten hat eine Schichtdicke von Lambda-Viertel, so daß sich die an jeder Grenzfläche reflektierten Wellenanteile konstruktiv überlagern. Grundsätzlich sind bei der Wahl der Schichtdicken Werte möglich, die ungeradzahligen Vielfachen von Lambda-Viertel entsprechen, also λ/4, 3λ/4, ..., (2n- l)λ/4 mit natürlichen Zahlen n. Aus Gründen der Optimierung der Resonatoreigenschaften kann bei den Spiegelschichtdicken geringfügig von der λ/4, 3λ/4, ..., (2n-l) λ/4-Regel abgewi- chen werden. Als Material mit niedriger akustischer Impedanz wird insbesondere Si02 verwendet, als Material hoher akustischer Impedanz dagegen ein Schwermetall wie Wolfram oder Molybdän, oder auch Aluminiumnitrid. Je höher der Impedanzunterschied zwischen den beiden Materialien, desto weniger Paa- re werden für einen akustischen Spiegel gebraucht. Konventionelle akustische Spiegel benötigen für gute Reflexion wenigstens zwei λ/4 -Schichtenpaare zwischen der unteren Elektrode und dem Substrat. Mit jeder zusätzlichen Schicht reduziert sich jedoch die effektive Kopplung des Resonators und damit die Bandbreite. Gegenüber einem Resonator vom Bridge-Typ kann sich dabei die Bandbreite des Resonators um bis zu 30 % reduzieren. Mit solchen Resonatoren ist es darum erheblich auf- wendiger, ein Bandpaßfilter mit einer ausreichenden Bandbreite zu realisieren.
Ein weiterer Nachteil eines BAW-Resonators vom Mirror-Type besteht in der Komplexität der Verfahren zur Abscheidung und Strukturierung des dafür erforderlichen Mehrschichtaufbaus. Jede λ/4 -Schicht erhöht die Komplexität und damit die Kosten des Herstellungsprozesses. Mit der Zahl der nötigen Schichten häufen sich auch die Fehler, so daß über einen gesamten Wafer gesehen eine erhebliche Streuung der Resonanzfrequenzen der Resonatoren und damit der Mittenfrequenz von Filtern in Kauf zu nehmen ist .
Da sich mit der Zahl der Schichtpaare für den akustischen Spiegel die Bandbreite des akustischen Spiegels reduziert, wäre beispielsweise in einem Duplexer, welcher zwei Filter mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen (Paß-Bändern) besitzt, jeweils ein separater akustischer Spiegel für jeden der beiden Filter erforderlich. Die Komplexität der Herstel- lung wird somit erhöht.
Schichten mit hoher dielektrischer Konstante, wie insbesondere die Metalle Wolfram und Molybdän, können zu einer Kopplung elektrischer Signale zum Substrat führen, was beispielsweise zu dem unerwünschten Übersprechen und zu einer Erhöhung der Einfügedämpfung führt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen akustischen Spiegel für einen solchen BAW-Resonator anzugeben, welcher einfacher als bekannte akustische Spiegel herzustellen ist und welcher die oben genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen akustischen Spiegeln mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein den akustischen Spiegel umfassender BAW-Resonator, ein aus BAW-Resonatoren aufgebautes Filter sowie ein solche Filter umfassender Duple- xer sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung schlägt vor, einen akustischen Spiegel aus zu- mindest einem Schichtenpaar von Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz anzufertigen, wobei in erfindungsgemäßer Weise als Material mit niedriger akustischer Impedanz ein Low-k-Dielektrikum ausgewählt wird. Wird ein solches Dielektrikum mit einer weiteren Schicht eines Materials mit hoher akustischer Impedanz kombiniert, so wird ein hochreflektierender akustischer Spiegel erhalten. Erfindungsgemäß werden Materialkombinationen für die Spiegelschichtenpaare aufgefunden, die einen hochreflektierenden Spiegel bereits mit nur einem Schichtenpaar ermöglichen.
Die erfindungsgemäß verwendeten Low-k-Dielektrika sind für mikroelektronische Anwendungen als Isolations-, Abdeck- und Zwischenschichten bekannt. In diese Materialklasse der Low-k- Dielektrika fallen gehärtete Schäume, poröse Oxide und Aero- gele sowie vernetzte gehärtete Polymere und andere organische Materialien, welche mit CVD-Technik (Chemical Vapour Deposition) oder SOD-Technik (Spin-On Deposition) als dünne Schichten abgeschieden werden können. Diese Stoffe weisen eine wesentlich niedrige Dielektrizitätskonstante als Si02 auf und besitzen ein ε von weniger als 3. Zusätzlich besitzen sie noch niedrige Dichten p und kleine elastische Konstanten c. Da sich die akustische Impedanz Z nach der Formel
Figure imgf000005_0001
berechnet, ergeben sich mit diesen beiden niedrigen Werten c und p extrem niedrige akustische Impedanzen, die in Kombination mit Materialien hoher Impedanz Z den erfindungsgemäßen hochreflektiven akustischen Spiegel ergeben. In Verbindung mit Wolfram als Hochimpedanzmaterial ist die Reflektivität eines einzigen λ/4-Schichtenpaares ausreichend, um einen gu- ten akustischen Spiegel für einen BAW-Resonator herzustellen. Unter λ/4 -Schichtenpaar sollen im Sinne der Erfindung auch Schichtenpaare mit Schichtdicken von ungeradzahligen Vielfa- chen von λ/4 verstanden werden, sowie Schichten, die geringfügig von diesem Wert abweichen. Allein die akustische Re- flektivität an der Grenzfläche zwischen unterer Elektrode und low-k Dielektrikum beträgt über 90%, wenn als Material für die untere Elektrode Au gewählt wird. Bei Verwendung des konventionellen Materials Si02 beträgt die akustische Reflekti- vität an der Au/low-k-Grenzflache nur 40%. Dabei berechnet sich die akustische Refektivität R an der Grenzfläche zwischen zwei Schichten 1 und 2 nach der Formel
Figure imgf000006_0001
Zi entspricht der akustischen Impedanz von Au (ZAu=63*10A6 kg/s/mΛ2) und Z2 entspricht der akustischen Impedanz des verwendeten low-k-Dielektrikums (exemplarisch für die low-k- Dielektrika SiLK® und BCB : Z low.k < 2*10λ6 kg/s/mΛ2) oder der akustischen Impedanz von Si02 (ZSi02= 14*10A6 kg/s/mA2) .
Da die akustische Impedanz eines Materials mit seiner Dichte steigt oder fällt, können erfindungsgemäß Maßnahmen vorgese- hen werden, die die Dichte in den Schichten niedriger akustischer Impedanz weiter reduzieren. Vorteilhaft ist es beispielsweise, in der Spiegelschicht mit niedriger akustischer Impedanz Nanoporen vorzusehen. Solche Nanoporen können strukturbedingt in einem entsprechenden Polymeren oder einem Mate- rial mit 3D-Struktur vorhanden sein. Nanoporen können aber auch nachträglich erzeugt werden, beispielsweise durch Aufschäumen des Materials mit einem ein Gas freisetzenden Mittel, insbesondere mit einem Treibmittel. Auch Siloxane, die von Silsesquioxanen abgeleitet sind, weisen strukturbedingt Hohlräume auf, die die Dichte und damit die akustische Impedanz reduzieren. Materialien wie Aerogele oder poröse Silikate besitzen ebenfalls Poren und damit eine niedrige Dichte.
Für die Erfindung bevorzugte Low-k-Dielektrika sind polyaro- matische Polymere, die beispielsweise durch Polymerisation von mit Cyclopentadienon und Acetylen substituierten Monome- ren der Polyphenylene oder Bisbenzocyclobuten-Monomeren abgeleitet sind. Durch die Polymerisation werden beispielsweise vernetzte Polyphenylene (Handelsname SiLK ®) oder vernetzte Bisbenzocyclobutene (Handelsname BCB) erhalten, die für das Beispiel BCB eine Glasübergangstemperatur (maximaleTempera- turstabilität) von mehr als 350°C, eine elastische Konstante von etwa 2 GPa, eine mittlere Dichte von 1,0 g/cm 3 und damit eine akustische Impedanz von nur 1,4 x 10A6 kg/s/mA2 besitzt. Das low-k Dielektrikum SiLK besitzt eine Glasübergangstempe- ratur (maximale Temperaturstabilität) von mehr als 490°C, eine elastische Konstante von etwa 2,45 GPa, eine mittlere Dichte von 1,2 g/cmA3 und damit eine akustische Impedanz von nur 1,7 x 10A6 kg/s/mA2.
Kommerzielle Polymere auf dieser Basis sind beispielsweise aus einem Artikel von S. J. Martin et al . : "Development of a low-dielectric-constant poly er for the fabrication of inte- grated circuit interconnect" in Adv. Mater 2000, 12, No. 23, December 1, Seite 1769 - 1778 bekannt und außerdem im Handel erhältlich. Die elastische Konstante dieses Materials liegt im GPa-Bereich und damit über eine Größenordnung unter der elastischen Konstanten des bisher als Niederimpedanzschicht verwendeten Si02. Da auch die Dichte dieses Materials geringer ist als die von Si02 ergibt sich die genannte extrem niedrige akustische Impedanz.
Die hohe thermische Stabilität dieses Materials ist bestens geeignet, um nachfolgende Schichtabscheidungen weiterer Funktionsschichten, wie beispielsweise einer weiteren Hochimpe- danzschicht, piezoelektrischen Schichten, Elektroden, Diffusionsbarrieren oder Passivierungen auch bei den dazu erforderlichen hohen Temperaturen zu ermöglichen. Es läßt sich in sehr homogener Schichtstruktur in Spin-On-Technik aufbringen, wobei eine gewünschte Schichtdicke mit hoher Genauigkeit ein- gestellt werden kann. Mit einem Spiegelschichtenpaar, welches eine solche polyaromatische Schicht umfaßt, wird die Kopplung im BAW-Resonator vergrößert . Damit wird auch die Bandbreite im BAW-Filter um durchschnittlich 14 % gegenüber konventionellen akustischen Spiegeln erhöht. Auf diese Weise wird ein BAW-Resonator mit akustischem Spiegel zur vollwertigen Alternative zu einem BAW-Resonator mit Bridge-Struktur.
Die Prozeßkosten bei der Herstellung eines BAW-Resonators bzw. bereits bei der Herstellung eines akustischen Spiegels für einen BAW-Resonator werden durch die Verringerung der Anzahl notwendiger Spiegelschichten deutlich verringert. Für ein Schichtenpaar Wolfram/polyaromatisches Low-k-Dielektrikum ist nur ein einziges Schichtenpaar erforderlich.
Durch die Verringerung der Zahl notwendiger Spiegelschichten wird auch die Streuung der Mittenfrequenz über alle auf einem einzigen Wafer hergestellten Resonatoren reduziert. Auch die störende elektrische Kopplung zum Substrat, verursacht insbesondere bei Verwendung von metallischen Hochimpedanzschichten im akustischen Spiegel, wird durch Reduktion der Schichtenzahl im Spiegel und durch Reduktion der relativen dielektri- sehen Konstanten des Low-k-Dielektrikums vermindert.
Ein neben SiLK ® weiteres Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante, niedriger Dichte und eine geringe elastische Konstante c ist Benzocyclobuten. Dieses Material ist unter dem Kürzen BCB aus der Mikroelektronik als Dielektrikum, Iso- lations- und Abdeckschicht bekannt. Auch für erfindungsgemäße akustische Spiegelschichten mit niedriger akustischer Impedanz ist es hervorragend geeignet, da es außerdem eine hohe Schichtdickenhomogenität bei der Aufbringung gewährleistet und gezielt und reproduzierbar in einer gewünschten Dicke auf einem Substrat aufzubringen ist, beispielsweise mittels Spin- On-Technik.
Eine vorteilhafte Anwendung findet ein erfindungsgemäßer aku- stischer Spiegel in einem BAW-Resonator, bei dem direkt über einem als Träger fungierenden Material zunächst die Schicht hoher akustischer Impedanz, beispielsweise Wolfram, darüber die Schicht niedriger akustischer Impedanz, beispielsweise die genannten polyaromatischen Verbindungen wie SiLK ® und BCB oder ein anderes Low-k-Dielektrikum und darüber ein Resonator, bestehend aus einer ersten Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen zweiten Elektrode. Als Substratmaterial sind z.B. Glas, Keramik oder Halbleiter geeignet. Auch ist es möglich, ein mehrschichtiges Substrat zu verwenden, wobei einzelne Schichten oder das gesamte Substrat auch aus organischem Material bestehen kann.
Die Schichtdicken für die Schichtenpaare des akustischen Spiegels sind der gewünschten Resonanzfrequenz der Resonatoren und damit der Mittenfrequenz der daraus resultierenden Filter angepaßt. Aufgrund der hohen Bandbreite kann ein gege- benes Schichtenpaar aus λ/4- oder 3λ/4 -Schichten nicht nur für eine gegebene Resonanzfrequenz, sondern auch bei anderen innerhalb der Bandbreite des Spiegels liegenden Resonanzfrequenzen bzw. bei Resonatoren mit solchen Resonanzfrequenzen eingesetzt werden.
Für das Material der unteren Elektrode sind die Metalle Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Gold geeignet. Vorteilhaft wird für die untere Elektrodenschicht ein Material mit hoher akustischer Impedanz eingesetzt, wodurch bereits an der Grenzfläche zwischen unterer Elektrode und low-k-Dielektrikum möglichst hohe Reflexion erreicht wird.
Für die piezoelektrische Schicht wird vorzugsweise ein Material mit hoher Kopplungskonstante gewählt, welches sich homo- gen in der gewünschten und von der Mittenfrequenz abhängigen
Schichtdicke abscheiden läßt. Für BAW-Resonatoren besonders geeignet sind beispielsweise Zinkoxid oder Aluminiumnitrid. Doch sind prinzipiell auch andere piezoelektrische Materialien geeignet, sofern diese die genannten Randbedingungen er- füllen. Für die obere Elektrodenschicht gilt prinzipiell die gleiche Auswahl wie für die untere Elektrodenschicht. Jede der "unteren" Schichten eines BAW-Resonator-Schichtaufbaus dient als "Substrat" für die darüber aufgebrachte Schicht und muß dem- entsprechend zumindest den Abscheidebedingungen der darüber- liegenden Schicht unbeschädigt standhalten, sowie geringe Oberflächenrauhigkeiten aufweisen, damit an den Grenzflächen keine akustischen Streuungen, Verluste und Wachstumsstörungen auftreten, die die Dynamik der Resonatoren verringern und da- mit die Einfügedämpfung der resultierenden Filter erhöhen.
Bei konventionellen akustischen Spiegeln mit Si02 als Spiegelschicht mit niedriger akustischer Impedanz macht die Oberflächenrauhigkeit von Si02 einen Polierprozess (Chemomechani- cal Polishing CMP als Naßätzprozess, Ionenstrahlätzen als
Trockenätzprozess) vor Abscheidung der unteren Elektrode notwendig. Einer der Hauptgründe für die erhöhte Rauhigkeit der obersten Si02 -Schicht des konventionellen akustischen Spiegels liegt darin, daß die Si02-Schichten als Niederimpedanz- schichten die großen Oberflächenrauhigkeiten der Hochimpedanzschichten (W, Mo, AlN) bei der sukzessiven Schich- tabscheidung nach oben hin abbilden. Ohne diesen Polierschritt würde die an der Grenzfläche zwischen unterer Elektrode und Niederimpedanzschicht auftretende Rauhigkeit die akustischen Verluste in den Resonatoren erhöhen und damit die Einfügedämpfung der Filter vergrößern. Low-k-Dielektrika wie SiLK ® oder BCB, die z.B. in Spin-On-Technik auf eine Hochimpedanzschicht wie z.B. W aufgebracht werden, glätten durch ihre Fließeigenschaften die Rauhigkeiten der darunterliegen- den Schicht. Die Oberflächenrauhigkeit der low-k-Dielektrika wie SiLK oder BCB ist, nach Aushärteprozessen der Schichten, selbst äußerst gering. Typische RMS-Rauhigkeiten sind kleiner lnm. Weitere Maßnahmen wie aufwändige und teure Polierprozesse, die eine homogene Grenzfläche gewährleisten sollen, sind damit überflüssig. Ein BAW-Resonator, oder in etwas veränderter Ausführungsform ein Stacked Crystal Filter, kann als Impedanzelement zum Aufbau eines Reaktanzfilters eingesetzt werden, wie es beispielsweise aus der US 5 910 756 bekannt ist. Ein solcher um- faßt in einer Abzweigeschaltung parallel und seriell verschaltete Resonatoren, wobei die Verschaltung beispielsweise vom Ladder-Type oder vom Lattice-Type sein kann. Unter Beachtung weiterer für die Reaktanzfilter bekannter Designregeln kann auf diese Weise ein Bandpaßfilter geschaffen werden, welches eine für HF-Anwendungen und insbesondere in den gängigen KommunikationsSystemen geforderte Bandbreite aufweist.
Bei erfindungsgemäßen BA -Resonatoren mit erfindungsgemäßem akustischem Spiegel wird bereits für den einzelnen Resonator eine gegenüber bekannten Resonatoren mit konventionellem akustischen Spiegel erhöhte Bandbreite erhalten. Dies läßt sich direkt aus dem Admittanzverlauf des Resonators ablesen, wobei der Abstand zwischen Resonanz- und Antiresonanzfrequenz des Resonators ein Maß für die Bandbreite darstellt.
Eine vorteilhafte Anwendung findet ein erfindungsgemäßer BAW- Resonatorfilter mit erfindungsgemäßem akustischen Spiegel in einem Duplexer. Ein solcher Duplexer umfaßt zwei Bandpaßfilter, deren Mittenfrequenzen eng benachbart sind und bei- spielsweise das Sende- und das Empfangsband eines Kommunikationssystems abdecken. Die beiden Bandpaßfilter eines Duple- xers müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß jeder Filter bei der Mittenfrequenz des jeweils anderen Filters eine möglichst hohe Dämpfung aufweist. Je nach gefordertem Abstand zwischen den beiden Mittenf equenzen kann es dazu auch erforderlich sein, daß die beiden zueinanderweisenden Flanken der Durchlaßbereiche der beiden Filter besonders steil eingestellt sind. Für solche Anforderungen sind hochwertige Filter erforderlich, die im Falle von Reaktanzfiltern hochwertige Resonatoren erfordern. Aus BAW-Resonatoren bestehende Reaktanzfilter benötigten dazu bisher Resonatoren, die für jede Resonanzfrequenz einen eigenen auf die Resonanzfrequenz ange- paßten akustischen Spiegel erforderten. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen akustischen Spiegel gelingt es nun, einen einzigen, aus nur einem Schichtenpaar bestehenden akustischen Spiegel für die beiden Filter eines Duplexers zu verwenden und dabei dennoch die hohen Anforderungen an die Flankensteilheit, Bandbreite und Nahselekion zu erfüllen. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es also, auf nur einem Substrat mit nur einem ganzflächig aufgebrachten erfindungsgemäßen akustischen Spiegel die Resonatoren für zwei in nahe benachbarten Fre- quenzbereichen arbeitende Filter zu realisieren. Dies vereinfacht die Herstellung und senkt dabei die Kosten. Aufgrund der reduzierten Kopplung über die akustischen Spiegelschichten ist es mit dem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel auch möglich, das oder die Schichtenpaare für den akustischen Spiegel ganzflächig aufzubringen und ohne weitere Strukturierung zwischen einzelnen Resonatoren oder einzelnen Filtern den Resonator weiter aufzubauen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Figur la zeigt im schematischen Querschnitt einen BAW- Resonator mit einem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel .
Figur lb zeigt im schematischen Querschnitt einen Stacked Crystal Filter (SCF) mit einem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel
Figur 2 zeigt exemplarisch eine Oberflächentopographie des low-k-Dielektrikums BCB, die mittels Rasterkraftmikroskopie erstellt wurde
Figur 3 zeigt die Ad ittanzkurven eines erfindungsgemäßen BAW-Resonator verglichen mit der Admittanzkurve eines herkömmlichen Resonators. Figur 4a zeigt exemplarisch einen möglichen Aufbau eines Reaktanzfilters in Ladder-Type-Struktur.
Figur 4b zeigt exemplarisch einen weiteren möglichen Aufbau eines Reaktanzfilters in Ladder-Type-Struktur .
Figur 4c zeigt exemplarisch einen möglichen Aufbau eines Reaktanzfilters in Lattice-Struktur.
Figur 5 zeigt exemplarisch die Durchlaßkurve eines aus erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren aufgebauten Reak- tanzfilters, verglichen mit der Durchlaßkurve eines aus herkömmlichen BAW-Resonatoren aufgebauten Reaktanzfilters .
Figur 6 zeigt die Durchlaßkurven eines aus erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren aufgebauten Duplexers (Kurven 2) , verglichen mit den Durchlaßkurven eines aus herkömmlichen BAW-Resonatoren aufgebauten Duplexers (Kurven 1) .
Figur 7 zeigt die Durchlaßkurven eines aus erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren aufgebauten Duplexers als Funktion von Schichtdickenabweichungen des Low-k- Dielektrikums .
Figur 8 zeigt die Durchlaßkurven eines aus erfindungsgemäßen
BAW-Resonatoren aufgebauten Duplexers als Funktion von Schichtdickenabweichungen der Hochimpedanzschicht des erfindungsgemäßen akustischen Spiegels.
Figur la zeigt im schematischen Querschnitt einen BAW- Resonator mit einem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel, dessen Spiegelschichten unabhängig voneinander als λ/4- Schichten oder 3λ/4 -Schichten ausgeführt sein können. Geringe Abweichungen von diesen Bedingungen dienen der Optimierung der Resonatoreigenschaften. Unter dem schematischen Quer- schnitt ist ein elektronisches Ersatzschaltbild des BAW-
Resonators angegeben. Dieser ist auf einem Substrat S aufgebaut, welches lediglich als mechanisch fester Träger dient. Dementsprechend breit ist die Auswahl der dafür geeigneten Materialien. Direkt auf dem Substrat ist eine erste Schicht HZ mit hoher akustischer Impedanz aufgebracht, beispielsweise eine Wolfram-Schicht. Diese weist eine Impedanz von ungefähr 105 x 10e kg/sm2 auf. Die Dicke der Schicht HZ ist so gewählt, daß sie bei der gewünschten Resonanzfrequenz des BAW- Resonators und der im Material (Wolfram) gegebenen Ausbrei- tungsgeschwindigkeit der akustischen Welle eine Dicke von λ/4 aufweist. Dies sind beispielsweise bei einer Resonanzfrequenz von 2,1 GHz eine Dicke von 611nm. Über der Schicht HZ ist als weitere Schicht mit einer Dicke von λ/4 oder einer Dicke von 3λ/4 ein Low-k-Dielektrikum angeordnet, beispielsweise eines Materials, welches unter dem Namen SiLK® von der Dow Chemical Corporation als Dielektrikum vertrieben wird. Das Materialsystem SiLK® besteht aus vernetzten Polyphenylenen, die durch Polymerisation von mit Cyclopentadienon und Acetylen substituierten Monomeren erhalten werden können. Das aku- stisch sehr ähnliche Material, BCB, besteht aus vernetzten Bisbenzocyclobutenen. Bei Verwendung von SiLK ® oder BCB ergeben sich für die Spiegelschichtdicken exemplarisch folgende Werte: bei einer Resonanzfrequenz von 2 , 1GHz wird die Spiegelschichtdicke einer λ/4 -Schicht zu etwa 165nm, und die Spiegelschichtdicke einer 3λ/4-Schicht zu etwa 500nm gewählt.
Mit der gegebenen Materialkombination W/SiLK® kann ein breitbandiger akustischer Spiegel A realisiert werden, der mehr als 95 % Reflektivität für die akustische Energie einer Welle der genannten Mittenfrequenz besitzt. Der akustische
Spiegel A kann aber noch weitere Schichtenpaare umfassen, also weitere Schichten mit hoher akustischer Impedanz HZ und weitere Schichten mit niedriger Impedanz LK. Diese Schichten werden alternierend in der gewünschten Anzahl übereinander angeordnet. Über der Schicht aus dem Low-k-Material LK wird die untere Elektrode des BAW-Resonators, oder ein Haftver- mittler, Diffusionsbarrieren, oder Wachstumsschichten gebildet, beispielsweise durch CVD-Abscheidung oder Sputtern von einer Molybdänschicht mit einer Schichtdicke von ca.l95nm.
Über der unteren Elektrode El wird nun eine piezoelektrische Schicht P aufgebracht, beispielsweise eine Zinkoxidschicht. Als Aufbringverfahren sind beispielsweise Sputter-Verfahren geeignet. Die piezoelektrische Schicht P kann jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder einem anderen geeigneten, piezoelektrischen Materi- al.
Als obere Elektrode des BAW-Resonators wird über der piezoelektrischen Schicht P eine zweite Elektrodenschicht E2 angeordnet, nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material wie die erste Elektrodenschicht El. In vielen Fällen wird die obere Elektrode El zusätzlich mit Tuning-, Trimming- , oder Passivierungsschichten versehen.
Die Resonanzfrequenz des BAW-Resonators bestimmt sich nähe- rungsweise nach der Formel f = v/2L0, wobei L0 die Schichtdicke des BAW-Resonators ist und sich aus den Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht P und der beiden Elektrodenschichten El und E2 zusammensetzt. Für die Hauptschwingungs- mode des BAW-Resonators wird die Dicke auf λ/2 eingestellt. Möglich ist es jedoch auch, die Dicke d auf ein Vielfaches von λ/2 einzustellen und dementsprechend höhere Schwingungs- moden anzuregen. Neben dem schematischen Querschnitt zeigt Figur la noch das elektronische Ersatzschaltbild eines BAW- Resonators .
Figur lb zeigt im schematischen Querschnitt einen Stacked Crystal Filter (SCF) mit einem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel, dessen Spiegelschichten unabhängig voneinander als λ/4-Schichten oder 3λ/4-Schichten ausgeführt sein können. Geringe Abweichungen von diesen Bedingungen dienen der Optimierung der SCF-Eigenschaften. Der SCF entspricht im prinzipiel- len Aufbau einem BAW-Resonator, der mit einem zweiten Resonator elektrisch und akustisch gekoppelt ist. Unter dem schematischen Querschnitt ist ein elektronisches Ersatzschaltbild des SCF angegeben. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Abwandlungen von SCFs finden sich in einem Artikel von K. M. Lakin et al . : "High Performance Stacked Crystal Filters for
GPS and Wide Bandwidth Applications" in IEEE 2001 Ultrasonics Symposium Paper 3E-6, October 9, 2001.
Ein SCF wird, wie in den vorangegangenen Absätzen zu Figur la beschrieben, zunächst wie ein BAW-Resonator aufgebaut. Dabei sind verwendete Materialien, Herstellungstechniken und Prozessabläufe ähnlich. Über der Elektrodenschicht E2 , welche auf einer piezoelektrischen Schicht Pl abgeschieden ist, wird beispielsweise mittels Sputter-Technik eine zweite piezoelek- trische Schicht P2 aufgebracht. Diese wiederum wird von einer obersten Elektrode E3 bedeckt.
In einer möglichen Abwandlung des SCFs werden zwischen Elektrode E2a und einer weiteren darauf abgeschiedenen Elektrode E2b ein- oder mehrere akustische Spiegelschichten eingefügt, welche die elektrische und die akustische Kopplung zwischen dem Resonator El-Pl-E2a und dem Resonator E2b-P2-E3 verändern. In diesen Spiegelschichten, die als λ/4- oder auch 3λ/4 -Schichten ausgeführt sein können, können Low-k- Dielektrika wie beispielsweise SiLK oder BCB als Niederimpedanzschichten verwendet werden. Unter dem schematischen Querschnitt ist ein elektronisches Ersatzschaltbild der einfachen Ausführungsform des SCF angegeben.
Figur 2 zeigt exemplarisch eine Oberflächentopographie des low-k-Dielektrikums BCB, die mittels Rasterkraftmikroskopie auf einem Gebiet von 2μm x 2μm erstellt wurde. Die Aufnahme zeigt, daß das Low-k-Dielektrikum nach Aushärtung mit RMS=0,28nm eine sehr niedrige Oberflächenrauhigkeit aufweist. Dieser geringe Wert stellt sicher, daß folgende Schichten wie z.B. Elektroden ungestört aufgewachsen werden können, und daß an der Grenzfläche zwischen Low-k-Dielektrikum und Elektrode keine akustischen Verluste und Streuungen auftreten, welche die Dynamik der Resonatoren verringern und damit die Einfüge- dämpfung der Filter erhöhen. Low-k-Dielektrika wie BCB oder SiLK ®, die in Spin-On-Technik auf Oberflächen aufgebracht werden, glätten zusätzlich durch ihre Fließeigenschaften die Rauhigkeiten der darunterliegenden Schichten. Die Grenzflächenrauhigkeiten, die sich in konventionellen Spiegeln nach oben hin kumulativ fortsetzen können, werden bei diesen low- k-Dielektrika nicht weiter nach oben abgebildet. Maßnahmen wie das Polieren von Oberflächen, die bei konventionellen
Spiegeln mit Si02 als oberster Niederimpedanzschicht notwendig werden können, sind hiermit bei den erfindungsgemäßen akustischen Spiegeln überflüssig.
Figur 3 zeigt den Ad ittanzverlauf eines mit einem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel A versehenen BAW-Resonators. Dessen Kurve 2 wird mit einer Kurve 1 verglichen, die anhand eines herkömmlichen BAW-Resonators mit einem herkömmlichen akustischen Spiegel ermittelt wird. Dieser bekannte akusti- sehe Spiegel ist aus zwei λ/4 Schichtenpaaren Si02/W aufgebaut. Aus der Figur zeigt sich, daß mit dem erfindungsgemäßen Resonator eine höhere Bandbreite erhalten wird als mit dem Resonator mit herkömmlichem Spiegel. Die Bandbreite ergibt sich aus dem Abstand zwischen der Resonanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa. Die Breitbandigkeit ist die beste
Voraussetzung, auch ein Bandpaßfilter mit erhöhter Bandbreite herzustellen. Aus der Figur 3 ergibt sich eine Zunahme der Bandbreite von 9,4 MHz. Gegenüber der Bandbreite eines BAW- Resonators mit konventionellem Spiegel von 57,5 MHz bedeutet dies eine Bandbreitenzunahme von 16 %. Die dargestellten Ad- mittanzverläufe entsprechen BAW-Resonatoren mit Gold und Aluminium als Elektrodenmaterial. Als Substrat dient Silizium. Die verbesserten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Resonators werden insbesondere auf die günstigen Eigenschaften der Low-k-Dielektrikumsschicht LK zurückgeführt, die gegenüber dem bisher dafür verwendeten Siliziumdioxid in wesentlichen Parametern verbessert ist. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick der wichtigsten Eigenschaften des bekannten Materials (Si02) und des erfindungsgemäß verwendeten polyaromatischen SiLK®:
Figure imgf000018_0001
Figur 4 zeigt drei beispielhafte Möglichkeiten, wie ein Reaktanzfilter aus mehreren BAW-Resonatoren aufgebaut werden kann. In den Ladder-Type-Strukturen von Figur 4a und Figur 4b wird zumindest ein Resonator Rs zwischen dem Filtereingang und dem Filterausgang in Serie geschaltet. Parallel dazu wird mindestens ein weiterer Resonator Rp auf Masse geschaltet . Die Resonanzfrequenz des im Serienarm angeordneten Resonators Rs wird dabei so gewählt, daß sie ungefähr bei der Antiresonanzfrequenz des Resonators Rp im parallelen Zweig des Filters liegt: fap = frs.
Vorzugsweise besteht ein Reaktanzfilter aus einer Ladder- Type-Struktur, bei der mehrere in Serie geschaltete BAW- Resonatoren Rsl, Rs2 und Rs3 und mehrere parallel dazu geschal- tete Resonatoren Rpl Rp2 wie dargestellt miteinander verschaltet sind. Beginnend an einem Ein- oder Ausgang kann die Struktur abgekürzt mit den Buchstaben p für paralleler Resonator mit Rp bzw. s für serieller Resonator Rs angegeben werden. Dargestellt ist in Figur 4a z.B. eine Struktur s-p-s-p-s mit fünf Resonatoren, während in Figur 4b eine Struktur p-s-p-s-p-s mit sechs Resonatoren gezeigt ist. Die Ladder-Type-Struktur kann um beliebige weitere serielle und parallele Resonatoren erweitert werden, wobei jeder parallele Resonator Rp aus zwei parallel geschalteten Parallelresonatoren und jeder serielle Resonator Rs aus zwei in Serie geschalteten Resonatoren zusammengesetzt sein kann. Die bekannten Designregel für Ladder-Type-Filter können angewendet werden.
Figur 4c zeigt die Lattice-Type-Struktur eines Reaktanzfilters, der aus BAW-Resonatoren aufgebaut ist. Diese Struktur wird vorzugsweise für den sog. Balanced-Balanced-Modus von Filtern eingesetzt.
Figur 5 zeigt das Durchlaßverhalten eines aus erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren aufgebauten Bandpaßfilters mit Ladder- Type-Struktur. Die Durchlaßkurve 2 des erfindungsgemäßen BAW- Resonators ist dabei einer Durchlaßkurve 1 gegenübergestellt, die mit einem Filter mit herkömmlichen BAW-Resonatoren bestimmt wird. Als Vergleich werden dazu wieder BAW-Resonatoren mit einem akustischen Spiegel aus zwei λ/4 -Schichtenpaaren Si0 /W herangezogen. Es zeigt sich, daß das neuartige Filter gegenüber einem herkömmlichen Filter eine erhöhte Bandbreite bei mindestens gleich guter Einfügedämpfung und gleich guter Sperrbereichsunterdrückung aufweist. Die Bandbreite nimmt beispielsweise um 14 % zu. Die Einfügedämpfung ändert sich praktisch nicht. Auf diese Weise ist es möglich, anstelle von Zinkoxid Aluminiumnitrid zu verwenden, welches wegen seiner niedrigeren Kopplung ansonsten eine niedrigere Bandbreite aufweist. Durch die relative Bandbreitenvergrößerung bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Spiegels kann der Effekt bei ansonsten gleichen Spezifikationen kompensiert werden. Ebenso ist es mit dem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel möglich, eine durch eine mindere Qualität der Piezo-Schicht P bewirkte Reduktion der Bandbreite zu kompensieren. Durch die Erhöhung der Grenzflächenreflexion und der Breitbandigkeit des erfindungsgemäßen akustischen Spiegels ergibt sich auch eine gewisse Dickentoleranz für die Dicke der λ/4- und 3λ/4-Schichten. So ist es möglich, ein und dieselbe Schichtdicke für die akustischen Spiegelschichten zweier unterschiedlicher Filter zu verwenden, deren Resonanzfrequenzen nahe beieinander liegen, beispielsweise wie ein Duplexer mit einem RX-Filter und einem TX-Filter für den 3G-Standard UMTS.
Figur 6 zeigt die Durchlaßkurven für RX- und TX-Filter eines UMTS-Duplexers, wobei in der Figur die Kurven für einen Duplexer mit erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren den Filterkurven von herkömmlichen BAW-Resonatoren mit dem genannten konventionellen akustischen Spiegel gegenübergestellt sind. Während für die Kurve 1 mit dem konventionellen akustischen Spiegel die λ/4 -Schichten separat für RX- und TX-Filter optimiert und auf unterschiedliche Schichthöhen eingestellt sind, wird für den aus erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren bestehenden Duplexer gemäß der Durchlaßkurve 2 ein einheitlicher akustischer Spiegel mit mittleren Schichtdicken für die λ/4 -Schichten eingesetzt, beispielsweise in einer auf die Mittenfrequenz des RX-Filters optimierten Schichtdicke. Man erkennt, daß trotz dieser Vereinfachung sowohl TX- als auch RX-Filter den vorgegebenen Spezifikationen genügen. In der Figur sind die einzuhaltenden Grenzwerte, die im Durchlaßbereich unterhalb der Kurve, im Sperrbereich über der Kurve liegen müssen, in Form von waagerechten Balken eingezeichnet. Die vereinfachte Herstellung eines erfindungsgemäßen UMTS-Duplexers mit einheitlichem akustischem Spiegel ist möglich, da der erfin- dungsgemäße Spiegel mit nur einem λ/4 -Schichtenpaar über einen größeren Frequenzbereich als konventionelle Spiegel konstante Reflexionseigenschaften besitzt. Dies trägt letztlich zur Breitbandigkeit des erfindungsgemäßen Spiegels bei, welche die Herstellung von RX-Filtern und TX-Filtern von Duple- xern auf einem einzigen Substrat mit identischen Spiegeln bzw. mit einheitlichem Spiegel ermöglicht. Damit reduzieren sich die Prozeßkomplexität und die Herstellungskosten erheb- lieh. Trotz einheitlicher bzw. identischer Spiegelschichtdik- ken für RX- und TX-Filter nimmt die Bandbreite auch hier für TX-Filter um 13 % und für den RX-Filter um 14 % zu. Während der TX-Filter eine wie in Figur 4a dargestellte Ladder-Type- Struktur aufweist, weist der RX-Filter am Eingang einen weiteren parallelen Resonator Rp auf.
In einem weiteren Versuch wird die Abhängigkeit der Filtereigenschaften von Schichtdickenschwankungen innerhalb des aku- stischen Spiegels ermittelt. Dazu wird anhand des bereits beschriebenen RX/TX-Filterpaares für einen UMTS-Duplexer mit erfindungsgemäßem akustischen Spiegel die Schichtdicke des Low-k-Dielektrikums (hier: SiLK®) abweichend vom optimalen Wert (hier: 165 nm) um +/- 13 nm variiert. Figur 7 zeigt die beiden Kurven mit jeweils nicht optimalen Schichtdicken, wobei die Abweichung immerhin +/- 7,8 % vom Zielwert 165 nm beträgt. Es zeigt sich, daß die beiden nicht optimalen Schichtdicken der genannten Spiegelschicht dennoch zu Bandpaßfiltern führen, die die vorgegebenen Spezifikationen gerade noch er- füllen. Dies zeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen akustischen Spiegel relative Schichtdickenschwankungen der einzelnen Spiegelschichten von ca. +/- 7 % erlaubt sind. Damit ist die erlaubte Schichtdickenschwankung wesentlich höher als die maximale mit dem SiLK-Material in Kauf zu nehmende (laut Her- Stellerspezifikationen ist eine Schichtdickengenauigkeit von kleiner +/- 0,5 % bei Abscheidung in SOD-Technik möglich) .
In Figur 8 wird die Schichtdicke der ersten Hochimpedanz- Spiegelschicht (hier: Wolfram) abweichend vom optimalen Wert (hier: βllnm) um +/- 300nm variiert. Die beiden Durchlaßkurven mit jeweils nicht optimalen Schichtdicken sind, wie in Figur 8 ersichtlich, nahezu nicht unterscheidbar, obwohl die Schichtdickenabweichung für die Wolfram λ/4 -Schicht nahezu +/- 50% beträgt. Trotz der hohen Schichtdickenabweichung in der genannten Spiegelschicht führen die Durchlaßkurven zu Bandpaßfiltern, die die vorgegebenen Spezifikationen erfüllen, Diese hohe Toleranz der Durchlaßkurven gegen Spiegel- Schichtdickenschwankungen der Hochimpedanzschicht bei Verwendung von Low-k-Dielektrika wie beispielsweise SiLK oder BCB als Niederimpedanzschicht ist darauf zurückzuführen, daß der überwiegende Teil der akustischen Welle bereits an der Grenz- fläche zwischen unterer Elektrode und Low-k-Dielektrikum reflektiert wird (Exemplarisch: Reflexion über 90%) . Damit ist der Einfluß von Material- und Geometrieschwankungen darunterliegender Schichten auf die Lage und die Gestalt von Admit- tanzkurven der Resonatoren und von Durchlaßkurven der Filter stark reduziert. Durch die höhere Toleranz gegenüber Schichtdickenschwankungen sind auch einfachere Aufbringverfahren möglich, was die Kosten für den akustischen Spiegel weiter senkt .
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger optimaler Material- kombinationen beschrieben wurde, liegen im Rahmen der Erfindung noch weitere Variationen bezüglich der verwendeten Materialien. Wenn von den genannten organischen Low-k-Dielektrika abgewichen wird, die die optimalen Voraussetzungen für den akustischen Spiegel mitbringen, so kann mehr als ein Schichtenpaar von λ/4- und 3λ/4- Schichten für einen erfindungsgemäßen akustischen Spiegel erforderlich sein. Dies gilt auch, wenn von Wolfram als Material für die Schicht mit hoher akustischer Impedanz abgewichen wird und beispielsweise auf Mo- lybdän oder Aluminiumnitrid übergegangen wird. In allen Fällen wird mit erfindungsgemäßen akustischen Spiegeln jedoch die Anzahl der notwendigen Spiegelschichten verringert. Dies verringert ebenfalls in allen Fällen die störende elektrische Kopplung zum Substrat und vereinfacht die Spiegelherstellung, die nun keine Strukturierung mehr erfordert. In allen Fällen erhält man mit erfindungsgemäßen akustischen Spiegeln einen höheren Freiheitsgrad bei der Auswahl der gewünschten Materialien, die eine weitere Optimierung von BAW-Resonatoren und daraus hergestellter Filter ermöglichen. Dabei werden die Ei- genschaften konventioneller BAW-Resonatoren zumindest erreicht, für optimale Schichtkombinationen wie dargestellt jedoch erheblich übertroffen.

Claims

Patentansprüche
1. Akustischer Spiegel für einen BAW Resonator oder einen Stacked Crystal Filter, mit zumindest einem Schichtenpaar (LK,HZ) aus λ/4 -Schichten oder 3λ/4 -Schichten, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht (LK) mit einem ersten Material niedriger akustischer Impedanz und eine zweite Schicht (HZ) mit einem zweiten Material relativ dazu hoher akustischer Impedanz umfaßt, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Material niedriger akustischer Impedanz ein low-k Dielektrikum ist.
2. Akustischer Spiegel nach Anspruch 1, welcher auf der obersten Schicht eines BAW Resonators oder eines Stacked Crystal Filters angeordnet ist und mit einer Schicht des ersten Material niedriger akustischer Impedanz beginnt, auf dem die zweite Schicht (HZ) mit dem zweiten Material relativ dazu hoher akustischer Impedanz abge- schieden ist.
3. Akustischer Spiegel nach Anspruch 1, bei dem das zweite Material (HZ) relativ hoher akustischer Impedanz ausgewählt ist aus Wolfram W, Molybdän Mo oder Aluminiumnitrid.
4. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei dem das low-k Dielektrikum (LK) eine Dichte von weniger als 2,4 g/cm3, elastische Konstanten mit Werten von weniger als 10 Gpa und eine relative Dielektrizitätskonstante von weniger als 3 aufweist.
5. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei dem als low-k Dielektrikum (LK) ein Aerogel , ein porö- ses Silkat, ein Organosilikat , ein von kondensierten Sil- sesquioxanen abgeleitetes Siloxan, eine polyaromatische Verbindung, ein vernetztes Polyphenylen oder ein polymeri- siertes Benzocyclobuten ausgewählt ist.
6. Akustischer Spiegel nach Anspruch 5, bei dem als low-k Dielektrikum (LK) eine polyaromatische
Verbindung ausgewählt ist, die von aromatisierten Polyary- lenen abgeleitet ist, die unsubstituiert sind oder unpolare Gruppen tragen.
7. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei dem als low-k Dielektrikum (LK) ein von Benzocyclobuten abgeleitetes Dielektrikum niedriger akustischer Impedanz eingesetzt ist.
8. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei dem als low-k Dielektrikum (LK) ein von substituierten Polyphenylenen abgeleitetes Dielektrikum niedriger akustischer Impedanz eingesetzt ist.
9. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 8, bei dem low-k Dielektrikum (LK) mit Nanoporen versehen ist .
10. Akustischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 - 9, mit einem einzigen Schichtenpaar (LK,HZ) von Lambda-
Viertel-Schichten, bei dem das low-k Dielektrikum eine polyaromatische Verbindung ist, die von aromatisierten Polyphenylenen abgeleitet ist oder ein polymerisiertes Benzocyclobuten ist und bei dem das zweite Material hoher akustischer Impedanz Wolfram, Molybdän, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid oder Zinkoxid ist.
11. BAW Resonator mit einem akustischen Spiegel nach Anspruch 10, bei dem über einem als Träger fungierenden Substrat (S) die Schicht (HZ) mit dem Material relativ hoher akustischer Impedanz und darüber die Schicht (LK) mit dem Mate- rial niedriger akustischer Impedanz angeordnet sind, die den akustischen Spiegel (A) bilden, bei dem über dem akustischen Spiegel eine erste Elektrode (El) , eine piezoelektrische Schicht (P) und eine zweite Elektrode (E2) angeordnet sind, wobei das Elektrodenmaterial ausgewählt ist aus AI, W, Mo, Cu oder Au und wobei das Material der piezoelektrischen Schicht (P) ausgewählt ist aus Zinkoxid Aluminiumnitrid, Galliumnitrid oder anderen piezoelektrischen Materialien geeigneter Kopplung.
12. Stacked Crystal Filter mit einem akustischen Spiegel nach Anspruch 10, bei dem über einem als Träger fungierenden Substrat (S) die Schicht (HZ) mit dem Material relativ hoher akusti- scher Impedanz und darüber die Schicht (LK) mit dem Material niedriger akustischer Impedanz angeordnet sind, die beide zusammen den akustischen Spiegel (A) bilden, bei dem über dem akustischen Spiegel eine erste Elektrode (El) , eine erste piezoelektrische Schicht (Pl) , eine zwei- te Elektrode (E2) , eine zweite piezoelektrische Schicht
(P2) , und eine dritte Elektrode (E3) angeordnet sind, wobei das Material für erste und zweite Elektrode ausgewählt ist aus AI, W, Cu oder Au und wobei das Material der piezoelektrischen Schichten (Pl) und (P2) ausgewählt ist aus Zinkoxid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, oder anderen piezoelektrischen Materialien geeigneter Kopplung.
13. Stacked Crystal Filter nach Anspruch 12, bei dem zweite Elektrode (E2) in zwei Teilelektroden ge- splittet ist, zwischen denen eine akustische Spiegelschicht angeordnet ist, die zumindest eine λ/4 -Schicht aus einem low-k-Dielektrikum umfaßt.
14. BAW Resonatorfilter oder Stacked Crystal Filter, bei dem mehrere BAW Resonatoren oder Stacked Crystal Filter nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in einer Abzweig- Schaltung in einem seriellen Arm und dazu parallelen Armen angeordnet und zu einem Reaktanzfilter verschaltet sind.
15. BAW Resonatorfilter oder Stacked Crystal Filter nach An- spruch 14, bei dem die BAW Resonatoren oder Stacked Crystal Filter in Lattice-Struktur zu einem Reaktanzfilter verschaltet sind.
16. Duplexer mit einem ersten und einem zweiten Reaktanzfil- ter, welches jeweils als BAW Resonatorfilter nach Anspruch
11 ausgebildet ist.
17. Duplexer nach Anspruch 16, bei dem alle BAW Resonatoren der beiden BAW Resonatorfil- ter über einem gemeinsamen akustischen Spiegel (A) angeordnet sind.
18. Duplexer nach Anspruch 17, bei dem der gemeinsame akustische Spiegel (A) ganzflächig und unstrukturiert auf dem Substrat (S) unter den BAW Resonatoren ausgebildet ist.
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