WO2014032907A1 - Kondensator mit verbessertem linearen verhalten - Google Patents

Kondensator mit verbessertem linearen verhalten Download PDF

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Andreas Link
Thomas Metzger
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    • H03H9/0561—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements consisting of a vertical arrangement consisting of a multilayered structure

Definitions

  • Capacitor with Improved Linear Behavior The invention relates to capacitors having improved linear behavior, e.g. B. for high frequency (HF) circuits.
  • Capacitors are the real implementations of ideal capacitive elements. In network theory capacitive elements are therefore solely by their capacity CHARACTERI ⁇ Siert while capacitors have next to their capacitive behavior also generally undesirable frequency and temperature dependencies, parasitic inductances and a non-linear behavior.
  • IMD Inter-modulation Distor- tion
  • Mobile communication devices can z. B. with acoustic Wel ⁇ len, z. B. with bulk acoustic waves, working filter components.
  • Corresponding filter circuits can therefore have capacitors whose electromagnetic properties should correspond to those of ideal capacitive elements.
  • DE 10 2008 045 346 AI for example, RF filters are included in duplexer mobile communication devices.
  • DE 10 2009 011 639 AI is known to integrate capacitors in working with bulk acoustic waves components to obtain a device with small dimensions and good electrical properties.
  • the problem with known capacitors for HF filters are the above-mentioned undesirable properties of real capacitors.
  • condensers indicate that are suitable for use in RF filter circuits, and an electrical behavior ⁇ have, comes the that of ideal capacitive element as close as possible and particularly to an improved linear Verhal ⁇ th have. Furthermore, such capacitors should cause no parasitic resonances, if they z. B. be realized in working with bulk acoustic waves components. Furthermore, corresponding capacitors should be producible cost-effectively and without increasing the production outlay. Furthermore, a corresponding device with such a capacitor should be compatible with the continuing trend toward miniaturization.
  • a capacitor comprises a first and a second electrically conductive layer.
  • the capacitor further comprises a first and a second electrode patterned in the first layer and a third electrode structured in the second layer. Between the electrically conductive layers, a dielectric layer is arranged. A part of the first electrode and a part of the second electrode each overlap at least a part of the third electrode.
  • the first electrode and the second electrode are the connection electrodes of the capacitor.
  • the capacitor Via the terminal electrodes of the capacitor, that is via the first electrode and the second electrode, the capacitor can be connected to a circuit environment.
  • the capacitor thus has a layer structure which is compatible with acoustic wave production processes, e.g. B. bulk acoustic waves, working components.
  • acoustic wave production processes e.g. B. bulk acoustic waves, working components.
  • the capacitor can be obtained by a suitable choice of the materials of the layers. the.
  • the choice of the material of the dielectric layer has a strong influence on the linear own sheep ⁇ th of the capacitor.
  • the dielectric layer is not piezoelectric.
  • the material of the dielectric layer is significantly different from the material of a piezoelectric layer of working with bulk acoustic waves components.
  • Bulk acoustic wave devices include a piezoelectric layer between two electrodes.
  • a layer stack of a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode is electro-acoustically active when an RF signal having the resonant frequency of the layer stack is applied to these electrodes.
  • a stack of layers then forms an acoustic resonance.
  • BAW resonators under which an acoustic mirror is arranged, which supports the formation of acoustic resonances.
  • a mirror may comprise a layer sequence of Ma ⁇ terialien alternating high acoustic impedance and low acoustic impedance.
  • Materials of high acoustic impedance are in particular materials with a high specific gravity, z. For example metals.
  • the use of a capacitor whose dielectric is not the piezoelectric layer of a BAW resonator stack but which uses a material of the mirror as a dielectric is possible, but very expensive, since the corresponding electrodes, in particular the lower electrode, are deep in the layer stack ⁇ digging and a relatively deep-reaching through hole by 1. the position with the piezoelectric material,
  • the present invention now provides a capacitor in which no through-hole through the layer with dielectric material under the layer with the piezoelectric material is necessary. It is therefore specified a capacitor whose electrodes can be easily contacted. Because the dielectric material is not piezoelectric, very good electrical, in particular linear, properties are obtained.
  • the dielectric layer of the Kon ⁇ capacitor according to a mirror position with acoustic waves, z. B. a volume acoustic waves, working the device.
  • the first electrically conductive layer is a layer in which electrodes of an acoustic volume Menwellen working resonator are arranged.
  • the first electrically conductive layer comprises an electrode of a resonant bulk acoustic wave resonator.
  • the first electrode is a Elect ⁇ a rode operating with acoustic bulk wave resonator. At least one of the partial capacitors is arranged correspondingly below a BAW resonator stack. Since the first electrode is an electrode of a BAW resonator, the electrical access to the first electrode is easily possible. In such a case, at most one through-hole through the layer with the piezoelectric material would be necessary to reach the second electrode and to contact.
  • the capacitor accordingly comprises a piezoelectric layer over the first electrically conductive layer and a further electrically conductive layer over the piezoelectric layer.
  • the upper electrodes of BAW resonator stacks may be structured. Is a throughput contact by its location with the dielectric material over the second electrode before so structured mate rial ⁇ can establish the further electrically conductive layer has a wiring to the second electrode.
  • one of the two electrodes is selected from first and second electrodes.
  • Rode connected via a via through the piezoelectric layer with an RF filter circuit.
  • At least one of the two grub elec- is selected from first and second electrodes disposed under ei ⁇ ner bump bonding and interconnected with the bump connection.
  • BAW resonator stacks in particular with acoustic mirrors, are arranged on a carrier substrate and are part of a BAW chip.
  • a BAW chip may be flip-chip design with walls ⁇ ren circuit components or corresponding components (ie, via bump connections) may be interconnected and connected. So that the bump connections do not disturb the electroacoustic resonators, they are not arranged on the BAW resonators, but next to the BAW resonators.
  • the bump connections may be located in recesses in position with the piezoelectric material. In such a case, the recess in the piezoelectric material could thus represent a via contact up to the first or second electrode of the capacitor.
  • a so-called UBM Under Bump Metallization
  • the capacitor is part of an RF filter circuit.
  • filter circuits are in particular transmit and / or receive filters of duplexer circuits for mobile communication devices in question.
  • duplexer circuits for mobile communication devices in question.
  • capacitors are special high linearity requirements, so that the formation of intermodulation products and harmonics is minimized.
  • the use of a capacitor according to the invention in circuit proximity to an antenna path is therefore particularly advantageous.
  • the capacitor is part of a absorption circuit of an RF filter circuit.
  • the capacitor is part of a
  • Blocking circuit of an RF filter circuit Blocking circuit of an RF filter circuit.
  • the capacitor is connected in parallel to an inductive element of an RF filter circuit.
  • small inductance values cause long paths in the Smith chart. Due to lack of space, it is usually not possible to use an inductive element with greater inductance in the housing for short distances in the Smith chart.
  • a serially connected inductive element is out of the question. In ei ⁇ nem such a case, a corresponding capacitor in a parallel branch, the effect of a small Parallelinduktivi- ty compensate, so that an inductive element with large geometrical dimensions can be correspondingly smaller or even completely eliminated.
  • the capacitor is part of one
  • Duplexer matching circuit with ⁇ -element or with T-element are well suited for impedance matching, eg. Between a transmit filter and a receive filter of a duplexer, since such duplexer matching circuits are generally directly connected to the antenna path.
  • the capacitor is not directly adjacent to or through other circuit elements indirectly ⁇ di rectly with one arranged coupled with bulk acoustic wave resonator operating, said operating with acoustic bulk wave resonator is not disposed directly adjacent to the condenser.
  • An interconnection of a corresponding capacitor with a BAW resonator is possible even so, if too little space is available close to the BAW resonator or when emitted from the resonator of acoustic waves would interfere with the operation of the Kondensa ⁇ tors.
  • the capacitor comprises a series circuit of two, four, six, eight, ten or more sub-capacitors.
  • the third electrode it is not necessary for the third electrode to overlap with both the first electrode and the second electrode. It is possible that the first electrode overlaps with an electrode of the second electrically conductive layer. This electrode of the second elekt ⁇ driven conductive layer is overlapped with another electrode of the first electrically conductive layer, which is electrically conductive with an in turn further electrode of the second
  • the dielectric layer is locally thinned in the region of at least one electrode. The thickness of the dielectric layer may be reduced compared to the thickness of the dielectric material of the corresponding mirror layer of a BAW capacitor.
  • the materials of the first and second electrically conductive layers and the dielectric layer may comprise the materials of conventional BAW resonator stacks.
  • aluminum, copper, gold, silver come as electrically good conductive metals or alloys of these metals in question.
  • the electrically conductive layers may also titanium, z. B. as a primer layer include.
  • the electrically conductive layers in turn themselves consist of a plurality of layers with different metals or alloys.
  • the dielectric layer may in particular non-conductive materials of high or low acoustic impedance, z. B.
  • the dielectric layer may also comprise several partial layers.
  • the inverse capacitance of a series connection of partial capacitors is essentially the sum of the inverse capacitances of the corresponding partial capacitors.
  • the partial capacitors d. H. their overlap area, essentially the same size.
  • the capacitance of the sub-capacitors depends on the distance between the electrodes and on the dielectric constant of the dielectric.
  • the dielectric material may be a have particularly high or very low dielectric constant and the thickness of the dielectric layer, for. B. by thinning, be set to a predetermined value.
  • the capacitor is connected as part of a duplexer circuit. In the duplexer, in addition to the capacitor described so far, further capacitors with an analog structure can be included. It is also
  • the capacitor may in particular be connected in an antenna matching circuit of the duplexer, z. B. as
  • the antenna matching circuit may represent a phase shifter in the duplexer circuit. Furthermore, the entire
  • the duplexer may be a hybrid duplexer with BAW resonators in the Tx signal path and with SAW resonators in the Rx signal path.
  • the thickness of the dielectric layer in the region of the first and second electrodes is set such that a virtual resonant frequency is shifted by more than the duplexer spacing to higher or lower frequencies.
  • the virtual resonant frequency is that frequency which would be the acoustic resonant frequency of the capacitor when the dielectric length
  • FIG. 1 shows the essential arrangement of first, second and third electrodes
  • FIG. 2 shows the arrangement of the electrodes in a stack of layers
  • Figure 3 shows the use of the capacitor in a BAW resonator stack
  • Figure 4 shows an embodiment in which the dielectric
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the terminal electrodes are connected by means of plated-through holes
  • FIG. 6 shows the equivalent circuit of the capacitor
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the capacitor is connected in parallel to a BAW resonator
  • FIG. 8 shows the equivalent circuit of the one shown in FIG.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a parallel circuit of
  • FIG. 10 shows the equivalent circuit diagram of the electrode structure of FIG. 9,
  • one of the electrodes is the extension of a lower electrode of a BAW
  • Figure 12 is the equivalent circuit diagram of the embodiment of the figure.
  • FIG. 13 shows an embodiment of the capacitor with six
  • FIG. 14 shows the equivalent circuit diagram of a series connection of the
  • FIG. 15 shows an embodiment of the capacitor in which the second electrode is arranged under a bump connection.
  • FIG. 16 shows the equivalent circuit diagram of a filter circuit in which the capacitor is connected in parallel with a resonator
  • FIG. 17 shows the equivalent circuit diagram of a filter circuit in which the capacitor is connected in a blocking circuit
  • FIG. 18 shows the equivalent circuit diagram of a filter in which the
  • Capacitor is connected in parallel to an inductive element L2 and parallel to a resonator X
  • 19 shows the equivalent circuit of a duplexer circuit in which the capacitor is connected in a ⁇ -member
  • Figure 20 shows the equivalent circuit of a duplexer, in which the
  • Capacitor is connected in a T-element
  • FIG. 21 shows a filter circuit with the capacitor as
  • FIG. 22 shows a filter circuit in which the capacitor is electrically coupled to a resonator arranged at an arbitrary position
  • FIG. 23 shows a duplexer circuit with the capacitor in one
  • Figure 1 shows schematically the arrangement of the three electrodes of the capacitor.
  • a first electrically conductive layer ELI a first electrode El and a second electrode E2 are structured.
  • a third electrode E3 is structured.
  • a dielectric layer DL is arranged between the ers ⁇ th electrically conductive layer ELI and the second electrically conductive layer EL2 .
  • At least a portion of the first electrode El overlaps ei ⁇ nem part of the third electrode E3.
  • At least part of the second electrode E2 also overlaps with another part of the third electrode E3.
  • the overlap region of the first electrode El and the third electrode E3 essentially forms a plate capacitor, symbolized by the capacitive element Cl.
  • the con ⁇ capacitor of Figure 1 is thus essentially a Serienver- connection of two sub-capacitors.
  • the electrodes El, E2 are the connection electrodes of the capacitor, via which the capacitor can be connected to a circuit environment. Accordingly, the first electrode El is a first terminal Tl, while the second electrode E2 represents ei ⁇ NEN second terminal T2.
  • the capacitor thus provides a total capacity dependent on the partial capacitors C 1, C 2, which can be accessed without a through-connection through the dielectric layer D L.
  • the material or materials of the dielectric layer DL, and the materials of the electrodes may be selected so that the capacitor having sufficiently good electrical egg ⁇ properties even at critical frequencies.
  • Figure 2 shows an embodiment of the capacitor in which the dielectric layer DL and the third electrode E3 are part of a mirror MIR of a mirror-type BAW resonator.
  • the seal MIR is arranged on a substrate SU.
  • the representation of the mirror MIR is symbolic, ie the mirror MIR can comprise further mirror layers with alternating high and low acoustic impedance.
  • the capacitance of the capacitor depends on the Kochlappungsflä ⁇ surfaces of the electrodes.
  • the overlapping surface of the electrodes depends in particular on the electrode surface or its shape and diameter w1, w2.
  • a dielectric material and arranged thereon another electrode material for upper electrodes of the resonator stack can be present.
  • the upper non-conductive mirror layer of a BAW resonator can serve as a dielectric for the capacitor.
  • the bottom electrode may comprise a plurality of individual layers.
  • the materials below the mirror do not depend on the capacitor and can therefore be arbitrary.
  • An optional piezoelectric layer over the first conductive layer elekt ⁇ driven ELI can an entire wafer in which the component of the capacitor is made, cover and len only a few STEL recesses for production reasons, eg. B. fürieri have.
  • FIG 3 shows an exemplary embodiment of the Kondensa ⁇ tors, wherein above the first electrically conductive layer ELI to the electrodes El, E2, a piezoelectric layer PZ is arranged.
  • a piezoelectric layer PZ is arranged in order to obtain a BAW resonator.
  • the first electrode El as the bottom electrode BE
  • BE a standing acoustic wave can form in the layer stack.
  • the presence of a piezoelectric layer PZ is necessary.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the capacitor in which the spacing of the overlapping electrode regions, ie the thickness of the dielectric of the two partial capacitors T1, T2, is selected differently.
  • the capacity of a Sectionkonden ⁇ sators results in:
  • A is the overlapping area and s r is the dielectric constant of the dielectric layer, eg. B. the uppermost light-conducting mirror layer.
  • the thickness may in particular in a region of the capacitor, for. B. by thinning, to a thickness dl> d2 vermin ⁇ changed.
  • dl thickness of the capacitor
  • d2 vermin ⁇ thickness of the sub-capacitor
  • Figure 5 shows an embodiment of a capacitor in egg ⁇ nem BAW component, wherein the electrodes El, E2 by contacting throughput by a piezoelectric layer PZ were made available for an interconnection with other circuit components.
  • the terminals T1, T2 are thus provided to the capacitor via the metallizations ME in the through-connections VIA.
  • the vias VIA through the piezoelectric layer PZ can z. B. be created by etching. It is also possible that the electrodes E1, E2 directly through in the
  • a bump connection such as shown by way of example in FIG. 13, be arranged and interconnected.
  • Figure 6 shows the equivalent circuit diagram of the capacitor, namely a series connection of two partial capacitors between the terminals Tl and T2. The figure thus shows the equivalent circuit diagram of the capacitor of Figure 5.
  • Figure 7 shows an embodiment of the capacitor, wherein the first electrode El is also the lower electrode ei ⁇ nes further layer stack, comprising a dielectric Mate rial D2 and a metallization of the terminal T2. If the further dielectric material D2 is piezoelectric, the first electrode El is simultaneously the lower electrode of the corresponding BAW resonator stack.
  • the electrode assembly of Figure 7 shows a parallel connection of the condensate with a crystallizer, the dielectric layer D2 comprehensive re ⁇ sonator.
  • Figure 7 thus shows a space-saving execution ⁇ form a parallel connection of a capacitor with a resonator.
  • Such an electrode arrangement allows, in particular, the targeted reduction of the resonator coupling of the BAW resonator BAW.
  • Such an arrangement enables a saving of Chipflä ⁇ che, because of the electrodes El and E3 comprehensive Operakonden- arranged directly under the resonator BAW.
  • the space below the resonator BAW is generally not available for further BAW resonator stacks because these areas are acoustically coupled to one another.
  • FIG. 8 shows the equivalent circuit diagram of the electrode structure from FIG. 7.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which - in contrast to the embodiment of FIG. 7 - the second electrode E2 of the capacitor is not connected to the upper electrode of the BAW resonator BAW.
  • the embodiment of Figure 9 thus represents a device with three independent terminals Tl, T2, T3.
  • the area of the second electrode E2 can exceed the area requirement of the terminal T2 by a factor x, where x can be between 1 and 100 and, in particular, 1.1, 2, 5, 10 and 50.
  • Figure 10 shows the equivalent circuit of the electrode assembly of Figure 9.
  • Figure 11 shows an embodiment in which the first Elect ⁇ rode El of the capacitor is obtained as an extension of the lower Elect ⁇ rode a BAW resonator.
  • the BAW resonator in this case comprises a part of the electrically conductive layer with the first electrode El, material of the piezoelectric layer and material of an electrode layer on the piezoelectric layer.
  • FIG. 12 shows the equivalent circuit diagram of the electrode arrangement of FIG. 11.
  • a connection T3 is, however, connected to the resonator not directly connected to the capacitor.
  • a terminal T2 is connected to the capacitor but not directly to the Resona ⁇ gate.
  • a terminal Tl is connected directly with both the resonators ⁇ tor and the condenser.
  • FIG. 13 shows an example of an embodiment of the capacitor with six partial capacitors.
  • the first elekt ⁇ driven conductive layer ELI includes other electrode structures E.
  • the second electrically conductive layer EL2 accordingly comprises further structured electrode portions, so that a ent ⁇ speaking series connection is obtained of six sub capacitors. In this way a Serienverschal ⁇ processing can be obtained from 2 n capacitors easily, where n is a natural number> first
  • FIG. 14 shows the equivalent circuit diagram of a possible connection of the capacitor, namely a series connection, with a resonator.
  • FIG. 15 shows an embodiment of a capacitor in which the contacting of the second electrode is realized via a bump connection BU.
  • the bump connection BU thereby represents the second terminal of the capacitor.
  • UBM Under Bump Metallization
  • the implementation of the bump connection BU can be carried out by a piece of a bonding wire, by solder or other conventional methods for production.
  • a bump connection advantageously has a bottom structure, it is advisable to arrange one of the electrodes El, E2 under the bump connection and to pull the corresponding section of the topmost conductive mirror layer as a third electrode E3 under the bump connection to a maximum Overlap area and thus to obtain maximum capacity of the capacitor.
  • the third electrode E3 includes an area disposed below the bump connection.
  • FIG. 16 shows an equivalent circuit diagram of a filter circuit F, in which a capacitor comprising the two series-connected partial capacitors C 1, C 2 as a parallel branch element, for example, is shown.
  • B. in a Laddertype filter structure is connected in parallel to a resonator X.
  • the capacitor can thus one, z. B. interconnected with a signal path, terminal B with a nem, z. B. connected to ground, connect connection A.
  • FIG. 17 shows a capacitor connected in a blocking circuit with the partial capacitors C 1 and C 2.
  • the capacitor is connected to the inductive elements LI and L2.
  • the capacitor is connected in series between the two inductive elements LI, L2.
  • Figure 17 shows the capacitor as part of a blocking circuit, z. B. at a filter port FP.
  • the resonant frequency f of the trap circuit is
  • C x is the static capacitance of the resonator X and C ges is 1 / (I / C1 + I / C2).
  • the inductive elements LI, L2 are optional and can be omitted if necessary or as parasitic inductances, eg. B. of leads, be realized.
  • the parallel connection with the resonator X is optional. Without the interconnection with the resonator X, a correspondingly corrected blocking frequency results.
  • Figure 18 shows the equivalent circuit of a filter circuit F, wherein the capacitor with the partial capacitors Cl, C2 are connected in parallel to an inductive element L2.
  • the in ⁇ ductive element L2 may be part of an impedance matching circuit between the filter circuit F, z. B. a transmitting or receiving filter, and another filter, for. B. a corresponding receive or transmit filter of a duplexer.
  • impedance matching with parallel inductive elements and a filter port small inductance values cause large distances in the Smith chart. In most cases, due to lack of space in the corresponding component no inductive element with greater inductance can be used in a corresponding housing. There are also applications in which a serial inductance for compensation is not possible.
  • FIG. 18 shows a further inductive element LI, which is however optional and can be omitted or by a parasitic inductance, eg. B. a supply line can be realized. Also the connection of the capacitor to the gate resonators ⁇ X is optional and not obligatory.
  • FIG. 19 shows the equivalent circuit diagram of a duplexer circuit with two filter circuits F.
  • the capacitor with the partial capacitors C 1 and C 2 is part of an n-element circuit, eg, a capacitor. B. for impedance matching in the antenna port of the duplexer. More precisely, the capacitor is connected in a parallel path of the ⁇ -element. In the other parallel path of the n-element, a further capacitive element C is connected.
  • the white ⁇ tere capacitive element C may also be an invention shown SLI capacitive element or a conventionally produced capacitive element.
  • FIG. 20 shows the equivalent circuit diagram of a duplexer circuit with two filter circuits F, wherein the capacitor is connected to the partial capacitors C 1, C 2 in the series path of a T-gate matching circuit.
  • an inductive element C is connected in the parallel branch of the T-element.
  • the inductive element according to the invention is connected in series with a conventional or likewise inventive capacitive element C.
  • FIG. 21 generally shows an equivalent circuit diagram in which the capacitor is connected as a serial branch element to any other circuit components.
  • FIG. 22 symbolizes a circuit arrangement in which the capacitor with the partial capacitors C 1, C 2 is electrically or indirectly electrically coupled to a resonator arranged at any point. A spatial proximity between see condenser and resonator is not absolutely necessary to snappoint the advantages of the capacitor.
  • the parallel ⁇ circuit of resonator and capacitor can be connected via an inductive element L to ground.
  • Figure 23 shows a duplexer circuit DU with a
  • Antenna terminal ANT between a transmission terminal Tx and a reception terminal Rx.
  • the antenna terminal ANT is a matching circuit with two inductive elements IE and the capacitor with the two sub-capacitors Cl, C2
  • the transmit signal branch operates essentially with bulk acoustic waves, while the receiving branch operates with surface acoustic waves.
  • Figure 23 thus provides a
  • a capacitor according to the invention is not limited to one of the described exemplary embodiments. Combinations of features of the embodiments and variations, wel ⁇ che z. B. even more resonators, inductive or capacitive Elements or sub-capacitors include, represent embodiments of the invention as well.
  • BAW BAW resonator stack, BAW resonator
  • BE lower electrode of a BAW resonator stack
  • T1, T2 first, second connection of the capacitor

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Description

Beschreibung
Kondensator mit verbessertem linearen Verhalten Die Erfindung betrifft Kondensatoren mit verbessertem linearen Verhalten, z. B. für Hochfrequenz (HF) Schaltungen.
Kondensatoren sind die realen Implementierungen idealer kapazitiver Elemente. In der Netzwerktheorie werden kapazitive Elemente deshalb alleine durch ihre Kapazität charakteri¬ siert, während Kondensatoren neben ihrem kapazitiven Verhalten auch im Allgemeinen unerwünschte Frequenz- und Temperaturabhängigkeiten, parasitäre Induktivitäten und ein nicht lineares Verhalten aufweisen.
Speziell in HF-Schaltungen, wie sie z. B. in mobilen Kommunikationsgeräten Verwendung finden können, ist die Entstehung unerwünschter IMD Produkten (IMD = Inter-Modulation Distor- tion) möglich. Aktuelle Mobilfunksysteme stellen an alle Kom- ponenten in ihren Sende-Empfänger-Einheiten immer höhere Ansprüche, so auch an ihre Kondensatoren. Insbesondere nicht lineares Verhalten von Bauteilen, was in der Praxis die Generierung von harmonischen und Intermodulationsprodukten im Signalweg zur Folge hat, kann die Sensitivität der Empfänger- seite stark minimieren.
Mobile Kommunikationsgeräte können z. B. mit akustischen Wel¬ len, z. B. mit akustischen Volumenwellen, arbeitende Filterbauelemente umfassen. Entsprechende Filterschaltungen können daher Kondensatoren aufweisen, deren elektromagnetische Eigenschaften denjenigen idealer kapazitiver Elemente entsprechen sollten. Aus der DE 10 2008 045 346 AI beispielsweise sind HF-Filter in Duplexerschaltungen mobiler Kommunikationsgeräte enthalten . Aus der DE 10 2009 011 639 AI ist bekannt, Kondensatoren in mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen zu integrieren, um ein Bauelement mit kleinen Abmessungen und guten elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Problematisch an bekannten Kondensatoren für HF-Filter sind die oben genannten unerwünschten Eigenschaften realer Kondensatoren .
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kon- densatoren anzugeben, die für die Verwendung in HF-Filterschaltungen geeignet sind und ein elektrisches Verhalten auf¬ weisen, das demjenigen idealer kapazitiver Element möglichst nahe kommt und insbesondere ein verbessertes lineares Verhal¬ ten aufweisen. Ferner sollen solche Kondensatoren keine para- sitären Resonanzen bewirken, wenn sie z. B. in mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen realisiert werden. Weiter sollen entsprechende Kondensatoren kostengünstig und ohne Vergrößerung des Herstellungsaufwands produzierbar sein. Ferner soll ein entsprechendes Bauelement mit einem solchen Kondensator kompatibel mit dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung sein.
Diese Aufgaben werden durch einen Kondensator gemäß Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestal- tungen der Erfindung an. Die in den Ansprüchen und nachfolgend beschriebenen Merkmale können dabei in beliebiger Kombination zusammenwirken, um einen individuell angepassten Kondensator zu ergeben. Ein Kondensator umfasst eine erste und eine zweite elektrisch leitende Lage. Der Kondensator umfasst ferner eine erste und eine zweite in der ersten Lage strukturierte Elektrode und eine dritte in der zweiten Lage strukturierte Elektrode. Zwi- sehen den elektrisch leitenden Lagen ist eine dielektrische Lage angeordnet. Ein Teil der ersten Elektrode und ein Teil der zweiten Elektrode überlappen jeweils zumindest einen Teil der dritten Elektrode. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind dabei die Anschlusselektroden des Kondensa- tors .
Der Begriff „überlappen" bezeichnet die Tatsache, dass sich entsprechende Bereiche der Elektroden flächig gegenüberste¬ hen. Zumindest die überlappenden Teile der Elektroden reali- sieren dabei im Wesentlichen je einen Plattenkondensator.
Über die Anschlusselektroden des Kondensators, also über die erste Elektrode und die zweite Elektrode, ist der Kondensator mit einer Schaltungsumgebung verschaltbar .
Es ist möglich, dass die erste Elektrode und die dritte
Elektrode zusammen einen ersten Teilkondensator bilden, während die dritte Elektrode und die zweite Elektrode einen zweiten Teilkondensator bilden. Der Kondensator ist dann im Wesentlichen die Serienschaltung beider Teilkondensatoren.
Der Kondensator weist somit eine Lagenstruktur auf, die kompatibel mit Herstellungsprozessen von mit akustischen Wellen, z. B. akustischen Volumenwellen, arbeitenden Bauelementen ist.
Gute elektrische Eigenschaften des Kondensators können durch eine geeignete Wahl der Materialien der Lagen erhalten wer- den. Insbesondere die Wahl des Materials der dielektrischen Lage hat einen starken Einfluss auf die linearen Eigenschaf¬ ten des Kondensators. In einer Ausführungsform ist die dielektrische Lage nicht piezoelektrisch. Damit unterscheidet sich das Material der dielektrischen Lage maßgeblich vom Material einer piezoelektrischen Schicht von mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen .
Mit akustischen Volumenwellen arbeitende Bauelemente umfassen eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden. Ein Lagenstapel aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen Elektrode ist elektroakustisch aktiv, wenn ein HF-Signal mit der Resonanzfrequenz des Lagenstapels an diese Elektroden angelegt wird. In einem solchen Lagenstapel bildet sich dann eine akustische Resonanz aus. Es liegt somit ein elektroakustischer Resonator vor, der ein im hohen Maße nicht lineares Verhalten offenbart. Soll anstelle eines so genannten BAW-Resonators (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) ein Kondensator erhalten werden, so ist es möglich, einen entsprechenden Lagenstapel durch mechanische Eigenschaften wie das Abscheiden den Resonator verstimmender Schichten auf der Oberfläche der oberen Elektrode zu verstimmen. Ein ideales kapazitives Element wird dabei aber nicht erhalten.
Es gibt BAW-Resonatoren, unter denen ein akustischer Spiegel angeordnet ist, der die Ausbildung akustischer Resonanzen un- terstützt. Ein solcher Spiegel kann eine Schichtfolge von Ma¬ terialien mit abwechselnd hoher akustischer Impedanz und niedriger akustischer Impedanz umfassen. Materialien hoher akustischer Impedanz sind insbesondere Materialien mit einer hohen spezifischen Dichte, z. B. Metalle. Die Verwendung eines Kondensators, dessen Dielektrikum nicht die piezoelektrische Lage eines BAW-Resonatorstapels ist, sondern der als Dielektrikum ein Material des Spiegels verwendet, ist mög- lieh, aber sehr aufwändig, da die entsprechenden Elektroden, insbesondere die untere Elektrode, tief im Lagenstapel ver¬ graben sind und eine relativ tief reichende Durchkontaktie- rung durch 1. die Lage mit dem piezoelektrischen Material,
2. die Lage mit der unteren Elektrode des BAW-Resonators und
3. die Lage mit dem unter der unteren Elektrode des BAW-Reso¬ nators angeordneten Lage mit dem dielektrischen Material des Kondensators notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung gibt nun einen Kondensator an, bei dem keine Durchkontaktierung durch die Lage mit dielektri- schem Material unter der Lage mit dem piezoelektrischen Material notwendig ist. Es wird also ein Kondensator angegeben, dessen Elektroden leicht kontaktiert werden können. Dadurch, dass die dielektrische Material nicht piezoelektrisch ist, werden sehr gute elektrische, insbesondere lineare, Eigen- schaffen erhalten.
In einer Ausführungsform ist die dielektrische Lage des Kon¬ densators entsprechend eine Spiegellage eines mit akustischen Wellen, z. B. eines mit akustischen Volumenwellen, arbeiten- den Bauelements.
In einer Ausführungsform ist die erste elektrisch leitende Lage eine Lage, in der Elektroden eines mit akustischen Volu- menwellen arbeitenden Resonators angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass die erste elektrisch leitende Lage eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators umfasst.
In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode eine Elekt¬ rode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators. Zumindest einer der Teilkondensatoren ist entsprechend unterhalb eines BAW-Resonatorstapels angeordnet. Da die erste Elektrode eine Elektrode eines BAW-Resonators ist, ist der elektrische Zugang zur ersten Elektrode leicht möglich. In einem solchen Fall wäre höchstens noch eine Durchkontaktie- rung durch die Lage mit dem piezoelektrischen Material nötig, um die zweite Elektrode zu erreichen und zu kontaktieren.
In einer Ausführungsform umfasst der Kondensator entsprechend eine piezoelektrische Lage über der ersten elektrisch leitenden Lage und eine weitere elektrisch leitende Lage über der piezoelektrischen Lage. In der weiteren elektrischen Lage über der piezoelektrischen Lage können die oberen Elektroden von BAW-Resonatorstapeln strukturiert sein. Liegt eine Durch- kontaktierung durch die Lage mit dem dielektrischen Material über der zweiten Elektrode vor, so kann strukturiertes Mate¬ rial der weiteren elektrisch leitenden Lage eine Verschaltung mit der zweiten Elektrode herstellen.
Es wird somit ein Kondensator erhalten, der im Wesentlichen ohne zusätzliche Herstellungsprozesse geformt werden kann. Insbesondere ist keine Durchkontaktierung durch das die- lektrische Material des Kondensators nötig.
In einer Ausführungsform ist entsprechend eine der beiden Elektroden, die ausgewählt ist aus erster und zweiter Elekt- rode, über eine Durchkontaktierung durch die piezoelektrische Schicht mit einer HF-Filterschaltung verschaltet.
In einer Ausführungsform ist zumindest eine der beiden Elekt- roden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, unter ei¬ ner Bump-Verbindung angeordnet und mit der Bump-Verbindung verschaltet .
BAW-Resonatorstapel , insbesondere mit akustischen Spiegeln, sind auf einem Trägersubstrat angeordnet und Teil eines BAW- Chips . Ein solcher Chip kann in Flip-Chip-Bauweise mit ande¬ ren Schaltungskomponenten bzw. entsprechenden Bauelementen (d. h. über Bump-Verbindungen) verschaltet und verbunden sein. Damit die Bump-Verbindungen die elektroakustischen Re- sonatoren nicht stören, sind sie nicht auf den BAW-Resonato- ren, sondern neben den BAW-Resonatoren angeordnet. Um niedrig bauende Bauelemente zu erhalten, können die Bump-Verbindungen in Ausnehmungen in der Lage mit dem piezoelektrischen Material angeordnet sein. In einem solchen Fall könnte die Aus- nehmung in dem piezoelektrischen Material also eine Durchkontaktierung bis zur ersten oder zweiten Elektrode des Kondensators darstellen.
Zwischen einer der Elektroden des Kondensators und einer Bump-Verbindung kann eine so genannte UBM (Under Bump Metal- lization) angeordnet sein, um eine gute elektrische und me¬ chanische Anbindung der Bump-Verbindung zu erhalten.
In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil einer HF- Filterschaltung. Als Filterschaltungen kommen insbesondere Sende- und/oder Empfangsfilter von Duplexerschaltungen für mobile Kommunikationsgeräte in Frage. Insbesondere an mit ei¬ nem Antennenpfad verschaltete Kondensatoren werden besonders hohe Anforderungen bezüglich der Linearität gestellt, damit die Entstehung von Intermodulationsprodukten und Harmonischen möglichst gering ist. Die Verwendung eines erfindungsgemäßes Kondensators in schaltungstechnischer Nähe zu einem Antennen- pfad ist deshalb besonders vorteilhaft.
So ist es möglich, einen entsprechenden Kondensator in einer Impedanzanpassschaltung eines Duplexers zu verschalten. In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil eines Saugkreises einer HF-Filterschaltung. Über einen solchen Saugkreis können unerwünschte Frequenzkomponenten, die Intermodu- lationsprodukte mit besonders störenden Frequenzkomponenten erzeugen würden, gegen Masse abgeleitet werden.
In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil eines
Sperrkreises einer HF-Filterschaltung.
In einer Ausführungsform ist der Kondensator parallel zu ei- nem induktiven Element einer HF-Filterschaltung verschaltet. Bei der Impedanzanpassung mit parallel geschalteten induktiven Elementen an einem Filterport bewirken kleine Induktivitätswerte lange Wege im Smith-Chart. Meist kann aufgrund von Platzmangel kein induktives Element mit einer größeren Induk- tivität im Gehäuse für kurze Wege im Smith-Chart eingesetzt werden. Es gibt ferner Anwendungsfälle, in denen ein seriell verschaltetes induktives Element nicht in Frage kommt. In ei¬ nem solchen Fall kann ein entsprechender Kondensator in einem Parallelzweig die Auswirkung einer kleinen Parallelinduktivi- tät kompensieren, sodass ein induktives Element mit großen geometrischen Abmessungen entsprechend kleiner ausfallen oder sogar ganz entfallen kann. In einer Ausführungsform ist der Kondensator Teil einer
Duplexer-Anpassschaltung mit π-Glied oder mit T-Glied. π-Glieder und T-Glieder eignen sich gut zur Impedanzanpas- sung, z. B. zwischen einem Sendefilter und einem Empfangsfilter eines Duplexers, da solche Duplexer-Anpassschaltungen im Allgemeinen direkt mit dem Antennenpfad verschaltet sind.
In einer Ausführungsform ist der Kondensator direkt mit oder über andere Schaltungselemente indirekt mit einem nicht di¬ rekt benachbart angeordneten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator gekoppelt, wobei der mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator nicht direkt benachbart zum Kondensator angeordnet ist. Eine Verschaltung eines ent- sprechenden Kondensators mit einem BAW-Resonator ist somit auch dann möglich, wenn in unmittelbarer Nähe zum BAW-Resonator zu wenig Platz vorhanden ist oder wenn vom Resonator aus emittierte akustische Wellen die Arbeitsweise des Kondensa¬ tors stören würden.
In einer Ausführungsform umfasst der Kondensator eine Serienschaltung aus zwei, vier, sechs, acht, zehn oder mehr Teilkondensatoren. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die dritte Elektrode sowohl mit der ersten Elektrode als auch mit der zweiten Elektrode überlappt. Es ist möglich, dass die erste Elektrode mit einer Elektrode der zweiten elektrisch leitenden Lage überlappt. Diese Elektrode der zweiten elekt¬ risch leitenden Lage überlappt mit einer weiteren Elektrode der ersten elektrisch leitenden Lage, welcher mit einer wie- derum weiteren Elektrode der zweiten elektrisch leitenden
Lage überlappt. So wird eine Verkettung von Teilkondensatoren von der ersten Elektrode über eine entsprechende Anzahl von Zwischenelektroden zur zweiten Elektrode erhalten. In einer Ausführungsform des Kondensators ist die dielektrische Lage im Bereich zumindest einer Elektrode lokal ge¬ dünnt. Die Dicke der dielektrischen Lage kann dabei im Vergleich zur Dicke des dielektrischen Materials der entspre- chenden Spiegelschicht eines BAW-Kondensators vermindert sein .
Die Materialien der ersten und zweiten elektrisch leitenden Lage und der dielektrischen Lage können die Materialien kon- ventioneller BAW-Resonatorstapel umfassen. So kommen Aluminium, Kupfer, Gold, Silber als elektrisch gut leitende Metalle oder Legierungen aus diesen Metallen in Frage. Die elektrisch leitenden Lagen können auch Titan, z. B. als Haftvermittlungsschicht, umfassen. Insbesondere ist es möglich, dass die elektrisch leitenden Lagen wiederum selbst aus einer Vielzahl von Lagen mit unterschiedlichen Metallen oder Legierungen bestehen.
Die dielektrische Lage kann insbesondere nicht leitende Mate- rialien hoher oder niedriger akustischer Impedanz, z. B.
S1O2, S13N4 und/oder Ta20s umfassen. Auch die dielektrische Lage kann mehrere Teillagen umfassen.
Die inverse Kapazität einer Serienschaltung von Teilkondensa- toren ist im Wesentlichen die Summe der inversen Kapazitäten der entsprechenden Teilkondensatoren. Um eine möglichst große Kapazität pro Flächenbedarf zu erhalten, sind die Teilkondensatoren, d. h. ihr Überlappungsbereich, im Wesentlichen gleich groß.
Ferner hängt die Kapazität der Teilkondensatoren vom Abstand der Elektroden und von der Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ab. Entsprechend kann das dielektrische Material eine besonders hohe oder besonders niedrige Dielektrizitätszahl aufweisen und die Dicke der dielektrischen Lage, z. B. durch Dünnen, auf einen vorher bestimmten Wert eingestellt sein. In einer Ausführungsform ist der Kondensator als Teil einer Duplexerschaltung verschaltet. Im Duplexer können neben dem bisher beschriebenen Kondensator noch weitere Kondensatoren mit einem analogen Aufbau enthalten sein. Es ist auch
möglich, dass alle Kondensatoren des Duplexers wie oben beschrieben aufgebaut sind.
Der Kondensator kann insbesondere in einer Antennenanpass- Schaltung des Duplexers verschaltet sein, z. B. als
kapazitives Element einer n Schaltung mit zwei induktiven Elementen und dem kapazitiven Serienelement dazwischen.
Die Antennenanpass-Schaltung kann einen Phasenschieber in der Duplexerschaltung darstellen. Ferner kann der gesamte
Phasenschieber in einer IPD-(IPD = Integrated Passiv Device) Technologie ausgeführt und somit platzsparend im Duplexer realisiert sein.
Der Duplexer kann ein Hybridduplexer mit BAW-Resonatoren im Tx-Signalpfad und mit SAW-Resonatoren im Rx-Signalpfad sein.
Es ist ferner möglich, dass die Dicke der dielektrischen Lage im Bereich der ersten und zweiten Elektrode so eingestellt ist, dass eine virtuelle Resonanzfrequenz um mehr als den Duplexerabstand zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben ist. Die virtuelle Resonanzfrequenz ist dabei diejenige Frequenz, die die akustische Resonanzfrequenz des Kondensators wäre, wenn die dielektrische Lange
piezoelektrisch wäre. Nachfolgend wird der Kondensator anhand von nicht einschränkenden aufzufassenden Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die wesentliche Anordnung von erster, zweiter und dritter Elektrode, Figur 2 die Anordnung der Elektroden in einem Lagenstapel,
Figur 3 die Verwendung des Kondensators in einem BAW- ResonatorStapel , Figur 4 eine Ausführungsform, bei der die dielektrische
Lage in unterschiedlichen Teilkondensatoren eine unterschiedliche Dicke aufweist,
Figur 5 eine Ausführungsform, bei der die Anschlusselektro- den mittels Durchkontaktierungen verschaltet sind,
Figur 6 das Ersatzschaltbild des Kondensators,
Figur 7 eine Ausführungsform, in der der Kondensator paral- lel zu einem BAW-Resonator verschaltet ist,
Figur 8 das Ersatzschaltbild der in Figur 7 gezeigten
Elektrodenstruktur, Figur 9 eine Ausführungsform einer Parallelschaltung des
Kondensators mit einem BAW-Resonator mit drei An¬ schlüssen, Figur 10 das Ersatzschaltbild der Elektrodenstruktur der Figur 9,
Figur 11 eine Ausführungsform, bei der eine der Elektroden die Verlängerung einer unteren Elektrode eines BAW-
Resonators ist,
Figur 12 das Ersatzschaltbild der Ausführungsform der Figur
11,
Figur 13 eine Ausführungsform des Kondensators mit sechs
Teilkondensatoren,
Figur 14 das Ersatzschaltbild einer Serienverschaltung des
Kondensators mit einem Resonator,
Figur 15 eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die zweite Elektrode unter einer Bump-Verbindung angeordnet ist,
Figur 16 das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung, in der der Kondensator parallel zu einem Resonator verschaltet ist, Figur 17 das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung, bei der der Kondensator in einem Sperrkreis verschaltet ist,
Figur 18 das Ersatzschaltbild eines Filters, bei dem der
Kondensator parallel zu einem induktiven Element L2 und parallel zu einem Resonator X verschaltet ist, Figur 19 das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung, in der der Kondensator in einem π-Glied verschaltet ist, Figur 20 das Ersatzschaltbild eines Duplexers, in dem der
Kondensator in einem T-Glied verschaltet ist,
Figur 21 eine Filterschaltung mit dem Kondensator als
Serienzweigelernent,
Figur 22 eine Filterschaltung, in der der Kondensator mit einem an einer beliebigen Stelle angeordnetem Resonator elektrisch verkoppelt ist, Figur 23 eine Duplexerschaltung mit dem Kondensator in einer
Anpass-Schaltung .
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung der drei Elektroden des Kondensators. In einer ersten elektrisch leitenden Lage ELI sind eine erste Elektrode El und eine zweite Elektrode E2 strukturiert. In einer zweiten elektrisch leitenden Lage EL2 ist eine dritte Elektrode E3 strukturiert. Zwischen der ers¬ ten elektrisch leitenden Lage ELI und der zweiten elektrisch leitenden Lage EL2 ist eine dielektrische Lage DL angeordnet. Zumindest ein Teil der ersten Elektrode El überlappt mit ei¬ nem Teil der dritten Elektrode E3. Zumindest ein Teil der zweiten Elektrode E2 überlappt ebenfalls mit einem weiteren Teil der dritten Elektrode E3. Der Überlappungsbereich der ersten Elektrode El und der dritten Elektrode E3 bildet im Wesentlichen einen Plattenkondensator, symbolisiert durch das kapazitive Element Cl . Der Überlappungsbereich der zweiten Elektrode E2 mit der entsprechenden Fläche der dritten Elektrode E3 bildet ebenfalls einen Plattenkondensator, symboli- siert/dargestellt durch das kapazitive Element C2. Der Kon¬ densator der Figur 1 ist also im Wesentlichen eine Serienver- schaltung zweier Teilkondensatoren. Die Elektroden El, E2 sind dabei die Anschlusselektroden des Kondensators, über die der Kondensator mit einer Schaltungsumgebung verschaltet werden kann. Entsprechend stellt die erste Elektrode El einen ersten Anschluss Tl dar, während die zweite Elektrode E2 ei¬ nen zweiten Anschluss T2 darstellt. Der Kondensator stellt somit eine von den Teilkapazitäten Cl, C2 abhängige Gesamtka- pazität zur Verfügung, auf die ohne eine Durchkontaktierung durch die dielektrische Lage DL zugegriffen werden kann.
Das Material bzw. die Materialien der dielektrischen Lage DL und die Materialien der Elektroden können dabei so gewählt werden, dass der Kondensator ausreichend gute elektrische Ei¬ genschaften auch bei kritischen Frequenzen aufweist.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die dielektrische Lage DL und die dritte Elektrode E3 Teil eines Spiegels MIR eines BAW-Resonators vom Spiegeltyp sind. Der Siegel MIR ist dabei auf einem Substrat SU angeordnet. Die Darstellung des Spiegels MIR ist symbolisch, d. h. der Spiegel MIR kann weitere Spiegelschichten mit abwechselnd ho¬ her und niedriger akustischer Impedanz umfassen.
Die Kapazität des Kondensators hängt von den Überlappungsflä¬ chen der Elektroden ab. Die Überlappungsfläche der Elektroden hängt insbesondere von der Elektrodenfläche bzw. deren Form und Durchmesser wl, w2 ab. Durch die Auswahl geeigneter Über- lappungsflächen kann die gewünschte Gesamtkapazität des Kon¬ densators eingestellt werden, wobei gilt: 1/Cges = 1/C1 + 1/C2. Dabei ist Cges die Gesamtkapazität des Kondensators, während Cl und C2 die entsprechenden Kapazitäten der Teilkondensatoren sind.
Oberhalb der ersten elektrisch leitenden Lage ELI kann ein dielektrisches Material und angeordnet darauf ein weiteres Elektrodenmaterial für obere Elektroden der Resonatorstapel vorhanden sein.
Somit kann die oberste nicht leitende Spiegellage eines BAW- Resonators als Dielektrikum für den Kondensator dienen. Die Bodenelektrode kann dabei mehrere Einzelschichten umfassen. Die elektrische Kontaktierung des Kondensators erfolgt über die beiden Elektroden El, E2 als elektrische Anschlüsse. Die Materialien unterhalb des Spiegels hängen nicht vom Kondensa- tor ab und können deshalb beliebig sein. Eine gegebenenfalls vorhandene piezoelektrische Schicht über der ersten elekt¬ risch leitenden Schicht ELI kann aus herstellungstechnischen Gründen einen ganzen Wafer, in dem das Bauelement des Kondensators hergestellt wird, überziehen und nur an wenigen Stel- len Ausnehmungen, z. B. Durchätzungen, aufweisen.
Figur 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des Kondensa¬ tors, bei der oberhalb der ersten elektrisch leitenden Lage ELI mit den Elektroden El, E2 eine piezoelektrische Schicht PZ angeordnet ist. Um einen BAW-Resonator zu erhalten, ist eine weitere obere Elektrode TE über einer unter der piezo¬ elektrischen Schicht angeordneten Elektrode, hier die erste Elektrode El als untere Elektrode BE, notwendig. Liegt an den Elektroden TE, BE ein HF-Signal an, so kann sich im Lagensta- pel eine stehende akustische Welle ausbilden. Zur Ausbildung der akustischen Welle, d. h. für die Funktionsfähigkeit des BAW-Resonators , ist das Vorhandensein einer piezoelektrischen Schicht PZ notwendig. Ein solche piezoelektrische Schicht als Dielektrikum im Kondensator würde aber zu unerwünschten, nicht linearen Effekten führen. Diese Anordnung der dielektrischen Schichten und Elektrodenschichten relativ zueinander bietet somit ein Bauelement, in dem ein BAW-Resonator zusammen mit einem sehr linear arbeitenden Kondensator kombiniert und verschaltet sein können.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei dem der Abstand der überlappenden Elektrodenbereiche, d. h. die Dicke des Dielektrikums der zwei Teilkondensatoren Tl, T2, unterschiedlich gewählt ist. Die Kapazität eines Teilkonden¬ sators ergibt sich zu:
C = So Er A/D.
Dabei ist A die Überlappungsfläche und sr die Dielektrizi- tätszahl der dielektrischen Lage, z. B. der obersten Licht leitenden Spiegellage. Durch Einstellen des Abstands D kann die Gesamtkapazität des Teilkondensators leicht eingestellt werden. Die Dicke kann insbesondere in einem Bereich des Kondensators, z. B. durch Dünnen, auf eine Dicke dl > d2 vermin¬ dert sein. So kann zumindest lokal die flächenspezifische Ka¬ pazität von Teilkondensatoren erhöht werden. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines Kondensators in ei¬ nem BAW-Bauelement , wobei die Elektroden El, E2 durch Durch- kontaktierungen durch eine piezoelektrische Lage PZ für eine Verschaltung mit weiteren Schaltungskomponenten zugänglich gemacht wurden. Über die Metallisierungen ME in den Durchkon- taktierungen VIA werden somit die Anschlüsse Tl, T2 zum Kondensator bereitgestellt. Die Durchkontaktierungen VIA durch die piezoelektrische Lage PZ können z. B. durch Ätzen geschaffen werden. Es ist auch möglich, dass die Elektroden El, E2 direkt durch in den
Durchkontaktierungen VIA angeordnete Metallisierung ME ge- schaffen ist. Dann berühren die Metallisierungen ME direkt die dielektrische Lage.
In der Ausnehmung der Durchkontaktierung kann eine Bump-Ver- bindung, wie z. B. in Figur 13 exemplarisch gezeigt, angeord- net und verschaltet sein.
Figur 6 zeigt das Ersatzschaltbild des Kondensators, nämlich eine Serienverschaltung zweier Teilkondensatoren zwischen den Anschlüssen Tl und T2. Die Figur zeigt somit das Ersatz- Schaltbild des Kondensators aus Figur 5.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators, bei der die erste Elektrode El gleichzeitig die untere Elektrode ei¬ nes weiteren Lagenstapels, umfassend ein dielektrisches Mate- rial D2 und eine Metallisierung des Anschlusses T2, ist. Ist das weitere dielektrische Material D2 piezoelektrisch, so ist die erste Elektrode El gleichzeitig die untere Elektrode des entsprechenden BAW-Resonatorstapels . Die Elektrodenanordnung der Figur 7 zeigt dabei eine Parallelverschaltung des Konden- sators mit einem die dielektrische Schicht D2 umfassenden Re¬ sonator. Figur 7 zeigt somit eine Platz sparende Ausführungs¬ form einer Parallelverschaltung eines Kondensators mit einem Resonator. Eine solche Elektrodenanordnung ermöglicht insbesondere die gezielte Reduktion der Resonatorkopplung des BAW- Resonators BAW.
Eine solche Anordnung ermöglicht eine Einsparung an Chipflä¬ che, weil der die Elektroden El und E3 umfassende Teilkonden- sator direkt unter dem Resonator BAW angeordnet ist. Der Platz unterhalb des Resonators BAW steht für weitere BAW-Re- sonatorstapel nämlich im Allgemeinen deswegen nicht zur Verfügung, weil diese Bereiche akustisch miteinander gekoppelt sind.
Figur 8 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenstruktur aus Figur 7. Figur 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der - im Gegensatz zur Ausführungsform der Figur 7 - die zweite Elektrode E2 des Kondensators nicht mit der oberen Elektrode des BAW-Resona- tors BAW verschaltet ist. Die Ausführungsform der Figur 9 stellt somit ein Bauelement mit drei unabhängigen Anschlüssen Tl, T2, T3 dar.
Es ist möglich, dass die Fläche der zweiten Elektrode E2 den Flächenbedarf des Anschlusses T2 um einen Faktor x übersteigt, x kann dabei zwischen 1 und 100 liegen und insbeson- dere 1.1, 2, 5, 10 und 50 betragen.
Figur 10 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenanordnung der Figur 9. Figur 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Elekt¬ rode El des Kondensators als Verlängerung der unteren Elekt¬ rode eines BAW-Resonators erhalten wird. Der BAW-Resonator umfasst dabei einen Teil der elektrisch leitende Lage mit der ersten Elektrode El, Material der piezoelektrischen Lage und Material einer Elektrodenlage auf der piezoelektrischen Lage.
Figur 12 zeigt das Ersatzschaltbild der Elektrodenanordnung der Figur 11. Ein Anschluss T3 ist mit dem Resonator aber nicht direkt mit dem Kondensator verschaltet. Ein Anschluss T2 ist mit dem Kondensator aber nicht direkt mit dem Resona¬ tor verschaltet. Ein Anschluss Tl ist sowohl mit dem Resona¬ tor als auch mit dem Kondensator direkt verschaltet.
Figur 13 zeigt exemplarisch eine Ausführungsform des Kondensators mit sechs Teilkondensatoren. Neben der ersten Elektrode El und der zweiten Elektrode E2 umfasst die erste elekt¬ risch leitende Schicht ELI weitere Elektrodenstrukturen E. Die zweite elektrisch leitende Lage EL2 umfasst entsprechend weitere strukturierte Elektrodenabschnitte, sodass eine ent¬ sprechende Serienverschaltung aus sechs Teilkondensatoren erhalten wird. Auf diese Weise kann leicht eine Serienverschal¬ tung aus 2n Teilkondensatoren erhalten werden, wobei n eine natürliche Zahl > 1 ist.
Figur 14 zeigt das Ersatzschaltbild einer möglichen Verschal- tung des Kondensators, nämlich einer Serienverschaltung, mit einem Resonator.
Figur 15 zeigt eine Ausführungsform eines Kondensators, bei dem die Kontaktierung der zweiten Elektrode über eine Bump- Verbindung BU realisiert ist. Die Bump-Verbindung BU stellt dabei den zweiten Anschluss des Kondensators dar. Die Bump- Verbindung BU kann dabei direkt auf der zweiten Elektrode aufsitzen. Es ist auch möglich, dass die Bump-Verbindung BU auf einer Metallisierung ME in einer Ausnehmung durch die piezoelektrische Lage PZ angeordnet ist. Zwischen der Bump- Verbindung BU und der ersten Elektrode El oder der Metalli- sierung ME kann eine weitere Schicht, z. B. eine so genannte UBM (UBM = Under Bump Metallization) zur besseren Kontaktvermittlung zwischen Bump BU und Elektrode angeordnet sein. Die Realisierung der Bump-Verbindung BU kann dabei durch ein Stück eines Bonddrahts, durch Lot oder andere konventionelle Methoden zur Herstellung erfolgen. Da eine Bump-Verbindung vorteilhafterweise eine Bodenstruktur aufweist, bietet es sich an, eine der Elektroden El, E2 unter der Bump-Verbindung anzuordnen und den entsprechenden Abschnitt der obersten leitenden Spiegelschicht als dritte Elektrode E3 unter die Bump- Verbindung zu ziehen, um eine maximale Überlappungsfläche und damit maximale Kapazität des Kondensators zu erhalten.
Die dritte Elektrode E3 umfasst einen Bereich, der unter der Bumpverbindung angeordnet ist.
Figur 16 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Filterschaltung F, in der ein die zwei in Serie verschalteten Teilkondensatoren Cl, C2 umfassender Kondensator als Parallelzweigelement, z. B. in einer Laddertype-Filterstruktur, parallel zu einem Resonator X verschaltet ist. Der Kondensator kann somit einen, z. B. mit einem Signalpfad verschalteten, Anschluss B mit ei- nem, z. B. mit Masse verschalteten, Anschluss A verschalten.
Zwischen dem Anschluss A und einem Masseanschluss kann auch ein induktives Element L zur Masseanbindung verschaltet sein. Die direkte Verschaltung mit dem Kondensator X ist nicht not- wendig. Der Kondensator kann den Anschluss B auch ohne wei¬ tere Schaltungselemente direkt mit dem Anschluss A verschal¬ ten. In einer Filterschaltung F und in einem entsprechenden Bauelement können mehr als ein erfindungsgemäßer Kondensator enthalten sein; die Punkte links in Figur 16 zeigen entspre- chend an, dass die gezeigten Schaltungselemente nur einen Teil einer umfangreicheren Schaltung darstellen. Figur 17 zeigt einen in einem Sperrkreis verschalteten Kondensator mit den Teilkondensatoren Cl und C2. Der Kondensator ist dabei mit den induktiven Elementen LI und L2 verschaltet. Insbesondere ist der Kondensator in Serie zwischen den beiden induktiven Elementen LI, L2 verschaltet. Figur 17 zeigt den Kondensator als Teil eines Sperrkreises, z. B. an einem Filterport FP. Die Resonanzfrequenz f des Sperrkreises ist
2nJ{Ll+L2 Cges+Cx)
Cx ist dabei die statische Kapazität des Resonators X und Cges ist 1/ (I/C1+I/C2) · Die induktiven Elemente LI, L2 sind dabei optional und können bei Bedarf weggelassen werden oder als parasitäre Induktivitäten, z. B. von Zuleitungen, realisiert sein. Auch die Parallelverschaltung mit dem Resonator X ist optional. Ohne die Verschaltung mit dem Resonator X ergibt sich eine entsprechend korrigierte Sperrfrequenz.
Figur 18 zeigt das Ersatzschaltbild einer Filterschaltung F, wobei der Kondensator mit den Teilkondensatoren Cl, C2 parallel zu einem induktiven Element L2 verschaltet sind. Das in¬ duktive Element L2 kann Teil einer Impedanzanpassschaltung zwischen der Filterschaltung F, z. B. einem Sende- oder Empfangsfilter, und einem weiteren Filter, z. B. einem entspre- chenden Empfangs- oder Sendefilter eines Duplexers sein. Bei einer Impedanzanpassung mit parallelen induktiven Elementen und einem Filterport bewirken kleine Induktivitätswerte große Strecken im Smith-Chart. Meist kann aufgrund von Platzmangel im entsprechenden Bauelement kein induktives Element mit grö- ßerer Induktivität in einem entsprechenden Gehäuse eingesetzt werden. Es gibt auch Anwendungsfälle, in denen eine serielle Induktivität zur Kompensation nicht möglich ist. Dann schafft das/der Kondensator mit guten linearen Eigenschaften Abhilfe, wenn er parallel zu dem entsprechenden induktiven Element L2 geschaltet ist. Die Ausführungsform der Figur 18 zeigt dabei noch ein weiteres induktives Element LI, welches aber optio- nal ist und weggelassen werden kann oder durch eine parasitäre Induktivität, z. B. einer Zuleitung, realisiert sein kann. Auch die Verschaltung des Kondensators mit dem Resona¬ tor X ist optional und nicht zwingend. Figur 19 zeigt das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung mit zwei Filterschaltungen F. Der Kondensator mit den Teilkondensatoren Cl und C2 ist dabei Teil einer n-Glied-Schal- tung, z. B. zur Impedanzanpassung im Antennenport des Duplexers. Genauer: Der Kondensator ist in einem Parallelpfad des π-Glieds verschaltet. Im anderen Parallelpfad des n-Glieds ist ein weiteres kapazitives Element C verschaltet. Das wei¬ tere kapazitive Element C kann ebenfalls ein erfindungsgemä¬ ßes kapazitives Element oder ein konventionell hergestelltes kapazitives Element sein.
Figur 20 zeigt das Ersatzschaltbild einer Duplexerschaltung mit zwei Filterschaltungen F, wobei der Kondensator mit den Teilkondensatoren Cl, C2 im Serienpfad einer T-Glied-Anpass- schaltung verschaltet ist. Im Parallelzweig des T-Glieds ist ein induktives Element C verschaltet. Das erfindungsgemäße induktive Element ist in Serie mit einem konventionellen oder ebenfalls erfindungsgemäßen kapazitiven Element C verschaltet . Figur 21 zeigt allgemein ein Ersatzschaltbild, in dem der Kondensator als Serienzweigelement mit beliebigen weiteren Schaltungskomponenten verschaltet ist. Figur 22 symbolisiert eine Schaltungsanordnung, bei der der Kondensator mit den Teilkondensatoren Cl, C2 mit einem an einer beliebigen Stelle angeordnetem Resonator direkt oder indirekt elektrisch verkoppelt ist. Eine räumliche Nähe zwi- sehen Kondensator und Resonator ist nicht zwingend notwendig, um die Vorteile des Kondensators auszuspielen. Die Parallel¬ schaltung aus Resonator und Kondensator kann dabei über ein induktives Element L mit Masse verschaltet sein. Figur 23 zeigt eine Duplexerschaltung DU mit einem
Antennenanschluss ANT zwischen einem Sendeanschluss Tx und einem Empfangsanschluss Rx . Mit dem Antennenanschluss ANT ist eine Anpass-Schaltung mit zwei induktiven Elementen IE und dem Kondensator mit den zwei Teilkondensatoren Cl, C2
verschaltet.
Der Sendesignalzweig arbeitet im Wesentlichen mit akustischen Volumenwellen, während der Empfangszweig mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet. Figur 23 stellt somit einen
Hybridduplexer dar. Zwischen dem Antennenanschluss ANT und dem Empfangsanschluss Rx ist ein Grundglied einer Laddertype- struktur mit einer dreifachen Kaskade im Signalpfad und einer Vierfachen Kaskade im Parallelzweigpfad verschaltet. Zwischen dem Grundglied und dem Anschluss Rx ist eine DMS- (DMS = Dual Mode SAW) Struktur verschaltet. Der Empfangsanschluss Rx ist balanced (= erdsymmetrisch) ausgeführt. Der Sendeanschluss ist unbalanced (=erdunsymmetrisch) ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßer Kondensator ist nicht auf eines der be- schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen von Merkmalen der Ausführungsbeispiele und Variationen, wel¬ che z. B. noch weitere Resonatoren, induktive oder kapazitive Elemente oder Teilkondensatoren umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugs zeichenliste :
A, B: Filteranschlüsse
AN : Antennenanschluss
BAW: BAW-Resonatorstapel , BAW-Resonator
BE : untere Elektrode eines BAW-Resonatorstapels
BU: Bump-Verbindung
C: kapazitives Element
Cl, C2 : erster, zweiter Teilkondensator
Dl, D2 : Dicken der dielektrischen Lage
D2 : weiteres dielektrisches Material
DL: dielektrische Lage
DMS: DMS-Struktur
DU: Duplexer
E: weitere strukturierte Elektroden in der ersten elektrisch leitenden Lage
El, E2 : erste, zweite Elektrode
E3: dritte Elektrode
ELI: erste elektrisch leitende Lage
EL2 : zweite elektrisch leitende Lage
F: Filter
f: Sperrfrequenz
IE: induktives Element
LI, L2 : induktives Element
ME: Metallisierung
MIR: Spiegel
PZ : piezoelektrische Lage
Rx : Empfangsanschluss
SU: Substrat
Tl, T2 : erster, zweiter Anschluss des Kondensators
TE : obere Elektrode eines BAW-Resonatorstapels
Tx: Sendeanschluss
UBM: Under Bump Metallization VIA: Durchkontaktierung
Wl, W2 : laterale Abmessungen der ersten, zweiten Elektrode X: Resonator

Claims

Patentansprüche
Kondensator, umfassend
- eine erste und eine zweite elektrisch leitende Lage,
- eine erste und eine zweite in der ersten Lage
strukturierte Elektrode und eine dritte in der zweiten Lage strukturierte Elektrode,
- eine zwischen den leitenden Lagen angeordnete
dielektrische Lage, wobei
- ein Teil der ersten Elektrode und ein Teil der zweiten Elektrode jeweils zumindest einen Teil der dritten
Elektrode überlappen und
- die erste Elektrode und die zweite Elektrode
Anschlusselektroden des Kondensators sind.
Kondensator nach dem vorherigen Anspruch, wobei die dielektrische Lage nicht piezoelektrisch ist.
Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dielektrische Lage eine Spiegellage eines mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelements ist.
Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste elektrisch leitende Lage eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators umfasst .
5. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Elektrode eine Elektrode eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators ist.
6. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend - eine piezoelektrische Lage über der ersten elektrisch leitenden Lage und
- eine weitere elektrisch leitende Lage über der
piezoelektrischen Lage.
7. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der beiden Elektroden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, über eine Durchkontaktierung durch die piezoelektrische Schicht mit einer HF-Filterschaltung verschaltet ist.
8. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der beiden Elektroden, ausgewählt aus erster und zweiter Elektrode, unter einer Bump-Verbindung angeordnet und mit der Bump-Verbindung verschaltet ist.
9. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer HF-Filterschaltung ist. 10. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil eines Sperrkreises oder eines Saugkreises einer HF- Filterschaltung ist.
11. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der
parallel zu einem induktiven Element einer HF-
Filterschaltung verschaltet ist.
Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer Duplexer-Anpassschaltung mit Pi-Glied oder mit T- Glied ist.
13. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der
direkt oder indirekt über andere Schaltungselemente mit einem nicht direkt benachbart angeordneten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator gekoppelt ist .
14. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der eine Serienschaltung aus 2, 4, 6, 8, 10 oder mehr
Teilkondensatoren umfasst.
15. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dielektrische Lage im Bereich zumindest einer
Elektrode lokal gedünnt ist.
16. Kondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil einer Duplexerschaltung ist.
17. Kondensator nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Dicke der dielektrischen Lage im Bereich der ersten und zweiten Elektrode so eingestellt ist, dass eine virtuelle
Resonanzfrequenz um mehr als den Duplexerabstand zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben ist.
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