WO2017149516A1 - Baw-vorrichtung - Google Patents

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WO2017149516A1
WO2017149516A1 PCT/IB2017/051268 IB2017051268W WO2017149516A1 WO 2017149516 A1 WO2017149516 A1 WO 2017149516A1 IB 2017051268 W IB2017051268 W IB 2017051268W WO 2017149516 A1 WO2017149516 A1 WO 2017149516A1
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WO
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layer
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dielectric
piezoelectric layer
piezoelectric
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Application number
PCT/IB2017/051268
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. Gregory CARUYER
Andre Schwoebel
Dr. Gilles MOULARD
Original Assignee
Snaptrack, Inc.
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Publication date
Application filed by Snaptrack, Inc. filed Critical Snaptrack, Inc.
Publication of WO2017149516A1 publication Critical patent/WO2017149516A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume

Definitions

  • Nts BASi TM Vorrich; B ⁇ Baik ⁇ cöustxc Wave ⁇ - acoustic ⁇ oI: Ume wave) uiücola generally includes a first electrode, a t eite electrode and a piezoelectric 'thin layer f the betwee the two electrodes is deposited.
  • BAW filters can be used to form filters by electrically connecting several SA resonators in series or in parallel.
  • the first and second electrodes are structured, while the piezoelectric layer may be a continuous layer, so that all 8 & iK? ⁇
  • the piezoelectric layer when the piezoelectric layer covers both the surface of the first electrode and exposed portions of the surface of the egg below the egg layer, the piezoelectric layer must cover the edges of the patterned first electrode.
  • Topography can be deposited »Another structure can be present under the first electrode having further topographic steps.
  • Stages may result in an offset in the layer thickness of the piezoelectric layer that grows above and above a seep.
  • the piezoelectric property of the piezoelectric material can be
  • this method can be applied to the topographical stages, by structuring the first electrode under the piezoelectric layer
  • the core of the invention is to provide a B ⁇ device in which a dielectric buffer layer
  • such a BAW resonant layer comprises bofoige of a first electrode layer, a dielectric buffer layer, a piezoelectric layer and. a second electrode layer. .
  • a Sohichtabfoige exists at least in those areas in which a lower electrode is located vo. In other areas, the layer sequence may be another lower material, such as a substrate material. encompassing.
  • the buffer layer it is advantageous for the buffer layer to completely cover the surface under the piezoelectric layer, so that a small amount of piezoelectric layer can be grown on the buffer layer. Since the achstum de piezoelectric layer on a uniform surface of a uniform material orbsohreitet is
  • the axis rate of the piezoelectric layer can be controlled so that it is uniform over the entire surface, including all the top step and all junctions between areas having a first magnetic field and areas where, besides the electrode layer, another surface material is exposed Parts of the first electrode layer were removed or where the first electrode layer was not deposited. Therefore, different waxes are used and different orientations of the one on the aching layer, which otherwise can lead to the cracks just mentioned. This will make a crack-free arid homogeneous
  • the piezoelectric layer may comprise a piezoelectric material which may be deposited as a thin film.
  • the material can be made from PST (" ⁇ Leas lirconiurr;
  • An adequate dielectric buffer slide which may be used for such a piezoelectric layer may comprise a metal oxide, a metal chloride, a metal carbide or porous silicon. All of these dielectric
  • M aials can be deposited or grown on any surface of a separate structure, whereby the supernatant.
  • the dielectric buffer layer may be an H-based material, such as the. Example AiSed, his.
  • the dielectric buffer layer is attached to a layer of silicon, lithium, aluminum, aluminum nitride, silicium d, and alumina. selected.
  • a dielectric buffer layer made of silicon dioxide is particularly preferred. This material has the further advantage; iersperaturafoh Kunststoffmaschine that the characteristics of the BI TM ürriehtnng 'are a selchen layer is reduced, can Di reduced Teipereturabhangigfceit the center frequency of B ⁇ W-Vorriehtung is suSerst
  • any dielectric layer deposited between a protective film and a piezoelectric layer reduces the coupling between the electrode and the piezoelectric layer, so that the effective electro-mechanical coupling is generally used.
  • the distance z of the series and paralletry resonator of the resonator) is reduced -wi d.
  • SA ho can riehtangen be performed in various white Scrukturen to .. keep the acoustic energy within the Schleid.abfei e BA APPARATUS
  • a first variant which usually FB ⁇ R-hhorcardi (Thin-Film Bulk ⁇ coustic resonator ⁇ - acoustic
  • the thin film is called the outer surface of the FBE, it is placed on a membrane over a depression on the membrane
  • the acoustic energy by the use of an acoustic mirror, the between, a subst at and the layer sequence of the BE device
  • An acoustic mirror acts like a Bragg mirror and detects alternating layers of a first and a second material.
  • a first material is selected that has a relatively high acoustic impedance, and a second material is selected ?
  • metals are used to form the high-frequency components of the acoustic mirror, while dielectric materials are used to provide a relatively low acoustic impedance.
  • the Ibeoer iT; gu.h: ccec: n ' ⁇ ⁇ chi.cn form su.
  • the first electrode (under
  • Electrode deposited on the membrane, which may be a niethine a layer or may have a multi-layer structure.
  • the upper layer of the membrane is preferably a dielectric layer or a Balbieitet layer
  • the first electrode is arranged on the uppermost layer of the acoustic mirror. It is preferred for the top layer a dielectric
  • Layer is that forms an i-eder edm ooichtichthe first electrode, which is usually a high
  • the lower electrode forms a part of the acoustic mirror
  • the dielectric icrifer rappel can both the entire
  • a piezoelectric layer which comprises ⁇ lh * ,
  • Dielectric powder produced can not easily and with little. additional costs are incurred. Furthermore, the process of applying a S.0 ⁇ layer can be easily controlled, so that a very uniform layer thickness and shade haptic can be achieved.
  • a piezoelectric layer comprising ⁇ nminium nitride ⁇ 1) is deposited on the dielectric pillar
  • the invention further provides a method of manufacturing the above B ⁇ device.
  • the method begins with the provision of a substrate and at least one layer on the substrate, which is selected as a function of the cardiac output of the B ⁇ -Vo at a membrane and an acoustic mirror.
  • a first layer of a first electrode layer is deposited on this upper layer
  • a dielectric buffer layer is deposited over the entire surface of the first gate layer, controlling the thickness of the buffer gate
  • Buffer layer becomes a piezoelectric layer
  • the ⁇ bscheidiing he piezoelectric layer is so
  • the B ⁇ - Vorriehtua.g is formed on an acoustic mirror.
  • the upper layer of the acoustic mirror is polished with a chemical / mechanical polishing process and isanarized, b is deposited before the buffer schientschient.
  • a polished substrate is polished with a chemical / mechanical polishing process and isanarized, b is deposited before the buffer schientschient.
  • ⁇ bexflache has lower or no topographical levels and offers optimal conditions for the growth of a uniform layer of crystals on one
  • the layer will preferably grow to a uniform thickness to give a flat surface of the buffer layer.
  • Controlled growth of a buffer layer is achieved by the use of a MOCVD process (Metel Organic Chemical Vapor Deposition - metal chemical vapor deposition or a PBCVD process (Plasma Enhanced Chemical Vapor Opposition) If only enough, the deceleration rate is controlled so that there is a low godfather.
  • MOCVD process Metel Organic Chemical Vapor Deposition - metal chemical vapor deposition or a PBCVD process (Plasma Enhanced Chemical Vapor Opposition)
  • the piezoelectric layer may be deposited by a sputtering method.
  • the rate of deposition of the piezoelectric layer is also controlled such that the piezoelectric layer is liable to be in a z-axis position.
  • Fig. 2 shows a bob ⁇ !;. rb eie. ng, nd.t a second
  • Fig. 3 shows a B ⁇ W ⁇ Vorriehtungv the two Einrenne
  • Uriank t who are electrically connected with a connecting element.
  • FIG. 4 shows a BAW device according to the invention in FIG.
  • Fig.,. 5 is a photograph that is a cross section through a BAW - performance according to the prior art tends,.
  • Fig. 6 is a photograph showing a similar cross section through a B f-Vorrichturig according to the invention.
  • Fig. 1 shows a static. Cross section through a B ⁇ - device according to the ; ; State of the art.
  • the B ⁇ device is a resonator used in SI tea (Soiiäly-Mounted
  • Resonator - fixed resonator on a substrate SU is an acoustic mirror AS
  • the acoustic mirror AS may comprise a larger number of light pairs, each layer having a thickness of about one. Quarter of the wavelength.
  • Mirror AS is a Miederi pedanz harsh LI.
  • a first electrode layer E 1 On the acoustic mirror A S, a first electrode layer E 1, a piezoelectric layer P L and a second electrode layer E b are arranged on the preceding layer.
  • the two electrode layer E 1 On the acoustic mirror A S, a first electrode layer E 1, a piezoelectric layer P L and a second electrode layer E b are arranged on the preceding layer.
  • Electrode layers E1 and E2 and the pierceable layer PL interposed therebetween constitute the pseudo-electric element acting as a resonator.
  • Eig. 2 shows a bath counter according to the mran or FBAR type (FEAR ⁇ ⁇ Thin Film Bult Acoustic Resonator) - this acoustic resonator is fabricated on a memhran which has a depression RC on top of it Substrate covered The etibran is above the mran or FBAR type (FEAR ⁇ ⁇ Thin Film Bult Acoustic Resonator) - this acoustic resonator is fabricated on a memhran which has a depression RC on top of it Substrate covered The etibran is above the
  • FIG. 3 shows a Scottish cross-section through a layer sequence f from which different BAW resonators are produced by structuring and electrical coating.
  • Substrate SU becomes an El.efctrödan layer El
  • the layer has to be structured in order to form individual electrode elements for individual BAs. It is possible: to form the first Eiektroden fürennage in a self-strükturxerenden aert by the metal is deposited in the desired areas cum example, by the use of a mask nu, dura 5 füra other 'method, the Eiektroden für by a lift-off - Technology structured.
  • the piezoelectric layer PL is over the entire
  • Electrodes form topographic steps, the follows
  • the second strand E 2 is deposited over the entire surface and then patterned by, for example, a Litt oii Tecnnik. Since the piezoelectric layer PL has on a surface having topographic steps. f is deposited, structural defects can arise and cracks in the piezoelectric layer close to the stages form .. Such a defect can orcardi interfere with the function of the generic piezoelek B ⁇ vf ':.
  • At least moisture can be introduced through the cracks and can. Cause corrosion, which can reduce the lifetime of the BAW device, or the functionality «.
  • Substrate SO is a.
  • acoustic mirror AS in the form of some alternating peak and low light levels HI and LI (only one layer thereof is fabricated in Fig. 4) S.
  • the topmost layer of the acoustic mirror is a low-biredane sight LI "A f of this top layer becomes first electrode layer El.
  • the first electrode layer utniasst tungsten W may further include a Legierufig from .umi.nium and copper a y form the egg oe Feil layer of the first electrode layer may
  • a thin layer of titanium can be used as a partial layer on the
  • a dielectric buffering conductor BL is deposited over the entire surface of the device ⁇ ⁇ whereby exposed areas of the enclosed acoustic mirror and the top of the first electrode layer El.
  • a PECVD procedure. or a. MOC ⁇ D process is used f . to deposit the dielectric buffer layer with well controlled thickness and homogeneity,
  • silicon dioxide is deposited as the lubricant.
  • dielectric buffer rail BL becomes a
  • piezoelectric layer PL over the whole. Surface of the buffer layer deposited. A sputterer will sound
  • the piezoelectric layer PL which in a preferred embodiment for aluminum nitride uratude modulation layer PL
  • a second electrofusion layer E2 is formed, the one. good manager Metal, such as, for example, eternum, uovfaest.
  • the B ⁇ -yorrichtirng shown forms a resonator "In an active region of the resonator, all layers overlap the Schichtabfeige first electrode layer El, Pufferschient BL f piezoelectric layer PL and second Elektrodensch.icht Fi. By structuring: the first electrode not El and the second. Electrode pushes Ei2 become single
  • Electrodes formed of a variety of PVA resonators By electrically connecting these individual resonators, it is possible to form a B.A.-type device which overrides richer electrically connected BAE resonators. The electric
  • Connection between adjacent BA resonators can be in a? integrated manufacturing process can be performed by removing parts of the piezoelectric rail PL to push around areas of the first electrodes underneath
  • the electrical connection can be made, for example, by depositing a further connecting layer on the second electrode layer and the exposed first
  • Egg electrode layer can be produced.
  • Figs. 5 and 6 are photographs of a cross section through a BA ⁇ -Vö.
  • the prior art device such as that shown in FIG. 3
  • a single B ⁇ device according to the invention such as that shown in FIG.
  • the proposed device of the present invention has superior crystallographic character shadows in combination with good piezoelectric properties and a one-piece structure of the pieroelebtric layer when a dielectric layer made of silialeamoxide is used is disclosed in the eniperaturk.oef fi - the BAvi-Vorrichtang serves the Bik-Vorgengen from Fig. and 5-reduced. Further, daraas has an improved lifetime of the BA device, as a defect-free BA-VorrichTang is much less susceptible to conrosio than a corresponding structure with bites and other defects.
  • the invention has been eriautert in respect to only one Aaswovennngsfom f but is not limited to the corresponding Seichnunq and.
  • the anti-tear device A conventional device, can be formed on any substrate that may have any topography or additional layers thereon.

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Abstract

Eine BAW-Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Schicht miteiner überlegenen Kristallstruktur wird bereitgestellt. DieBAW-Vorrichtung weist eine Schichtabfolge, die eine ersteElektrodenschicht (El), eine dielektrische Pufferschicht(BL),eine piezoelektrische Schicht (PL) und eine zweiteElektrodenschicht (E2) umfasst, auf.

Description

Beschreibung BÄ - orrLchtung
BASi™Vorrich ngen ;BÄ Baik Äcöustxc Wave ~- akustische ¥oI:Ume welle): uiüfassen allgemein eine erste Elektrode, eine t eite Elektrode und eine piezoelektrische 'Dünnschicht f die zwische den beiden Elektroden abgeschieden ist.
Aus BAW-Vörrlchtungen können Filter gebildet werden, indem einige SA^-Resonatoren elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dabei sind die erste und swei e Elektrode strukturiert, während die piezoelektrische Schicht eine kontinuierliche Schicht sei kann, so class alle 8&iK?~
Resonatoren einer solchen BA - orrichtung die selbe
kontinuierliche Schicht verwend n, die in einigen speziellen Bereichen weggeätzt sein kann, um vo oben einen Kontakt mit der unteren Elektrode tu -erhalten,
Während des Strukturierens der ersten Elektrode durch
.auftragen der Elektrode in einer strukturierten Art. öder durch Entfernen von Teilen der aufgetragenen Elektroden-- scnicht ist die Oberfläche der Schicht, auf der die erste Elektrode angeordnet ist unbedeckt und freiliegend. Da die pieroelekttisehe Schicht auf der gesamten Oberfläche:
abgeschieden -wird, IGUSS die pie oelektrische Schicht sowohl die Oberfläche der ersten Elektrode als auch freiliegende Bereiche der öberfläehei die unter der Eiek odenschicht liegt, bedecken, Zudem muss die piezoelektrische Schicht die Kanten der strukturierten ersten Elektrode bedecken.
Detern sprechend muss die piezoelektrische Schicht auf zwei verschiedenen Materialien und zudem auf einer unebenen
Topographie abgeschieden werden» Eine weitere Struktur kann unter der ersten Elektrode vorhanden sein, die weitere topographische Stufen aufweist.
Alle diese Faktoren sind unvorteilhaft für das Wachstum einer piezoelektrischen Schicht «olt einer einheitlichen Struktur ohne jegliche Defekt f die auf der unterschiedlichen
^aohstums eschwindigksi t und auf den topographischen Stufen beruhen kennen. Seiche Stufen können zu einem Versatz in der Schichtdicke de piezoelektrischen Schicht, die oberhalb einer und über eine seiche Stufe wächst, führen.
Da der piesoeiektxische Effekt der pieeoelektrischen Schient hauptsächlich von der kristailographischen Orientierung abhängt,, kann die piezoelektrische Eigenschaft der
piezoelektrischeri Schicht unte Defekten; und Stufen der darunterliegenden Schicht leiden» diuraindest sind die
pieseeiek iechen Eigenschaften nicht homogen über- der piezoelektrischen Schicht, Ferner kann die piezoelektrische Schicht Risse in ihrer kristallogrephisehen Struktur
aufweisen, die die Suver Lässigkeit der Ben-Vor vi es - uug reduzieren können, indem Feuchtigkeit oder andere Chemikalien durch diese Risse eingeführt werden«
Bisher gab es Bemühungen, diese dachteile zu vermeiden. Diese Bemühungen konzentrieren sich hauptsächlich auf das
Bereitsteilen planarer oder ebener Oberflächen, auf denen eine ebenere und eine homogenere piesoelektrisehe Schicht aufgewachsen werden kann.
Es wurde bereits vorgeschlagen, ein chemisch-£nechani ches Polierverfahren zu verwenden, wie z m Beispiel in OS
6,.542,. Q5A 32 beschrieben . Mierdings kann dieses Verfahren die topographischen Stufen, die durch das Strukturieren der ersten Elektrode unter der piezoelektrischen Schicht
entstehen, nicht vollständig vermeiden. Und selbst mit dieser Lösung mus.s die piezoelektrische Schicht la-me noch auf zwei verschiedenen Oberflächen wachsen.
Deshalb ist s ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine BÄ - Vorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile g m ldet und die eine homogenere piezoelektrische Schicht aufweist, die frei von kristallographlachen Defekten ist und. die ohne zu viel zusätzlichen Aufwand hergestellt werden, kann.
Dieses Siel wird durch eine Mi■·-■Vorrichtung gerßäii Anspruch, 1 erreicht. Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen BAW- Vorrichtung sowie vorteilhafte Äusführungsformen werden in weiteren Ansprüchen angegeben.
Der Kern, der Erfindung ist das Bereitstellen einer BÄ - Vorrichtung, bei der eine dielektrische Pufferschicht
zwischen der ersten Elektrodensehioht und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.: Deshalb umfasst ein solcher BAW--Resona or: eise Schicht bfoige aus einer ersten Siektrodenschicht, einer dielektrischen Pufferschicht , einer piezoelektrischen Schicht und. einer zweiten Elektroden- Schicht. .Eine solche Sohichtabfoige liegt wenigstens in jenen Bereichen vor, in denen eine untere Elektrode vo liegt. In anderen Bereichen, kann die Schichtabfolge ein anderes unteres Material wie zum Beispiel ein Substratnaterial. umf asen.
Es ist von Vorteil f dass die Pufferschicht die Oberfläche unter der piezoelektrischen Schicht, vollständig bedeckt, so dass ekle gesanrte piezoelektrische Schicht auf der Puffer- sohicht aufgewachsen werden kann. Da das achstum de piezoelektrischen Schicht auf einer einheitlichen Oberfläche eines einheitlichen Materials orbsohreitet ist dar
Hauptnachteil von wei unterschiedlichen Keiraschichter;
beseitigt- Deshalb kann die achstuHUsrate der piezoelektrischen Schicht gesteuert we de , so dasa sie übet der gesamten Oberfläche gleichmäßig ist, einschließlich aller topcgtsphischen Stufen und aller Übergänge zwischen Gebieten mit einer ersten Slektrodehsohicht and Gebieten, in denen außer der Elektrodenschicht ein anderes öberflächenmateriai freiliegt, wo Teile der ersten Elektrodenschieht entfernt wurden oder wo die erste Elektrodenschicht nicht abgeschieden wurde. Deshalb werden unterschiedliche Wachs umsraten and unterschiedliche Orientiexungen der auf achsenden Schicht e r iedes .. die ansonsten n den eben erwähnten Rissen führen können. Dadurch wird eine rissfreie arid homogene
piezoelektrische Schicht erziel »
Die piezoelektrische Schicht kann, ein piezoelektrisches Material,, das als eine Dünnschicht abgeschieden werden kann, umfassen. Das Material kann aus PST ("-■ Leas lirconiurr;
Titanate ~ Blei-dZi konia;a~?;itanat } , Zinkoxid oder &IU
iAlu iniarani rid} auswählt werden. Dotiertes A1M, LiMbös and LiTatc sind weitere mögliche Materialien.
Eine angemessene dielektrische Pufferschieb , die für eine solche piezoelektrische Schicht verwendet werden kann, kann ein Metailoxid, ein Matal luitrid, ein Metallcarbid oder poröses Silizium umfassen, Alle diese dielektrischen
Ma erialien kennen auf einer beliebigen Oberflache rait einer hcißegenen Struktur abgeschieden oder aufgewachsen werden, wodurch das aehstüp. einer homogenen piezoelektrischen
Schicht auf dieser Pufferschicht ermöglicht wird. Gemäß einer Äus üh ungeiarm kann di dielekt ische Pufferschicht ein H-basiertes Material, wie zum. Beispiel AiSed, sein. Andere Beispiele solcher Dielektrika sind aus deiu Stand der Techn k bekannt, in einer vorteilhaften Ausfuhxnng for wird die dielektrische Pufferschicht ans einer Schicht aus Sil ss recxld, Siiizinn--- ni rld, Alurdniumnitrid., Silisiumear d und Aluitd.ninraoxid. ausgewdhlt .
Eine aus Siiiziumosid hergestellte dielektrische Puffer- schient wird ganz besonders bevorzugt, Dieses Material hat den vieitere Vorteil; dass die iersperaturafohängigkeit der Eigenschaften der B I™ ürriehtnng' mit einer selchen Schicht, reduziert werden, kann, Di reduzierte Teipereturabhangigfceit der Mittenfrequenz der BÄW-Vorriehtung ist suSerst
vorteilhaf .
Aber als Macnteii reduziert jegliche dielektrische Schicht, die zwischen einer Sieht odenschicht und einer piezoelektrischen Schicht, abgeschieden wird, die Kopplung zwischen der Elektrode und der piezoelektrischen Schicht, so dass die effektive elektrorD.echani.sche Kopplung id.h. der Abstand z ischen der Reihen- und der Paralieiresönans des Resonators) reduziert -wi d.
Da alle diese Effekte mit steigender Dicke der dielektrischen Pufferschient zunehPen, muss zwischen, den vo teilhaften
Effekten der besseren Struktur und des niedrigeren
Teiöperatnrköeffizi.enten gegenüber der reduzierten
Kopp!ungskonstaute abgewoge werden.
Eine b vorsagte Dicke der dielekt ischen Pafferschient f die einen Kom omiss zwischen Vorte len und Nachteilen biet t, liegt zwischen 3 nm und SO hm. Ein weiterer bevorzugter Bereich liegt zwischen 5 BS u.nc 45 rmu Ein anderer
vorteilhafter Bereich liegt zwischen 3 nm und 20 na: .
SA -ho riehtangen können in wei verschiedenen Scrukturen ausgeführt werden, um die akustische Energie innerhalb der Schleid.abfei e der BA -Vorrichtung zu halten.. In einer ersten Variante, die üblicherweise FBÄR-hhorrichtung (Thin-Film Bulk Äcoustic Resonator ■- akustischer Dünnsc}vi.chtvol:umenr'eSOnatcr ; genannt wird, wird die Schich ab oige des FBÄ auf einer Membran angeordnet , dre über einer Vertiefung auf dem
Substrat aufgehängt ist. Dann ist die Schichtabfolge de
8Ä /EBÄE~Vorrich.tung, di auf der embran abgeschieden ist und di diese u fasstf aussehiiehiieh mi der umgebenden Atmosphäre in Kontakt, so dass die BÄ -Vbrrichtnug
unbehindert gegen Luft schwingen kann und keine Energie durch Dissipafion in: ein Volumenmateriai wie ein Substrat verlören wird ,
In einer zweiten Variante wird die akustische Energie durch die Verwendung eines akustischen Spiegeis, der zwischen, einem Subst at und der Schichtabfolge der BE -Vorrichtung
angeordnet ist, innerhalb, de Sehichtafofoige gehalten. Ein seiche.;, akustischer Spiegel funktioniert wie ein Bragg- Spiegel und nmfasst sich abwechselnde Schichten ans einem ersten und einem zweiten Material. Sin erstes Material ist ausgewählt, das eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist, und ein zweites Material ist ausgewählt ? das eine relativ niedrige akustische Impedanz bereitstellt , Üblicherweise werden Metalle verwend t, u die Hochi pedsnzschiohten des akustischen Spiegels zu bilden, während dielektrische Materialien verwendet werden, um. die Ibeoer iT;g-u.h:ccec:n '■■ chi.cn su bilden .
In der ersten Variante wird die erste Elektrode (unter
Elektrode) auf die Membran abgeschiede , di eine eineeine Schicht sein kann oder die eine Mehrschichtstruktur aufweisen kann. Die obere Schicht der Membran ist -vorzugsweise ein dielektrisch Schicht oder ei «: Balbieitetschicht <
In der zweiten Variante ist die erste Elektrode auf der obersten Schicht des akustischen Spiegels angeordnet. Es wird, bevorzugt f dass die oberste Schicht eine dielektrische
Schicht ist, die eine i-ederIm ed z®ohicht bildet, die der ersten Elektrodenschieht, die üblicherweise eine hohe
Impedanz aufweist, benachbar ist» In diesem Fall bildet die untere Elektrodenschieht einen Teil des akustischen Spiegele
Die dielektrische ikriferschicht kann sowohl die gesamte
Oberfläche der strukturierten ersten Blektrodauschicht als auch die Bereiche der darunterliegenden Oberfläche, die während des Strukturierens der ersten Elektrodenschieht freigelegt wu den, bedecken. In den. Gebieten* auf denen die piezoelektrische Schicht abgeschieden ist, liegt wenigstens die dielektrische Puff rschiebt vor,
In einer bevorzugten Äusführungstorss. utolaset die BÄ - Vörrichtung der vorliegenden. Erfindung ein. Sit , rinneuns rer.., auf das die Schishtabfolge abgeschieden wird. Die
Schiehtabfolge uffifasst *
- einen akustischen Spiegel, wobei der Spiegel sieh
abwechselnde Schichten aus Siiiziumdioxid und einem Metall u&fasst, wobei die obere Schient des akustischen Spiegels eine Siiiziuioxidschieht ist. - eine erste Eiektrcdensehich , die Wolfram u fasst,
- eine dielektrische Pufferschicht aus Siliainmoxid .mit einer Dicke zwischen 3 na und 50 nm,
- eine piezoelektrische Schicht, die Älh* mfasst,
~ eine zweite Elektrodenschicht die .Aluminium imniaast.
Eine aus SiÖ? hergestellte dielektrische Pul£erst icht kann problemlos und mit geringen. zusätzlichen Kosten aufgetragen werden. Ferner kann der Prezess des Änftragens einer S.0·.··· Schicht problemlos gesteuert werden, so dass eine sehr einheitliche Schichtdicke und Schiohtatruktar erreicht werden kann..
Ein piezoelektrische Schicht, die Äinminiumnitrid Äl ) umfasst, wird auf der dielektrischen Pu £er&chicht
abgeschieden. &ib wächst mit einer saulenartigen Struktur, die -Ächsen~or.rentiert ist. Eine solch z-Achsen..orien ierte piezoelektrische Schicht eigt gute piezoeiekt isch
Eigenschaften >
Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren aar Hersteilung der obigen BÄ --Vorrichtang bereit. Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung eines Substrats und wenigstens einer Schicht auf dem Substrat, welches in Abhängigkeit von dem herzn- stellenden Ty der BÄ -Vo richtang ans einer Membran und eine akustischen Spiegel ausgewählt wird.. Auf dieser oberen Schicht wird eine erste Slektrodenschicht abgeschieden, Äuf der gesamten Oberfläche der ersten Etekt rodenschicht wird eine dielektrische Puffexschicht abgeschieden, wobei die Dicke der Pufferschient kontrolliert wird, Äuf die
Pufferschicht wird eine piezoelektrische Schicht
abgeschieden, bevor wenigstens eine aweite Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht abgeschieden wird. Euro. Abscheiden der Puff rschicht wird ein Gasphaseu.ahseh.ei"- dungsverfahren evorzugt, das es erlaubt., die Dicke während der Äbsoheidung zu st uern, wodurch eine einheitliche Dicke der Pnfferschicht übe:r der gesamten Oberfläche erreiaht wird.
Die Äbscheidiing er piezoelektrischen Schicht wird so
durchgeführt, dass. sich eine Kristallstruktur mit einer orientierten, r-Achse bildet. Dies bedeutet, dass die &-Achsen aller wac senden ristallkerher parallel selbstausrfehlend sind, so dass ein säuienartiges Wachstum erfolgt. Alle wachsenden. Körner verbinden, sich su einer einbeit].i.chen
Schicht mit einer hoch geordneten Kristalistruktur die gute piezoelek.tr1sehe Eigensehäften: zeigt.
In einer zweiten Äusführungsform wird die BÄ -~Vorriehtua.g auf einem .akustischen Spiegel gebildet. Hierbei wird die obere Schicht des akustischen Spiegeis mit einem chemischen/raecha- nisehen Poliervergang poliert und ianarisiert, b vor die rufferschient abgeschieden wird. Eine solche polierte
öbexflache weist niedrigere oder keine topographischen Stufen auf und bietet optimale Voraussetzungen für das Wachstem einer einheitlichen Kristaiischicht auf einer solchen
polierten Oberfläche, Selbst falls die dielektrische Puffer- Schicht keine hoch geordnete Struktur aufweist, wachst die Schicht seiest reit einer einheitlichen Dicke, so dass sich eine ebene Oberfläche der Pufferschicht ergibt.
Ein kontrolliertes Wachstum einer Puf ersehicht wird durch die Verwendung eines MOCVD .Prozesses (Metel Organic Chemical V por Deposition - metallorgani sehe chemische Sasphasen- absoheidung oder eines PBCVD Prozesses {Plasma Enhanced Chemical Vapor Opposition - plasmaunterstn st chemische öasphasen bscheidung} erreich . gm eine einheitliche Äbscbeid ng z e reichen, wird die Äbscheidun.gsrate so gesteuert, dass eine niedrige Pate vorliegt.
Die piezoelektrische Schicht kann durch ein Sputterverfahren abgeschieden -w rd - Hierbei wird die Äbscheidungsrate der piezoelektrischen Schicht ebenfalls so gesteuert, dass die piezoelektrische Schicht in einer z-Ächsen^o ientierhen Ärt «achst .
Iis Folgenden wird die Erfindung ausf.öhriicher in Bezug auf spezielle Äusführniujsforraen in. Verbindung mit entsprechenden Zeichnungen, erläutert.
Die Zeichnungen sind nur schematisch, ausgeführt und sind nicht TBa&a absgetret:. Daher können keine absoluten oder relativen habe aus den, Zeichnungen genorsinen werden, fig* 1 zeigt eine Elb- \:'orr."dh' ;·η· , die mit einem ersten
Verfahren hergsstel.lt wurde f in einem schematischen Querschnitt .
Fig, 2 zeigt eine Bob ···!;. r rb eie. ng, die nd.t einem zweiten
Verfahren hergestellt wurde, in einem schematischen Querschnit .
Fig. 3 zeigt eine BÄW~Vorriehtungv die zwei Einrenne
urifass t die mit einem Verbindungselement elektrisch corhunden sind .
Fig. 4 zeigt eine BAW-Vor ichtuug gemäß der Erfindung in
einen seheirs ischen C)uerschnitt .
Fig.,. 5 ist ein Fotografie,, die einen Querschnitt durch eine BAW--Verrichtung gemäß dem Stand der Technik neigt ,.
Fig. 6 ist eine Fotografie, die einen ähnlichen Querschnitt durch eine B f-Vorrichturig gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 1 zeigt einen sthematischen. Querschnitt durc eine BÄ - Vorrichtung gemäß der;; Stand der Technik. Die BÄ -Vorrichtung ist ein Resonator, der in SI -Teohnik (Soiiäly- Mounted
Resonator ~- fest riontierter Resonator) hergestellt ist, uf einem Substrat SU ist ein akustischer Spiegel AS
abgeschieden der wenigstens zwei Sch ch en , das heißt veei g tcor-! eine HoChimpedanzsebicht HI und eine idiederimpe-- dan schicht LI ,· umfasse. Der akustische Spiegel AS kann eine grö re Äncahl seicher Scbichtpaare umfassen,, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa einem. Viertel der Wellenlänge aufweint. Die o ere Schicht des akustischen. Spiegels AS ist eine Miederi pedanzschicht LI. Auf dem akustischen Spiegel ÄS sind eine erste EXekt:rcdenschicht El, eine piezoelektrische Schicht PL nnd eine zweite Elektrodenschieht Ei auf der j weils^ vorangehenden Schicht angeordnet. Die zwei
Elektrodeuschichten El und E2 und die in der Scniehtabfoige dazwischen angeordnete pieroeiekt ische Schicht PL bilden das piesoelektrisohe Element, das als Resonator arbeitet,
Eig. 2 zeigt einen Bad -Pescnator gemäß- dem m ran- oder FBAR-Typ (FEAR ■■■ Thin Film Bult Äocustic Resonator >- akustischer Dhnnachichtt'oiumenresonat.or} . Dieser Resonator ist auf einer Memhran hergestellt, die eine Vertiefung RC auf ders Substrat überdeckt. Die etibran ist über der
Vertiefung aufgehängt. Die Schiohfcafofol<ge, die den Resonator selbst bildet, entspricht der in Fig, iL ge eigten
Schichtabfoige , Einige BÄ -™yprrichtungen benötigen eine elektrische Reihen™ und Par iielschaitung mehrerer Resonatoren. Fig. 3 eigt einen schottischen Querschnitt durch eine Schichtabfolge f aus der z e verschiedene BÄW-Resonatoren durch Strukturieren und elektrisches Beschälten gefertig werde köamen. ibrf d ui Substrat SU wird eine erst El.efctrödanschicht El
abgeschieden. Die Schicht muss strukturiert werden^ um einzelne Elekttodenelemente für einzelne BÄ -~: esonatoren rn bilden. Es ist möglich,:, die ersten Eiektrodenschichten in einer selbst-strükturxerenden Ärt zu bilden, indem das Metall cum Beispiel durch die Verwendung einer Maske nu in den gewünschten Gebieten abgeschieden wird, dura 5 einera anderen 'Verfahren wird die Eiektrodenschicht durch eine Lift-off- Technik strukturiert.
Die piezoelektrische Schicht PL wird über der gesamten
Oberfläche der Anordnung abgeschieden, um die einzelnen ersten Elektroden und die darwischen freiliegende Oberfläche des Substrats su bedecken. Da die Kanten der einzelnen
Elektroden topographische Stufen bilden, folgt die
abgeschiedene piezoeiekt Ische Schicht FL diesen Stufen, so dass sich andere topographische Stufen auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht bilden,
Ähnlich wird die zweite Eiektredenschieht S2 auf der gesamten Oberfläche abgeschieden und anschließend zum Beispiel durch eine Litt oii Tecnnik strukturiert. Da die piezoelektrische Schicht PL auf einer Oberfläche , die topographische Stufen aufweist.f abgeschieden wird, können strukturelle Defekte entstehen und können sich Risse in der piezoelektrischen Schicht nahe den Stufen bilden.. Ein solcher Defekt kann die piezoelek rische Funktion der BÄvf« orrichtung stören:.
Sumindest kann Feuchtigkeit durch die Risse eingeführt werden und kann. Korrosion auslösen, die die Lebensdauer der BAW- Vorrichtung, oder die Funktionalität verringern kann«.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durah eine B&vi~Vorrichtun:g gemäß der Erfindung, Äuf dem. Substrat SO ist ein. akustischer Spiegel ÄS in Form einiger sich abwechselnder Höchirspedanz- und iederim edaö achichten HI und LI (nur eine Schicht davon ist in Fig, 4 gezeigt S hergestellt. Die oberste Schicht des akustischen Spiegels ist eine Niederiröpedanssc icht LI„ A f dieser oberen Schicht wird ein erste Elektrodenschicht El. in einer strukturierte ?trt gebildet, wodurch Teilgebiete der oberen Schicht des akustischen Spiegeis freigelegt werden» Die erste Elektrodenschicht utniasst Wolfram W und kann weiter eine Legierufig aus .umi.nium und Kupfe y die ei oe Feilschicht der ersten Elektrodenschicht bilden kann, umfasserx. Eine dünne Schicht aus Titan kann als Teiischicht auf der
Unt rseite der ersten Slek odenschich abgeschieden we de .
Gemäß der Erfindung wird eine dielektrische Pufferschient BL über der gesamten Oberfläche der Anordnung abgeschieden^ ■wodurch freiliegende Gebiete des f iliegenden akustischen Spiegels und die Oberseite der ersten Elektrodenschicht El. bedeckt werden, Ein PECVD-Verfahren. oder ein. MOC¥D-Proze s wird veruendetf. um die dielektrische Puf erschicht mit gut kontrollierter Dicke und Homogenitat abzuscheiden,
vorzugsweise wird SiliziuTtvoxld als DieLefctrikum abgeschieden. Auf der dielektrischen Pufferschient BL wird eine
piezoelektrische Schicht PL über der gesamten. Oberfläche der Pufferschicht abgeschieden. Ein Sputteruer ahren wird
verwendet, um die piezoelektrische Schicht PL, die in einer bevorzugten Ausführung for Äluminiumnitrid urafasstf
abtuscheiden. Äuf der iezoelektrischen Schicht Fi, wird eine zweite Elektredensohi ht E2 gebildet,- die ein. gut leitendes Metall, wie zum Beispiel Ätor^ ium, uovfaest.
Die gezeigte BÄ -yorrichtirng bildet einen Resonator» In einem aktiven Gebiet des Resonators überlappen sich alle Schichten der Schichtabfeige erste Elektrodenschicht El, Pufferschient BLf piezoelektrische Schicht PL und zweit Elektrodensch.icht Fi . Durch das Strukturieren: der ersten Eiektrodenscnicht El und der zweiten. Elektrodenschiebt Ei2 werden einzelne
Elektroden einer Vielzahl von PVA -Resonatoren gebildet. Durch elektrisches Verbinden dieser einzelnen Resonatoren kann eine B.A ---Vorricht ng gebildet werden, die raehrere elektrisch verbundene BÄ -Resonatoren ürafasst. Die elektrische
Verbindung zwischen benachbarten BA -Resonatoren kann in einer?; integrierten Herstellungsprozesc durchgeführt werden, indem Teile der piezoelektrischen Schient PL entfernt e den, um Gebiete der ersten Elektrodenschiebt darunter
offanzulegen . Die elektrische Verbindung kann zum Beispiel durch abscheiden einer weiteren Ver indungsSchicht auf der zweiten Elektrodenschicht und der freiliegenden ersten
Eiektrodenschicht hergestellt werden.
Fig. 5 und 6 sind Fotografien eines Querschnitts durch eine BA^-Vö. riehtung geraäh dem Stand der Technik (wie die in Fig.3 gezeigte} und durch einte BÄ -Vorrichtung gemäß der Erfindung (wie die in Fig. gezeigte)
In beiden Fällen wird, die gleiche Substratstruktu verwendet, bei de eine topographische Stufe TS existiert., über der die piezoelektrische Schicht abgeschieden wurde, ig» zeigt,, dass sich ein Else CR n der
Figure imgf000015_0001
Schickt PL genau über der topographischen Stufe des Substrats gebildet hat . B:ig> 6 unterscheidet sich von Eig, 5 durch die '.zusätzliche Pufrersohicht^ die über der ersten Elektrodenschieht El abgeschieden: wu de, ''bevor die pieroelektrische Schicht PL abgeschieden wird. Die Fotografie zeigt klar, dass sich kein Riss gebildet hat, ob ohl das gleiche Substrat red der gleichen, topographischen Stufe TS und die gleichen
&bscneidangsbedi.ng ng:en verwen.det warden .
Demzufolge weist die -vorgeschlagene erfindungsgeraälie 8Ä ~ Vorrichtung überlegene kristaiiograpb.is.ehe Figerrschatten in Verbindung tult guten piezoelektrischen Eigenscha ten und einer einhertliehen: Struktur der pieroelebtrischen Schicht auf, enn eine aus Silialamoxid hergestellte dielektrische Schicht verwendet wird, wird rusättlieh der eniperaturk.oef fi- tient der BAvi-Vorrichtang gegenüber den Bik -Vorrichtengen aus Fig. and 5 -verringert. Ferner folgt daraas eine verbesserte Lebensdauer der BA -Vorrichtung, da eine defektfreie BÄ -- VorrichTang viel weniger anfällig für Konrosio als eine entsprechende Struktur mit Bissen and anderen Defekten ist.
Die Erfindung wurde in Bezug auf nur eine Aasführnngsfom eriautertf ist aber nicht beschränkt auf die entsprechende Seichnunq und. die Deserrrfebene Vorrichtung, Eine arfinduugs- gemäße BÄ ™Vorrichtnng kann auf einem beliebigen Substrat, das eine beliebige Topographie oder zusätzliche Schichten obendrauf aufweisen kann,- gebildet werden.
Im Schutzbereieh der Erfindung befinden sich alle Bhi- Vorrichtungerp die die beansprucht Sehichtabfolge mit der dielektrischen Puff.erschient twi sehen der ersten
Elektredenschicht und der pieroelektrischen Schicht
aufweisen . Bssugsseichanl iste
ÄS akustischer Spiegel
BL .dielektrische. P«.fferschieht
GR Riss
St, S2 erste und zweite Blektrodensohicht
M Mewbiran
PL piezoelektrische Schicht
HC Vertiefung
SO Substrat
TS topographische Stufe

Claims

Ansprüche
1. BA ~vorr.iehtung mit einer 'Schichtab oi.ge# die umfasst*
- e e erste Elektrodsnse icht iE!) ,
- ein dielektrische Pur ferschient {EL} ,
- eine piezoelektrische Schicht (FL) ,
- ein zweite Eiektrodenschicht (E2) .,
2, .BAJ-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die
piezoelektrische Schicht (PL) eines von P , 2nO, ÄlM, dotiertem AiM, LiMbCb oder LiTaOr u fasst, wobei die dielektrische Puf erschicht (BIS ein Metailoxid, ein etalLnitridf ein Metaiicarbid oder poröses Silizium umfasst..
3« BASi-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
dielektrische Pufferschient (BL) aus einer Schicht aus SiCu, iotb, AIKr SiC und ÄuCb oder aus einem - basierten Material ausgewählt ist.
4. BA -Vorrichtun nach, einem der vorhergehenden Ans rüche, wobei die dielektrische PufferSchicht (BL) eine Dicke zwischen 3 nm und 5(5 nixs oder zwischen 5 nm und 45 nm aufweist .
5, BAVi- orrichtung nach einer« der vorhergehenden Ansprüche, die ein Substrat CSU) und einer- akustischen Spiegel (ÄS), der zwischen dem Substrat und der ersten Elektroden- Schicht {Ei; angeordnet ist, urmfasst , wobei der
akustische Spiegel sich abwechselnde Schichten mit relativ hoher (HI) und relativ niedriger (Iii) akustischer Impedanz umfasst, wobei die dielektrische Pu f rschient (BL) die gesamte Oderfläche bedeckt, auf der die piezoelektrische Schicht (PL) abgeschieden wurde.
■6. BÄW-Vor iohtung nach inem der Änsprüche 1. bis f die ein Substrat {SO}, da» eine Vertiefung (RC) auf seiner oberen Oberfläche aufweist, und eine Membran (M) , die zur
Bedeckung der Vertiefung aufgehängt ist,, umfasst, wobei die Schichtabfolge auf der Membran, aufgetragen ist,
7< Bi -V"orrich.tung nach einem der vorhergehenden Änsprüche, wobei die dielektrische Fnff'erschient (BL) die gesamte Oberfläche: der darunterliegenden Schicht bedeckt, wobei die piezoelektrische Schicht (PL) direkt an der
Pufferschicht haftet,
H , ßAM-Vorricht ng nach einem der vorhergehenden ÄnBpr:uchef die ein. Siliziumsnbstrat (SU) auf dem die Schie ab olge abgeschieden ist, umfasstt wobei die Schichtabfolge umfasst :
- einen akustischen Spiegel {ÄS; , der' eich abwechselnde Schichten aas SiCb und einem Metall umfasst, wobei die obere Schicht des akustischen Spiegels eine SiO;?- Schieht ist,
-- eine erste Elek odenschicht (El) , die lolfra umfasst,
- eine dielektrische Puf erschicht (BL) aus SiCb mit
iner Dicke zwischen 3 nra und 5.0 nm,
- eine pie oelektrische Schicht (PL), die AI umfasst,
- eine zweite Eiekt odenschicht iE2h, die M umfasst.
9. Verfahren zur Herstellung der SÄ ~Verrichtung nach
Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst:
-■· Abscheiden einer ersten Eiektrodenschicbt auf einer
Membran (M) oder auf der oberen Schicht eines akustischen Spiegeis (SS) ,
- Abscheiden einer dielektrischen Pu fexschieht (BD mi einer gesteuerten Dicke auf de gesamten Oberfläche der ersten Elekt odensehicnt ($.!) ,
- abscheiden einer piezoelektrischen Schicht (FL] auf der Pufferschicht (BL) ,
- Abscheiden einer zweiten Blefctrodenschlcht (Eft) auf der pieτoe1ektriechen Sehxcht ,
•wobei die Puf£erschient (BL) mit einer kontrsliierten einheitlichen Dicke aus der Gasphase abgeschieden wird,, wobei die piezoelektrische Schicht {PL) i einer o- Achsen-orientierten Art, abgeschieden wird.
10. n/erfahren nach Anspruch. 9, wobei die Oberfläche, auf die die Pufferschicht (BL) abgeschieden werden soll, durch einen cheedsehen/mechanischen Poiiervorgang poliert und planarisiert wird, bevor die Pufferschicht abgeschieden wird.
11» Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
- wobei die Pufferschiebt (BD durch MOCVD oder fSCV'D mit einer kontrollierten Äbscheidungsrate abgeschieden wird,
- wobei die piezoelektrische Schicht (PL) durch ein
Sputterverfahren abgeschieden sird^
- wobei die Äbscheidungsrate der piezoelektrischen
Schicht kontrolliert wird,
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