DE102013221775B4

DE102013221775B4 - Ein Bulk Akustik Wave Resonator, welcher eine dotierte piezoelektrische Schicht mit verbesserten piezoelektrischen Charakteristiken hat

Info

Publication number: DE102013221775B4
Application number: DE102013221775.7A
Authority: DE
Inventors: Paul Bradley; John D. Larson III; Steve Gilbert; Kevin J. Grannen; Ivan Ionash; Chris Feng; Tina Lamers; John Choy
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2012-10-27
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: DE102013221775A1; US20140118089A1; US9225313B2

Abstract

Eine Bulk Akustik Wave (BAW) Resonatorstruktur (100, 300), welche aufweist: eine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (108) ein piezoelektrisches Material aufweist, welches mit Erbium bei einem atomaren Prozentanteil von größer als drei zum Verbessern von piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (108) dotiert ist; und eine zweite Elektrode (101), welche über der piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist.

Description

Hintergrund
Transducer konvertieren im Allgemeinen elektrische Signal in mechanische Signale oder Vibrationen und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale. Akustische Transducer konvertieren insbesondere elektrische Signale in akustische Signale (Schallwellen) und konvertieren empfangene akustische Wellen über den inversen und den direkten piezoelektrischen Effekt in elektrische Signale. Akustische Transducer beinhalten im Allgemeinen akustische Resonatoren wie zum Beispiel Oberflächen Akustik Wave (surface acoustic wave) (SAW) Resonatoren und Bulk Akustik Wave (bulk acoustic wave) (BAW) Resonatoren und mögen in einer weiten Vielzahl von elektronischen Anwendungen wie zum Beispiel Mobiltelefone (cellular telephones), persönliche digitale Assistenten (personal digital assistants) (PDAs), elektronische Spielevorrichtung, Laptop Computer und andere tragbare Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel beinhalten BAW Resonatoren Dünn Film Bulk Akustik Resonatoren (thin film bulk acoustic resonators) (FBARs), welche Resonatorstapel (resonator stacks) beinhalten, welche über einer Substrat Kavität gebildet sind, und fest montierte Resonatoren (solidly mounted resonators) (SMRs), welche Resonatorstapel beinhalten, welche über einem akustischen Reflektor (z. B. einen Bragg Spiegel) gebildet sind. Die BAW Resonatoren mögen zum Beispiel für elektrische Filter und Spannungstransformatoren verwendet werden.
Im Allgemeinen hat ein akustischer Resonator eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden), welche auf einer dünnen Membran gebildet sein mögen. Das piezoelektrische Material mag ein dünner Film von verschiedenen Materialien sein, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Blei Zirkonat Titanat (PZT). Dünne Filme, welche aus AlN hergestellt sind, sind vorteilhaft, da sie im Allgemeinen piezoelektrische Eigenschaften bei einer hohen Temperatur (z. B. oberhalb 400°C) aufrechterhalten. Jedoch hat AlN zum Beispiel einen geringeren piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ als sowohl ZnO als auch PZT.
Ein dünner AlN Film mag mit verschiedenen spezifischen Kristallorientierungen abgelagert werden, welche zum Beispiel eine Wurtzit (wurtzite) (0001) B4 Struktur, welche aus einer hexagonalen Kristallstruktur mit alternierenden Schichten von Aluminium (Al) und Stickstoff (N) besteht, und eine Zinkblendenstruktur beinhalten, welche aus einer symmetrischen Struktur von Al und N Atomen besteht. Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines illustrativen Modells der üblichen Wurtzit Struktur. Aufgrund der Natur der Al-N Bindung (bonding) in der Wurtzit Struktur ist eine elektrisches Feld Polarisation in dem AlN Kristall vorhanden, was in den piezoelektrischen Eigenschaften des dünnen AlN Films resultiert. Um diese Polarisation und den korrespondierenden piezoelektrischen Effekt auszunutzen, muss man das AlN mit einer spezifischen Kristallorientierung synthetisieren.
Mit Bezug auf die 1 sind die a-Achse und b-Achse in der Ebene des Hexagons auf der Oberseite, während die c-Achse parallel zu den Seiten der Kristallstruktur ist. Für AlN ist zum Beispiel der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ entlang der c-Achse ungefähr 3,9 pm/V. Im Allgemeinen ist ein höherer piezoelektrischer Koeffizient d₃₃ wünschenswert, da je höher der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ ist, desto weniger Material wird benötigt, um den gleichen piezoelektrischen Effekt bereitzustellen. Um den Wert des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ zu verbessern, mögen manche der Al Atome durch ein unterschiedliches metallisches Element ersetzt werden, was als „Dotierung (doping)” bezeichnet werden mag. Zum Beispiel haben frühere Bemühungen, den piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ zu verbessern, ein Stören der stöchiometrischen Reinheit des Al Kristallgitters mittels Hinzufügens von entweder Skandium (Sc) (z. B. in Mengen größer als 0,5 atomaren Prozent) oder Erbium (Er) (z. B. in Mengen weniger als 1,5 atomaren Prozent) an Stellen von einigen Al Atomen beinhaltet.
Die US 2004/0135144 A1 beschreibt einen FBAR, der ein Substrat und eine darauf gebildete piezoelektrische gestapelte Struktur aufweist. Die piezoelektrische gestapelte Struktur weist zwischen zwei Elektroden einen piezoelektrischen Film auf. Der piezoelektrische Film ist aus Aluminiumnitrid und enthält 0,2 bis 3,0 Atom-% eines Erdalkali- bzw. eines Seltenerdmetalls. Das Substrat weist einen Spalt auf, um Schwingungen zu ermöglichen.
Zusammenfassung
In Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Bulk Akustik Wave (BAW) Resonatorstruktur eine erste Elektrode, welche über einem Substrat angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, welche über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht beinhaltet ein piezoelektrisches Material, welches mit Erbium bei einem atomaren Prozentanteil von größer als drei zum Verbessern der piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht dotiert ist.
In Übereinstimmung mit einem anderen repräsentativen Ausführungsbeispiel beinhaltet eine BAW Resonatorstruktur eine erste Elektrode, welche über einem Substrat angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, welche über der ersten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, welche über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
Die piezoelektrische Schicht beinhaltet ein piezoelektrisches Material, welches mit Yttrium bei einem atomaren Prozentanteil von größer als drei zum Verbessern der piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht dotiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die illustrativen Ausführungsbeispiele werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungsfiguren gelesen werden. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise skaliert gezeichnet sind. Tatsächlich mögen die Dimensionen beliebig für eine Klarheit der Diskussion vergrößert oder verkleinert sein. Wo immer es anwendbar und praktikabel ist, bezeichnen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines illustrativen Modells einer Kristallstruktur von Aluminiumnitrid (AlN).
2A zeigt eine Draufsicht eines Dünn Film Bulk Akustik Resonators (FBAR) in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel, welcher eine dotierte piezoelektrische Schicht hat.
2B ist eine Querschnittsansicht des FBAR, welcher eine dotierte piezoelektrische Schicht hat, in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel, welche entlang der Linie 2B-2B der 2A genommen ist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines fest montierten Resonators (SMR) in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel, welcher eine dotierte piezoelektrische Schicht hat.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegenden Lehren beziehen sich im Allgemeinen auf BAW Resonator Vorrichtungen, welche verschiedene Filter (z. B. Leiterfilter (ladder filters)) und andere Vorrichtungen bereitstellen mögen. Bestimmte Details von BAW Resonatoren, einschließlich FBARs, SMRs und Resonator Filter, Materialien davon und ihre Verfahren der Herstellung mögen in einem oder mehr der folgenden gemeinsam besessenen U. S. Patente und Patentanmeldungen gefunden werden: U. S. Patent Nr. 6,107,721 von Lakin; U. S. Patent Nr. 5,587,620 , 5,873,153 , 6,507,983 , 6,384,697 , 7,275,292 und 7,629,865 von Ruby et al.; U. S. Pat. Nr. 7,280,007 von Feng et al.; U. S. Patent Anm. Veröff. Nr. 2007/0205850 von Jamneala et al.; U. S. Pat. Nr. 7,388,454 von Ruby et al.; U. S. Patent Anm. Veröff. Nr. 2010/0327697 von Choy et al. und U. S. Patent Anm. Veröff. Nr. 2010/0327994 von Choy et al. Die gesamten Inhalte dieser Patente und Patentanmeldungen werden hiermit mittels In Bezugnahme einbezogen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren der Herstellung, welche in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben werden, repräsentativ sind und andere Verfahren der Herstellung und Materialien innerhalb der Erfahrung eines gewöhnlichen Fachmanns in Erwägung gezogen werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Bereitstellen einer piezoelektrischen Schicht in einer BAW Resonator Vorrichtung, welche verstärkte oder erhöhte (enhanced) piezoelektrische Charakteristiken aufgrund eines Dotierens mit einem von Erbium (Er) oder Yttrium (Y) hat. Zum Beispiel hat eine piezoelektrische Schicht, welche aus einem dünnen AlN Film gebildet ist, einen verstärkten piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einen verstärkten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt² im Vergleich mit einem stöchiometrischen AlN mittels Einbeziehens von Erbium oder Yttrium in das AlN Kristallgitter. In verschiedenen Ausführungsbeispielen übertrifft die Konzentration von Erbium oder Yttrium 3 atomare Prozent (atomic percent) des dünnen AlN Films und ist geringer als 40 atomare Prozent des dünnen AlN Films.
2A zeigt eine Draufsicht eines FBAR 100A in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Der FBAR 100A beinhaltet eine obere Elektrode 101, welche fünf (5) Seiten hat, wobei eine Verbindungsseite 102 konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zu einem Zwischenverbinder (interconnect) 103 bereitzustellen. Der Zwischenverbinder 103 stellt elektrische Signale an die obere Elektrode 101 bereit, um erwünschte akustischen Wellen in einer piezoelektrischen Schicht (welche nicht in der 2 gezeigt ist) des FBAR 100A anzuregen.
2B ist eine Querschnittsansicht des FBAR 100 in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel, welche entlang der Linie 2B-2B der 2A genommen ist. Der FBAR 100 beinhaltet einen akustischen Stapel (acoustic stack) 110, welcher aus mehreren Schichten über einem Substrat 105 gebildet ist, welches eine Kavität 106 hat. Eine erste oder untere Elektrode 107 ist über dem Substrat 105 angeordnet und erstreckt sich über die Kavität 106. Eine Planarisierungsschicht 107' ist ebenfalls über dem Substrat angeordnet, wie gezeigt ist. In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel beinhaltet die Planarisierungsschicht 107' zum Beispiel ein nicht-ätzbares Borosilikat Glas (NEBSG). Im Allgemeinen muss die Planarisierungsschicht 107' nicht in der Struktur vorliegend sein (da sie insgesamt die Verarbeitungskosten erhöht), aber wenn sie vorliegt, mag sie die Qualität eines Wachstums der nachfolgenden Schichten verbessern und ihr Verarbeiten vereinfachen. Eine piezoelektrische Schicht 108 ist über der unteren Elektrode 107 angeordnet und eine zweite oder obere Elektrode 101 (welche in der 2A gezeigt ist) ist über der piezoelektrischen Schicht 108 angeordnet. Wie es von jemand mit gewöhnlichem Fachwissen gewürdigt werden sollte, bildet die Struktur, welche mittels der unteren Elektrode 107, der piezoelektrischen Schicht 108 und der oberen Elektrode 101 bereitgestellt ist, den akustischen Stapel 110 eines BAW Resonators.
Das Substrat 105 mag aus verschiedenen Typen von Materialien gebildet sein, einschließlich Halbleitermaterialien, welche mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie zum Beispiel Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder ähnlichen, was nützlich zum Integrieren von Verbindungen und Elektronik ist, was folglich Größe und Kosten reduziert. Illustrativ werden die untere Elektrode 107 und die obere Elektrode 101 aus Wolfram (W) gebildet, welches eine Dicke von näherungsweise 1000 Å bis näherungsweise 10000 Å hat. Andere Materialien mögen für die untere Elektrode 107 und die obere Elektrode 101 verwendet werden, einschließlich aber nicht limitiert auf Molybdän (Mo) oder einem Bi-Metall Material. Die Kavität 106 mag zum Beispiel mittels Verwendens eines Opfermaterials (sacrificial material), wie zum Beispiel Phosphorsilicat Glas (PSG) gebildet werden, welches nachfolgend freigesetzt oder aufgelöst (released) wird. Die untere Elektrode 107 mag auf die obere Oberfläche des Substrats 105 und das Opfermaterial appliziert werden, welches anfänglich die Kavität 115 füllt, und die obere Elektrode 101 mag auf die obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 108 appliziert werden, respektive mittels Verwendens z. B. einer Spin-On-, einer Sputter- oder Zerstäuben-(sputtering), einer Evaporations- oder einer chemischen Dampfablagerungs-(chemical vapor disposition)(CVD)Technik bis zu der erwünschte Dicke.
In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die piezoelektrische Schicht 108 aus AlN gebildet, welches mit einem seltenen Erden Element Erbium oder Yttrium ”dotiert” ist und zum Beispiel eine Dicke von näherungsweise 5000 Å bis näherungsweise 25.000 Å hat. Insbesondere wird eine Anzahl von Aluminium Atomen in der piezoelektrischen Schicht 108 innerhalb des AlN Kristallgitters mit Erbium oder Yttrium Atomen bei einem vorgegebenen Prozentanteil ersetzt. Das Erbium und Yttrium mögen als ”dotierende Elemente” bezeichnet werden. Weil jedes der dotierenden Elemente lediglich Aluminium Atome (z. B. von einem Aluminium Target (aluminium traget)) ersetzt, bleibt der Prozentanteil der Stickstoff Atome in der piezoelektrischen Schicht 108 im Wesentlichen gleich ungeachtet der Menge der Dotierung. Wenn die Prozentanteile der Dotierungselemente hierin diskutiert werden, ist es mit Bezug auf die Gesamt Atome (einschließlich Stickstoff) der AlN piezoelektrischen Schicht 108.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des SMR 300 in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Die verschiedenen Elemente des SMR 300 sind im Wesentlichen die gleichen wie die korrespondierenden Elemente, welche oben mit Bezug auf den FBAR 100 in der 2B diskutiert werden, mit Ausnahme, dass der SMR 300 einen akustischen Reflektor 320 beinhaltet, welcher über dem Substrat 105 gebildet ist, um eine akustische Isolation an Stelle der Kavität 106 bereitzustellen. Der akustische Reflektor 320 mag zum Beispiel ein verteilter Bragg Reflektor (distributed Bragg reflector) (DBR) oder ein anderer akustischer Spiegel sein, welcher zum Beispiel aus mehreren akustischen Impedanz Schichten gebildet ist, wie mittels der repräsentativen ersten bis sechsten akustischen Impedanz Schichten 321 bis 326 angedeutet ist. Die erste oder untere Elektrode 107 und die Planarisierungsschicht 107' sind über dem akustischen Reflektor 320 angeordnet, die piezoelektrische Schicht 108 ist über der unteren Elektrode 107 angeordnet und die zweite oder obere Elektrode 101 ist über der piezoelektrischen Schicht 108 angeordnet. Wie es von jemand mit gewöhnlichem Fachwissen gewürdigt werden sollte, bildet die Struktur, welche mittels der unteren Elektrode 107, der piezoelektrischen Schicht 108 und der oberen Elektrode 101 bereitgestellt wird, den akustischen Stapel 110 eines BAW Resonators.
Insbesondere wird der akustische Reflektor 320 auf der Oberseite des Substrats 105 gewachsen und stellt eine akustische Isolation zwischen dem Substrat 105 und dem akustischen Stapel 110 bereit. Die akustischen Impedanz Schichten 321 bis 326 des akustischen Reflektors 320 werden aus Materialien gebildet, welche unterschiedliche akustische Impedanzen haben. Zum Beispiel mögen die akustische Impedanz Schichten 321 bis 326 niedrige und hohe akustische Impedanzen haben, welche alternieren, so dass die akustische Impedanz Schicht 321 eine relativ niedrige akustische Impedanz hat, die akustische Impedanz Schicht 322 eine relativ hohe akustische Impedanz hat, die akustische Impedanz Schicht 323 eine relativ niedrige akustische Impedanz hat, die akustische Impedanz Schicht 324 eine relativ hohe akustische Impedanz hat, die akustische Impedanz Schicht 325 eine relativ niedrige akustische Impedanz hat und die akustische Impedanz Schicht 326 eine relativ hohe akustische Impedanz hat. Diese abweichenden akustischen Impedanzen können zum Beispiel mittels Bildens der ungerade bezifferten akustischen Impedanz Schichten 321, 323 und 325 aus einem relativ weichen Material und mittels Bilden der gerade bezifferten akustischen Impedanz Schichten 322, 324 und 326 aus einem relativ harten Material erlangt werden. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der akustischen Impedanz Schichten von sechs abweichen mag, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Im Allgemeinen mag die Anzahl der akustischen Impedanz Schichten mittels eines Kompromisses zwischen einer erwünschten Spiegel Performanz (z. B. je mehr Schichten desto besser) und Kosten und Verarbeitungsprobleme (z. B. je weniger Schichten desto billiger und unkomplizierter ist ein Spiegel Wachsen und ein Nach-Verarbeiten) bestimmt werden.
Die Menge oder der Betrag der akustischen Isolation, welche mittels des akustischen Reflektors 320 bereitgestellt wird, hängt im Allgemeinen von dem Kontrast zwischen den akustischen Impedanzen zwischen den angrenzenden akustischen Impedanz Schichten 321 bis 326 ab, wobei ein größerer Betrag des Kontrasts eine bessere akustische Isolation erzeugt. In einigen Ausführungsbeispielen wird der akustische Reflektor 320 in Paaren von dielektrischen Materialien gebildet, welche kontrastierende oder entgegengesetzte akustische Impedanzen haben. Zum Beispiel mögen die ungeraden akustischen Reflektor Schichten 321, 323 und 325 aus einem Material gebildet sein, welches eine niedrige akustische Impedanz hat, wie zum Beispiel Siliziumoxid (SiO_x), wobei x eine ganze Zahl ist, während die geraden akustischen Reflektor Schichten 322, 324 und 326, welche mit den korrespondierenden ungeraden akustischen Reflektor Schichten 321, 323 und 325 paarweise angeordnet werden, aus einem Material gebildet sein mögen, welches eine hohe akustische Impedanz hat, wie zum Beispiel Wolfram (W) oder Molybdän (Mo). In einem anderen Beispiel mögen die ungeraden akustischen Reflektor Schichten 321, 323 und 325 aus Carbon-dotiertem Siliziumoxid (CDO) gebildet sein, während die geraden akustischen Reflektor Schichten 322, 324 und 326, welche mit den korrespondierenden ungeraden akustischen Reflektor Schichten 321, 323 und 325 paarweise angeordnet werden, aus Siliziumnitrid (SiN) gebildet sein mögen, wobei x eine ganze Zahl ist. Ein Vorteil dieses Paares ist, dass die Schicht in einer einzelnen Maschine mittels Ablagerns von CDO auf einem Siliziumwafer zum Beispiel innerhalb einer ersten Kammer gewachsen werden mag, wobei der Wafer zu einer zweiten Kammer bewegt wird, wobei Siliziumnitrid auf dem Wafer in der zweiten Kammer abgelagert wird, wobei der Wafer zurück in die erste Kammer bewegt wird, und so weiter. Dieser Prozess mag weniger teuer sein (z. B. um ungefähr 10 Prozent) als zum Beispiel ein Produzieren einer geätzten Luftkavität, was somit einen kosteneffektiven Ersatz für eine Luftkavität bereitstellt.
Der akustische Reflektor 320 und SMR 300 mögen mittels Verwendens verschiedener alternativer Techniken fabriziert werden, wobei ein Beispiel von diesen in dem U. S. Patent Nr. 7,358,831 von Larsson III et al. beschrieben ist, welches hiermit mittels Bezug in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Selbstverständlich mögen die niedrige und hohe akustische Impedanz Materialien, welche die gestapelten Schichten des akustischen Reflektors 320 bilden, variieren, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Die vorliegenden Lehren beabsichtigen die Verwendung von FBARs (z. B. FBAR 100) oder SMRs (z. B. SMR 300) in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich Filter (z. B. Leiterfilter, welche eine Mehrzahl von BAW Resonatoren aufweisen).
Für die Zwecke der Illustration mag die piezoelektrische Schicht 108 in den 2B und 3 aus AlN gebildet sein, wobei ein Komposit Target (target), welches aus Aluminium und Erbium (Er) gebildet ist, oder aus Aluminium und Yttrium (Y) gebildet ist, mit Stickstoff kombiniert wird, um ein AlN bereitzustellen, welches mit Erbium bzw. Yttrium dotiert ist. Zum Beispiel mag das kombinierte Aluminium und Erbium in Anwesenheit einer Argon(Ar)-Stickstoff (N₂) Gasatmosphäre innerhalb einer Reaktionskammer auf eine Keimschicht (seed layer) (welche z. B. aus Aluminium gebildet ist) gesputtert oder verstäubt (sputtered) werden, welche auf einer oberen Oberfläche der unteren Elektrode 120 gewachsen ist, oder direkt auf die obere Oberfläche der unteren Elektrode 120 gesputtert werden. Insbesondere wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Komposit Target (oder mehrere Targets), welches aus Aluminium kombiniert mit dem gewünschten Verhältnis von Erbium gebildet ist (was folglich effektiv eine Al-Er Legierung bildet) in der Reaktionskammer bereitgestellt. Die Anwendung von AC Leistung (AC power) erzeugt ein Ar-N₂ Plasma, mit welchem das Target reagiert, was in einer Sputter Ablagerung von Stickstoff, Aluminium und Erbium Atomen in anteiligen oder proportionierten Mengen auf der Keimschicht (oder auf der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 120) resultiert. Die obere Oberfläche der unteren Elektrode 120 mag vorher mittels Verwendens eines Ar und/oder Wasserstoff (H₂) Gases gereinigt werden. Im Grunde genommen mag der gleiche Prozess verwendet werden, um die Sputter Ablagerung von Stickstoff, Aluminium und Yttrium Atomen in proportionierten Mengen mittels Verwendens einer AL-Y Legierung als das Target bereitzustellen. Beispiele von allgemeinen AlN Sputter Ablagerungsprozessen werden mittels U. S. Patent Anm. Veröff. Nr. 2011/0180391 von Larsson, III et al. bereitgestellt, welche am 28. Juli 2011 veröffentlicht wurde, welche hiermit mittels Bezug in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
In einem Ausführungsbeispiel mag das Target (oder die mehreren Targets), welches aus Aluminium mit den gewünschten Anteilen von Erbium oder Yttrium gebildet ist, eine vorherig gebildete Legierung aus Aluminium und Erbium oder Yttrium sein, welche in den gewünschten Anteilen gemischt ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel mag das Target ein Komposit Target sein, welches im Wesentlichen aus Aluminium gebildet ist, und das Erbium oder Yttrium Dotierungselement wird mittels Bildes von Löchern in dem Aluminium Target und Einsetzens von ”Stöpseln (plugs)” aus Erbium oder Yttrium in die jeweiligen Löcher in den gewünschten Anteilen eingebracht. Der Prozentanteil des Erbiums oder des Yttriums korrespondiert zu dem gesamten Volumen dieses Elements, welches in ein oder mehr jeweilige Löcher eingesetzt ist, welches ein korrespondierendes Volumen des Aluminiums ablöst oder ersetzt. Sowohl die Größe und die Anzahl der Löcher als auch die Menge des Elements, welches jedes der Löcher füllt, mag auf einer Fall zu Fall Basis abhängig von den gewünschten Prozentanteilen bestimmt werden. Zum Beispiel mögen die Löcher in verschiedenen Mustern durch das Aluminium Target in den gewünschten Größen und Anzahlen teilweise oder vollständig hindurch gebohrt werden. Ähnlich mag in alternativen Ausführungsbeispielen das Erbium oder das Yttrium zu dem Aluminium Traget in den gewünschten Prozentanteilen mittels Verwendens verschiedener alternativer Typen des Einsetzens hinzugefügt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Zum Beispiel mögen vollständige oder partielle Ringe, welche aus dem Erbium oder dem Yttrium gebildet sind, in jedes Aluminium Target eingelegt werden. Die Anzahl, die Breite, die Tiefe und der Umfang von jedem Ring mag angepasst werden, um den gewünschten Anteil jedes spezifischen Dotierungselements bereitzustellen.
In alternativen Ausführungsbeispielen mögen das Aluminium und das kombinierte seltene Erden Element mittels Verwendens von mehreren Targets, welche aus den unterschiedlichen Elementen gebildet sind, auf die Keimschicht gesputtert werden, welche auf der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 120 gewachsen ist, bzw. direkt auf die obere Oberfläche der unteren Elektrode 120 gesputtert werden. Zum Beispiel mag eine Al-Er Legierung mittels Verwendens eines Aluminium Targets und eines Erbium Targets appliziert werden, welche getrennt mit einem Ar-N₂ Plasma reagieren. Gleichermaßen mag eine Al-Y Legierungen mittels Verwendens eines Aluminium Targets und eines Yttrium Targets appliziert werden, welche getrennt mit dem Ar-N₂ Plasma reagieren. Die gewünschten Anteile der Elemente mögen mittels Variierens der AC Leistung, welche an jedes der Targets angelegt wird, und/oder der Größen der Targets in Relation zueinander erlangt werden. Selbstverständlich mag jeder andere Prozess zum Applizieren einer seltenen Erden Element Dotierungssubstanz in den gewünschten Anteilen, um eine dotierte piezoelektrische Schicht zu bilden, verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Im Allgemeinen wird das Aluminium und der Stickstoff jeweils bei ungefähr 50 Prozent (d. h. der gesamte Atom Prozentanteil des Aluminium ist ungefähr 50) proportioniert. Wie oben erwähnt ist, ersetzt das Erbium oder das Yttrium Aluminium Atome (in dem AlN Kristallgitter), während der anteilige (proportionate) Betrag des Stickstoffs im Wesentlichen der gleiche bleibt. So mag zum Beispiel das Aluminium Target ungefähr 10 Prozent Erbium enthalten, in welchem Fall das Aluminium in der piezoelektrischen Schicht 108 einen atomaren Prozentanteil von näherungsweise 45 hat, während das Erbium in der piezoelektrischen Schicht 108 einen atomaren Prozentanteil von näherungsweise 5 hat. Die atomare Beschaffenheit der piezoelektrischen Schicht 108 mag zum Beispiel als Al_.45N_.50Er_.05 repräsentiert werden. Ähnlich mag zum Beispiel das Aluminium Target ungefähr 10 Prozent Yttrium enthalten, in welchem Fall das Aluminium in der piezoelektrischen Schicht 108 einen atomaren Prozentanteil von näherungsweise 45 hat, während das Yttrium in der piezoelektrischen Schicht 108 einen atomaren Prozentanteil von näherungsweise 5 hat. Die atomare Beschaffenheit der piezoelektrischen Schicht 108 mag zum Beispiel als Al_.45N_.50Y_.05 repräsentiert werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen mag zum Beispiel die Menge der Erbium oder Yttrium Dotierungssubstanz (dopant), welche in der piezoelektrischen Schicht 108 vorliegt, größer als ungefähr 3 atomare Prozent sein. Auch mag in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Menge des Erbium oder des Yttriums, welches in der piezoelektrischen Schicht 108 vorliegt, zwischen ungefähr 3 atomaren Prozent und ungefähr 40 atomaren Prozent sein. Es ist zu beachten, dass eine signifikante Verbesserung bei dem Kopplungskoeffizient kt₂ in Ausführungsbeispielen gesehen wird, welche eine relativ kleine Menge der Dotierungssubstanz verwenden. Auch mag das allgemeine Konzept des Dotierens der piezoelektrischen Schicht 108 mit Erbium oder Yttrium auf andere piezoelektrische Materialien angewendet werden, wie zum Beispiel Zinkoxid (ZnO) oder Blei Zirkonat Titanat (PZT), ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
In alternativen Ausführungsbeispielen mögen piezoelektrische Schichten, welche mit Erbium oder Yttrium dotiert sind, in einem Resonator Stapel von verschiedenen anderen Typen von Resonator Vorrichtungen gebildet sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Zum Beispiel mag eine piezoelektrische Schicht, welche mit Erbium oder Yttrium dotiert ist, in Resonator Stapeln einer gestapelten Bulk Akustik Resonator (SBAR) Vorrichtung, einer Doppel Bulk Akustik Resonator (DBAR) Vorrichtung oder einer gekoppelten Resonator Filter (CRF) Vorrichtung gebildet sein.

Claims

Eine Bulk Akustik Wave (BAW) Resonatorstruktur (100, 300), welche aufweist: eine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (108) ein piezoelektrisches Material aufweist, welches mit Erbium bei einem atomaren Prozentanteil von größer als drei zum Verbessern von piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (108) dotiert ist; und eine zweite Elektrode (101), welche über der piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 2, wobei das Erbium in ein Kristallgitter des AlN eingebunden ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Konzentration des Erbiums geringer als 10 atomare Prozent des piezoelektrischen Materials ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Konzentration des Erbiums geringer als 40 atomare Prozent des piezoelektrischen Materials ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die piezoelektrische Schicht (108) mittels Verwendens eines Targets, welches aus einer Legierung gebildet ist, welche Aluminium und das Erbium aufweist, und eines Sputterns der Aluminiumlegierung aus dem Target über die erste Elektrode (107) mittels Verwendens eines Plasmas bereitgestellt wird, welches Stickstoff aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die piezoelektrische Schicht (108) mittels Verwendens einer Mehrzahl von Targets, welche aus Aluminium bzw. Erbium gebildet sind, und eines Sputterns des Aluminiums und des Erbiums aus den korrespondierenden Targets über die erste Elektrode (107) mittels Verwendens eines Plasmas bereitgestellt wird, welches Stickstoff aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (105) eine Kavität (106) definiert, über welcher eine erste Elektrode (107) gebildet ist.
Der BAW Resonator (300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, welcher ferner aufweist: einen akustischen Reflektor (320), welcher auf dem Substrat (105) zwischen dem Substrat (105) und der ersten Elektrode (107) gebildet ist.
Eine Bulk Akustik Wave (BAW) Resonatorstruktur (100, 300), welche aufweist: eine erste Elektrode (107), welche über einem Substrat (105) angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht (108), welche über der ersten Elektrode (107) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (108) ein piezoelektrisches Material aufweist, welches mit Yttrium bei einem atomaren Prozentanteil von größer als drei zum Verbessern von piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht (108) dotiert ist; und eine zweite Elektrode (101), welche über der ersten piezoelektrischen Schicht (108) angeordnet ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 10, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 11, wobei das Yttrium in ein Kristallgitter des AlN eingebunden ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei eine Konzentration des Yttriums geringer als 10 atomare Prozent des piezoelektrischen Materials ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei eine Konzentration des Yttriums geringer als 40 atomare Prozent des piezoelektrischen Materials ist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die piezoelektrische Schicht (108) mittels Verwendens eines Targets, welches aus einer Legierung gebildet ist, welche Aluminium und das Yttrium aufweist, und eines Sputterns der Aluminiumlegierung aus dem Target über die erste Elektrode (107) mittels Verwendens eines Plasmas bereitgestellt wird, welches Stickstoff aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die piezoelektrische Schicht (108) mittels Verwendens einer Mehrzahl von Targets, welche aus Aluminium bzw. Yttrium gebildet sind, und eines Sputterns des Aluminiums und des Yttriums aus den korrespondierenden Targets über die erste Elektrode (107) mittels Verwendens eines Plasmas bereitgestellt wird, welches Stickstoff aufweist.
Der BAW Resonator (100, 300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Substrat (105) eine Kavität (106) definiert, über welcher eine erste Elektrode (107) gebildet ist.
Der BAW Resonator (300) gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, welcher ferner aufweist: einen akustischen Reflektor (320), welcher auf dem Substrat (105) zwischen dem Substrat (105) und der ersten Elektrode (107) gebildet ist.