DE102016121220B3 - Schichtenfolge mit alternierender akustischer Impedanz, akustisches Bauelement mit der Schichtenfolge und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schichtenfolge vorgeschlagen, die erste und zweite Schichten umfasst, die alternierend übereinander abgeschieden sind, wobei die ersten Schichten SiCHund die zweiten Schichten SiOC(H) umfassen.

Description

• Volumenwellen-Resonatoren finden beispielsweise Verwendung als Grundelemente in mikro-akustischen Filtern, die jeweils eine Verschaltung mehrerer solcher Resonatoren umfassen. Derartige Filter werden weit verbreitet als Frequenzfilter für drahtlose Kommunikation und Informationsübertragung eingesetzt. Volumenwellen-Resonatoren weisen üblicherweise einen Sandwichaufbau auf, bei dem eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei Elektrodenlagen eingebettet auf einem Substrat abgeschieden ist.
• Um für die Resonatoren eine ausreichende elektroakustische Kopplung und einen hohen Gütefaktor zu erreichen, muss gewährleistet werden, dass die akustische Energie innerhalb des Sandwiches verbleibt und nicht über das Substrat oder die Umgebung entweichen kann.
• Um ein Entweichen akustischer Energie aus den Resonatoren in Richtung des Substrats zu verhindern, kann entweder eine Kavität oder ein Bragg-Spiegel zwischen Resonator und Substrat angeordnet werden. Bei Resonatoren mit einer Kavität spricht man von Membrantyp FBAR (= film bulk acoustic resonator), bei dem der hohe Impedanzsprung von der Elektrodenoberfläche zur Luft innerhalb der Kavität für eine vollständige Reflexion akustischer Wellen sorgt. Alternativ kann zwischen Substrat und Sandwich ein Bragg-Spiegel aus alternierenden Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz realisiert werden. Wenn die Schichten in einer kontrollierten Dicke aufgebracht werden, die einer viertel Wellenlänge der akustischen Welle entspricht, so kann auch mit einem solchen Spiegel die akustische Energie vollständig in das Sandwich zurückreflektiert werden. Derartige Bauelemente werden auch als SMR-Resonatoren (= Solidly Mounted Resonator) bezeichnet. Als Material mit hoher akustischer Impedanz wird üblicherweise Wolfram verwendet, während als Material mit niedriger akustischer Impedanz üblicherweise SiO₂ eingesetzt wird.
• Während Membrantyp FBARs eine sehr hohe Güte aufweisen, ist die Spiegelreflektivität eines Bragg-Spiegels durch den Impedanzsprung zwischen den alternierenden Lagen bestimmt und zusätzlich auch von der Anzahl der Spiegelschichtenpaare bzw. von der Anzahl der Impedanzsprünge zwischen direkt aufeinanderfolgenden Spiegelschichten abhängig.
• Wolfram weist beispielsweise eine longitudinale akustische Impedanz von ca. 100 MRayls auf, wohingegen SiO₂ eine Impedanz von nur ca. 13 MRayls besitzt. Während es kaum möglich ist, Wolfram durch ein Material mit höherer akustischer Impedanz zu ersetzen, scheint es durchaus möglich, weitere Materialien mit niedrigerer akustischer Impedanz zu finden. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, SiOC (Siliziumoxicarbid) als Niederimpedanzmaterial in Bragg-Spiegeln für akustische Volumenwellen-Resonatoren einzusetzen. Für den Bragg-Spiegel wurden dabei alternierende Schichten aus SiOC und Wolfram eingesetzt. Während Wolfram beispielsweise in einer Sputteranlage abgeschieden werden kann, ist für die Abscheidung von SiO₂ oder SiOC eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erforderlich. Dies erfordert zur Herstellung eines Bragg-Spiegels ein mehrfaches Wechseln der Anlage entsprechend der Anzahl unterschiedlicher abzuscheidender Spiegelschichten.
• Wird ein Filter aus SMR-Resonatoren unter Verwendung von Wolfram als Spiegelschicht mit relativ hoher Impedanz hergestellt, so werden einzelne Resonatoren üblicherweise nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat erzeugt, strukturiert und dabei integriert miteinander zu einem Filter verschaltet. In diesem Fall muss stets auch Wolfram strukturiert werden, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Resonatoren über eine ansonsten gemeinsame darunterliegende Wolfram umfassende Spiegelschicht zu verhindern. Eine solche Verkopplung ist zu vermeiden, um die Selektivität des Filters nicht zu verschlechtern.
• In der Druckschrift US 2015/295556 A1 wird die dominante Frequenz eines SMR-Resonators substanziell erhöht durch Verringern der Dicke einer jeden Schicht eines akustischen Bragg-Reflektors, um eine Schichtdicke zu erreichen, die in etwa gleich einer Viertel-Wellenlänge einer Frequenz ist, die eine höhere harmonische Resonanzfrequenz der fundamentalen Resonanzfrequenz des SMR-Resonators ist.
• In der Druckschrift US 2010/123948 A1 umfasst ein Bragg-Spiegel eine erste Bi-Schicht mit einer ersten Schichtdicke und eine zweite Bi-Schicht mit einer zweiten Schichtdicke, welche sich von der ersten Schichtdicke unterscheidet. Die erste Bi-Schicht besteht im Wesentlichen aus einer ersten Schicht mit hoher Impedanz und einer ersten Schicht mit niedriger Impedanz, und die zweite Bi-Schicht mit einer zweiten, unterschiedlichen Schichtdicke besteht im Wesentlichen aus einer zweiten Schicht mit hoher Impedanz und einer zweiten Schicht mit niedriger Impedanz. Vorzugsweise ist die erste Bi-Schicht dazu eingerichtet, eine erste Wellenlänge zu reflektieren, und die zweite Bi-Schicht ist dazu eingerichtet, eine zweite Wellenlänge zu reflektieren, die verschieden von der ersten Wellenlänge ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtenfolge aus Schichten mit alternierend hoher und niedriger akustischer Impedanz anzugeben, aus der sich ein Bragg-Spiegel realisieren lässt. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes mikro-akustisches Bauelement mit einem verbesserten Bragg-Spiegel und ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung des Bragg-Spiegels erleichtert.
• Zumindest eine Teilaufgaben wird durch eine Schichtenfolge mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Schichtenfolge sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Es wird eine Schichtenfolge angegeben, die erste und zweite Schichten umfasst, die alternierend übereinander abgeschieden sind. Die ersten Schichten umfassen dabei Siliziumcarbid SiC_1-xH_x. Die zweiten Schichten umfassen Siliziumoxicarbid SiOC(H). In einer solchen Schichtenfolge weisen die ersten und zweiten Schichten stark unterschiedliche akustische Impedanzen auf. Während die ersten, Siliziumcarbid umfassenden Schichten eine akustische Impedanz von je ca. 90 MRayls aufweist, weisen die zweiten, Siliziumoxicarbid umfassenden Schichten die genannte niedrige akustische Impedanz von nur ca. 3 bis 4 MRayls auf. Auf diese Weise lässt sich ein Impedanzsprung realisieren, der ungefähr so groß ist wie der Impedanzsprung herkömmlicher Bragg-Spiegelschichten, die bis dato aus Wolfram und SiO₂ realisiert sind.
• Die Schichtenfolge hat weiterhin den Vorteil, dass beide Materialien mittels CVD abscheidbar sind. Darüber hinaus sind die Materialien beider Schichten chemisch verwandt und können im CVD-Verfahren aus gleichen oder ähnlichen Precursorn hergestellt werden. Damit ist es möglich, die beiden Schichten im gleichen CVD-Reaktor und in direkter zeitlicher Abfolge hintereinander herzustellen. Dies reduziert den Verfahrensaufwand erheblich, da kein Apparaturenwechsel zur Abscheidung erforderlich ist und insbesondere kein mehrfacher Transport der zu beschichtenden Substrate zwischen den beiden Reaktoren hin und her. Damit lässt sich das Verfahren auch in kürzerer Zeit und in seinem ganzen Umfang besser kontrolliert durchführen.
• Die erfindungsgemäße Schichtenfolge ist daher sehr gut geeignet, daraus einen Bragg-Spiegel für mikro-akustische Anwendungen zu realisieren.
• In einer Ausführungsform sind erste und zweite Schichten halbleitend oder dielektrisch eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere zur Herstellung eines Bragg-Spiegels keine zusätzlichen Isolierungsmaßnahmen erforderlich sind und insbesondere keine Strukturierung elektrisch leitender Schichten zur Vermeidung von elektromagnetischen Kopplungen zwischen nebeneinander angeordneten akustischen Bauelementen.
• Eine halbleitende oder dielektrische Einstellung der ersten Schichten gelingt durch eine Dotierung während der Abscheidung. Es sind p-Dotierungen oder n-Dotierungen möglich. p-Dotierungen können durch Beimischen von Be, B, Al oder Ga erzeugt werden, während durch Zusetzen von N oder P eine n-Dotierung erzeugt werden kann. Somit lassen sich in einfacher Weise die elektrischen Eigenschaften der ersten und zweiten Schichten kontrollieren und insbesondere elektrisch isolierend einstellen.
• Angesichts der erwähnten Vorteile der erfindungsgemäßen Schichtenfolge liegt auch ein mikro-akustisches Bauelement im Rahmen der Erfindung, bei dem auf einem Substrat mit einer planen Hauptoberfläche eine Schichtenfolge aus alternierenden ersten und zweiten Schichten abgeschieden ist. Über der Schichtenfolge ist ein Stapel aus einer ersten Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrodenschicht aufgebracht. Alle Schichten zusammen bilden eine BAW-Resonator nach dem SMR-Typ, wobei die Schichtenfolge als akustischer Bragg-Spiegel dient.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind alle ersten Schichten der Schichtenfolge halbleitend oder dielektrisch eingestellt. Darüber hinaus kann die Schichtenfolge vorteilhaft großflächig auf dem Substrat und lateral unstrukturiert abgeschieden werden. Großflächig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Grundfläche der Schichtenfolge größer ist, als für ein einzelnes Bauelement erforderlich ist. Vielmehr kann eine unstrukturierte Schichtenfolge als gemeinsamer Bragg-Spiegel für eine Vielzahl auf dem gleichen Substrat abgeschiedener Resonatoren dienen. Die Schichtenfolge kann daher als Bragg-Spiegel für eine Reihe von mikro-akustischen Bauelementen dienen, die insbesondere zu einem Filter verschaltet sind.
• Durch die Verwendung ausschließlich dielektrischer oder halbleitender Schichten in der Schichtenfolge ist es möglich, diese lateral unstrukturiert unterhalb der genannten Verschaltung von mikro-akustischen Bauelementen zu belassen, ohne dass eine elektromagnetische Kopplung benachbarter mikro-akustischer Bauelemente zu befürchten ist. Die Verwendung eines großflächigen Bragg-Spiegels unterhalb einer Verschaltung mehrerer mikro-akustischer Einzelresonatoren hat weiterhin den Vorteil, dass der gesamte Strukturierungsaufwand für den Bragg-Spiegel entfällt, sodass das Bauelement kostengünstig hergestellt werden kann.
• Eine unstrukturierte Spiegelschicht, die großflächig unter einer Mehrzahl mikro-akustischer Resonatoren angeordnet ist, hat weiterhin den Vorteil, dass zur Erzeugung der Resonatoren eine große plane Oberfläche zur Verfügung steht, auf der sich die Resonatoren einfacher und mit höherer Qualität aufwachsen lassen, da die Schichtenfolge keine Strukturen und nur plane Schichten aufweist.
• Selbst wenn einzelne Schichten einer Verschaltung mehrerer mikro-akustischer Resonatoren eine Strukturierung der einzelnen Schichten erfordert, so ist doch insgesamt die Anzahl der Strukturierungsschritte stark reduziert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Schichtenfolge 2,5 bis vier Schichtenpaare aus je einer ersten und einer zweiten Schicht auf. Dies bedeutet also fünf bis acht einzelne Schichten. Die oberste Schicht der Schichtenfolge ist vorteilhaft eine zweite Schicht, die eine niedrige akustische Impedanz aufweist und so einen weiteren hohen Impedanzsprung zur ersten Elektrodenschicht hin ermöglicht, welche vorzugsweise Wolfram umfasst. Als piezoelektrische Schicht kann dann Aluminiumnitrid AlN eingesetzt werden.
• Ein Bragg-Spiegel weist ein frequenzabhängiges Reflexionsverhalten auf. Eine bestimmte Frequenz wird maximal reflektiert, wenn alle Schichten der Schichtenfolge jeweils eine Schichtdicke aufweisen, die einer viertel Wellenlänge der genannten Frequenz entspricht. Als Maß wird dabei die Wellenlänge derjenigen akustischen Welle genommen, die sich innerhalb des Materials der Schicht ausbreitet. In Längeneinheiten umgerechnet ist eine viertel Wellenlänge für unterschiedliche Materialien unterschiedlich dick. Für die genannten ersten und zweiten Schichten ergibt sich dabei ein Schichtdickenverhältnis von ca. 1:2, was außerdem jedoch von der kristallinen Modifikation der beiden jeweiligen Schichtmaterialien abhängig ist.
• Vorteilhaft kann es auch sein, für einen Teil von ersten und zweiten Schichten etwas von einer Schichtdicke abzuweichen, die exakt einer viertel Wellenlänge entspricht, um ein breiteres Reflexionsverhalten zu erhalten. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn sich in einer Verschaltung unterschiedlicher Resonatoren die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Resonatoren unterscheiden, sodass der Bragg-Spiegel für unterschiedliche Resonanzfrequenzen der miteinander verschalteten mikro-akustischen Resonatoren ein ausreichend gutes Reflexionsverhalten zeigt.
• Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schichtenfolge können alle ersten und zweiten Schichten in ein und demselben CVD-Reaktor nachfolgend oder bzw. alternierend auf einem Substrat abgeschieden werden. Für das CVD-Verfahren werden gasförmige Precursor eingesetzt, die zur Herstellung der ersten Schichten zumindest Silizium und Kohlenstoff enthalten. Es können Verbindungen eingesetzt werden, die beides enthalten, oder es können unterschiedliche Verbindungen eingesetzt werden, die entweder Silizium oder Kohlenstoff enthalten. Die Abscheidung gelingt dann bei einer ausreichend hohen Oberflächentemperatur auf dem Substrat, während im CVD-Reaktor vorteilhaft ein niedriger Druck eingestellt wird. Mit Si und C enthaltenden Precursorn können erste Schichten aus Siliziumcarbid abgeschieden werden.
• Zur Herstellung der zweiten Schichten wird zusätzlich Sauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Verbindung in den CVD-Reaktor eingeleitet, während die silizium- und kohlenstoffhaltigen Precursor weiterhin der Reaktorkammer zugeführt werden. Während beim Übergang vom Abscheiden einer ersten Schicht zur Abscheidung einer zweiten Schicht die Sauerstoffzufuhr geöffnet wird, so wird sie beim Übergang von einer zweiten Schicht zu einer ersten Schicht wieder geschlossen bzw. das Einleiten Sauerstoff haltiger Precursor gestoppt. Für einen Bragg-Spiegel können so insgesamt fünf bis acht erste und zweite Schichten alternierend übereinander abgeschieden werden.
• Zur Erzeugung eines frequenzselektiven Bragg-Spiegels ist eine Schichtdickenkontrolle während der Abscheidung jeder einzelnen aus ersten und zweiten Schichten erforderlich. Eine gute Schichtdickenkontrolle gelingt mit einer niedrigen Abscheiderate. Die Abscheidegeschwindigkeit kann dabei über höheren Gasdruck, höhere Temperatur und stärkeren Gasfluss erhöht und somit eingestellt werden. Vorteilhaft kann es sein, die Abscheidegeschwindigkeit beim Übergang von der Abscheidung einer ersten Schicht zur Abscheidung einer zweiten Schicht zu reduzieren.
• In Abhängigkeit von den Aufwachsbedingungen kann auch die Modifikation der aufwachsenden Schichten eingestellt werden. Siliziumcarbid lässt sich beispielsweise gut polykristallin abscheiden. Unter besser kontrollierten Bedingungen lassen sich sogar epitaktische Siliziumcarbidschichten erzeugen. Zur Verwendung als erste Schicht in einem Bragg-Spiegel ist aber eine polykristalline Siliziumcarbidschicht völlig ausreichend.
• Erste Schichten aus Siliziumcarbid können mit unterschiedlichen Precursorn in einer üblicherweise Wasserstoff haltigen Atmosphäre abgeschieden werden. Geeignet sind beispielsweise Silan SiH₄ gemischt mit Methan CH₄. Geeignet sind auch Alkylsilane und Alkylchlorsilane, beispielsweise Methytrichlorsilan oder Trimethylsilan, welches unter Prozessbedingungen gasförmig vorliegt. Es können auch höhere Alkylsilane oder Silane mit mehr oder weniger Alkylresten eingesetzt werden. Kohlenwasserstoffe können in Verbindung mit Silanen oder Disilan eingesetzt werden, z.B. SiH₄/C₃H₈.
• Als weiterer Precursor bzw. als sauerstoffhaltige Komponente, die im CVD-Reaktor zum Erzeugen der zweiten Schicht eingesetzt wird, kann neben Sauerstoff insbesondere Distickstoffmonoxid N₂O, Stickstoffmonoxid NO, Ozon O₃ oder auch nur Umgebungsluft dienen.
• Möglich ist es auch, im CVD-Reaktor beim Übergang von der ersten zur zweiten Schicht nicht nur eine zusätzliche Komponente zuzuführen, sondern auch die silizium- oder kohlenstoffhaltige Quelle zu ändern. Möglich ist es beispielsweise auch, ein Alkylsiloxan als gleichzeitig Si und O haltigen Precursor einzusetzen, gegebenenfalls im Kombiation mit weiteren C und O haltigen Precursor-Gasen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass einzelne Teile vergrößert dargestellt sein können und den Figuren keine absoluten oder relativen Größenangaben zu entnehmen sind.
• 1 zeigt eine auf einem Substrat aufgebrachte Schichtenfolge,
• 2 zeigt ein mikro-akustisches Bauelement,
• 3 zeigt ein mikro-akustisches Bauelement mit zwei verschalteten Resonatoren,
• 4 zeigt ein mikro-akustisches Bauelement mit zwei Resonatoren, die in anderer Weise verschaltet sind,
• 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Herstellungsverfahrens der Schichtenfolge und des mikro-akustischen Bauelements,
• 6 zeigt eine an sich bekannte Verschaltung von mikro-akustischen Resonatoren zu einem Filter.
• 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schichtenfolge SF, die herstellungsbedingt auf der Oberfläche eines Substrats SU aufgebracht ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Schichtenfolge SF zwei erste Schichten SC1, SC2, die alternierend mit zwei zweiten Schichten SOC1, SOC2 die Schichtenfolge SF bilden. Je nach gewünschter Anwendung können die Schichtdicken aller ersten Schichten SC und die Schichtdicken aller zweiten Schichten SOC jeweils gleich sein. Möglich ist es auch, in der Schichtenfolge SF innerhalb der Gruppe der ersten Schichten und/oder innerhalb der Gruppe der zweiten Schichten unterschiedliche Schichtdicken einzusetzen.
• Das Substrat SU kann ein beliebiger Träger sein, der der thermischen Belastung durch den Schichtabscheideprozess gewachsen ist. Vorzugsweise ist das Substrat elektrisch isolierend und weist einen geringen oder einen der Schichtenfolge angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Gut geeignet sind keramische oder kristalline Substrate, sowie außerdem Substrate aus Glas oder Halbleitermaterial.
• 2 zeigt eine Anwendung der Schichtenfolge für ein erfindungsgemäßes mikro-akustisches Bauelement. Das mikro-akustische Bauelement weist wiederum auf einem Substrat SU eine wie in 1 dargestellte Schichtenfolge SF auf, die allerdings als Bragg-Spiegel BS ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Bragg-Spiegel BS fünf Schichten auf, wobei alternierend erste und zweite Schichten übereinander angeordnet sind. Als unterste und oberste Schicht ist jeweils eine zweite siliziumoxicarbidschicht SOC vorgesehen, die eine Schicht niedriger akustischer Impedanz darstellt. Zwischen jeweils zwei siliziumoxicarbidhaltigen zweiten Schichten SOC ist jeweils eine Siliziumcarbid umfassende erste Schicht SC1, SC2 angeordnet.
• Direkt über dem Bragg-Spiegel BS ist ein mikro-akustischer Resonator AR aufgebracht, der eine erste Elektrodenschicht ES1 aus einem schweren Metall, vorzugsweise Wolfram, eine piezoelektrische Schicht PS, beispielsweise eine Aluminiumnitridschicht, und eine zweite Elektrodenschicht ES2 aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie beispielsweise Aluminium umfasst. Der akustische Resonator AR weist eine Mittenfrequenz entsprechend seiner Resonanzfrequenz auf, die im Wesentlichen von der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht PS abhängig ist. In Abhängigkeit von dieser Resonanzfrequenz sind die ersten und zweiten Schichten des Bragg-Spiegels BS mit einer Schichtdicke von jeweils ca. ¼ Wellenlänge bei der genannten Resonanzfrequenz ausgebildet.
• Wird nun zwischen den beiden Elektrodenschichten ES1, ES2 ein elektrisches Wechselsignal, beispielsweise bei einer HF-Frequenz, angelegt, so vermag der akustische Resonator AR bei seiner schichtdickenabhängigen Eigenfrequenz in Resonanz zu gehen,wbei eine Volumenschwingung angeregt wird. Üblicherweise wird als Hauptmode eine Longitudinalwelle erzeugt, die parallel zur Normalen, also vertikal den Schichtebenen des mikro-akustischen Resonators AR auslenkt und schwingt. Akustische Wellen, die sich in Richtung Substrat ausbreiten könnten, werden vom Bragg-Spiegel BS in den Resonator zurückreflektiert.
• 3 zeigt ein weiteres mikro-akustisches Bauelement gemäß der Erfindung, bei dem zwei Stapel, die jeweils einen akustischen Resonator AR1 und AR2 bilden, nebeneinander auf einem Bragg-Spiegel angeordnet und miteinander verschaltet sind. Bei einem Bauelement mit mehreren akustischen Resonatoren kann erfindungsgemäß ein durchgängiger Bragg-Spiegel BS aus elektrisch isolierenden ersten und zweiten Schichten verwendet werden. In der Figur ist auf die Darstellung der ersten und zweiten Schichten verzichtet.
• Für zwei miteinander verschaltete akustische Resonatoren AR1, AR2 kann direkt über dem Bragg-Spiegel BS eine durchgehende erste Elektrodenschicht ES1 aufgebracht werden. Darüber ist eine piezoelektrische Schicht PS aufgebracht, die unstrukturiert bleiben kann oder die in die einzelnen Resonatoren strukturiert ist.
• Über der piezoelektrischen Schicht PS ist die zweite Elektrodenschicht ES2 aufgebracht und in zwei einzelne Elektrodenabschnitte für den ersten und zweiten akustischen Resonator strukturiert.
• Der erste akustische Resonator AR1 umfasst dann den Überlappungsbereich aus der zweiten Elektrodenschicht ES2 des ersten Resonators mit der piezoelektrischen Schicht PS und der ersten Elektrodenschicht ES1. Entsprechend umfasst der zweite akustische Resonator AR2 den Volumenbereich, in dem die Fläche der zweiten Elektrodenschicht ES2', die dem zweiten Resonator AR2 zugeordnet ist, mit der piezoelektrischen Schicht PS und der ersten Elektrodenschicht ES1 überlappt. Über die durchgehende erste Elektrodenschicht ES1 sind die beiden Resonatoren elektrisch in Serie geschaltet.
• Ein elektrischer Anschluss kann dann über die beiden Teilflächen der zweiten Elektrodenschicht ES2, ES2' erfolgen.
• 4 zeigt eine alternative Verschaltung zweier akustischer Resonatoren AR1 und AR2, bei denen bereits die erste Elektrodenschicht ES1 in die entsprechenden Elektrodenflächen ES1 und ES1'strukturiert ist, die jeweils einem der beiden Resonatoren zugeordnet sind. Die darüber aufgebrachte piezoelektrische Schicht PS kann durchgehend über beide Teilflächen der ersten Elektrodenschicht ES1 aufgebracht werden. Ebenfalls durchgehend kann über der piezoelektrischen Schicht PS die zweite Elektrodenschicht ES2 aufgebracht werden. Auch auf diese Weise sind die beiden akustischen Resonatoren AR1, AR2 elektrisch miteinander in Serie geschaltet.
• Die Kontaktierung dieser Serienverschaltung erfolgt dann über die Teilflächen ES1, ES1' der ersten Elektrodenschicht ES1. Möglich ist es jedoch auch, zusätzlich die zweite Elektrodenschicht ES2 zu kontaktieren, wobei dann beide Resonatoren alternativ auch elektrisch parallel geschaltet werden können.
• Zur Kontaktierung der unten liegenden ersten Elektrodenschicht ES1 bzw. der entsprechenden Teilflächen der ersten Elektrodenschicht ES1 können vorteilhaft im Anschlussbereich die darüber liegenden Schichtbereiche entfernt werden, um einen elektrischen Anschluss der ersten Elektrodenschicht ES1 von oben zu ermöglichen.
• 5 zeigt ein Ablaufdiagramm mit sieben Verfahrensstufen, mit denen ein mikro-akustisches Bauelement samt Schichtenfolge hergestellt werden kann.
• Auf der Verfahrensstufe 1 wird auf einem Substrat eine zweite, Siliziumoxicarbid umfassende Schicht aufgebracht. Dazu wird ein CVD-Reaktor verwendet, welcher eine reine CVD-Abscheidung oder eine plasmaunterstützte CVD-Abscheidung, auch PECVD genannt, ermöglicht. Das Substrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, wird in die Reaktorkammer eingebracht. Die Reaktorkammer wird evakuiert und das Substrat auf eine geeignete Abscheidetemperatur erhitzt. Bei PECVD Abscheidung genügen beispielsweise ca. 400 °C, während ein CVD-Verfahren 600 bis 800 °C erfordert. Anschließend wird ein Gasfluss der Precursor-Gase eingestellt, wobei beispielsweise Silan SiH₄ und Methan CH₄ eingesetzt werden können. Der Gasfluss wird so eingestellt, dass ein niedriger Gasdruck aufrechterhalten werden kann, im Ausführungsbeispiel ca. 1 - 10 torr.
• Die erste Schicht wird so dick aufgewachsen, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, die im Fall des mikro-akustischen Bauelements einer viertel Wellenlänge entspricht.
• Auf der Verfahrensstufe 2 wird nun zusätzlich zu den Precursor-Gasen für die erste Schicht Sauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Verbindung in die Reaktorkammer eingeleitet. Dies führt dazu, dass das aufwachsende Siliziumcarbid oxidiert und im Ergebnis eine Siliziumoxicarbidschicht aufwächst. Zum Aufwachsen dieser Schicht ist es möglich, die Abscheidebedingungen wie Druck und Temperatur und/oder Gasfluss so zu optimieren, dass eine Siliziumoxicarbidschicht mit hoher Schichtgleichmäßigkeit und annähernd stöchiometrischer Zusammensetzung aufwachsen kann.
• Weist der Braggspiegel nach diesen beiden ersten Verfahrensstufen eine ausreichende Reflexion durch die bereits abgeschiedenen Spiegelschichten (erste Schicht und zweite Schicht) auf, so wird mit der dritten Verfahrensstufe begonnen.
• Abweichend von dieser Reihenfolge von Verfahrenssschritten kann in einer ersten vorgeschalteten Stufe eine Siliziumoxicarbid umfassende zweite Schicht als unterste Schicht auf dem Substrat aufgebracht werden. Anschließend wird mit Verfahrensstufe 1 und anschließend mit den Stufen 2 bis 7, wie in 7 dargestellt, weiterverfahren.
• Ist die Reflexion mit den bereits abgeschiedenen Spiegelschichten noch zu niedrig, wird erneut mit der Verfahrensstufe 1 begonnen. Zusammen mit der zweiten Verfahrensstufe wird so ein weiteres Paar von Spiegelschichten abgeschieden und gegebenenfalls ein drittes Paar, bis die erforderliche oder gewünschte Reflexion des Bragg-Spiegels erreicht ist.
• Ist dies der Fall, wird in Verfahrensstufe 4 mit dem Abscheiden der ersten Elektrodenschicht begonnen. Dies kann eine CVD-Abscheidung einer Wolframschicht oder Sputtern einer Wolframschicht umfassen, wobei die erste Elektrodenschicht vorteilhaft ebenfalls als λ/4-Schicht erzeugt wird.
• Zur Verbesserung der Leitfähigkeit kann die erste Elektrodenschicht ES1 durch eine weitere Teilschicht eines elektrisch besser leitenden Materials wie beispielsweise Aluminium oder Al(Cu) verstärkt werden. Diese wird dann vorzugsweise auf der der Piezoschicht abgewandten Seite der jeweiligen Elektrodenschicht vorgesehen, was auch für die spätere zweite Elektrodenschicht gilt.
• Nach Fertigstellung der ersten Elektrodenschicht ES1 wird diese strukturiert, um entsprechend dem gewünschten Design des mikro-akustischen Bauelements eine Verschaltung mehrerer Resonatoren über gemeinsame Elektrodenflächen für die erste Elektrodenschicht zu ermöglichen. Dazu werden einzelne Elektrodenflächen definiert, ebenso die Verbindungen zwischen benachbarten oder zu verschaltenden Resonatoren.
• In der Verfahrensstufe 5 wird ganzflächig eine piezoelektrische Schicht abgeschieden, was ebenfalls mittels CVD oder durch Sputtern nach an sich bekannten Methoden erfolgen kann. Die piezoelektrische schicht bedarf keiner Strukturierung. In Randbereichen des Substrats kann zum Aufbringen weiterer Bauelementkomponenten oder zur Herstellung von Vias die Substratoberfläche, die oberste Spiegelschicht oder die erste Elektrodenschicht freigelegt werden. Möglich ist es auch, so eine laterale Energiebarriere zu schaffen.
• In der Verfahrensstufe 6 wird die zweite Elektrodenschicht aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern eines gut leitfähigen Metalls wie beispielsweise Aluminium.
• Nach dem Aufbringen der zweiten Elektrodenschicht wird auch diese strukturiert, um die oberen Elektroden der einzelnen akustischen Resonatoren zu definieren und eine Verschaltung mit benachbarten Resonatoren zu ermöglichen. Dazu kann eine Lift-Off Technik eingesetzt werden.
• In der Verfahrensstufe 7 wird der Resonator durch Aufbringen weiterer isolierender Schichten fertiggestellt. Insbesondere werden Trimmschichten auf solchen Resonatoren aufgebracht, deren Resonanzfrequenz noch anzupassen ist.
• Alternativ gelingt die Frequenzanpaasung einzelner Resonatoren durch Einführung weiterer Schichten in den Stapel und durch entsprechende Strukturierung dieser weiteren Schichten.
• Mit Hilfe der Trimmschicht gelingt es, für serielle und parallele Resonatoren in einer Ladder-Type-Verschaltung unterschiedliche Resonanzfrequenzen einzustellen.
• 6 zeigt beispielhaft eine an sich bekannte Ladder-Type-Struktur, bei der in einer Signalleitung zwischen einem Signaleingang SE und einem Signalausgang SA serielle akustische Resonatoren SR in Serie geschaltet sind. Von Schaltungsknoten vor, nach oder zwischen den mikro-akustischen Resonatoren zweigen Parallelzweige PZ gegen Masse ab, in denen jeweils zumindest ein Parallelresonator PR angeordnet ist. In den Parallelzweigen PZ können auch Serienverschaltungen aus mehreren akustischen Resonatoren PR angeordnet werden. Auch die Serienresonatoren SR können eine Serienverschaltung mehrerer einzelner Resonatoren umfassen.
• Die dargestellte Ladder-Type-Struktur umfasst drei Serienresonatoren SR1, SR2, SR3 und drei Parallelzweige PZ1, PZ2, PZ3, in denen jeweils ein Parallelresonator PR1, PR2, PR3 angeordnet ist. Zur Verbesserung der Selektivität des Ladder-Type-Filters kann die Struktur um weitere serielle oder parallele Resonatoren ergänzt werden. Möglich ist es auch, ein Ladder-Type-Filter mit weniger als den dargestellten sechs Resonatoren zu realisieren.
• In einem erfindungsgemäßen mikro-akustischen Bauelement sind sämtliche Resonatoren auf dem gleichen Substrat erzeugt und verwenden den gleichen Bragg-Spiegel BS. Möglich ist jedoch auch, zwischen den Resonatoren Variationen in der Schichtenfolge des Braggspiegels vorzunehmen, um dort eine Frequenzverschiebung z.B. zur Unterdrückung unerwünschter Moden zu erreichen. Derartige Variationen lassen sich durch Einstellen leicht unterschiedlicher Schichtdicken einzelner oder mehrerer Schichten realisieren.
• Aufgrund der niedrigen Restleitfähigkeit insbesondere der Siliziumcarbidschicht, was durch Dotierung erreicht werden kann, treten keine störenden Verkopplungen benachbarter Resonatoren auf. Ebenfalls kann die Ausbildung von Kanälen ähnlich wie bei einem MOS-Transistor verhindert werden.
• Da die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert und ist daher nicht auf diese beschränkt. Insbesondere können die Abscheidebedingungen, die Precursor für erste und zweite Schichten und die Zusammensetzung der anderen Schichten und Strukturen des mikro-akustischen Resonators von den dargestellten Verfahren und Ausführungsbeispielen abweichen. Da die entsprechenden einzelnen Verfahrensstufen für sich jeweils aus dem Stand der Technik bekannt sind, brauchen diese auch nicht weiter erläutert zu werden. Die Erfindung besteht in der Grundidee aus der Abfolge von Siliziumcarbidschichten und Siliziumoxicarbidschichten, deren akustische Impedanzen einen starken Unterschied aufweisen und daher vorteilhaft in Bragg-Spiegeln für mikro-akustische Resonatoren eingesetzt werden können.
• Bezugszeichenliste

AR

BAW Resonator

AR1, AR2

Einzelresonatoren

BS

akustischer Bragg Spiegel

ES1

erste Elektrodenschicht

ES2

zweite Elektrodenschicht

IS

Isolation

PR

Parallelresonator

PS

piezoelektrische Schicht

PZ

Parallelzweig

SA

Signalausgang

SC

erste Schichten SiC_1-xH_x

SE

Signaleingang

SF

Schichtenfolge

SOC

zweite Schichten SiOC(H)

SR

Serienresonator

SU

Substrat

λ

akustische Wellengeschwindigkeit

Claims (9)

1. Schichtenfolge, umfassend erste und zweite Schichten, die alternierend übereinander abgeschieden sind, wobei die ersten Schichten SiC_1-xH_x umfassen die zweiten Schichten SiOC(H) umfassen.
2. Schichtenfolge nach Anspruch 1, bei dem alle Schichten halbleitend oder dielektrisch eingestellt sind.
3. Schichtenfolge nach Anspruch 2, bei dem alle ersten Schichten durch Dotierung halbleitend dielektrisch eingestellt sind, wobei die Dotierung eine p-Dotierung mit Be, B, Al oder Ga oder eine n-Dotierung mit N oder P.
4. Mikro-akustisches Bauelement, umfassend ein Substrat mit einer planen Hauptoberfläche, auf der die folgenden Schichten nach- und übereinander abgeschieden sind und einen Schichtenstapel bilden - eine Schichtenfolge nach einem der vorangehenden Ansprüche, - eine erste Elektrodenschicht - eine piezoelektrische Schicht - eine zweite Elektrodenschicht wobei alle Schichten zusammen einen BAW Resonator ausbilden, in dem die Schichtenfolge als akustischer Bragg Spiegel dient.
5. Mikro-akustisches Bauelement nach dem vorangehenden Anspruch, - bei dem insbesondere die ersten Schichten halbleitend oder dielektrisch eingestellt sind, - bei dem die Schichtenfolge auf dem Substrat großflächig und lateral unstrukturiert abgeschieden ist - bei dem die erste Elektrodenschicht, die piezoelektrische Schicht und die zweite Elektrodenschicht zu einer Mehrzahl miteinander verschalteter Einzelresonatoren strukturiert sind, die alle auf der gleichen großflächigen Schichtenfolge angeordnet sind.
6. Mikro-akustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Schichtenfolge 2,5 bis 4 Schichtenpaare aus je einer ersten und einer zweiten Schicht aufweist bei dem die oberste Schicht der Schichtenfolge eine zweite Schicht ist, bei dem die erste Elektrodenschicht Wolfram umfasst bei der die piezoelektrische Schicht AlN umfasst.
7. Mikro-akustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Schichtdicken der Schichten in der Schichtenfolge in Abhängigkeit von der akustischen Wellengeschwindigkeit quer zur Oberfläche der jeweiligen Schicht und von der Mittenfrequenz des mikro-akustischen Bauelements so eingestellt sind, dass die Schichtdicke einer Viertelwellenlänge entspricht.
8. Verfahren zur Herstellung einer Schichtenfolge nach Anspruch 1, bei dem die Schichten der Schichtenfolge alle in ein und demselben CVD Reaktor auf einem Substrat abgeschieden werden, bei dem zur Abscheidung der ersten Schicht gasförmige Precursoren für SiC in den CVD Reaktor eingeleitet werden bei dem zur Herstellung der zweiten Schichten zusätzlich Sauerstoff in die CVD Reaktor eingeleitet wird, bei dem zum Abscheiden der jeweils nächsten unterschiedlichen Schicht der Schichtenfolge die Sauerstoffzufuhr entweder zu- oder weg geschaltet wird, bei dem insgesamt 5 bis 8 erste und zweite Schichten alternierend abgeschieden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem während der Abscheidung einer jeden Schicht die Schichtdicke kontrolliert wird.

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