DE10207324B4 - Verfahren zum Herstellen akustischer Dünnfilmvolumenresonatoren (FBARs) mit unterschiedlichen Frequenzen auf dem gleichen Substrat durch ein Substraktionsverfahren und Vorrichtung, die das Verfahren beinhaltet - Google Patents
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Abstract
Erzeugen einer unteren Elektrodenschicht (72) auf dem Substrat (71);
Erzeugen einer piezoelektrischen (PZ-) Schicht (74) über der unteren Elektrodenschicht (72);
Erzeugen einer oberen Elektrodenschicht (76) über der PZ-Schicht (74), wobei die obere Elektrodenschicht eine erste Dicke aufweist;
teilweises Ätzen eines ausgewählten Bereichs (79) der oberen Elektrodenschicht (76), so daß die obere Elektrodenschicht an dem ausgewählten Bereich eine zweite Dicke aufweist; und
nach dem teilweisen Ätzen des ausgewählten Bereichs (79), Strukturieren der oberen Elektrodenschicht (76), um die Mehrzahl von Resonatoren derart zu bilden, dass ein erster Resonator (80), der eine erste obere Elektrode mit der ersten Dicke aufweist, und ein zweiter Resonators (90), der eine zweite obere Elektrode mit der zweiten Dicke aufweist, erzeugt wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische Resonatoren und insbesondere auf Resonatoren, die als Filter für elektronische Schaltungen verwendet werden können.
- Der Bedarf, die Kosten und die Größe von elektronischer Ausrüstung zu senken, hat zu einem fortdauernden Bedarf nach immer kleineren Filterelementen geführt. Unterhaltungselektronik, wie z. B. Mobiltelefone und Miniaturradios, bringen starke Einschränkungen sowohl bezüglich der Größe als auch der Kosten der Komponenten, die in denselben enthalten sind, mit sich. Viele derartige Vorrichtungen verwenden Filter, die auf genaue Frequenzen abgestimmt werden müssen. So besteht eine fortdauernde Bemühung, billige kompakte Filtereinheiten zu schaffen.
- Eine Klasse von Filtern, die das Potential aufweisen, diesen Bedarfen zu entsprechen, ist aus akustischen Dünnfilmvolumenresonatoren (FBARs) aufgebaut. Diese Vorrichtungen verwenden longitudinale akustische Volumenwellen in einem piezoelektrischen (PZ-) Dünnfilmmaterial. Bei einer einfachen Konfiguration ist eine Schicht aus einem PZ-Material zwischen zwei Metallelektroden angeordnet. Die Struktur ist vorzugsweise durch eine Stützstruktur in der Luft aufgehängt. Wenn ein elektrisches Feld zwischen den Metallelektroden angelegt wird, wandelt das PZ-Material einen Teil der elektrischen Energie in mechanische Energie in der Form mechanischer Wellen um. Die mechanischen Wellen breiten sich in der gleichen Richtung aus wie das elektrische Feld und werden von der Elektrode/Luft-Grenzfläche abreflektiert.
- Bei einer Resonanzfrequenz zeigt sich die Vorrichtung als ein elektronischer Resonator. Wenn zwei oder mehr Resonatoren (mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen) elektrisch miteinander verbunden sind, wirkt das Ganze als ein Filter. Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, für die die halbe Wellenlänge der mechanischen Wellen, die sich in der Vorrichtung ausbreiten, für eine gegebene Phasengeschwindigkeit der mechanischen Welle in dem Material gleich der Gesamtdicke der Vorrichtung ist. Da die Geschwindigkeit der mechanischen Welle vier Größenordnungen kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit, kann der resultierende Resonator recht kompakt sein. Resonatoren für Anwendungen in dem GHz-Bereich können mit physischen Abmessungen in dem Bereich einer Breitenabmessung von weniger als 100 μm und einer Dicke von wenigen Mikrometern aufgebaut sein.
- Beim Entwerfen und Bauen von Miniaturfiltern zur Mikrowellenfrequenzverwendung ist es oft notwendig, Resonatoren (z. B. FBARs) zu liefern, die leicht unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, die üblicherweise ein paar Prozent auseinanderliegen. Üblicherweise reichen zwei verschiedene Frequenzen aus. Allgemeinere Filterentwürfe können unter Umständen jedoch drei oder mehr Resonatoren erforderlich machen, die jeweils verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Ein fortdauerndes Problem dieser Filter besteht darin, die Resonanzfrequenzen der Resonatoren genau zu versetzen und es gleichzeitig zu ermöglichen, daß die Resonatoren auf einem einzelnen Wafer oder Substrat hergestellt werden.
- Es ist bekannt, daß die Frequenz des Resonators umgekehrt bzw. invers von der Dicke des Resonators abhängt. Um mehrere Resonatoren, die versetzte Frequenzen aufweisen, auf einem einzelnen Substrat zu erzeugen, ist eine mögliche Technik der Massenbelastung der oberen Metallelektrode in dem
U.S.-Patent Nr. 5,894,647 , erteilt an Lakin am 20. April 1999, offenbart. Es bleibt jedoch ein Bedarf nach alternativen Techniken zum Schaffen einzelner Resonatoren, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, auf dem gleichen Substrat. - Die
EP 0973256 A1 zeigt ein piezoelektrisches Dünnfilmelement, welches ein Substrat umfasst, auf dem eine untere Elektrode gebildet ist. Ein piezoelektrischer Film ist auf der unteren Elektrode gebildet, und eine erste obere Elektrode ist auf dem piezoelektrischen Film angeordnet. Ferner ist eine zweite obere Elektrode auf der ersten oberen Elektrode angeordnet, die dazu führt, dass in einem Randbereich der oberen Elektrode bzw. um die obere Elektrode herum ein Bereich höherer Massenbelastung vorherrscht. Die obere Elektrode kann hergestellt werden, indem zunächst die erste Elektrode mit einer vorbestimmten Dicke erzeugt wird und dann durch Ätzen ein innerer Teil der oberen Elektrode entfernt wird, um so die erste und die zweite obere Elektrode zu bilden. - Die
US-A-2,859,346 beschreibt einen Kristalloszillator, bei dem ein Kristall eine konstante Dicke sowie zwei Bodenelektroden aufweist, die voneinander beabstandet sind. Ferner ist ein Paar von Elektroden auf einer oberen Oberfläche des Kristalls angeordnet, wobei die Elektroden unterschiedliche Dicken aufweisen, wodurch bewirkt wird, dass die zwei Hälften des Kristalloszillators bei unterschiedlichen Frequenzen vibrieren. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von Resonatoren auf einem Substrat zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die lediglich beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellt, in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
2 eine vereinfachte Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
3A und3B vereinfachte Querschnittsseitenansichten einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
4 eine vereinfachte Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
5A und5B eine vereinfachte Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und -
6A und6B vereinfachte Querschnittsseitenansichten einer Vorrichtung, die Resonatoren umfaßt, gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. - Wie in den Zeichnungen zu Darstellungszwecken gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung in Techniken zum Erzeugen von Resonatoren auf einem einzelnen Substrat ausgeführt, wobei dieselben jedoch unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
- Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenbelastung einer piezoelektrischen Schicht
- Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung offenbart, die einen ersten Resonator und einen zweiten Resonator auf einem Substrat aufweist. Der erste Resonator weist zwei Elektroden und eine erste piezoelektrische (PZ-) Schicht, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist, auf. Der zweite Resonator weist zwei Elektroden und eine zweite PZ-Schicht, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist, auf. Die erste PZ-Schicht umfaßt eine PZ-Kernschicht und eine zusätzliche PZ-Schicht, wohingegen die zweite PZ-Schicht nur die PZ-Kernschicht umfaßt. So ist die erste PZ-Schicht dicker als die zweite PZ-Schicht, womit der erste Resonator eine Resonanzfrequenz aufweist, die niedriger ist als die des zweiten Resonators.
- Bezug nehmend auf
1 ist eine Vorrichtung10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung10 weist einen ersten Resonator20 und einen zweiten Resonator30 auf, die auf einem Substrat12 hergestellt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat12 ein Siliziumsubstrat. Die Resonatoren20 und30 sind akustische Resonatoren, die mechanische Wellen verwenden. Aus diesem Grund ist jeder der dargestellten Resonatoren20 und30 über einem Hohlraum21 bzw.31 hergestellt. DasU.S.-Patent Nr. 6,060,818 , erteilt an Ruby u. a. am 9. Mai 2000, stellt z. B. dieses Verfahren dar und umfaßt andere Details, die hier bei der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. - In diesem Unterabschnitt des detaillierten Teils der Beschreibung des vorliegenden Dokuments und in anderen folgenden Unterabschnitten werden die Bezeichnungen „erster" und „zweiter” verwendet, um zweckmäßig zwischen unterschiedlichen Vorkommen ähnlicher Vorrichtungen oder Teile von Vorrichtungen zu unterscheiden, wobei dieselben im Zusammenhang des bestimmten Unterabschnitts, in dem diese Bezeichnungen verwendet werden, anwendbar sind. Materialien, Verfahren und allgemeine und relative Abmessungen und Positionen verschiedener Teile von Vorrichtungen, die in den Unterabschnitten erläutert werden, können jedoch auf das gesamte Dokument angewendet werden, auch wenn dieselben in einem Unterabschnitt besprochen werden.
- Der erste Resonator
20 ist über einem Hohlraum21 („ersten Hohlraum") hergestellt, überspannt denselben und umfaßt eine untere Elektrode22 („erste untere Elektrode"), eine obere Elektrode26 („erste obere Elektrode") und ein PZ-Material, das zwischen der ersten unteren Elektrode22 und der ersten oberen Elektrode26 angeordnet ist. Das PZ-Material umfaßt einen Teil24 („ersten Teil") einer PZ-Schicht14 („PZ-Kernschicht”) und eine zusätzliche PZ-Schicht25 über dem ersten Teil24 . Der erste Teil24 ist ein Teil der PZ-Schicht 14 im allgemeinen über der ersten unteren Elektrode22 . Das Bezugszeichen24 zeigt den allgemeinen Bereich des ersten Teils24 der PZ-Schicht14 an. - Die PZ-Schicht
14 , die zusätzliche PZ-Schicht oder beide können unter Verwendung von Aluminiumnitrid (AlN) oder jedem geeigneten piezoelektrischen Material hergestellt sein. Die Elektroden, wie z. B. die erste untere Elektrode22 , können Molybdän sein. Wieder kann jeder geeignete Leiter verwendet werden, um die Elektroden herzustellen. - Der zweite Resonator
30 ist ebenfalls über einem Hohlraum31 („zweiten Hohlraum") hergestellt und umfaßt eine untere Elektrode32 („zweite untere Elektrode"), eine obere Elektrode36 („zweite obere Elektrode") und ein PZ-Material, das zwischen der zweiten unteren Elektrode32 und der zweiten oberen Elektrode36 angeordnet ist. Das PZ-Material umfaßt einen Teil34 („zweiten Teil") der PZ-Kernschicht14 . Der zweite Teil34 ist ein Teil der PZ-Kernschicht14 im allgemeinen über der zweiten unteren Elektrode32 . Das Bezugszeichen34 zeigt den allgemeinen Bereich des zweiten Teils34 der PZ-Kernschicht14 an. - Die Größe des ersten und des zweiten Resonators
20 und30 hängt von der erwünschten Resonanzfrequenz ab. Für einen Resonator z. B., der eine Resonanzfrequenz von 1.900 MHz aufweist, können die Abmessungen der Resonatoren20 und30 etwa 150 μm mal 200 μm und die Fläche etwa 30.000 μm2 sein. Bei dieser Frequenz und Größe sind die Elektroden22 und26 üblicherweise jeweils etwa 1.500 Å dick, wobei die PZ-Kernschicht14 etwa 21.000 Å dick ist. Um eine Resonanzfrequenz von etwa 3% weniger als 1.900 MHz zu erhalten, wird die Dicke des PZ-Materials um etwa 1.100 Å erhöht. Dies bedeutet, daß die Dicke der zusätzlichen PZ-Schicht etwa 1% bis 8% der PZ-Kernschicht14 sein kann. Dies ist durch den ersten Resonator30 dargestellt. Natürlich wären diese Abmessungen für ein unterschiedliches Material und eine unterschiedliche Resonanzfrequenz unterschiedlich. Bei einem Versuch, die vorliegende Erfindung klar darzustellen, sind verschiedene Teile der Vorrichtung10 aus1 nicht maßstabsgetreu bezüglich der anderen Teile der Vorrichtung10 dargestellt. Die Dicke der zusätzlichen PZ-Schicht25 kann verglichen mit der Dicke der PZ-Kernschicht14 einen weiten Bereich aufweisen, einschließlich ohne Einschränkungen einen Bereich von 2% bis 6% der PZ-Kernschicht. In der Praxis ist die Dicke der zusätzlichen PZ-Schicht25 wahrscheinlich eine Größenordnung kleiner als die Dicke der PZ-Kernschicht14 . - Bei dem dargestellten Beispiel wird die zusätzliche PZ-Schicht
25 nur für den ersten Resonator20 hergestellt. - Um die Vorrichtung
10 herzustellen, werden die Hohlräume21 und31 geätzt und mit einem bestimmten Glasmaterial gefüllt, das später gelöst oder anderweitig entfernt wird, um die Hohlräume zu erzeugen. Als nächstes werden die unteren Elektroden22 und32 hergestellt. Die unteren Elektroden22 und32 können unter Verwendung jeder bekannten Technik, wie z. B. Photolithographie, hergestellt werden. Dann wird die PZ-Kernschicht14 über den Elektroden22 und32 aufgebracht. Um die Resonatoren20 und30 herzustellen, die unterschiedliche Dicken des PZ-Materials aufweisen, können mehrere Schritte zur Bildung der PZ-Schichten erforderlich sein. Eine PZ-Kernschicht14 wird z. B. auf sowohl der ersten als auch der zweiten unteren Elektrode22 und32 aufgebracht. Dann wird eine dünne Schicht aus einem Opfermaterial (Maske), wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2), über der PZ-Kernschicht14 aufgebracht. Die Opferschicht ist in1 nicht gezeigt, kann jedoch etwa 200 Å dick sein. Die Opferschicht wird strukturiert, um den ersten Teil24 der PZ-Kernschicht14 freizulegen, wobei der erste Teil24 das PZ-Material für den Resonator ist, dessen Resonanzfrequenz gesenkt werden soll. Bei dem vorliegenden Beispiel ist dies der erste Resonator20 . - Als nächstes wird ein zusätzliches PZ-Material (wie z. B. das AlN) auf dem gesamten Substrat aufgebracht, was bei dem vorliegenden Beispiel die zusätzliche PZ-Schicht
25 mit einer Dicke von etwa 1.100 Å bildet. Als nächstes wird die Vorrichtung10 wieder mit einem Photoresist strukturiert, um die Bereiche zu schützen, an denen die zusätzliche PZ-Schicht25 bleiben soll, wobei die Vorrichtung10 dann einem Ätzmittel ausgesetzt wird, um die Opferschicht zu entfernen. Das Ätzmittel kann eine verdünnte Fluorwasserstoffsäure (HF) sein, wobei abhängig von der Konzentration der HF die Aussetzung etwa eine Minute dauern kann. Dadurch wird das hinzugefügte PZ-Material von oberhalb des zweiten Resonators30 , dessen Resonanzfrequenz unverändert bleiben soll, entfernt. Für den durch das Photoresist geschützten ersten Resonator20 jedoch bleibt die zusätzliche PZ-Schicht25 . Für die Beispielkonfiguration liefert die zusätzliche PZ-Schicht25 mit einer Dicke von etwa 1.100 Å verglichen mit der Resonanzfrequenz des zweiten Resonators30 eine Senkung der Resonanzfrequenz um etwa 3%. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Resonanzfrequenz unter Verwendung der vorliegenden Technik zwischen 1% und 8% gesenkt. - Schließlich werden die oberen Elektroden
26 und36 hergestellt, wobei die Hohlräume21 und31 gelöst oder anderweitig entfernt werden, um zu ermöglichen, daß die Resonatoren20 und30 über den Hohlräumen21 bzw.31 aufgehängt sind. - Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenbelastung der oberen Elektrode durch Oxidation
- Bezug nehmend auf
2 ist eine Vorrichtung40 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung40 weist einen ersten Resonator50 und einen zweiten Resonator60 , die auf einem Substrat42 hergestellt sind, auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat42 ein Siliziumsubstrat. - Die Resonatoren
50 und60 sind akustische Resonatoren, die mechanische Wellen verwenden. Aus diesem Grund wird jeder der dargestellten Resonatoren50 und60 über einem Hohlraum51 bzw.61 hergestellt. Der erste Resonator50 der Vorrichtung40 wird über einem ersten Hohlraum51 hergestellt und umfaßt eine untere Elektrode52 („erste untere Elektrode"), eine PZ-Schicht54 („erste PZ-Schicht") und eine obere Elektrode56 („erste obere Elektrode"). Die erste PZ-Schicht54 kann ein Teil („erster Teil") einer größeren PZ-Kernschicht44 sein. Die Elektroden52 und56 sind aus Molybdän hergestellt, wobei die PZ-Schicht54 aus Aluminiumnitrid („AlN") hergestellt ist. Jedes geeignete Material kann jedoch für die Elektroden und die PZ-Schicht verwendet werden. - Der zweite Resonator
60 der Vorrichtung40 wird über einem zweiten Hohlraum61 hergestellt und umfaßt eine untere Elektrode62 („zweite untere Elektrode"), eine PZ-Schicht64 („zweite PZ-Schicht") und eine obere Elektrode66 („zweite obere Elektrode"). Die zweite PZ-Schicht64 kann ein Teil („zweiter Teil") der PZ-Kernschicht44 sein. - Bei einem Ausführungsbeispiel weist die erste obere Elektrode
56 zwei Teile auf, nämlich einen Leiterteil57 und einen oxidierten Leiterteil58 . Die Leiterschicht57 weist Molybdän auf, wobei der oxidierte Leiterteil58 Molybdänoxid ist. Die erste obere Elektrode56 kann unter Verwendung jedes Leiters hergestellt werden, der nach und nach bzw. fortschreitend oxidiert, wenn er Luft und Wärme ausgesetzt wird. Vorzugsweise weist die erste obere Elektrode56 eine Eigenschaft unbegrenzter Oxidation auf. Dies bedeutet, daß sie keine Schutzoxidbeschichtung auf der Oberfläche bildet, was die Oxidationsmenge, die ein Film halten könnte, einschränken würde. Zur Erklärung von Oxidationseigenschaften siehe z. B. Encyclopedia of the Chemical Elements, bearbeitet von C. A. Hampel, Reinhold Book Corporation, New York, 1968, S. 419. Für Oxidationscharakteristika verschiedener Leiter, die als die erste obere Elektrode65 verwendet werden können, siehe The Oxide Handbook, G. V. Samsonov, Herausgeber, IFI/Plenum Publishers, New York, 1973. - Die erste obere Elektrode
56 beginnt als eine herkömmliche obere Elektrode, wie z. B. als eine zweite obere Elektrode66 des zweiten Leiters60 , wobei die zweite obere Elektrode66 nur eine Leiterschicht umfaßt. Nach dem Herstellen bzw. Erzeugen der ersten oberen Elektrode56 wird die Vorrichtung40 Wärme und Luft ausgesetzt, um die obere Oberfläche der ersten oberen Elektrode56 zu oxidieren, was zu der Leiteroxidschicht58 führt. Der zweite obere Leiter66 und andere Teile der Vorrichtung40 werden während des Oxidationsverfahrens unter Verwendung einer Maske geschützt. Die Maske ist Siliziumdioxid oder ein anderes Hartmaskierungsmaterial. Nach einer ausreichenden Oxidation der ersten oberen Schicht68 wird die Maske entfernt. - Unter der Annahme, daß der erste Resonator
50 z. B. die oben beschriebenen Abmessungen aufweist, kann der erste Resonator50 in Luft etwa 1 Stunde lang bei etwa 300°C erwärmt werden, um die Resonanzfrequenz des ersten Resonators50 um etwa 5 MHz oder mehr zu senken. Durch eine fortdauernde Anwendung von Wärme kann die Resonanzfrequenz des ersten Resonators50 verglichen mit der Resonanzfrequenz des ersten Resonators50 vor der Oxidation der ersten oberen Elektrode56 oder verglichen mit dem zweiten Resonator60 um 1% bis 3% gesenkt werden. - Um den ersten Resonator
50 herzustellen, werden die erste untere Elektrode52 , die PZ-Kernschicht44 , die die erste PZ-Schicht54 umfaßt, und die erste obere Elektrode56 unter Verwendung bekannter Verfahren hergestellt. Dann wird die obere Elektrode56 oxidiert. Die Oxidation kann durch Erwärmen des ersten Resonators50 in Luft durchgeführt werden. Durch eine fortdauernde Anwendung von Wärme und ein fortdauerndes Überwachen der Resonatoren kann der Grad, um den die Resonanzfrequenz des ersten Resonators50 gesenkt wird, gesteuert werden. Die Resonanzfrequenz des ersten Resonators50 kann z. B. in dem Bereich von etwa 1% bis 6% gesenkt werden. - Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenreduzierung der oberen Elektrode
- Bezug nehmend auf die
3A und3B sind Vorrichtungen70 und70a dargestellt, um ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Die Vorrichtung70a aus3B stellt die Vorrichtung70 aus3A nach einem weiteren Verarbeiten dar. Folglich ähneln Teile der Vorrichtung70a aus3B denjenigen, die als Vorrichtung70 in3A dargestellt sind. Zur Annehmlichkeit sind Teile der Vorrichtung70a , die entsprechenden Teilen in der Vorrichtung70 ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei analo ge, jedoch veränderte Teile mit den gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Buchstabens „a" bezeichnet sind, und wobei unterschiedliche Teile durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sind. - Um Resonatoren auf einem Substrat gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird eine untere Elektrodenschicht
72 auf einem Substrat71 hergestellt. Ähnlich wie die Vorrichtung10 aus1 oder die Vorrichtung40 aus2 kann die Vorrichtung70 einen Hohlraum81 („ersten Hohlraum") umfassen, über dem ein Resonator80 („erster Resonator") hergestellt wird. Natürlich kann der erste Hohlraum81 vor der Herstellung der unteren Elektrodenschicht72 geätzt und gefüllt werden. Ein Abschnitt („erster Abschnitt", der allgemein durch das Bezugszeichen82 bezeichnet ist) der unteren Elektrodenschicht72 über dem ersten Hohlraum81 kann als untere Elektrode82 („erste untere Elektrode") für einen Resonator („ersten Resonator")80 fungieren. Ein weiterer Abschnitt („zweiter Abschnitt", der allgemein durch das Bezugszeichen92 bezeichnet ist) der unteren Elektrodenschicht72 über einem zweiten Hohlraum91 kann als untere Elektrode92 („zweite untere Elektrode") für einen anderen Resonator („zweiten Resonator")90 fungieren. Hier können die erste untere Elektrode82 und die zweite untere Elektrode92 wie dargestellt verbunden sein. Alternativ können die unteren Elektroden82 und92 separat sein, ähnlich wie die unteren Elektroden22 und32 aus1 . Für Erklärungszwecke der vorliegenden Technik ist diese Entwurfsauswahl nicht wesentlich. - Oberhalb der unteren Elektrodenschicht
72 wird eine PZ-Schicht74 über der unteren Elektrodenschicht72 hergestellt. Wieder ist die PZ-Schicht74 bei einem Ausführungsbeispiel Aluminiumnitrid (AlN), kann jedoch jedes geeignete piezoelektrische Material sein. Als nächstes wird eine obere Elektrodenschicht76 über der PZ-Schicht74 hergestellt, wobei die obere Elektrodenschicht76 eine vorbestimmte Dicke („erste Dicke") aufweist. Für den Beispielresonator mit 1.900 MHz, der oben erläutert wurde, kann die obere Elektrodenschicht76 z. B. eine Dicke von 1.000 Å aufweisen. Dann wird ein ausgewählter Bereich (allgemein durch die Klammer79 angezeigt) der oberen Elektrodenschicht76 teilweise geätzt. Dies bedeutet, daß etwas Material (z. B. Molybdän) der oberen Elektrodenschicht76 entfernt wird, um zu dem ausgewählten Bereich79 zu führen, der eine dünnere Schicht der oberen Elektrode76 aufweist. Zur Kürze wird die Dicke des ausgewählten Bereichs79 hierin als die „zweite Dicke" bezeichnet.3A zeigt die Vorrichtung70 nach dem Schritt des teilweisen Ätzens der vorliegenden Erfindung. - Schließlich wird die obere Elektrodenschicht
76 einschließlich des ausgewählten Bereichs79 strukturiert, um eine erste obere Elektrode79a und eine zweite obere Elektrode77a zu bilden. Die erste obere Elektrode79a und die erste untere Elektrode82 umschließen einen Teil84 („ersten Teil") der PZ-Schicht74 , die den ersten Resonator80 bildet. Die zweite obere Elektrode77a und die zweite untere Elektrode92 umschließen einen weiteren Teil94 („ersten Teil") der PZ-Schicht74 , die den zweiten Resonator90 bildet. Diese Operationen führen zu einer Vorrichtung70a , die einen ersten Resonator80 mit einer höheren Resonanzfrequenz als der des zweiten Resonators90 aufweist. - Um die obere Elektrodenschicht
76 teilweise zu ätzen, wird der ausgewählte Bereich79 der oberen Elektrodenschicht76 maskiert. Dann werden die Vorrichtung70 einschließlich des ausgewählten Bereichs79 und die maskierten Bereiche einem Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel kann eine verdünnte Fluorwasserstoffsäure (HF) sein, wobei abhängig von der Konzentration der HF die Aussetzung etwa eine Minute dauern kann. Alternativ kann die obere Elektrodenschicht76 unter Verwendung von Innenfräsen, einem Photoresist, Zerstäubungs- bzw. Sputterätzen oder anderen Verfahren geätzt werden. Zu Zwecken dieser Erfindung ist die tatsächliche Technik, die für das Ätzen der oberen Elektrodenschicht76 verwendet wird, nicht durch die hierin genannten Verfahren eingeschränkt. Schließlich wird die Maske entfernt. Ein typisches Material, das für Masken verwendet wird, ist Siliziumdioxid (SiO2). Die Maskierungs- und Ätzverfahren sind in der Technik bekannt. - Für einen Resonator, z. B. für den ersten Resonator
80 , der eine Größe von etwa 150 μm mal 200 μm sowie eine Resonanzfrequenz von etwa 1.900 MHz aufweist, kann die obere Elektrodenschicht76 anfänglich etwa 1.500 Å dick sein. Das Verfahren des teilweisen Ätzens kann mehrere hundert Å entfernen, z. B. etwa 200 Å, um die Resonanzfrequenz des ersten Resonators80 um etwa 3% zu erhöhen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird zwischen 1% und 30% der Dicke der oberen Elektrodenschicht76 an dem ausgewählten Bereich79 entfernt, was die Resonanzfrequenz des ersten Resonators80 abhängig von dem Grad der Abnahme der Dicke um etwa 1% bis 6% erhöht. - Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenbelastung der unteren Elektrode
- Bezug nehmend auf
4 zeigt eine Vorrichtung100 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dargestellt. Die Vorrichtung100 weist einen ersten Resonator110 und einen zweiten Resonator120 , die auf einem Substrat102 hergestellt sind, auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat102 ein Siliziumsubstrat. - Die Resonatoren
110 und120 sind akustische Resonatoren, die mechanische Wellen verwenden. Aus diesem Grund wird jeder der dargestellten Resonatoren110 und120 über einem Hohlraum111 bzw.121 hergestellt. Der erste Resonator110 der Vorrichtung100 ist über einem ersten Hohlraum111 hergestellt und umfaßt eine untere Elektrode („erste untere Elektrode"), die eine Kombination einer unteren Belastungselektrode113 und einer ersten unteren Kernelektrode112 ist, ein PZ-Material114 („erstes PZ-Material") und eine obere Elektrode116 („erste obere Elektrode"). Das erste PZ-Material114 ist ein Teil („erster Teil") einer PZ-Schicht104 . Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden112 ,113 und116 aus Molybdän hergestellt, wobei die PZ-Schicht104 unter Verwendung von Aluminiumnitrid („AlN") hergestellt ist. Jedes andere geeignete Leitermaterial kann jedoch für die Elektroden verwendet werden. Ähnlich kann ein anderes geeignetes piezoelektrisches Material für die PZ-Schicht104 verwendet werden. Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel sind die erste untere Kernelektrode112 und die untere Belastungselektrode113 aus dem gleichen Material hergestellt. - Der zweite Resonator
120 der Vorrichtung100 ist über einem zweiten Hohlraum121 hergestellt und umfaßt eine untere Elektrode122 („zweite untere Elektrode" oder „zweite untere Kernelektrode"), ein PZ-Material124 („zweites PZ-Material") und eine obere Elektrode126 („zweite obere Elektrode"). Das zweite PZ-Material124 kann ein Teil („zweiter Teil") der PZ-Schicht104 sein. - Hier sind die zweite untere Elektrode
122 und die erste untere Kernelektrode112 bezüglich der Dicke und Größe ähnlich. Folglich ist die erste untere Elektrode (im folgenden als „112 +113 " bezeichnet, was eine Kombination der ersten unteren Kernelektrode112 und der unteren Belastungselektrode113 darstellt) dicker als die zweite untere Elektrode122 . Bei einem Ausführungsbeispiel können die erste untere Kernelektrode112 und die zweite untere Elektrode122 z. B. etwa 1.500 Å dick sein, wobei die untere Belastungselektrode113 zwischen 100 Å und 1.000 Å zu der ersten unteren Kernelektrode112 hinzufügen kann. Dies führt dazu, daß der erste Resonator110 eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator120 . Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Resonanzfrequenz des ersten Resonators110 in einem Bereich von 1% bis 6% niedriger als die des zweiten Resonators120 . - Um den ersten Resonator
110 herzustellen, wird zuerst die untere Belastungselektrode113 hergestellt. Dann wird die erste untere Kernelektrode112 über der unteren Belastungselektrode113 hergestellt. Als nächstes wird die PZ-Schicht104 hergestellt. Schließlich wird die erste obere Elektrode116 über der PZ-Schicht104 hergestellt. Wie dargestellt kann die untere Belastungselektrode113 den ersten Hohlraum111 überspannen. - Um die Vorrichtung
100 herzustellen, wird zuerst die untere Belastungselektrode113 hergestellt. Dann werden die erste untere Kernelektrode112 und die zweite untere Kernelektrode122 hergestellt, wobei die erste untere Kernelektrode112 über der unteren Belastungselektrode113 hergestellt wird. Als nächstes wird die PZ-Schicht104 hergestellt, wobei die PZ-Schicht einen ersten Teil114 über der ersten unteren Kernelektrode112 und einen zweiten Teil124 über der zweiten unteren Kernelektrode122 aufweist. Schließlich werden die erste obere Elektrode116 und zweite obere Elektrode126 über dem ersten Teil114 bzw. dem zweiten Teil124 hergestellt. - Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenbelastung der oberen Elektrode und Überätzung
- Bezug nehmend auf die
5A und5B werden Vorrichtungen130 und130a verwendet, um ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darzustellen. Die Vorrichtung130a aus5B stellt die Vorrichtung130 aus5A nach einem weiteren Verarbeiten dar. Folglich ähneln Teile der Vorrichtung130a aus5B denjenigen, die als Vorrichtung130 in5A dargestellt sind. Zur Bequemlichkeit sind Teile der Vorrichtung130a , die entsprechenden Teilen in der Vorrichtung130 ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei analoge, jedoch veränderte Teile mit dem gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Buchstabens „a" bezeichnet sind, und wobei unterschiedliche Teile mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Um Resonatoren
140 und150 auf einem Substrat132 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung herzustellen, werden eine erste untere Elektrode142 und eine zweite untere Elektrode152 hergestellt, wobei die Elektroden einen ersten Hohlraum141 bzw. einen zweiten Hohlraum151 überspannen. - Dann wird eine piezoelektrische (PZ-) Schicht
134 über sowohl der ersten als auch der zweiten unteren Elektrode142 und152 gebildet, wobei die PZ-Schicht134 einen ersten Teil144 über der ersten unteren Elektrode142 und einen zweiten Teil154 über der zweiten unteren Elektrode152 aufweist. Als nächstes wird eine obere Elektrodenschicht136 hergestellt, wobei die obere Elektrodenschicht136 einen ersten Abschnitt146 über dem ersten Teil144 und einen zweiten Abschnitt156 über dem zweiten Teil154 aufweist. Als nächstes wird eine obere Belastungsschicht138 über dem ersten Abschnitt146 hergestellt, wobei dieselbe vorzugsweise den gesamten ersten Abschnitt146 umfaßt. Die obere Belastungsschicht138 kann ein leitendes Material, ein isolierendes Material oder beides aufweisen und ohne Einschränkung Molybdän, Aluminiumnitrid oder Siliziumdioxid umfassen. Dann wird die obere Belastungsschicht138 einer Überätzung unterzogen, um eine erste obere Elektrode (eine Kombination der geätzten oberen Belastungsschicht148 und des ersten Abschnitts146 , oder148 +146 ) zu bilden. Dies bedeutet, daß die obere Belastungsschicht138 und die obere Elektrodenschicht136 gleichzeitig geätzt werden, um die erste obere Elektrode148 +146 zu bilden. Natürlich kann eine Maskenschicht, wie z. B. eine SiO2-Schicht, verwendet werden, um die Elektroden148 +146 und156 aus dem Ätzmittel zu strukturieren. - Eine zweite obere Elektrode
156 kann während des gleichen Schritts hergestellt werden wie des Schritts zum Herstellen der ersten oberen Elektrode148 +146 . Da keine Belastungselektrode über dem zweiten Abschnitt156 der oberen Elektrodenschicht136 existiert, wird die obere Elektrodenschicht136 geätzt, um alle anderen Teile der oberen Elektrodenschicht136 zu entfernen, während der zweite Abschnitt156 bleibt, um die zweite obere Elektrode156 zu werden, und wobei die erste obere Elektrode148 +146 bleibt. - Um einen einzelnen Resonator herzustellen, z. B. den ersten Resonator
140 , wird zuerst die untere Elektrode142 hergestellt. Dann werden die PZ-Schicht134 , die obere Elektrodenschicht136 und die obere Belastungsschicht138 der Reihe nach hergestellt. Die obere Belastungsschicht138 umfaßt vorzugsweise den ersten Abschnitt146 der oberen Belastungsschicht136 , wobei der erste Abschnitt146 ein Teil der oberen Elektrode148 +146 wird. Schließlich werden die obere Belastungselektrodenschicht138 und die obere Elektrodenschicht136 geätzt, um die obere Elektrode148 +146 des ersten Resonators140 zu bilden. Diese Schichten138 und136 können in zwei Schritten geätzt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel jedoch werden dieselben in einem Schritt geätzt oder einer Überätzung unterzogen. Zum Überätzen wird die obere Belastungsschicht138 zuerst markiert. Dann werden die obere Belastungsschicht138 und die obere Elektrodenschicht136 gleichzeitig geätzt, um nichtmaskierte Teile dieser Schichten zu entfernen. Zum Maskieren kann Siliziumdioxid (SiO2) verwendet werden. - Für einen Resonator, z. B. den ersten Resonator
140 , der eine Größe von etwa 150 μm mal 200 μm und eine Resonanzfrequenz von etwa 1.900 MHz aufweist, können die untere Elektrode142 und die obere Elektrodenschicht136 jeweils etwa 1.500 Å dick sein, wobei die PZ-Schicht134 etwa 21.000 Å dick sein kann und die obere Belastungsschicht138 in einem Bereich von 100 Å bis 1.000 Å dick sein kann oder etwa 1% bis 6% der Dicke der oberen Elektrodenschicht134 . Bei einem Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung dieser Technik die Resonanzfrequenz des ersten Resonators um 1% bis 6% gesenkt werden. - Herstellung von Dünnfilmresonatoren durch Massenreduzierung der piezoelektrischen Schicht
- Bezug nehmend auf die
6A und6B sind Vorrichtungen160 und160a dargestellt, um ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darzustellen. Die Vorrichtung160a aus6B stellt die Vorrichtung160 aus6A nach einem weiteren Verarbeiten dar. Folglich ähneln Teile der Vorrichtung160a aus6B denjenigen, die als die Vorrichtung160 aus6A dargestellt sind. Zur Bequemlichkeit sind Teile der Vorrichtung160a , die entsprechenden Teilen in der Vorrichtung160 ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei analoge, aber veränderte Teile mit den gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Buchstabens „a" bezeichnet sind, und wobei unterschiedliche Teile mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Um Resonatoren auf einem Substrat gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird eine untere Elektrodenschicht
162 auf einem Substrat161 hergestellt. Ähnlich wie die Vorrichtung10 aus1 oder die Vorrichtung40 aus2 kann die Vorrichtung160 einen Hohlraum171 („ersten Hohlraum") umfassen, über dem ein Resonator170 („erster Resonator") hergestellt wird. Natürlich kann der erste Hohlraum171 vor der Herstellung der unteren Elektrodenschicht162 geätzt und gefüllt werden. - Ein Abschnitt („erster Abschnitt", der allgemein durch das Bezugszeichen
172 angezeigt ist) der unteren Elektrodenschicht162 über dem ersten Hohlraum171 kann als untere Elektrode172 („erste untere Elektrode") für einen Resonator („ersten Resonator")170 fungieren. Ein weiterer Abschnitt („zweiter Abschnitt", der allgemein durch das Bezugszeichen182 angezeigt ist) der unteren Elektrodenschicht162 über einem zweiten Hohlraum181 kann als untere Elektrode182 („zweite untere Elektrode") für einen weiteren Resonator („zweiten Resonator")180 fungieren. Hier können die erste untere Elektrode172 und die zweite untere Elektrode182 wie dargestellt verbunden sein. Alternativ können die unteren Elektroden172 und182 ähnlich wie die unteren Elektroden22 und32 aus1 separat sein. Für Erläuterungszwecke der vorliegenden Technik ist diese Entwurfswahl nicht wesentlich. - Oberhalb der unteren Elektrodenschicht
162 wird eine PZ-Schicht164 über der unteren Elektrodenschicht162 hergestellt. Wieder ist bei einem Ausführungsbeispiel die PZ-Schicht164 Aluminiumnitrid (AlN), kann jedoch jedes geeignete piezoelektrische Material sein. Als nächstes wird ein ausgewählter Teil (allgemein durch die Klammer169 angezeigt) der PZ-Kernschicht164 teilweise geätzt. Der Ätzschritt kann zwischen 1% und 30% der Dicke der PZ-Schicht entfernen, was die Resonanzfrequenz des resultierenden Resonators170 aufgrund der Reduzierung der Dicke der PZ-Schicht um 1% bis 6% erhöht.6A zeigt die Vorrichtung160 nach dem Schritt des teilweisen Ätzens der vorliegenden Erfindung. - Schließlich wird die obere Elektrodenschicht
176 über dem teilweise geätzten Teil174 der PZ-Schicht164 hergestellt, wodurch ein erster Resonator170 gebildet wird. - Um die PZ-Schicht
164 teilweise zu ätzen, wird der ausgewählte Abschnitt169 der PZ-Schicht164 maskiert. Dann werden die Vorrichtung160 einschließlich des ausgewählten Bereichs169 und die maskierten Bereiche einem Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel kann eine verdünnte Fluorwasserstoffsäure (HF) sein, wobei abhängig von der Konzentration der HF die Aussetzung etwa eine Minute dauern kann. Alternativ kann die PZ-Schicht164 unter Verwendung von Innenfräsen, einem Photore sist, Zerstäubungs- bzw. Sputterätzen oder anderen Techniken geätzt werden. Zu Zwecken dieser Erfindung ist die tatsächliche Technik, die für das Ätzen der PZ-Schicht164 verwendet wird, nicht durch die hierin genannten Verfahren eingeschränkt. Schließlich wird die Maske entfernt. Ein typisches Material, das für Masken verwendet wird, ist Siliziumdioxid (SiO2). Die Maskierungs- und Ätzverfahren sind in der Technik bekannt. - Für einen Resonator, z. B. den ersten Resonator
170 , der eine Größe von etwa 150 μm mal 200 μm und eine Resonanzfrequenz von etwa 1.900 MHz aufweist, kann die PZ-Schicht164 etwa 21.000 Å dick sein. Der ausgewählte teilweise geätzte Teil kann um 1% bis 30% dünner sein, wodurch die Resonanzfrequenz des ersten Resonators170 um 1% bis 30% erhöht wird. - Die Vorrichtungen
160 und160a können auch einen zweiten Resonator180 , der über einem zweiten Hohlraum181 hergestellt ist und eine untere Elektrode182 , eine PZ-Schicht184 (einen „zweiten Teil") und eine obere Elektrode186 aufweist, umfassen. Zu Darstellungszwecken ist der zweite Teil184 der PZ-Schicht164 nicht teilweise geätzt.
Claims (9)
- Verfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von Resonatoren (
80 ,90 ) mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einem Substrat (71 ), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer unteren Elektrodenschicht (72 ) auf dem Substrat (71 ); Erzeugen einer piezoelektrischen (PZ-) Schicht (74 ) über der unteren Elektrodenschicht (72 ); Erzeugen einer oberen Elektrodenschicht (76 ) über der PZ-Schicht (74 ), wobei die obere Elektrodenschicht eine erste Dicke aufweist; teilweises Ätzen eines ausgewählten Bereichs (79 ) der oberen Elektrodenschicht (76 ), so daß die obere Elektrodenschicht an dem ausgewählten Bereich eine zweite Dicke aufweist; und nach dem teilweisen Ätzen des ausgewählten Bereichs (79 ), Strukturieren der oberen Elektrodenschicht (76 ), um die Mehrzahl von Resonatoren derart zu bilden, dass ein erster Resonator (80 ), der eine erste obere Elektrode mit der ersten Dicke aufweist, und ein zweiter Resonators (90 ), der eine zweite obere Elektrode mit der zweiten Dicke aufweist, erzeugt wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die obere Elektrodenschicht (
76 ) Molybdän aufweist. - Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die PZ-Schicht (
74 ) Aluminiumnitrid (AlN) aufweist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des teilweisen Ätzens eines ausgewählten Bereichs (
79 ) der oberen Elektrodenschicht (76 ) folgende Schritte aufweist: Maskieren der oberen Elektrodenschicht bis auf den ausgewählten Bereich (79 ) der oberen Elektrodenschicht (76 ); Aussetzen der Maske und des ausgewählten Teils (79 ) gegenüber einem Ätzmittel; und Entfernen der Maske. - Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Maske Siliziumdioxid (SiO2) aufweist.
- Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem das Ätzmittel verdünnte Fluorwasserstoffsäure (HF) ist.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem 1% bis 30% der Dicke der oberen Elektrode geätzt werden.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweite Dicke um 1% bis 30% kleiner ist als die erste Dicke.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Resonanzfrequenz des Resonators (
80 ) aufgrund der Reduzierung der Dicke der oberen Elektrode um 1% bis 6% erhöht wird.
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