WO2003043188A1 - Passivierter baw-resonator und baw-filter - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to BAW resonators
- the present invention relates to a passivated BAW resonator. Furthermore, the present invention relates to BAW filters which include such BAW resonators.
- An exemplary filter configuration is the bandpass filter, which is used, among other things, in mobile communication devices. For this application, it is necessary for SAW filters to be hermetically installed in a housing.
- BAW filter arrangements such as BAW bandpass filters.
- Hermetic housings e.g. Ceramic housings, however, are disadvantageous for BAW filter arrangements, since they can only be manufactured with great effort. Therefore, non-hermetic housings, e.g. Plastic housings common in HF applications, preferred to hermetic housings, since they are much easier, smaller and cheaper to manufacture. Since it is the housing that significantly influences the filter production costs, the use of non-hermetic housings is desirable and imperative in order to be able to further save production costs in the future.
- BAW filters consist of circuits that were built using BAW resonators.
- a BAW resonator is basically a piezoelectric layer that is between two E- electrodes is arranged. Both electrodes consist of a single metal layer or a multilayer metallization.
- Typical piezoelectric materials for the piezoelectric layer (active layer) are PZT (lead zirconium titanate), ZnO (zinc oxide) and A1N (aluminum nitride).
- Typical metals used for the electrodes include e.g. B. AI (aluminum) and W (tungsten).
- the electrodes of a BAW resonator preferably have a high conductivity in order to conduct a resonator current without significant ohmic losses (parasitic effects).
- the electrodes since the electrodes not only have an electrical function, but at the same time also determine the acoustic properties of the resonator, they cannot be optimized solely from an electrical point of view. So would be B. Sufficiently thick Al layers are suitable for minimizing ohmic (parasitic) losses if, on the other hand, they do not have important properties such as, for example, the load on the resonator. B. would worsen the bandwidth.
- the electrodes also influence the resonance frequencies of a BAW resonator.
- the BAW resonator is used in a non-hermetic housing, reliability problems can arise. This is especially true when the top layer of the top electrode is made of Al or another base metal. In contrast to hermetic housings, moisture enters into non-hermetic housings. , This moisture itself does not have to attack the electrode. However, condensation of moisture occurs in the non-hermetic housing, e.g. B. causes water droplets to form on the electrode. With AI electrodes z. B. there is a reaction (corrosion) which leads to decomposition of the electrode, which in turn leads to a change in the resonator properties (frequency, quality, etc.).
- Another problem with water droplets arises during the manufacture of the BAW resonators, in which a large number of individual BAW resonators are generally formed on a wafer and are separated at the end of the manufacture.
- the wafers are sawn using cooling or rinsing water, which causes the problems outlined above when it hits the electrodes.
- the present invention has for its object to provide a BAW resonator that has a high level of reliability without a hermetic housing.
- the present invention provides a BAW resonator with
- a first electrode arranged on a surface of the substrate
- a piezoelectric layer that is at least partially arranged on the first electrode
- a second electrode which is arranged at least partially on the piezoelectric layer and at least partially overlapping with the first electrode
- a passivation layer which is arranged on the second electrode in order to protect the second electrode.
- a BAW filter is created which comprises one or more of the BAW resonators according to the invention.
- the present invention is based on the finding that the required protection for the electrode can be achieved by adding an acoustically thin passivation film to the surface of the upper electrode of a BAW resonator.
- This additional layer is not required to achieve proper functioning of the BAW resonator, nor is it necessary to achieve reliable operation when the BAW resonator is housed in a hermetic housing, such as in a ceramic housing with a soldered or welded metal lid.
- a hermetic housing can be dispensed with, and nevertheless optimal protection of the BAW resonator can be achieved by protecting the upper electrode of the BAW resonator with a thin passivation film.
- Silicon oxide or silicon nitride or TiN (titanium nitride) is advantageously used as the material for this passivation film.
- Precious metals, such as B. gold or platinum can also be used. It is important that the passivation film is quite thin in order to avoid a deterioration in the resonator behavior, in particular in the bandwidth (mass charge effect).
- the passivation film is preferably already taken into account in the design of the BAW resonator in order to keep its acoustic influence on the resonator behavior low or to take it into account.
- the thickness of the passivation layer is preferably between 20 nm and 200 nm.
- aluminum nitride (A1N) is used as the piezoelectric material for the piezoelectric layer, which is provided with opposite aluminum electrodes (where both electrodes can also be multi-layer electrodes in which different materials are used).
- a silicon nitride layer is provided as the upper passivation layer, a typical thickness of this silicon nitride layer preferably being between 20 nm and 100 nm.
- the present invention offers the advantage that the upper electrode of a BAW resonator withstands environmental influences even in the unhoused or in the non-hermetically sealed state. Furthermore, due to the protective effect of the upper layer, the high conductivity of the electrode underneath is retained, so that the resonator current can be conducted without significant losses.
- the upper electrode is also protected during process steps during the manufacture of the individual BAW resonators, such as, for example, against electrochemical corroding due to the water that is used when sawing the wafers.
- the applied passivation layer can be used to set a frequency of the BAW resonator to a desired target frequency.
- the passivation layer can be used to set a detuning with respect to a desired frequency in a BAW resonator, as is required for filter arrangements that use a plurality of BAW resonators.
- One example is the so-called ladder topology for bandpass filters, in which all parallel resonators are detuned from the series resonators in order to achieve the desired bandpass filter effect.
- the so-called parallel resonance of the parallel resonators must correspond to the so-called series resonance of the series resonators, ie the frequency detuning between the series and parallel resonators essentially corresponds to the resonator Bandwidth (the frequency distance between the two resonance frequencies of a resonator).
- FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a BAW resonator according to the invention.
- FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a BAW resonator according to the invention.
- the BAW resonator 100 comprises a substrate 102, which has a first, lower main surface 104 and a second, upper
- Main surface 106 includes.
- a first, lower electrode 108 is formed on the second main surface 106 and is made of aluminum in the exemplary embodiment shown. Furthermore, an insulating section 110 is shown, which is also on the upper main surface 106 of the
- Substrate 100 is arranged.
- a piezoelectric layer 112 which is an AIN layer in the exemplary embodiment described, is applied to a section of the lower electrode 108 and to the insulating section 110.
- a second, upper electrode 114 also made of aluminum, is formed on a section of the side of the piezoelectric layer 112 facing away from the substrate 100.
- the BAW resonator or the active region thereof is formed by the region of the piezoelectric layer 112 in which the lower electrode 108 and the upper electrode 114 overlap.
- the lower electrode 108 comprises a section which extends from the piezoelectric layer 112, that is to say is not covered by the same.
- a first connection 116 (input or output) is provided, via which the BAW resonator 100 can be connected with a wire 118 (optional).
- the upper electrode 114 is also pulled out in a section, this section lying opposite the insulating section 110.
- a second connection 120 (output or input) is provided, via which the BAW resonator 100 can be connected via a wire 122 (optional).
- the BAW resonator is electrically connected to other components via the connections 116 and 120.
- the substrate comprises a reflector section 124, in which an acoustic reflector 126 is arranged, which has a plurality of individual layers 126a to 126c, which alternately have a high acoustic impedance and a low acoustic impedance.
- the BAW resonator arrangement arranged above is acoustically decoupled from the portions of the substrate 102 lying under the reflector 126.
- the surface of the upper electrode 114 facing away from the piezoelectric layer 112 is covered with a passivation layer 128. Basically, it is sufficient to use only the upper surface of the electrode 114
- the layer thicknesses of the layers 108, 112, 114 are usually in the um or nm range, the flank regions are not very critical and do not necessarily have to be covered by the passivation layer.
- the passivation layer 124 can also cover the entire exposed surface of the Cover layer sequence 110, 112.
- the contacts 116, 120 are preferably formed after the passivation layer has been applied by exposing corresponding areas in the same.
- the passivation layer 128 is a silicon nitride layer in the exemplary embodiment shown.
- an aluminum nitride material was used for the piezoelectric layer, which does not deteriorate in moist environments, and is in particular corrosion-resistant.
- Aluminum is also used as the material for the electrode layers, which is readily available in standard semiconductor manufacturing processes, offers high conductivity and can also be used as pad metallization (see FIG. 1).
- exemplary embodiments include the cases in which the lower electrode 108 is made of a different material or is a multilayer electrode, and the cases in which the upper electrode 114 is made of a different material or is a multilayer electrode.
- a typical thickness of the silicon nitride film is between 20 nm and 200 nm.
- a BAW resonator or a BAW filter arrangement which comprises a plurality of BAW resonators, each comprising upper electrodes made of aluminum without a passivation layer, was initially enclosed in a non-hermetic housing.
- the non-hermetic isolation of the individual BAW resonators led to corrosion of the upper aluminum electrodes due to the precipitation occurring in the housing, so that the BAW filters housed in this way were no longer functional because their filter characteristics had changed.
- the present invention offers the advantage that only a thin film, e.g. B. of silicon nitride, is sufficient to ensure very good protection of the upper electrode.
- This thin passivation film is also acoustically thin, i.e. it only influences the resonance behavior of the resonator to a small extent.
- Another advantage of using the very thin passivation film is that it can be used specifically to improve the temperature coefficient for temperature shifts (TCF).
- the approach taught by the present invention to use passivation layers in BAW resonators has never been pursued, since it has always been assumed that passivation layers influence the acoustic behavior of the BAW resonators too strongly, and in particular significantly worsen the bandwidth.
- the present invention teaches a very thin passivation film, which develops the required protective effect, but has essentially no influence on the acoustic properties of the BAW resonator.
- thick passivation stacks made of silicon nitride and silicon oxide, as z In contrast to thick passivation stacks made of silicon nitride and silicon oxide, as z.
- the main aspect of the passivation layers on a BAW filter is not to prevent alkali ions from diffusing into the substrate, but rather to prevent corrosion of the upper electrode. be prevented. A certain diffusion rate and even so-called pinhole defects are acceptable as long as no corrosion of the electrode is found.
- FIG. 2 shows a BAW resonator 200, which in turn comprises a substrate 102, on the upper surface 106 of which a first electrode 108 is formed.
- the piezoelectric layer 112, on which the upper electrode 114 of the BAW resonator was produced, is in turn formed on this electrode.
- the passivation layer 128 is completely deposited on the surface of the arrangement, so that, in addition to the upper electrode 114, the exposed sections of the upper surface 106 of the substrate 102 and the side walls of the
- Layer stacks 108, 112, 114 are covered by the passivation layer 128.
- This deposition of the passivation layer is to be preferred in terms of design and production technology, since it enables complete protection of the wafer or chip surface to be achieved in one operation (the contact surfaces of the pads of course having to be opened).
- the membrane area 132 consists of a
- Support membrane made of the substrate material on which the actual resonator consists of a piezoelectric layer with lower and upper electrodes.
- Such arrangements can be manufactured using the so-called volume micromechanics (bulk micromachining).
- the support membrane consists of a thin deposited layer such as polysilicon or silicon nitride, and the ent by a thin cavity on the substrate material ⁇ are coupled.
- Such membrane solutions can be produced by means of surface micromachining.
- membrane structures are possible in which the membrane consists purely of the piezoelectric material including the lower and upper electrodes and dispenses with a carrier membrane.
- the passivation layer 128 can also be used to adjust or to detune the resonance frequencies of the BAW resonator. For this it is generally necessary to adjust the thickness of the passivation layer accordingly.
- the present invention is not restricted to these materials.
- the passivation layer can generally be produced from an oxide layer, a nitride layer, a combination thereof or from a noble metal.
- the passivation layer preferably consists of silicon oxide, silicon nitride, A1 2 0 3 , Ta 2 0 3 , TiN, Au or Pt.
- TiN titanium nitride
- Au gold
- PT conductive materials
- the passivation layer preferably has a thickness of approximately 20 nm to 200 nm. These thicknesses can also be larger or smaller as long as it is ensured that the applied passivation layer does not impermissibly impair the acoustic properties of the BAW resonator.
- the piezoelectric layer 112 can be formed, for example, by a first layer and a second layer, the first layer comprising a piezoelectric material with a first orientation and the second layer comprising a piezoelectric material with a second orientation u, the directions of orientation of the two materials being opposite are.
- the two layers in the layer sequence 112 are acoustically coupled.
- the piezoelectric layer can consist of one material, e.g. B.
- the piezoelectric layer 112 can also comprise a plurality of first and second layers or first and second sections which are alternately acoustically coupled to one another.
- multi-layer electrodes can also be used, which then have different materials, e.g. B. Materials with different acoustic impedance (e.g. AI, W) alternately.
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Abstract
Ein BAW-Resonator umfasst ein Substrat (102), eine erste Elektrode (108), die auf einer Oberfläche (106) des Substrats (102) angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht (112), die zumindest teilweise auf der ersten Elektrode (108) angeordnet ist, und eine zweite Elektrode (114), die zumindest teilweise auf der piezoelektrischen Schicht (112) und zumindest teilweise überlappend mit der ersten Elektrode (108) angeordnet ist. Um die zweite Elektrode (114) zu schützen, ist ferner eine Passivierungsschicht (128) auf der zweiten Elektrode vorgesehen.
Description
Beschreibung
Passivierter BAW-Resonator und BAW-Filter
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf BAW-Resonatoren
(BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwellen) . Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen pas- sivierten BAW-Resonator. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf BAW-Filter, die solche BAW-Resonatoren umfas- sen.
BAW-Resonatoren finden beispielsweise in Filtern in der Hochfrequenztechnik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wo sie existierende SAW-Filter (SAW = Surface Acoustic Wave = akus- tische Oberflächenwelle) oder auch keramische Filter substituieren können. Eine beispielhafte Filterkonfiguration ist das Bandpassfilter, welches unter anderem in mobilen Kommunikationsgeräten eingesetzt wird. Für diesen Einsatz ist es bei SAW-Filtern erforderlich, dass diese hermetisch in einem Ge- häuse eingebaut sind.
Dies gilt in gleichem Maße für BAW-Filteranordnungen, wie beispielsweise BAW-Bandpassfilter. Hermetische Gehäuse, z.B. Keramikgehäuse, für BAW-Filteranordnungen sind jedoch nach- teilhaft, da diese nur aufwendig hergestellt werden können. Daher werden nicht-hermetische Gehäuse, z.B. Bei HF- Anwendungen übliche Kunststoffgehäuse, den hermetischen Gehäusen vorgezogen, da diese viel einfacher, kleiner und billiger herzustellen sind. Da es das Gehäuse ist, welches die Filterherstellungskosten maßgeblich beeinflusst, ist die Verwendung von nicht-hermetischen Gehäusen wünschenswert und zwingend, um in der Zukunft Produktionskosten weiter einsparen zu können.
BAW-Filter bestehen aus Schaltungen, die unter Verwendung von BAW-Resonatoren aufgebaut wurden. Ein BAW-Resonator ist im Prinzip eine piezoelektrische Schicht, die zwischen zwei E-
lektroden angeordnet ist . Beide Elektroden bestehen aus einer einzelnen Metallschicht oder einer mehrschichtigen Metallisierung. Typische piezoelektrische Materialien für die piezoelektrische Schicht (aktive Schicht) sind PZT (Blei- Zirkonium-Titanat) , ZnO (Zinkoxid) und A1N (Aluminiumnitrid) . Typische Metalle, die für die Elektroden verwendet werden, schließen z . B . AI (Aluminium) und W (Wolfram) ein . Die Elektroden eines BAW-Resonators, haben vorzugsweise eine hohe Leitfähigkeit, um einen Resonatorstrom ohne signifikante ohm- sehe Verluste (parasitäre Effekte) zu führen . Da die Elektroden j edoch nicht nur eine elektrische Funktion haben, sondern gleichzeitig auch die akustischen Eigenschaften des Resonators mitbestimmen, kann ihre Optimierung nicht ausschließlich nach elektrischen Gesichtspunkten erfolgen . So wären z . B . hinreichend dicke Al-Schichten geeignet, ohmsche (parasitäre) Verluste zu minimieren, wenn sie nicht andererseits durch ihre Belastung des Resonators wichtige Eigenschaften wie z . B . die Bandbreite verschlechtern würden . Auch nehmen die Elektroden Einfluß auf die Resonanzfrequenzen eines BAW-Resonators Wird der BAW-Resonator in einem nicht-hermetischen Gehäuse verwendet, können sich Probleme mit der Zuverlässigkeit ergeben. Dies gilt insbesondere, wenn die oberste Schicht der oberen Elektrode aus AI oder einem anderen unedlen Metall besteht . In nicht-hermetische Gehäuse tritt, im Gegensatz zu hermetischen Gehäusen, Feuchtigkeit ein . , Diese Feuchtigkeit selbst muß die Elektrode noch nicht angreifen . Jedoch kommt es in dem nicht-hermetischen Gehäuse zu einer Kondensation der Feuchtigkeit, die z . B . bewirkt, daß sich Wassertröpfchen auf der Elektrode bilden . Bei AI-Elektroden z . B . kommt es zu einer Reaktion (Korrosion) , die zur Zersetzung der Elektrode führt, was wiederum zu einer Änderung der Resonatoreigenschaften (Frequenz, Güte, etc . ) führt .
Um die gerade erwähnten Probleme zu vermeiden, sind im Stand der Technik lediglich Filteranordnungen, BAW-Filter oder SAW- Filter, bekannt, bei denen die Filterschaltung ein hermetisches Gehäuse aufweisen, was die oben dargelegten Probleme
mit sich bringt, nämlich die hohen Produktionskosten, sowie der mit der Herstellung verbundene Aufwand.
Ein weiteres Problem mit Wassertröpfchen ergibt sich während der Herstellung der BAW-Resonatoren, bei der im Regelfall eine Vielzahl einzelner BAW-Resonatoren auf einem Wafer gebildet werden, die gegen Ende der Herstellung vereinzelt werden. Hierbei werden die Wafer zersägt, wobei Kühl- oder Spülwasser zum Einsatz kommt, das die oben dargelegten Probleme mit sich bringt, wenn es auf die Elektroden trifft.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen BAW-Resonator zu schaffen, der ohne hermetisches Gehäuse eine hohe Zuverlässigkeit hat.
Diese Aufgabe wird durch einen BAW-Resonator gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft einen BAW-Resonator, mit
einem Substrat,
einer ersten Elektrode, die auf einer Oberfläche des Sub- strats angeordnet ist;
einer piezoelektrischen Schicht, die zumindest teilweise auf der ersten Elektrode angeordnet ist;
einer zweiten Elektrode, die zumindest teilweise auf der piezoelektrischen Schicht und zumindest teilweise überlappend mit der ersten Elektrode angeordnet ist; und
einer Passivierungsschicht , die auf der zweiten Elektrode an- geordnet ist, um die zweite Elektrode zu schützen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein BAW- Filter geschaffen, das einen oder mehrere der erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Hinzufügen eines akustisch dünnen Passivie- rungsfilmes auf die Oberfläche der oberen Elektrode eines BAW-Resonators der erforderliche Schutz für die Elektrode erreicht werden kann. Diese zusätzliche Schicht ist nicht er- forderlich, um eine ordnungsgemäße Funktion des BAW- Resonators zu erreichen, und sie ist auch nicht erforderlich um eine zuverlässige Operation zu erreichen, wenn der BAW- Resonator in einem hermetischen Gehäuse gehaust wird, wie beispielsweise in einem Keramikgehäuse mit einem aufgelöteten oder aufgeschweißten Metalldeckel.
Erfindungsgemäß kann auf ein hermetisches Gehäuse verzichtet werden, und dennoch kann ein optimaler Schutz des BAW- Resonators erreicht werden, indem die obere Elektrode des BAW-Resonators durch einen dünnen Passivierungsfilm geschützt wird. Als Material für diesen Passivierungsfilm wird vorteilhafterweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder TiN (Titannitrid) verwendet. Edelmetalle, wie z. B. Gold oder Platin, können auch eingesetzt werden. Es ist wichtig, dass der Pas- sivierungsfilm recht dünn ist, um eine Verschlechterung des Resonatorverhaltens, insbesondere der Bandbreite, zu vermeiden (Massenladungseffekt) . Vorzugsweise wird der Passivie- rungsfilm bei dem Entwurf des BAW-Resonators schon berücksichtigt, um dessen akustischen Einfluß auf das Resonator- verhalten gering zu halten bzw. zu berücksichtigen. Die Dicke der Passivierungsschicht ist vorzugsweise zwischen 20 nm und 200 nm.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als piezoelektrisches Material für die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid (A1N) verwendet, welches mit gegenüberliegenden Aluminiumelektroden versehen ist (wo-
bei beide Elektroden auch Mehrschicht-Elektroden sein können, in denen verschiedene Materialien Verwendung finden) . Als o- bere Passivierungsschicht ist eine Siliziumnitridschicht vorgesehen, wobei eine typische Dicke dieser Siliziumnitrid- Schicht vorzugsweise zwischen 20 nm und 100 nm liegt.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass die obere Elektrode eines BAW-Resonators auch im ungehäusten oder im nicht-hermetisch gehäusten Zustand Umgebungseinflüssen wider- steht. Ferner bleibt aufgrund der schützenden Wirkung der o- beren Schicht die hohe Leitfähigkeit der darunterliegenden Elektrode erhalten, so dass der Resonatorstrom ohne signifikante Verluste geführt werden kann.
Zusätzlich ist die obere Elektrode auch bei Prozessschritten während der Herstellung der einzelnen BAW-Resonatoren geschützt, wie beispielsweise vor einem elektrochemischen Korrodieren aufgrund des Wassers, welches beim Zersägen der Wafer eingesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die aufgebrachte Passivierungsschicht herangezogen werden, um eine Frequenz des BAW-Resonators auf eine erwünschte Zielfrequenz einzustellen. . Ebenso kann die Passi- vierungsschicht eingesetzt werden, um in einem BAW-Resonator eine Verstimmung bezüglich einer erwünschten Frequenz einzustellen, wie dies bei Filteranordnungen erforderlich ist, welche eine Mehrzahl von BAW-Resonatoren verwenden. Ein Beispiel ist die sogenannte Leiter-Topologie für Bandpaßfilter, bei der alle Parallel-Resonatoren gegenüber den Serien- Resonatoren verstimmt sind, um die gewünschte Bandpaß- Filterwirkung zu erzielen. Im wesentlichen muß hierbei die sogenannte Parallelresonanz der Parallel-Resonatoren der sogenannten Serienresonanz der Serien-Resonatoren entsprechen, d.h. die Frequenz-Verstimmung zwischen Serien- und Parallelresonatoren entspricht im wesentlichen der Resonator-
Bandbreite (dem Frequenzabstand zwischen den beiden Resonanzfrequenzen eines Resonators) .
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen BAW-Resonators; und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen BAW-Resonators.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer BAW-Resonator gezeigt, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Der BAW-Resonator 100 umfasst ein Substrat 102, das eine erste, untere Hauptoberfläche 104 und eine zweite, obere
Hauptoberfläche 106 umfasst. Auf der zweiten Hauptoberfläche 106 ist eine erste, untere Elektrode 108 gebildet, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium hergestellt ist. Ferner ist ein isolierender Abschnitt 110 ge- zeigt, der ebenfalls auf der oberen Hauptoberfläche 106 des
Substrats 100 angeordnet ist. Auf einem Abschnitt der unteren Elektrode 108 sowie auf dem isolierenden Abschnitt 110 ist eine piezoelektrische Schicht 112 aufgebracht, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine AIN-Schicht ist. Auf einem Abschnitt der dem Substrat 100 abgewandten Seite der piezoelektrischen Schicht 112 ist eine zweite, obere Elektrode 114, ebenfalls aus Aluminium, gebildet. Der BAW-Resonator bzw. der aktive Bereich desselben, ist durch den Bereich der piezoelektrischen Schicht 112 gebildet, in dem die untere E- lektrode 108 und die obere Elektrode 114 sich überlappen.
Wie in Fig. 1 ferner zu sehen ist, umfasst die untere Elektrode 108 einen Abschnitt, der sich von der piezoelektrischen Schicht 112 erstreckt, also von derselben nicht bedeckt ist. In diesem Bereich ist ein erster Anschluss 116 (Eingang oder Ausgang) vorgesehen, über den der BAW-Resonator 100 mit einem Draht 118 anschließbar ist (optional) . Ebenso wie die untere Elektrode 108 ist auch die obere Elektrode 114 in einem Abschnitt herausgezogen, wobei dieser Abschnitt dem isolierenden Abschnitt 110 gegenüberliegt. In diesem Bereich ist ein zweiter Anschluss 120 (Ausgang oder Eingang) vorgesehen, über den der BAW-Resonator 100 über einen Draht 122 anschließbar ist (optional) . Über die Anschlüsse 116 und 120 wird der BAW- Resonator elektrisch mit anderen Komponenten verbunden.
Wie in Fig. 1 ferner zu entnehmen ist, umfasst das Substrat einen Reflektorabschnitt 124, in dem ein akustischer Reflektor 126 angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Einzelschichten 126a bis 126c aufweist, die wechselweise eine hohe akustische Impedanz und eine niedrige akustische Impedanz aufweisen. Durch den akustischen Reflektor 126 ist die darüber angeordnete BAW-Resonatoranordnung akustisch von den unter dem Reflektor 126 liegenden Abschnitten des Substrats 102 entkoppelt.
Um die obere Elektrode 114 zu schützen, und um dadurch auf den Einsatz von hermetischen Gehäusen erfindungsgemäß verzichten zu können, ist die der piezoelektrischen Schicht 112 abgewandte Oberfläche der oberen Elektrode 114 mit einer Passivierungsschicht 128 bedeckt. Grundsätzlich ist es ausrei- chend , nur die obere Oberfläche der Elektrode 114 mit der
Passivierungsschicht zu bedecken. Aufgrund der Dimension des BAW-Resonators, die Schichtdicken der Schichten 108, 112, 114 liegen im Regelfall im um- oder nm-Bereich, sind die Flankenbereiche wenig kritisch und müssen nicht zwingend von der Passivierungsschicht bedeckt sein. Allerdings kann die Passivierungsschicht 124, wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, auch die gesamte freiliegende Oberfläche der
Schichtfolge 110, 112 bedecken. Die Kontakte 116, 120 werden vorzugsweise nach dem Aufbringen der Passivierungsschicht gebildet, indem in derselben entsprechende Bereiche freigelegt werden. Die Passivierungsschicht 128 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Siliziumnitridschicht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wurde für die piezoelektrische Schicht ein Aluminiumnitridmaterial verwendet, welches sich in feuchten Umgebungen nicht verschlech- tert, und insbesondere korrosionsbeständig ist. Ferner wird als Material für die Elektrodenschichten Aluminium verwendet, welches ohne weiteres in Standardprozessen der Halbleiterfertigung verfügbar ist, eine hohe Leitfähigkeit bietet und gleichzeitig als Anschlussflächenmetallisierung (siehe Fig. 1) verwendet werden kann.
Weitere Ausführungsbeispiele umfassen die Fälle, in denen die untere Elektrode 108 aus einem anderen Material besteht oder eine Mehrschichtelektrode ist, sowie die Fälle, in denen die obere Elektrode 114 aus einem anderen Material besteht bzw. eine Mehrschichtelektrode ist.
Eine typische Dicke des Siliziumnitridfilms liegt etwa zwischen 20 nm und 200 nm.
Um die Zuverlässigkeit der Passivierungsschicht 128 sicherzustellen, wurden Vergleichsversuche angestellt (Pressure Cooker Test) . Hierbei wurde zunächst ein BAW-Resonator bzw. eine BAW-Filteranordnung welche eine Mehrzahl von BAW-Resonatoren umfasst, die jeweils obere Elektroden aus Aluminium ohne Passivierungsschicht umfassten, in einem nicht-hermetischen Gehäuse eingeschlossen. Die nicht-hermetische Abschottung der einzelnen BAW-Resonatoren führte zu einer Korrosion der oberen Aluminiumelektroden aufgrund des in dem Gehäuse auftre- tenden Niederschlags, so dass die so gehäusten BAW-Filter nicht mehr funktionsfähig waren, weil sich ihre Filtercharakteristik geändert hatte. Bei einem gleich aufgebauten BAW-
Filter mit einer Mehrzahl von BAW-Resonatoren ohne Passivierungsschicht, das in einem geöffneten, nicht-hermetischen Gehäuse angeordnet war, wurde die oben beschriebene Korrosion der oberen Elektroden nicht festgestellt, da es hier zu kei- ner Tröpfchenbildung durch Kondensation kam. Bei einem gleich aufgebauten BAW-Filter mit einer Mehrzahl von BAW-Resonatoren mit der erfindungsgemäßen Passivierungsschicht, das in einem nicht-hermetischen Gehäuse angeordnet war, wurde die oben beschriebene Korrosion der oberen Elektroden nicht festge- stellt.
Allgemein bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass lediglich ein dünner Film, z. B. aus Siliziumnitrid, ausreichend ist, um einen sehr guten Schutz der oberen Elektrode zu gewährleisten. Dieser dünne Passivierungsfilm ist auch akustisch dünn, d.h. er beeinflußt das Resonanzverhalten des Reo- nators nur in geringem Maße. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des sehr dünnen Passivierungsfilmes besteht darin, dass dieser gezielt für eine Verbesserung des Temperaturkoeffi- zienten für Temperaturverschiebungen (TCF) eingesetzt werden kann.
Der von der vorliegenden Erfindung gelehrte Ansatz Passivie- rungsschichten bei BAW-Resonatoren zu verwenden, ist bisher noch nie verfolgt worden, da immer davon ausgegangen wurde, dass Passivierungsschichten das akustische Verhalten der BAW-Resonatoren zu stark beeinflussen, und insbesondere die Bandbreite deutlich verschlechtern. Die vorliegende Erfindung lehrt einen sehr dünnen Passivierungsfilm, der die erforder- lieh Schutzwirkung entfaltet, jedoch im wesentlichen keinen Einfluss auf die akustischen Eigenschafen des BAW-Resonators hat. Im Gegensatz zu dicken Passivierungsstapeln aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid, wie sie z. B. bei Standard CMOS- Prozessen eingesetzt werden, besteht der Hauptaspekt der Pas- sivierungsschichten auf einem BAW-Filter nicht darin, eine Diffusion von Alkali-Ionen in das Substrat zu verhindern, sondern vielmehr soll die Korrosion der oberen Elektrode ver-
hindert werden. Eine gewisse Diffusionsrate und sogar sogenannte Pinhole-Defekte sind akzeptabel, solang hierbei keine Korrosion der Elektrode festgestellt wird.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert, wobei hier ähnliche oder gleiche Elemente, die bereits anhand der Fig. 1 beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht erneut näher erläutert werden. In Fig. 2 ist ein BAW-Resonator 200 gezeigt, der wiederum ein Substrat 102 umfasst, auf dessen oberer Oberfläche 106 eine erste Elektrode 108 gebildet ist. Auf dieser Elektrode ist wiederum die piezoelektrische Schicht 112 gebildet, auf der die obere Elektrode 114 des BAW-Resonators erzeugt wurde. Anders als bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Passivierungsschicht 128 vollständig auf der Oberfläche der Anordnung abgeschieden, so dass also neben der oberen Elektrode 114 auch die freiliegenden Abschnitte der oberen Ober- fläche 106 des Substrats 102 sowie die Seitenwände des
Schichtstapels 108, 112, 114 von der Passivierungsschicht 128 bedeckt sind. Diese Abscheidung der Passivierungsschicht ist ausführungsmäßig und herstellungstechnisch zu bevorzugen, da hierdurch ein kompletter Schutz der Wafer- bzw. Chipoberflä- ehe in einem Arbeitsgang erzielt werden kann (wobei die Kontaktflächen der Pads natürlich zu öffnen sind) .
Anders als bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier kein akustischer Reflektor zur Entkopplung des aktiven Bereichs des Resonators von einem Substratbereich vorgesehen, sondern vielmehr wird hier eine Ausnehmung 130 in der unteren Oberfläche 104 des Substrats 102 gebildet, um einen Membranbereich 132 festzulegen, wodurch der Resonatorbereich akustisch von dem Substrat 102 entkoppelt ist. Gemäß der Fig. 2 besteht der Membranbereich 132 aus einer
Trägermembran aus dem Substratmaterial, auf der sich der eigentliche Resonator bestehend aus piezoelektrischer Schicht
mit unterer und oberer Elektrode befindet. Solche Anordnungen lassen sich mit den Mitteln der sogenannten Volumen- Mikromechanik (bulk micromachining) herstellen. Alternativ können jedoch auch Membranstrukturen verwendet werden, bei denen die Trägermembran aus einer dünnen abgeschiedenen Schicht wie z.B. Polysilizium oder Siliziumnitrid besteht, und die durch einen dünnen Hohlraum vom Substratmaterial ent¬ koppelt sind. Solche Membranlösungen können mittels Oberflä- chen-Mikromechanik (surface micromachining) hergestellt wer- den. Desweiteren sind Membranstrukturen möglich, bei denen die Membran rein aus dem piezoelektrischen Material samt unterer und oberer Elektrode besteht und auf eine Träger- Membran verzichtet.
Zusätzlich zu der oben detailliert beschriebenen Passivierung der oberen Elektrode zum Schutz derselben vor Korrosion und anderen Einflüssen kann die Passivierungsschicht 128 auch noch zur Einstellung oder zum Verstimmen der Resonanzfrequenzen des BAW-Resonators herangezogen werden. Hierzu ist es allgemein erforderlich, die Dicke der Passivierungsschicht entsprechend einzustellen. Obwohl anhand der Fig. 1 und 2 bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, bei denen als Elektrodenmaterial Aluminium, als Passivierungsmaterial Siliziumnitrid und als piezoelekt- risches Schichtmaterial Aluminiumnitrid verwendet wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Materialien beschränkt .
Die Passivierungsschicht kann allgemein aus einer Oxid- schicht, einer Nitridschicht, einer Kombination derselben o- der aus einem Edelmetall hergestellt sein. Vorzugsweise besteht die Passivierungsschicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, A1203, Ta203, TiN, Au oder Pt . Hinsichtlich der Verwendung von Titannitrid (TiN) , Au, und PT wird darauf hingewie- sen, dass es sich hierbei um leitfähiges Materialen handelt, welche, zur Vermeidung von Kurzschlüssen, entsprechend der
Form der Elektrode 114, welche zu schützen ist, zu strukturieren sind.
Ferner wurde oben beschrieben, dass die Passivierungsschicht vorzugsweise eine Dicke von etwa 20 nm bis 200 nm hat. Diese Dicken können auch größer oder kleiner sein, solange sichergestellt ist, dass die aufgebrachte Passivierungsschicht die akustischen Eigenschaften des BAW-Resonators nicht in unzulässiger Weise verschlechtert.
Obwohl anhand der Fig. 1 und 2 Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, bei dem die piezoelektrische Schicht sowie die einzelnen Elektroden als Einzelschichten beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Die piezoelektrische Schicht 112 kann beispielsweise durch eine erste Schicht und eine zweite Schicht gebildet sein, wobei die erste Schicht ein piezoelektrisches Material mit einer ersten Orientierung und die zweite Schicht ein piezoelektrisches Material mit einer zweiten Orientierung u - fasst, wobei die Orientierungsrichtungen der zwei Materialien entgegengesetzt sind. Die zwei Schichten in der Schichtfolge 112 sind akustisch gekoppelt. Anstelle der zwei unterschiedlichen Schichten kann die piezoelektrische Schicht aus einem Material bestehen, z. B. PZT, welches derart aufgewachsen wurde, dass in einem ersten Abschnitt eine Orientierung in eine erste Richtung gerichtet ist, und in einem zweiten Abschnitt eine Orientierung in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. Anstelle der nur zwei Schichten kann die piezoelektrische Schicht 112 auch ei- ne Mehrzahl von ersten und zweiten Schichten bzw. ersten und zweiten Abschnitten umfassen, die abwechselnd akustisch miteinander gekoppelt sind.
Ferner können anstelle der einschichtigen Elektroden 108 und 114 auch mehrschichtige Elektroden verwendet werden, die dann unterschiedliche Materialien, z. B. Materialien mit unter-
schiedlicher akustischer Impedanz (z.B. AI, W) wechselweise umfassen.
Bezugszeichenliste
100 BAW-Resonator
102 Substrat 104 untere Hauptoberfläche des Substrats
106 obere Hauptoberfläche des Substrats
108 untere Elektrode
110 isolierender Abschnitt
112 piezoelektrische Schicht 114 obere Elektrode
116 erster Anschluss
118 Draht
120 zweiter Anschluss
122 Draht 124 Reflektorabschnitt
126 akustischer Reflektor
126a - 126c Einzelschichten des akustischen Reflektors
128 Passivierungsschicht
130 Ausnehmung in dem Substrat 132 Membranbereich
Claims
1. BAW-Resonator mit
einem Substrat (102 ) ;
einer ersten Elektrode (108 ) , die auf einer Oberfläche (106) des Substrats (102 ) angeordnet ist;
einer piezoelektrischen Schicht (112 ) , die zumindest teilweise auf der ersten Elektrode (108 ) angeordnet ist;
einer zweiten Elektrode (114 ) , die zumindest teilweise auf der piezoelektrischen Schicht ( 112 ) und zumindest teilweise überlappend mit der ersten Elektrode ( 108 ) angeordnet ist; und
einer Passivierungsschicht ( 128 ) , die auf der zweiten Elektrode (114) angeordnet ist, um die zweite Elektrode (114 ) zu schützen.
2. BAW-Resonator nach Anspruch 1, bei dem die Passivierungsschicht (128 ) eine akustisch dünne Schicht ist, die die Resonatoreigenschaften im wesentlichen nicht beeinflusst .
3. BAW-Resonator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Passivierungsschicht (128) eine Oxidschicht, eine Nitridschicht, eine Kombination derselben oder ein Edelmetall umfasst.
4. BAW-Resonator nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht (128) aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Siliziumoxid, Siliziumnitrid, A1203, Ta203, TiN, Gold oder Platin umfasst.
5. BAW-Resonator nach Anspruch 4, bei dem die Passivierungsschicht (128) eine strukturierte TiN-, Gold- oder Platinschicht umfasst.
6. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Passivierungsschicht (128) eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 200 nm hat.
7. BAW-Resonator nach Anspruch 6, bei dem die Passivierungsschicht (128) eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 100 nm hat.
8. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Passivierungsschicht (128) angeordnet ist, um die zweite
Elektrode (114) von der Umgebung zu trennen.
9. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Passivierungsschicht (128) angeordnet ist, um die frei- liegenden Abschnitte der ersten Elektrode (108), der piezoelektrischen Schicht (112), der zweiten Elektrode (114) und/oder des Substrats (102) zu bedecken.
10. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Passivierungsschicht (128) nach dem Aufbringen derselben auf eine vorbestimmte Dicke einstellbar ist, um eine Frequenz des BAW-Resonators auf eine Zielfrequenz einzustellen, oder um eine Verstimmung des BAW-Resonators gegenüber einer vorbestimmten Frequenz einzustellen.
11. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Substrat (102) einen akustischen Reflektor (126) oder einen Membranbereich (132) umfasst, um die piezoelektrische Schicht (112) akustisch von dem Substrat (102) zu trennen.
12. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die piezoelektrische Schicht (112) eine erste Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das in eine erste Richtung orientiert ist, und eine zweite Schicht aus einem piezoelekt- rischen Material, das in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, orientiert ist, umfasst, wobei die erste und die zweite Schicht akustisch miteinander gekop- pelt sind, oder bei dem die piezoelektrische Schicht (112) zumindest zwei akustisch gekoppelte Abschnitte mit entgegengesetzter Orientierung umfasst.
13. BAW-Resonator nach Anspruch 12, bei dem die piezoelektrische Schicht (112) eine Mehrzahl von ersten Schichten und eine Mehrzahl von zweiten Schichten umfasst, die abwechselnd akustisch miteinander gekoppelt sind.
14. BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die erste Elektrode (108) und/oder die zweite Elektrode (114) eine Mehrzahl von Schichten umfassen.
15. BAW-Resonator nach Anspruch 14, bei dem die erste Elekt- rode (108) und/oder die zweite Elektrode (114) Aluminium und
Wolfram umfassen.
16. BAW-Filter mit einem oder mehreren BAW-Resonatoren (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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