WO2015135717A1 - Baw-resonator mit temperaturkompensation - Google Patents
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Definitions
- Temperature compensated BAW resonator The increasing number of frequency bands that are approved for modern mobile phones and other wireless applications means that the individual radio systems in the marketplace are becoming increasingly popular
- the filters have production-related frequency spreads that further complicate the clean separation of adjacent frequency bands. So is modern
- Production standards generally expect a manufacturing tolerance in the range of 800 to 1500 ppm, which can affect both sides of the passband. In the worst case, so the gap between two adjacent frequency bands is narrowed by unfavorable manufacturing tolerances from both sides.
- TCF Temporal Coefficient of Frequency
- the TCF of a BAW resonator depends on the temperature coefficients of the acoustic parameters (sound velocity and impedance) of the respective ones Materials of which the resonator is made. To a small extent, it is also dependent on the thermal expansion coefficient of the materials.
- the TCF of the total resonator results as a kind of weighted average over the properties of the single layers, the
- the effective TCF is thus determined by the detailed structure of the layer stack in the resonator.
- band 22 has a frequency gap of only 5700 ppm between the TX and RX bands.
- acoustic resonators made of materials having a positive temperature coefficient of their viscoelastic properties. These materials show an increase in their modulus of elasticity when heated, causing the resonance frequency to increase. Because the
- Plurality of all materials used in resonators has a negative temperature coefficient of their viscoeleastica properties, can by a suitable Material combination the temperature coefficient of the
- SMR solidly mounted resonator
- a Bragg mirror When built on an acoustic mirror, in which alternate high and low impedance layers and form a Bragg mirror. A Bragg mirror then exhibits optimum reflection for an acoustic wave of wavelength ⁇ when the individual low and high impedance layers have a thickness of approximately ⁇ / 4, respectively.
- Resonance frequency This in turn can be compensated by reducing the layer thickness of the piezoelectric layer of the resonator. Although a compensation of the TCF succeeds, the piezoelectric coupling is also greatly reduced by the reduction of the layer thickness of the piezoelectric layer, e.g. about 50%.
- Object of the present invention is to provide a BAW resonator having a temperature compensation, but in which the effective coupling is not so much reduced as in said solutions.
- the invention provides a BAW resonator of the SMR type, in which between the acoustic mirror and the lower
- Electrode layer is placed a compensation layer having a material with positive temperature coefficient of their viscoelastic properties.
- a compensation layer having a material with positive temperature coefficient of their viscoelastic properties.
- the thicknesses of the compensation layer and the piezo layer are now chosen so that the proportion of the localized in the compensation layer acoustic energy is minimal. According to the invention, this is achieved by greatly increasing the thickness of the layer or of the layers between the uppermost high-impedance layer and the lower electrode of the resonator, usually the sum layer thickness of the low-impedance layer and the compensation layer, and for a Bragg reflector
- a layer thickness of at least ⁇ ⁇ selected. Assuming that the upper low impedance ⁇ layer has a layer thickness of ⁇ / 4, which is
- the proportion of the acoustic energy which is located outside the piezoelectric layer a minimum proportion.
- a BAW resonator with a compensation layer of the specified layer thickness shows only a small reduction of the effective coupling by about 10 to 15% compared to a BAW resonator without compensation layer.
- the resonant frequency of the resonator changes very little due to such a thick compensation layer. This change can be achieved by a slight adaptation of the layer thicknesses of electrode layer and / or piezoelectric
- Compensating a BAW resonator obtained which can achieve a complete temperature compensation, which thus shows a TCF of the viscoelastic properties and thus a center frequency TCF of zero.
- An SMR-type BAW resonator is constructed as a stack of layers on a substrate.
- This layer stack includes over the substrate first an acoustic mirror. This comprises at least two mirror layers, wherein high-impedance layers and low-impedance layers are arranged in alternating sequence.
- the compensation layer is arranged above the acoustic mirror.
- the lower electrode layer of the BAW resonator is arranged above the piezoelectric
- a preferred material for the compensation layer is Si0 2 - This shows a sufficiently high positive
- Compensation layer of S1O 2 in conjunction with suitable high impedance layers also effective as a low impedance layer of the acoustic mirror.
- Upper low impedance layer and compensation layer can therefore be made of the same
- the piezoelectric layer comprises aluminum nitride as the piezoelectric material.
- Aluminum ⁇ nitride shows in comparison to other piezoelectric
- Materials have a relatively low TCF of viscoelastic properties.
- aluminum nitride has a relatively high piezoelectric coupling.
- high-density materials can be used as the high-impedance layers of the acoustic mirror. Preference is given to metals and in particular heavy metals such as tungsten, molybdenum, rubidium, scandium or tantalum. Also gold, platinum and a 2 0s are suitable.
- dielectric layers may be used in one embodiment.
- Low acoustic impedance shows relatively low density layers. Preference is given to using layers of silicon, SiO 2 , silicon nitride or even organic layers, provided that they have sufficient thermal resistance and insensitivity to moisture.
- the lower electrode layer of the BAW resonator comprises a material having a higher impedance than aluminum. This achieves better coupling.
- a material used in the piezoelectric layer which, although has a worse behavior than aluminum nitride on temperature ⁇ , but shows a higher piezoelectric coupling.
- lithium niobate, lithium tantalate, zinc oxide, lead zirconate titanate and sodium potassium niobate can be used.
- the disadvantageous effect of the poorer temperature behavior (higher TCF) in known BAW resonators can be compensated with the invention. Due to the higher coupling resonators with better properties can be obtained, from which frequency-accurate filters can be built with improved properties.
- aluminum nitride is used for the piezoelectric layer, which is provided with a material that controls the piezoelectric coupling elevated.
- a material that controls the piezoelectric coupling elevated.
- the number of applications of the BAW resonators also increases for demanding applications or for demanding applications
- Vibration belly builds up in the compensation layer. This causes a strong to complete compensation of the TCF.
- the stress amplitude is substantially smaller within the compensation layer than in known BAW resonators with TCF compensation.
- Figure 1 shows a BAW resonator with a
- Figures 2A to 2C show the stress amplitudes of various
- FIG. 3 shows a filter constructed from BAW resonators.
- Figure 1 shows a schematic representation of how a
- Basis is a mechanically stable substrate SU, on which the
- Layer stack for the BAW resonator RES can be deposited.
- a preferred material is silicon.
- An acoustic mirror AS which comprises at least two mirror layers, is deposited directly on the substrate SU. The two mirror layers form a pair of a low-impedance layer LI and a high-impedance layer HI. Although only two mirror layers are shown here for the
- a per se known acoustic mirror generally comprises three to five mirror layers. The mirror effect, speak the
- Reflectivity of acoustic waves increases with the number of mirror layers and is still proportional to
- Impedance difference between a high impedance layer HI and a low impedance layer LI may optionally still a thin
- Adhesive layer be arranged.
- the compensation layer comprises KS ⁇ example, a thickness of 2 ⁇ / 4. This means that for a given propagation velocity of the acoustic wave within the uppermost low-impedance layer and the
- Compensating KS extend three quarters of a total oscillation. Also, the mirror layers have a defined layer thickness of about ⁇ / 4, which in units of length converted for different materials with different
- Speed of sound may mean different values.
- the compensation layer KS the first electrode ⁇ layer El, above the piezoelectric layer PS and above a second electrode layer E2 are arranged.
- Layer thicknesses of El, PS and E2 are chosen in the sum that they correspond to half a wavelength. However, since at least a portion of the acoustic energy is located within the compensation layer KS, a
- Layer thickness of at least one layer of El, PS and E2 is reduced. However, this is required to a limited extent in the BAW resonator according to the invention.
- the substrate is a
- the low-impedance layers LI are selected from S1O 2 , while the high-impedance layers HI comprise a heavy metal such as tungsten.
- the compensation layer KS is made of S1O 2 while the first and second electrodes El, E2 may be made of aluminum.
- the lower electrode El from a heavier metal than aluminum, for example from tungsten. It is also possible to assemble the electrode layers El and / or E2 from a plurality of partial layers, one of which is a layer with high acoustic impedance, while the other is electrically highly conductive.
- piezoelectric layer PS is preferably used aluminum nitride.
- a further compensation layer which in turn consists of a
- KS piezoelectric material with a higher piezoelectric coupling than aluminum nitride used. Although these materials have the disadvantage of a larger TCF, but according to the invention with the
- Compensation layer KS can be compensated, wherein a BAW resonator RES is obtained with good to complete TCF compensation with sufficient piezoelectric coupling.
- FIGS. 2A to 2C show, on the basis of schematic representations, how the acoustic energy is distributed over the layer stack of BAW resonators, wherein known and inventive BAW resonators are compared with one another.
- FIG. 2A shows a conventional BAW resonator without additional compensation layer.
- the lower electrode and above the piezoelectric layer PS is disposed directly above the uppermost low-impedance layer of the acoustic mirror AS. Shown within the layer stack is the stress amplitude at maximum deflection. It turns out that all nodes are at the phase boundaries
- the largest antinode runs in the figure to the right within the piezoelectric layer. Since the acoustic energy is proportional to the square of the stress amplitude shown in the figure, the difference in the acoustic energy between the acoustic mirror and the piezoelectric layer is about 1:10.
- FIG. 2B shows the course of the stress amplitude for a BAW resonator with a conventional upper low-impedance Layer whose thickness is chosen only slightly larger than ⁇ / 4, or which is reinforced by a compensation layer of only a small layer thickness. It turns out that the amplitude ratio deteriorates significantly and a large part of the acoustic energy within the acoustic
- FIG. 2C shows the course of the stress amplitude for a BAW resonator according to the invention with a layer thickness of the uppermost mirror layer (low-impedance layer LI and
- the BAW resonator with thick compensation layer KS of the present invention shown in FIG. 2C has improved piezoelectric coupling
- Figure 3 shows a per se known from resonators
- Such a filter comprises in a series branch between a first
- Filter terminal Tl and a second filter terminal T2 a number of three here in series resonators, which are provided according to the invention with the compensation layer.
- Parallel to this series branch two parallel branches are connected here against a reference potential, in each of which a BAW resonator is arranged. Since the resonators of which the filter is constructed, a greatly reduced to
- such a filter can be constructed with the BAW resonators according to the invention with a reduced to zero temperature drift of the center frequency.
- a tolerance reservation which takes into account the TCF, no longer required. This has the consequence that such as for example in Figure 3
- a filter produced from the resonators according to the invention are usually at least the metallic
- Layers of the acoustic mirror AS structured.
- the dielectric layers as well as the compensation layer KS can be made over the entire surface.
- the electrode layers El, E2 can be used simultaneously for the production of the electrical connections between adjacent BAW resonators.
- the invention is not limited to the embodiments shown in the embodiments. Rather, a BAW resonator according to the invention also includes embodiments which deviate from those illustrated. The invention does not exclude that in the stack of layers in addition to the mentioned
- Layer thicknesses of such functional layers are usually small and in the range between 10 and 150 nm.
- a BAW resonator according to the invention or a filter produced from the BAW resonators can be provided with an integrated package. For this purpose it is possible to bond the substrate with the stack of layers facing down onto a support, for example via bump connections. It is also possible to put an encapsulation on the substrate SU. Furthermore, it is possible
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Abstract
Es wird ein temperaturkompensierter BAW-Resonator (RES) vorgeschlagen, der über einem Substrat (SU) und einem akustischen Spiegel (AS) aufgebaut ist. Zwischen dem akustischen Spiegel und der untersten Elektrodenschicht (E1) ist eine Kompensationsschicht (KS) vorgesehen, die ein Material mit positiven Temperaturkoeffizienten der viskoelastischen Eigenschaften aufweist. Eine Verminderung der piezoelektrischen Kopplung durch diese Kompensationsschicht wird mit einer Gesamtschichtdicke von Kompensationsschicht und oberster Niederimpedanzschicht (LI) des akustischen Spiegels, minimiert, die ein ungerades Vielfaches von λ/4, mindestens aber 3/4 λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Welle ist.
Description
Beschreibung
BAW-Resonator mit Temperaturkompensation Die zunehmende Anzahl an Frequenzbändern, die für moderne Mobiltelefone und andere drahtlose Anwendungen zugelassen sind, führt dazu, dass die einzelnen Funksysteme im
Frequenzspektrum immer näher aneinander rücken. Um
benachbarte Frequenzbänder sauber zu trennen, benötigt man steilflankige Filter, d. h. Filter, deren Passband in
Richtung zu einem benachbarten Passband eines anderen
Funksystems schnell in eine ausreichende Dämpfung übergeht.
Neben eng benachbarten Funkbändern, die im Telefonendgerät voneinander getrennt werden müssen, treten als weiteres
Problem bei den Filtern produktionsbedingte Frequenzstreuungen auf, die die saubere Trennung von benachbarten Frequenzbändern weiter erschweren. So ist bei modernen
Produktionsstandards in der Regel eine Fertigungstoleranz im Bereich von 800 bis 1500 ppm zu erwarten, die sich auf beide Seiten des Passbands auswirken kann. Im ungünstigsten Fall wird so die Lücke zwischen zwei benachbarten Frequenzbändern durch ungünstig gelegene Fertigungstoleranzen von beiden Seiten her verengt.
Eine weitere Frequenzverschiebung ergibt sich bei Temperaturwechseln, da sich die Resonanzfrequenz von akustischen
Resonatoren, wie sie üblicherweise in Filtern eingesetzt werden, mit der Temperatur ändert. Diese Änderung wird durch den so genannten TCF (Temperature Coefficient of Frequency) in ppm/K beschrieben. Der TCF eines BAW Resonators z.B. ist abhängig von den Temperaturkoeffizienten der akustischen Parameter (Schallgeschwindigkeit und Impedanz) der jeweiligen
Materialien, aus denen der Resonator aufgebaut ist. In einem geringen Ausmaß ist er auch vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien abhängig. Der TCF des Gesamtresonators ergibt sich als eine Art gewichteter Mittelwert über die Eigenschaften der Einzelschichten, wobei die
Gewichtung proportional zum lokalen Stress im Bauteil
speziell im BAW Resonator ist. Bereiche mit hohem Stress sind höher zu gewichten als Bereiche mit niedrigem Stress. Der effektive TCF wird also durch den detaillierten Aufbau des Schichtenstapels im Resonator bestimmt.
Üblicherweise werden Mobiltelefone auf einen Temperatur¬ bereich von -35 bis +85 °C spezifiziert. Innerhalb dieses Temperaturintervalls ergibt sich für die in Filtern
eingesetzten akustischen Resonatoren mit einem typischen TCF von -25 ppm/K ein Frequenzvorhalt von ca. 3000 ppm. Ein
Filter, das diesen Frequenzvorhalt berücksichtigt, muss bei manchen Frequenzbandkombinationen extrem steilflankig
ausgebildet werden, da dieser Frequenzvorhalt einen
erheblichen Anteil dieser Frequenzlücke für sich beansprucht. So weist beispielsweise Band 22 eine Frequenzlücke von nur 5700 ppm zwischen dem TX- und dem RX-Band auf.
Es werden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, den Temperaturkoeffizienten zu reduzieren oder gar vollständig zu kompensieren. Bekannt ist es dazu, akustische Resonatoren aus Materialien zu verwenden, die einen positiven Temperaturkoeffizienten ihrer viskoelastischen Eigenschaften aufweisen. Diese Materialien zeigen bei Erwärmung eine Erhöhung ihres E- Moduls, wodurch die Resonanzfrequenz ansteigt. Da die
Mehrzahl aller bei Resonatoren verwendeten Materialien einen negativen Temperaturkoeffizienten ihrer viskoeleastischen Eigenschaften aufweist, können sich durch eine geeignete
Materialkombination die Temperaturkoeffizienten der
unterschiedlichen Materialien gegenseitig kompensieren.
BAW-Resonatoren, die direkt als Schichtenstapel auf einem Substratmaterial aufgebaut werden, so genannte SMR-Typ-BAW- Resonatoren (SMR = solidly mounted resonator) , werden
üblicherweise auf einem akustischen Spiegel aufgebaut, in dem sich Hoch- und Nieder-Impedanzschichten abwechseln und einen Bragg-Spiegel ausbilden. Ein Bragg-Spiegel weist dann eine optimale Reflexion für eine akustische Welle der Wellenlänge λ auf, wenn die einzelnen Nieder- und Hochimpedanzschichten eine Dicke von jeweils ungefähr λ/4 aufweisen.
Eine Möglichkeit zur Temperaturkompensation besteht darin, die Dicke der obersten Spiegelschicht eines Bragg-Spiegels , die der unteren Elektrode des Resonators unmittelbar
benachbart ist und welche üblicherweise aus S1O2 besteht, über den oben erwähnten Standardwert von λ/4 hinaus zu erhöhen. Dies führt zu höheren Stressdichten in der S1O2 Schicht und damit auch zu einer besseren Temperaturkompensation, allerdings auch zu einer Absenkung der
Resonanzfrequenz. Diese wiederum kann durch eine Reduktion der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht des Resonators kompensiert werden. Damit gelingt zwar eine Kompensation des TCF, jedoch wird durch die Reduktion der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht in der Folge auch die Piezokopplung stark reduziert, z.B. um ca. 50%.
Alternativ ist es dem Stand der Technik nach möglich, eine Siliziumdioxidschicht zwischen den Elektroden und der
Piezoschicht und sogar zwischen Teilschichten der
Piezoschicht anzuordnen. In diesem Fall ist die Degradation der effektiven Kopplung zwar nicht so stark ausgeprägt,
erreicht aber dennoch ca. 30 %. Dies führt dazu, dass derartige Filter mit Kompensation des TCF bei vielen
Filteranwendungen im Mobilfunkbereich die erforderlichen Spezifikationen nicht mehr erfüllen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen BAW- Resonator anzugeben, der eine Temperaturkompensation aufweist, bei dem aber die effektive Kopplung nicht so stark reduziert ist wie bei genannten Lösungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen BAW-Resonator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestal¬ tungen der Erfindungen gehen aus Unteransprüchen hervor. Die Erfindung gibt einen BAW-Resonator vom SMR-Typ an, bei dem zwischen dem akustischen Spiegel und der unteren
Elektrodenschicht eine Kompensationsschicht angeordnet wird, die ein Material mit positiven Temperaturkoeffizienten ihrer viskoelastischen Eigenschaften aufweist. Um die mit einer solchen Kompensationsschicht verbundenen Nachteile zu
reduzieren oder ganz zu kompensieren, werden nun die Dicken der Kompensationsschicht und der Piezoschicht so gewählt, dass der Anteil der in der Kompensationsschicht lokalisierten akustischen Energie minimal ist. Dies gelingt erfindungs- gemäß, indem man die Dicke der Schicht oder der Schichten zwischen der obersten Hochimpedanzschicht und der unteren Elektrode des Resonators, üblicherweise die Summenschicht- dicke aus Niederimpedanzschicht und Kompensationsschicht, stark von der üblichen und für einen Bragg-Reflektor
optimalen Schichtdicke von einem Viertel der akustischen
Wellenlänge λ abweichen lässt und insbesondere auf einen Wert anhebt, der einem ungeraden Vielfachen von λ/4 entspricht. Insbesondere wird eine Schichtdicke von zumindest Ή λ
gewählt. Geht man davon aus, dass die obere Niederimpedanz¬ schicht eine Schichtdicke von λ/4 aufweist, beträgt die
Schichtdicke der Kompensationsschicht dann ein Vielfaches von K/ 2 .
Überraschenderweise gelingt eine Optimierung mit einer solch dicken Kompensationsschicht bei beinahe unveränderter
Schichtdicke der Piezoschicht , so dass sich ein günstiges Amplitudenverhältnis der sich im gesamten Schichtenstapel aufbauenden stehenden Welle ergibt. Dabei weist der Anteil der akustischen Energie, der außerhalb der piezoelektrischen Schicht lokalisiert ist, einen minimalen Anteil auf.
Im Gegensatz dazu hätte man erwartet, dass mit zunehmender Dicke der Kompensationsschicht auch der Amplitudenanteil bzw. der Energieanteil an akustischer Energie in der
Kompensationsschicht ansteigt. Ein BAW-Resonator mit einer Kompensationsschicht der angegebenen Schichtdicke zeigt gegenüber einem BAW-Resonator ohne Kompensationsschicht eine nur geringe Verminderung der effektiven Kopplung um ca. 10 bis 15 %. Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, dass sich durch eine solche dicke Kompensationsschicht die Resonanzfrequenz des Resonators nur sehr wenig ändert. Diese Änderung kann durch eine geringfügige Anpassung der Schicht- dicken von Elektrodenschicht und/oder piezoelektrischer
Schicht korrigiert werden. Weiterhin wird mit dieser
Kompensationsschicht ein BAW-Resonator erhalten, der eine vollständige Temperaturkompensation erreichen kann, der also einen TCF der viskoelastischen Eigenschaften und damit einen TCF der Mittenfrequenz von Null zeigt.
Ein BAW-Resonator vom SMR-Typ ist als Schichtenstapel auf einem Substrat aufgebaut. Dieser Schichtenstapel umfasst über
dem Substrat zunächst einen akustischen Spiegel. Dieser umfasst zumindest zwei Spiegelschichten, wobei Hochimpedanzschichten und Niederimpedanzschichten in alternierender Abfolge angeordnet sind. Über dem akustischen Spiegel ist die Kompensationsschicht angeordnet. Über der Kompensations¬ schicht ist die untere Elektrodenschicht des BAW-Resonators angeordnet. Darüber befindet sich die piezoelektrische
Schicht und darüber die obere Elektrodenschicht.
Ein bevorzugtes Material für die Kompensationsschicht ist Si02- Dieses zeigt einen ausreichend hohen positiven
Temperaturkoeffizienten, mit dem eine effektive
Temperaturkompensation möglich ist. Weiterhin ist eine
Kompensationsschicht aus S1O2 in Verbindung mit geeigneten Hochimpedanzschichten auch als Niederimpedanzschicht des akustischen Spiegels wirksam. Oberste Niederimpedanzschicht und Kompensationsschicht können daher aus dem gleichen
Material ausgebildet sein. Möglich ist aber auch, dass für die beiden Schichten unterschiedliche Materialien eingesetzt werden
Weiter können die Kompensationsschicht und/oder die
Niederimpedanzschicht aus GeÜ2 ausgebildet sein. Zusätzlich können dann sowohl S1O2 als auch GeÜ2 mit geringen Mengen an F, P oder B angereichert sein.
In eine Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht als piezoelektrisches Material Aluminiumnitrid. Aluminium¬ nitrid zeigt im Vergleich zu anderen piezoelektrischen
Materialien einen relativ niedrigen TCF der viskoelastischen Eigenschaften. Weiterhin weist Aluminiumnitrid eine relativ hohe piezoelektrische Kopplung auf.
Als Hochimpedanzschichten des akustischen Spiegels können insbesondere Materialien mit hoher Dichte eingesetzt werden. Bevorzugt sind Metalle und insbesondere schwere Metalle wie Wolfram, Molybdän, Rubidium, Scandium oder Tantal. Auch Gold, Platin und a20s sind geeignet.
Als Niederimpedanzschichten können in einer Ausführungsform dielektrische Schichten eingesetzt werden. Eine niedrige akustische Impedanz zeigen Schichten mit relativ niedriger Dichte. Bevorzugt eingesetzt werden Schichten aus Silizium, S1O2, Siliziumnitrid oder auch organische Schichten, sofern diese eine ausreichende thermische Beständigkeit und eine Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweisen. In einer Ausführungsform weist die untere Elektrodenschicht des BAW-Resonators ein Material auf, das eine höhere Impedanz als Aluminium aufweist. Damit wird eine bessere Kopplung erzielt. In einer Ausführungsform wird in der piezoelektrischen Schicht ein Material eingesetzt, welches zwar ein schlechteres Temperaturverhalten als Aluminiumnitrid auf¬ weist, dafür aber eine höhere Piezokopplung zeigt. Es können beispielsweise Lithiumniobat , Lithiumtantalat , Zinkoxid, Bleizirkonattitanat und Natriumkaliumniobat eingesetzt werden. Der bei bekannten BAW-Resonatoren nachteilige Effekt des schlechteren Temperaturverhaltens (höherer TCF) kann mit der Erfindung kompensiert werden. Durch die höhere Kopplung können Resonatoren mit besseren Eigenschaften erhalten werden, aus denen frequenzgenaue Filter mit verbesserten Eigenschaften aufgebaut werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird für die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid verwendet, welches mit einem Material ist, das die piezoelektrische Kopplung
erhöht. So ist es bekannt, die piezoelektrische Kopplung durch eine Dotierung von Aluminiumnitrid mittels Yttrium oder Scandium zu erhöhen. Auch mit einer Dotierung durch Mg, Zr und Ti kann die piezoelektrische Kopplung erhöht werden. Auf diese Weise gelingt es, die Degradation bezüglich der
piezoelektrischen Kopplung, die auch mit der vorgeschlagenen Kompensationsschicht bis zu 15 % betragen kann, weiter zu verringern, sodass sie weniger als 15 % beträgt. Auf diese Weise gelingt es, BAW-Resonatoren auch für solche Anwendungen einzusetzen, die hohe Filterbandbreiten benötigen und bei denen eine Degradation der piezoelektrischen Kopplung von 15 % nicht den Spezifikationen entspricht. Mit einer
entsprechend erhöhten piezoelektrischen Kopplung,
beispielsweise durch die vorgeschlagene Auswahl an piezoelek- frischem Material, erhöht sich die Zahl der Einsatzmöglichkeiten der BAW-Resonatoren auch für anspruchsvolle Anwendungen bzw. für Anwendungen mit anspruchsvollen
Spezifikationen . In einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Kompensations¬ schicht λ/2 und die Dicke der oberen Niederimpedanzschicht λ/4. Möglich ist es jedoch auch, die Dicke der
Kompensationsschicht auf einen Wert von 2λ/2, 3λ/2 oder höher einzustellen, wobei immer Vielfache von λ/2 als mögliche Werte zulässig sind. Unter einer Schichtdicke von n x λ/2 (n = ganze Zahl) wird nicht ein exaktes Vielfaches von λ/2 verstanden. Vielmehr ist es klar, dass auch davon abweichende Schichtdicken, die aber im Bereich von n x λ/2 liegen, zulässig sind. Entscheidend ist, dass in der Kompensations- schicht Zonen mit hohem akustischen Stress entstehen, da das Ausmaß der Temperaturkompensation proportional zum Stress ist. Die Zonen, in denen die Stressamplitude einen Knoten (Nulldurchgang) aufweist, tragen somit kaum zur TCF
Kompensation bei. Gleichzeitig wird darauf geachtet, dass die akustische Energie außerhalb der Piezoschicht nicht zu groß wird, da sonst die effektive Kopplung zu stark absinkt. Im Fall der erfindungsgemäßen Kompensationsschicht mit einer Schichtdicke eines geradzahligen Vielfachen von λ/4 baut sich eine stehende Welle auf, bei der der Bauch der Schwingung mit der größten Amplitude im Bereich der piezoelektrischen
Schicht liegt, und sich gleichzeitig ein sekundärer
Schwingungsbauch in der Kompensationsschicht aufbaut. Dieser bewirkt eine starke bis vollständige Kompensation des TCF.
Weiter zeigt sich, dass die Stressamplitude, deren Quadrat proportional zur gespeicherten akustischen Energie ist, innerhalb der Kompensationsschicht wesentlich geringer ist als in bekannten BAW-Resonatoren mit TCF-Kompensation .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Figur 1 zeigt einen BAW-Resonator mit einer
Kompensationsschicht in SMR-Technologie im schematischen Querschnitt,
Figur 2A bis 2C zeigen die Stressamplituden verschiedener
BAW-Resonatoren im schematischen Querschnitt,
Figur 3 zeigt ein aus BAW-Resonatoren aufgebautes Filter.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung, wie ein
erfindungsgemäßer BAW-Resonator aufgebaut sein kann. Basis ist ein mechanisch stabiles Substrat SU, auf dem der
Schichtstapel für den BAW-Resonator RES abgeschieden werden kann. Ein bevorzugtes Material ist Silizium. Direkt auf dem Substrat SU ist ein akustischer Spiegel AS abgeschieden, welcher zumindest zwei Spiegelschichten umfasst. Die beiden Spiegelschichten bilden ein Paar aus einer Niederimpedanzschicht LI und einer Hochimpedanzschicht HI. Obwohl hier nur zwei Spiegelschichten dargestellt sind, die für die
gewünschte Reflexion ausreichend sein können, umfasst ein an sich bekannter akustischer Spiegel in der Regel drei bis fünf Spiegelschichten. Die Spiegelwirkung, sprich die
Reflektivität akustischer Wellen, steigt mit der Anzahl der Spiegelschichten und ist weiterhin proportional zum
Impedanzunterschied zwischen einer Hochimpedanzschicht HI und einer Niederimpedanzschicht LI. Zwischen akustischem Spiegel AS und Substrat SU kann gegebenenfalls noch eine dünne
Haftvermittlerschicht angeordnet sein.
Über dem akustischen Spiegel AS, welcher nach oben mit einer Niederimpedanzschicht LI endet, ist eine Kompensationsschicht KS angeordnet. Die Kompensationsschicht KS weist beispiels¬ weise eine Dicke von 2λ/4 auf. Dies bedeutet, dass sich bei gegebener Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle innerhalb der obersten Niederimpedanzschicht und der
Kompensationsschicht KS drei Viertel einer Gesamtschwingung erstrecken. Auch die Spiegelschichten haben eine definierte Schichtdicke von ca. λ/4, was in Längeneinheiten umgerechnet für unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher
Schallgeschwindigkeit unterschiedliche Werte bedeuten kann.
Über der Kompensationsschicht KS sind die erste Elektroden¬ schicht El, darüber die piezoelektrische Schicht PS und darüber eine zweite Elektrodenschicht E2 angeordnet.
Schichtdicken von El, PS und E2 sind in der Summe so gewählt, dass sie einer halben Wellenlänge entsprechen. Da jedoch zumindest ein Teil der akustischen Energie innerhalb der Kompensationsschicht KS lokalisiert ist, kann eine
Schichtdickenanpassung erforderlich sein, bei der die
Schichtdicke von zumindest einer Schicht aus El, PS und E2 reduziert wird. Dies ist beim erfindungsgemäßen BAW-Resonator jedoch in nur geringem Umfang erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Substrat ein
kristallines Siliziumsubstrat, die Niederimpedanzschichten LI sind aus S1O2 gewählt, während die Hochimpedanzschichten HI ein schweres Metall wie beispielsweise Wolfram umfassen. Die Kompensationsschicht KS ist aus S1O2, während erste und zweite Elektrode El, E2 aus Aluminium bestehen können.
Möglich ist es jedoch auch, die untere Elektrode El aus einem schwereren Metall als Aluminium zu fertigen, beispielsweise aus Wolfram. Möglich ist es auch, die Elektrodenschichten El und/oder E2 aus mehreren Teilschichten zusammenzusetzen, von denen eine eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz ist, die andere dagegen elektrisch gut leitfähig ist. Als
piezoelektrische Schicht PS wird vorzugsweise Aluminiumnitrid eingesetzt .
In einer Ausführungsform (in Figur 1 nicht dargestellt) ist es möglich, auf der zweiten Elektrodenschicht E2 eine weitere Kompensationsschicht anzuordnen, die wiederum aus einem
Material mit positiven Temperaturkoeffizienten der
viskoelastischen Eigenschaften besteht.
In weiteren Ausführungsformen wird bei gleich bleibendem akustischen Spiegel und gleich bleibender Dicke der
Kompensationsschicht KS ein piezoelektrisches Material mit höherer piezoelektrischer Kopplung als Aluminiumnitrid eingesetzt. Diese Materialien haben zwar den Nachteil eines größeren TCF, der erfindungsgemäß jedoch mit der
Kompensationsschicht KS kompensiert werden kann, wobei ein BAW-Resonator RES mit guter bis vollständiger TCF- Kompensation bei ausreichend piezoelektrischer Kopplung erhalten wird.
Figur 2A bis 2C zeigen anhand schematischer Darstellungen, wie sich die akustische Energie über den Schichtenstapel von BAW Resonatoren verteilt, wobei bekannte und erfindungsgemäße BAW-Resonatoren miteinander verglichen werden.
Figur 2A zeigt einen an sich bekannten BAW-Resonator ohne zusätzliche Kompensationsschicht. Hier ist direkt über der obersten Niederimpedanzschicht des akustischen Spiegels AS die untere Elektrode und darüber die piezoelektrische Schicht PS angeordnet. Innerhalb des Schichtenstapels dargestellt ist die Stressamplitude bei maximaler Auslenkung. Es zeigt sich, dass sämtliche Schwingungsknoten an den Phasengrenzen
zwischen Spiegelschichten des akustischen Spiegels AS
angeordnet sind. Der größte Schwingungsbauch verläuft in der Figur rechts innerhalb der piezoelektrischen Schicht. Da die akustische Energie proportional zum Quadrat der in der Figur dargestellten Stressamplitude ist, beträgt der Unterschied in der akustischen Energie zwischen akustischem Spiegel und piezoelektrischer Schicht ca. 1:10.
Figur 2B zeigt den Verlauf der Stressamplitude für einen BAW- Resonator mit einer herkömmlichen oberen Niederimpedanz-
Schicht, deren Dicke nur wenig größer als λ/4 gewählt ist, bzw. die durch eine Kompensationsschicht von nur geringer Schichtdicke verstärkt ist. Es zeigt sich, dass sich das Amplitudenverhältnis wesentlich verschlechtert und ein großer Teil der akustischen Energie innerhalb des akustischen
Spiegels und der Kompensationsschicht lokalisiert ist. Für die Verteilung der akustischen Energie ergibt sich hier ein Verhältnis von 1:2, weshalb die effektive Kopplung dieses Resonators stark degradiert ist.
Figur 2C zeigt den Verlauf der Stressamplitude für einen erfindungsgemäßen BAW-Resonator mit einer Schichtdicke der obersten Spiegelschicht (Niederimpedanzschicht LI und
Kompensationsschicht KS sind hier nicht separat dargestellt) von 3λ/4. Hier ist bereits auf den ersten Blick ersichtlich, dass mit dieser Ausführung ein verbessertes Amplitudenverhältnis erreicht ist. Die Stressamplitude innerhalb der Kompensationsschicht ist wesentlich reduziert und der größte Schwingungsbauch praktisch vollständig innerhalb der
piezoelektrischen Schicht PS platziert. Gegenüber einem BAW- Resonator ohne TCF-Kompensation, wie er in Figur 2A
dargestellt ist, ist das Amplitudenverhältnis nur geringfügig verschlechtert, gegenüber einem bekannten BAW-Resonator mit Stresskompensation, wie er in Figur 2B dargestellt ist, jedoch stark verbessert. Da der Anteil der nutzbaren
akustischen Energie, der innerhalb der piezoelektrischen Schicht PS lokalisiert ist, ein Maß für piezoelektrische Kopplung ist, wird klar, dass der in Figur 2C dargestellte erfindungsgemäße BAW-Resonator mit dicker Kompensations- schicht KS eine verbesserte piezoelektrische Kopplung
aufweist bzw. eine piezoelektrische Kopplung, die wesentlich weniger durch die Kompensationsschicht reduziert ist als der bekannte BAW-Resonator mit TCF-Kompensation.
Ähnliche Verhältnisse bzw. ähnliche Verteilungen der
akustischen Energie innerhalb des erfindungsgemäßen BAW- Resonators werden erhalten, wenn die Gesamtdicke der
Niederimpedanzschicht LI und der Kompensationsschicht KS 5/4, 7/4 oder ein höheres ungeradzahliges Vielfaches von λ/4 beträgt .
Figur 3 zeigt ein an sich bekanntes aus Resonatoren
hergestelltes Filter vom Leiter-Typ. Ein solches Filter umfasst in einem Serienzweig zwischen einem ersten
Filteranschluss Tl und einem zweiten Filteranschluss T2 eine Reihe von hier drei in Serie geschalteten Resonatoren, die erfindungsgemäß mit der Kompensationsschicht versehen sind. Parallel zu diesem Serienzweig sind hier zwei Parallelzweige gegen ein Bezugspotenzial geschaltet, in denen jeweils ein BAW-Resonator angeordnet ist. Da die Resonatoren, aus denen das Filter aufgebaut ist, einen stark reduzierten bis
vollständig kompensierten Temperaturkoeffizienten der
viskoelastischen Eigenschaften aufweisen, kann ein solches Filter mit den erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren mit einem auf null reduzierten Temperaturdrift der Mittenfrequenz aufgebaut werden. Damit ist ein Toleranzvorbehalt, der den TCF berücksichtigt, nicht mehr erforderlich. Dies hat zur Folge, dass ein solches wie beispielsweise in Figur 3
dargestelltes Filter nun auch für Frequenzbänder die
dazugehörigen Mobilfunksysteme eingesetzt werden kann, die eine hohe Flankensteilheit wegen einer geringen Bandlücke zwischen zwei benachbarten Bändern aufweisen müssen. Solche steilflankige Filter können nun mit einem aus den
vorgestellten BAW-Resonatoren hergestellten Filter erzielt werden. Weitere Anwendungen für den BAW-Resonator ergeben sich bei allen anderen frequenzgenauen Anwendungen,
insbesondere bei Oszillatoren.
In einem aus den erfindungsgemäßen Resonatoren hergestellten Filter sind üblicherweise zumindest die metallischen
Schichten des akustischen Spiegels AS strukturiert. Die dielektrischen Schichten wie auch die Kompensationsschicht KS können ganzflächig ausgeführt werden. Durch Strukturierung der Elektrodenschichten El, E2 und der piezoelektrischen Schicht PS während und nach der Abscheidung gelingt es, mehrere BAW-Resonatoren in der gewünschten Weise miteinander zu verschalten. Die Elektrodenschichten El, E2 können dabei gleichzeitig zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen benachbarten BAW-Resonatoren verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr umfasst ein erfindungsgemäßer BAW-Resonator auch Ausführungsformen, die von den dargestellten abweichen. Die Erfindung schließt nicht aus, dass im Schichtenstapel neben den genannten
Schichten weitere Funktions-, Hilfs- und Zwischenschichten vorhanden sind, beispielsweise haftungsunterstützende
Schichten an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Schichten mit unterschiedlichen Schichtmaterialien. Die
Schichtdicken solcher Funktionsschichten sind üblicherweise gering und liegen im Bereich zwischen 10 und 150 nm. Weiterhin kann ein erfindungsgemäßer BAW-Resonator bzw. ein aus den BAW-Resonatoren hergestelltes Filter mit einem integrierten Package versehen werden. Dazu ist es möglich, das Substrat mit dem nach unten weisenden Schichtenstapel auf einen Träger aufzubonden, beispielsweise über Bump- Verbindungen. Möglich ist es auch, eine Verkapselung auf dem Substrat SU aufzusetzen. Weiterhin ist es möglich,
Verkapselungsschichten über dem Schichtenstapel aufzubringen,
die eine weitere Kompensationsschicht umfassen können, beispielsweise eine Si02-Schicht .
Bezugs zeichenliste
RES BAW Resonator
ST SchichtenStapel
El, E2 Elektrodenschichten
PS piezoelektrische Schicht
HI Hochimpedanzschicht
LI Niederimpedanzschcht
AS akustischer Spiegel
KS Kompensationsschicht
SU Substrat
Tl, T2 FilteranSchlüsse
Claims
BAW Resonator, aufweisend
ein Substrat (SU) und
einen darauf aufgebauten Schichtenstapel (ST) , umfassend
- zwei Elektrodenschichten (E1,E2)
- eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (PS)
- einen zwischen der unteren Elektrodenschicht (El) und dem Substrat angeordneten und zumindest zwei Spiegelschichten umfassenden akustischen Spiegel (AS), bei dem Hochimpedanzschichten (HI) und Niederimpedanzschichten (LI) in einer
alternierenden Abfolge angeordnet sind
- einer Kompensationsschicht (KS) , die ein Material mit positivem Temperaturkoeffizienten der viskoelastischen Eigenschaften aufweist und zwischen dem akustischen Spiegel und der unteren Elektrodenschicht (El) angeordnet ist
wobei
- die Spiegelschichten zusammen einen Braggspiegel ausbilden
- die Gesamtdicke der Schicht oder der Schichten
zwischen der obersten Hochimpedanzschicht und der unteren Elektrodenschicht einem ungeraden
Vielfachen von λ/4 entspricht und mindestens 3λ/4 beträgt,
- λ die Wellenlänge der zu reflektierenden
akustischen Welle ist.
2. BAW Resonator nach Anspruch 1,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) aus S 1O2 oder GeÜ2 in jeweils reiner oder mit F, P oder B
angereichterter Form ausgebildet ist.
3. BAW Resonator nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die oberste Niederimpedanzschicht (LI) des akustischen Spiegels (AS) und die
Kompensationsschicht (KS) aus dem gleichen Material ausgebildet sind.
4. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) A1N umfasst .
5. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Material zumindest einer oder aller der Hochimpedanzschichten (HI) ausgewählt ist aus W, Mo, Ta, Pt, Au, Ta205 und Sc.
6. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Material zumindest einer oder aller der Niederimpedanzschichten (LI) ausgewählt ist aus Si, S 1O2 , GeÜ2 , S 13N4 und einer organischen Schicht.
7. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die untere Elektrodenschicht (El) aus einem Material ausgebildet ist, das eine höhere akustische Impedanz als AI aufweist.
8. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem für die piezoelektrische Schicht (PS) ein Material eingesetzt ist, das eine höhere
Piezokopplung als A1N aufweist.
9. BAW Resonator nach Anspruch 8,
bei dem als Material für die piezoelektrische Schicht (PS) Lithiumniobat , Lithiumtantalat , Zinkoxid, PZT oder Natrium-Kaliumniobat ausgewählt sind.
10. BAW Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) eine
Dotierung zur Erhöhung der Piezokopplung aufweist.
11. BAW Resonator nach Anspruch 10,
bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) dotiertes A1N umfasst, zu dem als Dotierstoff Y, Mg, Zr, Ti oder Sc zugesetzt ist.
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