A thin film bulk acoustic wave resonator and a thin film bulk acoustic wave resonator assembly

Abstract

Various example embodiments relate to a solution for a film bulk acoustic resonator comprising a substrate, at least three electrodes disposed above the substrate and at least two piezo-electric layers disposed above the substrate such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. All odd number electrodes are connected together to a first electric port and have a first potential and all even number electrodes are connected together to a second electric port and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization.

Description

A THIN FILM BULK ACOUSTIC WAVE RESONATOR AND A THIN FILM BULK ACOUSTIC WAVE RESONATOR ASSEMBLYTECHNICAL FIELD

[0001] Various example embodiments generally relate to the field of resonators. In particular, the various example embodiments generally relate to a thin film bulk acoustic wave resonator and a thin film bulk acoustic wave resonator assembly.BACKGROUND

[0002] A thin film bulk acoustic wave resonator (FBAR) is a technology that is widely used for micro-acoustic filters operating at frequency below 2.5 GHz and having relatively narrow passband of 3%-5%. However, this technology has some difficulties, for example, in trying to meet modern phone specifications. For example, a piezo-membrane is required to be very thin (100-200 nm) for a high frequency resonance (> 5GHz for sub-6GHz band, 5G Wi-Fi band, and mm-wave band) . At the same time, the thin piezo-membrane is more fragile and also introduce more acoustic losses with relatively thick electrodes. Further, electrodes of reduced thickness inevitably have larger resistivity, and, hence, generate more heat, meanwhile having reduced ability for the heat evacuation.

[0003] Multi-layer piezo-membranes with alternating polarity directions have been used to provide both a thicker membrane and a higher operating frequency. However, the fabrication and deposition of opposite polarity of piezo-membranes require high precision machines and accurate control during the process.SUMMARY

[0004] This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the detailed description. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to limit the scope of the claimed subject matter. Further implementation forms are apparent from the dependent claims, the description, and the drawings.

[0005] According to a first aspect, there is provided a film bulk acoustic resonator comprising a substrate, at least three electrodes disposed above the substrate and at least two piezo-electric layers disposed above the substrate such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. All odd number electrodes are connected together to a first electric port and have a first potential and all even number electrodes are connected together to a second electric port and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. This may enable, for example, a solution in which the use of piezo-layers of the same polarization simplifies the device manufacturing. Further, the connections of layers may allow a reduction of the resonator area. Further, the multilayered structure including the metal layers is more robust and has higher ability for the heat evacuation.

[0006] According to an implementation form of the first aspect, electrodes having the same potential are connected to corresponding ports through a connecting via in at least two piezo-electric layers. This may enable, for example, a solution that uses the technology well-developed in the area of thin film bulk acoustic wave resonators.

[0007] According to an implementation form of the first aspect, electrodes having the same potential are connected with a side electrode connection. This may enable, for example, a solution that avoids through etching of piezo-electric layers.

[0008] According to an implementation form of the first aspect, the electrodes are arranged periodically, but connected in an interdigital-like pattern. This may enable, for example, a solution in which all layers work efficiently in phase, and provide  substantially the same piezo-coupling as in a single layer. The single resonators created by the piezo-electric layers are connected here in parallel.

[0009] According to an implementation form of the first aspect, the piezo-electric layer is an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer. This may enable, for example, a solution that exploits materials providing demanded piezo-coupling and, finally, demanded resonance-antiResonance (R-aR) frequency gap necessary for passband filter design. At relatively low frequencies, such as 1 GHz, the parallel connection of resonators allows reducing the resonator area.

[0010] According to an implementation form of the first aspect, the at least three electrodes are of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer.

[0011] According to a second aspect, there is provided a film bulk acoustic resonator assembly comprising two film bulk acoustic resonators according to the first aspect, wherein each film bulk acoustic resonator comprises two piezo-electric layers, wherein the two film bulk acoustic resonators are connected in series such that the two film bulk acoustic resonators share a middle electrode arranged between the two piezo-electric layers, wherein the a first electrode above the substrate is separated into two electrically disconnected parts corresponding to the two film bulk acoustic resonators, and wherein the top piezo-electric layer has a groove in the middle with the width comparable to its thickness and the depth of 10%to 100%of its thickness. This may enable, for example, a solution in which the impedance level of the resonator can be adjusted and power density in resonators reduced up to four times.

[0012] According to a third aspect, there is provided a film bulk acoustic resonator assembly comprising two film bulk acoustic resonators according to claim 1, wherein, in a film bulk acoustic resonator, each film bulk acoustic resonator comprises at least three piezo-electric layers, wherein electrodes having the same potential are connected with a side electrode connection, wherein the two film bulk acoustic resonators are connected in series. This may enable, for example, a solution in which the impedance level of the resonator can be adjusted and power density in each resonator is reduced.

[0013] According to a fourth aspect, there is provided a device comprising a film bulk acoustic resonator of the first aspect.

[0014] According to a fifth aspect, there is provided a device comprising a film bulk acoustic resonator assembly of the second or third aspect.

[0015] DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0016] The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the example embodiments and constitute a part of this specification, illustrate example embodiments and, together with the description, help to explain the example embodiments. In the drawings:

[0017] FIG. 1 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to an example embodiment.

[0018] FIG. 2 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to another example embodiment.

[0019] FIG. 3 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to an example embodiment.

[0020] FIG. 4A illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to an example embodiment.

[0021] FIG. 4B illustrates simulation results of the multi-layered film bulk acoustic resonator of FIG. 4A according to an example embodiment.

[0022] FIG. 5 illustrates an example of multi-layered film bulk acoustic resonators connected in series according to an example embodiment.

[0023] FIG. 6 illustrates an example of a manufacturing process of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to an example embodiment.

[0024] FIG. 7 illustrates simulation results of two multi-layered film bulk acoustic resonators according to an example embodiment.

[0025] FIG. 8 illustrates simulation results of 2D finite element simulation results of a multi-layered film bulk acoustic resonator of finite width according to an example embodiment.

[0026] Like references are used to designate like parts in the accompanying drawings.DETAILED DESCRIPTION

[0027] Reference will now be made in detail to example embodiments, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. The detailed description provided below in connection with the appended drawings is intended as a description of the present examples and is not intended to represent the only forms in which the present example may be constructed or utilized. The description sets forth the functions of the example and the sequence of steps for constructing and operating the example. However, the same or equivalent functions and sequences may be accomplished by different examples.

[0028] Various embodiments discussed below teaches a film bulk acoustic resonator that comprises a substrate, at least three electrodes disposed above the substrate, and at least two piezo-electric layers disposed above the substrate such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by two electrodes such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. All odd number electrodes are connected together to a first electric port and have a first potential and all even number electrodes are connected together to a second electric port and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. This enables a solution in which resonator manufacturing becomes simpler as all the piezo-electric layers of the same polarization. The connection of the electrodes separating the piezo-layers with the same orientation / polarity inverts the polarity of the electric fields in consequent layers and makes the piezo-coupling as efficient as in a single layer. Further, the multi-layered structure including the electrodes is more robust and has a higher ability for heat evacuation.

[0029] FIG. 1 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator 100 according to an example embodiment. The resonator 100 comprises three piezo-electric layers 106 disposed above a substrate 108 and separated with first electrodes 102 and second electrodes 104. The piezo-electric layers 106 are disposed above the substrate 108 such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. The piezo-electric layer 106 may be, for example, an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer. The first electrodes 102 are connected to each other through a first connecting via 112. Similarly, the second electrodes are connected to each other through a second connecting via 114. The electrodes 102, 104 may be of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer. The substrate 108 may be, for example, a Si or SiC substrate.

[0030] The thickness t of the piezoelectric layer may be determined by a desired resonance frequency FR and typically is close to a half of the acoustic wavelength bouncing up and down in the layer:  V being the bulk acoustic wave velocity. As a rough estimate for AlN V=7 km / s, and for 2 GHz device there is a 1.75μm thick piezo-layer. In reality, the presence of metal electrodes will lower frequency and the mutual influence of layers must be taken into account. Therefore, careful device design, for example, using some FEM software is needed to get desired FR, piezo-coupling, static capacitance, impedance at resonance and other parameters.

[0031] The first electrodes 102 are connected together to a first electric port 116 and have a first potential and the second electrodes 104 are connected together to a second electric port 118 and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. Alternatively, the electric port 118 can be connected to connecting via 114 on the top of the top piezoelectric layer 106 (not shown in FIG 1) . An opening 110 in the substrate 108 provides a resonator area for the resonator allowing to avoid bulk wave radiation inside the substrate  108. It is clear that the number of layers can be build up, correspondingly adding on top piezoelectric layers and electrodes and alternatively connecting the electrodes to terminals 110 and 118 through via connections 112 and 114 correspondingly prolonged (not shown in FIG. 1) . The piezoelectric layers 106 are shown as flat membranes or platelets, however most practical is a deposition of AlN (or AlScN) layers, and there will be no empty space between the layers, as illustrated in FIG. 2.

[0032] FIG. 2 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator 200 according to another example embodiment. The resonator 200 comprises two piezo-electric layers 206 disposed above a substrate 208 and separated with first electrodes 202 and a second electrode 204. In other words, the piezo-electric layers 206 are disposed above the substrate 208 such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. The piezo-electric layer 206 may be, for example, an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer. The first electrodes 202 are connected to each other through a connecting via 216. The electrodes 202, 204 may be of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer. The substrate 208 may be, for example, a Si or SiC substrate.

[0033] The first electrodes 202 are connected together to a first electric port 212 and have a first potential and the second electrode 204 is connected to a second electric port 214 and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. An opening 210 in the substrate 208 provides a resonator area for the resonator.

[0034] FIG. 3 illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator 300 according to an example embodiment. The resonator 300 comprises three piezo-electric layers 306 disposed, i.e. provided, above a substrate 308 and separated with first electrodes 302 and second electrodes 304. In other words, the piezo-electric layers 306 are disposed above the substrate 308 such that the internal piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. The piezo-electric layer 306 may be, for example, an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer. The first electrodes 302 are connected to each other with an electrode connection on a first side. Similarly, the first electrodes 304 are connected to each other with an electrode connection on a second side. The electrodes 302, 304 may be of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer. The substrate 308 may be, for example, a Si or SiC substrate or other high resistivity material.

[0035] The first electrodes 302 are connected together to a first electric port 312 and have a first potential and the second electrodes 304 are connected together to a second electric port 314 and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. An opening 310 in the substrate 308 provides a resonator area for the resonator.

[0036] FIG. 4A illustrates an example of a multi-layered film bulk acoustic resonator 400 according to another example embodiment. The resonator 400 illustrated in FIG. 4A is a combination of two resonators 200 illustrated in FIG. 2 connected in series through a middle electrode 416.

[0037] The resonator 400 comprises two piezo-electric layers 406 disposed above a substrate 408 and separated with first electrodes 402A, 402B the middle electrode 416. In other words, the piezo-electric layers 406 are disposed above the substrate 408 such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer. In this example, the first electrode 402A, 402B above the substrate 408 is separated into two electrically disconnected parts corresponding to the two resonators. The piezo-electric layer 406 may be, for example, an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer. The electrodes 402A, 402B, 416  may be of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer. The substrate 408 may be, for example, a Si or SiC substrate.

[0038] The first electrode 402A of a first resonator are connected together to a first electric port 412 and have a first potential via a side electrode 418 of the first resonator and the first electrode 402B of the second resonator are connected to a second electric port 414 via a side electrode 420 of the second resonator and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization. An opening 410 in the substrate 408 provides a resonator area for the resonator. The first electrodes 402A, 402Band the middle electrode 416 may be of a first metal, and the first side electrode 418 and the second side electrode 420 may be of a second metal. The second metal does not participate in resonator vibrations. and it serves only to reduce resistivity and can be rather thick, comparable with the piezo-layer thickness. The upper piezo-electric layer 406 may have a groove 404 in the middle with the width comparable to its thickness and the depth of 10%to 100%of its thickness. Such a groove prevents a propagation of running modes, such as A0, S0, SH0 along the structure and, thus serves to reduce the number and amplitude of spurious responses / resonances. Also, the grove “liberates” the top part of the top piezoelectric layer to vibrate more freely results in some increase of the resonator piezo-coupling (the increase of R-aR) .

[0039] In each resonator the admittance is roughly doubled compared to single-layer device with the same area of the piezo-electric layer, but due to the series connection of the resonators, the admittance is divided by two. As a result, the admittance of the resonator illustrated in FIG. 4A is about the same as that of a similar single-layer resonator. However, such a serial connection reduces power density in piezo-electric layer and the heat generation about four times, correspondingly increasing the resonator power handling capability.

[0040] FIG. 4B illustrates simulation results of the multi-layered film bulk acoustic resonator of FIG. 4A according to an example embodiment. The resonator includes two-layer stack with opposite polarity in AlScN piezoelectric layers, t= 500 nm, and Mo electrodes 100 nm thick. The groove etched at 100%of the piezo-layer thickness is supposed in the top piezo-layer. FIG. 4B illustrates simulation results of admittance and displacement distribution at resonance 4.56 GHz of the multi-layered film bulk acoustic resonator of FIG. 4A. The resonator demonstrates strong piezo-coupling with R-aR ～10%suitable for design of many RF filters for 5G phones.

[0041] FIG. 5 illustrates an example of multi-layered film bulk acoustic resonators 500, 502, 504 connected in series according to an example embodiment.

[0042] The example embodiment illustrated in FIG. 5 comprises three resonators illustrated in FIG. 3 connected in series above a substrate 506.

[0043] As a generalization of the example embodiment illustrated in FIG. 5, M multi-layered resonators having N layers can be connected in series, which will result in a change of impedance of a single-layer resonator Y0 according to the following proportion: Y= Y0*N / M. The absorbed power and generated heat will be reduced N*M times (if the final admittance is comparable to Y0) .

[0044] FIG. 6 illustrates an example of a manufacturing process of a multi-layered film bulk acoustic resonator according to an example embodiment. In this example, the multi-layered film bulk acoustic resonator corresponds to the resonator illustrated in FIG. 3.

[0045] At a) , a first Al electrode may be deposited above a SiC substrate.

[0046] At b) , a first piezo-electric layer of AlScN may be deposited and etched.

[0047] At c) , a second Al electrode may be deposited and etched.

[0048] At d) , a second piezo-electric layer of AlScN may be deposited and etched.

[0049] At e) , a third Al electrode may be deposited and etched.

[0050] At f) , a third piezo-electric layer of AlScN may be deposited and etched.

[0051] At g) , a fourth Al electrode may be deposited and etched.

[0052] At h) , an opening in the substrate may be effected.

[0053] The deposition of second metal for the busbars (contacts) is not shown in FIG. 6.

[0054] FIG. 7 illustrates finite element (FEM) simulation results of two multi-layered film bulk acoustic resonators according to an example embodiment. FIG. 7 illustrates a simulated excitation of resonance in two-layer and three-layer stacks having the piezo-coupling kt2 = 20.3%suitable for resonators used in radio frequency filters for mobile phones. The 500 nm thick AlScN (Sc 30%) are used with the same polarity and 100 nm Mo electrodes. Due to alternating direction of the electric field, the single piezo-layers operate in phase creating minimal stress at Mo electrodes between the layers. In FIG 7, short vertical arrows near the piezo-electric layers shown in top part indicate the polarity of the piezo-electric layers.

[0055] FIG. 8 illustrates 2D simulation results of a multi-layered film bulk acoustic resonator of finite width according to an example embodiment. In the simulation, kt2 is about 20%. The piezo-coupling remains substantially the same as in a single layer resonator, despite the presence of Mo electrodes.

[0056] Any range or device value given herein may be extended or altered without losing the effect sought. Also, any embodiment may be combined with another embodiment unless explicitly disallowed.

[0057] Although the subject matter has been described in language specific to structural features and / or acts, it is to be understood that the subject matter defined in the appended claims is not necessarily limited to the specific features or acts described above. Rather, the specific features and acts described above are disclosed as examples of implementing the claims and other equivalent features and acts are intended to be within the scope of the claims.

[0058] It will be understood that the benefits and advantages described above may relate to one embodiment or may relate to several embodiments. The embodiments are not limited to those that solve any or all of the stated problems or those that have any or all of the stated benefits and advantages. It will further be understood that reference to 'an' item may refer to one or more of those items.

[0059] The steps or operations of the methods described herein may be carried out in any suitable order, or simultaneously where appropriate. Additionally, individual blocks may be deleted from any of the methods without departing from the scope of the subject matter described herein. Aspects of any of the example embodiments described above may be combined with aspects of any of the other example embodiments described to form further example embodiments without losing the effect sought.

[0060] The term 'comprising' is used herein to mean including the method, blocks, or elements identified, but that such blocks or elements do not comprise an exclusive list and a method or apparatus may contain additional blocks or elements.

[0061] Although subjects may be referred to as ‘first’ or ‘second’ subjects, this does not necessarily indicate any order or importance of the subjects. Instead, such attributes may be used solely for the purpose of making a difference between subjects.

[0062] It will be understood that the above description is given by way of example only and that various modifications may be made by those skilled in the art. The above specification, examples and data provide a complete description of the structure and use of exemplary embodiments. Although various embodiments have been described above with a certain degree of particularity, or with reference to one or more individual embodiments, those skilled in the art could make numerous alterations to the disclosed embodiments without departing from scope of this specification.

Claims

1.A film bulk acoustic resonator, comprising:a substrate;at least three electrodes disposed above the substrate;at least two piezo-electric layers disposed above the substrate such that each piezo-electric layer is separated from another piezo-electric layer by an electrode such that one electrode is disposed below the piezo-electric layer and another one is disposed above the piezo-electric layer; andwherein all odd number electrodes are connected together to a first electric port and have a first potential and all even number electrodes are connected together to a second electric port and have a second potential, so that the electric field is oppositely directed inside of two neighbouring piezo-electric layers with the same polarization.2.The film bulk acoustic resonator according to claim 1, wherein electrodes having the same potential are connected to corresponding ports through a connecting via in at least two piezo-electric layers.3.The film bulk acoustic resonator according to claim 1, wherein electrodes having the same potential are connected with a side electrode connection.4.The film bulk acoustic resonator according to claim 3, wherein the electrodes are arranged periodically, but connected in an interdigital-like pattern.5.The film bulk acoustic resonator according to any of claims 1 -4, wherein the piezo-electric layer is an aluminium scandium nitride layer, aluminium nitride layer, zinc oxide layer, lithium tantalite layer or lithium niobate layer.6.The film bulk acoustic resonator according to any of claims 1 -5, wherein the at least three electrodes are of Al, Mo, Pt, W, or Cu alloys of these metals, or include sub-layers of them, with electrode thickness smaller than 20%of thickness of one piezo-electric layer.7.A film bulk acoustic resonator assembly, comprising:two film bulk acoustic resonators according to claim 1, wherein each film bulk acoustic resonator comprises two piezo-electric layers,wherein the two film bulk acoustic resonators are connected in series such that the two film bulk acoustic resonators share a middle electrode arranged between the two piezo-electric layers,wherein the a first electrode above the substrate is separated into two electrically disconnected parts corresponding to the two film bulk acoustic resonators, andwherein the top piezo-electric layer has a groove in the middle with the width comparable to its thickness and the depth of 10%to 100%of its thickness.8.A film bulk acoustic resonator assembly, comprising:two film bulk acoustic resonators according to claim 1, wherein, in a film bulk acoustic resonator, each film bulk acoustic resonator comprises at least three piezo-electric layers, wherein electrodes having the same potential are connected with a side electrode connection;wherein the two film bulk acoustic resonators are connected in series.9.A device comprising a film bulk acoustic resonator of any one of claims 1 -6.10.A device comprising a film bulk acoustic resonator assembly of claim 7 or 8.

Images