声学谐振器及其制造方法以及包括该声学谐振器的滤波器与流程

1.本公开涉及半导体技术领域，特别地，本公开涉及声学谐振器及其制造方法以及包括该声学谐振器的滤波器。


背景技术：

2.谐振器已被广泛应用于许多领域中。例如，在无线通信领域中，将射频(rf)和微波频率的谐振器用作滤波器以改善信号的接收和发送。随着对通信设备的小型化和微型化的需要，提出了基于压电效应的谐振器。在基于压电效应的谐振器中，在压电材料中产生声学谐振模式，其中声波被转换为无线电波。
3.根据不同的应用可以使用不同类型的声谐振器，例如薄膜体声学谐振器(fbar)、固态装配谐振器(smr)、耦合谐振器滤波器(crf)、堆叠体声学谐振器(sbar)和双体声学谐振器(dbar)。目前，由于薄膜体声学谐振器具有体积小、频率高、功率容量大、灵敏度高等优点，使得薄膜体声学谐振器除了被广泛应用于无线通信领域之外，还被应用于生物传感、医学测量等领域。
4.薄膜体声学谐振器的主体结构是由下电极-压电层-上电极组成的“三明治结构”。薄膜体声学谐振器通过在上电极和下电极之间施加电信号，利用逆压电效应，将输入电信号转换成声波震动，再通过压电效应将声波震动转换成电信号输出。理想地，薄膜体声学谐振器仅激发厚度方向上的纵向模，例如te模，这些模是具有沿着传播方向的传播向量的纵向机械波。te模理想地沿着薄膜体声学谐振器中的压电层的厚度方向传播。
5.然而，除了期望的te模之外，在薄膜体声学谐振器中还存在横向模，例如rayleigh-lamb模。rayleigh-lamb模是传播向量与te模的方向垂直的机械波。这些横向模沿着压电层表面在水平方向上传播。因此，横向模不利地影响声学谐振器的品质因数(q)。具体地，rayleigh-lamb模的能量在声学谐振器的横向边界处损失，导致所需的纵向模的能量损失，因此降低了品质因数q。


技术实现要素：

6.在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是，应当理解，此概述并非关于本公开的穷举性概述，也非意在确定本公开的关键性部分或重要部分，更非意在限定本公开的范围。此概述的目的仅在于以简化的形式给出关于本公开的某些发明构思，以此作为稍后给出的更详细的描述的前序。
7.本公开的目的在于提供能够提高品质因数的声学谐振器及其制造方法以及包括该声学谐振器的滤波器。
8.根据本公开的一个方面，提供了一种声学谐振器，包括：衬底，在衬底内部或表面上设置有反射构件；以及压电叠层，其设置在衬底上方以与反射构件交叠以构成有效谐振区域，压电叠层包括沿竖直方向依次设置的下电极、压电层和上电极，其中，在上电极和/或下电极中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成有完全被上电极和/或下电极包裹的
空腔。
9.根据本公开的实施方式，该声学谐振器还包括：种子层，其设置在衬底和下电极之间。
10.根据本公开的实施方式，反射构件包括反射空腔或布拉格反射器。
11.根据本公开的实施方式，衬底由选自以下至少之一的材料制成：硅、碳化硅和砷化镓。
12.根据本公开的实施方式，下电极和上电极中的每一个由选自以下至少之一的导电材料制成：钼、钨、铝、铂/钛叠层和金/铬叠层。
13.根据本公开的实施方式，压电层包括纤锌矿结构材料或钙钛矿结构材料。
14.根据本公开的实施方式，在上电极和/或下电极的上表面和/或下表面中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处设置有凸起部，空腔形成在凸起部中。
15.根据本公开的实施方式，在压电层中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成有完全被压电层包裹的空腔。
16.根据本公开的另一方面，提供了一种声学谐振器的制造方法，包括：在衬底内部或表面上形成反射构件；以及在衬底上方沿竖直方向依次形成与反射构件交叠的下电极、压电层和上电极，下电极、压电层和上电极构成压电叠层，压电叠层与反射构件交叠以构成有效谐振区域，其中形成下电极和/或上电极包括在上电极和/或下电极中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成有完全被上电极和/或下电极包裹的空腔。
17.根据本公开的实施方式，该制造方法还包括：在衬底和下电极之间形成种子层。
18.根据本公开的实施方式，反射构件包括反射空腔或布拉格反射器。
19.根据本公开的实施方式，形成下电极和/或上电极包括在上电极和/或下电极的上表面和/或下表面中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成凸起部，在凸起部中形成空腔。
20.根据本公开的实施方式，该制造方法还包括：在压电层中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成完全被压电层包裹的空腔。
21.根据本公开的又一方面，还提供了包括上述声学谐振器的体声学滤波器，以及包括这些体声学滤波器的双工器或多工器。
22.根据本公开的声学谐振器及其制造方法，通过在上电极和/或下电极中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处形成有完全被上电极和/或下电极包裹的空腔，能够在声学谐振器的有效谐振区域周围形成空腔以将谐振能量限制在有效谐振区域中，从而减少谐振能量的损失，提高声学谐振器的品质因数。
附图说明
23.所包括的附图用于提供本公开的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本公开的原理。
24.图1示出了根据本公开的第一实施方式的声学谐振器的截面视图。
25.图2示出了根据本公开的第一实施方式的声学谐振器的上电极的放大的截面视图。
26.图3示出了根据现有技术的声学谐振器和根据本公开的第一实施方式的声学谐振
器的有效谐振区域外部的振动位移的比较视图。
27.图4示出了根据现有技术的声学谐振器和根据本公开的第一实施方式的声学谐振器的阻抗的比较视图。
28.图5示出了根据本公开的第二实施方式的声学谐振器的截面视图。
29.图6示出了根据本公开的第二实施方式的声学谐振器的上电极的放大的截面视图。
30.图7示出了根据本公开的第三实施方式的声学谐振器的截面视图。
31.图8示出了根据本公开的第四实施方式的声学谐振器的截面视图。
32.图9示出了根据本公开的第五实施方式的声学谐振器的截面视图。
33.图10示出了根据本公开的实施方式的声学谐振器的制造方法的流程图。
34.图11示出了根据本公开的实施方式的声学滤波器的示意图。
具体实施方式
35.在本说明书中，还将理解，当一个元件被称为相对于其他元件，诸如在其他元件“上”，“连接到”或“耦接到”其他元件时，该一个元件可以直接设置在该一个元件上，直接连接到或直接耦接到该一个元件，或者还可以存在居间的第三元件。相反，当在本说明书中元件被称为相对于其他元件，诸如“直接”在其他元件“上”，“直接连接到”或“直接耦接到”其他元件时，在它们之间没有设置居间的元件。
36.现将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的元件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
37.本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个元件”的含义与“至少一个元件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
38.再者，“下”、“下方”、“上方”、“上”等用于说明图中所示的部件的位置关系。这些术语可以是相对的概念并且基于图中呈现的方向来描述。
39.除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
[0040]“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合。
[0041]
本文参照作为理想化的实施方式的截面视图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏
差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
[0042]
此外，在本文中，术语“声学谐振器”和“薄膜体声学谐振器”可以互换地使用。
[0043]
在下文中，将参照附图描述根据本公开的示例性实施方式。
[0044]
图1示出了根据本公开的第一实施方式的声学谐振器100的截面视图。
[0045]
如图1所示，根据本公开的第一实施方式的声学谐振器100包括：衬底101，在其内部或表面上设置有反射构件102；以及压电叠层110，其设置在衬底101上方与反射构件102交叠以构成有效谐振区域ra，压电叠层110包括沿竖直方向依次设置的下电极103、压电层105和上电极104。
[0046]
根据本公开的实施方式，衬底101可以是例如硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底等的半导体衬底。
[0047]
如图1所示，反射构件102在衬底101的内部以空腔的形式形成。然而，本领域技术人员应认识到，尽管本文以反射构件102形成在衬底101内部为例描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，反射构件102也可以在衬底101的表面上形成。
[0048]
可以通过本领域已知的多种方式在衬底101上形成具有空腔形式的反射构件102。例如，根据本公开的实施方式，可以通过光刻工艺在衬底101中形成槽，并且使用牺牲材料来填充槽。例如，根据本公开的实施方式，牺牲材料可以包括磷硅酸盐玻璃(psg)，其可以包括8％的磷和92％的二氧化硅。随后，可以通过去除槽中的牺牲材料来形成空腔102。
[0049]
此外，本领域技术人员还应认识到，尽管本文以空腔类型的反射构件102为例描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于此。反射构件102也可以是其他类型的反射构件，例如布拉格反射器。根据本公开的实施方式，反射构件102用于反射机械波能量，从而减少能量损失，提高声学谐振器的机电耦合系数和品质因数q。
[0050]
如图1所示，下电极103、压电层105和上电极104沿竖直方向，即y方向依次设置在衬底101上方以覆盖反射构件102。如图1所示，y方向可以是声学谐振器100的厚度方向。在图示的实施方式中，y方向是声学谐振器的纵向模例如te模的方向。此外，在图示的实施方式中，x方向是沿声学谐振器的表面方向的水平方向。
[0051]
下电极103和上电极104可以包括导电材料并且被配置为在受到电激励时沿着y方向提供振荡电场。根据本公开的实施方式，该导电材料可以包括但不限于以下导电材料中的至少之一：钼(mo)、钨(w)、铝(al)、铂/钛(pt/ti)叠层或金/铬(au/cr)叠层。根据本公开的实施方式，下电极103和上电极104可以通过在相应的材料层上沉积导电材料随后进行图案化来形成。
[0052]
根据本公开的实施方式，夹在下电极103和上电极104之间的压电层105可以由压电材料形成。例如，根据本公开的实施方式，压电材料可以包括无机压电(单晶或多晶)材料或有机压电材料。该压电材料可以包括但不限于以下压电材料中的至少之一：纤锌矿结构，如铝氮化物(aln)、锌氧化物(zno)；钙钛矿结构，如batio3、pb(ti,zr)o3、li(nb,ta)o3、(k,na)nbo3；以及有机压电材料，如聚偏氟乙烯pvdf等。根据本公开的实施方式，压电层105可以通过在下电极103上溅射压电材料来形成。
[0053]
此外，根据本公开的实施方式，压电层105可以掺杂有用于调节压电层105的机电耦合系数和品质因数的掺杂元素。根据本公开的实施方式，用于调节机电耦合系数的掺杂元素可以选自ti、sc、mg、zr、hf、sb、y、sm、eu、er、ta和cr中的至少之一。此外，根据本公开的实施方式，用于调节品质因数的掺杂元素可以选自b、ga和in中的至少之一。
[0054]
根据本公开的实施方式，沿竖直方向依次堆叠的下电极103、压电层105和上电极104构成压电叠层110。压电叠层110与反射构件102交叠的区域可以构成声学谐振器100的有效谐振区域ra。
[0055]
根据本公开的实施方式，还可以包括在衬底101上形成的种子层(未示出)，用于在后续工艺中促进下电极103的生长。压电叠层110可以设置在种子层上。种子层可以使用与压电层105相同的压电材料形成。在声学谐振器100中添加种子层可以提高机电耦合系数和品质因数q，降低插入损耗，并且避免不可接受的过大的压电层105的厚度。
[0056]
根据本公开的实施方式，如图1所示，在上电极104中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处形成有完全被上电极104包裹的空腔106。根据本公开的实施方式，空腔106填充有空气，但是本公开不限于此。
[0057]
图2示出了根据本公开的第一实施方式的声学谐振器100的上电极104的放大的截面视图。根据本公开的实施方式，上电极104的厚度可以是例如0.12μm至0.3μm，优选地是0.16μm。空腔106在在x方向上的宽度可以是例如2μm至7μm，优选地是5μm。此外，空腔106距上电极104的边缘的距离l可以是例如1μm至5μm，优选地是3μm，并且空腔106距上电极104的上表面和下表面的距离n可以是例如0.05μm至0.1μm，优选地是0.05μm。
[0058]
由于空气是良好的声反射介质，通过在上电极104中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处添加填充有空气的空腔106，可以增加上电极104在有效谐振区域ra的边缘处的声阻抗差，将横向声波反射回有效谐振区域，从而能够约束声波能量并且提高声学谐振器的品质因数。
[0059]
图3示出了根据现有技术的声学谐振器和根据本公开的第一实施方式的声学谐振器100的有效谐振区域外部的振动位移的比较视图。
[0060]
图3中的(a)示出了根据现有技术的不具有上电极中的空腔的声学谐振器的有效谐振区域外部的振动位移，而图3中的(b)示出了根据本公开的第一实施方式的具有上电极中的空腔的声学谐振器100的有效谐振区域外部的振动位移。通过图3中的(a)和(b)之间的比较可以看出，较之上电极没有空腔结构的声学谐振器，通过在上电极的边缘处添加空腔结构，在有效谐振区域外部的振动幅度明显减小，表明泄漏到有效谐振区域外部的声波能量较小。也就是说，上电极中的空腔结构起到了约束声波能量的作用。
[0061]
图4示出了根据现有技术的声学谐振器和根据本公开的第一实施方式的声学谐振器100的阻抗的比较视图。
[0062]
图4中的实线示出了根据现有技术的不具有上电极中的空腔的声学谐振器的阻抗-频率曲线，而图4中的虚线示出了根据本公开的第一实施方式的具有上电极中的空腔的声学谐振器100的阻抗-频率曲线。从图4可以看出，较之上电极没有空腔结构的声学谐振器，通过在上电极的边缘处添加空腔结构，并联谐振点阻抗(rp)提高了约200ohm，表明品质因数也相应地提高。也就是说，在上电极中在与有效谐振区域的边缘对应的位置处添加合理尺寸的空腔能够提高整体声学谐振器的品质因数。
[0063]
图5示出了根据本公开的第二实施方式的声学谐振器200的截面视图。图5中的与图1中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且省略相应的描述。下文将仅对图5的声学谐振器200与图1的声学谐振器100之间的不同之处进行描述。
[0064]
如图5所示，根据本公开的第二实施方式，在上电极104的上表面中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处设置有凸起部208，空腔106形成在凸起部208中。
[0065]
图6示出了根据本公开的第二实施方式的声学谐振器200的上电极104的放大的截面视图。根据本公开的实施方式，上电极104的厚度可以是例如0.12μm至0.3μm，优选地是0.16μm，并且凸起部208在x方向上的的宽度w可以是例如5μm至15μm，优选地是10μm，在y方向上的高度h可以是例如0.06μm至0.15μm，优选地是0.1μm。此外，空腔106在y方向上的高度可以是例如0.02μm至0.25μm，优选地是0.06μm，在x方向上的宽度可以是例如2μm至7μm，优选地是5μm。此外，空腔106距上电极104的边缘的距离l可以是1μm至5μm，优选地是例如2.5μm，并且空腔106距上电极104的下表面的距离n可以是例如0.05μm至0.15μm，优选地是0.1μm。
[0066]
根据本公开的第二实施方式，通过在上电极104的上表面中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处设置凸起部208，较之图1的声学谐振器100，可以进一步增加空腔106的体积，从而能够更好地约束声波能量并且相应地提高品质因数。
[0067]
图7示出了根据本公开的第三实施方式的声学谐振器300的截面视图。
[0068]
图7中的与图5中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且省略相应的描述。下文将仅对图7的声学谐振器300与图5的声学谐振器200之间的不同之处进行描述。
[0069]
如图7所示，根据本公开的第三实施方式，在上电极104的上表面和下表面二者中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处设置有凸起部308，空腔106形成在凸起部308中。
[0070]
根据本公开的第三实施方式，通过在上电极104的上表面和下表面二者中在有效谐振区域的边缘处设置凸起部308，较之图5的声学谐振器200，可以进一步增加空腔106的体积，从而能够更好地约束声波能量并且相应地提高品质因数。
[0071]
本领域技术人员应认识到，尽管本文结合空腔设置在上电极中描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，下电极中也可以通过与上文针对上电极描述的方式相同的方式设置有空腔结构。
[0072]
图8示出了根据本公开的第四实施方式的声学谐振器400的截面视图。
[0073]
图8中的与图1中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且省略相应的描述。下文将仅对图8的声学谐振器400与图1的声学谐振器100之间的不同之处进行描述。
[0074]
如图8所示，根据本公开的第四实施方式，在下电极103中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处形成有完全被下电极103包裹的空腔406。根据本公开的实施方式，空腔406填充有空气，但是本公开不限于此。
[0075]
由于空气是良好的声反射介质，通过在下电极103中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处添加填充有空气的空腔406，可以增加下电极103在有效谐振区域ra的边缘处的声阻抗差，将横向声波反射回有效谐振区域，从而能够约束声波能量并且提高声学谐振器的品质因数。
[0076]
图9示出了根据本公开的第五实施方式的声学谐振器500的截面视图。
[0077]
图9中的与图8中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且省略相应的描
述。下文将仅对图9的声学谐振器500与图8的声学谐振器400之间的不同之处进行描述。
[0078]
如图9所示，根据本公开的第五实施方式，在下电极103的上表面中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处设置有凸起部508，空腔406形成在凸起部508中。
[0079]
根据本公开的第五实施方式，通过在下电极103的上表面中在与有效谐振区域ra的边缘对应的位置处设置凸起部508，较之图8的声学谐振器400，可以进一步增加空腔406的体积，从而能够更好地约束声波能量并且相应地提高品质因数。
[0080]
本领域技术人员应认识到，上文结合图1至图9描述的各实施方式可以组合使用。此外，本领域技术人员应认识到，在压电层中也可以通过与上文针对上电极和下电极描述的方式相同的方式设置有空腔结构。上文所述的实施方式的变型和组合均能够实现本公开的技术效果并且均应涵盖于本公开的范围内。
[0081]
图10示出了根据本公开的实施方式的滤波器的制造方法1000的流程图。
[0082]
如图10所示，根据本公开的实施方式的声学谐振器的制造方法1000包括如下步骤：
[0083]
s1010：在衬底内部或表面上形成反射构件；以及
[0084]
s1020：在衬底上方沿竖直方向依次形成与反射构件交叠的下电极、压电层和上电极，下电极、压电层和上电极构成压电叠层，压电叠层与反射构件交叠以构成有效谐振区域，其中形成下电极和/或上电极包括在上电极和/或下电极中在有效谐振区域的边缘处形成有完全被上电极和/或下电极包裹的空腔。
[0085]
可以通过本领域技术人员已知的半导体工艺，例如沉积、刻蚀、溅射等，分别实现根据本公开的实施方式的滤波器的制造方法的以上各个步骤，因此这里不对其具体工艺细节进行更详细的描述。
[0086]
作为声学谐振器的制造方法1000的具体示例，以制备图5所示的声学谐振器200为例，首先在硅(si)衬底上使用电感耦合反应离子刻蚀(icp-rie)方法刻蚀出用作反射空腔的凹槽。随后，在硅衬底上沉积牺牲层。随后，通过化学机械研磨(cmp)工艺使衬底表面平坦化。随后，通过磁控溅射工艺制备下电极。随后，在下电极上溅射生长压电层。随后，在制备上电极之前先在边缘处沉积牺牲层，然后溅射生长上电极，此时在边缘处多生长一部分上电极。最后，释放牺牲层以形成衬底中的反射空腔和上电极的边缘处的空腔。
[0087]
根据本公开的声学谐振器及其制造方法，通过在上电极和/或下电极中在有效谐振区域的边缘处形成有完全被上电极和/或下电极包裹的空腔，能够在声学谐振器的有效谐振区域周围形成空腔以将谐振能量限制在有效谐振区域中，从而减少谐振能量的损失，提高声学谐振器的品质因数。
[0088]
根据本公开的又一方面，还提供了包括上述声学谐振器的声学滤波器，以及包括这些声学滤波器的双工器或多工器。
[0089]
当以选定的拓扑连接时，多个声学谐振器100、200、300、400和/或500可以构成声学滤波器。图11示出了根据本公开的实施方式的声学滤波器1100的示意图。声学滤波器1100包括串联连接的声学谐振器1101和并联连接的声学谐振器1102。声学谐振器1101和1102可以包括上文参照图1至图9描述的声学谐振器100、200、300、400和500中的至少之一。声学滤波器1100通常被称为梯形体声学滤波器，并且可以用于例如双工器应用中。本领域技术人员应认识到，图11所示的声学滤波器1100的拓扑结构仅是示例性的，并且可以设想
其他拓扑结构。此外，除了双工器和多工器之外，根据本公开的实施方式的声学谐振器可以被设想具有其他应用。
[0090]
尽管参照本公开的示例性实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不偏离权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。