技术领域
[0001] 本
发明的
实施例涉及
半导体领域，尤其涉及一种
体声波谐振器，一种滤波 器，一种具有上述部件中的一种的电子设备，以及一种体声波谐振器的机电耦 合系数调节方法。
背景技术
[0002]
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为 体声波谐振器，也称BAW)作为一种MEMS芯片在通信领域发挥着重要作用，FBAR 滤波器具有尺寸小(μm级)、谐振
频率高(GHz)、品质因数高(1000)、功率容 量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和 陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用 到
生物、物理、医学等传感领域。
[0003] 薄膜体声波谐振器用于体声波滤波器中。体声波滤波器具有低插入损耗、 高矩形系数、高功率容量等优点，因此，被广泛应用在当代无线通讯系统中， 是决定射频
信号进出通讯系统
质量的重要元器件。
[0004] 图9A所示的是某个梯形(Ladder)拓扑结构(常用结构)滤波器的抽象电 路图。如图9A所示，该滤波器包含1个输入端(Input)、1个输出端(Output)、 位于输出和输入端之间有4个
串联体声波谐振器Rs1-4,在串联体声波谐振器和 地(GND)之间还有2个并联体声波谐振器Rp1-2。
[0005] 图9B是图9A中所示
电路对应的一种谐振器的实际分布结构的俯视图。该 俯视图中显示了基底10、底
电极31-36(虚线部分)、压电薄膜40、顶电极61-66 (实线阴影部分)以及输入端Input、输出端Output和两个接地端GND。若沿 折线A1OA2将所述滤波器剖开，可得到图9C所示的剖视图。图9B中显示了在 图9A中不可见的声学镜空腔21-23。
[0006] 关于各个组成部分的材料等说明如下：
[0007] 10：基底，通常材料可选单晶
硅，砷化镓，蓝
宝石，
石英等。
[0008] 21-23：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效 声学反射结构。
[0009] 31-33/61-63：底电极/顶电极，可采用钼、钌、金、
铝、镁、钨、
铜，
钛、 铱、锇、铬或以上金属的复合或其
合金。
[0010] 40：压电层薄膜(即压电层)，可选氮化铝，
氧化锌，PZT等材料，以及包 含上述材料的一定
原子比的稀土元素掺杂材料。
[0011] 图9D为
现有技术中的格形(Lattice)拓扑结构(常用结构)滤波器的抽 象电路图。其中Input1和Input2表示输入
端子，Output1和Output2表示输出 端子，Rp1和Rp2表示并联谐振器，而Rs1与Rs2表示串联谐振器。
[0012] 体声波滤波器的性能由构成它的体声波谐振器决定，如：体声波谐振器的 谐振频率决定了滤波器的工作频率，有效机电耦合系数( )决定了滤波器 的带宽，并和品质因数共同影响滤波器插入损耗和滚降。在频带资源越来越紧 俏的时代中，高品质滤波器通常需要具备大带宽或高滚降或二者兼具。传统设 计原则认为，带宽主要由谐振器 决定，而谐振器的 是由其层叠厚度决 定的，通常在一个滤波器芯片中的所有谐振器具有相同的 因此如何能够 打破这一设计规则，实现在一个滤波器中的多个谐振器的在一定范围内可 调，是实现高性能滤波器设计急需解决的一个重要问题。
[0013] 通常，对于滤波器为代表的电子器件，需要使其中各个谐振器具有不同的 机电耦合系数，从而使电子器件的性能得到优化。
发明内容
[0014] 本发明提出一种设置具有不同于压电层的机电耦合系数的调节层来对电子 器件中各个体声波谐振器的机电耦合系数进行调节的方案。
[0015] 根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
[0016] 基底；
[0017] 声学镜；
[0018] 底电极；
[0019] 顶电极；
[0020] 压电层，
[0021] 其中：
[0022] 声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器 的有效区域；所述谐振器还包括调节层，所述调节层设置在顶电极和/或底电极 与压电层之间，或者设置在所述压电层内；
[0023] 所述调节层的机电耦合系数与所述压电层的机电耦合系数不同。
[0024] 可选的，在谐振器的俯视图中，所述调节层的外边缘处于声学镜边缘之外， 进一步处于底电极的边缘之外。
[0025] 可选的，所述调节层与所述压电层中掺杂元素的掺杂浓度不同。可选的， 所述调节层为压电掺杂层。进一步可选的，所述压电掺杂层的掺杂浓度范围为 5-40％原子比。
[0026] 可选的，所述调节层与所述压电层的掺杂浓度差异为8-20％原子比。
[0027] 可选的，所述调节层的厚度在 的范围内。
[0028] 可选的，所述掺杂元素包括如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、 镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
[0029] 可选的，所述压电层或调节层材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂或锆钛酸铅。
[0030] 可选的，所述调节层的掺杂元素为钪，且所述压电层或调节层材料为氮化 铝。
[0031] 可选的，所述压电层与所述调节层两者的机电耦合系数中的高值与低值的 比值在1.1-5的范围之内。
[0032] 根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种滤波器，包括至少一个上述 的体声波谐振器。
[0033] 可选的，所述滤波器包括至少两个上述体声波谐振器。
[0034] 可选的，该至少两个体声波谐振器包括两个谐振器，且所述两个谐振器的 调节层的厚度不同。
[0035] 可选的，该至少两个体声波谐振器包括两个谐振器，且所述两个谐振器的 调节层的掺杂浓度不同，进一步的掺杂浓度相差8-20％原子比。
[0036] 可选的，设置有调节层的谐振器的一个电极具有第一厚度，滤波器中未设 置调节层的至少一个谐振器的对应电极的厚度大于所述第一厚度。
[0037] 可选的，设置有调节层的体声波谐振器为第一体声波谐振器；所述滤波器 还包括未设置所述调节层的至少一个第二体声波谐振器，所述至少一个第二体 声波谐振器包括设置有质量负载层的至少一个第三体声波谐振器。进一步的， 至少一个第一体声波谐振器的调节层设置在对应的顶电极与压电层之间；且第 三体声波谐振器中的至少一个的质量负载层与所述设置在对应的顶电极与压电 层之间的调节层的材料与厚度均相同。
[0038] 本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的体声波谐振器，或者上 述的滤波器。
[0039] 本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器的机电耦合系数调节方法，所述 体声波谐振器包括基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，所述方法包括 步骤：
[0040] 在压电层中或者在压电层与底电极之间或者在压电层与顶电极之间设置调 节层，其中：所述调节层的机电耦合系数与所述压电层的机电耦合系数不同；
[0041] 选择调节层和/或压电层的机电耦合系数，来调节所述谐振器的机电耦合系 数。
[0042] 可选的，上述方法中，基于调节层与压电层之间的掺杂浓度差，和/或基于 调节层的厚度，来调节所述谐振器的机电耦合系数。
[0043] 可选的，所述方法还包括步骤：在没有设置所述调节层的谐振器上设置质 量负载层。
[0044] 可选的，在上述方法中，在谐振器的俯视图中，所述调节层的外边缘处于 声学镜边缘之外，进一步处于底电极的边缘之外。
附图说明
[0045] 以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些 和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
[0046] 图1A为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性俯视图；
[0047] 图1B为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意图；
[0048] 图1C为根据本发明的另一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意 图；
[0049] 图1D为根据本发明的再一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意 图；
[0050] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性剖视图，其中调 节层设置于压电层中；
[0051] 图3为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性剖视图，其中调 节层设置于压电层与底电极之间；
[0052] 图4为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性剖视图，其中一 个谐振器设置有质量负载层；
[0053] 图5A为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性剖视图，其中一 个谐振器设置有质量负载层与另外的谐振器的调节层为相同的材料与厚度；
[0054] 图5B为图5A中的过孔、顶电极及调节层的俯视图；
[0055] 图6为一个示例性实施例的四阶梯形拓扑结构滤波器的抽象电路图；
[0056] 图7和图8示例性示出了：在图6的滤波器中，相对于保持滤波器中的所 有谐振器的有效机电耦合系数相同，通过改变滤波器中的谐振器的有效机电耦 合系数来影响带宽与滚降特性的结果；
[0057] 图9A为现有技术中的一个梯形(Ladder)拓扑结构(常用结构)滤波器的 抽象电路图；
[0058] 图9B为图9A中所示电路对应的一种谐振器的实际分布结构的俯视图；
[0059] 图9C为沿图9B中的折线A1OA2所得的剖视图；
[0060] 图9D为现有技术中的格形(Lattice)拓扑结构(常用结构)滤波器的抽 象电路图。
具体实施方式
[0061] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 在
说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对 本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解 为对本发明的一种限制。
[0062] 图1A为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性俯视图；图1B 为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意图；图1C为 根据本发明的另一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意图；图1D为 根据本发明的再一个示例性实施例的图1A中的滤波器的剖视示意图。
[0063] 参见图1A-1D，根据本发明的示例性实施例的滤波器的各个组成部分的材料 等说明如下：
[0064] 10：基底，通常材料可选
单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。
[0065] 21-23：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效 声学反射结构。
[0066] 31-33/61-63：底电极/顶电极，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、 铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
[0067] 40：压电层薄膜(即压电层)，可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料，以及包 含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
[0068] 如图所示，根据本发明提出的实施方式，对于图9A-9D所述的由体波谐振 器构成的滤波器，当需提高两个串联谐振器Rs2和Rs3的机电耦合系数时，可 如图1A和1B所示在所述对应的谐振器的顶电极62-63和和原有的压电层40之 间各沉积一层掺杂压电层52-53。其中，图1A中显示出了用于调节机电耦合系 数的附加压电层52-53，并略去了所有谐振器的顶电极，仅保留了Rs2和Rs3的 底电极32-33；图1B是1A沿图9B中A1OA2折线得到的剖视图。
[0069] 在本发明的一个实施例中，作为调节层的掺杂压电层的掺杂浓度范围为 5-40％原子比。
[0070] 在进一步的实施例中，压电层和机电耦合系数调节层(即调节层)均为氮 化铝薄膜，且所述两膜层均可掺杂，掺杂元素为稀土元素。
[0071] 在本发明的实施例中，掺杂元素包括如下元素中的一种或多种：钪、钇、 镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
[0072] 在本发明的实施例中，所述压电层除了为氮化铝压电层外，还可为氧化锌 压电层、铌酸锂压电层或锆钛酸铅压电层等。
[0073] 在进一步的实施例中，掺杂元素为钪，压电层或调节层为氮化铝压电层。
[0074] 在一个实施例中，压电层和调节层的掺杂浓度差异为8-20％原子比。
[0075] 在一个实施例中，调节层厚度范围
[0076] 在本发明的一个实施例中，调节层的边缘位于底电极的边缘之外，进一步 的，调节层的边缘位于声学镜的边缘之外。
[0077] 此外，如图1C所示，相邻的调节层还可采用相连接的方式。这样可简化工 艺。
[0078] 另外，如图1D所示，对于不同的谐振器，可采用不同厚度的调节层，以获 得不同的机电耦合系数。
[0079] 此外，由于质量负载效应，调节层的加入会导致谐振器的频率发生较为显 著的下降，这种变化可能会导致具有调节层的谐振器与其他谐振器的频率差异 落到指标允许范围之外。在这种情况下，可通过加厚其它谐振器电极的方法来 进行频率补偿，从而使所述频率差异重新落入指标允许范围内。例如，对于图 1A中的滤波器来说，当加入了调节层52-53之后，谐振器Rs2和Rs3的工作频 率会下降，在频率下降较为显著的情况下，会导致Rs2、Rs3的频率与其余谐振 器Rs1、Rs4、Rp1和Rp2的频率出现过大差异，这时可通过增大谐振器Rs1、 Rs4、Rp1和Rp2的电极厚度，或者减小Rs2、Rs3的电极厚度，从而使所述频 率差异回到指标允许范围。
[0080] 在设置了调节层的同时，可以在其它没有设置调节层的谐振器上设置质量 负载层。图4为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示意性剖视图，其 中一个谐振器设置有质量负载层。图4与图3的区别在于设置了质量负载层71， 用来补偿调节层52与53的加入所带来的谐振器间的频率差异。
[0081] 这里的质量负载层可以是不同于调节层的质量负载层，也可以是与调节层 的材料和厚度相同的层。图5A为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的示 意性剖视图，其中一个谐振器设置有质量负载层与另外的谐振器的调节层为相 同的材料与厚度，图5B为图5A中的过孔、顶电极及调节层的俯视图。附图中 与其他附图中的附图标记相同则表示相同功能的部件。
[0082] 在图5A的实施例中，51-53为同一层调节层，K1为位于所述调节层上的过 孔，顶电极61和62通过K1保持电学连接。
[0083] 图5A的实施例中压电层40上部结构的加工流程简要描述如下：
[0084] 1)在压电层40上方首先制作顶电极61；
[0085] 2)在顶电极61和压电层40上表面沉积一定厚度的调节材料层，所述调节 材料层包含作为质量负载的层51，以及作为调节层的52和53；
[0086] 3)在顶电极61边缘上部的调节层上以
刻蚀方式加工出过孔K1；
[0087] 4)在调节层上表面沉积并图形化顶电极62和63。
[0088] 上述工艺的优点在于：一方面，避免了调节层的加工(如刻蚀)流程对其 下方压电层40的不利影响；另一方面，有效利用了顶电极61上方的调节层充 当质量负载，对频率进行补偿。
[0089] 此外，调节层的
位置也可以发生变化。如图2所示，可将调节层放置在压 电层40的内部。或如图3所示，将调节层放置在底电极上表面。
[0090] 在本发明附图所示的实施例中，用于调节谐振器的机电耦合系数的调节层 为掺杂层，该掺杂层与压电层的掺杂浓度不同。但是，本发明不限于此。例如， 调节层也可以不是掺杂层，而压电层为掺杂层，或者压电层与调节层均为掺杂 层，只要两者之间存在掺杂浓度之差即可，在具体的实施例中，掺杂浓度差异 为8-20％原子比。掺杂浓度为零时表示没有掺杂。
[0091] 此外，为了调节体声波谐振器的机电耦合系数，可以选择具有不同的机电 耦合系数的材料来分别制造压电层与调节层。所述压电层与所述调节层两者的 机电耦合系数中的高值与低值的比值可以在1.1-5的范围之内。
[0092] 可以对滤波器中的多个谐振器的机电耦合系数进行调节，例如通过选择不 同的谐振器的调节层的厚度，不同的谐振器的调节层和/或压电层的掺杂浓度等。
[0093] 在本发明中，对于数值范围的取值，除了可以为端点值(包括端点值的情 况下)或者范围内邻近端点值(不包括端点值的情况下)，还可以例如是范围的 中值等。
[0094] 图6为一个示例性实施例的四阶梯形拓扑结构滤波器的抽象电路图；图7 和图8示例性示出了：在图6的滤波器中，相对于保持滤波器中的所有谐振器 的有效机电耦合系数相同，通过改变滤波器中的谐振器的有效机电耦合系数来 影响带宽与滚降特性的结果。
[0095] 以Band7(频段7)Tx所需性能为目标，优化图6所示的四阶梯形拓扑结构 滤波器。如图7所示，当采用图1B的方案分别控制串联谐振器的有效机电耦合 系数为6.5％、6.0％、
6.5％、6.5％、且控制并联谐振器的有效机电耦合系数分别 为：6.5％、6.1％、5.8％、5.8％时，滤波器的带宽要大于同一滤波器结构中所有 谐振器的有效机电耦合系数均相等(6.12％)的情况。
[0096] 如图8所示，以Band7(频段7)Rx的频段要求为目标优化谐振器参数时， 当采用图1B的方案分别控制串联谐振器的有效机电耦合系数为6.0％、6.5％、6.5％、 6.5％、且控制并联谐振器的有效机电耦合系数分别为：6.5％、6.5％、6.5％、6.5％ 时，滤波器的滚降要优于所有谐振器的有效机电耦合系数均为6.5％的情况，而 带宽基本不变。
[0097] 相应的，本发明提出了如下技术方案：
[0098] 1、一种体声波谐振器，包括：
[0099] 基底；
[0100] 声学镜；
[0101] 底电极；
[0102] 顶电极；
[0103] 压电层，
[0104] 其中：
[0105] 声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器 的有效区域；所述谐振器还包括调节层，所述调节层设置在顶电极和/或底电极 与压电层之间，或者设置在所述压电层内；
[0106] 所述调节层的机电耦合系数与所述压电层的机电耦合系数不同。
[0107] 可以通过使得所述调节层与所述压电层中掺杂元素的掺杂浓度不同来调整 谐振器的机电耦合系数。
[0108] 还可以采用不同的材料来制造压电层与调节层，使得所述压电层与所述调 节层两者的机电耦合系数中的高值与低值的比值在1.1-5的范围之内。
[0109] 2、一种滤波器，包括至少一个根据1所述的体声波谐振器。
[0110] 3、一种电子设备，包括根据1所述的体声波谐振器，或者根据2所述的滤 波器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模
块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
[0111] 4、一种体声波谐振器的机电耦合系数调节方法，所述体声波谐振器包括基 底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，所述方法包括步骤：
[0112] 在压电层中或者在压电层与底电极之间或者在压电层与顶电极之间设置调 节层，其中：所述调节层的机电耦合系数与所述压电层的机电耦合系数不同；
[0113] 选择调节层和/或压电层的机电耦合系数，来调节所述谐振器的机电耦合系 数。
[0114] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化， 本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
