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、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。
背景技术
[0002] 电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括
移动电话、
汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的
人工智能、
物联网、 5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为
基础。
[0003] 电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用
压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。
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)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振
频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器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。
[0004] 薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一
层压电材料。通过在两电极间输入正弦
信号， FBAR利用逆压电效应将输入
电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
[0005] 通信技术的快速发展要求滤波器工作频率不断提高，例如5G通信频段 (sub-6G)的频率在3GHz-6GHz,频率高于4G等通信技术。对于体声波谐振器和滤波器，高工作频率意味着薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度，要进一步减小；然而电极薄膜厚度的减小带来的主要负面效应为电学损耗增加导致的谐振器Q 值降低，尤其是
串联谐振点及其频率附近处的Q值降低；相应地，高工作频率体声波滤波器的性能也随着体声波谐振器的Q值降低而大幅恶化。
[0006] 已经提出一种在电极中设置空隙层来提高体声波性能的技术方案。
发明内容
[0007] 为了进一步提高电极含有空隙层的体声波谐振器的性能，或者保证其性能在工作时具有良好的
稳定性，提出本发明。
[0008] 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：
[0009] 基底；
[0010] 声学镜；
[0011] 底电极；
[0012] 顶电极；和
[0013] 压电层，设置在底电极与顶电极之间，
[0014] 其中：
[0015] 底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上所述空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面
接触；且
[0016] 所述空隙层内设置有至少一个突起，所述突起的高度与所述空隙层的厚度相同，突起具有与第二电极相接的
支撑面。
[0017] 本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
[0018] 本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
[0019] 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：
[0020] 图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性局部剖视图，间隙电极中设置有突起；
[0021] 图2-20为示例性示出突起的排布方式的示意图；
[0022] 图21示意性示出了突起的横截面或者支撑面的几个示例；
[0023] 图22示意性示出了突起的立体形状；
[0024] 图23A为已有的电极具有空隙层的体声波谐振器的俯视示意图；
[0025] 图23B为图23A中的体声波谐振器沿A1-A2线的示意性剖视图；
[0026]
具体实施方式
[0027] 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。
[0028] 本发明是针对图23A-23B所示的体声波谐振器的结构的一种改进。因此，结合图23A与23B的说明，也可以应用于本发明。
[0029] 如23A与23B所示，附图标记如下：
[0030] 10：基底，可选材料为
硅(高阻硅)、砷化镓、蓝
宝石、
石英等。
[0031] 20：声学镜，图中为空腔20，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。
[0032] 30：底电极，材料可选钼、钌、金、
铝、镁、钨、
铜，
钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其
合金等。
[0033] 36：电极引脚，材料与第一底电极相同。
[0034] 40：压电薄膜层，可选氮化铝(AlN)、
氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸
钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料，也可包含上述材料的一定
原子比的稀土元素掺杂材料。
[0035] 50：第一顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
[0036] 56：电极引脚，材料与第一顶电极相同。
[0037] 60：位于顶电极之中的空气间隙，处于第一顶电极50和第二顶电极70之间。
[0038] 70：第二底电极，材料选择范围同第一顶电极50，但具体材料不一定与第一顶电极50相同。
[0039] 需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是
真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
[0040] 在图23B中，第一顶电极与第二顶电极的非引脚端之间限定了局部释放孔结构81。
[0041] 对于电极含空气间隙的体声波谐振器(图23A与23B所示)，空气间隙可有效避免第二顶电极或第一底电极参与谐振器有效区域的声学运动，同时可使谐振器有效利用所述附加电极带来的电学优势(减小阻抗)。
[0042] 在本发明例如图1的实施例中，谐振器具有双层顶电极50和70(即第一顶电极50与第二顶电极70)，顶电极70覆
盖顶电极50的整个上表面同时在非电极引脚侧和引脚侧与顶电极50上表面保持接触，从而在顶电极70和50之间形成空气间隙60。
[0043] 当谐振器工作时，交变
电场通过电极施加在压电层40上，由于声电
能量耦合并相互转化，电极中会有
电流通过，由于本实施例的顶电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向上方传导至位于顶电极中的空气间隙60和电极层50的界面时声波能量会被反射回压电层40(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入电极层70。本发明中含有空气间隙的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升串联谐振频率处及其附近Q值的提高)。另一方面，空气间隙对顶电极70起到了声学隔离作用，从而基本避免电极层70对谐振器性能造成的负面影响(如谐振频率和机电耦合系数的改变)。
[0044] 空气间隙的高度一般大于谐振器的典型振幅(约10nm)，例如空气间隙的高度在的范围内，这有利于谐振器在大功率工作时顶电极70与
谐振腔(此实施例为顶电极50、压电层40、底电极30组成的复合结构)的声学能量解耦。更进一步的，在的范围内。
[0045] 本发明中，体声波谐振器的底电极也可以为空隙电极，其靠近压电薄膜一侧的电极为第一底电极，远离压电薄膜一侧的电极为第二底电极。
[0046] 在实际加工过程中，各层材料的制造工艺不可避免的会在谐振器中堆积应
力，如果
应力控制不当，则会使得用于形成所述空气间隙的两层电极在应力作用下发生贴合。当谐振器工作时，声波能量就会通过所述电极的贴合界面
泄漏到第二顶电极70中。这样第二顶电极70便不再与有效区域的声学运动隔离，从而导致谐振器中产生寄生模式，并且由于
质量负载效应，还会导致谐振器频率发生下降，这不利于谐振器性能的提高。
[0047] 针对上述问题，本发明提出一种位于空隙层之间的可有效防止空气间隙两侧电极在工艺过程中大面积贴合的支撑突起，工艺容易实现，同时能够以较小的接触面积保证第二电极与第一电极之间的声学隔离(或尽量减小逸散到第二电极中的声波能量)，从而不影响谐振器性能。同时，当立柱为导电材料时，与传统仅有第二顶电极70结构相比，可进一步降低谐振器的电学损耗，提高Q值，并提高
散热效率，从而增强功率容量。
[0048] 图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的间隙电极的示意性局部剖视图，间隙电极的空隙层中设置有支撑突起51，支撑突起51支撑在两个电极层之间。
[0049] 在图1中，50为第一顶电极，70为第二顶电极，在第一顶电极50和第二顶电极70之间具有空气间隙60，空隙层或者空气间隙60中设置有多个突起51。
[0050] 如图1所示，体声波谐振器的顶电极包含第一顶电极50和第二顶电极70，空气间隙60形成两个顶电极50与70之间，此外在两个顶电极50和70之间还具有若干支撑突起51，其上下端面分别与两个顶电极70和50发生连接或者接触。所述支撑突起的存在，可防止两个顶电极70与50发生进一步接触(当然代价是支撑突起51会引起少量声波能量从有效区域逸散到第二顶电极70中)。显然，支撑突起51不仅限于在顶电极的空气间隙中使用，当底电极中具有空气间隙结构时同样可以使用。
[0051] 图2-20为示例性示出突起的排布方式的示意图，下面结合附图进行描述，需要专
门指出的是，图中示出的突起结构的排布方式可以单独采用每一种示意图所述的方式，也可以通过不同排布方式进行组合，这些均在本发明的保护范围之内。
[0052] 为了使支撑突起有效支撑电极，同时又不至于造成过多声波能量泄漏，支撑突起51在俯视图上的分布规则做如下说明。
[0053] 如图2所示，某谐振器具有某一俯视形状的空气间隙A，其中G0为空气间隙A的几何中心，或者为有效区域的几何中心在空气间隙层上的投影。T0是以 G0为圆心，以r0半径的圆形容差区域，r0的范围为0.5—15μm。
[0054] 本发明要求，在构成空气间隙的两层电极之间至少存在一个支撑突起，且其与某一电极的接触面为S1，并要求S1至少有一部分与圆S0重合(阴影区域)，进一步要求S1的
重心C1位于T0区域内部(图3所示)。同时为了防止接触面接过大引起声波能量泄漏过多，并兼顾结构稳定性，要求接触面积S1在范围 0.01π—100πμm2内，等效为半径为0.1μm-10μm，对应于直径为0.2-20μm。
[0055] 如图4所示，支撑突起的接触面S1和S2的重心C1和C2落在圆周CD的 2等分点上，且CD的圆心MC落在圆T0范围内，此外CD的半径RC的范围为5-200μm，或者，定义圆心MC距离谐振器有效区域边缘的最小距离为d0，则RC的范围为0.2—0.8倍的d0。
[0056] 还可如图5所示，使多个支撑突起的接触面的重心C1、C2、C3等落在圆周CD的等分点上(如3等分，4等分等)。同时CD的圆心MC落入圆T0的范围内。其中圆CD的半径RC的范围为5-200μm，或者，定义MC距离谐振器有效区域边缘的最小距离为d0，则RC的范围为0.2—0.8倍的d0。
[0057] 还可如图6所示使多个支撑突起中的一个(如S1)占据圆心MC的
位置，并使其重心(C1)与MC重合。
[0058] 当将支撑突起排列在圆周上时，某个支撑接触面的重心不一定准确的落在圆周的等分点上，而是可落入以某个圆周等分点Cx为中心，以r1为半径的圆形容差范围T1之内(如图7所示)，其中r1的范围为0.5—15μm。
[0059] 还可如图8所示，将多边形A进行相似缩小，并使缩小后的多边形A1的重心MP落入容差区域T0的范围内，并使支撑接触面分布在多边形A1的
顶点上，且使接触面的重心与所述顶点重合。其中A1与A的比值范围为0.2—0.8。
[0060] 如图9所示，相似缩小的多边形A1还可绕其重心MP相对于多边形A发生一定旋转，并使支撑接触面的重心落在A1的顶点上。
[0061] 如图10所示，支撑接触面的重心还可落在相似缩小后的多
变形A1的每条边的中点上。
[0062] 如图11所示，支撑接触面不一定占据多边形A1所有的顶点或中点，可在某些位置上发生“空缺”。例如图11所示的支撑突起布局中，仅在A1的两条对边的中点上保留了支撑接触面S1和S3.显然上述规则也可用于支撑接触面分布于多边形顶点的情况。
[0063] 显然在上述图8-11的实施例中，多边形A1的重心MP处也可以放置支撑接触面。
[0064] 当将支撑突起排列在多边形A1上时，某个支撑接触面的重心不一定准确的落在A1的顶点或中点上(分布点)，而是可落入以某个分布点Cx为中心，以 r1为半径的圆形容差范围T1之内(如图12所示)。其中r1的范围为0.5—15μm。
[0065] 如图13和14所示，用于排列支撑突起的相似多边形可以多于1个，其中 A1和A2均通过将A进行相似缩小得到，并且A1和重心MP1和A2的重心 MP2均落入容差区域T0中，但二者不一定重合。在图13中，A1和A2上的支撑接触面均根据“中点”法则分布；而在图14中A1上的支撑接触面S1-4根据“顶点”法则分布，A2上的支撑接触面S1-4则根据“中点”法则分布.此外，上述支撑面中心也不一定准确落在分布点上，同样可采用之前涉及的容差区域T1原则进行分布。
[0066] 如图15所示，Y1是容差区域T0内一点，可使支撑接触面的重心落在Y1 和多边形A顶点的连线上的分布点上，所属分布点到Y1的距离为L1，Y1到A 的顶点P0距离为L0，L1与L0的比值范围为0.1—0.9。
[0067] 如图16所示，Y1是容差区域T0内一点，可使支撑接触面的重心落在Y1 到多边形A各边的垂线上的分布点上，所属分布点到Y1的距离为L1，Y1到A 某边上垂足P1距离为L0，L1与L0的比值范围为0.1—0.9。
[0068] 如图17所示，Y1是容差区域T0内一点，可使支撑接触面的重心落在Y1 到多边形A各边的中点连线上的分布点上，所属分布点到Y1的距离为L1，Y1 到A某边上中点P2距离为L0，L1与L0的比值范围为0.1—0.9。
[0069] 对于上述图15-17的实施例，还可以在Y1处放置支撑突起。
[0070] 在图15-17的支撑突起布局中，支撑面的重心往往不会精确的落在上述分布点上，而是如图18所示，落在以某个分布点Cx为中心，以r1为半径的容差区域T1内，其中r1的范围为0.5—15μm。(图18仅给出了Y1到A顶点连线的情况，对于中线和垂线的情况同样适用。)[0071] 如图19所示，当空气间隙为椭圆形E时，可将E进行相似缩小得到E1，并使支撑接触面的重心落在E1半长轴a1和半短轴b1的端点上。其中E1与E 的面积比落在0.2—0.8范围内。
[0072] 某个支撑接触面的重心不一定准确的落在E1的长轴或短轴的端点上(分布点)，而是可落入以某个分布点Cx为中心，以r1为半径的圆形容差范围T1之内(如图20所示)。其中r1的范围为0.5—15μm。
[0073] 支撑接触面的形状可如图21所示制成圆形，矩形(正方形)，六边形(或其它多边形)等多边形。其中支撑突起的数量不超过多边形的边数的5倍，或者不超过50个(椭圆空气间隙情况下)其中所有支撑面的面积总和不超过谐振器有效面积(或空隙面积)的25％，进一步的不超过10％。
[0074] 支撑突起整体可制成如图22所示的直立柱或锥形立柱，其中立柱高度h为空气间隙厚度，但如本领域技术人员能够理解的，在本发明中，支撑突起的高度可以存在±容差，所述容差小于空气间隙厚度的二分之一，进一步小于空气间隙厚度的四分之一。对于锥形立柱，其
侧壁与竖直方向夹
角α范围为5°-40°。
[0075] 在本发明中，以顶电极为间隙电极为例进行说明，如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的突起也可以设置在作为间隙电极的底电极中。
[0076] 在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
[0077] 在本发明中，支撑突起与第二电极相接，虽然在本发明中提到支撑突起是以支撑面的形式与第二电极相接，但是，如本领域技术人员能够理解的，这里的“支撑面”也包括了支撑点，这均在本发明的保护范围之内。
[0078] 在本发明中，如图2-20所示，在布置或者排布支撑突起时，例如在沿某一个图形布置支撑突起时，支撑突起之间大体等距离或者大体等圆周角度(大致绕空隙层的几何中心)的方式布置。本领域技术人员能够理解的是，这里的大体并不要求严格满足等距离或者等圆周角度，只要在可以容许的预定范围内即可，例如，只要实际值不偏离希望值的30％即可。
[0079] 如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
[0080] 基于以上，本发明提出了如下技术方案：
[0081] 1、一种体声波谐振器，包括：
[0082] 基底；
[0083] 声学镜；
[0084] 底电极；
[0085] 顶电极；和
[0086] 压电层，设置在底电极与顶电极之间，
[0087] 其中：
[0088] 底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上所述空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面接触；且
[0089] 所述空隙层内设置有至少一个支撑突起，所述支撑突起的高度与所述空隙层的厚度相同，支撑突起具有与第二电极相接的支撑面。
[0090] 2、根据1所述的谐振器，其中：
[0091] 所述空隙层具有第一形心，所述第一形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
[0092] 所述至少一个支撑突起包括一个支撑突起，所述一个支撑突起的支撑面与形心区域至少部分重合，所述形心区域为以第一形心为圆心以r0为半径的圆， r0在0.5μm-15μm的范围内。
[0093] 3、根据2所述的谐振器，其中：
[0094] 所述支撑面具有第二形心，所述第二形心在所述形心区域内。
[0095] 4、根据1所述的谐振器，其中：
[0096] 每一个支撑突起的支撑面的面积在0.01π—100πμm2的范围内。
[0097] 5、根据1所述的谐振器，其中：
[0098] 所述空隙层具有第一形心，所述第一形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
[0099] 所述空隙层内设置有多个支撑突起，所述多个支撑突起中的至少两个支撑突起以形心区域内的一个点为中心绕第一形心大体间隔开布置或者以形心区域内的一个点为中心以分组的方式绕第一形心大体等距离或者等圆周角度间隔开布置，所述形心区域为以第一形心为圆心以r0为半径的圆，r0在0.5μm-15μm 的范围内。
[0100] 6、根据5所述的谐振器，其中：
[0101] 所述至少两个支撑突起大体等角度间隔开的设置在圆上，所述圆以形心区域内的一个点为圆心、以布置半径为半径，其中所述布置半径在5μm-200μm的范围内，或者所述布置半径为从所述布置圆心到谐振器的有效区域的边缘的最小距离的0.2-0.8倍。
[0102] 7、根据6所述的谐振器，其中：
[0103] 所述多个支撑突起包括位于所述圆心或者位于所述形心区域内的一个支撑突起。
[0104] 8、根据1-5中任一项所述的谐振器，其中：
[0105] 所述有效区域为形状为多边形的有效区域；
[0106] 所述空隙层具有第一形心，所述第一形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
[0107] 所述多个支撑突起中的至少两个支撑突起布置于至少一个缩小多边形上，所述缩小多边形与所述多边形相似，且对于所述支撑突起布置其上的每一个缩小多边形而言，布置在缩小多边形上的多个支撑突起大体等距离或者等圆周角度间隔开布置；
[0108] 所述缩小多边形的形心位于形心区域内，所述形心区域为以第一形心为圆心以r0为半径的圆，r0在0.5μm-15μm的范围内。
[0109] 9、根据8所述的谐振器，其中：
[0110] 支撑突起的支撑面布置在缩小多边形的顶点或者各边的中点。
[0111] 10、根据8或9所述的谐振器，其中：
[0112] 支撑突起布置其上的缩小多边形的各边与所述多边形的对应边平行，或者缩小多边形相对于所述多边形平面旋转了一个角度；和/或
[0113] 支撑突起布置于多个缩小多边形上，且所述多个缩小多边形的缩小比例不同。
[0114] 11、根据1-5中任一项所述的谐振器，其中：
[0115] 所述有效区域为形状为多边形的有效区域；
[0116] 所述空隙层具有第一形心，所述第一形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
[0117] 所述多个支撑突起中的多个支撑突起布置在所述多边形上的多个点与形心区域内的一个点的多根连线上，所述支撑突起位于对应连线的特定点，所述多根连线大体等圆周角度分隔开；
[0118] 对于每一根连线，所述特定点到所述形心区域内的所述一个点的距离为所述形心区域内的所述一个点到多边形上的对应点的距离的0.1-0.9倍；
[0119] 所述形心区域为以第一形心为圆心以r0为半径的圆，r0在0.5μm-15μm的范围内。
[0120] 12、根据11所述的谐振器，其中：
[0121] 所述多边形上的多个点包括所述多边形的顶点，或者各边的中点，或者形心区域内的所述一个点到各边的垂线的交点。
[0122] 13、根据5所述的谐振器，其中：
[0123] 所述支撑突起的数量总和不超过多边形的边数的5倍。
[0124] 14、根据1所述的谐振器，其中：
[0125] 所述有效区域为形状为椭圆形的有效区域；
[0126] 所述空隙层内设置有多个支撑突起，所述多个支撑突起布置于至少一个缩小椭圆形上，所述缩小椭圆形与所述椭圆形相似，且对于所述支撑突起布置其上的每一个缩小椭圆形而言，布置在缩小椭圆形上的多个支撑突起大体等角度间隔开布置；
[0127] 所述缩小椭圆形的形心与所述椭圆形的形心大体重合，缩小椭圆形的面积为所述椭圆形面积的0.2-0.8倍。
[0128] 15、根据14所述的谐振器，其中：
[0129] 所述多个支撑突起包括布置在所述缩小椭圆形的长轴端点以及短轴端点的四个支撑突起。
[0130] 16、根据14所述的谐振器，其中：
[0131] 所述支撑突起的数量总和不超过50个。
[0132] 17、根据1-16中任一项所述的谐振器，其中：
[0133] 所有支撑面的面积总和不超过谐振器的有效区域面积的25％，进一步的，不超过10％。
[0134] 18、根据1所述的谐振器，其中：
[0135] 所述支撑突起为自第一电极到第二电极横截面逐渐减小的形状。
[0136] 19、根据1-18中任一项所述的谐振器，其中：
[0137] 所述支撑突起的材料为导电材料。
[0138] 20、一种滤波器，包括根据1-19中任一项所述的体声波谐振器。
[0139] 21、一种电子设备，包括根据20所述的滤波器或者根据1-19中任一项所述的谐振器。
[0140] 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。
