具有介电翼片的高Q体声谐振器
阅读：857发布：2020-05-08
专利汇可以提供具有介电翼片的高Q体声谐振器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且给出了具有高耦合和改进的杂散模式抑制的高Q声学BAW 谐振器 。BAW谐振器包括由底部 电极 (BE)、压电层(PL)和顶部电极层(TE)这三层的重叠部形成的有源谐振器区域(AR)。内部翼片(IF)由介电3D结构形成，该介电3D结构位于有源谐振器区域(AR)的边缘区域(MR)上或与其相邻，向内朝向其中心延伸，并且具有节段，该节段与谐振器的顶表面平行地且远隔地伸展，而保持到其的内部间隙(IG)或 角 度Θ。，下面是具有介电翼片的高Q体声谐振器专利的具体信息内容。
1.一种BAW谐振器，从底部到顶部按次序包括：
-基板(SU)，
-底部电极(BE)，
-压电层(PL)，
-顶部电极(TE)，
其中：
-有源谐振器区域(AR)由所述底部电极、压电层和顶部电极层这三层的重叠部形成，-由介电3D结构形成的内部翼片(IF)位于所述有源谐振器区域(AR)的边缘区域(MR)上或与其相邻，所述内部翼片(IF)朝向所述有源谐振器区域(AR)的中心向内延伸，并且所述内部翼片(IF)具有以到所述谐振器的顶表面的一定距离伸展的节段。
2.根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中：
-所述顶部电极(TE)在一侧边沿通过顶部电极连接部(TC)被电端接，
-在所述顶部电极连接部上方，外部翼片(OF)位于所述顶部电极连接部(TC)上，所述外部翼片(OF)远离所述有源谐振器区域(AR)延伸，并且所述外部翼片(OF)具有突出节段，所述突出节段与所述顶部电极连接部的顶表面平行地且远隔地伸展，而保持外部间隙(OG)。
3.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中所述外部翼片(OF)和所述内部翼片(IF)形成共同的3D结构。
4.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述外部翼片沿着所述有源谐振器区域(AR)的整个周界延伸，而在下面的层的所有周边位置处保持与所述下面的层的外部延伸间隙(OG)。
5.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中所述内部翼片(IF)向内延伸，而保持与所述下面的层的恒定高度的内部间隙(IG)。
6.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述谐振器包括边缘区域(MR)，在所述边缘区域(MR)中，所述顶部电极(TE)具有与在所述有源谐振器区域(AR)中相比的较低厚度，并且形成到中心区的台阶。
7.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述顶部电极(TE)包括边缘区域(MR)，在所述边缘区域(MR)中，上面的钝化层(IL)具有与在所述有源谐振器区域(AR)中相比的较低厚度，并且所述顶部电极(TE)的厚度在所述边缘区域(MR)和所述有源谐振器区域(AR)中相同。
8.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中所述内部翼片(IF)在所述边缘区域中遵循所述表面的形貌，而保持恒定高度的内部间隙(IG)。
9.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中钝化层(IL)至少在所述有源谐振器区域(AR)中覆盖所述BAW谐振器。
10.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中内部翼片(IF)和外部翼片(OF)的所述共同的3D结构至少部分地被布置在所述介电层上方。
11.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述基板(SU)包括在所述有源谐振器区域(AR)下方的形成空气填充腔体的凹部(RC)。
12.根据权利要求1至10之一所述的BAW谐振器，
其中所述基板(SU)包括被布置在所述有源谐振器区域(AR)下方的布拉格镜(BM)。
具有介电翼片的高Q体声谐振器
背景技术
[0001] 实践中的BAW谐振器沿着它们的横向尺寸在大小上是有限的，并且具有由以下三种类型之一组成的端接区域：
[0003] (ii)顶部电极互连，或者
[0004] (iii)底部电极互连。
[0006] 对于情况(i)，端接区域通常通过首先端接顶部电极，随后是底部电极的端接来形成，或者通过在大致相同的位置处端接顶部电极和底部电极两者来形成。
[0007] 对于情况(ii)和(iii)，端接区域通过以下来形成：分别端接底部电极和顶部电极，同时允许另一电极延伸到另外的电路元件，诸如过孔或另外的谐振器。
[0008] 谐振器端接区域通常是杂散模式激发的主要来源。在这些位置处，在压缩或拉伸下往回作用在材料上的局部的内部横向作用力未被抵消，因为它们在谐振器的中心附近。这导致横向模式和其他不期望的体模式的激发，这些模式往回朝向谐振器内部传播或向外远离有源谐振器区传播。在任一情况下，能量通常被认为损失，并且导致针对感兴趣模式的总体较低品质因数(Q)—在这种情况下为厚度延伸的。另外，杂散信号可能在如下的频率处出现在器件的电响应中，在这些频率处，横向模式在有源区中来回传播，并且当横向腔体尺寸与横向模式特性波长具有特定关系时谐振。
[0009] 端接几何结构的优化可以减少杂散模式激发，并且允许更多能量被包含在谐振器内，因此改进器件Q并且减小感兴趣的器件频谱上的杂散信号的电平。进而，恰当地优化后的端接几何结构在带内和带外改进了总体的滤波器性能，而带外性能在复用应用中是至关重要的。发明内容
[0010] 本发明的目标是提供一种BAW谐振器，该BAW谐振器包含新颖的横向端接几何结构，这些横向端接几何结构提供高Q、低杂散信号扰乱、以及接近最大的机电耦合(对于给定的层堆叠和谐振器大小)。
[0012] 进一步的实施例和有利变化可以从附属权利要求中得到。
[0013] 本发明公开了改进总体谐振器性能的新颖的谐振器端接几何结构。给出了一种用于模式抑制和Q增强的方法。利用本发明，在2GHz附近的从～1800到3000的改进的Q基于已证实的仿真工具而被预期。另外，对于相同的层堆叠和谐振器大小，机电耦合系数kt2从～6.0％改进到6.3％。
[0014] 一种BAW谐振器至少包括基底、底部电极、压电层和顶部电极，它们可以从底部到顶部按照给定次序布置在彼此正上方。在底部电极下方和顶部电极上方分别是用于将能量包含在堆叠内的声反射器，这些声反射器一般是(例如，与薄膜体声谐振器—FBAR的)空气界面、或包含高声阻抗材料和低声阻抗材料的交替层的声布拉格结构(例如，具有固态装配型谐振器—SMR)、或者组合或两者(例如，顶部的空气反射器和底部的布拉格—为最常见的SMR类型)。有源谐振器区域由底部电极层、压电层、顶部电极层以及顶部和底部声反射器的重叠部来限定，并且不包括横向端接结构。在该有源区域中，优选的是仅激发在竖直方向上传播的模式(例如，厚度延伸模式)。
[0015] 为了防止杂散横向模式的激发和传播，本发明提出使用内部翼片(flap)，其布置在有源谐振器区域的边缘区域上或与其相邻。内部翼片是介电3D结构，该介电3D结构横向地且向内地朝向谐振器区域的中心区延伸，并且与谐振器的顶表面是远隔的并通过间隙分开。在有源谐振器区之外，或在过程允许时尽量靠近有源区域的边沿，翼片的介电锚附接到谐振器器件表面，并且延伸有限的长度而形成标记为外部搭接部(lap)的特征。此外，使用与用于形成内部翼片和外部搭接部相同的介电层，另一翼片(标记为外部翼片)可以被并入到器件中，其远离有源谐振器区域的中心区横向地且向外延伸，并且与谐振器的顶表面是远隔的并通过另一间隙分开。
[0016] 所公开的新颖的介电内部翼片被设计为自谐振的，就像在一端固定并且在另一端自由而在与有源谐振器区域为谐振的或反谐振(在厚度延伸模式中)的相同频率附近的悬臂模式。在该条件下，沿着谐振器的后续尺寸的厚度延伸模式轮廓贯穿器件有源区变得非常均匀，比现有技术在谐振器边缘区域附近所观察到的更为均匀，这趋于使器件机电耦合系数kt2最大化。无源介电外部搭接部区域允许在有源区外部的厚度延伸模式轮廓的平滑渐缩，并且减少杂散横向模式激发。外部搭接部宽度可以被优化，以使得横向地泄漏的能量在其端接处被反射回来，并且以建设性方式被集中回到有源谐振器区域，这进一步改进器件Q。由于外部搭接部结构是介电的、无源的、并且在有源区外部，所以并入它不会像其他已知杂散模式抑制技术那样减小kt2，这些其他已知杂散模式抑制技术使用与有源顶部电极电接触的导电重叠部和外部翼片。
[0017] 在具有顶部电极连接部的谐振器边缘区域中，横向模式的另外的问题可能出现。
[0018] 顶部电极连接部金属通常需要经由以介电层(在这里，它还兼作频率微调层)封装整个器件而被保护以免受腐蚀。如果钝化层与内部翼片/外部搭接部/外部翼片材料太相似(在蚀刻选择性方面)，则在连接部区域中创建外部搭接部变得有问题，因为它的图案化可能将金属的一部分暴露于环境并且导致顶部电极腐蚀。为了规避这一点，外部搭接部可以被允许“无限地”延伸—也即，在顶部电极连接部的区域上不被蚀刻。作为替代，在该区域中，当还与外部翼片组合时，仍然可以并入外部搭接部。
[0019] 优选地，内部翼片和外部搭接部沿着有源谐振器区域的整个周界布置。外部翼片是可选的，并且主要布置在顶部电极连接部的区域中。根据一种实施例，在内部翼片、外部搭接部、以及可选地外部翼片存在的那些区域处，这些对象可以由共同的介电3D结构形成。最终器件例如通过修改修整后并且钝化的谐振器/滤波器来获得，这通过首先利用牺牲材料涂覆晶片，然后对牺牲材料进行图案化(例如，在外部搭接部区域中去除)，然后利用3D介电材料涂覆晶片，然后在电介质中对内部翼片/外部翼片进行图案化，并且然后最后是牺牲材料的去除。
[0020] 内部翼片、外部搭接部和可选的外部翼片的长度被期望为在端接区域i、ii和iii中的每个端接区域中是一致的，但是在区域类型与区域类型之间不要求相同。给定如上文所描述的单个牺牲层工艺和单个介电层工艺，所有内部翼片/外部翼片的间隙高度相同(但不要求相同)。如果在下面的钝化层厚度被包括，则有效的外部搭接部总厚度可以认为大于内部/外部翼片厚度。在替代工艺中，在下面的钝化层和/或电极层可以与牺牲层开口一起被去除以：i)减小外部搭接部有效厚度；以及ii)改进向顶部电极的3D介电结构对准的控制。当并入标记为下部搭接部的可选特征时，在谐振器的边缘区域附近，顶部电极的有效厚度更薄。当恰当地确定尺寸时，该特征对减少在低于器件的基本谐振的频率处的杂散模式耦合是有用的(对于类型II堆叠—对于类型I堆叠无用)。通常，下部搭接部结构通过使电极厚度凹陷来形成，但是在本发明中，它通过在谐振器边缘区域周围的选定位置处修整钝化层而以新颖的方式被形成。
[0021] 标记为沟槽的特征可以在介电3D结构图案化期间被形成，沟槽意指在钝化层和内部搭接部层、外部搭接部层、以及可选的外部搭接部层中向下至压电部的沟槽。横向尺寸可以被调节以进一步改进器件Q。Q增强可以归因于创建用于剩余的后来泄漏的能量的附加反射位点，该能量在往回朝向有源谐振器被定向时建设性地起作用。
[0023] 外部搭接部可以位于部分地覆盖其表面的顶部电极的边缘区域上。替代地，外部搭接部不覆盖有源谐振器区域中的顶部电极的任何部分。
[0024] 根据一种实施例，3D结构由谐振器表面之上的单一厚度的层形成，其具有大部分共形的图案化牺牲材料。因此，3D电介质的顶表面遵循与其紧密接触的在下面的表面的形貌。
[0025] 本发明可以与不同构造类型的BAW谐振器一起使用，例如，薄膜体声波谐振器(FBAR)或固态装配型谐振器(SMR)。SMR型BAW谐振器与有源谐振器区域和基板紧密接触地安装。为了帮助将声能包含在谐振器内，布拉格镜被布置在基板表面与底部电极之间。该镜包括高声阻抗和低声阻抗的交替层。阻抗差越大，反射系数越好，或者所需要的镜层的所要求的数目越低。
[0027] 在下文中，将参考特定实施例和附图更详细地解释本发明。附图仅是示意性的并且未按比例绘制。为了更好地理解，一些细节可能以放大形式描绘。
[0028] 图1示出了穿过根据现有技术的BAW谐振器的横截面视图；
[0029] 图2示出了穿过根据一种实施例的BAW谐振器的横截面视图，该BAW谐振器具有通过钝化层的图案化而形成的内部翼片和外部搭接部、沟槽和下部搭接部，而图像的左侧示出了底部电极连接部区域并且图像的右侧示出了顶部电极区域；
[0030] 图3示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是为SMR谐振器类型而不是FBAR类型；
[0031] 图4示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是具有比有源区域电极薄的TE连接部电极；
[0032] 图5在横截面视图中示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是具有形成在顶部电极中而不是钝化层中的下部搭接部；
[0033] 图6在横截面中示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是在以下端接类型中的每个端接类型中还包括可选的外部翼片：(i)非连接部区域，(ii)顶部电极连接部区域，以及(iii)底部电极连接部区域；
[0034] 图7在横截面视图中示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是具有内部翼片，这些内部翼片不完全平行于器件表面，而是以特定角度形成，但是大体上向内指向有源区域；
[0035] 图8示出了具有图2实施例的相同特征的实施例，但是底部电极(用于类型I端接和/或类型ii型端接)在基板锚点之前被端接。
具体实施方式
[0036] 图1中描绘了穿过根据现有技术的BAW谐振器的横截面视图。在硅的基板SU中，例如，凹部RC被形成。有源谐振器区域AR布置在凹部RC上方并且包括基板、底部电极BE、压电层PL和顶部电极TE。底部电极元件覆盖凹部RC。下部搭接部UL结构、上部搭接部OLE结构和外部翼片OFE结构从顶部电极TE中被图案化，以用于类型i(无)和类型iii(底部)的端接区域。在下部搭接部ULE区域中，顶部电极比在有源区域AR中薄。在上部搭接部OLE区域中，顶部电极TE比有源区域AR厚。在此处，外部翼片OFE由金属制成并且从有源区域AR向外延伸。对于类型ii端接区域(顶部)，下部搭接部UL、上部搭接部OLE和声桥AB连接部被形成。声桥形成顶部电极连接部TC，用于将顶部电极连接到另一谐振器或滤波器的端子。钝化层IL被施加在顶部电极TE之上，但是不钝化电极的侧面或顶部电极连接部TC(空气桥)的下侧。
[0037] 图2示出了穿过根据第一实施例的BAW谐振器的横截面视图。沿着有源谐振器区域AR的整个周界，从介电层DL结构化的介电3D结构形成内部翼片IF。顶部电极连接部TC从顶部电极层TE的延伸被结构化。顶部电极TE在有源区域AR和顶部电极连接部TC中具有相同的厚度。外部搭接部OL是介电层的一部分，该介电层沿着有源区域AR的周界直接接触压电层PL，但是不在顶部电极连接部TC的区域处直接接触压电层PL。
[0038] 在钝化层IS的节段(其覆盖边缘区域MR中的顶部电极TE)中，钝化层IL和/或介电层DL的厚度被下部搭接部UL减小。
[0039] 3D结构/介电层DL与下部搭接部UL被形成的区域具有重叠部。该重叠部是具有宽度G的小边缘，并且除了顶部电极连接部TC被形成的节段之外，沿着有源区域的整个周界延伸。在该边缘中，形成内部翼片IF的3D结构位于钝化层IL上的如下区域处，在该区域处，它与底部电极BE重叠。
[0040] 在使介电层DL/钝化层IS结构化的沟槽TR中，压电层PL的顶表面被暴露，但是在顶部电极连接部TC中不被暴露。
[0041] 在内部翼片IF与介电层之间，内部间隙IG被形成，在内部间隙IG中，介电3D结构与介电表面有恒定距离。在顶部电极连接部之上，钝化层IS和介电层DL具有原始厚度。
[0042] 3D结构/介电层DL由例如SiN形成并且位于钝化层IL上。内部翼片IF，其是3D结构的向内突出部分，以恒定距离遵循顶部电极层TE的形貌，而保持恒定高度的内部间隙IG。因此，内部翼片遵循从下部搭接部UL到有源区域AR的步幅。
[0043] 底部电极BE可以在有源谐振器区域AR的侧边沿处延长，以形成底部电极连接部BC。
[0044] 例如SiN或SiO2的薄钝化层IL覆盖顶部电极TE和顶部电极连接部TC的整个表面。钝化层IL的厚度小于内部翼片的厚度，并且因此小于从其结构化3D结构的层的厚度。
[0045] 在有源谐振器区域AR下方，基板具有如图1的现有技术谐振器中所示出的空气填充的凹部RC。
[0046] 底部和顶部电极BE、TE由常用材料制成。这些材料可以选自钨W、钼Mo和AlCu合金，或者电极可以是多层混合电极，例如W/AlCu。
[0048] 基板SU优选地包括硅Si，但是也可以由其他适合的材料制成，像例如HTCC和LTTC陶瓷。
[0049] 钝化层IL和介电3D结构可以包括相同的材料，例如SiN。
[0050] 非连接部区域(未示出)与底部电极连接部区域相似，但是具有在外部搭接部端接之后端接的底部电极。
[0051] 图3示出了类似于第一实施例的新BAW谐振器的第二实施例。作为凹部RC的替代，布拉格镜BM被布置在基板SU与底部电极BE之间。布拉格镜BM包括高声阻抗的第一材料HI和低声阻抗的第二材料LI的交替层。声布拉格镜BM的不同层可以形成具有递减面积的层，这些层使阶梯式台面结构被形成。为了清楚的原因，未描绘阶梯式布拉格镜。
[0052] 高声阻抗HI的第一材料可以是金属，像例如钨W。低声阻抗LI的第二材料可以是电介质，像例如SiO2。经常地，高阻抗层HI被结构化并且嵌入有作为电介质的第二材料，以避免与相邻谐振器耦合。底部电极BE和上方的进一步的层以参考图2示出和解释的相同方式被具体化。
[0053] 图4示出了穿过根据第三实施例的BAW谐振器的横截面视图。除了在顶部电极连接部TC中的顶部电极的厚度D比在有源区域AR中薄之外，该实施例遵从第一实施例。
[0054] 图5中示出了本发明的第四实施例。该实施例遵从如图2中所示出的第一实施例，除外的是，有源区域AR中的顶部电极TE的厚度H在边缘区域中被下部搭接部UL减小。钝化层IS的厚度在有源区域AR中和在边缘区域MR中可以相同。
[0055] 图6示出了第五实施例。沿着有源谐振器区域AR的整个周界，介电层DL/3D结构形成如图2中所示出的内部翼片IF。沿着有源谐振器区域AR的整个周界，形成3D结构的介电层另外形成外部翼片OF，在外部翼片OF处，介电层使外部搭接部OL以到表面钝化层IS的一定距离而延伸。由此，外部间隙OG被形成。该实施例的所有其他特征可以遵从图2。然而，钝化层IL覆盖顶部电极TE、顶部电极连接部TC的整个表面，并且还可以在压电层PL未被顶部电极TE或顶部电极连接部TC覆盖的地方覆盖压电层PL。因此，在图2至图5的实施例中存在的沟槽TR被省略。
[0056] 在该实施例中，对于每个端接类型I、ii和iii，外部翼片是可选特征。
[0057] 图7在横截面视图中示出了根据第六实施例的BAW谐振器。该实施例具有如根据第一实施例的在图2中所示出的BAW谐振器那样的相同特征，但是具有内部翼片IF，这些内部翼片IF不完全平行于器件表面，而是以特定角度Θ形成，但是大体上向内指向有源区域AR。
[0058] 图8示出了具有图2实施例的相同特征的第七实施例，除外的是，底部电极BE(用于类型I端接和/或类型ii端接)在基板锚点之前被端接，在该基板锚点处，底部电极BE接触凹部RC中的基板SU的边沿。
[0059] BAW谐振器的制造可以根据公知的工艺来完成。每一层可以分开沉积，并且如果在沉积之后需要的话可以是结构。沉积方法是溅射、以及可以被等离子体增强的CVD方法。电极可以通过电镀工艺来加强。在需要的情况下可以使用抗蚀剂掩模和光刻。当作为层施加时，借助于在突出部分下方的牺牲层来形成突出部分(内部翼片和外部翼片)。在横向结构化介电层(3D结构的前体)之后，牺牲层可以通过蚀刻被去除。SiO2的牺牲层可以针对SiN选择性地被蚀刻，从而SiN可以用作蚀刻停止部。换言之，SiO2可以不去除介电3D结构的SiN而被蚀刻。
[0060] 在附图中，分别仅描绘了一个谐振器。在现实中，在大面积基板上，多个BAW谐振器可以并行地被制造。将这样的谐振器以梯型布置电路连接到滤波器电路，电连接部和电路系统可以在集成工艺中被制造。
[0062] 所使用的参考符号的列表
[0063] AB 空气桥
[0064] AR 有源谐振器区域
[0065] BC 底部电极连接部
[0066] BE 底部电极
[0067] BM 布拉格镜
[0068] D 顶部电极连接部中的顶部电极的厚度
[0069] DL 形成3D结构的介电层
[0070] G 3D结构与下部搭接部的节段重叠处的边缘
[0071] H 有源区域中的顶部电极的高度
[0072] HI 高声阻抗的第一材料
[0073] IF 内部翼片
[0074] IG 内部间隙
[0075] IL 钝化层
[0076] LI 低声阻抗的第二材料
[0077] MR 边缘区域
[0078] OF 外部翼片
[0079] OG 外部间隙
[0080] OL 外部搭接部
[0081] PL 压电层
[0082] RC SU中的凹部
[0083] SU 基板
[0084] TC 顶部电极连接部
[0085] TE 顶部电极
[0086] TR 沟槽
[0087] UL 下部搭接部
[0088] Θ 实施例6中的内部翼片的角度
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