CN103701425B - 滤波器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤波器及其制造方法，其中，该滤波器包括串联谐振器和并联谐振器，至少一个串联谐振器包括质量负载，并且至少一个并联谐振器包括质量负载；其中，串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料。本发明通过使串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料，能够使M值基本不受覆盖层厚度影响，从而控制整个晶圆上的M值的变化幅度，进而提高滤波器的生产良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，并且特别地，涉及一种滤波器及其制造方法。
背景技术
无线宽带通讯一直是关注的焦点，现有频率资源却十分有限，优质的频段已被占据，新的应用被迫使用其他嘈杂和零散的频段。为了减小不同操作频段间的干扰，能够提供低通带插损，高阻带抑制，滚降陡峭，通带波纹小的射频滤波器在无线通讯中应用广泛。射频滤波器可以由若干谐振器通过电学或者其他耦合方式构成。薄膜体声波谐振器（FilmBulk Acoustic Resonator，FBAR）具有高Q值，高工作频率，高功率容量，较强的抗静电放电（Electro-Static Discharge，ESD）能力，主要应用在射频滤波器的制造中。
如图1所示，为现有技术中的一种梯形射频滤波器的拓扑结构。图1所示的A1、A2为串联谐振器，B1、B2、B3为并联谐振器。串联谐振器的谐振频率比并联谐振器的谐振频率高，任意一个串联谐振器与任意一个并联谐振器之间的谐振频率的差值定义为滤波器的M值。当实际加工的M值在设计的M值阈值内时，滤波器的带宽和通带特性能够满足设计指标。实际加工的M值过大或者过小将导致滤波器的带宽或者通带特性无法达到要求。
如图2所示，为现有技术中采用薄膜体声波谐振器技术，将串联谐振器和并联谐振器制作在一个基底上的结构图。图2中谐振器105为传统的串联谐振器，谐振器106为并联谐振器。串联谐振器105包括下电极131、压电层133、上电极135和覆盖层137；并联谐振器106包括下电极132、压电层134、上电极136、覆盖层138以及质量负载层142。另外，串联谐振器105和106共用基底110、介质层（121和122）、声反射层123。介质层（121和122）与声反射层123的边界接触从而定义声反射层123的位置和大小。声反射层123可以为空气层，也可以为布拉格反射层或者其他能够反射声能的结构。覆盖层位于谐振器的顶部，通过调整覆盖层的厚度能够同时改变串联谐振器105和并联谐振器106的谐振频率。同时，覆盖层也可用作钝化或者温度补偿。
由于谐振器存在质量负载效应，质量负载层142使得并联谐振器106的谐振频率比串联谐振器105的谐振频率低。M值的大小主要由质量负载层142的材料和厚度决定，同时也存在一些影响M值大小（如覆盖层的厚度）的其它因素。
图3为图2所示的谐振器结构的M值随覆盖层厚度变化的趋势图。随着覆盖层的厚度从200nm增加到300nm，M值从35MHz上升到38.5MHz，M值变化量为3.5MHz。其中，下电极（131、132）和上电极（135、136）的材料为钼（Mo），厚度为500nm；压电层133、134和覆盖层137、138的材料为氮化铝（AlN），压电层133、134的厚度为1000nm；质量负载层142的材料为铝（Al），厚度为131nm。图3说明覆盖层的厚度能够影响M值的大小。
现代通讯系统对滤波器的频率控制要求很高。例如，频率为2GHz左右的滤波器的频率变化一般需要控制在+/-1MHz以内，然而在加工频率为2GHz滤波器的过程中，整个晶圆上薄膜体声波谐振器的谐振频率变化幅度一般超过25MHz，造成整个晶圆上滤波器的频率变化幅度超过25MHz。因此，在完成谐振器各层的沉积后，需要精细地调整晶圆不同区域的谐振器的谐振频率，即在晶圆的不同区域增加或者减少不同厚度的覆盖层，使整个晶圆上谐振器的谐振频率达到要求范围。例如，为了使整个晶圆上谐振器的谐振频率控制在+/-1MHz以内，采用增加或者减少上述谐振器（即图2所示的结构以及图3要求的各层厚度）的覆盖层厚度的方法调整谐振频率，通过计算得到由于覆盖层厚度改变造成M值在整个晶圆上的变化幅度大于3.5MHz。如果将质量负载层142在晶圆上的厚度不均匀性考虑在内，M值在整个晶圆上的变化幅度将会更大。如上文所述，M值的大幅度变化将导致一片晶圆上滤波器的低良率。
针对相关技术中滤波器的M值在整个晶圆上的变化幅度过大造成滤波器低良率的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中滤波器的M值在整个晶圆上的变化幅度过大造成滤波器低良率的问题，本发明提出一种滤波器及其制造方法，能够减小M值的变化幅度，提高滤波器的制造良率。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器，其中，该滤波器包括串联谐振器和并联谐振器，至少一个串联谐振器包括质量负载，并且至少一个并联谐振器包括质量负载；
其中，串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料。
优选地，在多个串联谐振器具有质量负载的情况下，多个串联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成；
在多个并联谐振器具有质量负载的情况下，多个并联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成。
其中，串联谐振器的质量负载由第一材料制成，并联谐振器的质量负载由第二材料制成，在第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，第一材料的声阻抗大于第二材料的声阻抗，在第一材料和第二材料的声阻抗均小于预定值的情况下，第一材料的声阻抗小于第二材料的声阻抗。
可选地，预定值在25MRayl-35MRayl范围内。
此外，每个谐振器均进一步包括：
覆盖层；
上电极，位于覆盖层下方；
压电层，位于上电极下方；
下电极，位于压电层下方；
声反射结构，位于下电极下方；
质量负载位于覆盖层和声反射结构之间。
可选地，质量负载位于上电极和覆盖层之间。
可选地，质量负载位于上电极与压电层之间。
可选地，质量负载位于压电层与下电极之间。
可选地，质量负载位于下电极与声反射结构之间。
并且，质量负载的材料包括金属和/或介质材料。
而且，质量负载的厚度大于等于1nm，并且小于等于500nm。
进一步地，谐振器为薄膜体声波谐振器和/或石英晶体谐振器。
根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器的制造方法，其中，该滤波器包括串联谐振器和并联谐振器。
上述制造方法包括：
形成位于串联枝中的串联谐振器以及形成位于并联枝中的并联谐振器；
其中，在形成至少一个串联谐振器时形成该谐振器的质量负载，并且，在形成至少一个并联谐振器时形成该谐振器的质量负载；
其中，形成串联谐振器的质量负载的材料不同于形成并联谐振器的质量负载的材料。
优选地，在形成多个串联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成多个串联谐振器的质量负载；
在形成多个并联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成多个并联谐振器的质量负载。
进一步地，在形成谐振器的质量负载时，使用第一材料形成串联谐振器的质量负载，使用第二材料形成并联谐振器的质量负载，在使用的第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，第一材料的声阻抗大于第二材料的声阻抗，在使用的第一材料和第二材料的声阻抗均小于预定值的情况下，第一材料的声阻抗小于第二材料的声阻抗。
可选地，预定值在25MRayl-35MRayl范围内。
并且，调整串联谐振器中质量负载的厚度和并联谐振器中质量负载的厚度，使在调整串联谐振器和并联谐振器的谐振频率时，串联谐振器的谐振频率与并联谐振器的谐振频率的差值在预定阈值内。
本发明通过使串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料，能够使M值基本不受覆盖层厚度影响，从而控制整个晶圆上的M值的变化幅度，进而提高滤波器的生产良率。
附图说明
图1是现有技术中的一种射频滤波器的拓扑结构的示意图；
图2是现有技术中的一种谐振器结构的示意图；
图3是图2所示谐振器结构的M值随谐振器覆盖层厚度变化的示意图；
图4是根据本发明的实施例，在质量负载的材料选择不同的情况下，M值随覆盖层厚度变化的示意图；
图5是根据本发明的一个实施例的谐振器结构的示意图；
图6和图7是图5所示谐振器结构在选择两组质量负载层的参数的情况下，M值随覆盖层厚度变化的示意图；
图8是根据本发明的另一个实施例的谐振器结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种滤波器，其中，该滤波器包括串联谐振器和并联谐振器，至少一个串联谐振器包括质量负载，并且至少一个并联谐振器包括质量负载，存在一些谐振器没有质量负载的情况，并且本发明中不限制质量负载的表现形式和数量，本领域技术人员公知的质量负载的应用方法均在本发明的保护范围之内；
其中，串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料，其中，质量负载的厚度大于等于1nm，并且小于等于500nm。串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料能够使M值基本不受覆盖层厚度影响，从而控制整个晶圆上的M值的变化幅度，进而提高滤波器的生产良率。
串联谐振器和并联谐振器的质量负载可以由金属、介质材料制成，金属可以包括Al、Mo等，介质材料可以包括SiC、SiO2和SixNy等，在其它情况下，具有低声损耗和高声阻抗的材料如W、Mo、Pt、Ta、Ru、Ir、TiW、Ta2O5、ZnO和SiC可被优先选择。
优选地，在多个串联谐振器具有质量负载的情况下，多个串联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成；在多个并联谐振器具有质量负载的情况下，多个并联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成。并且，在存在多个串联谐振器和多个并联谐振器的情况下，串联谐振器的质量负载和并联谐振器的质量负载的材料选择可以存在部分重叠，只要设计中所关心的M值的变化幅度在预定阈值之内即可。
其中，串联谐振器的质量负载由第一材料制成，并联谐振器的质量负载由第二材料制成，在第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，第一材料的声阻抗大于第二材料的声阻抗，在第一材料和第二材料的声阻抗均小于预定值的情况下，第一材料的声阻抗小于第二材料的声阻抗。
可选地，预定值在25MRayl-35MRayl范围内，优选地，预定值为30MRayl，。
在图2所示的传统结构中，质量负载层142选择不同材料，M值随覆盖层厚度的变化趋势和幅度不同。如图4所示，为在质量负载层的材料选择不同的情况下（在本实施例中选择了四种不同的声阻抗），M值随覆盖层厚度变化而变化的趋势图。由于声阻抗是材料的固有属性，因此，选择不同的声阻抗代表不同材料的质量负载层142。如图4所示，以覆盖层厚度在200-300nm之间变化为例，在材料的声阻抗为70MRayl时，M值随覆盖层厚度的增大而减小；在材料的声阻抗为50MRayl时，M值随覆盖层厚度的增大而减小，并且M值随厚度减小的幅度小于声阻抗为70MRayl时的情况；在材料的声阻抗为30MRayl时，M值随覆盖层厚度的增大基本无变化；在材料的声阻抗为10MRayl时，M值随覆盖层厚度的增大而增大；在未示出的实施例中，在材料的声阻抗为5MRayl时，M值随覆盖层厚度的增大而增大，并且M值随厚度增大的幅度大于声阻抗为10MRayl时的情况。
由此可知，当质量负载层142的声阻抗小于30MRayl时，M值随覆盖层厚度的增加而增加，并且声阻抗越小，增加幅度越大；而当质量负载层142的声阻抗大于30MRayl时，M值随覆盖层厚度的增加而减小，并且声阻抗越大，减小幅度越大。
其中，文中所述的谐振器可以为薄膜体声波谐振器和/或石英晶体谐振器。
此外，根据本发明的每个谐振器可以进一步包括：
覆盖层；
上电极，位于覆盖层下方；
压电层，位于上电极下方，其中，压电层的材料可以包括AlN、ZnO、PZT、Quartz、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3等。；
下电极，位于压电层下方；
声反射结构，位于下电极下方；
质量负载位于覆盖层和声反射结构之间。
可选地，质量负载位于上电极和覆盖层之间。
可选地，质量负载位于上电极与压电层之间。
可选地，质量负载位于压电层与下电极之间。
可选地，质量负载位于下电极与声反射结构之间。
根据本发明的实施例，提供了一种谐振器结构，如图5所示，谐振器101为串联谐振器，102为并联谐振器。串联谐振器101和并联谐振器102的其他部分与图2所示的结构大部分相同，除了串联谐振器101包括质量负载层241，并联谐振器102包括质量负载层242。质量负载层241位于上电极235和覆盖层237之间，质量负载层242位于上电极236和覆盖层238之间。此外，在未示出的实施例中，质量负载层241和242也可以位于声反射结构223和下电极231、232之间。谐振器101、102可以为薄膜体声波谐振器，也可以为石英晶体谐振器等。质量负载层241和242的材料不同，它们的厚度可以相同，也可以不同。通过选择质量负载层241和242的厚度和材料组合能够保证M值在设计的预定阈值内，且保证M值基本不随覆盖层厚度的变化而改变。
质量负载层241和242的材料选择范围包括金属（如Al和Mo），介质材料（如SiC、SiO2和SixNy）等。在许多情况下，具有低声损耗和高声阻抗的材料如W、Mo、Pt、Ta、Ru、Ir、TiW、Ta2O5、ZnO和SiC可被优先选择。压电层的材料包括AlN、ZnO、PZT、Quartz、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3等。质量负载层241和242的厚度范围为1nm至500nm。
根据本发明的实施例，提供了一种质量负载层的材料和厚度的选择方法。在图5所示的实施例中，质量负载层241和242可选择造成传统结构（图2）中M值随覆盖层厚度的变化趋势相同的材料，且质量负载层241造成的变化幅度大于质量负载层241造成的变化幅度。即，根据图4所示，选择质量负载层241和242的材料时，要求质量负载层241和242的声阻抗小于30MRayl且质量负载层241的声阻抗小于质量负载层242的声阻抗；或者质量负载层241和242的声阻抗大于30MRayl且质量负载层241的声阻抗大于质量负载层242的声阻抗。选择材料后，根据设计的目标M值的大小和可以接受的M值变化范围确定质量负载层241和242的厚度。依照以上方法，在这里给出如图5所示的谐振器结构的两个质量负载层的材料和厚度选择的两个具体实例，并且，其他材料以下述参数为例：下电极231、232和上电极235、236的材料为Mo，上、下电极厚度为500nm；压电层233、234和覆盖层237、238的材料为AlN，压电层233、234的厚度为1000nm。
在第一具体实例中，质量负载层241的材料为Al，厚度为100nm；质量负载层242的材料为Ti，厚度为150nm。如图6所示，随着覆盖层的厚度从200nm增加到300nm，M值变化量小于0.05MHz，维持在35.5MHz附近基本不变。
在第二具体实例中，质量负载层241的材料为Mo，厚度为70nm；质量负载层242的材料为Cu，厚度为132nm。如图7所示，随着覆盖层的厚度从200nm增加到300nm，M值变化量小于0.1MHz，维持在36.5MHz附近基本不变。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种谐振器结构，如图8所示，谐振器103为串联谐振器，104为并联谐振器。串联谐振器103包括质量负载层341，并联谐振器104包括质量负载层342。除质量负载层341位于上电极335和压电层333之间，以及质量负载层342位于上电极336和压电层334之间以外，其他方面与图5所示的实施例相同。质量负载层341、342的材料和厚度选择也可参考上述的选择方法。
此外，在未示出的实施例中，质量负载层341也可以位于下电极331和压电层333之间，质量负载层342也可以位于下电极332和压电层334之间。谐振器103、104可以为薄膜体声波谐振器，也可以为石英晶体谐振器等。
根据本发明的一个实施例，提供了一种滤波器的制造方法，其中，该滤波器包括串联谐振器和并联谐振器。
根据本发明实施例的制造方法包括：
形成位于串联枝中的串联谐振器，以及形成位于并联枝中的并联谐振器；
其中，在形成至少一个串联谐振器时形成该谐振器的质量负载，并且，在形成至少一个并联谐振器时形成该谐振器的质量负载；
其中，形成串联谐振器的质量负载的材料不同于形成并联谐振器的质量负载的材料，其中，形成的质量负载的厚度大于等于1nm，并且小于等于500nm。
优选地，在形成多个串联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成多个串联谐振器的质量负载；在形成多个并联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成多个并联谐振器的质量负载。并且，在需要形成多个串联谐振器和多个并联谐振器的情况下，在选择串联谐振器的质量负载和并联谐振器的质量负载的材料时，可以存在部分重叠，只要设计中所关心的M值的变化幅度在预定阈值之内即可。
进一步地，在形成谐振器的质量负载时，使用第一材料形成串联谐振器的质量负载，使用第二材料形成并联谐振器的质量负载，在使用的第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，第一材料的声阻抗大于第二材料的声阻抗，在使用的第一材料和第二材料的声阻抗均小于预定值的情况下，第一材料的声阻抗小于第二材料的声阻抗。
可选地，预定值在25MRayl-35MRayl范围内，优选地，预定值为30MRayl，并且，调整串联谐振器中质量负载的厚度和并联谐振器中质量负载的厚度，使在调整串联谐振器和并联谐振器的谐振频率时，串联谐振器的谐振频率与并联谐振器的谐振频率的差值在预定阈值内。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过使串联谐振器的质量负载的材料不同于并联谐振器的质量负载的材料，能够使M值基本不受覆盖层厚度影响，从而控制整个晶圆上的M值的变化幅度，提高滤波器的生产良率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种滤波器，其中，所述滤波器包括串联谐振器和并联谐振器，其特征在于，至少一个串联谐振器包括质量负载，并且至少一个并联谐振器包括质量负载；
其中，所述串联谐振器的质量负载的材料不同于所述并联谐振器的质量负载的材料；
其中，所述串联谐振器的质量负载由第一材料制成，所述并联谐振器的质量负载由第二材料制成，在所述第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，所述第一材料的声阻抗大于所述第二材料的声阻抗，在所述第一材料和第二材料的声阻抗均小于所述预定值的情况下，所述第一材料的声阻抗小于所述第二材料的声阻抗。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，在多个串联谐振器具有质量负载的情况下，所述多个串联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成；
在多个并联谐振器具有质量负载的情况下，所述多个并联谐振器的质量负载由相同或不同的材料制成。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述预定值在25MRayl-35MRayl范围内。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，每个谐振器均进一步包括：
覆盖层；
上电极，位于所述覆盖层下方；
压电层，位于所述上电极下方；
下电极，位于所述压电层下方；
声反射结构，位于所述下电极下方；
所述质量负载位于所述覆盖层和所述声反射结构之间；
其中，所述每个谐振器包括串联谐振器和并联谐振器。
5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载位于所述上电极和所述覆盖层之间。
6.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载位于所述上电极与所述压电层之间。
7.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载位于所述压电层与所述下电极之间。
8.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载位于所述下电极与所述声反射结构之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载的材料包括金属和/或介质材料。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述质量负载的厚度大于等于1nm，并且小于等于500nm。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器为薄膜体声波谐振器和/或石英晶体谐振器，其中，所述谐振器包括串联谐振器和并联谐振器。
12.一种滤波器的制造方法，其中，所述滤波器包括串联谐振器和并联谐振器，其特征在于，所述制造方法包括：
形成位于串联枝中的串联谐振器以及形成位于并联枝中的并联谐振器；
其中，在形成至少一个串联谐振器时形成该谐振器的质量负载，并且，在形成至少一个并联谐振器时形成该谐振器的质量负载；
其中，形成串联谐振器的质量负载的材料不同于形成并联谐振器的质量负载的材料；
其中，在形成谐振器的质量负载时，使用第一材料形成所述串联谐振器的质量负载，使用第二材料形成所述并联谐振器的质量负载，在使用的所述第一材料和第二材料的声阻抗均大于等于预定值的情况下，所述第一材料的声阻抗大于所述第二材料的声阻抗，在使用的所述第一材料和第二材料的声阻抗均小于所述预定值的情况下，所述第一材料的声阻抗小于所述第二材料的声阻抗。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，在形成多个串联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成所述多个串联谐振器的质量负载；
在形成多个并联谐振器的质量负载时，由相同或不同的材料形成所述多个并联谐振器的质量负载。
14.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述预定值在25MRayl-35MRayl范围内。
15.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，调整所述串联谐振器中质量负载的厚度和所述并联谐振器中质量负载的厚度，使在调整所述串联谐振器和所述并联谐振器的谐振频率时，所述串联谐振器的谐振频率与所述并联谐振器的谐振频率的差值在预定阈值内。
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