CN103795369A - 具有低微调敏感度的温度补偿谐振器装置及制造所述装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低微调敏感度的温度补偿谐振器装置及制造所述装置的方法。温度补偿体声波BAW谐振器装置具有低微调敏感度以用于提供精确谐振频率。所述BAW谐振器装置包含：第一电极，其沉积在衬底上；压电层，其沉积在所述第一电极上；第二电极，其沉积在所述压电层上；及镜对，其沉积在所述第二电极上。所述第一电极及所述第二电极中的至少一者包含电极层及温度补偿层，所述温度补偿层经配置以补偿至少所述压电层的温度系数。

Description

具有低微调敏感度的温度补偿谐振器装置及制造所述装置的方法
技术领域
本发明大体上涉及一种谐振器装置，且特定来说涉及一种温度补偿谐振器装置。
背景技术
转换器一般将电信号转换成机械信号或振动，及/或将机械信号或振动转换成电信号。特定来说，声转换器经由逆压电效应及正压电效应将电信号转换成声信号(声波)且将接收到的声波转换成电信号。声转换器一般包含声谐振器(例如，体声波(BAW)谐振器及表面声波(SAW)谐振器)且可用于各种各样的电子应用中，例如蜂窝电话、个人数字助理(PAD)、电子游戏装置、膝上型计算机或其它便携式通信装置。BAW谐振器的实例包含薄膜体声谐振器(FBAR)(其在振动谐振器的任一侧上需要空气接口)及牢固安装谐振器(SMR)(其安装在声镜堆叠上)。
举例来说，需要在射频(RF)系统中的振荡器(例如，电压控制振荡器(VCO)或时钟源)中使用声谐振器。常规振荡器通常使用石英晶体谐振器，所述石英晶体谐振器提供高频率精度、伴随温度(变化)的低频率漂移及低噪声。然而，石英晶体谐振器在尺寸方面是相对大的，且其未在物理尺寸方面按比例缩小以与许多电路的当前密度要求匹配。并且，频率范围限于数百MHz。相比之下，声谐振器(例如，常规FBAR)比石英晶体谐振器小得多。更重要的是，FBAR能够以从400MHz到5GHz的非常高的频率谐振，这在许多通信应用中是特别有用的。并且，FBAR可以晶片级大量生产，其中可通过使用与半导体制造工艺兼容的工艺一次制造数以万计的FBAR。然而，与通常的石英晶体谐振器相比，FBAR不提供相对于所要振荡频率(例如，谐振频率)的充分精度且经历响应于温度变化的相对高的频率漂移。
在制造工艺期间，将FBAR制造为晶片的一部分且接着将FBAR分割成单个裸片。常规FBAR的频率趋向于在晶片上变化。举例来说，常规FBAR对频率微调(或晶片微调)非常敏感，所述频率微调(或晶片微调)为用于从晶片的最顶层移除极少量的材料以降低厚度，借此在FBAR仍为晶片的一部分时细调FBAR的谐振频率的工艺。高微调敏感度导致在晶片上缺乏频率一致性，且进一步引起提供精确谐振频率的困难。举例来说，晶片级的频率一致性通常超过一个西格玛(sigma)约300百万分率(PPM)，这对于FBAR在许多实际应用中代替石英晶体振荡器来说是不足够的。
因此，需要一种具有非常低的频率微调敏感度(尤其在晶片级)以及良好的温度补偿特性的声谐振器，例如FBAR。这将使得声谐振器能够被可靠地用于各种应用中的振荡器中。
发明内容
根据代表性实施例，一种具有低微调敏感度以用于提供精确谐振频率的温度补偿体声波(BAW)谐振器装置包含：第一电极，其沉积在衬底上；压电层，其沉积在所述第一电极上；第二电极，其沉积在所述压电层上；及声镜对，其沉积在所述第二电极上。所述第一电极及所述第二电极中的至少一者包含电极层及温度补偿层，所述温度补偿层经配置以补偿至少所述压电层的温度系数。
根据另一代表性实施例，一种具有多个BAW谐振器装置的晶片(多个BAW谐振器装置可通过切割所述晶片彼此分离)包含：第一电极层，其安置在衬底上；压电层，其安置所述第一电极层上；第二电极层，其安置在所述压电层上；低声阻抗层，其安置在所述第二电极层上；高声阻抗层，其安置在所述低声阻抗层上；及温度补偿层，其埋入在所述第一电极层及所述第二电极层中的至少一者中，所述温度补偿层具有正温度系数。所述温度补偿层使得BAW谐振器装置能够提供实质上一致的温度补偿。所述低声阻抗层及所述高声阻抗层使得所述晶片对于频率微调具有低敏感度，使得BAW谐振器装置提供实质上一致的谐振频率。
根据另一代表性实施例，提供一种用于制造多个BAW谐振器装置的方法，所述多个BAW谐振器装置对于频率微调具有低敏感度且提供实质上一致的温度补偿。所述方法包含：在晶片上的半导体衬底上形成第一电极层，所述第一电极包括温度补偿层；在所述第一电极上形成压电层；在所述压电层上形成第二电极层；在所述第二电极上形成声镜对层，所述镜对包含低声阻抗层及高声阻抗层；在所述镜对层上形成钝化层；及对所述低声阻抗层、所述高声阻抗层及所述钝化层中的至少一者进行频率微调以调整BAW谐振器装置的谐振频率。
附图说明
下文参考不希望按比例绘制的附图论述至少一个实施例的各种方面。包含图式以提供对各种方面及实施例的说明及进一步理解，且并入在本说明书中且构成本说明书的一部分，但不希望为对本发明的限制的界定。在图式、详细描述或任何权利要求中的技术特征带有参考符号的情况下，仅出于增加图式、详细描述及/或权利要求的可理解性的目的而包含参考符号。因此，存在参考符号或缺乏参考符号都不希望对任何主张元素的范围具有任何限制作用。在图式中，在各种图式中说明的每一相同或几乎相同的组件由相同数字表示。出于清楚目的，可不在每个图式中标记出每个组件。在图式中：
图1为根据代表性实施例的谐振器装置的横截面图；
图2为根据代表性实施例的谐振器装置的横截面图；
图3为根据代表性实施例的包含多个谐振器装置的晶片的横截面图；
图4为根据代表性实施例的展示图3中描绘的晶片的制造的流程图；及
图5为描绘谐振器装置的设定谐振频率的比较性变化的比较性图表。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释而不是限制的目的，阐述特定细节以提供对根据本教示的说明性实施例的透彻理解。然而，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将明白脱离本文中揭示的特定细节的根据本教示的其它实施例保持在所附权利要求书的范围内。此外，可省略对众所周知的设备及方法的描述以不使对说明性实施例的描述模糊。此类方法及设备清楚地位于本教示的范围内。
代表性实施例涉及一种提供优于已知BAW谐振器的优点的BAW谐振器结构。根据代表性实施例，一种BAW谐振器包含具有包含在多层薄膜堆叠中的声镜对的FBAR。根据另一代表性实施例，所述FBAR可进一步包含所述声镜对上的钝化层。声镜对的添加可显著改变BAW谐振器的频散且允许降低或消除串联谐振频率下的损失。此外，声镜对的添加提供比已知BAW谐振器显著较好的频率微调容限，不管是微调声镜对的高阻抗层还是微调钝化层。这允许制造具有精确频率的谐振器。并且，根据代表性实施例，BAW谐振器进一步包含两个电极中的至少一者中的温度补偿层，从而提供归因于温度变化的降低的频率敏感度。因此，根据各种实施例，BAW谐振器相对于温度有效地提供零漂移谐振器(ZDR)，其能够代替石英晶体谐振器而用作(例如)用于时钟源或本机频率振荡中的紧凑的、高度可靠的谐振器。BAW谐振器可类似地用于受益于ZDR功能性的任何其它能力，例如，滤波及双工器滤波。
可根据共同拥有的第5,587,620号美国专利；第5,873,153号美国专利；第6,384,697号美国专利；第6,507,983号美国专利；及授予鲁比(Ruby)等人的第7,275,292号美国专利及授予布拉德利等人第6,828,713号美国专利的教示制造代表性实施例的BAW谐振器的某些方面。这些专利特此以引用方式并入。应强调，这些专利中描述的方法及材料是代表性的且预期在所属领域的一般技术人员的视界内的其它制造方法及材料。
应认识到，本文中论述的方法及设备的实施例不限于应用于以下描述中阐述或附图中说明的组件的构造及布置的细节。所述方法及设备能够在其它实施例中实施且能够以各种方式实践或实施。仅出于说明性目的在本文中提供特定实施方案的实例且不希望为限制性的。特定来说，不希望排除结合任何一个或一个以上实施例论述的动作、元件及特征在任何其它实施例中具有类似作用。图式中的相同参考数字指代相同元件。
并且，本文中使用的措辞及术语是出于描述目的且不应被视为是限制性的。对本文中的系统及方法的实施例或元件或动作以单数形式的参考也可包括包含多个这些元件的实施例，且对本文中的任何实施例或元件或动作的任何复数形式的参考也可包括包含仅单个元件的实施例。单数形式或复数形式的参考不希望限制当前揭示的系统或方法、其组件、动作或元件。在本文中使用“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型希望涵盖此后列出的项目及其等效物以及额外项目。对“或”的参考可理解为是包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可表示单个术语、一个以上术语及所有所描述的术语中的任一者。希望对前及后、左及右、顶部及底部以及上及下的任何参考是出于便于描述的目的，且不将本系统及方法或其组件限于任何一个位置或空间定向。如本文中所使用，术语“一个(a)”或“一个(an)”界定为一个或一个以上。如本文中所使用，术语“多个”界定为两个或两个以上。
如说明书及所附权利要求书中所使用，且除其一般意义之外，术语“实质上的”或“实质上地”表示具有可接受的限制或程度。举例来说，“实质上取消”表示所属领域的技术人员认为取消是可接受的。并且，如说明书及所附权利要求书中所使用且除其一般意义之外，术语“约”及“大约”对所属领域的一般技术人员来说表示在可接受的限制或量之内。举例来说，“大约一样”表示所属领域的一般技术人员认为被比较的项目是一样的。
图1为根据代表性实施例的声谐振器装置的横截面图，所述声谐振器装置包含镜对及具有温度补偿层的电极。
参考图1，说明性谐振器装置100包含形成在衬底110上的(声)多层薄膜堆叠105。谐振器装置100为BAW谐振器装置，且更特定来说，具有所描绘的说明性配置的FBAR。衬底110可由与半导体工艺兼容的各种类型的半导体材料形成，例如，硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或类似物，其用于集成连接件及电子器件，从而减小尺寸及成本。在所描绘的实施例中，衬底110包含形成在多层薄膜堆叠105下方以提供声隔离的空腔115，使得多层薄膜堆叠105悬在空气空间上以实现机械移动。
在替代实施例中，举例来说，衬底110可使用SMR技术而形成为不具有空腔115。举例来说，多层薄膜堆叠105可形成在声镜或布拉格反射器(Bragg Reflector)(未展示)上，所述声镜或布拉格反射器(Bragg Reflector)具有形成在衬底110中的高声阻抗材料及低声阻抗材料的交替层。所述层中的每一者在声波长下为大约四分之一波长厚。可根据各种技术制造声反射器，所述技术的实例描述于授予拉尔森三世(Larson,III)等人的第7,358,831号美国专利中，所述专利特此以引用方式并入。
多层薄膜堆叠105包含形成在第一电极120与第二电极140之间的压电层130。第一电极120包含多个层，且在本文中称为复合电极。在各种实施例中，复合第一电极120包含循序堆叠在衬底110上的基电极层122、温度补偿层124(例如，氧化物层)及导电插入物层126。基电极层122及导电插入物层126由导电材料形成，例如与半导体工艺兼容的各种金属，举例来说，包含，钨(W)、钼(Mo)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)。
在各种实施例中，基电极层122及导电插入物层126由不同导电材料形成，其中基电极层122由具有相对低的导电率及相对高的声阻抗的材料形成，且导电插入物层126由具有相对高的导电率及相对低的声阻抗的材料形成。举例来说，基电极层122可由W形成且导电插入物层126可由Mo形成，然而可在不脱离本教示的范围的情况下使用其它材料及/或材料组合。此外，在各种实施例中，在不脱离本教示的范围的情况下，基电极层122及导电插入物层126可由同一导电材料形成。
温度补偿层124形成在基电极层122与导电插入物层126之间。因此，温度补偿层124通过导电插入物层126与压电层130分离或隔离。温度补偿层124可由具有正温度系数的与半导体工艺兼容的各种材料形成，举例来说，包含，硼硅玻璃(BSG)、二氧化硅(SiO2)、铬(Cr)或氧化碲(TeO(x))。温度补偿层124的正温度系数抵消多层薄膜堆叠105中的其它材料(包含压电层130、第二电极140及复合第一电极120的基电极层122及导电插入物层126)的负温度系数。此外，导电插入物层126提供势垒，所述势垒防止温度补偿层124中的氧扩散到压电层130中，从而防止对压电层130的污染。将温度补偿层添加到谐振器装置的一个或两个电极的实例描述于2011年11月3日公开的授予鲁比等人的第2011/0266925号的美国专利申请公开案中，所述专利申请公开案特此以引用方式并入。
压电层130形成在导电插入物层126的顶面上。压电层130可由与半导体工艺兼容的压电薄膜形成，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)或类似物。举例来说，压电层130的厚度可从约1000埃到约
Figure BDA0000393822730000062
变化，然而所述厚度可变化以为特定情形提供唯一益处或满足各种实施方案的应用特定设计要求，如所属领域的一般技术人员将明白。在一实施例中，压电层130可形成在晶种层(未展示)上，所述晶种层安置在复合第一电极120的上表面上。举例来说，所述晶种层可由Al形成以培养AlN压电层130的生长。举例来说，所述晶种层可具有在约
Figure BDA0000393822730000063
到约
Figure BDA0000393822730000064
范围中的厚度。
第二电极140形成在压电层130的顶面上。第二电极140由与半导体工艺兼容的导电材料形成，例如Mo、W、Al、Pt、Ru、Nb、Hf或类似物。在一实施例中，第二电极140由与第一电极120的基电极层122相同的材料形成。然而，在各种实施例中，第二电极140可由仅与导电插入物层126相同的材料形成；第二电极140、导电插入物层126及基电极层122均可由同一材料形成；或第二电极140可由与导电插入物层126及基电极层122两者不同的材料形成，而不脱离本教示的范围。第一电极120及第二电极140经由接触垫(未展示)电连接到外部电路，所述接触垫可由导电材料形成，例如，金、金锡合金或类似物。
声镜对150形成在第二电极140的顶面上。声镜对150包含低声阻抗层151及高声阻抗层152。低声阻抗层151由具有相对低的声阻抗的材料形成，例如，SiO2、AlN、碳化硅(SiC)、BSG、氮化硅(SiN)、多晶硅及类似物。高声阻抗层152由具有相对高的声阻抗的材料形成，例如，钨(W)、氧化钨(WO(x))、Mo、Pt、Ru或其它高密度金属或金属化合物或非金属材料。然而，所属领域的技术人员将认识到，在不脱离本教示的范围的情况下，其它合适材料可用于声镜对150。并且，在所描绘的实施例中，谐振器装置100仅包含作为声反射器的单个声镜对150。然而，在其它实施例中，在不脱离本教示的范围的情况下，可添加一个或一个以上额外声镜层，其中邻近层由交替的低声阻抗材料及高声阻抗材料形成。将声镜添加到谐振器装置的实例描述于2011年5月26日公开的授予巴贝尔(Barber)等人的第2011/0121916号的美国专利申请公开案中，所述专利申请公开案特此以引用方式并入。
钝化层160形成在声镜对150的顶面上。钝化层160可由各种相对低的声阻抗材料形成，包含AlN、SiC、BSG、SiO2、SiN、多晶硅及类似物。钝化层160的厚度足以使多层薄膜堆叠105的所有层与环境隔绝，包含提供保护而免遭湿气、腐蚀物品、污染物、碎屑及类似物。此外，在制造工艺期间以略微大于最终要求的厚度初始地涂覆钝化层160，使得可通过钝化层160的后续频率微调将谐振器装置100的谐振频率调整到所要频率。频率微调在谐振器装置100仍为晶片的一部分时发生，所述晶片含有多个谐振器装置，如下文参考图3及4论述。举例来说，可以约
Figure BDA0000393822730000065
的精度对钝化层160进行微调，直到建立谐振器装置100(连同所述晶片的其它谐振器装置)的初始设定谐振频率为止。
在替代实施例中，没有钝化层160添加到声镜对150，在此情形中，在高声阻抗层152及/或低声阻抗层151上执行频率微调。并且，在各种实施例中，不同于最顶层的一个或一个以上层可遭受频率微调。举例来说，可在涂覆钝化层160(其也可或可不进行频率微调)之前更厚地涂覆高声阻抗层152且接着对高声阻抗层152进行频率微调。类似地，可在涂覆高声阻抗层152及钝化层160(其中每一者也可或可不进行频率微调)之前更厚地涂覆低声阻抗层151且接着对低声阻抗层151进行频率微调。
相比于常规频率微调(其在直接涂覆到顶电极的钝化层上执行)，对涂覆到声镜对150的钝化层160进行频率微调将微调敏感度改善(即，降低微调敏感度)了约60倍以上。因此，可向声谐振器100提供非常精确的设定谐振频率。此外，温度补偿层124使得声谐振器100能够在较宽的温度变化范围上维持谐振频率。这些特性使得能够在振荡器中使用声谐振器100。举例来说，用作(例如)用于下变频及/或移除载波频率的时钟源或本机振荡器的RF系统中的振荡器通常需要约±50ppm范围内的频率精度，所述频率精度可由声谐振器100的配置提供。
在图1的说明性配置中，相对于第一电极120，基电极层122可以约
Figure BDA0000393822730000071
的厚度形成，温度补偿层124可以约
Figure BDA0000393822730000072
的厚度形成且插入物层126可以约
Figure BDA0000393822730000073
的厚度形成。第二电极140可以约的厚度形成。举例来说，基电极层122、插入物层126及第二电极140中的每一者可由Mo形成，且温度补偿层124可使用SiO2的薄膜来形成，SiO2的薄膜提供较大的正温度系数。举例来说，基电极层122可形成在具有约
Figure BDA0000393822730000075
Figure BDA0000393822730000076
的厚度的AlN的晶种层(未展示)上。压电层130可使用AlN的薄膜以约
Figure BDA0000393822730000077
的厚度形成。低声阻抗镜层151可以约
Figure BDA0000393822730000078
的厚度由SiO2形成，且高声阻抗层152可以约
Figure BDA0000393822730000079
的厚度由WO2形成。钝化层160可使用AlN的薄膜以约
Figure BDA00003938227300000710
的厚度形成。当然，以上大小及材料是说明性的，且可并入各种层的各种替代配置而不脱离本教示的精神。
图5为根据代表性实施例的描绘谐振器装置100的设定谐振频率的变化的比较图表，其中层具有上文提及的说明性大小及材料。更特定来说，图5展示谐振器装置100相比于常规谐振器装置的低微调敏感度。
参考图5，垂直轴展示谐振器装置的谐振频率且水平轴展示谐振器装置的微调层厚度(例如)响应于频率微调工艺的变化。曲线510对应于常规谐振器装置，其中在直接涂覆在顶电极层上的钝化层上执行频率微调。曲线520对应于谐振器装置100，其中在直接涂覆到声镜对150的钝化层160(例如，AlN)上执行频率微调。曲线530对应于谐振器装置100的修改，其中频率微调在声镜对150的高声阻抗层152(例如，W)上执行。
曲线510展示来自频率微调工艺的相对小的厚度变化导致常规谐振器装置的谐振频率的较大变化。即，在约
Figure BDA0000393822730000081
(从约到约
Figure BDA0000393822730000083
)的范围上，常规谐振器装置的谐振频率下降约3MHz(从约1451.7MHz到约1448.7MHz)，从而导致大约
Figure BDA0000393822730000084
的微调敏感度。相比之下，曲线520展示在约的同一范围上的非常小的变化(小于约0.05MHz)，从而导致大约
Figure BDA0000393822730000086
的微调敏感度。曲线530类似地展示约
Figure BDA0000393822730000088
范围上的非常小的变化(小于约0.3MHz)，从而导致大约的微调敏感度。因此，图5指示谐振器装置100的微调敏感度(特定来说，根据曲线520)比常规谐振器装置的微调敏感度好60倍以上。换一种方式陈述，由常规谐振器装置的曲线510指示的微调敏感度为约
Figure BDA00003938227300000810
而由曲线520指示的说明性谐振器装置100的微调敏感度仅为约
Figure BDA00003938227300000811
且由曲线530指示的说明性谐振器装置100的微调敏感度仅为约
Figure BDA00003938227300000812
图2为根据代表性实施例的声谐振器装置的横截面图，所述声谐振器装置包含声镜对及具有埋入温度补偿层的底部电极。
参考图2，说明性谐振器装置200包含形成在衬底110上的(声)多层薄膜堆叠205。多层薄膜堆叠205包含形成在第一电极220与第二电极140之间的压电层130。与图1的第一电极120类似，第一电极220为包含多个层的复合电极。在各种实施例中，复合第一电极220包含循序堆叠在衬底110上的基电极层222、埋入温度补偿层224及导电插入物层226，举例来说，其可由相对于基电极层122、温度补偿层124及插入物层126论述的同一材料形成。温度补偿层224是埋入的，因为温度补偿层224的至少一部分由基电极层222及导电插入物层226包围。图1及2中的相同参考数字指代相同元件，且因此将不重复对相同元件的对应描述。
温度补偿层224可囊封或密封在导电插入物层226与基电极层222之间，这意味着其在所有侧上由导电插入物层226及基电极层222包围。然而，可不密封或仅部分密封温度补偿层224而不脱离本教示的范围。如所展示，温度补偿层224不延伸多层薄膜堆叠205的整个宽度。因此，导电插入物层226(其形成在温度补偿层224的顶面及侧面上)接触基电极层222的顶面，如(举例来说)参考数字229指示。因此，DC电连接形成在导电插入物层226与基电极层222之间。通过与基电极层222进行DC电连接，导电插入物层226有效地使温度补偿层224的电容性组件“短路”，从而提高谐振器装置200的耦合系数(kt 2)。
并且，在所描绘的实施例中，温度补偿层224具有锥形边缘224a，其增强导电插入物层226与基电极层222之间的DC电连接。此外，锥形边缘224a增强导电插入物层226与基电极层222之间的机械连接，这提高了密封质量(例如)以用于防止温度补偿层224中的氧气扩散到压电层130中。在替代实施例中，举例来说，温度补偿层224的边缘不是锥形的，但可实质上与温度补偿层224的顶面及底面垂直，而不脱离本教示的范围。
在一实施例中，第一电极220的总第一厚度T220实质上与第二电极140的总第二厚度T140相同，如图2中所展示。举例来说，第一电极220及第二电极140中的每一者的厚度可从约
Figure BDA0000393822730000091
到约变化，然而所述厚度可变化以为任何特定情形提供唯一益处或满足各种实施方案的应用特定设计要求，如所属领域的一般技术人员将明白。
复合第一电极220的多个层具有对应厚度。举例来说，基电极层222的厚度可从约到约
Figure BDA0000393822730000094
变化，温度补偿层224的厚度可从约
Figure BDA0000393822730000095
到约变化且导电插入物层226的厚度可从约到约
Figure BDA0000393822730000098
变化。复合第一电极220的层中的每一者可变化以相对于温度系数及耦合系数提供不同特性，而复合第一电极220的总第一厚度T220保持与第二电极140的总第二厚度T140实质上相同。举例来说，温度补偿层224的厚度可变化以影响多层薄膜堆叠205的总温度系数，且基电极层222及导电插入物层226的相对厚度可变化以影响谐振器装置200的总耦合系数。
在图2中展示的实例中，基电极层222的厚度大于导电插入物层226的厚度，使得埋入温度补偿层224相对紧密接近压电层130。然而，替代地，这些厚度可变化，从而将埋入温度补偿层224较深地“沉入(sink)”到复合第一电极220中(且进一步远离有源压电层130)。即，第一电极220的总厚度T220可与第二电极140的总厚度T140实质上相同，同时导电插入物层226的厚度增加，使得温度补偿层224更深地埋入，即，进一步“沉入”在复合第一电极220内。为补偿导电插入物层226的较大厚度，基电极层222的厚度较小，使得复合第一电极220的总第一厚度T220保持与第二电极140的总第二厚度T140相同。
还可针对温度补偿层224的厚度进行调整以使其较厚(例如，当其更深地埋入时)以帮助维持或最小化线性温度系数。举例来说，当温度补偿层224埋入在第一电极220内的更深位置中时，温度补偿层224致使谐振器装置200的耦合系数变得相对较大(以恶化温度系数为代价)。换句化说，通过调整温度补偿层224的深度，可使谐振器装置200的耦合系数最优化。可通过使温度补偿层224变厚来“重获(win back)”温度系数的降级中的一些。通常，取决于应用，在最终温度系数与耦合系数((kt 2)之间存在最优状态。
一般来说，应使温度补偿层224在复合电极220内部的厚度与位置最优化，以针对可允许的线性温度系数使耦合系数最大化。举例来说，可通过使用梅森模型(Mason model)模拟多层薄膜堆叠205的等效电路及通过将更多材料添加到导电插入物层226且从基电极层222移除材料调整温度补偿层224以使得复合第一电极220的厚度保持恒定来实现此最优化，如所属领域的一般技术人员将明白。虽然通过沉入温度补偿层224存在温度系数的抵消作用的某种降级，但可改善谐振器装置200的耦合系数。可开发出算法来(举例来说)使用多元优化技术(例如单纯形法)在温度系数与耦合系数之间的权衡取舍的背景下使温度补偿层224在复合第一电极220中的深度最优化，如所属领域的一般技术人员将明白。此外，温度补偿层224的深度可由各种约束限制，例如最小必需耦合系数及最大可允许温度系数。类似地，可调整温度补偿层224的厚度以提供谐振器装置200的最优耦合系数及最小总温度系数。
在图2的说明性配置中，温度补偿层224可使用BSG薄膜(例如，约2%的硼重量比)以约
Figure BDA0000393822730000101
的厚度形成，这提供较大的正温度系数(例如，高达每摄氏度约350ppm)。第一电极220的第一厚度T220及第二电极140的第二厚度T140中的每一者可为约
Figure BDA0000393822730000102
并且，第一电极220的基电极层222及第二电极140可各自由Mo形成。插入物层226也可由Mo制成，且在此实例中将在约
Figure BDA0000393822730000103
与约
Figure BDA0000393822730000104
之间。压电层130可使用AlN薄膜以约
Figure BDA0000393822730000105
的厚度形成。具有此说明性配置的多层薄膜堆叠205具有零线性温度系数值。仅剩下剩余二次项(其中贝塔(beta)为约每平方摄氏度-22ppB)。然而，此配置的谐振器装置200的最大耦合系数仅为约3.6%。
如上文提及，在各种实施例中，底电极及顶电极中的任一者或两者可包含埋入温度补偿层，其实质上与参考图2描述相同而形成。举例来说，顶电极可为形成在压电层上的复合电极，使得埋入温度补偿层形成在基电极层与导电插入物层之间，其中温度补偿层通过导电插入物层与压电层分离。
图3为根据代表性实施例的包含多个BAW谐振器装置的晶片的横截面图。根据各种实施例，可使用与半导体工艺兼容的各种技术制造所述谐振器装置。下文参考图4论述制造工艺的非限制性实例，图4为根据代表性实施例的展示图3中描绘的晶片的制造的流程图。
参考图3，说明性晶片300包含由代表性谐振器装置100a、100b及100c指示的多个BAW谐振器装置。因为谐振器装置100a、100b及100c在同一晶片300上，所以其具有相同结构。举例来说，谐振器装置100a、100b及100c中的每一者具有与上文参考图1论述的谐振器装置100实质上相同的结构，然而包含至少一个声镜对及具有埋入温度补偿层的电极的其它结构(例如，上文论述的代表性谐振器装置200)可并入到晶片300中，而不脱离本教示的范围。
在所描绘的实施例中，晶片300包含衬底310。第一电极层320形成在衬底310上，其中第一电极层320为包含基电极层322、埋入温度补偿层324及导电插入物层326的复合电极。埋入温度补偿层324使得谐振器装置100a、100b及100c能够提供实质上一致的温度补偿而不管在晶片300上的位置如何。压电层330形成在第一电极层320上，且第二电极层340形成在压电层330上。
声镜对层350及钝化层360堆叠在第二电极层340上，其中声镜对层350包含低声阻抗层351及高声阻抗层352。在形成晶片300之后，对钝化层360进行微调以精确地获得谐振器装置100a、100b及100c中的每一者的所要谐振频率，如上文论述。低声阻抗层351及高声阻抗层352使得晶片300能够具有对频率调整的低敏感度，如上文论述，使得谐振器装置100a、100b及100c提供实质上一致的谐振频率而不管在晶片300上的位置如何。当然，在替代性实施例(例如，不包含钝化层360)中，可对低声阻抗层351及高声阻抗层352中的一者或一者以上进行频率微调，如上文论述。接着，可沿着虚线将晶片300分别分割成个别谐振器装置100a、100b及100c，谐振器装置100a、100b及100c就谐振频率及温度补偿特性而言实质上彼此相同。
现参考图4的流程图描述晶片300的制造。参考图3及4，在框S411中提供衬底310，且在框S412中在衬底310的顶面上形成基电极层322。晶片300的衬底310可由与半导体工艺兼容的各种类型的半导体材料形成，例如Si、GaAs、InP或类似物。基电极层322可由导电材料形成，例如与半导体工艺兼容的各种金属，举例来说，包含W、Mo、Al、Pt、Ru、Nb或Hf，然而在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合。举例来说，可使用旋压、溅镀、蒸发、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)技术来涂覆基电极层322，然而，可并入其它涂覆方法。
值得注意的是，虽然在图3中未展示，但可执行对应于谐振器装置100a、100b及100c的空腔(例如，图1中的空腔115)的制造。举例来说，可使用牺牲材料(例如，磷硅酸盐玻璃(PSG))或其它释放工艺(例如多晶硅及二氟化氙蚀刻剂)来蚀刻及初始地填充空腔，如所属领域的一般技术人员将明白。在制造谐振器装置100a、100b及100c的层之后(例如，在制造钝化层360之后)使用合适蚀刻剂(例如，HF)执行释放牺牲材料以形成空腔。在替代配置中，空腔可穿过衬底310以形成背侧开口，所述背侧开口可通过背侧蚀刻衬底310的底面来形成。背侧蚀刻可包含干蚀刻工艺，例如波希工艺(Bosch process)，然而可并入各种替代技术。所述空腔可通过许多已知方法形成，所述已知方法的实例描述于授予鲁比等人的第6,384,697号美国专利中，所述专利特此以引用方式并入。
或者，衬底310可包含声隔离器(未展示)，例如对应于谐振器装置100a、100b及100c的声镜或布拉格反射器而不是空腔。可在(例如)涂覆基电极层322之前，使用与半导体工艺兼容的任何技术在衬底310中形成此类声隔离器，如所属领域的一般技术人员将明白。制造谐振器装置的声镜的实例描述于授予巴贝尔等人的第2011/0121916号美国专利申请公开案中，所述专利申请公开案特此以引用方式并入。
在框S413中，在基电极层322的顶面上形成温度补偿层324。在一实施例中，温度补偿层324可由与半导体工艺兼容的各种材料来形成，举例来说，包含BSG、SiO2、Cr或TeO(x)，其具有正温度系数，然而可在不脱离本教示的范围的情况下使用不同材料及/或材料组合。温度补偿层324的正温度系数抵消其它材料(包含压电层330、第二电极340及复合第一电极层320的基电极层322及导电插入物层326)的负温度系数。举例来说，可使用旋压、溅镀、蒸发或CVD技术来涂覆温度补偿层324，然而可并入其它涂覆方法。举例来说，用于形成温度补偿层的各种说明性技术描述于授予拉尔森三世等人的第7,561,009号美国专利中，所述专利特此以引用方式并入。
在其中温度补偿层相对于谐振器装置100a、100b及100c中的每一者密封在第一电极层320内(例如，如图2中所展示)的实施例中，相对于谐振器装置100a、100b及100c中的每一者将温度补偿层324分割及蚀刻成所要的尺寸，且可使温度补偿层324中的每一分割部分的边缘锥形化。举例来说，可将光致抗蚀剂层(未展示)涂覆到温度补偿层324的顶面且将可使用与半导体工艺兼容的任何光致抗蚀剂图案化技术将所述光致抗蚀剂层图案化以形成掩模或光致抗蚀剂图案，如所属领域的一般技术人员将明白。可通过对光致抗蚀剂层进行机械加工或通过使用光刻法化学蚀刻光致抗蚀剂层来形成光致抗蚀剂图案，然而可并入各种替代技术。在蚀刻温度补偿层324之后，举例来说，通过使用湿蚀刻工艺(包含HF蚀刻方案)进行化学释放或蚀刻来移除光致抗蚀剂图案，然而，在不脱离本教示的范围的情况下可通过各种其它技术移除光致抗蚀剂图案。
此外，在各种实施例中，为获得锥形边缘(例如，图2中的锥形边缘224a)，将氧气泄漏到用于蚀刻温度补偿层324的分割部分的蚀刻器中。氧气(及/或温度夹盘(chuck))致使光致抗蚀剂在经图案化的光致抗蚀剂的边缘处更快腐蚀且轻微地拉回。抗蚀剂的此“薄化”形成楔形断面，接着在光致抗蚀剂离开时将所述楔形断面印刻到下方的氧化物中。一般来说，通过相对于被蚀刻材料调整蚀刻剂的蚀刻速率来产生所述楔形，如所属领域的一般技术人员将明白。同时，除边缘之外，在蚀刻各处具有充分的光致抗蚀剂覆盖使得下伏氧化物材料不被接触。当然，在不脱离本教示的范围的情况下可并入获得锥形边缘的其它方法。
在框S414中，在温度补偿层324的顶面上形成导电插入物层326。导电插入物层326可由导电材料形成，例如与半导体工艺兼容的各种金属，举例来说，包含W、Mo、Al、Pt、Ru、Nb或Hf，然而可在不脱离本教示的范围的情况下使用不同材料及/或材料组合。此外，导电插入物层326提供势垒，所述势垒防止温度补偿层324中的氧气扩散到压电层330中，从而防止对压电层330的污染。举例来说，可使用旋压、溅镀、蒸发、PVD或CVD技术涂覆导电插入物层326，然而可并入其它涂覆方法。
在替代实施例中，在温度补偿层324的顶面上形成临时晶种层(未展示)。举例来说，所述临时晶种层可由与压电层330相同的压电材料(例如，AlN)形成。举例来说，所述临时晶种层可形成为约
Figure BDA0000393822730000131
的厚度，且进一步减少或最小化从温度补偿层324到压电层330中的氧化物扩散。可通过蚀刻移除临时晶种层的外部部分(例如，连同温度补偿层324的被蚀刻部分，如果存在)以暴露基电极层322的顶面的部分，使得基电极层322能够与导电插入物层326进行电连接。换句话说，在蚀刻之后，临时晶种层仅覆盖温度补偿层324的顶面，使得其定位在温度补偿层324与导电插入物层326之间。
如上文论述，基电极层322及导电插入物层326可由不同导电材料形成，其中基电极层322由具有相对低的导电性及相对高的声阻抗的材料形成，且导电插入物层326由具有相对高的导电性及相对低的声阻抗的材料形成。举例来说，基电极层322可由W形成且导电插入物层326可由Mo形成，然而可在不脱离本教示的范围的情况下使用其它材料及/或材料组合。当然，在不脱离本教示的范围的情况下，基电极层322及导电插入物层326可由同一导电材料形成。
在框S415中，在导电插入物层326的顶面上形成压电层330，导电插入物层326的顶面也为第一电极层320的顶面。压电层330可由与半导体工艺兼容的压电薄膜形成，例如AlN、ZnO、PZT或类似物，然而在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合，如上文论述。举例来说，可使用溅镀技术涂覆压电层330，然而可并入其它涂覆方法。举例来说，如上文论述，压电层330可根据与半导体工艺兼容的各种技术从晶种层生长。
在框S416中，在压电层330的顶面上形成第二电极340。第二电极340可由导电材料形成，例如与半导体工艺兼容的各种金属，举例来说，包含W、Mo、Al、Pt、Ru、Nb或Hf，然而在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合。举例来说，可使用旋压、溅镀、蒸发、PVD或CVD技术涂覆第二电极340，然而可并入其它涂覆方法。
在框S417中，在第二电极340的顶面上形成(且任选地图案化)声镜对350的低声阻抗层351。举例来说，低声阻抗镜层351由具有相对的低声阻抗的材料形成，例如SiO2或其它氧化物，但在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合。在框S418中，在低声阻抗镜层351的顶面上形成(且任选地图案化)声镜对350的高声阻抗层352。举例来说，高声阻抗层352可由具有相对高的声阻抗的材料形成，例如，W、WO(x)、Mo、Pt、Ru或其它高密度金属或金属化合物，但在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合。
在框S419中，在高声阻抗层352的顶面上形成钝化层360。钝化层360可由各种材料形成，举例来说，包含AlN、SiC、BSG、SiO2、SiN或多晶硅，但在不脱离本教示的范围的情况下可使用不同材料及/或材料组合。钝化层160的厚度足以使相应多层薄膜堆叠的所有层与环境隔绝，包含提供保护而免遭湿气、腐蚀物品、污染物、碎屑及类似物。在替代实施例中，没有钝化层360添加到声镜对350，在此情形中，可在高声阻抗层352及/或低声阻抗层351上执行频率微调(下文论述)。
初始地比所要求更厚地沉积钝化层360，这将导致谐振器装置100a、100b及100c中的每一者的谐振频率低于所要谐振频率。接着，在框S420中，在钝化层360上执行频率微调，从而移除钝化层360的确定厚度以将谐振器装置100a、100b及100c中的每一者的谐振频率调高到所要值。举例来说，移除厚度提高谐振频率。频率微调方法(也称为晶片微调)的一个实例论述于2010年3月18日公开的授予巴贝尔等人的第2010/0068831号的美国专利申请公开案中，所述专利申请公开案特此以引用方式并入。在频率微调工艺期间从钝化层360移除的材料的厚度确定频率调整的程度。必须被移除而以某一个量调整谐振频率的材料的厚度至少部分地取决于所要的谐振频率。举例来说，可以约的精度微调钝化层160直到建立初始设定谐振频率。
值的注意的是，对于具有5GHz的所要中心谐振频率的常规谐振器装置(也称为5GHz谐振器)(举例来说，具有已知的FBAR或SMR结构)，通常从顶电极层移除约
Figure BDA0000393822730000142
的材料以使中心谐振频率增加1MHz。一埃为一个原子材料层的厚度。因此，在高频率下，精确的频率微调是非常困难的。
在替代实施例中，没有钝化层360添加到声镜对350，如上文论述，在此情形下，在高声阻抗层352及/或低声阻抗层351上执行频率微调。并且，在替代实施例中，除频率微调最顶层之外或作为对频率微调最顶层的替代，可更厚地涂覆不同于最顶层(例如，钝化层360)的一个或一个以上层且接着对其进行频率微调。举例来说，可更厚地涂覆高声阻抗层352(在框S418中)，且在涂覆钝化层360之前对高声阻抗层352进行频率微调(在框S419中)，也可或可不对钝化层360进行频率微调。类似地，可更厚地涂覆低声阻抗层351且接着在涂覆高声阻抗层352与钝化层360之前对低声阻抗层351进行频率微调，也可或可不对高声阻抗层352及钝化层360中的每一者进行频率微调。并且，当在高声阻抗层352及/或低声阻抗层351上执行频率微调时，可省略钝化层360的涂覆。
在一实施例中，举例来说，使用离子束微调执行钝化层160的频率微调。然而，可在不脱离本教示的范围的情况下并入其它合适频率微调技术。
在框S421中，(例如)沿着图3中的虚线切割或分割晶片300以形成单个化的裸片(即，谐振器装置100a、100b及100c)。可使用与半导体制造工艺兼容的各种技术来分割晶片300，例如划线及断裂。
如上文论述，举例来说，与在直接涂覆到第二电极的钝化层上执行的常规频率微调相比，对具有声镜对的谐振器装置进行频率微调改善(即，降低)微调敏感度约60倍以上。
根据代表性实施例的谐振器装置及所述谐振器装置的制造工艺可提供优于常规谐振器装置及制造工艺的显著改善(包含维持高耦合及良好性能)，同时提供显著提高的可制造性(尤其在高频率下)。因此，在已描述至少代表性实施例的若干方面之后，应认识到，所属领域的技术人员将容易地进行各种更改、修改及改善。此类更改、修改及改善希望为本发明的一部分且希望在本发明的范围内。因此，以上描述及图式仅作为实例，且应根据对所附权利要求书及其等效物的合理解释来确定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种具有低微调敏感度以用于提供精确谐振频率的温度补偿体声波BAW谐振器装置，所述装置包括：
第一电极，其安置在衬底上；
压电层，其安置在所述第一电极上；
第二电极层，其安置在所述压电层上；及
声镜对，其安置在所述第二电极上，
其中所述第一电极及所述第二电极中的至少一者包括：
电极层；及
温度补偿层，其经配置以补偿至少所述压电层的温度系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
钝化层，其安置在所述声镜对上。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述温度补偿层为囊封在所述电极层与导电插入物层内的埋入温度补偿层。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述温度补偿层具有锥形边缘。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底界定形成在所述第一电极下方的空腔。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底包括形成在所述第一电极下方的声反射器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述声镜对包括：
低声阻抗层，其沉积在所述第二电极上；及
高声阻抗层，其沉积在所述低声阻抗层上。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述低声阻抗层包括二氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、硼硅玻璃(BSG)、氮化硅(SiN)、多晶硅及类似物。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述高声阻抗层包括钨。
10.根据权利要求2所述的装置，其中所述钝化层及所述压电材料由同一材料形成。
11.一种具有多个体声波BAW谐振器装置的晶片，所述多个体声波BAW谐振器装置可通过切割所述晶片彼此分离，所述晶片包括：
第一电极层，其安置在衬底上；
压电层，其安置在所述第一电极层上；
第二电极层，其安置在所述压电层上；
低声阻抗层，其安置在所述第二电极层上；
高声阻抗层，其安置在所述低声阻抗层上；及
温度补偿层，其埋入在所述第一电极层及所述第二电极层中的至少一者中，所述温度补偿层具有正温度系数，
其中所述温度补偿层使得所述多个装置能够提供实质上一致的温度补偿，且
其中所述低声阻抗层及所述高声阻抗层使得所述晶片能够对频率微调具有低敏感度，使得所述多个装置提供实质上一致的谐振频率。
12.根据权利要求11所述的装置，其进一步包括：
钝化层，其安置在所述高声阻抗层上。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述多个装置包括多个薄膜体声谐振器FBAR或牢固安装的谐振器SMR。
14.一种制造对频率微调具有低敏感度且提供实质上一致的温度补偿的多个体声波BAW谐振器装置的方法，所述方法包括：
在晶片上的半导体衬底上形成第一电极层，所述第一电极包括温度补偿层；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极层；
在所述第二电极上形成声镜对层，所述镜对包括低声阻抗层及高声阻抗层；
在所述镜对层上形成钝化层；及
对所述低声阻抗层、所述高声阻抗层及所述钝化层中的至少一者进行频率微调以调整所述多个BAW谐振器装置的谐振频率。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
在对所述低声阻抗层、所述高声阻抗层及所述钝化层中的所述至少一者进行频率微调之后通过切割所述晶片将所述多个BAW谐振器装置分割成单个化的裸片。
16.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一电极层包括：
在所述半导体衬底上形成基电极层；
在所述基电极层上形成埋入温度补偿层；及
在所述埋入温度补偿层上形成导电插入物层。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
在所述基电极层电极与所述半导体衬底之间形成空腔。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
在所述半导体衬底中形成声反射器。
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