CN104953976B - 包括声再分布层的声谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括声再分布层的声谐振器。一种声谐振器结构包括：压电层，其具有第一表面及第二表面；第一电极，其邻近于所述第一表面安置；及第二电极，其邻近于所述第二表面安置。所述第一电极包括：第一导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第一声阻抗；及第二导电层，其安置于所述第一导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第一声阻抗的第二声阻抗。所述第二电极可安置于衬底与所述压电层之间，且所述第二电极可包括：第三导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第三声阻抗；及第四导电层，其安置于所述第三导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第三声阻抗的第四声阻抗。

Description

包括声再分布层的声谐振器
技术领域
本发明大体来说涉及谐振器，且更特定来说涉及声谐振器。
背景技术
声谐振器可用于在各种电子应用中实施信号处理功能。举例来说，一些蜂窝式电话及其它通信装置使用声谐振器来实施用于所发射及/或所接收信号的频率滤波器。可根据不同应用而使用数种不同类型的声谐振器，其中实例包含体声波(BAW)谐振器，例如薄膜体声谐振器(FBAR)、耦合式谐振器滤波器(CRF)、堆叠式体声谐振器(SBAR)、双重体声谐振器(DBAR)及固态安装式谐振器(SMR)。
典型的声谐振器包括夹在两个板状电极之间的压电材料层，呈称为声堆叠的结构形式。在将输入电信号施加于电极之间的情况下，反或逆压电效应致使声堆叠机械地扩张或收缩，这取决于压电材料的极化。随着输入电信号随时间变化，声堆叠的扩张及收缩会产生声波(或模式)，所述声波(或模式)沿各种方向传播穿过声谐振器且通过压电效应转换成输出电信号。声波中的一些跨越声堆叠实现谐振，其中谐振频率由若干因素决定，例如声堆叠的材料、尺寸及操作条件。声谐振器的这些及其它机械特性决定其频率响应。
一般来说，可通过声谐振器的并联电阻Rp、串联电阻Rs、质量(Q)因子及其机电耦合系数kt2的值来评估所述声谐振器的性能。串联电阻Rs是声谐振器的输入阻抗量值的最小值，且串联谐振频率Fs是出现所述最小值时的频率。并联电阻Rp是声谐振器的输入阻抗量值的最大值，且并联谐振频率Fp是出现所述最大值时的频率。Q因子是量化在一个振荡循环中损耗的能量的量的参数。机电耦合系数kt2是并联谐振频率Fp与串联谐振频率Fs之间的经正规化差且通常以百分值(％)来表达。
与具有较低Rp、较低Q因子及较高Rs的装置相比，具有较高Rp、较高Q因子及较低Rs的装置被视为具有优越的性能。因此，在其它因素均相同的情况下，期望给滤波器提供具有较高Rp、较高Q因子及较低Rs的声谐振器。然而，这些性能参数通常与其它设计因素(例如声谐振器的成本及大小)呈折衷关系。例如，在一些设计中，减小声谐振器的大小以实现减小的成本可能使性能参数中的一或多者降级。因此，普通需要例如在不过度损害性能的情况下实现例如成本及大小缩放等改进的经改进谐振器设计。
发明内容
一种声谐振器结构包括：压电层，其具有第一表面及第二表面；第一电极，其邻近于所述第一表面安置；及第二电极，其邻近于所述第二表面安置，其中所述第一电极包括：第一导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第一声阻抗；及第二导电层，其安置于所述第一导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第一声阻抗的第二声阻抗。
附图说明
当与附图一起阅读时，根据以下详细说明会最好地理解实例性实施例。要强调的是，各种特征未必按比例绘制。事实上，为清晰地进行论述，可任意地增加或减小尺寸。在适用且实用时，相似参考编号指代相似元件。
图1A是根据代表性实施例的声谐振器的俯视图。
图1B是根据代表性实施例图1A的声谐振器的横截面图。
图1C是图解说明图1A的声谐振器的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图2是图解说明声谐振器在不同频率下的所模拟振动模式的声散布图。
图3A是图解说明以并联谐振频率Fp操作的声谐振器的纵向(Uz)位移的图表。
图3B是图解说明以并联谐振频率Fp操作的声谐振器的剪切(Ux)位移的图表。
图4是图解说明根据各种代表性实施例随堆叠设计而变的分数频率分离(FFS)的图表。
图5是图解说明图1B中所展示的声谐振器随钼层的经正规化厚度而变的经正规化Rp的图表。
图6A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图6B是图解说明图6A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图7A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图7B是图解说明图7A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图8A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图8B是图解说明图8A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图9A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图9B是图解说明图9A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图10A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图10B是图解说明图10A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
图11A是根据代表性实施例图1B的声谐振器的声堆叠变化形式的横截面图。
图11B是图解说明图11A中所图解说明的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。
具体实施方式
在以下详细说明中，出于解释而非限制的目的，陈述了揭示特定细节的实例性实施例以便提供对本发明教示的透彻理解。然而，受益于本发明的所属领域的普通技术人员将明了，根据本发明教示的背离本文中所揭示的特定细节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说明以免使对实例性实施例的说明模糊。此类方法及设备显然在本发明教示的范围内。
本文所用术语仅用于描述特定实施例的目的而非打算为限制性。所定义术语是对所定义术语在相关背景中所通常理解及接受的技术、科学或普通含义的补充。
术语‘一(a、an)’及‘所述(the)’包含单数及复数两种形式的所指物，除非上下文另有清晰指示。因此，举例来说，‘一装置’包含一个装置及多个装置。术语‘实质性(substantial)’或‘实质上(substantially)’意指在可接受的限度或程度内。术语‘大致(approximately)’意指在所属领域的普通技术人员可接受的限度或量内。可使用例如“在…上方”、“在…下方”、“顶部”、“底部”、“上部”及“下部”等相对性术语来描述各种元件彼此间的关系，如附图中所图解说明。这些相对性术语打算除图式中所描绘的定向外还涵盖装置及/或元件的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中的视图倒置，那么被描述为在另一元件“上方”的元件(举例来说)现在将在所述元件下方。
所描述的实施例大体来说涉及声谐振器，例如膜体声波谐振器(FBAR)、固态安装式谐振器(SMR)，但为方便起见，许多的论述是针对于FBAR进行的。声谐振器的某些细节(包含材料及制作方法)可见于以下共同拥有的美国专利及专利申请案中的一或多者中：颁予拉庆(Lakin)的第6,107,721号美国专利；颁予露比(Ruby)等人的第5,587,620号、第5,873,153号、第6,507,983号、第6,384,697号、第7,275,292号及第7,629,865号美国专利；颁予冯(Feng)等人的第7,280,007号美国专利；颁予詹姆尼拉(Jamneala)等人的第2007/0205850号美国专利申请公开案；颁予露比等人的第7,388,454号美国专利；颁予乔伊(Choy)等人的第2010/0327697号美国专利申请公开案；颁予乔伊等人的第2010/0327994号美国专利申请公开案；颁予尼克尔(Nikkel)等人的第13/658,024号美国专利申请案；颁予布拉克(Burak)等人的第13/663,449号美国专利申请案；颁予布拉克等人的第13/660,941号美国专利申请案；颁予布拉克等人的第13/654,718号美国专利申请案；颁予露比等人的第2008/0258842号美国专利申请公开案；及颁予凯迪拉(Kaitila)等人的第6,548,943号美国专利。具体来说，这些专利及专利申请案的揭示内容特此以全文引用方式并入本文中。要强调的是，这些专利及专利申请案中所描述的组件、材料及制作方法为代表性的，且本发明预期所属领域的普通技术人员的认知范围内的其它制作方法及材料。
所描述的实施例大体来说涉及包括声再分布层(ARL)的声谐振器。举例来说，在某些实施例中，FBAR包括安置于第一与第二电极之间的压电层，其中所述第一及第二电极中的至少一者包括多个层，所述多个层具有随距所述压电层的距离而增加的相应声阻抗。此类声再分布层的使用可增加声谐振器的所谓的分数频率分离(FFS)，其与Rp及Q因子相关。因此，其可用于形成具有增加的Rp及Q因子的声谐振器。
使用声再分布层来增加Rp及Q因子可允许以减小的大小及因此减小的成本来制造一些声谐振器。一般来说，声谐振器被设计成满足特定特性电阻抗Z0要求。特性电阻抗Z0与谐振器面积成正比且与压电层的所要操作频率及厚度成反比。压电层的厚度主要由所要操作频率但也由所要机电耦合系数kt2决定。在适用限度内，kt2与压电层的厚度成正比且与底部及顶部电极的厚度成反比。更具体来说，kt2与存储于压电层中的声能分数成正比且与存储于电极中的声能分数成反比。因此，对于预定Z0，可通过使用具有较高有效kt2的压电材料来减小谐振器大小及因此其成本，因为所述压电材料允许以增加电极的厚度为代价来使用较薄压电层(且因此减小其面积)以便维持所要谐振频率。因此，使用高有效kt2压电材料(例如，具有9at％钪的氮化铝钪(ASN)而非标准氮化铝(AlN))的声谐振器可被设计成相对薄的同时维持谐振器的所要kt2。然而，此类设计强制将声能大量局限到电极中(通常多于20％，或所谓的金属厚重型堆叠)，这对于FFS(下文将详细论述)且因此对于Rp及Q因子是非常不利的。声再分布层的使用允许针对金属厚重型堆叠增加FFS，同时保持串联谐振(Fs)及kt2且仅最低限度地增加谐振器的面积。
图1A是根据代表性实施例的声谐振器100的俯视图，图1B是根据代表性实施例的声谐振器100的横截面图，且图1C是图解说明声谐振器100的声堆叠的声阻抗分布曲线的图表。举例来说，在所图解说明的实施例中，声谐振器100包括FBAR，但其可采取另一形式，例如双重体声谐振器(DBAR)或固态安装式谐振器(SMR)。
参看图1A，声谐振器100包括具有变迹五边形结构(即，不对称五边形)的声堆叠以分布副振荡模在频率上的密度且避免在任一个频率下副振荡模中的任一者的强激发。一般来说，声谐振器形状并不限于五个边。举例来说，常见的替代设计包含四边形、五边形及其它形状。
声谐振器100包括顶部电极125(下文称为第二电极)、连接侧101及互连件102。连接侧101经配置以提供到互连件102的电连接。互连件102将电信号提供到顶部电极125，以在声谐振器100的压电层(图1A中未展示)中激发所要声波。
参看图1B，声谐振器100包括呈简化表示形式的衬底105及声堆叠110。
衬底105可由与对于集成连接件及电子器件、耗散从谐振器产生的热、因此减小大小及成本且增强性能可为有用的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)等。衬底105具有位于声堆叠110下方的气腔140，以允许声堆叠110在操作期间自由移动。气腔140通常通过以下操作来形成：蚀刻衬底105并在形成声堆叠110之前在衬底105中沉积牺牲层，且接着在形成声堆叠110之后移除所述牺牲层。举例来说，作为对气腔140的替代方案，声谐振器100可包含声反射器，例如分布式布拉格反射器(DBR)。
声堆叠110包括第一电极115、形成于第一电极115上的压电层120及形成于压电层120上的第二电极125。第一电极115包括底部导电层115b及顶部导电层115t。第二电极125包括底部导电层125b及顶部导电层125t。第一电极115及第二电极125的导电层由声阻抗随着其距压电层120的距离而增加的材料形成。举例来说，底部导电层115b及顶部导电层125t可由具有相对高声阻抗的材料(例如(W)或铱(Ir))形成，而顶部导电层115t及底部导电层125b可由具有相对低声阻抗的材料(例如钼(Mo)或铌(Nb))形成。可在第一电极115及第二电极125中使用的各种替代材料(除上文所列举的材料以外或代替所述材料)包含(例如)铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)或铪(Hf)。
第二电极125可进一步包括钝化层(未展示)，所述钝化层可由各种类型的材料形成，包含AlN、碳化硅(SiC)、不可蚀刻掺硼硅玻璃(NEBSG)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、多晶硅等。钝化层的厚度一般应足以保护声堆叠110的各层以免与可通过封装中的漏缝进入的物质发生化学反应。
第一电极115及第二电极125经由对应接触垫电连接到外部电路，所述接触垫通常由导电材料(例如金或金-锡合金)形成。虽然图1B中未展示，但电极与接触垫之间的连接件从声堆叠110横向向外延伸。所述连接件一般由适合导电材料(例如Ti/W/金)形成。
压电层120通常由包括Al1-xScxN的薄膜压电材料形成，但其可由其它压电材料(例如AlN或氧化锌(ZnO))形成。在一些实施例中，压电层120形成在安置于第一电极115的上部表面上的籽晶层(未展示)上。所述籽晶层可由(例如)AlN形成，以促进Al1-xScxN的生长。
参看图1C，依据在声堆叠110中的垂直位置来展示所述堆叠的各种层的声阻抗。在图1C中沿着水平轴来表示垂直位置(即，如在图1B中所观看)。在图1C的实例中，实例性声堆叠110包括循序堆叠的W层、Mo层、AlN层、Mo层及W层。声阻抗随着距压电层120的距离单调地增加，这往往使声能跨越声堆叠而分布。在各种替代实施例中，可使用其它材料来实现其中声阻抗是根据距压电层120的距离而增加的类似声阻抗分布曲线。例如，可以各种组合形式来使用以下材料以实现类似声阻抗分布曲线：铱，其具有约110MR(兆瑞利)的声阻抗；钨，其具有约100MR的声阻抗；钼，其具有约65MR的声阻抗；铌，其具有约42MR的声阻抗；及铌钼合金，其取决于特定组成而具有约42MR到65MR的声阻抗。
声再分布层(ARL)是添加到声堆叠以改变跨越堆叠的声能分布的材料层。一般来说，声堆叠的基本机电特性(例如，声堆叠所支持的各种谐振的截止频率或机电耦合系数kt2(在堆叠中存在压电材料时的情况中))是由每单一层的经加权参数(例如，音速、泊松比及材料密度)决定的，其中加权因子由所述特定层中所局限的声能分数决定。因此，改变遍及堆叠的声能分布会改变所述堆叠的机电特性。对于纯纵向运动(例如当所述运动是通过为压电层提供垂直电偏置而驱动时)，声能分布由每一层的声阻抗决定，其中低声阻抗层往往局限较多能量。对于包含水平(或剪切)分量的较一般类型的运动，跨越堆叠的声能分布由每一层的声阻抗及泊松比两者决定。
例如，图1A中所展示声谐振器100的典型声堆叠将具有用于第一电极115及第二电极125的仅单一金属，例如仅W或仅Mo。金属材料选择准则将是基于声谐振器100的特定性能及处理要求。举例来说，由于W的声阻抗大于Mo的声阻抗，因此将使用W来增加kt2，因为其可允许将较多声能局限在压电层120中。如将关于图4所论述，对于例如被设计成满足低kt2要求或最小化谐振器面积的一些声堆叠，显著分数的声能可分别被局限在包括W的第一电极115及第二电极125中。此特定能量分布在有益于最小化谐振器大小的同时可导致声谐振器100的其它重要性能特性(例如Rp及Q)的降级的增加。在第一电极115与压电层120之间及在压电层120与第二电极125之间插入Mo层可将能量的一部分从外W层再分布到内Mo层，同时仍使相同量的声能保持局限在压电层120中(及因此例如，保持相同的kt2)。因此，Mo层将为包括纯W电极的声谐振器100的原始堆叠形成声再分布层。在实际情形中，ALR层可分别替换包括第一电极115及第二电极125的原始金属层的一部分，且可需要调整压电层120的厚度以便分别与原始串联谐振频率Fs及并联谐振频率Fp匹配。具有Mo ARL的声堆叠中的声阻抗分布的实例在图1C中示意性地展示为层115t及125b，而原始W电极的剩余部分展示为层115b及125t。
图2是图解说明声谐振器在不同频率下的所模拟振动模式的声散布图。此图是相对于其中第一电极115及第二电极125各自完全由Mo形成的声谐振器100的变化形式而产生的。换句话说，图2中的曲线表示在不存在声再分布层的情况下声谐振器100的性能。在所模拟装置中，第一电极115及第二电极125各自具有大致的厚度，且压电层120包括厚度为大致的AlN。在此配置中，在声谐振器100的操作期间，大致80％的声能被局限在压电层120中。
在图2中，水平轴对应于横向波数Kx，其中正数指示实数Kx值且复数指示虚数Kx值。图2中的每一点对应于声堆叠所支持的特定声偏振及传播方向的本征模式。实数Kx值(由实曲线图解说明)指示给定模式是传播模式(例如，其可从激发点以周期性方式传播)，而虚数Kx值(由虚曲线图解说明)指示给定模式是消散模式(例如，其可从激发点以指数方式衰减)。
图2中所图解说明的模式包含以下模式：膨胀(L1)、挠曲(F1)、消散厚度剪切(eTS1)、传播厚度剪切(pTS1)、具有负群速散布的传播厚度外延(pTE1-)、具有正群速散布的传播厚度外延(pTE1+)、消散厚度外延(eTE1)，及二阶传播厚度剪切(pTS2)。注意，此处所使用的记法并未遵循将模式分成对称及非对称类别的标准分离法，因为包括声谐振器100的声堆叠可比其中此种分类有效的单一层显著更复杂。为简化陈述起见未在图2中展示所谓的复合消散模式。复合消散模式从激发点以周期性方式传播，但其振荡振幅以指数方式衰减。一般来说，这些模式是极短程的，意味着其在距激发点1um到2um内衰减且通常不引起辐射能量损耗。
将串联谐振频率(Fs)、并联谐振频率(Fp)及二阶剪切谐振频率(FTS2)展示为水平虚线。可通过以下方程式(1)来以数学方式表达分数频率分离。
FFS＝100*(FTS2-FS)/FS[％] (1)
将关于图3详细地论述FFS在最小化并联谐振频率Fp下的辐射损耗及最大化Rp方面的重要性，且其依赖于遍及声堆叠在梅森(Mason)伪模式与eTE1本征模式之间的重叠性(或相似度)。梅森伪模式是纵向Uz位移遍及声谐振器100的声堆叠的特定分布，所述分布是由分别在第一电极115与第二电极125之间施加的垂直电压产生的。在图2中所展示的散布图上，梅森伪模式可在Kx＝0处表示为垂直线，这对应于Uz在声谐振器100的横向方向上的空间均匀分布-出于所述原因，梅森伪模式也可称为活塞模式。应注意，梅森伪模式在任何操作频率下均不具有任何剪切Ux位移分量，且在Fs附近为1阶厚度外延模式，意味着纵向Uz位移在接近于堆叠的中心处具有一个空值，而堆叠的底部及顶部相对于其初始(即在未被施加电压的情况下)位置沿相反方向发生位移。另一方面，pTE1-、eTE1及pTS2模式属于1阶厚度外延及2阶厚度剪切模式族系，意味着纵向Uz位移在接近于堆叠的中心处具有一个空值(类似于梅森伪模式)，且剪切Ux位移在堆叠内部具有两个空值。在图2中，随着频率从低于Fs改变为高于FTS2，由pTE1-、eTE1及pTS2分支表示的主导性模式偏振从在Fs频率附近的主要纵向偏振改变为在FTS2频率附近的主要剪切偏振，且同时模式阶次从在Fs频率附近的主要1阶阶次改变为在FTS2频率附近的主要2阶阶次。特定来说，在Fp下，eTE1本征模式是混合式纵向/剪切及1阶/2阶模式，其中能量在Uz分量与Ux分量之间的特定划分取决于FTS2与Fs之间及Fp与Fs之间的频率分离。由于对于大多数声堆叠来说，与FTS2相比，Fp相对接近于Fs，因此可使用FFS作为eTE1本征模式与梅森伪模式之间的模态相似度的简单度量。注意，对于非常接近频率Fs的F(F-Fs<<Fp-Fs)，梅森伪模式与eTE1本征模式实际上为等同的。
图3A及3B分别是图解说明以并联谐振频率Fp操作的声谐振器的纵向(Uz)及剪切(Ux)位移的图表。水平轴对应于谐振器内部的横向位置且以微米(um)为单位来展示。纵向Uz及剪切Ux位移是相对于如图式中所展示的40um宽FBAR使用模式匹配方法进行模拟的。所模拟堆叠具有由Mo形成且具有3800A的大致厚度的第一电极315、由AlN形成且具有9300A的大致厚度的压电层320、由Mo形成且具有3250A的大致厚度的第二电极325及由AlN形成且具有2000A的大致厚度的钝化层330。所图解说明位移是在第一电极315与压电层320之间的界面上方大致1200A处计算的。所图解说明FBAR具有～1.5k的所计算Rp。其作用区域(在虚线内部)具有～2.03GHz的Fs、～5.8％的kt2及～42％的FFS。其场区域(在虚线外部)具有～3.38GHz的Fs、～4.6％的Kt2及～20％的FFS。所施加电压为1V，且Uz及Ux位移是以皮米(pm)为单位来展示的。
图3A展示梅森伪模式位移的实部(曲线C1)及虚部(曲线C2)及总位移的实部(曲线C3)及虚部(曲线C4)。图3B仅展示总位移的实部(曲线C1)及虚部(曲线C2)，因为梅森伪模式不支持任何非零剪切位移分量。
对于在并联谐振频率Fp下模拟的所图解说明FBAR，梅森伪模式的Uz位移(图3A中的曲线C1)跨越电极是平整的，且如由垂直虚线所指示，突然终止于顶部电极的边缘处。如上文所提及，场区域中的厚度外延TE1谐振的截止频率比在作用区域(其中Fs是大致2.03GHz)中高大致1.3GHz，这本质上将总位移钳位在作用区域外部。所述钳位要求强制(通过适当应力及粒子速度连续性条件)对顶部电极的边缘处的总运动的抑制，这可主要通过以与梅森伪模式(由电场驱动)相反的相位来机械激发eTE1模式而实现。因此，总Uz位移展现朝向电极边缘(在+/-20um处)的消散衰减，如图3A中所图解说明。然而，eTE1模式可并不完全抑制顶部电极的边缘处的总Uz位移(图3A中的曲线C3及C4)，因为其还含有非零剪切Ux位移。由于梅森伪模式是纯纵向的，因此在顶部电极的边缘处总位移的总剪切分量主要等于在顶部电极边缘处eTE1模式的剪切Ux分量，如图3B中以曲线C1及C2所图解说明。图3B中的箭头指向总Ux位移达到最大值的顶部电极边缘。因此，在顶部电极边缘处对梅森伪模式纵向Uz位移分量的不完全抑制及对eTE1本征模式剪切Ux位移分量的经增强激发需要激发其它传播及复合本征模式来促进顶部电极边缘处的必要应力及粒子速度连续性条件。作用区域中的这些传播模式(pTE1、pTS1、L1及F1)分别由叠加于在图3A及3B中图解说明的总纵向Uz位移及剪切Ux位移的消散及平整部分上的额外较高空间频率位移来证明。场区域中的传播模式(pTS1、L1及F1)分别由在图3A及3B中图解说明的周期性总纵向Uz位移及剪切Ux位移来证明。在主作用区域中激发的传播、消散及复合模式导致增强的局部化粘滞损耗且由于焦耳加热而导致欧姆损耗(前提是给定模式含有厚度外延分量)。场区域中的传播模式导致向周围区域的声能辐射。所有三种损耗机制(辐射、粘滞及欧姆)均会使谐振器性能降级，且特定来说降低谐振器的并联电阻Rp及质量因子Q。
如上文所述，在并联谐振频率Fp下声损耗的增强的主要原因是不能借助消散eTE1本征模式完全抑制梅森伪模式的经电激发纵向移位，这是因为存在eTE1本征模式的非零剪切分量。然而，如关于图2所述，在eTE1本征模式中剪切分量的量主要由FFS(即由2阶剪切截止频率FTS2与串联谐振频率Fs的分离)决定。因此，通过将声堆叠重新设计成增加FFS，可减少eTE1本征模式中的剪切分量，促进在顶部电极的边缘处对总运动的更有效抑制，且因此增加Rp及Q因子。如将关于图4展示，对于金属厚重型堆叠，可用声再分布层来进行此种堆叠重新设计。
图4是图解说明根据各种代表性实施例随堆叠设计而变的FFS的图表。在图4中所展示的子图表中，实曲线表示具有第一结构的声谐振器的FFS，且虚曲线表示具有第二结构的声谐振器的FFS。第一结构对应于其中压电层120由ASN形成且第一电极115及第二电极125中的每一者由邻近于压电层120的W层及邻近于所述W层的Mo层形成的声谐振器100的变化形式(标示为“MoW-WMo”)。第二结构与第一结构相同，只不过Mo层及W层的位置是夹在第一电极115及第二电极125中的每一者中的(标示为“WMo-MoW”)。图4中所展示的每一谐振器均具有相同串联谐振频率Fs。然而，每一子图表对应于不同分数的总声能被局限在压电层中(如由最外水平轴所指示)的谐振器。换句话说，每一子图表对应于具有不同kt2的谐振器，其中小分数的声能被局限在压电层中对应于低kt2，且大分数的声能被局限在压电层中对应于高kt2。
所述图表是针对具有不同横截面积(例如，如图1B中所展示的面积)及总电极厚度中的不同Mo分数的所模拟声谐振器产生的。声谐振器的横截面积可从小到大而变化，如在图4中所观看。Mo的不同分数由标示“xMo”指示，其由以下方程式(2)界定。
xMo＝tMo/(tMo+tW)(2)
在方程式(2)中，tMo对应于每一Mo层的厚度，且tW表示每一W层的厚度。因此，xMo对应于通过总电极厚度正规化的Mo层厚度。在每一子图表中，xMo以0.05为步长介于从0(在左侧上)到1(在右侧上)的范围内。此外，假设是完全对称的堆叠，意味着在底部电极与顶部电极中Mo相对于压电层的分数及位置是等同的。举例来说，针对“WMo-MoW”设计的xMo＝0.1指示对于底部电极及顶部电极中的每一者，Mo层包括总电极厚度的10％，且Mo层紧挨压电层定位。另举一例，针对“MoW-WMo”设计的xMo＝0.1指示对于底部电极及顶部电极中的每一者，Mo层包括总电极厚度的10％，且W层紧挨压电层定位。
如图4中所图解说明，最大FFS对于大致80％的能量被局限在压电层中的堆叠来说是最大的。对于那些堆叠，FFS对于纯Mo电极来说为大致50％且对于纯W电极来说为90％。因此，对于其中大致80％的能量被局限在压电层中的设计，使用高声阻抗电极(例如，如W或Ir，而非Mo或Nb)来增加谐振器的FFS及因此Rp及Q可为有益的。一般来说，2阶剪切谐振FTS2(及因此FFS，对于固定Fs)由在TS2谐振下能量遍及堆叠的特定分布决定。数值模拟指示，对于具有单金属电极(例如，仅W或仅Mo)的谐振器，最大FFS设计对应于其中在TS2谐振下的本征模态能量的分数大致相等地分布在压电层与金属层之间的堆叠。因此，对于图4中所展示的纯Mo(xMo＝1)或纯W(xMo＝0)设计，最大FFS点(在Fp下，大致80％的梅森伪模式声能局限在压电层中)对应于其中FTS2下的TS2本征模式能量峰值大致位于压电层与金属层之间的界面处的设计。对于金属厚重型设计(即在Fp下，少于大致80％的梅森伪模式声能被局限在压电层中)，在FTS2下的TS2本征模式能量峰值位于金属层内部，且对于金属轻薄型设计(即在Fp下，多于大致80％的梅森伪模式声能被局限在压电层中)，在FTS2下的TS2本征模式能量峰值位于压电层内部。然而，压电层及金属层的泊松比在针对任何特定堆叠决定FTS2及因此FFS下的伪模式能量分布时也起到显著作用。
一般来说，压电层中的能量分数决定声谐振器的kt2。具有大kt2的声谐振器通常具有厚压电层、薄电极层，及局限在压电层中的大能量分数(例如，超过90％)。然而，在厚压电层的情况下，需要相对大的横截面积来使所需谐振器阻抗匹配到例如Zo＝50欧姆，从而导致装置成本的不利增加。
声谐振器的成本通常与其横截面积成正比，因此在其它因素均相等的情况下，通常期望使横截面积最小化。为了使横截面积最小化，压电层可由具有固有高kt2的材料(例如，具有9％钪的ASN)形成，从而允许压电层为相对薄的同时维持充足的kt2。在此种声谐振器中，相对高量的能量可局限在电极层中，例如70％在电极层中且30％在压电层中，如图4最左边的子图表所图解说明。遗憾地，这导致FFS的严重降级，例如，对于Mo(xMo＝1)降级到大致20％且对于纯W(xMo＝0)降级到大致30％。然而，声再分布层(“WMo-MoW”电极，其中Mo层对来自W层的声能进行再分布)的使用对于小的谐振器通过使用WMo-MoW电极可将FFS增加到大致50％，如图4中从左边起第二个子图表所图解说明。数值模拟指示在存在由Mo形成的声再分布层的情况下最大FFS设计对应于在FTS2谐振下的TS2本征模式的峰值大致位于Mo层与W层之间的界面处。因此，最优ARL的特定设计可取决于在特定堆叠中所使用的材料的声阻抗及泊松比。如上文所指示且下文关于图5所示范，FFS的有益增加对应于Rp的增加，且因此FFS的增加对应于经改进的声谐振器性能。
图5是图解说明图1B中所展示的声谐振器100随xMo而变的经正规化Rp的图表。在图5中，针对xMo＝0(其对应于具有仅钨电极的声谐振器100)且针对xMo＝0.2及xMo＝0.35(对应于大致20％及35％的W替换为Mo的声谐振器100)来绘制经正规化Rp。已通过将堆叠中的每一者的最佳可实现Rp除以纯W堆叠(其为具有xMo＝0的堆叠)的最佳可实现Rp来获得经正规化Rp。对于所有所测量堆叠，压电层120由具有9％的钪浓度的ASN形成。
具有相对高固有kt2的ASN的使用允许声谐振器由相对薄的压电层(即，小横截面积)形成，同时对于某些应用(例如用于低频带的RF滤波器(例如，频带13、17、20等))维持充足kt2。然而，其还要求这些谐振器使用其中少于80％的能量被局限在压电层中的金属厚重型堆叠。因此，FFS往往降低，如图4中所展示，且堆叠可产生不良Rp。
如图5中所图解说明，声再分布层(将紧挨9％-ASN的一些W替换为Mo，如xMo所指示)的使用将FFS从针对具有xMo＝0的设计的大致35％增加到针对具有xMo＝0.35的设计的大致55％，且其针对xMo＝0.2设计将Rp增加大致2倍且针对xMo＝0.35设计将Rp增加大致2.4倍。因此，借助声再分布层可在不损害装置性能的情况下实现显著的面积及成本节省。
图6到11图解说明根据代表性实施例用于声谐振器100中的声堆叠110的数个替代配置。图6到11还图解说明那些不同替代配置中的每一者的声阻抗分布曲线。图6到11中的材料选择是仅出于说明性目的而提供的且在替代实施例中可能存在各种其它组合。
参考图6A及6B，在一个实施例中，声堆叠110包括具有两个声阻抗不同的金属层的第一电极115及具有单一金属层的第二电极125。第一电极115的两个金属层的声阻抗随距压电层120的距离而增加。图6A中的层标示有各种替代材料，且图6B的图表展示每一层的选定材料实例。举例来说，在图6到11中的每一者中，将压电层120展示为AlN层，但其可替代地包括不同材料，例如ASN或ZnO。图7到11类似于图6，只不过第一电极115及第二电极125的层是如图及图表中所展示的那样被重新布置及/或构成。依据以上对图1到5的描述，这些替代配置的潜在益处将显而易见。
尽管本文中揭示了实例性实施例，但所属领域的普通技术人员了解，根据本发明教示的许多变化形式是可能的且保持与所附权利要求书的范围内。举例来说，可在顶部电极及底部电极中使用不同金属集合。在另一实例中，一种金属被用另一种金属的替换分数在顶部电极中可不同于底部电极中的替换分数。因此，所述实施例除在所附权利要求书的范围内之外将不受限制。

Claims (35)

1.一种声谐振器结构，其包括：
压电层，其具有第一表面及第二表面；
第一电极，其邻近于所述第一表面安置，所述第一电极包括：第一导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第一声阻抗；及第二导电层，其安置于所述第一导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第一声阻抗的第二声阻抗；以及
第二电极，其邻近于所述第二表面安置，所述第二电极包括：第三导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第三声阻抗；及第四导电层，其安置于所述第三导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第三声阻抗的第四声阻抗；
其中所述第一导电层及所述第三导电层由第一材料形成，且所述第二导电层及所述第四导电层由第二材料形成。
2.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第一电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
3.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第二电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
4.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述第一电极、所述压电层及所述第二电极形成膜体声谐振器FBAR的声堆叠。
5.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述第一材料为钼，且所述第二材料为钨。
6.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层由钼形成，且所述第二导电层由钨形成。
7.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层由铌、钼或铌与钼的合金形成，且所述第二导电层由钨或铱形成。
8.根据权利要求7所述的声谐振器结构，其中所述第二电极由钨、铱或钼形成。
9.根据权利要求8所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第一电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
10.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述压电层包括具有约1％到10％的钪浓度的氮化铝钪。
11.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其进一步包括：钝化层，其安置于所述第一电极及所述第二电极中的一者的与所述压电层相对的侧上；及籽晶层，其安置于所述第一电极及所述第二电极中的另一者的与所述压电层相对的侧上。
12.根据权利要求11所述的声谐振器结构，其中所述钝化层及所述籽晶层各自包括氮化铝、碳化硅、氮化硅、氧化铝及掺硼氧化硅中的一者。
13.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述第一电极进一步包括第五导电层，所述第五导电层安置于所述第二导电层的与所述第一导电层相对的侧上。
14.根据权利要求13所述的声谐振器结构，其中所述第五导电层具有大于所述第二声阻抗的第五声阻抗。
15.根据权利要求13所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层包括铌或铌与钼的合金，所述第二导电层包括钼，且所述第五导电层包括钨。
16.根据权利要求13所述的声谐振器结构，其中所述第五导电层具有低于所述第二声阻抗的第五声阻抗。
17.根据权利要求13所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层包括铌或铌与钼的合金，所述第二导电层包括钨，且所述第五导电层包括钼。
18.根据权利要求1所述的声谐振器结构，其中所述压电层包括Al1-xScxN。
19.一种声谐振器结构，其包括：
压电层，其具有第一表面及第二表面；
第一电极，其邻近于所述第一表面安置；
第二电极，其邻近于所述第二表面安置；
钝化层，其安置于所述第一电极及所述第二电极中的一者的与所述压电层相对的侧上；及
籽晶层，其安置于所述第一电极及所述第二电极中的另一者的与所述压电层相对的侧上；
其中所述第一电极包括：第一导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第一声阻抗；及第二导电层，其安置于所述第一导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第一声阻抗的第二声阻抗。
20.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述钝化层及所述籽晶层各自包括氮化铝、碳化硅、氮化硅、氧化铝及掺硼氧化硅中的一者。
21.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第一电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
22.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第二电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
23.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述第一电极、所述压电层及所述第二电极形成膜体声谐振器FBAR的声堆叠。
24.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层由钼形成，且所述第二导电层由钨形成。
25.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层由铌、钼或铌与钼的合金形成，且所述第二导电层由钨或铱形成。
26.根据权利要求25所述的声谐振器结构，其中第二电极包括：第三导电层，其邻近于所述压电层安置且具有第三声阻抗；及第四导电层，其安置于所述第三导电层的与所述压电层相对的侧上且具有大于所述第三声阻抗的第四声阻抗。
27.根据权利要求25所述的声谐振器结构，其中所述第二电极由钨、铱或钼形成。
28.根据权利要求27所述的声谐振器结构，其进一步包括衬底，其中所述第一电极安置于所述衬底与所述压电层之间。
29.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述压电层包括具有约1％到10％的钪浓度的氮化铝钪。
30.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述第一电极进一步包括第三导电层，所述第三导电层安置于所述第二导电层的与所述第一导电层相对的侧上。
31.根据权利要求30所述的声谐振器结构，其中所述第三导电层具有大于所述第二声阻抗的第三声阻抗。
32.根据权利要求30所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层包括铌或铌与钼的合金，所述第二导电层包括钼，且所述第三导电层包括钨。
33.根据权利要求30所述的声谐振器结构，其中所述第三导电层具有低于所述第二声阻抗的第三声阻抗。
34.根据权利要求30所述的声谐振器结构，其中所述第一导电层包括铌或铌与钼的合金，所述第二导电层包括钨，且所述第三导电层包括钼。
35.根据权利要求19所述的声谐振器结构，其中所述压电层包括Al1-xScxN。
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