CN106233626B - 具有高耦合系数的温度补偿体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
在所描述的示例中，通过将每个布拉格声学反射器(112、160)的每层的厚度减小到具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，大幅增加固态装配型谐振器(100)的主频率，其中上述频率是固态装配型谐振器(100)的基本谐振频率的高次谐波谐振频率。
Description
技术领域
本申请总体上涉及体声波谐振器，并且更具体地涉及一种具有高耦合系数的温度补偿体声波谐振器。
背景技术
体声波(BAW)谐振器是一种将压电结构夹在下部金属电极与上部金属电极之间的机电装置。当交流电场以电极的方式设置在压电结构两端时，压电结构以周期性方式机械地变形并生成驻声波。
其中一种类型的BAW谐振器是固态装配型谐振器(solidly mounted resonator，SMR)。SMR使用布拉格声学反射器反射声波。用低声学材料和高声学材料的交替层构造布拉格声学反射器，其中，材料的每一层具有与SMR的基本谐振频率的波长的四分之一相对应的厚度。
其中一种类型的SMR使用双布拉格声学反射器反射声波。具有双布拉格声学反射器的SMR具有接触下部金属电极并位于该下部金属电极下方的下部布拉格声学反射器和接触上部金属电极并位于该上部金属电极上方的上部布拉格声学反射器。
在半导体应用中，通常利用氮化铝(AlN)来实现压电结构，尽管也通常使用氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)。压电结构具有基本上等于SMR的该基本谐振频率的波长的一半的厚度。
例如，具有2.5GHz基本谐振频率的双布拉格声学反射器的SMR具有厚度等于2.5GHz基本谐振频率的波长的一半的压电结构。而且，每个布拉格声学反射器中的每一层具有等于2.5GHz基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。
构造更高频率的SMR的问题之一是：随着SMR的基本谐振频率增加，压电结构的厚度减小。减小AlN压电结构厚度的问题是：AlN直到已经沉积第一约100nm的材料时才开始生长为纹理良好的高取向的晶体结构。
其结果是，具有厚度在100nm-200nm范围内的AlN压电结构将希望具有低K2(电声耦合系数)和低品质(Q)因数(以基本谐振频率为中心的相对宽范围频率)，这作为频率基准降低装置的所需性能。
SMR的另一个问题是：SMR趋于具有相对较差的频率温度系数(TCF)，因此基本谐振频率随温度发生显著量的变化。将SMR的TCF降至接近零ppm/℃的一种方式是形成位于压电结构与上部电极之间的薄氧化层(例如，70nm)。然而，这种方式的一个问题是：位于压电结构与上部电极之间的该薄氧化层使得K2从大约6.9％跌至大约4％。
发明内容
在所描述的固态装配型谐振器(SMR)和形成该SMR的方法的示例中，SMR包括衬底和接触衬底的下部布拉格(Bragg)声学反射器。下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层。下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，该频率是SMR的基本谐振频率的高次谐波谐振频率。该SMR还包括：接触下部布拉格声学反射器的下部电极、接触下部电极的压电结构和接触压电结构的上部电极。
一种形成SMR的方法包括：形成下部布拉格声学反射器以接触衬底。下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层。下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，该频率是SMR的基本谐振频率的高次谐波谐振频率。该方法还包括：形成接触下部布拉格声学反射器的下部电极；形成接触下部电极的压电结构；以及形成接触压电结构的上部电极。
在其他所描述的示例中，SMR包括衬底和接触衬底的下部布拉格声学反射器。下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层。下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于SMR的基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。SMR还包括接触下部布拉格声学反射器的下部隔离层和接触下部隔离层的下部电极。SMR进一步包括接触下部电极的压电结构和接触压电结构的上部电极。SMR附加地包括接触上部电极的上部隔离层和接触上部隔离层的上部布拉格声学反射器。上部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层。上部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于SMR的基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。
附图说明
图1是示例实施例的固态装配型谐振器(SMR)的横截面图。
图2A至图2F是示例实施例的一种形成SMR的方法的横截面图。
图3是一种替代性示例实施例的SMR的横截面图。
图4是一种替代性示例实施例的SMR的横截面图。
具体实施方式
图1示出示例实施例的固态装配型谐振器(SMR)100的横截面图。如以下更详细描述地，SMR 100将每一个布拉格声学反射器内的每一层的厚度降至基本上等于频率的波长的四分之一，该频率是SMR 100的基本谐振频率的高次谐波谐振频率。
如图1所示，SMR 100包括衬底110和接触衬底110的顶表面的下部布拉格声学反射器112。能够利用各种材料(诸如但不限于硅、硅锗、蓝宝石、玻璃或石英)来实现衬底110。
下部布拉格声学反射器112包括在低声学材料与高声学材料之间交替的各种材料层。下部布拉格声学反射器112内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，该频率是SMR 100的基本谐振频率的高次谐波谐振频率。
能够利用各种材料(诸如(但不限于)硅氧烷(MSQ)、二氧化硅(SiO2)或氢倍半硅氧烷(HSQ))来实现该低声学材料。能够利用各种材料(诸如(但不限于)碳化硅(SiC)、包含类钻碳的硅(Si-DLC)或类钻碳(DLC))来实现高声学材料。
在此示例中，下部布拉格声学反射器112包括：接触衬底110的SiO2低声学层114、接触低声学层114的SiC高声学层116、接触高声学层116的MSQ低声学层118、接触低声学层118的SiC高声学层120和接触高声学层120的MSQ低声学层122。
如图1进一步所示，SMR 100还包括接触布拉格声学反射器112的下部电极130和接触下部电极130的压电结构140。能够利用各种材料(诸如(但不限于)钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、金(Au)、铂(Pt)或铝(Al))来实现下部电极130。在此示例中，利用Mo来实现下部电极130。
进而能够利用各种材料(诸如(但不限于)氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT))来实现压电结构140。在此示例中，利用AlN来实现压电结构140。压电结构140具有基本上等于SMR 100的基本谐振频率的波长的一半的厚度。
SMR 100附加地包括接触压电结构140的上部电极150和接触上部电极150的上部布拉格声学反射器160。能够利用各种材料(诸如(但不限于)Mo、Ti、W、Au、Pt或Al)来实现上部电极150。在此示例中，利用Mo来实现上部电极150。
上部布拉格声学反射器160包括在低声学材料与高声学材料之间交替的各种材料层。上部布拉格声学反射器160内的材料的每一层具有的厚度与下部布拉格声学反射器112内的材料的每一层的厚度基本相等，该厚度是为SMR 100的基本谐振频率的高次谐波谐振频率的频率的波长的四分之一。
与下部布拉格声学反射器112一样，能够利用各种材料(诸如(但不限于)SiO2或MSQ)来实现上部布拉格声学反射器160的低声学材料。也能够利用各种材料(诸如(但不限于)SiC、Si-DLC或DLC)来实现上部布拉格声学反射器160的高声学材料。
在此示例中，上部布拉格声学反射器160包括接触上部电极150的MSQ低声学层162、接触低声学层162的SiC高声学层164、接触高声学层164的MSQ低声学层166、接触低声学层166的SiC高声学层168和接触高声学层168的SiO2低声学层170。
在操作中，下部电极130和上部电极150连接至交流电压源，该交流电压源将交流电场设置在压电结构140两端。当压电结构140两端设置交流电场时，压电结构140以周期性方式机械地变形并且在压电结构140的基本谐振频率下生成驻声波。
然而，与具有层厚度等于基本谐振频率的波长的四分之一的下部布拉格声学反射器和上部布拉格声学反射器的常规SMR不同，SMR 100具有层厚度基本上等于为基本谐振频率的高次谐波谐振频率的频率的波长的四分之一的下部布拉格声学反射器和上部布拉格声学反射器。
例如，具有2.38GHz基本谐振频率(以及其厚度基本上等于2.38GHz基本谐振频率的波长的一半的压电结构)的SMR还具有8.55GHz强大的高次谐波谐振频率。通过使用下部布拉格声学反射器和上部布拉格声学反射器(其中下部布拉格声学反射器和上部布拉格声学反射器内的每一层具有基本上等于8.55GHz高次谐波谐振频率的波长的四分之一的厚度)，8.55GHz高次谐波谐振频率变为主频率。
因此，SMR 100的一个优点是：能够构造5GHz到50GHz范围内的高频谐振器，而无需借助超薄压电结构，从而继续使用较厚纹理良好的高取向的压电结构、更高的K2(电声耦合系数)以及与较低基本谐振频率(例如，2.5GHz)相关联的更高Q因数的SMR。
虽然已经针对具有双布拉格声学反射器的SMR描述了示例实施例，但它们还应用于具有单个布拉格声学反射器的SMR。具有单个布拉格声学反射器的SMR与SMR 100相同，除了省略上部布拉格声学反射器160。
图2A至图2F示出示例实施例的一种形成SMR的方法200的横截面图。如图2A所示，方法200使用常规形成的衬底210。能够利用各种不同的材料来实现衬底210，并且选择很大程度上取决于材料是否与制造设施的现有工艺兼容。在此示例中，利用硅来实现衬底202。
如图2A进一步所示，方法200开始于在衬底210的顶表面上形成下部布拉格声学反射器。利用以下材料的交替层构造下部布拉格声学反射器：低声学材料，诸如硅氧烷(MSQ)、二氧化硅(SiO2)或氢倍半硅氧烷(HSQ)；以及高声学材料，诸如碳化硅(SiC)、包含类钻碳的硅(Si-DLC)或类钻碳(DLC)。
低声学材料和高声学材料的层各自被形成为具有基本上等于是基本谐振频率的高次谐波谐振频率的频率的波长的四分之一的厚度。因此，方法200中的低声学材料和高声学材料的层比常规SMR(其中每一层低声学材料和每一层高声学材料的厚度等于基本谐振频率的波长的四分之一)中的更薄。
在此示例中，如图2A所示，下部布拉格声学反射器通过以常规方式将SiO2层212形成在衬底210的顶表面上而构造。随后，SiC层214以常规方式形成在SiO2层212的顶表面上。例如，SiC能够使用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)的混合物而在等离子体化学气相沉积(CVD)室中形成。
在已经形成SiC层214之后，MSQ层216以常规方式形成在SiC层214的顶表面上。例如，MSQ能够被旋涂到期望厚度，并且然后被固化。接下来，SiC层218以常规方式形成在MSQ层216上，接着以常规方式将MSQ层220形成在SiC层218上。
在已经形成MSQ层220之后，图案化光刻胶层222形成在MSQ层220的顶表面上。图案化光刻胶层222以常规方式形成，包括：沉积光刻胶层；将光投射通过称为掩模的图案化黑色/无色玻璃板以在光刻胶层上形成图案化图像；以及移除通过暴露于光而变软的成像的光刻胶区域。
如图2B所示，在已经形成图案化光刻胶层222之后，MSQ层220的暴露区域和SiC层218、MSQ层216和SiC层214的下层区域被蚀刻以暴露SiO2层212的顶表面。能够可选地移除SiO2层212的暴露区域。
随后，以常规方式(诸如利用灰化工艺)移除图案化光刻胶层222以便完成下部布拉格声学反射器224的形成。因此，在此示例中，下部布拉格声学反射器224包括MSQ层220、SiC层218、MSQ层216和SiC层214的剩余部分以及SiO2层212的下层部分。
接下来，如图2C所示，隔离结构226形成在SiO2层212的顶表面上(或者替代地，如果SiO2层212的暴露部分被移除，形成在衬底210的顶表面上)以便具有与布拉格声学反射器224的顶表面基本上平坦的顶表面。例如，SiO2层能够被沉积并且然后以常规方式被平坦化，诸如通过化学机械抛光。
随后，下部电极230形成在布拉格声学反射器224和隔离结构226的顶表面上。能够用金属层(诸如钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、金(Au)、铂(Pt)或铝(Al))来构造下部电极230。
在此示例中，下部电极230通过以常规方式将Mo层形成在布拉格声学反射器224和隔离结构226的顶表面上而构造。例如，该Mo层能够被溅射沉积。在Mo层已经被沉积之后，图案化光刻胶层以常规方式形成在Mo层的顶表面上。
在已经形成图案化光刻胶层之后，Mo层的暴露区域被蚀刻以便暴露隔离结构226的顶表面。随后，图案化光刻胶层以常规方式被移除以便完成下部电极230的形成。
在已经形成下部电极230之后，压电结构240接着被形成在隔离结构226和下部电极230的顶表面上。例如，能够用氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)来构造压电结构240。
在此示例中，压电结构240通过以常规方式将AlN层形成在隔离结构226和下部电极230的顶表面上而构造。例如，AlN层能够用氮气被溅射沉积以便产生高取向的晶体。在AlN层已经被沉积之后，图案化光刻胶层常规地形成在AlN层的顶表面上。
在已经形成图案化光刻胶层之后，AlN层的暴露区域被蚀刻以便暴露下部电极230的顶表面。随后，图案化光刻胶层以常规方式被移除以便完成压电结构240的形成。
在已经形成压电结构240之后，上部电极250形成在压电结构240的顶表面上。能够用金属层(诸如Mo、Ti、W、Au、Pt或Al)来构造上部电极250。在此示例中，上部电极250通过以常规方式将Mo层形成在压电结构240的顶表面上而构造。例如，该Mo层能够被溅射沉积。在Mo层已经被沉积之后，图案化光刻胶层常规地形成在Mo层的顶表面上。
在已经形成图案化光刻胶层之后，Mo层的暴露区域被蚀刻以便暴露压电结构240的顶表面。随后，图案化光刻胶层以常规方式被移除以便完成上部电极250的形成。
在已经形成上部电极250之后，上部布拉格声学反射器位于上部电极250的顶表面上。用以下材料的交替层来构造上部布拉格声学反射器：低声学材料，诸如SiO2或MSQ；以及高声学材料，诸如SiC、Si-DLC或DLC。
低声学材料和高声学材料的层各自被形成为具有等于是基本谐振频率的高次谐波谐振频率的频率的波长的四分之一的厚度并具有与下部布拉格声学反射器224内的层的厚度基本上相同的厚度。
在此示例中，如图2D所示，上部布拉格声学反射器通过以常规方式将MSQ层262形成在上部电极250的顶表面上而构造。例如，MSQ能够被旋涂到期望厚度，并且然后被固化。随后，SiC层264以常规方式形成在MSQ层262的顶表面上。例如，SiC能够使用SiH4和CH4的混合物而在等离子体CVD室中形成。
在已经形成SiC层264之后，MSQ层266以常规方式形成在SiC层264的顶表面上。接下来，SiC层268常规地形成在MSQ层266上，接着常规地形成SiO2层270。在已经形成SiO2层270之后，图案化光刻胶层272以常规方式形成在SiO2层270的顶表面上。
如图2E所示，在已经形成图案化光刻胶层272之后，SiO2层270的暴露区域以及SiC层268、MSQ层266、SiC层264和MSQ层262的下层区域被蚀刻以暴露上部电极250的顶表面。随后，如图2F所示，以常规方式(诸如利用灰化工艺)移除图案化光刻胶层272以便完成上部布拉格声学反射器274和SMR 280的形成。在已经形成上部布拉格声学反射器274和SMR 280之后，方法200继续常规步骤。
图3示出一个替代性示例实施例的SMR 300的横截面图。SMR 300类似于SMR 100，并因此使用相同的附图标记来指代这两种SMR共同具有的结构。
如图3所示，SMR 300不同于SMR 100，因为SMR 300进一步包括接触下部布拉格声学反射器112和下部电极130并且位于下部布拉格声学反射器112与下部电极130之间的下部隔离层310、和接触上部电极150和上部布拉格声学反射器160并且位于上部电极150与上部布拉格声学反射器160之间的上部隔离层312。
下部隔离层310和上部隔离层312的厚度与下部布拉格声学反射器112和上部布拉格声学反射器160内的层的厚度无关。在此示例中，用SiO2来实现下部隔离层310和上部隔离层312，并且各自具有10-50nm范围内的厚度。
SMR 300如SMR 100一样操作，除了SMR 300具有接近零ppm/℃的频率温度系数(TCF)，其中在-40℃到85℃的温度范围内，具有大约160ppm的总频率范围。然而，不像常规SMR(其使用位于压电结构与上部电极之间的SiO2层将TCF降至接近零ppm/℃)，SMR 300具有大于6.5％(例如，6.8％)的K2。
SMR 300以与SMR 100相同的方式形成，除了：在下部电极230形成之前下部隔离层(诸如氧化层)以常规方式形成在下部布拉格声学反射器212上；以及在上部布拉格声学反射器274形成之前上部隔离层(诸如氧化层)以常规方式形成在上部电极250上。
另一替代性示例实施例的SMR与SMR 300相同，除了下部布拉格声学反射器112的每一层和上部布拉格声学反射器160的每一层具有基本上等于基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。而且，对于下部隔离层310和上部隔离层312，附加隔离层能够被放置以便针对以下情况接触压电结构140和上部电极150并位于压电结构140与上部电极150之间：(a)在此情况下：布拉格声学反射器的每一层具有基本上等于是基本谐振频率的高次谐波谐振频率的频率的波长的四分之一的厚度；或者(b)在此情况下：布拉格声学反射器的每一层具有基本上等于基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。附加隔离层提供TCF的稍微额外的减小，但降低了K2。尽管附加隔离层降低了K2，但K2仍保持在6％以上。
图4示出一个替代性示例实施例的SMR 400的横截面图。SMR 400类似于SMR 100，并且因此使用相同的附图标记来指代这两种SMR共同具有的结构。如图4所示，SMR 400不同于SMR 100，因为SMR 400进一步包括接触压电结构140和上部电极150并且位于压电结构140与上部电极150之间的隔离层410。SMR 400如SMR 100一样操作，除了SMR 400具有接近零ppm/℃的频率温度系数(TCF)但大约4％的K2。SMR 400以与SMR 100相同的方式形成，除了在上部电极250形成之前隔离层(诸如大约70nm厚的氧化层)以常规方式形成在压电结构240上。
所描述的实施例进行修改是可能的，并且在所要求保护的范围内，其他实施例是可能的。
Claims (20)
1.一种固态装配型谐振器即SMR，包括：
衬底；
接触所述衬底的下部布拉格声学反射器，所述下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，所述频率是所述SMR的基本谐振频率的高次谐波谐振频率；
接触所述下部布拉格声学反射器的下部电极；
接触所述下部电极的压电结构；和
接触所述压电结构的上部电极。
2.如权利要求1所述的SMR，并且进一步包括：接触所述上部电极的上部布拉格声学反射器，所述上部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述上部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于所述频率的所述波长的四分之一的厚度，所述频率是所述SMR的所述基本谐振频率的所述高次谐波谐振频率。
3.如权利要求2所述的SMR，并且进一步包括：位于所述下部布拉格声学反射器与所述下部电极之间并且接触所述下部布拉格声学反射器和所述下部电极的下部隔离层；和位于所述上部电极与所述上部布拉格声学反射器之间并接触所述上部电极和所述上部布拉格声学反射器的上部隔离层。
4.如权利要求2所述的SMR，并且进一步包括：位于所述压电结构与所述上部电极之间并且接触所述压电结构和所述上部电极的隔离层。
5.如权利要求2所述的SMR，其中所述压电结构具有基本上等于所述SMR的所述基本谐振频率的波长的一半的厚度。
6.如权利要求5所述的SMR，其中所述压电结构包括选自包括AlN、ZnO和PZT的材料列表中的材料。
7.如权利要求6所述的SMR，其中所述低声学材料选自包括MSQ、SiO2和HSQ的材料列表。
8.如权利要求7所述的SMR，其中所述高声学材料选自包括SiC、Si-DLC和DLC的材料列表。
9.一种形成固态装配型谐振器即SMR的方法，所述方法包括：
形成下部布拉格声学反射器以接触衬底，所述下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，所述频率是所述SMR的基本谐振频率的高次谐波谐振频率；
形成接触所述下部布拉格声学反射器的下部电极；
形成接触所述下部电极的压电结构；以及
形成接触所述压电结构的上部电极。
10.如权利要求9所述的方法，并且进一步包括：形成接触所述上部电极的上部布拉格声学反射器，所述上部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述上部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于所述频率的所述波长的四分之一的厚度，所述频率是所述SMR的所述基本谐振频率的所述高次谐波谐振频率。
11.如权利要求10所述的方法，并且进一步包括：形成位于所述下部布拉格声学反射器与所述下部电极之间并且接触所述下部布拉格声学反射器和所述下部电极的下部隔离层；以及形成位于所述上部电极与所述上部布拉格声学反射器之间并且接触所述上部电极和所述上部布拉格声学反射器的上部隔离层。
12.如权利要求10所述的方法，并且进一步包括：形成位于所述压电结构与所述上部电极之间并且接触所述压电结构和所述上部电极的隔离层。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述压电结构具有基本上等于所述SMR的所述基本谐振频率的波长的一半的厚度。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述压电结构包括选自包括AlN、ZnO和PZT的材料列表中的材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述低声学材料选自包括MSQ、SiO2和HSQ的材料列表。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述高声学材料选自包括SiC、Si-DLC和DLC的材料列表。
17.一种固态装配型谐振器即SMR，包括：
衬底；
接触所述衬底的下部布拉格声学反射器，所述下部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述下部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于频率的波长的四分之一的厚度，所述频率是所述SMR的基本谐振频率的高次谐波谐振频率；
接触所述下部布拉格声学反射器的下部隔离层；
接触所述下部隔离层的下部电极；
接触所述下部电极的压电结构；
接触所述压电结构的上部电极；
接触所述上部电极的上部隔离层；和
接触所述上部隔离层的上部布拉格声学反射器，所述上部布拉格声学反射器具有低声学材料和高声学材料的交替层，所述上部布拉格声学反射器内的材料的每一层具有基本上等于所述SMR的所述基本谐振频率的波长的四分之一的厚度。
18.如权利要求17所述的SMR，其中所述压电结构具有基本上等于所述SMR的所述基本谐振频率的波长的一半的厚度。
19.如权利要求18所述的SMR，其中所述压电结构包括选自包括AlN、ZnO和PZT的材料列表中的材料。
20.如权利要求19所述的SMR，其中所述低声学材料选自包括MSQ、SiO2和HSQ的材料列表；并且所述高声学材料选自包括SiC、Si-DLC和DLC的材料列表。
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