CN109714016B - 体声波谐振器 - Google Patents

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CN109714016B CN201810824030.2A CN201810824030A CN109714016B CN 109714016 B CN109714016 B CN 109714016B CN 201810824030 A CN201810824030 A CN 201810824030A CN 109714016 B CN109714016 B CN 109714016B
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Abstract

一种体声波BAW谐振器包含：衬底；声反射体，其安置于所述衬底中；第一电极，其安置于所述声反射体上方；第二电极；及压电层，其位于所述第一电极与所述第二电极之间。所述第二电极未安置于所述第一电极与所述声反射体之间。所述BAW谐振器进一步包含安置于所述衬底上方及所述压电层下方的块。所述声反射体、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的接触重叠区界定所述BAW谐振器的有源区。

Description

体声波谐振器
技术领域
本申请案针对于电谐振器，且特定来说针对于体声波谐振器。
背景技术
在许多电子应用中，使用电谐振器。举例来说，在许多无线通信装置中，无线电频率(rf)及微波频率谐振器用作滤波器以改进信号的接收及发射。滤波器通常包含电感器及电容器，且最近包含谐振器。
如将了解，期望减小电子装置的组件的大小。许多已知滤波器技术将障碍呈现给总体系统微型化。在需要减小组件大小的情况下，已出现基于压电效应的一类谐振器。在基于压电的谐振器中，在压电材料中产生声谐振模式。这些声波转换成电波以供在电应用中使用。
一种类型的压电谐振器为薄膜体声谐振器(FBAR)。所述FBAR具有小大小的优点且适用于集成电路(IC)制造工具及技术。所述FBAR包含声堆栈，其尤其包括安置于两个电极之间的压电材料层。声波跨越声堆栈实现谐振，其中所述波的谐振频率由声堆栈中的材料确定。
FBAR原则上类似于体声谐振器(例如石英)，但按比例缩小从而以GHz频率谐振。由于所述FBAR具有大约微米的厚度以及数百微米的长度及宽度尺寸，因此FBAR有益地提供已知谐振器的比较紧凑替代方案。
合意地，体声谐振器仅激发厚度延伸(TE)模式，所述厚度延伸(TE)模式为在传播方向上具有传播(k)向量的纵向机械波。所述TE模式合意地在压电层的厚度的方向(例如，z方向)上行进。
不幸地，除所要TE模式之外，还存在也在声堆栈中产生的横向模式(称为瑞利-兰姆(Rayleigh-Lamb)模式)。所述瑞利-兰姆模式为具有垂直于TE模式(所要操作模式)的方向的k向量的机械波。这些横向模式在压电材料的面积维度(本实例的x、y方向)上行进。除了其它不利效应，横向模式还有害地影响FBAR装置的质量(Q)因数。特定来说，瑞利-兰姆模式的能量在FBAR装置的接口处损耗。如将了解，对乱真模式的此能量损耗为所要纵向模式的能量损耗，且最终为Q因数的降级。
因此，需要至少克服上文所描述的已知缺点的声谐振器。
发明内容
在一个方面中，本申请案针对于一种体声波(BAW)谐振器，其包括：衬底；声反射体，其安置于所述衬底中；第一电极，其安置于所述声反射体上方；第二电极；压电层，其位于所述第一电极与所述第二电极之间，其中所述第二电极未安置于所述第一电极与所述声反射体之间；及块，其安置于所述衬底上方及所述压电层下方，其中所述声反射体、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的接触重叠区界定所述BAW谐振器的有源区。
在另一方面中，本申请案针对于一种声滤波器，其包括多个如上文所描述的声谐振器。
附图说明
当与附图一起阅读时，依据以下详细说明会最好地理解说明性实施例。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。在任何适用且实用的情况下，相似参考编号指代相似元件。
图1A及1B是根据代表性实施例的声谐振器的横截面视图。
图2A及2B是根据代表性实施例的声谐振器的横截面视图。
图3A及3B是根据代表性实施例的声谐振器的横截面视图。
图4A及4B是根据代表性实施例的声谐振器的横截面视图。
图5A到5I是根据代表性实施例的制作序列的横截面视图。
图6是根据代表性实施例的电滤波器的经简化示意图。
具体实施方式
在以下详细说明中，出于阐释而非限制的目的，陈述了揭示具体细节的代表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具体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代表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。
应理解，本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而非打算为限制性的。任何所定义术语是除所定义术语的技术及科学含义之外，如本发明教示的技术领域中通常所理解及接受。
除非上下文另外明确指示，否则如说明书及所附权利要求书中所使用的术语‘一(a、an)’及‘所述(the)’包含单个及复数个指示物两者。因此，举例来说，‘装置’包含一个装置及多个装置。
除非说明书及所附权利要求书中另有规定，且除其普通含义之外，否则术语‘基本’或‘基本上’意指在可接受极限或程度内。举例来说，“基本上取消”意指所属领域的技术人员将认为取消为可接受的。
如说明书及所附权利要求书中所使用且除其普通含义之外，术语‘大致’意指在所属领域的普通技术人员可接受的极限或量内。举例来说，‘大致相同’意指所属领域的普通技术人员将认为被比较的物品为相同的。
相关术语(例如“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”、“上部”及“下部”)可用于描述各种元件彼此之间的关系，如附图中所图解说明。这些相关术语打算囊括除图式中所描绘的定向之外的装置及/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“上面”的元件(举例来说)现在将在所述元件“下面”。类似地，如果装置相对于图式中的视图旋转90°，那么经描述为在另一元件“上面”或“下面”的元件现在将“邻近”于另一元件；其中“邻近”意味与另一元件邻接，或在元件之间具有一或多个层、材料、结构等。
根据代表性实施例，一种体声波(BAW)谐振器包括：衬底；声反射体，其安置于所述衬底中；第一电极，其安置于所述声反射体上方；第二电极；及压电层，其位于所述第一电极与所述第二电极之间。所述第二电极未安置于所述第一电极与所述声反射体之间。所述BAW谐振器进一步包括安置于所述衬底上方及所述压电层下方的块。所述声反射体、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的接触重叠区界定所述BAW谐振器的有源区。
各种结构、材料及制作方法预期用于本发明教示的BAW谐振器。此些结构、材料及制作方法的各种细节在以下美国专利文件中的一或多者中：莱金(Lakin)的第6,107,721号美国专利；露比(Ruby)等人的第5,587,620、5,873,153、6,507,983、7,388,454、7,629,865、7,714,684、8,436,516、9,479,139、9,444,428、6,060,818、6,060,818C1(单方面复审证书)号美国专利及第20130015747、20170155373、20170085247及20150145610号美国专利申请公开案；法兹欧(Fazzio)等人的第7,369,013、7,791,434、8,188,810及8,230,562号美国专利；峰(Feng)等人的第7,280,007、9,455,681及9,520,855号美国专利及第20140174908号美国专利申请公开案；乔伊(Choy)等人的第8,248,185及8,902,023号美国专利及第20120326807号美国专利申请公开案；格兰尼(Grannen)等人的第7,345,410、9,136,819及9,602,073号美国专利及第20170288628、20150326200及20150240349号美国专利申请公开案；布兰得利(Bradley)等人的第6,828,713及9,088,265号美国专利及第20160352306及20150381144号美国专利申请公开案；拉森(Larson)III等人的第7,561,009、7,358,831、9,243,316、8,673,121及9,679,765号美国专利及第20140246305号美国专利申请公开案；邹(Zou)等人的第9,197,185、9,450,167、9,590,165、9,401,691及9,590,165号美国专利及第20170288636、20170288122及20160126930号美国专利申请公开案；贾姆尼勒(Jamneala)等人的第8,981,876号美国专利；布拉卡(Burak)等人的第9,484,882、9,571,063、9,621,126、9,691,963、9,698,754、9,608,594、9,634,642、9,548,438、9,698,753、9,577,603、9,525,397、9,748,918、9,484,882、9,571,064及9,490,418号美国专利及第20170288121、20170214387、20170047907、20160308509、20160079958及20150280687号美国专利申请公开案；卡托纳(Katona)等人的第9,768,353及9,564,553号美国专利；伊维拉(Ivira)等人的第20160352308及20160191015号美国专利申请公开案；巴弗克内克特(Barfknecht)等人的第9,680,445号美国专利；斯玛欧(Small)的第20150349745号美国专利申请公开案；叶(Yeh)等人的第20150311046号美国专利申请公开案；奥尔蒂斯(Ortiz)等人的第20150280688号美国专利申请公开案；尼克尔(Nikkel)等人的第9,680,439号美国专利及第20150247232号美国专利申请公开案；斯里达朗(Sridaran)等人的第9,667,220号美国专利；毕(Bi)等人的第9,608,592号美国专利；及露比(Ruby)等人且于2017年6月27日提出申请的第15/661,468号美国专利申请案。上文所列出的专利、专利申请公开案及专利申请案中的每一者的全部揭示内容据此以引用方式具体地并入本文中。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，且还预期在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。
图1A是根据代表性实施例的在最后处理步骤之前的BAW谐振器100的横截面视图。BAW谐振器100包括衬底101及安置于压电层103下方的第一电极102，压电层103包括与第一电极102接触的第一表面及与第二电极104接触的第二表面。任选钝化层105设置于第二电极104上方。
BAW谐振器100安置于腔106上方，腔106填充有第一牺牲层107。第二牺牲层108安置于衬底101的上表面上方，且块109安置于衬底101的上表面上方且在第一牺牲层107的部分107’(其安置于第一电极102的相对侧上)之间。
如下文将连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，块109、部分107’及第二牺牲层108允许形成第一电极102的基本上平坦上表面110。此外，基本上平坦上表面110还在处理期间保护尚未经移除/释放的第二牺牲层108。显著地，当提供第一电极102的基本上平坦上表面110的平坦度使得高度纹理化压电层可形成于其上方为有用的时，此平坦度可跨越块109及第二牺牲层108延伸。因此，在一些代表性实施例中，基本上平坦上表面110经提供为第一电极102的上表面，且跨越块109及第二牺牲层108而提供。或者，基本上平坦上表面110仅适用于第一电极102的上表面。
第一电极的基本上平坦上表面110使得能够形成可掺杂有钪或镱的基本上无缺陷高度纹理化压电层103，例如氮化铝(AlN)。为此，可由于其表面轮廓具有改变的任一相异边缘处的晶粒取向改变而在已知装置中形成空隙。这些空隙(缺陷)可使BAW谐振器100的机械完整性降级，且引起比较不良导电性。
为了实现基本上无缺陷高度纹理化压电层103，基本上平坦上表面110的平坦度在本文中称为“原子级平滑的”。如本文中所使用，原子级平滑的表面具有在大致
Figure BDA0001742032460000051
到大致
Figure BDA0001742032460000052
的范围内的RMS高度变化；尽管有益地，RMS高度变化小于大致
Figure BDA0001742032460000053
在一些实施例中，基本上平坦上表面110的RMS高度变化小于大致5.0μm。
相比之下，在某些已知结构中，未实现其上生长有压电层的上表面中的此些平滑度。此外，第一电极的侧在腔106的在连接侧上的边缘上方延伸，且通常为倾斜的。某些已知BAW谐振器中的倾斜侧及非平坦表面引起形成于下部电极的上表面上方的压电层中的缺陷，特别是在下部电极到衬底的上表面上的过渡区处。这些缺陷为非合意的，且可引起已知BAW谐振器的总体性能(例如，Q及kt 2，下文所描述)的减小，或需要额外处理步骤来实现可接受性能或这两者。
图1B展示在通过若干种已知方法(举例来说，如露比(Ruby)等人的上文引用的共同拥有的美国专利6,384,697中所描述)中的一者选择性地移除第一牺牲层107及部分107’之后的BAW谐振器100。第一牺牲层107及部分107’的移除展露出声反射体112及在第一电极102的相对端上的空间113、114。然而且如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，未移除第二牺牲层108。
根据代表性实施例，第二电极104未安置于第一电极102与声反射体112之间。以稍微不同方式来陈述，第一电极102始终安置于压电层103与声反射体112之间。借助于本发明教示的BAW谐振器100的结构，压电层103生长于第一电极102、第二牺牲层108及不具有上部桥形件的衬底101的基本上平坦上表面110上方。如此，空间113将声堆栈的若干部分解耦，然而在已知BAW谐振器结构中，当底部电极在声反射体及衬底的边缘上方延伸时需要顶部电极空中桥形件来将层结构的若干部分声解耦。
第二电极104经由BAW谐振器100的上部侧提供电连接。相比之下，第一电极102不在声反射体112的所有侧上方延伸，且因此基本上悬挂于声反射体112上方，例如在露比(Ruby)等人的上文引用的第15/661,468号美国专利申请案中所描述。BAW谐振器100的有源区(其为第一电极102及第二电极104、压电层103及声反射体112的接触重叠区)因此安置于声反射体112上方。相比之下，BAW谐振器100的非有源区包括第二电极104与压电层103之间的未安置于声反射体112上方的重叠区域。如已知，在实际程度上减小BAW谐振器100的非有源区域的面积对于BAW谐振器100的性能为有益的。有益地，通过本发明教示，BAW谐振器100的结构的第一电极102通过其大小的选择有效地设定有源区的面积尺寸。此外，在某些结构中，仅在两个“顶部”电极之间或在“顶部”电极与“底部”电极之间提供电连接为有用的(例如，如在伊维拉(Ivira)等人的上文并入的第20160191015号美国专利申请公开案中所描述)。通过可以晶片级制作容易地并入的本发明教示，更容易地实现这些类型的电连接。
图2A到2B是根据代表性实施例的BAW谐振器200的横截面视图。BAW谐振器200的各种组件的许多方面及细节对于上文连同图1A及1B的代表性实施例所描述的那些组件为共同的。不必重复这些共同方面及细节，但对BAW谐振器200的描述涵盖这些共同方面及细节。
图2A是根据代表性实施例的在最后处理步骤之前的BAW谐振器200的横截面视图。BAW谐振器200包括衬底201及安置于压电层203下方的第一电极202，压电层203包括与第一电极202接触的第一表面及与第二电极204接触的第二表面。任选钝化层205设置于第二电极204上方。
BAW谐振器200安置于腔206上方，腔206填充有第一牺牲层207。第二牺牲层208安置于衬底201的上表面上方，且块209安置于衬底201的上表面上方。第一电极202具有基本上由第二牺牲层208的第一部分216填充的凹部220。第一电极202还具有基本上由第二牺牲层208的第二部分218填充的开口222。
与本文中所描述的其它实施例一样，块209、第二牺牲层208以及第一部分216及第二部分218促成基本上平坦上表面210的形成，从而使得能够形成可掺杂有钪或镱的基本上无缺陷高度纹理化压电层103，例如氮化铝(AlN)。
接下来，在于其中不期望蚀刻的区域中选择性沉积掩模(未展示)之后使用已知(干式)等离子体蚀刻形成第一电极202、块209、凹部220及开口222。仅举例来说，所使用的等离子体蚀刻方法可为有名的“波希(Bosch)”方法，其达成比较精确且(如所期望)高纵横比蚀刻。
在完成蚀刻以形成块209、凹部220及开口222之后，第二牺牲层208(例如，PSG)经沉积且填充邻近于块209的区域，且提供第一部分216及第二部分218。如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，举例来说，根据露比(Ruby)等人的上文引用的U.S.6,060,818及U.S.6,060,818C1(复审证书)的教示，接着再次实施第二CMP。第一电极202的所得基本上平坦上表面210具有上文所描述的RMS高度变化。如上所述，此允许基本上无缺陷压电层203的生长。再次，如上所述，除了其它益处，使用第一部分216及第二部分218、第二牺牲层108及块209提供基本上平坦上表面210还促进更高质量压电层203(其有益地经高度纹理化)的生长及BAW谐振器200的性能的改进。显著地，当提供第一电极202的基本上平坦上表面210的平坦度使得高度纹理化压电层可形成于其上方为有用的时，此平坦度可跨越块209及第二牺牲层208延伸。因此，在一些代表性实施例中，基本上平坦上表面210经提供为第一电极202的上表面，且跨越块209及第二牺牲层208而提供。或者，基本上平坦上表面210仅适用于第一电极202的上表面。
图2B展示在通过若干种已知方法(举例来说，如露比(Ruby)等人的上文引用的共同拥有的第6,384,697号美国专利中所描述)中的一者选择性地移除第一牺牲层207以及第一部分216及第二部分218之后的BAW谐振器200。显著地，块209阻止邻近于其的第二牺牲层208的移除，此在提供基本上平坦上表面210的所要平坦度中为有用的。
第一牺牲层207以及第一部分216及第二部分218的移除展露出声反射体212、在第一电极202的相对端上的悬臂224(有时在此项技术中称为‘翼形件’)及桥形件226。显著地，第二电极204未安置于第一电极202与声反射体212之间。以稍微不同方式来陈述，第一电极202始终安置于压电层203与声反射体212之间。
此外，且如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，未移除紧邻于块209的第二牺牲层208。
第一电极202的悬臂224在间隙228上方延伸，且用第一电极202的非接触侧有效地终止第一电极202与声反射体212、压电层203及第二电极204的接触重叠区。一般来说，悬臂224设置于第一电极202的侧中的至少一者上，但未安置于连接侧(即，第一电极202的延伸到衬底201上的侧)上。此外，悬臂224说明性地安置于声反射体212上方。
桥形件226在声反射体212的处于声反射体212与衬底201的界面处的边缘上方延伸，如所展示，且在第一电极202的连接侧上有效地终止第一电极202与声反射体212、压电层203及第二电极204的接触重叠区。
第一电极202及第二电极204、压电层203及声反射体212的接触重叠区域为BAW谐振器200的有源区。相比之下，BAW谐振器200的非有源区包括第一电极202或第二电极204或这两者与压电层203之间的未安置于声反射体212上方的重叠区域。如已知，在实际程度上减小非有源区域的面积的量值(即，面积尺寸)对于BAW谐振器200的性能为有益的。
BAW谐振器200的基本模式为纵向延伸模式或“活塞”模式。此模式通过以BAW谐振器200的谐振频率将时变电压施加到两个电极而激发。压电材料将呈电能形式的能量转换成机械能量。在具有无穷小薄电极的理想FBAR中，在所施加频率等于压电介质的声速除以压电介质的厚度的两倍时发生谐振：f＝vac/(2*T)，其中T为压电介质的厚度且vac为声相速度。对于具有有限厚度电极的谐振器，此方程式因经加权声速及电极的厚度而修改。
可通过在史密斯图(Smith Chart)上绘制所反射能量与所施加能量的比率而获得对谐振器的Q的定量及定性理解，因为频率针对其中一个电极连接到接地且另一电极连接到信号(对于在谐振频率下具有与系统阻抗相等的阻抗的FBAR谐振器)的情形为变化的。随着所施加能量的频率增加，FBAR谐振器的量值/相位在史密斯图上扫出圆圈。此称为Q圆圈。在Q圆圈首先横越实轴(水平轴)的情况下，此对应于串联谐振频率fs。实阻抗(如以欧姆为单位来测量)为Rs。随着Q圆圈在史密斯图的周界周围继续，其再次横越实轴。Q圆圈横越实轴的第二点经标记为fp，FBAR的并联或抗谐振频率。在fp下的实阻抗为Rp。
通常期望最小化Rs同时最大化Rp。定性地，Q圆圈“拥抱”史密斯图的外边沿越近，装置的Q因数越高。理想无损谐振器的Q圆圈将具有一的半径且将在史密斯图的边缘处。然而，如上所述，存在影响装置的Q因数的能量损耗。举例来说，且除上文提及的声损耗源之外，瑞利-兰姆(横向或乱真)模式还在压电层203的x、z维度中。这些横向模式归因于在z方向上行进的纵向模式的界面模式转换；且归因于针对TE模式及各种横向模式(例如，S0(对称)模式及零且(非对称)模式，A0及A1)两者形成非零传播向量kx及ky，此归因于其中安置有电极的区域与其中不存在电极的谐振器的周围区域之间的有效速度的差异。在特定频率下，BAW谐振器的声波长度由v/f确定，其中v为声速且f为频率。要相信的是，Qp的周期性(即，最大值及最小值的位置随悬臂224的宽度而变)与声波长度有关。在Qp的最大值下，悬臂224的振动离其机械谐振比较远；而在最小值下发生悬臂224的机械谐振。
不管其源如何，横向模式在许多谐振器应用中为寄生的。举例来说，寄生横向模式耦合在谐振器的周界处且移除可用于纵向模式的能量且因此减小谐振器装置的Q因数。显著地，由于寄生横向模式及其它声损耗，因此可在S11参数的史密斯图的Q圆圈上观察到Q的急剧减小。Q因数的这些急剧减小被称为下文所展示且描述的“颤动(rattle)”或“团团转(loop-de-loop)”。
代表性实施例的(若干)悬臂部分224在BAW谐振器200的有源区的边界处提供声阻抗的改变。因此，促进横向模式在边界处的反射。在代表性实施例中，BAW谐振器200及悬臂224的有源区的边界为固体(电极及压电层)及空气，此呈现比较大阻抗失配及比较高反射系数。因此，横向模式为比较高度反射的，此通过两种机制来改进Q因数。首先，由于未发射所反射横向模式，因此未失去其能量。通过减少在BAW谐振器200的有源区外侧的横向模式的发射而改进损耗可增加BAW谐振器200的Q因数。其次，将所反射横向模式的一部分转换成所要纵向模式。纵向模式中的波能量越大，Q因数越高。因此，BAW谐振器200的悬臂部分224增强并联及串联谐振(即，Qp及Qs)两者的Q因数。
类似地，桥形件226还提供Q因数的改进。有益地，悬臂224与桥形件226的组合提供BAW谐振器200的Q因数的进一步改进。为此，在BAW谐振器200中包含桥形件226与悬臂224引起在并联谐振(Qp)下Q因数的改进及在串联谐振(Qs)下对Q因数的一些影响。此为稍微预期的，因为桥形件226主要地影响Qp。
图3A到3B是根据代表性实施例的BAW谐振器300的横截面视图。BAW谐振器300的各种组件的许多方面及细节对于上文连同图1A到2B的代表性实施例所描述的那些组件为共同的。不必重复这些共同方面及细节，但对BAW谐振器300的描述涵盖这些共同方面及细节。
图3A是根据代表性实施例的在最后处理步骤之前的BAW谐振器300的横截面视图。BAW谐振器300包括衬底301及安置于压电层303下方的第一电极302，压电层303包括与第一电极302接触的第一表面及与第二电极304接触的第二表面。任选钝化层305设置于第二电极304上方。
BAW谐振器300安置于腔306上方，腔306填充有第一牺牲层307。第二牺牲层308安置于衬底301的上表面上方，且块309安置于衬底301的上表面上方。第一电极302具有基本上由第二牺牲层308的第一部分316填充的第一凹部320。第一电极302还具有基本上由第二牺牲层308的第二部分318填充的开口322。最终，第一电极302具有第二凹部330及第三凹部333，第二凹部330及第三凹部333安置于与第一电极302的其上方安置有压电层303的侧相对的侧上。如此，第二凹部330及第三凹部333安置于第一电极302的紧邻于腔306的表面上。
与本文中所描述的其它实施例一样，块309、第二牺牲层308以及第一部分316及第二部分318促成基本上平坦上表面310的形成，从而使得能够形成可掺杂有钪或镱的基本上无缺陷高度纹理化压电层103，例如氮化铝(AlN)。
如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，在于其中不期望蚀刻的区域中选择性沉积掩模(未展示)之后使用已知(干式)等离子体蚀刻形成第一电极302、块309、第一凹部320、开口322、第二凹部330及第三凹部333。仅仅通过实例方式，所使用的等离子体蚀刻方法可为已知“波希(Bosch)”方法，其达成比较精确且(如所期望)高纵横比蚀刻。
在完成蚀刻以形成块309、第一凹部320及开口322之后，第二牺牲层308(例如，PSG)经沉积且填充邻近于块309的区域，且提供第一部分316及第二部分318。如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，举例来说，根据露比(Ruby)等人的U.S.6,060,818及U.S.6,060,818C1(复审证书)的教示，接着再次实施第二CMP。第一电极302的所得基本上平坦上表面310具有上文所描述的RMS高度变化。如上所述，此允许基本上无缺陷压电层303的生长。再次，如上所述，除了其它益处，使用第一部分316及第二部分318、第二牺牲层108及块309提供基本上平坦上表面310还促进基本上无缺陷的更高质量压电层303的生长及BAW谐振器300的性能的改进。显著地，当提供第一电极307的基本上平坦上表面310的平坦度使得高度纹理化压电层可形成于其上方为有用的时，此平坦度可跨越块309及第二牺牲层308延伸。因此，在一些代表性实施例中，基本上平坦上表面310经提供为第一电极302的上表面，且跨越块309及第二牺牲层308而提供。或者，基本上平坦上表面310仅适用于第一电极302的上表面。
图3B展示在通过若干种已知方法(举例来说，如露比(Ruby)等人的所引用的共同拥有的第6,384,697号美国专利中所描述)中的一者选择性地移除第一牺牲层307以及第一部分316及第二部分318之后的BAW谐振器300。显著地，块309阻止邻近于其的第二牺牲层308的移除，此在提供基本上平坦上表面310的所要平坦度中为有用的。
第一牺牲层307以及第一部分316及第二部分318的移除展露出声反射体312、在第一电极302的相对端上的悬臂324及桥形件326。显著地，第二电极304未安置于第一电极302与声反射体312之间。以稍微不同方式来陈述，第一电极302始终安置于压电层303与声反射体312之间。
此外，且如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，未移除紧邻于块309的第二牺牲层308。
此外，第一牺牲层307的移除展露出第一凹陷框架元件(“内凹”)340及第二凹陷框架元件343以及凸起框架元件345。如图3B中所展示，第一凹陷框架元件340及第二凹陷框架元件343以及凸起框架元件安置于第一电极302的紧邻于声反射体312的表面上。此外，第一凹陷框架元件340及第二凹陷框架元件343以及凸起框架元件345安置于声反射体312上方。
第一电极302的悬臂324在间隙328上方延伸，且用第一电极302的非接触侧有效地终止第一电极302与声反射体312、压电层303及第二电极304的接触重叠区。一般来说，悬臂324设置于第一电极302的侧中的至少一者上，但未安置于连接侧(即，第一电极302的延伸到衬底301上的侧)上。此外，悬臂324说明性地安置于声反射体312上方。
桥形件326在声反射体312的边缘上方延伸，如所展示，且在第一电极302的连接侧上有效地终止第一电极302与声反射体312、压电层303及第二电极304的接触重叠区。
第一电极302及第二电极304、压电层303及声反射体312的接触重叠区域为BAW谐振器300的有源区。相比之下，BAW谐振器300的非有源区包括第一电极302或第二电极304或这两者与压电层303之间的未安置于声反射体312上方的重叠区域。如已知，在实际程度上减小非有源区域的面积的量值(即，面积尺寸)对于BAW谐振器300的性能为有益的。
第一凹陷框架元件340及第二凹陷框架元件343可沿着BAW谐振器300的第一电极302的一或多个侧安置且安置于第一电极302的紧邻于声反射体312的表面上。第一凹陷框架元件340及第二凹陷框架元件343在第一电极302的周界处提供声失配，借此改进信号反射且减少声损耗。最终，经减少损耗转变成装置的经改进Q因数。
最终，且尽管图3A及3B中未描绘，但凸起框架元件(“外凸”)可设置于第一电极302的一或多个侧/边缘上方，且一般设置于第一电极302的紧邻于声反射体312的表面上方。与第一凹陷框架元件340及第二凹陷框架元件343一样，这些凸起框架元件在第一电极302的周界处提供声失配，借此改进信号反射且减少声损耗。最终，经减少损耗转变成装置的经改进Q因数。
图4A到4B是根据代表性实施例的BAW谐振器400的横截面视图。BAW谐振器400的各种组件的许多方面及细节对于上文连同图1A到3B的代表性实施例所描述的那些组件为共同的。不必重复这些共同方面及细节，但对BAW谐振器400的描述涵盖这些共同方面及细节。
图4A到4B是根据代表性实施例的在最后处理步骤之前的BAW谐振器400的横截面视图。BAW谐振器400包括衬底401、安置于压电层403下方的第一电极402，压电层403包括与第一电极402接触的第一表面及与第二电极404接触的第二表面。选用钝化层405设置于第二电极404上方。
BAW谐振器400安置于腔406上方，腔406填充有第一牺牲层407。第二牺牲层408安置于衬底401的上表面上方，且块409安置于衬底401的上表面上方。第一电极402具有基本上由第二牺牲层408的第一部分416填充的第一凹部420。第一电极402还具有基本上由第二牺牲层408的第二部分418填充的开口422。最终，第一电极402具有第二凹部430及第三凹部433，第二凹部430及第三凹部433安置于与第一电极402的其上方安置有压电层403的侧相对的侧上。如此，第二凹部430及第三凹部433安置于第一电极402的紧邻于腔406的表面上。
BAW谐振器400的第二电极404还包括第五凹部450、第六凹部451、第七凹部452及第八凹部453。此外，第二电极404包括安置于其侧中的至少一者的外部分上的第一凸起框架元件454。根据代表性实施例，第五凹部450及第六凹部451基本上填充有第三牺牲层455。
与本文中所描述的其它实施例一样，块409、第二牺牲层408以及第一部分416及第二部分418促成基本上平坦上表面410的形成，从而使得能够形成可掺杂有钪或镱的基本上无缺陷高度纹理化压电层103，例如氮化铝(AlN)。
如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，在于其中不期望蚀刻的区域中选择性沉积掩模(未展示)之后使用已知(干式)等离子体蚀刻形成第一电极402、块409、第一凹部420、开口422、第二凹部430及第三凹部433。仅仅通过实例方式，所使用的等离子体蚀刻方法可为已知“波希(Bosch)”方法，其达成比较精确且(如所期望)高纵横比蚀刻。
在完成蚀刻以形成块409、第一凹部420及开口422之后，第二牺牲层408(例如，PSG)经沉积且填充邻近于块409的区域，且提供第一部分416及第二部分418。如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，举例来说，根据露比(Ruby)等人的U.S.6,060,818及U.S.6,060,818C1(复审证书)的教示，接着再次实施第二CMP。第一电极402的所得基本上平坦上表面410具有上文所描述的RMS高度变化。如上所述，此允许基本上无缺陷压电层403的生长。再次，如上所述，除了其它益处，使用第一部分416及第二部分418、第二牺牲层108及块409提供基本上平坦上表面410还促进为高度纹理化的更高质量压电层403的生长及BAW谐振器400的性能的改进。显著地，当提供第一电极401的基本上平坦上表面410的平坦度使得高度纹理化压电层可形成于其上方为有用的时，此平坦度可跨越块409及第二牺牲层408延伸。因此，在一些代表性实施例中，基本上平坦上表面410经提供为第一电极402的上表面，且跨越块409及第二牺牲层408而提供。或者，基本上平坦上表面410仅适用于第一电极402的上表面。
图4B展示在通过若干种已知方法(举例来说，如在露比(Ruby)等人的所引用的共同拥有的第6,384,697号美国专利中所描述)中的一者选择性地移除第一牺牲层407以及第一部分416及第二部分418之后的BAW谐振器400。显著地，块409阻止邻近于其的第二牺牲层408的移除，此在提供基本上平坦上表面410的所要平坦度中为有用的。
第一牺牲层407以及第一部分416及第二部分418的移除展露出声反射体412、在第一电极402的相对端上的第一悬臂424及桥形件426。显著地，第二电极404未安置于第一电极402与声反射体412之间的。以稍微不同方式来陈述，第一电极402始终安置于压电层403与声反射体412之间。
根据代表性实施例，且如下文连同图5A到5I的代表性实施例更充分地描述，未移除紧邻于块409的第二牺牲层408。
此外，第一牺牲层407的移除展露出第一凹陷框架元件(“内凹”)440及第二凹陷框架元件443以及第二凸起框架元件445。如图4B中所展示，第一凹陷框架元件440及第二凹陷框架元件443安置于第一电极402的紧邻于声反射体412的表面上。此外，第一凹陷框架元件440及第二凹陷框架元件443以及第二凸起框架元件445安置于声反射体412上方。
第一电极402的第一悬臂424在间隙428上方延伸，且用第一电极402的非接触侧有效地终止第一电极402与声反射体412、压电层403及第二电极404的接触重叠区。一般来说，第一悬臂424设置于第一电极402的侧中的至少一者上，但未安置于连接侧(即，第一电极402的延伸到衬底401上的侧)上。此外，第一悬臂424说明性地安置于声反射体412上方。
桥形件426在声反射体412的边缘上方延伸，如所展示，且在第一电极402的连接侧上有效地终止第一电极402与声反射体412、压电层403及第二电极404的接触重叠区。
第三牺牲层455的移除展露出第二悬臂460。第二悬臂460有效地终止第二电极404与声反射体、压电层403及第一电极402的接触重叠区。一般来说，第二悬臂460设置于第二电极404的侧中的至少两个侧上，但未安置于第二电极404的连接侧上。另外，第二悬臂460说明性地安置于声反射体412上方。
第一电极402及第二电极404、压电层403以及声反射体412的接触重叠区域为BAW谐振器400的有源区。相比之下，BAW谐振器的非有源区包括第一电极402或第二电极404或这两者与压电层403之间的未安置于声反射体412上方的重叠区域。如已知，在实际程度上减小非有源区域的面积的量值(即，面积尺寸)对于BAW谐振器400的性能为有益的。
第一凹陷框架元件440及第二凹陷框架元件443可沿着BAW谐振器400的第一电极402的一或多个侧安置，且安置于第一电极402的紧邻于声反射体412的表面上。第一凹陷框架元件440及第二凹陷框架元件443在第一电极402的周界处提供声失配，借此改进信号反射且减少声损耗。最终，经减少损耗转化成装置的经改进Q因数。
图5A到5I是根据代表性实施例的制作序列的横截面视图。根据说明性序列制作BAW谐振器结构的各种组件的许多方面及细节对于上文连同图1A到4B的代表性实施例所描述的那些组件为共同的。不必重复这些共同方面及细节，但对说明性制作序列的描述涵盖这些共同方面及细节。
图5A展示通过已知方法在其中形成有腔506的衬底501的横截面视图。第一牺牲层507安置于腔中。牺牲材料570安置于衬底501及第一牺牲层507的上表面上方。如随着本说明继续将变得更清晰，牺牲材料570作为一形式用于在第一电极(图5A中未展示)中提供凹陷框架元件(图5A中未展示)。针对牺牲材料570选择的材料经选择以用于与针对第一电极选择的材料相关的其蚀刻性质，如下文更充分地描述。此外，牺牲材料570具有经选择以在第一电极中提供所要深度(z维度)的凹陷框架元件的厚度(在图5A的z维度上的z维度)。根据代表性实施例，牺牲材料包括铝。
图5B展示安置于牺牲材料570上方的第一抗蚀剂层571。第一抗蚀剂层571在蚀刻步骤期间保护牺牲材料的经覆盖部分。根据代表性实施例，此蚀刻步骤包括(干式)等离子体蚀刻，例如以所要纵横比提供牺牲材料570的比较精确蚀刻从而在牺牲材料570上产生垂直(z方向)侧的深度反应离子蚀刻(DRIE)(例如，波希方法)步骤。
图5C展示在其部分蚀刻之后且在沉积第二抗蚀剂层572之后的牺牲材料570。第二抗蚀剂层572保护牺牲材料570的合意地较厚(z方向)的部分。这些部分用于形成凹陷框架元件。
图5D展示在牺牲材料570的选择性蚀刻及第一电极502的后续沉积之后的结果。显著地，还使用(干式)等离子体蚀刻来实现此选择性蚀刻，例如以所要纵横比提供牺牲材料570的比较精确蚀刻从而在用于第一电极502上的凹陷框架元件形成的牺牲材料570的部分上产生垂直(z方向)侧的深度反应离子蚀刻(DRIE)(例如，波希方法)步骤。
图5E展示选择性地安置于第一电极502的上表面上方的第三抗蚀剂573。
图5F展示在另一(干式)等离子体蚀刻(例如引起块509的形成的深度反应离子蚀刻(DRIE))之后的结果。如上文连同各种代表性实施例所描述，块509在提供为原子级平滑的以确保在其上方制作基本上无缺陷高度纹理化压电层的基本上平坦上表面510中起到作用。如此，图5F的蚀刻步骤产生跨越其具有基本上均匀高度(z方向)的基本上平坦(图5F的坐标系的x-y平面)上表面510。图5F还展示选择性地安置于第一电极502及块509上方的第四抗蚀剂574。
图5G展示在下一(干式)等离子体蚀刻(例如深度反应离子蚀刻(DRIE))及第二牺牲层508的沉积之后的结果。
图5H展示根据代表性实施例的在CMP步骤之后的结果。如上所述，此CMP步骤产生有益地为“原子级平滑”的基本上平坦上表面510。如上所述，根据代表性实施例，举例来说，根据露比(Ruby)等人的U.S.6,060,818及U.S.6,060,818C1(复审证书)的教示来实施此CMP步骤。如上所述，如本文中所使用，原子级平滑的表面具有在大致
Figure BDA0001742032460000151
到大致
Figure BDA0001742032460000152
的范围内的RMS高度变化；尽管有益地，RMS高度变化小于大致
Figure BDA0001742032460000153
在一些实施例中，基本上平坦上表面510的RMS高度变化小于大致5.0μm。
显著地，当提供第一电极502的基本上平坦上表面510的平坦度使得高度纹理化压电层可形成于其上方为有用的时，此平坦程度可跨越块509及第二牺牲层508延伸。因此，在一些代表性实施例中，基本上平坦上表面510经提供为第一电极502的上表面，且跨越块509及第二牺牲层508而提供。或者，基本上平坦上表面510仅适用于第一电极502的上表面。
如所展示，此CMP步骤展露出第一电极502中的凹部520，凹部520基本上由第二牺牲层508的第一部分516填充。此外，开口522还设置于第一电极502中，且基本上由第二牺牲层508的第二部分518填充。
图5I展示使用已知方法生长压电层503。再次，由于基本上平坦、原子级平滑的平坦上表面510，因此压电层503为基本上无缺陷的，且高度纹理化的。
使用图5I的结构实施制作BAW声谐振器的其余特征(例如，具有桥形件、凹陷框架元件或凸起框架元件或其组合的第二电极)的序列。
在完成图5I中所描绘的结构之后，且尽管未展示，但实施后续蚀刻步骤以使用对于针对第二牺牲层508、第一牺牲层507以及第一部分516及第二部分517所使用的材料适合的蚀刻方法及材料来移除第二牺牲层508、第一牺牲层507以及第一部分516及第二部分517。此后，且再次未展示，使用已知方法及材料实施后续制作步骤以形成第二电极(未展示)，所述第二电极任选地包含但不限于框架元件(未展示)及悬臂(未展示)。
当以选定拓扑来连接时，多个BAW谐振器100、200、300、400可用作电滤波器。图6展示根据代表性实施例的电滤波器600的经简化示意性框图。电滤波器600包括串联声谐振器601及分路声谐振器602。串联谐振器601及分路谐振器602可包括连同图1A到4B的代表性实施例所描述的BAW谐振器100、200、300、400。电滤波器600通常称为梯形滤波器，且可用于(举例来说)双工器应用中。可(举例来说)在艾拉(Ella)的第5,910,756号美国专利及布兰得利(Bradley)等人的第6,262,637号美国专利中描述梯形滤波器布置的进一步细节。这些专利的揭示内容具体地以引用方式并入。要强调的是，电滤波器600的拓扑仅仅为说明性的且预期其它拓扑。此外，在除双工器以外的各种应用中预期代表性实施例的声谐振器。
根据说明性实施例，用于各种应用(例如在电滤波器中)的声谐振器经描述为具有包括悬臂部分的电极。另外，用于各种应用(例如在电滤波器中)的声谐振器经描述为具有包括悬臂部分及桥形件的电极。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在所附权利要求书的范围内。在审阅本文中的说明书、图式及权利要求书之后所属领域的普通技术人员将明确这些及其它变化形式。因此，本发明不应受限定，惟在所附权利要求书的精神及范围内除外。

Claims (22)

1.一种体声波BAW谐振器，其包括：
有源区域，其包括声反射体、底部电极、压电层和顶部电极的重叠区；
衬底，其安置于所述有源区域的下方，其中所述声反射体安置于所述衬底的上表面的上方，且所述底部电极安置于所述声反射体的上方；
安置于所述衬底的上方的块，其中所述块在垂直于所述衬底的所述上表面的第一方向上位于所述衬底和所述声反射体的上方且在与所述第一方向垂直的第二方向上进一步位于所述底部电极的旁边，所述块与所述有源区域相邻但与所述底部电极和所述声反射体隔开一空间，其中所述空间经配置以解耦声堆栈的一部分，所述声堆栈包括所述底部电极、所述顶部电极和所述压电层；以及
牺牲层，其安置于所述衬底的上方且紧邻于所述块。
2.根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述块的上表面与所述底部电极的上表面基本共面，且其中所述块和所述底部电极由相同的材料形成。
3.一种声谐振器，其包括：
衬底；
声反射体，其安置于所述衬底的上表面的上方；
底部电极，其安置于所述声反射体的上方；
压电层，其安置于所述底部电极的上方；
顶部电极，其安置于所述压电层的上方；以及
块，其安置于所述衬底的上方，其中所述块在垂直于所述衬底的所述上表面的第一方向上位于所述衬底和所述声反射体的上方，其中所述块的上表面与所述底部电极的上表面基本共面，其中所述块和所述底部电极由相同的材料形成，且其中所述块在与所述第一方向垂直的第二方向上进一步位于所述底部电极的旁边，并与所述底部电极和所述声反射体隔开一空间，其中所述空间经配置以解耦声堆栈的一部分，所述声堆栈包括所述底部电极、所述顶部电极和所述压电层。
4.根据权利要求3所述的声谐振器，其中所述衬底包括空气腔。
5.根据权利要求3所述的声谐振器，其中所述块和所述底部电极具有基本共面的上表面。
6.根据权利要求5所述的声谐振器，其中所述块和所述底部电极的所述基本共面的上表面形成组合的上表面，所述组合的上表面在高度上具有在0.1A至10.0A的范围内的均方根(RMS)变化，从而能够使所述压电层在所述组合的上表面上基本无缺陷地生长。
7.根据权利要求3所述的声谐振器，其进一步包括：
牺牲层，其安置于所述衬底的上方且紧邻于所述块。
8.一种体声波BAW谐振器，其包括：
衬底；
声反射体，其邻近所述衬底安置；
第一电极，其安置于所述声反射体的上方；
压电层，其安置于所述第一电极的上方；
第二电极，其安置于所述压电层的上方；
块，其安置于所述衬底上方及所述压电层下方，其中所述块在垂直于所述衬底的上表面的第一方向上位于所述衬底和所述声反射体的上方且在与所述第一方向垂直的第二方向上进一步位于所述第一电极的旁边，所述块与所述第一电极和所述声反射体隔开一空间，其中所述空间经配置以解耦声堆栈的一部分，所述声堆栈包括所述第一电极、所述第二电极和所述压电层；以及
牺牲层，其安置于所述衬底的上方且紧邻于所述块。
9.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述块为第一块，且所述第一块安置于所述第一电极的一端处，且所述BAW谐振器进一步包括安置于与所述第一电极的所述一端相对的另一端上的第二块。
10.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述块位于所述牺牲层与所述第一电极的一端之间。
11.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述声反射体具有多个边缘，且所述第一电极不在所述多个边缘中的任一者上方延伸。
12.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述声反射体具有多个边缘，且所述第一电极在所述多个边缘中的仅一者上方延伸。
13.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述块安置于所述声反射体的第一侧上，且所述第一电极在位于所述声反射体的第二侧上的边缘上方延伸，且其中所述第一电极中的桥形件在位于所述声反射体的所述第二侧上的所述边缘上方延伸。
14.根据权利要求13所述的BAW谐振器，其中所述桥形件安置于所述第一电极的上表面上，所述第一电极的所述上表面紧邻于所述压电层。
15.根据权利要求14所述的BAW谐振器，其进一步包括在所述第一电极的下表面上的凹陷框架元件或凸起框架元件或这两者，所述第一电极的所述下表面紧邻所述声反射体。
16.根据权利要求13所述的BAW谐振器，其中所述第一电极具有第一端及与所述第一端相对的第二端，其中所述桥形件存在于所述第一电极的所述第二端处，且所述BAW谐振器在所述第一电极的所述第一端处进一步包括悬臂部分。
17.根据权利要求16所述的BAW谐振器，其中所述桥形件及所述悬臂部分安置于所述第一电极的上表面的上方，且所述第一电极在所述第一电极的下表面处包括凹陷框架元件或凸起框架元件或这两者。
18.根据权利要求17所述的BAW谐振器，其中所述第二电极包括另一凹陷框架元件或另一第二凸起框架元件或这两者。
19.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述第一电极的尺寸设定所述BAW谐振器的有源区域的面积尺寸。
20.根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述块的上表面与所述第一电极的上表面基本共面。
21.根据权利要求20所述的BAW谐振器，其中所述块和所述第一电极由相同的材料形成。
22.根据权利要求21所述的BAW谐振器，其中所述块和所述第一电极的所述基本共面的上表面是原子级平滑的。
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