CN110868182A - 谐振器和滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种谐振器和滤波器。该谐振器包括衬底；多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间，所述空气翼具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；及温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。上述谐振器具有较好的性能。

Description

谐振器和滤波器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及谐振器和滤波器。
背景技术
谐振器可以用于各种电子应用中实施信号处理功能，例如，一些蜂窝式电话及其它通信装置使用谐振器来实施用于所发射和/或所接收信号的滤波器。可根据不同应用而使用数种不同类型的谐振器，例如薄膜体声谐振器(FBAR)、耦合式谐振器滤波器(SBAR)、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)。
一般来说，声谐振器包括可经受不同类型的谐振或谐振模式的不同横向区域。可将这些横向区域非常广泛地表征为主隔膜区域及外围区域，其中作用区域或主隔膜区域大致由两个板状电极与压电材料之间的重叠部界定，且外围区域被界定为在主隔膜区域外侧的区，主隔膜区域可与声谐振器的作用区域相同或可含纳作用区域。特定来说，两个外围区域被界定为位于主隔膜区域的边缘与空气腔的边缘之间的区域及至少一个板状电极及压电材料与衬底的重叠的区域。主隔膜区域经受由两个板状电极之间的电场产生的电激发模式，且主隔膜及外围区域两者均经受通过在电激发模式中能量的散射产生的活塞模式。例如，所述衍生模式包括由在主隔膜区域及外围区域的边缘处激发的横向声波形成的横向模式。
所述横向模式促进电驱动主隔膜区域与本质上非驱动外围区域之间的适当机械质点速度及应力的连续性。其可从激发点自由传播(所谓的传播模式)或以指数方式衰减(所谓的消散及复合模式)。其可由横向结构不连续性(例如，主隔膜区域中不同厚度的区域之间的界面或者顶部或底部电极的边缘)或由电场不连续性(例如，电场突然终止于其处的顶部电极边缘)两者激发。
所述横向模式通常对声谐振器的性能具有有害影响。因此，一些声谐振器包含被设计成抑制、禁止或减轻横向模式的辅助结构特征。举例来说，可在顶部电极下方于顶部电极上形成连接声谐振器的边缘的空气桥以便消除衬底上方的换能器效应。
举例来说，常规FBAR依赖于对电激发活塞模式的强局限。强局限是通过顶部及底部电极的边缘以及例如空气环(例如，包含空气桥及/或空气翼)及常规外侧框架等辅助结构特征而提供的。尽管强局限的明显有点在于其强制对顶部电极的边缘处的机械运动的准钳位，但其也提供显著的声不连续性，从而导致能量从所要活塞模式到整个结构的非所要外延、剪切、挠曲及膨胀模式中散射。
另外，特定来说，FBAR滤波器需要保证跨域温度范围以及频率范围的充分低的插入损耗(IL)。通常，随着周围温度增加，大多数材料的声速降低，且形成滤波器的FBAR中的每一者的截止频率降低。因此，随着温度增加，滤波器的通带通常朝向较低频率移动。因此，在不存在温度补偿的情况下，通带必须被设计成足够宽以允许周围温度的改变，从而需要每一FBAR的高耦合系数Kt2，这可能难以实现。此外，在一些情况中(例如，带13)，可能不予许通带移动以防止对其他(例如，安全)带的入侵。可需要对滤波器(及因此每一FBAR)的温度补偿。举例来说，可将掺硼二氧化硅SiOx(其可称为“温度补偿氧化物”)作为温度补偿层添加到FBAR。温度补偿氧化物的声速随着温度而增加，这产生声谐振器及滤波器响应随着周围温度的改变的所要稳定性。可将温度补偿层嵌入到顶部或底部电极中，这导致所有相关联的过程复杂化。接着，可使用其他结构来改进并联电阻Rp及质量因子Q(称为“Q因子”)，例如顶部电极空气桥(用以消除非作用FBAR)及顶部电极上的附加框架(用以最小化顶部电极边缘处的散射)。
通常，温度补偿层会降低用于Q因子改进的附加框架的有效性。原因在于，温度补偿层的低声阻抗会局限来自活塞模式及堆叠本征模式两者的显著量的能量，所述堆叠本征模式被局限于其中放置温度补偿层的谐振器堆叠的部分。典型的附加框架被放置于堆叠的顶部上以便促进高质量平面压电层的生长。可将温度补偿层放置于压电层下方或上方，这会限制顶部附加框架对抑制局限于谐振器堆叠的底部的本征模式的有效性。
典型的声谐振器包括上电极、下电极、位于上下电极之间的压电材料、位于下电极下面的声反射结构以及位于声反射结构下面的衬底。通常将上电极、压电层、下电极三层材料在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。当在电极之间施加一定频率的电压信号时，由于压电材料所具有的逆压电效应，有效区域内的上下电极之间会产生垂直方向传播的声波，声波在上电极与空气的交界面和下电极下的声反射结构之间来回反射并在一定频率下产生谐振。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种新型结构的谐振器和滤波器。
本发明实施例的第一方面提供一种谐振器，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间，所述空气翼具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；及
温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；
所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
可选的，所述下半腔体由底壁和第一侧壁围成，所述底壁整体与所述衬底表面平行，所述第一侧壁为由所述底壁边缘延伸至所述衬底上表面的第一圆滑曲面。
可选的，所述第一圆滑曲面包括圆滑过渡连接的第一曲面和第二曲面。
可选的，所述第一曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述底壁所在的平面之上；
所述第二曲面的竖截面呈抛物线状，且位于所述衬底上表面所在的平面之下。
可选的，所述第一圆滑曲面各点的曲率小于第一预设值。
可选的，所述上半腔体由所述多层结构的下侧面围成，所述多层结构与所述上半腔体对应的部分包括顶壁和第二侧壁围成，所述第二侧壁为由所述顶壁边缘延伸至所述衬底上表面的第二圆滑曲面。
可选的，所述第二圆滑曲面包括圆滑过渡连接的第三曲面和第四曲面。
可选的，所述第三曲面的竖截面呈抛物线状，且位于所述顶壁所在的平面之下；
所述第四曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述衬底上表面所在的平面之上。
可选的，所述第二圆滑曲面各点的曲率小于第二预设值。
可选的，所述顶壁无突变部分。
可选的，所述温度补偿特征包括囊封于所述上电极层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
可选的，所述囊封于所述上电极层中的所述温度补偿层的所述外边缘位于所述腔体的外边缘内。
可选的，所述温度补偿特征包括囊封于所述压电层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
可选的，所述囊封于所述压电层中的所述温度补偿层的所述外边缘位于所述腔体的外边缘内。
可选的，所述温度补偿特征包括囊封于所述下电极层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
可选的，所述温度补偿特征包括位于所述下电极层与所述压电层之间的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
可选的，所述下电极层及所述上电极层中的至少一者包括集成横向特征的合成电极。
可选的，所述温度补偿特征包括温度补偿层，所述温度补偿层设置在具有所述集成横向特征的合成电极的下电极层及上电极层中的至少一者中。
可选的，所述温度补偿特征的在所述作用区域外侧延伸的所述预定长度经优化以最大化所述谐振器的质量因子(Q)值及并联电阻(Rp)值中的至少一者。
可选的，所述空气翼的所述内边缘向所述腔体延伸达第一预定长度，且所述温度补偿特征延伸超过所述腔体的外边缘达第二预定长度，使得所述温度补偿特征的所述作用区域外侧延伸的所述预定长度为所述第一与第二预定长度的总和。
可选的，所述第一及第二预定长度经优化以最大化所述谐振器的质量因子(Q)值及并联电阻(Rp)值中的至少一者。
可选的，所述空气翼的所述内边缘向所述腔体中延伸的所述第一预定长度为2μm或更大，且所述温度补偿特征延伸超过所述腔体的所述外边缘的所述第二预定长度大于或等于2μm。
本发明实施例的第二方面提供一种谐振器，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
外框架，形成于所述上电极层上或所述上电极层中，所述外框架具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；
空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间；及
温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；
所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
可选的，所述空气翼的内边缘界定含纳所述作用区域的主隔膜区域的外边界，且
其中所述温度补偿特征延伸超过所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
可选的，所述的谐振器进一步包括：
内框架，形成于所述上电极层上或所述上电极层中在至少部分地由所述外框架环绕的区内，所述内框架经配置以抑制横向声波的一部分从所述主隔膜区域的中心传播。
可选的，所述外框架的厚度大于所述内框架的厚度。
可选的，所述温度补偿特征包括囊封于所述下电极层、所述压电层或所述上电极层中的一者中的温度补偿层。
可选的，所述温度补偿层由原硅酸四乙酯TEOS、二氧化硅SiO2或掺硼氧化硅BSG形成。
可选的，所述压电层包括掺杂有至少一种稀土元素的压电材料，所述至少一种稀土元素抵消由所述温度补偿层导致的所述谐振器的机电耦合系数的降级的至少一部分。
本发明实施例的第三方面提供一种滤波器，包括本发明实施例第一方面及第二方面中任一种谐振器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实施例，通过设置具有下半腔体和上半腔体的腔体，且下半腔体整体位于衬底上表面之下，上半腔体整体位于衬底上表面之上，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。
附图说明
图1是本发明实施例谐振器的俯视图；
图2是本发明实施例谐振器的横截面图；
图3是图2中A的放大示意图；
图4是本发明实施例谐振器的横截面图；
图5是本发明实施例谐振器的横截面图；
图6是本发明实施例谐振器的横截面图；
图7是本发明实施例谐振器的横截面图；
图8是本发明实施例谐振器的横截面图；
图9是本发明实施例谐振器的横截面图；
图10是本发明实施例谐振器的横截面图；
图11是本发明实施例谐振器的横截面图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在代表性实施例中，谐振器包括：衬底；多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间，所述空气翼具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；及温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
在另一代表性实施例中，一种谐振器，包括：衬底；多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；外框架，形成于所述上电极层上或所述上电极层中，所述外框架具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间；及温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
图1是一实施例的谐振器的俯视图，且图2、图3和图5是根据不同实施例谐振器沿着线A-A'截取的横截面图。所述横截面图对应于谐振器的不同变化形式。各实施例的谐振器具有许多相同特征，因此为了避免冗余可省略对这些特征的重复说明。
参见图1，谐振器包括具有五个侧的上电极层201，其中连接侧401经配置以提供到互连件402的电连接。互连件402将电信号提供到上电极层201以在谐振器的压电层(图1中未展示)中激发所要声波。
上电极层201的五个侧具有不同长度，从而形成变迹五边形结构。在替代实施例中，上电极层201可具有不同数目个侧。虽然图式中未展示，但谐振器的其他实施例(例如图2、图4及图5的谐振器)从顶部观看时可具有与图1的谐振器类似的外观。此外，图2、图4及图5的谐振器可形成为不同替代形状，例如圆形、正方形、矩形、梯形等，此并不背离本发明教示的范围。
参见图2，本发明一实施例提供了一种谐振器，包括衬底100、多层结构200、空气翼502及空气桥501和温度补偿特征。多层结构200形成于衬底100上，多层结构200由下至上依次包括下电极层203、压电层202和上电极层201'。其中，在衬底100和多层结构200之间形成有腔体300，腔体300包括位于衬底100上表面之下的下半腔体310和超出衬底100上表面并向多层结构200突出的上半腔体320。空气翼502及空气桥501形成于所述压电层202和上电极层201'之间，所述空气翼502具有界定所述谐振器的作用区域330的外边界的内边缘。温度补偿特征具有正温度系数以用于抵消所述压电层202的负温度系数的至少一部分，其中所述温度补偿特征在所述作用区域330外侧延伸达预定长度。共同的，下电极层203、压电层202及上电极层201'构成谐振器的声堆叠。此外，下电极层203、压电层202及上电极层201'当中在腔体300上方的重叠部提供声谐振器的作用区域330。钝化层400(任选)安置于上电极层201'的顶部上，具有足以将声堆叠的所有层与环境绝缘(包含进行包含以免受水分、腐蚀物、污染物、碎屑等的影响)的厚度。
在替代配置中，图2所示谐振器(以及下午论述的图4到11中所描绘的谐振器)可进一步包含邻近于衬底100上的下电极层203安置的平面化层(图中未示)，在此情况中，压电层202安置于下电极层203与平面化层的组合经平面化表面上，且上电极层201'安置于压电层202上。在颁予布拉克等人的第2013/0106534号美国专利申请公开案(2013年5月2日公开)中呈现了层平面化及对应潜在益处，所述美国专利申请公开案特此以全文引用方式并入本文中。
参见图2，一个实施例中，下半腔体310由底壁3101和第一侧壁3102围成，底壁3101整体与衬底100的表面平行，第一侧壁3102为由底壁3101的边缘延伸至衬底100上表面的第一圆滑曲面。
其中，底壁3101和第一侧壁3102均为衬底100的表面壁。而第一侧壁3102为第一圆滑曲面能够保证谐振器腔体的性能，不发生突变。
参见图3，一个实施例中，所述第一圆滑曲面可以包括圆滑过渡连接的第一曲面3102a和第二曲面3102b。其中，圆滑过渡连接的第一曲面3102a和第二曲面3102b是指第一曲面3102a和第二曲面3102b之间连接处无突变，且第一曲面3102a和第二曲面3102b两者也为无突变的曲面，从而能够保证谐振器腔体的性能。其中，衬底100是由很多个晶体(例如硅晶体)组成的，无突变是指第一圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
例如，第一曲面3102a的竖截面可以呈倒抛物线状，且位于底壁101所在的平面之上；第二曲面3102b的竖截面可以呈抛物线状，且位于衬底100上表面所在的平面之下。第一曲面3102a和第二曲面3102b圆滑连接。当然，第一曲面3102a和第二曲面3102b还可以为其他形状的曲面，能够达到第一圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能即可。
一个实施例中，对于第一圆滑曲面整体是平滑的，可以为第一圆滑曲面各点的曲率小于第一预设值。对于第一预设值可以根据实际情况设定，以达到第一圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能的目的。为了保证多层结构力学特性和电学特性，过渡区域圆滑曲面的曲率要尽可能小，在牺牲层厚度一定的情况下，尽可能小的曲率要求过渡区长度增加，会增加当个谐振器的面积，因此要优化过渡区的曲率和过渡区长度。优选的，腔体300的厚度可以为1μm，过渡区长度控制在3μm至5μm，在该过渡区生长的多层结构能够满足谐振器要求。过渡区长度为第一侧壁3102在图2所示的虚线方向上的长度。
参见图2，一个实施例中，上半腔体320可以由多层结构200的下侧面围成，所述多层结构200的下侧面与上半腔体320对应的部分包括顶壁3201和第二侧壁3202，第二侧壁3202为由顶壁3201边缘延伸至衬底100上表面的第二圆滑曲面。
其中，顶壁3201和第二侧壁3202均为多层结构200的下侧面壁。而第二侧壁3202为第二圆滑曲面能够保证谐振器腔体的性能，不发生突变。
参见图3，一个实施例中，第二圆滑曲面可以包括圆滑过渡连接的第三曲面3202a和第四曲面3202b。其中，圆滑过渡连接的第三曲面3202a和第四曲面3202b是指第三曲面3202a和第四曲面3202b之间连接处无突变，且第三曲面3202a和第四曲面3202b两者也为无突变的曲面，从而能够保证谐振器腔体的性能。其中，从晶体的角度讲，衬底100是由很多个晶体(例如硅晶体)组成的，无突变是指第二圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
例如，第三曲面3202a的竖截面可以呈抛物线状，且位于顶壁3201所在的平面之下；第四曲面3202b的竖截面呈倒抛物线状，且位于衬底100上表面所在的平面之上。当然，第三曲面3202a和第四曲面3202b还可以为其他形状，能够达到第一圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能即可。
一个实施例中，第二圆滑曲面各点的曲率小于第二预设值。对于第二预设值可以根据实际情况设定，以达到第二圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能的目的。
进一步的，顶壁3201也无突变部分。此处所述的突变与前述突变一致，从晶体的角度讲，多层结构200也是由很多个晶体组成的，无突变是指顶壁3201处的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
再次参考图2，顶部空气环500形成于压电层202与上电极层201'之间。顶部空气环500沿着声谐振器的周边或全部或一部分延伸。通常，形成于压电层202与上电极层201'之间的空气环500包括在上电极层201'的连接侧上的空气桥501及沿着其余外侧周边的空气翼502。空气环500的内边缘(即，空气桥501及空气翼502的相应内边缘)可实质上界定声谐振器的作用区域330的外边界。在所描绘的配置中，作用区域330对应于声谐振器的主隔膜区域。垂直线指示作用区域330的边界。空气桥501的宽度界定空气桥延伸区域5011且空气翼502界定空气翼区域5021。额外垂直线分别指示空气桥延伸区域5011及空气翼区域5021的边界。
如图2中所展示，上电极层201'中包含描绘为代表性温度补偿层600的温度补偿特征，其使压电层202的声速及截止频率响应于温度改变的改变温度。更特定来说，温度补偿层600由具有正温度系数的材料形成，以用于抵消压电层202的负温度系数的至少一部分以及下电极层203及上电极层201'的负温度系数的部分。举例来说，温度补偿层600可由具有正温度系数的各种兼容材料形成，包含原硅酸四乙酯(TEOS)、二氧化硅(SiO2)、硼硅酸盐玻璃(BSG)、铬(Cr)及/或氧化碲(TeO(x))。举例来说，可通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)或物理气相沉积(PVD)来沉积所述材料，但可使用其他工艺，此并不背离本发明教示的范围。
在所描绘的实施例中，温度补偿层600掩埋或囊封于上电极层201'中。因此，上电极层201'包含堆叠与压电层202上的导电间置层、堆叠于所述导电间置层上的温度补偿层600及堆叠于所述温度补偿层600上的外侧电极层。所述导电间置层及外侧电极层在温度补偿层600的外边缘周围彼此连接以提供囊封。也就是说，所述间置层将温度补偿层600与压电层202分离，使得温度补偿层600有效地掩埋或囊封于上电极层201'内。在颁予布拉克等人的第14/092,026号美国专利申请案(2013年11月27日申请)中描述和图解说明了掩埋或囊封于上电极层中的温度补偿层(包含制作方法)的实例，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。
温度补偿层600的外边缘被定位成超出空气翼502的内边缘达预定长度。换句话说，温度补偿层600在声谐振器的作用区域330外侧延伸达预定长度。温度补偿层600延伸超出作用区域330的部分被指示为温度补偿层330的端部分601。在所描绘的实施例中，端部分601包含从作用区域330的外边界(例如，空气翼502的内边缘)延伸到腔体300的外边缘的具有第一预定长度的第一区段601a(由箭头AR指示)。因此，温度补偿层600在作用区域330外侧延伸的预定长度为第一与第二预定长度的总和。端部分601进一步包含超过腔体300的外边缘延伸到温度补偿层600的外边缘的具有第二预定长度的第二区段601b(由箭头TC指示)。举例来说，可调整第一区段601a及第二区段601b的长度及端部分601的总体预定长度以优化声谐振器的各种操作参数，例如以最大化声谐振器的Q因子值及并联电阻Rp值中的至少一者。箭头TE指示从腔体300的外边缘到上电极层201'的外边缘的长度。
在所描绘的实施例中，第一区段601a与第二区段601b的相应长度为约相同的(例如，大于2.0μm或更大)。然而，可调整所述长度以实现特定设计目标，例如目标谐振频率、串联电阻Rs、并联电阻Rp及/或机电耦合系数Kt2,此并不背离本发明教示的范围。也就是说，第一区段601a及第二区段601b可更长或更短，但仍具有彼此相同的长度。同样的，第一区段601a及第二区段601b可具有彼此不同的长度，其中第一区段601a比第二区段601b长或短。举例来说，第一区段601a的长度可为约3.5μm，而第二区段601b的长度可为约1μm，或替代的，第一区段601a的长度可为约1.0μm，而第二区段601b的长度可为约2.0μm。
举例来说，空气桥501及空气翼502(以及下文结合代表性实施例所描述的其他空气桥及空气翼)可具有大约
Figure BDA0002037140250000131
到大约
Figure BDA0002037140250000132
的高度(图1的坐标系中的y尺寸)。明显地，所述高度的下限由在形成空气桥501及空气翼502时释放牺牲材料的过程的极限确定。所述高度的上限由沉积于空气桥501及空气翼502上方的层的质量以及由对可能非平面结构的后续处理的质量确定。
在下文参考图6到图8所论述的替代实施例中，温度补偿层600的外边缘可位于腔体300的外边缘内，同时仍延伸超出作用区域330的外边界。也就是说，从作用区域330的外边界延伸的端部分601将在预定距离之后在到达腔体300的外边缘之前终止。
在温度补偿与机电耦合系数Kt2之间存在一致折衷，因为温度补偿越高(或绝对值越低)，则机电耦合系数Kt2就越低。此外，在添加温度补偿层600时，Q因子会降级。然而，由AR及TC指示的对准特征(使温度补偿层600与空气翼502相关联)会改进Q因子。
空气桥501安置于连接侧401(图2中)上且因此由上电极层201'包封。空气翼502沿着谐振器的其余侧(即，沿着其余周边)安置且因此在一侧上为敞开的。空气桥501及空气翼502的横截面形状可不同于图2中所展示的形状截面。举例来说，所述横截面可具有矩形形状(例如，当邻近于衬底100上的下电极层203包含平面化层时)、梯形截面形状、角形状等，此并不背离本发明教示的范围。在以下申请公开案中描述及图解说明了关于空气桥及/或空气翼的配置、尺寸、形状等的实例：颁予布拉克等人的第2012/0218055号美国专利申请公开案(2012年8月30日公开)；颁予布拉克等人的第2012/0218057号美国专利申请公开案(2012年8月30日公开)；颁予乔伊(Choy)等人的第2010/0327697号美国专利申请公开案(2010年12月30日公开)；及颁予乔伊等人的第2010/0327994号美国专利申请公开案(2010年12月30日公开)，所述美国专利申请公开案的揭示内容特此以全文引用方式并入本文中。
在某些实施例中，空气环500的空气桥501(及下文结合代表性实施例所描述的其他空气桥)在腔体300上方延伸达以重叠部(也称为解耦区域)，从而确定作用区域330的外边缘与衬底100边缘的分离。所述解耦区域有助于移除“非作用FBAR区”的至少一部分，这将上电极层201与下电极层23解耦。此外，空气桥501在压电层202上方延伸达以一空气桥延伸部(也称为空气桥延伸区域5011)。举例来说，所述解耦区域具有大约0.0μm(即，与腔体300无重叠)达大约10.0μm的宽度(x尺寸)，且空气桥延伸区域5011具有大约0.0μm(即，无空气桥)到大约50.0μm的宽度。同时，由空气翼502界定的空气翼区域5021提供不同边界条件，这有助于抑制声损耗。
通常，解耦区域及空气桥501(以及下文结合代表性实施例所描述的其他空气桥)的空气桥延伸区域5011的最优宽度取决于作用区域330及解耦区域(即，腔重叠部)的边界处的本征模式的反射及抑制。由于组合的下电极层203与压电层202堆叠在解耦区域中的实质上增加的截止频率，在谐振器的操作频率下可仅存在复合消散模式(对于厚度外延运动)以及传播挠曲及膨胀模式。此外，由于上电极层201'在空气桥延伸区域5011中的实质上增加的截止频率，在谐振器的操作频率下可仅存在复合消散模式(对于厚度外延运动)以及传播挠曲及膨胀模式。解耦区域及空气桥延伸区域5011中的复合消散模式由特有衰减长度且有特定传播常数表征。因此，举例来说，空气桥501需要足够宽以确保在作用区域330及以解耦区域及空气桥延伸区域5011的边界处激发的复合消散波的适合衰减。举例来说，在颁予布拉克等人的第14/192599号美国专利申请案(2014年2月27日申请)中描述及图解说明了空气桥及空气翼以及对应效应，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。
如上文所提及，包括空气桥501及空气翼502的顶部空气环500通常沿着谐振器的作用区域界定周边。因此，作用区域330包含谐振器的安置于腔体300上方且由顶部空气环500所提供的周边限界的部分。因此，作用区域330在其周边周围由至少部分地由空气桥501及空气翼502形成的声阻抗不连续性接界且在(腔体300)上方及下方由因存在空气所致的声阻抗不连续性接界。因此，在谐振器的作用区域330中有益地提供谐振腔。
在所描绘的实施例中，空气桥501及空气翼502是未经填充的，即，其含纳空气。在其他实施例中，这些结构可“填充”由(例如)介电或金属材料以提供所要声阻抗不连续性。应注意，所描述结构不一定必须沿着谐振器的所有边缘延伸。举例来说，其可仅提供于图1中所展示的五侧声谐振器的子集上。
在谐振器(例如，作为梯式滤波器的一部分)的说明性操作期间，将输入电信号施加到下电极层203的输入端子，且将上电极层201'连接到输出端子。输入电信号通常包括在作用区域330中引起振动的时变电压。此振动又在上电极层201'的输出端子处产生输出电信号。输入端子及输出端子可经由如图2中所展示远离作用区域330延伸的连接边缘而连接到下电极层203及上电极层201'。举例来时，谐振器的输入端子及输出端子可连接到形成梯式滤波器的其他谐振器的适当端子。
顶部空气环500的存在可用于解决这些及其他形式的散射及相关性能降级。由空气桥501及空气翼502提供的声阻抗失配引起在边界处对声波的反射及抑制，所述声波原本可能传播出作用区域330而导致能量损耗。因此，空气桥501及空气翼502可用于抑制在作用区域330及外侧区域中对非期望传播模式的激发，从而导致将能量更好地局限在作用区域330内且将能量损耗减少为谐振器中的声辐射。减少此类损耗会增加谐振器的Q因子。举例来说，在谐振器的滤波器应用中，由于能量损耗的减少，可有益地改进插入损耗(S21)。
图4及图5描绘谐振器关于温度补偿特征的位置的变化形式。特定来说，图4中的的温度补偿层600被囊封于下电极层203'中，且图5中的温度补偿层600被囊封于压电层202'中。在图4及图5中，空气环500形成于压电层202、202'与上电极层201之间。
参考图4，特定来说，本发明一实施例提供了一种谐振器，包括衬底100、多层结构200、空气翼501及空气桥502和温度补偿特征。多层结构200形成于衬底100上，多层结构200由下至上依次包括下电极层203'、压电层202和上电极层201。其中，在衬底100和多层结构200之间形成有腔体300，腔体300包括位于衬底100上表面之下的下半腔体310和超出衬底100上表面并向多层结构200突出的上半腔体320。共同的，下电极层203'、压电层202及上电极层201构成谐振器的声堆叠。此外，下电极层203'、压电层202及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。另外，顶部空气环500形成于压电层202与上电极层201之间。在所描绘的实施例中，顶部空气环500包含空气桥501及空气翼502，空气桥501及空气翼502具有实质上界定作用区域330的外边界的相应内边缘，作用区域330对应于主隔膜区域。
在所描绘的实施例中，温度补偿层600掩埋或囊封于下电极层203'中。因此，下电极层203'包含堆叠于衬底100上的外侧电极层、堆叠于外侧电极层上的温度补偿层600、堆叠于温度补偿层600上的导电间置层及堆叠于导电间置层上的压电层202。所述导电间置层及外侧电极层在温度补偿层600的外边缘周围彼此连接以提供囊封。也就是说，所述间置层将温度补偿层600与压电层202分离，使得温度补偿层600有效地掩埋或囊封于下电极层203'内。在颁予布拉克等人的第14/092,026号美国专利申请案(2013年11月27日申请)中描述和图解说明了掩埋或囊封于下电极层中的温度补偿层(包含制作方法)的实例，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。
参考图5，本发明一实施例提供了一种谐振器，包括衬底100、多层结构200、空气翼501及空气桥502和温度补偿特征。多层结构200形成于衬底100上，多层结构200由下至上依次包括下电极层203、压电层202'和上电极层201。其中，在衬底100和多层结构200之间形成有腔体300，腔体300包括位于衬底100上表面之下的下半腔体310和超出衬底100上表面并向多层结构200突出的上半腔体320。共同的，下电极层203、压电层202'及上电极层201构成谐振器的声堆叠。此外，下电极层203、压电层202'及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。另外，顶部空气环500形成于压电层202'与上电极层201之间。在所描绘的实施例中，顶部空气环500包含空气桥501及空气翼502，空气桥501及空气翼502具有实质上界定作用区域330的外边界的相应内边缘，作用区域330对应于主隔膜区域。
在所描绘的实施例中，温度补偿层600掩埋或囊封于压电层202'中。因此，压电层202'包含第一及第二压电子层。也就是说，第一压电子层堆叠于下电极层203的顶部表面上，温度补偿层600堆叠于第一压电子层上，且第二压电子层堆叠于温度补偿层600上。第一及第二压电子层在温度补偿层600的外边缘周围彼此连接以提供囊封。也就是说，第一压电子层将温度补偿层600与下电极层203分离，且第二压电子层将温度补偿层600与上电极层201分离，使得温度补偿层600有效地掩埋或囊封于压电层202'内。在颁予布拉克等人的第14/092,026号美国专利申请案(2013年11月27日申请)中描述和图解说明了掩埋或囊封于压电层中的温度补偿层(包含制作方法)的实例，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。
在图4及图5所示谐振器中，即使温度补偿层600不在实际上界定空气环500的上电极层201中，各种预定长度(包含第一区段601a的第一预定长度AR及第二区段601b的第二预定长度CT)也实质上相同的，如上文参考图2所论述。也就是说，温度补偿层600的外边缘被定位成超出空气翼502的内边缘达预定长度。换句话说，温度补偿层600在图4及图5所示谐振器的作用区域330外侧延伸达预定长度。温度补偿层600延伸超出作用区域330的部分被指示为温度补偿层600的端部分601。如上文所述，延伸超出作用区域330的端部分601包含从作用区域330的外边界延伸到腔体300的外边缘的第一区段601a(由箭头AR指示)及从腔体300的外边缘延伸到温度补偿层600的外边缘的第二区段601b(由箭头TC指示)。可调整第一区段601a及第二区段601b的长度及相对长度以及端部分601的总体预定长度以优化图4及图5所示谐振器的各种操作参数，如上文所论述。
图6-8是具有温度补偿层及内框架及外框架的谐振器的横截面图。
参考图6，除添加了形成于上电极层201'的顶部表面上的内框架232及外框架236之外，图6所示谐振器类似于图2所示的谐振器。因此，图6所示谐振器(例如FBAR)包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203、安置于下电极层203上的压电层202及安置于压电层202上的上电极层201'。共同地，下电极层203、压电层202及上电极层201'构成谐振器的声堆叠。下电极层203、压电层202及上电极层201'当中在腔体300上方的重叠部提供谐振器的作用区域330，其中外框架236的内边缘实质上界定作用区域330的外边界。谐振器的在外框架236上方及下方(且与空气环500接界)的区域可称为外框架区域，且谐振器的在内框架232上方及下方的区域可称为内框架区域。钝化层400(任选)安置于顶部电极201'的顶部上，具有足以将声堆叠的所有层与环境绝缘(包含进行保护以免受水分、腐蚀物、污染物、碎屑等的影响)的厚度。
顶部空气环500形成于压电层202与上电极层201'之间。如上午所述论述，顶部空气环500沿着谐振器的周边的全部或一部分延伸。空气环500包括在上电极层201'的连接侧上的空气桥501及沿着其余外侧周边的空气翼502。空气环500的内边缘(即，空气桥501及空气翼502的相应内边缘)可实质上界定谐振器的囊括作用区域330的主隔膜区域118的外边界。
在所描绘的实施例中，温度补偿层600掩埋或囊封于上电极层201'中，如上文参考图2所论述。温度补偿层600的外边缘被定位成超出空气翼502的内边缘达预定长度。换句话说，温度补偿层600在谐振器的主隔膜区域118外侧延伸达预定长度。温度补偿层600延伸超出主隔膜区域118的部分被指示为温度补偿层600的端部分601。在所描绘的实施例中，端部分601包括从主隔膜区域118的外边界(例如，空气翼502的内边缘)延伸到腔体300的外边缘的具有第一预定长度的第一区段601a(箭头AR所示)。端部分601进一步包含从腔体300的外边缘延伸到温度补偿层600的外边缘的具有第二预定长度的第二区段601b(由箭头TC所示)。可调整第一区段601a及第二区段601b的长度以及端部分601的总体长度以优化谐振器的各种操作参数，例如最大化谐振器的Q因子值及并联电阻Rp值中的至少一者。
如上文所提及，谐振器还包含内框架232及外框架236，其可为形成于上电极层201'的顶部表面上的附加框架，如图6中所示。举例来说，内框架232形成于上电极层201'的可实质上处于上电极层201'的中心的内部分中，且由外框架236至少部分地环绕。内框架232可为额外薄材料层或从上电极层201'的突出部，如下文所论述。外框架236围绕上电极层201'的外周边而形成。类似于内框架232，外框架236可为额外的薄材料层或从上电极层201'的突出部，如下文所论述。内框架232及外框架236在其之间界定间隙234。
举例来说，参考图6，谐振器的形状可为变迹或不规则的，如图1中所展示，其中内框架232由间隙234环绕，且间隙234由外框架236环绕，外框架236可沿循上电极层201'的外周边。当然，谐振器可形成为替代形状，例如圆形、正方形、矩形、梯形等，如上文所提及。在所描绘的实施例中，内框架232及外框架236具有与谐振器实质上相同的(周边)形状。然而，在各种实施例中，内框架232及外框架236的形状可不同于彼此及/或不同于谐振器。
举例来说，内框架232及外框架236可由一种或多种导电或介电材料形成，例如铜(Cu)、钼(Mo)、铝(Al)、钨(W)、铱(Ir)、硼硅酸盐玻璃(BSG)、原硅酸四乙酯(TEOS)、掺碳氧化硅(CDO)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆酸钛酸铅(PZT)、金刚石或类金刚石碳(DLC)。在图6中所描绘的说明性配置中，内框架232比外框架236薄。然而，在替代配置中，内框架232可比外框架236厚，或内框架232比外框架236可具有相同厚度。
此外，在各种实施例中，内框架232及/或外框架236可形成多界面框架图案。多界面框架图案提供例如由具有不同宽度的堆叠式台阶结构形成的多个横向特征。所述多个横向界面提供经改进的选定模式局限及/或抑制，因此实现性能参数(包含针对低于串联谐振频率Fs的频率的Q因子以及在并联谐振频率Fp下的并联电阻Rp或在Fs下的串联电阻Rs中的一者)的最大化。当多界面框架图案具有堆叠式台阶结构时，所述台阶具有变化的(例如，减小的)宽度，所述宽度是经完美调谐的(意味着其宽度不满四分之一波长条件)。在颁予布拉克等人的第2013/0063227号美国申请公开案(2013年3月14日公开)中提供了对用于内框架及外框架的多界面框架图案的进一步论述，所述美国专利申请公开案特此以全文引用方式并入本文中。
内框架232及外框架236的厚度可变化以为任何特定情形提供独特益处或以满足各种实施方案的应用特有设计要求。通常，内框架232以及外框架236的应用使谐振器的作用区域330的谐振频率(“截止频率”)移位且以其他方式改进操作，举例来说，通过提供边界条件的匹配。内框架232的厚度增加致使谐振器的谐振频率移位到较低，且相反地，内框架232的厚度减小致使谐振频率移位到较高。同样的，外框架236的厚度增加致使谐振器的谐振频率移位到较低，且外框架236的厚度减小致使谐振频率移位到较高。在说明性实施例中，外框架236的厚度可为内框架232的厚度的大约两倍。此外，在非限制性说明性配置中，内框架232的厚度可为约
Figure BDA0002037140250000213
到约
Figure BDA0002037140250000214
且外框架236的厚度可为约
Figure BDA0002037140250000212
到约
Figure BDA0002037140250000211
但这种厚度及相对厚度均可变化，此并不背离本发明教示的范围。
间隙234布置于内框架232与外框架236之间且以其他方式由内框架232及外框架236界定，且通常与内框架232的厚度成比例地变化。也就是说内框架232的厚度的增加需要更小间隙234。举例来说，在非限制性说明性配置中，针对上文所提及的内框架232的说明性范围，间隙234可具有约3μm到8μm的宽度。内框架232及外框架236以及间隙234的布置因此能够改进谐振器的边界声条件的匹配。对边界声条件的此修改显著地减少及/或抑制声横向模式的激发，这引起寄生谐振强度的减小及谐振器的Q因子的改进。因此，举例来说，内框架232可经配置以抑制横向声波的一部分从主隔膜区域218的中心传播。
举例来说，在颁予白川(Shirakawa)等人的第8,575,820号美国专利(2013年11月5日颁布)中提供对内框架及外框架的进一步论述，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。另外，内框架及/或外框架可为合成框架而非附加框架。合成框架可具有集成到上电极层201'中的横向特征，使得上电极层201'可具有实质上平面顶部表面。举例来说，在颁予布拉克等人的第13/766,933号美国专利申请案(2013年2月14日申请)及颁予布拉克等人的第14/092,026号美国专利申请案(2014年11月27日申请)中提供对集成框架(例如低速或高速框架)的论述，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。
举例来说，合成框架的集成横向特征可由Al或Mo形成且可通过将不同材料嵌入于上电极层201'(或下文所论述的下电极层203')内而形成，其中通常经暴露上部或下部表面分别与上电极层201'的上部或下部表面共面。合成框架的使用可简化关于在平面表面上施加各层对谐振器的制作。例如，其可防止在上覆层中形成露出物，这可保持谐振器的结构稳定性。
一般来说，外框架抑制对应外框架区域中的电激发活塞模式，且反射及以其他方式谐振地抑制沿横向方向的传播本征模式，其中两种效果同时改进谐振器的操作。这是因为外框架的存在通常在框架区域与作用区域的其他部分之间产生截止频率失配及声阻抗失配中的至少一者。
与作用区域相比降低框架区域中的截止频率的外框架可称为低速框架(LVF)，而与作用区域相比增加框架区域中的截止频率的外框架可称为高速框架(HVF)。此命名法的依据是，对于合成框架(针对其框架与作用区域的厚度为实质上相同的)，截止频率的增加或降低分别与形成框架的声堆叠的有效声速的增加或降低实质上等效。
具有比作用区域的对应有效声速低的有效声速的合成或附加框架(即，LVF)通常在作用区域的截止频率以上增加谐振器的并联电阻Rp及Q因子。相反的，具有比作用区域的对应有效声速高的有效声速的合成或附加框架(即，HVF)通常在作用区域的截止频率以下降低声谐振器的串联电阻Rs且增加谐振器的Q因子。举例来说，典型的低速框架有效地给区域提供比作用区域显著低的截止频率且因此在框架区域中靠近上电极层的边缘处最小化电激发活塞模式的振幅。此外，其提供两个界面(阻抗失配平面)，这增加传播本征模式的反射。这些传播本征模式在作用/框架界面处是机械激发的，且在上电极层边缘处既是机械激发又是电激发的。在针对给定本征模式恰当设计框架的宽度的情况下，其引起对所述特定本征模式的谐振增强抑制。另外，充分宽的低速框架提供用于使由与传播本征模式类似的机制激发的消散及复合模式平滑衰减的区域。以上效果的组合在并联谐振频率Fp下产生更好的能量局限及更高Q因子。
在以上所引用的颁予布拉克等人的第13/663,449号美国专利申请案(2012年10月29日申请)及颁予布拉克等人的第13/660,941号美国专利申请案(2012年10月25日申请)中描述了框架以及相关材料及操作特性的各种额外实施例，所述美国专利申请案特此以全文引用方式并入本文中。如所解释，可相对于谐振器的其他部分(例如声堆叠的顶部及下电极层以及压电层)以各种替代位置及配置来放置框架。另外，可调整其尺寸、材料、相对定位等等以实现特定设计目标，例如目标谐振频率、串联电阻Rs、并联电阻Rp或机电耦合系数Kt2。
图7及8描绘谐振器关于于温度补偿特征的位置的变化形式。特定来说，图7中的谐振器与图6中谐振器实质上相同，只不过温度补偿层600囊封于下电极层(下电极层203')中，且图8中的谐振器与图6中的谐振器实质上相同，只不过温度补偿层600囊封于压电层(压电层202')中。在图7及图8中，空气环500形成于压电层202/202'与上电极层201之间。此外，上电极层201包含形成于其顶部表面上的内框架232及外框架2236的添加。
参考图7，特定来说，谐振器包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203'、安置于下电极层203'上的压电层202、安置于压电层202上的上电极层201及安置于上电极层201上的钝化层400(任选地)。温度补偿层600掩埋或囊封于下电极层203'中。内框架232及外框架236添加于上电极层203'的表面上，但其可作为上电极层201是合成电极的集成框架而包含，如上文所论述。共同地，下电极层201'、压电层202及上电极层201构成谐振器的声堆叠，且下电极层203'、压电层202及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。然而，如上文所论述，作用区域330的外边界实质上由外框架236的内边缘界定，且主隔膜区域118的外边界分别实质上由空气桥501及空气翼502的内边缘界定。
参考图8，谐振器包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203、安置于下电极层203上的压电层202'、安置于压电层202'上的上电极层201及安置于上电极层201上的钝化层400(任选地)。温度补偿层600掩埋或囊封于下电极层203中。内框架232及外框架236添加于上电极层203的表面上，但其可作为上电极层201是合成电极的集成框架而包含，如上文所论述。共同地，下电极层201、压电层202'及上电极层201构成谐振器的声堆叠，且下电极层203、压电层202'及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。然而，如上文所论述，作用区域330的外边界实质上由外框架236的内边缘界定，且主隔膜区域118的外边界分别实质上由空气桥501及空气翼502的内边缘界定。
在图7及图8所示的谐振器中，即使温度补偿层600不在实际上界定空气环500且包含内框架232及外框架236的上电极层201中，各种预定长度(包含第一区段601a的第一预定长度AR及第二区段601b的第二预定长度TC)也为实质上相同的，如上文参考图6所论述。也就是说，温度补偿层600的外边缘被定位成超出空气翼502的内边缘达预定长度。换句话说，温度补偿层600在图7及图8所示谐振器的主隔膜区域118外侧延伸达预定长度。温度补偿层600延伸超出主隔膜区域118的部分被指示为温度补偿层600的端部分601。如上文所述，延伸超出主隔膜区域118的端部分601包含从主隔膜区域118的外边界延伸到腔体300的外边缘的第一区段601a(由箭头AR所示)及从腔体300的外边缘延伸到温度补偿层600的外边缘的第二区段601b(由箭头TC所示)。可调整第一区段601a及第二区段601b的长度及相对长度以及端部分601的总体预定长度以优化谐振器的各种操作参数，如上文所论述。
图9-11是图解说明根据代表性实施例具有温度补偿层的谐振器的横截面图。
参考图9，谐振器类似于图2中谐振器，只不过延伸超出谐振器的作用区域的温度补偿层600在形成于衬底100中的腔体300的外边界内结束。因此，谐振器(例如，FBAR)包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203、安置于下电极层203上的压电层202及安置于压电层202上的上电极层201'。共同地，下电极层203、压电层202及上电极层201'构成谐振器的声堆叠。下电极层203、压电层202及上电极层201'当中在腔体300上方的重叠部提供谐振器的作用区域330。钝化层400(任选)安置于上电极层201'的顶部上，具有足以将声堆叠的所有层与环境绝缘(包含进行保护以免受水分、腐蚀物、污染物、碎屑等的影响)的厚度。
顶部空气环500形成于压电层202于上电极层201'之间。如上文所论述，顶部空气环500沿着谐振器的周边的全部或一部分延伸，且包括在上电极层201'的连接侧上的空气桥501及沿着其余外侧周边的空气翼502。空气环500的内边缘(即，空气桥501及空气翼502的相应内边缘)可实质上界定谐振器的作用区域330的外边界。
在所描绘的实施例中，温度补偿层600掩埋或囊封于上电极层201'中，如上文参考图2所论述。温度补偿层600的外边缘被定位成超出空气翼502的内边缘达预定长度。换句话说，温度补偿层600在谐振器的作用区域330外侧延伸达预定长度。温度补偿层600延伸出作用区域330的部分被指示为温度补偿层600的端部分601。然而，不同于本文中所描述的先前实施例，端部分601在腔体300的外边界内结束。腔体300的边缘的其余长度由延伸腔区段602指示。可调整端部分601及延伸腔区段602的长度以优化谐振器的各种操作参数，例如最大化谐振器的Q因子值及并联电阻Rp值中的至少一者。为改进Q因子及/或并联电阻Rp，端部分601及延伸腔区段602的经优化长度为约相同的，例如约1μm。
图10及图11描绘谐振器关于温度补偿特征的位置的变化形式。特定来说，图10中的谐振器与图9中谐振器实质上相同，只不过温度补偿层600囊封于下电极层(下电极层203')中，且图11中的谐振器与图9中谐振器实质上相同，只不过温度补偿层600囊封于压电层(压电层202')中。在图10及图11中，空气环500形成于压电层202、202'与上电极层201之间。此外，在图9-11中所展示的谐振器的替代实施例中，上电极层201、201'可包含内框架及/或外框架，如上文参考图6-8所述。
参考图10，特定来说，谐振器包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203'、安置于下电极层203'上的压电层202、安置于压电层202上的上电极层201及安置于上电极层201上的钝化层400(任选地)。温度补偿层600掩埋或囊封于下电极层203'中。共同地，下电极层201'、压电层202及上电极层201构成谐振器的声堆叠，且下电极层203'、压电层202及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。然而，如上文所论述，作用区域330的外边界分别实质上由空气桥501及空气翼502的内边缘界定。
参考图8，谐振器包括界定腔体300的衬底100、安置于衬底100及腔体300上的下电极层203、安置于下电极层203上的压电层202'、安置于压电层202'上的上电极层201及安置于上电极层201上的钝化层400(任选地)。温度补偿层600掩埋或囊封于压电层202'中。共同地，下电极层201、压电层202'及上电极层201构成谐振器的声堆叠，且下电极层203、压电层202'及上电极层201当中在腔体300上方的重叠部提供作用区域330。然而，如上文所论述，作用区域330的外边界分别实质上由空气桥501及空气翼502的内边缘界定。
在图10及图11所示谐振器中，即使温度补偿层600不在实际上界定空气环500的上电极层201中，各种预定长度(包含温度补偿层600的端部分601及延伸腔区段602的长度)也为实质上相同的，如上文参考图6所论述。
以上实施例中，衬底100可以为硅衬底或其他材质的衬底，对此不予限制。
上述谐振器，通过设置具有下半腔体310和上半腔体320的腔体300，且下半腔体310整体位于衬底100上表面之下，上半腔体320整体位于衬底100上表面之上，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。
本发明实施例还公开一种半导体器件，包括上述任一种谐振器，具有上述谐振器所具有的有益效果。例如，该半导体器件可以为滤波器。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间，所述空气翼具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；及
温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；
所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述下半腔体由底壁和第一侧壁围成，所述底壁整体与所述衬底表面平行，所述第一侧壁为由所述底壁边缘延伸至所述衬底上表面的第一圆滑曲面。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述上半腔体由所述多层结构的下侧面围成，所述多层结构与所述上半腔体对应的部分包括顶壁和第二侧壁围成，所述第二侧壁为由所述顶壁边缘延伸至所述衬底上表面的第二圆滑曲面。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括囊封于所述上电极层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述囊封于所述上电极层中的所述温度补偿层的所述外边缘位于所述腔体的外边缘内。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括囊封于所述压电层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其特征在于，所述囊封于所述压电层中的所述温度补偿层的所述外边缘位于所述腔体的外边缘内。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括囊封于所述下电极层中的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括位于所述下电极层与所述压电层之间的温度补偿层，且
其中所述温度补偿层的外边缘被定位成超出所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述下电极层及所述上电极层中的至少一者包括集成横向特征的合成电极。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括温度补偿层，所述温度补偿层设置在具有所述集成横向特征的合成电极的下电极层及上电极层中的至少一者中。
12.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征的在所述作用区域外侧延伸的所述预定长度经优化以最大化所述谐振器的质量因子Q值及并联电阻Rp值中的至少一者。
13.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述空气翼的所述内边缘向所述腔体延伸达第一预定长度，且所述温度补偿特征延伸超过所述腔体的外边缘达第二预定长度，使得所述温度补偿特征的所述作用区域外侧延伸的所述预定长度为所述第一与第二预定长度的总和。
14.根据权利要求13所述的谐振器，其特征在于，所述第一及第二预定长度经优化以最大化所述谐振器的质量因子Q值及并联电阻Rp值中的至少一者。
15.根据权利要求14所述的谐振器，其特征在于，所述空气翼的所述内边缘向所述腔体中延伸的所述第一预定长度为2μm或更大，且所述温度补偿特征延伸超过所述腔体的所述外边缘的所述第二预定长度大于或等于2μm。
16.一种谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
外框架，形成于所述上电极层上或所述上电极层中，所述外框架具有界定所述谐振器的作用区域的外边界的内边缘；
空气翼及空气桥，形成于所述压电层和上电极层之间；及
温度补偿特征，具有正温度系数以用于抵消所述压电层的负温度系数的至少一部分；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体包括位于所述衬底上表面之下的下半腔体和超出所述衬底上表面并向所述多层结构突出的上半腔体；
所述温度补偿特征在所述作用区域外侧延伸达预定长度。
17.根据权利要求16所述的谐振器，其特征在于，所述空气翼的内边缘界定含纳所述作用区域的主隔膜区域的外边界，且
其中所述温度补偿特征延伸超过所述空气翼的所述内边缘达所述预定长度。
18.根据权利要求16所述的谐振器，其特征在于，进一步包括：
内框架，形成于所述上电极层上或所述上电极层中在至少部分地由所述外框架环绕的区内，所述内框架经配置以抑制横向声波的一部分从所述主隔膜区域的中心传播。
19.根据权利要求18所述的谐振器，其特征在于，所述外框架的厚度大于所述内框架的厚度。
20.根据权利要求16所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿特征包括囊封于所述下电极层、所述压电层或所述上电极层中的一者中的温度补偿层。
21.根据权利要求20所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿层由原硅酸四乙酯TEOS、二氧化硅SiO2或掺硼氧化硅BSG形成。
22.根据权利要求21所述的谐振器，其特征在于，所述压电层包括掺杂有至少一种稀土元素的压电材料，所述至少一种稀土元素抵消由所述温度补偿层导致的所述谐振器的机电耦合系数的降级的至少一部分。
23.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求1至22任一项所述的谐振器。
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