CN110868192A - 具有封装结构的薄膜体声谐振器和滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器和滤波器。该薄膜体声波谐振器包括衬底、多层结构、腔体和封装结构，多层结构包括第一电极层、压电层和第二电极层，腔体位于多层结构和衬底之间，封装结构包括基板、电路和电气连接。本发明通过设置腔体而形成一种新型的谐振器结构，具有较好的性能；其封装结构不仅能够节省有用的基板空间，同时，基板材料、谐振器制造程序和电路制造程序均会有更多选择。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器和滤波器。
背景技术
谐振器广泛应用于各种电子装置中，实施信号处理功能。例如，在一些蜂窝式电话等无线通信装置中，谐振器可用作其发射和/或接收信号的滤波器。不同的电子装置中可根据不同应用方向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)等。
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。
薄膜体声谐振器(FBAR)用于带有射频发射器的蜂窝式电话等无线通信装置中，通常含有硅衬底。蜂窝式电话和其他射频设备具有独立封装结构的无线电频率(RF)放大器，该无线电频率放大器具有内置在砷化镓(GaAs)衬底之中或之上的高电子迁移率晶体管(HEMT)。RF功率放大器封装结构安装在移动电话印刷电路板的另一块小而主要的区域内。
被用于RF功率放大器封装结构的砷化镓衬底一般比用于FBAR封装结构所用的硅衬底更昂贵，因此，在制造FBAR装置和RF功率放大器于不同封装体时，FBAR装置不消耗RF功率放大器在砷化镓衬底上的有用表面空间。进而，用于制作封装体之一的技术不同于甚至不相容于制造其他封装体的技术。因此，当将FBAR装置和RF功率放大器独立封装结构时，需考虑经济成本和可行性。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器和滤波器。
本发明实施例的第一方面提供一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的多层结构，所述多层结构由近衬底一侧起依次包括第一电极层、压电层和第二电极层；
形成于所述衬底和所述多层结构之间的腔体，所述腔体包括向所述衬底表面突出的衬底侧腔体和向所述多层结构突出的多层结构侧腔体；
封装结构，所述封装结构包括与所述衬底粘结成腔室的基板、形成于所述腔室内且位于所述基板表面上的电路以及连接所述电路与所述多层结构的电气连接；其中，所述多层结构位于所述腔室内。
可选的，所述衬底侧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。
所述第一曲面的竖截面呈抛物线状，且位于所述底壁所在的平面之下；
所述第二曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述衬底下表面所在的平面之上。
可选的，所述多层结构侧腔体由所述多层结构的近所述衬底一侧的表面围成，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。
所述第三曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述顶壁所在的平面之上；
所述第四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，所述封装结构还包括位于所述衬底与所述基板之间的密封圈，所述密封圈与所述衬底和所述基板构成所述腔室。
可选的，所述电路用于处理信号，和所述电气连接将所述信号从所述电路传向所述多层结构。
可选的，所述薄膜体声波谐振器构成蜂窝式电话的一部分，所述蜂窝式电话包括电气连接于所述薄膜体声波谐振器的天线。
可选的，所述电路上设有功率放大器。
可选的，所述封装结构还包括穿过所述衬底的第一导电通路，以及连接所述第一导电通路与所述多层结构的第一电连接。
可选的，所述封装结构还包括穿过所述第二基板的第二导电通路，以及连接所述第二导电通路与所述电路的第二电连接，所述第二电连接穿过所述第二基板。
可选的，所述基板厚度小于150微米。
可选的，所述衬底和所述基板中含有硅。
可选的，所述基板中包括砷化镓。
可选的，所述衬底中包括氧化铝。
可选的，所述薄膜体声波谐振器包括可调谐薄膜体声波谐振器电路，所述可调谐薄膜体声波谐振器电路包括连接到一个薄膜体声波谐振器的电压可变电容器。
可选的，所述电气连接密封所述腔室。
可选的，所述电连接件包括涂有导电材料的弹性材料。
可选的，所述弹性材料包括聚酰亚胺。
本发明实施例的第二方面提供一种滤波器，包括本发明实施例第一方面中任一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实施例，通过设置具有衬底侧腔体和多层结构侧腔体的腔体，且衬底侧腔体和多层结构侧腔体分别位于衬底的表面两侧，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。该谐振器设有封装结构，多层结构与电路分别设置于衬底和基板上，不仅能够节省有用的基板空间，同时，基板材料、谐振器制造程序和电路制造程序均会有更多选择，进而可选择使用更佳的基板材料和/或制造程序，即使此材料或制造技术是不相容于电路或非电路所需，反之亦然。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例薄膜体声谐振器的结构示意图；
图2是图1中左侧第一和第二圆滑曲面的放大示意图；
图3是本发明实施例中蜂窝式电话示意图；
图4是本发明实施例中电压可变电容器示意图；
图5是本发明实施例谐振器的一种制作方法流程图。
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。
参见图1，本发明一实施例提供了一种具有封装结构的薄膜体声谐振器，包括衬底100、多层结构200、腔体300和封装结构。
多层结构200形成于衬底100上，多层结构200由近衬底一侧起依次包括第一电极层230、压电层220和第二电极层210。
腔体300形成于衬底100和多层结构200之间，包括向衬底100表面突出的衬底侧腔体301和向多层结构200突出的多层结构侧腔体302。
封装结构包括与衬底100粘结成腔室430的基板400、形成于腔室430内且位于基板400表面上的电路440以及连接电路440与多层结构200的电气连接；其中，多层结构200位于腔室430内。
一些实施例中，连接所述电路440与所述多层结构200的电气连接可以包括：连接电路440与多层结构200的导电柱410，以及形成于基板400上的电气导电垫401。其中，导电柱410形成于衬底100的表面上，并与基板400上的电气导电垫401接触，从而在衬底100和基板400之间提供电气连接。电气导电垫401可通过蚀刻形成于基板400中。
一个实施例中，导电柱410与电气导电垫401密封腔室430。导电柱410外覆涂有导电材料的弹性层411，该弹性层411可以为聚合物(如聚酰亚胺)。
一个实施例中，封装结构还可以包括密封柱451和密封垫452组成的密封圈450。密封圈450环绕衬底100周围而延伸，与衬底100和基板400形成腔室430。密封柱451的材料可以是聚合物，密封柱451被覆盖着密封材料层453，密封材料层453所用的密封材料包括金、铜、玻璃、或硅氮化物。密封柱451和密封垫452可以是任何所需的形狀(例如，圆形、正方形，矩形等等)。
压电层220通过压电层电气传导轨线221耦合连接于导电柱410。电路440与电气导电垫401通过电路电气传导轨线441耦合连接，由此，多层结构200通过导电柱410、电气导电垫401以及电层电气传导轨线221和电路电气传导轨线441被电气连接到基板400上的电路440。在一个实施例中，电路440处理信号时，信号通过电路440、电路电气传导轨线441、电气导电垫401、导电柱410以及电层电气传导轨线221传向多层结构200。
在图1所示实施例中，衬底侧腔体301由底壁110和第一侧壁120围成，底壁110整体与衬底100表面平行，第一侧壁120为由底壁100边缘延伸至衬底100上表面的第一圆滑曲面。其中，底壁110和第一侧壁120均为衬底100的表面壁。而第一侧壁120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2，一个实施例中，第一圆滑曲面可以包括圆滑过渡连接的第一曲面121和第二曲面122。其中，圆滑过渡连接的第一曲面121和第二曲面122是指第一曲面121和第二曲面122之间连接处无突变，且第一曲面121和第二曲面122两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121的竖截面可以呈抛物线状，且位于底壁110所在的平面之下；第二曲面122的竖截面可以呈倒抛物线状，且位于衬底100下表面所在的平面之上。第一曲面121和第二曲面122圆滑连接。当然，第一曲面121和第二曲面122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。过渡区长度为第一侧壁120在图1所示的虚线方向上的长度。
参加图1，一个实施例中，底壁110无突变部分，各晶体之间的间隙不会影响谐振器的性能。
参见图1，一个实施例中，多层结构侧腔体302可以由多层结构200的近所述衬底一侧的表面围成，包括顶壁240和第二侧壁250，第二侧壁250为由顶壁240边缘延伸至衬底100上表面的第二圆滑曲面。
其中，顶壁240和第二侧壁250均为多层结构200的下侧面壁。而第二侧壁250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2，一个实施例中，第二圆滑曲面可以包括圆滑过渡连接的第三曲面251和第四曲面252。其中，圆滑过渡连接的第三曲面251和第四曲面252是指第三曲面251和第四曲面252之间连接处无突变，且第三曲面251和第四曲面252两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251的竖截面可以呈倒抛物线状，且位于顶壁240所在的平面之上；第四曲面252的竖截面呈抛物线状，且位于衬底100下表面所在的平面之下。当然，第三曲面251和第四曲面252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。
一个实施例中，顶壁240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240处的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
一个实施例中，封装结构还包括穿过衬底100的第一导电通路130，以及穿过基板400的第二导电通路460，第一导电通路130和第二导电通路460的材料均为导电材料(如铜或金)，分别与多层结构200和电路440之间形成第一电连接和第二点连接。如图1所示，在第一导电通路130和第二导电通路460均设有电气导电垫131和461，以确保外接装置与第一导电通路130和第二导电通路460之间的低电阻电气接触。第一导电通路130和第二导电通路460可形成于制造程序中的任何阶段。
如图3所示实施例中，该薄膜体声波谐振器构成蜂窝式电话的一部分，该蜂窝式电话包括两个薄膜体声波谐振器501和502，以及天线510和功率放大器520，以及一个低噪声放大器530。薄膜体声波谐振器501电气连接于天线510和功率放大器520之间，并通过薄膜体声波谐振器502电气串联于解耦电路540。低噪声放大器530位于功率放大器520和薄膜体声波谐振器502之间。第一导电通路130可将多层结构200电气连接于外接装置，如天线510。
在一个实施例中，第一电极层230和第二电极层210的材料为钼，压电层220的材料为氮化铝。
在一个实施例中，基板400厚度小于150微米。基板400较薄的厚度能够更好地消散来自电路400的热量。
在一个实施例中，衬底100和基板400中含有硅。在一个实施例中，基板400中还含有砷化镓，如，当电路440被用于功率放大器520时。衬底100中包括氧化铝，氧化铝具有适当电气性和热性质，而可供多层结构200更适用于衬底100，并且氧化铝比砷化镓廉价，却具有与砷化镓相似的温度膨胀系数，不易产生明显的热应力。
上述实施例中，导电柱410和密封圈450并非如图1所示均形成于衬底100上，二者可由一个或者全部形成于基板400上，在该情况下则电气导电垫401和密封垫452则形成于衬底100上。在将导电柱410与电气导电垫401、密封柱451与密封垫452结合期间，导电柱410和密封柱451可被挤压。另外，导电柱410和导电垫401可择一使用，密封柱451与密封垫452也可择一使用，实现密封即可。
当电路440被用于功率放大器520时，由若干互联电晶体所构成电压可变电容器，使电路440成为可调谐薄膜体声波谐振器电路，如图4所示。该互联电晶体包括源极接触点442、闸极接触点443以及一级接触点444。源极接触点442之前通过导电桥445电气连接。源极接触点442与一级接触点444通过通道446连接，闸极接触点443可通过通道446控制源极接触点442与一级接触点444质检的电子流或电洞流。电桥445与基板400之前存在空气间隙447，以减低电桥445的电容。
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。压电层220可由与半导体工艺兼容的薄膜压电材料形成，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铅锆钛酸盐(PZT)等。
上述谐振器，通过设置具有衬底侧腔体301和多层结构侧腔体302的腔体300，且衬底侧腔体301和多层结构侧腔体302分别位于衬底100的表面两侧，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。该谐振器设有封装结构，多层结构200与电路440分别设置于衬底100和基板400上，不仅能够节省有用的基板空间，同时，基板材料、多层结构制造程序和电路制造程序均会有更多选择，进而可选择使用更佳的基板材料和/或制造程序，即使此材料或制造技术是不相容于电路或非电路所需，反之亦然。
参见图5，本发明一实施例中公开一种多层结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤601，对衬底100进行预处理，改变衬底100预设区域部分的预设反应速率，使得预设区域部分对应的预设反应速率大于非预设区域部分对应的预设反应速率。
本步骤中，通过对衬底100预设区域部分进行预处理，使得衬底预设区域部分的预设反应速率，达到预设区域部分对应的预设反应速率大于非预设区域部分对应的预设反应速率的效果，从而在后续步骤602中对衬底100进行预设反应时，能够使得预设区域部分的反应速率和非预设区域部分的反应速率不同，以生成预设形状的牺牲材料部分。
步骤602，对衬底100进行预设反应，生成牺牲材料部分；牺牲材料部分包括位于衬底100上表面之上的上半部分和位于衬底100下表面之下的下半部分。
其中，下半部分由底壁110和第一侧壁120围成；底壁110整体与衬底表面平行，第一侧壁120为由底壁110边缘延伸至衬底100上表面的第一圆滑曲面。上半部分由多层结构200的下侧面围成，多层结构200与上半部分对应的部分包括顶壁240和第二侧壁250，第二侧壁250为由顶壁240边缘延伸至衬底100上表面的第二圆滑曲面。
可选的，第一圆滑曲面包括圆滑过渡连接的第一曲面121和第二曲面122；第一曲面121的竖截面呈倒抛物线状，且位于底壁110所在的平面之上；第二曲面122的竖截面呈抛物线状，且位于衬底100上表面所在的平面之下。
可选的，第二圆滑曲面包括圆滑过渡连接的第三曲面251和第四曲面252；第三曲面251的竖截面呈抛物线状，且位于顶壁240所在的平面之下；第四曲面252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。
一个实施例中，第一圆滑曲面的曲率小于第一预设值；第二圆滑曲面的曲率小于第二预设值。
可以理解的，由于预设区域部分对应的预设反应速率大于非预设区域部分对应的预设反应速率，因此在对衬底进行预设反应时，预设区域部分反应快和非预设区域部分的反应慢，从而能够生成预设形状的牺牲材料部分。
一个实施例中，步骤602具体实现过程可以包括：将衬底100置于氧化气氛中进行氧化处理，得到牺牲材料部分。对应的，在步骤601中对衬底100的预处理为能够提高衬底预设区域部分的氧化反应速率的手段。该手段可以为在预设区域进行离子注入以提高衬底100预设区域部分的氧化反应速率，也可以为在衬底100上形成一层预设图案的屏蔽层来提高衬底预设区域部分的氧化反应速率。
当然，在其他实施例中，步骤601中的预处理还可以为氧化处理之外的手段，同样该手段可以为在预设区域进行离子注入以提高衬底100预设区域部分的氧化反应速率，也可以为在衬底100上形成一层预设图案的屏蔽层来提高衬底100预设区域部分的氧化反应速率。
步骤603，在牺牲材料层上形成多层结构200；多层结构200由近衬底一侧起依次包括第一电极层230、压电层220和第二电极层210。
步骤604，去除牺牲材料部分，形成与衬底之间有腔体300的多层结构。
本实施例中，衬底100可以为硅衬底或其他材质的衬底，对此不予限制。
上述谐振器制作方法，通过对衬底100进行预处理来使得衬底100预设区域部分的反应速率大于非预设区域部分对应的预设反应速率，从而能够在对衬底100进行预设反应时，生成预设形状的牺牲材料部分，再在牺牲材料层上形成多层结构200，最后去除牺牲材料部分形成具有特殊腔体结构的谐振器，相对于传统的制作方法对谐振器工作区域的表面粗糙度更为容易控制。
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 (17)
1.一种具有封装结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的多层结构，所述多层结构由近衬底一侧起依次包括第一电极层、压电层和第二电极层；
形成于所述衬底和所述多层结构之间的腔体，所述腔体包括向所述衬底表面突出的衬底侧腔体和向所述多层结构突出的多层结构侧腔体；
封装结构，所述封装结构包括与所述衬底粘结成腔室的基板、形成于所述腔室内且位于所述基板表面上的电路以及连接所述电路与所述多层结构的电气连接；其中，所述多层结构位于所述腔室内。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底侧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2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，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；
所述第一曲面的竖截面呈抛物线状，且位于所述底壁所在的平面之下；
所述第二曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述衬底下表面所在的平面之上。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述多层结构侧腔体由所述多层结构的近所述衬底一侧的表面围成，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。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，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；
所述第三曲面的竖截面呈倒抛物线状，且位于所述顶壁所在的平面之上；
所述第四曲面的竖截面呈抛物线状，且位于所述衬底下表面所在的平面之下。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述封装结构还包括位于所述衬底与所述基板之间的密封圈，所述密封圈与所述衬底和所述基板构成所述腔室。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述电路用于处理信号，和所述电气连接将所述信号从所述电路传向所述多层结构。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器构成蜂窝式电话的一部分，所述蜂窝式电话包括电气连接于所述薄膜体声波谐振器的天线。
9.根据权利要求8所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述电路上设有功率放大器。
10.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述封装结构还包括穿过所述衬底的第一导电通路，以及连接所述第一导电通路与所述多层结构的第一电连接。
11.根据权利要求10所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述封装结构还包括穿过所述第二基板的第二导电通路，以及连接所述第二导电通路与所述电路的第二电连接，所述第二电连接穿过所述第二基板。
12.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述基板厚度小于150微米；和/或
所述衬底和所述基板中含有硅；和/或
所述基板中包括砷化镓；和/或
所述衬底中包括氧化铝。
13.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器包括可调谐薄膜体声波谐振器电路，所述可调谐薄膜体声波谐振器电路包括连接到一个薄膜体声波谐振器的电压可变电容器。
14.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述电气连接密封所述腔室。
15.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述电连接件包括涂有导电材料的弹性材料。
16.根据权利要求15所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述弹性材料包括聚酰亚胺。
17.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1至16任一项所述的薄膜体声波谐振器。
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