CN111010130A - 带温补层和电学层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
带温补层和电学层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；顶电极和/或底电极为温补层电极，温补层电极包括电极材料层、至少一层温补层和至少一层电学层，温补层与电学层在谐振器的厚度方向上叠置，且在温补层电极的厚度方向上，在温补层电极中温补层中的一层比所有电学层更靠近压电层，电学层与所述电极材料层形成电连接，所述电学层的电阻率不同于所述电极材料层的电阻率，所有温补层在谐振器的厚度方向上与压电层间隔开。本发明还公开了一种具有该谐振器的滤波器及具有该滤波器或谐振器的电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种滤波器，以及一种具有该谐振器或该滤波器的电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
外界环境和体波谐振器自身工作中的发热都会引起谐振器温度变化，该变化会引起谐振器的谐振频率发生漂移，这对谐振器或有谐振器组成的各种电子器件的性能均会造成不利影响。
通常应对此问题的方法是，在三明治结构中加入一层或多层与压电层本身的频率温度系数符号相反的材料(例如氮化铝具有负频率温度系数，而二氧化硅具有正频率温度系数)的温补层，从而抵消或部分抵消温度变化造成的谐振器频率漂移。
但电极中设置了温补层的谐振器，其他电性能(如Q值等)将恶化，因此需要改善其他电性能(如Q值)。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
顶电极和/或底电极为温补层电极，所述温补层电极包括电极材料层、至少一层温补层和至少一层电学层，温补层与电学层在谐振器的厚度方向上叠置，且在温补层电极的厚度方向上，在所述温补层电极中温补层中的一层比所有电学层更靠近压电层，所述电学层与所述电极材料层形成电连接，所述电学层的电阻率不同于所述电极材料层的电阻率，所有温补层在谐振器的厚度方向上与压电层间隔开。可选的，所述电学层的电阻率小于所述电极材料层的电阻率。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有直接叠置的温补层与电学层，且温补层覆盖电学层的顶面；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有直接叠置的温补层与电学层，且温补层覆盖电学层的顶面及端面；
图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有在厚度方向上彼此间隔开的温补层与电学层；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层的上下两侧分别设置有温补层；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中设置了两层温补层以及两层电学层；
图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层的下侧作为底电极的下侧；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层的下侧作为底电极的下侧，且底电极的下侧与基底上侧之间设置有保护层；
图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此直接叠置的温补层与电学层，且顶电极的非引脚端设置有声学阻抗不匹配结构；
图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此直接叠置的温补层与电学层，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构；
图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此间隔开叠置的温补层与电学层，且顶电极的非引脚端设置有声学阻抗不匹配结构；
图11为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此间隔开叠置的温补层与电学层，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构；
图12为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中顶电极中设置有彼此直接叠置的温补层与电学层，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图。图1中，底电极中设置有直接叠置的温补层与电学层，且温补层覆盖电学层的顶面。
在图1中，附图标记表示如下：
10：基底，可选用单晶硅，砷化镓，石英，蓝宝石等材料。
20：声学镜，可采用空腔，布拉格反射层结构或其他等效声波反射结构。
30：底电极或底电极材料层，材料可选用钼、钌、钛、钨、铂、铱或锇，或上述金属的合金。
40：电学层，材料可选用铝、铜、金或银，或上述金属的合金。
50：温补层，材料可选用二氧化硅、掺杂二氧化硅(如F掺杂)。
60：压电层薄膜，材料可选氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料，也可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
70：顶电极或顶电极材料层，材料可选钼、钌、钛、钨、铂、铱或锇，或上述金属的合金。
在本发明中，在体波谐振器的一侧电极或双侧电极中加入了电学层40和温补层50的复合结构。在本发明中，温补层靠近压电层而电学层远离压电层，同时电学层与所在的电极中的电极材料层保持电学接触。
在本发明中，所有温补层在谐振器的厚度方向上与压电层间隔开，这表示最靠近压电层的温补层也与压电层之间存在电极材料。
在本发明的一个实施例中，电学层40的电阻率小于底电极30的电极材料层的电阻率。进一步的，所述电学层的电阻率不大于3.5x10-8 Ohm·m。
在本发明中，通过在电极中加入具有比电极材料层的电阻率小的电阻率的电学层，可以降低电极的电学阻抗，提高谐振器在串联谐振点及其附近的Q值。
在本发明的一个实施例中，电学层的电阻率也可以大于电极材料层的电阻率。
在图1所示的实施例中，彼此相邻层叠的温补层50与电学层40在谐振器的厚度方向上以一层直接覆盖另一层的方式叠置。在本发明中，“直接覆盖”表示两者以面接触的方式覆盖。
在图1所示的示例中，电极、温补层、电学层的声阻抗差距较大，因此电极-温补层以及温补层-电学层分别构成布拉格反射结构，这可以增强对声波反射，从而提高谐振器的在并联谐振点及其附近的Q值。
在本发明中，声波能量主要极中在压电层中，声波能量随着远离压电层而迅速减弱，因此电学层远离压电层可确保电学层引发的声损耗尽量小。尽管例如铝形成的电学层的声学损耗较大，但例如钼的电极材料层和例如二氧化硅的温补层会在电学层之前形成布拉格反射层，在声波遇到电学层发生反射之前，大部分能量会被上述布拉格结构反射回压电层中，从而减少了声波通过电学层引发的声学损耗。由于以上原因，电学层的较大声损耗基本不会恶化谐振器的Q值，而电学层的小电阻率会提高谐振器Q值。需要指出的是，只有温补层靠近压电层而电学层远离压电层的配合才可以达到上述效果；如果温补层远离压电层而电学层靠近压电层，谐振器的Q值恶化较严重，因为一方面较大声损耗的电学层距离压电层更近，另一方面电极和温补层形成的布拉格反射层并没有减少声波通过电学层引发的声学损耗。
在图1中，声学镜为空腔20，空腔20通常采用刻蚀剂(氢氟酸溶液或气态氢氟酸)去除填充在空腔20中的牺牲层材料(PSG)形成，由于例如钼的电极材料不与氢氟酸发生反应，因此采用以例如钼(或相似材料)的电极材料包裹例如由铝形成的电学层的结构可有效防止电学层受到刻蚀剂的损伤，从而确保谐振器的性能。
在图1中，可以看到，温补层50覆盖于电学层40的顶面而没有覆盖电学层40的端面。
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，图2中，除图1中的基本结构之外，电学层40和温补层50的边缘关系还可发生变化，用以调节边缘处的声学阻抗失配状态。在图2中，底电极中设置有直接叠置的温补层与电学层，且温补层覆盖电学层的顶面及端面。
图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有在厚度方向上彼此间隔开的温补层50与电学层40。换言之，在图3中，温补层50和铝层40之间保持一定间隙，并以电极材料层例如钼层填充该间隙。图3中的结构可构成更多的布拉格反射层：1)包含温补层50上方的钼层或电极材料层(高声阻)、温补层50(低声阻)以及温补层50下方的钼层(高声阻)；2)包含电学层40上方的钼层(高声阻)、电学层40(低声阻)以及电学层40下方的钼层(高声阻)，从而可更为有效的反射声波。
此外，在图3所示的结构中，夹在电学层40和温补层50之间的钼层可使声损耗系数较高的电学层40距离压电薄膜60更远，从而减小电学层带来的声损耗。换言之，所述温补层50与电学层40之间的钼层厚度需要大于温补层50与压电层60之间的钼层，这可以保证温补效果并优化电学性能。
图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层40的上下两侧分别设置有温补层50和51。
图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中设置了两层温补层50与51以及两层电学层40与41。
在另外的实施例中，还可根据技术指标对电学阻抗的要求，增大电学层的使用比重。图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层40的下侧作为底电极的下侧。在图6中，电学层40替代了前述实施例中底电极靠近空腔的电极材料层部分。由于图6所示的结构中，电学层40会直接暴露在刻蚀剂的作用之下，因此需要采用与电学层不发生反应(或反应可忽略)的刻蚀剂来替换氢氟酸。
也可以在空腔20和电学层40之间加入保护层35来确保电学层不受氢氟酸的腐蚀，这样可以避免工艺替换带来的成本增加。图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中电学层40的下侧作为底电极的下侧，且底电极的下侧与基底上侧之间设置有保护层35。
图1-7所示的实施例中，温补层与电学层设置在底电极中，但是如图12所示，其也可以设置在顶电极中。如图12所示，电学层40和温补层50置于顶电极中，其中顶电极70可以用钼制成，电学层40位于温补层50的上方，从而确保电学层40较温补层50距离压电层60更远。虽然没有示出，底电极与顶电极可以同时都设置有温补层与电学层。
图1-7中所示的体声波谐振器中也可以在电极的有效区域的边缘设置声学阻抗不匹配结构，图8-12示出了更为具体的实施例。其中；
图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此直接叠置的温补层50与电学层40，且顶电极的非引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。在图8中，声学阻抗不匹配结构包括了凸起80、凹陷90以及悬翼结构75。
图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此直接叠置的温补层50与电学层40，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。在图9中，声学阻抗不匹配结构包括了凸起80、凹陷90以及桥部结构76。
图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此间隔开叠置的温补层50与电学层40，且顶电极的非引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。在图10中，声学阻抗不匹配结构包括了凸起80、凹陷90以及悬翼结构75。
图11为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中底电极中设置有彼此间隔开叠置的温补层50与电学层40，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。在图11中，声学阻抗不匹配结构包括了凸起80、凹陷90以及桥部结构76。
图12为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部的截面示意图，其中顶电极中设置有彼此直接叠置的温补层50与电学层40，且顶电极的引脚端设置有声学阻抗不匹配结构。在图12中，声学阻抗不匹配结构包括了凸起80、凹陷90以及悬翼结构75。
在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
顶电极和/或底电极为温补层电极，所述温补层电极包括电极材料层、至少一层温补层和至少一层电学层，温补层与电学层在谐振器的厚度方向上叠置，且在温补层电极的厚度方向上，在所述温补层电极中温补层中的一层比所有电学层更靠近压电层，所述电学层与所述电极材料层形成电连接，所述电学层的电阻率不同于所述电极材料层的电阻率，所有温补层在谐振器的厚度方向上与压电层间隔开。
2、根据求1所述的谐振器，其中：
所述电学层的电阻率小于所述电极材料层的电阻率。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述电学层的电阻率不大于3.5x10-8 Ohm·m。
4、根据1所述的谐振器，其中：
所述电学层的材料包括铝、铜、金或银，或上述金属的合金。
5、根据4所述的谐振器，其中：
所述电极材料层的材料为钼、钌、钛、钨、铂、铱或锇，或上述金属的合金。
6、根据1-5中任一项所述的谐振器，其中：
所述电学层与所述温补层的声阻抗小于所述电极材料层的声阻抗。
7、根据6所述的谐振器，其中：
所述电极材料层的声阻抗大于30兆瑞利，进一步的，大于50兆瑞利。
8、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此相邻层叠的温补层与电学层在谐振器的厚度方向上以一层直接覆盖另一层的方式叠置。
9、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此相邻层叠的温补层与电学层在谐振器的厚度方向上由彼此间隔开。
10、根据9所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上彼此相邻层叠的温补层与电学层之间为电极材料。
11、根据权利要求10所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上彼此相邻层叠且靠近压电层的温补层与电学层之间的电极材料的厚度大于所述温补层与压电层之间的电极材料的厚度。
12、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
底电极为温补层电极，一个电学层的底侧构成所述底电极的底侧。
13、根据12所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔，所述谐振器还包括刻蚀保护层，所述保护层设置在所述一个电学层的底侧与基底的上侧之间且覆盖所述空腔；或
所述声学镜为声学镜空腔，所述一个电学层的底侧直接覆盖基底的上表面和所述空腔。
14、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述温补层电极包括一组或多组温补-电学层，每一组温补-电学层包括以在远离压电层的方向上的顺序布置的一个温补层和一个电学层；或
所述温补层电极包括一组或多组温补-电学层，每一组温补-电学层包括以在远离压电层的方向上的顺序布置的一个第一温补层、一个电学层和一个第二温补层。
15、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此叠置的温补层与电学层中作为覆盖层的一层覆盖另一层的顶面与端面；或
彼此叠置的温补层与电学层中作为覆盖层的一层仅覆盖另一层的顶面的至少一部分。
16、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述温补层和电学层在横向方向上的端部均位于有效区域的边缘的外侧。
17、根据16所述的谐振器，其中：
所述温补层和电学层在横向方向上的端部均位于声学镜的边缘的外侧。
18、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述顶电极和/或底电极在有效区域的边缘还设置有声学阻抗不匹配结构。
19、根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所有温补层中在谐振器的厚度方向上与压电层之间的距离在
的范围内。
20、一种滤波器，包括根据1-19中任一项所述的体声波谐振器。
21、一种电子设备，包括根据20所述的滤波器或者根据1-19中任一项所述的体声波谐振器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (21)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
顶电极和/或底电极为温补层电极，所述温补层电极包括电极材料层、至少一层温补层和至少一层电学层，温补层与电学层在谐振器的厚度方向上叠置，且在温补层电极的厚度方向上，在所述温补层电极中温补层中的一层比所有电学层更靠近压电层，所述电学层与所述电极材料层形成电连接，所述电学层的电阻率不同于所述电极材料层的电阻率，所有温补层在谐振器的厚度方向上与压电层间隔开。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述电学层的电阻率小于所述电极材料层的电阻率。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述电学层的电阻率不大于3.5x10-8Ohm·m。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述电学层的材料包括铝、铜、金或银，或上述金属的合金。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述电极材料层的材料为钼、钌、钛、钨、铂、铱或锇，或上述金属的合金。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的谐振器，其中：
所述电学层与所述温补层的声阻抗小于所述电极材料层的声阻抗。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述电极材料层的声阻抗大于30兆瑞利，进一步的，大于50兆瑞利。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此相邻层叠的温补层与电学层在谐振器的厚度方向上以一层直接覆盖另一层的方式叠置。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此相邻层叠的温补层与电学层在谐振器的厚度方向上由彼此间隔开。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上彼此相邻层叠的温补层与电学层之间为电极材料。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上彼此相邻层叠且靠近压电层的温补层与电学层之间的电极材料的厚度大于所述温补层与压电层之间的电极材料的厚度。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
底电极为温补层电极，一个电学层的底侧构成所述底电极的底侧。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔，所述谐振器还包括刻蚀保护层，所述保护层设置在所述一个电学层的底侧与基底的上侧之间且覆盖所述空腔；或
所述声学镜为声学镜空腔，所述一个电学层的底侧直接覆盖基底的上表面和所述空腔。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述温补层电极包括一组或多组温补-电学层，每一组温补-电学层包括以在远离压电层的方向上的顺序布置的一个温补层和一个电学层；或
所述温补层电极包括一组或多组温补-电学层，每一组温补-电学层包括以在远离压电层的方向上的顺序布置的一个第一温补层、一个电学层和一个第二温补层。
15.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
彼此叠置的温补层与电学层中作为覆盖层的一层覆盖另一层的顶面与端面；或
彼此叠置的温补层与电学层中作为覆盖层的一层仅覆盖另一层的顶面的至少一部分。
16.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述温补层和电学层在横向方向上的端部均位于有效区域的边缘的外侧。
17.根据权利要求16所述的谐振器，其中：
所述温补层和电学层在横向方向上的端部均位于声学镜的边缘的外侧。
18.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述顶电极和/或底电极在有效区域的边缘还设置有声学阻抗不匹配结构。
19.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所有温补层中在谐振器的厚度方向上与压电层之间的距离在
的范围内。
20.一种滤波器，包括根据权利要求1-19中任一项所述的体声波谐振器。
21.一种电子设备，包括根据权利要求20所述的滤波器或者根据权利要求1-19中任一项所述的体声波谐振器。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonators, filters and electronic equipment with temperature compensation layer and electrical layer Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20200915 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009022 |
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| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20200915 |
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