CN111082776B - 电极具有空隙层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
电极具有空隙层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有空隙层，空隙层的上侧具有上电极层，空隙层的下侧具有下电极层，所述空隙层在谐振器的厚度方向上设置于所述上电极层与下电极层之间，上电极层与下电极层在空隙层的两端彼此并联电连接；上电极层和下电极层中的一个电极层为具有在谐振器的厚度方向上远离上电极层和下电极层中的另一个电极层的弧度的弧形电极层。本发明还涉及一种具有上述谐振器的滤波器以及具有该滤波器或谐振器的电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者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。
电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。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。
通信技术的快速发展要求滤波器工作频率不断提高，例如5G通信频段(sub-6G)的频率在3GHz-6GHz,频率高于4G等通信技术。对于体声波谐振器和滤波器，高工作频率意味着薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度，要进一步减小；然而电极薄膜厚度的减小带来的主要负面效应为电学损耗增加导致的谐振器Q值降低，尤其是串联谐振点及其频率附近处的Q值降低；相应地，高工作频率体声波滤波器的性能也随着体声波谐振器的Q值降低而大幅恶化。
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；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有空隙层，空隙层的上侧具有上电极层，空隙层的下侧具有下电极层，所述空隙层在谐振器的厚度方向上设置于所述上电极层与下电极层之间，上电极层与下电极层在空隙层的两端彼此并联电连接；
上电极层和下电极层中的一个电极层为具有在谐振器的厚度方向上远离上电极层和下电极层中的另一个电极层的弧度的弧形电极层。
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俯视示意图；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中顶电极设置有空隙层，顶电极的上电极层向上凸起；
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中顶电极设置有空隙层，顶电极的下电极层向下凸出；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极均设置有空隙层，底电极的下电极层向下凸起；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极均设置有空隙层，底电极的上电极层向上凸起；
图6为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极设置有空隙层且该空隙层作为声学镜结构，底电极的上电极层向上凸起；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极和顶电极均设置有空隙层；
图8为间隙电极的上下电极层可能出现的接触的情况的示意图。
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俯视示意图。在图1中，各附图标记如下：
10：基底，可选材料为硅(高阻硅)、砷化镓、蓝宝石、石英等。
20：声学镜，在图2-5中为空腔20，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。
30：第一底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
36：电极引脚，材料与第一底电极相同。
31：第二底电极，材料选择范围同第一底电极30，但具体材料不一定与第一底电极30相同。
40：压电薄膜层，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。
50：第一顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
56：电极引脚，材料与第一顶电极相同。
60：位于顶电极之中的空气间隙，处于第一顶电极50和第二顶电极70之间。
70：第二底电极，材料选择范围同第一顶电极50，但具体材料不一定与第一顶电极50相同。
需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
空隙层可以设置在顶电极内，也可以设置在底电极内，或者设置在顶电极与底电极内。图1中示出了顶电极与底电极均设置空隙层的情形。
图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中顶电极设置有空隙层，顶电极的上电极层向上凸起。
如图2所示，该谐振器具有双层顶电极50和70(即第一顶电极50与第二顶电极70)，顶电极70覆盖顶电极50的整个上表面同时在非电极引脚侧和引脚侧与顶电极50上表面保持接触，从而在顶电极70和50之间形成空气间隙60。
当谐振器工作时，交变电场通过电极施加在压电层40上，由于声电能量耦合并相互转化，电极中会有电流通过，由于本实施例的顶电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向上方传导至位于顶电极中的空气间隙60和电极层50的界面时声波能量会被反射回压电层40(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入电极层70。本发明中含有空气间隙的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升串联谐振频率处及其附近Q值的提高)。另一方面，空气间隙对顶电极70起到了声学隔离作用，从而基本避免顶电极70对谐振器性能造成的负面影响(如谐振频率和机电耦合系数的改变)。
可选的，空气间隙的高度在
的范围内。进一步的，空气间隙的高度大于谐振器的典型振幅(约10nm)，例如空气间隙的高度在
的范围内，这有利于谐振器在大功率工作时顶电极70与谐振腔(此实施例为顶电极50、压电层40、底电极30组成的复合结构)的声学能量解耦。
图8为间隙电极的上下电极层可能出现的接触的情况的示意图。空气间隙结构，通常由沉积牺牲层，如磷硅玻璃(如PSG)结合液态刻蚀剂(如液态氢氟酸)或者气态刻蚀剂(如气态氢氟酸)并结合一定比例缓冲物质(如氟化铵)进行释放得到。在形成谐振器各结构层过程中，可能会在结构中堆积结构应力，此外，刻蚀剂与牺牲层反应过程中还会产生可观的热量从而形成热应力，因此，当牺牲层被刻蚀剂消耗掉之后，上述应力可能导致用于形成空气间隙的两层电极50和70发生贴合。当发生贴合时，在谐振器工作的情况下，声波能量会不断通过图8中的贴合界面CT从三明治结构中逸散到顶电极70中，导致Q值下降；同时，贴合状态还会形成形状不可控的阻抗失配区域，从而在谐振器中生成大量寄生模式；另外贴合状态还会形成质量负载导致谐振器频率偏移(频率下降)。因此，贴合有可能最终导致谐振器性能发生恶化。
图2的谐振器的顶电极具有空气间隙60，第一顶电极50(下电极层)和第二顶电极70(上电极层)位于空气间隙60两侧，其中，在应力的作用下第二顶电极70向上隆起并远离第一顶电极50，从而避免或降低与第一顶电极50贴合的可能。
因此，本发明提出一种基于应力形成的谐振器结构，在该结构中谐振器的电极层或三明治结构在应力的作用下发生弯曲，并使用于形成空气间隙的两侧电极相互远离对方，从而抑制或避免电极发生贴合。
本发明的间隙电极结构基于应力实现，无需附加材料和结构，一方面可以避免附加材料和结构对谐振器的声学性能造成负面影响，同时可降低材料成本并减少工序提高生产效率。
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中顶电极设置有空隙层，顶电极的下电极层向下凸出。图3的谐振器的顶电极具有空气间隙60，第一顶电极50和第二顶电极70位于空气间隙60两侧。其中，在应力的作用下第一顶电极50向下凹陷并远离第二顶电极70，从而避免或降低与第二顶电极70贴合的可能。
图4为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极均设置有空隙层，底电极的下电极层向下凸起。图4的谐振器底电极具有空气间隙61，第一底电极30和第二底电极31位于空气间隙61两侧。其中，在应力的作用下第一底电极30向下凹陷并远离第二底电极31，从而避免或降低与第二底电极31贴合的可能。
图5为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极均设置有空隙层，底电极的上电极层向上凸起。图5的谐振器底电极具有空气间隙61，第一底电极30和第二底电极31位于空气间隙61两侧。其中，在应力的作用下由第二底电极31、压电层40和顶电极50组成的三明治结构整体向上隆起并远离第一底电极30，从而避免第二底电极31和第一底电极30发生贴合。
图6为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极设置有空隙层且该空隙层作为声学镜结构，底电极的上电极层向上凸起。图6的谐振器结构中不再含有声学镜空腔20，而是利用空气间隙61反射声波。此外，由于第一底电极30与基底10的接触面积变大，在应力形变过程中可使第二底电极31更为稳固。
图7为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中底电极和顶电极均设置有空隙层。图7的谐振器结构中顶电极与底电极中分别含有空气间隙结构60和61，其中，第一底电极30和第二底电极31位于空气间隙61的两侧，而第一顶电极50和第二顶电极70位于空气间隙60两侧。在应力作用下，第一底电极30向下凹陷并远离第二底电极31，第二顶电极70向上隆起并远离第一顶电极50。
在本发明中，在体声波谐振器的顶电极和/或底电极中设置空隙层。位于电极中的空气间隙可有效的反射声波，大幅降低进入远离压电薄膜(或压电层)一侧的附加电极的声波能量，从而有效抑制或消除所述附加电极由于参与声学振动所带来的负面效应。另外，围成空气间隙的上下电极可以构成并联电路结构，这可有效降低谐振器的电学损耗，提高谐振器的Q值，尤其是串联谐振点及其附近频率处的Q值。
因此，附加电极(远离压电层的电极层)由于空气间隙的存在从而与谐振器谐振腔声学解耦(绝大部分声波在空气间隙处反射回谐振腔，不进入附加电极)，附加电极的存在和参数变化不影响谐振器除Q值外的其他关键参数(如谐振频率，机电耦合系数等)。
与空气间隙位于压电层和电极之间的结构相比，本发明由于避免了空气间隙带来的寄生串联电容，谐振器的机电耦合系数kt2不会恶化；与温度补偿夹层(如二氧化硅)位于两层电极中间的结构相比，本发明的空气间隙或真空间隙使得谐振器谐振频率不会变化，其他关键参数(Q值、机电耦合系数)不会恶化，串联谐振点及其附近频率处的Q值反而会得到提升。
在本发明中，设置了空隙层的电极为间隙电极。
在本发明中，当声学镜结构设置于基底中且底电极中并未设置空隙层时，谐振器的有效区域为顶电极、压电层、底电极与声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域。
在本发明中，在底电极中设置有空隙层时，谐振器的有效区域为顶电极、底电极、压电层和底电极的空隙层在谐振器的厚度方向上的重叠区域
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；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有空隙层，空隙层的上侧具有上电极层，空隙层的下侧具有下电极层，所述空隙层在谐振器的厚度方向上设置于所述上电极层与下电极层之间，上电极层与下电极层在空隙层的两端彼此并联电连接；
上电极层和下电极层中的一个电极层为具有在谐振器的厚度方向上远离上电极层和下电极层中的另一个电极层的弧度的弧形电极层。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述空隙层为空气间隙层或者真空间隙层。
3、根据1所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
5、根据1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述顶电极为间隙电极。
6、根据5所述的谐振器，其中：
所述上电极层为弧形电极层。
7、根据5所述的谐振器，其中：
所述下电极层为弧形电极层。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述底电极具有朝向声学镜空腔内凸出的弧形。
9、根据1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极。
10、根据9所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述下电极层为朝向声学镜空腔内凸出的弧形电极层。
11、根据9所述的谐振器，其中：
所述上电极层为朝向压电层凸出的弧形电极层。
12、根据11所述的谐振器，其中：
所述顶电极具有对应于上电极层的形状的弧形。
13、根据11所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
14、根据11所述的谐振器，其中：
所述空隙层构成所述声学镜。
15、根据1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述底电极和顶电极均为间隙电极；且
两个间隙电极的远离压电层的电极层均为远离压电层凸出的弧形电极层。
16、一种滤波器，包括根据1-15中任一项所述的体声波谐振器。
17、一种电子设备，包括根据16所述的滤波器或者根据1-15中任一项所述的谐振器。
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 (16)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有空隙层，空隙层的上侧具有上电极层，空隙层的下侧具有下电极层，所述空隙层在谐振器的厚度方向上设置于所述上电极层与下电极层之间，上电极层与下电极层在空隙层的两端彼此并联电连接；
上电极层和下电极层中的一个电极层为具有在谐振器的厚度方向上远离上电极层和下电极层中的另一个电极层的弧度的弧形电极层；
所述空隙层为气体介质间隙层或者真空间隙层。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述顶电极为间隙电极。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述上电极层为弧形电极层。
6.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述下电极层为弧形电极层。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述底电极具有朝向声学镜空腔内凸出的弧形。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述下电极层为朝向声学镜空腔内凸出的弧形电极层。
10.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述上电极层为朝向压电层凸出的弧形电极层。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述顶电极具有对应于上电极层的形状的弧形。
12.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
13.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述空隙层构成所述声学镜。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述底电极和顶电极均为间隙电极；且
两个间隙电极的远离压电层的电极层均为远离压电层凸出的弧形电极层。
15.一种滤波器，包括根据权利要求1-14中任一项所述的体声波谐振器。
16.一种电子设备，包括根据权利要求15所述的滤波器或者根据权利要求1-14中任一项所述的谐振器。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonator, filter and electronic equipment with electrode having gap layer Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210601 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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