CN111630776A - 具有提高的品质因数的baw谐振器 - Google Patents
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Abstract
一种BAW谐振器包括中央区域(CA)、围绕中央区域的厚度dU小于中央区域的厚度dC的欠重叠区域(UL)、以及围绕欠重叠区域的厚度dF大于dC的框架区域(FR)。
Description
技术领域
本发明涉及具有改善的声学和电气特性的例如用于RF滤波器的BAW谐振器。
背景技术
BAW谐振器(BAW＝体声波)可以用于构建RF应用的带通或带阻滤波器，例如无线通信设备。这样的设备可以使用包括这样的谐振器的滤波器。通常，无线通信设备具有能量资源有限的能量源，并且省电电路是优选的。
BAW谐振器具有有源区，该有源区包括在底部电极与顶部电极之间具有压电材料的夹层构造。由于压电效应，如果RF信号被施加到谐振器电极，则这样的谐振器在RF信号与声波之间进行转换。
BAW谐振器从US 9,571,063B2和US 9,219,464B2中已知。
将声能保持在有源区的叠层内的一种方法是使用声反射镜。声布拉格反射镜被布置在谐振器的夹层构造与其上沉积有叠层的衬底之间。在夹层的顶部上，声阻抗从顶部谐振器层到环境空气的跳跃(leap)足以将声波完全反射回谐振器中。这样的谐振器被归类为SMR型BAW谐振器(牢固安装的谐振器)。
声布拉格反射镜包括具有交替的高声阻抗和低声阻抗的至少一对反射镜层。在当前的BAW谐振器中，反射镜层被选择以提供尽可能高的阻抗跳跃。钨一直是高阻抗反射镜层的理想选择，而氧化硅的可用性和相对较低的阻抗使SiO2成为优选的低阻抗反射镜层。
另一种类型的BAW谐振器使用在声有源区下方的气隙，以在有源区的叠层与气隙之间的界面处提供足够的声反射。气隙由叠层下方的衬底中的凹部形成。凹部通过薄膜被悬起以提供气隙。叠层布置在薄膜之上。这样的BAW谐振器被称为FBAR(薄膜体声谐振器)。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有进一步提高的品质因数Q的BAW谐振器。
这些和其他目的通过根据权利要求1的BAW谐振器得到解决。
可以从从属权利要求中得到其他的实施例和有利变化。
BAW谐振器通常包括衬底，衬底上布置有包括夹层的叠层。夹层由底部电极、压电层和顶部电极形成。
夹层被横向地构造以包括：具有厚度dC的中央区域，其中夹层的三个层彼此重叠；围绕中央区域的具有厚度dU的欠重叠区域；以及围绕欠重叠区域的厚度dF大于dC的框架区域。
已经发现，通过将欠重叠区域的厚度dU减小到小于中央区域的厚度dC，可以最小化或抑制通常导致寄生信号和BAW谐振器的能量损失的寄生模式的激发。
在BAW谐振器中，杂散模式以低于器件的基本谐振的频率耦合。通过适当地规定欠重叠区域的尺寸，可以实现有效的最小化。
作为另外的积极效果，这样的欠重叠区域增加了BAW谐振器的Q因数。
作为顶层，介电层可以覆盖BAW谐振器的整个表面。该层可以用作修整层，以设置确切的谐振频率并且补偿制造公差。此外，修整层也可以用于修整彼此之间在频率上略有偏移的串联谐振器和并联谐振器，因为形成梯型滤波器结构通常需要BAW谐振器。
相对于中央区域的厚度dC减小欠重叠区域的厚度dU的一种方法是减小介电层的厚度。因此，叠层的厚度也可以在中央区域和欠重叠区域上保持均匀。
为了充分抑制杂散模式，需要有效地减小欠重叠区域的厚度。然而，即使欠重叠区域改善了BAW谐振器的Q因数，介电层的太大的厚度减小也不利于谐振器性能。欠重叠区域中的介电层的厚度的减小要求其在中央区域中的厚度更高。如果介电层如通常那样是用于修整目的的SiN层，则由于SiN层本身的质量，电介质SiN层的较高厚度减小了BAW谐振器的Q因数。此外，中央区域的较高厚度导致叠层内的另一能量分布。然后，更多的能量被存储在顶部电极内，并且因此相对于能量集中在压电层内的分布，这导致更高的损耗。这是由于包括更多损耗材料的顶部电极的材料特性。
根据优选实施例，dU的厚度减小主要基于顶部电极或底部电极的厚度减小。当这样做时，可以在中央区域中以优化的不太高的厚度来设置电介质的均匀的层厚度。
在一个实施例中，底部电极和顶部电极之一包括AlCu的第一子层和W的第二子层。然后可以减小欠重叠区域中的底部或顶部电极的这些子层之一的厚度。这样的厚度减小可以在不对Q因数造成负面影响的情况下进行。
BAW谐振器的优选用途是用于RF滤波器。滤波器包括以梯型电路布置的串联谐振器和并联谐振器。如上所述，串联谐振器和并联谐振器中的每个可以被实施为具有欠重叠区域的BAW谐振器。
修整层可以由SiN层形成。在单个BAW谐振器内，修整层可以具有均匀的厚度。根据一个实施例，优选厚度是约60nm。然而，修整层的优选和优化厚度可以取决于相应谐振器的谐振频率来设置。
根据另一实施例，欠重叠区域中的SiN或介电层的厚度减小量为约25nm。为了抑制相对于谐振器的中心频率的特定杂散模式，可以在另一厚度减小量的情况下产生最佳效果。对于在另一层(例如，AlCu层)中使得欠重叠区域中的厚度减小的实施例，正是这种情况。
相对于整个谐振器的尺寸及其中心频率，必须优化欠重叠区域的其他尺寸，即，沿着谐振器的边缘区域的沟槽状结构的尺寸。例如，欠重叠区域沿着其整个周边可以具有恒定宽度，该宽度为约0.2μm至10.0μm，这可以取决于BAW谐振器的相应谐振频率。
除了所提到的特征，BAW谐振器可以体现为不直接与所提出的改进相抵消的其他有利配置。
BAW谐振器可以包括表示为可以并入器件中的外部挡板的结构。外部挡板可以由介电层或另一附加层形成，并且横向向外并且远离中央区域延伸，并且与谐振器的顶表面相隔一间隙。外部挡板由框架区域支撑。外部挡板被提供以平衡中央区域的振荡。
外部挡板的介电锚在有效谐振器区域外部或者以在工艺允许的范围内尽可能接近框架区域的边缘的方式附接到谐振器器件表面，并且延伸有限的长度，从而形成被称为外搭接(outer-lap)的特征。
此外，外搭接可以与谐振器的顶表面成与0°不同的角度。因此，外部挡板可以倾斜或直立，或者在极端情况下可以朝着中央区域向内倾斜地延伸。
在图案化介电层以形成上述特征的过程中，可以形成被标记为沟槽的特征，这表示在介电层、外搭接以及向下直到压电层的可选的外搭接中的沟槽。可以调节叠层的横向尺寸、其表面区域和介电延伸部，以进一步改善器件Q。
在下文中，将参考具体实施例和附图更详细地解释本发明。附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。为了更好地理解，可以以放大形式描绘一些细节。
附图说明
图1以横截面图示出了BAW谐振器，
图2示出了BAW谐振器，其中在顶部介电层中形成有欠重叠层，
图3示出了BAW谐振器，其中在顶部电极层中形成有欠重叠层，
图4示出了BAW谐振器，其中在底部电极层中形成有欠重叠层，
图5a至5e示出了通过带有欠重叠层的BAW谐振器的顶部部分的横截面以及外部挡板结构的各种可能实施例，
图6示出了形成滤波器电路的BAW谐振器的梯形布置，
图7示出了形成滤波器电路的BAW谐振器和无源LC元件的梯形布置，
图8示出了形成滤波器电路的BAW谐振器的格子型布置，BAW谐振器和无源LC元件形成滤波器电路。
具体实施方式
图1示出了通过具有一些附加特征的BAW谐振器的示意性横截面。本发明的改进的谐振器基于这种常规结构。
谐振器的叠层形成在例如硅的衬底SU上。也可以使用任何其他合适的刚性材料。为了隔离的目的，可以在Si本体的顶部上形成SiO2层。
接下来，利用来自两对反射镜层的两个反射镜M1、M2在衬底SU上形成和构造声布拉格反射镜(acoustic Bragg mirror)。在布拉格反射镜中，高阻抗层和低阻抗层是交替的。两个反射镜中的反射镜层的厚度可以略微不同，以产生不同的期望的反射带。高阻抗层可以包含W，低阻抗层可以包含SiO2。
接下来，底部电极BE由相对较薄的AlCu层和较厚的W层形成。在其上形成有例如AlN或AlScN的压电层PL。其厚度设置为期望的谐振频率的波长的约一半。
叠层中的所有上述层是相应区域的连续层，其略微扩展了在后的有效谐振器区域。
在压电层PL的顶部上，形成有例如SiO2的框架结构FRS，该框架结构FRS围绕谐振器的在后的中央区域CA。框架结构的厚度使得框架区域的表面具有比周围区域更高的高度。
在中央区域CA和框架结构FR上方，层的堆叠形成顶部电极TE和顶部介电层DL。
在框架结构FRS上方，沉积并且构造有一层薄的质量负载材料，该一层薄的质量负载材料在表面的被框架结构包围的一小部分之上延伸。电介质SiN可以覆盖谐振器的整个表面和压电层PL的相邻顶表面。
谐振器上方是谐振器在其中工作的真空或环境气氛。
图2以作为剖面的简化图示的形式示出了的BAW谐振器BR的实施例。围绕中央区域CA并且沿着中央区域CA的整个周边形成有欠重叠区域UL，在该欠重叠区域UL中，顶部电极TE和压电层PL的叠层的厚度dU相对于中央区域CA中的厚度dC减小了值Δd。框架区域FR沿着欠重叠区域UL的整个周边围绕欠重叠区域UL。框架区域由中间介电层IL(例如被构造为框架的SiO2层)形成。此外，可以通过在框架区域中的叠层的底层下方封闭气隙来提高框架区域中的表面高度。框架区域FR中的叠层的厚度dF大于中央区域CA中的厚度dC。如上所述，替代地或另外地，可以通过气隙或腔体来提高高度水平。
在该实施例中，在欠重叠区域UL中的叠层的减小的厚度dU是由顶部介电层DL的减小的厚度引起的。在图2的底部所示的剖面中，更详细地示出了介电层中的台阶。作为示例性示例，BAW谐振器BR的谐振频率在频带25内居中。然后，可以将中央区域CA中的介电层DL的优化厚度设置为约85nm。优化的欠重叠层包括约25nm的厚度减小Δd，以在欠重叠区域UL中使得介电层DL的厚度为约60nm。
欠重叠区域UL的宽度在单个区域内是恒定的，但是在沿着周边的不同区域之间可以不同。可以考虑3个周边区域：没有任何电极连接的周边区域；有底部电极连接的周边区域；有顶部电极连接的周边。宽度可以设置为约0.2μm至8.0μm。
对于其他实施例以及具有不同谐振频率的BAW谐振器，欠重叠区域的优化宽度和其高度减小Δd可以具有不同的值。然而，欠重叠区域中的介电层DL的优化的剩余厚度对于所有示例都是相同的并且被设置为约60nm，这是因为介电层DL层用作钝化层并且需要最小的剩余厚度以避免可靠性问题。
在图1中描绘了通过根据另一实施例的BAW谐振器的截面图。在例如硅的衬底SU中，形成有凹部RC。谐振器的叠层布置在凹部RC上方，并且从底部开始依次包括底部电极BE、压电层PL和顶部电极TE。底部电极BE覆盖凹部RC。在欠重叠区域UL中，叠层的厚度相对于中央区域CA被减小。框架区域围绕中央区域CA。可以选自顶部电极和介电层DL的叠层的至少一部分形成被称为外部挡板OF的横向延伸部，该横向延伸部在压电层的表面上方一定距离处远离中央区域。
在欠重叠区域UL中，顶部电极TE比在中央区域CA中薄。在重叠区域OL中，顶部电极TE比有源区AR厚。在此，外部挡板OF由金属制成并且从中央区域CA向外延伸。在顶部电极连接TC的区域中，在顶部电极TE与压电层PL之间可以形成声桥AB。顶部电极连接TC将顶部电极连接到滤波器的端子或另一BAW谐振器。
在图的左侧，底部电极向外延伸以形成底部电极连接BC。
介电层DL以恒定厚度被施加在顶部电极TE上方，但是不覆盖顶部电极的侧面或顶部电极连接TC(空气桥)的底侧。从图3的底部的剖面可以看出，在欠重叠区域UL中，顶部电极的厚度减小了Δd。
根据图4所示的实施例，在底部电极BE中使得欠重叠区域UL中的叠层的厚度减小Δd。上面剩余的堆叠层的厚度在BAW谐振器BR的整个区域上分别是恒定的。该示例可以用图1所示的布拉格反射镜或如图3所示的在衬底SU中的凹部上方悬挂的叠层来实施。
图5a至5e示出了通过具有欠重叠区域UL的BAW谐振器的顶部的横截面以及外部挡板结构OF的各种可能的实施例，该外部挡板结构OF可以在BAW谐振器处形成，以用于改善和形成期望的波模式以及用于平衡主要在中央区域CA中产生的振荡。
外部挡板结构OF可以由在框架结构FRS的边缘处的顶部电极层的延伸部形成。替代地，外部挡板结构OF由机械地固定到顶部电极TE的介电层形成。替代地，挡板结构FL可以是由例如SiN制成的顶部介电层的延伸部。外部挡板结构可以围绕整个谐振器区域。可以在顶部电极在其中延伸的终端区域(未示出)中省略外部挡板结构，以提供与相邻元件的电连接，该相邻元件可以是另一BAW谐振器或任何其他电路元件。
为简化起见，图5未区分或描绘出所示剖面中包含的不同材料。因此，尽管该结构不是均匀的材料，但它被描述为单一的。所描绘的结构包括顶部电极层TE、框架区域FR和顶部介电层DL。
图5A的挡板结构OF是向内指向中央区域的线性延伸部。
图5B的挡板结构OF是向上行进的线性延伸部。
图5C示出了外部挡板OF，该外部挡板向外行进以与表面围成0至90度之间的角度。
根据图5D，外部挡板OF从框架区域FR水平向外延伸。
图5E的外部挡板OF向外延伸，但是相对于表面倾斜。
挡板结构可以相对于谐振器的主模式的波矢量成一定角度被取向。该角度可以选自0°、45°、90°和135°。在这种情况下，当角度为45°时，挡板结构指向顶侧。当该角度等于135°时，挡板结构指向底侧。但是，其他角度也是可能的。该角度可以例如在0°至45°之间或在45°至90°之间或在90°至135°之间或在135°至180°之间。
图6至8示出了包括形成RF滤波器的谐振器的电路的示意性框图。如上所述的BAW谐振器可以有利地用于这些滤波器电路中。
图6示出了包括可以根据本发明来形成的串联BAW谐振器SRS和并联BAW谐振器BRP的梯形布置。在该实施例中，相应的串联BAW谐振器SRS和相应的并联BAW谐振器BRP形成梯形布置的基本部分BSLT。梯形布置包括多个基本部分BSLT，这些基本部分可以串联电路连接以实现期望的滤波器功能。
图7示出了混合滤波器的框图，该图以最少的元件数进行了描述。实际电路可以包括更多数目的这种结构。在图7的左侧，混合滤波器的第一部分电路包括串联阻抗元件IES和并联阻抗元件IEP。串联阻抗元件IES可以体现为电容器，并联阻抗元件IEP可以体现为线圈。
图的右部所示的第二部分电路包括至少一个串联BAW谐振器BRS和至少一个并联BAW谐振器BRP。在组合的滤波器电路中，如图6和7所示，第一和第二部分电路可以交替或以任意顺序布置。这种混合滤波器的精确设计可以根据期望的混合滤波器的要求来优化。这种优化可以由技术人员通过优化计算机程序容易地完成。
图8示出了包括串联BAW谐振器和并联BAW谐振器的BAW谐振器的格子型布置。与梯形布置相反，并联BAW谐振器BRP布置在将两个串联信号线与串联BAW谐振器BRS互连的并联支路中。并联支路以交叉装置电路连接，使得格子型布置BSLC的基本部分包括布置在两条不同信号线中的第一串联BAW谐振器SRS和第二串联BAW谐振器SRS、以及其中布置有相应并联BAW谐振器SRP的两个交叉电路连接的并联的分支。根据滤波器的要求，格子型滤波器可以包括更多数目的基本部分。
如图6至8所示的两个或更多个滤波器电路可以形成诸如双工器或多路复用器等组合滤波器。该滤波器可以在RF电路中用作带通、陷波或边缘滤波器。滤波器电路可以与未示出或未提及但本领域通常已知的其他电路元件组合。
仅通过有限数目的示例说明了本发明，但是本发明不限于这些示例。本发明由权利要求的范围限定，并且可以与所提供的实施例不同。尽管未明确示出或提及，但在可能的情况下，实施例中示出的特征可以应用于其他附图中示出的其他实施例。
附图标记清单
AB：空气桥
BC：底部电极连接
BE：底部电极
BR：BAW谐振器
BRP：并联谐振器
BRS：串联谐振器
BS：滤波器电路的基本部分
CA：中央区域
DL：介电层
FR：框架区域
IES、IEP：串联和并联阻抗元件
IL：介电中间层
M1、M2：布拉格反射镜的单个反射镜
OF：外部挡板
OL：重叠
PL：压电层
RC：衬底中的凹部
SU：衬底
TC：顶部电极连接
TE：顶部电极
UL：欠重叠区域
Δd：欠重叠区域中的厚度减小
Claims (10)
1.一种BAW谐振器，包括
-衬底(SU)，
-由以下各项形成的夹层：
-底部电极(BE)，
-压电层(PL)，
-顶部电极(TE)；
-介电层(DL)，覆盖所述BAW谐振器(BR)的整个表面；
其中所述夹层包括
-中央区域(CA)，其中所述夹层的三个层彼此重叠，
-欠重叠区域(UL)，围绕所述中央区域，所述欠重叠区域(UL)的厚度dU小于所述中央区域的厚度dC，
-框架区域(FR)，围绕所述欠重叠区域，所述框架区域(FR)的厚度dF大于dC。
2.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中所述欠重叠区域(UL)中的减小的厚度dU主要是由底部电极(BE)的减小的厚度和/或顶部电极(TE)的减小的厚度引起的。
3.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中底部电极(BE)和顶部电极(TE)之一包括AlCu的第一子层和W的第二子层，
其中这些子层之一的厚度在所述欠重叠区域(UL)中被减小。
4.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述底部电极(BE)在欠重叠区域中的厚度小于所述底部电极(BE)在所述中央区域中的相应厚度。
5.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述介电层(DL)在所述BAW谐振器(BR)的整个表面上具有均匀的厚度。
6.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
以梯型电路被布置的串联谐振器(BRS)和并联谐振器(BRP)，串联谐振器和并联谐振器中的每个被实施为如上所述的BAW谐振器；
其中所述介电层(DL)是修整层。
7.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述介电层(DL)是由SiN层形成的修整层，并且所述修整层的均匀厚度为约60nm。
8.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中相应电极的厚度在所述欠重叠区域(UL)中相对于所述中央区域(CA)被减小约15nm。
9.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述欠重叠区域(UL)的宽度为约0.2μm至8.0μm。
10.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中所述框架区域(FR)由布置在顶部电极(TE)与压电层(PL)之间的介电中间层(IL)形成。
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