CN112087216B - 具有声学孔的体声波谐振器及组件、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；底电极；压电层；顶电极；声学镜，其中：压电层包括压电第一层和压电第二层，顶电极与压电第一层的上表面接触，所述谐振器还包括第一插入层，第一插入层为金属插入层，在谐振器的厚度方向上，所述第一金属插入层设置在压电第一层与压电第二层之间；所述谐振器还包括多个声学孔，所述声学孔穿过所述顶电极且至少部分进入到压电第一层中。本发明还涉及一种上述体声波谐振器组件，一种滤波器以及一种电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种具有声学孔的体声波谐振器及其组件、一种具有谐振器或组件的滤波器，以及一种电子设备。
背景技术
随着5G通信技术的日益发展，对数据传输速率的要求越来越高。与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频系统的各种性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频系统和通信协议对于信噪比的要求。
传统的射频滤波器受结构和性能的限制，不能满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)作为一种新型的MEMS器件，具有体积小、质量轻、插入损耗低、频带宽以及品质因子高等优点，很好地适应了无线通信系统的更新换代，使FBAR技术成为通信领域的研究热点之一。
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。
现有技术中，已经提出在谐振器的顶电极上设置完整的质量负载来调整谐振器的频率。该质量负载对应的凸起或凹槽一般设置在顶电极上或者设置在顶电极上的钝化层上。这种方法中所采用的凸起或凹陷的厚度范围一般较小，因此，对频率的调整范围较小，且由于在凸起或凹陷结构边缘阻抗变化不明显从而导致对于谐振器的横向声波的抑制作用有限。
发明内容
为解决上述技术问题中的至少一个方面，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组件，包括：
基底；
底电极；
压电层；
顶电极；
声学镜，
其中：
压电层包括压电第一层和压电第二层，顶电极与压电第一层的上表面接触，所述谐振器还包括第一插入层，第一插入层为金属插入层，在谐振器的厚度方向上，所述第一金属插入层设置在压电第一层与压电第二层之间；
所述谐振器还包括多个声学孔，所述声学孔穿过所述顶电极且至少部分进入到压电第一层中。
本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器组件，包括：
在同一基底上设置的至少两个体声波谐振器，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个为上述的谐振器。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括上述体声波谐振器或组件。
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体声波谐振器或组件。
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示意性截面图；
图2为图1中的谐振器的俯视示意图；
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图4为图3中的谐振器的俯视示意图；
图5为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图6为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图7为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图8为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图9为图8中的谐振器的俯视示意图；
图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器组件的示意性截面图；
图11A和图11B分别为图10中的组件的左侧部分和右侧部分的示意性俯视图；
图12为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器组件的示意性截面图；
图13A和13B分别为图12中的组件的左侧部分和右侧部分的示意性俯视图。
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。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
10：基底，材料可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等，也可以是铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾等单晶压电基底等。
20：声学孔。
25：声学镜，具体结构可采用空气腔、真空腔，布拉格反射层或其他等效的声波反射结构。
30：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。
40：压电第二层，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、PZT等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。
50：第一金属插入层，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等材料，或者以上金属的合金材料。
60：压电第一层，可以选用用于压电第二层的材料，其可以与压电第二层的材料相同或不同，例如，压电第一层和压电第二层材料均可以选择氮化铝，或者二者可以选择不同浓度掺杂氮化铝，或者其他组合。
70：顶电极，可以选用用于底电极30的材料，顶电极的材料可与底电极30相同或不同。
80，85：工艺层或钝化层，其可以用于保护顶电极等不受外界环境侵蚀，或者可以用于对谐振器的频率进行微调，其材料可以包括多晶硅、氮化铝、二氧化硅、掺杂二氧化硅、碳化硅等。
90：第二金属插入层，可以选用用于第一金属插入层的材料，其材料可以与第一金属插入层相同或不同。
100：压电第三层，可以选用用于压电第二层的材料，其材料可以与压电第二层相同或不同。
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示意性截面图，图2为图1中的谐振器的局部俯视示意图(注意，谐振器的形状并不限于图中所示的矩形，也可以为多边形、圆形、椭圆形或其他任意不规则形状)。
如图1和2所示，在基底10上设置有底电极30、顶电极70、压电第二层40、压电第一层60以及空气腔25，同时在压电第一层和压电第二层之间有第一金属插入层50。所述顶电极、底电极和空气腔在厚度方向的重叠区域定义为谐振器的有效区域。在可选的实施例中，第一金属插入层50的边缘不限于如图1中所示的延伸至谐振器有效区域外侧整个压电层中的情况，第一金属插入层50的边缘在横向方向上至少跨过有效区域边缘向谐振器外侧延伸即可，进一步的，第一金属插入层50的边缘在横向方向上可以延伸到空气腔25的边缘外侧，再进一步的，第一金属插入层50的边缘在横向方向上可以延伸到底电极30的边缘外侧。在本发明中，金属插入层没有电学连接。在可选的实施例中，金属插入层50的厚度在
范围。
在该实施例中，由于在第一金属插入层50上再增加一层压电第一层60，从而在声学孔20穿过顶电极而进入到压电第一层60中时，该第一金属插入层50可以设定声学孔20的孔深(即避免或防止声学孔进一步刻蚀压电第二层40)，通过设定第一金属插入层50在压电层厚度方向的位置，即控制压电第一层和压电第二层之间的厚度比例，或者通过改变声学孔的排布密度及孔径，可以起到调节质量负载的效果。
整体而言，声学孔的深度越大、孔径越大、排布密度越大，谐振器的频率上升越多。
此外，相较于现有设计中形成质量负载的凸起或凹陷设置于顶电极上表面或者位于覆盖顶电极上表面的钝化层的上表面，在本发明的一个实施例中，本发明中声学孔20可以在谐振器横向方向上引入了周期排布的空气界面，由于空气具有接近于0的声阻抗值，因此，相比于传统基于凸起或凹陷结构的质量负载阵列能够产生一个较大的声阻抗不匹配界面，有利于声波在此界面全反射，进一步通过合理设置声学孔的孔径及周期，能够在每一个声学孔周围形成有效的能量势阱，从而有助于增强对横向声波的抑制作用，提高谐振器的Q值。
在本发明的可选实施例中，上述的压电第一层60与压电层总厚度(压电第一层60和压电第二层40的厚度和)之比在2％-95％的范围内，进一步的，在2％-50％的范围内，即压电第一层60的厚度小于压电第二层40的厚度。
此外，在本发明可选的实施例中，声学孔排布采用如图2所示的矩形阵列，则声学孔在横向和纵向方向上的周期间距为谐振器总厚度的0.1倍到10倍范围内，声学孔的孔径在0.1-10μm范围内，进一步的在0.1-5μm范围内。
在本发明中，声学孔可以采用光刻、刻蚀等工艺步骤形成，这里不再赘述。
在图1中，声学孔恰好刻蚀至第一金属插入层的上表面，即第一金属插入层并未被刻蚀，但是本发明也不限于此。图3为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图，图4为图3中的谐振器的俯视示意图。从图3可以看到，声学孔20已经部分刻蚀到第一金属插入层50内。
图5为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图。如图5所示，钝化层80覆盖顶电极70且钝化层的材料还填充了声学孔20。此外，未在图中示出的，可以采用其他低声阻抗材料(如二氧化硅)来填充声学孔20，再采用与填充材料所不同的其他钝化层材料覆盖在电极及声学孔表面。
图6为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图。如图6所示，钝化层85设置在顶电极70的上表面，但是，声学孔20也穿过钝化层85。
在以上的实施例中，压电层中仅设置一个金属插入层，但是本发明不限于此，也可以设置多个金属插入层。
图7为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图。从图7可以看出，谐振器的压电层中设置有第一金属插入层50以及第二金属插入层90，从而压电层被分为压电第一层60，压电第二层40以及压电第三层100。在图7中，声学孔20穿过第一金属插入层50而进入第二压电层40中。如能够理解的，声学孔20也可以进一步抵达而不刻蚀第二金属插入层90。此时，第一金属插入层50可以进一步起到调节谐振器Q值和机电耦合系数的作用，即通过调整第一金属插入层50的厚度以及第一压电层60与压电层总厚度(压电第一层、第二层和第三层的厚度之和)的比值。
在本发明的可选实施例中，上述的压电第一层60与压电总厚度之比在2％-80％的范围内，可选的，在2％-50％的范围内，压电第二层与压电总厚度之比在2％-80％的范围内，可选的，在2％-50％的范围内，可选的，压电第一层的厚度和压电第二层的厚度均小于压电第三层的厚度。
图8为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图，图9为图8中的谐振器的俯视示意图。如图8所示，声学孔20穿过压电第一层60，第一金属插入层50，压电第二层40而抵达或部分刻蚀第二金属插入层90。
需要指出的是，在图7-9所示的示例中，设置在顶电极70的上表面的钝化层的结构可以采用图5或图6的结构。这也在本发明的保护范围之内。
图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器组件的示意性截面图，图11A和11B分别为图10中的组件的左侧部分和右侧部分的示意性俯视图。
如图10-11B所示，该组件包括了在横向方向上并置的两个体声波谐振器。如图10所示，左侧的谐振器为常规的谐振器，其中并未设置金属插入层也没有设置声学孔来调整谐振器的谐振频率；右侧的谐振器为例如图6所示的结构的谐振器。如本领域技术人员能够理解的，右侧的谐振器可以为图1-9中所示的结构中的一个。
图12为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器组件的示意性截面图，图13A和13B分别为图12中的组件的左侧部分和右侧部分的示意性俯视图。在图12-13B中，组件包括并置的两个体声波谐振器，左侧的谐振器和右侧的谐振器均可以是类似于图6的结构，不同在于，声学孔20的大小或者声学孔的布置阵列有所不同。
需要指出的是，在图10和图12中未示出两个谐振器之间的电极连接关系，并省略了两个谐振器之间压电层、金属插入层的延展情况。两个谐振器可以具有任意电极连接关系或不具有电极连接关系。压电层和金属插入层可以在整个基底上延伸，也可以在谐振器外侧一定距离上刻蚀掉。
需要指出的是，在图12-13B所示的实施例中，两个谐振器中的一个可以为图1-9中所示的结构中的一个，另一个也可以为图1-9中所示的结构中的一个。
设置有声学孔和上述金属插入层的谐振器中，声学孔形成的阵列可有多种变化，可以是射线状排布、矩阵状排布、圆形排布等，此外，不同的谐振器，即使采用相同的声学孔排布以及相同的插入层与压电层的结构，该声学孔的深度也可以不同。如本领域技术人员能够理解的，声学孔的排布及尺寸需要结合谐振器工作频率段进行选择和设定，从而在满足质量负载调节的条件下，实现对特性频段横向声波的抑制，获得更高的Q值。
还需要指出的是，谐振器组件中包含的谐振器的数量不限于两个，也可以是更多个。
在本发明中，选择声学孔的深度(例如到达第一插入层还是到达第二插入层)，选择声学孔的孔径，声学孔的阵列形式，钝化层的设置方式(包括例如如图5所示的结构还是例如如图6所示的结构，以及包括不设置钝化层等)等，来调整不同的谐振器的谐振频率，从而为调整谐振器的谐振频率的调整量增加灵活性以及控制精度。
对于图10-13B所示的谐振器组件中，通过选择不同的谐振器设置，例如是否为根据本发明的图1-9所示的谐振器结构，通过调整或选择谐振器组件中的不同谐振器的声学孔阵列的布置形式，声学孔的孔径，声学孔的深度，以及钝化层的设置方式等，来调整或选择同一组件中，不同的谐振器的谐振频率。
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。
在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近该有效区域的中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离该有效区域的中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与该有效区域的中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离该中心。
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或其他半导体器件。
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；
底电极；
压电层；
顶电极；
声学镜，
其中：
压电层包括压电第一层和压电第二层，顶电极与压电第一层的上表面接触，所述谐振器还包括第一插入层，第一插入层为金属插入层，在谐振器的厚度方向上，所述第一金属插入层设置在压电第一层与压电第二层之间；且
所述谐振器还包括多个声学孔，所述声学孔穿过所述顶电极且至少部分进入到压电第一层中。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述压电第二层的下表面与底电极接触。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述压电第一层与压电第一层与压电第二层的总厚度之比在2％-95％的范围内。
4、根据1所述的谐振器，其中：
所述压电层还包括压电第三层，所述谐振器还包括第二插入层，第二插入层为金属插入层，压电第三层的下表面面对底电极的上表面；
第二金属插入层在谐振器的厚度方向上设置在压电第二层与压电第三层之间。
5、根据4所述的谐振器，其中：
所述压电第一层与压电层的总厚度之比在2％-80％的范围内，压电第二层与压电层的总厚度比在2％-80％的范围内。
6、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述声学孔抵达或者部分进入第一金属插入层。
7、根据4或5所述的谐振器，其中：
所述声学孔穿过压电第一层、第一金属插入层。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述声学孔抵达或者部分进入第二金属插入层。
9、根据1-8中任一项所述的谐振器，其中：
顶电极的上表面还设置有钝化层，所述声学孔穿过所述钝化层。
10、根据1-8中任一项所述的谐振器，其中：
顶电极的上表面还设置有钝化层，且所述钝化层覆盖所述声学孔。
11、根据10所述的谐振器，其中：
形成钝化层的材料至少部分填充所述声学孔。
12、根据1-11中任一项所述的谐振器，其中：
所述金属插入层至少延伸至谐振器的有效区域的外侧。
13、根据12所述的谐振器，其中：
所述金属插入层延伸过整个压电层。
14、一种体声波谐振器组件，包括：
在同一基底上设置的至少两个体声波谐振器，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个为根据1-13中任一项所述的谐振器。
15、根据14所述的组件，其中：
所述至少两个体声波谐振器包括第一体声波谐振器和第二体声波谐振器；
第一体声波谐振器和第二体声波谐振器均为或者仅一个为根据1-13中任一项所述的谐振器。
16、根据15所述的组件，其中：
第一体声波谐振器和第二体声波谐振器均为根据1-13中任一项所述的谐振器；
第一体声波谐振器的声学孔和第二体声波谐振器中的声学孔的孔径不同，和/或第一体声波谐振器的声学孔形成的阵列布置和第二体声波谐振器中的声学孔形成的阵列布置彼此不同，和/或第一体声波谐振器的声学孔和第二体声波谐振器中的声学孔的深度不同，和/或第一体声波谐振器的金属插入层和第二体声波谐振器中的金属插入层位置不同，和/或第一体声波谐振器的金属插入层和第二体声波谐振器中的金属插入层厚度不同。
17、一种滤波器，包括根据1-13中任一项所述的体声波谐振器，或者根据14-16中任一项所述的体声波谐振器组件。
18、一种电子设备，包括根据17所述的滤波器或根据1-13中任一项所述的体声波谐振器，或者根据14-16中任一项所述的体声波谐振器组件。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
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 (18)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
底电极；
压电层；
顶电极；
声学镜，
其中：
顶电极、底电极、压电层和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域；
压电层包括压电第一层和压电第二层，顶电极与压电第一层的上表面接触，所述谐振器还包括第一金属插入层，在谐振器的厚度方向上，所述第一金属插入层设置在压电第一层与压电第二层之间，所述第一金属插入层在横向方向上延伸过所述有效区域；且
所述谐振器还包括多个声学孔，所述声学孔穿过所述顶电极且至少部分进入到压电第一层中。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述压电第二层的下表面与底电极接触。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述压电第一层与压电第一层与压电第二层的总厚度之比在2%-95%的范围内。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述压电层还包括压电第三层，所述谐振器还包括第二金属插入层，压电第三层的下表面面对底电极的上表面；
第二金属插入层在谐振器的厚度方向上设置在压电第二层与压电第三层之间。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述压电第一层与压电层的总厚度之比在2%-80%的范围内，压电第二层与压电层的总厚度比在2%-80%的范围内。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述声学孔抵达或者部分进入第一金属插入层。
7.根据权利要求4或5所述的谐振器，其中：
所述声学孔穿过压电第一层、第一金属插入层。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述声学孔抵达或者部分进入第二金属插入层。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
顶电极的上表面还设置有钝化层，所述声学孔穿过所述钝化层。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
顶电极的上表面还设置有钝化层，且所述钝化层覆盖所述声学孔。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
形成钝化层的材料至少部分填充所述声学孔。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述第一金属插入层至少延伸至谐振器的有效区域的外侧。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述第一金属插入层延伸过整个压电层。
14.一种体声波谐振器组件，包括：
在同一基底上设置的至少两个体声波谐振器，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个为根据权利要求1-13中任一项所述的谐振器。
15.根据权利要求14所述的组件，其中：
所述至少两个体声波谐振器包括第一体声波谐振器和第二体声波谐振器；
第一体声波谐振器和第二体声波谐振器均为或者仅一个为根据权利要求1-13中任一项所述的谐振器。
16.根据权利要求15所述的组件，其中：
第一体声波谐振器和第二体声波谐振器均为根据权利要求1-13中任一项所述的谐振器；
第一体声波谐振器的声学孔和第二体声波谐振器中的声学孔的孔径不同，和/或第一体声波谐振器的声学孔形成的阵列布置和第二体声波谐振器中的声学孔形成的阵列布置彼此不同，和/或第一体声波谐振器的声学孔和第二体声波谐振器中的声学孔的深度不同，和/或第一体声波谐振器的第一金属插入层和第二体声波谐振器中的第一金属插入层位置不同，和/或第一体声波谐振器的第一金属插入层和第二体声波谐振器中的第一金属插入层厚度不同。
17.一种滤波器，包括根据权利要求1-13中任一项所述的体声波谐振器，或者根据权利要求14-16中任一项所述的体声波谐振器组件。
18.一种电子设备，包括根据权利要求17所述的滤波器或根据权利要求1-13中任一项所述的体声波谐振器，或者根据权利要求14-16中任一项所述的体声波谐振器组件。
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