CN112398459A - 气隙式膜体声谐振器 - Google Patents

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金炳宪
朴钟贤
高庸熏
金炯佑
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Abstract

公开一种气隙式膜体声谐振器(FBAR)，包括：基板，其包括具有顶表面的气隙部分，在该气隙部分中形成基板腔；下电极，其形成在所述基板上方，同时围绕所述气隙部分；压电层，其形成在所述下电极上方；以及上电极，其形成在所述压电层上方，对应于根据所述气隙部分的垂直投影形成的虚拟区域。这里，所述压电层包括在所述下电极和所述上电极之间具有压电腔的空隙部分，并且所述空隙部分形成在与所述上电极的端部相对应的边缘部分下方。

Description

气隙式膜体声谐振器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月19日提交的韩国专利申请No.2019-0101222的优先权和权益，其公开内容通过整体引用合并于此。
技术领域
本发明涉及无线电频带中的通信用的谐振器，更具体地，涉及气隙式膜体声谐振器(film bulk acoustic resonator,FBAR)。
背景技术
无线移动通信技术需要能够在有限的频带内有效地发送信息的各种射频(RF)组件。特别地，在RF组件中，滤波器是在移动通信技术中使用的基本组件之一，并且能够通过在多个频带中选择用户所需的信号或者对要发送的信号进行滤波来实现高质量通信。
目前，介电滤波器和表面声波(SAW)滤波器最常用作无线通信的RF滤波器。介电滤波器具有诸如高介电常数、低插入损耗、在高温稳定、高抗振性和高抗冲击性的优点。然而，介电滤波器在小型化和实现单片微波集成电路(MMIC)方面具有限制，而小型化和实现MMIC是技术发展的最新趋势。此外，SAW滤波器与介电滤波器相比具有小尺寸，容易处理信号，具有简单的电路，并且使用半导体工艺制造，以便促进大规模生产。而且，SAW滤波器具有发送和接收高级信息的优点，这是由于与介电滤波器相比，通带内的边侧抑制更高。然而，由于SAW滤波器工艺包括使用紫外线(UV)的曝光工艺，因此存在叉指式换能器(IDT)的线宽具有大约0.5μm极限的缺点。因此，存在不能使用SAW滤波器覆盖5GHz以上的超高频带的问题。基本上，难以在半导体基板上形成MMIC结构和单个芯片。
为了克服这些局限性和问题，提出一种膜体声谐振器(FBAR)滤波器，其与现有半导体(Si或GaAs)基板上的其它有源器件集成，以完全实现作为MMIC的频率控制电路。
FBAR是一种低成本、小尺寸、高品质系数的薄膜器件，可应用于900MHz至10GHz的各种频带的无线通信设备、军用雷达。此外，FBAR在尺寸上被减小为介电滤波器和集总常数(LC)滤波器的几百分之一，并且具有比SAW滤波器小得多的插入损耗。因此，很明显FBAR对于要求高稳定性和高质量系数的MMIC来说是最合适的器件。
FBAR滤波器是通过使用RF溅射法在作为半导体基板的硅(Si)或砷化镓(GaAs)上沉积作为压电介电材料的氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等来形成的，并且由于压电特性而引起谐振。即，通过在两个电极之间沉积压电膜并引起体声波，FBAR产生谐振。
到目前为止，已经研究了多种形式的FBAR结构。在膜式FBAR的情况下，在基板上沉积氧化硅膜(SiO2)，并且使用通过在基板的相对侧上各向同性蚀刻形成的腔来形成膜层。此外，在氧化硅膜上方形成下电极，通过使用RF磁控溅射在下电极上方沉积压电材料来形成压电层，并且在压电层上方形成上电极。
上述膜式FBAR具有由于所述腔而导致的介电损耗和功率损耗较小的优点。然而，膜式FBAR具有如下问题：由于硅基板的方向性，器件占据的面积大，以及由于后续封装工艺中的低结构稳定性而导致的损坏，产率降低。因此，近来，为了减少由膜引起的损耗和简化器件制造工艺，出现了气隙式FBAR和布拉格反射器式FBAR。
布拉格反射器式FBAR具有如下结构：通过在基板上的每隔一层上沉积具有高弹性阻抗差的材料来形成反射层，并且顺序地沉积下电极、压电层和上电极。这里，已经穿过压电层的弹性波能量不向基板传递，而是全部被反射层反射，从而产生有效的谐振。尽管布拉格反射器式FBAR在结构上是牢固的并且没有由弯曲引起的应力，但是难以形成具有精确厚度的四个或更多个反射层以用于全反射，并且制造需要大量时间和成本。
而在使用气隙而不是反射层将基板和谐振部隔离的结构的现有气隙式FBAR中，通过在硅基板的表面上执行各向同性蚀刻来实现牺牲层，并且通过化学机械抛光对该牺牲层进行表面抛光，然后顺序地沉积绝缘层、下电极、压电层和上电极，并且通过通孔去除牺牲层来形成气隙，从而实现FBAR。
直到现在，根据下电极的边缘区域的一部分中的电极梯度，原样使用在不同方向上而不是Z轴方向上生长的压电层本身。作为由此引起的问题，除了在作为期望的厚度方向的垂直方向上的声波分量之外，还在横向方向上产生声波。
因此，在一般的现有体声波(BAW)结构的情况下，使用框架结构来防止能量在横向上释放。即使框架结构被优化，在减少沿横向方向释放的能量方面也存在限制。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：韩国专利公开No.10-2004-0102390(2004年12月8日公开)
发明内容
本发明旨在提供一种气隙式膜体声谐振器(FBAR)，其能够使通过侧表面从FBAR逸出的能量最小化，并且能够改善谐振器的品质因数。
根据本发明的一个方面，提出一种气隙式FBAR，包括：基板，其包括具有顶表面的气隙部分，在该气隙部分中形成基板腔；下电极，其形成在所述基板上方，同时围绕所述气隙部分；压电层，其形成在所述下电极上方；以及上电极，其形成在所述压电层上方，对应于根据所述气隙部分的垂直投影形成的虚拟区域。这里，所述压电层包括在所述下电极和所述上电极之间具有压电腔的空隙部分，并且所述空隙部分形成在与所述上电极的端部相对应的边缘部分下方。
所述空隙部分可以是包括第一压电腔的第一空隙部分，在所述第一压电腔中形成开放的顶表面以部分地暴露所述边缘部分的底部，并且形成封闭的底表面以不暴露所述下电极的顶部。
在所述第一空隙部分中，从形成所述第一压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面可以与所述边缘部分的下部内部区域相交。而且，从形成所述第一压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面可以与所述基板腔的上部内部区域相交。
所述边缘部分的端面可以与所述第一另一侧虚拟表面间隔一定距离以上，使得可以部分地开放所述第一压电腔的顶部。
所述边缘部分可以是与形成所述上电极的其它电极结构相比具有相对更大电极厚度的电极结构。
所述压电层可以进一步包括具有第二压电腔的第二空隙部分，所述第二空隙部分被形成为与所述第一空隙部分间隔一定距离。
在所述第二压电腔中，可以形成有封闭的底表面以不暴露所述下电极的顶部，并且可以形成有开放的顶表面以开放其整个顶部。
在所述第二空隙部分中，从形成所述第二压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第二一侧虚拟表面可以与所述基板腔的上部内部区域相交。并且，从形成所述第二压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第二另一侧虚拟表面可以与所述气隙部分的一侧边界壁重合。
所述第一空隙部分或所述第二空隙部分的高度可以小于或等于所述压电层的厚度的一半。
所述第一空隙部分或所述第二空隙部分的横向宽度可以大于或等于通过所述压电层释放的能量波长的四分之一。
在所述压电层中，位于所述第一空隙部分或所述第二空隙部分下方的压电区域与其它位置处的压电区域相比可以具有相对高的声阻抗。
所述空隙部分可以是包括第三压电腔的第三空隙部分，在所述第三压电腔中形成封闭的顶表面以不暴露上电极的底部，并且形成开放的底表面以暴露所述下电极的顶部。
在所述第三空隙部分中，从形成所述第三压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面可以与所述边缘部分的端部重合。并且，从形成所述第三压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面可以与所述基板腔的上部内部区域相交。
所述压电层可以进一步包括具有第四压电腔的第四空隙部分，该第四空隙部分被形成为与所述第三空隙部间隔一定距离。
在所述第四压电腔中，可以形成有封闭的顶表面以不暴露所述上电极的底部，并且可以形成有开放的底表面以暴露所述下电极的顶部。
所述第三空隙部分或所述第四空隙部分的高度可以小于或等于所述压电层的厚度的一半。
所述第三空隙部分或所述第四空隙部分的横向宽度可以大于或等于通过所述压电层释放的能量波长的四分之一。
在所述压电层中，位于所述第三空隙部分或所述第四空隙部分上方的压电区域与其它位置处的压电区域相比可以具有相对高的声阻抗。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它目的、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加明显，其中：
图1是根据本发明第一实施例的气隙式膜体声谐振器(FBAR)的截面图；
图2是示出根据图1中所示的第一实施例的气隙式FBAR的主要部分的放大截面图。
图3是根据本发明第二实施例的气隙式FBAR的截面图；
图4是示出根据图3中所示的第二实施例的气隙式FBAR的主要部分的放大截面图；
图5是根据本发明第三实施例的气隙式FBAR的截面图；
图6是示出根据图5中所示的第三实施例的气隙式FBAR的主要部分的放大截面图；
图7是根据本发明第四实施例的气隙式FBAR的截面图；以及
图8是示出根据图7中所示的第四实施例的气隙式FBAR的主要部分的放大截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
提供本发明的实施例以向本领域普通技术人员更全面地解释本发明。本发明的实施例可以以多种形式变化，并且本发明范围不限于以下实施例。提供这些实施例以使本公开更加充分和完整，并且将本发明的概念完全传达给本领域技术人员。
本文中使用术语来解释特定实施例，但不意图限制本发明。如本文中所使用的，除非在上下文中另有明确定义，否则单数表达也包括复数表达。而且，如本文所使用的，术语“和/或”包括任何和所有组合或多个相关列出项中的一个。此外，在下文中，将参考附图来描述本发明，附图示意性地示出本发明的实施例。
图1是根据本发明第一实施例的气隙式膜体声谐振器(FBAR)100的截面图。
参照图1，根据第一实施例的气隙式FBAR 100包括基板110、气隙部分110-1、下电极120、压电层130和上电极140。当在下电极120和上电极140之间施加信号时，气隙式FBAR100以根据压电层130的厚度的固有振荡频率谐振，同时所输入的并且在两个电极之间传递的电能的一部分根据压电效应转换成机械能并且再次转换成电能。
基板110是半导体基板，并且可以使用一般的硅晶片。优选地，可以使用高电阻率硅基板(HRS)。可以在基板100的顶表面上形成绝缘层(未示出)。作为绝缘层，可以采用易于在基板100上生长的热氧化层，或者可以选择性地采用使用诸如化学气相沉积等的一般沉积工艺形成的氧化膜或氮化膜。
通过在基板110中形成基板腔、在基板腔上形成绝缘层、在绝缘层上方沉积牺牲层、通过蚀刻使绝缘层上方的牺牲层平坦化以及去除牺牲层来形成气隙部分110-1。这里，使用诸如多晶硅、原硅酸四乙酯、磷硅酸盐玻璃(PSG)等具有高表面粗糙度的材料形成牺牲层，并且使用这些材料的牺牲层容易形成或去除。作为示例，牺牲层可以采用具有高表面粗糙度的多晶硅。使用多晶硅的牺牲层容易形成或去除。特别地，可以在后续工艺中使用干法蚀刻来去除牺牲层。
下电极120形成在气隙部分110-1上方，其中牺牲层存在于基板腔中。下电极120是通过在基板110上方沉积某种材料并对所沉积的材料进行图案化而形成的。用于下电极120的材料包括诸如金属的一般导电材料，并且优选地，可以包括铝(Al)、钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)、钯(Pd)、钌(Ru)、铼(Re)和钼(Mo)中的一种。下电极120的厚度可以是10至1000nm。
在下电极120的上方形成有压电层130。可以通过在下电极120上方沉积压电材料并使所沉积的压电材料图案化来形成压电层130。作为一般的压电材料，有氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)。沉积方法包括射频磁控溅射方法、蒸发方法等。压电电极130的厚度可以是5至500nm。
压电层130可以包括下电极120和上电极140之间的空隙部分，在该空隙部分中形成有压电腔。这里，空隙部分可以形成在与上电极140的端部相对应的边缘部分下方。下面将详细描述空隙部分。
在压电层130的上方形成有上电极140。可以在压电层130上方对应于根据气隙部分110-1的垂直投影的虚拟区域形成上电极140。当在压电层130中形成空隙部分并且在其中形成牺牲层时，可以在牺牲层的一部分上方形成上电极140。可以通过在压电层130上方的特定区域中沉积用于上电极的金属膜并对所沉积的金属膜进行图案化来形成上电极140。可以使用与下电极120相同的材料、相同的沉积方法和相同的图案化方法来形成上电极140。上电极140的厚度可以是5至1000nm。
边缘部分140-1形成在上电极140的一侧的端部。边缘部分140-1可以是与包括在上电极140中的其它电极结构相比具有相对更大电极厚度的电极结构。边缘部分140-1对应于上电极140的边缘框架，并且执行阻挡能量通过侧表面部分逸出的功能。
同时，可以形成施加到上述下电极120、压电层130和上电极140的一部分的衬垫层。衬垫层用作保护下电极120、压电层130和上电极140的覆盖层。
下面将描述在压电层130中形成的空隙部分的详细特征。
图2是示出根据图1中所示的第一实施例的气隙式FBAR 100的主要部分的放大截面图。
参照图2，压电层130可以包括空气空间，即，在下电极120和上电极140之间具有第一压电腔的第一空隙部分130-1。
第一空隙部分130-1是通过以下方式形成的：通过蚀刻压电层130的顶部上的一些区域来形成第一压电腔、在第一压电腔上方沉积并平坦化牺牲层、在包括牺牲层的压电层130上方沉积上电极140、然后去除牺牲层。这里，牺牲层是使用诸如多晶硅、原硅酸四乙酯、磷硅酸盐玻璃(PSG)等具有优异表面粗糙度的材料形成的，并且使用这些材料的牺牲层容易形成或去除。
这里，第一空隙部分130-1可以形成第一压电腔，它是局部空气空间，上电极140的底部通过该局部空气空间被部分地暴露并且下电极120的顶部不被暴露。即，第一空隙部分130-1可以包括具有开放的顶表面OS和封闭的底表面CS的第一压电腔，开放的顶表面OS被形成为部分地暴露边缘部分140-1的底部，并且封闭的底表面CS被形成为不暴露下电极120的顶部。
在第一空隙部分130-1中，从形成第一压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面VS1可以与边缘部分140-1的下部内部区域相交，并且第一一侧虚拟表面VS 1与边缘部分140的下部内部区域相交的点P1可以位于边缘部分140-1的端部内侧。
在第一空隙部分130-1中，从形成第一压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面VS2可以与基板腔的上部内部区域相交，并且第一另一侧虚拟表面VS2与基板腔的上部内部区域相交的点P2可以位于气隙部分110-1中所包括的基板腔的上虚拟表面上。
边缘部分140-1的端面ES可以与第一另一侧虚拟表面VS2间隔一定距离以上，使得可以部分地开放第一压电腔的顶部。第一空隙部分130-1形成在与上电极140的端部相对应的边缘部分140-1下方。这里，由于边缘部分140-1没有围绕第一空隙部分130-1中的第一压电腔的整个顶表面，而是部分地围绕第一压电腔(例如，仅第一压电腔的一半)，所以第一空隙部分130-1可以部分地开放第一压电腔的顶部。这里，边缘部分140-1的端面ES与第一另一侧虚拟表面VS2之间的距离，即特定距离D，可以根据上电极140在第一空隙部分130-1上方的沉积面积而变化。
第一空隙部分130-1的高度H可以小于或等于压电层130的厚度T的一半。第一空隙部分130-1被形成为使得厚度在压电层130的各个区域中不同。即，压电层130的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2和第三压电区域AR3的厚度可以彼此不同。特别地，第二区域AR2可以具有减小了第一空隙部分130-1的高度那么多的厚度。第一空隙部分130-1的高度H被形成为小于或等于压电层130的厚度T的一半，以提供允许内部产生的热容易释放的最小厚度。
此外，第一空隙部分130-1的横向宽度可以是通过压电层130释放的能量的波长的四分之一。当将能量波长表示为λ时，第一空隙部分130-1的横向宽度的值可以是λ*(2N+1)/4(这里，N是大于或等于0的整数)。
同时，在压电层130中，位于第一空隙部分130-1下方的压电区域与位于不同位置的压电区域相比具有相对高的声阻抗。由于压电层130的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2和第三压电区域AR3的厚度彼此不同，因此在每个压电区域中声阻抗不同。即，随着压电层130的厚度减小，声阻抗增大。随着厚度增加，声阻抗减小。因此，在将压电层130的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3的声阻抗分别称为第一声阻抗I1、第二声阻抗I2、以及第三声阻抗I3的情况下，第一空隙部分130-1所处的第二压电区域AR2的第二声阻抗I2具有比第一声阻抗I1或第三声阻抗I3的阻抗值相对更大的阻抗值。此外，当将第一压电区域AR1和第三压电区域AR3的声阻抗彼此进行比较时，第一声阻抗I1具有比第三声阻抗I3更大的阻抗值。当用不等号表示其关系时，可以看出，声阻抗的大小顺序为I3<I1<I2。
由厚度变化引起的声阻抗的差异可以通过在横向方向上反射从压电层130逸出的压力波来防止声能被释放。即，由于第一压电区域AR1的第一声阻抗I1与第二压电区域AR2的第二声阻抗I2之间的差异，存在于第一压电区域AR1中的能量可与第二压电区域AR2的边界碰撞且返回到第一压电区域AR1，从而使从第一压电区域AR1逸出到第二压电区域AR2的能量最小化。此外，尽管一些能量从第一压电区域AR1逸出到第二压电区域AR2，但是由于第二压电区域AR2的第二声阻抗I2和第三压电区域AR3的第三声阻抗I3之间的差异，存在于第二压电区域AR2中的能量可与第三压电区域AR3的边界碰撞且返回到第二压电区域AR2，从而使从第二压电区域AR2逸出到第三压电区域AR3的能量最小化。
图3是根据本发明第二实施例的气隙式FBAR 200的截面图。
参照图3，根据第二实施例的气隙式FBAR 200包括基板210、气隙部分210-1、下电极220、压电层230和上电极240。当从外部向下电极220和上电极240之间施加信号时，气隙式FBAR 200以根据压电层230的厚度的固有振荡频率谐振。
这里，由于基板210、气隙部分210-1、下电极220和上电极240的特征与上文参照图1描述的基板110、气隙部分110-1、下电极120和上电极140的特征相同，因此将省略其详细描述。在下文中，将主要描述压电层230。
压电层230形成在下电极220上方。压电层230可以通过在下电极220上方沉积压电材料并使所沉积的压电材料图案化而形成。压电层230可以包括在下电极220和上电极140之间两个空隙部分，其中形成有压电腔。这里，两个空隙部分被称为第一空隙部分230-1和第二空隙部分230-2。
图4是示出根据图3中所示的第二实施例的气隙式FBAR 200的主要部分的放大截面图。
参照图4，压电层230可以包括两个空气空间，即，在下电极220和上电极240之间的具有第一压电腔的第一空隙部分230-1和具有第二压电腔的第二空隙部分230-2。
第一空隙部分230-1是通过以下方式形成的：通过蚀刻压电层230的顶部上的一些区域来形成第一压电腔，在第一压电腔上方沉积并平坦化牺牲层，在包括牺牲层的压电层230上方沉积上电极240，然后去除牺牲层。这里，由于第一空隙部分230-1的特征与图2中所示的第一空隙部分130-1的特征相同，因此将省略其详细说明，下面将对第二空隙部分230-2进行详细说明。
第二空隙部分230-1包括第二压电腔，该第二压电腔被形成为与第一空隙部分230间隔一定距离SD。第二空隙部分230-2的第二压电腔可以包括不暴露下电极220的顶部的封闭的底表面CS和暴露其整个顶部的开放的顶表面OS。
这里，从形成第二压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第二一侧虚拟表面VS3可以与形成气隙部分210-1的基板腔的上部内部区域相交。第二一侧虚拟表面VS3与基板腔的上部内部区域相交的点P3可位于形成气隙部分210-1的基板腔的上虚拟表面上。
而且，从形成第二压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第二另一侧虚拟表面VS4可以与气隙部分210-1的一侧边界壁重合。第二另一侧虚拟表面VS4与基板腔的上虚拟表面相交的点P4可以位于气隙部分210-1的一侧边界壁上。
与图2中所示的第一空隙部分130-1类似，第二空隙部分230-2的高度H可以小于或等于压电层230的厚度T的一半。在压电层230中形成第一空隙部分230-1和第二空隙部分230-2，使得压电层230的厚度在各个区域中不同。即，压电层230的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的厚度可以彼此不同。特别地，第二压电区域AR2和第四压电区域AR4可以具有减小了第一空隙部分230-1或第二空隙部分230-2的高度那么多的厚度。第一空隙部分230-1或第二空隙部分230-2的高度H被形成为小于或等于压电层230的厚度T的一半，以提供允许内部产生的热容易释放的最小厚度。
此外，第一空隙部分230-1或第二空隙部分230-2的横向宽度可以是通过压电层230释放的能量波长的四分之一。当将能量波长表示为λ时，第一空隙部分230-1或第二空隙部分230-2的横向宽度的值可以是λ*(2N+1)/4(这里，N是大于或等于0的整数)。
同时，在压电层230中，位于第一空隙部分230-1或第二空隙部分230-2下方的压电区域与位于不同位置的压电区域相比具有相对高的声阻抗。由于压电层230的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的厚度彼此不同，因此在每个压电区域中声阻抗不同。
在将压电层230的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的声阻抗分别称为第一声阻抗I1、第二声阻抗I2、第三声阻抗I3、第四声阻抗I4、和第五声阻抗I5的情况下，对应于第二压电区域AR2的第二声阻抗I2和对应于第四压电区域AR4的第四声阻抗I4具有比第一声阻抗I1、第三声阻抗I3或第五声阻抗I5的阻抗值相对更大的阻抗值。另外，当将第一声阻抗I1、第三声阻抗I3、和第五声阻抗I5彼此进行比较时，第三声阻抗I3具有比第一声阻抗I1或第五声阻抗I5相对更大的阻抗值，并且第一声阻抗I1具有比第五声阻抗I5相对更大的阻抗值。当用不等号表示其关系时，可以看出，声阻抗的大小顺序为I5<I1<I3<I2＝I4。
由压电层230的厚度变化引起的声阻抗的差异可以防止能量在横向方向上从压电层230逸出。
即，由于第一压电区域AR1的第一声阻抗I1与第二压电区域AR2的第二声阻抗I2之间的差异，存在于第一压电区域AR1中的能量可与第二压电区域AR2的边界碰撞且返回到第一压电区域AR1，从而使从第一压电区域AR1逸出到第二压电区域AR2的能量最小化。此外，尽管一些能量从第一压电区域AR1逸出到第二压电区域AR2，但是由于第二压电区域AR2的第二声阻抗I2和第三压电区域AR3的第三声阻抗I3之间的差异，存在于第二压电区域AR2中的能量可与第三压电区域AR3的边界碰撞且返回到第二压电区域AR2，从而使从第二压电区域AR2逸出到第三压电区域AR3的能量最小化。
此外，由于第三压电区域AR3的第三声阻抗I3与第四压电区域AR4的第四声阻抗I4之间的差异，存在于第三压电区域AR3中的能量可与第四压电区域AR4的边界碰撞并返回到第三压电区域AR3。由于第四压电区域AR4的第四声阻抗I4与第五压电区域AR5的第五声阻抗I5之间的差异，存在于第四压电区域AR4中的能量可与第五压电区域AR5的边界碰撞并返回到第四压电区域AR4，从而使从第四压电区域AR4逸出到第五压电区域AR5的能量最小化。
图5是根据本发明第三实施例的气隙式FBAR 300的截面图。
参照图5，根据第三实施例的气隙式FBAR 300包括基板310、气隙部分310-1、下电极320、压电层330和上电极340。当从外部向下电极320和上电极340之间施加信号时，气隙式FBAR 300以根据压电层330的厚度的固有振荡频率谐振。
这里，由于基板310、气隙部分310-1、下电极320和上电极340的特征与上文参照图1描述的基板110、气隙部分110-1、下电极120和上电极140的特征相同，因此将省略其详细描述。在下文中，将主要描述压电层330。
压电层330形成在下电极320上方。压电层330可以通过在下电极320上方沉积压电材料并使所沉积的压电材料图案化而形成。压电层330可以包括在下电极320和上电极340之间的空隙部分，其中形成有压电腔。这里，空隙部分将被称为第三空隙部分330-1。
图6是示出根据图5中所示的第三实施例的气隙式FBAR 300的主要部分的放大截面图。
参照图6，压电层330可以包括空气空间，即，在下电极320和上电极340之间具有第三压电腔的第三空隙部分330-1。
第三空隙部分330-1可以形成在压电层330的底部的一部分中。可以通过在下电极320上方沉积与第三压电腔对应的牺牲层，在所沉积的牺牲层上方沉积压电层330，然后去除第三压电腔的牺牲层来形成第三空隙部分330-1。
这里，第三空隙部分330-1可以形成作为局部空气空间的第三压电腔，通过该局部空气空间下电极320的顶部被部分地暴露并且上电极340的底部不暴露。即，第三空隙部分330-1可以包括第三压电腔，该第三压电腔包括被形成为不暴露上电极340的底部的封闭的顶表面和被形成为暴露下电极320的顶部的开放的底表面。
在第三空隙部分330-1中，从形成第三压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面VS 1可与上电极340的边缘部分340-1的端面重合。第一一侧虚拟表面VS1与边缘部分340-1的端面相交的点P1可以位于边缘部分340-1的边界壁上。
此外，在第三空隙部分330-1中，从形成第三压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面VS2可与基板腔的上部内部区域相交，并且第一另一侧虚拟表面VS2与基板腔的上部内部区域相交的点P2可以位于气隙部分310-1中所包括的基板腔的上虚拟表面上。
第三空隙部分330-1的高度H可以小于或等于压电层330的厚度T的一半。第三空隙部分330-1被形成为使得厚度在压电层330的各个区域中不同。即，压电层330的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2和第三压电区域AR3的厚度可以彼此不同。特别地，第二区域AR2可以具有减小了第三空隙部分330-1的高度那么多的厚度。第三空隙部分330-1的高度H被形成为小于或等于压电层330的厚度T的一半，以提供允许内部产生的热容易释放的最小厚度。
此外，第三空隙部分330-1的横向宽度可以是通过压电层330释放的能量波长的四分之一。当将能量波长表示为λ时，第三空隙部分330-1的横向宽度的值是λ*(2N+1)/4(这里，N是大于或等于0的整数)。
同时，在压电层330中，位于第三空隙部分330-1上方的压电区域与位于不同位置的压电区域相比具有相对高的声阻抗。由于压电层330的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2和第三压电区域AR3的厚度彼此不同，因此在每个区域中声阻抗不同。因此，在将压电层330的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3的声阻抗分别称为第一声阻抗I1、第二声阻抗I2、以及第三声阻抗I3的情况下，第三空隙部分330-1所处的第二压电区域AR2的第二声阻抗I2具有比第一声阻抗I1或第三声阻抗I3的阻抗值相对更大的阻抗值。此外，当将第一压电区域AR1和第三压电区域AR3的声阻抗彼此进行比较时，第一声阻抗I1具有比第三声阻抗I3更大的阻抗值。当用不等号表示其关系时，声阻抗的大小顺序为I3<I1<I2。由压电层330的厚度变化引起的声阻抗的差异可以防止能量在横向方向上从压电层330释放。
图7是根据本发明第四实施例的气隙式FBAR 400的截面图。
参照图7，根据第四实施例的气隙式FBAR 400包括基板410、气隙部分410-1、下电极420、压电层430和上电极440。当从外部向下电极420和上电极440之间施加信号时，气隙式FBAR 400以根据压电层430的厚度的固有振荡频率谐振。
这里，由于基板410、气隙部分410-1、下电极420和上电极440的特征与上文参照图1描述的基板110、气隙部分110-1、下电极120和上电极140的特征相同，因此将省略其详细描述。在下文中，将主要描述压电层430。
压电层430形成在下电极420上方。压电层430可以通过在下电极420上方沉积压电材料并使所沉积的压电材料图案化而形成。压电层430可以包括在下电极420和上电极140之间的两个空隙部分，其中形成有压电腔。这里，两个空隙部分被称为第一空隙部分430-1和第二空隙部分430-2。
图8是示出根据图7中所示的第四实施例的气隙式FBAR 400的主要部分的放大截面图。
参照图8，压电层430可以包括两个空气空间，即，在下电极420和上电极440之间的具有第三压电腔的第三空隙部分430-1和具有第四压电腔的第四空隙部分430-2。
第三空隙部分430-1可以形成在压电层430的底部的一部分中。可以通过在下电极420上方沉积与第三压电腔对应的牺牲层，在所沉积的牺牲层上方沉积压电层430，然后去除第三压电腔的牺牲层来形成第三空隙部分430-1。
这里，由于第三空隙部分430-1的特征与图6中所示的第三空隙部分330-1相同，因此将省略其详细说明，下面将对第四空隙部分430-2进行详细说明。
第四空隙部分430-2包括第四压电腔，该第四压电腔形成为与第三空隙部分430-1间隔一定距离SD。第四空隙部分430-2的第四压电腔可以包括不暴露上电极440的底部的封闭的顶表面CS和部分地暴露下电极420的顶部的开放的底表面OS。
这里，从形成第四压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第二一侧虚拟表面VS3可以与形成气隙部分410-1的基板腔的上部内部区域相交。第二一侧虚拟表面VS3与基板腔的上部内部区域相交的点P3可位于形成气隙部分410-1的基板腔的上虚拟表面上。
而且，从形成第四压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第二另一侧虚拟表面VS4可以与气隙部分410-1的一侧边界壁重合。第二另一侧虚拟表面VS4与基板腔的上虚拟表面相交的点P4可以位于气隙部分410-1的一侧边界壁上。
与图6中所示的第三空隙部分330-1类似，第四空隙部分430-2的高度H可以小于或等于压电层430的厚度T的一半。在压电层430中形成第三空隙部分430-1和第四空隙部分430-2，使得压电层430的厚度在各个区域中不同。即，压电层430的第一压电区域AR1、第二压电区域AR3、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的厚度可以彼此不同。特别地，第二压电区域AR2和第四压电区域AR4可以具有减小了第三空隙部分430-1或第四空隙部分430-2的高度那么多的厚度。第三空隙部分430-1或第四空隙部分430-2的高度H形成为小于或等于压电层430的厚度T的一半，以提供允许内部产生的热容易释放的最小厚度。
此外，第三空隙部分430-1或第四空隙部分430-2的横向宽度可以是通过压电层430释放的能量波长的四分之一。当将能量波长表示为λ时，第三空隙部分430-1或第四空隙部分430-2的横向宽度的值可以是λ*(2N+1)/4(这里，N是大于或等于0的整数)。
同时，在压电层430中，位于第三空隙部分430-1或第四空隙部分430-2上方的压电区域与位于不同位置的压电区域相比具有相对高的声阻抗。由于压电层430的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的厚度彼此不同，因此在每个区域中声阻抗不同。
在压电层430的第一压电区域AR1、第二压电区域AR2、第三压电区域AR3、第四压电区域AR4和第五压电区域AR5的声阻抗被分别称为第一声阻抗I1、第二声阻抗I2、第三声阻抗I3、第四声阻抗I4、和第五声阻抗I5的情况下，对应于第二压电区域AR2的第二声阻抗I2和对应于第四压电区域AR4的第四声阻抗I4具有比第一声阻抗I1、第三声阻抗I3或第五声阻抗I5的阻抗值相对更大的阻抗值。另外，当第一声阻抗I1、第三声阻抗I3、和第五声阻抗I5彼此进行比较时，第三声阻抗I3具有比第一声阻抗I1或第五声阻抗I5相对更大的阻抗值，并且第一声阻抗I1具有比第五声阻抗I5相对更大的阻抗值。当用不等号表示其关系时，可以看出，声阻抗的大小顺序为I5<I1<I3<I2＝I4。由压电层430的厚度变化引起的声阻抗的差异可以防止能量在横向方向上从压电层430释放。
如上所述，压电层包括至少一个空隙部分，以引起声阻抗的节距状态并使通过FBAR的侧表面释放的能量最小化。因此，由于可以增加品质因数并且空隙部分减小了与压电层接触的厚边缘部分140-1的面积，所以可以抑制由边缘部分140引起的杂散发生，并且可以补偿K2 eff值的减小。
根据本发明，通过使用形成在压电层中的压电腔引起声阻抗的节距状态而使通过FBAR的侧表面释放的能量最小化，可以增加品质因数。
此外，通过在压电层中形成压电腔，可以防止由于上电极的边缘部分的厚度增加而导致的K2 eff值减小。
此外，在使用根据本发明的谐振器的通信滤波器的情况下，品质因数增加，从而可以减少插入损耗，并且可以改善裙(skirt)特性。
上文已经描述了本发明的示例性实施例。本领域普通技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的本质特征的情况下进行修改。因此，所公开的实施例不应被认为是限制性的，而是描述性的。本发明的范围将在权利要求中示出，而不是在上述说明书中示出，并且在权利要求的等同范围内的所有差异都应当被视为包括在本发明中。

Claims (18)

1.一种气隙式膜体声谐振器，包括：
基板，其包括具有顶表面的气隙部分，在该气隙部分中形成基板腔；
下电极，其形成在所述基板上方，同时围绕所述气隙部分；
压电层，其形成在所述下电极上方；以及
上电极，其形成在所述压电层上方，对应于根据所述气隙部分的垂直投影形成的虚拟区域，
其中所述压电层包括在所述下电极和所述上电极之间具有压电腔的空隙部分，并且
其中所述空隙部分形成在与所述上电极的端部相对应的边缘部分下方。
2.根据权利要求1所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述空隙部分是包括第一压电腔的第一空隙部分，在所述第一压电腔中形成开放的顶表面以部分地暴露所述边缘部分的底部，并且形成封闭的底表面以不暴露所述下电极的顶部。
3.根据权利要求2所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述第一空隙部分中，从形成所述第一压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面与所述边缘部分的下部内部区域相交，并且
其中从形成所述第一压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面与所述基板腔的上部内部区域相交。
4.根据权利要求3所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述边缘部分的端面与所述第一另一侧虚拟表面间隔一定距离以上，使得部分地开放所述第一压电腔的顶部。
5.根据权利要求1所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述边缘部分是与形成所述上电极的其它电极结构相比具有相对更大电极厚度的电极结构。
6.根据权利要求2所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述压电层进一步包括具有第二压电腔的第二空隙部分，所述第二空隙部分被形成为与所述第一空隙部分间隔一定距离。
7.根据权利要求6所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述第二压电腔中，形成有封闭的底表面以不暴露所述下电极的顶部，并且形成有开放的顶表面以开放其整个顶部。
8.根据权利要求6所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述第二空隙部分中，从形成所述第二压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第二一侧虚拟表面与所述基板腔的上部内部区域相交，并且
其中从形成所述第二压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第二另一侧虚拟表面与所述气隙部分的一侧边界壁重合。
9.根据权利要求6所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述第一空隙部分或所述第二空隙部分的高度小于或等于所述压电层的厚度的一半。
10.根据权利要求6所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述第一空隙部分或所述第二空隙部分的横向宽度大于或等于通过所述压电层释放的能量波长的四分之一。
11.根据权利要求6所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述压电层中，位于所述第一空隙部分或所述第二空隙部分下方的压电区域与其它位置处的压电区域相比具有相对高的声阻抗。
12.根据权利要求1所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述空隙部分是包括第三压电腔的第三空隙部分，在所述第三压电腔中形成封闭的顶表面以不暴露上电极的底部，并且形成开放的底表面以暴露所述下电极的顶部。
13.根据权利要求12所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述第三空隙部分中，从形成所述第三压电腔的一侧边界壁垂直延伸的第一一侧虚拟表面与所述边缘部分的端部重合，并且
其中从形成所述第三压电腔的另一侧边界壁垂直延伸的第一另一侧虚拟表面与所述基板腔的上部内部区域相交。
14.根据权利要求12所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述压电层进一步包括具有第四压电腔的第四空隙部分，所述第四空隙部分被形成为与所述第三空隙部分间隔一定距离。
15.根据权利要求14所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述第四压电腔中，形成有封闭顶表面以不暴露所述上电极的底部，并且形成有开放的底表面以暴露所述下电极的顶部。
16.根据权利要求14所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述第三空隙部分或所述第四空隙部分的高度小于或等于所述压电层的厚度的一半。
17.根据权利要求14所述的气隙式膜体声谐振器，其中所述第三空隙部分或所述第四空隙部分的横向宽度大于或等于通过所述压电层释放的能量波长的四分之一。
18.根据权利要求14所述的气隙式膜体声谐振器，其中在所述压电层中，位于所述第三空隙部分或所述第四空隙部分上方的压电区域与其它位置处的压电区域相比具有相对高的声阻抗。
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