CN112673571A - 具有集成在布拉格镜的高阻抗层中或谐振器下方的附加高阻抗金属层中的线圈的baw谐振器 - Google Patents

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Abstract

提出通过将在布拉格镜的高阻抗层(HI)中或布拉格镜下方的附加金属层中实现的平面线圈(WG1，WG2)与SMR BAW谐振器进行电路连接来提高SMR BAW谐振器的带宽。

Description

具有集成在布拉格镜的高阻抗层中或谐振器下方的附加高阻 抗金属层中的线圈的BAW谐振器
宽带滤波器应用要求谐振器具有高的极零距离(PZD，pole zero distance)，即主谐振或串联谐振频率与平行或反谐振频率之间的频率间距。极零距离PZD与有效压电耦合直接相关，并且因而与固有材料特性和谐振器组成的层叠结构直接相关。特别是5G应用(第五代无线系统)需要的带宽远远超过了典型梯形滤波器设计中使用的当前的微声谐振器所能实现的带宽。因此，需要采用非标准的拓扑结构，其在许多情况下需要许多电感器，这些电感器通常与微声谐振器串联或并联。
为了扩大BAW谐振器的极零距离(PZD)，可以将电感器串联添加。因此，串联谐振可以被移到较低的频率位置。备选地，通过使用并联电感器，并联谐振或反谐振可以被移到较高的频率位置。通常情况下，这些电感器被作为外部元件(如SMD，POG)来实现，可以在片上布置在BAW谐振器附近。因此，这些外部元件需要额外的空间。备选地，线圈可以集成在BAW谐振器被安装到或封装到的层压板或封装体内。
本申请的一个目的在于，以紧凑方式、利用最小互连长度来实现如电感和微声谐振器的集总元件的组合。
权利要求1的BAW谐振器满足了这一目的和其它目的。这种BAW谐振器的有利特征和实施例由从属权利要求给出。
SMR(固态安装式谐振器)型的BAW谐振器包括衬底、布拉格镜、底电极、压电层和顶电极。布拉格镜用于将声能保持在谐振器内部，并且包括交替的高声阻抗镜层和低声阻抗镜层。利用一对镜层可实现基本反射效果。有利的是，使用两对镜层或数量不均的镜层来将声波完全反射回谐振器。
提出了在高阻抗镜层中或在布置于衬底与布拉格镜之间的附加金属层中，将电感器实现为有源谐振器区域下方的平面线圈。为了实现足够的反射，至少存在两个高阻抗层。
平面线圈被电连接到谐振器，即，谐振器的电极中的至少一个电极。
这样的方案仅具有最小的空间消耗，因为将平面线圈集成到已经存在的类似层的堆叠中很容易，并且可以使用协同效应。形成高阻抗镜层的结构也是必要的，并且因此，形成平面线圈的结构可以相同的方式进行。
BAW谐振器包括至少两个高阻抗镜层。如果从这些层中的一个层来构造线圈，则可以有利地利用如此产生的高声阻抗材料的线圈的反射效果。
然而，优选的是，使用至少一对或两对完整的镜层而不具有线圈，并且将线圈布置或构造在附加金属层中。该附加金属层可以是高阻抗层，并且可以包括与高阻抗镜层相同的材料。因而，制造工艺变得更简单。
但是，如果上面的布拉格镜的整个镜层的反射效果足够高，则可以将具有任何声阻抗的任何其他导电金属用于附加金属层。高阻抗镜层以及其中构造有线圈的金属层被嵌入低阻抗电介质材料中。因此，平面线圈对谐振器的声学没有不利影响，并且因此对谐振器的Q因子没有不利影响。
根据一个实施例，BAW谐振器包括两个附加的金属层，在该两个附加金属层中形成有相应的第一平面线圈和第二平面线圈。第一平面线圈和第二平面线圈被彼此串联地电路连接。这可以通过由垂直穿孔例如过孔来连接形成线圈的两个绕组中的每个绕组的相应第一端而实现。相应的其他第二端被用于经由谐振器的电极中的至少一个电极来将线圈串联或并联连接到谐振器。这些连接也可以通过相应的过孔实现。过孔被引导穿过镜层。优选地，过孔被形成在有源谐振器面积之外的位置。有源谐振器区域被定义为其中底电极、压电层和顶电极彼此重叠的区域。有源谐振器面积被定义为有源谐振器区域被法向投影到衬底的顶表面时的面积。如果过孔被布置在有源谐振器面积之外，则不会与谐振器发生声交互，并且因此不会产生不利影响。
平面线圈是平面绕组，该平面线圈具有在绕组中间的第一端、和第二端。第一端通过第一过孔连接到谐振器的第一电极，并且平面线圈的第二端通过第二过孔连接到谐振器的第二电极。第一电极和第二电极选自底电极和顶电极。
如果线圈包括两个平面绕组，则优选地在具有中间电介质的情况下将一个绕组直接布置在另一个绕组之上。然后，通过利用过孔连接两个绕组的第一端，将两个绕组串联耦合并且电路连接。优点在于，在绕组的相应外围处的第二端可以容易地通过第一过孔和第二过孔或通过插入向外引导的导线而直接耦合到从底电极和顶电极中选择的第一电极和第二电极。因此，过孔被定位于有源谐振器面积之外。
针对比电磁特性要求更高的最佳声学性能，BAW谐振器的层堆叠的材料特性和层厚度被很好的控制。使用与图案化高阻抗镜层所需的光刻步骤相同的光刻步骤来成形电感器(即平面线圈)。高阻抗镜层的面积可以被限于有源谐振器面积，使得相邻谐振器的镜层彼此电隔离，从而避免这些谐振器之间的EM串扰，否则这些串扰将最终降低滤波器的选择性。
与需要实现和耦合外部集总元件的其他方案和工艺(例如集成到层压板中或实施为PoG(玻璃上无源器件))相比，所提出的BAW谐振器的制造只需要较低的工艺变化。
布拉格镜以及电极、压电层和封装体(如果需要)可以根据本领域实施，因为这些组件并不与所提出的平面线圈交互。高阻抗层的材料可包括选自W和Mo的高阻抗金属。作为低阻抗和电介质层的材料，二氧化硅由于其经证实的特性和易于处理而成为优选选择。
与此无关，谐振器的电极的材料可以从包括W和Mo的组中选择。如果将相同的金属用于镜层和电极，则可以简化整个层堆叠的制造。然而，钼Mo或Al的较好导电性可使Mo或Al成为电极的优选选择。如果以高阻抗镜层为目标，则鉴于钨W的更高阻抗，可优选钨W。
压电层可由AlN组成。但是，也可以使用掺杂有Sc的ZnO和AlN。
在顶电极的顶部可以沉积SiN的钝化层。如有必要，机械稳定的封盖可以完成BAW谐振器。这样的封盖可以包括在顶表面上整体形成的封盖层，从而在有源谐振器区域之上保持充满空气的空腔。该空腔可以作为牺牲层被预先形成，该牺牲层被构造为使得牺牲材料仅保留在封盖层下方的空腔中需要保护的表面面积上。通过在封盖层中制成的释放孔，在沉积封盖层并去除经构造后的牺牲层的材料之后，可以释放空腔。
根据现有技术，BAW谐振器主要被用于通过以梯形布置将此类谐振器进行电路连接来创建RF滤波器。这种布置的谐振器通过顶电极连接和/或底电极连接而被串联和并联地电路连接。根据滤波器必须考虑的规格，需要通过将电感器耦合到所提出的谐振器来调整谐振器的带宽。在滤波器电路中，可以在一个滤波器管芯内、即在单个衬底芯片上，实现至少与BAW谐振器一样多的电感器。
可以采取措施避免同一芯片上的不同谐振器之间的串扰。为此，可以将金属层接地，以在垂直方向上屏蔽线圈。一种设置在有源谐振器面积外围的长过孔栅栏可以在水平方向上屏蔽线圈。
在下文中，将参照优选实施例和附图更详细地解释本发明。这些附图只是示意图，没有按比例绘制。因此，无论是相对的还是绝对的几何参数都不能从附图中提取。
图1示出了具有两个高阻抗绕组的BAW谐振器。
图2A和图2B示出了3D线圈的两个绕组的不同互连方式。
图3A和3B示出了将BAW谐振器和电感器互连的两种可能性。
图4示出了具有布拉格镜和两个附加金属层(每个金属层包括绕组)的BAW谐振器。
图5示出了具有布拉格镜和一个附加金属层(包括绕组)的BAW谐振器。
图6示出了线圈的电感与线圈的间距和宽度的依赖关系。
图7示出了与具有不同电感值的电感器并联地电路连接的BAW谐振器的阻抗。
图8示出了与具有不同电感值的电感器串联地电路连接的BAW谐振器的阻抗。
图1示出了SMR型的BAW谐振器的示意性横截面。在例如硅的衬底SU上形成布拉格镜BM。底电极BE、压电层和顶电极TE在布拉格镜上方形成为三明治结构。底电极BE例如由Mo制成，压电层例如由AlN制成且可掺杂有例如Sc，顶电极TE例如由Mo制成。布拉格镜包括例如由W制成的两个高阻抗层HI，每个高阻抗层嵌入SiO2制成的低阻抗层LI中。因此，五个镜层或2.5个镜层对形成声反射器。
高阻抗层HI中的至少一个高阻抗层HI包括平面线圈，该平面线圈在该高阻抗层HI中被构造为绕组WG。图1示出了两个绕组WG1、WG2，这两个绕组通过第三过孔V3彼此串联地电路连接，第三过孔V3连接每个绕组WG1、WG2相应中间的第一端B和C。下部的第一绕组WG1的第二端D(即，下端)通过第二过孔V2连接到底电极BE。上部的第二绕组WG2的第二端A通过第一过孔V1耦合到顶电极TE。由此，谐振器与平面线圈WG1和WG2并联地电路连接(也参见图3A)。
有源谐振器区域AR是三明治结构的所有三层彼此重叠的区域。只有在有源谐振器区域AR中，AR声波才能被激发和传播。
绕组被布置在有源谐振器区域AR下方。根据平面线圈所需的电感，绕组WG占据的面积可能小于有源谐振器区域AR，在极端情况下，绕组WG占据的面积可能等于有源谐振器区域AR，或延伸到有源谐振器区域AR上方。在所有高阻抗层HI的情况下，绕组被形成为用作镜层且具有的相应厚度约为声波波长的四分之一。
图2A和图2B示出了将形成3D线圈的两个绕组WG1和WG1互连的不同方式。第二绕组WG2被示为顶部绕组。它具有第一端B和第二端A。第一绕组WG1具有第一端C和第二端D。
当将图2A中的两个绕组经由其相应中间的第一端B、C而互连并且在第二端A、D上施加电信号时，第一方向的磁场由第一绕组形成，并且与第一方向相反的第二方向的磁场在第二绕组上建立并通过第二绕组。如果两个绕组WG具有相同的尺寸，则两个绕组中的两个磁场可以部分补偿。补偿的场可有利于避免绕组与布置在所述谐振器附近的其它谐振器的磁耦合。
根据与声学谐振器的电路连接(串联、并联)和所需的电感器值，可以决定是使用“辅助”电感器还是使用“相反”电感器。此外，电感器的设计可能取决于尺寸限制和与声学谐振器的最佳集成。
图2B与图2A的不同之处在于，底部绕组的旋转方向相对于图2A成镜像。作为结果，两个磁场可以平行建立。
图3A和图3B示出了将BAW谐振器RS和电感器IN互连的两种可能性。在图3A中，BAW谐振器RS与电感器INP并联地电路连接。这符合图1所示的实施例。图3B示出了谐振器RS和电感器INS的串联连接。
图4示出了BAW谐振器的另一实施例，该BAW谐振器具有布拉格镜BM和布置在布拉格镜下方的平面线圈，该平面线圈包括两个高阻抗层，高阻抗层例如由W形成并嵌入在低阻抗介质层LI(例如由SiO2形成)中。所述电感器包括两个平面线圈，所述两个平面线圈由两个互连绕组WG1、WG2形成，所述两个互连绕组WG1、WG2被构造在第一附加金属层ML和第二附加金属层ML中。所述两个附加金属层ML也可以由例如W的高阻抗材料形成，但也可以包括任何其他导电材料。这是因为布拉格镜已经包括五个镜层，其几乎可以完全反射声波。因此，附加层不需要充当镜层，因为那里的声场强度非常低。
两个附加金属层的两个绕组如图1所示那样串联地电路连接。在绕组的外围，金属层ML是连续的，并且因此可以形成一种屏蔽，以防止当信号施加到线圈时由线圈引起的EM串扰。谐振器的一个或两个电极存在电连接，但图中未明确示出。如果根据图3B串联耦合，则一个第二端可以具有从有源谐振器面积横向引导到外部的端接。
图5示出了类似于图4的BAW谐振器的实施例，该BAW谐振器具有布拉格镜BM和布置在布拉格镜下方作为绕组WG的平面线圈。与图4不同的是，电感器包括仅由附加金属层ML形成的一个平面线圈。本实施例可适用于BAW谐振器RS和电感器IN的串联电路。
由于在并联电感具有较小值的情况下极零距离的期望加宽更大，因此仅一个绕组就足以实现符合相应电感值的期望面积。
图6的图示出了电感值与绕组尺寸之间的依赖关系。形成绕组的导线的宽度和间距与电感成正比。作为一种好的方法，电感与绕组的面积成正比。在图中，电感的不同范围用虚线隔开。相同面积范围的部分用连续线隔开。可以看出，利用面积约为1800μm2或更大的绕组可以实现约1nH的电感。
图7示出了当根据图3A并联地电路连接时线圈对同一BAW谐振器的阻抗Z11的影响。根据图右侧所示最大值的反谐振频率依赖于线圈的电感值而向更高频率移动。同时，在本实施例中，处于约5GHz的谐振频率保持恒定。结果，并联电感器提高了极零距离PZD。在图7中，电感的值在0.9nH和0.4nH之间变化，并且这里在最低电感的情况下获得了约0.5GHz的最大移动。BAW谐振器的阻抗单独符合图中的连续线且具有最低的反谐振频率，并且因此具有最小PZD。
图8示出了当根据图3B串联地电路连接时线圈对BAW谐振器的阻抗Z11的影响。根据图左侧所示最小值的谐振频率依赖于线圈的电感值而向更低频率移动。同时，反谐振频率在约5.2GHz保持恒定。结果，并联电感器提高了极零距离PZD。在图8中，电感值在0.05nH和0.25nH之间变化，并且这里在最高电感值的情况下获得了超过0.5GHz的最大移动。如图7所示，BAW谐振器的阻抗单独符合图中的连续线且具有最高的谐振频率，并且因此具有最小PZD。
本发明仅参考选定的实施例示出，但不限于这些实施例。各层的材料、绕组的厚度、面积和尺寸可偏离所描绘或描述的实施例。布拉格镜可以由使用其他高阻抗或低阻抗材料的不同数量的镜层形成。所述至少一个平面线圈可以被实现在高阻抗镜层中或布拉格镜下方的附加金属层中。也可使用除硅以外的其它衬底材料。除了所示的层之外，BAW谐振器还可以包括在两个相邻层之间的界面处的、诸如薄粘附支撑层的另外的功能层。根据本领域，在顶电极的顶部沉积至少一层例如SiN的钝化层也是显然的。此外，BAW谐振器可被用于例如以梯形布置形成滤波器电路的若干BAW谐振器的电路中。这些电路可以通过经由顶电极或底电极连接来将相邻的BAW谐振器整体互连而形成，这些顶电极或底电极连接可以通过电极层在沉积后的相应结构化来实现。
所用附图标记的列表
RS BAW谐振器
BM 布拉格镜层
HI 高阻抗层
LI 低阻抗层
ML 附加金属层
SU 衬底
A、B/C、D 绕组的第一端和第二端
WG1、WG2 绕组
V1-V3 过孔
BE 底电极
TE 顶电极
PL 压电层
INS、INP 串联电感器和并联电感器。

Claims (10)

1.一种SMR型的BAW谐振器，
具有衬底、布拉格镜、底电极、压电层和顶电极，
其中，所述布拉格镜包括交替的高声阻抗镜层和低声阻抗镜层，其中至少存在两个高阻抗层，
其中，第一平面线圈由所述高阻抗镜层中的一个高阻抗镜层形成、或由布置在所述衬底和低阻抗镜层之间的附加金属层形成，
其中，所述平面线圈电耦合到所述谐振器。
2.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中，所述线圈由附加高阻抗层形成，
其中，所述附加高阻抗层和所述高阻抗镜层包括相同的材料，
其中，高阻抗层嵌入在电介质的低阻抗层之间。
3.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
包括两个附加金属层，在所述两个附加金属层中形成有相应的第一平面线圈或第二平面线圈，
其中，所述第一平面线圈和所述第二平面线圈彼此串联地电路连接。
4.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，所述高阻抗层的材料包括选自W、Mo和Al的金属，
其中，所述低阻抗层的材料为硅氧化物。
5.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，有源谐振器区域被定义为其中底电极、压电层和顶电极彼此重叠的区域，
其中，有源谐振器面积是所述有源谐振器区域在被法向投影到所述衬底的顶表面时的面积，
其中，在所述有源谐振器面积之外的位置处，所述平面线圈通过导电过孔耦合到所述底电极或所述顶电极，所述导电过孔被引导穿过镜层的堆叠。
6.根据前述权利要求所述的BAW谐振器，
其中，所述平面线圈是平面绕组，所述平面绕组具有在所述绕组的中间的第一端和第二端，
其中，所述第一端通过第一过孔连接到所述谐振器的第一电极，并且所述平面线圈的所述第二端通过第二过孔连接到所述谐振器的第二电极，其中第一电极和第二电极选自底电极和顶电极。
7.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，相应的第一平面线圈和相应的第二平面线圈被布置成一个在另一个之上，但通过电介质的低阻抗层隔开，
其中，所述第一平面线圈和所述第二平面线圈通过过孔而彼此串联地电路连接，所述过孔连接相应绕组中间的所述第一端。
8.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，所述谐振器的所述电极的材料选自包括W、Mo或Al的组。
9.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，所述线圈包括形成在第一金属层中的第一绕组、以及形成在第二金属层中的第二绕组，
其中，两个绕组通过过孔而彼此串联地电路连接，所述过孔连接相应绕组中间的所述第一端，
其中，所述两个绕组的所述串联连接的所述第二端中的第一个第二端被连接到所述底电极，而所述第二端中的第二个第二端被连接到所述顶电极，以使所述线圈并联地电路连接到所述BAW谐振器。
10.根据前述权利要求之一所述的BAW谐振器，
其中，所述高阻抗镜层中的至少一个高阻抗镜层接地。
CN201980057893.4A 2018-09-05 2019-08-12 具有集成在布拉格镜的高阻抗层中或谐振器下方的附加高阻抗金属层中的线圈的baw谐振器 Pending CN112673571A (zh)

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