CN112953462A - 滤波器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滤波器及其形成方法。该滤波器包括依次形成在衬底上的下电极层、中间夹层和上电极层，其中中间夹层包括至少形成在谐振区域中的压电层和至少形成在外围区域的介质层，从而可以基于介质层缓解在谐振区域之外出现的机械振动，改善谐振结构边缘的机械损耗，并且还能够有效降低外围区域的寄生电学损耗，有利于提高滤波器的Q值。

Description

滤波器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种滤波器及其形成方法。

背景技术

利用压电材料的逆压电效应制成的半导体器件，是晶体振荡器和滤波器的关键元件，其常常被应用于体声波滤波器中。图1为现有的一种滤波器的结构示意图，如图1所示，所述滤波器通常包括依次形成在衬底10上的下电极层20和上电极层40，以及位于下电极层20和上电极层40之间的压电层30。并且，所述下电极层20、所述压电层30和所述上电极层40具有空间重叠的谐振区域A1，以及在所述谐振区域A1之外的区域定义为外围区域A2。

如图1所示，在所述谐振区域A1和外围区域A2的交界处，所述上电极层40和所述压电层30之间形成有空隙50，以利用所述空隙50减小上下电极之间的非线性效应并降低存储在衬底10中的电场能量，并将横向模态机械能限制在滤波器其谐振区域A1的周边，以减少滤波器边缘的机械损耗。然而，该结构的滤波器在机电性能和可靠性方面仍存在诸多缺陷和较大的改进空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滤波器，以优化现有的滤波器的性能。

为改善上述技术问题，本发明提供一种滤波器，包括：衬底，以及依次形成在所述衬底上的下电极层、中间夹层和上电极层，所述下电极层、所述中间夹层和所述上电极层在厚度方向上具有空间重叠的谐振区域，以及所述上电极层还具有相对于所述下电极层横向延伸出的上电极延伸部；

其中，所述中间夹层包括同层设置的压电层和介质层，所述压电层至少形成在所述谐振区域中，所述介质层至少部分形成在所述谐振区域之外的外围区域中，并且所述上电极层的上电极延伸部还至少部分覆盖所述介质层，以使所述上电极延伸部和所述衬底之间夹持有所述介质层。

可选的，所述介质层还横向延伸至所述谐振区域中的边缘位置，并衔接于所述谐振区域中的压电层，以及所述介质层中位于所述谐振区域边缘的部分被覆盖在所述上电极层的下方，以使所述上电极层和所述下电极层在所述谐振区域的边缘位置夹持有所述介质层。

可选的，所述衬底100的电阻值大于1500Ω。

可选的，所述介质层的介电常数低于所述压电层的介电常数。进一步的，所述介质层的材料包括氧化硅、掺杂二氧化硅、碳氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、掺杂聚酰亚胺和苯并环丁烯中的至少其中一种。

可选的，所述上电极层接触覆盖所述压电层和所述介质层。

可选的，所述衬底中还设置有腔体，所述腔体至少部分位于所述谐振区域。

可选的，所述滤波器还包括：

引出电极，形成在所述衬底上并位于所述外围区域中，所述中间夹层覆盖所述引出电极，并且所述上电极层的上电极延伸部延伸靠近所述引出电极；以及，

连接件，贯穿所述中间夹层对应于所述引出电极的部分，以使所述连接件的底部连接所述引出电极，所述连接件的顶部延伸覆盖所述上电极层。

本发明的又一目的在于提供一种滤波器的形成方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成下电极层；

在所述衬底上形成中间夹层，所述中间夹层包括同层设置的压电层和介质层，所述压电层至少部分覆盖所述下电极层，所述介质层至少形成在所述下电极层之外的衬底上；

在所述中间夹层上形成上电极层，所述上电极层形成在所述压电层上，并且还延伸覆盖所述介质层，以使所述上电极层和所述衬底之间夹持有所述介质层。

可选的，所述中间介质层的形成方法包括：在所述衬底上形成压电层，并在所述压电层至少位于所述下电极层之外的部分中形成开槽；以及，在所述开槽中填充所述介质层。

本发明提供的滤波器中，下电极层、中间夹层和上电极层之间具有在厚度方向上空间重叠的谐振区域，其中，所述中间夹层在谐振区域中的至少部分为压电层，以及所述中间夹层在外围区域中的至少部分为介质层。如此一来，一方面可以基于所述介质层实现将横向模态机械能限制在谐振结构的周边，以减少谐振结构边缘的能量损耗和寄生电学损耗；另一方面，由于所述介质层不具备压电效应，从而可以避免该介质层因电信号而产生机械振动，进一步消除了外围区域中所产生的机械损耗，有利于提高滤波器的Q值。

附图说明

图1为现有的一种滤波器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的滤波器的结构示意图；

图3为本发明一实施例中的滤波器的形成方法的流程示意图；

图4～图9为本发明一实施例中的滤波器的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

其中，附图标记如下：

10/100-衬底；

110-腔体；

20/200-下电极层；

300-中间夹层；

300a-开槽；

30/310-压电层；

320-介质层；

40/400-上电极层；

410-上电极延伸部；

50-空隙；

510-引出电极；

520-连接件；

600-牺牲材料层。

具体实施方式

承如背景技术所述，现有的滤波器的仍存在诸多缺陷和较大的改进空间。例如，即使在上电极层和压电层之间形成有空隙，然而电场还是能进入衬底；以及，由于衬底的阻值有限，从而会造成一定的寄生电学损耗；此外，由压电层感应出的机械振动容易在外围区域中产生有机械损耗等。

为此，本发明提供了一种滤波器，所述滤波器中的中间夹层包括压电层和介质层，所述压电层至少形成在滤波器的谐振区域中，所述介质层形成谐振区域之外并衔接于所述谐振区域中的压电层，并且所述介质层还至少部分被覆盖在上电极层的下方。

即，本发明提供的滤波器中，至少在谐振区域之外形成介质层以代替压电层，此时基于所述介质层的存在可以实现将横向模态机械能限制在谐振区域内，以减少滤波器边缘的机械损耗。并且，在谐振区域之外的部分边界位置利用不具备压电效应的介质层代替压电层，所述介质层不会因为电信号而产生机械振动，从而可以消除在外围区域中所产生的机械损耗。此外，还能够进一步降低外围区域的寄生电学损耗。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的滤波器及其形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本发明一实施例中的滤波器的结构示意图，如图2所示，所述滤波器包括：衬底100，以及依次形成在所述衬底100上的下电极层200、中间夹层300和上电极层400。

其中，所述下电极层200、所述中间夹层300和所述上电极层400在厚度方向上具有空间重叠的区域构成谐振区域A1。可以认为，所述下电极层200、所述压电层310和所述上电极层400在空间上重叠的堆叠结构即构成了滤波器的谐振结构，所述谐振结构所对应的区域即为谐振区域A1。以及，所述谐振区域A1之外所对应的区域可定义为外围区域A2。

进一步的，所述衬底100中还设置有腔体110，所述腔体110至少部分位于所述谐振区域A1，如此以可构成体声波滤波器。

本实施例中，所述衬底100可直接采用硅基底构成，以及所述硅基底可进一步为高阻值硅基底，例如所述硅基底的电阻值大于1500Ω，更具体的可以为2000Ω～10000Ω。由于所述衬底100具有高阻值，从而可以有效改善上电极层400和所述衬底100之间的寄生效应，降低寄生电学损耗。

继续参考图2所示，所述下电极层200形成在所述衬底100上并至少位于所述谐振区域A1中。以及，所述下电极层200至少遮盖所述腔体110，并还延伸至腔体110的外围。

以及，所述上电极层400具有在厚度方向上重叠于所述下电极层200的部分，并且所述上电极层400还具有相对于所述下电极层200横向延伸出的上电极延伸部410，即，所述上电极层400具有在厚度方向上非重叠于所述下电极层200的部分，所述上电极层400非重叠于所述下电极层200的上电极延伸部410和所述衬底100之间间隔所述中间夹层300。

进一步的，所述中间夹层300包括位于同一结构层中的压电层310和介质层320。可以理解的是，当所述压电层310的覆盖面积远大于所述介质层320的覆盖面积时，则所述介质层320为贯穿所述压电层310，进而和所述压电层310形成在同一结构层中。反之，当所述介质层320的覆盖面积远大于所述压电层310的覆盖面积时，则所述压电层310为贯穿所述介质层320，进而和所述介质层320形成在同一结构层中。

其中，所述压电层310至少形成在所述谐振区域A1中，以用于构成滤波器的谐振结构。以及，所述介质层320至少部分形成所述谐振区域之外的外围区域A2中，并且所述上电极层400的上电极延伸部410还至少部分覆盖所述介质层320，以使所述上电极延伸部410和所述衬底100之间夹持有所述介质层320。

具体的，所述介质层320侧壁衔接于谐振区域A1中的压电层310，即，所述介质层320在所述谐振区域A1的边界和所述压电层310中位于谐振区域A1中的部分相互衔接。

需要说明的是，针对滤波器而言，其能量损耗大多来自于谐振区域A1的边界，由于所述介质层320衔接于所述谐振区域A1的边缘，从而可以有效改善谐振区域A1的边界位置的能量损耗。具体而言，所述介质层320相对于所述压电层310而言不具备压电效应，从而使得所述介质层320不会因为电信号而产生机械振动，消除了在外围区域A2中所产生的机械损耗。

本实施例中，所述介质层320还横向延伸至所述谐振区域A1中的边缘位置，并衔接于所述谐振区域A1中的压电层310，以及所述介质层320中位于所述谐振区域边缘的部分被覆盖在所述上电极层400的下方，以使所述上电极层400和所述下电极层200在所述谐振区域A1的边缘位置夹持有所述介质层320。即，在谐振区域A1内的边缘位置，由于所述下电极层200和所述上电极层400之间填充的是非压电材料的介质层320，进而减小了在谐振区域A1内的边缘位置的机械损耗。

此外，利用介质层320充填谐振区域A1内的边缘位置和至少部分外围区域A2，相应的可使所述上电极层400和所述下电极层200在谐振区域内的边缘位置，以及所述上电极层400和所述衬底100在外围区域A2均夹持介质层320，有利于改善谐振区域A1边缘的寄生效应，降低寄生电学损耗。

本实施例中，所述介质层230的介电常数低于所述压电层310的介电常数，所述介质层320具体可以为低K介质层。具体而言，所述压电层310的介电常数通常为6-10(例如，所述压电层310的材料可包括氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)和锆钛酸铅(PZT)中的至少一种)；以及，所述低K介质层的介电常数可小于等于3，更具体的，所述介质层320的介电常数为2-3，例如，所述介质层230的材料可包括氧化硅、掺杂二氧化硅、碳氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、掺杂聚酰亚胺和苯并环丁烯(DVS-BCB)中的至少其中一种。其中，所述掺杂二氧化硅可包括掺氟二氧化硅、掺碳二氧化硅或者同时掺杂氟和碳的二氧化硅等。

继续参考图2所示，所述上电极层400可接触覆盖所述压电层310和所述介质层320。

应当认识到，现有工艺中通过使上电极层在谐振区域的边界的位置悬空设置以形成空隙，进而利用该空隙降低器件的能量损耗，然而由于现有工艺中悬空设置的上电极层不仅容易产生振动，并且还存在机械支撑的问题。而相比于现有技术而言，本实施例中，将上电极层400正下方位于谐振区域边缘的至少部分压电层替代为介质层320，以基于所述介质层320将横向模态机械能限制在谐振区域A1内，降低谐振结构在边缘位置的能量损耗，此时即可以使所述上电极层400直接接触于压电层310和介质层320(具体为，使所述上电极延伸部410可以接触覆盖于所述介质层320)，避免出现如现有技术中存在的上电极层在外围区域容易发生振动以及机械支撑的问题。

当然，在其他实施例中，所述上电极层400仍然可以部分悬空在所述介质层320上，以和所述介质层320共同限定出空隙。

此外，所述滤波器还包括引出电极510，所述引出电极510形成在所述衬底100上并位于所述外围区域A2中。本实施例中，所述引出电极510与所述下电极层200位于同一结构层中，并可以基于同一导电材料层形成。

其中，所述引出电极510可用于和所述下电极层200电性连接或者用于和所述上电极层400电性连接，进而使所述下电极层200或者所述上电极层400可以通过所述引出电极510实现电性引出。可以理解的是，当所述下电极层200通过所述引出电极510实现电性引出时，则可以认为所述下电极层200的部分区域构成所述引出电极；或者，当上电极层400通过所述引出电极510实现电性引出时，则可通过导电材料实现上电极层400和所述引出电极510的电性连接。

本实施例中，以所述引出电极510用于和所述上电极层400电性连接为例进行说明。基于此，则在外围区域A2的中间夹层300中还形成有接触窗，所述上电极层400的上电极延伸部410延伸靠近所述接触窗，以及所述接触窗中还形成有连接件520，所述连接件520的底部连接至所述引出电极510，并且所述连接件520的顶部延伸覆盖所述上电极延伸部410，以和所述上电极层400电性连接。

基于如上所述的滤波器，下面结合图3以及图4～图9对其形成方法进行详细说明。其中，图3为本发明一实施例中的滤波器的形成方法的流程示意图，图4～图9为本发明一实施例中的滤波器的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

首先，执行步骤S100，具体参考图4所示，提供一衬底100。本实施例中，还在所述衬底100中形成有腔体110，以及所述腔体110中还填充有牺牲材料层600。

具体的，所述衬底100上可定义有谐振区域A1和外围区域A2，后续工艺中，即在所述谐振区域A1中依次形成下电极层、压电层和上电极层以构成谐振结构。以及，所述外围区域A2位于所述谐振区域A1的外围，并且后续工艺中所形成的下电极层、压电层和上电极层即可延伸或不延伸至所述外围区域A2中。

本实施例中，所述衬底100为高阻值硅基底，以及所述腔体110形成在所述硅基底中并至少部分形成在所述谐振区域A1中。以及通过在所述腔体110中填充牺牲材料层600，不仅可提高所述衬底100的顶表面平整度，并且在后续制备下电极层、压电层和上电极层时可以提高对上方膜层的支撑强度。其中，所述牺牲材料层600的材料可包括氧化硅等。

接着，执行步骤S200，具体参考图5所示，在所述衬底100上形成下电极层200。进一步的，所述下电极层200至少形成在所述谐振区域A1中并遮盖所述腔体110。本实施例中，所述下电极层200形成在所述谐振区域A1中，并进一步延伸至外围区域A2。

本实施例中，在形成所述下电极层200时，还包括：在所述衬底100上形成引出电极510，所述引出电极510位于外围区域A2中。其中，所述引出电极510可用于和所述下电极层200电性连接或用于和后续形成的上电极层电性连接，进而使所述下电极层200或者所述上电极层可以通过所述引出电极510实现电性引出。

具体的，所述引出电极510和所述下电极层200可以同时形成，其制备方法例如包括：首先，在所述衬底100上形成电极材料层，所述电极材料层的材料例如包括钼(Mo)；接着，图形化所述电极材料层，以分别形成所述引出电极510和所述下电极层200。其中，当所述引出电极510用于电性引出所述下电极层200时，则可使所述引出电极510和所述下电极层200相互连接；或者，当所述引出电极510用于电性引出后续形成的上电极层时，则可使所述引出电极510和所述下电极层200相互分断，并在后续工艺中进一步通过导电材料实现上电极层和所述引出电极510的电性连接。

接着，执行步骤S300，具体参考图6和图7所示，在所述衬底100上形成中间夹层300，所述中间夹层300包括同层设置的压电层310和介质层320。其中，所述压电层310至少部分覆盖所述下电极层200，以至少形成在所述谐振区域A1中，以用于构成谐振结构。以及，所述介质层320至少形成在所述下电极层200之外的衬底100上，从而位于所述谐振区域之外的外围区域A2中。

本实施例中，所述介质层320至少形成在所述下电极层200和所述引出电极510之间，并在朝向所述谐振区域A1的一侧衔接位于所述谐振区域中的压电层310。

具体的，所述中间夹层300的形成方法例如包括如下步骤。

第一步骤，首先参考图6所示，在所述衬底100上形成压电层310，并在所述压电层310至少位于所述下电极层之外的部分中形成开槽300a。即，在所述压电层310至少位于所述外围区域A2的部分中形成开槽300a，并可使所述开槽300a邻接所述谐振区域A1的边界。本实施例中，所述开槽300a还横向延伸至所述谐振区域A1内的边缘位置，以进一步暴露出所述下电极层200的端部。

第二步骤，具体参考图7所示，在所述开槽300a中填充介质层320。其中，所述介质层320可进一步为低K介质层，其材料例如包括氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺等。

接着，执行步骤S400，具体参考图8所示，在所述中间夹层300上形成上电极层400，所述上电极层400形成在所述压电层310上，并且还延伸覆盖所述介质层320，以使所述上电极层400和所述衬底100之间夹持有所述介质层320。

即，所述上电极层400形成在所述谐振区域A1中以覆盖所述压电层310，并且还延伸至所述外围区域A2中以覆盖所述介质层320。其中，所述上电极层400和所述下电极层200可以采用相同的材料形成，例如，所述上电极层400的材料可包括钼(Mo)。

本实施例中，所述上电极层400中延伸至外围区域A2的部分构成上电极延伸部410，以及所述上电极延伸部410延伸至靠近所述引出电极510的位置。进一步的，所述上电极延伸部410接触覆盖所述介质层320。

进一步的方案中，所述形成方法还包括：形成连接件以电性连接所述引出电极510和所述上电极层400。

具体参考图9所示，形成所述连接件520的方法包括：首先，在所述中间夹层300对应所述引出电极510的部分中形成接触窗，以使所述引出电极510暴露于所述接触窗中，并且所述接触窗靠近所述上电极层400的上电极延伸部410；接着，形成所述连接件520，所述连接件520覆盖所述接触窗的底部以连接所述引出电极510，并且所述连接件520的顶部还延伸覆盖所述上电极延伸部410，以和所述上电极层400电性连接。

继续参考图9所示，所述形成方法还包括：步骤S500，去除所述腔体110中的牺牲材料层600，以释放出所述腔体110的空间。具体的，可以在所述压电层310中形成有通孔，所述通孔贯穿所述压电层310以延伸至所述牺牲材料层600，之后，即可经由所述通孔去除所述牺牲材料层600以释放出所述腔体110的空间。

需要说明的是，在上述实施例中，所述衬底100即为硅基底(可进一步为高阻值硅基底)，以及所述腔体110即形成在所述硅基底中。

然而，在其他实施例中，所述衬底例如包括硅基底(可进一步为高阻值硅基底)和形成在所述硅基底上的底层介质层，并可将所述腔体形成在所述底层介质层中。即，其他实施例中，上电极层和硅基底之间不仅间隔有中间夹层，还间隔有底层介质层，从而可以进一步降低上电极层和硅基底之间的寄生电学损耗，此时也可以认为其相应的降低了上电极层和衬底之间的寄生电学损耗。其中，所述底层介质层同样可以采用低K材料形成，其材料可参考中间夹层中的介质材料，此处不再赘述。

综上所述，本实施例提供的滤波器中，其中间夹层包括压电层和介质层，所述压电层至少形成在谐振区域中，以和下电极层及上电极层空间重叠构成谐振结构。以及，介质层形成在外围区域并紧邻谐振区域，以和谐振区域中的压电层衔接，并且上电极层从压电层的正上方进一步延伸覆盖所述介质层，从而可以基于介质层缓解在谐振区域边缘出现的机械振动，改善谐振结构边缘的机械损耗，并且还能够有效降低外围区域的寄生电学损耗，有利于提高滤波器的Q值。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种滤波器，其特征在于，包括：衬底，以及依次形成在所述衬底上的下电极层、中间夹层和上电极层，所述下电极层、所述中间夹层和所述上电极层在厚度方向上具有空间重叠的谐振区域，以及所述上电极层还具有相对于所述下电极层横向延伸出的上电极延伸部；

其中，所述中间夹层包括同层设置的压电层和介质层，所述压电层至少形成在所述谐振区域中，所述介质层至少部分形成在所述谐振区域之外的外围区域中，并且所述上电极层的上电极延伸部还至少部分覆盖所述介质层，以使所述上电极延伸部和所述衬底之间夹持有所述介质层。

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述介质层还横向延伸至所述谐振区域中的边缘位置并衔接于所述谐振区域中的压电层，以及所述介质层中位于所述谐振区域边缘的部分被覆盖在所述上电极层的下方，以使所述上电极层和所述下电极层在所述谐振区域的边缘位置夹持有所述介质层。

3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述衬底的电阻值大于1500Ω。

4.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述介质层的介电常数低于所述压电层的介电常数。

5.如权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述介质层的材料包括氧化硅、掺杂二氧化硅、碳氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、掺杂聚酰亚胺和苯并环丁烯中的至少其中一种。

6.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述上电极层接触覆盖所述压电层和所述介质层。

7.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述衬底中还设置有腔体，所述腔体至少部分位于所述谐振区域中。

8.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，还包括：

引出电极，形成在所述衬底上并位于所述外围区域中，所述中间夹层覆盖所述引出电极，并且所述上电极层的上电极延伸部延伸靠近所述引出电极；以及，

连接件，贯穿所述中间夹层对应于所述引出电极的部分，以使所述连接件的底部连接所述引出电极，所述连接件的顶部延伸覆盖所述上电极延伸部。

9.一种滤波器的形成方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成下电极层；

在所述衬底上形成中间夹层，所述中间夹层包括同层设置的压电层和介质层，所述压电层至少部分覆盖所述下电极层，所述介质层至少形成在所述下电极层之外的衬底上；以及，

在所述中间夹层上形成上电极层，所述上电极层形成在所述压电层上，并且还延伸覆盖所述介质层，以使所述上电极层和所述衬底之间夹持有所述介质层。

10.如权利要求9所述的滤波器的形成方法，其特征在于，所述中间介质层的形成方法包括：

在所述衬底上形成压电层，并在所述压电层至少位于所述下电极层之外的部分中形成开槽；以及，

在所述开槽中填充所述介质层。

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