CN114826191B - 一种薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种薄膜体声波谐振器，涉及微电子技术领域。该薄膜体声波谐振器包括衬底，以及在衬底上层叠设置的底电极、压电层和顶电极，所述顶电极包括位于有效谐振区的第一顶电极，以及位于所述第一顶电极外圈的第二顶电极，和/或，所述底电极包括位于所述有效谐振区的第一底电极，以及位于所述第一底电极外圈的第二底电极，其中，所述第一顶电极和所述第二顶电极的声阻抗不同，所述第一底电极和所述第二底电极的声阻抗不同。该薄膜体声波谐振器能够抑制横向波的泄露，增大Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

Description

一种薄膜体声波谐振器

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种薄膜体声波谐振器。

背景技术

随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能和低成本等新的要求。传统的声表面波滤波器因为频率及承受功率等的限制，将越来越无法达到这样的标准。薄膜体声波谐振器(FilmBulk Acoustic Resonator，FBAR)由于其高工作频率、具有CMOS工艺兼容、高品质因数Q值、低损耗、低温度系数、高功率承载能力、可集成及体积小等特性逐渐成为射频滤波器研究的热点，并在无线通信领域得到了广泛的应用。

薄膜体声波谐振器理想的工作状态为在上下电极上施加射频电信号，利用压电材料的压电效应，产生纵向模式的振动，从而在上下电极和压电材料构成的三明治结构中产生纵向传播的声信号，声信号在三明治结构中振荡再通过压电效应转化为电信号输出，只有与压电材料谐振频率匹配的射频信号才能通过薄膜体声波谐振器的传输，从而实现滤波的功能。理想状态下谐振器中产生纵向振动，事实上由于制备的压电材料内部可能存在缺陷或者不是完全的C轴(即竖直的晶轴)取向，谐振器在纵向振动的同时也产生横向振动，而横向振动会造成声波能量的损耗，同时带来杂波的影响，造成薄膜体声波谐振器性能的下降。

发明内容

本申请的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器，能够抑制横向波的泄露，增大Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例的一方面，提供一种薄膜体声波谐振器，包括衬底，以及在衬底上层叠设置的底电极、压电层和顶电极，所述顶电极包括位于有效谐振区的第一顶电极，以及位于所述第一顶电极外圈的第二顶电极，和/或，所述底电极包括位于所述有效谐振区的第一底电极，以及位于所述第一底电极外圈的第二底电极，其中，所述第一顶电极和所述第二顶电极的声阻抗不同，所述第一底电极和所述第二底电极的声阻抗不同。

可选地，所述第一顶电极和所述第二顶电极的厚度相同；所述第一底电极和所述第二底电极的厚度相同。

可选地，在所述衬底与所述底电极之间形成有第一空腔，且所述第一空腔位于与所述有效谐振区对应的所述衬底上。

可选地，所述压电层为多晶压电材料。

可选地，所述底电极与所述衬底之间设置有支撑层，在所述支撑层与所述底电极之间形成有第二空腔，且所述第二空腔位于与所述有效谐振区对应的支撑层上。

可选地，所述支撑层与所述衬底之间通过键合层连接。

可选地，所述压电层上还设置有接引电极，所述接引电极从所述顶电极贯穿延伸至所述底电极，并与所述底电极连通。

可选地，所述键合层的材料为金、银、铜或锡。

可选地，所述压电层为单晶压电材料。

可选地，所述有效谐振区设置有贯穿所述底电极、所述压电层和所述顶电极的至少一个释放孔。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器，通过衬底，以及在衬底上层叠设置的底电极、压电层和顶电极，并将顶电极设置为位于有效谐振区的第一顶电极，以及位于第一顶电极外圈的第二顶电极，从而将顶电极设置为声阻抗不同的两种材料，在保证顶电极的基础作用的前提下，使顶电极形成布拉格反射结构。同时，通过将底电极设置为位于有效谐振区的第一底电极，以及位于第一底电极外圈的第二底电极，从而将底电极设置为声阻抗不同的两种材料，在保证底电极的基础作用的前提下，使底电极形成布拉格反射结构。采用上述形式，在薄膜体声波谐振器使用过程中产生的横向波，可以通过顶电极和/或底电极起到抑制的作用，增大中心谐振频率的能量，并增大谐振器的Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之一；

图2为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之二；

图3为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之三；

图4为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之四；

图5为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之五；

图6为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之六；

图7为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之七；

图8为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之八；

图9为本申请实施例的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之九；

图10为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之一；

图11为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之二；

图12为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之三；

图13为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之四；

图14为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之五；

图15为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之六；

图16为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之七；

图17为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之八；

图18为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之九；

图19为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之十；

图20为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之十一；

图21为本申请实施例的另一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之十二。

图标：110-衬底；112-凹槽；114-第一空腔；116-二氧化硅层；120-底电极；122-第一底电极；124-第二底电极；130-压电层；140-顶电极；142-第一顶电极；144-第二顶电极；150-牺牲层；160-释放孔；170-支撑层；172-第二空腔；180-键和层；182-第一连接层；184-第二连接层；190-接引电极。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参照图9和图21所示，本申请实施例提供一种薄膜体声波谐振器，包括衬底110，以及在衬底110上层叠设置的底电极120、压电层130和顶电极140，顶电极140包括位于有效谐振区的第一顶电极142，以及位于第一顶电极142外圈的第二顶电极144，和/或，底电极120包括位于有效谐振区的第一底电极122，以及位于第一底电极122外圈的第二底电极124，其中，第一顶电极142和第二顶电极144的声阻抗不同，第一底电极122和第二底电极124的声阻抗不同。

具体的，通过在衬底110上层叠设置底电极120、压电层130和顶电极140，以实现薄膜体声波谐振器的基本功能。在薄膜体声波谐振器使用过程中，为了避免薄膜体声波谐振器在纵向振动的同时也产生横向振动，造成声波能量的损耗，通过将顶电极140设置为位于有效谐振区的第一顶电极142，以及位于第一顶电极142外圈的第二顶电极144，使得第一顶电极142和第二顶电极144的连接处形成横向布拉格反射结构，以抑制薄膜体声波谐振器的横向波泄漏。

同样的，也可以将底电极120设置为位于有效谐振区的第一底电极122，以及位于第一底电极122外圈的第二底电极124，使得第一底电极122和第二底电极124的连接处形成横向布拉格反射结构，以抑制薄膜体声波谐振器的横向波泄漏。可以理解的，也可以将顶电极140设置为第一顶电极142和第二顶电极144结合的形式，并将底电极120设置为第一底电极122和第二底电极124结合的形式，以进一步的提升抑制薄膜体声波谐振器的横向波泄漏的性能。

其中，纵向在本文中是沿着穿过层堆叠(即，多个层的堆叠)的轴线的第一方向，例如，从层堆叠的底部到层堆叠的顶部穿过层堆叠的层。纵向也可以表示为堆叠方向(即，在层堆叠的方向上)。径向在本文中是沿层的平面的第二方向，即，与第一方向正交。径向可以被解释为从第一方向的轴线径向向外延伸。径向和纵向应理解为相对于彼此、且不一定施加任何特定形状(例如，规则形状)的方向。

需要说明的是，布拉格反射通过在两材料的每个界面处都发生菲涅尔反射。当特定波长的光入射时，在界面处的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射。从而避免横向波的泄露。在本实施例中，通过第一顶电极142和第二顶电极144的声阻抗不同，以使第一顶电极142和第二顶电极144的连接处形成横向布拉格反射结构，在实际应用中，可以使第一顶电极142的声阻抗大于的第二顶电极144的声阻抗，也可以使第一顶电极142的声阻抗小于第二顶电极144的声阻抗。同样的，通过第一底电极122和第二底电极124的声阻抗不同，以使第一底电极122和第二底电极124的连接处形成横向布拉格反射结构，在实际应用中，可以使第一底电极122的声阻抗大于的第二底电极124的声阻抗，也可以使第一底电极122的声阻抗小于第二底电极124的声阻抗。

本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器，通过衬底110，以及在衬底110上层叠设置的底电极120、压电层130和顶电极140，并将顶电极140设置为位于有效谐振区的第一顶电极142，以及位于第一顶电极142外圈的第二顶电极144，从而将顶电极140设置为声阻抗不同的两种材料，在保证顶电极140的基础作用的前提下，使顶电极140形成布拉格反射结构。同时，通过将底电极120设置为位于有效谐振区的第一底电极122，以及位于第一底电极122外圈的第二底电极124，从而将底电极120设置为声阻抗不同的两种材料，在保证底电极120的基础作用的前提下，使底电极120形成布拉格反射结构。采用上述形式，在薄膜体声波谐振器使用过程中产生的横向波，可以通过顶电极140和/或底电极120起到抑制的作用，增大中心谐振频率的能量，并增大谐振器的Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

在本申请的可选实施例中，第一顶电极142和第二顶电极144的厚度相同；第一底电极122和第二底电极124的厚度相同。这样一来，可以有效减小薄膜体声波谐振器的整体厚度，有利于保证整体的紧凑性及小型化。

如图9所示，在衬底110与底电极120之间形成有第一空腔114，且第一空腔114位于与有效谐振区对应的衬底110上。这样一来，能够保证有效谐振区的有效振动，以实现所需的滤波性能。

在本申请的可选实施例中，压电层130为多晶压电材料。

如图1至图9所示，本申请实施例中的其中一种薄膜体声波谐振器可采用如下方法制备，该结构为以顶电极140采用布拉格反射结构为例进行说明，该方法包括：

S101、提供衬底110。

S102、在衬底110上刻蚀形成凹槽112。

S103、在凹槽112内填充牺牲层150。

S104、在衬底110填充有牺牲层150的一侧沉积底电极120层，并图案化，以形成底电极120。

S105、在底电极120上沉积压电层130。

S106、在压电层130上沉积第一顶电极层，并图案化形成第一顶电极142。

S107、在第一顶电极142上沉积第二顶电极层，并图案化形成第二顶电极144，其中，第一顶电极142和第二顶电极144共同形成顶电极140。

S108、在有效谐振区设置贯穿底电极120、压电层130和顶电极140的至少一个释放孔160，以释放牺牲层150。从而使衬底110与底电极120之间形成有第一空腔114，且第一空腔114位于与有效谐振区对应的衬底110上。

采用上述制备方法，即制得图9所示的薄膜体声波谐振器结构。采用上述形式制备的薄膜体声波谐振器，在薄膜体声波谐振器使用过程中产生的横向波，可以通过顶电极140处的布拉格反射结构起到抑制的作用，增大中心谐振频率的能量，并增大谐振器的Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

如图21所示，本申请实施例还提供有另外一种薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器的底电极120与衬底110之间设置有支撑层170，在支撑层170与底电极120之间形成有第二空腔172，且第二空腔172位于与有效谐振区对应的支撑层170上。这样一来，能够保证有效谐振区的有效振动，以实现所需的滤波性能。

在本申请的可选实施例中，支撑层170与衬底110之间通过键合层连接。其中，键合层的材料为金、银、铜或锡。只要能够保证稳定的连接即可。

另外，压电层130上还设置有接引电极190，接引电极190从顶电极140贯穿延伸至底电极120，并与底电极120连通。这样一来，便于薄膜体声波谐振器以外界之间进行电连接，以保证连接的方便性。

在本申请的可选实施例中，有效谐振区设置有贯穿底电极120、压电层130和顶电极140的至少一个释放孔160。以使释放孔160与支撑层170之间连通，从而形成第二空腔172。

在本申请的可选实施例中，压电层130为单晶压电材料。

如图10至图21所示，本申请实施例中的其中一种薄膜体声波谐振器可采用如下方法制备，该结构为以顶电极140采用布拉格反射结构为例进行说明，该方法包括：

S201、在衬底110上依次沉积二氧化硅层116、压电层130和第一底电极层，并对第一底电极层图案化，以形成第一底电极122。

S202、在第一底电极122上沉积第二底电极层，并图案化形成第二底电极124，其中，第一底电极122和第二底电极124共同形成底电极120。

S203、在底电极120上沉积牺牲层150。

S204、在牺牲层150上沉积支撑层170，并对支撑层170平坦化处理。

S205、在支撑层170上沉积第一连接层182，并将第一连接层182与另一沉积有第二连接层184的衬底110对应，以使第一连接层182和第二连接层184能够键和形成键和层180。其中，键和层180的材料为金、银、铜或锡。

S206、去除S201步骤中的衬底110和沉积在衬底110上的二氧化硅层116，以使压电层130露出。

S207、在压电层130上形成顶电极140，并在压电层130上沉积接引电极190，以引出底电极120。

需要说明的是，本申请实施例中的顶电极140可以采用单材料制备，也可以采用S106和S107中的形式制备具有布拉格反射的顶电极140。

S208、在有效谐振区设置贯穿底电极120、压电层130和顶电极140的至少一个释放孔160，以释放牺牲层150。从而使支撑层170与底电极120之间形成有第二空腔172，且第二空腔172位于与有效谐振区对应的支撑层170上。

采用上述制备方法，即制得图21所示的薄膜体声波谐振器结构。采用上述形式制备的薄膜体声波谐振器，在薄膜体声波谐振器使用过程中产生的横向波，可以通过底电极120处的布拉格反射结构起到抑制的作用，增大中心谐振频率的能量，并增大谐振器的Q值，进而提升薄膜体声波谐振器的性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括衬底，以及在衬底上层叠设置的底电极、压电层和顶电极，所述顶电极包括位于有效谐振区的第一顶电极，以及位于所述第一顶电极外圈的第二顶电极，所述底电极包括位于所述有效谐振区的第一底电极，以及位于所述第一底电极外圈的第二底电极，其中，所述第一顶电极和所述第二顶电极的声阻抗不同，所述第一底电极和所述第二底电极的声阻抗不同；其中，所述底电极的制备过程包括：在衬底上依次沉积二氧化硅层、压电层和第一底电极层，并对所述第一底电极层图案化，以形成第一底电极；在所述第一底电极上沉积第二底电极层，并图案化形成第二底电极，所述第一底电极和所述第二底电极共同形成底电极；

所述第一顶电极和所述第二顶电极的厚度相同；所述第一底电极和所述第二底电极的厚度相同；在所述衬底与所述底电极之间形成有第一空腔，且所述第一空腔位于与所述有效谐振区对应的所述衬底上；所述底电极与所述衬底之间设置有支撑层，在所述支撑层与所述底电极之间形成有第二空腔，且所述第二空腔位于与所述有效谐振区对应的支撑层上；所述第一顶电极与所述第二顶电极连接并构成布拉格反射层，作为顶电极基础使用，所述第一底电极与所述第二底电极连接并构成布拉格反射层，作为底电极基础使用。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层为多晶压电材料。

3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层与所述衬底之间通过键合层连接。

4.根据权利要求1或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层上还设置有接引电极，所述接引电极从所述顶电极贯穿延伸至所述底电极，并与所述底电极连通。

5.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述键合层的材料为金、银、铜或锡。

6.根据权利要求1或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层为单晶压电材料。

7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述有效谐振区设置有贯穿所述底电极、所述压电层和所述顶电极的至少一个释放孔。