CN115360996B - 一种谐振器、滤波器、电子设备、及谐振器的制备方法 - Google Patents

一种谐振器、滤波器、电子设备、及谐振器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本案提供的一种谐振器，包括衬底、底电极、压电层和顶电极，底电极位于衬底和压电层之间，压电层位于底电极和顶电极之间，底电极与衬底之间设置有多层空腔，从靠近衬底到远离衬底的方向上，每一层空腔的宽度逐渐减小，使后续在多层空腔上生长的底电极和压电层在每层空腔的交接处形貌变化减小，从而减少因形貌变化较大而产生的较大应力变化。同时，较缓慢的形貌变化，使得底电极和压电层的生长质量得到提高，减少生长缺陷，提高器件Q值。另外，由于释放通道的高度即为最靠近衬底的一层空腔的高度，其高度相对降低，使得覆盖在最靠近衬底的一层空腔上的压电层形貌变化减小，应力突变也减小。本案还提供一种滤波器、电子设备、及谐振器的制备方法。

Description

一种谐振器、滤波器、电子设备、及谐振器的制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种电子设备、滤波器、谐振器及谐振器的制备方法。
背景技术
随着电磁频谱的日益拥挤、无线通讯设备频段与功能的不断增加、以及无线通讯电磁频谱从500MHz到5GHz以上的高速增长，人们对性能高、成本低、功耗低、体积小的射频前端模块的需求与日俱增。滤波器作为射频前端模块之一，具有改善发射和接收信号的功能，在射频前端模块中发挥着举足轻重的作用。
由多个谐振器以拓扑网络结构连接组成的滤波器，因具有体积小、集成能力强、高频下仍具有高品质因子和功率承受能力强等特点而满足了射频前端模块的高标准。因而，高性能谐振器的制备成为如今的热门研究之一。
谐振器的基本结构是顶电极、底电极以及夹在顶、底电极间的压电层。顶电极上表面与空气接触使得声波在顶电极与空气交界处发生全反射而抑制能量泄露，与此同时在底电极下方设置声波反射结构使得能量不至于泄露到衬底并储存在谐振器内。顶电极、压电层、底电极以及声波反射结构的重叠区域形成谐振器的有效区域。
谐振器根据声波反射结构的不同，分为气隙型谐振器(FBAR，film bulk acousticresonator)和固体装配型谐振器(SMR，solidly mounted resonator)。FBAR的声波反射结构是空腔，SMR则是布拉格反射镜。其中气隙型谐振器的空腔根据位置不同，包括嵌入衬底内的地下型空腔和位于衬底表面的地上型空腔。
如图1和图2所示，对于地上型空腔，由于空腔侧面为倾斜状，当保证空腔高度的前提下，受刻蚀工艺限制，该倾斜侧面的角度较大，导致随后在倾斜侧边上生长的底电极以及压电层膜层发生较大的形貌变化，从而产生较大的应力突变，容易产生较大的裂缝和缺陷。
另外，空腔在制作时，需要先形成牺牲层，再在牺牲层上方采用刻蚀方法至少穿透压电层形成释放孔，腐蚀药液通过释放孔与牺牲层接触以去除牺牲层，从而形成空腔。释放孔如果设置在谐振器内部，则会损失有效区域面积。因此，将释放孔设置在谐振器外围，可以保证有效区域面积，但是为了形成释放孔，空腔的部分区域需向外凸出，空腔的凸出部分(例如图1中的释放通道位置，以及图2中的B位置)会使其上覆盖的压电层产生应力突变，影响有效区域附近的压电性能和空腔结构的可靠性，空腔容易在突变处发生机械断裂问题。
因此，在具有地上型空腔的器件中，如何降低压电层应力变化，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子设备、滤波器、谐振器及谐振器的制备方法，可有效降低压电层应力变化。
为解决上述技术问题，本发明提供一种谐振器，包括：衬底、底电极、压电层和顶电极，所述底电极位于所述衬底和所述压电层之间，所述压电层位于所述底电极和所述顶电极之间，其特征在于，所述底电极与所述衬底之间设置有多层空腔，多层所述空腔的宽度在远离所述衬底方向上逐渐减小。
可选的，在上述谐振器中，多层所述空腔包括靠近衬底的第一空腔和靠近底电极的第二空腔，所述第一空腔包围第二空腔。
可选的，在上述谐振器中，所述第一空腔的形状与第二空腔形状不同。
可选的，在上述谐振器中，所述第一空腔的部分区域沿平行于衬底的方向向外凸出形成释放通道，使得第一空腔形状与第二空腔形状不同。
可选的，在上述谐振器中，所述第一空腔包括多个拐角，至少一个所述拐角沿平行于衬底的方向向外凸出形成释放通道。
可选的，在上述谐振器中，所述释放通道上方的压电层中设置有用于连通外界与所述释放通道的释放孔，用于释放空腔内的牺牲层。
可选的，在上述谐振器中，所述拐角呈弧形或角度形。
可选的，在上述谐振器中，多层所述空腔的侧面呈倾斜状、弧形或阶梯状。
可选的，在上述谐振器中，多层所述空腔的侧面呈倾斜状且倾斜角度相同。
可选的，在上述谐振器中，靠近所述底电极的空腔边缘相对于靠近所述衬底的空腔边缘内缩1μm～10μm。
可选的，在上述谐振器中，靠近所述衬底的空腔的高度大于靠近所述底电极的空腔的高度。
本发明还提供一种滤波器，包括上文所述的谐振器。
本发明还提供一种电子设备，包括上文所述的谐振器。
本发明还提供一种谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成底电极；
在所述底电极上形成压电层；
在所述压电层上形成顶电极；
其中，在所述衬底和所述底电极之间形成多层空腔，多层所述空腔的宽度在远离所述衬底方向上逐渐减小。
可选的，在上述制备方法中，多层所述空腔的形成方法包括，先在所述衬底和所述底电极之间形成多层牺牲层，待所述顶电极形成之后，再去除多层所述牺牲层。
可选的，在上述制备方法中，最靠近所述衬底的牺牲层的材料与其余层牺牲层的材料相同或不同。
可选的，在上述制备方法中，所述牺牲层包括掺杂磷元素的材料。
可选的，在上述制备方法中，最靠近所述衬底的牺牲层的磷的含量高于其余牺牲层的磷的含量，最靠近所述衬底的牺牲层的释放速度高于其余牺牲层的释放速度。
本发明提供了一种谐振器，其有益效果在于：
1、从衬底向顶电极方向，多层空腔的宽度逐渐减小，压电层覆盖在多层空腔上，使得有效区域边缘的压电层形貌缓慢变化，减小压电层的形貌突变，减小应力突变，提高压电层的压电性能。
2、由于释放通道的高度降低，覆盖在释放通道上方的压电层在释放通道边缘的形貌突变减小，从而减小应力突变。同时提高了器件结构的机械稳定性。
本发明还提供一种应用上述谐振器的滤波器、电子设备及制备方法，因此，滤波器、电子设备及制备方法同样具有上述有益效果，此处便不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为背景技术实施例提供的一种气隙型谐振器的俯视图；
图2为图1在A’-A’向的截面图；
图3为本发明实施例提供的一种谐振器的俯视图；
图4为图3在A-A向的截面图；
图5～9为本发明实施例提供的一种谐振器的制备方法的结构示意图。
图1～图2中：
S100-衬底；S200-空腔；S300-底电极；S400-压电层；S410-释放孔；S420-释放通道；S500-顶电极；
图3～图9中：
100-衬底；210-第一空腔；220-第二空腔；300-底电极；400-压电层；410-释放孔；420-释放通道；500-顶电极；600-牺牲层；B-压电层形貌；C-压电层的有效区域边缘。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的核心是提供一种电子设备、滤波器、谐振器及谐振器的制备方法，可有效降低压电层应力变化。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参照背景技术中图1和图2所示的常规谐振器，当空腔的高度h一定时，空腔侧面的倾斜度s与空腔的宽度w呈负相关，即当倾斜度越小，压电层形貌变化越小，应力突变也较小，但空腔越宽，谐振器的尺寸也增大，这不利于谐振器的小尺寸化。而当宽度w一定时，倾斜度s与高度h呈正相关，即倾斜度越小，压电层形貌变化越小，应力突变也较小，但空腔高度越小，在谐振器发生谐振时，会有发生谐振薄膜与衬底粘连的风险。
而当压电层形貌变化较大，应力突变较大，会产生膜层应力分布不均，从而导致能量损耗或鼓膜等问题，进而使器件性能大大降低甚至损坏器件，尤其对于2.5GHz以上的高频频段器件，膜层应力分布不均将导致谐振器性能降低、良率较低或者可靠性出现问题。
所以为了减小有效区域边缘的压电层的应力突变，在保证空腔的高度h和宽度w固定不变时，减小倾斜度s，是减小应力突变的一种方式。
基于上述分析，如图3-图9所示，图3为本发明实施例提供的一种谐振器的俯视图；图4为图3在A-A向的截面图；图5～9为本发明实施例提供的一种谐振器的制备方法的结构示意图。
本发明实施例提供的一种谐振器，包括：衬底100、底电极300、压电层400和顶电极500。其中，底电极300位于衬底100和压电层400之间，压电层400位于底电极300和顶电极500之间。
特别的，底电极300与衬底100之间设置有多层空腔，多层空腔的宽度在远离衬底100方向上逐渐减小。底电极300覆盖多层空腔的上表面且延伸至衬底100上，在衬底100上方围成空腔，底电极300的侧面作为空腔的一部分。压电层400覆盖多层空腔和底电极300且两端延伸至衬底100上，在平行于衬底100的方向上，压电层400的厚度基本不变。顶电极500位于压电层400上，其至少一个末端在空腔的边缘内侧，例如顶电极500不与外部进行连接的非连接端在空腔的边缘内侧，以避免顶电极500、压电层400和底电极300三者重叠产生额外的寄生振荡。
本发明将地上型空腔设置为多层空腔，且从靠近衬底100到远离衬底100的方向上，每一层空腔的宽度逐渐减小，使得后续在多层空腔上生长的底电极300和压电层400在每层空腔的交接处形貌变化减小，例如在有效区域的边缘，即在C位置，压电层400由一次较大形貌变化，转变为由多次较小的形貌变化，底电极300和压电层400在多层空腔的边缘上形貌缓慢变化，从而减少因形貌变化较大而产生的较大应力变化。同时，较缓慢的形貌变化，使得底电极300和压电层400的生长质量得到提高，减少生长缺陷，提高器件Q值。
另外，最靠近衬底100的一层空腔的部分区域向外凸出形成释放通道420，并且在释放通道420上方的压电层400内设置释放孔410，释放溶液通过释放孔和释放通道进入空腔内的牺牲层600与之接触反应，以释放空腔内的牺牲层600形成空腔。此时释放通道420的高度即为最靠近衬底100的一层空腔的高度，相对于整体多层空腔的高度，释放通道420的高度降低，使得覆盖在最靠近衬底100的一层空腔上的压电层400形貌变化减小，应力突变也减小。同时，可以保证谐振区域的有效面积最大化，同时提高了释放通道420的布局灵活度，方便谐振器连接时的设计布局。
在一具体实施例中，如图3和图4所示，多层空腔至少包括靠近衬底100的第一空腔210以及靠近底电极300的第二空腔220，第一空腔210包围第二空腔220。由于第一空腔210沿平行于衬底100的方向向外凸出形成1个以上的释放通道420，使得第一空腔210的形状因为凸出部分与其他层空腔的形状不同。
可以理解为，至少有一层空腔(即最靠近衬底100的一层空腔)的形状和其他层的形状不同，其他层的形状可以设置成相同或不同。
多层空腔可以为规则多边形，还可以是不规则多边形，本实施例不作具体限定。在一种形式中，第一空腔210具有多个拐角，至少一个拐角沿平行于衬底100的方向向外凸出形成释放通道420。除第一空腔210外的其他层空腔也具有多个拐角。为了减小应力突变，拐角设计成弧形或角度形，例如直角形。
需要说明的是，释放通道420可以设置在第二空腔220的拐角处，当然可以设置在不与第二空腔220拐角对应的位置，本实施例不作具体限定，释放通道420的个数至少是1个，为了加快牺牲层600的释放，可以设置多个释放通道420。
多层空腔的侧面呈倾斜状、弧形或阶梯状。多层空腔的倾斜角度可以相同，也可以不同。可根据实际应力情况进行适应性的选择。多层空腔的高度设置可以是任意比例。优选情况下，为了实现较优的应力变化，靠近底电极300的空腔边缘相对于靠近衬底100的空腔边缘内缩1μm～10μm。靠近衬底100的空腔的高度大于靠近底电极300的空腔的高度，以便于牺牲层600的释放。
现有技术通常选择在空腔的外周附近设置，例如在牺牲层600的斜坡上的侧面上设置释放孔410，释放孔410离有效区域较近，会破坏有效区域的应力分布，导致有效区域的压电性变化范围变大，影响器件良率。另外在侧面加工释放孔410对工艺要求较高，提升了工艺成本。而，本发明设计的释放孔410是在第一空腔210和第二空腔220之间的平台上方设置释放孔，而非斜坡上，便于加工，对工艺要求不高。
下面以两层空腔作为示例说明。第二空腔220近似于五边形，第一空腔210在第二空腔220的外围，且在对应于第二空腔220的5个拐角处分别向外凸出形成5个释放通道420，释放通道420上方设置释放孔410。
第一空腔210比第二空腔220宽约1μm～10μm，优选3μm。第一空腔210的高度h1大于第二空腔220的高度h2，以减小压电层400在有效区域边缘的应力突变，在其他实施例中，h1也可以等于或者小于h2，本实施例不作进一步限定。
释放通道420的宽度w1(如图3所示)在15μm以上，释放孔410的直径约为20μm以内，优选10μm。
两层空腔边缘的倾斜角度可以相同，比如同为30°或者45°，也可以不同，比如上方空腔为15°，下方空腔为30°，或者是其他根据实际应用设置的任意数值。
此外，本发明还提供一种滤波器，包括上文的谐振器。本发明还提供一种电子设备，包括上文的谐振器。
其中，应当理解的是，本发明的核心在于上述谐振器，对于本实施例提供的滤波器和电子设备中的其他结构，可参考相关现有技术，此处便不再细述。
请参照图5-图9，本发明还提供一种谐振器的制备方法，应用如上文的谐振器，制备方法包括：
步骤1、如图5所示，提供衬底100，在衬底100的上表面覆盖牺牲层600，通过刻蚀图案化的牺牲层600，牺牲层600为至少2层，靠近衬底100的一层牺牲层600的一部分向外凸出；
步骤2、如图6所示，在图案化的牺牲层600和衬底100表面形成底电极300，底电极300的一部分位于凸出部分上方，在非凸出部分位置，底电极300覆盖牺牲层600表面并延伸至衬底100上；
步骤3、如图7所示，底电极300表面形成压电层400，压电层400覆盖牺牲层600和底电极300并延伸至衬底100上；
步骤4、如图8所示，压电层400表面生长顶电极500，刻蚀顶电极500，使得顶电极500的非连接末端在待形成空腔的牺牲层600边缘内侧；
步骤5、如图9所示，牺牲层600的凸出部分上方，刻蚀压电层400至牺牲层600形成释放孔410，释放牺牲层600，凸出部分则形成释放通道420，并在底电极300和衬底100之间形成多层空腔，此时多层空腔的宽度在远离衬底100方向上逐渐减小。
在上述制备方法的基础上，最靠近衬底100的牺牲层600的材料与其余层牺牲层600的材料相同或不同。其中，牺牲层600至少包括掺杂磷元素的材料。牺牲层600材料还可以包含Ge、Sb、Ti、Al、Cu等的金属、磷酸硅酸盐玻璃(PSG)或聚合物，优选掺杂磷的SiO2(PSG)；其他情况下，牺牲层600也可以为Si、Poly(多晶硅)或者其他介质材料，或者是金属材料和介质材料的组合。介质或者金属可以通过CVD、PVD、蒸镀等工艺实现。
进一步地，最靠近衬底100的牺牲层600的释放速度高于靠近底电极300的释放速度，例如常见的Ti、Al等金属设置在靠近衬底的牺牲层600上可以快速的溶于氢氟酸达到释放效果或者，最靠近衬底100的牺牲层600的磷的含量高于其余牺牲层600的磷的含量，使得最靠近衬底100的牺牲层600的释放速度高于其余牺牲层600的释放速度，此时可以使得靠近底电极300的牺牲层600释放速度较慢，减小应力。
在一具体实施例中，衬底100材料可以是硅(Si)，蓝宝石(sapphire)，多晶硅(poly)，二氧化硅(SiO2)，砷化镓(GaAs)，尖晶石(spinel)，玻璃或陶瓷材料，优选为硅(Si)。底电极300的材料可以是金(Au)、钼(Mo)、钌(Ru)、铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)等，优选为钼(Mo)。压电层400的材料可以是由氧化锌(ZnO)，硫化锌(ZnS)，氮化铝(AlN)，硫化镉(CdS)，钛酸铅[PT](PbTiO3)、钛酸锆酸铅[PZT](Pb(Zr，Ti)O3)，钽酸锂(LiTaO3)，铌酸锂(LiNbO3)或锆钛酸铅镧系列的其他成员制成，优选为氮化铝(AlN)。顶电极500的材料与底电极300的材料可以相同或者不同，可以是金(Au)、钼(Mo)、钌(Ru)、铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)等，优选顶电极500与底电极300材料相同，均为钼(Mo)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (18)

1.一种谐振器，包括：衬底、底电极、压电层和顶电极，所述底电极位于所述衬底和所述压电层之间，所述压电层位于所述底电极和所述顶电极之间，其特征在于，所述底电极与所述衬底之间设置有多层空腔，多层所述空腔的宽度在远离所述衬底方向上逐渐减小，至少部分所述压电层覆盖多层所述空腔且连续延伸至所述衬底上，使得在多层所述空腔上生长的所述底电极和所述压电层在每层空腔的交接处形貌变化减小。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多层所述空腔包括靠近衬底的第一空腔和靠近底电极的第二空腔，所述第一空腔包围第二空腔。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，所述第一空腔的形状与第二空腔形状不同。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述第一空腔的部分区域沿平行于衬底的方向向外凸出形成释放通道，使得第一空腔形状与第二空腔形状不同。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述第一空腔包括多个拐角，至少一个所述拐角沿平行于衬底的方向向外凸出形成释放通道。
6.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述释放通道上方的压电层中设置有用于连通外界与所述释放通道的释放孔，用于释放空腔内的牺牲层。
7.根据权利要求5所述的谐振器，其特征在于，所述拐角呈弧形或角度形。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多层所述空腔的侧面呈倾斜状、弧形或阶梯状。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其特征在于，多层所述空腔的侧面呈倾斜状且倾斜角度相同。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，靠近所述底电极的空腔边缘相对于靠近所述衬底的空腔边缘内缩1μm～10μm。
11.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，靠近所述衬底的空腔的高度大于靠近所述底电极的空腔的高度。
12.一种滤波器，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的谐振器。
13.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的谐振器。
14.一种谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成底电极；
在所述底电极上形成压电层；
在所述压电层上形成顶电极；
其特征在于，在所述衬底和所述底电极之间形成多层空腔，多层所述空腔的宽度在远离所述衬底方向上逐渐减小，使得在多层所述空腔上生长的所述底电极和所述压电层在每层空腔的交接处形貌变化减小。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，多层所述空腔的形成方法包括，先在所述衬底和所述底电极之间形成多层牺牲层，待所述顶电极形成之后，再去除多层所述牺牲层。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，最靠近所述衬底的牺牲层的材料与其余层牺牲层的材料相同或不同。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层包括掺杂磷元素的材料。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，最靠近所述衬底的牺牲层的磷的含量高于其余牺牲层的磷的含量，最靠近所述衬底的牺牲层的释放速度高于其余牺牲层的释放速度。
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