CN115694398A - 具有多个底电极层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器及其制造方法。该谐振器包括：基底；底电极；顶电极；和压电层，其中：所述底电极包括多个电极层，所述多个电极层至少包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同；在底电极的非电极连接端，所述第一电极层的端面被所述第二电极层所覆盖。本发明还涉及一种滤波器以及一种电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其制造方法、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
对于体声波谐振器，采用了将底电极设置为包括多层电极的形式。如图1所示，该谐振器包括基底101、声学镜102、底电极层103、底电极层104、压电层105、顶电极106、钝化层或工艺层107。因为底电极层103、底电极层104的材料很难做到在图形化时具有完全相同的刻蚀速率，因此两种材料的边缘刻蚀角度无法做到相同，结果如图1中所示，在A区域会出现转角结构。这种转角结构会造成后面膜层，比如压电层105和顶电极106在此区域产生严重缺陷，从而影响谐振器性能。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
所述底电极包括多个电极层，所述多个电极层至少包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同；
在底电极的非电极连接端，所述第一电极层的端面被所述第二电极层所覆盖。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括底电极和压电层，所述底电极包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同，第二电极层的至少一部分处于第一电极层的上侧，所述方法包括步骤：
以第二电极层覆盖所述第一电极层的非电极连接端的端面而形成覆盖面。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为已知的体声波谐振器的截面示意图；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图；
图3A-3D为根据本发明的一个示例性实施例的示意性示出图2中的体声波谐振器的制造过程的截面示意图；
图4-8为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于底电极包括多层底电极层的体声波谐振器，本发明提出减少在底电极的非电极连接端的端面的转角结构的方案。
本发明中的附图标记说明如下：
101：基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
102：声学镜，可为空腔，例也可采用布拉格反射层及其他等效形式。
103：底电极层，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
104：底电极层，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等，底电极层103与底电极层104的材料可以不同。
105：压电层，材料可以为氮化铝、氮化镓、铌酸锂、锆钛酸铅(PZT)、铌酸钾、石英薄膜、氧化锌等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。
106：顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。顶电极和底电极材料一般相同，但也可以不同。
107：介质层或工艺层，其材料一般为介质材料，例如可以为氮化铝、二氧化硅、氮化硅等。如能够理解的，也可以不设置介质层或工艺层。
109：种子层或者阻挡层，材料可选AlN、SiN等。
110：声阻抗不匹配结构：可以是空气、SiO2、SiN等，如后面提及的，也可以不设置声阻抗不匹配结构。声阻抗不匹配结构是声学不匹配结构中的一种。
111：凸起结构，材料可选钼，钌，金，铝，镁，钨，铜，钛，铱，锇，铬或以上金属的符合或其合金等，也可以不设置凸起结构。凸起结构是声学不匹配结构中的一种。虽然在图中没有示出，也可以设置例如凹陷结构、桥结构、悬翼结构等声学不匹配结构。
112：底电极层，材料可选钼，钌，金，铝，镁，钨，铜，钛，铱，锇，铬或以上金属的符合或其合金等，底电极层112的材料可以与底电极层104相同或不同。
115：牺牲层，材料可以是AlN、SiN、SiO2等。
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。如图2所示，体声波谐振器包括：
基底101；
声学镜102，在图2中其为空腔形式；
底电极，包括在谐振器的厚度方向上设置的底电极层103和底电极层104，底电极层103和底电极层104的材料彼此不同，在这里，两者材料不同体现出底电极包括了两个底电极层而不是相同材料的金属层的叠加；
顶电极106；和
压电层105，设置在底电极与顶电极106之间。
在图2中，谐振器还包括介质层或工艺层107，如前所述的，也可以不设置介质层或工艺层107。
在图2所示的实施例中，如能够理解的，底电极可以不是仅仅包括底电极层103和底电极层104，还可以包括更多的底电极层。
从图2可以看出，在底电极的非电极连接端，底电极层103的端面被底电极层104所覆盖。如此，以底电极层104的非电极连接端的端面替代了图1中的区域A处的带转角的端面，这有利于后续的压电层105、顶电极106的沉积，避免或降低了图1中的区域A处的转角结构导致的缺陷。
如图2所示，声学镜102设置在基底101中，而底电极层103则覆盖在声学镜102的上侧，底电极层104覆盖底电极层103的上侧且在谐振器的厚度方向上处于压电层105与底电极层103之间。
下面参照图3A-3D示例性说明图2所示的谐振器结构的制造过程。
如图3A所示，提供基底101以及在基底101的上侧形成空腔或凹槽，空腔或凹槽中填充了牺牲层115。如能够理解的，牺牲层115可以是在基底101的上侧设置牺牲材料层(其会填充基底上侧的空腔)后，采用CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺形成图3A所示的结构。牺牲层115在后续的步骤中可以被释放以形成谐振器的声学镜结构。
如图3B所示，在图3A所示结构的基础上，沉积底电极材料层(对应于底电极层103)；接着，对底电极材料层(对应于底电极层103)图形化以形成底电极层103。
如图3C所示，在图3B所示结构的基础上，沉积底电极材料层(对应于104)，其覆盖底电极层103、基底101的上表面，明显的，底电极材料层(对应于104)覆盖了底电极层103的非电极连接端的端面；然后，对底电极材料层(对应于104)图形化以形成底电极层104。
如图3D所示，在图3C所示结构的基础上，沉积压电层105。
虽然没有示出，如本领域技术人员能够理解的，可以在图3D所示结构的基础上形成底电极106以及工艺层107，从而得到图2所示的谐振器结构。
在进一步可选的实施例中，对于底电极层103和底电极层104的材料不同，可以是图2中的底电极层104的声阻抗高于底电极层103的声阻抗，图2中的底电极层103的导电率高于底电极层104的导电率。
图4为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。图4所示结构与图2所示结构的不同在于，在图4中，在底电极层103的下侧设置有阻挡层109。
在图4中，底电极层103覆盖阻挡层109且阻挡层109限定声学镜102的上侧边界的至少一部分。在图4中，在底电极的非电极连接端，底电极层104还覆盖阻挡层109的端面。
在可选的实施例中，虽然没有示出，阻挡层109在非电极连接端也可以延伸到底电极层103的非电极连接端的内侧。
在可选的实施例中，虽然没有示出，阻挡层109在非电极连接端也可以延伸到底电极层103的非电极连接端的外侧，此时，底电极层104的非电极连接端可以覆盖阻挡层109的上侧的至少一部分。
在本发明的一个实施例中，谐振器还可设置有沿谐振器的有效区域设置的声学不匹配结构。图5示出了这样的示例性结构。图5中，顶电极在非电极连接端以及电极连接端均设置有声阻抗不匹配结构110和凸起结构111。声阻抗不匹配结构110和凸起结构111均属于声学不匹配结构。在另外具体的实施例中，可以仅设置声阻抗不匹配结构110或凸起结构111，或者，还可以设置凹陷结构等其他的声学不匹配结构。此外，声学不匹配结构在谐振器的厚度方向上的位置也不限于图5中所示的处于顶电极106与压电层105之间，也可以设置在压电层中，或者设置在压电层与底电极之间等，这些均在本发明的保护范围之内。
在图2-图5所示的实施例中，声学镜102设置在基底101中，但是本发明不限于此。声学镜也可以设置在底电极中，从而底电极为间隙电极；声学镜也可以设置在底电极与基底之间。这些均在本发明的保护范围之内。
图6为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图，在图6所示的结构中，谐振器的声学镜设置在底电极中。如图6所示，底电极层112与底电极层103之间限定有空隙层102。底电极层112的材料可以不同于底电极层103的材料。在图6中，示例性的，底电极层103限定空隙层102的上侧边界的至少一部分。
如图6所示，在非电极连接端，底电极层104覆盖底电极层103的端面，底电极层112的端部处于底电极层103的端部的外侧。
在可选的实施例中，如图6所示，底电极层104的端面与底电极层112的端面齐平。底电极层104的材料与底电极层112的材料可以相同，这样，在后续的图形化过程中，有利于使得底电极层104的端面与底电极层112的端面齐平。
如图7所示，在另外的实施例中，在底电极的非电极连接端，在图7中的底电极层103和112的端面可以齐平，底电极层104的非电极连接端覆盖底电极层103和112的端面。在另外可选的实施例中，图7中的底电极层103和112的端面可以不齐平，但底电极层104的非电极连接端至少覆盖底电极层103的端面。
也可以不另外设置底电极层112，而是在底电极层103和底电极层104之间形成间隙层，图8中示出了这样的示例性实施例。参见图8，空隙层102设置在底电极层104和103之间，同时，在底电极的非电极连接端，底电极层104的端部覆盖底电极层103的端面。
在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心(即有效区域中心)在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近有效区域中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离有效区域中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与有效区域中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离有效区域中心。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器或电子设备。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
所述底电极包括多个电极层，所述多个电极层至少包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同；
在底电极的非电极连接端，所述第一电极层的端面被所述第二电极层所覆盖。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述基底设置有声学镜，所述第一电极层的非电极连接端处于所述声学镜的边界的外侧。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述第二电极层处于所述声学镜的上侧。
4、根据2所述的谐振器，还包括：
阻挡层，所述第一电极层覆盖所述阻挡层且所述阻挡层限定所述声学镜的上侧边界的至少一部分；
在底电极的非电极连接端，所述第二电极层覆盖所述阻挡层的端面，或者所述第二电极层覆盖所述阻挡层的上表面的至少一部分。
5、根据1所述的谐振器，其中：
所述底电极中设置有空隙层，所述空隙层限定谐振器的声学镜。
6、根据5所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括第三电极层，所述第三电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层；
在底电极的非电极连接端，所述第三电极层的端部处于所述第一电极层的端部的外侧。
7、根据6所述的谐振器，其中：
所述第三电极层的材料与所述第二电极层的材料相同；且
在底电极的非电极连接端，所述第三电极层的端面与所述第二电极层的端面齐平。
8、根据5所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括第三电极层，所述第三电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层；
在底电极的非电极连接端，所述第二电极层的端部处于所述第一电极层的端部和第三电极层的端部的外侧以至少覆盖第一电极层的端面。
9、根据5所述的谐振器，其中：
所述第二电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层。
10、根据1或5所述的谐振器，其中：
所述第二电极层的声阻抗高于第一电极层的声阻抗，所述第一电极层的导电率高于所述第二电极层的导电率。
11、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：
所述谐振器还设置有沿所述谐振器的有效区域设置的声学不匹配结构。
12、一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括底电极和压电层，所述底电极包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同，第二电极层的至少一部分处于第一电极层的上侧，所述方法包括步骤：
以第二电极层覆盖所述第一电极层的非电极连接端的端面而形成覆盖面。
13、一种滤波器，包括根据1-11中任一项所述的体声波谐振器。
14、一种电子设备，包括根据13所述的滤波器，或者根据1-11中任一项所述的体声波谐振器。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (14)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
所述底电极包括多个电极层，所述多个电极层至少包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同；
在底电极的非电极连接端，所述第一电极层的端面被所述第二电极层所覆盖。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述基底设置有声学镜，所述第一电极层的非电极连接端处于所述声学镜的边界的外侧。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述第二电极层处于所述声学镜的上侧。
4.根据权利要求2所述的谐振器，还包括：
阻挡层，所述第一电极层覆盖所述阻挡层且所述阻挡层限定所述声学镜的上侧边界的至少一部分；
在底电极的非电极连接端，所述第二电极层覆盖所述阻挡层的端面，或者所述第二电极层覆盖所述阻挡层的上表面的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述底电极中设置有空隙层，所述空隙层限定谐振器的声学镜。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括第三电极层，所述第三电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层；
在底电极的非电极连接端，所述第三电极层的端部处于所述第一电极层的端部的外侧。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述第三电极层的材料与所述第二电极层的材料相同；且
在底电极的非电极连接端，所述第三电极层的端面与所述第二电极层的端面齐平。
8.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括第三电极层，所述第三电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层；
在底电极的非电极连接端，所述第二电极层的端部处于所述第一电极层的端部和第三电极层的端部的外侧以至少覆盖第一电极层的端面。
9.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述第二电极层与第一电极层之间设置有所述空隙层。
10.根据权利要求1或5所述的谐振器，其中：
所述第二电极层的声阻抗高于第一电极层的声阻抗，所述第一电极层的导电率高于所述第二电极层的导电率。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器，其中：
所述谐振器还设置有沿所述谐振器的有效区域设置的声学不匹配结构。
12.一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括底电极和压电层，所述底电极包括在谐振器的厚度方向上设置的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层的材料不同，第二电极层的至少一部分处于第一电极层的上侧，所述方法包括步骤：
以第二电极层覆盖所述第一电极层的非电极连接端的端面而形成覆盖面。
13.一种滤波器，包括根据权利要求1-11中任一项所述的体声波谐振器。
14.一种电子设备，包括根据权利要求13所述的滤波器，或者根据权利要求1-11中任一项所述的体声波谐振器。
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