CN115882812A - 选择凸起结构的角度以提升性能的体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：所述谐振器的有效区域的边缘设置有凸起结构，所述凸起结构的内端的角度在25°‑60°的范围内。本发明还涉及一种提高体声波谐振器性能的方法，包括步骤：在所述谐振器的有效区域的边缘设置凸起结构，选择所述凸起结构的内端的角度以平缓谐振器的频率‑阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者在串联谐振频率以下60‑80MHz区间的部分。本发明还涉及一种滤波器和一种电子设备。
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
随着5G通信技术的日益发展，对通信频段的要求越来越高。传统的射频滤波器受结构和性能的限制，不能满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种新型的MEMS器件，具有体积小、质量轻、插入损耗低、频带宽以及品质因子高等优点，很好地适应了无线通信系统的更新换代，使FBAR技术成为通信领域的研究热点之一。
为了提升谐振器的并联谐振阻抗Rp，进而提升Q值，通常是在谐振区或者有效区域的边缘设置凸起结构，使主谐振器区与边界的声学不匹配，能量泄露得以降低，FBAR的性能得以提升。然而凸起结构的引入使得谐振器的频率-阻抗曲线中，在寄生区域(spurious)以下的阻抗曲线有一个鼓包，这会降低谐振器的性能，从而影响滤波器通带性能。
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；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器的有效区域的边缘设置有凸起结构，所述凸起结构的内端的角度在25°-60°的范围内。
本发明的实施例也涉及一种提高体声波谐振器性能的方法，包括步骤：在所述谐振器的有效区域的边缘设置凸起结构，选择所述凸起结构的内端的角度以使得：所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
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1A为已知的体声波谐振器的截面示意图，其中并未设置凸起结构；
图1B为已知的体声波谐振器的截面示意图，其中设置了凸起结构；
图2A为图1A中的体声波谐振器的频率-谐振曲线；
图2B为图1B中的体声波谐振器的频率-谐振曲线；
图3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，其中专门明确了凸起结构的内端的角度；
图4A为图3中的体声波谐振器的频率-谐振曲线，其中凸起结构的内端的角度为50度；
图4B为图3中体声波谐振器的频率-谐振曲线，其中凸起结构的内端的角度为40度；
图5为根据本发明的一个示例性的仿真图，示出了凸起结构的内端的角度与串联谐振频率以下60-80MHz的区间性能以及并联谐振阻抗之间的关系；
图6-图10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。
在本发明中，通过设置凸起结构以及选择凸起结构的内端的角度，以在提升并联谐振阻抗Rp的同时还能够把寄生区域以下的频率-阻抗曲线的鼓包向低频处移动，以提升谐振器的性能从而提升滤波器通带性能。
首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
10：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。
20：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明所示的实施例中采用的是设置于基底的内部以及间隙电极的形式，在可选的实施例中，空腔也可以位于基底的上表面。
30、31：底电极，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。
40：压电层，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、PZT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。
50：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。
51：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，也可以选AlN、SiN、SiO2等非金属材料。
52：边缘层结构，材料包括空气或者用于反射声波的功能材料，其中，所述功能材料的声阻抗小于或者等于空气的声阻抗。
54：顶电极加厚层，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。
60：钝化层或工艺层，设置在谐振器的顶电极上，可以是质量调节负载或钝化层，其材料可以为介质材料，如AlN、SiN、Al2O3、SiO2等材料。
61：钝化层或工艺层，设置在顶电极加厚层60上，其材料可以为介质材料，如AlN、SiN、Al2O3、SiO2等材料。
图1A为已知的体声波谐振器的截面示意图，其中并未设置凸起结构，图2A为图1A中的体声波谐振器的频率-谐振曲线，并联谐振阻抗Rp为频率-谐振曲线的最高点，假定值为1。
图1B为已知的体声波谐振器的截面示意图，其中设置了凸起结构，图2B为图1B中的体声波谐振器的频率-谐振曲线。相对于图1A的结构，在图2B中，并联谐振阻抗Rp最多可以提升至1.5，即带凸起结构的谐振器比不带凸起结构谐振器的并联阻抗最多能够提升50％。但是，如图2B所示，频率-谐振曲线中寄生区域以下有两个鼓包，其中离寄生区域较近的鼓包(对应位置B)会对(滤波器通带)性能有影响。如图2B所示，方框右侧为寄生区域结束位置(即C点)，左侧为从寄生区域向左30MHz的位置。从图2B可以看出串联谐振频率Fs近处第一鼓包B点的位置在方框以内。
图3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，其中专门明确了凸起结构的内端的角度。通过调节或选择凸起结构51的内端的角度(如参见图3中凸起结构51的角度θ)，可以适当改变离寄生区域较近的鼓包的位置，使其向远离串联谐振频率Fs的方向移动。
如图2B所示，其中A位置为离串联谐振频率Fs最远处鼓包(第二鼓包)，B位置为串联谐振频率Fs近处鼓包(第一鼓包)或鼓包频率点，C位置为寄生区域结束位置，D位置为串联谐振频率Fs，E位置为并联谐振频率Fp。
图4A为图3中的体声波谐振器的频率-谐振曲线，其中凸起结构51的角度θ为50°，图4A中，A'至E'的意义同A至E，可以看出：随着凸起结构51角度增加A、C、D、E位置保持不变，但B位置(第一鼓包)相对于图2B中向左移动(串联谐振频率Fs相反方向)到B'位置，对应的BC之间的曲线由原来的较为陡峭的曲线变成B'C'较为平滑的曲线。
图4B为图3中的体声波谐振器的频率-谐振曲线，其中凸起结构51的角度θ为40°，图4B中，A'至E'的意义同A至E，可以看出：随着凸起结构51角度增加A、C、D、E位置保持不变，但B位置(第一鼓包)相对于图2B中向左移动(串联谐振频率Fs相反方向)到B'位置，对应的BC之间的曲线由原来的较为陡峭的曲线变成B'C'较为平滑的曲线。
在本发明中，在频率-阻抗曲线中寄生区域结束处(C’点)开始30MHz区域即方框中标注的区间定义为Qsw1，或者将串联谐振频率Fs以下60-80MHz的区间性能定义为Qsw1，如图4A和图4B的方框标注的位置，此处曲线越陡峭或者整体越高则Qsw1就越低，对应谐振器性能较差；曲线越平滑或者整体越低则Qsw1就越高，对应谐振器性能较好。此外，并联谐振频率Rp越高，谐振器性能越好。
从图2B可以看出串联谐振频率Fs近处第一鼓包B点的位置在方框以内，而随着角度增加到40°时(参见图4B)，B’点的位置被推到方框的边缘，在另外的实施例中，当角度增加到例如50°时，B’点的位置被推到方框以外(参见图4A)，即方框在B’点(鼓包频率点)到C’点之间且B’点在方框的之外，即谐振器的频率-阻抗曲线中，鼓包频率在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
在本发明中，通过设置凸起结构51以及选择凸起结构51的内端的角度，例如在25°-60°的范围内，使得谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率Fs以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内。可以认为最高点与最低点之间的连线越接近水平线则认为越平缓，越平缓谐振器的性能越好。明显的，在图2B、图4B与图4A中，在方框内曲线的陡峭程度依次变缓。也可以认为，在本发明的方案中，B’点在方框的之外，在方框与频率-阻抗曲线的两个交点的连线与方框的右侧边形成的角度在90°-50°的范围内表示最高点与最低点之间的连线平缓，其中90°对应于两个交点的连线为水平线。
图5为根据本发明的一个示例性的仿真图，示出了凸起结构的内端的角度与串联谐振频率以下60-80MHz的区间性能以及并联谐振阻抗之间的关系。从图5的性能与角度关系曲线可以看出凸起结构51的角度θ通常范围是20°-80°，在本发明中，使用25°-60°这一范围，这有利于获得在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内较高的性能，从而提高谐振器的性能。
进一步的实施例中，凸起结构51的角度θ可以使用35°-50°这一范围，在35°-50°的范围，并联谐振频率Rp，以及在寄生区域结束处开始30MHz的区域内例如串联谐振频率以下60-80MHz的区间性能都得到保证，从而综合性能较佳，即此时：既能够保证较高的并联谐振频率Rp，也能够保证Qsw1没有明显降低，对应的第一鼓包即图4A中B'的位置距离串联谐振频率Fs较远，使得寄生区域结束处的曲线(方框标注的位置)总体较低，以有利于保证滤波器通带性能。
凸起结构51也可以与附加结构相配合，以提升谐振器的性能。图6-图10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。
如图6所示，附加结构包括边缘层结构52，边缘层结构52设置在凸起结构51的下方，边缘层结构52的内端处于凸起结构51的内端的外侧。如图6所示，边缘层结构52设置在凸起结构51与压电层40之间。在另外的实施例中，虽然没有示出，边缘层结构52也可以设置在压电层中。
如能够理解的，凸起结构51在谐振器的厚度方向上可以设置在顶电极50与压电层40之间，也可以设置在压电层40与底电极30之间，还可以设置在顶电极的上方或者底电极的下方。在可选的实施例中，凸起结构51也可以设置在压电层40中。
在本发明中，凸起结构51与边缘层结构52可以在谐振器的厚度方向上相邻设置，也可以分开设置，均在本发明的保护范围之内。
如图7所示，在一个示例性实施例中，附加结构可以包括凹陷结构53这样的声阻抗不匹配结构，凹陷结构53处于所述凸起结构的内侧。
如图8所示，在一个示例性实施例中，底电极为间隙电极，所述间隙电极包括底电极30与底电极31，底电极30与底电极31之间设置有作为声学镜20的间隙。这有利于降低串联谐振阻抗Rs以及寄生阻抗，也增加了底电极的厚度，从而提高了进一步谐振器的性能。
如图9所示，在一个示例性实施例中，顶电极50在处于凸起结构的内端外侧的部分设置有电极加厚层54，这有利于降低串联谐振阻抗Rs以及寄生阻抗，也增加了顶电极的厚度，从而进一步提高了谐振器的性能。
附加结构也可以组合，如图10所示，在一个示例性实施例中，边缘层结构52与凹陷结构53组合，同样的，虽然没有示出，边缘层结构52的位置也可以设置在凸起结构51与压电层40之间或者设置在压电层中。
基于以上，本发明也涉及一种提高体声波谐振器性能的方法，即，在谐振器的有效区域的边缘设置凸起结构，选择所述凸起结构的内端的角度以平缓谐振器的频率-阻抗曲线在串联谐振频率以下60-80MHz区间的部分。
需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
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其他半导体器件。
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；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器的有效区域的边缘设置有凸起结构，所述凸起结构的内端的角度在25°-60°的范围内。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述凸起结构的内端的角度在35°-50°的范围内。
3、根据1所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极与压电层之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在压电层与底电极之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极之上；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在底电极之下；或
所述凸起结构设置在压电层中。
4、根据1所述的谐振器，其中：
所述凸起结构的内端处于声学镜的边缘的内侧。
5、根据1所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极，所述间隙电极内设置有所述声学镜；和/或
所述顶电极在处于所述凸起结构的内端外侧的部分设置有电极加厚层。
6、根据1所述的谐振器，其中：
所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者
所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
7、根据1-6中任一项所述的谐振器，还包括：
附加结构，沿所述有效区域的边缘设置。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述附加结构包括边缘层结构，所述边缘层结构设置在凸起结构的下方，所述边缘层结构的内端处于所述凸起结构的内端的外侧；和/或
所述附加结构包括凹陷结构，所述凹陷结构处于所述凸起结构的内侧。
9、根据8所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述边缘层结构设置在凸起结构与压电层之间；或者
所述边缘结构层设置在压电层中。
10、一种提高体声波谐振器性能的方法，包括步骤：
在所述谐振器的有效区域的边缘设置凸起结构，选择所述凸起结构的内端的角度以使得所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
11、根据10所述的方法，其中：
选择所述凸起结构的内端的角度在20°-60°的范围内以使得所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内。
12、根据11所述的方法，其中：
选择所述凸起结构的内端的角度在35°-50°的范围内以使得所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
13、根据10所述的方法，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极与压电层之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在压电层与底电极之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极之上；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在底电极之下；或
所述凸起结构设置在压电层中。
14、根据10所述的方法，其中：
设置有凸起结构的步骤中，使得所述凸起结构的内端处于谐振器的声学镜的边缘的内侧。
15、一种滤波器，包括根据1-9中任一项所述的体声波谐振器。
16、一种电子设备，包括根据15所述的滤波器，或者根据1-9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 (16)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器的有效区域的边缘设置有凸起结构，所述凸起结构的内端的角度在25°-60°的范围内。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述凸起结构的内端的角度在35°-50°的范围内。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极与压电层之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在压电层与底电极之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极之上；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在底电极之下；或
所述凸起结构设置在压电层中。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述凸起结构的内端处于声学镜的边缘的内侧。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极，所述间隙电极内设置有所述声学镜；和/或
所述顶电极在处于所述凸起结构的内端外侧的部分设置有电极加厚层。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内；或者
所述谐振器的频率-阻抗曲线中，鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的谐振器，还包括：
附加结构，沿所述有效区域的边缘设置。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述附加结构包括边缘层结构，所述边缘层结构设置在凸起结构的下方，所述边缘层结构的内端处于所述凸起结构的内端的外侧；和/或
所述附加结构包括凹陷结构，所述凹陷结构处于所述凸起结构的内侧。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述边缘层结构设置在凸起结构与压电层之间；或者
所述边缘结构层设置在压电层中。
10.一种提高体声波谐振器性能的方法，包括步骤：
在所述谐振器的有效区域的边缘设置凸起结构，选择所述凸起结构的内端的角度以使得：所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
选择所述凸起结构的内端的角度在20°-60°的范围内以使得：所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
选择所述凸起结构的内端的角度在35°-50°的范围内以使得：所述谐振器的频率-阻抗曲线在寄生区域结束处开始30MHz的区域内或者串联谐振频率以下60-80MHz的区间内的阻抗的最高值与最低值的差值在最低值的2倍的范围内，或者所述谐振器的频率-阻抗曲线中鼓包频率点在寄生区域结束处开始30MHz的区域之外。
13.根据权利要求10所述的方法，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极与压电层之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在压电层与底电极之间；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在顶电极之上；或
在谐振器的厚度方向上，所述凸起结构设置在底电极之下；或
所述凸起结构设置在压电层中。
14.根据权利要求10所述的方法，其中：
设置有凸起结构的步骤中，使得所述凸起结构的内端处于谐振器的声学镜的边缘的内侧。
15.一种滤波器，包括根据权利要求1-9中任一项所述的体声波谐振器。
16.一种电子设备，包括根据权利要求15所述的滤波器，或者根据权利要求1-9中任一项所述的体声波谐振器。
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