CN116032236B - 一种体声波耳形通道谐振器 - Google Patents

一种体声波耳形通道谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种体声波耳形通道谐振器，属于半导体及微电子技术领域，本发明在紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置峰台，四层的峰台投影位置重合，紧邻峰台的内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置谷台，四层谷台投影位置重合；紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置谷台，四层谷台在投影位置重合，紧邻谷台的内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置峰台，四层峰台投影位置重合，相对于现有结构，Q值可以提升约30%。

Description

一种体声波耳形通道谐振器
技术领域
本发明属于半导体及微电子技术领域，尤其涉及一种体声波耳形通道谐振器。
背景技术
为了降低电子设备的成本和尺寸，需要更小的信号滤波元件，而薄膜体声波谐振器作为新型的滤波元件，具有满足这些需求的潜力。薄膜体声波谐振器包括薄膜压电材料，其夹在两个金属电极之间，组成三明治结构，这种结构通过围绕在其周围的支撑层悬浮在空气中。当两个电极之间产生电场时，压电材料可将部分电能以声波的形式转化为机械能，且声波在三明治结构的纵向方向传播，理想情况下，能量都被困在纵向模式中，但实际情况却存在其它非纵向模式，即横向模式，而这种不需要的模式会使得体声波谐振器的损耗变大，Q值降低。目前已公开的减小横向模型的方法是在谐振器的上电极加一圈凸台、凹槽以及空气隙，Q值相对没有这种结构提升不少，随着通讯频段更加拥挤，滤波器及多工器的要求也更加严格，所以提升其Q值是一个无止境的工作。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种体声波耳形通道谐振器，进一步降低了谐振器的损耗，进一步提升了谐振器的Q值。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种体声波耳形通道谐振器，包括依次沉积的硅衬底、种子层、下电极、压电层和上电极、保护层、下电极双耳通道结构、上电极双耳通道结构、设置于下电极双耳通道结构和上电极双耳通道结构上，且贯穿于保护层、上电极、压电层和下电极的通孔、由下电极双耳通道结构和上电极双耳通道结构合围起来的耳形通道谐振器的实际有效面积以及上电极紧邻实际有效面积外侧的空气间隙；
紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置峰台，四层的峰台投影位置重合，紧邻峰台的内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置谷台，四层谷台投影位置重合；紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置谷台，四层谷台在投影位置重合，紧邻谷台的内侧在种子层、上电极、压电层和下电极四层上设置峰台，四层峰台投影位置重合；
所述下电极被下电极双耳通道结构分成第一大面积谐振器和第一小面积谐振器裙边，所述上电极被上电极双耳通道结构分成第二大面积谐振器和第二小面积谐振器裙边；所述下电极双耳通道结构和上电极双耳通道结构均由两端为两个耳形结构及中间为通道组成，且通道填充牺牲层。
进一步地，所述峰台的宽度为0-10um，深度为500-3000um；所述谷台的宽度为0-10um，深度为20-300um。
再进一步地，所述上电极和下电极均采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述种子层采用的材料为SiO2。
再进一步地，所述种子层的峰台采用的材料为SiO2；所述压电层的峰台采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述上电极和下电极的峰台采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种。
再进一步地，所述种子层的谷台采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层的谷台采用的材料采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述下电极的谷台采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种。
本发明的有益效果：
本发明通过上述结构，当横向声波沿上电极传播时，被上电极的峰台和谷台反射回谐振器内部；当横向声波沿压电层传播时，被压电层的峰台和谷台反射回谐振器内部；当横向声波沿下电极传播时，被下电极的峰台和谷台反射回谐振器内部；谐振器最重要的这三层结构最大限度将横波束缚在谐振器内部，从而最大程度提升了其Q值，尤其是Fs频率以下的Q值，提升约30%。
附图说明
图1为现有技术中谐振器结构示意图。
图2为本发明中双耳通道谐振器的平面图。
图3为图2的一侧视图。
图4为图2的另一侧视图。
图5为图2的又一侧视图。
图6为本发明中双耳通道谐振器的另一平面图。
图7为图6的一侧视图。
图8为图6的另一侧视图。
图9为图6的又一侧视图。
图10为现有技术与本发明的阻抗对比图。
其中，1-硅衬底，2-种子层，201-种子层的峰台，202-种子层的谷台，3-下电极，301-下电极的峰台，302-下电极的谷台，4-压电层，401-压电层的峰台，402-压电层的谷台，5-上电极，501-上电极的峰台，502-上电极的谷台，6-通孔，7-下电极的空气反射腔，8-上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，9-下电极双耳通道结构，10-上电极双耳通道结构。
实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，图1为现有技术谐振器结构，1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；501为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极峰台，峰台内侧一圈为上电极谷层502。峰台、谷台、空气间隙的作用是将谐振器的横波反射回谐振器内部，从而提升谐振器的Q值。但是横波不止存在于上电极，也存在于压电层和下电极，所以不能完全束缚住横波，故其Q值还有很大的提升空间。
如图2-图9所示，本发明提供了一种体声波耳形通道谐振器，包括依次沉积的硅衬底1、种子层2、下电极3、压电层4和上电极5、保护层、下电极双耳通道结构9、上电极双耳通道结构10、设置于下电极双耳通道结构9和上电极双耳通道结构10上，且贯穿于保护层、上电极5、压电层4和下电极3的通孔6、由下电极双耳通道结构9和上电极双耳通道结构10合围起来的耳形通道谐振器的实际有效面积以及上电极5紧邻实际有效面积外侧的空气间隙8；
紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层2、上电极5、压电层4和下电极3四层上设置峰台，四层的峰台投影位置重合，紧邻峰台的内侧在种子层2、上电极5、压电层4和下电极3四层上设置谷台，四层谷台投影位置重合；紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层2、上电极5、压电层4和下电极3四层上设置谷台，四层谷台在投影位置重合，紧邻谷台的内侧在种子层2、上电极5、压电层4和下电极3四层上设置峰台，四层峰台投影位置重合；
所述下电极3被下电极双耳通道结构9分成第一大面积谐振器和第一小面积谐振器裙边，所述上电极5被上电极双耳通道结构10分成第二大面积谐振器和第二小面积谐振器裙边；所述下电极双耳通道结构9和上电极双耳通道结构10均由两端为两个耳形结构及中间为通道组成，且通道填充牺牲层。
本实施例中，所述峰台的宽度为0-10um，深度为500-3000um；所述谷台的宽度为0-10um，深度为20-300um。
本实施例中，所述上电极5和下电极3均采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层4采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述种子层2采用的材料为SiO2。
本实施例中，所述种子层的峰台201采用的材料为SiO2；所述压电层的峰台401采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述上电极的峰台501和下电极的峰台301采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种。
本实施例中，所述种子层的谷台202采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层的谷台402采用的材料采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述下电极的谷台302采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种。
本实施例中，本发明公开了一种高Q值的体声波耳形通道谐振器结构，这种结构包含压电层4、上电极5和下电极3上下金属层，其中上电极5被耳形通道分为两部分，面积大的部分实际起谐振及连接作用的，小部分的裙边起连接及支撑作用；下电极3被耳形通道分为两部分，面积大的部分实际起谐振及连接作用的，小部分的裙边起连接及支撑作用；耳形通道由两端为两个耳形结构及中间为一段通道组成，耳形结构中设有通孔6，通孔贯穿保护层、上电极5、压电层4及下电极3，通过在通孔6中注入刻蚀液体，刻蚀液体沿上电极通道和下电极通道将填充的牺牲层刻蚀掉。上、下两个耳形通道合围起来的面积为耳形通道谐振器的实际有效面积。在紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层2、上电极5、压电层4、下电极3设置峰台，四层的峰台投影位置重合；紧邻峰台的内侧在种子层2、上电极5、压电层4、下电极3设置谷台，四层的谷台投影位置重合。在紧邻有效面积的外围内侧在种子层2、上电极5、压电层4、下电极3设置谷台，四层的谷台在投影位置重合；在紧邻谷台的内侧在种子层2、上电极5、压电层4、下电极3设置峰台，四层的峰台投影位置重合。当横向声波沿上电极5传播时，被上电极的峰台501和上电极的谷台502反射回谐振器内部；当横向声波沿压电层4传播时，被压电层的峰台401和压电层的谷台402反射回谐振器内部；当横向声波沿下电极3传播时，被下电极的峰台301和下电极的谷台302反射回谐振器内部；谐振器最重要的这三层结构最大限度将横波束缚在谐振器内部，从而最大程度提升了其Q值，尤其是Fs频率以下的Q值，提升约30%。
本实施例中，如图2所示，图2是本发明的双耳通道谐振器的平面图，其中3为下电极，5为上电极，9为下电极的双耳通道结构，其由两只耳形结构及两只耳形结构夹起来的通道构成，通道填充牺牲层；10为上电极的双耳通道结构，其由两只耳形结构及两只耳形结构夹起来的通道构成，通道填充牺牲层；两个耳形结构中设置贯穿下电极3、压电层4、上电极5的通孔6，刻蚀液体通过通孔6将下电极双耳通道结构9和上电极双耳通道结构10通道中的牺牲层刻蚀掉，从而将下电极3和上电极5分为大面积谐振器和小面积裙边。由下电极双耳通道结构9和上电极双耳通道结构10两个双耳通道结构围起的面积为谐振器的实际有效面积。实际有效面积的内侧在上电极5、压电层4、下电极3、种子层2均设置有一一对应的峰台：上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201，峰台的宽度为0-10um，深度为500-3000um；在峰台内侧设置上电极5、压电层4、下电极3、种子层2一一对应的谷台：上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202，谷台的宽度为0-10um，深度为20-300um。当横向声波沿上电极5、压电层4、下电极3、种子层2传播时，被各层的峰台和谷台以及空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图3所示，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；501为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极峰台，峰台材料同上电极；峰台内侧一圈为上电极谷台502。401为压电层4的峰台，其材料同压电层；301为下电极3的峰台，峰台材料同下电极；201为种子层2的峰台，峰台材料同种子层，上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201的投影面积重合。本实施例各层均有峰台，只有上电极有谷台；当横向声波沿上电极5、压电层4、下电极3、种子层2传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图4所示，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；501为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极峰台，峰台材料同上电极5；峰台内侧一圈为上电极谷台502。402为压电层4的谷台，其材料同上电极5；302为下电极3的谷台，谷台材料同压电层4；202为种子层2的谷台，谷台材料同下电极3，上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202的投影面积重合。本实施例各层均有谷台，只有上电极5有峰台；当横向声波沿上电极5、压电层4、下电极3、种子层2传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图5所示，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；501为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极峰台，峰台材料同上电极；峰台内侧一圈为上电极谷台502。401为压电层4的峰台，其材料同压电层；402为压电层4的谷台，其材料同上电极；301为下电极3的峰台，峰台材料同下电极；302为下电极3的谷台，谷台材料同压电层；201为种子层2的峰台，峰台材料同种子层；202为种子层2的谷台，谷台材料同下电极；各层峰台：上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201的投影面积重合，各层谷台上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202的投影面积重合。本实施例各层均有峰台和谷台，当横向声波沿上电极5、压电层4、下电极3、种子层2传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图6所示，其中3为下电极，5为上电极，9为下电极的双耳通道结构，其由两只耳形结构及两只耳形结构夹起来的通道构成，通道填充牺牲层；10为上电极的双耳通道结构，其由两只耳形结构及两只耳形结构夹起来的通道构成，通道填充牺牲层；两个耳形结构中设置贯穿下电极3、压电层4、上电极5的通孔6，刻蚀液体通过通孔6将下电极的双耳通道结构9和上电极的双耳通道结构10通道中的牺牲层刻蚀掉，从而将下电极3和上电极5分为大面积谐振器和小面积裙边。由下电极的双耳通道结构9和上电极的双耳通道结构10两个双耳通道结构围起的面积为谐振器的有效面积。实际有效面积的内侧在上电极5、压电层4、下电极3、种子层2均设置谷台上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202，谷台的宽度为0-10um，深度为20-300um。在谷台内侧设置上电极5、压电层4、下电极3、种子层2的峰台上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201，峰台的宽度为0-10um，深度为500-3000um；当横向声波沿上电极5、压电层4、下电极3、种子层2传播时，被各层的峰台和谷台以及空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图7所示，下图是实施例2的侧视图，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；502为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极谷台；谷台内侧一圈为上电极峰台501，其材料同上电极。402为压电层4的谷台，其材料同上电极；302为下电极3的谷台，谷台材料同压电层；202为种子层2的谷台，谷台材料同下电极，上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202的投影面积重合。本实施例各层均有谷台，只有上电极有峰台；当横向声波沿上电极、压电层、下电极、种子层传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如8所示，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；502为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极谷台；上电极谷台502内侧一圈为上电极的峰台501，其材料同上电极。401为压电层4的峰台，其材料同压电层；301为下电极3的峰台，峰台材料同下电极；201为种子层2的峰台，峰台材料同种子层，上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201的投影面积重合。本实施例各层均有峰台，只有上电极有谷台；当横向声波沿上电极、压电层、下电极、种子层传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图9所示，其中1为硅衬底，2为种子层SiO2，3为下电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，4为压电层AlN/ScAlN/PZT/ZnO等具有压电特性的压电材料，5为上电极Mo/Cu/Au/W等金属材料，7为下电极的空气反射腔，8为上电极紧邻有效面积外侧的空气间隙，虚线间的距离L为谐振器的有效面积区域；502为沿有效面积外围内侧一圈设置的上电极谷台；上电极谷台502内侧一圈为上电极峰台501，其材料同上电极。401为压电层4的峰台，其材料同压电层；402为压电层4的谷台，其材料同上电极；301为下电极3的峰台，峰台材料同下电极3；302为下电极3的谷台，谷台材料同压电层4；201为种子层2的峰台，峰台材料同种子层；202为种子层2的谷台，谷台材料同下电极；各层峰台上电极的峰台501、压电层的峰台401、下电极的峰台301以及种子层的峰台201的投影面积重合，各层谷台上电极的谷台502、压电层的谷台402、下电极的谷台302以及种子层的谷台202的投影面积重合。本实施例各层均有峰台和谷台，当横向声波沿上电极、压电层、下电极、种子层传播时，被各层的峰台/谷台/空气间隙反射回谐振器内部，从而提升Q值。
本实施例中，如图10所示，横坐标为频率freq，单位为GHz，纵坐标是阻抗Z，单位为Ohm。其中粗线为本发明技术，细线为现在有技术，阻抗最高点fp为反谐振器点，反谐振点的阻抗值越大，谐振器的性能越好；fs为谐振点，fs频率以下阻抗值越小，谐振器的性能越好，可以看出本发明在fs频率以下的阻抗值明显低于现有技术约30%，也就是说在fs频率以下本发明的Q值比现有技术提升约30%。

Claims (5)

1.一种体声波耳形通道谐振器，其特征在于，包括硅衬底（1）、种子层（2）、下电极（3）、压电层（4）、上电极（5）、保护层、下电极双耳通道结构（9）、上电极双耳通道结构（10）、通孔（6）、空气间隙（8）以及由下电极双耳通道结构（9）和上电极双耳通道结构（10）合围起来的耳形通道谐振器的实际有效面积；
所述硅衬底（1）、种子层（2）、下电极（3）、压电层（4）、上电极（5）以及保护层依次沉积；所述通孔（6）设置于下电极双耳通道结构（9）和上电极双耳通道结构（10）上，且贯穿于保护层、上电极（5）、压电层（4）和下电极（3）；所述空气间隙（8）位于上电极（5）紧邻实际有效面积的外侧；
紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层（2）、上电极（5）、压电层（4）和下电极（3）四层上设置峰台，四层的峰台投影位置重合，紧邻峰台的内侧在种子层（2）、上电极（5）、压电层（4）和下电极（3）四层上设置谷台，四层谷台投影位置重合；或
紧邻实际有效面积的外围内侧在种子层（2）、上电极（5）、压电层（4）和下电极（3）四层上设置谷台，四层谷台在投影位置重合，紧邻谷台的内侧在种子层（2）、上电极（5）、压电层（4）和下电极（3）四层上设置峰台，四层峰台投影位置重合；
所述下电极（3）被下电极双耳通道结构（9）分成第一大面积谐振器和第一小面积谐振器裙边，所述上电极（5）被上电极双耳通道结构（10）分成第二大面积谐振器和第二小面积谐振器裙边；所述下电极双耳通道结构（9）和上电极双耳通道结构（10）均由两端为两个耳形结构及中间为通道组成，且通道填充牺牲层。
2.根据权利要求1所述的体声波耳形通道谐振器，其特征在于，所述峰台的宽度为0-10um，深度为500-3000um；所述谷台的宽度为0-10um，深度为20-300um。
3.根据权利要求1所述的体声波耳形通道谐振器，其特征在于，所述上电极（5）和下电极（3）均采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层（4）采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述种子层（2）采用的材料为SiO2。
4.根据权利要求3所述的体声波耳形通道谐振器，其特征在于，所述种子层的峰台（201）采用的材料为SiO2；所述压电层的峰台（401）采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种；所述上电极的峰台（501）和下电极的峰台（301）采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种。
5.根据权利要求4所述的体声波耳形通道谐振器，其特征在于，所述种子层的谷台（202）采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述压电层的谷台（402）采用的材料采用的材料为Mo、Cu和/或W金属材料中至少一种；所述下电极的谷台（302）采用的材料为AlN、ScAlN、PZT和/或ZnO具有压电特征的压电材料中至少一种。
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