CN117015932A - 一种体滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种滤波器(100),包括：压电层(105)；第一电极(108),其设置在所述压电层(105)的第一垂直面，经配置以接收电信号；以及第二电极(109),其设置在所述压电层(105)的第二垂直面，经配置以输出电信号，其中所述第一垂直面与所述第二垂直面为所述压电层(105)相对的两侧。

Description

一种体滤波器 技术领域
本发明涉及半导体领域，特别地涉及一种体滤波器。
背景技术
滤波器是对频率过滤的器件。滤波器的种类很多，包括介质滤波器、LC滤波器、SAW滤波器、BAW滤波器等。随着不同频带间的频率差越来越小，对于滤波器的信号选择性要求越来越高。滤波器的品质因数Q表示通带内的信号通过并阻挡通带外的信号的能力。Q越大，滤波器能够实现越窄的通带带宽，也就有更好的选择性。除了品质因数Q之外，插入损耗也是重要。插入损耗是指通带信号经过滤波器后的衰减程度，即信号功率损耗。插入损耗有1dB，则信号功率被衰减20％；当插入损耗到达3dB时，则信号功率被衰减了50％。SAW/BAW/FBAR滤波器凭借优良的频带选择性(高Q值)和低插入损耗等特性成为射频滤波器的主流技术。
考虑谐振区域的振动隔离和散热，BAW滤波器包括BAW-SMR结构以及FBAR结构。然而，BAW-SMR和FBAR都存在工艺要求高，实现难度大的问题，不利于降低器件的成本和提升集成度。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种滤波器，包括：压电层；第一电极，其设置在所述压电层的第一垂直面，经配置以接收电信号；以及第二电极，其设置在所述压电层的第二垂直面，经配置以输出电信号，其中所述第一垂直面与所述第二垂直面为所述压电层相对的两侧。
如上所述的滤波器，其中压电层材料为AlN、钽酸锂、ZnO、PZT中的一 者。
如上所述的滤波器，进一步包括衬底，其包括垂直界面，所述压电层经所述垂直界面外延生长形成。
如上所述的滤波器，其中衬底是Si衬底，垂直界面是Si(111)面；其中衬底是Al 2O 3蓝宝石衬底，垂直界面是Al 2O 3的(0001)面；其中衬底是SiC衬底，垂直界面是SiC的(0001)或(000-1)面；或者，其中衬底是GaN本征衬底，垂直界面是GaN本征衬底的(0001)面或(000-1)面。
如上所述的滤波器，进一步包括导热层，其中所述衬底在所述压电层与所述导热层之间。
如上所述的滤波器，其中所述衬底经过减薄处理；或者所述衬底的厚度为500-3000nm。
如上所述的滤波器，其中所述衬底的所述垂直界面与所述压电层之间包括缓冲层。
如上所述的滤波器，其中所述压电层设置在所述缓冲层的上方。
如上所述的滤波器，进一步包括支撑层，所述压电层的所述第一垂直界面与所述第二垂直界面大致垂直于所述支撑层。
如上所述的滤波器，其中所述支撑层包括高热导率材料。
如上所述的滤波器，其中支撑层包括金属或石墨烯。
如上所述的滤波器，其中所述第一垂直界面之外包括第一声波反射器或第一空腔。
如上所述的滤波器，其中所述第二垂直界面之外包括第二声波反射器或第二空腔。
如上所述的滤波器，其中所述压电层的上方或下方包括第三声波反射器或第三空腔。
如上所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极在所述压电层上方 实现电互联。
如上所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极分别在所述压电层上方和下方实现电互联。
如上所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极在所述压电层下方实现电互联。
根据本发明的另一个方面，提出一种滤波器网络，包括：多个如上所述的滤波器；其中所述如上所述的滤波器集成在单片上。
如上所述的滤波器网络，其中所述多个如上所述的滤波器共享同一衬底或支撑层。
如上所述的滤波器网络，其中所述多个如上所述的滤波器形成梯形配置、晶格配置、或梯形-晶格配置。
根据本发明的另一个方面，提出一种半导体器件，包括：一个或多个如上所述的滤波器或者一个或多个如上所述的滤波器网络；以及一个或多个晶体管；其中所述一个或多个如上所述的滤波器或者一个或多个如上所述的滤波器网络以及一个或多个晶体管集成在单片上。
如上所述的半导体器件，其中所述一个或多个如上所述的滤波器或者一个或多个如上所述的滤波器网络以及一个或多个晶体管共享同一衬底或支撑层。
如上所述的半导体器件，其中所述一个或多个晶体管包括HEMT或者HHMT。
如上所述的半导体器件，其中所述HEMT或者HHMT包括垂直设置的沟道层和沟道提供层。
由于压电层不同的晶格取向，本发明的体滤波器制程工艺更为简单，压电层晶格质量更高。基于本发明的体滤波器的滤波器网络以及半导体器件能够单片集成，从而更加有利于降低器件的尺寸。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
[根据细则26改正25.02.2022] 图2A～图2H是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的制备步骤示意图；
图3是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图4A～图4C是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的制备步骤示意图；
图5是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图6A～图6D是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的制备步骤示意图；
图7是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图8A～图8M是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的制备步骤示意图；
图9A是根据本发明的一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图9B是根据本发明的一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图9C～图9G是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的制备步骤示意图；
图10A-图10D是根据本发明实施例的多种BAW滤波器的结构示意图；
图11A-11C是根据本发明实施例多种BAW滤波器电极引出结构示意图；
图12A是根据本发明的一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图12B～图12C是根据本发明一个实施例的BAW滤波器制备步骤示意图；
图12D是根据本发明一个实施例的BAW滤波器和HEMT的集成示意图；
图13A是根据本发明的一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图13B～图13C是根据本发明一个实施例的BAW滤波器制备步骤示意图；
图14A～图14D是根据本发明实施例的多种BAW滤波器结构示意图；
图15是根据本发明一个实施例的BAW滤波器的结构示意图；
图16A～图16B是根据本发明实施例的两种BAW滤波器的结构示意图；
图17A～图17B是根据本发明实施例的两种BAW滤波器的结构示意图；
图17C～图17D是根据本发明实施例的两种BAW滤波器的电极引出结构 示意图；以及
图18A～图18C是BAW滤波器网络拓扑配置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
除非另外指明，诸如「上方」、「下方」、「顶部」、「底部」之类的空间描述指的是相对于图中所示的方向。应当理解的是，本文所使用的空间描述仅是出于说明的目的，而且本文对结构所描述的实际实施方式，可以在不偏离本公开内容的具体实施例的优点下，以任何方向或任何方式在空间上进行排列。
本发明提出了一种具有垂直结构的BAW滤波器。与现有技术不同，在本发明滤波器的压电材料中，声波是以水平方向传播的。也就是说，在本发明滤波器的压电材料中具有压电效应的晶格方向是水平的。由此，在本发明滤波器中与压电材料接触提供输入电信号和输出电信号的第一电极和第二电极也是相对于压电材料横向设置在压电材料两侧的垂直面上。垂直结构的压电材料具有更少的缺陷，也有利于使得制程更加简化，提高良品率。
图1是根据本发明的一个实施例一种BAW滤波器的结构示意图。如图所 示，滤波器10包括衬底101上具有不同高度的两个区域，形成台阶状的结构。由此，在两个区域中间形成了垂直界面121。滤波器100进一步包括垂直界面121之外的压电层105。在一些实施例中，压电层105的高度可以高于垂直界面121的高度。滤波器100包括第一电极108和第二电极109。第一电极108和第二电极109分别与压电层105的两个侧面，即第一垂直面和第二垂直面，形成欧姆接触。在一些实施例中，第一电极108和第二电极109的面积可以与压电层105两个垂直面的面积相同；或者，第一电极108和第二电极109的面积可以大于或小于压电层105两个垂直面的面积。在一些实施例中，本申请所述滤波器可以包括两个以上电极，例如一个接地电极(未示出)。
对于图1所示的垂直结构BAW滤波器，压电层105在与第一电极108接触的第一垂直面将来自第一电极108电能转化为机械能；在与第二电极109接触的第二垂直面再次将机械能转化为电能。由于只有与压电层105的固有频率匹配的通带频率范围内电信号才能通过滤波器100，由此实现频率的过滤。压电层厚度与所述滤波器谐振频率成反比。通过选择不同厚度的压电层和/或电极，能够实现不同通带频率范围的滤波器。
根据本发明一个实施例，压电层的材料可以为III-IV族超宽禁带材料，如GaN、AlN等；也可以是其他压电材料，例如LiTaO 3，LiNbO 3，SiO 2等。在本文的一些实施例中，压电层材料为AlN、钽酸锂、ZnO、PZT中的一者。本领域技术人员应当理解，本发明的压电材料并不限于此。
根据本发明一个实施例，衬底101的材料可以是Si、SiC、本征GaN或蓝宝石Al 2O 3等。在一些实施例中，选择相较其他材料成本较低，工艺更为成熟的Si衬底作为实例来说明本发明的技术方案。本领域技术人员应当理解，本发明的压电材料并不限于此。
衬底中的Si会与压电层105中的GaN发生回熔效应，影响压电层105的生长。在一些实施例中，滤波器100还包括成核层(未示出)，其形成在垂直 界面121上。在一些实施例中，滤波器100还包括缓冲层104。缓冲层104形成在成核层上。压电层105生在成核层或者缓冲层104之上。目前也存在一些特殊的工艺能够直接在Si衬底的垂直界面上生成宽禁带材料而不必使用成核层或缓冲层。因此，在一些实施例中，成核层和缓冲层不是必要的。
在一些实施例中，成核层的材料可以是AlN，其覆盖Si衬底101的垂直界面121，以避免Si衬底101中的Si与压电层105直接接触。在一些实施例中，缓冲层104能够减少晶格差异带来的影响，减小衬底101与压电层105之间的晶格常数和热膨胀系数等差异带来的影响，有效避免氮化物外延层出现龟裂等情况，减少晶格中的缺陷。缓冲层的材料可以是AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInN和AlGaInN中一种或多种。
根据本发明的一个实施例，衬底101上方包括间隔层102和间隔层103。间隔层102和间隔层103将滤波器100与衬底101隔离，能够减少衬底101对于器件性能的影响，使得器件提高耐压和减小暗电流的能力都有明显提升。在一些实施例中，间隔层102和间隔层103的材料可以为SiN、SiO 2等绝缘材料。
图2A-图2G为根据本发明一个实施例的滤波器的制造方法流程图。为了更好地说明本发明的方案，该实施例以如图1所示滤波器的制程为实例。
本实施例的半导体器件的制造方法包括：在步骤2001，在衬底201上形成垂直界面221，如图2A所示。由此，衬底201上形成高低不同的两个区域。衬底201可以为Si衬底。如本领域技术人员所理解，其他衬底如本征GaN、Al 2O 3(蓝宝石)、SiC等，也可以实现类似结构。
在步骤2002，在衬底上生长保护层并图形化为仅覆盖曝露的衬底的垂直界面，如图2B所示。在一些实施例中，在衬底201上使用LPCVD等技术生长SiN，形成保护层231。保护层231覆盖整个衬底201。进一步地，通过垂直取向蚀刻技术，去除垂直表面221以外的衬底上的SiN，仅保留在侧壁的SiN。
在步骤2003，在衬底201上方形成绝缘层，如图2C所示。在衬底上生长 绝缘层。在一些实施例中，可以通过晶体生长的方式在整个衬底上201形成绝缘层202。或者，通过沉积绝缘材料然后再减薄，得到所需厚度的绝缘层，形成绝缘层202和203。由于保护层231的存在，垂直界面没有绝缘层的生长。
在步骤2004，去除保护层，如图2D所示。在一些实施例中，通过选择性蚀刻技术，去除侧壁上SiN，使得衬底201的垂直界面221曝露，但同时保留了衬底201的间隔层202和203。
本领域技术人员应当理解，还存在其他技术以在衬底上形成类似结构，并同时曝露衬底的垂直界面。例如，先在具有垂直界面的衬底上形成间隔层，然后图形化该绝缘层露出衬底的垂直界面。
在步骤2005，在衬底201曝露的垂直表面上形成成核层，如图2E所示。
对于Si衬底，一般选择引入成核层204。如本领域技术人员所知，GaN可以直接在Al 2O 3(蓝宝石)、SiC或本征GaN上成核生长。由于晶体质量控制较难，也经常在工艺过程中引入成核层204。在某些情况下，可以不必包括步骤205以引入例如低温GaN或者AlN的成核层204。
因为AlN选区生长能力较弱，所以在间隔层上也可能有一定的生长，这对半导体器件有不利的影响。在一些实施例中，可以在生长AlN后取出晶圆，通过具有各项异性的蚀刻，仅保留垂直面上的AlN成核层而把其他地方的AlN去除，例如，利用垂直向下离子轰击的干法蚀刻。由于垂直表面上的AlN受到的离子轰击较弱而其他面上的AlN受到的轰击较强，这样就可以实现仅保留垂直面上的AlN的目标。
在步骤2006，如图2F所示，在成核层204上形成压电层205。例如，在成核层204上通过外延生长形成压电层205。在一些实施例中，在此之前可以包括，在成核层上形成缓冲层。如前所述，在本发明的半导体器件的结构中，缓冲层并不是必需的。在本质上看，缓冲层和压电层的性质非常接近，甚至可以是同一种材料(如AlN)。或者说，基本的结构是压电层，而在压电层和成 核层之间可以有缓冲层。
在步骤207，在压电层两侧的第一垂直面和第二垂直面上分别形成第一电极208以及第二电极209。在一些实施例中，通过LPCVD沉积金属232(如图2G)和图形化(如图2H)形成与压电层205接触的第一电极208和第二电极209。
在一些实施例中，在第一电极208和第二电极209外侧分别形成空腔。在一些实施例中，在第一电极208和第二电极209外侧分别形成布拉格反射器。例如，在第一电极208和第二电极209外侧形成高阻抗部分。通过图形化技术在高阻抗部分中形成多个槽，其中多个槽的宽度是λ/4，而多个槽之间的间距也是λ/4。然后，在多个槽中形成低阻抗材料，从而形成反射器结构。在另一些实施例中，在第一电极208和第二电极209外侧先形成高阻抗部分。通过图形化技术保留λ/4厚度的高阻抗部分。在保留的λ/4厚度高阻抗部分之外形成低阻抗部分。通过图形化技术保留λ/4厚度的底阻抗部分。然后以同样方式再形成λ/4厚度的高阻抗部分和λ/4厚度的低阻抗部分，从而形成反射器结构。
相较传统的水平结构BAW滤波器，本发明的垂直结构BAW滤波器占用更少的芯片面积，更有利于实现更高的集成度，降低成本，还有利于与其他结构集成。进一步地，本发明的垂直结构BAW滤波器具有更为优良的散热能力，在隔离结构上工艺更加精确和成熟，能够大幅度降低器件的成本。
图3为本发明另一个实施例滤波器组结构示意图。如图所示，滤波器组300包括：衬底301和多个滤波器，其中每个滤波器都包括压电层305以及压电层305下方的绝缘层306，每个压电层305两侧的垂直面上都设置第一电极308和第二电极309。与之前的实施例不同，本实施例的滤波器中不再包括衬底的垂直界面。更为重要的是，压电层305的尺寸是通过沟槽限定的。因此，多个压电层305可以具有不同的尺寸。进一步，沟槽限定的压电层厚度能够更为精确的控制，也能够形成更大高宽比的结构。
在一些实施例中，衬底301的下方可以包括导热层。这样，衬底301将位于在压电层305与导热层之间。导热层可以为金属或者石墨烯等高导热材料。在一些实施例中，衬底301经过减薄处理。经过减薄后，衬底301的厚度为500-3000nm之间，从而能够提供更佳的散热能力。
图4A-4C示出了图3所述实施例中一个滤波器的制造过程。多个不同尺寸的滤波器能够以类似的方式同时在同一衬底上制造。本实施例的滤波器制造方法包括如下步骤：在步骤410，在衬底401上形成两个垂直界面，如图4A所示。例如，通过垂直方向的刻蚀沟槽，从而在衬底401上形成高低不同的三个区域。在步骤420，如图4B所示，在衬底上形成绝缘层和成核层。在步骤430，在沟槽中形成压电层405。在一个实施例中，可以在成核层404上通过外延生长形成压电层405，并逐渐填充整个沟槽。由此，压电层405的尺寸将完全按照沟槽的尺寸形成。在步骤440，图形化去除压电层405两侧结构。通过光刻，去除相应衬底401和成核层404并进一步在压电层405两侧形成第一电极以及第二电极，如图4C所示。由此，可以经由衬底上沟槽的垂直界面而形成滤波器的压电层，而最终的滤波器中不再包括该沟槽的垂直界面。
图5为本发明一个实施例滤波器结构示意图。如图所示，滤波器500包括：支撑层520、压电层505、绝缘层506、第一电极508和第二电极509。与之前的实施例的结构大致相同，本实施例的滤波器中不再包括衬底而将其替换为支撑层。
本实施例的滤波器可以采用如下方法制造：在步骤6100，将如图1所示结构倒置后固定于临时支撑层690上，如图6A所示。在步骤6200，在去除衬底、成核层及部分压电层605，如图6B所示。在步骤6300，在剩余的结构上形成绝缘层606，如图6C所示。在步骤6400，在绝缘层606上形成支撑层620，如图6D所示。最后，通过沉积或外延生长等技术形成支撑层620，并去掉临时支撑层690。在一些实施例中，支撑层620可以是金属或石墨等高导热率材 料。这样，该器件在工作过程中产生的大量热量可以通过支撑层传到外界，从而提供良好的散热效果。
图7为本发明一个实施例的滤波器组的结构示意图。如图所示，滤波器组700包括第一滤波器710，其包括压电层705、第一电极708和第二电极709；以及第二滤波器720，其包括压电层725、第一电极728和第二电极729。与之前的实施例不同，压电层705和725形成在成核层704和724上方，从而使得压电层的缺陷更少；并且两个不同宽度的压电层705和725能够同时形成，方便地实现不同频率滤波器的集成。在一些实施例中，滤波器710和720也适于采用例如图6实施例所示的方式去除衬底，从而能够提供更佳的散热能力。
本实施例的滤波器可以采用如下的制备方法：在步骤8001，如图8A所示，提供Si衬底801。
在步骤8002，在衬底上形成多个第一沟槽，如图8B所示。例如，通过光刻技术蚀刻衬底801，衬底801上形成多个矩形第一沟槽821，曝露衬底801的垂直界面841和842；其中，第一沟槽821内衬底垂直界面841和842是Si衬底的(111)面。本领域中也存在其他方式得到第一沟槽821，这些方法也可以应用于此。
在一些实施例中，同一衬底设置的第一沟槽的个数视具体集成度等要求而定，这里仅以3条沟槽为例进行说明。本发明所涉及方法可以根据实际需求预先构造沟槽的形状和尺寸。
在步骤8003，在衬底及衬底上的第一沟槽表面形成保护层831，如图8C所示。在衬底801上使用LPCVD等技术生长SiN保护层831，覆盖衬底801和多个沟槽821的表面。
在步骤8004，去除第一沟槽底面和衬底上表面水平延伸的保护层831，保留第一沟槽侧壁的保护层831，如图8D所示。通过具有垂直取向的蚀刻技术，仅保留在垂直界面841和842上的SiN形成的保护层831，曝露沟槽821底面 的Si衬底801。保护层831覆盖衬底沟槽821的衬底垂直界面841和842。
在步骤8005，在衬底和第一沟槽上形成第一分隔层，如图8E所示。在第一沟槽821的底面上覆盖分隔层811。在一些实施例中，可以使用氧化技术形成SiO 2，从而在衬底801上形成第一分隔层811。由于衬底801的垂直界面841和842上覆盖有保护层831，衬底801的垂直界面841和842上基本没有生长分隔层811。
在步骤8006，去除沟槽侧壁的保护层，如图8F所示。在衬底801上方的分隔层811覆盖掩膜，通过光刻技术部分蚀刻第一沟槽821侧壁上的保护层831。例如，蚀刻可以包括去除部分第一沟槽821的侧壁。蚀刻后，衬底801的垂直界面841和842曝露。本领域中还存在其他方法以去除保护层而曝露衬底的垂直界面。这些方法也可以应用于此。
在步骤8007，在垂直界面形成第一成核层和第二成核层，如图8G所示。衬底801曝露的垂直表面841和842上生长第一和第二成核层802A和802B。成核层802A和802B包括AlN。在一些实施例中，在形成AlN后，可以进一步生长AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInN和AlGaInN中一种或多种缓冲材料。在一些实施例中，成核层在水平延伸生长的同时，也会在垂直方向上生长(未示出)。通过工艺参数的控制，可以使得成核层的生长尽量沿水平方向。尽管存在垂直方向上的生长，但是并不会对器件结构产生影响。
在步骤8008，在整个器件的表面形成屏蔽层，如图8H所示。在图8GA和8GB所示结构上，通过沉积工艺形成SiO 2屏蔽层812。屏蔽层812填充沟槽821并在衬底上形成一定高度的SiO 2屏蔽层812。在一些实施例中，如果希望形成高宽比较大的半导体器件，屏蔽层812的高度也就会相应增加。
在步骤8009，图形化屏蔽层，形成多个第二沟槽，如图8I所示。通过垂直蚀刻技术，在屏蔽层812上蚀刻垂直的第二沟槽823和824。基本上，第二沟槽823和824定义了半导体器件第二层的高度，并将成核层的高度限制在第 一层。在沟槽823和824底部，曝露出成核层802A和802B的上表面。
本领域技术人员应当注意，成核层802A和802B形成在Si衬底(111)面，因此，成核层802A和802B具有六角对称性。曝露成核层802A和802B的上表面后，沟槽823和824内形成的其他结构也具有六角对称性。
在步骤8010，在多个第二沟槽内生长第一压电层和第二压电层，如图8J所示。在一些实施例中，如图所示，成核层802A和802B上通过外延生长形成第一压电层803A和第二压电层803B。第一压电层803A和第二压电层803B具有不同的宽度，从而具有不同的通带频率范围。对于传统外延生长，其水平方向生长状况不易控制，因此半导体结构很难保持完全垂直生长，可能出现多个生长面。本发明所涉及结构能保持同一面的连续生长，提升了器件的电学特性。
在步骤8011，去除衬底上方的屏蔽层，曝露出压电层，如图8K所示。通过垂直取向刻蚀，去除衬底上方的屏蔽层，曝露出压电层。在一些实施例中，可以保留衬底上少部分绝缘层，使得衬底不曝露。
在步骤8012，在压电层上沉积导电层，如图8L所示。通过电极沉积方法在在压电层上沉积导电层。
在步骤8013，图形化导电层，在各个压电层左右两侧形成第一电极和第二电极，如图8M所示。通过刻蚀技术，保留压电层左右两侧的导电层，形成第一电极和第二电极。
为了提供滤波器的性能，在一些实施例中，本发明的压电层的第一垂直界面之外包括第一声波反射器或第一空腔；第二垂直界面之外包括第二声波反射器或第二空腔，从而将声波限制在压电层中，减少信号的衰减以及热量的产生。
图9A是根据本发明一个实施例滤波器的示意图。与之前实施例中类似的结构不再赘述。如图所示，滤波器900包括底层910和保护层930以及在两者之间形成的腔室940。其中，压电层904、第一电极908和第二电极909形成 在底层910和保护层930之间并与两者接触。图9B是根据本发明另一个实施例滤波器的示意图，其与图9A的滤波器类似，区别在于：压电层904、第一电极908和第二电极909仅与底层910接触，而与保护层930不接触。在一些实施例中底层910可以是衬底或者经过减薄的衬底。在经过减薄的衬底之外可以包括导热层920。在另一些实施例中，底层也可以直接为去除衬底后由高导热材料形成的支撑层，从而提供更好的散热能力。
在本实施例中，压电层904两侧设置的空腔形成类似FBAR结构。在滤波器工作时，压电层904形成的机械波仅在电极908和电极909之间传播。相较传统结构，没有其他寄生波等杂波干扰，滤波效果更好，品质因数更高。
图9B所示实施例的滤波器可以采用如下制造方法：在步骤9001，在图9C所示的滤波器上形成牺牲层932，如图9D所示。例如，通过沉积或者外延生长，形成牺牲层932，完全包裹压电层904、第一电极908和第二电极909。在一些实施例中，牺牲层932可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯酸(PAA)、GaAs等。
在步骤9002，在牺牲层上形成保护层930，如图9E所示。在一些实施例中，在牺牲层932上使用LPCVD等技术生长SiO 2或者SiN，形成保护层930。保护层完全包裹牺牲层932。
在步骤9003，选择性去除牺牲层，如图9F和9G所示。在保护层930上通过垂直刻蚀，形成多个接触孔，使得牺牲层932外露，并通过例如湿法刻蚀等技术去除牺牲层932，且对其他结构无影响。
在步骤9004，封闭保护层，形成腔室结构，如图9B所示。在一些实施例中，外延生长SiO 2或者SiN，将保护层920上形成的接触孔封闭。由于外延生长具有选取生长特性，在保护层上生长形成SiO 2或者SiN，将接触孔处封闭，形成类似图9B结构。如本领域技术人员所了解的，已有的其他封闭保护层形成空腔结构的方法也可以应用与此。
本领域技术人员清楚，除本实施例所记载的方法以为，现有技术中还存在其他方法以在压电层的两侧形成空腔，以形成类似FBAR的结构。这样的方法也同样包括在本发明的范围之中。
图10A是根据本发明另一个实施例的BAW滤波器的结构示意图。与图1A的实施例类似，本实施例的滤波器两侧增加了声波反射器，例如布拉格反射器(Bragg Reflector)。与图1A的实施例相同的部分在此不再赘述。
图10A的滤波器在第一垂直面1006之外包括了第一布拉格反射器1050。如图所示，布拉格反射器1050包括多层高低交替的阻抗层1051和1052，其中第一层1051的声波阻抗大，第二层1052的声波阻抗小，第三层1051声波阻抗大，以此类推；而且每层的厚度是声波波长的1/4，即λ/4。这样，大部分波会反射回来并和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触，大部分声波被压缩到压电层1005中。由于无论是压电材料的厚度，还是阻抗层的厚度都可以由光刻的方式非常精确地定义，而且制程工艺也是成熟工艺，因此本发明一些实施例的滤波器具有更高的品质因数和更低插入损耗。同样地，图10A的滤波器在第二垂直面之外包括了第二布拉格反射器1060，其也能够将大部分声波被反射回来，压缩到压电层105中。
图10B是根据本发明另一个实施例的BAW滤波器的结构示意图。与图10A滤波器结构类似，不同之处在于在压电层105的下方包括了第三布拉格反射器1070。第三布拉格反射器1070覆盖了压电层105的下表面，同样可以减少器件垂直方向能量损耗。
图10C是根据本发明另一个实施例的BAW滤波器的结构示意图。与图10A滤波器结构类似，不同之处在于压电层105下方设置有空腔。在一些实施例中，图10C中压电层105下方可以是衬底结构，也可以是例如柔性基底的其他基底结构。空腔的存在同样可以减少器件垂直方向能量损耗。
图10D是根据本发明另一个实施例的BAW滤波器的结构示意图。与图9B 滤波器结构类似，不同之处在于压电层105上方设置有第四布拉格反射器1080。这样，第四布拉格反射器1080覆盖了压电层105的上表面，同样可以减少器件垂直方向能量损耗。
本发明的滤波器的垂直结构带来了电极互联方面的诸多便利。以下通过多个实施例来说明本发明电互联方面的方便性和灵活性。
图11A-11C是根据本发明实施例的BAW滤波器的不同电极引出方式示意图。如图11A所示，BAW滤波器的第一电极1107和第二电极1108可以同时由上方引出并与其他器件实现电互联。如图11B所示，BAW滤波器一侧的第一电极1107可以由上方引出，另一侧的第二电极1108可以由下方引出，然后再与其他器件实现电互联。如图11C所示，BAW滤波器的第一电极1107和第二电极1108可以同时由下方引出。
图12A是根据本发明一个实施例的BAW滤波器组的结构示意图。在本实施例的结构中，能够更方便设置电极以及在各个器件之间进行电连接。在一些实施例中，在如图12B所示的衬底上制造如图12A所示的BAW滤波器的过程中，在形成压电层后，可以一次性沉积导电层，如图12C所示。在后续工艺中，可以依据实际需求选择电极的样式。例如，如果保持两个器件之间的导电层不变，那么两个器件之间形成了天然的电连接。
图12D是根据本发明一个实施例的BAW滤波器和HEMT集成后的电互联结构示意图。如图所示，衬底1201上左侧包括一个BAW滤波器，右侧包括一个HEMT。BAW滤波器包括：压电层1205、引出电极1211和1212等结构，HEMT包括：沟道层1203、沟道提供层1204、二维电子气1206、第一电极1213、第二电极1214和第三电极1215。引出电极1211和电极1213之间可以相互电连接，也可以无电连接。该结构中，电极1215可以耗尽二维电子气1206，使得第一电极1213、第二电极1214之间截止。电极1215控制HEMT的导通或截止。当引出电极1211和电极1213之间形成电连接时，电信号可以经电极1214 进入，经二维电子气至BAW滤波器，由电极1212传出(或反向传输)。这样，HEMT器件形成了对BAW器件的控制。以类似的方式，能够方便地将本发明的滤波器与其他器件集成在同一芯片中。
图13A是根据本发明的一个实施例的BAW滤波器的结构示意图。在本实施例中，其与图1A结构的区别在于，压电层主要是沿水平方向生长的，所形成的压电层的晶格一致性更高，器件性能更稳定。在一些实施例中，先形成如图13B结构(例如可以依照前述方法)。然后在衬底上垂直刻蚀出左侧空腔，如图13C所示。接下来，沉积金属电极(电子束蒸发、原子层沉积、磁控溅射或物理气相沉积(PVD)等工艺)，然后垂直方向无选择刻蚀形成电极。在一些实施例中，可以参照前述方法形成前述结构器件。
图14A-14D是根据本发明实施例的多个BAW滤波器的结构示意图。图14A所示结构中包括：第一空腔1450和第二空腔1460以及第一引出电极1442和第二引出电极1443。对于滤波器整体而言，左右两侧为对称结构。图14B所示结构中包括：第一布拉格反射器1451和第二布拉格反射器1461。对于滤波器整体而言，左右两侧也为对称结构。图14C所示结构中包括左侧的第一空腔1452和右侧的第一布拉格反射器1462。该滤波器为非对称结构。在一些实施例中，图14D所示结构与图14A类似，不同之处在于电极和压电层之间包括叠加层1453。叠加层1452与压电层温度系数相反，以补偿压电层和金属层的负温度系数。
图15是根据本发明一个实施例的BAW滤波器组的结构示意图。如图所示，可以在同一衬底上形成两个压电层宽度不同(即电极间距离不同)的器件，使得同一衬底上集成不同频率的BAW滤波器。本领域技术人员理解，以同样的方式可以将多个相同或不同频率的滤波器集成在单片上，这些滤波器共享同一衬底或支撑层。在一些实施例中，这些滤波器形成的滤波器组能够形成不同配置的滤波器网络。
图16A-16B是根据本发明实施例的两个BAW滤波器的结构示意图。图16A和图16B是两种不同的壳层设置方式，即可以将两个以上器件设置在同一壳层内，也可以设置在不同的壳层内。
图17A和17B是根据本发明实施例的BAW滤波器组的结构示意图。图17A和图17B都是压电层全部横向生长的实施例，然而，在图17A的实施例中，相邻压电层在同一沟槽中以相对方向生长形成；而在图17B的实施例中，相邻压电层在不同的沟槽中相同方向生长形成。图17A的实施例中有利于形成串联的滤波器结构；而图17B的实施例中有利于形成并联的滤波器结构。同样地，图17C和17D是根据本发明实施例的BAW滤波器组的结构示意图。在图17C的实施例中，相邻滤波器在不同的腔室中以相对方向生长形成，有利于形成串联的滤波器结构。在图17D的实施例中，相邻滤波器在不同的腔室中以相同方向生长形成，有利于形成并联的滤波器结构。
图18A-18C是BAW滤波器组的拓扑结构示意图。图18A是一种梯形拓扑配置，是一种非平衡拓扑结构。图18B是一种晶格形拓扑配置，一种平衡拓扑结构。图18C是一种梯形-晶格形拓扑配置。不同的拓扑结构各有优缺点，为了获得所需带宽，分流元件被调整到比分压元件更低的频率，带外抑制由元件数量和静电容分压器决定。针对所需的抑制功能，可以选择最为合适的拓扑结构。如本领域技术人员所理解的，本发明的滤波器组可以在同一芯片上实现梯形、晶格形以及梯形-晶格形拓扑配置的滤波器网络。
如本领域技术人员理解，本发明多个相同或不同频率的滤波器能够与其他晶体管(如HEMT)等半导体元件集成在单片上。这些滤波器、晶体管等半导体元件共享同一衬底或支撑层，能够形成高度集成化的半导体器件。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变 型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (24)

  1. 一种滤波器，包括：
    压电层；
    第一电极，其设置在所述压电层的第一垂直面，经配置以接收电信号；以及
    第二电极，其设置在所述压电层的第二垂直面，经配置以输出电信号，其中所述第一垂直面与所述第二垂直面为所述压电层相对的两侧。
  2. 根据权利要求1所述的滤波器，其中压电层材料为AlN、钽酸锂、ZnO、PZT中的一者。
  3. 根据权利要求1所述的滤波器，进一步包括衬底，其包括垂直界面，所述压电层经所述垂直界面外延生长形成。
  4. 根据权利要求3所述的滤波器，其中衬底是Si衬底，垂直界面是Si(111)面；其中衬底是Al 2O 3蓝宝石衬底，垂直界面是Al 2O 3的(0001)面；其中衬底是SiC衬底，垂直界面是SiC的(0001)或(000-1)面；或者，其中衬底是GaN本征衬底，垂直界面是GaN本征衬底的(0001)面或(000-1)面。
  5. 根据权利要求3所述的滤波器，进一步包括导热层，其中所述衬底在所述压电层与所述导热层之间。
  6. 根据权利要求3所述的滤波器，其中所述衬底经过减薄处理；或者所述衬底的厚度为500-3000nm。
  7. 根据权利要求3所述的滤波器，其中所述衬底的所述垂直界面与所述压电层之间包括缓冲层。
  8. 根据权利要求7所述的滤波器，其中所述压电层设置在所述缓冲层的上方。
  9. 根据权利要求1所述的滤波器，进一步包括支撑层，所述压电层的所述第一垂直界面与所述第二垂直界面大致垂直于所述支撑层。
  10. 根据权利要求9所述的滤波器，其中所述支撑层包括高热导率材料。
  11. 根据权利要求9所述的滤波器，其中支撑层包括金属或石墨烯。
  12. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述第一垂直界面之外包括第一声波反射器或第一空腔。
  13. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述第二垂直界面之外包括第二声波反射器或第二空腔。
  14. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述压电层的上方或下方包括第三声波反射器或第三空腔。
  15. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极在所述压电层上方实现电互联。
  16. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极分别在所述压电层上方和下方实现电互联。
  17. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述第一电极和所述第二电极在所述压电层下方实现电互联。
  18. 一种滤波器网络，包括：
    多个如权利要求1-17任一所述的滤波器；其中所述多个如权利要求1-17任一所述的滤波器集成在单片上。
  19. 根据权利要求18所述的滤波器网络，其中所述多个如权利要求1-17任一所述的滤波器共享同一衬底或支撑层。
  20. 根据权利要求18所述的滤波器网络，其中所述多个如权利要求1-17任一所述的滤波器形成梯形配置、晶格配置、或梯形-晶格配置。
  21. 一种半导体器件，包括：
    一个或多个如权利要求1-17任一所述的滤波器或者一个或多个如权利要求18-20任一所述的滤波器网络；以及
    一个或多个晶体管；
    其中所述一个或多个如权利要求1-17任一所述的滤波器或者一个或多个如权利要求18-20任一所述的滤波器网络以及一个或多个晶体管集成在单片 上。
  22. 根据权利要求21所述的半导体器件，其中所述一个或多个如权利要求1-17任一所述的滤波器或者一个或多个如权利要求18-20任一所述的滤波器网络以及一个或多个晶体管共享同一衬底或支撑层。
  23. 根据权利要求21所述的半导体器件，其中所述一个或多个晶体管包括HEMT或者HHMT。
  24. 根据权利要求21所述的半导体器件，其中所述HEMT或者HHMT包括垂直设置的沟道层和沟道提供层。
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