CN117081535A - 声波谐振器及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声波谐振器及滤波器。声波谐振器包括：衬底，所述衬底上设有声反射结构，以及所述衬底上依次层叠设有第一电极、压电层和第二电极，所述第一电极、所述压电层和所述第二电极在层叠方向上形成谐振有效区域；其中，所述第一电极包括至少两个第一分区，且至少两个所述第一分区的厚度不同，相邻所述第一分区的连接处形成第一阶梯，以使所述压电层远离所述衬底的一侧表面形成第二阶梯；所述第二电极包括至少两个第二分区，且至少两个所述第二分区的厚度不同，相邻所述第二分区的连接处形成第三阶梯，以及位于所述第二阶梯上的所述第二分区形成第四阶梯。本发明实施例提升了声波谐振器及滤波器的品质因子，从而提升了其性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种声波谐振器及滤波器。
背景技术
随着技术的发展，由声波谐振器组成的滤波器能够满足目前对高性能射频滤波器的要求，是一种全新的射频滤波器解决方案。在现有技术中，声波谐振器主要包括顶电极、压电层和底电极组成的“三明治”叠层结构，以及底电极下面的空腔。其原理可简述为：利用材料的压电特性，将电能转化为声能，声波在“三明治”结构内来回反射形成驻波；当驻波的频率与输入信号的频率相同时，此时电学损耗最小，频率为f的输入信号能够通过谐振器。然而，现有的声波谐振器存在品质因子(Q)较低的问题。
发明内容
本发明提供了一种声波谐振器及滤波器，以提升品质因子，从而提升性能。
根据本发明的一方面，提供了一种声波谐振器，包括：
衬底，所述衬底上设有声反射结构，以及所述衬底上依次层叠设有第一电极、压电层和第二电极，所述第一电极、所述压电层和所述第二电极在层叠方向上形成谐振有效区域；
其中，所述第一电极包括至少两个第一分区，且至少两个所述第一分区的厚度不同，相邻所述第一分区的连接处形成第一阶梯，以使所述压电层远离所述衬底的一侧表面形成第二阶梯；
所述第二电极包括至少两个第二分区，且至少两个所述第二分区的厚度不同，相邻所述第二分区的连接处形成第三阶梯，以及位于所述第二阶梯上的所述第二分区形成第四阶梯。
可选地，沿所述谐振有效区域向外的方向，至少两个所述第一分区的厚度依次增厚。
可选地，厚度较厚的所述第一分区与所述谐振有效区域部分重叠或者设置于所述谐振有效区域的外侧。
可选地，沿所述谐振有效区域向外的方向，至少两个所述第一分区的厚度交替排布，形成声子晶体结构。
可选地，所述声子晶体结构与所述谐振有效区域部分重叠或者设置于所述谐振有效区域的外侧。
可选地，在所述声子晶体结构的外周，所述第一分区的厚度大于或等于所述声子晶体的最大厚度。
可选地，所述第一电极设有凹槽，所述凹槽位于所述第一阶梯的外周，所述凹槽与所述压电层围合形成空气隙。
可选地，声波谐振器还包括：第一隔离层，所述第一隔离层位于所述第一电极与所述衬底之间。
可选地，所述第一电极中的部分第一分区的厚度大于所述第一隔离层的厚度。
可选地，所述第一隔离层设置于所述声反射结构的外周。
可选地，所述第一隔离层包括至少一层氧化层和/或至少一层非晶硅层。
可选地，所述第一隔离层覆盖所述声反射结构，并延伸至所述声反射结构的外周；
所述声波谐振器还包括：第二隔离层，所述第二隔离层位于所述第一隔离层和所述第一电极之间。
可选地，所述第一隔离层的包括至少一层氧化层，所述第二隔离层包括至少一层非晶硅层。
可选地，所述第二隔离层覆盖于所述第一隔离层并向外侧延伸，在所述第一隔离层的端部形成第五阶梯，所述第一电极在所述第五阶梯上形成第六阶梯。
根据本发明的另一方面，提供了一种滤波器，包括如本发明任意实施例所述的声波谐振器。
本发明实施例第一电极包括至少两个第一分区，且至少两个第一分区的厚度不同，相邻第一分区的连接处形成第一阶梯，以使压电层远离衬底的一侧表面形成第二阶梯，以及设置第二电极包括至少两个第二分区，且至少两个第二分区的厚度不同，相邻第二分区的连接处形成第三阶梯，以及位于第二阶梯上的第二分区形成第四阶梯。也就是说，本发明实施例提供的声波谐振器包括在第一电极上的第一阶梯、在第二电极上的第三阶梯和第四阶梯，也就是在第一电极和第二电极上均设置有阶梯状结构，从而减少声波在谐振有效区域的边缘的能量损失，提高谐振器在并联谐振点的Q值。进一步地，在本发明实施例中，由于第一电极上第一阶梯的设置，即使压电层的整体厚度相同，也会在压电层上自然形成第二阶梯；由于压电层上第二阶梯的设置，即使第二电极的厚度相同，也会在第二电极上形成第四阶梯。由此可见，本发明实施例第一电极的厚度存在高度差，从而形成第一阶梯，也会增加第二电极上阶梯的个数，进一步有利于声波谐振器的性能的提升。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种声波谐振器的俯视示意图；
图2为沿图1中A-A的剖面结构示意图；
图3、图4为本发明实施例提供的一种声波谐振器的工艺流程示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种声波谐振器的俯视示意图；
图6为沿图5中C-C的剖面结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的俯视示意图；
图8为图7沿D-D的剖面结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种声波谐振器的俯视示意图，图2为沿图1中A-A的剖面结构示意图。参见图1和图2，该声波谐振器包括：
衬底100，衬底100上设有声反射结构110，以及衬底100上依次层叠设有第一电极200(底部电极)、压电层300和第二电极400(顶部电极)，第一电极200、压电层300和第二电极400在层叠方向上形成谐振有效区域500；
其中，第一电极200包括至少两个第一分区201，且至少两个第一分区201的厚度不同，相邻第一分区201的连接处形成第一阶梯202，以使压电层300远离衬底100的一侧表面形成第二阶梯302；
第二电极400包括至少两个第二分区401，且至少两个第二分区401的厚度不同，相邻第二分区401的连接处形成第三阶梯402，以及位于第二阶梯302上的第二分区401形成第四阶梯403。
其中，在第一电极200上，对于厚度较薄的第一分区201(例如，位于内侧的第一分区201)而言，厚度较厚的第一分区201(例如，位于外侧的第一分区201)相当于对第一电极200进行加厚。位于外侧的第一分区201包括环形区域和连线区域，其中环形区域位于连线区域和谐振有效区域500之间。
这样设置，可以减少第一电极200的电阻值，使得第一电极200中的电学能量损耗减小，从而提高谐振器在串联谐振点的Q值。谐振有效区域500又称为有源区，由声波形成的驻波主要在谐振有效区域500内进行反射，然而在谐振有效区域500的边缘，会存在能量泄漏。本发明实施例提供的声波谐振器包括在第一电极200上的第一阶梯202、在第二电极400上的第三阶梯402和第四阶梯403，也就是在第一电极200和第二电极400上均设置有阶梯状结构，从而减少声波在谐振有效区域500的边缘的能量损失，提高谐振器在并联谐振点的Q值。进一步地，在本发明实施例中，由于第一电极200上第一阶梯202的设置，即使压电层300的整体厚度相同，也会在压电层300上自然形成第二阶梯302；由于压电层300上第二阶梯302的设置，即使第二电极400的厚度相同，也会在第二电极400上形成第四阶梯403。由此可见，本发明实施例第一电极100的厚度存在高度差，从而形成第一阶梯202，也会增加第二电极400上阶梯的个数，进一步有利于声波谐振器的性能的提升。
继续参见图1和图2，在上述各实施例的基础上，可选地，沿谐振有效区域500向外的方向B，至少两个第一分区201的厚度依次增厚。这样设置，使得沿谐振有效区域500向外的方向B，阶梯的高度依次增高，从而谐振有效区域500对应的第一分区201的厚度最薄，从而有利于提升声波谐振器的谐振频率。
继续参见图1和图2，在上述各实施例的基础上，可选地，厚度较厚的第一分区201与谐振有效区域500部分重叠或者设置于谐振有效区域500的外侧。这样设置，有利于在谐振有效区域500的边缘形成阶梯，从而减少声波在谐振有效区域500的边缘的能量损失，提高谐振器在并联谐振点的Q值。
相应地，图3、图4为本发明实施例提供的一种声波谐振器的工艺流程示意图。参见图3和图4，在上述各实施例的基础上，可选地，该声波谐振器的工艺流程包括以下步骤：
S10、提供衬底100，并在衬底100上形成声反射结构。
其中，衬底100的材料例如可以是Si衬底，生反射结构例如可以是空腔结构，通过刻蚀能够形成该空腔结构。可选地，空腔结构的深度范围在1～5um之间。
S20、在衬底100上形成牺牲层600。
其中，牺牲层600例如可以是硅氧化物层，例如二氧化硅氧化层，可以通过化学气相沉积法沉积二氧化硅氧化层。可选地，牺牲层600完全覆盖声反射结构，牺牲层600的薄膜厚度大于空腔结构的深度，且不超过2um。
S30、去除牺牲层600上除了空腔结构内的部分。
可选地，使用机械化学研磨(CMP)工艺使空腔结构内部的硅氧化物层，使得硅氧化物层与空腔外部Si衬底的高度相一致。
S40、形成第一电极加厚层210，并图形化。
其中，第一电极加厚层210为第一电极200的一部分，可选地，其材料与第一电极200相同。示例性地，第一电极200的材料包括：钨(W)、钼(Mo)或铂(Pt)等。
可选地，通过沉积工艺形成第一电极加厚层210，通过光刻工艺进行图形化。第一电极加厚层210覆盖有源区外的环形区域、连线区域和电极板区域，其中环形区域的宽度为2-8um，金属加厚度层厚度范围为10-250nm。
S50、形成第一电极薄层220，覆盖第一电极加厚层210，从而形成第一阶梯202。
S60、形成压电层300，并进一步形成第二电极甲凸起层410。
其中，压电层300的材料包括氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)等。第二电极甲凸起层410为第二电极400的一部分，可选地，其材料与第二电极400相同。示例性地，第二电极400的材料包括：钨(W)、钼(Mo)或铂(Pt)等。可选地，生长厚度为200～1500nm厚度的压电层300，覆盖第一电极200。由于第一电极200上存在第一阶梯202，在压电层300上自然形成第二阶梯302。进一步地，在第二阶梯302上沉积第二电极甲凸起层410并图形化，能够在第二电极甲凸起层410上形成顶部单层阶梯。
S70、形成第二电极乙凸起层420。
可选地，沉积整层的第二电极乙凸起层420，然后进行图形化，仅在第二电极甲凸起层410上保留第二电极乙凸起层420，使得第二电极乙凸起层420和第二电极甲凸起层410之间存在阶梯，从而形成顶部双层阶梯。
S80、在压电层300上刻蚀通孔，露出第一电极200。
S90、形成第二电极薄层430，覆盖第二电极甲凸起层410和第二电极乙凸起层420，形成顶部三层阶梯。
SA0、刻蚀释放孔。
SB0、释放空腔结构。
可选地，采用氢氟酸气体(VHF)、缓冲氧化物刻蚀液(BOE)释放空腔结构。
通过上述步骤，可以形成本发明实施例提供的声波谐振器。
需要说明的是，本发明实施例对第一电极200和第二电极400的阶梯个数不做限定。可选地，如图2～图4所示，第一电极200上存在一个阶梯，第二电极400上存在三个阶梯。在其他实施例中，还可以设置第一电极200上存在两个阶梯，第二电极400上存在三个阶梯；或者，第一电极200上存在一个阶梯，第二电极400上存在两个阶梯；或者，第一电极200上存在三个阶梯，第二电极400上存在三个阶梯等，不再一一赘述。
在其他实施例中，还可以设置第一电极200和第二电极400上的阶梯非单一方向增高。图5为本发明实施例提供的另一种声波谐振器的俯视示意图，图6为沿图5中C-C的剖面结构示意图。参见图5和图6，在本发明的一种实施方式中，可选地，沿谐振有效区域500向外的方向B，至少两个第一分区201的厚度交替排布，形成声子晶体结构。相应地，在第二电极400上也形成声子晶体结构。其中，声子晶体结构对特定频率的声波具有特定的相位和强度的调制能力，从而能够抑制一定频率范围内声波的传播，减少声波在谐振有效区域500的边缘的能量损失。
可选地，声子晶体结构可以是一维的、二维的或三维的，其形状可以为矩形、多边形或圆形等。
继续参见图5和图6，在上述各实施例的基础上，可选地，声子晶体结构与谐振有效区域500部分重叠或者设置于谐振有效区域500的外侧。这样设置，有利于在谐振有效区域500的边缘形成阶梯，从而减少声波在谐振有效区域500的边缘的能量损失，提高谐振器在并联谐振点的Q值。
继续参见图5和图6，在上述各实施例的基础上，可选地，在声子晶体结构的外周，第一分区201的厚度大于或等于声子晶体的最大厚度。其中，在声子晶体结构的外周也位于谐振有效区域500的外周，对该部分的第一电极200进行加厚，可以减少第一电极200的电阻值，使得第一电极200中的电学能量损耗减小，从而提高谐振器在串联谐振点的Q值。
图7为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的俯视示意图，图8为图7沿D-D的剖面结构示意图。参见图7，在上述各实施例的基础上，可选地，第一电极200设有凹槽209，凹槽209位于第一阶梯202的外周，凹槽209与压电层300围合形成空气隙。该空气隙即空腔结构能够对声波进行反射，因此空气隙与阶梯结构组合形成多级反射结构，进一步减少了能量泄漏。
示例性地，在声波谐振器的制备时，可以在凹槽209内形成牺牲层，最后将该牺牲层释放，从而形成该空气隙。
在上述各实施例的基础上，可选地，也可以在声子晶体结构中设置该空气隙，从而形成多级反射结构。
图9为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的结构示意图。参见图9，在上述各实施例的基础上，可选地，声波谐振器还包括：第一隔离层700，第一隔离层700位于第一电极200与衬底100之间。这样设置，一方面能够减少压电层300内的声波向衬底100方向泄露；另一方面，使得第一电极200上进一步形成第六阶梯203，使得阶梯结构的层次更多，进一步提升声波谐振器的性能。
继续参见图9，在上述各实施例的基础上，可选地，第一电极200中的部分第一分区201的厚度大于第一隔离层700的厚度。这样设置，使得第一隔离层700的厚度较薄，有利于声波谐振器的轻薄化。
继续参见图9，在上述各实施例的基础上，可选地，第一隔离层700设置于声反射结构110的外周。本发明实施例这样设置，在谐振有效区域500内，第一电极200的下部未设置第一隔离层700，有利于扩展第一隔离层700的材料选择，从而避免第一隔离层700对声波谐振器的性能影响。例如，第一隔离层700包括至少一层氧化层和/或至少一层非晶硅层。另外，位于声反射结构110的外周的第一隔离层700能够反射声波从边缘泄漏，提升声波谐振的性能。
图10为本发明实施例提供的又一种声波谐振器的结构示意图。参见图10，在本发明的另一种实施方式中，可选地，第一隔离层700覆盖声反射结构110，并延伸至声反射结构110的外周。声波谐振器还包括第二隔离层800，第二隔离层800位于第一隔离层700和第一电极200之间。这样设置，能够减少压电层300内的声波向衬底100方向泄露；以及防止释放空腔结构的过程中，缓冲氧化物刻蚀液(BOE)释放的氧化物侵蚀AlN种子层，造成频率偏移。
继续参见图10，在上述各实施例的基础上，可选地，第一隔离层700的包括至少一层氧化层，第二隔离层800包括至少一层非晶硅层。这样设置的好处在于，AlN种子层、Mo等材料在非晶硅层上生长比在氧化层上生长更好。
继续参见图10，在上述各实施例的基础上，可选地，第二隔离层800覆盖于第一隔离层700并向外侧延伸，在第一隔离层700的端部形成第五阶梯，第一电极200在第五阶梯上形成第六阶梯203。
本发明实施例还提供了一种滤波器，包括如本发明任意实施例所提供的声波谐振器，其技术原理和产生的效果类似，不再赘述。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (15)
1.一种声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上设有声反射结构，以及所述衬底上依次层叠设有第一电极、压电层和第二电极，所述第一电极、所述压电层和所述第二电极在层叠方向上形成谐振有效区域；
其中，所述第一电极包括至少两个第一分区，且至少两个所述第一分区的厚度不同，相邻所述第一分区的连接处形成第一阶梯，以使所述压电层远离所述衬底的一侧表面形成第二阶梯；
所述第二电极包括至少两个第二分区，且至少两个所述第二分区的厚度不同，相邻所述第二分区的连接处形成第三阶梯，以及位于所述第二阶梯上的所述第二分区形成第四阶梯。
2.如权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，沿所述谐振有效区域向外的方向，至少两个所述第一分区的厚度依次增厚。
3.如权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，厚度较厚的所述第一分区与所述谐振有效区域部分重叠或者设置于所述谐振有效区域的外侧。
4.如权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，沿所述谐振有效区域向外的方向，至少两个所述第一分区的厚度交替排布，形成声子晶体结构。
5.如权利要求4所述的声波谐振器，其特征在于，所述声子晶体结构与所述谐振有效区域部分重叠或者设置于所述谐振有效区域的外侧。
6.如权利要求4所述的声波谐振器，其特征在于，在所述声子晶体结构的外周，所述第一分区的厚度大于或等于所述声子晶体的最大厚度。
7.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一电极设有凹槽，所述凹槽位于所述第一阶梯的外周，所述凹槽与所述压电层围合形成空气隙。
8.如权利要求1至7中任一项所述的声波谐振器，其特征在于，还包括：第一隔离层，所述第一隔离层位于所述第一电极与所述衬底之间。
9.如权利要求8所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一电极中的部分第一分区的厚度大于所述第一隔离层的厚度。
10.如权利要求8所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一隔离层设置于所述声反射结构的外周。
11.如权利要求10所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一隔离层包括至少一层氧化层和/或至少一层非晶硅层。
12.如权利要求8所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一隔离层覆盖所述声反射结构，并延伸至所述声反射结构的外周；
所述声波谐振器还包括：第二隔离层，所述第二隔离层位于所述第一隔离层和所述第一电极之间。
13.如权利要求12所述的声波谐振器，其特征在于，所述第一隔离层的包括至少一层氧化层，所述第二隔离层包括至少一层非晶硅层。
14.如权利要求12所述的声波谐振器，其特征在于，所述第二隔离层覆盖于所述第一隔离层并向外侧延伸，在所述第一隔离层的端部形成第五阶梯，所述第一电极在所述第五阶梯上形成第六阶梯。
15.一种滤波器，其特征在于，包括如权利要求1至14中任一项所述的声波谐振器。
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