CN117559939B - 体声波谐振器及其形成方法、滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种体声波谐振器及其形成方法、滤波器，所述体声波谐振器包括：衬底；第一电极，位于所述衬底上；压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；第二电极，至少部分覆盖所述压电部。本发明实施例提供的体声波谐振器优化了压电层的性能。
Description
技术领域
本申请实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其形成方法、滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，传统的单频带单制式设备已经不能满足通信系统多样化的要求。目前，通信系统越来越趋向多频段化，这就要求通信终端能够接受各个频带以满足不同的通信服务商和不同地区的要求。
射频滤波器通常被用于通过或阻挡射频信号中的特定频率或频带。常用的射频滤波器可分为声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器，其中，体声波滤波器由于具有高功率、高带宽以及优异的滚降等特性，受到越来越多的关注。然而，随着移动互联网和物联网的发展，现有的体声波滤波器仍然存在进一步提高性能的需求。
发明内容
本申请实施例解决的技术问题是提供体声波谐振器及其形成方法，提升器件的电学性能。
为解决上述问题，本申请实施例提供一种体声波谐振器，包括：
衬底；
第一电极，位于所述衬底上方；
压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；在所述第一压电层与所述第二压电层的交界处形成有第一过渡区，沿着由所述第一压电层指向所述第二压电层的方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2，其中，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米；
第二电极，至少部分覆盖所述压电部。
相应的，本申请实施例还提供一种体声波谐振器的形成方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一电极；
形成至少部分覆盖所述第一电极的压电部，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；
形成至少部分覆盖所述压电部的第二电极。
相应的，本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述的体声波滤波器。
与现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有以下优点：
本申请实施例提供的体声波谐振器的压电部包括层叠设置的至少两个压电层，且各个压电层具有不同的稀土元素掺杂原子比，其中，低稀土元素掺杂原子比的压电层可以用来平衡高稀土元素掺杂原子比的压电层，以及作为高稀土元素掺杂原子比的压电层的种子层，提升所述高稀土元素掺杂原子比的压电层的结晶质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为一种体声波谐振器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图3为图2所示的体声波谐振器未经退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图4为图2所示的体声波谐振器经过退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图5为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图6为图5所示的体声波谐振器未经退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图7为图5所示的体声波谐振器经过退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图8为本发明另一实施例提供的体声波谐振器未经退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图9为本发明另一实施例提供的体声波谐振器经过退火处理的情况下的稀土元素掺杂原子比曲线图；
图10为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图11为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图12为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图13为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图14至图23为本发明实施例提供的体声波谐振器的形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，目前所形成的体声波谐振器仍有性能不佳的问题。现结合一种体声波谐振器的具体结构分析器件性能不佳的原因。
参考图1，该图为一种体声波谐振器的结构示意图，所述体声波谐振器包括：衬底11、位于所述衬底11上的第一电极14，至少部分覆盖所述第一电极14的压电层15、至少部分覆盖所述压电层15的第二电极16。
体声波谐振器的带宽和压电层15的有效机电耦合系数Kt2有关，有效机电耦合系数Kt2越高，体声波谐振器的带宽越大。现有技术中为了提升有效机电耦合系数Kt2，通常采用的方法是对压电层15中的压电材料进行掺杂，即在压电材料中掺杂一定原子比的稀土元素，以提升压电层15的压电性能。
然而，在压电层15中掺入一定原子比的稀土元素后，掺入的元素容易在压电层15中发生富集效应，也就是说掺入的元素在膜层中分布并不均匀，从而影响后续制成的体声波谐振器的性能。以及当掺杂后形成的膜层的厚度较大时，随着膜层的沉积，上层膜层的温度会逐渐升高，从而导致掺杂元素会向温度较高的上层膜层聚集，使得沉积所形成的膜层的上表面的平整度较差，影响后续制成的体声波谐振器的性能。
可以看出，随着压电材料中掺杂稀土元素浓度的提升，高浓度的掺杂稀土元素会在原有压电材料的部分区域富集，导致压电层15中不同区域的掺杂稀土元素浓度不同，进而可能导致压电层15的均一性变差、膜层性能(如平整度)变差。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种体声波谐振器及其形成方法、滤波器，所述体声波谐振器包括：衬底；
第一电极，位于所述衬底上方；
压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；在所述第一压电层与所述第二压电层的交界处形成有第一过渡区，沿着由所述第一压电层指向所述第二压电层的方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2，其中，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米；
第二电极，至少部分覆盖所述压电部。
本申请实施例提供的体声波谐振器的压电部包括层叠设置的至少两个压电层，且各个压电层具有不同的稀土元素掺杂浓度，分层设置后可以改善由于单一膜层导致的富集效应以及向上层膜层聚集效应，其中，低稀土元素掺杂浓度的压电层可以用来平衡高稀土元素掺杂浓度的压电层，以及作为高稀土元素掺杂浓度的压电层的种子层，以提升所述高稀土元素掺杂浓度的压电层的结晶质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参考图2，示出了本发明体声波谐振器一实施例的结构示意图。
所述体声波谐振器包括：衬底110、位于所述衬底110上方的第一电极140、至少部分覆盖所述第一电极140的压电部150、至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160。
在体声波谐振器的工作过程中，通过施加射频信号在第一电极140和第二电极160上，在压电部150中激励体声波，从而完成谐振。
所述衬底110用于为体声波谐振器的制造提供工艺平台。衬底110的材料可以为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英，碳化硅，SOI等。本实施例中，衬底110为晶圆级衬底，通过将体声波谐振器制作在晶圆上，可以降低工艺成本、实现批量生产，这有利于提高体声波谐振器的可靠性、提高制造效率。
所述衬底110上形成有压电声学共振叠层，具体的，所述压电声学共振叠层包括由下而上依次层叠的第一电极140、压电部150以及第二电极160。
在一些实施例中，所述体声波谐振器还包括声学镜130。所述衬底110、所述声学镜130、所述第一电极140、所述压电部150以及所述第二电极160依次层叠设置，且所述声学镜130、所述第一电极140、所述压电部150和所述第二电极160的重叠部分共同形成所述体声波谐振器的有效区域。
所述声学镜130作为反射结构，用于将体声波谐振器内部的声波反射。具体的，所述声学镜130与第一电极140、压电部150以及第二电极160等结构具有较大的声阻抗差，能够将体声波谐振器内部的声波反射，形成谐振。
作为一种示例，所述声学镜130为空气腔，所述声学镜130位于所述第一电极140的下方，所述衬底110的靠近所述第一电极140的表面形成有凹陷部，声学镜130为所述第一电极140与所述凹陷部共同围成的空腔。可以理解的是，所述声学镜130也可采用布拉格反射层或其他等效形式。
所述第一电极140也被称作为底电极，所述第一电极140位于所述衬底110上，至少部分覆盖所述衬底110。所述第一电极140的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。
所述压电部150为复合结构，包括层叠设置的多个压电层。具体在本实施例中，所述压电部150包括层叠设置的第一压电层151和第二压电层152，其中，所述第一压电层151靠近所述第一电极140设置，所述第二压电层152靠近所述第二电极160设置。
所述第一压电层151、第二压电层152的材料均为压电材料，所述压电材料可以为单晶压电材料、多晶压电材料。其中，所述单晶压电材料可以为单晶氮化铝、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。所述多晶压电材料可以为多晶氮化铝、氧化锌、PZT等。
所述第一压电层151的压电材料内可以有一定原子比的稀土元素掺杂材料，也可以没有稀土元素掺杂材料。所述第二压电层152的压电材料内掺杂有一定原子比的稀土元素掺杂材料，并且所述第一压电层151与所述第二压电层152分别具有不同的稀土元素掺杂原子比。若所述第一压电层151的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比为N2，则有所述N1小于所述N2。
所述第一压电层151的稀土元素掺杂原子比小于所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比，从而所述第一压电层151可以用来平衡所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比。此外，所述第一压电层151还可以用来作为所述第二压电层152的种子层，提升所述第二压电层152的结晶质量。如果直接生长高掺杂的膜层，生长出来的膜层的结晶质量通常较差，而如果通过一层结晶质量较好的低掺杂膜层引导高掺杂膜层的生长，将改善高掺杂膜层的结晶质量。本实施例中，低原子掺杂的第一压电层151可以作为种子层引导高原子掺杂的第二压电层152的生长，以改善第二压电层152的结晶质量。此外，所述第一压电层151还可以用来平衡压电部150与第一电极140之间的应力失配。
在一些实施例中，所述第一压电层151的厚度小于所述第二压电层152的厚度。
所述稀土元素可以为钪(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。所述掺杂材料可以为上述稀土元素中的至少一种。所述第一压电层151与所述第二压电层152中掺杂的稀土元素可以相同也可以不同。
在一些实施例中，所述第一压电层151中稀土元素的掺杂浓度的原子比小于10％，所述第二压电层152中稀土元素的掺杂浓度的原子比小于40％。作为一种示例，所述第一压电层151的压电材料为氮化铝，稀土元素掺杂材料为钪。所述第二压电层152的压电材料为氮化铝，稀土元素掺杂材料为钪。
在一些实施例中，在所述第一压电层151与所述第二压电层152的交界处形成有第一过渡区。在所述第一过渡区内，稀土元素掺杂原子比逐渐改变。例如，沿着由所述第一压电层151指向所述第二压电层152的方向(即厚度方向)，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2。在一些实施例中，所述第一过渡区的厚度d1的取值范围为1纳米～100纳米，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率的取值范围为0.01％/纳米～5％/纳米。在一些实施例中，所述第一过渡区的厚度d1的取值范围为5纳米～50纳米。在N1与N2保持不变的情况下，所述第一过渡区的厚度越大，第一过渡区内稀土元素掺杂原子比的变化率越小，声波传播过程中的能量消耗也就越小。可以看出，通过增大第一过渡区的厚度可以改善体声波谐振器的性能参数，例如降低体声波谐振器的品质因数(Q值)。
在一些实施例中，通过对所述第一压电层151与所述第二压电层152进行退火处理增大所述第一过渡区的厚度。具体请参考图3和图4，图3为未经过退火处理的第一压电层151、第二压电层152以及第一压电层151与第二压电层152交界处的第一过渡区的稀土元素掺杂原子比变化曲线，图4为经过退火处理后的第一压电层151、第二压电层152以及第一压电层151与第二压电层152交界处的第一过渡区的稀土元素掺杂原子比变化曲线。沿着厚度方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2。其中，未经过退火处理时，如图3所示，第一过渡区的厚度较窄，在厚度方向上，第一压电层151与第二压电层152交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较大，甚至会出现突变，当形成突变时相当于在压电部150的内部引入了一个界面，会增加声波在此处的能量消耗。经过退火处理后，如图4所示，第一过渡区的厚度变宽，在厚度方向上，第一压电层151与第二压电层152交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较小，不存在明显的稀土元素掺杂原子比突变。
经过退火处理，可以使富集的掺杂原子在高温下进行扩散，从而使所述第一压电层151与所述第二压电层152的交界处的第一过渡区的厚度变大，改善掺杂原子在压电部150内的分布效果，使掺杂原子在压电部150内的分布更为均衡，降低由于各个压电层间掺杂元素浓度失配带来的性能下降，降低声波传播过程中的能量消耗。在一些实施例中，所述退火处理的温度大于350℃，保温时间大于5min。
在一些实施例中，在形成所述第一压电层151后，还会对所述第一压电层151表面进行预清洗(Pre clean)，以清除所述第一压电层151表面的有机物等杂质。
在一些实施例中，所述第一压电层151的上表面具有一定的粗糙度，所述第一压电层151的上表面的粗糙度大于所述第二压电层152的粗糙度。
所述第二电极160也被称作为顶电极，所述第二电极160位于所述压电部150上，至少部分覆盖所述压电部150。所述第二电极160的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。
参考图5，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图。
所述体声波谐振器包括：衬底110、位于所述衬底110上方的第一电极140、至少部分覆盖所述第一电极140的压电部150、至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160。
本实施例中，所述压电部150包括依次层叠设置的第一压电层151、第二压电层152以及第三压电层153，其中，所述第一压电层151靠近所述第一电极140设置，所述第三压电层153靠近所述第二电极160设置，所述第三压电层153位于所述第二压电层152与所述第二电极160之间。
所述第三压电层153为压电材料，所述压电材料可以为单晶压电材料、多晶压电材料。其中，所述单晶压电材料可以为单晶氮化铝、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。所述多晶压电材料可以为多晶氮化铝、氧化锌、PZT等。
所述第三压电层153的压电材料内可以有一定原子比的稀土元素掺杂材料，也可以没有稀土元素掺杂材料。若所述第三压电层153的稀土元素掺杂原子比为N3，则所述N3小于所述N2。在一些实施例中，所述N1<N3<N2，且N1的范围为0％至10％，所述N2的范围为5％至30％，所述N3的范围为0％至10％。
所述第三压电层153的稀土元素掺杂原子比小于所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比，从而所述第三压电层153可以用来平衡所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比，消除或者降低所述第二压电层152上表面的掺杂元素聚集。此外，所述第三压电层153可以与所述第二压电层152相配合以增大所述体声波谐振器的有效机电耦合系数Kt2 eff的自由度。
所述稀土元素可以为钪(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。所述掺杂材料可以为上述稀土元素中的至少一种。所述第一压电层151、所述第二压电层152以及所述第三压电层153中掺杂的稀土元素可以相同也可以不同。
作为一种示例，所述第一压电层151、第二压电层152、第三压电层153中的压电材料均为氮化铝，稀土元素掺杂材料均为钪。
在一些实施例中，在所述第二压电层152与所述第三压电层153的交界处形成有第二过渡区。在所述第二过渡区内，稀土元素掺杂原子比逐渐改变。例如，沿着由所述第二压电层152指向所述第三压电层153的方向(即厚度方向)，所述第二过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N2递减至所述N3。在一些实施例中，所述第二过渡区的厚度d2的取值范围为1纳米～100纳米，所述第二过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率的取值范围为0.01％/纳米～5％/纳米/。在一些实施例中，所述第一过渡区的厚度d1的取值范围为30纳米～90纳米。在N2与N3保持不变的情况下，所述第二过渡区的厚度越大，第二过渡区内稀土元素掺杂原子比的变化率越小，声波传播过程中的能量消耗也就越小。可以看出，通过增大第二过渡区的厚度可以改善体声波谐振器的性能参数，例如降低体声波谐振器的品质因数(Q值)。
在一些实施例中，通过对所述第二压电层152与所述第三压电层153进行退火处理增大所述第二过渡区的厚度。在一些实施例中，可以一并对所述第一压电层152、第二压电层152、第三压电层153进行退火处理，以同时增大所述第一过渡区与第二过渡区的厚度。具体请参考图6和图7，图6为未经过退火处理的第一压电层151、第二压电层152、第三压电层153以及第一压电层151与第二压电层152交界处的第一过渡区、第二压电层152与第三压电层153交界处的第二过渡区的稀土元素掺杂原子比变化曲线，图7为经过退火处理后的第一压电层151、第二压电层152、第三压电层153以及第一压电层151与第二压电层152交界处的第一过渡区、第二压电层152与第三压电层153交界处的第二过渡区的稀土元素掺杂原子比变化曲线。沿着厚度方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2，所述第二过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N2递减至所述N3。其中，未经过退火处理时，如图6所示，第一过渡区的厚度较窄，在厚度方向上，第一压电层151与第二压电层152交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较大，甚至会出现突变，同样的，第二过渡区的厚度较窄，在厚度方向上，第二压电层152与第三压电层153交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较大，甚至会出现突变，当形成突变时相当于在压电部150的内部引入了一个界面，会增加声波在此处的能量消耗。经过退火处理后，如图7所示，第一过渡区的厚度变宽，在厚度方向上，第一压电层151与第二压电层152交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较小，不存在明显的稀土元素掺杂原子比突变，同样的，第二过渡区的厚度变宽，在厚度方向上，第二压电层152与第三压电层153交界处的稀土元素掺杂原子比的变化率较小，不存在明显的稀土元素掺杂原子比突变。
经过退火处理，可以使富集的掺杂原子在高温下进行扩散，从而使第一过渡区、第二过渡区的厚度变大，改善掺杂原子在压电部150内的分布效果，使掺杂原子在压电部150内的分布更为均衡，降低由于各个压电层间掺杂元素浓度失配带来的性能下降，降低声波传播过程中的能量消耗。在一些实施例中，所述退火处理的温度大于350℃，保温时间大于5min。
在一些实施例中，在形成所述第二压电层152后，还会对所述第二压电层152表面进行预清洗，以清除所述第二压电层152表面的有机物等杂质。
在一些实施例中，所述第二压电层152的上表面具有一定的粗糙度，所述第二压电层152的上表面的粗糙度大于所述第三压电层153的粗糙度。增加第三压电层153后可以使得第二压电层152表面聚集的Sc元素向第三压电层153扩散，进而可以降低第二压电层152内的Sc元素聚集，降低粗糙度，从而提升产品的均一性和良率。
参考图8和图9，在一些实施例中，所述压电部150包括依次层叠设置的第一压电层151、第二压电层152以及第三压电层153，其中，所述第一压电层151的稀土元素掺杂原子比小于所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比且大于所述第三压电层153的稀土元素掺杂原子比，即N3<N1<N2，且N1的范围为0％至10％，所述N2的范围为5％至30％，所述N3的范围为0％至10％。
可以看出，经过退火处理，同样可以增加第一过渡区、第二过渡区的厚度，改善掺杂的原子在压电部150内的分布效果，使掺杂原子在压电部150内的分布更为均衡，降低由于各个压电层间掺杂元素浓度失配带来的性能下降，降低声波传播过程中的能量消耗。
参考图10，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图。
所述体声波谐振器包括：衬底110、位于所述衬底110上方的第一电极140、至少部分覆盖所述第一电极140的压电部150、至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160。
本实施例中，所述体声波谐振器还可以进一步包括：空气环结构24。所述空气环结构24设置于体声波谐振器的边缘，具体位于压电部150和框架结构或第二电极160之间。本实施例中，所述空气环结构24结构位于所述压电部150的上方，为由空气或者其他低声阻的介质材料(例如SiO)形成的低声阻结构。在体声波谐振器的非连接边，压电部150与框架翼结构22或者第二电极160形成的空气环结构为悬臂结构，也被称作空气翼结构；在体声波谐振器的连接边，压电部150与框架桥结构21或者第二电极160形成的空气环结构24为桥梁结构，也被称作空气桥结构。
本实施例中，所述体声波谐振器还可以进一步包括：上凸结构180。所述上凸结构180为位于所述第二电极160的上表面的凸起结构，在上凸结构180的相邻区域形成内陷的凹槽，从而可以降低谐振器的寄生模式。所述上凸结构180的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。
本实施例中，所述体声波谐振器还可以进一步包括：框架结构，所述框架结构可以进一步分为框架桥结构21与框架翼结构22。所述框架结构设置在所述体声波谐振器的边缘，用于将体声波谐振器边缘电极加厚，以达到提升谐振器性能的目的。
所述框架桥结构21位于所述压电部150的上方的桥状结构，为所述体声波谐振器连接边在所述空气环结构24上方形成的桥结构。所述框架桥结构21的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。当体声波谐振器存在框架结构时，称为框架桥结构21。在一些实施例中，体声波谐振器可以不包括框架结构，而只是设置空气环结构24，此时空气环结构24和第二电极160可以形成空气桥结构或者空气翼结构。
所述框架翼结构22位于所述压电部150的上方的半桥状结构，为所述体声波谐振器非连接边在所述空气环结构24上方形成的半桥结构。所述框架翼结构22的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。当体声波谐振器存在框架结构时，称为框架翼结构22。在一些实施例中，体声波谐振器可以不制备框架结构，而只是制备空气环结构24，此时空气环结构24和第二电极160可以形成空气桥结构或者空气翼结构。
本实施例中，所述体声波谐振器还可以进一步包括：保护层170。所述保护层170设置在所述第二电极160的表面，用于修频和保护所述第二电极160。所述保护层170的材料可以为氮化铝、氧化硅等。
参考图11，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图。
所述体声波谐振器包括：衬底110、位于所述衬底110上方的第一电极140、至少部分覆盖所述第一电极140的压电部150、至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160。
本实施例中，所述声学镜130设置在所述衬底110的上方，所述衬底110的表面设置有支撑层120，所述第一电极140至少部分覆盖所述支撑层120。本实施例通过所述支撑层120在所述衬底110的上方形成所述声学镜130。所述支撑层120的材料可以为氮化硅、氧化硅、多晶硅及其掺杂物，所述支撑层120的材料也可以为有机物。
参考图12，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图。
所述体声波谐振器包括：衬底110、位于所述衬底110上方的第一电极140、至少部分覆盖所述第一电极140的压电部150、至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160。
与前述实施相比，本实施例中的压电部150为平面结构，在一些示例中，压电部150可以达到或基本接近纯平。将压电部150设置为平面结构可以进一步提升结晶质量并降低薄膜应力。
本实施例中，所述体声波谐振器还进一步包括：第一电极槽26和第二电极槽25。所述第一电极槽26设置在所述第一电极140，可以通过刻蚀所述第一电极140形成，为位于所述第一电极140的通槽结构；所述第二电极槽25设置在所述第二电极160，可以通过刻蚀所述第二电极160形成，为位于所述第二电极160的通槽结构。通过第一电极槽25和第二电极槽26可以定义得到体声波谐振器的有效面积，本实施例中有效面积的范围如图中的箭头S所示。
本实施例中，所述体声波谐振器还进一步包括：电极连接柱23。通过所述电极连接柱23可以将第一电极140和第二电极160连接，从而可以降低第一电极140和第二电极160之间的电容。
本实施例中，所述体声波谐振器还进一步包括：声学镜130。所述声学镜130通过支撑层120形成，而非通过在衬底110上挖孔得到。
本实施例中，所述体声波谐振器还进一步包括：保护层170，所述保护层170设置在所述第一电极140的表面，具体的，所述保护层170设置在所述第一电极140的远离所述压电部150的表面。在其他一些实施例中，所述保护层170还可以设置在所述第二电极160的表面，例如设置在所述第二电极160的远离所述压电部150的表面。所述保护层170用于修频以及保护所述第一电极140和/或所述第二电极160。所述保护层170的材料可以为氮化铝、氧化硅等。
可以理解，本实施例所提供的体声波谐振器同样可以制备边界结构。
参考图13，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图。
与前述实施相比，本实施例提供的体声波谐振器的有效面积不是通过第一电极槽26和第二电极槽25得到，而是通过去除第一电极140和第二电极160有效区域以外的区域得到有效面积，例如通过对第一电极140和第二电极160有效区域以外的区域进行刻蚀。本实施例中有效面积的范围如图中的箭头S所示。
所述体声波谐振器还进一步包括：保护层170，所述保护层170设置在所述第一电极140的表面，具体的，所述保护层170设置在所述第一电极140的远离所述压电部150的表面。在其他一些实施例中，所述保护层170还可以设置在所述第二电极160的表面，例如设置在所述第二电极160的远离所述压电部150的表面。所述保护层170用于修频以及保护所述第一电极140和/或所述第二电极160。所述保护层170的材料可以为氮化铝、氧化硅等。
此种方案中，因为不存在第一电极140和第二电极160交叠的区域，也就不需要设置电极连接柱23，从而可以减少制备工艺流程。
可以看出，本发明实施例提供体声波谐振器的压电部包括层叠设置的至少两个压电层，且各个压电层具有不同的稀土元素掺杂原子比，其中，低稀土元素掺杂原子比的压电层可以用来平衡高稀土元素掺杂原子比的压电层，以及作为高稀土元素掺杂原子比的压电层的种子层，提升所述高稀土元素掺杂原子比的压电层的结晶质量。
相应的，本发明实施例还提供一种体声波谐振器的形成方法。图14至图23是本发明实施例提供的体声波谐振器的形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
参考图14，提供衬底110，所述衬底110中形成有凹槽。
所述衬底110用于为体声波谐振器的制造提供工艺平台。本实施例中，衬底110为晶圆级衬底。通过将体声波谐振器制作在晶圆上，可以降低工艺成本、实现批量生产，这有利于提高体声波谐振器的可靠性、提高制造效率。
所述凹槽用于作为空腔，所述凹槽的形状、位置和尺寸决定后续空腔的形状、位置和尺寸，相应的，根据所需空腔的形状、位置和尺寸来形成凹槽。作为一种示例，凹槽的纵截面形状为矩形或倒梯形。
参考图15和图16，填充所述凹槽，形成位于所述凹槽中的第一牺牲层132。
所述第一牺牲层132填充满凹槽，从而为后续形成压电声学共振叠层提供工艺平台。所述第一牺牲层132填充满凹槽后，能够为后续各功能层的形成提供平坦表面，进而有利于提高各功能层的形成质量。
作为一种示例，所述形成位于所述凹槽中的第一牺牲层132的步骤包括：
参考图15，在所述衬底110上沉积初始第一牺牲层131，所述初始第一牺牲层131填充所述凹槽以及覆盖所述衬底110的表面；
其中，所述初始第一牺牲层131的材料可以为磷硅玻璃(PSG)。
参考图16，对所述初始第一牺牲层131进行平坦化处理，形成位于所述凹槽中的第一牺牲层132。所述平坦化处理可以通过化学机械研磨(CMP)实现。
参考图17，形成位于所述第一牺牲层132上的第一电极140，所述第一电极140的部分边界位于所述凹槽上方，部分延伸至所述凹槽外周的所述衬底110上。
所述第一电极140的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。具体的，通过依次进行的沉积工艺和刻蚀工艺，形成所述第一电极140。
参考图18，在所述衬底110上依次形成层叠设置的第一压电层151和第二压电层152，所述第一压电层151至少部分覆盖所述第一电极140。
在体声波谐振器的工作过程中，通过施加射频信号在第一电极140和第二电极160上，在压电部150中激励体声波，从而完成谐振。
所述第一压电层151、第二压电层152的材料均为压电材料，所述压电材料可以为单晶压电材料、多晶压电材料。其中，所述单晶压电材料可以为单晶氮化铝、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。所述多晶压电材料可以为多晶氮化铝、氧化锌、PZT等。
所述第一压电层151的压电材料内可以有一定原子比的稀土元素掺杂材料，也可以没有稀土元素掺杂材料。所述第二压电层152的压电材料内掺杂有一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如钪(Sc)元素，并且所述第一压电层151与所述第二压电层152分别具有不同的稀土元素掺杂原子比。若所述第一压电层151的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层152的稀土元素掺杂原子比为N2，则有所述N1小于所述N2。
在一些实施例中，在所述衬底110上依次形成层叠设置的第一压电层151和第二压电层152的步骤之后，还包括：在所述第二压电层152上形成第三压电层153，所述第三压电层153的稀土元素掺杂原子比为N3，所述N3小于所述N2。
在一些实施例中，在所述衬底110上依次形成层叠设置的第一压电层151和第二压电层152的步骤之后，还包括：对所述第一压电层151、所述第二压电层152进行退火处理。在一些实施例中，所述第二压电层152上还形成有第三压电层153，所述退火处理还包括对所述第一压电层151、所述第二压电层152、所述第三压电层153进行退火处理。
经过退火处理，可以使富集的掺杂原子在高温下进行扩散，从而使第一过渡区、第二过渡区的厚度变大，改善掺杂原子在压电部150内的分布效果，使掺杂原子在压电部150内的分布更为均衡，降低由于各个压电层间掺杂元素浓度失配带来的性能下降，降低声波传播过程中的能量消耗。在一些实施例中，所述退火处理的温度大于350℃，保温时间大于5min。
在一些实施例中，在所述衬底110上依次形成层叠设置的第一压电层151和第二压电层152的步骤包括：
在所述衬底110上形成第一压电层151；
对所述第一压电层151表面进行预清洗，以清除所述第一压电层151表面的杂质；
在所述第一压电层151上形成第二压电层152。
可以理解，本实施例提供的体声波谐振器形成方法的后续步骤还包括，形成至少部分覆盖所述压电部150的第二电极160；去除所述第一牺牲层132以形成声学镜130等步骤。
具体的，参考图19，在所述第三压电层153的表面形成第二牺牲层135。
参考图20，形成第一框架结构211和第二框架结构221，其中，所述第一框架结构211覆盖所述第二牺牲层135，所述第二框架结构221至少部分覆盖所述第二牺牲层135。
参考图21，形成第二电极160和凸起结构180，其中，所述第二电极160至少部分覆盖所述第三压电层153。
参考图22，在所述第二电极160的表面形成保护层170。
参考图23，去除所述第一牺牲层132与所述第二牺牲层135。
可以看出，本实施例中提供的体声波谐振器的制备方法形成的压电部包括层叠设置的至少两个压电层，且各个压电层具有不同的稀土元素掺杂原子比，其中，低稀土元素掺杂原子比的压电层可以用来平衡高稀土元素掺杂原子比的压电层，以及作为高稀土元素掺杂原子比的压电层的种子层，提升所述高稀土元素掺杂原子比的压电层的结晶质量。
相应的，本发明实施例还提供一种滤波器，包括前述实施例提供的体声波谐振器。
相应的，本发明实施例还提供一种电子设备，包括前述实施例提供的滤波器。所述滤波器可以组装至各种电子设备中。由前述分析可知，滤波器的性能较高，这相应能够得到性能较高的电子设备。其中，电子设备可以为个人计算机、智能手机等移动终端、媒体播放器、导航设备、电子游戏设备、游戏用控制器、平板计算机、可穿戴设备、防门禁电子系统、POS终端、医疗设备、飞行模拟器等。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
虽然本申请实施例披露如上，但本申请并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
第一电极，位于所述衬底上方；
压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；在所述第一压电层与所述第二压电层的交界处形成有第一过渡区，沿着由所述第一压电层指向所述第二压电层的方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2，其中，所述第一压电层的厚度小于所述第二压电层的厚度，所述第一过渡区通过对所述第一压电层与所述第二压电层进行退火处理形成，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米；
第二电极，至少部分覆盖所述压电部。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部还包括：
第三压电层，位于所述第二压电层与所述第二电极之间，所述第三压电层的稀土元素掺杂原子比为N3；其中，N1<N3<N2，或，N3<N1<N2；
在所述第二压电层与所述第三压电层的交界处形成有第二过渡区，沿着由所述第二压电层指向所述第三压电层的方向，所述第二过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N2递减至所述N3；其中，所述第二过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率小于或等于5％/纳米，且大于或等于0.01％/纳米。
3.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部为平面结构。
4.如权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二过渡区通过对所述第二压电层与所述第三压电层进行退火处理形成。
5.如权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一过渡区的厚度大于或等于1纳米，所述第二过渡区的厚度大于或等于1纳米。
6.如权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述N1的范围为0％至10％，所述N2的范围为5％至30％，所述N3的范围为0％至10％。
7.如权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一压电层、所述第二压电层和/或所述第三压电层中掺杂的稀土元素包括：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥中的至少一种。
8.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一压电层的压电材料为氮化铝，掺杂的稀土元素为钪；所述第二压电层的压电材料为氮化铝，掺杂的稀土元素为钪。
9.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括：
声学镜，位于所述第一电极的下方，所述声学镜、所述第一电极、所述压电部、所述第二电极的重叠部分形成所述体声波谐振器的有效区域，所述声学镜为空气腔或布拉格反射层。
10.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括以下至少一种结构：
空气环结构，位于所述压电部与所述第二电极之间，当所述空气环结构位于所述体声波谐振器的非连接边，所述空气环结构为悬臂结构，当所述空气环结构位于所述体声波谐振器的连接边，所述空气环结构为桥梁结构；
框架结构，位于所述体声波谐振器的边缘，用于加厚所述体声波谐振器边缘的电极结构；
上凸结构，位于所述第二电极上表面的凸起结构。
11.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括以下至少一种结构：
电极连接柱，连接所述第一电极和所述第二电极；
第一电极槽，位于所述第一电极的通槽结构；
第二电极槽，位于所述第二电极的通槽结构，与所述第一电极槽一同确定所述体声波谐振器的有效面积。
12.一种体声波谐振器的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一电极；
形成至少部分覆盖所述第一电极的压电部，所述压电部包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层靠近所述第一电极设置，其中，所述第一压电层的稀土元素掺杂原子比为N1，所述第二压电层的稀土元素掺杂原子比为N2，其中，N1<N2；
对所述第一压电层、所述第二压电层进行退火处理，以在第一压电层与所述第二压电层的交界处形成有第一过渡区，沿着由所述第一压电层指向所述第二压电层的方向，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比由所述N1递增至所述N2，其中，所述第一压电层的厚度小于所述第二压电层的厚度，所述第一过渡区的稀土元素掺杂原子比的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米；
形成至少部分覆盖所述压电部的第二电极。
13.如权利要求12所述的体声波谐振器的形成方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次形成层叠设置的第一压电层和第二压电层的步骤之后，还包括：
在所述第二压电层上形成第三压电层，所述第三压电层的稀土元素掺杂原子比为N3，其中，N3<N2。
14.如权利要求12所述的体声波谐振器的形成方法，其特征在于，所述退火处理的温度大于350℃，所述退火处理的保温时间大于5min。
15.如权利要求12所述的体声波谐振器的形成方法，其特征在于，所述提供衬底的步骤中，所述衬底中形成有凹槽；所述在所述衬底上形成第一电极的步骤之前，包括：填充所述凹槽，形成位于所述凹槽中的第一牺牲层，所述第一电极的部分边界位于所述凹槽上方，部分延伸至所述凹槽外周的所述衬底上。
16.如权利要求12所述的体声波谐振器的形成方法，其特征在于，所述方法还包括：
去除部分长度的所述第一电极以及所述第二电极，以去除后的所述第一电极与所述第二电极的重叠区域确定所述体声波谐振器的有效面积。
17.一种体声波滤波器，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项权利要求所述的体声波谐振器。
18.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求17所述的体声波滤波器。
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