CN1862956A - 膜体声谐振器和滤波电路 - Google Patents
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Abstract
一种膜体声谐振器，包括第一电极；设置在第一电极上的压电膜；设置在压电膜上、或设置在压电膜上方的第二电极；以及设置在压电膜上并邻靠压电膜的附加膜，附加膜具有至少一对相互不平行的相对边。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2005年5月13日提交的在前日本专利申请P2005-141713，并要求该申请的优先权；其整体内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种声谐振器，更具体而言，涉及用于高频带的一种膜体声谐振器以及一种滤波电路。
背景技术
现在，例如移动通信装置的无线通信系统，以及高速数据传输无线局域网(LAN)使用超过GHz范围的高频带。膜体声谐振器(FBAR)在这些类型的无线通信系统的高频电子设备中用作高频元件。
过去，体(陶瓷)介质谐振器、声表面波元件(SAW)已经被用作高频带的谐振器。和这些谐振器相比，FBAR更适合小型化，有助于使得FBAR可以更好的响应于更高的频率。因此，不断开发出使用FBAR的高频滤波器和谐振电路。
在FBAR的基本结构中，将例如氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)的压电膜夹在第一电极和第二电极之间，其中第一电极和第二电极彼此相对。将FBAR的谐振器设置在第一电极下方的空腔的上方，从而获得高性能。通常，压电膜比第一和第二电极的面积更大。
FBAR利用纵波传播通过第一和第二电极之间的压电膜的谐振，所述纵波是横向延伸(TE)波。然而，在FBAR中，将纵波产生为主要振动模式，并且还产生了作为横向剪切(TS)波的寄生横波。在谐振器中产生的横波在第一和第二电极的端部以及压电膜的端部反射，其中FBAR的质量密度在这些端部急剧变化。例如，当第一和第二电极的形状是正方形或长方形时，在第一和第二电极的端部反射的横波彼此干涉，从而产生寄生谐振。因此，FBAR的谐振特征中的寄生谐振因横波引发的寄生谐振而产生。
为了控制FBAR中的寄生谐振，已经提出，将第一和第二电极形成为不规则的多边形(参考美国专利申请说明书006215375A)。然而，当电极形状为不规则的多边形时，难以减小FBAR部件在基底上占据的面积。因此，希望制造这样的FBAR部件，其具有例如正方形、长方形、圆形以及椭圆形的电极形状，从而小型化FBAR。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种膜体声谐振器，包括第一电极；设置在第一电极上的压电膜；设置在压电膜上的第二电极；以及设置在压电膜上并邻靠压电膜的附加膜，附加膜具有至少一对相互不平行的相对边。
本发明的第二方面涉及一种膜体声谐振器，包括第一电极；设置在第一电极上的压电膜；设置在压电膜上的第二电极；以及设置在第二电极上方的附加膜，附加膜具有至少一对相互不平行的相对边。
本发明的第三方面涉及一种包括多个膜体声谐振器的滤波电路，每一个膜体声谐振器包括：第一电极；设置在第一电极上的压电膜；设置在压电膜上的第二电极；以及设置在压电膜上并邻靠压电膜、或者设置在压电膜上方的附加膜，附加膜具有至少一对相互不平行的相对边；其中每一个膜体声谐振器的第一和第二电极中的一个被电连接，每一个膜体声谐振器的附加膜的质量不同。
附图说明
图1是根据本发明实施例的FBAR的实例的平面图；
图2是沿图1所示的FBAR的线II-II线的截面图；
图3示出了根据本发明实施例的FBAR中的横波干涉的实例；
图4是根据本发明实施例的FBAR的另一实例的截面图；
图5示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图6示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图7示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图8示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图9示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图10示出了根据本发明实施例的FBAR的附加膜的另一实例；
图11至15是根据本发明的第一实施例的FBAR的制造方法的实例的截面图；
图16是用于根据本发明的其它实施例的应用实例的滤波电路中的FBAR的连接的实例的框图；
图17是根据本发明的其它实施例的应用实例的滤波电路的实例的平面图；
图18是沿图17所示的FBAR的XVIII-XVIII线的截面图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的多个实施例。注意到，在所有附图中，相同或相似的标号用来表示相同或相似的部件和元件，并将省略或简化对相同或相似的部件和元件的描述。
如图1所示，根据本发明实施例的FBAR包括第一电极12、设置在第一电极12上的压电膜14，以及面对第一电极12从而将压电膜14夹在其中的第二电极18。此外，如图1和2所示，将附加膜16设置在压电膜14上，并邻接第二电极18。附加膜16形成为不规则的多边形形状，具有不平行的边216a、216b、216c、216d以及216e。换言之，边216a到216e中没有一对是相互平行的。
第一电极12、压电膜14和第二电极18由基底10支承，该基底具有空腔22。谐振器20由这样的区域限定，在该区域中，第一和第二电极12、18在空腔22上方的区域中彼此相对地将压电膜14夹在其中。
通过施加到第一或第二电极12、18的高频信号激励的体声波的谐振，高频信号在谐振器20中的压电膜14中传输。例如，从第一电极12施加的GHz范围的高频信号经谐振器20中的压电膜14传输到第二电极18。
为了实现谐振器20的良好的谐振特性，可以用AlN膜或ZnO膜作为压电膜14，其中AlN膜或ZnO膜具有优越的膜质量，包括晶体取向和膜厚均匀度。对于第一电极12，可以使用例如铝(Al)和钽铝(TaAl)的层叠金属膜、例如钼(Mo)、钨(W)和钛(Ti)的难熔金属、包括难熔金属的金属化合物等。对于第二电极18，可以使用例如铝的金属、例如Mo、W和Ti的难熔金属、包括难熔金属的金属化合物等。
对于附加膜16，可以使用多种导电材料，例如用作第二电极18的那些示例材料。此外，可以使用例如AlN的压电材料、氧化物和氮化物的绝缘材料，例如氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)以及氮化硅(Si3N4)等。另外，对于基底10，可以使用例如硅(Si)的半导体基底。
在FBAR的谐振器20中传输高频信号的体声波是纵波，其在相对的第一和第二电极12、18之间传播。在谐振器20中不仅可以产生纵波，还可以产生横波。横波平行于压电膜14和第一、第二电极12、18之间的界面传播。在谐振器20中传播的横波在谐振器20的端部或压电膜14的端部反射，在所述端部上质量密度急剧变化。
在当前FBAR中，将谐振器和压电膜形成为正方形或长方形，其中相对边彼此平行。已经沿谐振器和压电膜的侧边方向传播的横波在谐振器或压电膜的端部反射，从而沿相反方向在同一路径上传播。从相对的端部反射的横波相互干涉，产生寄生谐振。
在本发明的该实施例中，将附加膜16形成为不规则的多边形，其具有不平行的边216a到216e。附加膜16位于谐振器20的区域中。如图3所示，谐振器20中产生的大多数横波在附加膜16的端部反射，在所述端部FBAR的质量密度发生变化。附加膜16的相对端部中的边216a到216e没有相互平行。因此，在相对端部反射的横波沿彼此不同的路径传播。结果，通过在附加膜16的端部重复反射，横波被削弱。
此外，一部分横波在附加膜16的端部被折射，从而穿过附加膜16的区域传播。附加膜16的每一条边被设置成不平行于谐振器20、压电膜14以及第一和第二电极12、18的每一条边。因此，通过在谐振器20、压电膜14、第一和第二电极12、18以及附加膜16的每一个端部上重复反射，将传播的横波削弱。
如上所述，通过使用附加膜16，可以防止因谐振器20中产生的横波而产生的寄生谐振。此外，可以实现FBAR的小型化，这是因为第一和第二电极12、18以及压电膜14均形成为正方形或长方形。此外，还可以通过将第一和第二电极12、18形成为圆形或椭圆形来使FBAR小型化。即使当第一和第二电极12、18或谐振器20的形状是圆形或椭圆形时，在其相对端部上反射的横波之间的干涉能够通过提供附加膜16来减弱。因此，可以防止寄生谐振。
注意到，在本发明的该实施例中，附加膜16位于压电膜14和第二电极18之间。然而，当结合导电材料和压电材料将绝缘膜用作压电膜14和第二电极18之间的附加膜16时，机电耦合系数可以通过寄生串联电容量来减小。在这种情况下，希望在第二电极18上设置附加膜116，如图4所示。另外，可以将附加膜16和116设置在第二电极18上方，其之间夹有绝缘膜。
附加膜16的形状是单个不规则的多边形，其中所有的相对端不平行。然而，通过使用至少一对相对端不平行的形状的附加膜，可以减小FBAR中的寄生谐振。然而，作为附加膜，可以使用多个隔开的膜。如图5至10所示，示出了根据本发明的该实施例的附加膜16a、16b、16c、16d、16e和16f。为了简化说明，仅在附图中示出压电膜14和附加膜16a到16f。
如图5所示，附加膜16a是一组质量负荷膜56a、56b、56c、56d以及56e，它们在压电膜14上彼此隔开。在附加膜16a中，质量负荷膜56a由沿压电膜14的端部设置的质量负荷膜56b到56e包围。质量负荷膜56a到56e中的每一个都是不规则的多边形形状，其中相对边不平行。此外，质量负荷膜56a的每一条边都不平行于面对质量负荷膜56a的每一条边的质量负荷膜56b到56e的每一条边。
如图6所示，附加膜16b是一组质量负荷膜56f、56g、56h、56i以及56j，它们沿压电膜14的端部彼此隔开。在质量负荷膜56f到56j的每一个中，相对边不平行。然而，夹住由质量负荷膜56f到56j包围的区域的相对边也不平行。
如图7所示，附加膜16c在其边缘具有锯齿形缺口。在附加膜16c中，边缘上缺口的每一条线段不平行于其几乎所有相对线段。
如图8所示，附加膜16d包括沿压电膜14的端部设置的多个质量负荷膜56k、56l、56m以及56n。在附加膜16d中，每一个质量负荷膜56k到56n都在其边缘具有锯齿形缺口，这些缺口彼此相对，以将由质量负荷膜56k到56n包围的区域夹在其中。质量负荷膜56k到56n的边缘上缺口的每一条线段不平行于其几乎所有相对线段。
如图9所示，附加膜16e包括多种图形。图形66a、66c、66d以及66e限定多个条纹形开口，这些开口绕图形66b设置。图形66a、66c、66d以及66e沿压电膜14的端部设置。在附加膜16e中，在每一个图形66a到66e中，至少一个相对边不平行于其相对边。此外，设置在每一个图形66a、66b、66d以及66e中的开口的纵边不平行于每一个相对图形66a、66b、66d以及66e中的开口的纵边。
如图10所示，附加膜16f是一组条纹形图形76a、76b、76c、76d以及76e，其中线部分沿压电膜14的端部设置。在附加膜16f中，线部的每一条纵边不平行，其中线部的每一条纵边彼此相对，将由图形76a到76e包围的区域夹在其中。
如上所述，使用附加膜16a到16f，其包括至少一对相对的不平行边，可以防止因谐振器20中产生的横波引起的寄生谐振。进而，第一和第二电极12、18以及压电膜14可以是正方形、长方形、圆形或椭圆形。因此，可以小型化FBAR。
下面将参照图11到15的截面图，描述根据本发明的该实施例的FBAR的制造方法。这里，用于说明的每一个截面图对应于沿图1所示的II-II线截取的截面。
通过溅射等方法，在例如硅半导体基底的基底10的表面上，沉积例如钼的导电层，其厚度大约为200纳米到300纳米。如图11所示，通过光刻等方法，形成第一电极12。
通过溅射等方法，在已经形成第一电极12的基底10的表面上沉积具有预定厚度的压电层，例如AlN。例如，当信号频率在GHz频带时，压电层的厚度为约2微米或更小。如图12所示，通过光刻等方法，形成压电膜14，以覆盖第一电极12的端部。
通过溅射等方法，在已经形成第一电极12和压电膜14的基底10的表面上沉积预定厚度的导电层，例如钼。如图13所示，通过光刻等方法，在压电膜14上形成附加膜16，以面对第一电极12。
通过溅射等方法，在已经形成第一电极12、压电膜14、以及附加膜16的基底10的表面上沉积导电层，例如钼，厚度为约200纳米到300纳米。如图14所示，通过光刻等方法，形成第二电极18，以覆盖压电膜14上的附加膜16，并延伸到第一电极12的端部的侧边，其中第一电极12的端部的侧边由压电膜14覆盖。
如图15所示，通过光刻等方法，在第一和第二电极12、18彼此相对的区域中，选择性去除基底10，从而形成空腔22。从而，制造出根据本发明的实施例的FBAR。
(其它实施例)
在本发明的实施例中，已经描述了单个FBAR。通常，将多个FBAR用于高频电路中的滤波器、压控谐振器等。例如，将具有不同谐振频率并互连为梯形结构的多个FBAR用在滤波电路中。
通过下面的表述来简单的表示FBAR的谐振频率f，其中假设压电膜14的厚度是h，包括附加膜16的第一和第二电极12、18的质量是ρ。
f＝A*h-1*ρ-1/2 (1)
这里，A是常量。为了使FBAR具有不同的谐振特征，变化质量ρ或厚度h，以调制谐振频率。例如，通过增加质量ρ或厚度h，可以将谐振频率f向较低频率调制。
例如，如图16所示，通过将FBAR互连成梯形结构，将具有不同谐振频率的多个FBAR 1a、1b用作滤波电路。现在描述互连两个FBAR 1a、1b的例子。
如图17、18所示，将FBAR 1a、1b中的每个设置在空腔22a、22b上方，其中空腔22a、22b位于基底10中。FBAR 1a包括第一电极12a、压电膜14a、附加膜16a以及第二电极18。FBAR 1b包括第一电极12b、压电膜14b、附加膜16b以及第二电极18。
FBAR 1a、1b串联连接，其共用第二电极18。在FBAR 1a、1b中，压电膜14a、14b的厚度基本相等，第一和第二电极12a、18与第一和第二电极12b、18的质量基本相等。附加膜16a、16b的形状和质量不同。例如，附加膜16a的质量大于附加膜16b的质量。因此，FBAR 1a的谐振频率低于FBAR 1b的谐振频率。
在附加膜16a中，每一个质量负荷膜56a到56e都是不规则的多边形形状，其中相对边不平行。此外，面对质量负荷膜56b到56e的质量负荷膜56a的每一条边不平行于质量负荷膜56b到56e的每一条边。在附加膜16b中，每一个质量负荷膜56f到56j的相对边不相互平行。另外，质量负荷膜56f到56j的相对边不平行，其中质量负荷膜56f到56j的相对边夹住其包围的区域。因此，可以防止因谐振器20a、20b中产生的横波引起的寄生谐振。
此外，第一电极12a、12b，第二电极18，以及压电膜14a、14b中的每个的形状都是正方形或者长方形。因此，可以利用FBAR 1a、1b小型化滤波电路。
在上述描述中，通过共用第二电极18，将FBAR 1a、1b电连接。然而，还可以应用为，利用每一个FBAR的第一电极来电连接多个FBAR。
本发明已经如上所述被描述。然而，不应认为构成公开内容一部分的描述和附图是为了限制本发明。对于本领域技术人员而言，通过上述公开内容，可以清楚获知多种可选实施例和可操作性技术。
Claims (20)
1.一种膜体声谐振器，包括：
第一电极；
压电膜，其被设置在所述第一电极上；
第二电极，其被设置在所述压电膜上；以及
附加膜，其被设置在所述压电膜上并邻靠所述压电膜，所述附加膜具有至少一对相互不平行的相对边。
2.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述第一和第二电极均具有正方形、长方形、圆形以及椭圆形中的一种形状。
3.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜具有不规则的多边形形状。
4.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜包括一组隔开的膜。
5.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜包括多个条纹形开口。
6.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜是导电材料。
7.根据权利要求1所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜是压电材料。
8.一种膜体声谐振器，包括：
第一电极；
压电膜，其被设置在所述第一电极上；
第二电极，其被设置在所述压电膜上；以及
附加膜，其被设置在所述第二电极的上方，所述附加膜具有至少一对相互不平行的相对边。
9.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述第一和第二电极均具有正方形、长方形、圆形以及椭圆形中的一种形状。
10.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜具有不规则的多边形形状。
11.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜包括一组隔开的膜。
12.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜包括多个条纹形开口。
13.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜是导电材料。
14.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜是压电材料。
15.根据权利要求8所述的膜体声谐振器，其中所述附加膜是绝缘材料。
16.一种包括多个膜体声谐振器的滤波电路，每个所述膜体声谐振器包括：
第一电极；
压电膜，其被设置在所述第一电极上；
第二电极，其被设置在所述压电膜上；以及
附加膜，其被设置在所述压电膜上并邻靠所述压电膜、或者被设置在所述压电膜的上方，所述附加膜具有至少一对相互不平行的相对边；
其中每个所述膜体声谐振器的所述第一和第二电极中的一个被电连接，每个所述膜体声谐振器的所述附加膜的质量不同。
17.根据权利要求16所述的滤波电路，其中每个所述膜体声谐振器的所述压电膜的厚度、所述第一和第二电极的质量近似相等。
18.根据权利要求16所述的滤波电路，其中所述附加膜具有不规则的多边形形状。
19.根据权利要求16所述的滤波电路，其中所述附加膜包括一组隔开的膜。
20.根据权利要求16所述的滤波电路，其中所述附加膜包括多个条纹形开口。
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