CN217037147U

CN217037147U - 声学谐振器、包括其的滤波器和包括其的双工器和多工器

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Publication number: CN217037147U
Application number: CN202121904631.8U
Authority: CN
Inventors: 赖志国; 唐滨; 刘海瑞; 杨清华; 唐兆云
Original assignee: Suzhou Huntersun Electronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Huntersun Electronics Co Ltd
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2031-08-13

Abstract

本公开提供了声学谐振器、包括其的滤波器和包括其的双工器和多工器。根据本公开的声学谐振器包括：衬底，在其内部或表面上设置有反射元件；以及压电叠层，其设置在衬底上方与反射元件交叠以构成有效谐振区域，压电叠层包括沿竖直方向依次设置的下电极、压电层和上电极，其中下电极和/或上电极的至少一个表面上设置有保护层。根据本公开的声学谐振器，通过在下电极和/或上电极的上表面和/或下表面上形成保护层，能够抑制声学谐振器中的电迁移问题，从而提高声学谐振器的可靠性。

Description

声学谐振器、包括其的滤波器和包括其的双工器和多工器

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，特别地，本公开涉及声学谐振器、包括其的滤波器和包括其的双工器和多工器。

背景技术

谐振器已被广泛应用于许多领域中。例如，在无线通信领域中，将射频(RF)和微波频率的谐振器用作滤波器以改善信号的接收和发送。随着对通信设备的小型化和微型化的需要，提出了基于压电效应的谐振器。在基于压电效应的谐振器中，在压电材料中产生声学谐振模式，其中声学被转换为无线电波。

根据不同的应用可以使用不同类型的声谐振器，例如薄膜体声学谐振器(FBAR)、固态装配谐振器(SMR)、耦合谐振器滤波器(CRF)、堆叠体声学谐振器(SBAR)和双体声学谐振器(DBAR)。目前，由于薄膜体声学谐振器具有尺寸小、工作频率高、与集成电路(IC)制造工艺兼容等优点而得到广泛的使用。

然而，在薄膜体声学谐振器中，由于薄膜导体内部结构的非均匀性，在流过其的电流密度变大的情况下，可能使得金属离子沿导体移动，在导体的某些位置产生空洞或晶须，即发生电迁移现象，导致声学谐振器的可靠性劣化。因此，电迁移现象使得薄膜体声学谐振器不能在高功率条件下工作。

因此，仍需要至少克服以上缺陷的声学谐振器。

发明内容

在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是，应当理解，此概述并非关于本公开的穷举性概述，也非意在确定本公开的关键性部分或重要部分，更非意在限定本公开的范围。此概述的目的仅在于以简化的形式给出关于本公开的某些发明构思，以此作为稍后给出的更详细的描述的前序。

本公开的目的在于提供能够提高可靠性的声学谐振器、包括该声学谐振器的滤波器、和包括其的双工器和多工器。

根据本公开的一个方面，提供了一种声学谐振器，包括：衬底，在其内部或表面上设置有反射元件；以及压电叠层，其设置在衬底上方与反射元件交叠以构成有效谐振区域，压电叠层包括沿竖直方向依次设置的下电极、压电层和上电极，其中，下电极和/或上电极的至少一个表面上设置有保护层。

根据本公开的实施方式，保护层可以抑制上电极和/或下电极中的电迁移现象。

根据本公开的实施方式，该声学谐振器还可以包括种子层，其设置在衬底和下电极之间。

根据本公开的实施方式，反射元件可以包括空腔或布拉格反射器。

根据本公开的实施方式，保护层可以在整个有效谐振区域中延伸。

根据本公开的实施方式，保护层可以由Ti、Ti合金或TiN中的至少之一形成。

根据本公开的实施方式，保护层可以包括第一材料的第一层和第二材料的第二层。

根据本公开的另一方面，提供了一种声学谐振器的制造方法，包括：在衬底内部或表面上形成反射元件；以及在衬底上方沿竖直方向依次形成与反射元件交叠的下电极、压电层和上电极，其中在下电极和上电极中的至少一个的至少一个表面上设置有保护层，其中，下电极、压电层和上电极与反射元件交叠的区域构成有效谐振区域。

根据本公开的又一方面，还提供了包括上述声学谐振器的体声学滤波器，以及包括这些体声学滤波器的双工器或多工器。

根据本公开的声学谐振器及其制造方法，通过在下电极和/或上电极的上表面和/或下表面上形成保护层，能够抑制声学谐振器中的电迁移问题，从而提高声学谐振器的可靠性。

附图说明

所包括的附图用于提供本公开的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本公开的原理。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的声学谐振器的截面图。

图2A至图2D示出了根据本公开的替选实施方式的声学谐振器的截面图。

图3示出了根据本公开的一个实施方式的体声学滤波器的示意图。

具体实施方式

在本说明书中，还将理解，当一个元件被称为相对于其他元件，诸如在其他元件“上”，“连接到”或“耦接到”其他元件时，该一个元件可以直接设置在该一个元件上，直接连接到或直接耦接到该一个元件，或者还可以存在居间的第三元件。相反，当在本说明书中元件被称为相对于其他元件，诸如“直接”在其他元件“上”，“直接连接到”或“直接耦接到”其他元件时，在它们之间没有设置居间的元件。

现将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的元件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个元件”的含义与“至少一个元件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

再者，“下”、“下方”、“上方”、“上”等用于说明图中所示的部件的位置关系。这些术语可以是相对的概念并且基于图中呈现的方向来描述。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本公开的示例性实施方式。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的声学谐振器100的截面图。

如图1所示，根据本公开的实施方式的声学谐振器100包括：衬底 101，在其内部或表面上设置有反射元件102；以及压电叠层110，其设置在衬底101上方与反射元件102交叠以构成有效谐振区域RA，压电叠层 110包括沿竖直方向依次设置的下电极103、压电层105和上电极104，其中，下电极103和上电极104的两侧表面上设置有保护层106。

根据本公开的实施方式，衬底101可以是例如硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底等的半导体衬底。

如图1所示，反射元件102在衬底101的内部以空腔的形式形成。然而，本领域技术人员应认识到，尽管本文以反射元件102形成在衬底101 内部为例描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，反射元件102也可以在衬底101的表面上形成。

可以通过本领域已知的多种方式在衬底101上形成具有空腔形式的反射元件102。例如，根据本公开的实施方式，可以通过光刻工艺在衬底 101中形成槽，并且使用牺牲材料来填充槽。例如，根据本公开的实施方式，牺牲材料可以包括磷硅酸盐玻璃(PSG)，其可以包括8％的磷和92％的二氧化硅。随后，可以通过去除槽中的牺牲材料来形成空腔102。

此外，本领域技术人员还应认识到，尽管本文以空腔类型的反射元件 102为例描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于此。反射元件102 也可以是其他类型的反射元件，例如布拉格反射器。根据本公开的实施方式，反射元件102用于反射机械波能量，从而减少能量损失，提高声学谐振器的机电耦合系数和品质因数Q。

如图1所示，下电极103、压电层105和上电极104沿竖直方向，即 y方向依次设置在衬底101上方以覆盖反射元件102。如图1所示，y方向可以是声学谐振器100的厚度方向。在图示的实施方式中，y方向是声学谐振器的纵向模例如TE模的方向。此外，在图示的实施方式中，x方向是沿声学谐振器的表面方向的水平方向。

下电极103和上电极104可以包括导电材料并且被配置为在受到电激励时沿着y方向提供振荡电场。根据本公开的实施方式，该导电材料可以包括但不限于以下导电材料中的至少之一：钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铂/钛(Pt/Ti)叠层或金/铬(Au/Cr)叠层。根据本公开的实施方式，下电极103和上电极104可以通过在相应的材料层上沉积导电材料随后进行图案化来形成。

根据本公开的实施方式，夹在下电极103和上电极104之间的压电层 105可以由压电材料形成。例如，根据本公开的实施方式，压电材料可以包括无机压电(单晶或多晶)材料或有机压电材料。该压电材料可以包括但不限于以下压电材料中的至少之一：纤锌矿结构，如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)；钙钛矿结构，如BaTiO₃、Pb(Ti,Zr)O₃、Li(Nb,Ta)O₃、 (K,Na)NbO₃；以及有机压电材料，如聚偏氟乙烯PVDF等。根据本公开的实施方式，压电层105可以通过在下电极103上溅射压电材料来形成。

根据本公开的实施方式，沿竖直方向依次堆叠的下电极103、压电层 105和上电极104构成压电叠层110。压电叠层110与反射元件102交叠的区域可以构成声学谐振器100的有效谐振区域RA。

根据本公开的实施方式，还可以包括在衬底101上形成的种子层(未示出)，用于在后续工艺中促进压电材料的生长。压电叠层110可以设置在种子层上。种子层可以使用与压电层105相同的压电材料形成。在声学谐振器100中添加种子层可以提高机电耦合系数和品质因数Q，降低插入损耗，并且避免不可接受的过大的压电层105的厚度。

根据本公开的实施方式，如图1所示，在下电极103和上电极104的上表面和下表面上分别设置有保护层106。根据本公开的实施方式，保护层106在整个有效谐振区域RA中延伸。

如上文所述，在由导电材料形成的薄膜状的下电极103和上电极104 中，由于电极制备期间可能产生的导电材料内部结构的非均匀性，在流过其的电流密度变大的情况下(即在高功率工作条件下)，在下电极103和上电极104中可能发生电迁移现象，导致声学谐振器100的可靠性劣化。

此外，随着声学谐振器的功率增加，下电极103和上电极104的导电电极材料会扩散到压电层中，从而在压电层中产生空隙。这些空隙是压电层晶体结构中的整体缺陷，会对压电材料的期望特性和包括该压电材料的声学谐振器产生有害影响。换言之，压电层是高度纹理化的。高度纹理化的压电层有利地促进压电材料的良好声学特性，进而实现声学谐振器和包括该声学谐振器的电装置例如滤波器的良好的声学性能和电学性能。然而，来自电极材料的扩散而产生的空隙的出现扰乱了压电层的高度有序的晶体结构。如本领域技术人员公知的，这些空隙(体缺陷)会导致压电层的机电耦合系数的显著变化，而变化会随着体缺陷的增加而增加。类似地，诸如品质因素的声学谐振器的其他参数也可能劣化。

有鉴于此，发明人发现，在下电极103和上电极104的上表面和下表面上设置保护层106可以有效地抑制如上文所述的电迁移问题。此外，在下电极103的上表面与压电层105的下表面之间以及压电层105的上表面和上电极104的下表面之间设置保护层106还可以有效地抑制电极材料扩散到压电层的问题。

根据本公开的实施方式，保护层106可以由Ti、Ti合金、TiN和TiO 中的至少之一形成。如本领域技术人员公知的，元素Ti可以提供充分的粘合特性，从而提供下电极103和上电极104与相邻的部件例如压电层 105的良好粘合特性。此外，元素Ti还可以提供良好的弹性模量。

根据本公开的实施方式，保护层106可以是单个材料构成的单个层。替选地，保护层106可以包括两种材料(例如，Ti和W或者Ti和Pt)以在提供良好的粘合特性的同时提供所需的声导和电导能力。在根据本公开的一些实施方式中，保护层106可以被形成为包括两种材料的化合物的单层，而在其他实施方式中，保护层106可以包括第一材料的第一层和第二材料的第二层。根据本公开的实施方式，第一材料和第二材料可以包括 Ti、Ti合金、TiN和TiO中的至少之一。

根据本公开的实施方式，图2A至图2D所示的声学谐振器200与图1 所示的声学谐振器100的相同之处在于，声学谐振器200同样包括：衬底 201，在其内部或表面上设置有反射元件202；以及压电叠层210，其设置在衬底201上方与反射元件202交叠以构成有效谐振区域RA，压电叠层 210包括沿竖直方向依次设置的下电极203、压电层205和上电极204。此外，图2A至图2D所示的声学谐振器200与图1所示的声学谐振器100 的不同之处在于，根据设计和工艺的具体需求，声学谐振器200中包括的保护层206仅设置在下电极203和上电极204的一个表面上。

如图2A所示，根据本公开的实施方式，声学谐振器200中包括的保护层206可以仅设置在下电极203和上电极204的上表面上。

此外，如图2B所示，根据本公开的实施方式，声学谐振器200中包括的保护层206可以仅设置在下电极203和上电极204的下表面上。

此外，如图2C所示，根据本公开的实施方式，声学谐振器200中包括的保护层206可以仅设置在下电极203的上表面和上电极204的下表面上。

此外，如图2D所示，根据本公开的实施方式，声学谐振器200中包括的保护层206可以仅设置在下电极203的下表面和上电极204的上表面上。

图2A至图2D所示的保护层206可以具有与上文参照图1描述的保护层106相同的配置，因此为简洁起见，此处对其细节不做进一步的详细描述。根据本公开的实施方式，尽管保护层206仅设置在下电极203和上电极204的一个表面上，但是同样可以实现抑制电迁移现象从而提高声学谐振器的可靠性的技术效果。

此外，根据本公开的一些实施方式，保护层还可以仅设置在下电极的一个表面上或两个表面上，并且根据本公开的其他实施方式，保护层还可以仅设置在上电极的一个表面上或两个表面上。本领域技术人员应认识到，所有这些变型均应涵盖于本公开的范围内。

根据本公开的另一方面，还提供了一种声学谐振器的制造方法，包括：在衬底内部或表面上形成反射元件；以及在衬底上方沿竖直方向依次形成与反射元件交叠的下电极、压电层和上电极，其中在下电极和上电极中的至少一个的至少一个表面上设置有保护层，其中，下电极、压电层和上电极与反射元件交叠的区域构成有效谐振区域。

根据本公开的实施方式，该制造方法还可以包括在衬底和下电极之间形成种子层。

根据本公开的又一方面，还提供了包括上述声学谐振器的声学滤波器，以及包括这些声学滤波器的双工器或多工器。

当以选定的拓扑连接时，多个声学谐振器100或200可以构成声学滤波器。图3示出了根据本公开的一个实施方式的声学滤波器的示意图。声学滤波器300包括串联连接的声学谐振器301和并联连接的声学谐振器 302。声学谐振器301和302可以包括上文参照图1和图2A至图2D描述的声学谐振器100和/或200。声学滤波器300通常被称为梯形体声学滤波器，并且可以用于例如双工器应用中。本领域技术人员应认识到，图3所示的声学滤波器300的拓扑结构仅是示例性的，并且可以设想其他拓扑结构。此外，除了双工器和多工器之外，根据本公开的实施方式的声学谐振器可以被设想具有其他应用。

尽管参照本公开的示例性实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不偏离权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

Claims

1.一种声学谐振器，包括：

衬底，在其内部或表面上设置有反射元件；以及

压电叠层，其设置在所述衬底上方与所述反射元件交叠以构成有效谐振区域，所述压电叠层包括沿竖直方向依次设置的下电极、压电层和上电极，

其中，所述下电极和/或所述上电极的至少一个表面上设置有保护层。

2.根据权利要求1所述的声学谐振器，其中，所述保护层抑制所述上电极和/或所述下电极中的电迁移现象。

3.根据权利要求1或2所述的声学谐振器，还包括：

种子层，其设置在所述衬底和所述下电极之间。

4.根据权利要求1或2所述的声学谐振器，其中，所述反射元件包括空腔或布拉格反射器。

5.根据权利要求1或2所述的声学谐振器，其中，所述保护层在整个所述有效谐振区域中延伸。

6.根据权利要求1或2所述的声学谐振器，其中，所述保护层由Ti、Ti合金或TiN中的至少之一形成。

7.根据权利要求1或2所述的声学谐振器，其中，所述保护层包括第一材料的第一层和第二材料的第二层。

8.一种滤波器，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的声学谐振器。

9.一种双工器，其包括根据权利要求8所述的滤波器。

10.一种多工器，其包括根据权利要求8所述的滤波器。