CN218450068U - 一种体声波谐振器及通信器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种体声波谐振器及通信器件。该体声波谐振器包括：衬底，所述衬底的内部设置有空腔结构，所述空腔结构之上设置有底电极、压电层和顶电极构成的叠层结构；所述底电极的第一端在所述衬底的投影内缩至所述空腔结构在所述衬底的投影之内。本实用新型提供的技术方案，提高了体声波谐振器的品质因数。

Description

一种体声波谐振器及通信器件

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器及通信器件。

背景技术

体声波谐振器具有尺寸小、工作频率高、功耗低、品质因数高、与CMOS工艺兼容等特点，在通信器件的应用越来越广泛。

现有的体声波谐振器中，衬底内部设置有用于反射声波的空腔结构，声波通过衬底对于底电极的支撑点泄露至衬底，导致体声波谐振器的品质因数不高。图1为现有技术中的一种体声波谐振器的结构示意图。参见图1，该体声波谐振器包括：衬底10，衬底10的内部设置有空腔结构10a，空腔结构10a之上设置有底电极21、压电层22和顶电极23构成的叠层结构。保护层40覆盖顶电极23。底电极21的第一端210和第二端211均位于衬底10之上。因此，体声波谐振器的声波通过第一支撑区域11和第二支撑区域12传递至衬底10，造成了体声波谐振器声波的损耗，降低了体声波谐振器的品质因数。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种体声波谐振器及通信器件，以提高体声波谐振器的品质因数。

本实用新型实施例提供了一种体声波谐振器，包括：衬底，所述衬底的内部设置有空腔结构，所述空腔结构之上设置有底电极、压电层和顶电极构成的叠层结构；

所述底电极的第一端在所述衬底的投影内缩至所述空腔结构在所述衬底的投影之内。

可选的，还包括用于种子层，所述种子层位于所述底电极之下。

可选的，所述底电极的第二端在所述衬底的投影内缩至所述空腔结构在所述衬底的投影之内，所述底电极的第二端为所述底电极除去所述第一端的部分；

或者，所述底电极的第二端位于所述衬底之上。

可选的，所述压电层包括有效谐振部和支撑部，所述支撑部与所述有效谐振部连接，延伸至所述衬底之上；

所述支撑部和所述底电极内缩至所述空腔结构的部分之间设置有第一间隔区域，所述第一间隔区域和所述空腔结构连通。

可选的，所述压电层邻近所述底电极的表面设置有凹槽结构。

可选的，所述凹槽结构设置在所述体声波谐振器的有效谐振区域周边。

可选的，所述压电层背离所述底电极的表面设置有第一凸起结构和第一凹入结构；

和/或，所述顶电极背离所述压电层的表面设置有第二凸起结构和第二凹入结构。

可选的，所述底电极的第二端位于所述衬底之上，位于所述底电极的第二端下方的空腔结构外扩至所述体声波谐振器的有效谐振区域之外预设距离。

可选的，所述空腔结构的内表面设置有至少一个第三凸起结构。

可选的，所述衬底除去所述空腔结构的部分的表面设置有布拉格反射层。

可选的，所述种子层内缩至所述空腔结构的一端设置有悬翼结构。

可选的，所述悬翼结构和所述底电极之间设置有第二间隔区域，或者所述底电极和所述悬翼结构直接接触。

可选的，还包括保护层，所述保护层位于所述顶电极远离所述压电层一侧的表面。

可选的，所述保护层在所述衬底的投影面积大于所述顶电极在所述衬底的投影面积，且所述保护层覆盖所述顶电极。

可选的，所述保护层背离所述顶电极的表面设置有第四凸起结构和第三凹入结构。

本实用新型实施例还提供了一种通信器件，包括上述技术方案中任意所述的体声波谐振器；

所述通信器件包括滤波器、双工器以及多工器中的至少一种。

本实用新型实施例提供的技术方案，将底电极的第一端在衬底的投影内缩至空腔结构在衬底的投影之内，底电极的第一端之下是空腔结构，因此，避免了声波通过底电极的第一端传递至衬底，减少了体声波谐振器声波的损耗，从而提高了体声波谐振器的品质因数。

附图说明

图1为现有技术中的一种体声波谐振器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种体声波谐振器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图

图6为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图

图7为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图；

图12-图26为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的制备方法各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图2为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图。图3为本实用新型实施例提供的另一种体声波谐振器的结构示意图。参见图2和图3，该体声波谐振器包括：衬底10，衬底10的内部设置有空腔结构10a，空腔结构10a之上设置有底电极21、压电层22和顶电极23构成的叠层结构；底电极21的第一端210在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内。

可选的，参见图2和图3，体声波谐振器还包括用于种子层30，种子层30位于底电极21之下。

具体的，种子层30可以选取绝缘材料，例如是可以用作压电层22的氮化铝。种子层30可以对底电极21起到支撑作用，增强了体声波谐振器的结构稳定性。

可选的，参见图2和图3，体声波谐振器还包括保护层40，保护层40位于顶电极远离压电层22一侧的表面。具体的，保护层40可以选取绝缘材料。

可选的，保护层40在衬底10的投影面积大于顶电极23在衬底10的投影面积，且保护层40覆盖顶电极23。

需要说明的是，底电极21通常情况下是多边形结构。底电极21的每一个边可以称之为底电极21的端。设定底电极21包括第一端210和第二端211，即底电极21除去第一端210的端为第二端211。底电极21的第一端210的数量大于或等于1，底电极21的第二端211的数量大于或等于1。

其中，对于空腔结构10a，由于空气的声阻抗接近于0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到空腔结构10a的声波几乎全部反射回体声波谐振器，从而起到了提高体声波谐振器的品质因数的效果。

本实用新型实施例提供的技术方案，将底电极21的第一端210在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内，底电极21的第一端210之下是空腔结构10a，因此，避免了声波通过底电极21的第一端210传递至衬底10，减少了体声波谐振器声波的损耗，从而提高了体声波谐振器的品质因数。

基于将底电极21的第一端210在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内的技术方案，本实用新型实施例针对底电极21的除去第一端210的第二端211在衬底10的投影是否内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内提供了如下两种方案。其中，第一种技术方案包括：底电极的第二端在衬底的投影内缩至空腔结构在衬底的投影之内。第二种技术方案包括：底电极的第二端位于衬底之上。

示例性的，参见图3，底电极21的第二端211在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内，底电极21的第二端211为底电极21除去第一端210的部分。

具体的，底电极21的第一端210和第二端211在衬底10的投影均内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内，底电极21的第一端210和第二端211之下均是空腔结构10a，因此，避免了声波通过底电极21的第一端210和第二端211传递至衬底10，减少了体声波谐振器声波的损耗，从而提高了体声波谐振器的品质因数。

或者，示例性的，参见图2，底电极21的第二端211位于衬底10之上。

具体的，底电极21的第二端211位于衬底10之上，增强了衬底10对于底电极21的支撑能力，进而增强了体声波谐振器的结构稳定性。

为了进一步减少声波的损耗，本实用新型实施例还提供了如下技术方案：可选的，压电层包括有效谐振部和支撑部，支撑部与有效谐振部连接，延伸至衬底之上；支撑部和底电极内缩至空腔结构的部分之间设置有第一间隔区域，第一间隔区域和空腔结构连通。

示例性的，参见图4，底电极21的第一端210和第二端211在衬底10的投影均内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内。压电层22包括有效谐振部220和支撑部221，支撑部221与有效谐振部220连接，延伸至衬底10之上；支撑部221和底电极21内缩至空腔结构10a的部分之间设置有第一间隔区域10b，第一间隔区域10b和空腔结构10a连通。需要说明的是，图4是示出的体声波谐振器的结构示意图为剖面图，实际的第一间隔区域10b是环形设置的。

示例性的，参见图5，底电极21的第二端211位于衬底10之上，压电层22包括有效谐振部220和支撑部221，支撑部221与有效谐振部220连接，延伸至衬底10之上；支撑部221和底电极21内缩至空腔结构10a的部分之间设置有第一间隔区域10b，第一间隔区域10b和空腔结构10a连通。

具体的，支撑部221和底电极21内缩至空腔结构10a的部分之间设置有第一间隔区域10b，第一间隔区域10b和空腔结构10a连通，第一间隔区域10b的声阻抗接近于0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到第一间隔区域10b的声波几乎全部反射回体声波谐振器，进而降低了声波的损耗，提高了体声波谐振器的品质因数。

可选的，压电层邻近底电极的表面设置有凹槽结构。

示例性的，参见图6，底电极21的第一端210和第二端211在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内，压电层22邻近底电极21的表面设置有凹槽结构22a和凹槽结构22b。凹槽结构22a和凹槽结构22b形成的空气隙结构和第一间隔区域10b连通，进而和空腔结构10a连通，其声阻抗接近于0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到凹槽结构22a和凹槽结构22b的声波几乎全部反射回体声波谐振器，进而降低了声波的损耗，提高了体声波谐振器的品质因数。

示例性的，参见图5，底电极21的第一端210在衬底10的投影内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内，底电极21的第二端211位于衬底10之上，压电层22邻近底电极21的表面设置有凹槽结构22a和凹槽结构22b。凹槽结构22a形成的空气隙结构和第一间隔区域10b连通，进而和空腔结构10a连通，其声阻抗接近于0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到凹槽结构22a的声波几乎全部反射回体声波谐振器，进而降低了声波的损耗，提高了体声波谐振器的品质因数。凹槽结构22b形成的空气隙结构，其声阻抗接近于0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到凹槽结构22b的声波几乎全部反射回体声波谐振器，进而降低了声波的损耗，提高了体声波谐振器的品质因数。

可选的，凹槽结构设置在体声波谐振器的有效谐振区域周边。

示例性的，参见图5和图6，凹槽结构22a和凹槽结构22b设置在体声波谐振器的有效谐振区域周边。

示例性的，参见图6，凹槽结构22a和凹槽结构22b越大，对于声波的反射效果越好，声波的损耗越小，从而对于体声波谐振器的品质因数提升的效果越好。

可选的，参见图5和图6，压电层22背离底电极21的表面设置有第一凸起结构22c和第一凹入结构22d。具体的，第一凸起结构22c构成凸起反射结构，第一凹入结构22d构成凹槽反射结构，凸起反射结构和凹槽反射结构作为避免声波能量损耗的结构，以实现将体声波反射回体声波谐振器的效果，减少了声波的损耗，从而进一步提高了体声波谐振器的品质因数。

和/或，参见图5和图6，顶电极23背离压电层的表面设置有第二凸起结构23a和第二凹入结构23b。具体的，第二凸起结构23a构成凸起反射结构，第二凹入结构23b构成凹槽反射结构，凸起反射结构和凹槽反射结构作为避免声波能量损耗的结构，以实现将体声波反射回体声波谐振器的效果，减少了声波的损耗，从而进一步提高了体声波谐振器的品质因数。

可选的，参见图5，底电极21的第二端211位于衬底10之上，位于底电极21的第二端211下方的空腔结构10a外扩至体声波谐振器的有效谐振区域之外预设距离L1，空腔结构10a可以延伸至底电极21的第二端211的下方，减少了声波通过底电极21的第二端211传递至衬底10的损耗，从而提高了体声波谐振器的品质因数。

可选的，空腔结构的内表面设置有至少一个第三凸起结构。

示例性的，参见图7，空腔结构10a的内表面设置有一个第三凸起结构10c。具体的，第三凸起结构10c减小了刻蚀面积，增加了体声波谐振器的结构稳定性。需要说明的是，图7中仅仅示出了一个第三凸起结构10c，本实用新型对于第三凸起结构10c的具体数量和具体位置不作限定。且空腔结构10a的内表面设置有第三凸起结构10c还可以适用在底电极21的第一端210和第二端211在衬底10的投影均内缩至空腔结构10a在衬底10的投影之内的技术方案。

可选的，衬底除去空腔结构的部分的表面设置有布拉格反射层。

示例性的，参见图8，衬底10除去空腔结构10a的部分的表面设置有布拉格反射层60。布拉格反射层60采用高低声阻抗层交替堆叠形成的布拉格反射层来防止体声波谐振器的声波泄漏至衬底10，每一声阻抗层厚度大于1/4波长，高低声阻抗层的声阻抗比越大，布拉格反射层60用于防止体声波谐振器的声波泄漏至衬底10的效果越好。需要说明的是，上述技术方案还可以适用在底电极21的第二端211位于衬底10之上的技术方案。

可选的，种子层内缩至空腔结构的一端设置有悬翼结构。

可以理解的是，底电极的第一端内缩至空腔结构时，种子层与底电极对应的端跟随底电极内缩至空腔结构，种子层内缩至空腔结构的一端设置有悬翼结构。示例性的，参见图9和图10，种子层30内缩至空腔结构10a的一端设置有悬翼结构30a和悬翼结构30b。

可选的，悬翼结构和底电极之间设置有第二间隔区域，或者底电极和悬翼结构直接接触。

示例性的，参见图9和图10，悬翼结构30a和悬翼结构30b与底电极21之间设置有第二间隔区域。第二间隔区域声的阻抗接近为0，而体声波谐振器的声阻较大，这种界面声阻抗不匹配使得传输到空气隙结构的声波几乎全部反射回体声波谐振器，减少了声波的损耗，从而进一步提高了体声波谐振器的品质因数。并且第二间隔区域，可以起到消除底电极21寄生结构的效果。

或者，示例性的，参见图11，底电极21与悬翼结构30a和悬翼结构30b直接接触。

可选的，保护层背离顶电极的表面设置有第四凸起结构和第三凹入结构。

可选的，参见图5和图6，保护层40背离顶电极23的表面设置有第四凸起结构40a和第三凹入结构40b。具体的，第四凸起结构40a构成凸起反射结构，第三凹入结构40b构成凹槽反射结构。凸起反射结构和凹槽反射结构作为避免声波能量损耗的结构，以实现将体声波反射回体声波谐振器的效果，减少了声波的损耗，从而进一步提高了体声波谐振器的品质因数。

针对图11示出的体声波谐振器，本实用新型实施例提供了一种体声波谐振器的制备方法。图12-图26为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的制备方法各步骤对应的剖结构示意图。该制备方法包括如下步骤：

步骤110、提供衬底。

参见图12，提供衬底10。示例性的，衬底10可以选择单晶硅、砷化镓、蓝宝石以及石英等材料。

步骤120、在衬底的表面形成光刻胶。

参见图13，可以通过旋涂工艺在衬底10的表面形成整层的光刻胶，然后通过曝光和显影在衬底10的表面形成预设图案的光刻胶001。

步骤130、在衬底的内部形成空腔结构。

参见图14，可以通过刻蚀工艺在衬底10的内部形成空腔结构10a，并去除光刻胶001。

步骤140、在衬底的表面形成第一牺牲层。

参见图14和图15，在衬底10的表面形成第一牺牲层002，第一牺牲层002覆盖衬底10的表面和空腔结构10a。示例性的，第一牺牲层002可以选择包含硅的氧化物的材料例如是磷硅酸盐玻璃(Phospho Silicate Glass，PSG)，具体可以通过淀积工艺形成。且第一牺牲层002的厚度可以通过淀积工艺的工艺参数来控制。

步骤150、对第一牺牲层进行平坦化处理。

参见图16，可以选择化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺对第一牺牲层002进行平坦化处理。

步骤160、在衬底的表面和第一牺牲层的表面形成光刻胶。

参见图17，可以通过旋涂工艺形成整层的光刻胶，然后通过曝光和显影在衬底10的表面和第一牺牲层002的表面形成预设图形的光刻胶003。

步骤170、在第一牺牲层的表面形成刻蚀结构。

参见图18，可以通过刻蚀工艺在第一牺牲层002的表面形成刻蚀结构004，并去除光刻胶003。

步骤180、在第一牺牲层的表面和衬底的表面形成种子层。

参见图19，在第一牺牲层002的表面和衬底10的表面形成种子层30。种子层30依次包括氮化铝。其中，氮化铝可以作为压电层22的材料。

步骤190、在衬底之上形成底电极和光刻胶。

参见图20，在衬底10之上形成底电极21和光刻胶005。示例性的，可以通过溅射工艺或者蒸镀工艺在衬底10之上形成底电极21，通过旋涂工艺形成整层的光刻胶，然后通过曝光和显影形成预设图形的光刻胶005。

步骤200、对底电极进行图形化处理。

参见图21，可以通过光刻工艺和刻蚀工艺对底电极21进行图形化处理，并去除光刻胶005。

步骤210、在衬底之上形成第二牺牲层。

参见图22，可以通过淀积工艺在衬底10之上形成第二牺牲层006。示例性的，第二牺牲层006可以选择和第一牺牲层002相同的材料。

步骤220、对第二牺牲层进行平坦化处理。

参见图23，可以选择化学机械抛光工艺对第二牺牲层006进行平坦化处理。

步骤230、在第二牺牲层之上形成光刻胶。

参见图24，通过旋涂工艺形成整层的光刻胶，然后通过曝光和显影在第二牺牲层006之上形成预设图形的光刻胶007。

步骤240、对第二牺牲层进行图形化处理。

参见图25，可以通过光刻和刻蚀工艺对第二牺牲层006进行图形化处理，并去除光刻胶007。

步骤250、在底电极之上依次形成压电层、顶电极和保护层。

参见图26，在底电极21之上依次形成压电层22、顶电极23和保护层40。示例性的，底电极21可以选择导电性良好的钼、钌、金、铝、镁、钨、铜以及钛中的至少一种。压电层22可以选择氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾等单晶压电薄膜材料以及多晶压电薄膜材料中至少一种。还可以在压电层22中掺杂一定比例的稀土元素来提高压电材料层的性能。需要说明的是，氮化铝压电层因固有损耗较小、温度系数较低、热导率较好的性能，其作为压电层的体声波谐振器的性能更优。顶电极23可以选择导电性良好的钼、钌、金、铝、镁、钨、铜以及钛中的至少一种。

步骤260、释放第一牺牲层和第二牺牲层。

参见图26和图11，释放第一牺牲层002和第二牺牲层006后，形成了图11示出了体声波谐振器的结构示意图。

示例性的，第一牺牲层002和第二牺牲层006可以选用氧化硅，腐蚀液选取氢氟酸溶液，便可以快速释放第一牺牲层002和第二牺牲层006。

本实用新型实施例还提供了一种通信器件，包括上述技术方案中任意所述的体声波谐振器；通信器件包括滤波器、双工器以及多工器中的至少一种。

具体的，双工器可以简单的理解为两个体声波滤波器的工作，一个是接收体声波滤波器来接收信号，一个是发射体声波滤波器来发射信号。多工器可以简单的理解为至少两个双工器构成的通信器件。

本实用新型实施例提供的通信器件包括如上述技术方案中任意所述的体声波滤波器，因此具有上述体声波滤波器所具有的有益效果，在此不再赘述。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底的内部设置有空腔结构，所述空腔结构之上设置有底电极、压电层和顶电极构成的叠层结构；

所述底电极的第一端在所述衬底的投影内缩至所述空腔结构在所述衬底的投影之内。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，还包括用于种子层，所述种子层位于所述底电极之下。

3.根据权利要求1或2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极的第二端在所述衬底的投影内缩至所述空腔结构在所述衬底的投影之内，所述底电极的第二端为所述底电极除去所述第一端的部分；

或者，所述底电极的第二端位于所述衬底之上。

4.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层包括有效谐振部和支撑部，所述支撑部与所述有效谐振部连接，延伸至所述衬底之上；

所述支撑部和所述底电极内缩至所述空腔结构的部分之间设置有第一间隔区域，所述第一间隔区域和所述空腔结构连通。

5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层邻近所述底电极的表面设置有凹槽结构。

6.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述凹槽结构设置在所述体声波谐振器的有效谐振区域周边。

7.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层背离所述底电极的表面设置有第一凸起结构和第一凹入结构；

和/或，所述顶电极背离所述压电层的表面设置有第二凸起结构和第二凹入结构。

8.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极的第二端位于所述衬底之上，位于所述底电极的第二端下方的空腔结构外扩至所述体声波谐振器的有效谐振区域之外预设距离。

9.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔结构的内表面设置有至少一个第三凸起结构。

10.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述衬底除去所述空腔结构的部分的表面设置有布拉格反射层。

11.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述种子层内缩至所述空腔结构的一端设置有悬翼结构。

12.根据权利要求11所述的体声波谐振器，其特征在于，所述悬翼结构和所述底电极之间设置有第二间隔区域，或者所述底电极和所述悬翼结构直接接触。

13.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，还包括保护层，所述保护层位于所述顶电极远离所述压电层一侧的表面。

14.根据权利要求13所述的体声波谐振器，其特征在于，所述保护层在所述衬底的投影面积大于所述顶电极在所述衬底的投影面积，且所述保护层覆盖所述顶电极。

15.根据权利要求13所述的体声波谐振器，其特征在于，所述保护层背离所述顶电极的表面设置有第四凸起结构和第三凹入结构。

16.一种通信器件，其特征在于，包括权利要求1-15任一所述的体声波谐振器；

所述通信器件包括滤波器、双工器以及多工器中的至少一种。

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