TW202404256A - 具有堆疊壓電層之塊體聲波共振器 - Google Patents

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Abstract

一種塊體聲波共振器包括包含具有多層壓電材料之一壓電膜之一薄膜。該多層壓電材料之至少一者具有不同於該多層壓電材料之另一者之一摻雜劑濃度。

Description

具有堆疊壓電層之塊體聲波共振器
本發明之實施例係關於聲波裝置，明確言之係關於塊體聲波共振器及包含其之電子裝置及模組。
聲波裝置，例如塊體聲波(BAW)裝置可用作射頻電子系統中濾波器之組件。例如，一行動電話之一射頻前端中之濾波器可包含聲波濾波器。兩個聲波濾波器可配置為一雙工器。
根據一個態樣，提供一種塊體聲波共振器，其包括一薄膜，該膜包含具有多層壓電材料之一壓電膜。該多層壓電材料之至少一者具有不同於該多層壓電材料之另一者之一摻雜劑濃度。
在一些實施例中，該多層壓電材料在厚度方面不對稱配置，其中該多層壓電材料之一上層具有不同於該多層壓電材料之一下層之一厚度。
在一些實施例中，該壓電膜包含兩層壓電材料，該兩層壓電材料之一第一者較靠近該壓電膜之一輸入側且具有高於該兩層壓電材料之一第二者之一摻雜位準。
在一些實施例中，其中該第一壓電材料層由摻鈧(Sc)之氮化鋁(AlN)形成且該第二壓電材料層由未摻雜AlN形成。
在一些實施例中，該第一壓電材料層具有實質上相同於該第二壓電材料層之一厚度之一厚度。
在一些實施例中，該壓電膜包含兩層以上壓電材料，該兩層以上壓電材料之一第一者較靠近該壓電膜之一輸入側且具有高於該兩層以上壓電材料之其他者之一摻雜位準。
在一些實施例中，其中該兩層以上壓電材料之該第一者由摻雜Sc之AlN形成且該兩層以上壓電材料之其他者由未摻雜AlN形成。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度及厚度方面對稱配置。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度或厚度之一者方面不對稱配置。
在一些實施例中，該壓電膜包含兩層以上奇數層之壓電材料，該兩層以上壓電材料之一最中間層具有高於該兩層以上壓電材料之其他者之一摻雜位準。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料之該最中心層具有大於該兩層以上壓電材料之其他者之一厚度。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度及厚度方面對稱組態。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料之該最中心層具有大致等於該兩層以上壓電材料之其他者之該等厚度之一總和之一厚度。
在一些實施例中，該兩層以上壓電材料之該最中心層由摻雜Sc之AlN形成且該兩層以上壓電材料之其他者由未摻雜AlN形成。
在一些實施例中，該塊體聲波共振器經組態為一膜塊體聲波共振器。
在一些實施例中，該塊體聲波共振器經組態為牢固安裝之共振器。
在一些實施例中，該塊體聲波共振器包含於一射頻濾波器中。
在一些實施例中，該塊體聲波共振器包含於一電子裝置模組中。
在一些實施例中，該塊體聲波共振器包含於一電子裝置中。
根據另一態樣，提供一種形成一塊體聲波共振器之方法。該方法包括藉由在具有不同於一第一摻雜濃度之一第二摻雜濃度之一第二壓電材料膜上形成具有該第一摻雜濃度之一第一壓電膜來形成該塊體聲波共振器之一薄膜。
以下對特定實施例之描述呈現對具體實施例之各種描述。然而，本文中所描述之創新可依多種不同方式體現，例如，如由申請專利範圍界定及涵蓋。在本描述中，參考附圖，其中相同元件符號可指示相同或功能上類似元件。應理解，圖中所繪示之元件並不一定按比率繪製且一些中間材料或層亦未繪示。此外，應理解，特定實施例可包含比一附圖中所繪示更多之元件及/或一附圖中所繪示元件之一子集。進一步言之，一些實施例可併入來自兩個或更多個圖之特徵之任何合適組合。
膜塊體聲波共振器(FBAR)係一種形式之塊體聲波(BAW)共振器，其通常包含夾置於一頂部與一底部電極之間的一壓電材料膜且懸浮在允許壓電材料膜振動之一空腔上方。跨頂部及底部電極施加之一信號導致聲波在壓電材料膜中產生且行進通過壓電材料膜。一FBAR對具有由壓電材料膜之一厚度判定之一共振峰之應用信號展現一頻率響應。理想下，將在一FBAR中產生之唯一聲波係一主聲波，其將在垂直於形成頂部及底部電極之導電資料層之一方向上行進通過壓電材料膜，有時稱作「活塞模式」操作。然而，一FBAR之壓電材料通常具有一非零泊松比(poisson’s ratio)。因此，與主聲波之通道相關聯之壓電材料之壓縮及鬆弛可導致壓電材料在垂直於主聲波之傳播方向之一方向上之壓縮及鬆弛。壓電材料在垂直於主聲波之傳播方向之方向上之壓縮及鬆弛可產生橫向聲波，該橫向聲波垂直於主聲波(平行於電極膜表面)穿過壓電材料。橫向聲波可反射回至主聲波傳播之區域且可含導致雜散聲波以與主聲波相同之方向行進。此等雜散聲波可降低FBAR之頻率響應，使其偏離預期或預期且通常被認為係不受歡迎的。
圖1係一FBAR之一實例之截面圖，通常以100指示，具有可稱作一檯面結構者。FBAR 100安置於一基板110上，例如，一矽基板，其可包含(例如)二氧化矽之一介電表面層110A。FBAR 100包含壓電材料115之一層或膜，例如氮化鋁(AlN)。一頂部電極120安置於壓電材料115之層或膜之一部分之頂部上且一底部電極125安置於壓電材料115之層或膜之一部分之底部上。頂部電極120可由(例如)釕(Ru)、鉬(Mo)或一Ru/Mo合金形成。底部電極125可包含與壓電材料115之層或膜之部分之底部接觸安置之一Ru層(或Mo或Ru/Mo合金) 125A及與壓電材料115之層或膜之部分之底部接觸安置於與Ru層125A之一側相對的Ru層125A之一下側上之一鈦(Ti)層125B。頂部電極120及底部電極125之各者可覆蓋有一介電材料層130，例如二氧化矽。一腔135界定於覆蓋基板110之底部電極125及表面層110A之介電材料層130下方。例如，由銅形成之一底部電觸點140可與底部電極125進行電連接且例如，由銅形成之一頂部電觸點145可與頂部電極120進行電連接。
FBAR 100可包含一中心區域150，該中心區域包含壓電材料115之層或膜中之一主活性域，其中在操作期間一主聲波經激發。中心區域150亦可稱作FBAR 100之活性區域。中心區域可具有(例如)在約20 µm與約100 µm之間的一寬度。一凹陷框架區域155可約束並界定中心區域150之橫向範圍。凹陷框架區域可具有(例如)約1 µm之一寬度。凹陷框架區域155可由在頂部電極120之頂部上具有比在中心區域150中薄之一介電材料130層之區域界定。凹陷框架區域155中之介電材料層130可比中心區域150中之介電材料層130薄自約10 nm至約100 nm。凹陷框架區域155與中心區域150中之介電材料之厚度差可導致凹陷框架區域155中裝置之共振頻率比中心區域150中裝置之共振頻率高約5 MHz至約50 MHz之間。在一些實施例中，中心區域150中之介電材料層130之厚度可為約200 nm至約300 nm且凹陷框架區域155中之介電材料層130之厚度可為約100 nm。通常在製造過程期間蝕刻凹陷框架區域155中之介電膜300以在中心區域150與凹陷框架區域155之間達成一所需聲速差。據此，最初沈積在中心區域150及凹陷框架區域155兩者中之介電膜300沈積有一足夠厚度，其允許在凹陷框架區域155中蝕刻足夠介電膜300以達成中心區域150及凹陷框架區域155中介電膜300之一所需厚度差以達成此等區域之間的一所需聲速差。
一凸起框架區域160可界定在與中心區域150相對之凹陷框架區域155之一側上且可直接鄰接凹陷框架區域155之外邊緣。凸起框架區域可具有(例如)約1 µm之寬度。凸起框架區域160可由其中頂部電極120比中心區域150及凹陷框架區域155厚之區域界定。頂部電極120在中心區域150及凹陷框架區域155中可具有相同厚度，但在凸起框架區域160中具有一較大厚度。頂部電極120在凸起框架區域160中可比在中心區域150及/或凹陷框架區域155中厚約50 nm與約500 nm之間。在一些實施例中，中心區域中頂部電極之厚度可在50 nm與500 nm之間。在其他實施例中，頂部電極120在中心區域150、凹陷框架區域155及凸起框架區域160中可具有相同厚度，且凸起框架可由凸起框架區域中比中心區域150及凹陷框架區域155中厚之一介電膜層300界定。
凹陷框架區域155及凸起框架區域160可有助於消散或散射FBAR 100在運行期間產生之橫向聲波及/或可反射在凹陷框架區域155及凸起框架區域160之外傳播之橫向聲波且防止此等橫向聲波進入中心區域及在FBAR區域之主活性域中誘發雜散信號。在不受一特定理論約束之情況下，據信歸因於凹陷框架區域155中頂部電極120之頂部上之介電材料130層較薄，凹陷框架區域155可展現比中心區域150高之一聲波傳播速度。相反地，歸因於凸起框架區域160中頂部電極120之厚度及質量增加，凸起框架區域160可展現比中心區域150低之一聲波傳播速度及比凹陷框架區域155低之一聲波傳播速率。凹陷框架區域155及凸起框架區域160之間的聲波速度之不連續性創建散射、抑制及/或反射橫向聲波之一障壁。
BAW之另一形式係一固定安裝之共振器(SMR)。圖2係一SMR 200之一簡化截面圖。如圖所示，SMR 200包含一壓電材料層202、安置於壓電材料層202之頂部上之一上電極204及安置於壓電材料層疊202之一下表面上之一下電極206。壓電材料層202可為一氮化鋁層。在其他例項中，壓電材料層202可為任何其他合適壓電材料層。在特定例項中，下電極206可接地。在一些其他例項中，下電極206可浮動。布拉格(Bragg)反射器208安置於下電極206與一半導體基板209之間。可實施任何合適布拉格反射器。例如，布拉格反射器可為SiO 2/W。
最好是BAW共振器僅產生一單一主聲波。然而，在實際裝置中，除預期主聲波之外，亦通常產生雜散信號。此等雜散信號可降低BAW共振器之效能，例如，藉由在BAW共振器之導納曲線中添加不連續性，降低BAW共振器之品質因數或降低BAW共振器之聲學耦合因數。在運行期間，一BAW共振器中可非所要產生之一種令人擔憂之雜散信號係一諧波信號，其以一所需信號之一頻率之一倍數出現。諧波信號可包含以一所需信號之頻率之兩倍出現之二次諧波(H2)，以一所需信號之頻率之三倍出現之三次諧波(H3)等等。BAW濾波器中產生之此等諧波雜散信號將降低包含BAW濾波器之行動手機之接收靈敏度。本文中所揭示之態樣及實施例可降低BAW共振器(諸如FBAR或SMR)中雜散諧波信號之振幅。
根據一些態樣，一BAW共振器中之壓電材料膜可由多層之一堆疊形成，其中至少兩層具有不同組成及/或厚度。一BAW共振器之一壓電材料層堆疊中之壓電層之至少一者可為AlN摻雜有一雜質，例如，鈧(Sc)，或摻雜有與壓電材料層堆疊中之壓電層之至少另一者不同之一濃度之雜質。將參考摻雜Sc或未摻雜之AlN層來描述本文中所呈現之實例，但其他雜質亦可落入本發明之範疇內，例如Y、Ca、Nb、Mg、Ti、Zr、Hf或其他稀土金屬之任何一或多者。諸如美國專利案第11,031,540號「SUBSTITUTED ALUMINUM NITRIDE FOR IMPROVED ACOUSTIC WAVE FILTERS」中所揭示之摻雜壓電材料(以引用的方式併入本文中)可用於一BAW共振器之一壓電材料層堆疊之一或多層中。
在其中一BAW共振器之一壓電材料層堆疊包含一或多個摻雜Sc AlN層及一或多個未摻雜AlN層之各種實施例中，由一或多個摻雜Sc AlN層之存在抑制諧波信號之程度可受壓電材料層堆疊中摻雜Sc AlN層之位置之影響。
對具有一薄膜之一FBAR共振器執行一模擬，該薄膜包含電極、介電質及具圖3A中所指示之厚度之壓電材料膜。薄膜之「輸入」側對應於圖1之FBAR或圖2之SMR中之電極/壓電材料薄膜之頂部。壓電材料膜被經模型化為一三層結構，其中頂層、中間層抑或底層係摻雜Sc AlN，而其他兩層則未摻雜AlN。對此等三個不同實例之H2及H3諧波抑制結果進行互相比較且與完全由摻雜Sc AlN形成之一壓電膜之一FBAR進行比較。
H2之模擬結果在圖3B之圖表中繪示且H3之模擬結果繪示於圖3C之圖表中。在圖3B及圖3C之圖例中，摻雜Sc AlN層之位置經指示並標記為「非線性」層。標記為「線性」之層係未摻雜AlN。最上層位於模擬共振器薄膜之輸入側上。在圖3B及圖3C以及本文中包含之其他圖表中，x軸上指示之頻率係輸入頻率，諧波曲線以輸入頻率之兩倍(圖3B)或三倍(圖3C)出現。
自圖3B可見，將非線性(摻雜)層放置於壓電材料層堆疊之輸入側上抑制H2大於模擬之其他配置之一程度。在不希望受一特定理論約束之情況下，據信此係因為H2諧波受摻雜層之後之未摻雜壓電層部分排斥。由三層非線性(摻雜)材料形成壓電材料膜給予模擬之選項之最差H2效能。相對於頂部上之層，中間或底部中之非線性層具有較小H2影響。
自圖3C可見，將非線性(摻雜)層放置於壓電材料層堆疊之輸入側上亦比模擬之其他配置以一更大程度抑制H3。由三層非線性(摻雜)材料形成壓電材料膜給予模擬之選項之最差H3效能，然非線性層位於最後(距輸入最遠)之堆疊在一輸入頻率接近共振器之共振頻率之情況下亦給予較差H3效能。
對於具有一介電質、電極及壓電材料薄膜(圖4A中所指示之尺寸)及由四層形成之壓電材料膜之一FBAR執行了模擬。模擬了四種情況，壓電材料堆疊中四個位置之各者中各出現一次非線性層。此等模擬結果展示於圖4B (H2)及圖4C (H3)中。
自圖4B可見，將非線性(摻雜)層放置於壓電材料層堆疊之輸入側上再次比模擬之其他配置以一更大程度抑制H2。在不希望受一特定理論約束之情況下，據信此係因為H2諧波受摻雜層之後之未摻雜壓電層部分排斥而發生。
自圖4C可見，將非線性(摻雜)層放置於壓電材料層堆疊之輸入側上亦比模擬之其他配置以一更大程度抑制H3。在壓電材料層堆疊之輸出側上形成非線性層之壓電材料膜給予最差H3效能。
對於具有一介電質、電極及壓電材料薄膜(圖5A中所指示之尺寸)及由一奇數層(三層或五層及13,620 Å之一總厚度)形成之壓電材料膜之一FBAR，執行模擬。非線性層經模型化為摻雜有18.8 (%Sc)。各層之高度係壓電層總堆疊高度之一半(h/2)，壓電層總堆疊高度之四分之一(h/4)，或壓電層總堆疊高度之六分之一(h/6)。此等模擬結果展示於圖5B (針對H2)及圖5C (針對H3)中，包含圖例中所指示之不同壓電材料層之不同位置及厚度，且不同層標有其等Sc摻雜。在各模擬組態中，與其他組態相比，具有三個壓電材料層且Sc摻雜層位於堆疊中心之組態給予略佳H2抑制且明顯更佳H3抑制。
執行模擬以檢驗一FBAR中一雙層壓電膜堆疊中摻雜Sc AlN層及未摻雜AlN層之相對厚度對H2及H3抑制之影響。模擬了不同晶圓之不同壓電膜堆疊厚度：一300 µm厚堆疊、一600 µm厚堆疊及一900 µm厚堆疊。摻雜Sc AlN層占總壓電膜堆疊厚度之0% (無摻雜Sc AlN層)、25%、50%、75%抑或100% (無未摻雜AlN層)。一模擬樣品清單及摻雜及未摻雜AlN層之相對厚度展示在圖6A之表中，晶圓編號識別各樣品。在包含一摻雜AlN層之各樣品中，摻雜有18.8 %Sc之層係雙層堆疊中之上層(輸入側上之層)。對活性膜面積為10 µm 2(結果圖上標記為「10 K」)、5 µm 2(結果圖上標記為「5 K」)及2 µm 2(結果圖上標記為「2K」)之FBAR執行了模擬。各模擬執行了兩次。
圖6B繪示具有300 µm厚壓電材料堆疊(晶圓A至E)之FBAR之H2及H3模擬結果。自此等結果可見，若Sc摻雜降低得太低，則H2增加(惡化)，例如，對於0% Sc摻雜之晶圓A。對於具有一150 µm厚之未摻雜AlN下層及一150 µm厚之Sc摻雜AlN上層之晶圓C，觀察到最低(最佳)峰值H3位準，摻雜及未摻雜AlN層為50/50之一厚度比。
圖6C繪示具有600 µm厚壓電材料堆疊(晶圓F至K)之FBAR之H2及H3模擬結果。與300 µm厚壓電材料堆疊之結果一樣，可見，若Sc摻雜降得太低，H2增加(惡化)，例如，對於0% Sc摻雜之晶圓F。對於摻雜Sc與未摻雜AlN之間一50/50壓電層厚度比之晶圓H，觀察到最低(最佳)峰值H3位準(未摻雜AlN之一300 µm厚下層且摻雜Sc AlN之一300 μm厚上層)。
具有900 µm厚壓電材料堆疊(晶圓L至Q)之FBAR之H2及H3模擬結果繪示於圖6D中。與300 µm厚壓電材料堆疊之結果及600 µm厚度壓電材料堆疊之結果一樣，可見，若Sc摻雜降得太低，H2增加(惡化)，例如，對於0% Sc摻雜之晶圓L。對於摻雜Sc與未摻雜AlN之間一50/50壓電層厚度比之晶圓N，觀察到最低(最佳)峰值H3位準(未摻雜AlN之一450 µm厚下層且摻雜Sc AlN之一450 μm厚上層)。
執行模擬以評估具有一600 µm厚壓電膜之一FBAR中H2及H3抑制之影響，該壓電膜由兩層或三層不同厚度之摻雜Sc AlN及未摻雜AlN層形成。模擬樣品之不同壓電材料層之厚度及配置展示於圖7A之表中，晶圓編號識別各樣品。在三層結構中，不同厚度之晶圓R至T、Sc摻雜層夾置於具有相同厚度但具有不同於摻雜Sc層之厚度之兩個未摻雜AlN層之間。表7A中最左邊層係壓電材料層堆疊中最底層且最右邊層係壓電材料層堆疊中最上層(最接近輸入之層)。晶圓G至J之雙層壓電材料層堆疊被認為係不對稱的，而晶圓R至T之三層壓電材料層對疊被認為係對稱的。
比較具有對稱及不對稱壓電材料層堆疊且總Sc摻雜量相同之FBAR之模擬H2及H3響應，FBAR壓電層響應對應於晶圓G對R、H對S及J對T。此等樣品對之H2響應之模擬結果繪示於圖7B中。對稱與不對稱堆疊樣品之H2響應沒有顯著差異。此等樣品對之H3響應之模擬結果繪示於圖7C中。觀察到對稱與不對稱堆疊樣品之間的H3響應稍有不同，不同樣品在對稱堆疊樣品之一些頻率上展現一較佳H3響應且在不對稱堆疊樣品之其他頻率上展現一較佳H3響應。
自上述模擬可觀察到，對於具有一多層壓電膜堆疊之一FBAR，當利用具有不同Sc摻雜之層之一混合物時，與具有零Sc摻雜或始終具有均勻Sc摻雜之一壓電膜相比，可觀察到模擬樣品之最佳H2抑制。當摻雜Sc及未摻雜AlN層之厚度相同時，模擬樣品之H3響應經最小化。對稱與不對稱壓電膜堆疊之H2或H3響應幾乎沒有差異。
執行進一步模擬以評估一壓電層堆疊中摻雜Sc與未摻雜AlN層之相對厚度對共振頻率f S、反共振頻率f P及電磁耦合係數k 2之影響，以及對一FBAR之壓電層堆疊中總層數之影響。針對具如圖8A中繪示而界定之比率x之18.8 %摻雜Sc AlN層厚度與未摻雜AlN層厚度之各種比率，模擬具亦如圖8A中繪示之厚度之介電層、電極層及壓電層之一FBAR薄膜。圖8B中繪示之結果展示，f s及f p隨著摻雜Sc層厚度之增加而大致線性減小，而k 2隨著摻雜Sc層厚度之增加依一大致平方方式增大。隨著摻雜Sc及未摻雜AlN層N之成對數目之增加，依圖8C中繪示之方式，f s及f p保持不變，如圖8D中繪示。據此，摻雜Sc層之組合厚度與未摻雜AlN層之組合厚度之比率決定f s及f p之位準，而非層對之總數。
應瞭解，本文中所呈現之圖中所繪示之BAW及其組件以一高度簡化形式繪示。不同特徵之相對尺寸未按比率展示。進一步言之，典型BAW可包含未繪示之額外特徵或層。
在一些實施例中，如本文中所揭示之多個BAW可組合成一濾波器，例如，圖9中示意性地繪示之一RF階梯濾波器且包含複數個串聯共振器R1、R3、R5、R7及R9及複數個並聯(或分流)共振器R2、R4、R6及R8。如圖所示，複數個串聯共振器R1、R3、R5、R7及R9在RF階梯濾波器之輸入與輸出之間串聯，且複數個並聯共振器R2、R4、R6及R8分別以一分流組態連接在串聯共振器與接地之間。可包含BAW裝置或共振器(例如，雙工器、換衡器(balun)等等)之本技術已知之其他濾波器結構及其他電路結構亦可經形成，其包含本文中所揭示之BAW共振器之實例。
本文中所討論之聲波裝置可在多種封裝模組中實施。現將討論一些實例封裝模組，其中可實施本文中所討論之封裝聲波裝置之任何合適原理及優點。圖10、圖11及圖12係根據特定實施例之繪示性封裝模組及裝置之示意性方塊圖。
如上文所討論，例如，所揭示BAW之實施例可經組態為濾波器或在濾波器中使用。繼而，使用一或多個BAW元件之一BAW濾波器可併入並封裝為一模組，該模組最終可用於一電子裝置，諸如(例如)一無線通信裝置。圖10係繪示包含一BAW濾波器410之一模組400之一個實例之一方塊圖。BAW濾波器410可在一或多個晶粒420上實施，該晶粒420包含一或多個連接墊422。例如，BAW濾波器410可包含對應於BAW濾波器之一輸入觸點之一連接墊422及對應於BAW濾波器之一輸出觸點之另一連接墊422。封裝模組400包含一封裝基板430，其經組態以接納包含晶粒420之複數個組件。複數個連接墊432可安置於封裝基板430上，且BAW濾波器晶粒420之各個連接墊422可經由電連接器434連接至封裝基板430上之連接墊432，例如，其可為焊點或線結合以允許各種信號進出BAW濾波器410。模組400可進一步可選地包含其他電路系統晶粒440，諸如(例如)，一或多個額外濾波器、放大器、預濾波器、調變器、解調器、降頻變頻器及其類似者，鑒於本文之揭示內容，如半導體製造領域之熟習技術者應瞭解。在一些實施例中，模組400亦可包含一或多個封裝結構以(例如)提供保護且促進模組400之容易處置。此一封裝結構可包含在封裝基板430上形成之一外模(overmold)且經定尺寸以實質上囊封其上之各種電路及組件。
BAW濾波器410之各種實例及實施例可用於各種電子裝置中。例如，BAW濾波器410可用於一天線雙工器，其本身可併入至各種電子裝置中，諸如RF前端模組及通信裝置。
參考圖11，繪示一前端模組500之一個實例之一方塊圖，其可用於(例如)諸如一無線通信裝置(例如一行動電話)之一電子裝置中。前端模組500包含具有一共同節點502、一輸入節點504及一輸出節點506之一天線雙工器510。一天線610連接至共同節點502。
天線雙工器510可包含連接在輸入節點504與共同節點502之間的一或多個傳輸濾波器512及連接在共同節點502與輸出節點506之間的一或多個接收濾波器514。傳輸濾波器之傳輸頻帶與接收濾波器之傳輸頻帶不同。BAW濾波器410之實例可用於形成傳輸濾波器512及/或接收濾波器514。一電感器或其他匹配組件520可連接在共同節點502處。
前端模組500進一步包含連接至雙工器510之輸入節點504之一傳輸器電路532及連接至雙功器510之輸出節點506之一接收器電路534。傳輸器電路532可產生信號用於經由天線610傳輸，且接收器電路534可接收及處理經由天線610接收之信號。在一些實施例中，接收器及傳輸器電路作為單獨組件實施，如圖11中所展示，然而在其他實施例中此等組件可整合至一共同收發器電路或模組中。如熟習此項技術者所瞭解，前端模組500可包含圖11中未繪示之其他組件，包含(但不限於)開關、電磁耦合器、放大器、處理器及其類似者。
圖12係包含圖11中所展示之天線雙工器510之一無線裝置600之一個實例之一方塊圖。無線裝置600可為一蜂巢式電話、智慧型電話、平板電腦、數據機、通信網路或經組態用於語音或資料通信之任何其他可攜式或非可攜式裝置。無線裝置600可自天線610接收及傳輸信號。無線裝置包含一前端模組500之一實施例，類似於上文參考圖11討論之內容。前端模組500包含雙工器510，如上文所討論。在圖12中所展示之實例中，前端模組500進一步包含一天線開關540，該天線開關可經組態以在不同頻帶或模式之間切換，諸如(例如)傳輸及接收模式。在圖12中所繪示之實例中，天線開關540定位於雙工器510與天線610之間；然而，在其他實例中，雙工器510可定位於天線開關540與天線610之間。在其他實例中，天線開關540與雙工器510可整合至一單一組件中。
前端模組500包含一收發器530，其經組態以產生用於傳輸之信號或處理經接收信號。收發器530可包含傳輸器電路532 (其可連接至雙工器510之輸入節點504)及接收器電路534 (其可連接至雙工器510之輸出節點506)，如圖11之實例中所展示。
由傳輸器電路532產生用於傳輸之信號由一功率放大器(PA)模組550接收，功率放大器模組550放大來自收發器530之經產生信號。功率放大器模組550可包含一或多個功率放大器。功率放大器模組550可用於放大各種RF或其他頻帶傳輸信號。例如，功率放大器模組550可接收一啟用信號，該信號可用於脈衝產生功率放大器之輸出以幫助傳輸一無線局域網(WLAN)信號或任何其他合適脈衝信號。功率放大器模組550可經組態以放大各種類型之信號之任何者，例如，包含一全球行動系統(GSM)信號、一碼分多址(CDMA)信號、一W-CDMA信號、一長期演進(LTE)信號或一EDGE信號。在特定實施例中，功率放大器模組550及包含開關及其類似者之相關聯組件可使用(例如)高電子遷移率電晶體(pHEMT)或絕緣閘極雙極電晶體(BiFET)在砷化鎵(GaAs)基板上製造，或使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)場效應電晶體在一矽基板上製造。
仍參考圖12，前端模組500可進一步包含一低雜訊放大器模組560，其放大來自天線610之接收信號且將經放大信號提供給收發器530之接收器電路534。
圖12之無線裝置600進一步包含一電源管理子系統620，該子系統連接至收發器530且管理無線裝置600之操作之電源。電源管理系統620亦可控制一基帶子系統630及無線裝置600之各種其他組件之操作。電源管理系統620可包含：或可連接至為無線裝置600之各種組件供電之一電池(未展示)。例如，電源管理系統620可進一步包含一或多個處理器或控制器，其可控制信號之傳輸。在一個實施例中，基帶子系統630連接至一使用者介面640以促進向使用者提供及自使用者接收之語音及/或資料之各種輸入及輸出。基帶子系統630亦可連接至記憶體650，記憶體650經組態以儲存資料及/或指令以促進無線裝置之操作，及/或為使用者提供資訊之儲存。上述實施例之任何者可與諸如蜂巢式手機之行動裝置聯合實施。實施例之原理及優點可用於任何系統或設備，諸如任何上行鏈路無線通信裝置，其可受益於本文中所描述之實施例之任何者。本文中之教導適用於各種系統。儘管本發明包含一些實例實施例，但本文中所描述之教導可應用於多種結構。本文中所討論之原理及優點之任何者可與經組態以處理自約30 kHz至300 GHz之一範圍內之信號(諸如在自約450 MHz至6 GHz之一範圍內)之RF電路聯合來實施。
本發明之態樣可在各種電子裝置中實施。電子裝置之實例可包含(但不限於)消費電子產品、消費電子產品之部件(諸如封裝之射頻模組)、上行鏈路無線通信裝置、無線通信基礎設施、電子測試裝置等等。電子裝置之實例可包含(但不限於)：一行動電話(諸如一智慧型電話)、一可穿戴計算裝置(諸如一智慧型手錶或一耳機)、一電話、一電視、一電腦監視器、一電腦、一數據機、一手持電腦、一筆記型電腦、一平板電腦、一微波爐、一冰箱、一車載電子系統(諸如一汽車電子系統)、一立體聲系統、一數位音樂播放機、一收音機、一相機(諸如一數位相機)、一可攜式記憶體晶片、一洗衣機、一烘乾機、一洗衣機/烘乾機、一影印機、一傳真機、一掃描器、一多功能周邊裝置、一手錶、一時鐘等等。進一步言之，電子裝置可包含未完成之產品。
除非上下文另有明確要求，否則在整個說明書及申請專利範圍中，字詞「包括(comprise)」、「包括(comprising)」、「包含(include)」及「包含(including)」及其類似者應被解釋為一包含含義，而非一排他性或詳列性含義；即，「包含(但不限於)」之含義。如本文中通常使用之字詞「耦合」係指可直接連接或由一或多個中間元件連接之兩個或更多個元件。同樣地，如本文中通常使用之字詞「連接」係指可直接連接或可由一或多個中間元件連接之兩個或更多個元件。另外，在本申請中使用時之字詞「本文中」、「上文」、「下文」及類似含義之字詞應係指整個申請案，而非本申請案之任何特定部分。在上下文容許之情況下，上述詳細說明中使用單數或複數之字詞亦可分別包含複數或單數。參考兩個或更多個項目之一清單之字詞「或」，該詞涵蓋該詞之以下所有解釋：清單中項目之任何者、清單中之所有項目及清單中項目之任何組合。
此外，除非另有明確指示，或在所使用之上下文內依其他方式理解，否則本文中所使用之條件語言，諸如(「可」、「可能」、「可」等等)通常意欲傳達特定實施例包含，而其他實施例不包含特定特徵、元件及/或狀態。因此，此等條件語言通常不意欲暗示特徵、元件及/或狀態依一或多個實施例所需之任何方式或一或多個實施例必然包含邏輯用於決定此等特徵、元件或狀態是否包含在或將在任何特定實施例中執行，無論是否具作者輸入或提示。
儘管已描述特定實施例，但此等實施例僅藉由實例呈現，且不意欲限制本發明之範疇。事實上，本文中所描述之新型設備、方法及系統可以多種其他形式體現；此外，在不背離本發明之精神之情況下，可以本文中所描述之方法及系統之形式進行各種省略、替換及更改。例如，儘管區塊以一給定配置呈現，但替代實施例可使用不同組件及/或電路拓撲執行類似功能，且可刪除、移動、添加、細分、組合及/或修改一些區塊。此等區塊之各者可依各種不同方式實施。上述各種實施例之元件及動作之任何合適組合可經組合以提供進一步實施例。隨附申請專利範圍及其等效物意欲涵蓋落入本發明之範疇及精神內之形式或修改。
100:FBAR 110:基板 110A:介電表面層 115:壓電材料 120:頂部電極 125:底部電極 125A:Ru層(或Mo或Ru/Mo合金) 125B:鈦(Ti)層 130:介電資料層 135:腔 140:底部電觸點 145:頂部電觸點 150:中心區域 155:凹陷框架區域 160:凸起框架區域 200:SMR 202:壓電材料層 204:上電極 206:下電極 208:布拉格反射器 209:半導體基板 400:模組 410:BAW濾波器 420:晶粒 422:連接墊 430:封裝基板 432:連接墊 434:電連接器 440:電路系統晶粒 500:前端模組 502:共同節點 504:輸入節點 506:輸出節點 510:天線雙工器 512:傳輸濾波器 514:接收濾波器 520:電感器或其他匹配組件 530:收發器 532:傳輸器電路 534:接收器電路 540:天線開關 550:功率放大器(PA)模組 560:低雜訊放大器模組 600:無線裝置 610:天線 620:電源管理子系統 630:基帶子系統 640:使用者介面 650:記憶體
現將參考附圖，藉由非限制性實例描述本發明之實施例。
圖1係膜塊體聲波共振器之一實例之一簡化截面圖；
圖2係一固定安裝共振器之一實例之一簡化截面圖；
圖3A繪示一模擬膜塊體聲波共振器(FBAR)之一薄膜之層，該薄膜之層用於評估一雙層壓電材料膜中不同摻雜層之配置對產生雜散諧波信號之影響；
圖3B繪示具有圖3A之薄膜結構之FBAR之H2諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖3C繪示具有圖3A之薄膜結構之FBAR之H3諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖4A繪示用於評估一四層壓電材料膜中不同摻雜層之配置對產生雜散諧波信號之影響之一模擬FBAR之一薄膜之層；
圖4B繪示具有圖4A之薄膜結構之FBAR之H2諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖4C繪示具有圖4A之薄膜結構之FBAR之H3諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖5A繪示用於評估具有一奇數層之一壓電材料膜中不同摻雜層之配置對產生雜散諧波信號之影響之一模擬FBAR之一薄膜之層；
圖5B繪示具有圖5A之薄膜結構之FBAR之H2諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖5C繪示具有圖5A之薄膜結構之FBAR之H3諧波之模擬結果，該FBAR具有壓電材料膜中不同摻雜層之不同配置；
圖6A係FBAR之雙層壓電材料膜之厚度及層配置及成分之一表，FBAR經模擬以判定壓電材料膜層之配置及成分對FBAR中產生之H2及H3諧波信號之影響；
圖6B繪示具有圖6A之表中一第一組實例之薄膜結構之FBAR之H2及H3諧波之模擬結果；
圖6C繪示具有圖6A之表中一第二組實例之膜結構之FBAR之H2及H3諧波之模擬結果；
圖6D繪示具有圖6A之表中一第三組實例之薄膜結構之FBAR之H2及H3諧波之模擬結果；
圖7A係FBAR之雙層及三層壓電材料膜之厚度及層配置及成分之一表，FBAR經模擬以判定壓電材料膜層之配置及成分對FBAR中產生之H2及H3諧波信號之影響；
圖7B繪示具有圖7A之表中薄膜結構之FBAR之H2諧波之模擬結果；
圖7C繪示具有圖7A之表中薄膜結構之FBAR之H3諧波之模擬結果；
圖8A繪示具有雙層壓電材料膜之模擬FBAR之薄膜層，該模擬FBAR用於評估雙層壓電材料膜中摻雜層及未摻雜層之不同厚度比對共振頻率、反共振頻率及電磁耦合係數之影響；
圖8B繪示具有圖8A中所繪示薄膜結構之FBAR之共振頻率、反共振頻率及電磁耦合係數之模擬結果；
圖8C繪示具有多層壓電材料膜之模擬FBAR之薄膜層，該模擬FBAR用於評估多層壓電材料膜中摻雜層及未摻雜層之不同厚度比對共振頻率及反共振頻率之影響；
圖8D繪示共振頻率及反共振頻率作為具有圖8C中所繪示壓電膜結構之一FBAR中層數之一函數之一模擬結果；
圖9係一射頻階梯濾波器之一示意圖；
圖10係根據本發明之態樣之可包含一或多個塊體聲波元件之一濾波器模組之一個實例之一方塊圖；
圖11係根據本發明之態樣之可包含一或多個濾波器模組之一前端模組之一個實例之一方塊圖；及
圖12係包含圖11之前端模組之一無線裝置之一個實例之一方塊圖。

Claims (20)

  1. 一種塊體聲波共振器，其包括一薄膜，該薄膜包含具有多層壓電材料之一壓電膜，該多層壓電材料之至少一者具有不同於該多層壓電材料之另一者之一摻雜劑濃度。
  2. 如請求項1之塊體聲波共振器，其中該多層壓電材料在厚度方面不對稱配置，其中該多層壓電材料之一上層具有不同於該多層壓電材料之一下層之一厚度。
  3. 如請求項1之塊體聲波共振器，其中該壓電膜包含兩層壓電材料，該兩層壓電材料之一第一者較靠近該壓電膜之一輸入側且具有高於該兩層壓電材料之一第二者之一摻雜位準。
  4. 如請求項3之塊體聲波共振器，其中該第一壓電材料層由摻鈧(Sc)之氮化鋁(AlN)形成且該第二壓電材料層由未摻雜AlN形成。
  5. 如請求項3之塊體聲波共振器，其中該第一壓電材料層具有實質上相同於該第二壓電材料層之一厚度之一厚度。
  6. 如請求項1之塊體聲波共振器，其中該壓電膜包含兩層以上壓電材料，該兩層以上壓電材料之一第一者較靠近該壓電膜之一輸入側且具有高於該兩層以上壓電材料之其他者之一摻雜位準。
  7. 如請求項6之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料之該第一者由摻雜Sc之AlN形成且該兩層以上壓電材料之其他者由未摻雜AlN形成。
  8. 如請求項6之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度及厚度方面對稱配置。
  9. 如請求項6之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度或厚度之一者方面不對稱配置。
  10. 如請求項1之塊體聲波共振器，其中該壓電膜包含兩層以上奇數層之壓電材料，該兩層以上壓電材料之一最中間層具有高於該兩層以上壓電材料之其他者之一摻雜位準。
  11. 如請求項10之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料之該最中心具有大於該兩層以上壓電材料之其他者之一厚度。
  12. 如請求項11之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料在自該壓電膜之該輸入側至一輸出側之一方向上，在摻雜濃度及厚度方面對稱組態。
  13. 如請求項11之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料之該最中心具有大致等於該兩層以上壓電材料之其他者之該等厚度之一和之一厚度。
  14. 如請求項10之塊體聲波共振器，其中該兩層以上壓電材料之該最中心由摻雜Sc之AlN形成且該兩層以上壓電材料之其他者由未摻雜AlN形成。
  15. 如請求項1之塊體聲波共振器，其經組態為一膜塊體聲波共振器。
  16. 如請求項1之塊體聲波共振器，其經組態為牢固安裝之共振器。
  17. 如請求項1之塊體聲波共振器，其包含於一射頻濾波器中。
  18. 如請求項17之塊體聲波共振器，其包含於一電子裝置模組中。
  19. 如請求項18之塊體聲波共振器，其包含於一電子裝置中。
  20. 一種形成一塊體聲波共振器之方法，其包括藉由在具有不同於一第一摻雜濃度之一第二摻雜濃度之一第二壓電材料膜上形成具有該第一摻雜濃度之一第一壓電膜來形成該塊體聲波共振器之一薄膜。
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