专利名称：体声波谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及体声波谐振器。
背景技术：
BAW谐振器本质上是包括夹在金属电极层之间的压电层的声腔。当在电极上施 加交流电信号时，能量转化为机械形式并且激发出驻声波。实际的薄膜谐振器中的主要 振动模式是基本的厚度延伸(TE1)声模式，S卩，振动以该模式的波长的一半近似等于腔 的总厚度的频率与层垂直。在膜体声波谐振器(或FBAR)中，薄膜形成大约一微米厚度的腔。在稳固安装 BAW谐振器(SBAR)中，使用用于反射声波的声失配层集合。此概念在光学上与布拉格 反射器类似。反射器层沉积在固态衬底上，固态衬底典型地是玻璃或硅(Si)，因此该结 构物理上比FBAR更坚固。对于具有对RF滤波器选择性的高要求的移动通信应用，薄膜体声波(BAW)滤 波器作为选择的工艺变得越来越重要。为得到高性能BAW滤波器，它们的构造块、BAW 谐振器需要具有高的品质因数和电特性上的极小纹波。前者是通过将声能量陷入谐振器 中来实现的。遗憾的是，能陷常常引起声驻波的发生，导致BAW谐振器的阻抗曲线中的 无用峰。典型地，如果通信标准要求高频率选择，则使用BAW滤波器。例如，在 US-PCS标准中是这样的情况，在USPCS标准中，接收和发送频带仅间隔20MHz，并且 发送信号的强抑制是必要的，以防止对接收频带的串扰。为实现该性能，构成BAW滤波 器的谐振器需要具有远远高于1000的品质因数，并且需要实际上没有寄生峰。寄生峰的 总幅度可以便利地在非圆形数目(NC)中来表示。对于好的滤波器，谐振器应该具有远 远低于1的NC。现有技术中，较大BAW谐振器的确达到这些要求。然而，对于小面积谐振器， 不太容易满足这样要求。用于实现低NC的可靠方法(甚至对于小谐振器来说)将极大 地便利设计。在理想技术中，BAW谐振器自身(内部区)将均勻振动，周围世界(外部区) 将完全处于静止状态。由于两个区相连接，所以这是不可能的。近来，已经开发了方法来接近该理想条件。谐振器的外部边缘配备有所谓的保 护环或框区。现在将简要解释框区的工作原理。近似地，水平位置&和垂直位置&上垂直粒 子位移u3的相关性可以表示为U3 (Xi, x3) = u3, o (x3) exp (j (W t-kiXi))(1)其中ki是水平方向上的复波数，《是辐射频率。所给的层堆叠仅支持所给频率 处的该形式的离散模式集合。通常，这些模式的波数是与频率相对比来绘制的。这导致 所谓的离散曲线(图3示出了示例)。
有些模式具有实波数。它们是携带能量的传播波。其他模式对于一些频率具有 虚波数。在这些频率处有粒子振动，但没有水平能通量。这些模式称作渐逝(evanescent) 模式。希望在外部区中具有这种渐逝波。它可以提供从均勻振动内部区到与谐振器相 距某距离的寂静环境的平滑过渡。图1是该理想情况的草图。图1在BAW谐振器中粒子位移的示意图。垂直粒子位移在内部区中一致，同时 位移在外部区中以e_klx衰减。顶部和底部电极示为10、12，压电层示为14。遗憾的是，图1的布置不服从内部和外部区之间的边界条件位移u3(Xl)及其斜 率^^/a^应该是连续的，但是在图中，斜率不是连续的，如非连续包络线所表示。这正 是框区起作用的地方，如图2所示。框区16包括围绕谐振器边缘的额外厚度的区。这提供了每单位面积的额外质 量。图2是具有框区的BAW谐振器中的粒子位移的示意图。正弦曲线&00相关性形 成内部与外部区之间的连续过渡。框区的模式具有实波数它是传播的。在相反横向方向上传播的两个这种波导 致具有幅度对位置的正弦依赖性的驻波。这意味着叫正弦地依赖位置Xl。该正弦函数 以平滑方式将内部区中的均勻运动(方程式(1)中]^ = 0)与外部区中的衰减运动(虚ki) 相联系。图3示出了关于内部区、外部区和框(保护环)区的离散曲线。实(虚)波数 标绘在纵轴的右边(左边)。在谐振频率fres上，外部区具有虚波数，框区具有实波数， 且内部区具有k = 0。所获得的电性能如图4所示，图4示出了史密斯圆图中标绘的阻抗测量。线40 表示没有框区时的性能。线42是具有框区的情况。图的下半部中的纹波具有不同原点 且不在这里讨论。图示出了在谐振频率之上的纹波已经显著地减小。此外，曲线42靠近史密斯圆 图的边缘，尤其是在标示更高品质因数的反谐振处(图的右侧)。总之，内部区中的均勻运动、框区中的实波数和外部区中的渐逝波数的组合获 得高品质因数和较低量的寄生纹波。应提到的是，k值的条件对于合适的框区操作是不足的。还有粒子位移(垂直 位移u3,。还有水平位移、0)对垂直位置x3的相关性(所谓的振形)在所有三个区中应该 是相似的。上述的对框区的要求已经被解释为在内部区中& = 0，在框区中1^为实数，以 及在外部区中h为虚数。不难满足前两个要求通过沉积一些材料(框区)，可以增加 一些重量以及可以将离散曲线布置为在频率处下降，并且可以获得实h。在材料的总量 或总重量与截止频率之间没有直接的联系。然而，给出具体的层堆叠的情况下，可以通 过在顶部增加(或移除)材料来增加(降低)其截止频率，并且以一级近似，频率的改变 与质量密度和厚度增加(或减小)的乘积成比例，即与每单位面积的质量成比例。将材 料加入一个更深的层通常还导致降低的截止频率，但这与增加的质量每单位面积不是正 好成比例的。同样地，为外部区获得虚1^要求顶层重量的总量比内部区中稍微少一些。这自动地伴随着顶部电极不延伸入外部区。遗憾的是，材料总量的差别太大。这可以在图 5的草图中看到，图5示出了在理想情况下(左边)和实际情况下(右边)对于内部区、 外部区和框区的离散曲线。在实际情况中，在内部区的谐振频率处，外部区的波数不再是虚数。该部分问 题可以通过声明截止频率(对于该频率h = 0)的差别对外部和内部区来说太大来概括。 此外，外部区在离散空间中处于完全不同的域中，所以可以期望振形与内部区中的振形 非常不同。可以设想通过使得内部和外部区的重量差别减小来解决该问题。所以有两个选 项-将顶部电极做得更薄。这是有用的，但是这对于其他谐振器特性来说是不期望 的。尤其是有效耦合常数k2将变得非常低。_向外部区增加材料。可以这样做，但材料应该是非导电材料，否则它将成为谐 振器面积的延伸。问题是非金属通常具有比电极金属(优选地是中等密度金属例如Mo、 W、Pt)低很多的质量密度。增加电介质以降低离散曲线将要求微米量级电介质，而微米 量级的电介质实际上是不能实现的。总之，对于高性能谐振器来说，实际上不可能制造出具有比内部区截止频率稍 高的截止频率的外部区。
发明内容
本发明大体涉及一种谐振器，在该谐振器中可以在外部区中产生渐逝波，从而 从均勻振动内部区到与谐振器相距某距离的寂静环境具有平滑过渡。这可以提高谐振器 的设计，不论是否使用框区。根据本发明，提供了谐振器，包括底部电极层；限定谐振器体的顶部电极层；以及夹在顶部和底部电极层之间的压电层，其中，围绕谐振器体的外围的外部提供外部区，其中，外部区的第一谐振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式的 截止频率相匹配。本发明提供在外部区的谐振模式中提供了截止频率的慎重改变(例如增加)， 使得模式之一具有接近谐振器体的基本模式的截止频率的截止频率。优选地，外部区截 止频率比谐振器体的反谐振频率稍大。这使得能够在谐振器体外部的外部区中产生渐逝 场。优选地，顶部电极包括围绕谐振器体外围的更大质量每表面积的框区以及框区 内的内区。这意味着对于感兴趣的整个频率范围(从谐振到反谐振)，满足最优框区性能 的要求。为了实现外部区中谐振的转换，在外部区内要求质量密度的减小。外部区可以 具有比顶部电极的内区更少数目的层，和/或比顶部电极的内区更低的厚度，和/或外部 区可以包括具有比堆叠内相同位置处的层更大重量或更高声波速度的层，作为内区中的层。
内区可以具有2500 u m’至90000 u m’的面积，框区可以在外围向内部延伸2至6 u m。
外部区可以延伸至30 u m或更小的距离。
截止频率的匹配优选地在lo％内。
第一谐振模式的截止频率优选地比内部区的反谐振频率稍大。
本发明还提供了一种包括本发明的谐振器的滤波器。
在滤波器中，外部区可以既不包含沿着谐振器边缘的重要部分的顶部电极也不包含底部电极。
本发明还提供了一种制造谐振器的方法，包括
形成底部电极层、限定谐振器体的顶部电极层以及夹在顶部和底部电极层之间的压电层；
对围绕谐振器体的外围的外部外部区进行加工，使得外部区的第一谐振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式的截止频率相匹配。
可以对外部区进行加工，使得增加与基本TEl模式不同但具有相似振形的导模的截止频率，以比内部区的反谐振频率大。
例如，对外部区的加工可以包括
使得从外部区减薄或移除顶部压电层；以及／或者
在外部区中移除底部电极；以及／或者
在底部电极和压电层之间改变外部区中下层的厚度(该层也可以是反射器层)；以及／或者
至少部分地蚀刻掉外部区中的第一层，并沉积更轻材料层。
现在将参考附图对本发明进行描述，在附图中
图l用于解释在第一已知谐振器设计中的粒子位移；
图2用于解释在第二已知谐振器设计中的粒子位移；
图3示出了图2的设计的不同部分的理想谐振器响应；
图4用于解释图3的设计的电性能；
图5示出了图2的设计的不同部分的实际谐振响应；
图6示出了图3的设计的外部部分的不同谐振模式；
图7示出了在使用本发明的设计方法移动之后图3的设计的外部部分的谐振；
图8A和8B示出了对于图7的设计的外部区和框区振形；
图9示出了不同的频移如何给出不同的性能；
图lo示出了外部部分的谐振频率如何影响谐振器性能；
图11是说明针对外部区的不同加工量谐振器性能如何变化的第一图表；
图12是说明针对外部区的不同加工量谐振器性能如何变化的第二图表；
图13示出了本发明如何可以提高谐振器滤波器的特性；
图14示出了在两个不同位置上本发明的谐振器的示例的横截面；以及
图15示出了图14的谐振器的平面图。
具体实施例方式本发明提供了压电谐振器，围绕谐振器体的外围的外部提供有外部区。外部区 的第一谐振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式的截止频率相匹配。本发 明使得能够形成高性能谐振器，该谐振器具有外部区，外部区的截止频率与谐振器体截 止频率相匹配(优选地比谐振器体截止频率稍高)。这使得能够在外部区中形成渐逝波并 且实波数在谐振器体中传播谐振。如上所述，本发明可以应用于谐振器的设计，无论是否使用框区。然而，使用 框区的示例用于解释本发明。使用基于本发明的仿真来说明本发明的优点。所使用的仿真工具使得允许计算 所给的层堆叠的离散曲线。对于示例工艺的外部区的离散曲线在图6中示出，图6示出 了用于实际情况下外部区的离散曲线。在这种仿真中，除了外部区的顶部电极被蚀刻掉外，外部区与内部区相同。设 计内部区的截止频率为1.88GHz。图示出了关联的截止频率(表示为f。utofr—^高得多，是 2.8GHz。因此该模式不能提供对于框区(保护环)方法最优工作来说必要的渐逝波。图还示出了其他模式。将这些其他模式一般化为兰姆波。在它们的截止频率 处，它们具有厚度剪切或厚度延伸特性(TS1、TE1、TS2等)。对于略微不同的频率， 模式是厚度剪切和厚度延伸粒子移动的耦合模式。如在图10中所见，它们中的一些在低 得多的频率处变得渐逝。本发明是基于增加外部区中的不同模式的截止频率从而匹配内部区的截止频率 的方法。具体地，移动外部区中的一个模式的截止频率，以比内部区的反谐振频率稍 大。这样，针对感兴趣的整个频率范围(从谐振到反谐振)都满足最优框区性能的要求。 最后，外部区和框区中的振形应该是相似的。参考图6，本发明是基于增加截止频率3和4的构思。这可以简单地通过从外部 区移除材料来实现。可以执行以下一个或多个动作⑴使最高层(通常是压电层)减薄至某厚度，使得截止频率具有期望值。如果 必要，将其完全移除。(ii)在外部区将底部电极移除。(iii)改变底层的厚度。对于大多数层来说，减薄增加截止频率。可以识别厚度 增加具有该效应的一些层。(iv)蚀刻掉(或部分地蚀刻)较重的层并沉积较轻的材料。大多数层的移除将增加截止频率。然而，对于外部区的振形u3, “。和^， 应该仍然与用于框区的振形相类似。已经发现移除最高层或使最高层减薄证明是最有效的。在图7中，针对已组合动作(i)、(ii)和(iv)的情况，绘制了离散曲线，从而在 外部区中具有缩小的层厚度。已经使频率f。utoflL4仅在内部区的反谐振频率之上。期望的截止频率对于框区方法的完美条件来说还不足够。外部区中的振形也应 该与框区中的振形相类似。可以用准解析模型或有限元仿真来计算这些振形。在图8中，将根据准解析2D模型获得的水平和垂直位移的振形Ul, 0(x3)和u3, o(x3)进行了比较。在内部区中与TE1模式具有良好的对应。
图8A示出了根据针对图7中模式的垂直位置x3的外部区振形u3(曲线80)和 Ul (曲线82)。图8B示出了框区中的振形。在8A和8B中沿着y轴绘制的u3和ul是 线性长度单位，其被归一化，从而最大粒子位移是1。在图9中，针对变化的频率fcutoff_4示出了仿真结果。针对外部区的变化的截 止频率，根据频率绘制散布参数的幅度S11。图9中感兴趣的部分是在谐振频率f；与反谐振频率fa之间。图9中的不同曲线是针对不同的堆叠设计，给出了不同的外部截止频率。示出了散布参数的幅度(即与如图4中所绘制的史密斯圆图的中心的距离)。如果外部区的截止频率与内部区的反谐振频率相等，贝US11曲线上的尖刺(spur) 最小。图10中绘制了非圆形数目(NC)。如果外部截止频率在谐振(如图9中所见， 在该示例中谐振在1.88GHz处)之上，则数值明显变得更好(更低)。这表明已经在外 部区中实现了与渐逝波的匹配。图10示出了在该示例中，如果截止频率达到2.05GHz，则失去匹配效应。最优 截止频率是在1.95GHz处。因此，外部区谐振模式的截止频率优选地与恰好在谐振器体 的反谐振频率之上的值相匹配。优选地，外部区的截止频率在谐振或反谐振频率的10% 之内(即在低于谐振频率10%且高于反谐振频率10%的频率值之间)，并且更优选地在 谐振或反谐振频率的5%之内。更优选地，外部区的截止频率在谐振器体的截止频率的 10%之内(即谐振频率，在该示例中是1.88GHz)，或在反谐振频率的5%之内。为说明本发明的效果，已经进行了不同谐振器设计的建模和比较。对三种不同的 配置进行建模边缘配置1最优地终止了谐振器边缘的大约80%，边缘配置2最优地终止 了谐振器边缘的大约60%，并且边缘配置3最优地终止了谐振器边缘的大约20%。在该上 下文中“最优地终止”的意思是已经以上述方式对外部区进行了加工以移动截止频率。在 图11中，绘制了谐振器的NC，对于谐振器的NC部分，谐振器边缘连接至优化的外部区并 且谐振器边缘的剩余部分连接至常规的外部区。图清楚地示出了当最优地终止谐振器边缘 的更大部分时(即从配置3至2至1)时，NC变得更好，从而尖刺幅度变得更低。同样，当优化边缘的部分增加时，反谐振处的品质因数略微提高，如图12所 示，图12涉及相同的边缘配置。上述的外部区修整工艺可以应用于BAW滤波器。在图13中示出了对于两个 BAW滤波器的传输参数S12: —个滤波器具有传统工艺(曲线130)，在另一个滤波器 中，已经优化了环绕构成BAW滤波器的谐振器的外部区(曲线132)。优选地，所有谐振器边缘连接至修整后的外部区。典型地，这要求顶部和底部 电极都不在外部区中。遗憾的是，谐振器需要与顶部电极和底部电极互连相接触，所以 部分谐振器边缘是非最优的。然而，这个问题也可以得到解决。在互连接触谐振器电极 的位置处，可以移除其他层之一的一些材料，使得对于该位置，外部区截止频率还在期 望水平上，但可以保持互连。内部区是谐振器的要点，且典型地是2500 ym2至90000 ym2。框区是谐振器的 外边缘，其具有额外的质量负载，并且具有2至6 ym之间的典型宽度。内部区中底部和 顶部电极之间有交叠。
外部区是谐振器的近环境。该外部区延伸某距离，该距离是衰减距离2^1/ lmG^)的倍数。典型地，这意味着外部区宽度小于25-30 iim。在外部区中顶部和底部 电极之间没有交叠。在该区外部，没有任何设计限制。在本发明的布置中，外部区和谐振器以不同模式工作。谐振器体典型地以基本 厚度延伸模式TE1谐振。其他模式是弯曲延伸模式F1、外延模式E1、基本厚度切变模式 TS1和第二谐波厚度剪切模式TS2。应注意，对于多层堆叠，模式通常是这些模式的混合 产物，而不是单纯模式。如果以横向粒子移动的匹配为目标，则外部区可以以准TS2模 式工作。对于横向和垂直粒子运动的匹配，组合的模式之一可以更方便。在上面的描述中，谐振器具有修改的外部区和框区。本发明可以应用于在外部区中期望与渐逝模式相匹配的其他类型的谐振器。示 例是横向声BAW滤波器，在横向声BAW滤波器中靠近放置谐振器，使得它们在间隙区 中通过渐逝波来相互影响彼此。 需要对顶部和底部电极做出电连接。这些形成谐振器边缘的一部分。可以加工 这些区以提供期望的截止频率，这将参考图14来解释。上部的图示出了没有电连接的谐振器的横截面。图示出了顶部电极10、底部电 极12、压电层14和框区16。谐振器区域的外部是外部区140a和140b。在底部电极12下 面和硅衬底上面提供有布拉格反射器布置142，布拉格反射器布置142由交替层142a(例 如 WE、Pt 或 Ta205)和 142b (例如 Si02 或 SiNx)形成。下部图示出了如何对顶部和底部电极做出连接。顶部电极10延伸到外部区140a 中。底部电极12延伸到外部区140b中。图示出了压电层在这些区中具有不同厚度。这些区的宽度可以保持尽可能小，同时仍然提供足够低的电阻。它们例如应当 占用少于谐振器边缘的一半，更优选地少于三分之一。外部区中层的局部加工是使得这些外部区还提供合适的截止频率。当然，除了 压电层以外，也可以改变或替代其他层的厚度。图15示出了谐振器的平面图，并且示出了顶部电极连接150a和底部电极连接 150b。外部区是围绕谐振器的外部的区域152。上面已经简要地描述了加工外部区的层的若干方法，但没有详细地示出。然 而，针对外部区有许多不同方法来加工或选择层，以实现期望的频率响应，并且这些可 以利用合适的建模来发现。因此，给出了如上述的由本发明提供的总体教导的情况下， 如何实现期望的频移的许多不同示例对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且上 面所给出的多种方法的实现也将是惯例。对于本领域技术人员而言多种修改将是显而易见的。
权利要求
1.一种谐振器，包括 底部电极层(12)；限定谐振器体的顶部电极层(10)；以及夹在顶部和底部电极层之间的压电层(14)，其中，围绕谐振器体的外围的外部提供外部区(152)，其中，外部区(152)的第一谐振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式 的截止频率相匹配。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，顶部电极包括围绕谐振器体外围、更大质量 每表面积的框区(16)以及框区内的内区。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，外部区(152)具有比谐振器体区数目少的层。
4.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，外部区(152)具有比谐振器体区低的厚度。
5.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，外部区(152)包括具有比堆叠内的相同 位置处的谐振器体区中的层更大重量或更高声波速度的层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中，谐振器体具有2500μ m2至 90000 μ m2的面积。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中，框区(16)在外围向内部延伸2 至 6 μ m。
8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中，外部区(152)延伸至30μιη或 更少的距离。
9.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中，匹配在10%内。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中，第一谐振模式的截止频率比谐振器体的反 谐振频率(fa)大。
11.一种滤波器，包括根据前述权利要求中任一项所述的谐振器。
12.根据权利要求11所述的滤波器，其中，外部区(152)沿谐振器体边缘的一大部分 不包含顶部电极以及底部电极。
13.根据权利要求11或12所述的滤波器，包括在底部或顶部电极互连(150b， 150a)与相应电极(10，12)相接触的位置处减薄的或移除的层。
14.一种制造谐振器的方法，包括形成底部电极层(12)、限定谐振器体的顶部电极层(10)、以及夹在顶部和底部电极 层之间的压电层(14)；对围绕谐振器体的外围的外部的外部区(152)进行加工，使得外部区(152)的第一谐 振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式的截止频率相匹配。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括围绕顶部电极的外围形成更大质量每表 面积的框区(16)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，对外部区(152)进行加工，使得增加第一谐 振模式的截止频率，以比谐振器体的反谐振频率大。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，对外部区进行加工包括从外部区(152)减薄或移除顶部压电层；以及/或者 在外部区中移除底部电极(12)；以及/或者在底部电极(12)和压电层(14)之间改变外部区(152)中的下层的厚度；以及/或者至少部分地蚀刻掉外部区(152)中的第一层，并沉积更轻材料层。
全文摘要
一种谐振器，包括底部电极层(12)、限定谐振器体的顶部电极层(10)，以及夹在顶部和底部电极层之间的压电层(14)。围绕谐振器体的外围的外部提供外部区(152)。外部区(152)的第一谐振模式的截止频率与谐振器体的不同的第二谐振模式的截止频率相匹配。本发明提供了外部区中谐振模式的截止频率的慎重改变(典型地增加)，使得模式之一具有接近谐振器体的基本模式的截止频率的截止频率。
文档编号H03H9/02GK102017405SQ200980115199
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年4月29日
发明者伦西奈斯·C·史丹博斯, 埃里克·斯帕恩, 安德烈亚斯·B·M·扬斯曼, 简-威廉·洛贝克 申请人:Nxp股份有限公司