专利名称：有温度补偿的薄膜体声谐振器的制作方法
背景技术：
含有一个或多个薄膜体声谐振器(FBAR)的FBAR器件形成了越来越多样化的电子产品的一部分。例如，现代的蜂窝电话含有其中各带通滤波器包括一个梯形电路的双工器，其中梯形电路的各元件是FBAR。含有FBAR的双工器由Bradley等人公开在转让给本公开的受让人的题为“含有薄膜体声谐振器的双工器”(″DuplexerIncorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators(FBARs)″)的美国专利No.6262637中。这种双工器是由在发射机的输出端和天线之间串联连接的发射机带通滤波器以及在天线和接收机的输入端之间带有90°移相器进行串联连接的接收机带通滤波器组成。发射机带通滤波器和接收机带通滤波器的中心频率彼此偏移。基于FBAR的梯形滤波器还可用于其它应用。
图1示出了适于用作双工器的发射机带通滤波器的基于FBAR的带通滤波器10的示范实施例。发射机带通滤波器是由在梯形电路中串联的FBAR 12和并联的FBAR 14组成。串联FBAR 12比并联的FBAR 14具有更高的谐振频率。
图2示出了FBAR的示范实施例30。FBAR 30是由一对电极32和34以及在电极之间的压电元件36组成。压电元件和电极悬置在衬底42上限定的空腔44上。这种悬置FBAR的方式使得FBAR能机械地响应在电极之间施加的电信号而谐振。
美国专利申请No.10/699289公开了一种含有去耦的堆叠体声谐振器(DSBAR)的带通滤波器，该DSBAR是由低层FBAR、堆叠在低层FBAR上的高层FBAR以及在FBAR之间的声去耦器组成。各FBAR是由一对电极和在电极之间的压电元件组成。电输入信号施加在低层FBAR的电极之间，并且高层FBAR在其电极之间提供带通滤波的电输出信号。或者，电输入信号也可施加在高层FBAR的电极之间，在该情况中，电输入信号从低层FBAR的电极中取得。
美国专利申请No.10/699481公开了一种由两个去耦的堆叠体声谐振器(DSBAR)组成的薄膜声耦合变换器(FACT)。第一电路将DSBAR的低层FBAR按串联或并联进行互连。第二电路将DSBAR的高层FBAR按串联或并联进行互连。能得到具有1∶1或1∶4的阻抗变换率的平衡或不平衡的FACT实施例，这取决于电路的具体配置。这样的FACT还在第一电路和第二电路之间提供电绝缘。
在本公开中，参考图2描述的上述FBAR以及含有一个或多个FBAR的诸如梯形滤波器、DSBAR和FACT之类的器件一般称作FBAR器件。
大多数FBAR器件具有由中心频率表征的带有带通特性的频率响应。构成的FBAR具有由谐振频率表征的频率响应特性。在其中压电元件材料是氮化铝(AlN)和电极材料是钼(Mo)的当前FBAR器件的实用实施例中，FBAR的谐振频率具有从约-20ppm/℃到约-35ppm/℃的温度系数。这样的温度系数降低了在其上含有FBAR的FBAR器件能满足其通带宽度规定的温度范围。这样的温度系数还降低制造产量，因为必须插入FBAR器件被测试的带宽限制以确保FBAR器件在其整个工作温度范围能满足其带宽规定。
因此，需要有其谐振频率具有降低的温度系数的FBAR。
发明内容
在第一方面，本发明提供了包含FBAR堆叠的温度补偿薄膜体声谐振器(FBAR)器件。FBAR堆叠包含一个FBAR和一个温度补偿元件。FBAR由具有温度系数的谐振频率表征，并且包含对置平面电极和在电极之间的压电元件。压电元件具有至少部分地为上述谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。温度补偿元件具有其符号与压电元件的温度系数相反的温度系数。
关于FBAR器件的温度系数，由于其温度系数符号相反，温度补偿元件降低压电元件的温度系数的效果，并且通常还降低电极的温度系数的效果。于是，FBAR器件的温度系数的大小要小于没有温度补偿元件的类似FBAR器件的温度系数。
温度补偿元件通常构造为位于在FBAR堆叠中的一个或多个温度补偿层。在一个实施例中，温度补偿层与一个或两个电极并置。例如，温度补偿层位于在电极和压电元件之间。在另一实施例中，温度补偿层在来自压电元件的电极的另一侧上。在另一实施例中，温度补偿层嵌入在压电元件中。
在另一实施例中，一个或者两个元件具有其符号与压电元件相反的温度系数并且提供温度补偿元件。
FBAR器件的示例包括FBAR，比如提供梯形滤波器的元件的FBAR、堆叠体声谐振器(SBAR)、去耦的堆叠体声谐振器(DSBAR)、带通滤波器、耦合的谐振器滤波器以及薄膜声耦合变换器(FACT)。
在第二方面，本发明提供了包括具有传播时间相关特性的声传播路径的声器件。传播时间相关的特性中含有温度系数。声传播路径包括具有至少部分地为其声传播路径的传播时间相关特性所依赖的温度系数的声传播元件。声传播路径还包括具有其符号与声传播元件的温度系数相反的温度系数的温度补偿元件。
图1是现有技术中的含有FBAR的梯形滤波器的示意图；图2是现有技术的FBAR的截面图；图3A是本发明的FBAR器件的第一实施例的俯视图；图3B是沿剖线3B-3B的图3A所示的FBAR器件的第一实施例的截面图；
图3C-3D是图3A所示的FBAR器件的温度补偿元件的备选结构的截面图；图4A是本发明的FBAR器件的第二实施例的俯视图；图4B沿剖线4B-4B的图4A所示的FBAR器件的第二实施例的截面图；图5A是本发明的FBAR器件的第三实施例的俯视图；图5B沿剖线5B-5B的图5A所示的FBAR器件的第三实施例的截面图；图5C沿剖线5C-5C的图5A所示的FBAR器件的第三实施例的截面图；图5D是图5A所示的FBAR器件的第三实施例的电路示意图；图6A-6J是根据本发明说明FBAR器件的实施例的制造过程的俯视图；图6K-6T是分别沿相应于图6A-6J中的剖线6K-6K到6T-6T的截面图。
具体实施例方式
本公开中使用的术语FBAR堆叠指包括一个或多个FBAR的各种材料的层的堆叠。在其中FBAR堆叠包括不只一个FBAR的实施例中，FBAR可以是在FBAR堆叠中的相同层面或者在FBAR堆叠中的不同层面上，或者一些FBAR在FBAR堆叠中的相同层面而一些FBAR在FBAR堆叠中的不同层面上。例如，在FBAR梯形滤波器中的FBAR通常是在FBAR堆叠中的相同层面上，在去耦的堆叠体声谐振器(DSBAR)中的FBAR是在FBAR堆叠中的不同层面上，薄膜声耦合变换器(FACT)的一些FBAR是在FBAR堆叠中的相同层面而FACT的一些FBAR是在FBAR堆叠中的不同层面上。
FBAR具有正比于FBAR中的声音传播速度并且反比于构成FBAR的层厚度的谐振频率。在大多数当前制造FBAR的材料中的传播速度展示出负温度系数，因为随着温度的不断增加，原子间的力减弱。这些力的减小导致材料的弹性常数减小，同时伴随着传播速度减小。温度的增加导致传播速度减小，并且还导致层的厚度增加。这两种效果都会使得FBAR的谐振频率降低，从而导致上述的负温度系数。例如，当前制造FBAR的氮化铝(AlN)和钼(Mo)的温度系数分别为约-25ppm/℃和-60ppm/℃。
在FBAR的谐振频率的总温度系数与FBAR的电极和压电元件的温度系数之间的关系是由电极和压电元件的相对厚度而确定的。基于FBAR的双工器具有其中FBAR通常具有较薄电极和较厚压电元件的接收机梯形滤波器。这样的FBAR的谐振频率具有与AlN相似的温度系数，即约-25ppm/℃。基于FBAR的双工器的发射机梯形滤波器通常具有带有较厚电极和较薄压电元件的FBAR。电极的钼的温度系数提供更大的贡献给FBAR的谐振频率的温度系数。因此，这样的FBAR的谐振频率具有从约-35ppm/℃到约-40ppm/℃范围的温度系数。
根据本发明，FBAR堆叠还含有降低FBAR器件的谐振频率的温度系数的温度补偿元件。温度补偿元件具有其符号与作为FBAR堆叠的一部分的压电元件相反的温度系数，即在其中压电元件具有负温度系数的上述示例中温度补偿元件具有正温度系数。对于温度补偿元件，FBAR的有效温度系数TCeff变为以下的第一近似TCeff＝{(TCE*tE)+(TCP*tP)+(TCC*tC)}/(tE+tP+tC) (1)式中TCE是电极材料的温度系数，TCP是压电元件材料的温度系数，TCC是温度补偿元件的温度系数，tE是电极的总厚度，tP是压电元件的厚度，tC是温度补偿元件的总厚度。上述厚度在FBAR器件的工作期间在声音通过元件传播的方向上测量。方程式(1)适用于传播的纵向和切向模式。方程式(1)忽略了电极、压电元件和温度补偿元件的声阻抗对温度补偿元件的温度补偿效果的二级影响。
适用于包含在FBAR堆叠中的具有带有正温度系数的传播速度的材料较为稀少，但是的确存在。温度补偿元件的一些期望的特性包括1.不可溶或仅由在淀积之后的工序中用腐蚀剂慢慢侵蚀；2.如果在压电元件之前被淀积则软化和/或分解温度高于压电材料的淀积温度(对于AlN通常约为450℃)或者要不然则高于电极材料的淀积温度(对于Mo通常约为300℃)；3.能够坚固地附着到电极和压电元件的材料上；4.能够通过光刻法形成图案并且能够由与电极材料相同的湿式或干式腐蚀剂来蚀刻；5.在层中能够被真空淀积或溅射直到1μm厚度；6.相对简单的化学组成，例如，二元金属合金或者二元无机化合物；7.金属温度补偿元件具有低磁导率和高电导率，并能构成电极的全部或者一部分；8.绝缘的温度补偿元件具有低损耗角正切。
重要的是，在其中FBAR的谐振频率具有负温度系数的通常FBAR器件中，温度补偿元件的传播速度具有正温度系数。
图3A和3B分别是本发明的FBAR器件的第一示范实施例100的俯视图和截面图。FBAR器件100包括含有一个FBAR的FBAR堆叠。上述FBAR是示范性的FBAR，诸如图1所示的梯形滤波器的FBAR梯形滤波器，或者是FBAR双工器。这种梯形滤波器或双工器的剩余FBAR也构成FBAR堆叠的一部分。然而，图3A和3B中略去了剩余FBAR以简化附图。
FBAR器件100包括FBAR堆叠111。FBAR堆叠111包括FBAR110和温度补偿元件109。FBAR 110具有对置平面电极112和114以及在电极之间的压电元件116。压电元件116具有至少部分地为FBAR的谐振频率温度系数所依赖的温度系数。上述谐振频率通常还依赖于电极的温度系数。温度补偿元件109具有其符号与压电元件的温度系数相反的温度系数。由于温度系数符号相反，温度补偿元件109降低了压电元件的温度系数对FBAR器件100的温度系数的影响。于是，FBAR器件100的温度系数小于没有温度补偿元件的同类FBAR器件的温度系数。
在图3B所示的例中，温度补偿元件109由位于电极112和压电元件116之间的温度补偿层113、以及位于电极114和压电元件116之间的温度补偿层115组成。温度补偿层113和115各为温度补偿材料层，具有其符号与FBAR 110的压电元件116和电极112、114的温度系数相反的温度系数。使用具有高电导率的温度补偿材料作为温度补偿层113和115的材料可以防止温度补偿层降低FBAR 110的耦合常数，这种降低是不理想的。在FBAR器件100的一个典型实施例中，压电元件和电极具有负温度系数而温度补偿层具有正温度系数。
本公开中使用的FBAR堆叠111的部件(例如温度补偿元件109、温度补偿层113和115、压电元件116以及电极112和114)的温度系数，是为FBAR 110的谐振频率温度系数所依赖的部件的参数的温度系数。一般而言，上述参数是该部件中声音传播速度和部件的热膨胀系数的结合。此外，上述参数还要考虑部件的声阻抗。
在上述示例中，在平行于层的主表面的平面上，构成温度补偿元件109的温度补偿层113和115分别具有与电极112和114基本上相同的形状和尺寸。此外，在该示例中，温度补偿层113和115分别与电极112和114并置，并且相应地位于在电极112和压电元件116以及在电极114和压电元件116之间。或者，温度补偿层113和115也可以具有与压电元件116基本相同的形状和尺寸。
在另一实施例中，温度补偿层113和115分别位于电极112和电极114的与压电元件116相反的一侧，如图3C所示。在一些实施例中，其中温度补偿层位于由电极112和114之间的电压差施加到压电元件116的电场之外，温度补偿层113和115的温度补偿材料可以是导电的或者是电绝缘的。
在另一实施例中，温度补偿单元109仅由单个温度补偿层113组成，如图3D所示。单个温度补偿层113与电极112并置，其厚度等于温度补偿层113和115的厚度之和。在此例中，单个温度补偿层位于在电极112和压电元件116之间。使用具有高到适度的电导率的温度补偿材料作为温度补偿层113的材料，可以防止温度补偿层降低FBAR 110的耦合常数，这种降低是不理想的。单个温度补偿层还可按与图3C所示类似的方式位于电极112的与压电元件116相反的一侧。或者，上述单个温度补偿元件也可按刚描述的相对于电极112的任何方式与电极114并置。
在图3D所示的实施例中，可以增加电极114的厚度以恢复FBAR器件100的对称性。然而，增加电极114的厚度会增加需要由温度补偿元件109补偿的温度系数。器件的非对称性减小了耦合常数，但是这种耦合常数的减小通常是可接受的。
在另一实施例中，温度补偿元件109是由嵌入在压电元件116中的单个温度补偿层113组成，如图3E所示。温度补偿层113设置为进入压电元件116的厚度的一部分，比如进入一半长度。压电元件116具有两部分116A和116B，温度补偿层113位于它们之间。使用具有高到适当的电导率的温度补偿材料作为温度补偿层113的材料可以防止温度补偿层降低FBAR 110的耦合常数，这种降低不理想的。
一些实施例中的位于电极112和114之间的温度补偿元件109通常比另一些实施例中如图3C所示的位于他处的温度补偿元件109提供更有效的温度补偿。
在另一实施例中，温度补偿元件109由电极112和114组成，如图3F所示。在该实施例中，电极112和114具有其符号与压电元件116相反的温度系数。同其中电极的温度系数与压电元件的温度系数符号相同的实施例中的谐振频率相比，其中电极112和114的温度系数与压电元件116的温度系数符号相反的FBAR 110的实施例中的谐振频率具有更低的温度系数。在一个备选实施例中，温度补偿元件109仅由电极112和114中的一个组成，并且另一个电极的材料是传统的电极材料。使用具有高电导率的温度补偿材料作为电极112和114的材料可防止因电极的电阻而增加FBAR 110的串联电阻。
在上述实施例中，温度补偿元件109降低了FBAR 110的谐振频率的温度系数。温度补偿元件的传播速度的正温度系数至少部分抵消了压电元件和电极的传播速度的负温度系数。在一些实施例中，温度补偿元件的厚度被设置得使FBAR 110的有效温度系数为零。在其它实施例中，温度补偿元件的厚度被设置得使FBAR 110的有效温度系数保持为负，但基本上小于其中FBAR堆叠111没有温度补偿元件的传统FBAR器件的温度系数。在FBAR 110的温度系数中的降低会增加FBAR 110的工作温度范围和制造产量这二者中的任一个或两者。可以仅仅通过将FBAR器件110的温度系数降低到传统的FBAR器件的温度系数的二分之一来得到制造产量的有效增加。
在上述示例中，FBAR器件100还包括衬底102。空腔104在衬底102中限定，FBAR堆叠111悬置在空腔之上。空腔104将FBAR堆叠111与衬底102声隔离。因此响应在FBAR 110的电极112和114之间施加的电信号，FBAR堆叠111能自由地进行机械振动。FBAR堆叠111还可以通过由Lakin在美国专利No.6107721中公开的声布拉格反射器与衬底102隔离。在已经转让给本申请受让人的题为“无空腔的薄膜体声谐振器器件”(″Cavity-less Film Bulk AcousticResonator(FBAR)Devices″)的美国专利No.XX/XXX,XXX中由Larson III等人描述了由交替的金属布拉格层和塑料布拉格层组成的声布拉格反射器，它提供了可与仅用一对或两对布拉格层的空腔104提供的隔离相比的声隔离。
本公开中描述成并置的元件一般如图3B所示互相实际接触。然而，并置元件可以由介入元件分开，只要这样的介入元件对并置元件的声特性的影响可忽略。
温度补偿元件109形成FBAR 110的声谐振结构的一部分。为了形成具有特定谐振频率的FBAR，温度补偿元件取代FBAR的一个或者多个其它部件(即压电元件和电极)的一部分。可用的温度补偿元件通常具有比FBAR的其它部件差的电声特性。例如，通常的金属温度补偿元件比通常的电极材料的电阻率更高。于是，相对于那些类似的传统FBAR器件，温度补偿元件有可能降低FBAR 110的实施例的电声特性。通过将具有大的正温度系数的温度补偿材料用作温度补偿元件的材料可以使得退化最小化，因为，根据方程式(1)，这使得温度补偿元件的厚度被最小化。这使其它部件厚度的减少最小化。温度补偿元件厚度的最小化使得温度补偿元件对FBAR的电声特性的影响最小化。
在一个示例中，接收机梯形滤波器包括与图3B所示的实施例类似的FBAR 110的实施例，在图3B所示的实施例中，电极112和114各为110nm厚的钼层，压电元件116是1.5μm厚的氮化铝层并且温度补偿层113和115各为115nm厚的、具有+200ppm/℃的温度系数的温度补偿材料层。温度补偿层113和115将FBAR 110的温度系数降到零。温度补偿层还将FBAR器件110的厚度耦合常数的kt2降低到约5％。上述耦合常数表征了应当尽可能高的FBAR将电能量转变成机械能量的效率。为了比较，带有相同的标称谐振频率的传统FBAR具有2.2μm厚的压电元件、约-25ppm/℃的温度系数以及约5.5％的厚度耦合常数kt2。在其中温度补偿材料具有较低的正温度系数的FBAR 110的实施例中，温度补偿层会比上述示例中的更厚。这种较厚的温度补偿层能将耦合常数降低到在接收机梯形滤波器应用中可接受的程度之下。
在另一示例中，传统的发射机梯形滤波器包括FBAR，其中电极112和114各为440nm厚的钼层，压电元件116是760nm厚的氮化铝层。发射机滤波器能经受高的RF功率并且需要额外的谐振频率预算以容纳产生的RF热量。发射机滤波器通常需要较低的有效耦合常数以达到规定的滚降(roll-off)。这可通过使电极更厚来实现。传统电极材料的厚电极具有FBAR的温度系数增加这样的不希望有的效果。然而，根据本发明，电极是由温度补偿材料而不是钼制成的，如图3F所示。这提供了降低有效耦合常数并减少FBAR的温度系数的双重优点。
上述FBAR 100的实施例可被视作包括具有温度系数等传播时间相关特性的声传播路径的声器件的示例。传播路径是由一个或者多个声传播元件组成。上述声传播元件共同地具有一个温度系数，该系数至少部分地确定传播时间相关特性的温度系数。传播路径另外还由具有其符号与声传播元件的温度系数相反的温度系数的温度补偿元件组成。本公开所使用的术语“声的”和“声音”包括比声频范围宽得多的振动频率。
在图3B所示的例中，传播时间相关特性是FBAR 10的谐振频率。声传播路径从电极112延伸到电极114，并且声传播元件是电极112、电极114和压电元件116。声传播元件共有一个温度系数，该系数导致声传播路径的传播时间相关特性具有负温度系数。上述声传播路径中还包括温度补偿元件109。温度补偿元件109具有负温度系数，与声传播元件的温度系数的符号相反。温度补偿元件109减少了声传播路径的传播时间相关特性的温度系数。在图3C所示的实施例中，声传播路径从温度补偿层113延伸到温度补偿层115。
上述声器件的其它示例包括表面声波(SAW)滤波器、晶体滤波器、耦合谐振器滤波器和延迟线。
图4A和4B分别是本发明的FBAR器件的第二示范实施例200的俯视图和截面图。FBAR器件200是带通滤波器，其中FBAR堆叠由两个FBAR和这两个FBAR之间的声去耦器组成。FBAR和声去耦器构成单个的去耦堆叠体声谐振器(DSBAR)。
FBAR器件300包含FBAR堆叠211。如上所述，FBAR堆叠211包含FBAR 110和温度补偿元件109。FBAR 110是FBAR堆叠中较低的FBAR。FBAR堆叠211还包含堆叠在低层FBAR 110上的高层FBAR 120以及在FBAR之间的声去耦器130。
低层FBAR 110具有对置平面电极112和114以及在电极之间的压电元件116。压电元件116具有至少部分地为FBAR 110的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR 110的谐振频率通常还依赖于电极112和114的温度系数。高层FBAR 110具有对置平面电极122和124以及在电极之间的压电元件126。压电元件126具有至少部分地为FBAR 120的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR120的谐振频率通常还依赖于电极122和124的温度系数。温度补偿元件109具有其符号与压电元件116和126的温度系数相反的温度系数。
由于其温度系数的符号相反，温度补偿元件109降低了压电元件116和126的温度系数的效果，并且通常还降低了电极112、114、122和124的温度系数对FBAR器件200的温度系数的影响。于是，FBAR器件200的温度系数小于没有温度补偿元件的同类FBAR器件的温度系数。
在图4B所示的例中，温度补偿元件109是由位于在FBAR 110中在电极114和压电元件116之间的温度补偿层115、以及位于FBAR120中电极122和压电元件126之间的温度补偿层123组成。温度补偿层115和123各为具有其符号与压电元件116和126相反的温度系数的温度补偿材料层。在一个FBAR器件200的典型实施例中，压电元件116和126各具有负温度系数而温度补偿元件具有正温度系数。
或者，温度补偿元件109也可由位于在与附图3B-3F所示的上述任何配置中的FBAR 110和120有关的FBAR堆叠211中的温度补偿层组成。然而，如图4B所示的温度补偿元件109的实施例，其中温度补偿层115和123分别与FBAR 110的电极114和FBAR 120的电极122并置，并且这些电极114和122还与声去耦器130并置，通常比温度补偿元件的其它实施例在提供温度补偿上更加有效。
在FBAR器件200中，声去耦器130位于在FBAR 110和120之间，具体而言，在FBAR 110的电极114和FBAR 120的电极122之间。该声去耦器控制FBAR 110和120之间的声能量耦合。相比于在FBAR之间直接接触耦合，该声去耦器在FBAR之间耦合较少的声能量。在图6B所示的例中，声去耦器130由声去耦材料的声去耦层组成。
在上述示例中，FBAR堆叠211悬置在衬底102中限定的空腔104之上。空腔104将FBAR堆叠211与衬底102声隔离。在FBAR堆叠211和衬底102之间的声隔离使得由FBAR 110和120构成的DSBAR 106能够响应这二者之一的电极之间施加的输入电信号而机械谐振。在接收输入电信号的FBAR中生成的声能量，穿过声去耦器130而进入其它FBAR。接收声能量的FBAR将该声能量的一部分转化成在其电极之间提供的电输出信号。在接收声能量的FBAR的电极之间的电信号输出具有带通频率响应特性，该带通频率响应特性基本上没有由在FBAR堆栈211和衬底102之间不希望有的声耦合产生的不希望有的乱真的人为现象。
在上述示例中，FBAR 110的电极112和114分别由电迹线(electrical trace)133和135相应地电连接到焊盘(terminal pad)132和134。此外，FBAR 120的电极122和124分别由电迹线137和139电连接到焊盘134和138。在输入端和输出端之间提供电隔离的实施例中，电迹线137连接到附加的焊盘(未示出)而不是连接到焊盘134。焊盘132、134和138用来从FBAR器件200到外部电路(未示出)进行电连接。
在上述示例中，声去耦器130是1/4波长的声去耦材料层。声去耦材料的声阻抗小于FBAR 110和120的材料的声阻抗而充分大于空气的声阻抗。材料的声阻抗是材料中的应力与粒子速度之比并且以瑞利(Rayleigh，缩写为rayl)为单位进行测量。FBAR的材料的声阻抗通常大于30Mrayl(对于AlN为35Mrayl和对于Mo为63Mrayl)，而空气的声阻抗约为1krayl。在一个FBAR器件200的实施例(其中FBAR 110、120的材料如上所述)中，具有约2Mrayl～约8Mrayl范围的声阻抗的声去耦材料适用于作为声去耦器130的声耦合材料。
1/4波长层具有等于声信号的声去耦材料的波长λn的1/4的奇数倍的标称厚度t，即t≈(2m+1)λn/4，其中t如上定义，而波长λn为在频率上等于FBAR器件200的通带的中心频率，m是大于或等于零的整数。在一实施例中，整数m的值为零，即t≈λn/4。与其中整数值m大于零的声去耦器的实施例相比，其中整数值m为零的声去耦器的FBAR器件200的实施例的谐振频率响应较少可能有乱真的人为现象。其中整数m的值大于零的后者实施例的频率响应更可能有乱真的人为现象，是因为较厚的声去耦器能支持多个声模式。
或者可以使用在厚度上与标称1/4波长厚度相差大约λn/4的±10％的声去耦器130的实施例。该范围之外的厚度公差也可使用，但性能上会降低一些。然而，声去耦器130在厚度上应当与λn/2的整数倍显著不同。
许多塑料具有在上述从约2Mrayl到约8Mrayl范围的声阻抗，并且能用在上述厚度范围内的均匀厚度的层中。这样的塑料因此可适合用作声去耦器130的声去耦材料。然而，声去耦材料还必须能够经受在制造声去耦器130之后制造操作中的温度。如将在下文中更详细描述的一样，在FBAR器件200的实用实施例中，电极122和124以及压电层126在声去耦器130制造之后通过溅射进行淀积。在这些淀积过程期间达到高达400℃的温度。因而，将在这样的温度下保持稳定的塑料用作声去耦材料。
与FBAR 110和120的其它材料相比，塑料通常具有非常高的每单位长度的声衰减。然而，因为塑料声去耦器130通常小于1μm厚度(例如200nm厚度)，由这样的声去耦器130实施例引入的声衰减通常可以忽略。
在一个实施例中，聚酰亚胺用作声去耦器130的声去耦材料。聚酰亚胺由E.I.du Port de Nemours公司按商标Kapton销售。在该实施例中，声去耦器130是由通过旋涂施加到电极114上的聚酰亚胺的1/4波长层组成。聚酰亚胺具有约4Mrayl的声阻抗。
在另一实施例中，聚对二甲苯用作声去耦器130的声去耦材料。在该实施例中，声去耦器130由通过真空淀积施加到电极114上的聚对二甲苯的1/4波长层组成。在业界聚对二甲苯也被称为聚对亚苯基二甲基。可从许多供应商得到制造聚对亚苯基二甲基用的二聚物前体双对二甲苯，以及用于执行聚对亚苯基二甲基层的真空淀积的设备。聚对亚苯基二甲基具有约2.8Mrayl的声阻抗。
在另一实施例中，交联的聚亚苯基聚合物用作声去耦器130的声去耦材料。在该实施例中，声去耦器130是由旋涂施加的交联的聚亚苯基聚合物的1/4波长层。交联的聚亚苯基聚合物已经被研制为用在集成电路中的低介电常数的介电材料，因而须在在FBAR 120的后续制造期间声去耦器130经受的高温下保持稳定。发明人还发现交联的聚亚苯基聚合物还具有约2Mrayl的理论声阻抗。该声阻抗是在给FBAR器件200提供有效通带的声阻抗的范围之中。
含有各种使聚合形成相应的交联的聚亚苯基聚合物的低聚物的前体溶液由Dow Chemical公司(Midland，MI)按商标SiLK销售。前体溶液通过旋涂施加。从这些指定为SiLKTMJ的前体溶液中的一个得到的交联的聚亚苯基聚合物(它还含有增附剂)具有2.1Mrayl(约2Mrayl)的理论声阻抗。
使聚合形成交联的聚亚苯基聚合物的低聚物是从双环戊二烯酮和芳族的含有乙炔的单体制成的。使用这样的单体形成可溶的低聚物而不需要不适当的取代。前体溶液含有在γ丁内酯和环己酮溶剂中溶解的特定的低聚物。当前体溶液被旋涂时，由前体溶液中的低聚物的比率确定层厚。旋涂之后，加热蒸发溶剂，然后固化低聚物以形成交联的聚合物。双环戊二烯酮与乙炔按形成新芳环的4+2环加成反应进行反应。进一步的固化得到交联的聚亚苯基聚合物。上述的交联聚亚苯基聚合物由Godschalx等人公开在美国专利No.5965679中。另外的具体细节由Martin等人在“用于互连集成电路制造的低介电常数聚合物之开发”(参见Development of Low-DielectricConstant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect，12 ADVANCED MATERIALS，1769(2000))中作了描述。与聚酰亚胺相比，交联聚亚苯基聚合物具有更低的声阻抗、更低的声衰减和更低的介电常数。而且，前体溶液的旋涂层能够产生200nm量级厚的交联聚亚苯基聚合物的高质量薄膜，该厚度是声去耦器130的典型厚度。
在一个备选实施例中，声去耦器130由具有不同声阻抗的声去耦材料的声去耦层(未示出)组成，该不同声阻抗描述在上述John D.Larson III和Stephen Ellis的题为“在去耦的堆叠体声谐振器器件控制的通带宽度控制”(″Pass Bandwidth Control in Decoupled StackedBulk Acoustic Resonator Devices″)的美国专利申请No.XX/XXX,XXX中。声去耦层的声阻抗和厚度共同确定声去耦器130的声阻抗。声去耦器的声阻抗反过来又确定FBAR器件200的通带宽度。由具有不同声阻抗的声去耦材料的声去耦层组成的声去耦器130的实施例构造成以在频率上等于FBAR器件200的通带的中心频率的声信号上施加π/2弧度的奇数倍的标称相位变化。在一实施例中，声去耦器被构造成以在频率上等于中心频率的声信号上施加π/2弧度的标称相位变化。该相位变化等于通过由具有等于声信号的声去耦材料中的1/4波长的标称厚度的声去耦材料的单层组成的声去耦器强加的标称相位变化，上述波长在频率上等于中心频率。
在一个示例中，声去耦器130由具有约4Mrayl的声阻抗的聚酰亚胺的声去耦层顶上的具有约2Mrayl的声阻抗的交联的聚亚苯基聚合物的声去耦层组成。该声去耦器向一个实施例的FBAR器件200提供一些实施例通带宽度之间的一个中间通带宽度，在这些实施例中声去耦器由聚酰亚胺的单个1/4波长层或者由交联的聚亚苯基聚合物的单个1/4波长层组成。
在一个备选实施例中，声去耦器130的声去耦材料的声阻抗实质上大于FBAR 110和120的材料的声阻抗。具有该特性的声去耦材料当前尚属未知，但是这样的材料在将来可以得到。或者，具有较低声阻抗的FBAR材料可在将来得到。这样的高声阻抗的声去耦材料的声去耦器130的厚度如上所述。
在另一实施例中(未示出)，声去耦器130被构造成布拉格结构，该结构由夹在高声阻抗布拉格元件之间的低声阻抗布拉格元件组成。低声阻抗布拉格元件是低声阻抗材料层，而高声阻抗布拉格元件各自为高声阻抗材料层。布拉格元件的声阻抗彼此表征为“低”和“高”，并且还相对于压电元件116和126的压电材料的声阻抗表征为“低”和“高”。至少一种布拉格元件还具有高电阻率和低介电常数，以提供在FBAR器件200的输入端和输出端之间的电绝缘。
构成布拉格元件的各层是标称的1/4波长层。或者可以使用与标称的1/4波长厚度相差大约1/4波长的±10％的层。该范围之外的厚度公差可以使用，但在性能上会降低一些，但是层的厚度应当与二分之一波长的整数倍显著不同。
在一个实施例中，低声阻抗布拉格元件是二氧化硅(SiO2)层，它具有约13Mrayl的声阻抗，并且各个高声阻抗布拉格元件是与电极114和122相同的材料，例如钼，它具有约63Mrayl的声阻抗。将相同材料用于高声阻抗布拉格元件和FBAR 110和120的电极，使得高声阻抗布拉格元件还能够用作与声耦合元件相邻的FBAR的电极。
图5A是本发明的FBAR器件的第三示范实施例300的俯视图。FBAR器件300是薄膜声耦合变换器(FACT)，其中FBAR堆叠由四个作为两个去耦堆叠体声谐振器(DSBAR)排列的FBAR组成。图5B和5C是分别沿图5A中的剖线5B-5B和5C-5C的截面图。图5D是图5A所示和下文描述的FACT 300的示例的电路的示意图。
如上所述，FBAR器件300包含FBAR堆叠311。FBAR堆叠311包含FBAR 110和温度补偿元件109。FBAR 110是在FBAR堆叠中的低层FBAR。FBAR堆叠311还包含堆叠在低层FBAR 110上的高层FBAR 120以及在FBAR 110和120之间的声去耦器130。FBAR110、FBAR 120和声去耦器130构成上述DSBAR 106。FBAR堆叠311还包含由低层FBAR 150、堆叠在低层FBAR 150上的高层FBAR160以及在FBAR 150和160之间的声去耦器170组成的第二DSBAR108。FBAR 110具有对置平面电极112和114以及在电极之间的压电元件116。
FACT 300还由分别将DSBAR 106和108的低层FBAR 110和150互连的电路和分别将DSBAR 106和108的高层FBAR 120和160互连的电路组成。图5D示出了一例，其中电路141将DSBAR 106的低层FBAR 110和DSBAR 108的低层FBAR 150反并联(anti-parallel)连接，电路142将DSBAR 106的高层FBAR 120和DSBAR 108的高层FBAR 160串联连接。
在DSBAR 106中，低层FBAR 110由对置平面电极112和114以及在电极之间的压电元件116组成。压电元件116具有至少部分地为FBAR 110的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR 110的谐振频率一般还另外依赖于电极112和114的温度系数。高层FBAR120由对置平面电极122和124以及在电极之间的压电元件126组成。压电元件126具有至少部分地为FBAR 120的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR 120的谐振频率一般还另外依赖于电极122和124的温度系数。温度补偿元件109具有其符号与压电元件116和126的温度系数相反的温度系数。
在DSBAR 108中，低层FBAR 150由对置平面电极152和154和电极之间的压电元件156组成。压电元件156具有至少部分地为FBAR 150的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR 150的谐振频率一般还另外依赖于电极152和154的温度系数。高层FBAR160由对置平面电极162和164和在电极之间的压电元件166组成。压电元件166具有至少部分地为FBAR 160的谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。FBAR 160的谐振频率一般还另外依赖于电极162和164的温度系数。温度补偿元件109具有其符号与压电元件156和166的温度系数相反的温度系数。
由于其温度系数的符号相反，温度补偿元件109降低了压电元件116、126、156和166的温度系数的效果，并且通常还降低了电极112、114、122、124、152、154、162和166的温度系数对FBAR器件300的温度系数的影响。结果，使得FBAR器件300的温度系数小于无温度补偿元件的同类FBAR器件的温度系数。
在图5B所示的例中，温度补偿元件109由FBAR 110中电极114和压电元件116之间的温度补偿层115、FBAR 120中电极122和压电元件126之间的温度补偿层123、FBAR 150中电极154和压电元件156之间的温度补偿层155和FBAR 160中电极162和压电元件166之间的温度补偿层163组成。温度补偿层115、123、155和163各为具有其符号与压电元件116、126、156和166的相反的温度系数的上述温度补偿材料。在FBAR器件300的一个典型实施例中，压电元件116、126、156和166各具有负温度系数，而温度补偿元件具有正温度系数。
或者，温度补偿元件109也可由FBAR堆叠311中的温度补偿层组成，该FBAR堆叠311与图3B-3F描述的任何配置的FBAR 110、120、150和160有关。然而，如图5B所示的温度补偿元件109的实施例一般比温度补偿元件的其它实施例在提供温度补偿上更加有效，该实施例中温度补偿层115和123分别与FBAR 110的电极114和FBAR 120的电极122并置，电极114和122还与声去耦器130并置，并且温度补偿层155和163分别与FBAR 150的电极154和FBAR160的电极162并置，电极154和162还与声去耦器170并置。
在FACT 300中，DSBAR 106的声去耦器130位于在低层FBAR110和高层FBAR120之间，具体而言，在低层FBAR 110的电极114和高层FBAR 120的电极122之间。声去耦器130控制FBAR 110和120之间声能量的耦合。相比于在传统的堆叠体声谐振器(SBAR)中FBAR彼此直接接触耦合的情况，声去耦器130在FBAR 110和120之间耦合较少的声能量。此外，DSBAR 108的声去耦器170位于在FBAR 150和160之间，具体而言，在低层FBAR 150的电极154和高层FBAR 160的电极162之间。声去耦器170控制FBAR 150和160之间的声能量的耦合。相比于在传统的堆叠体声谐振器(SBAR)中FBAR彼此直接接触耦合的情况，声去耦器170在FBAR 150和160之间耦合较少的声能量。由声去耦器130和170限定的声能量耦合决定FACT 300的通带宽度。
在图5A-5C所示的例中，声去耦器130和170是声去耦层131的相应部分。在其它实施例中，声去耦器130和170各由不同声阻抗的声去耦材料的声去耦层组成，如John D.Larson等人在转让给本公开的受让人的题为“去耦的堆叠体声谐振器中的通带宽度控制”(″Pass Bandwidth Controlled in Decoupled Stacked Bulk AcousticResonator Devices″，Agilent卷号No.10040955-1)美国专利申请No.XX/XXX,XXX所描述的一样。在其它实施例中，声去耦器130和170在结构上独立。
图5D示出了一例将DSBAR 106和108互连并且将DSBAR 106和108连接到外部电路(未示出)的情况。电路141将低层FBAR 110和150反并联连接并且连接到信号端143和接地端144。在图5A-5C示出的实施例中，焊盘138提供信号端143，焊盘132和172提供接地端144。在该实施例中，电路141由如下的电迹线构成从焊盘132延伸到FBAR 110的电极112的电迹线133、从FBAR 110的电极114延伸到与互联焊盘176电接触的互联焊盘136的电迹线137、从互联焊盘176延伸到信号焊盘138的电迹线139、从互联焊盘176延伸到FBAR 150的电极152的电迹线177、从FBAR 150的电极154延伸到焊盘172的电迹线173、以及将焊盘132和172互联的电迹线167。
在图5D的示范性电路示图中，电路142将高层FBAR 120和160串联连接并且连接到信号端145和146并连接到可选的中心抽头端147。在图5A-5C示出的实施例中，焊盘134和174提供信号端145和146，焊盘178提供中心抽头端147。在此实施例中，电路142由如下电迹线构成从焊盘134延伸到FBAR 120的电极124的电迹线135、从FBAR 120的电极122延伸到FBAR 160的电极162的电迹线171、从电迹线171延伸到中心抽头137的电迹线179、以及从FBAR160的电极164延伸到焊盘174的电迹线175。还示出了由为焊盘134和174提供局部接地的电迹线169互连的焊盘163和168。在示出的例中，电迹线169还延伸到焊盘178。在其它示例中，焊盘178保持浮置。
图5D示范的电连接提供具有平衡的初级线圈和4∶1的阻抗变换率的FACT或者具有平衡的次级线圈和1∶4的阻抗变换率的FACT。低层FBAR还可以按并联、串联和反串联(anti-series)进行互连，并且高层FBAR还可以按并联、反并联和反串联进行互连以实现如下面表1所示的其它阻抗变换率。
表1在表1中行标题表示电路141的配置，列标题表示电路142的配置，B表示FACT是电平衡的，U表示FACT不平衡的，并且×表示不起作用的FACT。示出的阻抗变换率是从由行标题表示的电路141的配置到由列标题表示电路142的配置的阻抗变换。对于具有1∶1阻抗变换率的配置，“低”表示FACT具有低阻抗，等于两个并联的FBAR阻抗，“高”表示FACT具有高阻抗，等于两个串联的FBAR阻抗。
在上述FBAR器件100、200、300的实施例中，温度补偿元件109由一个或多个铌-钴合金组成。在“铌-钼合金中的弹性常数的不规则温度相关性”(参见″Anomalous Temperature Dependence of ElasticConstants in Nb-Mo Alloys″，39PHYS.LETT.，261-262(1972)W.C.Hubbell at al.report data)中，发明人计算出对于具有34％钼成分的合金，对于切向模式的传播速度的正温度系数约为300ppm/℃。纵向模式一般具有较低传播速度的正温度系数。具有从约17％到约51％范围的钼成分的合金也应该有正温度系数，具有从约32％到约36％范围的钼成分的合金应该有高的正温度系数。如上所述，高的正温度系数使得相对较薄的温度补偿元件能够有效减小FBAR器件的温度系数。用方程式(1)计算温度补偿元件的厚度，以得到所想要的小于无温度补偿元件的同类FBAR器件的温度系数的温度系数。
这种铌-钼合金能通过从合金靶溅射或通过从铌坩埚和钼坩埚共同蒸发而淀积。该合金通过光刻法和干法蚀刻形成。
在上述FBAR器件100、200、300的实施例中，温度补偿元件109由一个或多个钴-钯合金的温度补偿层组成。在“钴-钯合金的热膨胀系数和杨氏模量的温度系数”一文(参见″Thermal ExpansionCoefficient and the Temperature Coefficient of Young′s Modulus ofCobalt and Palladium Alloys，11 TRANS.JPN.INST.OF METALS，91-93(1970)，H.Masumoto at al.report data)中，发明人计算出对于具有94％钯成分的合金，纵向模式的传播速度的正温度系数约为300ppm/℃。具有从约92％到约96％范围的钯成分的合金应该也具有正温度系数，并且具有从约93％到约95％范围的钯成分的合金应该有高的正温度系数。上文已描述了这种高的正温度系数的一些优点。
这种钴-钯合金能通过从合金靶溅射或通过从钴坩埚和钯坩埚共同蒸发而淀积。该合金通过光刻法和干法蚀刻来形成图案。
在上述FBAR器件100、200和300的实施例中，温度补偿元件109由一个或者多个铁电材料的温度补偿层组成。铁电材料通常是电绝缘的。
铌酸铅镍是一种具有高的正温度系数的铁电材料。Fan等人在“驰豫铁电Pb(Ni1/3Nb2/3)O3中的相变之布里渊与介电研究”一文(“Brillouinand Dielectric Studies of the Phase Transition in the Relaxor FerroelectricPb(Ni1/3Nb2/3)O3，91 J.APPL.PHYS.，2262-2266(2002)，Fan et al.reportdata”)中提出了关于具有约1/3镍成分的铌酸铅镍的371ppm/℃的正温度系数。上文已描述了这种高的正温度系数的一些优点。
这种铌酸铅镍能通过使用从PbNiNbO3靶或从中间氧化物靶来溅射而淀积。铌酸铅镍通过光刻法和干法蚀刻而形成图案。
另一种可用的铁电材料是霞石((KAlSiO4)(NaAlSiO4)3)。L.J.Bonczar等人在“霞石的弹性与热弹性常数”一文(Elastic andThermoelastic Constants of Nepheline，46J.APPL.PHYS.，4339-4340(1975))中指出，霞石的弹性常数呈现25ppm/℃的正温度系数。霞石能通过溅射淀积和通过光刻法和干法蚀刻形成图案。
另一种可用的铁电材料是钨酸锆(ZrW2O8)。R.Mittel等人在“由高压非弹性中子散射揭示的立方ZrW2O8中的负热膨胀之来源”一文(“Origin of Negative Thermal Expansion In Cubic ZrW2O8Revealed byHigh Pressure Inelastic Neutron Scattering，86 PHYS.REV.LETT.，4692-4895(2001)，”)中公开了一种具有-27ppm/℃的线性热膨胀系数的材料。这种负膨胀系数提示了在用作温度补偿元件109的材料时，该材料会产生谐振频率的高的正温度系数。钨酸锆能通过溅射而淀积并通过光刻法和干法蚀刻来形成图案。
晶圆规模的制造被用来同时制造数千个与上述FBAR器件100、200或300类似的FBAR器件。这种晶圆规模的制造使得制造FBAR器件的成本不高。用来制造上文参考图4A和4B的上述FBAR器件200的实施例的制造方法的示例将在后面参考图6A-6J的俯视图和图6K-6T的截面图来描述。使用各种不同的掩模，该工序可用来制造本发明实施例的FBAR器件100和300。本发明实施例的FBAR器件200(其制造过程将在后面描述)的的通带具有约1.9GHz的标称中心频率。工作在其它频率上的本发明实施例的FBAR器件在结构和制造上类似，但是具有与那些下文所描述的不同厚度和横向尺寸。其制造将在下文描述的FBAR器件200的示例具有与参考图4A和4B的上述温度补偿元件109在结构上类似的温度补偿元件。所描述的过程能被修改以制造具有与那些上面参考图3C-3F描述类似的配置的温度补偿元件109。
单晶硅晶圆的制备。对于各个被制造的FBAR器件，晶圆的一部分构成对应于FBAR器件200的衬底102的衬底。图6A-6J和图6K-6T图解且在下面的说明中描述了构成衬底102的晶圆的一部分之中和之上的FBAR器件200的制造。在FBAR器件200制造后，晶圆上其余的FBAR器件被类似地制造。
晶圆在各FBAR器件的位置被选择性地湿法蚀刻而形成空腔104，如图6A和6K所示。在晶圆的表面上以足够填充各空腔的厚度淀积填充材料层(未示出)。然后晶圆的表面被平面化，留下以填充材料进行填充的各空腔。图6A和6K示出了用填充材料105填充的衬底102中的空腔104。
在一实施例中，填充材料是磷硅酸盐玻璃(PSG)并且使用传统的低压化学气相淀积(LPCVD)。填充材料还可通过溅射或旋涂进行淀积。
作为一种以填充材料105形成和填充空腔104的备选方式，可将交替的金属和塑料的布拉格层淀积在晶圆102的表面上并且形成图案以确定声布拉格反射器，关于该声布拉格反射器描述在转让给本公开的受让人的Larson III等人的题为“无空腔的薄膜体声谐振器器件”(参见″Cavity-less Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)Devices″，Agilent卷号No.10031277-1)的美国专利申请No.XX/XXX,XXX中给出。
第一金属层淀积在衬底102和填充材料105的主要表面上。第一金属层如图6B和6L所示形成图案以确定电极112、焊盘132和在电极112和焊盘132之间延伸的电迹线133。
在平行于晶圆的主要表面的平面上，电极112通常还具有非对称形状。非对称形状使得在电极112形成其中一部分的FBAR 110(图4B)中的横向模式最小化。这在Larson III等人的美国专利No.6215375中作了描述。电极112让填充材料105表面的一部分露出，使得填充材料能在后来通过蚀刻被移除，如在下文所述。
另外参考图4B，电极114在第二金属层中确定，电极122在第三金属层中确定，电极124在第四金属层中确定，如下文详细描述。确定电极的金属层被形成图案，使得在平行于晶圆的主要表面的相应平面中，FBAR 110的电极112和114具有相同的形状、尺寸、方向和位置，并且FBAR 120的电极122和124具有相同的形状、尺寸、方向和位置。一般来说，电极114和122也具有相同的形状、尺寸、方向和位置。
在一实施例中，各金属层的材料是通过溅射而淀积到约300nm厚度的钼。各金属层通过干法蚀刻形成图案。在各金属层中确定的电极是各具有约12000平方μm的五边形。其它的电极区域给出其它特性的阻抗。其它的诸如钨、铌和钛之类的高熔点金属也可用作金属层的材料。各金属层还可包括不止一种材料。
在选择FBAR器件300的电极的材料中要考虑的一种因素是电极材料的声特性FBAR器件的剩余金属部分的材料的声特性不如电导率之类的其它特性重要。因而，FBAR器件300的剩余部分的材料可与电极的材料不同。
如图6C和6M所示，压电材料层被淀积并形成图案来确定压电元件116。对压电层形成图案以覆盖电极112，但是暴露焊盘132和填充材料105的表面的一部分。压电元件116的其它部分在衬底102上延伸到空腔104之外。
在一实施例中，淀积以形成下文描述的压电元件116和压电元件126的压电材料是氮化铝，通过溅射淀积约1.4μm的厚度。压电材料通过在氢氧化钾中湿法蚀刻或者通过基于氯的干法蚀刻而形成图案。用于压电元件116和126的备选材料包括氧化锌、硫化镉以及比如钙钛矿的极化铁电材料，包括钛酸铅锆、偏铌酸铅和钛酸钡。
温度补偿材料的第一层被如图6D和6N所示进行淀积并形成图案以确定温度补偿层115，该层构成温度补偿元件109的一部分。对温度补偿材料形成图案以具有与电极112相同的形状、尺寸、方向和位置。
在一实施例中，温度补偿材料的第一层和温度补偿材料的第二层的材料(下文将描述其淀积)是具有约94％的钯成分的钯-钴合金。温度补偿材料通过溅射而淀积并通过干法蚀刻来形成图案。其层厚取决于FBAR器件200(图4A)的期望的温度系数。
第二金属层被淀积并形成图案以确定电极114、焊盘134和在电极114和焊盘134之间延伸的电迹线135，如图6E和6O所示。FBAR110的制造至此完成。
然后淀积声去耦材料的层并形成图案以确定声去耦器130，如图6F和6P所示。形成声去耦器130的图案，至少覆盖电极114，并且形成图案来暴露焊盘132和134和填充材料105的一部分。声去耦器一般是塑料材料的1/4波长层。
在一实施例中，声去耦器130的声去耦材料是具有约200nm厚度的聚酰亚胺，该厚度即为聚酰亚胺的中心频率波长的1/4。聚酰亚胺通过旋涂来淀积，并通过光刻而形成图案。聚酰亚胺具有光敏性，因此不需要光致抗蚀剂。如上所述，其它的塑料材料能用作声去耦材料。声去耦材料能通过旋涂之外的方法进行淀积。
在一个其声去耦材料为聚酰亚胺的实施例中，在对聚酰亚胺进行淀积并形成图案之后，在执行进一步的处理之前，最初以约250℃的温度在空气中并最终以约415℃的温度在惰性气体比如氮气中烘焙晶圆。烘焙蒸发了聚酰亚胺的易失成分并防止在后续处理期间这种易失成分导致后面淀积层的分开。
第三金属层被淀积并形成图案以确定电极122和从电极122延伸到焊盘134的电迹线137，如图6G和6Q所示。焊盘134也由迹线135电连接到电极114。
如图6H和6R所示，对温度补偿材料的第二层进行淀积并形成图案以确定温度补偿层123，在该实施例中该层构成温度补偿元件109的剩余部分。温度补偿材料被形成图案，使其具有与电极122相同的形状、尺寸、方向和位置。
如图6I和6S所示，对压电元件的第二层进行淀积并形成图案以确定压电元件126。对第二压电元件层形成图案，以暴露焊盘132和134以及填充材料105的一部分。
对第四金属层进行淀积并形成图案，以确定电极124、焊盘138和从电极124延伸到焊盘138的电迹线139，如图6J和6T所示。FBAR120和FBAR堆叠211的制造至此完成。
在焊盘132、134和138的外露表面上淀积有金保护层(未示出)。
执行浮雕蚀刻(relieve etch)以从空腔104移除牺牲材料105。这一蚀刻步骤将FBAR器件200留下，如图4A和4B所示。
晶圆然后被分成单个的FBAR器件，包括FBAR器件200。
FBAR器件200被装在比如无线电话等主装置中，并且在FBAR器件的焊盘132、134和138以及作为主设备一部分的焊盘之间进行电连接。
如上所述，声去耦器130的一种备选的声去耦材料是交联聚亚苯基聚合物。在第三金属层已形成图案而确定了电极114之后，如上文中参考图6E和6O所述，交联聚亚苯基聚合物的前体溶液按照图6F和6P所示的上述类似的方式旋涂，但是不形成图案。选择前体溶液的配方和旋转速度，使交联的聚亚苯基聚合物形成约187nm厚的层。这对应于具有频率等于FBAR器件200的通带中心频率的声信号的交联聚亚苯基聚合物的波长λn的1/4。在淀积了前体溶液的层之后和执行进一步的处理之前，以约385℃到约450℃范围的温度在诸在真空或氮气之类的惰性环境中进行烘焙。这样的烘焙首先从前体溶液中分离出有机溶剂，因而导致低聚物如上所述进行交联而形成交联聚亚苯基聚合物。
在一实施例中，交联聚亚苯基聚合物的前体溶液由Dow Chemical公司销售，其商标定为SiLKTMJ。或者，前体溶液可以是现在或者将来由Dow Chemical公司按商标SiLK销售的前体溶液中任何一种合适的溶液。在某些实施例中，在前体溶液旋涂之前淀积增粘剂层。也可使用现在或将来从其它供应商得到的含有，固化时形成具有约2Mrayl的声阻抗的交联聚亚苯基聚合物的低聚物的前体溶液。
然后，第三金属层按照与图6G和图6Q所示类似的方式在交联聚亚苯基聚合物的层上淀积，但是最初与如图6F所示的声去耦器130的形成图案相类似地形成图案来确定硬掩模，上述硬掩模随后用来对交联聚亚苯基聚合物的层形成图案以确定声去耦器130。最初形成图案的第三金属层具有与声去耦器130相同的尺寸范围，并暴露焊盘132和134以及填充材料105的一部分。
交联聚亚苯基聚合物层然后如图6F所示进行蚀刻而形成图案，其中最初形成图案的第三金属层用作硬掩模。对交联聚亚苯基聚合物层形成图案来确定声去耦器130的尺寸范围，使焊盘132和134以及填充材料105的一部分露出。通过氧等离子体蚀刻来形成图案。
然后，将第三金属层如图6G和6Q所示重新形成图案以确定电极122和在电极122和焊盘134之间延伸的电迹线137。
通过执行图6H-6J和6R-6T所示的上述处理，完成本发明实施例的具有作为其声去耦器的交联聚亚苯基聚合物层的FBAR器件200的制造。
可用与刚描述的方法类似的方法来确定用真空淀积法所淀积的聚对二甲苯基层中的声去耦器103。
上述示范的电极和压电元件的厚度是与无温度补偿元件109的与本发明实施例的FBAR 200同类的传统FBAR器件的厚度。在FBAR器件200中，一个或多个厚度被降低以维持FBAR器件的中心频率，尽管温度补偿元件109被增加到FBAR堆叠211上。厚度被降低的一个或多个元件的确定以及对应的厚度降低，依赖于温度补偿元件109的厚度和材料以及由温度补偿元件109提供的温度补偿量。元件的确定和厚度降低还取决于其中使用FBAR器件的应用，如上所述。压电元件的厚度降低会使耦合常数降低降低一个或多个电极的厚度增加了串联电阻，除非温度补偿材料具有与电极相类拟的电导率。
本公开用说明性实施例描述了本发明。然而，由所附的权利要求书所规定的本发明并不受限于精确描述的实施例。
权利要求
1.一种温度补偿的薄膜体声谐振器(FBAR)器件，包括FBAR堆叠，其中包括由具有温度系数的谐振频率表征的FBAR，所述FBAR包括对置平面电极和所述电极之间的压电元件，所述压电元件具有至少部分地为所述谐振频率的温度系数所依赖的温度系数，以及温度补偿元件，具有其符号与所述压电元件的温度系数相反的温度系数。
2.如权利要求1所述的FBAR器件，其中所述FBAR是低层FBAR；并且所述FBAR器件又包括堆叠在所述低层FBAR上的高层FBAR，所述高层FBAR包括对置平面电极和在所述电极之间的压电元件，以及在所述FBAR之间的声去耦器。
3.如权利要2所述的FBAR器件，其中第一FBAR、第二FBAR和所述声去耦器构成第一去耦的堆叠体声谐振器(DSBAR)；所述FABR堆叠又包括含有低层FBAR的第二DSBAR、堆叠在所述低层FBAR上的高层FBAR以及在所述FBAR之间的声去耦器；所述FBAR器件又包括将所述低层FBAR互连的第一电路，以及将所述高层FBAR互连的第二电路。
4.如权利要求1所述的FBAR器件，其中所述FBAR是第一FBAR；所述FBAR堆叠还包括一个或多个附加的FBAR；以及所述FBAR互连为梯形滤波器。
5.如权利要求1、2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括与所述电极中的一个并置的温度补偿层。
6.如权利要求5所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件又包括与所述电极中的另一个并置的温度补偿层。
7.如权利要求5或6所述的FBAR器件，其中所述温度补偿层位于在所述电极中的一个与所述压电元件之间。
8.如权利要求2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括与各所述FBAR的电极中的一个并置的温度补偿层。
9.如权利要求8所述的FBAR器件，其中在各所述FBAR中，所述温度补偿层位于在所述电极中的一个和其压电元件之间。
10.如权利要求8或9所述的FBAR器件，其中在各所述FBAR中，所述电极中的一个与所述声去耦器并置。
11.如权利要求1、2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括嵌入在所述压电元件中的温度补偿层。
12.如权利要求2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括嵌入在各所述FBAR的所述压电元件中的温度补偿层。
13.如权利要求1、2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括所述电极中的一个。
14.如权利要求2、3或4所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括各所述FBAR的所述电极中的一个。
15.如权利要求1-14中任一项所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括铌-钼(Nb-Mo)合金。
16.如权利要求15所述的FBAR器件，其中所述铌-钼合金具有从约17％到约51％范围的钼成分。
17.如权利要求15所述的FBAR器件，其中所述铌-钼合金具有从约32％到约36％范围的钼成分。
18.如权利要求1-14中任一项所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括钴-钯(Co-Pd)合金。
19.如权利要求18所述的FBAR器件，其中所述钴-钯合金具有从约92％到约96％范围的钯成分。
20.如权利要求18所述的FBAR器件，其中所述钴-钯合金具有从约93％到约95％范围的钯成分。
21.如权利要求1-14中任一项所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括铁电材料。
22.如权利要求21所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括铌酸铅镍(Pb(NixNb1-x)O3)，其中镍成分x约为1/3。
23.如权利要求21所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括霞石(KAlSiO4)(NaAlSiO4)3。
24.如权利要求21所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括钨酸锆(ZrW2O8)。
25.一种声器件，包括具有传播时间相关特性的声传播路径，所述传播时间相关特性具有温度系数，所述声传播路径包括声传播元件，具有至少部分地为所述声传播路径的传播时间相关特性所依赖的温度系数；以及温度补偿元件，具有其符号与所述声传播元件的温度系数相反的温度系数。
26.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括铌-钼(Nb-Mo)合金。
27.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括钴-钯(Co-Pd)合金。
28.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述温度补偿元件包括铁电材料。
29.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括铌酸铅镍(Pb(NixNb1-x)O3)，其中镍成分x约为1/3。
30.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括霞石(KAlSiO4)(NaAlSiO4)3。
31.如权利要求25所述的FBAR器件，其中所述铁电材料包括钨酸锆(ZrW2O8)。
全文摘要
温度补偿的薄膜体声谐振器FBAR器件(100)包括FBAR堆叠(111)。FBAR堆叠包括FBAR(110)和温度补偿元件(109)。FBAR由具有温度系数的谐振频率表征，并且FBAR包括对置平面电极(112、114)和在电极之间的压电元件(116)。压电元件具有至少部分为谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。温度补偿元件具有其符号与压电元件的温度系数相反的温度系数。
文档编号H03H9/00GK1902819SQ200480039134
公开日2007年1月24日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月30日
发明者J·D·拉森三世 申请人:阿瓦戈科技无线Ip(新加坡)股份有限公司