具有声阻层的体声波谐振器及其组件和制造方法、滤波器和电子设备与流程

1.本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其组件，一种制造体声波谐振器的方法，以及一种滤波器和一种电子设备。


背景技术：

2.随着5g通信技术的日益发展，对数据传输速率的要求越来越高。与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频系统的各种性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频系统和通信协议对于信噪比的要求。
3.传统的射频滤波器受结构和性能的限制，不能满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(fbar)作为一种新型的mems器件，具有体积小、质量轻、插入损耗低、频带宽以及品质因子高等优点，很好地适应了无线通信系统的更新换代，使fbar技术成为通信领域的研究热点之一。
4.现有技术中存在提高谐振器的并联谐振阻抗rp的值，以提高谐振器的性能的需要。


技术实现要素：

5.为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
6.根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
7.基底；
8.声学镜；
9.底电极；
10.压电层；和
11.顶电极，
12.其中：
13.顶电极、压电层、底电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
14.所述压电层包括第一层和第二层，第一层与第二层之间设置有声阻层，第二层在第一层的上方，所述声阻层的内边缘在水平方向上处于声学镜边界的内侧，所述声阻层的声阻不同于所述压电层的声阻，所述声阻层的外边缘处于压电层内部且由所述压电层限定；
15.在顶电极的非电极连接端，所述声阻层的外边缘在水平方向上处于所述顶电极的非电极连接端的外侧，且所述声阻层的外边缘在水平方向上超出预定边界的超出距离为谐振器的并联谐振阻抗的高值对应的距离，所述预定边界包括顶电极的非电极连接端的端缘、所述声学镜的边界、所述底电极的非电极连接端的端缘中的一种。
16.本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器组件，包括至少两个体声波谐振器，其中至少一个体声波谐振器为上述的谐振器。
17.本发明的实施例也涉及一种制造体声波谐振器的方法，所述谐振器包括基底、声学镜、底电极、压电层和顶电极，压电层包括第一层和第二层，第一层与第二层之间在顶电极的非电极连接端设置有声阻层，所述方法包括步骤：
18.在第一层上形成和图形化声阻材料层，所述声阻材料层的声阻不同于压电层的声阻；
19.利用第二层覆盖第一层以及其上的声阻材料层，所述声阻材料层的外边缘处于压电层内部且由所述压电层限定；
20.在第二层上形成顶电极，使得所述顶电极的非电极连接端在水平方向上处于所述声阻材料层的内边缘的外侧、且处于所述声阻材料层的外边缘的内侧，
21.其中：
22.所述方法包括步骤：使得所述声阻材料层的外边缘在水平方向上超出预定边界的超出距离为谐振器的并联谐振阻抗的高值对应的距离，所述预定边界包括顶电极的非电极连接端的端缘、所述声学镜的边界、所述底电极的非电极连接端的端缘中的一种。
23.本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的谐振器或组件。
24.本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器或上述的组件。
附图说明
25.以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
26.图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
27.图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图；
28.图3示例性示出了图2中aw结构的外边缘超出顶电极的非电极连接端的距离(d1)与谐振器的并联谐振阻抗(rp)之间的关系图；
29.图4为根据本发明的另一个示例性实施例的类似于沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图；
30.图5示例性示出了图4中aw结构的外边缘在顶电极的非电极连接端，超出声学镜边界的距离(d3)与谐振器的并联谐振阻抗(rp)之间的关系图；
31.图6为根据本发明的还一个示例性实施例的类似于沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图；
32.图7示例性示出了图6中aw结构的外边缘在顶电极的非电极连接端，超出底电极的非电极连接端的距离(d4)与谐振器的并联谐振阻抗(rp)之间的关系图；
33.图8为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
34.图9为根据本发明的一个示例性实施例的沿图8中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图；
35.图10为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
36.图11为根据本发明的一个示例性实施例的沿图10中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图；
37.图12为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
38.图13a-13g示例性示出了图9中的体声波谐振器的制作过程的截面示意图。
具体实施方式
39.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
41.10：基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
42.20：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明的实施例中采用的是空腔的形式。
43.20a：释放通道，将释放孔90与声学镜空腔相通。
44.21：牺牲层，在声学镜为空腔形式的情况下，在制备谐振器的过程中设置在该空腔中，在之后的工艺中被释放以形成声学镜空腔，牺牲层21可选二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
45.30：底电极(包括底电极引脚)，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
46.41：第一压电层，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(pzt)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、pzt等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(sc)、钇(y)、镁(mg)、钛(ti)、镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)等。
47.42：第二压电层，其材料与第一压电层的材料不同，也可相同，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(pzt)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、pzt等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(sc)、钇(y)、镁(mg)、钛(ti)、镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)等。
48.50：顶电极(包括顶电极引脚)，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
49.70：钝化层或工艺层，其可以是氮化铝、氮化硅或二氧化硅等。
50.80：声阻层，其声阻不同于第一压电层41和第二压电层42的声阻，在本发明图示的
实施例中，为空气隙(即aw)的形式，但是也可以为固态介质层的形式，例如二氧化硅或其掺杂材料，或者氮化硅或其掺杂材料。在本发明的实施例中，声阻层的声阻小于压电层的声阻，但是本发明不限于此，声阻层的声阻也可以大于压电层的声阻。
51.81：牺牲层，在制备谐振器的过程中设置在该空气隙对应的位置，在后续的工艺中被释放以形成该空气隙，牺牲层81可选二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
52.90：释放孔，用于释放声学镜空腔内的牺牲层材料。
53.91：释放通道，用于释放空隙层内的牺牲层材料。
54.图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图，图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图。
55.在图1-2中，体声波谐振器包括基底10，设置在基底10中的声学镜空腔20，底电极30，顶电极50和压电层，压电层包括第一压电层41和第二压电层42。在第一压电层与第二压电层之间设置有声阻层80，其为空气隙的形式。图1-2中还示出了钝化层70。
56.fbar横波的泄露是影响谐振器的q值和并联谐振阻抗rp的一个主要因素，引入aw结构可以部分解决该问题。但是，如何将谐振器有效区域外的横波携带的能量返回至谐振器内部也是需要重点解决的问题。
57.aw结构在有效区域的外部的长度会对泄露的横波向谐振器内部的反射造成一定的影响。当aw结构的端面和顶电极的非电极连接端的端面在横向方向上的距离满足横波半波长的奇数倍时，能够促进横波的反射而返回到谐振器内部，因此aw结构在谐振器的有效区域的外部的长度或距离能够影响谐振器的rp值，该长度或距离与顶电极的非电极连接端的端面、声学镜边界、底电极的非电极连接端的端面之间在水平方向上的距离均存在相关性。
58.在本发明中，可以通过选择aw结构的外边缘在水平方向上超出预定边界的超出距离来提高谐振器的并联谐振阻抗rp，所述预定边界包括顶电极的非电极连接端的端缘、所述声学镜的边界、所述底电极的非电极连接端的端缘中的一种。在本发明中，上述超出距离为谐振器的并联谐振阻抗的高值对应的距离。下面参照具体实施例对超出距离予以示例性说明。
59.在图1-2所示的实施例中，前述的预定边界为顶电极的非电极连接端的端缘；在顶电极的非电极连接端，aw结构的外边缘在水平方向上处于顶电极的非电极连接端的外侧以及声学镜边界的内侧，或者所述声阻层的外边缘在水平方向上与声学镜边界齐平(未示出)，且如图2所示，在水平方向上aw结构的外边缘与顶电极的非电极连接端之间存在第一距离d1，第一距离d1大于0，上述的超出距离为第一距离。
60.在图2所示的实施例，与第一距离d1对应，aw结构的外边缘不超过声学镜边界,并且d1的值会影响谐振器的性能。
61.图3示例性示出了图2中的aw结构的外边缘超出顶电极(tm)的非电极连接端的第一距离d1与谐振器的并联谐振阻抗rp之间的关系图，这是aw结构的该第一距离和谐振器的rp值在b1频段的关系图。由图3可知，谐振器的并联谐振阻抗rp随第一距离d1的值呈现明显的规律性，d1为0.25μm，1μm和1.75μm分别对应rp的三个高点，并且其高点值逐渐增加，在d1为1.75μm时，可以取得约6600欧姆的最大值。因此，图2所示结构中，d1的最优值为d1＝1.75μm。在图3对应的仿真模型中，声学镜边界距离顶电极的非电极连接端的端部的距离为固定
值3μm(图2中d0)，底电极的非电极连接端距离声学镜边界的距离为固定值5μm(图2中d5，即第五距离)，在图5和图7对应的仿真关系图中，d0与d5取相同的固定值。在本发明中，并联谐振阻抗的高值，对应于在超出距离与并联谐振频率rp的关系曲线中(超出距离为横轴，而并联谐振频率为纵轴)，并联谐振频率随超出距离变化而出现的高值。例如在图3中，可以对应于关系曲线中rp的三个峰值，该三个峰值就是rp的高值，与第一距离d1的0.25μm，1μm和1.75μm这三个超出距离分别对应。
62.需要指出的是，在本发明中，与并联谐振阻抗的高值对应的距离为与rp高值对应的超出距离(例如第一距离，以及后面提及的第三距离和第四距离)
±
15％范围内的距离值。例如，在图3所示的示例中，rp的一个高值对应的第一距离d1为1.75μm，则如果第一距离d1在1.75μmx0.85-1.75μmx1.15的范围内，就表示该第一距离d1构成与该rp高值对应的超出距离。虽然没有示出，aw结构的外边缘可与声学镜边界齐平。
63.图4为根据本发明的另一个示例性实施例的类似于沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图，图5示例性示出了图4中aw结构的外边缘在顶电极的非电极连接端，超出声学镜边界的第三距离d3与谐振器的并联谐振阻抗rp之间的关系图，这是aw结构的该第三距离和谐振器的rp值在b1频段的关系图。
64.如图4所示，在顶电极的非电极连接端，aw结构的外边缘在横向方向上处于底电极(bm)的非电极连接端与声学镜边界之间。在顶电极的非电极连接端，aw结构的外边缘与声学镜边界在水平方向上的距离为d3(第三距离)，且该距离d3在横向方向上没有超过底电极的非电极连接端的端面。如图5所示，第三距离d3的值的大小会影响谐振器的性能。在d3的值为0.25μm和1μm时取得rp的最大值为约4200欧姆，当大于1μm时rp存在明显的掉落。所以在对应的具体实施例中，d3的值应不大于1μm。从图4也可以看出，d3的大小对rp的影响小于d1对rp的影响。
65.在图4和图5所示的实施例中，上述的预定边界为声学镜边界，在顶电极的非电极连接端，aw结构的外边缘在水平方向上处于声学镜边界的外侧以及底电极的非电极连接端的内侧，且与声学镜边界在水平方向上存在第三距离d3，第三距离大于0，在图4所示的实施例中，上述超出距离为第三距离d3。
66.图6为根据本发明的还一个示例性实施例的类似于沿图1中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图，图7示例性示出了图6中aw结构的外边缘在底电极的非电极连接端，超出顶电极的非电极连接端的第四距离d4与谐振器的并联谐振阻抗rp之间的关系图，这是aw结构的该第四距离和谐振器的rp值在b1频段的关系图。如图6所示，在顶电极的非电极连接端，aw结构的外边缘处于底电极的非电极连接端的外侧，且aw结构距离底电极的非电极连接端的端部的距离为d4(第四距离)。如图7所示，第四距离d4的值对谐振器的rp影响呈现一定的周期性，在d4为1μm和3μm时取得最大值，为约3700欧姆。相比第一距离d1和第三距离d3，第四距离d4对rp的影响最小，并且rp的最大值也小于上述两种情况。
67.声阻层也可以进一步设置在顶电极的电极连接端，图8-9示出了这样的实施例。图8为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图，图9为根据本发明的一个示例性实施例的沿图8中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图。如图9所示，顶电极的非电极连接端以及顶电极的电极连接端均设置有aw结构。
68.图10为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图，图11为
根据本发明的一个示例性实施例的沿图10中的mom’线的体声波谐振器的截面示意图。在图10-11中，第二压电层42在顶电极的非电极连接端的外侧设置有通道91与aw结构或空隙层80相通。
69.如图10所示，空隙层80至少在顶电极的非电极连接端沿有效区域周向方向连续设置，相应的，通道91为沿有效区域周向设置的连续通道。
70.通过设置通道91，可以用于释放空隙层80内的牺牲层材料从而形成空隙层，此时通道91为释放通道，此外，还可以对第二压电层42在顶电极的非电极连接端进行切断或部分切断处理，以防止或减少谐振器工作过程中的能量泄露。
71.通道91也可以仅仅起到防止或减少谐振器工作过程中的能量泄露的作用。此时，声阻层80并非是空隙层的形式，而是固态介质层的形式。
72.在图1-2,4和6所示的图中，声阻层80为连续布置的形式，但是本发明不限于此。图12为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图，沿图12中的mom’线截得的截面图类似于图11。在图12中，可以看到，声阻层80包括多个声阻部，所述多个声阻部沿谐振器的有效区域在周向方向上间隔开布置。相应的，通道91可以是包括分别与所述多个声阻部相通的多个孔(此时对应于部分切断处理的情形)，也可以是沿有效区域的周向方向设置且与各个声阻部相通的连续通道(此时对应于切断的情形)。
73.下面参照图13a-13g示例性说明图9中的体声波谐振器的制作过程。需要指出的是，该制作过程也可以用于仅仅在顶电极的非电极连接端设置有声阻层的情况，此时，与下面的步骤不同的是，不再设置与该声阻层对应的牺牲层以及对该牺牲层的释放。
74.第一，如图13a所示，在基底10上表面形成作为声学镜20的空腔，接着在基底10的上表面设置牺牲材料，该牺牲材料填充该空腔，然后，通过cmp(化学机械研磨)工艺移除基底10上表面的牺牲材料并且使得空腔内的牺牲材料的上表面与基底10的上表面齐平从而形成牺牲层21。
75.第二，如图13b所示，在图13a的结构上沉积和图形化电极材料层，以形成底电极30。
76.第三，如图13c所示，在图13b的结构上沉积第一压电层41，其例如可以为未掺杂压电层。
77.第四，如图13d所示，在图13c的第一压电层41的上表面沉积和图形化牺牲材料，以形成牺牲层81。该牺牲层81在后期将被释放以用于形成aw结构80。如图13d所示，设置了用于顶电极的电极连接端和非连接端的牺牲层81。
78.第五，如图13e所示，在图13d的结构的上表面沉积第二压电层42，其例如可以为掺杂压电层。
79.第六，如图13f所示，在图13e的结构的上表面制备顶电极50和保护层或钝化层70。如图13f所示，顶电极的非电极连接端在水平方向上处于牺牲层81的内边缘的外侧、且处于牺牲层81的外边缘的内侧。
80.第七，释放牺牲层21和牺牲层81，以分别形成声学镜20和aw结构80，如图13g所示。
81.需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
82.在本发明中，上和下是相对于基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的
一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
83.在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近有效区域的中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离有效区域的中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与有效区域的中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离该有效区域的中心。
84.如本领域技术人员能够理解的，体声波谐振器可以用于形成滤波器或其他半导体器件。
85.基于以上，本发明提出了如下技术方案：
86.1、一种体声波谐振器，包括：
87.基底；
88.声学镜；
89.底电极；
90.压电层；和
91.顶电极，
92.其中：
93.顶电极、压电层、底电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
94.所述压电层包括第一层和第二层，第一层与第二层之间设置有声阻层，第二层在第一层的上方，所述声阻层的内边缘在水平方向上处于声学镜边界的内侧，所述声阻层的声阻不同于所述压电层的声阻，所述声阻层的外边缘处于压电层内部且由所述压电层限定；
95.在顶电极的非电极连接端，所述声阻层的外边缘在水平方向上处于所述顶电极的非电极连接端的外侧，且所述声阻层的外边缘在水平方向上超出预定边界的超出距离为谐振器的并联谐振阻抗的高值对应的距离，所述预定边界包括顶电极的非电极连接端的端缘、所述声学镜的边界、所述底电极的非电极连接端的端缘中的一种。
96.2、根据1所述的谐振器，其中：
97.所述预定边界为顶电极的非电极连接端的端缘；
98.在顶电极的非电极连接端，所述声阻层的外边缘在水平方向上处于所述顶电极的非电极连接端的外侧以及所述声学镜边界的内侧，或者所述声阻层的外边缘在水平方向上与声学镜边界齐平，且在水平方向上所述声阻层的外边缘与所述顶电极的非电极连接端之间存在第一距离(d1)，所述第一距离大于0，所述超出距离为所述第一距离。
99.3、根据1所述的谐振器，其中：
100.所述预定边界为声学镜边界；
101.在顶电极的非电极连接端，所述声阻层的外边缘在水平方向上处于声学镜边界的外侧以及底电极的非电极连接端的内侧，且与声学镜边界在水平方向上存在第三距离(d3)，所述第三距离大于0，所述超出距离为所述第三距离。
102.4、根据1所述的谐振器，其中：
103.所述底电极的非电极连接端的端缘为所述预定边界；
104.在顶电极的非电极连接端，所述声阻层的外边缘在水平方向上处于底电极的非电极连接端的外侧，且与底电极的非电极连接端在水平方向上存在第四距离(d4)，所述第四距离大于0，所述超出距离为所述第四距离。
105.5、根据1或4所述的谐振器，其中：
106.所述底电极的非电极连接端在水平方向上处于声学镜边界的外侧且与声学镜边界之间存在第五距离(d5)，所述第五距离大于0。
107.6、根据1-5中任一项所述的谐振器，其中：
108.所述声阻层为空隙层，或者固态介质层。
109.7、一种体声波谐振器组件，包括：
110.至少两个体声波谐振器，其中至少一个体声波谐振器为根据1-6中任一项所述的谐振器。
111.8、一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括基底、声学镜、底电极、压电层和顶电极，压电层包括第一层和第二层，第一层与第二层之间在顶电极的非电极连接端设置有声阻层，所述方法包括步骤：
112.在第一层上形成和图形化声阻材料层，所述声阻材料层的声阻不同于压电层的声阻；
113.利用第二层覆盖第一层以及其上的声阻材料层，所述声阻材料层的外边缘处于压电层内部且由所述压电层限定；
114.在第二层上形成顶电极，使得所述顶电极的非电极连接端在水平方向上处于所述声阻材料层的内边缘的外侧、且处于所述声阻材料层的外边缘的内侧，
115.其中：
116.所述方法包括步骤：使得所述声阻材料层的外边缘在水平方向上超出预定边界的超出距离为谐振器的并联谐振阻抗的高值对应的距离，所述预定边界包括顶电极的非电极连接端的端缘、所述声学镜的边界、所述底电极的非电极连接端的端缘中的一种。
117.9、一种滤波器，包括根据1-6中任一项所述的体声波谐振器，或根据7所述的体声波谐振器组件。
118.10、一种电子设备，包括根据9所述的滤波器，或根据1-6中任一项所述的体声波谐振器，或根据7所述的体声波谐振器组件。
119.这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、wifi、无人机等终端产品。
120.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。