体声波谐振器及相关设备、体声波谐振器的制备方法与流程

本技术涉及半导体，尤其涉及一种体声波谐振器及其制备方法、一种谐振器组件、一种滤波器和一种电子设备。

背景技术：

1、体声波谐振器的基本结构是由压电层和分布在其上下表面的金属电极构成的“三明治”结构，在压电层上下表面的金属电极上施加电压后，压电层会产生交变电场，由于压电层的逆压电效应，压电层会产生形变，微观上表现为声子的振动，宏观上形成声波，此声波为压电层内部的体声波(bulk acoustic wave，baw)，通过这样一个过程，将电能转化为以声波形式存在的机械能，体声波的传输路径等于上下电极和压电层的厚度和，当体声波波长与传输路径之间满足一定关系时，产生驻波振荡，此时信号在器件内部发生谐振，器件的等效阻抗出现极值。

2、为抑制声波能量泄露，通常在衬底和底电极之间设置有声反射元件，使声反射元件、底电极、压电层和顶电极的重叠部分构成有效谐振区域。根据体声波的极化方向与传播方向的关系，可分为纵向模式和横向模式。纵向模式即主谐振，对应沿着垂直于压电层的方向传播的纵波，纵波在上下两个电极之间呈周期性的反向运动，并在底电极与声反射元件的交界处反射回有效谐振区域以避免声波能量的损失，纵波在上下两个电极的所有地方呈现相同的相位；横向模式即寄生模式，谐振器产生纵波的同时，也会产生横波，横波沿着平行于压电层的方向横向传播，横波的振荡会导致能量在谐振器有效谐振区域边界处泄露，造成能量损耗，从而产生对器件q因子不利的影响。

3、现有体声波谐振器的顶电极需要向外延伸与另一谐振器或其他电元件进行连接，然而，顶电极向外连接部通常会与底电极、压电层在声反射元件边缘外的区域重叠，从而在非有效谐振区域产生谐振，造成寄生震荡。相比于空气，声波更倾向于在固态介质中传播，由于顶电极的一端向外连接形成顶电极连接部，而顶电极的其他端通常为空气，因此，声波也更倾向于向顶电极连接部传播，故声波在顶电极连接部的损耗更多。并且，非有效谐振区域的压电层生长的晶向通常过差，其产生的谐振会影响到有效谐振区域，导致谐振器性能变差。

4、由此可见，如何减小体声波谐振器的声能损失，提高器件q因子，成为人们关注的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种体声波谐振器及其制备方法、谐振器组件、滤波器及电子设备，以减小体声波谐振器的声能损失，提高器件q因子。

2、为实现上述目的，根据本技术的第一方面，一种体声波谐振器，包括：

3、衬底；

4、在所述衬底表面依次层叠设置的第一电极、压电层和第二电极，所述压电层延伸超过所述第一电极的末端，在所述第一电极和所述衬底之间设置有声反射元件，所述声反射元件、所述第一电极、所述压电层和所述第二电极的重叠部分为有效谐振区域；

5、所述第一电极和所述压电层之间具有第一间隙，所述第一间隙的始端与所述有效谐振区域的末端重合，在第一方向上，所述第一间隙的上表面不高于所述有效谐振区域内第一电极的上表面，所述第二电极除位于所述有效谐振区域内的部分外还包括第二电极连接部，所述第二电极连接部和所述压电层之间具有第二间隙，所述第二间隙的末端位于所述第一电极的末端外侧，所述第二间隙在第一方向上的投影和所述第一间隙在第一方向上的投影交错重叠，所述第一方向垂直于所述衬底所在平面。

6、可选的，所述第一间隙在所述第一方向上的投影和所述第二间隙在所述第一方向上的投影的重叠区域的宽度大于等于所述第一间隙的一半宽度。

7、可选的，在所述第一方向上，所述第二间隙的任一截面的上下端之间的距离的取值范围为10nm-200nm，包括端点值。

8、可选的，在所述第一方向上，所述第二间隙的任一截面的上下端之间的距离的取值范围为30nm-50nm，包括端点值。

9、可选的，在所述第一方向上，所述第一间隙的上表面为弧形状、倾斜状、台阶状或水平状。

10、可选的，所述第一电极在所述衬底表面上凸，在所述第一电极的上凸部分和所述衬底表面之间形成所述声反射元件，所述第一电极的上凸部分包括与所述衬底表面成倾斜夹角的第一斜坡区域；

11、所述第一间隙的始端与所述第一斜坡区域的始端重合，且所述第一间隙的末端超过所述第一斜坡区域的末端。

12、可选的，所述第一电极具有第一厚度减薄区，所述第一厚度减薄区的厚度小于所述有效谐振区域内第一电极的厚度，至少部分所述第一厚度减薄区与所述压电层之间形成所述第一间隙，且所述第一厚度减薄区的始端与所述第一间隙的始端重合。

13、可选的，在所述第一方向上，所述第一厚度减薄区的上表面为弧形状、倾斜状、台阶状或凹槽状。

14、可选的，所述第一厚度减薄区的末端与所述第一电极的末端重合，或位于所述第一电极的末端内侧。

15、可选的，所述第一厚度减薄区的末端位于所述第一电极的末端内侧，所述第一厚度减薄区的始端与所述第一电极的末端之间的水平距离不超过3μm。

16、可选的，所述第一电极和所述压电层之间还具有第三间隙，所述第三间隙位于所述有效谐振区域远离所述第一间隙的一侧或多侧，所述第二电极远离所述第二电极连接部的末端不超过所述第三间隙的末端。

17、在所述第一方向上，所述第三间隙的上表面不高于所述有效谐振区域内第一电极的上表面。

18、可选的，所述第一电极具有第二厚度减薄区，所述第二厚度减薄区的厚度小于所述有效谐振区域内第一电极的厚度，使得所述第二厚度减薄区和所述压电层之间形成所述第三间隙。

19、可选的，所述第三间隙由所述第一间隙环绕所述有效谐振区域而形成，所述第三间隙与所述第一间隙连通；

20、或，所述第三间隙和所述第一间隙不连通。

21、可选的，所述第一电极向所述声反射元件内部凹陷形成凹陷区，所述凹陷区和所述压电层之间形成所述第一间隙。

22、可选的，所述凹陷区的侧壁与所述声反射元件的侧壁直接接触或存在间隔。

23、可选的，所述第一间隙的始端与所述声反射元件的末端之间的水平距离不超过3μm。

24、可选的，在所述第一方向上，所述第二间隙的上表面为弧形状、倾斜状、台阶状、拱形状或凹形状。

25、可选的，在所述第一方向上，所述压电层各处厚度相等。

26、根据本技术的第二方面，一种谐振器组件，至少包括第一谐振器、电元件、以及连接结构，所述第一谐振器为上述任意一项所述的体声波谐振器；

27、所述连接结构的两端分别连接所述第一谐振器的第二电极连接部和所述电元件。

28、可选的，在所述第一方向上，所述连接结构的上表面与所述第一谐振器中有效谐振区域内第二电极的上表面齐平，且所述连接结构与所述压电层之间具有第四间隙。

29、可选的，所述第一谐振器的第二电极连接部通过所述连接结构以及连接件与所述电元件连接，所述压电层具有贯穿的通孔，所述连接件位于所述通孔内且与所述电元件连接，在所述第一方向上，所述连接件还由所述通孔延伸至所述压电层的上表面。

30、可选的，所述电元件包括谐振器、电感器、电容器或焊盘。

31、根据本发明的第三方面，一种体声波谐振器的制备方法，包括：

32、提供带有第一牺牲层或布拉格反射镜的衬底；

33、在所述衬底上形成第一电极，使得所述第一牺牲层或所述布拉格反射镜位于所述衬底和所述第一电极之间；

34、在所述第一电极背离所述衬底一侧形成压电层，并在所述第一电极与所述压电层之间形成第二牺牲层；

35、在所述压电层背离所述衬底一侧形成第二电极，并在所述压电层和第二电极之间形成第三牺牲层；

36、释放所述第一牺牲层，以形成空腔作为声反射元件，或直接将所述布拉格反射镜作为声反射元件，并释放所述第二牺牲层和所述第三牺牲层，从而在所述第一电极和所述压电层之间形成第一间隙，并在所述第二电极除位于所述有效谐振区域内的部分外的第二电极连接部和所述压电层之间形成第二间隙；

37、其中，所述声反射元件、所述第一电极、所述压电层和所述第二电极的重叠部分为有效谐振区域，所述第一间隙的始端与所述有效谐振区域的末端重合，在第一方向上，所述第一间隙的上表面不高于所述有效谐振区域内第一电极的上表面，所述第二间隙的末端位于所述第一电极的末端外侧，所述第二间隙在第一方向上的投影和所述第一间隙在第一方向上的投影交错重叠，所述第一方向垂直于所述衬底所在平面。

38、根据本发明的第四方面，一种滤波器，包括上述任意一项所述的体声波谐振器，或上述任意一项所述的谐振器组件。

39、根据本发明的第五方面，一种电子设备，包括上述任意一项所述的体声波谐振器，或上述任意一项所述的谐振器组件。

40、与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下优点：

41、本技术实施例所提供的体声波谐振器，包括衬底；在衬底表面依次层叠设置的第一电极、压电层和第二电极，压电层延伸超过第一电极的末端，在第一电极和衬底之间设置有声反射元件，声反射元件、第一电极、压电层和第二电极的重叠部分为有效谐振区域；第一电极和压电层之间具有第一间隙，第二电极除位于有效谐振区域内的部分外还包括第二电极连接部，第二电极连接部和压电层之间具有第二间隙，第一间隙的始端与有效谐振区域的末端重合，第二间隙的末端位于第一电极的末端外侧，也就是说，从有效谐振区域的末端开始，沿远离有效谐振区域的方向，先是第一电极和压电层之间被第一间隙隔开，然后是压电层和第二电极连接部之间被第二间隙隔开，直到第一电极的末端外侧，即在有效谐振区域边界处设置的包括第一间隙和第二间隙的双层间隙结构，将有效谐振区域边界处的第一电极、压电层和第二电极完全分隔开，使位于有效谐振区域外侧的第二电极连接部不会与压电层、第一电极形成重叠区域，避免了非有效谐振区域的寄生震荡。

42、同时，在第一电极和压电层之间的第一间隙，形成第一电极、第一间隙和压电层的形貌变化，在压电层和第二电极连接部之间的第二间隙，形成压电层、第二间隙和第二电极连接部的形貌变化，并且，在第一间隙和第二间隙均会产生声阻抗变化，从而起到反射横波，减少横波泄露，提高器件q因子的作用。此外，在有效谐振区域边界处设置的包括第一间隙和第二间隙的双层间隙结构，构成双重反射结构，可以叠加反射横波的效果，在有效谐振区域的边界处形成全反射，减小声能的损耗，最大可能地把声波的能量约束到纵波谐振模式中，特别是当两间隙为空气时，由于声波在空气界面的反射效率高，因此，能够更有效的减少声能的损失。

43、并且，在本技术实施例所提供的体声波谐振器中，由于第一电极、压电层和第二电极在有效谐振区域边界处均被间隙所分隔而处于相对自由状态，避免了电极层和压电层在有效谐振区域边界处直接接触的应力传递现象，因此，可以有效减小电极层和压电层的薄膜应力，从而减小器件在有效谐振区域边界处的应力堆积，当然，空气间隙减小应力传递的效果要优于填充介质材料的间隙。此外，电极层和压电层因为在两间隙处的相互支撑而更好地处于应力平衡状态，形成较强较稳定的结构。特别是，在垂直于衬底所在平面的方向(第一方向)上，第一间隙的上表面不高于有效谐振区域内第一电极的上表面，从而使压电层形貌平缓地过渡到衬底表面，减小压电层的应力，增强器件结构的可靠性。

44、另外，现有体声波谐振器在受到外力或者温度变化时，会发生形变，机械稳定性差，而目前在谐振器有效谐振区域边界处设置单一的间隙以反射横波时，不仅反射横波的效果有限，而且单一的空气间隙尺寸过大使其容易断裂或坍塌，造成谐振器整体结构稳定性变差。为此，在本技术实施例所提供的体声波谐振器中，通过设置第一间隙在第一方向上的投影和第二间隙在第一方向上的投影交错重叠，减小了单个间隙的尺寸，使任一间隙不至于过长过高造成间隙结构的断裂和坍塌，双层间隙结构同时还可以在水平方向上扩大整个间隙的长度，并能够更好地承受器件结构上的形变，使器件具有更好地机械稳定性。

45、本技术的其他目的、优点将结合附图在下述实施例中进行详细说明。