CN116436436A - 压电谐振器及其制作方法 - Google Patents
压电谐振器及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116436436A CN116436436A CN202310418741.0A CN202310418741A CN116436436A CN 116436436 A CN116436436 A CN 116436436A CN 202310418741 A CN202310418741 A CN 202310418741A CN 116436436 A CN116436436 A CN 116436436A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- piezoelectric
- piezoelectric resonator
- bottom electrode
- resonator according
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 38
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 56
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 56
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 46
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 60
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 42
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 39
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 31
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 28
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 21
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 3
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002498 deadly effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
- H03H9/02086—Means for compensation or elimination of undesirable effects
- H03H9/02118—Means for compensation or elimination of undesirable effects of lateral leakage between adjacent resonators
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
- H03H9/13—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
本发明属于谐振器技术领域，本发明提供一种压电谐振器，其包括底电极；压电层，压电层设置于底电极的一侧；顶电极，顶电极设置于压电层远离底电极的一侧；声波反射结构，声波反射结构形成于底电极远离压电层的一侧；顶电极、压电层、底电极以及声波反射结构交叠共同形成谐振区；其特征在于，压电谐振器还包括：***层，***层形成于顶电极远离压电层的一侧和/或底电极远离压电层的一侧，***层至少部分覆盖谐振区；以及，质量负载，质量负载形成于***层远离压电层的一侧；质量负载至少部分位于谐振区内。与相关技术相比，本发明压电谐振器具有高性能，工艺难度更低，可制造性和良率更高。
Description
【技术领域】
本发明涉及压电技术领域，尤其涉及一种压电谐振器及其制作方法。
【背景技术】
随着通讯网络技术以及电子信息技术的进步，通讯设备中的射频前端芯片朝着更小更复杂的方向发展。作为射频前端芯片中最重要的被动器件，滤波器一直是近年来的研究热点。由于智能设备日益增多，以及物联网和5G技术的不断普及，消费级市场对高性能滤波器和多工器的需求越来越大。其中，声学谐振器是滤波器和多工器的核心单元。目前主流的声学谐振技术包括表面声波技术SAW(Surface Acoustic Wave)和体声波技术BAW(BulkAcoustic Wave)。采用SAW技术的谐振器由于制造工艺简单，成本低，占据着中低频(2GHz以下)的主流市场。SAW谐振器的缺点是品质因子值低，材料的温漂差且与半导体工艺兼容性不佳。这种谐振器组成的滤波器矩形系数差，***损耗高，中心频率随温度漂移大。更致命的是随着频率的升高，SAW谐振器插指电极之间的间距减小，对工艺提出更高要求的同时器件的可靠性变差，这些缺点正在阻碍SAW谐振器应用于更高的频段。BAW谐振器的出现改善了许多SAW谐振器的缺点，并且成熟的半导体工艺对其制造的兼容性良好，但是由于BAW谐振器本身的工艺复杂，制造难度高，导致成本居高不下，使其在中高频段很难完全取代SAW谐振器，在低频甚至毫无竞争力。除了在通信领域的发展，由于其优异的性能，BAW谐振器也广泛应用于压电麦克风，压力传感器或其他传感器领域。
BAW谐振器区别于SAW谐振器，是利用纵波在压电薄膜中产生谐振，纵波的传播方向即为压电材料的厚度方向。通过调节压电材料以及电极材料的厚度，可以方便的调节谐振器的谐振频率。为了产生谐振，除了压电材料和对立布置于其上下用来产生电激励的电极层外，通常还有使波能在界面产生反射的声学反射镜。空气或者布拉格(Bragg)反射镜是最常用的反射镜结构。布拉格反射镜采用多组低声阻抗材料和高声阻抗材料交替的叠层结构实现对波的反射。这种反射镜虽然反射率高，但是仍然无法避免能量沿着反射镜泄漏。相比于布拉格反射镜，空气对波的反射效果更好，且阻断了能量泄漏的途径，所以往往能制造出质量因子更高的谐振器。为了在谐振结构中引入空气作为反射镜，相关的技术是在沉积电极层和压电层之前先在衬底中或者衬底上制作出空腔结构，以在衬底中形成空腔为例，在空腔中填充牺牲材料使表面平整，接着在空腔和衬底上方沉积电极层和压电层，最后用能腐蚀牺牲材料的腐蚀液或者气氛通过预先留出的释放通道与牺牲材料接触，释放出空腔，形成空气反射镜结构。
BAW谐振器工作时高频电压分别施加于顶电极和底电极，在交变电场的作用下，压电材料发生形变，空腔或者声反射镜之上的悬空膜层发生震荡，产生平行于厚度方向的纵波和沿垂直于厚度方向(横向)传播的杂波。在特定频率交变电压下，悬空薄膜将会发生谐振，器件呈现特殊的的电学特性，从而实现特定频率信号的传输。
现有技术中，从原理上说，虽然谐振时的主模式为纵波模式，然而，仍会有部分寄生模态伴随着纵波激发而形成。这些寄生模态既可以是驻波，在器件电学特性曲线上形成杂峰，增加滤波器的带内纹波和***损耗；又可以是横向传播的杂波，造成能量泄漏，增加滤波器***损耗，降低器件的品质因数(Q值)。
从典型的谐振器结构出发，现有技术的不足体现在：1.谐振区的能量容易随着伴生横向杂波泄漏到谐振区外，增加滤波器***损耗，降低器件的品质因数(Q值)。2.频率修整时，钝化层厚度会随着工艺的进行逐渐减薄，可能导致其无法完全覆盖顶电极层，尤其是在钝化层下层膜层厚度发生变化的交界处。顶电极暴露在外，容易被后续工艺腐蚀，在产品使用中也更容易出现失效。3.质量负载的图形化往往是用刻蚀的方法，但是由于质量负载的刻蚀在顶电极上无法完全停止，导致顶电极也会被部分刻蚀，使实际结构和设计出现偏差；由于谐振器的频率和层厚高度相关，这种偏差造成谐振器频率发生偏移；更加严重的是，这种不期望的刻蚀在工艺中不可控，且受到图形密度的影响，对不同器件的影响也不一致，最终会导致良率低下。4.质量负载的加入，使钝化层下的膜层厚度变化增大，随着频率修整，钝化层减薄，更容易暴露顶电极层或者质量负载，致使这些结构被后续工艺腐蚀，出现失效。5.顶电极上设置的质量负载导致谐振器的有效机电耦合系数降低，且谐振频率附近的杂波增大。因此，有必要提供一种新的谐振器来解决上述问题。
【发明内容】
本发明提供一种设置有***层和质量负载用以提高性能，同时降低工艺难度，提高可制造性和良率的谐振器。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电谐振器，其包括：
底电极；
压电层，所述压电层设置于所述底电极的一侧；
顶电极，所述顶电极设置于所述压电层远离所述底电极的一侧；
声波反射结构，所述声波反射结构形成于所述底电极远离所述压电层的一侧；所述顶电极、所述压电层、所述底电极以及所述声波反射结构交叠共同形成谐振区；所述压电谐振器还包括：
***层，所述***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧和/或所述底电极远离所述压电层的一侧，所述***层至少部分覆盖所述谐振区；以及，
质量负载，所述质量负载形成于所述***层远离所述压电层的一侧；所述质量负载至少部分位于所述谐振区内。
优选的，所述压电谐振器还包括设置于所述底电极远离所述压电层一侧的衬底。
优选的，所述声波反射结构为由所述衬底靠近所述底电极的一侧凹陷形成或设置于所述衬底与所述底电极之间的空腔，所述空腔至少部分位于所述谐振区内。
优选的，所述声波反射结构为设置于所述底电极远离所述顶电极一侧且至少部分位于所述谐振区的布拉格反射镜。
优选的，所述质量负载的外边缘与所述谐振区的外边缘的距离小于等于8um。
优选的，所述***层包括SiN、AlN、Al2O3、SiO2和多晶硅中一种或多种材料。
优选的，所述***层的厚度为1-1000nm。
优选的，所述质量负载为闭合环状结构。
优选的，所述质量负载为不闭合环状结构，所述不闭合环状结构由去除所述闭合环状结构的至少一个角或至少一条边形成。
优选的，所述质量负载为不闭合环状结构，所述不闭合环状结构为由在所述闭合环状结构上制作至少一个切口形成，所述切口相对设有侧壁，所述切口沿所述侧壁的延伸方向垂直于所述不闭合环状结构的外边缘。
优选的，所述质量负载为设有至少两个切口的不闭合环状结构，在复数个所述切口中至少有两个所述切口位于所述压电谐振器的同一纵截面上。
优选的，所述切口的宽度小于所述谐振区的边长的1/5或所述切口的宽度小于10um。
优选的，所述质量负载设置于所述谐振区的中心。
优选的，所述质量负载外边缘的形状与所述谐振区的形状一致，所述质量负载围成图形的外边缘各边平行于所述谐振区的外边缘。
优选的，所述质量负载围成的图形至少有一条边不和所述谐振区的外边缘平行。
优选的，所述压电层的两侧同时设置所述***层和所述质量负载；所述***层包括第一***层和第二***层，所述第一***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧，所述第二***层形成于所述底电极远离所述压电层的一侧；
所述质量负载包括第一质量负载和第二质量负载，所述第一质量负载形成于所述第一***层远离所述顶电极的一侧，所述第二质量负载形成于所述第二***层远离所述底电极的一侧。
优选的，所述压电谐振器还包括钝化层，所述钝化层设置于所述***层远离所述压电层一侧且所述钝化层至少部分覆盖所述谐振区。
第二方面，本发明实施例提供一种压电谐振器的制作方法，其包括步骤：
步骤S1、在衬底上沉积底电极层，并对所述底电极层图形化；其中，所述衬底上设有声波反射结构或牺牲层结构；
步骤S2、在所述底电极层远离所述衬底的一侧沉积压电层；
步骤S3、在所述压电层远离所述底电极层的一侧沉积顶电极层；
步骤S4、在所述顶电极层远离所述压电层的一侧沉积***层；
步骤S5、在所述***层远离所述顶电极层的一侧沉积质量负载层，并对所述质量负载层图形化。
优选的，所述步骤S3中，还包括对所述顶电极层图形化。
优选的，所述步骤S5之后，所述制作方法还包括步骤：
步骤S6、在所述质量负载层远离所述***层的一侧沉积钝化层。
优选的，所述制作方法还包括步骤：
步骤S7、对所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层图形化，以使所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层的边缘平齐。
优选的，所述制作方法还包括：在所述衬底的表面向远离所述表面的方向刻蚀空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底的表面平齐，所述牺牲层结构在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
优选的，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积牺牲层，并且对所述牺牲层图形化，再在所述牺牲层远离所述衬底的一侧沉积支撑层，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
优选的，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积支撑层，从所述支撑层远离所述衬底的表面向所述衬底的方向刻蚀所述支撑层形成空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底表面平齐，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
优选的，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积多层声阻抗不同的材料，形成布拉格反射镜，用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
优选的，所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层，以形成和所述顶电极层连通的顶电极接触孔。
优选的，所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层和/或所述压电层，以形成和所述底电极连通的底电极接触孔。
优选的，所述制作方法还包括：在所述钝化层远离所述质量负载层的一侧沉积互联金属层，所述互联金属层填充所述顶电极接触孔和/或所述底电极接触孔。
与相关技术相比，本发明压电谐振器，通过将压电层设置于底电极的一侧；顶电极设置于压电层远离底电极的一侧；声波反射结构形成于底电极远离压电层的一侧，所述顶电极、所述压电层、所述底电极以及所述声波反射结构交叠共同形成谐振区；所述***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧和/或所述底电极远离所述压电层的一侧，所述***层至少部分覆盖所述谐振区；所述质量负载形成于所述***层远离所述压电层的一侧；所述质量负载至少部分位于所述谐振区内。这样通过将***层作为刻蚀停止层，在质量负载的图形化过程中，可以确保质量负载的刻蚀截止在***层，不会继续刻蚀顶电极，从而提升工艺过程中的器件的一致性，提高工艺良率；在顶电极上引入***层，可以对其下层结构起到保护作用，不仅能防止这些结构在加工中被破坏，在器件使用过程中也可以保护这些结构不被环境中的水汽等腐蚀，提高器件的可靠性；本发明同时还限定了质量负载外边缘的位置，确保质量负载可以实质性地改善谐振器性能，提高谐振器综合性能质量因数FOM。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明实施例一的压电谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例一的压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图一；
图3为本发明压电谐振器的顶电极引出区域和谐振区的示意图；
图4为本发明压电谐振器的标准化谐振器综合质量因数FOM与质量负载外边缘位置的关系曲线图；
图5为本发明实施例二的压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图；
图6为本发明实施例三的压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图；
图7为本发明实施例四的压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图；
图8为本发明实施例五的压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图；
图9为本发明实施例六的压电谐振器的结构示意图；
图10为图9中压电谐振器的质量负载和谐振区的示意图；
图11为本发明实施例七的压电谐振器的结构示意图；
图12为本发明实施例八的压电谐振器的结构示意图；
图13为本发明压电谐振器的制作方法的流程图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
下面结合图1-12对本发明进行具体说明。本发明提供一种压电谐振器100，其包括：衬底1、底电极2、压电层3、顶电极4、声波反射结构7、***层5以及质量负载6。
衬底1设置于所述底电极远离所述压电层一侧。所述底电极2设置于所述衬底1的一侧。
所述压电层3设置于所述底电极2远离衬底1的一侧。
所述顶电极4设置于所述压电层3远离所述底电极2的一侧。
所述声波反射结构7形成于所述底电极2远离所述压电层3的一侧，所述顶电极4、所述压电层3、所述底电极2和所述声波反射结构7交叠共同形成谐振区9。
所述***层5形成于所述顶电极4远离所述压电层3的一侧和/或所述底电极2远离所述压电层3的一侧，所述***层5至少部分覆盖所述谐振区9。其中，谐振区9内一定设有质量负载6，谐振区9外可以有，也可以没有，此处不再一一限定。
所述质量负载6设置于所述***层5远离压电层3的一侧，且所述质量负载6至少部分设置于所述谐振区9内；通过所述质量负载6来调节所述压电谐振器100的声阻抗和频率。所述***层5和所述质量负载6同时设置于所述压电层3的某一侧或两侧。通过将***层5作为刻蚀停止层，在质量负载6的图形化过程中，可以确保质量负载6的刻蚀截止在***层5，不会继续刻蚀顶电极4，***层5可以提升工艺过程中的器件的一致性，提高工艺良率；在顶电极4上引入***层5，可以对其下层结构起到保护作用，不仅能防止这些结构在加工中被破坏，在器件使用过程中也可以保护这些结构不被环境中的水汽等腐蚀，提高器件的可靠性。
所述***层5一般选用防护性材料，如SiN、AlN、Al2O3、SiO2和多晶硅等众多可以起到保护作用的材料中的一种或多种材料组合形成。根据工艺能力和需求，***层厚度可选择的范围为1nm～1000nm。为了维持刻蚀停止层良好的防护效果，同时兼顾电极层和压电层厚度以及器件整体的频率，***层优选的范围为30nm～500nm。需要指出的是，不同频率的谐振器和滤波器在设计时一般电极层以及压电层厚度随频率各不相同。器件工作频率越低，整体厚度越厚，器件性能对***层厚度的敏感性降低，***层可以选用范围更广；器件工作频率越高，整体厚度越薄，器件性能对***厚度的敏感性提高，***层往往只能选较薄的厚度，选用范围更窄。同时本发明还限定了质量负载6外边缘的位置，确保质量负载可以实质性地改善谐振器性能，提高FOM。
本发明提供的压电谐振器100中，所述声波反射结构7为由所述衬底1靠近所述底电极2的一侧凹陷形成或设置于所述衬底1与所述底电极2之间的空腔71，空腔71至少部分位于所述谐振区9内，具体可参阅图1及图9。
所述空腔71为通过刻蚀所述衬底1并填充和释放牺牲层来形成，也可以通过在所述衬底1上设置和释放牺牲层来形成，也可以借助SOI晶圆和相关空腔工艺形成或通过在叠层上设置牺牲层，键合另外一片晶圆，然后释放牺牲层形成。
可以理解的是，在其他实施例中，所述声波反射结构7还可以为设置于所述底电极2远离所述顶电极4一侧且至少部分位于所述谐振区9内的布拉格反射镜(图中未示出)，可根据实际需求进行选择性设计。下面结合具体的实施例对本发明进一步的说明。
如图1所示，所述***层5形成于所述顶电极4远离所述压电层3的一侧，所述质量负载6的外边缘与所述谐振区9的外边缘的距离小于等于8um。其中，所述质量负载6的外边缘可以设置于所述谐振区9外边缘外侧，可以和所述谐振区9外边缘齐平，亦或是设置于所述谐振区9外边缘内侧，但是为了使是质量负载可以实质性地改善谐振器性能，提高FOM，其外边缘距离所述谐振区9外边缘不得超过8um。
具体的，如图2所示，质量负载6外边缘可以设置在谐振区9外边缘之内(d>0)，可以和谐振区9外边缘平齐(d＝0)，也可以设置在谐振区9外边缘之外(d<0)；图4所示为实测压电谐振器100的FOM(Q*kts)随d的变化曲线，其中，FOM为谐振器综合性能质量因数，是评价谐振器性能的综合指标。图中FOM值做了归一化处理，只有当FOM>1时，质量负载6结构可以提升压电谐振器100性能。
从图4中可以看出，当质量负载6外边缘和谐振区9外边缘平齐时(d＝0)，压电谐振器100性能提升最大；当质量负载6外边缘距谐振区9外边缘满足-1um<d<1um时，压电谐振器100性能提升较大；当质量负载6外边缘距谐振区9外边缘满足-8um≤d≤8um时，质量负载6对压电谐振器100性能有提升作用。根据实测结果，本发明压电谐振器100的结构限定质量负载6的外边缘距离所述谐振区9外边缘不超过8um；其中，距离在1um以内，性能提升效果更好；当质量负载6外边缘和谐振区9外边缘平齐时(d＝0)，性能提升效果最好。
需要特别指出的，本发明限定了质量负载6外边缘和谐振区9外边缘之间的关系；而谐振区9外边缘和电极区外边缘不能等同。如图3所示，顶电极4区域包含了谐振区9和顶电极引出区域11；所以谐振区9外边缘和电极区(9+11)外边缘的范围不一样，不能混淆；如果把限定替换成，质量负载6外边缘距离电极区外边缘不超过8um，顶电极引出区域11以及周边因为限定范围变化而多出的的质量负载6可能会阻挡顶电极4的电连接，导致压电谐振器100出现断路，如果要克服质量负载6的阻挡，工艺上需要多一步质量负载6的刻蚀，反而增加了工艺难度。
如图5-6所示，所述质量负载6沿着所述谐振区9的周缘布置围成一个闭合环形结构或不闭合环形结构，且所述质量负载6至少覆盖所述谐振区9的一部分。
所述质量负载6可为不闭合环状结构，如图5-6所示，所述不闭合环形结构由去除所述闭合环形结构的至少一个角或一条边形成。在对Q值影响不大的情况下，去除部分质量负载6，可以促进机械能和电能的相互转化，增大有效机电耦合系数，当复数个压电谐振器100级联成滤波器后，可以有效拓展滤波器带宽。去除质量负载6的区域没有引起声阻抗失配，无法反射传播到该区域的横波，虽然会造成部分能量泄露，但是同时也削弱了压电谐振器100谐振点附近的杂波，帮助改善滤波器整体性能。去除部分质量负载6对金属剥离工艺(Lift off)更加友好，使图形化成功率更高，工艺良率提升。
如图7-8所示，所述不闭合环状结构也可为由在所述闭合环状结构上制作至少一个切口10形成。所述切口10的宽度小于所述谐振区9的边长的1/5或所述切口10的宽度小于10um。
如图7所示，所述切口10相对设有侧壁12，所述切口10沿所述侧壁12的延伸方向垂直于所述不闭合环状结构的外边缘；切口10方向垂直于不闭合环状结构的外边缘，有助于释放集中的声波能量，防止驻波能量过强，产生较大的杂波；但切口10尺寸不能太大，否则会导致更多的能量泄露，造成Q值大幅下降；考虑到切口10对边的占比，工艺窗口以及驻波波长，切口10大小最好小于谐振区9边长的1/5或者小于10um。
带有切口的另一种实施例，如图8所示，所述不闭合环形结构由所述闭合环形结构上制作至少两个切口10形成，在复数个所述切口10中至少有两个所述切口10位于压电谐振器100的同一截面上。这样通过多切口10设置，并且至少有两个切口10设置在压电谐振器100同一个截面上，相比于单切口设置，可以更高效地释放集中的声波能量，防止驻波能量过强，产生较大的杂波。
如图9-10所示，所述***层5设置于所述顶电极4远离所述压电层3的一侧；所述质量负载6设置于所述谐振区9的中心，且所述质量负载6的周缘位于所述谐振区9的周缘以内。通过在谐振区9***去除质量负载6，使声波能量更容易泄漏到谐振区9外，减少驻波能量，削弱了压电谐振器100谐振点附近的杂波；由于大部分区域覆盖质量负载6，压电谐振器100频率得以调整，多种频率不同的压电谐振器100级联可以用于大带宽或特殊用途的滤波器设计。
如图11所示，所述***层5形成于所述底电极2远离所述压电层3的一侧，所述质量负载6形成于所述***层5远离所述底电极2的一侧，且所述质量负载6位于所述空腔71内。底电极2设置***层5和质量负载6，和顶电极4一侧设置的结构相同，可以提高压电谐振器100的性能；底电极2一侧设置***层5和质量负载6，同时也给顶电极4设计赋予更多的灵活性，比如在顶电极4上构造另外的压电层3，需要顶电极4上结构简单且尽量平整，因此不适合增加质量负载6结构，这种情况下底电极2设置质量负载6可以保证压电谐振器100高性能同时实现平整的顶电极4。
如图12所示，所述压电层3的两侧同时设置所述***层5和所述质量负载6；所述***层5包括第一***层51和第二***层52，所述第一***层51形成于所述顶电极4远离所述压电层3的一侧，所述第二***层52形成于所述底电极2远离所述压电层3的一侧；所述质量负载6包括第一质量负载61和第二质量负载62，所述第一质量负载61形成于所述第一***层51远离所述顶电极4的一侧，所述第二质量负载62形成于所述第二***层52远离所述底电极2的一侧。顶电极4和底电极2同时设置***层5和质量负载6，根据压电谐振器100需要，上下两层质量负载6相关尺寸参数可以相同，以实现对于某些特定频率声波的约束，相比单一***层5与质量负载6组合，能更高效地限制能量泄露；上下两层质量负载6相关尺寸参数也可以不同，分别束缚不同频率的声波，亦可减少能量泄露；顶电极4和底电极2同时设置***层5和质量负载6，增加了压电谐振器100的设计参数，可以通过调配上下质量负载6相关尺寸参数，在压电谐振器100性能以及质量负载6引入的寄生谐振效应之间做出择优选择；和单一***层5与质量负载6组合相比，可以实现至少相同的性能，更弱的寄生谐振或者相同寄生谐振，更好的性能。
可选的，第一***层51和第二***层52的材料和结构尺寸可以相同，也可以不同。所述第一质量负载61和第二质量负载62的材料和结构尺寸可以相同，也可以不同。所述底电极2和顶电极4的材料和结构尺寸可以相同，也可以不同。
本发明提供的压电谐振器100中，可参阅图1及图11-12，所述压电谐振器100还包括钝化层8，所述钝化层8设置于所述顶电极4和所述***层5远离所述顶电极4的一侧和/或所述底电极2和所述***层5远离所述底电极2一侧，且所述钝化层8至少部分覆盖所述谐振区9。钝化层8用于保护顶电极4和/或底电极2，防止顶电极4和底电极2被腐蚀，提高压电谐振器100的使用寿命；除此之外，钝化层也常常用于谐振器频率的微调和补偿。
可选的，如图11-12所示，所述钝化层8包括设置于所述第一质量负载61远离所述顶电极4一侧的第一钝化层81和设置于所述第二质量负载62远离所述底电极2一侧的第二钝化层82。第一钝化层81和第二钝化层82用于保护第一质量负载61和第二质量负载62。
所述钝化层8远离所述质量负载6的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层和/或所述压电层3，以形成和所述底电极2连通的底电极接触孔13，所述底电极接触孔13内***导电柱14，用于实现底电极2和顶电极4电连接。
如图1-12所公开的实施例中，所述质量负载6围成的图形各边平行于所述谐振区9的外边缘。可以理解的是，在其他实施例中，所述质量负载6围成的图形各边可设置为不全都平行于所述谐振区9的外边缘。同时，在其他实施例中，质量负载的边缘不一定是直线，也可以是弧线或者折线。因此，质量负载的边缘可以根据实际设计需求进行设置，其仍在本发明的保护范围内。
请参阅图13所示，本发明还提供一种压电谐振器的制作方法，其包括步骤：
步骤S1、在衬底上沉积底电极层，并对所述底电极层图形化；其中，所述衬底上设有声波反射结构或牺牲层结构；
步骤S2、在所述底电极层远离所述衬底的一侧沉积压电层；
步骤S3、在所述压电层远离所述底电极层的一侧沉积顶电极层；
步骤S4、在所述顶电极层远离所述压电层的一侧沉积***层；
步骤S5、在所述***层远离所述顶电极层的一侧沉积质量负载层，并对所述质量负载层图形化。
通过上述步骤S1-步骤S5得到的压电谐振器，通过将***层作为刻蚀停止层，在质量负载的图形化过程中，可以确保质量负载的刻蚀截止在***层，不会继续刻蚀顶电极，***层可以提升工艺过程中的器件的一致性，提高工艺良率；在顶电极上引入***层，可以对其下层结构起到保护作用，不仅能防止这些结构在加工中被破坏，在器件使用过程中也可以保护这些结构不被环境中的水汽等腐蚀，提高器件的可靠性；同时还能限定了质量负载外边缘的位置，确保质量负载对性能提升可以起到正向作用，压电谐振器的性能提升效果良好。
所述步骤S3中，还包括对所述顶电极层图形化。用于适应多种压电谐振器使用，适用范围广。
所述步骤S5之后，所述制作方法还包括步骤：
步骤S6、在所述质量负载层远离所述***层的一侧沉积钝化层。通过钝化层用于保护顶电极层和/或底电极层，增加压电谐振器的使用寿命。
进一步的，所述制作方法还包括步骤：
步骤S7、对所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层图形化，以使所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层的边缘平齐。
所述制作方法还包括：在所述衬底的表面向远离所述表面的方向刻蚀空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底的表面平齐，所述牺牲层结构在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积牺牲层，并且对所述牺牲层图形化，再在所述牺牲层远离所述衬底的一侧沉积支撑层，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积支撑层，从所述支撑层远离所述衬底的表面向所述衬底的方向刻蚀所述支撑层形成空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底表面平齐，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积多层声阻抗不同的材料，形成布拉格反射镜，用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层，以形成和所述顶电极层连通的顶电极接触孔。
所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层和/或所述压电层，以形成和所述底电极连通的底电极接触孔。
所述制作方法还包括：在所述钝化层远离所述质量负载层的一侧沉积互联金属层，所述互联金属层填充所述顶电极接触孔和/或所述底电极接触孔。
与相关技术相比，本发明压电谐振器，通过将压电层设置于底电极的一侧；顶电极设置于压电层远离底电极的一侧；声波反射结构形成于底电极远离压电层的一侧，所述顶电极、所述压电层、所述底电极以及所述声波反射结构交叠共同形成谐振区；所述***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧和/或所述底电极远离所述压电层的一侧，所述***层至少部分覆盖所述谐振区；所述质量负载形成于所述***层远离所述压电层的一侧；所述质量负载至少部分位于所述谐振区内。这样通过将***层作为刻蚀停止层，在质量负载的图形化过程中，可以确保质量负载的刻蚀截止在***层，不会继续刻蚀顶电极，从而提升工艺过程中的器件的一致性，提高工艺良率；在顶电极上引入***层，可以对其下层结构起到保护作用，不仅能防止这些结构在加工中被破坏，在器件使用过程中也可以保护这些结构不被环境中的水汽等腐蚀，提高器件的可靠性；本发明同时还限定了质量负载外边缘的位置，确保质量负载可以实质性地改善谐振器性能，提高FOM。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (28)
1.一种压电谐振器，其包括：
底电极；
压电层，所述压电层设置于所述底电极的一侧；
顶电极，所述顶电极设置于所述压电层远离所述底电极的一侧；
声波反射结构，所述声波反射结构形成于所述底电极远离所述压电层的一侧；所述顶电极、所述压电层、所述底电极以及所述声波反射结构交叠共同形成谐振区；其特征在于，所述压电谐振器还包括：
***层，所述***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧和/或所述底电极远离所述压电层的一侧，所述***层至少部分覆盖所述谐振区；以及，
质量负载，所述质量负载形成于所述***层远离所述压电层的一侧；所述质量负载至少部分位于所述谐振区内。
2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述压电谐振器还包括设置于所述底电极远离所述压电层一侧的衬底。
3.根据权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于，所述声波反射结构为由所述衬底靠近所述底电极的一侧凹陷形成或设置于所述衬底与所述底电极之间的空腔，所述空腔至少部分位于所述谐振区内。
4.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述声波反射结构为设置于所述底电极远离所述顶电极一侧且至少部分位于所述谐振区的布拉格反射镜。
5.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载的外边缘与所述谐振区的外边缘的距离小于等于8um。
6.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述***层包括SiN、AlN、Al2O3、SiO2和多晶硅中一种或多种材料。
7.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述***层的厚度为1-1000nm。
8.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载为闭合环状结构。
9.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载为不闭合环状结构，所述不闭合环状结构由去除所述闭合环状结构的至少一个角或至少一条边形成。
10.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载为不闭合环状结构，所述不闭合环状结构为由在所述闭合环状结构上制作至少一个切口形成，所述切口相对设有侧壁，所述切口沿所述侧壁的延伸方向垂直于所述不闭合环状结构的外边缘。
11.根据权利要求10所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载为设有至少两个切口的不闭合环状结构，在复数个所述切口中至少有两个所述切口位于所述压电谐振器的同一纵截面上。
12.根据权利要求10或11所述的压电谐振器，其特征在于，所述切口的宽度小于所述谐振区的边长的1/5或所述切口的宽度小于10um。
13.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载设置于所述谐振区的中心。
14.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载外边缘的形状与所述谐振区的形状一致，所述质量负载围成图形的外边缘各边平行于所述谐振区的外边缘。
15.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述质量负载围成的图形至少有一条边不和所述谐振区的外边缘平行。
16.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述压电层的两侧同时设置所述***层和所述质量负载；所述***层包括第一***层和第二***层，所述第一***层形成于所述顶电极远离所述压电层的一侧，所述第二***层形成于所述底电极远离所述压电层的一侧；
所述质量负载包括第一质量负载和第二质量负载，所述第一质量负载形成于所述第一***层远离所述顶电极的一侧，所述第二质量负载形成于所述第二***层远离所述底电极的一侧。
17.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述压电谐振器还包括钝化层，所述钝化层设置于所述***层远离所述压电层一侧且所述钝化层至少部分覆盖所述谐振区。
18.一种压电谐振器的制作方法，其特征在于，其包括步骤：
步骤S1、在衬底上沉积底电极层，并对所述底电极层图形化；其中，所述衬底上设有声波反射结构或牺牲层结构；
步骤S2、在所述底电极层远离所述衬底的一侧沉积压电层；
步骤S3、在所述压电层远离所述底电极层的一侧沉积顶电极层；
步骤S4、在所述顶电极层远离所述压电层的一侧沉积***层；
步骤S5、在所述***层远离所述顶电极层的一侧沉积质量负载层，并对所述质量负载层图形化。
19.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括对所述顶电极层图形化。
20.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5之后，所述制作方法还包括步骤：
步骤S6、在所述质量负载层远离所述***层的一侧沉积钝化层。
21.根据权利要求20所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括步骤：
步骤S7、对所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层图形化，以使所述钝化层、所述质量负载层、所述***层和所述顶电极层的边缘平齐。
22.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述衬底的表面向远离所述表面的方向刻蚀空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底的表面平齐，所述牺牲层结构在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
23.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积牺牲层，并且对所述牺牲层图形化，再在所述牺牲层远离所述衬底的一侧沉积支撑层，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
24.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积支撑层，从所述支撑层远离所述衬底的表面向所述衬底的方向刻蚀所述支撑层形成空腔，沉积牺牲材料填满所述空腔，并用化学机械抛光的方法磨平，使所述牺牲材料与所述衬底表面平齐，所述牺牲层在工艺最后会被释放形成空腔，所述空腔用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
25.根据权利要求18所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述衬底上沉积多层声阻抗不同的材料，形成布拉格反射镜，用来反射声波，从而形成所述声波反射结构。
26.根据权利要求20所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层，以形成和所述顶电极层连通的顶电极接触孔。
27.根据权利要求20所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：从所述钝化层远离所述质量负载层的表面向衬底方向刻蚀所述钝化层和/或所述压电层，以形成和所述底电极连通的底电极接触孔。
28.根据权利要求20所述的压电谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述钝化层远离所述质量负载层的一侧沉积互联金属层，所述互联金属层填充所述顶电极接触孔和/或所述底电极接触孔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310418741.0A CN116436436A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 压电谐振器及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310418741.0A CN116436436A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 压电谐振器及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116436436A true CN116436436A (zh) | 2023-07-14 |
Family
ID=87088790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310418741.0A Pending CN116436436A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 压电谐振器及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116436436A (zh) |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310418741.0A patent/CN116436436A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10756702B2 (en) | Acoustic resonator and acoustic resonator filter including the same | |
| CN111162746B (zh) | 一种体声波谐振器的平坦压电层结构及制作工艺 | |
| CN111669141B (zh) | 一种体声波谐振器的电极结构及制作工艺 | |
| CN111211757B (zh) | 一种体声波谐振器的顶电极结构及制作工艺 | |
| KR102345116B1 (ko) | 음향 공진기 및 그 제조방법 | |
| EP3669456A1 (en) | High q bulk acoustic resonator with dielectric flaps | |
| EP4354729A1 (en) | Bulk acoustic resonator, fabrication method therefor, filter, and electronic device | |
| KR102449355B1 (ko) | 음향 공진기 및 그의 제조 방법 | |
| CN216390944U (zh) | 压电谐振器 | |
| US7078984B2 (en) | Duplexer and method of manufacturing same | |
| CN112468106B (zh) | 体声波谐振器 | |
| CN117526892A (zh) | 一种薄膜体声波谐振器及其制作方法和电子设备 | |
| CN116111966B (zh) | 一种滤波器、体声波谐振器结构及其制作方法 | |
| KR102172638B1 (ko) | 음향 공진기 및 그 제조 방법 | |
| KR101099439B1 (ko) | 박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조 방법 | |
| CN116436436A (zh) | 压电谐振器及其制作方法 | |
| KR102450602B1 (ko) | 체적 음향 공진기 | |
| KR20180131314A (ko) | 음향 공진기 및 그의 제조 방법 | |
| CN111786652B (zh) | 体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信*** | |
| CN117579026B (zh) | 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 | |
| CN111786648A (zh) | 体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信*** | |
| CN117498828B (zh) | 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 | |
| KR102636254B1 (ko) | 기계적, 전기적 및 열역학적 특성이 향상된 음향 공진기 및 이의 제조방법 | |
| KR20220014194A (ko) | 체적 음향 공진기 및 그 제조 방법 | |
| CN117997304A (zh) | 一种谐振器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Ke Inventor after: Yang Shuai Inventor after: Zhang Lirong Inventor after: Zhang Zhang Inventor after: Zhuang Zhiqiang Inventor after: Wang Chao Inventor before: Wu Ke Inventor before: Yang Shuai Inventor before: Zhang Lirong Inventor before: Zhang Zhang Inventor before: Zhuang Zhiqiang Inventor before: Wang Chao Inventor before: Zhao Junwu |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |