专利名称：电声谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到电声波谐振器。谐振器是滤波器的基本构件。
尤其由于例如2G和3G手机的无线应用中的射频(RF)前端选择性，对薄膜体声波(BAW)谐振器滤波器的兴趣正在日益增长，。这一技术提供了集成和小型化的最佳可能性。电声波谐振器的一个重要参数是其耦合因子kr，由kr2＝[1-(fr/fa)2]确定。在此方程中，fr和fa是谐振器的谐振和反谐振，亦即，最小和最大阻抗的频率。可得到的最大滤波器带宽与kr2成比例。
BAW谐振器主要由包含二个邻接于压电层的电极层的层序列组成。对于RF应用，此压电层通常由诸如氮化铝(AlN)之类的材料淀积层组成。为了缩短淀积时间，希望谐振器的压电层合理地薄。薄膜压电材料的缺点是其耦合系数kt相当低。由于谐振器的耦合因子kr与耦合系数kt成比例，故必须优化电声谐振器的设计，以便补偿薄膜压电材料的相当低的耦合系数kt。例如，对于3G UMTS接收(RX)波段和发射(TX)波段，要求高的耦合因子kr。
WO 02/23720 Al公开了一种谐振器，它包含第一电极、第二电极、以及排列在上述二者之间的压电层。声阻抗大于第一电极的第一声压缩层，被排列在压电层与第一电极之间。为了保证电极的电阻足够低，此文献表明电极至少要200nm厚。该文献中电极优选由厚度为300-60Onm的铝(Al)组成。这种电极导致低的电阻，且对借助于设置声压缩层而得到的耦合系数仅仅起很小的有害作用。
美国专利6051907公开了一种用于调谐位于晶片上的薄膜体声波谐振器(FBAR)的方法。若中心频率不同于目标数值，则此方法被用来进行微调，并借助于腐蚀顶部电极而完成。根据US 6051907，在切割晶片之前，制作在晶片上的薄膜体声波谐振器的结构被改变。此方法使FBAR呈现分别在设计串联或并联谐振频率的可接受误差范围内的串联或并联谐振频率。在US 6051907的一个实施例中，顶部和底部电极都包含厚度为300nm的钼(Mo)。由于此文献中的微调方法基于FBAR顶部电极的减薄，这导致FBAR串联电阻增大，故提议将(钼的)顶部电极设计成厚度为400nm并具有压电材料(此时为氧化锌(ZnO))的相应较薄层。
本发明的目的是提供一种具有增大的滤波器带宽的电声波谐振器。
利用具有包含压电层以及顶部和底部电极层的层结构的电声谐振器，达到了此目的，其中二个电极层的厚度不相等，且顶部电极层比底部电极层更薄。在此结构中，得到了最大谐振器耦合因子。由于在压电层内部，外加电场(沿垂直于层的方向大致恒定)与直接与声波耦合的电场(在薄电极之间的中间平面附近大致为余弦，但对于最佳电极厚度更接近恒定)的空间分布之间的匹配得到了改进，故出现了这一提高。
电声谐振器可以是牢固安装的薄膜谐振器(SBAR)或可以具有膜片结构，也称为薄膜体声波谐振器(FBAR)。FBAR的层序列通常为腐蚀停止层/底部电极层/压电层/顶部电极层。由于在谐振器上方和下方的自由空间界面处具有全反射器，故能量被限制住。SBAR的层序列通常为衬底/布拉格反射器/底部电极层/压电层/顶部电极层。布拉格反射器包含交替的高和低机械阻抗层，并在谐振器下方提供所需的反射。在典型滤波器的设计中，顶部电极上方的质量负载层被包括在谐振器的附属装置中。质量负载的谐振器比非质量负载的谐振器具有稍许更低的fr和fa。在所有情况下，谐振频率都大致反比于压电层的厚度。对于通常的RF应用，所有层的厚度都约为100nm-2000nm的量级。衬底的厚度通常为0.1mm-2mm的量级。
电声谐振器的至少一个电极层可以由二种(或多种)导电材料的叠层组成。此处将这种结构称为“多层(sandwich)”结构。由于这些导电材料会影响电损耗和带宽，故必须小心地选择这些导电材料。
在该电声谐振器的一个实施方案中，导电的薄扩散阻挡层(barrier)被形成在电极层之间。
在另一实施方案中，叠层内与压电层接触的导电材料具有比不与压电层接触的导电材料更高的声阻抗。
在另一实施方案中，叠层内与压电层接触的导电材料具有比不与压电层接触的外部导电材料更低的声阻抗。外部导电材料优选是诸如金(Au)或铂(Pt)之类的保护谐振器表面的贵金属。
声阻抗较低的导电材料优选包含铝(Al)。
声阻抗较高的导电材料包含例如铂(Pt)、钨(W)、钼(Mo)、钛钨(TixW1-x，0＜x＜1)、或金(Au)。
电极层之间和/或电极之间的扩散阻挡层可以由氮化钛(TiN)或钛(Ti)组成，或可以由氮化钛(TiN)和钛(Ti)的组合组成。
例如，本发明的电声谐振器能够被用于中心频率为1.95GHz的滤波器。这是对应于UMTS 3G标准的发射(TX)带的中心频率。对于这种应用，要求的带宽非常接近用氮化铝作为压电层可得到的最大值。
用于中心频率大约为2GHz的滤波器的一个优选实施方案，是一种电声谐振器，其电极层包含钼，对于大约2GHz的谐振频率，顶部层的厚度大约为200nm，且底部层的厚度大约在300nm，这些厚度大致反比于谐振频率。
另一优选实施方案是一种电声谐振器，其电极层包含铂，对于大约2GHz的谐振频率，顶部层的厚度大约为50nm，且底部层的厚度大约为150nm，这些厚度大致反比于谐振频率。
本发明的电声谐振器可以被用作射频(RF)滤波器的组件，或用作传感器、超声换能器、超声换能器阵列中所用的组件。
参照下列实施方案，本发明的这些和其它的情况将变得明显，其中
图1示出了FBAR中的层序列，图2示出了SBAR中的层序列，图3示出了多层SBAR中的层序，图4示出了非质量负载SBAR的耦合因子对顶部和底部电极厚度的表格，图5示出了质量负载的SBAR的耦合因子对顶部和底部电极厚度的表格，图6示出了非质量负载的多层SBAR的耦合因子对顶部和底部电极厚度的表格，图7示出了质量负载的多层SBAR的耦合因子对顶部和底部电极厚度的表格。
图1示出了FBAR 1中的层序列，从底部到顶部包括衬底2、腐蚀停止层3、底部电极层4、压电层5、顶部电极层6、以及质量负载层7。FBAR 1示出了厚度不相等的电极层4和6，顶部电极6的厚度为T1，而底部电极4的厚度为T2。根据本发明，T1小于T2。这一不对称的安排使谐振器能够达到最大的耦合因子，从而提供最大的滤波器带宽。
图2示出了SBAR 8中的层序列，从底部到顶部包括衬底9、像交替包含高机械阻抗层11和低机械阻抗层12的布拉格反射器那样的声学镜10、底部电极层13、压电层14、顶部电极层15、以及质量负载层16。SBAR 8示出了厚度不相等的电极层13和15，顶部电极15的厚度为T3，而底部电极13的厚度为T4。根据本发明，厚度T3小于厚度T4。
图3示出了多层SBAR 17中的层序列，从底部到顶部包括衬底18、像交替包含高机械阻抗层20和低机械阻抗层21的布拉格反射器那样的声学镜19、底部外电极层22、底部内电极层23、压电层24、顶部内电极层25、顶部外电极层26、以及质量负载层27。多层SBAR 17示出了厚度相等的外电极层22和26以及厚度不相等的内电极层23和25，内顶部电极25的厚度为T5，而内底部电极23的厚度为T6。在电极22与23之间和/或电极25与26之间，可以有包括例如TiN层或Ti层与TiN层的组合的扩散阻挡层。此扩散阻挡层是为了分别避免二种电极材料22和23或25和26的相互扩散。薄的扩散阻挡层的厚度在10-30nm之间，不会明显地改变谐振器的性能。
在通常的滤波器中，质量负载层(图1中的7，图2中的16，图3中的27)被包括在谐振器的附属装置中。其余的谐振器是非质量负载的。
利用UMTS 3G的TX波段的1.95GHz滤波器例子，说明了本发明。对于这种应用，要求的带宽非常接近用氮化铝(AlN)可得到的最大值。原则上，质量负载的和非质量负载的谐振器要求不同的最佳层组合。此最佳组合可应用于滤波器的阶梯和网格实施方式二者。
图4示出了图2所示滤波器的非质量负载SBAR 8的耦合因子kr对顶部电极15的厚度T3以及对底部电极13的厚度T4的表格。电极金属是钼(Mo)，其声阻抗约为氮化铝的2倍，并在其上能够生长质量非常高的氮化铝层。五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)被用作布拉格反射器的高和低阻抗层。根据此表格，对于顶部电极15，钼的最佳厚度大约为T3＝200nm，而对于底部电极13，钼的最佳厚度大约为T4＝300nm。对于这一组合，相应的氮化铝厚度为1410nm，且相应的kr最大值为0.226。
图5示出了滤波器的质量负载SBAR 8的耦合因子kr对顶部电极15的厚度T3以及对底部电极13的厚度T4的表格。可以看出，对于顶部电极15，钼的最佳厚度也约为T3＝200nm，而对于底部电极13，约为T4＝300nm，导致0.222的kr最大值。质量负载层的厚度为150nm。其它层的厚度与图4所述非质量负载SBAR的相同。
当钨(W)被用来代替钼时，由于钨的机械阻抗比钼的大约高70％，故采用所述最佳不相等厚度T3和T4的耦合因子kr的提高应该更大。
现在来描述对于相同中心频率，使用多层SBAR的滤波器实施方式。
图6示出了滤波器的非质量负载多层SBAR 17的耦合因子kr对顶部电极25的厚度T5以及对底部电极23的厚度T6的表格。外电极层22和26是铝制的，而邻接压电(AlN)层24的内电极层23和25由铂(Pt)制成。为了达到充分低的电阻，建议铝层22和26具有相同的厚度，此处被设定为200nm。顶部电极层25和底部电极层23是变量。利用分别约为T5＝50nm的顶部电极25和约为T6＝150nm的底部电极23，得到了最佳的耦合因子kr。在电极22与23之间和/或电极25与26之间，可以有包括例如TiN层或Ti层与TiN层的组合的扩散阻挡层。此扩散阻挡层是为了分别避免二种电极材料22和23或25和26的相互扩散。薄的扩散阻挡层的厚度在10-30nm之间，不会明显地改变谐振器的性能。
图7示出了滤波器的质量负载SBAR 17的耦合因子kr对顶部电极25的厚度T5以及对底部电极23的厚度T6的表格。利用分别约为T5＝50nm的顶部电极25和约为T6＝150nm的底部电极23，再次得到了最佳的耦合因子kr。其它层的厚度与图6所述非质量负载多层SBAR的相同。
在质量负载和非质量负载多层SBAR中，内Pt电极的最佳厚度都几乎与Al外电极22和26的厚度无关。对于100nm、200nm、以及300nm的最佳Pt层厚度和Al层厚度，耦合因子kr分别等于0.220、0.216、以及0.202。
本发明可以概述为膜片型或FBAR型(1)或牢固安装或SBAR型(8)的薄膜体声波谐振器(1，8，17)，具有单层电极(1，8)或具有最佳耦合因子kr的多层电极多层构造(17)，因此组合了这种谐振器的滤波器中带宽增加。利用顶部电极(6，15，25)比底部电极(4，13，23)更薄的安排，得到了最佳的耦合因子kr。此耦合因子与谐振器的布局无关。
权利要求
1.一种具有层结构的电声谐振器(1，8，17)，该层结构包含压电层(5，14，24)以及顶部电极层(6，15，25)和底部电极层(4，13，23)，二种电极层的厚度(T1，T2，…，T6)不相等，其特征在于，顶部电极层(T1，T3，T5)比底部电极层(T2，T4，T6)更薄。
2.权利要求1所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于电声谐振器(1，8，17)是牢固安装的谐振器或SBAR(8，17)，或在于其具有膜片结构FBAR(1)。
3.前述权利要求之一所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，电极层(25，26或22，23)中的至少一个由导电材料的叠层形成。
4.前述权利要求之一所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，在电极层22与23和/或25与26之间，形成了导电的薄扩散阻挡层。
5.权利要求3所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，在该叠层中，与压电层(24)接触的导电材料(23，25)的声阻抗比不与压电层(24)接触的导电材料(22，26)的声阻抗更高。
6.权利要求3所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，在该叠层中，与压电层(24)接触的导电材料(23，25)的声阻抗比不与压电层(24)接触的导电材料(22，26)的声阻抗更低。
7.权利要求5或6所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，声阻抗较低的导电材料包括铝(Al)。
8.权利要求5或6所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，声阻抗较高的导电材料包括铂(Pt)、钨(W)、钼(Mo)、钛钨(TiXW1-X，0＜x＜1)、金(Au)。
9.权利要求5或6所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，电极层22与23之间和/或电极25与26之间的扩散阻挡层由氮化钛(TiN)或钛(Ti)，或包括氮化钛(TiN)和钛(Ti)的组合组成。
10.前述权利要求之一所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，电极层(4，6，13，15，23，25)包括钼(Mo)，且在于对于大约2GHz的谐振频率，顶部钼层(6，15，25)的厚度(T1，T3，T5)大约为200nm，而底部钼层(4，13，23)的厚度(T2，T4，T6)大约为300nm，这些厚度大致反比于谐振频率。
11.前述权利要求之一所述的电声谐振器(1，8，17)，其特征在于，电极层(4，6，13，15，23，25)包括铂(Pt)，且在于对于大约2GHz的谐振频率，顶部铂层(6，15，25)的厚度(T1，T3，T5)大约为50nm，而底部铂层(4，13，23)的厚度(T2，T4，T6)大约为150nm，这些厚度大致反比于谐振频率。
12.电声谐振器(1，8，17)，特别是权利要求1所述的电声谐振器的用途是作为射频(RF)滤波器的组件或作为用于传感器或用于超声换能器或用于超声换能器阵列中的组件。
全文摘要
一种膜片或FBAR型(1)或牢固安装即SBAR型(8)的电声谐振器(1，8，17)，其电极包含单个导电层或多个导电层亦即多层构造(17)，具有最佳的耦合因子k
文档编号H03H9/13GK1723618SQ200380105633
公开日2006年1月18日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月13日
发明者R·F·米尔森, H·-P·雷布 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司