带温补层的体声波谐振器、滤波器及电子设备的制作方法

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，一种具有该谐振器的滤波器，以及一种电子设备。


背景技术：

2.随着5g通信技术的日益发展，对通信频段的要求越来越高。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。
3.薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号， fbar利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。薄膜体声波谐振器主要利用压电薄膜的纵向压电系数产生压电效应，所以其主要工作模式为厚度方向上的纵波模式，即体声波谐振器的声波主要在谐振器的薄膜体内，而且主要的震动方向在纵向。但是由于存在边界，在边界处会存在不垂直于压电膜层的兰姆波，这时横向的兰姆波会从压电膜层的横向漏出，导致声学损失，从而使得谐振器的q值减小。
4.此外，体声波谐振器一般具有负频率温漂系数，其频率温漂系数大概是
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30ppm/k，其原因在于体声波谐振器的压电材料和电极材料具有负频率温漂系数，这表示这些材料的刚度会随着温度的升高而减小,刚度降低会使声速下降。基于公式v＝f*λ＝f*2d(其中v为声速，f为频率，λ为波长，d为压电层厚度)，随着声速下降，频率会降低，因此，体声波谐振器存在着随着温度升高而频率漂移的现象。
5.为了降低谐振器的温漂效应，通常可以在谐振器内增加一层正频率温漂系数的材料(温补层)。但是，在谐振器引入上述温补层后，谐振器的性能会变差，主要体现在谐振器损耗的增大而导致的q值降低，以及机电耦合系数(kt2) 的变小。谐振器的损耗直接影响滤波器的通带插损特性，从而增大射频链路中的损耗，恶化射频前端的收发性能。


技术实现要素：

6.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。
7.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：
8.基底；
9.声学镜；
10.底电极；
11.顶电极；和
12.压电层，设置在底电极与顶电极之间，
13.其中：
14.所述谐振器还包括温补层，所述温补层设置在压电层中或者底电极中或者在压电
层与底电极之间，且所述温补层的边缘部分具有斜面，所述斜面具有上端缘与下端缘，所述下端缘在水平方向上处于所述上端缘的外侧；且
15.所述顶电极沿谐振器的有效区域设置有翼桥部，所述翼桥部与压电层之间限定有空隙，所述空隙的内边缘在水平方向上处于所述上端缘与下端缘之间。
16.本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器，包括：
17.基底；
18.声学镜；
19.底电极；
20.顶电极；和
21.压电层，设置在底电极与顶电极之间，
22.其中：
23.所述谐振器还包括温补层，所述温补层设置在压电层中或者底电极中或者在压电层与底电极之间；
24.所述温补层在水平方向上处于所述声学镜的边界的内侧；且
25.所述顶电极沿谐振器的有效区域设置有翼桥部，所述翼桥部与压电层之间限定有空隙，所述空隙的内边缘在水平方向上处于所述声学镜的边界与所述温补层的边缘之间。
26.本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
27.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。
附图说明
28.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：
29.图1为示出现有技术中的温补层与桥部空隙之间的相对位置的截面示意图；
30.图2示出了基于图1中的结构所获得的谐振器的q值；
31.图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图，其中，桥部空隙的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的侧面斜面上；
32.图4为基于图3中的结构所获得的谐振器的q值；
33.图5为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图，其中，悬翼空隙的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的左侧侧面斜面上；
34.图6为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图，其中，悬翼空隙的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的左侧侧面斜面上，桥部空隙的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的右侧侧面斜面上。
具体实施方式
35.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。
36.首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
37.1：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。
38.2：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明所示的实施例中采用的是设置于基底的上表面的空腔，在可选的实施例中，空腔也可以位于基底的内部。
39.3：第一种子层，，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
40.4：第一底电极层，材料可选：金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)，钌(ru)、铱(ir)、钛钨(tiw)、铝(al)、钛(ti)、锇(os)、镁(mg)、金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、钌(ru)、铱(ir)、锗(ge)、铜(cu)、铝(al)、铬(cr)、砷掺杂金等类似金属。
41.5：温补层，温补层的材料是与压电层频率温度系数相反的材料，其材料可选二氧化硅(sio2)、掺杂二氧化硅(如f掺杂)、多晶硅、硼磷酸盐玻璃(bsg)、铬(cr)或碲氧化物(teo(x))等正温度系数的材料。例如，sio2以及正频率温漂系数材料的刚度会随温度的升高而提高，所以可以通过增加sio2以及正频率温漂系数材料层(即温补层)，来防止或减少谐振器刚度下降导致声速下降，从而防止或减少频率漂移。
42.6：第二底电极层，材料可选：金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)，钌(ru)、铱(ir)、钛钨(tiw)、铝(al)、钛(ti)、锇(os)、镁(mg)、金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、钌(ru)、铱(ir)、锗(ge)、铜(cu)、铝(al)、铬(cr)、砷掺杂金等类似金属。第一底电极层与第二底电极层构成夹层电极，且一起作为底电极。
43.7：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。
44.8：顶电极，其材料可与底电极相同，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。顶电极和底电极材料一般相同，但也可以不同。
45.9：钝化层或工艺层，设置在谐振器的顶电极上，工艺层的作用可以是质量调节负载或钝化层，其材料可以为介质材料，如二氧化硅、氮化铝、氮化硅等。
46.10：第二种子层，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
47.11：第三种子层，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
48.12：桥部空隙，其可以是空气隙，也可以填充介质材料。
49.13：悬翼空隙，其可以是空气隙，也可以填充介质材料。
50.图1为示出现有技术中的温补层与桥部空隙之间的相对位置的截面示意图。
51.如图1所示，谐振器包括上述的基底1，声学镜2，第一至第三种子层3、 10和11，第一底电极层4，温补层5，第二底电极层6，压电层7，顶电极8，钝化层9。顶电极的电极连接端设置有桥部，该桥部限定了桥部空隙12。
52.在图1中，温补层5大体为两腰为斜边的梯形截面。如图1所示，温补层5 的外端具有倾斜侧面，该倾斜侧面具有上端缘5a和下端缘5b，下端缘5b处于上端缘5a的外侧。
53.参见图1，桥部空隙12的内边缘在水平方向上处于上端缘5a的内侧，即，在竖向投影中，桥部空隙12的内边缘落在温补层对应的梯形截面的顶边的范围内。
54.图2示出了基于图1中的结构所获得的谐振器的q值。可以看到，在 0.8ghz-1.3ghz的频率范围内，谐振器的q值最高点m20处的值约为4486，对应的频率约为1.1ghz。
55.图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
56.如图3所示，谐振器包括上述的基底1，声学镜2，第一至第三种子层3、 10和11，第一底电极层4，温补层5，第二底电极层6，压电层7，顶电极8，钝化层9。顶电极的电极连接端设置有桥部，该桥部限定了桥部空隙12。
57.在图3所示的结构中，温补层5设置在第一底电极层4与第二底电极层6 之间，但是温补层5的位置不限于此。例如温补层还可以设置在压电层中，以及设置在压电层与底电极之间，这些均在本发明的保护范围之内。
58.在图3所示的结构中，温补层的上下两侧设置有种子层10和11，但是也可以不设置种子层。本发明不关注种子层的设置与否，关注的是，在温补层具有倾斜斜面的情况下，空隙的内边缘与该斜面在横向上的位置关系。
59.在图3中，温补层5大体为两腰为斜边的梯形截面。如图3所示，温补层5 的外端具有倾斜侧面，该倾斜侧面具有上端缘5a和下端缘5b，下端缘5b处于上端缘5a的外侧。
60.如图3所示，桥部空隙12的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的侧面斜面上，即在图3所示的结构中，桥部空隙12的内边缘在水平方向上，处于侧面斜面的上端缘5a与下端缘5b之间。
61.图3所示的结构与图1所示的结构的区别仅在于桥部空隙12的内边缘的位置不同。在图3中，桥部空隙12的内边缘处于如下位置：在侧面斜面上，该内边缘到上端缘5a的距离大约为侧面斜面长度的四分之一；而在图1中，如上所述，桥部空隙12的内边缘越过了上端缘5a而在水平方向上处于上端缘5a的内侧。
62.图4示出了基于图3中的结构所获得的谐振器的q值。可以看到，在 0.8ghz-1.3ghz的频率范围内，谐振器的q值最高点m21处的值约为6133，对应的频率约为1.1ghz。
63.比较图4与图2，可以看到，在其他条件一致的情况下，通过选择桥部空隙 12的内边缘相对于温补层5的侧面斜面的位置，图3所示的结构获得的谐振器的q值大于图1所示的结构所获得的谐振器的q值。
64.横向声波产生在谐振器的有效区域(有效区域为谐振器的顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重合区域，在图1中为a1，在图3中为a2)的内部，会向两侧的非谐振区域方向传播。一般情况下，横向声波遇到声阻抗不匹配点将产生声波的反射，这种反射会使部分横波反射回有效区域，使谐振器的有效区域内声波总能量增加，从而减少谐振器有效区域内的声波总能量的损耗，以提高q值。对于图3中的结构，桥部空隙12的内边缘处于温补层上端缘与下端缘之间，此时有效区域存在两处声阻抗不匹配点，对应于温补层上端缘和桥部空隙12的内边缘。因此对于图3结构的谐振器，横向声波会在两处声阻抗不匹配点发生两次反射，从而更多的横波能量被限制在谐振器的有效区域内，q值提高。对于图1中的结构，有效区域只存在一个声阻抗不匹配点，对应于桥部空隙12的内边缘。因此
对于图1结构的谐振器，横向声波只发生一次反射。相较图3结构谐振器，图1结构的谐振器限制较少的横波能量在有效区内，q值因此偏低。
65.需要指出的是，只要桥部空隙12的内边缘在水平方向上处于上端缘5a与下端缘5b之间，就在本发明的保护范围之内。图3中所示的桥部空隙12的内边缘的具体位置仅仅是示例性的。在更具体的实施例中，上端缘5a与下端缘5b 之间具有斜面长度(即侧面斜面的长度)，在侧面斜面上，桥部空隙12的内边缘处于如下位置范围：所述位置范围的内侧到上端缘5a的距离在所述斜面长度的三分之一到四分之一的范围内，所述位置范围的外侧到下端缘5b的距离在所述斜面长度的三分之一到四分之一的范围内。
66.在可选的实施例中，温补层的侧面斜面与温补层的底面之间形成的锐角小于15度。
67.图3所示的实施例中，在顶电极的电极连接端设置有桥部，该桥部限定桥部空隙。但是本发明不限于此。在顶电极的非电极连接端也可以设置类似的空隙，且限定该空隙的内边缘与温补层的对应斜面的位置关系。
68.图5为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
69.如图5所示，谐振器包括上述的基底1，声学镜2，第一至第三种子层3、 10和11，第一底电极层4，温补层5，第二底电极层6，压电层7，顶电极8，钝化层9。顶电极8的非电极连接端设置有悬翼，该悬翼限定了悬翼空隙13。
70.如图5所示，悬翼空隙13的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的左侧侧面斜面上。在图5中，温补层5大体为两腰为斜边的梯形截面。如图5所示，温补层5的外端具有倾斜侧面，该倾斜侧面具有上端缘5a和下端缘5b，下端缘 5b处于上端缘5a的外侧。
71.如图5所示，悬翼空隙13的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的侧面斜面上，即在图5所示的结构中，悬翼空隙13的内边缘在水平方向上，处于侧面斜面的上端缘5a与下端缘5b之间。
72.图6为根据本发明的还一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
73.如图6所示，谐振器包括上述的基底1，声学镜2，第一至第三种子层3、 10和11，第一底电极层4，温补层5，第二底电极层6，压电层7，顶电极8，钝化层9。顶电极8的电极连接端设置有桥部，该桥部限定了桥部空隙12，且顶电极8的非电极连接端设置有悬翼，该悬翼限定了悬翼空隙13。
74.如图6所示，悬翼空隙13的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的左侧侧面斜面上，即在图6所示的结构中，悬翼空隙13的内边缘在水平方向上，处于左侧侧面斜面的上端缘5a与下端缘5b之间；桥部空隙12的内边缘在竖直方向上的投影处于温补层的右侧侧面斜面上，即在图6所示的结构中，桥部空隙 12的内边缘在水平方向上，处于右侧侧面斜面的上端缘5a与下端缘5b之间。
75.还需要指出的是，虽然以顶电极的非电极连接端设置有悬翼的方式示出顶电极的非电极连接端的翼桥部结构，但是，该翼桥部结构不限于悬翼，也可以为设置在顶电极的非电极连接端的桥部。
76.此外，虽然没有示出，在顶电极沿谐振器的有效区域设置的翼桥部与压电层之间限定有空隙，所述空隙的内边缘在水平方向上处于声学镜的边界与温补层的边缘之间的情况下，有效区域存在三处声阻抗不匹配点，对应于温补层上端缘、下端缘和空隙的内边缘。
此时，横向声波会在三处声阻抗不匹配点发生三次反射，从而更多的横波能量被限制在谐振器的有效区域内，q值提高。
77.在本发明的上述实施例中，温补层5在水平方向上处于声学镜2的边界的内侧，但是本发明不限于此。例如，温补层5的上端缘5a在水平方向上处于声学镜2的边界的内侧，下端缘5b在水平方向上处于声学镜2的边界的外侧。
78.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。
79.在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，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。
80.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(即有效区域中心)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有效区域中心。
81.如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器或其他半导体器件。
82.基于以上，本发明提出了如下技术方案：
83.1、一种体声波谐振器，包括：
84.基底；
85.声学镜；
86.底电极；
87.顶电极；和
88.压电层，设置在底电极与顶电极之间，
89.其中：
90.所述谐振器还包括温补层，所述温补层设置在压电层中或者底电极中或者在压电层与底电极之间，且所述温补层的边缘部分具有斜面，所述斜面具有上端缘与下端缘，所述下端缘在水平方向上处于所述上端缘的外侧；且
91.所述顶电极沿谐振器的有效区域设置有翼桥部，所述翼桥部与压电层之间限定有空隙，所述空隙的内边缘在水平方向上处于所述上端缘与下端缘之间。
92.2、根据1所述的谐振器，其中：
93.所述翼桥部包括设置在所述顶电极的电极连接端的连接端桥部，所述空隙包括连接端桥部限定的空隙。
94.3、根据1或2所述的谐振器，其中：
95.所述翼桥部包括设置在所述顶电极的非电极连接端的悬翼，所述空隙包括由悬翼限定的悬翼空隙；或者
96.所述翼桥部包括设置在所述顶电极的非电极连接端的非连接端桥部，所述空隙包括由所述非连接端桥部限定的非连接端桥部空隙。
97.4、根据3所述的谐振器，其中：
98.所述悬翼空隙的外边缘在水平方向上处于所述下端缘的内侧，或者
99.所述非连接端桥部空隙的外边缘在水平方向上处于所述下端缘的内侧。
100.5、根据3所述的谐振器，其中：
101.所述悬翼空隙的外边缘在水平方向上处于所述下端缘的外侧，或者
102.所述非连接端桥部空隙的外边缘在水平方向上处于所述下端缘的外侧。
103.6、根据1所述的谐振器，其中：
104.所述底电极包括第一底电极层和第二底电极层，所述温补层设置在第一底电极层与第二底电极层之间。
105.7、根据1所述的谐振器，其中：
106.所述温补层在水平方向上处于所述声学镜的边界的内侧。
107.8、根据1所述的谐振器，其中：
108.所述上端缘在水平方向上处于所述声学镜的边界的内侧，所述下端缘在水平方向上处于所述声学镜边界的外侧。
109.9、根据1所述的谐振器，其中：
110.所述上端缘与所述下端缘之间具有斜面长度；
111.在所述斜面上，所述空隙的内边缘处于如下位置范围：所述位置范围的内侧到所述上端缘的距离在所述斜面长度的三分之一到四分之一的范围内，所述位置范围的外侧到所述下端缘的距离在所述斜面长度的三分之一到四分之一的范围内。
112.10、根据1所述的谐振器，其中：
113.所述斜面与温补层的底面形成的锐角小于15度。
114.11、一种体声波谐振器，包括：
115.基底；
116.声学镜；
117.底电极；
118.顶电极；和
119.压电层，设置在底电极与顶电极之间，
120.其中：
121.所述谐振器还包括温补层，所述温补层设置在压电层中或者底电极中或者在压电层与底电极之间；
122.所述温补层在水平方向上处于所述声学镜的边界的内侧；且
123.所述顶电极沿谐振器的有效区域设置有翼桥部，所述翼桥部与压电层之间限定有空隙，所述空隙的内边缘在水平方向上处于所述声学镜的边界与所述温补层的边缘之间。
124.12、一种滤波器，包括根据1-11中任一项所述的体声波谐振器。
125.13、一种电子设备，包括根据12所述的滤波器，或者根据1-11中任一项所述的体声波谐振器。
126.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。
127.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。