体声波谐振器、掺杂浓度确定方法、滤波器及电子设备与流程

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掺杂浓度确定方法，以及一种滤波器和一种电子设备。


背景技术：

2.随着5g通信技术的发展，通信技术对滤波器的大带宽提出了越来越高的要求。在这种前提下，滤波器的设计就对具有更大有效机电耦合系数(kt2)的谐振器提出了迫切需求。
3.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。
4.现有技术中，仍然有在保持谐振器的kt2较大的情况下还提高谐振器的q值的需求。


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，所述压电层为包括掺杂元素的压电层，所述掺杂元素具有对应的掺杂浓度；和
11.顶电极，
12.其中：
13.所述谐振器具有层厚比e/p；
14.所述谐振器具有机电耦合系数kt2，所述掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
15.本发明的实施例也涉及一种掺杂浓度确定方法，所述掺杂浓度为体声波谐振器的压电层的掺杂元素的掺杂浓度，所述谐振器具有机电耦合系数kt2，所述谐振器具有层厚比e/p，所述方法包括步骤：
16.基于层厚比e/p，选择所述掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
17.本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的谐振器。
18.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
19.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：
20.图1为体声波谐振器的示意性截面图；
21.图2为示例性示出e/p值和凸起结构宽度与谐振器的q值之间的关系图；
22.图3示例性示出了凸起结构的宽度与谐振器的q值之间的关系图；
23.图4示例性示出了e/p值与kt2的关系图；
24.图5示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1；
25.图6示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝0.75；
26.图7示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝0.85；
27.图8示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1.15；
28.图9示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1.25。
具体实施方式
29.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。
30.图1示出了典型的三明治结构的体声波谐振器的截面图。图1中，附图标记说明如下：
31.101：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。
32.102：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。
33.103：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。
34.104：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。
35.105：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。
36.106：钝化层或工艺层，其可以是氮化铝、氮化硅或二氧化硅等。
37.107：凸起结构，材料可选钼，钌，金，铝，镁，钨，铜，钛，铱，锇，铬或以上金属的符合或其合金等。
38.对于体声波谐振器而言，其机电耦合系数kt2与层厚比e/p的值以及压电层中的掺杂元素的掺杂浓度有关。此外，体声波谐振器的q值与层厚比e/p的值相关。
39.本发明提出了一种基于特定的层厚比，通过选择掺杂浓度来提升谐振器的性能的方案，从而既可以获得较高的谐振器q值，也可以获得较高的kt2。
40.下面简单说明层厚比e/p。
41.如图1所示，底电极103的厚度为t1，压电层104的厚度为t2，顶电极105的厚度为t3，以及顶电极以上的钝化层106的厚度为t4。当不设置钝化层106时，定义电极厚度与压电层厚度的比例，即层厚比e/p为(t1+t3)/t2。当谐振器具有钝化层106时，定义电极厚度与压电层层厚比例，即层厚比e/p为(t1+t3+t4*a)/t2，其中a与钝化层106对谐振频率fs的影响速率和顶电极105对谐振频率fs的影响速率的比值有关系，具体的，假设钝化层106的厚度对谐振器谐振频率fs的影响速率为v1 nm/mhz,顶电极105的厚度对谐振器谐振频率fs的影响速率为v2 nm/mhz,则a＝v2/v1。假如顶电极和底电极材料选择mo，钝化层选择aln，则a的值接近1/3。如果谐振器的叠置结构在上述的基础上增加其他功能层，则层厚比e/p也可以基于上述概念计算。
42.下面简单说明在压电层中掺杂的元素的掺杂浓度。
43.掺杂意味着原来没有掺杂的压电材料中的一种或多种元素的一部分被掺杂元素所代替。此时掺杂浓度定义为：在单位体积中，掺杂元素的原子数，与上述提及的一种或多种被掺杂元素部分代替的元素的总原子数与掺杂元素的原子数之和的比值。例如，在压电层为氮化铝、掺杂元素为钪的情况下，部分铝原子被钪原子替代，掺杂浓度为单位体积中钪原子数与铝原子数和钪原子数的和的比值(sc/al+sc)。
44.图2为示例性示出层厚比e/p值和凸起结构宽度与谐振器的q值之间的关系图。图2中，纵坐标为谐振器的q值，横坐标有两层，第一层为谐振器的层厚比e/p，第二层为凸起结构107的宽度l(单位为μm)。基于第一层，图2示例性示出了band1tx频带(1920-1980mhz)的谐振器q值随层厚比e/p的变化关系。基于第二层，图2示例性示出了在不同的层厚比e/p的情况下，不同的凸起结构宽度l时谐振器的q值。
45.图3示例性示出了在层厚比e/p＝1的情况下凸起结构的宽度l与谐振器的q值之间的关系图。从图3可以看出，谐振器q值随凸起宽度l变化而变化，当凸起宽度l＝1.25um和l＝5.25um左右时q值存在两个峰值。但是，参见图2，当层厚比e/p小于1时，图3中对应的两个q值的峰值均会随着层厚比e/p变小而恶化。参见图2，当e/p＝0.65时，在图3中的q值的两个最大值均恶化超过了20％，并且l＝1.25时的最大值已不存在。
46.因此，层厚比e/p的取值可以直接影响谐振器的q值的大小。为了得到较好的谐振器q值，层厚比e/p的值应不低于0.75。
47.图4示例性示出了e/p值与kt2的关系图，其中横坐标为e/p值，纵坐标为kt2。更具体的，图4示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，掺杂浓度为8.2％时，kt2随层厚比e/p的变化。可以看到，随着层厚比e/p降低，kt2升高。然而，在保证谐振器性能不严重恶化的前提下，从图2得到的结论是不能通过无限降低e/p值来提升kt2。
48.图5示例性示出了掺杂浓度与kt2的关系图。在图5中，横坐标为掺杂浓度，而纵坐标为kt2，其中e/p＝1，可以看到，随着掺杂浓度提高，kt2提高。
49.因此，可以通过选择一个较高的层厚比e/p值，例如层厚比e/p的值应不低于0.75，以保证谐振器的q值较高(但是此时kt2达不到性能要求或者不完全满足性能要求)，同时，通过选择在预定值以上的掺杂浓度来提升kt2以满足性能要求或提升性能。因此，可以在保证谐振器性能(较高的q值)的前提下，通过提升掺杂浓度提升kt2。
50.由于kt2与层厚比e/p的值以及掺杂浓度有关，且e/p值有下限值的限制(如前说明
的，不小于0.75)，所以，即使希望kt2越大越好，kt2也有一个上限值，该上限值由e/p的下限值0.75确定。
51.换言之，在本发明中，对于体声波滤波器，可以通过选择掺杂浓度来提升谐振器的kt2。然而对于选定了kt2的谐振器，掺杂浓度存在一个较优的范围，以保证谐振器的高性能。
52.基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，其压电层为包括掺杂元素的压电层，所述掺杂元素具有对应的掺杂浓度，该谐振器具有机电耦合系数kt2，所述掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
53.基于以上，本发明也提出了一种体声波谐振器的压电层的掺杂浓度确定方法，包括步骤：基于层厚比e/p，选择掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
54.图5-9分别示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，层厚比e/p取不同的值时，掺杂浓度与kt2的关系图。在这些图中，横坐标为掺杂浓度，而纵坐标为kt2。在图5-9中，可以看到，随着掺杂浓度增加，kt2也增加。
55.图5中示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，在层厚比e/p＝1的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图。通过拟合，可以得到掺杂浓度a5与kt2的关系为kt2＝0.4147a52+0.2774a5+0.057。在图5中，kt2为y，a5为x。
56.图6中示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，在层厚比e/p＝0.75的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图。通过拟合，可以得到掺杂浓度a1与kt2的关系为kt2＝0.3909a12+0.3056a1+0.062。在图6中，kt2为y，a1为x。
57.图7中示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，在层厚比e/p＝0.85的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图。通过拟合，可以得到掺杂浓度a2与kt2的关系为kt2＝0.4463a22+0.2869a2+0.0603。在图7中，kt2为y，a2为x。
58.图8中示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，在层厚比e/p＝1.15的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图。通过拟合，可以得到掺杂浓度a4与kt2的关系为kt2＝0.3829a42+0.2825a4+0.0547。在图8中，kt2为y，a4为x。
59.图9中示例性示出了当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，在层厚比e/p＝1.25的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图。通过拟合，可以得到掺杂浓度a3与kt2的关系为kt2＝0.3791a32+0.2805a3+0.0528。在图9中，kt2为y，a3为x。
60.如上提及的，掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。这是对于一个体声波谐振器而言，在其kt2确定的情况下，规定了掺杂浓度的下限值。
61.在本发明的更具体的实施例中，当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，掺杂浓度的下限值a1为层厚比e/p＝0.75时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度，且由如下公式确定：kt2＝0.3909a12+0.3056a1+0.062。
62.还可以进一步提高掺杂浓度的下限值。在本发明的一个实施例中，所述掺杂浓度不小于a2，a2为谐振器层厚比e/p＝0.85时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。在本发明的更具体的实施例中，当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，掺杂浓度的下限值a2为层厚比e/p＝0.85时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度，且由如下公式确定：kt2＝0.4463a22+0.2869a2+0.0603。
63.参见图2，在层厚比e/p的值不小于1的情况下，谐振器的q值可以有更高的值。因此，还可以再提高掺杂浓度的下限值。在本发明的一个实施例中，所述掺杂浓度不小于a5，a5为谐振器层厚比e/p＝1时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。在本发明的更具体的实施例中，当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，掺杂浓度的下限值a5为层厚比e/p＝1时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度，且由如下公式确定：kt2＝0.4147a52+0.2774a5+0.057。
64.在本发明的一个实施例中，还可以进一步限定掺杂浓度的上限值。
65.在本发明的一个实施例中，掺杂浓度不大于a3，a3为谐振器层厚比e/p＝1.25时kt2对应的掺杂浓度。在更具体的实施例中，当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，a3由如下公式确定：kt2＝0.3791a32+0.2805a3+0.0528。
66.还可以进一步调低上限值。在本发明的一个实施例中，所述掺杂浓度不大于a4，a4为谐振器层厚比e/p＝1.15时kt2对应的掺杂浓度。在更具体的实施例中，当压电层为氮化铝掺杂金属钪元素的压电层时，a4由如下公式确定：kt2＝0.3829a42+0.2825a4+0.0547。
67.以上的谐振器(基于层厚比e/p选取合适的掺杂浓度)也可以用于滤波器。
68.在本发明的一个实施例中，在滤波器为band1频段(tx(1920mhz
–
1980mhz),rx(2110mhz
–
2170mhz))或band3频段(tx(1710mhz
–
1785mhz),rx(1805mhz
–
1880mhz))的滤波器的情况下，滤波器中的谐振器的掺杂浓度满足上述要求(例如不同的下限值，和/或不同的下限值与上限值)且在4.6％-10.2％的范围内，进一步的在5.4％-9.1％的范围内。在本发明中，tx代表发射滤波器，而rx代表接收滤波器。
69.在本发明的一个实施例中，在滤波器为2.515ghz-2.675ghz频段或3.3ghz-3.6ghz频段的滤波器的情况下，滤波器中的谐振器的掺杂浓度满足上述要求(例如不同的下限值，和/或不同的下限值与上限值)且在13.4％-22.1％的范围内，进一步的在14.2％-20.6％的范围内。
70.在本发明的上述实施例中，说明了基于选择的层厚比e/p的值，来选择谐振器的压电层掺杂浓度，从而可以在保证谐振器有较高的q值的同时，也有较高的kt2，以提高谐振器的性能。本发明为如何选择压电层的掺杂元素的掺杂浓度提供了有效的指导方案。
71.如本领域技术人员能够理解的，压电层的材料不限于氮化铝，还可以是例如本发明中列明的其他压电材料，而且掺杂元素也不限于钪金属，还可以本发明中列明的其他可掺杂的金属元素。虽然在本发明的具体实施例中，以氮化铝掺杂钪元素为例说明了如何基于选择的层厚比e/p的值来选择谐振器的压电层掺杂浓度，但是，如本领域技术人员能够理解的，还可以基于谐振器的层厚比e/p的适当值(使得谐振器的q值较高，例如层厚比e/p的值不小于0.75)，选择合适的基于对应的kt2的掺杂浓度(使得谐振器的kt2较高)。
72.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。
73.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除了滤波器之外的其他半导体器件。
74.基于以上，本发明提出了如下技术方案：
75.1、一种体声波谐振器，包括：
76.基底；
77.声学镜；
78.底电极；
79.压电层，所述压电层为包括掺杂元素的压电层，所述掺杂元素具有对应的掺杂浓度；和
80.顶电极，
81.其中：
82.所述谐振器具有层厚比e/p；
83.所述谐振器具有机电耦合系数kt2，所述掺杂浓度不小于a1，a1为层厚比e/p＝0.75时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
84.2、根据1所述的谐振器，其中：
85.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a1由如下公式确定：kt2＝0.3909a12+0.3056a1+0.062。
86.3、根据1所述的谐振器，其中：
87.所述掺杂浓度不小于a2，a2为谐振器层厚比e/p＝0.85时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
88.4、根据3所述的谐振器，其中：
89.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a2由如下公式确定：kt2＝0.4463a22+0.2869a2+0.0603。
90.5、根据3所述的谐振器，其中：
91.所述掺杂浓度不小于a5，a5为谐振器层厚比e/p＝1.00时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
92.6、根据5所述的谐振器，其中：
93.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a5由如下公式确定：kt2＝0.4147a52+0.2774a5+0.057。
94.7、根据1-6中任一项所述的谐振器，其中：
95.所述掺杂浓度不大于a3，a3为谐振器层厚比e/p＝1.25时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
96.8、根据7所述的谐振器，其中：
97.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a3由如下公式确定：kt2＝0.3791a32+0.2805a3+0.0528。
98.9、根据7所述的谐振器，其中：
99.所述掺杂浓度不大于a4，a4为谐振器层厚比e/p＝1.15时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
100.10、根据9所述的谐振器，其中：
101.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a4由如下公式确定：kt2＝0.3829a42+0.2825a4+0.0547。
102.11、一种滤波器，包括多个根据1-10中任一项所述的体声波谐振器。
103.12、根据11所述的滤波器，其中：
104.所述滤波器为band1频段或band3频段的滤波器；且
105.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度在4.6％-10.2％的范围内。
106.13、根据12所述的滤波器，其中：
107.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度在5.4％-9.1％的范围内。
108.14、根据11所述的滤波器，其中：
109.所述滤波器为2.515ghz-2.675ghz频段或3.3ghz-3.6ghz频段的滤波器；且
110.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度在13.4％-22.1％的范围内。
111.15、根据14所述的滤波器，其中：
112.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度在14.2％-20.6％的范围内。
113.16、一种掺杂浓度确定方法，所述掺杂浓度为体声波谐振器的压电层的掺杂元素的掺杂浓度，所述谐振器具有机电耦合系数kt2，所述谐振器具有层厚比e/p，所述方法包括步骤：
114.基于层厚比e/p，选择所述掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝0.75时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
115.17、根据16所述的方法，其中：
116.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a1由如下公式确定：kt2＝0.3909a12+0.3056a1+0.062。
117.18、根据16或17所述的方法，其中：
118.所述掺杂浓度不大于a3，a3为谐振器层厚比e/p＝1.25时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
119.19、根据18所述的方法，其中：
120.所述压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a3由如下公式确定：kt2＝0.3791a32+0.2805a3+0.0528。
121.20、一种电子设备，包括根据11-15中任一项所述的滤波器，或根据1-10中任一项所述的体声波谐振器。
122.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。
123.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。