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。
5.此外，随着谐振器的频率降低，在kt2固定的情况下，谐振器的面积会增大，而谐振器面积增大，则滤波器的面积也随之增大，从而会降低单片晶圆产出die的数量。因此，现有技术中，也有在保持谐振器的kt2较大的情况下使得谐振器的面积较小的需求。


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.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
12.顶电极，
13.其中：
14.所述谐振器的谐振频率低于2.5ghz，且具有层厚比e/p；
15.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＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
16.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，所述谐振器的谐振频率低于2.5ghz且具有层厚比e/p，所述方法包括步骤：
17.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＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
18.本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的谐振器。
19.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
20.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：
21.图1为体声波谐振器的示意性截面图；
22.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；
23.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；
24.图4示例性示出了e/p值与kt2的关系图；
25.图5示例性示出了同一e/p的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1.5；
26.图6示例性示出了同一e/p的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1.7；
27.图7示例性示出了同一e/p的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝1.85；
28.图8示例性示出了同一e/p的情况下，掺杂浓度与kt2的关系图，其中e/p＝2；
29.图9示例性示出了对于频率为1.75ghz的谐振器，在同一kt2的情况下，掺杂浓度与谐振器面积的关系；
30.图10示例性示出了对于频率为3.5ghz的谐振器，在同一kt2的情况下，掺杂浓度与谐振器面积的关系。
具体实施方式
31.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。
32.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：
33.101：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。
34.102：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。
35.103：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。
36.104：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。
37.105：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。
38.106：钝化层或工艺层，其可以是氮化铝、氮化硅或二氧化硅等。
39.107：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。
40.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。
41.而且，谐振器的面积(指谐振器的有效区域的面积，而有效区域指谐振器的顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠部分形成的区域)在谐振器的机电耦合系数固定的情况下随谐振器的谐振频率的降低而升高。
42.本发明提出了一种通过选择高于基于特定的层厚比的掺杂浓度的掺杂浓度，来降低谐振器的面积的方案，从而既可以获得较高的谐振器q值，也可以获得较高的kt2，还可以使得谐振器的面积较小。
43.下面简单说明层厚比e/p。
44.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。
45.下面简单说明在压电层中掺杂的元素的掺杂浓度。
46.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)。
47.此外，谐振器的面积a满足如下公式：
48.a
∝
t2/(fs*ε)
–
(1)
49.a:50ω谐振器的面积
50.t2：压电层的厚度
51.fs：谐振器的谐振频率
52.ε：压电层的介电常数
53.随着频率降低，在固定kt2的情况下压电层的厚度t2会变大。通过上述公式(1)可以知道，随着频率fs降低，50ω谐振器的面积会变大。比如在掺杂浓度为0的情况下，当kt2为5.9％时，1.75ghz的50ω谐振器面积约为21000μm2(参见图9)而3.5ghz的50ω谐振器面积约为5200μm2(参见图10)。当谐振器面积变大后，单颗滤波器的面积就被迫随着谐振器面积增大而增大，从而降低了单片晶圆产出的die的数量。
54.要降低谐振器的面积，需要增大层厚比e/p以减薄压电层的厚度，但是压电层厚度降低之后，谐振器的kt2降低，为此，还希望通过掺杂将谐振器的kt2提升到例如原来值(即保持谐振器的kt2在原来的值)。因此，随着层厚比e/p提升(导致压电层的厚度降低从而谐振
器的kt2降低)，为了使得谐振器的kt2保持稳定(不变或相对于原值浮动5％，在本发明的实施例中，以保持不变为例进行说明)，需要掺杂浓度随之提升，最终的结果如图9所示。在图9中，当kt2固定时(图9中示出为5.9％)，50ω谐振器面积会随着掺杂浓度(在图9的示例中为在氮化铝中掺钪的掺杂浓度)的提升而降低。因此，对于低频谐振器，因为50ω谐振器面积较大的事实(散热较好)从而可以不用考虑其功率容量的因素，而是可以在通过增大层厚比e/p来降低谐振器的面积同时，通过提升掺杂浓度来保持谐振器的kt2稳定，从而也可以缩小滤波器的尺寸，进而提升单片晶圆产出的die的数量，最终降低单颗产品的成本。显然，缩小产品尺寸也符合当下电子器件小型化的趋势。
55.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升高，kt2降低。
56.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＝1.5，可以看到，随着掺杂浓度提高，kt2提高。
57.若需要通过选择提高层厚比e/p值来降低谐振器的面积(较高的层厚比e/p值会导致谐振器的kt2降低)，就需要提高掺杂浓度来提升kt2以保持kt2稳定。由于希望谐振器的面积减小越多，e/p值就要越高，因此，可以选择较高的e/p值以及与之对应的掺杂浓度，这样既保证了谐振器的面积较小，也保证了谐振器的kt2稳定。
58.例如，如果谐振器的kt2为5.9％，则如图8所示，e/p值为2时对应的掺杂浓度约为0.052。参见图9，可以看到，对于频率为1.75ghz、kt2为5.9％的50ω谐振器，在没有掺杂时(掺杂浓度为0时)，谐振器的面积为约21000μm2，而与约为0.052的掺杂浓度对应的是，谐振器的面积约为12500μm2。显然，在此示例中，通过提高e/p值以及通过掺杂，可以使得谐振器的面积显著降低，但是仍然保持谐振器的kt2为5.9％或保持kt2稳定。
59.显然，通过提高e/p值以及通过掺杂，可以使得谐振器的面积显著降低，但是仍然保持谐振器的kt2为5.9％或保持kt2稳定。
60.参见图2和图3，可以看到，随着层厚比e/p值增加，谐振器的q值的高值相应增加或者可以稳定在一个较高的范围。
61.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。
62.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＝1.25μm和l＝5.25μm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。
63.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。当e/p值小于1时，随着e/p值的降低谐振器q值有明显的降低趋势，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。还可以看到，当e/p值大于1时，谐振器q值维持在一个相对稳定的状态。
64.为了减少低频谐振器的面积，以及使得kt2稳定，可以通过选择较大的e/p值来降低谐振器的面积以及通过掺杂保持kt2稳定，而较大的e/p的值还能保证谐振器的q值在一个较高的范围。在本发明中，选择层厚比e/p的值应不低于1.5而且基于该e/p值来确定掺杂浓度的下限值，这既有助于降低谐振器的面积以及维持kt2稳定，还可以保证谐振器的q值较高。
65.换言之，在本发明中，对于体声波滤波器，可以通过选择提高e/p值来降低谐振器的面积，但是，为了维持谐振器的kt2稳定，或者对于选定了kt2的谐振器，还需要将掺杂浓度设定在一个较优的范围，该较优的范围的下限基于较高的层厚比e/p的值(在本发明中为1.5)来确定，从而既可以减小谐振器的面积(通过选择较高的e/p值)，还可以通过选择与该e/p值对应的掺杂浓度值来维持kt2稳定，还可以保证较高的谐振器q值。即，在本发明中，对于低频谐振器，若既要保证谐振器的性能又要缩小谐振器的尺寸，则不仅掺杂浓度需要满足因为性能要求，还需要其基于谐振器的面积要求有一个最低限制。对于低频产品，在本发明中，使e/p值不小于1.5且掺杂浓度为不小于e/p＝1.5对应的掺杂浓度，从而有利于谐振器面积的小型化以及满足谐振器的相关性能要求。
66.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，所述谐振器的谐振频率低于2.5ghz，且具有层厚比e/p；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＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
67.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，选择所述掺杂浓度不小于a1，a1为谐振器层厚比e/p＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
68.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＝1.5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＝0.2845a12+0.2791a1+0.0488。在图5中，示出了在e/p＝1.5的情况下，掺杂浓度a1与kt2的关系图，在图5中，y对应于kt2，而x对应于掺杂浓度a1。
69.在进一步的实施例中，谐振器的谐振频率低于2.0ghz，所述掺杂浓度不小于a2，a2为谐振器层厚比e/p＝1.7时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。更具体的，压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a2由如下公式确定：kt2＝0.2315a22+0.283a2+0.0451。在图6中，示出了在e/p＝1.7的情况下，掺杂浓度a2与kt2的关系图，在图6中，y对应于kt2，而x对应于掺杂浓度a2。
70.在进一步的实施例中，谐振器的谐振频率低于1.5ghz，掺杂浓度不小于a3，a3为谐振器层厚比e/p＝1.85时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。更具体的，压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a3由如下公式确定：kt2＝0.2196a32+0.2771a3+0.0434。在图7中，示出了在e/p＝1.85的情况下，掺杂浓度a3与kt2的关系图，在图7中，y对应于kt2，而x对应于掺杂浓度a3。
71.在进一步的实施例中，谐振器的谐振频率低于1.0ghz；掺杂浓度不小于a4，a4为谐振器层厚比e/p＝2.0时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。更具体的，压电层为掺杂有钪元素的氮化铝层，a4由如下公式确定：kt2＝0.407a42+0.2315a4+0.0421。在图8中，示出了在e/p＝2.0的情况下，掺杂浓度a4与kt2的关系图，在图8中，y对应于kt2，而x对应于掺杂浓
度a4。
72.以上的谐振器(基于层厚比e/p选取合适的掺杂浓度来减少谐振器面积的同时保持kt2稳定以及谐振器的q值较高)也可以用于滤波器。
73.在本发明的一个实施例中，滤波器为band5频段(tx(824mhz
–
849mhz),rx(869mhz
–
894mhz))的滤波器；且所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于15％。在本发明中，tx代表发射滤波器，而rx代表接收滤波器。
74.在本发明的一个实施例中，所述滤波器为band8频段(tx(880mhz
–
915mhz),rx(925mhz
–
960mhz))的滤波器；且所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于14.5％。
75.在本发明的一个实施例中，所述滤波器为band3频段(tx(1710mhz
–
1785mhz),rx(1805mhz
–
1880mhz))的滤波器；且所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于12％。
76.在本发明的一个实施例中，所述滤波器为band1频段(tx(1920mhz
–
1980mhz),rx(2110mhz
–
2170mhz))的滤波器；且所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于11.5％。
77.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的下限值，从而可以在保证谐振器的kt2稳定且有较高的q值的同时，谐振器有较小的面积。本发明为如何选择压电层的掺杂元素的掺杂浓度从而获得较小的谐振器面积提供了有效的指导方案。
78.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的值来确定谐振器的压电层掺杂浓度的下限值。
79.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。
80.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。
81.基于以上，本发明提出了如下技术方案：
82.1、一种体声波谐振器，包括：
83.基底；
84.声学镜；
85.底电极；
86.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
87.顶电极，
88.其中：
89.所述谐振器的谐振频率低于2.5ghz，且具有层厚比e/p；
90.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＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
91.2、根据1所述的谐振器，其中：
92.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＝0.2845a12+0.2791a1+0.0488。
93.3、根据1所述的谐振器，其中：
94.所述谐振器的谐振频率低于2.0ghz；
95.所述掺杂浓度不小于a2，a2为谐振器层厚比e/p＝1.7时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
96.4、根据3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，a2由如下公式确定：kt2＝0.2315a22+0.283a2+0.0451。
98.5、根据3所述的谐振器，其中：
99.所述谐振器的谐振频率低于1.5ghz；
100.所述掺杂浓度不小于a3，a3为谐振器层厚比e/p＝1.85时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
101.6、根据5所述的谐振器，其中：
102.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＝0.2196a32+0.2771a3+0.0434。
103.7、根据5所述的谐振器，其中：
104.所述谐振器的谐振频率低于1.0ghz；
105.所述掺杂浓度不小于a4，a4为谐振器层厚比e/p＝2.0时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
106.8、根据7所述的谐振器，其中：
107.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＝0.407a42+0.2315a4+0.0421。
108.9、一种滤波器，包括多个根据1-8中任一项所述的体声波谐振器。
109.10、根据9所述的滤波器，其中：
110.所述滤波器为band5频段的滤波器；且
111.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于15％。
112.11、根据9所述的滤波器，其中：
113.所述滤波器为band8频段的滤波器；且
114.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于14.5％。
115.12、根据9所述的滤波器，其中：
116.所述滤波器为band3频段的滤波器；且
117.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于12％。
118.13、根据9所述的滤波器，其中：
119.所述滤波器为band1频段的滤波器；且
120.所述滤波器中的谐振器的所述掺杂浓度不小于11.5％。
121.14、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，所述谐振器的谐振频率低于2.5ghz且具有层厚比e/p，所述方法包括步骤：
122.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＝1.5时所述机电耦合系数kt2对应的掺杂浓度。
123.15、根据14所述的方法，其中：
124.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＝0.2845a12+0.2791a1+0.0488。
125.16、一种电子设备，包括根据9-13中任一项所述的滤波器，或根据1-8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。