体声波谐振器组件及制造方法、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组件，一种体声波谐振器组件的制造方法、一种具有该组件的滤波器，以及一种具有该组件或滤波器的电子设备。


背景技术：

2.通常，基于压电薄膜及电极逐层生长工艺制备的滤波器中，由若干个体声波谐振器构成的已知滤波器的基底100具有如图1a所示的俯视结构。沿图1a中的直线aa’剖开，可得到如图1b所示的剖视结构或截面结构。
3.图1a和1b中所示的滤波器包含若干个体声波谐振器，每个谐振器的具体结构包含基底100；嵌于基底表面的空腔型声学镜111、112、113；位于声学镜上方并覆盖部分基底表面的底电极130、230、330；覆盖底电极和部分基板表面的压电层薄膜或压电层120，且压电层由多个谐振器共享；位于压电层上方的顶电极140、240、340，其中压电层和每个谐振器的声学镜、底电极、顶电极在谐振器的厚度方向上的重合部分是谐振器的有效区域。
4.由于构成滤波器的各个膜层的厚度仅为百纳米至微米级别，薄膜很容易受到应力的影响而发生形变。由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构扭曲形变会严重降低构成滤波器的谐振器的q值，从而严重影响滤波器的性能。因此具有空腔型声学镜的传统体声波滤波器通常采用分立空腔结构的基底：即滤波器中的每个谐振器拥有自己独立的空腔。
5.这种结构的好处是可在谐振器之间的下方形成支撑结构，从而增强滤波器整体结构的稳定性。
6.但是，这种结构存在缺陷。理想状态下，谐振器在工作时，能量转换只发生在有效区域内。然而，实际情况下，谐振器的能量总是不可避免的要逸散到有效区域之外，并通过基底上的与底电极和压电层接触的支撑结构，进一步逸散到基底中，如图1b中的箭头所示，该结构会造成显著的能量损失，最终使q值严重下滑并造成滤波器性能劣化。
7.如图2a和图2b所示，如果通过减少支撑结构，使谐振器的空腔型声学镜互相连通，可以降低谐振器的能量损失，提高谐振器的q值。但是由于压电薄膜或压电层呈现非平直结构，内部尤其是薄膜弯曲部分(如底电极边缘处的压电层部分)的应力非常大；工作过程中，谐振器的部分声波能量传递至压电薄膜的弯曲部位，导致其产生强烈的机械振动；在压电薄膜弯曲部位缺乏外部结构支撑的情况下，弯曲部位非常容易破裂，使得谐振器和滤波器失效(可靠性差)。


技术实现要素：

8.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。
9.本发明的实施例涉及体声波谐振器组件，包括：
10.基底；
11.声学镜空腔；
12.至少两个谐振结构，所述至少两个谐振结构共用同一压电层以及所述基底：和
13.支撑层，设置在基底与压电层之间，
14.其中：
15.所述压电层为单晶压电层，压电层与基底彼此间隔开的平行设置；
16.所述支撑层限定所述声学镜空腔的边界的至少一部分。
17.本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器组件的制造方法，包括：
18.步骤1：提供poi晶圆，所述poi晶圆包括衬底、单晶压电层以及设置在单晶压电层的第一侧与衬底之间的绝缘层；
19.步骤2：在poi晶圆的压电层的与第一侧相对的第二侧形成底电极图案；
20.步骤3：提供包括牺牲材料层和支撑层的中间层，所述中间层覆盖压电层的第二侧与底电极图案，中间层的远离衬底的一侧为平坦面；
21.步骤4：将所述基底在中间层的所述平坦面与中间层键合；
22.步骤5：移除衬底以及绝缘层，至少一部分绝缘层被移除以露出所述压电层的第一侧；
23.步骤6：在压电层的第一侧设置顶电极图案；
24.步骤7：移除所述牺牲材料层以形成声学镜空腔，
25.其中：
26.所述底电极图案、所述顶电极图案以及所述压电层形成至少两个谐振结构；
27.所述压电层与基底彼此间隔开的平行设置；
28.所述支撑层限定所述声学镜空腔的边界的至少一部分。
29.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组件。
30.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体声波谐振器组件。
附图说明
31.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：
32.图1a为已知技术中的滤波器的基底的俯视示意图；
33.图1b为类似于沿图1a中的aa’线截得的滤波器的示意性截面图；
34.图2a为已知技术中的滤波器的基底的俯视示意图；
35.图2b为类似于沿图2a中的aa’线截得的滤波器的示意性截面图；
36.图3a为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图；
37.图3b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图3a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图；
38.图3c为根据本发明的一个示例性实施例的类似于沿图3a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图；
39.图4a
‑
4g为示例性示出了图3a和3b中所示的滤波器的制作过程的系列示意性截面图；
40.图5a为根据本发明的另一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图；
41.图5b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图；
42.图6a为根据本发明的再一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图；
43.图6b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图6a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图；
44.图7a
‑
7c为根据本发明的不同示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图。
具体实施方式
45.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。
46.首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
47.100：基底，其为器件基底，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。
48.111,112,113：空腔型声学镜。
49.110：支撑层，材料可以为氮化铝、氮化硅、多晶硅、二氧化硅、无定形硅、硼掺杂二氧化硅及其他硅基材料等。
50.115：牺牲材料层，材料可以是多晶硅、无定形硅、二氧化硅、磷掺杂二氧化硅(psg)、氧化锌、氧化镁、聚合物高分子及类似材料等。
51.120：压电层，材料可选单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，还可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，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。
52.130，230,330：底电极，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。
53.140,240,340：顶电极，其材料可与底电极相同，也可以不同，顶电极的材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
54.200：衬底，其为辅助基底，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。
55.201：绝缘层，可以是二氧化硅及其掺杂物、氮化硅、碳化硅、蓝宝石等。
56.图3a为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图；图3b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图3a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图。
57.如图3a和3b所示，在图示的实施例中，该滤波器包含若干个体声波谐振器，每个谐振器的具体结构包含基底100；空腔型声学镜111、112、113；位于声学镜上方并覆盖部分基底表面的底电极130、230、330；覆盖底电极和部分基板表面的单晶压电层120，且压电层由多个谐振器共享；位于压电层上方的顶电极140、240、340，其中压电层120和每个谐振器的
声学镜、底电极、顶电极在谐振器的厚度方向上的重合部分是该谐振器的有效区域。
58.如图3b所示，支撑层110设置在压电层120与基底100之间，压电层120与基底100彼此间隔开的平行设置，支撑层110的下侧与基底100上侧相接，支撑层110的上侧与压电层120的下侧相接。
59.如图3b所示，每个谐振器的声学镜独立于其他的谐振器的声学镜。声学镜111、112和113分别下凹到支撑层110内的空腔且该空腔的底侧由支撑层110限定。
60.如图3a所示，支撑层110设置有凸肋110a。图3a和图3b中的凸肋110a在从基底100向压电层120的方向上延伸而与压电层120的下侧相接，由此将声学镜空腔分割为多个腔体，该多个腔体彼此不相通，凸肋110a构成该多个腔体中的对应腔体在水平方向上的边界。
61.在图3a和图3b所示的实施例中，压电层120为单晶压电层，且压电层120与基底100之间相互平行设置，从而消除或减少了现有技术中的如下问题：由于压电薄膜或压电层呈现非平直结构，内部尤其是薄膜弯曲部分(如底电极边缘处的压电层部分)的应力非常大；工作过程中，谐振器的部分声波能量传递至压电薄膜的弯曲部位，导致其产生强烈的机械振动；在压电薄膜弯曲部位缺乏外部结构支撑的情况下，弯曲部位非常容易破裂，使得谐振器和滤波器失效(可靠性差)。在图3所示实施例中，压电层为平直结构，这样谐振器可以在保证可靠性的前提下，减小泄露至基底的声波能量，从而同时拥有高q值和高可靠性。
62.下面参照图4a
‑
4g为示例性说明图3a和3b中所示的滤波器的制作过程。
63.步骤一，如图4a所示，提供poi基板，该poi基板包括衬底200、设置在衬底200上的绝缘层201和设置在绝缘层201上的单晶压电层120。
64.步骤二，如图4b所示，在单晶压电层120的第一侧(即压电层120的下表面)上形成底电极图案。例如，可以在单晶压电层120的第一侧沉积电极金属层并将金属层图形化而形成底电极130,230和330。
65.步骤三，如图4c所示，在图4b所示结构上，在单晶压电层120的第一侧形成牺牲材料层115和支撑层110。例如可以先在图4b所示结构上沉积和图形化牺牲材料以形成牺牲材料层115，然后再沉积和图形化支撑材料，该支撑材料可以覆盖整个牺牲材料层115，再通过例如cmp(化学机械研磨)的方式将支撑层110的表面磨平，但是牺牲材料层115被支撑层110所覆盖。如能够理解的，支撑材料覆盖图形化的牺牲材料层115可以形成凸肋110a。
66.步骤四，提供基底100，以及如图4d所示，将图4c所得到的结构体结合到基底100上，也就是将基底100结合到支撑层110上。这种结合可以是键合的方式，也可以其他任何能够将基底100与支撑层110结合的方式。
67.步骤五，将图4d的结构翻转，以及如图4e所示，去除poi基板的衬底200和绝缘层201。虽然没有示出，绝缘层120可以保留一部分而留在谐振器的非有效区域的部分。衬底200和绝缘层201在前述制造过程中可以实现对单晶压电层120的临时支撑和保护，以防压电层120受损。可以采用研磨及干法刻蚀的方式去除衬底200，此时绝缘层201可以保护压电层120不在此步骤中受到损伤。也可以采用湿法方式去除衬底200。
68.步骤六，如图4f所示，在单晶压电层120的第二侧(即压电层120的上表面)上沉积金属层并将金属层图形化以形成顶电极图案，如图4f所示，该图案包括顶电极140,240和340。
69.步骤七，如图4g所示，利用刻蚀剂去除牺牲材料层115以得到作为声学镜的空腔
111,112和113。
70.在图3a
‑
3b所示的实施例中，凸肋110a的高度等于声学镜腔体的厚度，腔体之间彼此不相通，如图3a和图3b所示，凸肋110a构成对应腔体在水平方向上的边界。
71.在图3b中，凸肋110a的顶端均与压电层抵接，但是本发明不限于此。例如，在可选的实施例中，在相邻谐振器的底电极彼此相接的情况下，作为相邻两个谐振器的声学镜的边界的凸肋的顶部与底电极相接。
72.在以上参照图3b的说明中，凸肋110a的高度与声学镜空腔的厚度一致，但是，本发明不限于此。在本发明的一个实施例中，例如参见图3c，图3a中所示的凸肋110a的高度也可以小于空腔的厚度，如此，相邻谐振器的声学镜空腔可以相通，凸起110a也仅仅在压电层或底电极向下振动到一定幅度的过程中才会与凸肋110a接触，从而不仅可尽量减少由于凸肋110a与压电层或底电极抵接而导致的能浪传导泄露，还可以防止或减少谐振器的压电层膜层由于变形而破裂，从而导致谐振器和滤波器失效的风险。
73.虽然没有示出，作为相对于图3b所示结构的一个变形例，也可以使得凸肋的一部分的高度小于声学镜腔体的厚度，这也会减少凸肋110a与压电层或底电极的接触面积，减少由于凸肋110a与压电层或底电极抵接而导致的能浪传导泄露。
74.图5a为根据本发明的另一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图，图5b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图。
75.图5a
‑
5b所示的实施例与图3a和图3b所示的实施例的不同在于，在图5a和图5b所示的实施例中，声学镜空腔为单个空腔，即在声学镜空腔中，并不存在上述的凸肋。如图5a和5b所示，声学镜空腔为单个空腔，换言之，支撑层110并未设置凸肋110a，多个谐振器共用一个声学镜空腔。
76.图5a
‑
5b所示实施例相对于图3b所示的实施例，因为没有设置凸肋110a，进一步减少了由于支撑层110与压电层或底电极抵接而导致的能浪传导泄露。
77.图5a
‑
5b所示的实施例的结构与图3a
‑
3b所示的实施例的结构的其他技术特征基本相同，为了简洁起见，这里不再赘述。
78.此外，图5a
‑
5b所示的实施例的结构的制造过程也可以参考图3a
‑
3b所示的实施例，这里不再赘述。不过，需要指出的是，在图5a
‑
5b所示结构的制作过程中，对于前面的步骤三，牺牲材料层115为一个整体，即对于形成声学镜空腔的牺牲材料层115不具有供支撑材料进入的凹陷或沟槽。在图5a
‑
5b所示结构的制造过程中，在步骤三中，支撑层110限定牺牲材料层115在水平方向上的边界。
79.图6a为根据本发明的再一个示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图，
80.图6b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图6a中的aa’线截得的滤波器的截面示意图。图6a
‑
6b所示实施例与图3a
‑
3b所示实施例的区别在于，在图6a和6b中，声学镜空腔的底侧由基底110限定而非由支撑层110限定。
81.图6a
‑
6b所示的实施例的结构与图3a
‑
3b所示的实施例的结构的其他技术特征基本相同，为了简洁起见，这里不再赘述。
82.此外，图6a
‑
6b所示的实施例的结构的制造过程也可以参考图3a
‑
3b所示的实施例，除了前面提及的步骤三，这里不再赘述。不过，需要指出的是，对于步骤三，可以如下：先在单晶压电层120的第一侧形成支撑材料层，之后对支撑材料层进行蚀刻以获得构成声学
镜的空腔和支撑层115，如能够理解的，相邻空腔之间为凸肋；接着，在该空腔中填充牺牲材料，以形成牺牲材料层115；再接着，可以通过例如cmp(化学机械研磨)的方式使得支撑层110的表面与牺牲材料层115的表面齐平。也可以先形成牺牲材料层115，再形成支撑层110。
83.在前面的实施例中，在设置有凸肋110a时，凸肋110a为连续延伸且彼此相接的条形，但是本发明不限于此。图7a
‑
7c示出了不同的实施例。图7a
‑
7c为根据本发明的不同示例性实施例的滤波器的支撑层的俯视示意图。在图7a
‑
7c中，凸肋110a包括彼此在水平方向上间隔开的多个断续结构。
84.在本发明的一个实施例中，谐振器的有效区域为多边形结构。在图7a中，断续结构为设置在多边形的多个顶点的凸起，在图7b中，断续结构为设置在多边形的多条边的凸起，但并非每条边都设置有凸起，而在图7c中，断续结构为设置在多边形的多条边的凸起，且每条边都设置有凸起。
85.在本发明中，对于单个谐振器而言，电极和压电层一起构成谐振结构。
86.在本发明中，虽然以滤波器的实施例进行说明，但是，对于由两个或多个体声波谐振器形成的组件，以上的描述也适用。
87.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。
88.在本发明中，对于例如附图所示的滤波器的体声波谐振器，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。
89.基于以上，本发明提出了如下技术方案：
90.1、一种体声波谐振器组件，包括：
91.基底；
92.声学镜空腔；
93.至少两个谐振结构，所述至少两个谐振结构共用同一压电层以及所述基底：和
94.支撑层，设置在基底与压电层之间，
95.其中：
96.所述压电层为单晶压电层，压电层与基底彼此间隔开的平行设置；
97.所述支撑层限定所述声学镜空腔的边界的至少一部分。
98.2、根据1所述的组件，其中：
99.所述支撑层包括凸肋，所述凸肋在从基底向压电层的方向上延伸，所述声学镜空腔由所述凸肋被分为至少两个腔体；
100.所述至少两个谐振结构中的每个谐振结构对应一个腔体。
101.3、根据2所述的组件，其中：
102.所述凸肋的高度等于所述腔体的厚度，所述至少两个腔体彼此不相通，所述凸肋构成所述至少两个腔体中的对应腔体在水平方向上的边界。
103.4、根据2所述的组件，其中：
104.所述至少两个腔体彼此相通。
105.5、根据4所述的组件，其中：
106.整个所述凸肋的高度小于所述腔体的厚度；或者
107.所述凸肋的一部分的高度小于所述腔体的厚度；或者
108.所述凸肋包括彼此在水平方向上间隔开的多个断续结构。
109.6、根据5所述的组件，其中：
110.所述至少两个谐振结构中的每个谐振结构的有效区域为多边形形状。
111.7、根据6所述的组件，其中：
112.所述断续结构包括设置在所述至少两个谐振结构中的至少一个谐振结构的所述多边形形状的顶点或者边的凸起。
113.8、根据1所述的组件，其中：
114.所述声学镜空腔为单个空腔；且
115.所述至少两个谐振结构共用所述声学镜空腔。
116.9、根据1
‑
8中任一项所述的组件，其中：
117.所述声学镜空腔的底侧由所述支撑层限定。
118.10、根据1
‑
8中任一项所述的组件，其中：
119.所述声学镜空腔的底侧由所述基底限定。
120.11、一种体声波谐振器组件的制造方法，包括：
121.步骤1：提供poi晶圆，所述poi晶圆包括衬底、单晶压电层以及设置在单晶压电层的第一侧与衬底之间的绝缘层；
122.步骤2：在poi晶圆的压电层的与第一侧相对的第二侧形成底电极图案；
123.步骤3：提供包括牺牲材料层和支撑层的中间层，所述中间层覆盖压电层的第二侧与底电极图案，中间层的远离衬底的一侧为平坦面；
124.步骤4：将所述基底在中间层的所述平坦面与中间层键合；
125.步骤5：移除衬底以及绝缘层，至少一部分绝缘层被移除以露出所述压电层的第一侧；
126.步骤6：在压电层的第一侧设置顶电极图案；
127.步骤7：移除所述牺牲材料层以形成声学镜空腔，
128.其中：
129.所述底电极图案、所述顶电极图案以及所述压电层形成至少两个谐振结构；
130.所述压电层与基底彼此间隔开的平行设置；
131.所述支撑层限定所述声学镜空腔的边界的至少一部分。
132.12、根据11所述的方法，其中：
133.在步骤3中，所述牺牲材料层被所述支撑层间隔开为至少两个部分，每个部分与一个对应的谐振结构对应，且所述至少两个部分彼此断开；或者
134.在步骤3中，所述牺牲材料层被所述支撑层间隔开为至少两个部分，每个部分与一个对应的谐振结构对应，且所述至少两个部分彼此之间存在连接；或者
135.在步骤3中，所述牺牲材料层为一个整体且所述支撑层限定所述牺牲材料层在水
平方向上的边界。
136.13、根据11所述的方法，其中：
137.在步骤3中，使得支撑层的远离衬底的一侧构成所述平坦面，或者使得所述支撑层的远离衬底的一侧与所述牺牲材料层的远离衬底的一侧齐平从而共同构成所述平坦面。
138.14、一种滤波器，包括根据1
‑
10中任一项所述的体声波谐振器组件。
139.15、一种电子设备，包括根据14所述的滤波器，或者根据1
‑
10中任一项所述的体声波谐振器组件。
140.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。
141.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。