一种谐振器及滤波器的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种谐振器及滤波器。


背景技术：

2.随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波谐振器因为频率及承受功率等的限制，无法达到这样的技术指标。薄膜体声波谐振器(fbar)由于具有cmos工艺兼容、高品质因数(q值)、低损耗、低温度系数、高的功率承载能力的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。
3.薄膜体声波谐振器的声波分为沿厚度方向的振动模式和横向振动模式，其中，只有满足声波全反射条件的沿厚度方向的振动模式的声波才会被保留下来，横向振动模式的声波将被消耗。横向振动模式的声波造成了声波能量的损失，降低了能量转换效率，增大了fbar的插入损耗，降低了品质因数q值。
4.现有技术中，通常采取空气桥、边界环、声子晶体等结构提升器件品质因数。但是空气桥和边界环制备工艺复杂，对精度要求较高；而声子晶体结构则位于器件有效区的下方，对减少声波能量的横向泄露效果有限。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种谐振器及滤波器，其制备工艺简单，且能够有效减少声波能量的横向泄露。
6.本实用新型的实施例是这样实现的：
7.本实用新型实施例提供一种谐振器，包括衬底层和依次层叠设置在衬底层上的底电极层、压电层和顶电极层，衬底层和底电极层之间具有第一空腔，第一空腔与空气连通，顶电极层和第一空腔在衬底层上的正投影至少部分重合，压电层上还设有环状结构，环状结构环绕顶电极层设置，环状结构与压电层共同围合形成第二空腔。
8.可选地，环状结构包括倾斜部、连接部和反射部，倾斜部的一个边缘与压电层连接、另一边缘与连接部的边缘连接，连接部与压电层分离，反射部的一个边缘与连接部连接、另一边缘与压电层连接。
9.可选地，反射部包括至少两个，至少两个反射部同心且间隔设置，相邻的两个反射部、连接部和压电层共同围合形成第三空腔。
10.可选地，环状结构的纵截面呈梳齿状。
11.可选地，倾斜部与压电层连接的边缘还与顶电极层的边缘连接。
12.可选地，反射部的数量为2～5个。
13.可选地，反射部的纵截面积为第二空腔的纵截面积的0.5～2倍，反射部的纵截面积为第三空腔的纵截面积的0.5～2倍。
14.可选地，环状结构的高度为顶电极层高度的1～3倍。
15.可选地，环状结构的宽度为2～100μm。
16.本实用新型实施例还提供一种滤波器，包括如上任意一项的。
17.本实用新型实施例的有益效果包括：
18.一种谐振器，包括衬底层和依次层叠设置在衬底层上的底电极层、压电层和顶电极层，衬底层和底电极层之间具有第一空腔，第一空腔与空气连通，顶电极层和第一空腔在衬底层上的正投影至少部分重合，压电层上还设有环状结构，环状结构环绕顶电极层设置，环状结构与压电层共同围合形成第二空腔。上述谐振器，在顶电极层的外侧设置环状结构，环状结构与压电层围合形成第二空腔，利用环状结构自身材料与第二空腔中空气的声阻抗的不同，在谐振器的有效谐振区域的外侧形成高声阻抗材料和低声阻抗材料交替的结构，以限制声波的横向泄露，具有较高的品质因数。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为本实用新型实施例提供的谐振器在第一视角的结构示意图之一；
21.图2为本实用新型实施例提供的谐振器在第二视角的结构示意图；
22.图3为本实用新型实施例提供的谐振器在第一视角的结构示意图之二。
23.图标：100-谐振器；110-衬底层；120-底电极层；130-压电层；140-顶电极层；150-环状结构；151-倾斜部；152-连接部；153-反射部；160-第一空腔；170-第二空腔；180-第三空腔；190-有效谐振区域。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理
解为指示或暗示相对重要性。
28.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
29.除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
30.请结合参照图1和图2，本技术实施例提供一种谐振器100，包括衬底层110和依次层叠设置在衬底层110上的底电极层120、压电层130和顶电极层140，衬底层110和底电极层120之间具有第一空腔160，第一空腔160与空气连通，顶电极层140和第一空腔160在衬底层110上的正投影至少部分重合，压电层130上还设有环状结构150，环状结构150环绕顶电极层140设置并与顶电极层140的边缘连接，环状结构150与压电层130共同围合形成第二空腔170。
31.谐振器100包括衬底层110和在衬底层110的表面沿竖直方向(图1中的a方向)依次设置的底电极层120、压电层130和顶电极层140。具体的，底电极层120和衬底层110之间形成有用于容纳空气的第一空腔160，顶电极层140和第一空腔160在竖直方向上部分重合或者完全重合，顶电极层140、压电层130和底电极层120在第一空腔160的正投影(沿竖直方向投影)重合的部分共同构成了谐振器100的有效谐振区域190，声波形成于有效谐振区域190并在有效谐振区域190内振荡。
32.形成于有效谐振区域190内的声波分为沿竖直方向传播的纵向声波和沿水平方向传播的横向声波，为了抑制横向声波的泄露，压电层130上还设有环状结构150，环状结构150在水平方向上环绕顶电极层140设置，同时，环状结构150还与压电层130连接并围合形成第二空腔170，第二空腔170内存有空气。由于环状结构150自身材料的声阻抗与第二空腔170内空气的声阻抗不同，故在环状结构150处高声阻抗材料和低声阻抗材料交替分布，能够起到限制声波传输的作用。环状结构150设置于谐振器100有效谐振区域190的外侧，即可限制声波的横向泄露。
33.需要说明的是，第一，本实施例中，对第一空腔160与空气连通的方式和位置不做限定，只要能够保证第一空腔160内具有空气即可。示例地，谐振器100上设有与第一空腔160连通的通孔(图中未示出)，外界空气经由通孔进入第一空腔160内。
34.第二，本实施例中，对顶电极层140和底电极层120的结构不作限定，只要其能够与压电层130配合形成声波即可。示例地，顶电极层140和底电极层120为平板电极(图1中示出的即为平板电极)。
35.第三，本实施例中，对环状结构150不作限定，只要其能够与压电层130围合形成第二空腔170，在顶电极层140的外侧形成高声阻抗材料和低声阻抗材料交替分布的结构，以限制声波的横向泄露即可。另外，请参照图1和图3，环状结构150可以与顶电极层140直接连
接(图1中示出的实施例)，也可以不与顶电极层140连接(图3中示出的实施例)。
36.综上所述，上述谐振器100，在顶电极层140的外侧设置环状结构150，环状结构150与压电层130围合形成第二空腔170，利用环状结构150自身材料与第二空腔170中空气的声阻抗的不同，在谐振器100的有效谐振区域190的外侧形成高声阻抗材料和低声阻抗材料交替的结构，以限制声波的横向泄露，具有较高的品质因数。
37.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，环状结构150包括倾斜部151、连接部152和反射部153，倾斜部151的一个边缘与压电层130连接、另一边缘与连接部152的边缘连接，连接部152与压电层130分离，反射部153的一个边缘与连接部152连接、另一边缘与压电层130连接。
38.倾斜部151、连接部152和反射部153均呈环状。倾斜部151与压电层130之间呈夹角设置，该夹角应大于0
°
、小于90
°
，优选的，该夹角在30
°
～60
°
之间；倾斜部151具有相对的两个边缘，其中，一个边缘与压电层130连接、另一个边缘与连接部152的边缘连接。连接部152位于压电层130的上方且与压电层130间隔设置，连接部152同样具备相对的两个边缘，其中，一个边缘与倾斜部151连接、另一个边缘与压电层130分离。反射部153位于连接部152和压电层130之间，反射部153相对的两个边缘分别与连接部152和压电层130连接。如此，在倾斜部151、连接部152、反射部153和压电层130之间，即可形成第二空腔170。
39.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，倾斜部151与压电层130连接的边缘还与顶电极层140的边缘连接。如此设置，可以在制备顶电极层140的同时制备得到环状结构150，简化工艺步骤，同时，抑制声波横向泄露的效果更好。
40.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，反射部153包括至少两个，至少两个反射部153同心且间隔设置，相邻的两个反射部153、连接部152和压电层130共同围合形成第三空腔180。
41.反射部153的数量可以为两个、三个或者更多个(图1中示出的是反射部153包括四个的实施例)，至少两个反射部153沿水平方向同心设置，且相邻的两个反射部153之间具有间隙。至少两个反射部153的上边缘同时与连接部152连接，下边缘同时与压电层130连接；最靠近顶电极层140的反射部153与倾斜部151、连接部152和压电层130共同围合形成了第二空腔170；连接部152和压电层130将相邻的两个反射部153之间的间隙上下密封后形成了第三空腔180。应理解，第二空腔170和第三空腔180也呈环形，第三空腔180环绕第二空腔170设置。第三空腔180比反射部153的数量少一个。
42.增加反射部153的数量，即可增加高声阻抗材料和低声阻抗材料交替的次数，进而提高抑制声波能量横向泄露的效果，使上述谐振器100具有较高的品质因数。
43.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，环状结构的纵截面(沿竖直方向的截面)呈梳齿状，环状结构的多个梳齿与压电层连接后形成了第二空腔170和第三空腔180。纵截面呈梳齿状的环状结构，其抑制声波能量的横向泄露效果更好。
44.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，反射部153的数量为2～5个。
45.反射部153的数量为2～5个，包括2个和5个。当反射部153的数量为1个时，仅能形成第二空腔170，无法形成第三空腔180，高阻抗材料与低阻抗材料交替的次数太少，对抑制声波能量的横向泄露的效果有限；当反射部153的数量为2～5个时，形成的环状结构150抑制声波能量的横向泄露的效果较好，且对谐振器100沿水平方向的尺寸没有过大影响；而当
反射部153的数量超过5个时，其抑制声波能量横向泄露的效果不会有明显的提高，还会导致环状结构150沿水平方向的宽度过大，进而显著增大谐振器100的体积。
46.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，反射部153的纵截面积为第二空腔170的纵截面积的0.5～2倍，反射部153的纵截面积为第三空腔180的纵截面积的0.5～2倍。
47.应理解，纵截面积即为沿竖直方向上的截面的面积，0.5～2倍包括0.5倍和2倍。当反射部153的纵截面积与第二空腔170的纵截面积之比在0.5～2之间(包括端点)时，反射部153与倾斜部151之间保持着合适的距离，不会因距离太近或太远而影响对声波的抑制效果；同理，当反射部153的纵截面积与第三空腔180的纵截面积之比在0.5～2之间(包括端点)时，相邻的两个反射部153之间保持着合适的距离，不会因距离太近或太远而影响对声波的抑制效果。
48.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，环状结构150的高度为顶电极层140高度的1～3倍。
49.环状结构150的高度(沿竖直方向的尺寸)为顶电极层140高度的1～3倍，包括1倍和3倍。当环状结构150的高度与顶电极层140的高度之间的比值小于1时，环状结构150低于顶电极层140，其无法有效的抑制声波能量的横向泄露；当环状结构150的高度为顶电极层140的高度的1～3倍时，其能够将顶电极层140沿竖直方向完全包围，能够有效防止声波能量的横向泄露，且不会过多的增大谐振器100沿竖直方向上的尺寸；而当环状结构150的高度与顶电极层140的高度之间的比值大于3时，其抑制声波能量横向泄露的效果不会有明显的提高，还会显著增加谐振器100沿竖直方向的高度，进而显著增大谐振器100的体积。
50.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，环状结构150的宽度为2～100μm。
51.环状结构150的宽度(沿水平方向的尺寸)为2～100μm，包括2μm和100μm；当环状结构150的宽度小于2μm时，可设置的反射部153的数量较少，且反射部153、第二空腔170或第三空腔180的纵截面积均较小，抑制声波能量横向泄露的效果有限；当环状结构150的宽度为2～100μm时，可设置较多的反射部153，并使反射部153、形成的第二空腔170和第三空腔180的纵截面积较大，进而提高抑制声波横向泄露的效果；当环状结构150的宽度大于100μm时，其抑制声波能量横向泄露的效果不会有明显的提高，还会显著增大谐振器100的体积。
52.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，环状结构150的材料为钼、铝、铂、金、镍、铜、银、铬中的任意一种。
53.优选的，环状结构150的材料与顶电极层140的材料相同，以在制备顶电极层140的同时制备环状结构150，简化工艺过程，更能提高环状结构150与顶电极层140连接的可靠性。当然，在其他实施例中，环状结构150的材料也可以与顶电极层140不同，只要其能够抑制声波能量的横向泄露即可。
54.本实施例还提供一种滤波器，包括如上任意一项的谐振器100。
55.该滤波器包含与前述实施例中的谐振器100相同的结构和有益效果。谐振器100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
56.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则
之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。