專利名稱：體聲波諧振器的制作方法
技術領域：
本發明涉及體聲波諧振器。
背景技術：
BAW諧振器本質上是包括夾在金屬電極層之間的壓電層的聲腔。當在電極上施 加交流電信號時，能量轉化為機械形式并且激發出駐聲波。實際的薄膜諧振器中的主要 振動模式是基本的厚度延伸(TE1)聲模式，S卩，振動以該模式的波長的一半近似等于腔 的總厚度的頻率與層垂直。在膜體聲波諧振器(或FBAR)中，薄膜形成大約一微米厚度的腔。在穩固安裝 BAW諧振器(SBAR)中，使用用于反射聲波的聲失配層集合。此概念在光學上與布拉格 反射器類似。反射器層沉積在固態襯底上，固態襯底典型地是玻璃或硅(Si)，因此該結 構物理上比FBAR更堅固。對于具有對RF濾波器選擇性的高要求的移動通信應用，薄膜體聲波(BAW)濾 波器作為選擇的工藝變得越來越重要。為得到高性能BAW濾波器，它們的構造塊、BAW 諧振器需要具有高的品質因數和電特性上的極小紋波。前者是通過將聲能量陷入諧振器 中來實現的。遺憾的是，能陷常常引起聲駐波的發生，導致BAW諧振器的阻抗曲線中的 無用峰。典型地，如果通信標準要求高頻率選擇，則使用BAW濾波器。例如，在 US-PCS標準中是這樣的情況，在USPCS標準中，接收和發送頻帶僅間隔20MHz，并且 發送信號的強抑制是必要的，以防止對接收頻帶的串擾。為實現該性能，構成BAW濾波 器的諧振器需要具有遠遠高于1000的品質因數，并且需要實際上沒有寄生峰。寄生峰的 總幅度可以便利地在非圓形數目(NC)中來表示。對于好的濾波器，諧振器應該具有遠 遠低于1的NC。現有技術中，較大BAW諧振器的確達到這些要求。然而，對于小面積諧振器， 不太容易滿足這樣要求。用于實現低NC的可靠方法(甚至對于小諧振器來說)將極大 地便利設計。在理想技術中，BAW諧振器自身(內部區)將均勻振動，周圍世界(外部區) 將完全處于靜止狀態。由于兩個區相連接，所以這是不可能的。近來，已經開發了方法來接近該理想條件。諧振器的外部邊緣配備有所謂的保 護環或框區。現在將簡要解釋框區的工作原理。近似地，水平位置&和垂直位置&上垂直粒 子位移u3的相關性可以表示為U3 (Xi, x3) = u3, o (x3) exp (j (W t-kiXi))(1)其中ki是水平方向上的復波數，《是輻射頻率。所給的層堆疊僅支持所給頻率 處的該形式的離散模式集合。通常，這些模式的波數是與頻率相對比來繪制的。這導致 所謂的離散曲線(圖3示出了示例)。
有些模式具有實波數。它們是攜帶能量的傳播波。其他模式對于一些頻率具有 虛波數。在這些頻率處有粒子振動，但沒有水平能通量。這些模式稱作漸逝(evanescent) 模式。希望在外部區中具有這種漸逝波。它可以提供從均勻振動內部區到與諧振器相 距某距離的寂靜環境的平滑過渡。圖1是該理想情況的草圖。圖1在BAW諧振器中粒子位移的示意圖。垂直粒子位移在內部區中一致，同時 位移在外部區中以e_klx衰減。頂部和底部電極示為10、12，壓電層示為14。遺憾的是，圖1的布置不服從內部和外部區之間的邊界條件位移u3(Xl)及其斜 率^^/a^應該是連續的，但是在圖中，斜率不是連續的，如非連續包絡線所表示。這正 是框區起作用的地方，如圖2所示。框區16包括圍繞諧振器邊緣的額外厚度的區。這提供了每單位面積的額外質 量。圖2是具有框區的BAW諧振器中的粒子位移的示意圖。正弦曲線&00相關性形 成內部與外部區之間的連續過渡。框區的模式具有實波數它是傳播的。在相反橫向方向上傳播的兩個這種波導 致具有幅度對位置的正弦依賴性的駐波。這意味著叫正弦地依賴位置Xl。該正弦函數 以平滑方式將內部區中的均勻運動(方程式(1)中]^ = 0)與外部區中的衰減運動(虛ki) 相聯系。圖3示出了關于內部區、外部區和框(保護環)區的離散曲線。實(虛)波數 標繪在縱軸的右邊(左邊)。在諧振頻率fres上，外部區具有虛波數，框區具有實波數， 且內部區具有k = 0。所獲得的電性能如圖4所示，圖4示出了史密斯圓圖中標繪的阻抗測量。線40 表示沒有框區時的性能。線42是具有框區的情況。圖的下半部中的紋波具有不同原點 且不在這里討論。圖示出了在諧振頻率之上的紋波已經顯著地減小。此外，曲線42靠近史密斯圓 圖的邊緣，尤其是在標示更高品質因數的反諧振處(圖的右側)。總之，內部區中的均勻運動、框區中的實波數和外部區中的漸逝波數的組合獲 得高品質因數和較低量的寄生紋波。應提到的是，k值的條件對于合適的框區操作是不足的。還有粒子位移(垂直 位移u3,。還有水平位移、0)對垂直位置x3的相關性(所謂的振形)在所有三個區中應該 是相似的。上述的對框區的要求已經被解釋為在內部區中& = 0，在框區中1^為實數，以 及在外部區中h為虛數。不難滿足前兩個要求通過沉積一些材料(框區)，可以增加 一些重量以及可以將離散曲線布置為在頻率處下降，并且可以獲得實h。在材料的總量 或總重量與截止頻率之間沒有直接的聯系。然而，給出具體的層堆疊的情況下，可以通 過在頂部增加(或移除)材料來增加(降低)其截止頻率，并且以一級近似，頻率的改變 與質量密度和厚度增加(或減小)的乘積成比例，即與每單位面積的質量成比例。將材 料加入一個更深的層通常還導致降低的截止頻率，但這與增加的質量每單位面積不是正 好成比例的。同樣地，為外部區獲得虛1^要求頂層重量的總量比內部區中稍微少一些。這自動地伴隨著頂部電極不延伸入外部區。遺憾的是，材料總量的差別太大。這可以在圖 5的草圖中看到，圖5示出了在理想情況下(左邊)和實際情況下(右邊)對于內部區、 外部區和框區的離散曲線。在實際情況中，在內部區的諧振頻率處，外部區的波數不再是虛數。該部分問 題可以通過聲明截止頻率(對于該頻率h = 0)的差別對外部和內部區來說太大來概括。 此外，外部區在離散空間中處于完全不同的域中，所以可以期望振形與內部區中的振形 非常不同。可以設想通過使得內部和外部區的重量差別減小來解決該問題。所以有兩個選 項-將頂部電極做得更薄。這是有用的，但是這對于其他諧振器特性來說是不期望 的。尤其是有效耦合常數k2將變得非常低。_向外部區增加材料。可以這樣做，但材料應該是非導電材料，否則它將成為諧 振器面積的延伸。問題是非金屬通常具有比電極金屬(優選地是中等密度金屬例如Mo、 W、Pt)低很多的質量密度。增加電介質以降低離散曲線將要求微米量級電介質，而微米 量級的電介質實際上是不能實現的。總之，對于高性能諧振器來說，實際上不可能制造出具有比內部區截止頻率稍 高的截止頻率的外部區。
發明內容
本發明大體涉及一種諧振器，在該諧振器中可以在外部區中產生漸逝波，從而 從均勻振動內部區到與諧振器相距某距離的寂靜環境具有平滑過渡。這可以提高諧振器 的設計，不論是否使用框區。根據本發明，提供了諧振器，包括底部電極層；限定諧振器體的頂部電極層；以及夾在頂部和底部電極層之間的壓電層，其中，圍繞諧振器體的外圍的外部提供外部區，其中，外部區的第一諧振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式的 截止頻率相匹配。本發明提供在外部區的諧振模式中提供了截止頻率的慎重改變(例如增加)， 使得模式之一具有接近諧振器體的基本模式的截止頻率的截止頻率。優選地，外部區截 止頻率比諧振器體的反諧振頻率稍大。這使得能夠在諧振器體外部的外部區中產生漸逝 場。優選地，頂部電極包括圍繞諧振器體外圍的更大質量每表面積的框區以及框區 內的內區。這意味著對于感興趣的整個頻率范圍(從諧振到反諧振)，滿足最優框區性能 的要求。為了實現外部區中諧振的轉換，在外部區內要求質量密度的減小。外部區可以 具有比頂部電極的內區更少數目的層，和/或比頂部電極的內區更低的厚度，和/或外部 區可以包括具有比堆疊內相同位置處的層更大重量或更高聲波速度的層，作為內區中的層。
內區可以具有2500 u m’至90000 u m’的面積，框區可以在外圍向內部延伸2至6 u m。
外部區可以延伸至30 u m或更小的距離。
截止頻率的匹配優選地在lo％內。
第一諧振模式的截止頻率優選地比內部區的反諧振頻率稍大。
本發明還提供了一種包括本發明的諧振器的濾波器。
在濾波器中，外部區可以既不包含沿著諧振器邊緣的重要部分的頂部電極也不包含底部電極。
本發明還提供了一種制造諧振器的方法，包括
形成底部電極層、限定諧振器體的頂部電極層以及夾在頂部和底部電極層之間的壓電層；
對圍繞諧振器體的外圍的外部外部區進行加工，使得外部區的第一諧振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式的截止頻率相匹配。
可以對外部區進行加工，使得增加與基本TEl模式不同但具有相似振形的導模的截止頻率，以比內部區的反諧振頻率大。
例如，對外部區的加工可以包括
使得從外部區減薄或移除頂部壓電層；以及／或者
在外部區中移除底部電極；以及／或者
在底部電極和壓電層之間改變外部區中下層的厚度(該層也可以是反射器層)；以及／或者
至少部分地蝕刻掉外部區中的第一層，并沉積更輕材料層。
現在將參考附圖對本發明進行描述，在附圖中
圖l用于解釋在第一已知諧振器設計中的粒子位移；
圖2用于解釋在第二已知諧振器設計中的粒子位移；
圖3示出了圖2的設計的不同部分的理想諧振器響應；
圖4用于解釋圖3的設計的電性能；
圖5示出了圖2的設計的不同部分的實際諧振響應；
圖6示出了圖3的設計的外部部分的不同諧振模式；
圖7示出了在使用本發明的設計方法移動之后圖3的設計的外部部分的諧振；
圖8A和8B示出了對于圖7的設計的外部區和框區振形；
圖9示出了不同的頻移如何給出不同的性能；
圖lo示出了外部部分的諧振頻率如何影響諧振器性能；
圖11是說明針對外部區的不同加工量諧振器性能如何變化的第一圖表；
圖12是說明針對外部區的不同加工量諧振器性能如何變化的第二圖表；
圖13示出了本發明如何可以提高諧振器濾波器的特性；
圖14示出了在兩個不同位置上本發明的諧振器的示例的橫截面；以及
圖15示出了圖14的諧振器的平面圖。
具體實施例方式本發明提供了壓電諧振器，圍繞諧振器體的外圍的外部提供有外部區。外部區 的第一諧振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式的截止頻率相匹配。本發 明使得能夠形成高性能諧振器，該諧振器具有外部區，外部區的截止頻率與諧振器體截 止頻率相匹配(優選地比諧振器體截止頻率稍高)。這使得能夠在外部區中形成漸逝波并 且實波數在諧振器體中傳播諧振。如上所述，本發明可以應用于諧振器的設計，無論是否使用框區。然而，使用 框區的示例用于解釋本發明。使用基于本發明的仿真來說明本發明的優點。所使用的仿真工具使得允許計算 所給的層堆疊的離散曲線。對于示例工藝的外部區的離散曲線在圖6中示出，圖6示出 了用于實際情況下外部區的離散曲線。在這種仿真中，除了外部區的頂部電極被蝕刻掉外，外部區與內部區相同。設 計內部區的截止頻率為1.88GHz。圖示出了關聯的截止頻率(表示為f。utofr—^高得多，是 2.8GHz。因此該模式不能提供對于框區(保護環)方法最優工作來說必要的漸逝波。圖還示出了其他模式。將這些其他模式一般化為蘭姆波。在它們的截止頻率 處，它們具有厚度剪切或厚度延伸特性(TS1、TE1、TS2等)。對于略微不同的頻率， 模式是厚度剪切和厚度延伸粒子移動的耦合模式。如在圖10中所見，它們中的一些在低 得多的頻率處變得漸逝。本發明是基于增加外部區中的不同模式的截止頻率從而匹配內部區的截止頻率 的方法。具體地，移動外部區中的一個模式的截止頻率，以比內部區的反諧振頻率稍 大。這樣，針對感興趣的整個頻率范圍(從諧振到反諧振)都滿足最優框區性能的要求。 最后，外部區和框區中的振形應該是相似的。參考圖6，本發明是基于增加截止頻率3和4的構思。這可以簡單地通過從外部 區移除材料來實現。可以執行以下一個或多個動作⑴使最高層(通常是壓電層)減薄至某厚度，使得截止頻率具有期望值。如果 必要，將其完全移除。(ii)在外部區將底部電極移除。(iii)改變底層的厚度。對于大多數層來說，減薄增加截止頻率。可以識別厚度 增加具有該效應的一些層。(iv)蝕刻掉(或部分地蝕刻)較重的層并沉積較輕的材料。大多數層的移除將增加截止頻率。然而，對于外部區的振形u3, “。和^， 應該仍然與用于框區的振形相類似。已經發現移除最高層或使最高層減薄證明是最有效的。在圖7中，針對已組合動作(i)、(ii)和(iv)的情況，繪制了離散曲線，從而在 外部區中具有縮小的層厚度。已經使頻率f。utoflL4僅在內部區的反諧振頻率之上。期望的截止頻率對于框區方法的完美條件來說還不足夠。外部區中的振形也應 該與框區中的振形相類似。可以用準解析模型或有限元仿真來計算這些振形。在圖8中，將根據準解析2D模型獲得的水平和垂直位移的振形Ul, 0(x3)和u3, o(x3)進行了比較。在內部區中與TE1模式具有良好的對應。
圖8A示出了根據針對圖7中模式的垂直位置x3的外部區振形u3(曲線80)和 Ul (曲線82)。圖8B示出了框區中的振形。在8A和8B中沿著y軸繪制的u3和ul是 線性長度單位，其被歸一化，從而最大粒子位移是1。在圖9中，針對變化的頻率fcutoff_4示出了仿真結果。針對外部區的變化的截 止頻率，根據頻率繪制散布參數的幅度S11。圖9中感興趣的部分是在諧振頻率f；與反諧振頻率fa之間。圖9中的不同曲線是針對不同的堆疊設計，給出了不同的外部截止頻率。示出了散布參數的幅度(即與如圖4中所繪制的史密斯圓圖的中心的距離)。如果外部區的截止頻率與內部區的反諧振頻率相等，貝US11曲線上的尖刺(spur) 最小。圖10中繪制了非圓形數目(NC)。如果外部截止頻率在諧振(如圖9中所見， 在該示例中諧振在1.88GHz處)之上，則數值明顯變得更好(更低)。這表明已經在外 部區中實現了與漸逝波的匹配。圖10示出了在該示例中，如果截止頻率達到2.05GHz，則失去匹配效應。最優 截止頻率是在1.95GHz處。因此，外部區諧振模式的截止頻率優選地與恰好在諧振器體 的反諧振頻率之上的值相匹配。優選地，外部區的截止頻率在諧振或反諧振頻率的10% 之內(即在低于諧振頻率10%且高于反諧振頻率10%的頻率值之間)，并且更優選地在 諧振或反諧振頻率的5%之內。更優選地，外部區的截止頻率在諧振器體的截止頻率的 10%之內(即諧振頻率，在該示例中是1.88GHz)，或在反諧振頻率的5%之內。為說明本發明的效果，已經進行了不同諧振器設計的建模和比較。對三種不同的 配置進行建模邊緣配置1最優地終止了諧振器邊緣的大約80%，邊緣配置2最優地終止 了諧振器邊緣的大約60%，并且邊緣配置3最優地終止了諧振器邊緣的大約20%。在該上 下文中“最優地終止”的意思是已經以上述方式對外部區進行了加工以移動截止頻率。在 圖11中，繪制了諧振器的NC，對于諧振器的NC部分，諧振器邊緣連接至優化的外部區并 且諧振器邊緣的剩余部分連接至常規的外部區。圖清楚地示出了當最優地終止諧振器邊緣 的更大部分時(即從配置3至2至1)時，NC變得更好，從而尖刺幅度變得更低。同樣，當優化邊緣的部分增加時，反諧振處的品質因數略微提高，如圖12所 示，圖12涉及相同的邊緣配置。上述的外部區修整工藝可以應用于BAW濾波器。在圖13中示出了對于兩個 BAW濾波器的傳輸參數S12: —個濾波器具有傳統工藝(曲線130)，在另一個濾波器 中，已經優化了環繞構成BAW濾波器的諧振器的外部區(曲線132)。優選地，所有諧振器邊緣連接至修整后的外部區。典型地，這要求頂部和底部 電極都不在外部區中。遺憾的是，諧振器需要與頂部電極和底部電極互連相接觸，所以 部分諧振器邊緣是非最優的。然而，這個問題也可以得到解決。在互連接觸諧振器電極 的位置處，可以移除其他層之一的一些材料，使得對于該位置，外部區截止頻率還在期 望水平上，但可以保持互連。內部區是諧振器的要點，且典型地是2500 ym2至90000 ym2。框區是諧振器的 外邊緣，其具有額外的質量負載，并且具有2至6 ym之間的典型寬度。內部區中底部和 頂部電極之間有交疊。
外部區是諧振器的近環境。該外部區延伸某距離，該距離是衰減距離2^1/ lmG^)的倍數。典型地，這意味著外部區寬度小于25-30 iim。在外部區中頂部和底部 電極之間沒有交疊。在該區外部，沒有任何設計限制。在本發明的布置中，外部區和諧振器以不同模式工作。諧振器體典型地以基本 厚度延伸模式TE1諧振。其他模式是彎曲延伸模式F1、外延模式E1、基本厚度切變模式 TS1和第二諧波厚度剪切模式TS2。應注意，對于多層堆疊，模式通常是這些模式的混合 產物，而不是單純模式。如果以橫向粒子移動的匹配為目標，則外部區可以以準TS2模 式工作。對于橫向和垂直粒子運動的匹配，組合的模式之一可以更方便。在上面的描述中，諧振器具有修改的外部區和框區。本發明可以應用于在外部區中期望與漸逝模式相匹配的其他類型的諧振器。示 例是橫向聲BAW濾波器，在橫向聲BAW濾波器中靠近放置諧振器，使得它們在間隙區 中通過漸逝波來相互影響彼此。 需要對頂部和底部電極做出電連接。這些形成諧振器邊緣的一部分。可以加工 這些區以提供期望的截止頻率，這將參考圖14來解釋。上部的圖示出了沒有電連接的諧振器的橫截面。圖示出了頂部電極10、底部電 極12、壓電層14和框區16。諧振器區域的外部是外部區140a和140b。在底部電極12下 面和硅襯底上面提供有布拉格反射器布置142，布拉格反射器布置142由交替層142a(例 如 WE、Pt 或 Ta205)和 142b (例如 Si02 或 SiNx)形成。下部圖示出了如何對頂部和底部電極做出連接。頂部電極10延伸到外部區140a 中。底部電極12延伸到外部區140b中。圖示出了壓電層在這些區中具有不同厚度。這些區的寬度可以保持盡可能小，同時仍然提供足夠低的電阻。它們例如應當 占用少于諧振器邊緣的一半，更優選地少于三分之一。外部區中層的局部加工是使得這些外部區還提供合適的截止頻率。當然，除了 壓電層以外，也可以改變或替代其他層的厚度。圖15示出了諧振器的平面圖，并且示出了頂部電極連接150a和底部電極連接 150b。外部區是圍繞諧振器的外部的區域152。上面已經簡要地描述了加工外部區的層的若干方法，但沒有詳細地示出。然 而，針對外部區有許多不同方法來加工或選擇層，以實現期望的頻率響應，并且這些可 以利用合適的建模來發現。因此，給出了如上述的由本發明提供的總體教導的情況下， 如何實現期望的頻移的許多不同示例對于本領域技術人員而言將是顯而易見的，并且上 面所給出的多種方法的實現也將是慣例。對于本領域技術人員而言多種修改將是顯而易見的。
權利要求
1.一種諧振器，包括 底部電極層(12)；限定諧振器體的頂部電極層(10)；以及夾在頂部和底部電極層之間的壓電層(14)，其中，圍繞諧振器體的外圍的外部提供外部區(152)，其中，外部區(152)的第一諧振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式 的截止頻率相匹配。
2.根據權利要求1所述的諧振器，其中，頂部電極包括圍繞諧振器體外圍、更大質量 每表面積的框區(16)以及框區內的內區。
3.根據權利要求1或2所述的諧振器，其中，外部區(152)具有比諧振器體區數目少的層。
4.根據權利要求1或2所述的諧振器，其中，外部區(152)具有比諧振器體區低的厚度。
5.根據權利要求1或2所述的諧振器，其中，外部區(152)包括具有比堆疊內的相同 位置處的諧振器體區中的層更大重量或更高聲波速度的層。
6.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器，其中，諧振器體具有2500μ m2至 90000 μ m2的面積。
7.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器，其中，框區(16)在外圍向內部延伸2 至 6 μ m。
8.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器，其中，外部區(152)延伸至30μιη或 更少的距離。
9.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器，其中，匹配在10%內。
10.根據權利要求9所述的諧振器，其中，第一諧振模式的截止頻率比諧振器體的反 諧振頻率(fa)大。
11.一種濾波器，包括根據前述權利要求中任一項所述的諧振器。
12.根據權利要求11所述的濾波器，其中，外部區(152)沿諧振器體邊緣的一大部分 不包含頂部電極以及底部電極。
13.根據權利要求11或12所述的濾波器，包括在底部或頂部電極互連(150b， 150a)與相應電極(10，12)相接觸的位置處減薄的或移除的層。
14.一種制造諧振器的方法，包括形成底部電極層(12)、限定諧振器體的頂部電極層(10)、以及夾在頂部和底部電極 層之間的壓電層(14)；對圍繞諧振器體的外圍的外部的外部區(152)進行加工，使得外部區(152)的第一諧 振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式的截止頻率相匹配。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括圍繞頂部電極的外圍形成更大質量每表 面積的框區(16)。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，對外部區(152)進行加工，使得增加第一諧 振模式的截止頻率，以比諧振器體的反諧振頻率大。
17.根據權利要求15或16所述的方法，其中，對外部區進行加工包括從外部區(152)減薄或移除頂部壓電層；以及/或者 在外部區中移除底部電極(12)；以及/或者在底部電極(12)和壓電層(14)之間改變外部區(152)中的下層的厚度；以及/或者至少部分地蝕刻掉外部區(152)中的第一層，并沉積更輕材料層。
全文摘要
一種諧振器，包括底部電極層(12)、限定諧振器體的頂部電極層(10)，以及夾在頂部和底部電極層之間的壓電層(14)。圍繞諧振器體的外圍的外部提供外部區(152)。外部區(152)的第一諧振模式的截止頻率與諧振器體的不同的第二諧振模式的截止頻率相匹配。本發明提供了外部區中諧振模式的截止頻率的慎重改變(典型地增加)，使得模式之一具有接近諧振器體的基本模式的截止頻率的截止頻率。
文檔編號H03H9/02GK102017405SQ200980115199
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月24日 優先權日2008年4月29日
發明者倫西奈斯·C·史丹博斯, 埃里克·斯帕恩, 安德烈亞斯·B·M·揚斯曼, 簡-威廉·洛貝克 申請人:Nxp股份有限公司