CN114553178A

CN114553178A - 具有钨电极的体声波谐振器、滤波器及电子设备

Info

Publication number: CN114553178A
Application number: CN202011332928.1A
Authority: CN
Inventors: 庞慰; 张孟伦; 宁远
Original assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Current assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-05-27
Also published as: WO2022111415A1

Abstract

本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：所述压电层为掺杂压电层；且所述顶电极和/或底电极为含有金属钨的钨电极。所述顶电极和/或底电极为由金属钨制成的单层电极或者由钨合金制成的单层电极。或者所述顶电极和/或底电极为叠层电极，所述叠层电极包括叠置的不同材质的至少两层电极层，所述至少两层电极层至少包括一层钨电极层，所述钨电极层为由金属钨制成的电极层或者由钨合金制成的电极层。本发明还涉及一种具有上述谐振器的滤波器以及具有该滤波器或谐振器的电子设备。

Description

具有钨电极的体声波谐振器、滤波器及电子设备

技术领域

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、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。

背景技术

电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、 5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。

电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。

传统薄膜体声波谐振器的截面示意图如图1所示，在图1中，例如底电极 30和顶电极50的材料为钼，压电层40材料为氮化铝。底电极30和顶电极50 的厚度相等为t,压电层40厚度为d。单层电极与压电层厚度的厚度比t/d会影响谐振器的有效机电耦合系数，进而影响谐振器的带宽(有效机电耦合系数越大，带宽越大)。薄膜体声波谐振器在设计中需将阻抗匹配到50欧姆，相同频率及带宽下，压电层厚度越薄，有效区域的面积A可以越小，从而在单片晶圆上集成的谐振器数量越多，能够节省制造成本。

压电层厚度减薄通常的方法是采用掺钪氮化铝作为压电层，使其机电耦合系数上升，要求相同带宽时，可以取更大的单层电极与压电层厚度的比t/d，从而达到减薄压电层厚度的目的，匹配50欧姆可以缩小谐振器面积A。

但上述方法带来的问题是：在相同功率密度下，面积缩小会使谐振器的功率容量变小。

发明内容

为了既可以缩小谐振器的有效区域的面积，又可以保证谐振器的功率容量，例如为了解决引入掺钪氮化铝作为压电层后谐振器的有效区域的面积变小所带来的功率容量变差的问题，提出本发明。

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：

基底；

声学镜；

底电极；

顶电极；和

压电层，设置在底电极与顶电极之间，

其中：

所述压电层为掺杂压电层；且

所述顶电极和/或底电极为含有金属钨的钨电极。

可选的，所述顶电极和/或底电极为由金属钨制成的单层电极或者由钨合金制成的单层电极。

或者可选的，所述顶电极和/或底电极为叠层电极，所述叠层电极包括叠置的不同材质的至少两层电极层，所述至少两层电极层至少包括一层钨电极层，所述钨电极层为由金属钨制成的电极层或者由钨合金制成的电极层。

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。

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

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：

图1为传统薄膜体声波谐振器的截面示意图；

图2示例性示出了在顶电极与底电极的厚度相同的情况下，单层电极的厚度与压电层的厚度之比与谐振器的机电耦合系数之间的关系图，其中分别示出了压电层为氮化铝以及电极均为钼、压电层为掺钪氮化铝以及电极均为钼、压电层为掺钪氮化铝以及电极均为钨这三种情形；

图3-12分别示出了本发明的不同实施例的体声波谐振器的截面示意图。

具体实施方式

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。

如本领域技术人员所知的，采用掺杂压电层代替压电层，在同样的机电耦合系数和频率的情况下，谐振器的有效区域的面积会变小，而谐振器的有效区域的面积变小，在相同功率密度的情况下，会使得谐振器的功率容量变小。

而且，如本领域技术人员所知的，在同样的机电耦合系数和频率的情况下，若将谐振器的钼电极替换为钨电极，谐振器的有效区域的面积会变小，这不利于保持较大的功率容量。

此外，如本领域技术人员所知的，金属钨在常温时的薄膜电阻率为20-30 微欧姆每厘米，金属钼在常温时的薄膜电阻率为大约10微欧姆每厘米，可见，在常温时，金属钨的薄膜电阻率远大于金属钼在常温时的薄膜电阻率。因此，一般会认为，在谐振器工作过程中以钨作为电极的钨电极电阻大于以钼作为电极的钼电极电阻，从而钨电极由于电流流过电阻带来产热相较于钼电极较大。在这种情况下，若用钨电极代替谐振器的钼电极会直接导致谐振器的电极在工作过程中的放热加大，这在谐振器的有效区域的面积一定的情况下不利于保持较大的功率容量。因此，本领域技术人员基于保持较大的功率容量，不会想到将谐振器的钼电极替换为钨电极。

基于以上，对于采用钼电极以及掺杂压电层的谐振器(其已经基于掺杂而具有较小的有效区域的面积)，本领域技术人员的通常做法是尽量避免将采用钼电极以及掺杂压电层的谐振器中的钼电极替换为钨电极，因为使用钨电极会进一步减小有效区域的面积而不利于保持较好的功率容量。

但是，发明人发现，若将采用钼电极以及掺杂压电层的谐振器中的钼电极替换为钨电极，可以在缩小谐振器的有效区域的面积的同时，保证谐振器的功率容量。

基于以上，本发明提出了在体声波谐振器中，将掺杂压电层(可以降低谐振器的有效区域的面积)与钨电极(可以降低谐振器的有效区域的面积)相结合的技术方案。

以下参照附图2-12具体说明本发明的技术方案。在本发明中，附图标记简单说明如下：

110、210、310：基底，可选材料为单晶硅、石英、砷化镓或蓝宝石等。

120、220、320：声学镜，其位于基底110的上表面或嵌于基底的内部，在本发明中声学镜为嵌入基底中的空腔所构成，但是声学镜也可以为布拉格反射层及其他等效形式。

130、230、240、330、340、350：单层底电极或底电极叠层中的一个底电极层，其可以沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。可将底电极130边缘刻蚀成斜面，并且该斜面与谐振器的有效区域边缘对齐，此外底电极130的边缘还可以为阶梯状、垂直状或是其它相似的结构。底电极的材料可为：金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)、锇 (Os)、镁(Mg)、金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、锗(Ge)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)、砷掺杂金等类似金属，以及以上金属的合金等。

140、250、360：压电薄膜层或压电层，可选为包括一定原子比的稀土元素掺杂材料的氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO₃)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO₃)或钽酸锂(LiTaO₃)等材料，掺杂元素如钪(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。

150、260、270、370、380、390：单层顶电极或顶电极叠层中的一个顶电极层，其材料可为：金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)、锇(Os)、镁(Mg)、金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂 (Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、锗(Ge)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)、砷掺杂金等类似金属，以及以上金属的合金等。顶电极的材料与底电极可以相同也可以不同。在图2中，顶电极上方并未设置钝化层，但是如能够理解的，也可以设置钝化层。

160：钝化层，钝化层材料包括但不限于多晶硅SiO₂、Si₃N₄、AlN等。

170：凸起结构，凸起结构的材料同顶电极130或底电极150或压电层140。凸起结构位于有效区域的边缘位置，凸起结构可以降低其所在有效区域的声阻抗。在本发明的一个实施例中，凸起结构的材料为金属钨。

根据本发明的体声波谐振器的截面示意图同样如图1所示。在一个具体的示例中，谐振器的底电极30和顶电极50的材料为钼，压电层40材料为掺钪氮化铝。底电极30和顶电极50的厚度相等为t,压电层40厚度为d。单层电极与压电层厚度的厚度比(thicknessratio)t/d会影响谐振器的有效机电耦合系数，进而影响谐振器的带宽(有效机电耦合系数越大，带宽越大)。

图2示例性示出了在顶电极与底电极的厚度相同的情况下，单层电极的厚度与压电层的厚度之比与谐振器的机电耦合系数之间的关系图，其中分别示出了压电层为氮化铝以及电极均为钼、压电层为掺钪氮化铝以及电极均为钼、压电层为掺钪氮化铝以及电极均为钨这三种情形。

如图2所示，假设底电极30和顶电极50厚度相同，横坐标为单层电极与压电层厚度的厚度比t/d，纵坐标为谐振器的有效机电耦合系数(Kt²eff)，实线为底电极与顶电极为钼，压电层为氮化铝时的有效机电耦合系数；虚线为底电极与顶电极为钼，压电层为3％的掺钪氮化铝时的有效机电耦合系数，有效机电耦合系数曲线整体提升；点划线为底电极与顶电极为钨，压电层为3％的掺钪氮化铝时的有效机电耦合系数，有效机电耦合系数曲线整体进一步提升。传统体声波谐振器用钼作电极，当压电层采用掺钪氮化铝时，同一频率下，相比于压电层是氮化铝的情况，电极与压电层厚度的厚度比t/d增大，电极厚度加厚，压电层厚度变薄，匹配到50欧姆所需的面积A更小，能够到达缩小有效区域的面积A以增加谐振器数量的目的，从而降低制造成本，但缩小该面积A的同时会使谐振器的功率容量变差。

本发明中，用钨电极代替钼电极，一方面钨电极的导热系数(1.73)大于钼电极(1.38)，钨电极的导热性更好，使得的谐振器能承受的功率密度更大，能够有更高的功率容量；另一方面钨电极能进一步提升有效机电耦合系数，相同有效机电耦合系数时，电极与压电层厚度的厚度比t/d能够更大，相对于钼电极，钨电极厚度增加可以减小薄膜电极的电阻，减小电极电阻产热，而且由于电极材料比压电层材料导热性更好，使得的谐振器能承受的功率密度更大，能够有更高的功率容量。

因此，在本发明中，在具有掺钪的氮化铝压电层的谐振器中使用钨电极，可以在缩小谐振器的有效区域的面积A的同时保证谐振器的功率容量。掺钪氮化铝作为压电层，钨作为电极材料，既可以缩小谐振器面积，使单片晶圆集成的谐振器更多，又可以保证谐振器的功率容量，在大功率下不至于损坏。

下面参照图3-12示例性说明本发明的不同实施例。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，底电极130和顶电极150为钨电极，且厚度相同(t1＝t2)，压电层140为掺杂浓度不同的氮化铝或其他压电材料。

在可选的实施例中，在图3所示的结构中，底电极130和顶电极150为钨电极，但厚度不同(t1>t2或t1<t2)，压电层140为掺杂浓度不同的氮化铝或其他压电材料。

在可选的实施例中，在图3所示的结构中，底电极130为钨电极，顶电极 150为钼电极或其他电极材料，且顶电极与底电极的厚度相同或不同(t1＝t2或 t1>t2或t1<t2)，压电层140为掺杂浓度不同的氮化铝或其他压电材料。

在可选的实施例中，在图3所示的结构中，底电极130为钼电极或其他电极材料，顶电极150为钨电极，且厚度相同或不同(t1＝t2或t1>t2或t1<t2)，压电层140为掺杂浓度不同的氮化铝或其他压电材料。

图4所示的结构与图3相类似，不同之处在于在图4中，顶电极150上加了钝化层160。

图5所示的的结构与图3相类似，不同之处在于在图5中，顶电极150上加了凸起结构170。

图6所示结构与图5相类似，不同之处在于在图6中，顶电极150上加了凸起结构170和钝化层160。

图3-6所示的结构中，顶电极或底电极为单层电极结构，但是本发明不限于此。电极也可以为叠层结构，此时叠层电极中的一个电极层可以是钨电极层。图7-图12示出了叠层电极的谐振器实施例。下面示例性说明：

图7中，顶电极由第一顶电极260和第二顶电极270的层叠结构组成，底电极由第一底电极240和第二底电极230的层叠结构组成，其中260与240为钨电极，270与230可为其他电极材料层。

图8所示结构与图7类似，不同之处在于图8中的顶电极只有260，其中 260与240为钨电极，230可为其他电极材料层。

图9所示结构与图7类似，不同之处在于图9中的底电极只有240，其中 260与240为钨电极，270可为其他电极材料层。

图10中，顶电极由第一顶电极370、第二顶电极380和第三顶电极390的层叠结构组成，底电极由第一底电极350、第二底电极340和第三底电极330的层叠结构组成，其中370与350为钨电极，330、340、380与390可为其他电极材料层，并且330与390依旧可为钨电极。

图11所示结构与图10类似，不同之处在于图11中的顶电极只有370，其中370与350为钨电极，330、340可为其他电极材料层，并且330可以为钨电极。

图12所示结构与图10类似，不同之处在于图12中的底电极只有240，其中370与350为钨电极，380、390可为其他电极材料，并且390可以为钨电极。

在图7-12所示的实施例中，压电层的上下两侧均设置有钨电极层，但是本发明不限于此，例如可以仅仅在压电层的一侧设置钨电极层。

在本发明的上述实施例中，以金属钨形成钨电极或钨电极层，但是本发明不限于此，也可以利用钨合金(即含有金属钨的合金)形成钨电极或钨电极层，这均在本发明的保护范围之内。

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。

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。

在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域的中心(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。

如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器或电子设备。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。

基于以上，本发明提出了如下技术方案：

1、一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极；

顶电极；和

压电层，设置在底电极与顶电极之间，

其中：

所述压电层为掺杂压电层；且

所述顶电极和/或底电极为含有金属钨的钨电极。

2、根据1所述的谐振器，其中：

所述顶电极和/或底电极为由金属钨制成的单层电极或者由钨合金制成的单层电极。

3、根据2所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为钨电极；且

顶电极或底电极的单层厚度与掺杂压电层的厚度的比值在0.1-1的范围内。

4、根据2所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为钨电极；

所述底电极的非电极连接端在水平方向上均处于声学镜的边界的外侧而与基底形成热接触。

5、根据2所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极中的一个钨电极，另一个为非钨电极，钨电极的厚度不同于非钨电极的厚度；或者

所述顶电极和底电极中的一个钨电极，另一个为非钨电极，钨电极的厚度等于非钨电极的厚度。

6、根据1所述的谐振器，其中：

所述顶电极和/或底电极为叠层电极，所述叠层电极包括叠置的不同材质的至少两层电极层，所述至少两层电极层至少包括一层钨电极层，所述钨电极层为由金属钨制成的电极层或者由钨合金制成的电极层。

7、根据6所述的谐振器，其中：

所述叠层电极的邻近压电层的电极层为第一电极层，所述第一电极层为钨电极层。

8、根据7所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为叠层电极。

9、根据8所述的谐振器，其中：

10、根据7所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极中的一个叠层电极，另一个为非叠层电极。

11、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层为掺钪氮化铝。

12、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：

所述谐振器还包括沿有效区域设置的凸起结构，所述凸起结构的材料为钨。

13、一种滤波器，包括根据1-12中任一项所述的体声波谐振器。

14、一种电子设备，包括根据13所述的滤波器或者根据1-12中任一项所述的谐振器。

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。

Claims

1.一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极；

顶电极；和

压电层，设置在底电极与顶电极之间，

其中：

所述压电层为掺杂压电层；且

所述顶电极和/或底电极为含有金属钨的钨电极。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：

3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为钨电极；且

4.根据权利要求2所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为钨电极；

5.根据权利要求2所述的谐振器，其中：

6.根据权利要求1所述的谐振器，其中：

7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：

8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：

所述顶电极和底电极均为叠层电极。

9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：

10.根据权利要求7所述的谐振器，其中：

11.根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层为掺钪氮化铝。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器，其中：

13.一种滤波器，包括根据权利要求1-12中任一项所述的体声波谐振器。

14.一种电子设备，包括根据权利要求13所述的滤波器或者根据权利要求1-12中任一项所述的谐振器。