一种谐振器及其制造方法、滤波器和电子设备技术

本发明专利技术提出一种谐振器，包括：衬底、位于衬底上的压电叠层结构，以及位于压电叠层结构与衬底之间的空腔，压电叠层结构至少包括依次层叠设置的底电极层、压电层和顶电极层，底电极层具有凹陷区域，凹陷区域的底部与空腔中的衬底表面接触。上述方案通过将底电极层部分向下凹陷至其下方的衬底表面，形成凹陷区域，对膜层进行支撑，提高了谐振器的机械可靠性与稳定性；同时，通过凹陷区域加快散热，从而减少谐振器的热量累积。进一步地，通过凹陷区域边缘的形貌变化、凹陷区域开口的最大尺寸与谐振器横波波长的匹配、凹陷区域上方导热介质材料的填充等，有效地提高抑制横波的效果。有效地提高抑制横波的效果。有效地提高抑制横波的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振器及其制造方法、滤波器和电子设备


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种谐振器及其制造方法、以及滤波器和电子设备。

技术介绍

[0002]随着移动通信技术的迅速发展，薄膜体声波滤波器以其高频段、大带宽、小体积、低插入损耗和高品质因子等优点，被广泛应用于手机、Wi
‑
Fi、移动终端等领域。薄膜体声波滤波器中的主要部件为薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)。现有技术中典型的空气隙型FBAR结构包括衬底、位于衬底上的压电叠层结构，以及位于衬底与压电叠层结构之间的空腔。空腔的形成致使谐振器主要依赖于压电叠层结构中底电极层的边缘进行支撑，机械稳定性较差。以典型的谐振器尺寸为例，其有效区域的单边长度约50
‑
150μm，有效区域的面积约10000
‑
15000μm2，当谐振器工作频率较低时，有效区域的面积将提升至约25000
‑
35000μm2；或者，当谐振器工作频率较高时，特别是在3.6
‑
7G的高频阶段，电极的厚度将大大减薄。无论是谐振器工作在低频下要求的面积尺寸增大，还是工作在高频状态下要求的膜层厚度减薄，都会加剧空腔中心区域上方压电叠层结构的塌陷，降低谐振器的稳定性，影响谐振器性能。

技术实现思路

[0003]为缓解或解决上述问题，同时提高器件结构兼容性和高度可用性，本专利技术在第一方面提出一种谐振器，其包括：
[0004]衬底、位于衬底上的压电叠层结构，以及位于压电叠层结构与衬底之间的空腔，压电叠层结构至少包括依次层叠设置的底电极层、压电层和顶电极层，底电极层具有凹陷区域，凹陷区域的底部与空腔中的衬底表面接触。
[0005]上述方案将底电极层部分向下凹陷至其下方的衬底表面，并与衬底的表面相接触，形成凹陷区域，对膜层进行支撑，提高了谐振器的机械可靠性与稳定性。同时，该方案还缓解了谐振器中热量累积的问题，一方面，凹陷区域上方的膜层不再产生谐振，因而不产生热量，热量不会在谐振器的中心区域堆积，分布更为均匀；另一方面，凹陷区域与衬底接触，将热量通过凹陷区域传输到衬底中，相对于常规的谐振器结构，增加了散热途径，提升了谐振器的散热效率。
[0006]优选地，凹陷区域位于空腔的中心。常规谐振器的中心区域与空腔侧边衬底的距离较远，热量传输的距离也较远，热量通常在中心区域堆积，因此将凹陷区域设置于空腔的中心，能够使热量堆积最为严重的区域不产生谐振，有效减少热量产生。同时凹陷区域位于空腔的中心，具有更好的支撑效果，有效提高谐振器的机械稳定性。
[0007]优选地，凹陷区域开口的最大尺寸D等于谐振器的横波波长的1/4的整数倍。这一特征可以使凹陷区域中任意两个相对方向的横波相遇后形成波峰波谷相互叠加，减小横波对谐振器的影响。
[0008]进一步优选地，最大尺寸D不小于谐振器有效区域的最大宽度的10％。这一特征可以使凹陷区域能够有效地支撑谐振器，同时减小散热距离，提高热量传输效率。
[0009]优选地，凹陷区域与其上方的压电层之间包括间隙，所述间隙中包括空气或导热介质。
[0010]进一步优选地，导热介质包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧化铝、氮化硼、碳化硅和金属材料中的至少一种或几种的组合。利用以上技术特征，一方面，导热介质具有更好的导热性能，可以使热量更快地传输到衬底中，加速散热；另一方面，利用导热介质与压电层的晶向差异，可以有效地抑制横波的传播。
[0011]优选地，凹陷区域的侧壁与空腔上方平坦的底电极层之间具有非平滑过渡区域。进一步优选地，凹陷区域的侧壁与凹陷区域上方的压电层之间构成夹角。非平滑过渡区域使凹陷区域边缘形成有形貌突变的部分，可以有效地反射横波，从而提高谐振器的Q值。
[0012]进一步地，凹陷区域上方的膜层包括非平坦部；非平坦部呈上凸形或下凹形，或两者结合。
[0013]优选地，谐振器具有两个或以上相互分立的凹陷区域。凹陷区域的数量越多，谐振器的机械稳定性越好，散热效率越高，谐振器的性能也越高。
[0014]优选地，底电极层位于空腔边缘的部分与底电极层的其他部分相互电绝缘，并且底电极层经由凹陷区域与谐振器外部电连接。可以有效减小寄生振荡。
[0015]进一步地，底电极层位于空腔边缘的部分与底电极层的其他部分之间具有开口。
[0016]进一步地，衬底的内部具有与外部连接的电连接部，电连接部与凹陷区域电连接。与现有技术中底电极层直接与外部电连接相比，本方案中底电极层经过凹陷区域、衬底与外部电连接，减小了寄生电容。
[0017]进一步优选地，底电极层的位于空腔边缘的部分呈平坦状，且底电极层上方的压电层呈平坦状。依赖此，无需刻蚀底电极层，从而使压电层可以保持平坦，使谐振器的应力分布均匀。
[0018]进一步地，凹陷区域在平行于衬底的方向上的截面是圆形、椭圆形、每个角大于90
°
的规则多边形或每个角大于90
°
的不规则多边形。
[0019]进一步地，所述空腔位于衬底的上表面或嵌于衬底的内部。本申请的谐振器适用于地上型空腔或地下型空腔。
[0020]优选地，空腔的高度小于2μm。进一步优选地，空腔的高度为0.5
‑
1.5μm。利用本申请的技术方案，可以大大降低空腔高度，从而减少工艺成本，同时散热的路径更短，散热效果更好。
[0021]本专利技术在第二方面提出一种滤波器，其包括上文所述的谐振器。
[0022]本专利技术在第三方面提出一种电子设备，其包括上文所述的谐振器。
[0023]本专利技术在第四方面提出一种谐振器的制造方法，其包括以下步骤：
[0024]提供衬底；在衬底上形成空腔；在衬底上制作覆盖空腔的压电叠层结构，压电叠层结构至少包括依次层叠设置的底电极层、压电层和顶电极层，其中，底电极层具有凹陷区域，凹陷区域的底部与空腔中的衬底表面接触。
[0025]进一步地，在该制造方法中，凹陷区域与其上方的压电层之间包括间隙，间隙中包括空气或导热介质，导热介质包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧化铝、氮化硼、碳化硅和金
属材料中的至少一种或几种的组合。
[0026]本专利技术提出的谐振器，通过在底电极层设置凹陷区域，并使凹陷区域的底部与空腔中的衬底表面接触，为谐振器的膜层提供支撑，提高大型谐振器或高频谐振器的机械可靠性；同时，通过凹陷区域减少谐振器产热并高效带走谐振器有效区域的热量，提升谐振器的长期可操作性工作寿命(Long Term Operating Life,LTOL)。
附图说明
[0027]附图帮助进一步理解本申请。为了便于描述，附图中仅示出了与有关专利技术相关的部分。
[0028]图1为根据本专利技术一实施例的谐振器的截面图；
[0029]图2为现有技术中常规的谐振器的热量传输途径的示意图；
[0030]图3为图2所示的谐振器对应的热力图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振器，所述谐振器包括衬底、位于所述衬底上的压电叠层结构，以及位于所述压电叠层结构与所述衬底之间的空腔，所述压电叠层结构至少包括依次层叠设置的底电极层、压电层和顶电极层，其特征在于，所述底电极层具有凹陷区域，所述凹陷区域的底部与空腔中的衬底表面接触。2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域位于所述空腔的中心。3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域开口的最大尺寸D等于所述谐振器横波的1/4波长的整数倍。4.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述最大尺寸D不小于所述谐振器有效区域的最大宽度的10％。5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域与其上方的压电层之间包括间隙，所述间隙中包括空气或导热介质。6.根据权利要求5所述的谐振器，其特征在于，所述导热介质包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧化铝、氮化硼、碳化硅和金属材料中的至少一种或几种的组合。7.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域的侧壁与空腔上方平坦的底电极层之间具有非平滑过渡区域。8.根据权利要求7所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域的侧壁与所述凹陷区域上方的压电层之间构成夹角。9.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹陷区域上方的膜层包括非平坦部。10.根据权利要求9所述的谐振器，其特征在于，所述非平坦部呈上凸形、下凹形，或两者结合。11.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述谐振器具有至少两个相互分立的所述凹陷区域。12.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述底电极层位于所述空腔的边缘的部分与所述底电极层的其他部分相互电绝缘，并且所述底电极层经由凹陷区域与谐振器外部电连接。13.根据权利要求12所述的谐振器，其特征在于，所述底电极层位于所述空腔的边缘的部分与所述底电极层的其他部...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林萍，
申请(专利权)人：见闻录浙江半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：