阅读说明：本技术 电声谐振器装置及其制造方法 (Electroacoustic resonator device and method for manufacturing the same ) 是由 M·希克 B·巴德 于 2018-12-03 设计创作，主要内容包括：电声谐振器装置包括衬底(100)、底部电极和顶部电极(121、122)以及设置在其之间的压电层(130)。布拉格镜元件(110)设置在底部电极和衬底之间。导热材料包括非晶态或多晶氮化铝(150、151、155),导热材料与压电层和衬底接触来形成导热路径,以耗散在谐振器装置操作期间,在谐振器装置的声学活跃区域中生成的热量。(The electroacoustic resonator device comprises a substrate (100), bottom and top electrodes (121, 122) and a piezoelectric layer (130) arranged therebetween. A Bragg mirror element (110) is disposed between the bottom electrode and the substrate. The thermally conductive material comprises amorphous or polycrystalline aluminum nitride (150, 151, 155), the thermally conductive material being in contact with the piezoelectric layer and the substrate to form a thermally conductive path to dissipate heat generated in an acoustically active region of the resonator device during operation of the resonator device.)

电声谐振器装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及电声装置及其制造方法。具体地，本发明涉及电声谐振器装置，电声谐振器装置具有设置在顶部电极和底部电极之间的压电层和设置在其下方的布拉格镜元件。

背景技术

电声装置将电信号转换为声信号，且将声信号转换为电信号。在电声谐振器装置中，电信号被供应给将压电层夹在其之间的电极。在电极之间建立声谐振波，声谐振波在低损耗和高选择性的电域中执行滤波功能。电声谐振器装置通常用于诸如蜂窝电话或智能电话之类的移动电子设备的滤波器设计中。电操作和声学操作的相互作用允许装置的尺寸非常紧凑，使得许多此类装置可用于移动设备中，以为各种RF服务提供滤波器。

电声谐振器装置的一个实施例可以是牢固安装的体声波谐振器(BAW-SMR)。在BAW谐振器装置中，必须例如通过设置在底部电极下方的镜元件(特别是布拉格镜元件)来防止压电层中生成的声波传播到衬底中太深。在谐振器中建立的声波生成大量热量，从而升高顶部电极和底部电极以及它们之间的压电层的温度。但是，这些元件的温度升高可能会影响装置的电参数和可靠性。例如，电极的温度升高可能使得电极的金属材料变得粘滞，并且可能增加电极中的欧姆损耗，使得它们的电声行为可能随温度的升高而改变。此外，压电层的温度升高可能增加压电层中的电损耗和声损耗。同样，由于材料的迁移，材料中的局部热点可能会导致这样的层的机械损坏。由于在BAW谐振器操作期间，在BAW谐振器中生成热量，诸如BAW谐振器的谐振频率和频率带宽之类的电参数可能会受到影响，并且可能移位，使得例如RF滤波器的规格可能会超出移动设备的规格范围。这与当今和未来的移动设备中对尖锐且确定的滤波裙缘(skirt)的要求相矛盾。因此，需要在电声操作期间避免BAW装置中的高温。

因此，某些BAW装置被供应有补偿层，用于补偿由于温度升高而引起的电参数移位。在DE 102014117238A1的图3中公开的另一提议建议使用热导来将电声区域中生成的热量传向衬底。压电层被膨胀，使得其完全覆盖镜层的堆叠并将电声区域与衬底连接。

本公开的一个目的是提供在其操作期间具有稳定的电参数并且可以容易地制造的电声谐振器装置。本公开的另一目的是提供制造这样的电声谐振器装置的方法。

发明内容

根据本公开，电声谐振器装置包括：衬底；底部电极、顶部电极和压电层，压电层被设置在底部电极和顶部电极之间；被设置在底部电极和衬底之间的布拉格镜元件；以及包括非晶态和多晶氮化铝之一的导热材料，其中导热材料接触压电层和衬底。

根据本公开的一个方面，可以包括非晶态氮化铝的导热材料接触压电层和衬底。非晶态氮化铝的热导率约为180W/Km，使得在装置操作期间生成热量的区域与散热器(例如，衬底)之间建立导热路径。代替非晶态氮化铝，可以将多晶氮化铝用作导热材料。多晶氮化铝的热导率高于非晶态氮化铝的热导率。每当在本公开中使用非晶态氮化铝时，可以替代地使用多晶氮化铝。

氮化铝是常用于电声谐振器装置制造中的材料，使得在生产线中可获得用于沉积氮化铝的前体材料以及氮化铝的沉积和结构化设备。柱状的氮化铝可以用作压电层。根据本公开，使用非晶态或多晶氮化铝作为压电层外部的导热材料是有用的，因为氮化铝的非晶态或多晶沉积比具有压电性质的氮化铝(例如，柱状氮化铝)的沉积较简单。此外，在生产线中容易获得用于沉积氮化铝的前体材料。当压电层由柱状氮化铝制成并且导热路径由非晶/多晶氮化铝制成时，不需要改变材料。

柱状氮化铝的微观结构使得层本身中的柱可以具有晶体形式。另一方面，多晶氮化铝具有取向不同的多个相对较小的晶体部分，使得宏观的多晶铝材料基本上不具有可用于电声组件中的压电性质。

根据一个方面，非晶态氮化铝的导热材料被设置在布拉格镜元件的底部侧壁与衬底之间。因此，声镜在其垂直和底部侧壁上可以被导热材料完全包围，使得非常有效地热耦合至作为散热器的衬底。此外，增加了非晶态氮化铝材料与衬底之间的耦合面积，从而在氮化铝层与衬底之间提供了低的热耦合电阻。

BAW谐振器装置可以覆盖有薄膜封装，以在顶侧提供有效的机械覆盖。薄膜封装包围有源区域的顶部电极和包覆层之间形成的腔。包覆层可以包括通孔，通过通孔去除了先前存在于顶部电极和包覆层之间的牺牲层。密封层被设置在包覆层上，以将包覆层中的孔闭合并增强包覆层的稳定性。根据本公开的一个方面，密封层可以进一步覆盖有非晶态氮化铝的导热材料，以提供到装置上部中的散热器的导热路径，散热器可以是例如在上部氮化铝材料周围的环境空气或在上部氮化铝材料上设置的承载板，或者在上部氮化铝层的对应通孔中设置的导电凸块，例如，金属或焊料凸块。这样的凸块为装置的上表面处的顶部和/或底部电极提供了到谐振器装置所连接的外部电路的电连接区域。另一方面，这种非晶态氮化铝的导热材料用作装置顶部的增强层，并增强了装置的机械稳定性。

根据本公开的一个方面，非晶态氮化铝的导热材料可以被进一步设置在压电层与包覆层的下端或表面和/或密封层的下端或表面之间。表面和密封层的所述下端面向装置的衬底的方向。非晶态氮化铝材料可以接触压电层以及包覆层和/或密封层的下端。根据本公开，包覆层和密封层与压电层之间设置的非晶态氮化铝为有源区域中生成的热量提供了良好的热路径。在先前的谐振器装置中，包覆层和密封层的下端接触压电层或顶部电极或布拉格镜元件的顶部表面，使得限制了导热性。

根据本发明的对应方面，导热材料以连续材料的形式延伸，导热材料接触顶部电极和底部电极的表面、布拉格镜元件的表面以及密封层和包覆层的表面。因此，导热材料实现了装置的整体封装以及到散热器的优异导热性。

布拉格镜元件可以包括电介质材料和至少两层或多层的另一材料，至少两层或多层的另一材料的声阻抗高于电介质材料的声阻抗。具有较高声阻抗的另一材料层彼此间隔开，使得电介质材料设置在它们之间。布拉格镜元件将在制造工艺中进行结构化，使得其具有在横向于衬底的方向上延伸的侧壁。当与衬底的表面相比较时，侧壁可以具有垂直或基本垂直的取向。布拉格镜元件的侧壁和电介质材料的侧壁具有与非晶态氮化铝材料的公共接触表面。因此，布拉格镜元件的垂直侧壁和底部侧壁可以由非晶态氮化铝材料完全覆盖，使得使布拉格镜元件中的任何热量都被引导至装置的散热器部分。此外，有源区域具有通向散热器的宽热路径。

在另一实施例中，布拉格镜元件的横向侧壁可以相对于衬底的表面具有倾斜的方向。布拉格镜的截面直径可以在靠近衬底处比在靠近底部电极处更大。与垂直侧壁相比，具有非垂直倾斜侧壁时，布拉格镜元件的绝缘材料与非晶态AlN之间的接触表面更大，使得可以利用倾斜侧壁来提高散热效果。

根据本公开的一个方面，具有更高声阻抗的另一材料可以是诸如钨之类的金属或钨合金。备选地，具有较高声阻抗的另一材料可以由氮化铝、优选为非晶态氮化铝制成。在这种情况下，非晶态氮化铝材料可以从布拉格镜结构的一个侧壁延伸到布拉格镜结构的另一相对侧壁，使得布拉格镜元件内的非晶态氮化铝层被电介质材料层间隔开。

根据本公开的一个方面，顶部电极可以进一步被在顶部电极的顶部上具有调整和/或修整和/或钝化功能的层或叠层覆盖。调整、修整和钝化的这一层可以包括非晶态氮化铝或也可以由非晶态氮化铝制成，使得在顶部电极中生成的热量被均匀地分布。这避免了顶部电极中的热点。

根据本公开的紧凑型电声谐振器装置包括：被设置在衬底上的第一非晶态氮化铝层；被设置在第一氮化铝层上的布拉格镜元件的叠层，其中底部电极被设置在布拉格镜元件上。第二非晶态氮化铝层被设置在布拉格镜元件的侧壁周围。压电层被设置在底部电极上，并且顶部电极被设置在压电层上。第三非晶态氮化铝层被设置在顶部电极的侧壁周围，包覆层和密封层被设置在顶部电极之上，包围顶部电极和包覆层之间的腔。第四非晶态氮化铝层被设置在密封层的侧壁周围和侧壁上，以形成增强层。谐振器装置的这种紧凑设计具有由非晶态氮化铝完全封装的装置，使得装置具有小尺寸并呈现出良好的热耗散性质。

本公开的目的可以通过制造电声谐振器的方法来进一步实现，方法包括以下步骤：提供衬底；在衬底上沉积布拉格镜叠层；在布拉格镜叠层上沉积电极层来形成底部电极；将布拉格镜叠层和底部电极结构化；沉积氮化铝；执行抛光步骤，以暴露底部电极的抛光表面和所沉积的氮化铝的抛光表面；在底部电极的表面上沉积压电材料层；在压电层上沉积另一电极层来形成顶部电极。

根据所公开的制造方法的一个方面，可以在提供衬底之后并且在沉积布拉格镜叠层之前沉积氮化铝。因此，导热氮化铝材料设置在布拉格镜元件的底侧壁与衬底之间，从而在布拉格镜元件与衬底之间提供良好的热接触。

根据方法的另一方面，氮化铝沉积在顶部电极上。顶部电极和所述沉积的氮化铝被一起抛光，以生成装置中用于沉积薄膜封装的均匀表面，薄膜封装包括包覆层和密封层。氮化铝被进一步沉积来覆盖先前沉积的结构(例如，先前沉积的氮化铝)和密封层，以在密封层的顶部上实现增强层，从而增强装置顶部的稳定性。

根据方法的另一方面，导热氮化铝可以是非晶态或多晶氮化铝，并且压电材料可以是柱状氮化铝，使得两种材料是相同材料的不同状态。使用相同的材料可以提供良好的制造工艺可控性和较低的制造成本。

根据方法的另一方面，在增强层的氮化铝中的通孔中提供金属凸块，使得在凸块的表面处提供外部电接触表面。对应的金属凸块可以连接到顶部和/或底部电极。

附图说明

下面结合附图来更详细地描述本发明的实施例。不同附图中的对应元素利用相同的附图标记表示。附图图示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。在附图中：

图1示出了电声谐振器装置的一个实施例的截面；

图2示出了具有金属凸块的一个实施例；

图3A至图3F示出了在电声谐振器装置的制造工艺中工件的若干阶段；以及

图4示出了图3的装置的制造工艺的流程图。

具体实施方式

前面的整体描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特征的概述或框架。

图1的电声谐振器装置可以是牢固安装的谐振器体声波装置(BAW-SMR)。装置被安装在作为其底层的衬底100上。合适的衬底可以由各种材料制成。在一个实施例中，衬底可由掺杂的结晶硅制成。掺杂使得硅基本上不导电。

BAW装置包括电声谐振器，电声谐振器包括底部电极121和顶部电极122以及设置在其之间的压电层130。顶部电极和底部电极可以各自由金属层制成。金属层可以由钨(W)或钨合金制成。压电层130由压电材料制成。在该实施例中，压电材料由具有压电性质形式的氮化铝(AlN)制成。优选地，压电层是呈现良好的压电特性的柱状AlN。

在装置操作期间，若干GHz范围内的高频电信号被供应给顶部电极和底部电极。电极和压电层之间的相互作用激发声振荡。振荡具有限定的频率和窄而尖锐的频谱。因此，使用BAW装置的电子滤波器具有限定的、相对尖锐的裙缘。

声振荡主要发生在压电层130和电极121、122中，但是，声振荡也扩展到周围区域中，因此装置的有源区域需要通过布拉格镜元件110朝向衬底100屏蔽。如图所示的布拉格镜元件110包括电介质材料111，在当前情况下，具有比电介质材料110的声阻抗高的声阻抗的两个层112、113被嵌入在电介质材料111中。在一个实施例中，电介质材料110可以是二氧化硅(SiO₂)，并且具有较高声阻抗的材料112、113可以是诸如钨(W)的金属。利用底部电极121下方的布拉格镜110，声波被反射回有源区域，从而与衬底100屏蔽。

为了对装置的特性进行微调，可以在顶部电极122的顶部上设置层125来用于调整、修整和钝化。层125可以由包括氧化硅和氮化硅(SiO₂/SiN)的复合层制成，复合层被适当地结构化来实现装置所需的特性。

在BAW装置的操作期间，在发生电和声振荡的有源区域中生成大量损耗。在装置操作期间，大量损耗的区域主要是压电层130以及顶部金属电极122和底部金属电极121。在布拉格镜110中将发生其他损耗。耗散损失在压电层130和电极122、121中生成大量热量。

在所示的实施例中，在BAW装置的有源区域中生成的热量通过导热路径被引导到装置的散热结构。导热路径包括导热材料，导热材料是非晶态形式的氮化铝(AlN)，非晶态AlN。尽管在附图中示出的实施例使用非晶态AlN，但是备选地，可以将多晶AlN用于导热路径。非晶态或多晶AlN与压电层130中的柱状AlN基本上是相同的材料，但是，由于其是非晶态/多晶而不是柱状，因此具有不同的结构。非晶态AlN对于导热材料是优选的，因为它比柱状AlN更容易沉积。多晶AlN也可以用于导热路径。对于压电层130和导热层150使用相同的基本材料AlN确保了装置的这些组件具有基本相同的机械特性，使得装置即使在其操作期间生成大量热量时也具有机械稳定性。因为可以使用相同的制造设备和相同的化学前体材料来沉积压电层和导热材料，所以制造具有成本效益。

导热材料薄层151被沉积在衬底100的上表面的顶部上。非晶态AlN薄层151被设置在衬底100与布拉格镜元件110的底侧之间。层151具有与衬底100的大的接触面积，使得AlN层151与衬底100之间的表面的热阻相当低。

导热材料AlN 150生长在薄层151上，以包围布拉格镜元件110的电介质材料111的侧壁113。在图1的截面图中示出为侧壁的两个部分的侧壁113具有相对于衬底100的表面横向或倾斜的方向。通过诸如干法蚀刻的结构化工艺获得布拉格镜元件110的侧壁113。

导热材料AlN 150进一步围绕压电层130的侧壁以及也通过结构化工艺获得的顶部电极122和底部电极121。材料150达到与顶部电极122的上表面共有的表面水平152。已通过将顶部电极122和氮化铝150抛光的抛光工艺获得表面水平152。抛光工艺可以是化学机械抛光(CMP)工艺。表面152携带薄膜封装165、166，薄膜封装165、166包围顶部电极122之上的腔160和调整、修整和钝化层125。可以通过沉积牺牲层(图中未示出)来获得腔160，在包覆层165沉积之后，将牺牲层去除。包覆层165被提供有至少一个开口1651，通过至少一个开口1651去除了牺牲层以获得腔160。腔160例如填充有空气。包覆层165被覆盖有密封层166，以增强机械稳定性并将孔1651闭合。包覆层和密封层165、166的下表面1652、1661与导热AlN材料的表面152接触并立于其上。这意味着导热非晶态AlN材料接触压电层130并延伸，使得其到达包覆层和密封层的下表面1652、1661。层165、166的下表面1652、1661面向衬底100。最后，密封层166被非晶态AlN 155的导热材料再次覆盖。材料155还具有增强了BAW装置的机械硬度和稳定性的增强功能。包括增强层155的顶部表面和AlN材料150、155、151的侧壁表面的AlN材料的外表面可以面对环境空气，使得这些表面具有散热器的功能。氮化铝在约180W/Km的范围内具有相对较好的热导率，使得将热量从声学活跃区域引导到AlN150、155、151的体材料中并传导到对应的外表面能够很好地耗散大量热量。

顶部电极和底部电极121、122优选地由金属或不同金属的成分制成。例如，这些电极可以由钨、或铝、或钨和铝中的至少一个的夹层制成。可用于底部电极和顶部电极的其他材料可以是铜、钼、钌或铂，或这些金属中的一个或多个的夹层。

压电层的厚度在约1μm的范围内。例如，压电AlN层130的厚度可以在300nm至2500nm的范围内，更优选在700nm至2000nm的范围内。从衬底的下表面到增强层155的上外表面的装置的总厚度可以在约10μm的范围内。即使使用导热AlN材料，装置的尺寸仍然很小。

基本上，BAW谐振器的所有元件都被非晶态AlN材料150、155封装，使得所生成的操作热量可以有效地传递到若干散热器，以确保期望的电气规格。因为可以很好地控制非晶态AlN的使用，装置相对易于制造。材料150、155是整体地且完全地包围装置的连续材料。从压电层130到对应散热器(例如，衬底100和AlN材料的外表面)，没有实质性的材料变化。

图2示出了另一实施例，其中图1的BAW谐振器装置还配备有用于顶部电极122的电输入/输出端子。尽管图2仅示出了到顶部电极122的连接，但是可以类似的方式提供到底部电极121的另一连接。

图2中的顶部电极122被提供有金属带210，金属带210以基本相同的水平延伸超过密封层和包覆层165、166。如在图2中所描绘的装置的左侧，金属带210延伸超过非晶态AlN材料150内的包覆层和密封层165、166的下表面。通孔201被蚀刻到AlN材料的上部155中。通孔201填充有金属材料202，金属材料202形成突出到增强层155的顶部表面之上的凸块。凸块202的外表面203是用于向顶部电极122提供电信号/从顶部电极122输出电信号的连接端子。凸块材料202可以是导电性和导热性高的金属焊料材料，使得凸块202还用作在装置的有源区域中生成的热量的散热器。非晶态AlN材料155是不导电的，使得除了布线带210和顶部电极122之外，金属凸块202与装置的其余部分电隔离。凸块202的长接触表面沿通孔201的长度允许将在AlN材料150、155中引导的热量轻松传递到凸块202。凸块202在凸块202的表面203处具有散热器和从顶部电极122到装置外部的电连接的组合功能。

作为图1和图2的BAW谐振器装置的一个变型，可以在附加地方使用导热材料150、155的非晶态氮化铝。例如，调整、修整和钝化层125可以包括非晶态AlN。因此，顶部电极122的顶部表面具有非晶态AlN的导热盖125，使得避免了顶部电极122中的潜在热点。因此，显著降低了由潜在热点损坏顶部电极的风险。另一方面，借助AlN的导热调整、修整和钝化层125将顶部电极中生成的热量进一步从顶部电极中除去，因为该热量将耗散到腔160中存在的空气中。

作为另一变型，根据该变型，布拉格镜元件110的电介质材料111(在一个实施例中可以由SiO₂制成)可以由AlN、可选非晶态AlN代替。在这种情况下，材料111也与周围的材料150一样是非晶态AlN。在这种情况下，布拉格镜元件110的AlN材料111将诸如钨或铝之类的金属或其合金的层112、113嵌入。除非另有说明，否则具有较高声阻抗的金属材料被完全封装在非晶态AlN材料中。

作为另一变型，压电层130也可以由各自呈现出压电性质的氮化铝钪或其他掺杂的氮化铝制成。

下文结合图3A至图3F和图4描述了制造电声谐振器装置的方法的实施例。图4示出了方法步骤序列的流程图，图3A至图3F示出了工件处理的对应状态。作为根据该实施例的制造工艺的起点，根据步骤401(图4)提供衬底100(图3A)。相对薄的非晶态氮化铝层151被沉积在衬底100上(图4的步骤402)。随后，沉积布拉格镜叠层110，包括被嵌入在钨层112、113中的电介质材料111。此后，沉积底部电极121的金属层。借助光刻和干法蚀刻，布拉格镜叠层和底部电极层被结构化(步骤403)为实现如图3B所示的基本垂直的侧壁。作为另一实施例(未示出)，干法蚀刻参数可以被设置为使得布拉格镜堆叠的侧壁相对于衬底表面实现倾斜取向，而不是垂直取向。距衬底表面更远的布拉格镜堆叠的直径小于靠近衬底的直径。

然后，沉积非晶态氮化铝来填充当前结构中存在的所有凹谷和沟槽。现在例如利用化学机械抛光(CMP)过程来将工件的顶部表面抛光。CMP操作生成顶部电极121的均匀顶部表面1211以及AlN层150的经抛光的顶部表面1501(步骤404)。在图3C中示出所产生的工件。

下一步，在底部电极121和AlN 150的均匀表面1211和1501上沉积压电层。在该实施例中，压电材料是柱状AlN。为了获得柱状结构，在抛光表面1211上沉积合适的种子层是有用的(步骤405)。可以沉积用于压电层的合适的备选材料来代替压电AlN(例如，氮化铝钪或以其他方式掺杂的氮化铝)。然后，沉积用于顶部电极122的金属层。顶部电极层和压电层被结构化为获得与底部电极121的宽度基本相同的宽度(步骤406)。注意，备选地，所沉积的压电层可以被首先结构化为获得已合适的压电材料130的宽度，以随后沉积用于顶部电极的金属层，并将该金属层结构化为获得顶部电极122的合适宽度。所产生的结构在图3D中示出。

然后，沉积氮化铝154来填充工件中存在的所有凹谷和沟槽。如图3E所示，在工件的顶部表面上执行CMP工艺来获得平坦的均匀顶部表面，平坦的均匀顶部表面具有顶部电极121的抛光表面1221和所沉积的氮化铝154的1541(步骤407)。

在图3E所示的工件上，沉积用于调整、修整和钝化功能的层并将其结构化为具有与顶部电极122基本相同的宽度(步骤408)。层125可以是包括SiO₂/SiN或备选地非晶态AlN的叠层。然后，制造包括包覆层165和密封层166的薄膜顶部封装。包覆层165覆盖腔160，腔160通过沉积牺牲层、将牺牲层结构化并利用包覆层165覆盖而实现。包覆层165被提供有一个或多个孔，通过一个或多个孔来去除牺牲氧化物，从而获得腔。所产生的结构在图3F中示出(步骤409)。

最后，在图3F所示的工件的顶部上沉积非晶态AlN，以实现顶部增强层155。可以通过CMP来将顶部表面抛光，以获得基本平坦的顶部表面。所产生的装置在图1中示出。

作为选择，可以如结合图2所描述的将焊料凸块制造到顶部增强层155中来实现图2所示的结构。

上面给出的公开内容描述了电声谐振器装置(例如，SMR-BAW谐振器装置)以及对应的制造方法，其中装置被包围在导热材料(例如，非晶态AlN)中，导热材料为声学活跃区域中生成的操作热量提供到散热器(例如，环境空气、焊料凸块和硅衬底)的热路径。利用散热，即使在声学活跃区域中生成高功率损耗，BAW装置的电特性也得以保持。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书所规定的本公开的精神或范围的情况下，可以进行各种修改和变型。由于本领域技术人员可以想到并入本公开的精神和实质的所公开的实施例的修改、组合、子组合和变型，因此本公开应被解释为包括所附权利要求的范围内的所有内容。