Saw器件及其制造方法
阅读说明：本技术 Saw器件及其制造方法 (SAW device and method of manufacturing the same ) 是由 安德烈·亚埃尔布斯 刘鹏 于 2019-04-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及表面声波(surface acoustic wave,SAW)器件领域。具体地,本发明的SAW器件抑制了寄生模式,具体为横向模式。本发明的所述SAW器件包括：压电层(101),用于传播SAW；至少一个电极(102),设置在所述压电层上并用于将电信号耦合到在所述压电层(101)中传播的SAW。所述SAW器件还包括至少一个母线(103),用于将所述电信号路由到所述电极(102)。所述SAW器件还包括去耦层(104),所述去耦层(104)将所述压电层(101)和所述电极(102)与所述母线(103)分离。所述去耦层(104)具有分别不同于所述电极(102)和所述母线(103)的声阻抗。(The present invention relates to the field of Surface Acoustic Wave (SAW) devices. In particular, the SAW device of the present invention suppresses parasitic modes, in particular lateral modes. The SAW device of the present invention includes: a piezoelectric layer (101) for propagating SAW; at least one electrode (102) disposed on the piezoelectric layer and configured to couple an electrical signal to a SAW propagating in the piezoelectric layer (101). The SAW device further comprises at least one busbar (103) for routing the electrical signal to the electrode (102). The SAW device further comprises a decoupling layer (104), the decoupling layer (104) separating the piezoelectric layer (101) and the electrode (102) from the bus bar (103). The decoupling layer (104) has acoustic impedances different from the electrodes (102) and the bus bars (103), respectively.)
技术领域
本发明涉及表面声波(surface acoustic wave，SAW)器件技术领域。本发明具体地提出了一种具有抑制横向寄生模式的新设计的SAW器件。此外，本发明涉及一种用于制造所述SAW器件的方法。
背景技术
声波器件是现代电子电路中使用的关键部件。由于这种声波器件需要高频选择性，同时保持低电子插入损耗，因此需要在滤波器拓扑中耦合高质量因子机械谐振器。
SAW器件将时变电信号耦合到在压电材料(层)表面上行进的机械波。传统的SAW谐振器是在压电层上生产的，在压电层的表面上有交替的金属叉指换能器(interdigitaltransducer，IDT)电极。
当受激波触发了所需的振动模式时，SAW谐振器会产生带内寄生振动模式。这些是由IDT电极在压电层上方的布置、路由电信号和限制谐振器的金属母线的几何形状以及布拉格(Bragg)反射镜的双侧声限制引起的。所有这些原因都会促进感兴趣频段内寄生模式的增长。波传播的横向方向的有限尺寸也有助于谐振器内寄生电声模式的发展。
由于模态耦合，具有接近所需工作频率的这种寄生模式可能会影响可实现的机械质量因子Q。当SAW谐振器布置在滤波器配置(例如梯形结构、晶格、双模谐振器等)中时，带内寄生模式的存在也会影响这些电滤波器电路的带内纹波度量。到目前为止，已通过以下方式解决了不需要的寄生模式：
·IDT电极变迹：这可能使高次模式的激励效率降低。此外，低次模式形状可通过激励匹配。但是，在不连续性处散射会显著增加损失。
·虚拟电极加权：使用虚拟电极，寄生模式会在母线区域渗透和泄漏。但是，间隙处的反射在间隙区域产生强波限制，从而引导了振动，并再次使寄生模式出现。
·活塞模式设计：例如，石英(或高耦合衬底)上的器件，结合虚拟电极的变迹，以保持平坦的模式形状。激励的形状沿着孔径保持恒定，并且模式形状可以与激励的形状匹配。然后，与这些寄生模式的机电耦合被大大减少。但是，这种方法使谐振器设计更复杂。
发明内容
鉴于上述缺点，本发明实施例的目的是改进传统的SAW器件和用于解决寄生模式的方法。
目的是提供一种抑制横向寄生模式的SAW器件。因此，本发明的目标是减少通带纹波，并增加可实现的带外抑制。应在不需要更复杂的SAW谐振器/器件设计的情况下抑制寄生模式。此外，SAW器件应具有低损耗。
本发明的第一方面提供了一种SAW器件，包括：压电层，用于传播SAW；至少一个电极，设置在所述压电层上，并用于将电信号耦合到在所述压电层中传播的SAW；至少一个母线，用于将所述电信号路由到所述电极；去耦层，将所述压电层和所述电极与所述母线分离，其中，所述去耦层具有分别不同于所述电极和所述母线的声阻抗。
具体地，去耦层可以包括压电材料、介电材料或任何半导体材料。
去耦层将母线和SAW谐振器(压电层和一个或多个电极)去耦。因此，可以在第一方面的SAW器件中抑制寄生模式，并且提供了一种改进的低损耗SAW器件。
在第一方面的一种实现方式中，所述至少一个母线至少部分地布置在所述压电层和所述电极上方，所述去耦层将所述压电层和所述电极与所述母线垂直分离。
垂直去耦有效地抑制了横向寄生模式。
在第一方面的一种实现方式中，所述SAW器件还包括：垂直互连通道(verticalinterconnect access，VIA)，形成为穿过所述去耦层，用于将所述母线电连接到所述电极。
该VIA可以控制一个或多个SAW谐振器。可以提供多个VIA。多个VIA也可用于在所述去耦层中形成周期性布置，例如形成声子晶体。
在第一方面的一种实现方式中，所述去耦层为图案化层和/或钝化层。
具体地，如果SAW谐振器包括可选的钝化层(例如，在IDT布置上方)，则在这种情况下，不用于减少寄生模式。
在第一方面的一种实现方式中，一个或多个材料元件嵌入所述去耦层中，所述嵌入元件具有声阻抗和/或具有与所述去耦层的周围材料不同的电性质和/或光性质。
在第一方面的一种实现方式中，多个所述材料元件以周期性布置嵌入所述去耦层中。
在第一方面的一种实现方式中，所述嵌入元件的所述周期性布置的空间周期性约为在所述SAW器件的工作频率下在所述去耦层中传播的所述SAW的波长。
嵌入元件可以是相同的，或者可以包括将母线接触到一个或多个电极的一个或多个上述VIA。
在第一方面的一种实现方式中，多个嵌入元件在所述去耦层中形成声子晶体。
具体地，根据布洛赫定理、谐振器的工作频率和滤波器的工作带宽选择该多个嵌入元件的成员的尺寸。
因此，可以形成声带隙，支持寄生模式的去耦和抑制。此外，声子晶体的尺寸可以使声能在框架结构内部分渗透，以在核心谐振器中产生“活塞式”振动模式。这大大减少了寄生模式的触发。
在第一方面的一种实现方式中，所述去耦层中的所述声子晶体具有以所述SAW器件的工作频率为中心的带隙。
因此，寄生模式在接近所需工作频率的情况下被特别抑制，因此由于模态耦合，对可实现的机械质量因子Q没有影响。
在第一方面的一种实现方式中，所述声子晶体(也可以称为声子晶体框架结构)在其能够支持的声波的工作频率下的长度在四分之一波长的范围内。
在第一方面的一种实现方式中，所述去耦层的温度系数的符号与所述压电层的温度系数的符号相反。
声子晶体的精确几何形状和实现(例如，下面参考附图描述)仅仅是说明性的，非对称周期布置可以在SAW器件的不同部分中实现。
理想情况下，所述去耦层和所述压电层的温度系数具有相同的绝对值和相反的符号。因此，实现了温度补偿。
在第一方面的一种实现方式中，所述去耦层包括介电材料。
在第一方面的一种实现方式中，所述SAW器件还包括：多个SAW谐振器，每个SAW谐振器由至少一个IDT电极和压电层的至少一部分形成。
在第一方面的一种实现方式中，所述SAW器件还包括：一个或多个布拉格反射器，布置成邻近SAW谐振器，其中，所述去耦层中的多个嵌入元件用于将声能从所述SAW谐振器引导到所述一个或多个布拉格反射器。
该实现方式防止了沿横向方向的衍射散射。
在第一方面的一种实现方式中，所述去耦层用于声耦合至少两个SAW谐振器，其中，耦合方向垂直于SAW传播方向。
SAW谐振器之间的耦合强度可以通过改变去耦层的几何形状和结构来调节。SAW传播方向(在实现中，纵向方向)是指主要传播方向。
在第一方面的一种实现方式中，相邻的SAW谐振器之间的距离被选择为在谐振器的工作频率下的感应声波的四分之一波长与半波长之间。
在第一方面的一种实现方式中，压电层(也可以称为衬底)包括压电材料氧化钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)中的至少一种。
在第一方面的一种实现方式中，所述至少一个IDT电极包括金属材料(例如铜(Cu)、钨(W)、银(Ag)、铂(Pt)、钛(Ti)或铝(Al)中的至少一种)。
在第一方面的一种实现方式中，去耦层可以包括介电材料(例如SiO2、SiCOH中的至少一种)。
在第一方面的一种实现方式中，所述至少一个电极是叉指换能器(interdigitaltransducer，IDT)电极。
本发明的第二方面提供了一种用于制造SAW器件的方法，所述方法包括：提供压电层，所述压电层用于传播SAW；在所述压电层上形成至少一个电极，其中，所述电极用于将电信号耦合到在所述压电层中传播的SAW；形成去耦层；形成母线，所述母线用于将所述电信号路由到所述电极；其中，所述去耦层将所述压电层和所述电极与所述母线分离，其中，所述去耦层具有分别不同于所述电极和所述母线的声阻抗。
所述第二方面的方法还可以根据所述第一方面的器件的实现方式进一步实现。相应地，第二方面的方法及其实现方式实现了第一方面及其各自实现方式的所有效果和优点。
需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、单元和模块可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明相应的实体适于或用于执行相应的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的具体功能或步骤没有在执行具体步骤或功能的该实体的具体元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚的是这些方法和功能可以在对应的硬件元件或软件元件或其任何类型的组合中实现。
附图说明
结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现方式。
图1示出了本发明实施例提供的SAW器件；
图2以(a)俯视图和(b)侧视图示出了本发明实施例提供的SAW器件；
图3示出了本发明实施例提供的制造SAW器件的步骤；
图4示出了本发明实施例提供的制造SAW器件的步骤；
图5示出了本发明实施例提供的SAW器件；
图6示出了本发明实施例提供的SAW器件的部件；
图7示出了本发明实施例提供的SAW器件；
图8示出了本发明实施例提供的用于制造SAW器件的方法。
具体实施方式
具体地，本发明实施例提出了通过使用特定的沉积材料，在核心电极周围形成去耦层(也称为“谐振器框架”)。该框架将SAW谐振器电极与SAW器件的金属布线和母线去耦。框架可以被图案化(例如，可以形成变迹的几何形状)。此外，框架可以嵌入材料区域以在SAW器件的工作频率附近形成声带间隙。可以选择框架频率温度系数(temperaturecoefficient of frequency，TCF)以降低SAW器件的总体TCF。此外，两个不同的SAW谐振器可以在横向方向上通过框架机械耦合，其中，声耦合强度可以通过修改框架的几何形状来优化。以下方面和实现方式描述了本发明的实施例。
图1示出了本发明实施例提供的SAW器件100的截面。SAW器件100包括用于传播SAW的压电层101，并包括设置在压电层101上的至少一个电极102，其中，电极102用于将电信号耦合到在压电层101中传播的SAW。电极102和压电层101或压电层101的至少一部分可以形成SAW器件100的SAW谐振器。多个电极102和压电层101可以形成多个SAW谐振器。
此外，图1的SAW器件100包括至少一个母线103，该母线103用于将电信号路由到电极102。此外，SAW器件100包括去耦层104，该去耦层104将压电层101和电极102与母线103分离。去耦层104具有分别不同于电极102和母线103的声阻抗。
在SAW器件100中，可以是IDT电极的致动电极102和路由母线103由去耦层104去耦。去耦层104具体地可以是钝化层，并且可以被称为“谐振器框架”。去耦层104还可以经工程设计/图案化，例如，以修改一个或多个电极102(IDT结构)的声环境。因此，特别是与传统的1D金属设计相比，可以对SAW器件100进行额外的“优化”。
例如，去耦层104(其优选具有不同于金属电极102的固有表面波反射率)可以被图案化，以获得特定的带隙形状/声镜，例如，除了在中心谐振频率下。去耦层104还可以被设计成具体泄漏横向模式的能量。
就工艺复杂性而言，保持了电极金属化的良好质量。图案化去耦层104不那么依赖于工艺变化(即，它不需要像传统方法所要求的那样精确的光刻)。去耦层104还具有修改SAW器件100的温度特性的优点，例如，在TC-SAW设计的情况下。
图2示出了本发明实施例提供的SAW器件100，该SAW器件100是基于图1所示的SAW器件100。相同的元件标记有相同的参考符号，功能也是如此。图2的SAW器件100在(a)中以俯视图和在(b)中以纵向截面的侧视图特别示出。
图2的SAW器件100还包括一个或多个VIA 200，这些VIA 200形成为穿过去耦层104，例如由金属形成。一个或多个VIA用于将母线103电连接到一个或多个电极102，使得电信号可以从母线103路由到一个或多个电极102。图2还示出了SAW器件100可以设置在体晶圆或衬底201上。
如图2中进一步示例性地示出，一个或多个电极102可以是IDT电极，该IDT电极由第一金属层M1形成/在第一金属层M1中形成。去耦层104可以是钝化层。母线103可以由第二金属层M2形成/在第二金属层M2中形成。钝化层104用于减少寄生模式的产生。这通过将一个或多个电极102/一个或多个SAW谐振器与SAW器件100的边界(通常是一个或多个母线103所处位置)去耦来实现。具有一个或多个VIA 200的钝化层104可以通过沉积特定的材料(例如介电材料)来形成。
图3和图4示出了如何制造图2的SAW器件100。图3和图4因此以(a)侧视图、(b)前视图(在母线103所处边界处)和(c)后视图(SAW谐振器所处位置)示出了SAW器件100。图8还示出了SAW器件100的一般制造方法800。步骤I/IV至IV/IV将在下文描述。
图8所示的一般制造方法800包括：步骤801，提供压电层，所述压电层用于传播SAW；步骤802，在压电层101上形成至少一个电极102，其中，该电极102用于将电信号耦合到在压电层101中传播的SAW；步骤803，形成去耦层104；步骤804，形成母线103，该母线103用于将电信号路由到电极102；其中，去耦层104将压电层101和电极102与母线103分离，其中，去耦层104具有分别不同于电极102和母线103的声阻抗。
在图3中，在步骤I/IV中，压电层101设置在晶圆201上，并且多个电极102形成在压电层上。因此，该步骤I/IV涉及图8的步骤801和802。然后，在步骤II/IV中，去耦层104分别沉积在压电层101和电极102上，并形成VIA 200。因此，该步骤II/IV涉及图8的步骤803。
在图4中，在步骤III/IV中，在电极的部分(形成核心SAW谐振器处)上方去除去耦层104。在步骤IV/IV中，母线103形成在剩余的去耦层104上。因此，这些步骤涉及图8的步骤804。
图5示出了本发明实施例提供的SAW器件100，该SAW器件100是基于图1和图2所示的SAW器件100。相同的元件标记有相同的参考符号，功能也是如此。图5的SAW器件100以侧视图示出。
图5的SAW器件100示出了去耦层104(“谐振器框架”)可以通过在去耦层104内嵌入一个或多个材料元件500来图案化。嵌入元件500可以具有声阻抗和/或可以具有不同于去耦层104的周围材料的电性质和/或光性质。多个材料元件500可以以周期性布置嵌入去耦层104中。具体地，去耦层104可以设置有金属结构(例如VIA 200)的周期性复制结构(或在去耦层104内设置有任何其它材料沉积，其声阻抗低于或大于去耦层104的声阻抗)。嵌入去耦层104中的材料岛可以具有单位长度，例如约为在SAW器件100的频率下的声波波长/其一部分。因此，多个嵌入元件/岛500可以在去耦层104中形成声子晶体。
图6示出了本发明实施例提供的SAW器件100的一部分，该SAW器件100是基于图1和图5所示的SAW器件100。相同的元件标记有相同的参考符号，功能也是如此。图5的SAW器件100以俯视图示出。
在图6的SAW器件100中，外部布拉格反射器600用于将声能限制在一个或多个核心SAW谐振器内。在这种情况下，可以去除一个或多个金属母线103，并且可以将去耦层104图案化为二维周期性复制结构500(例如，使用金属VIA 200或其它材料)，以有效地在纵向方向上引导声振，并防止沿横向方向的衍射散射。
图7示出了本发明实施例提供的SAW器件100，该SAW器件100是基于图1和图6所示的SAW器件100。相同的元件标记有相同的参考符号，功能也是如此。图7的SAW器件100以俯视图示出。
图7的SAW器件100特别具有机械耦合的SAW谐振器的分层设计(即电极102和压电层101的形成SAW谐振器的一部分)，它们位于彼此附近，例如，用于滤波器应用。在这种情况下，去耦层104(其可以如上所述被图案化和优化)可以用作相邻的SAW谐振器之间的横向声耦合器。改变去耦层104的几何形状和结构可以调节相邻的SAW谐振器之间的声耦合强度。
在SAW器件100的上述实施例中，衬底(体晶圆201)可以是包括硅、玻璃、陶瓷等的衬底。压电层101可以是薄膜压电层，包括铌酸锂、钽酸锂等中的一种。一个或多个电极102可以是低电阻率层，包括金属和/或金属合金(例如铜、钛等)层，或者可以是高掺杂硅层。
在SAW器件100的上述实施例中，去耦层104可以包括介电材料或可以由介电材料制成。例如，去耦层104的介电材料可以包括：SiCOH、磷硅酸盐玻璃、铝、硅、锗、镓、铟、锡、锑、碲、铋、钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锌、锆、铌、钼、钯、镉、氦、钽或钨的氧化物或氮化物，或其任何组合。
在SAW器件100的上述实施例中，金属化层M1和M2(分别用于一个或多个母线103和/或一个或多个电极102)可以包括：铜、铝、钨、钛等。BEOL介电层可以包括：铜覆盖层(copper capping layer，CCL)、蚀刻停止层(etch stop layer，ESL)、扩散势垒(diffusionbarrier，DB)、抗反射涂层(antireflection coating，ARC)和低k电介质，例如SiCOH、SiOCN、SiCN、SiOC、SiN。CMOS BEOL层中可用的材料可以包括：铜金属化、钨、低k电介质、二氧化硅、铜覆盖层、蚀刻停止层、抗反射涂层等。
在SAW器件100的上述实施例中，衬底可以包括硅、SOI技术衬底、砷化镓、磷化镓、氮化镓和/或磷化铟或其它示例衬底、包括GaAsP、AlInAs、GaInAs、GaInP或GaInAsP的合金半导体，或它们的组合。
已经结合作为实例的不同实施例以及实现方式描述了本发明。但是，根据对附图、本发明和独立权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，能够理解和实现其它变化。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，且“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能用于有益的实现方式。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：带有半λ介电层的横向激励的薄膜体声波谐振器