阅读说明：本技术 具有虚假模式抑制的高q baw谐振器 (High Q BAW resonator with spurious mode suppression ) 是由 T·波拉德 于 2019-05-28 设计创作，主要内容包括：提供了一种BAW谐振器,其中顶部电极(TE)具有外翼(OF)。翼远离有源谐振器区域(AR)延伸并且具有突出段,该突出段在压电层(PL)上方的层级处延伸,该层级高于外翼所围合的位于内部的区域中的任一位于内部的区域处的顶部电极的层级。较高的层级由中间台阶形成材料(SM)形成,该中间台阶形成材料被布置在压电层与外翼中的顶部电极之间。台阶形成材料包括结构化层,该结构化层具有相对于顶部电极和压电层的阻抗低的声学阻抗。(A BAW resonator is provided in which the Top Electrode (TE) has an outer wing (OF). The wings extend away from the active resonator Area (AR) and have a protruding section extending at a level above the Piezoelectric Layer (PL) which is higher than the level of the top electrode at any of the internally located areas enclosed by the outer wings. The higher level is formed by a middle step forming material (SM) arranged between the piezoelectric layer and the top electrode in the outer wing. The step forming material includes a structured layer having a low acoustic impedance relative to the impedance of the top electrode and the piezoelectric layer.)

具有虚假模式抑制的高Q BAW谐振器

背景技术

在实践中，BAW谐振器的尺寸沿着其侧向维度有限，并且具有以下三种类型中的一种类型的端接区域：(i)没有互连；(ii)顶部电极互连；或(iii)底部电极互连。顶部互连和底部互连用于将谐振器电连接到电路中的其他元件，例如，连接到在频率滤波应用中以梯形配置布置的其他谐振器。对于情况(i)，区域通常通过端接顶部电极或通过在大致相同的位置处端接顶部电极和底部电极两者来形成。对于情况(ii)和(iii)，区域通过分别端接底部电极和顶部电极来形成。

因为在压缩或拉伸下作用回在材料上的局部内部侧向力不会像它们在谐振器中心附近那样被抵消，所以谐振器中的端接可能是虚假模式激励的源。这可能导致侧向模式向谐振器内部传播回来。另外，该区域可以直接激励远离谐振器传播的模式，从而导致较低的谐振器品质因数。对端接几何形状的适当优化会减少虚假模式激励和耦合，还帮助在谐振器内包含更多能量。这改善了带内和带外的总体滤波器性能(例如，带外性能在多路复用应用中很重要)。

发明内容

本发明的目的是提供一种BAW谐振器，该BAW谐振器具有进一步增加的品质因数Q，同时具有改善的对虚假模式的抑制。另一目的是提供改善整体谐振器性能的新颖谐振器端接几何形状。

该目的和其他目的通过根据权利要求1的BAW谐振器来满足。从属权利要求提供了进一步的改进和优选实施例。

一种BAW谐振器，具有层序列，该层序列从底部到顶部包括衬底、底部电极、压电层以及顶部电极。所有三层，即底部电极、压电层和顶部电极层彼此交叠的区域为声学有源谐振器区域。BAW谐振器的特殊特征提供在顶部电极处，该特殊特征在有源区域的边缘处形成外翼。翼远离有源谐振器区域延伸并且具有突出段，该突出段在压电层上方的层级上延伸，该层级高于外翼所围合的位于内部的区域中的任一位于内部的区域的顶部电极的层级。较高的层级由布置在压电层与外翼之间的中间台阶形成材料形成。该台阶形成材料包括结构化层，该结构化层具有声学阻抗相对于顶部电极和压电层的声学阻抗低的材料。

这种低阻抗材料的示例为SiO₂、Al、Ti、Mg等。低阻抗材料可以为电介质，因为它无需有助于电极性能，而仅影响声学模式。然而，该材料还可以为导电材料。合适材料可以根据可以从本领域中已知的表中获取的其声学特性来选择。

根据一个实施例，有源谐振器区域的边缘包括所谓的交叠区域，顶部电极在该交叠区域中的厚度高于顶部电极在有源谐振器区域中的厚度。增强的厚度通过在有源谐振器区域的边缘中在顶部电极与压电层之间插入选自重金属或其他高声学阻抗材料(如钼和钨之类) 的附加材料的结构来实现。

优选地，谐振器在交叠区域中的垂直层结构延伸到外翼的端部。仅附加布置低阻抗台阶形成材料，优选地，布置在压电层与顶部电极之间。

该新型谐振器具有改进性能。给出了一种用于模式抑制和Q增强的途径。通过本发明，基于已证实的模拟工具，预期提高Q在2GHz 附近为-1800至3000。进一步地，虚假模式可以得到补偿并且变得无害。谐振器电极上的虚假信号被最小化。尤其是，通常可以在边缘区域中出现的侧向模式可以通过外翼降低。

在其中交叠区域和翼区域中的附加W和SiO₂的厚度分别得以优化并且侧向维度得以优化的本发明中，两个特征共同作用以产生侧向边界条件，该侧向边界条件增强谐振器的交叠Q因子，该交叠Q 因子比仅通过交叠结构实现的交叠Q因子要好。

本发明可以用于不同构造类型的BAW谐振器。SMR(牢固安装的谐振器)型BAW谐振器被安装为与衬底紧密接触。为了将声能保持在谐振器内，在衬底表面与底部电极之间布置布拉格反射镜。这种声学反射镜可以包括高声学阻抗和低声学阻抗的交替层。阻抗差越大，反射系数就越好，或所需反射镜层的数目就越少。

而且，本发明可以用于需要有源谐振器区域正下方的空气填充空腔的FBAR(薄膜声学谐振器)中。空腔可以形成为衬底中的凹口，该凹口被膜或被一个或多个悬置谐振器层(例如，电极层)覆盖。

外翼可以沿着有源谐振器区域的整个周边延伸，从而包围有源区域。当BAW谐振器为独立谐振器时或当谐振器具有底部电极互连或端接时，外翼的形状沿着整个周边可以相同。

至少包括SiN层的电介质层可以覆盖顶部电极。

作为可选的其他有利细节，在有源谐振器区域的边缘处形成在有源谐振器区域与外翼之间沿着整个周边延伸的欠交叠。欠交叠为顶部电极和电介质层的总厚度小于有源谐振器区域的中心的层序列的相应总厚度的区域。

当适当设计维度时，该特征对于降低低于设备基本谐振下方的频率的虚假模式耦合是有用的(对于II型堆叠有用，对于I型堆叠无用)。

在欠交叠中，可以通过顶部电介质层的减小的厚度来实现较小的总厚度。

可替代地，在欠交叠中较小的总厚度可以通过由在有源谐振器区域中而在非欠交叠区域中覆盖顶部电极的附加层排他地在有源区域中增强高度来实现。该附加层可以为电介质层或导电层，优选地，附加SiN层。附加层不应太致密，以不增强谐振器特性对其厚度的敏感性，并且避免过多的声能被吸入到顶部电极的损耗较高的材料中，其否则会降低谐振器的Q因子。

作为另一备选方案，可以通过减小顶部电极在欠交叠区域中的厚度来实现欠交叠的较小的总厚度。

作为另一可选特征，有源谐振器区域的边缘包括在欠交叠之外并且与欠交叠相邻的交叠区域，顶部电极在该交叠区域中的厚度大于该顶部电极在欠交叠和在有源谐振器区域中的厚度。因此，交叠区域被布置在欠交叠与外翼之间。

在交叠区域中，第二台阶形成材料可以被布置在顶部电极与压电层之间。优选地，第二台阶形成材料包括声学阻抗相对较高的材料。合适的材料可以包括W、Pt、Mo和Ta中的至少一项以及它们的合金。然而，还可以使用诸如SiO₂之类的电介质来形成交叠。

在一个实施例中，顶部电极包括底部层和顶部层，底部层包括 W、Pt、Mo和Ta中的至少一项，顶部层包含AlCu。现在，可以将第一台阶形成材料设置在顶部电极的底部层和顶部层之间的外翼处。

可替代地，台阶形成材料可以被布置在压电层与顶部电极的底部层之间的外翼下。

根据一个实施例，顶部电极的底部层在交叠区域中的厚度高于其在欠交叠和在有源谐振器区域中的厚度。

优选地，顶部电极层及其子层的厚度在交叠处和在外翼处相同。

压电层的材料可以包括AlN或ZnO。但是可以使AlN例如掺杂有Sc(AlScN)，以增加压电耦合。在实践中，AlScN中的Sc的量可以被设置在1mol％与40mol％之间。

附图说明

在下文中，参考特定实施例和附图对本发明进行更详细的解释。附图仅是示意性的，并未按比例绘制。为了更好地理解，可以以放大形式描绘一些细节。

图1示出了通过具有外翼的SMR型BAW谐振器的横截面视图以及两个放大截面，

图2示出了通过具有经修改的声学反射镜的另一SMR型BAW 谐振器的横截面视图，

图3示出了通过BAW谐振器的边缘区域的更详细的横截面视图，

图4示出了通过BAW谐振器的经修改的边缘区域的更详细的横截面视图，

图5示出了通过FBAR型BAW谐振器的横截面视图，

图6示出了通过BAW谐振器的经修改的边缘区域的横截面视图，

图7示出了通过BAW谐振器的另一经修改的边缘区域的横截面视图，

图8示出了通过BAW谐振器的又一经修改的边缘区域的横截面视图，

图9示出了可以使用BAW谐振器的梯形滤波器电路的简化框图，

图10示出了可以使用BAW谐振器以及由无源元件制成的谐振器的混合梯形滤波器电路的简化框图，

图11示出了可以使用BAW谐振器的晶格滤波器电路的简化框图。

具体实施方式

图1示出了通过BAW谐振器的示意性横截面。层序列在由例如 Si衬底SU上形成堆叠。还可以使用任何其他合适的刚性材料。为了隔离的目的，可以在Si本体的顶部上形成SiO₂层。

接下来，在包括来自两个反射镜层对的两个反射镜M1、M2的衬底SU上形成并结构化声学布拉格反射镜。在布拉格反射镜中，高阻抗层HI和低阻抗层LI是交替的。反射镜层的厚度可以稍微发生变化以设置期望反射带。高阻抗层HI可以包括W，而低阻抗层LI 可以包括SiO₂。附加的薄粘合或定向促进层可以沉积在反射镜对(例如，Ti或AlN)下方。

可选地，SiO₂的最顶部反射镜层的CMP平坦化可以用于反射镜层和/或之后的底部电极层。

接下来，底部电极BE使用高导电AlCu层和高阻抗W层形成。再者，可以在底部电极与最上部反射镜之间采用附加薄粘合或定向促进层(例如，Ti或AlN)。此外，诸如TiN之类的封盖层和/或蚀刻停止层可以施加到AlCu层的顶部，以允许对位于底部电极的钨和 AlCu层之间的附加谐振器失谐材料进行图案化。

在底部电极W的顶上形成由例如AlN或AlScN制成的压电层 PL。由于来自被附接到顶部电极/底部电极和反射镜上的附加质量负载效应，其厚度被设置为低于期望谐振频率的波长的一半。

堆叠中的所有上述层是至少在之后的有源谐振器区域上延伸的连续层。

在压电层PL的顶部上布置由例如SiO₂或SiO₂和W制成的台阶形成材料结构SM，该台阶形成材料结构SM包围谐振器的有源谐振器区域AR。可以仅在顶部电极TE的钨层与压电层PL之间施加该台阶形成材料SM。台阶形成材料SM的位置在任何其他两层之间或在顶部层上方也是可能的。

在已经描述的布置的顶部上并且在台阶形成材料结构SM上方，层堆叠形成顶部电极TE以及由例如SiN制成的顶部钝化电介质层 DL。从压电层PL的表面开始，沉积薄粘合剂Ti层、钨层、AlCu 层、薄TiN层、以及由例如SiN制成的电介质层。SiN层提供设备钝化并且用作频率微调修整层。

附图的底部的两个放大横截面示出了台阶形成材料的更详细结构。图1的左底部侧的截面示出了其中低声学阻抗的台阶形成材料 SM被布置在由W/AlCu制成的顶部电极的底部层与压电层PL之间的实施例。在由台阶形成材料SM形成的台阶上方，顶部电极或其顶部子层形成外翼OF。

图1的右底部侧所示的截面示出了其中低声学阻抗的台阶形成材料SM被布置在由W制成的顶部电极的底部层与顶部电极TE的 AlCu顶部层之间的实施例。

图2示出了通过BAW谐振器的横截面，该BAW谐振器包括高品质低阻抗层HQLI和可选地包括高阻抗层HQHI的声学反射镜。这两个层形成第三反射镜M3，该第三反射镜M3沉积在图1的第二反射镜M2上方并且恰好在底部电极下方。鉴于期望反射带，照常设置第三反射镜M3的层的厚度。然而，沉积过程被控制以允许声学阻抗和品质得以改进的多晶反射镜层的生长。

对于沉积，可以使用CVD、PECVD或溅射方法。优选地，设置并控制条件以实现缓慢均匀的晶体生长。对如温度、气体流量、压力或BIAS电压之类的其他工艺参数进行仔细控制，以支持规则定向并且在多晶层内形成大晶粒。

图3示出了通过具有其他可选设计特征的BAW谐振器的边缘区域的横截面。如图1的右放大截面所示，外翼被体现。当从有源谐振器区域AR开始并且朝向边缘行进时，与有源谐振器区域AR相邻形成欠交叠区域。本文中，顶部电极的厚度相对于有源区域减小。在与欠交叠区域UL相邻的交叠区域OL中，由例如W制成的第二台阶形成材料被布置在压电层PL上方的顶部电极TE下。在交叠区域OL中，各层在压电层上方的总厚度高于在更位于内部的的区域中的总厚度。

与交叠区域OL相邻，第一台阶形成材料SM被布置为向顶部电极提供最高的高度层级，该最高的高度层级在第一台阶形成材料SM 的框状结构上方形成外翼OF。

图4示出了通过另一BAW谐振器的边缘区域的横截面，其示出了如图3的实施例之类的相同的其他可选设计特征但是具有相对于顶部电极TE的子层次序相反的第一台阶形成材料SM。该布置在该细节上与图1的底部左横截面一致。就BAW谐振器的性能而言，该布置被认为是更好的选择。

图5示出了通过FBAR型的BAW谐振器的横截面。本文中，从底部电极BE开始的层序列被布置在衬底SU中的凹口RC上方。至少在有源谐振器区域下方，空气填充空腔向底部电极提供由于界面处的高阻抗台阶而引起的声学反射。如与图1至图4所一起描述的，可以体现所有其他特征和可选特征。

图6示出了外翼OF的外边沿处的边缘的细节。由SiN制成的电介质层DL覆盖压电层PL的边沿和相邻表面。本文中，欠交叠被示为在SiN中而非在如图3和图4所示的顶部电极层中进行图案化。

图7示出了BAW谐振器的外边沿处的dame细节。关于图6，台阶形成材料SM和顶部电极的底部子层的顺序互换。在图6和图7 两者中，SiN层下方的TiN层仅覆盖顶部电极TE的顶部表面，而没有覆盖边沿。

图8示出了通过如图6的谐振器之类的具有相同层序列的BAW 谐振器的横截面。然而，在外边沿处，沟槽通过电介质层DL被构造为暴露压电层的顶部表面的条带以及顶部电极的边沿。当沟槽的维度相对于顶部电极端接/边沿被适当设计时，任何泄漏的侧向能量的一部分被反射。如果反射的能量同相，则反射波改善声学性能并且避免损耗，但是如果异相，则反射波具有破坏性。其相位可以通过相对于边沿放置沟槽的适当偏移来控制。

在沟槽中，因为SiN相对较硬，所以从结构的侧壁移除SiN的封盖电介质DL，从而允许外翼‘更自由’。这将较小的力施加到 SiN与压电接触的位置，并且减少了侧向能量泄漏/激励。在一个台阶中(例如，SiN、TiN、AlCu、W、SiO₂和Ti层)，所有这些材料都可以一起被蚀刻一次。

图9至图11示出了被电路化以形成RF滤波器的包括谐振器的滤波器电路的示意性框图。如上文所描述的BAW谐振器可以有利地用于这些滤波器电路中。

图9示出了包括串联BAW谐振器SR_S和并联BAW谐振器BR_P的梯型布置，其可以根据本发明形成有高品质反射镜层。在该实施例中，相应串联BAW谐振器BR_S和相应并联BAW谐振器BR_P形成梯形布置的基本段BS_LT。梯型布置包括若干个基本段BS_LT，这些基本段可以串联电路化为实现期望滤波器功能。

图10示出了以最少数目的元件描绘的混合滤波器的框图。真实电路可以包括更多数目的这种结构。在图5中，混合滤波器的第一部分电路PC1包括串联阻抗元件IE_S和并联阻抗元件IE_P。串联阻抗元件IE_S可以体现为电容器，而并联阻抗元件IE_P可以体现为线圈。第二部分电路PC2包括至少一个串联BAW谐振器BR_S和至少一个并联BAW谐振器BR_P。如图4和图6所示，在组合滤波器电路内，第一部分电路PC1和第二部分电路PC2可以交替或以任意顺序布置。这种混合滤波器的精确设计可以根据期望混合滤波器的要求来优化。技术人员可以借助于优化计算机程序容易完成这种优化。

图11示出了包括串联BAW谐振器和并联BAW谐振器的BAW 谐振器的晶格型布置。与梯型布置相对比，并联BAW谐振器BR_P被布置在将两个串联信号线与串联BAW谐振器BR_S互连的并联支路中。并联支路以交叉布置电路化，使得晶格型布置BS_LC的基本段包括被布置在两个不同信号线中的第一串联BAW谐振器SR_S和第二串联BAW谐振器SR_S；以及两个并联支路，该两个分支电路被电路化为与布置在其中的相应并联BAW谐振器SR_P交叉。根据滤波器要求，晶格型滤波器可以包括更多数目的基本段。

如图9至图11所示的两个或更多个滤波器电路可以形成如双工器或多路复用器之类的组合滤波器。滤波器可以在RF电路中用作带通滤波器、陷波滤波器或边沿滤波器。滤波器电路可以与未示出或未提及但本领域通常已知的其他电路元件组合。

仅通过有限数目的示例对本发明进行了解释，因此本发明不限于这些示例。本发明由权利要求的范围限定，并且可以背离所提供的实施例。

附图标记和使用术语列表