具有掺杂压电层的体声波谐振器的制造方法

具有掺杂压电层的体声波谐振器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利申请涉及电器元件，具体而言涉及一种谐振器。
【背景技术】
[0002] 换能器大体上将电信号转换为机械信号或振动，和/或将机械信号或振动转换为 电信号。特别地说，声换能器经由反向和直接压电效应将电信号转换为声信号（声波）且 将接收的声波转换为电信号。声换能器大体上包含例如表面声波（SAW)谐振器和体声波 (BAW)谐振器的声谐振器，且可用于例如蜂窝式电话、个人数字助理（PDA)、电子游戏装置、 膝上型计算机和其它便携式通信装置的广泛多种电子应用中。BAW谐振器包含安置于声反 射器上面的声堆叠或谐振器堆叠。举例来说，BAW谐振器包含：薄膜体声谐振器（FBAR)，所 述FBAR包含形成于基板腔上面的谐振器堆叠，所述基板腔充当声反射器；以及固态安装型 谐振器（SMR)，所述SMR包含形成于低声阻抗材料与高声阻抗材料的交替堆叠层上面的谐 振器堆叠（例如，布拉格镜）。举例来说，BAW谐振器可用于电滤波器和变压器。
[0003] 大体上，声谐振器具有位于可形成于薄膜上的两个导电板（电极）之间的压电材 料层。举例来说，压电材料可为例如氮化铝（A1N)、氧化锌（ZnO)或锆钛酸铅（PZT)的各种 材料的薄膜。由A1N制成的薄膜是有利的，因为它们大体上在高温（例如，高于400°C)下 维持压电性质。BAW谐振器的声堆叠包括第一电极、安置于第一电极上面的压电层和安置 于压电层上面的第二电极。声堆叠安置于声反射器上面。BAW谐振器的串联谐振频率（Fs) 是BAW谐振器的压电层中的偶极振动与所施加的电场同相所处的频率。在史密斯圆图上， 串联谐振频率（Fs)是Q圆圈与水平轴交叉所处的频率。如所已知，串联谐振频率（Fs)是由 其中声堆叠的层的总厚度来控管的。如可了解，随着谐振频率增加，声堆叠的总厚度减小。 此外，BAW谐振器的带宽确定压电层的厚度。具体来说，对于合乎需要的带宽来说，需要某 一机电耦合系数（kt2)以满足那特定带宽要求。BAW谐振器的kt2受若干因素影响，例如压 电材料与电极的尺寸（例如，厚度）、组合物和结构性质。大体上，对于特定压电材料来说， 较大kt2需要压电材料的较大厚度。因而，一旦确定了带宽，那么kt2被设定，且BAW谐振器 的压电层的厚度被固定。因此，如果特定BAW谐振器的较高谐振频率是合乎需要的，那么在 压电层中不能产生声堆叠中的层的厚度的任何减小，而是必须通过减小电极的厚度来达到 声堆叠中的层的厚度的任何减小。
[0004] 虽然减小声堆叠的电极的厚度提供BAW谐振器的谐振频率的增加，但电极的厚度 的此减小是以BAW谐振器的性能为代价来达到的。举例来说，减小的电极厚度导致声堆叠 的电极中的较高薄层电阻。较高薄层电阻导致BAW谐振器的较高串联电阻（Rs)及串联谐 振频率周围的不良的较低品质因数Fs(Qs)。此外，随着电极厚度减小，声堆叠变得对于高并 联电阻（Rp)来说较为不利，且结果并联谐振频率周围的品质因数Fp(Qp)被不良地减小。
[0005] 因此，需要至少克服上文所描述的已知BAW谐振器的缺点的BAW谐振器。

【发明内容】

[0006] 本发明提供了一种体声波BAW谐振器，其包括：具有第一电极厚度的第一电极；具 有第二电极厚度的第二电极；以及具有压电层厚度且安置于所述第一电极与所述第二电极 之间的压电层，所述压电层包括掺杂有至少一种稀土元素的压电材料，其中对于所述BAW 谐振器的特定声耦合系数（kt2)值和串联谐振频率（Fs)，所述第一电极厚度和所述第二电 极厚度各自大于包括未掺杂压电层的BAW谐振器的第一电极的厚度和第二电极的厚度。
【附图说明】
[0007] 当借助于随附图式阅读时，从以下详细描述来最好地理解说明性实施例。应强调， 各种特征未必按比例绘制。事实上，为了论述的清晰性，尺寸可任意增大或减小。在适用且 实际的情况下，相同参考数字指相同元件。
[0008] 图1A展示根据代表性实施例的薄膜体声谐振器（FBAR)的俯视图，所述FBAR具有 由未掺杂子层和掺杂子层形成的压电层。
[0009] 图1B是FBAR沿图3A的线3B-3B所截取的横截面图。
[0010]图2是根据替代性代表性实施例的SMR的横截面图。
[0011] 图3是展示钼层的薄层电阻对厚度的图表。
[0012] 图4A是展示未掺杂氮化铝压电层的声耦合系数（kt2)对厚度的图表。
[0013] 图4B是展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对未掺杂氮化铝压电层的 厚度的图表，所述BAW谐振器具有特定串联谐振频率（Fs)。
[0014] 图5A是根据代表性实施例的展示掺杂稀土的氮化铝压电层的声耦合系数（kt2) 对厚度的图表。
[0015] 图5B是根据代表性实施例的展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对稀 土元素氮化铝压电层的厚度的图表，所述BAW谐振器具有特定串联谐振频率（Fs)。
[0016] 图6A是根据代表性实施例的展示掺杂稀土的氮化铝压电层的声耦合系数（kt2) 对厚度的图表。
[0017] 图6B是根据代表性实施例的展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对稀 土元素氮化铝压电层的厚度的图表，所述BAW谐振器具有特定串联谐振频率（Fs)。
【具体实施方式】
[0018] 应理解，本文中所使用的术语是仅用于描述特定实施例的目的，而并不意欲为限 制性的。所定义的术语不包括所述所定义术语如通常在本教示的技术领域中理解并接受的 技术和科学意义。
[0019] 如说明书和随附权利要求书中所使用，除非上下文明确指示为相反，否则术语 "一"和"所述"包含单数指示物与复数指示物两者。因此，举例来说，"装置"包含一个装置 和多个装置。如说明书和随附权利要求书中所使用且除术语"实质上"的普通意义之外，所 述术语"实质上"意思是在可接受界限或程度内。举例来说，"实质上消除"意思是本领域的 技术人员将把消除考虑为是可接受的。如说明书和随附权利要求书中所使用且除术语"近 似"或"大约"的普通意义之外，所述术语"近似"或"大约"意思是在为本领域的普通技术 人员可接受的界限或量内。举例来说，"近似相同"意思是本领域的技术人员将把所比较的 项目考虑为是相同的。
[0020] 在以下详细描述中，出于阐释的目的且非限制，陈述特定细节以便根据本教示提 供对说明性实施例的透彻理解。然而，受益于本发明的本领域的普通技术人员将显而易见， 根据本教示的脱离本文中所公开的特定细节的其它实施例仍在随附权利要求书的范围内。 此外，可省略对熟知的设备和方法的描述以便不混淆对说明性实施例的描述。此些方法和 设备清楚地在本教示的范围内。
[0021] 大体上，应理解，本文中所描绘的图式和各种元件未按比例绘制。另外，例如 "在……上方"、"在……下方"、"在……顶部"、"在……底部""上部"和"下部"的相对术语 用于描述如随附图式中所说明的各种元件彼此的关系。应理解，这些相对术语既定涵盖装 置和/或元件除图式中所描绘的定向之外的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中 的视图而反转，那么被描述为"在另一元件上方"的元件例如现在将位于那个元件下方。
[0022] 本教示的方面是关于BAW谐振器装置和滤波器的组件、它们的材料和它们的制造 方法。举例来说，可在以下美国专利公告中的一或多者中找到此些装置和对应的制造方 法的各种细节：第6, 107, 721号美国专利（Lakin);第5, 587, 620号、第5, 873, 153号、第 6, 507, 983 号、第 7, 388, 454 号、第 7, 629, 865 号、第 7, 714, 684 号美国专利（Ruby等人）； 第7, 791，434号和第8, 188, 810号美国专利（Fazzio等人）；第7, 280, 007号美国专利 (Feng等人）；第8, 248, 185号美国专利（Choy等人）；第7, 345, 410号美国专利（Grannen 等人）；第6, 828, 713号美国专利（Bradley等人）；第20120326807号美国专利申请公告 (Choy等人）；第20100327994号美国专利申请公告（Choy等人）；第20110180391号和 第20120177816号美国专利申请公告（LarsonIII等人）；第20070205850号美国专利申 请公告（Jamneala等人）；2014年1月22日申请的题目为"制造具有各种量的掺杂剂和 所选C轴定向的掺杂稀土元素的压电材料的方法（MethodofFabricatingRare-Earth ElementDopedPiezoelectricMaterialwithVariousAmountsofDopantsanda SelectedC-AxisOrientation)" 的第 14/161,564 号美国专利申请案（JohnL.Larson III) ;2012年10月27日申请的题目为"具有具多种掺杂剂的压电层的体声波谐振器（Bulk AcousticWa veResonatorhavingPiezoelectricLayerwithMultipleDopants)" 的 第13/662,460号美国专利申请案（Choy等人）；以及2013年5月31日申请的题目为"具 有具变化的量的掺杂剂的压电层的体声波谐振器（BulkAcousticWaveResonatorhaving PiezoelectricLayerwithVaryingAmountsofDopants)"的第 13/906, 873 号美国专利 申请案（JohnChoy等人）。上文列举的专利、公告的专利申请案和专利申请案中的每一者 的整体公开内容具体地以引用方式并入本文中。应强调，这些专利和专利申请案中所描述 的组件、材料及制造方法具有代表性且也预期在本领域的普通技术人员的眼界内的其它制 造方法和材料。
[0023] 所描述的实施例大体上涉及体声波（BAW)谐振器。大体上，BAW谐振器包括第一 电极、第二电极和安置于第一电极与第二电极之间的压电层。压电层包括掺杂有至少一种 稀土元素的压电材料。通过将特定原子百分数的稀土元素并入到压电层中，压电材料的压 电性质（包含压电系数d33和机电耦合系数kt2)与完全为化学计量型（即，未掺杂）的相 同压电材料相比而得到改善。
[0024] 有利地且如下文更充分地描述，由于代表性实施例的压电材料的掺杂可改善kt2， 使得对于给定带宽和谐振频率来说，BAW谐振器的压电层可制造成比在已知的未掺杂压电 材料情况下可能达到的压电层更薄。因此，对电极的厚度约束可得到缓和，且代表性实施例 的BAW谐振器的声堆叠的电极的厚度可变得比具有较薄压电层（薄于在已知的未掺杂压电 材料的情况下可能达到的压电层的厚度）的BAW谐振器的声堆叠的电极厚。由于代表性实 施例的BAW谐振器的电极比较厚，所以实现了BAW谐振器的较低串联电阻（Rs)和改善的 (Qs)。此外，比较厚的电极导致BAW谐振器具有合乎需要的比较高的并联电阻（Rp)和并联 谐振频率周围的品质因数Fp(Qp)。
[0025] 在某些实施例中，压电层包括掺杂有钪（Sc)的氮化铝（A1N)。氮化铝层中的钪的 原子百分数为近似〇. 5 %到小于近似10. 0 %。更大体上来说，在某些实施例中，氮化铝层中 的钪的原子百分数为近似0. 5%到近似44%。在其它代表性实施例中，氮化铝层中的钪的 原子百分数为近似2. 5%到小于近似5. 0%。当本文中论述压电层中的掺杂元素的百分数 时，它是关于压电层的总原子。值得注意的是，当本文中论述掺杂A1N层中的掺杂元素（例 如，Sc)的百分数时，它是关于A1N压电层108的总原子（包含氮）。因此，举例来说且如 (例如）第14/161，564号美国专利申请案中所描述，如果代表性实施例的压电层中的A1具 有近似95. 0 %的原子百分数且Sc具有近似5. 0 %的原子百分数，那么压电层104的原子一 致性可随后表示为Alc^Scc^N。
[0026] 如上文所提及，举例来说，A1N材料可掺杂有钪（Sc)，从而产生具有预定原子百分 数的Sc的AlScN化合物。Sc原子具有大于A1原子的原子半径的原子半径，从而产生大于 A1-N键长(1.90A)的Sc-N键长(2.25A)。键长的此差异在所得AlScN材料中引起应力。
[0027] 图1A展示根据代表性实施例的FBAR100的俯视图。FBAR100包括说明性地具 有五个（5)面的第一电极101，其中连接面102经配置以提供电连接到互连件103。互连件 103提供电信号到第一电极101以激励FBAR100的压电层（图1中未展示）中的合乎需 要的声波。值得注意的是，可在连接面102处提供例如描述于第8, 248, 185号美国专利中 的风桥（未图示），且可在除连接面102之外的数个面中的一或多者上提供例如描述于第 20100327994号美国专利申请公告中的悬臂部分（未图示）。
[0028] 图1B展示根据代表性实施例的FBAR100沿线1B-1B所截取的横截面图。FBAR100 包含由位于基板105上面的多个层形成的声堆叠110,所述基板具有包括形成于基板105中 的腔的声反射器106。第二电极107安置于基板105上面，且延伸于声反射器106上面。值 得注意的是，声反射器106、第二电极107、第一电极101和压电层108的重叠部分界定FBAR 100的作用区域。
[0029] 平坦化层107'也可如所示提供于基板105上面。在代表性实施例中，举例来说， 平坦化层107'包含蚀刻抗蚀剂硼硅玻璃（NEBSG)。一般来说，平坦化层107'不需要存在于 结构中（因为它增加总处理成本），但是当存在时，它可改善后续层的增长的品质且简化它 们的处理。压电层108安置于第二电极107上面，且第一电极101安置于压电层108上面。 如应由本领域的普通技术人员所了解，由第二电极107、压电层108和第一电极101提供的 结构形成BAW谐振器的声堆叠110。
[0030] 基板105可由各种类型的材料形成，包含与半导体过程相容的例如硅（Si)、砷化 镓（GaAs)、磷化铟（InP)或其类似者的半导体材料，其对整合数个连接与电子设备、耗散从 谐振器产生的热有用，因此减小大小与成本且提供更强健的装置。说明性地，第二电极107 和第一电极101包含钼（Mo)。其它材料可用于第一电极101和第二电极107,包含但不限 于钨（W)或双金属材料。
[0031] 如下文更充分地描述，对于特定串联谐振频率（Fs)和声耦合系数（kt2)来说，由 于掺杂有稀土元素的压电层108 (例如，掺杂钪（Sc)的氮化铝（A1N))在比较来说减小的厚 度下提供所选声耦合系数（kt2)，所以代表性实施例的第一电极101和第二电极107的厚度 (在图1B中所描绘的坐标系统中的y方向）与已知FBAR的厚度相比而变大。
[0032] 举例来说，根据某些代表性实施例，可用具有近似5000,4的厚度的压电层108来 实现在2200MHz的串联谐振频率（Fs)下接近7 %的声耦合系数（kt2)。此外，在代表性实施 例中，压电层108可提供9%的最大声耦合系数（kt2)同时具有10000A的厚度。因而，通 过包含（掺杂）压电层108,对于此特定串联谐振频率（kt2)来说，第一电极101和第二电 极107可具有比较大的厚度。
[0033] 如下文更充分地描述，举例来说，当将钼用于第一电极101和第二电极107的材料 时，为将薄层电阻维持于某一水平以下，第一电极和第二电极的厚度必须为至少2000A。 在不牺牲FBAR的声耦合系数（kt2)而伤害到FBAR的带宽的情况下，在特定串联谐振频率 (Fs)下使用已知压电材料这是困难的（如果并非没有可能）。相比之下，根据本发明的代 表性实施例，在特定串联谐振频率（Fs)下，容易实现提供具有至少2000A的厚度的第一电 极101和第二电极107以及具有合乎需要的声耦合系数（kt2)的压电层。事实上，第一电 极101和第二电极107的厚度可显著变得较大（例如，3000A到4000A或更大），同时维 持FBAR100的合乎需要的声耦合系数（kt2)和带宽。
[0034] 可使用例如磷硅玻璃（PSG)的牺牲材料来形成声反射器106,所述牺牲材料随后 被移除。使用例如描述于上文并入的第14/161，564号和第13/662, 460号美国专利申请案 中所描述的若干已知方法中的一者，分别可将第二电极107涂覆到基板105的顶表面及最 初填充声反射器106的牺牲材料，且可将第一电极101涂覆到压电层108的顶表面。
[0035] 根据某些代表性实施例，压电层108通过将一或多种稀土元素并入到压电层的一 部分的晶格中而包括例如AlScN的掺杂稀土元素的压电材料（压电层），所述压电层具有增 强的压电系数d33和增强的机电耦合系数kt2。通过并入特定原子百分数的多种稀土元素， 掺杂稀土元素的A1N的压电性质（包含压电系数d33和增强的机电耦合系数kt2)与完全为 化学计量型（未掺杂）的A1N相比而得到改善。此外且如下文更充分地描述，对于特定带 宽、声耦合系数（kt2)值和串联谐振频率（Fs)来说，代表性实施例的FBAR100的压电层108 的厚度与未掺杂有稀土元素的已知FBAR谐振器相比是薄的。
[0036] 压电层108掺杂有特定原子百分数的稀土元素以便针对特定串联谐振频率（Fs) 来提供合乎需要的带宽和声耦合系数。如上文所注释，在某些实施例中，压电层108中的掺 杂压电材料包括掺杂A1N。用处于预定百分数的稀土元素（称为"掺杂元素"）来替换A1N 晶格内的若干A1原子。由于掺杂元素仅仅替换A1原子（例如，A1目标的A1原子），所以 压电材料中的氮原子的百分数仍实质上相同而与掺杂的量无关。因而，当本文中论述掺杂 元素的百分数时，它是关于A1N压电材料的总原子（包含氮），且在本文中称为"原子百分 数"。
[0037] 在各种实施例中，举例来说，A1N材料可掺杂有钪（Sc)，从而产生具有预定原子百 分数的Sc的AlScN化合物。Sc原子具有大于A1原子的原子半径的原子半径，从而产生大 于A1-N键长(1.90A)的Sc-N键长(2. 25A)。键长的此差异在所得AlScN材料中引起应力。
[0038] 根据某些代表性实施例，氮化铝层中的钪的原子百分数为近似0.5%到小于近似 10. 0 %。更大体上来说，在某些实施例中，氮化铝层中的钪的原子百分数为近似0. 5 %到近 似44 %。在其它代表性实施例中，氮化铝层中的钪的原子百分数为近似2. 5 %到小于近似 5.0%。因此，举例来说，如下文更充分地描述，如果在制造压电层104的方法中使用的A1 目标中的一者含有近似5%Sc，那么压电层104中的A1具有近似95.0%的原子百分数，而 Sc具有近似5. 0%的原子百分数。压电层104的原子一致性可随后表不为Ald^SCd^N。
[0039] 虽然许多代表性实施例涉及掺杂钪的A1N，但应注意，为了减小压电层108的厚度 及增加第一电极101和第二电极107的厚度（与不包含包括掺杂稀土的压电材料的压电层 的已知FBAR中的这些层的厚度相比），预期用于掺杂压电层108的压电材料的其它稀土元 素掺杂剂以便达成特定带宽、声耦合系数（kt2)值和串联谐振频率（Fs)。具体来说，其它稀 土元素包含如由本领域的普通技术人员所已知的钇（Y)、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)和镥 (Lu)。虽然本文中论述特定实例，但各种实施例预期任何一或多种稀土元素的并入。
[0040] 图2展示根据代表性实施例的SMR200的横截面图。SMR200的许多组件实质上 与上文参考图1B中的FBAR100所论述的对应元件相同。最值得注意的是，结合FBAR100 所描述的第一电极101和第二电极107以及压电层108的材料和厚度实质上与下文结合 SMR200所描述的第一电极101和第二电极107以及压电层108相同。大体上，在SMR200 的代表性实施例的描述中不重复这些实质上相同元件的细节以便避免混淆对它的描述。
[0041]SMR200包括声反射器220,而非包括如上文结合FBAR100所描述的腔的声反射 器106,声反射器220包括形成于基板205中或基板205上面的高声阻抗及低声阻抗交替 层。值得注意的是，声反射器220、第一电极101、第二电极107和压电层108的重叠部分界 定SMR200的作用区域。
[0042] 声反射器220可为分布布拉格反射器（DBR)或例如由多个声阻抗层（由代表性六 个（6)声阻抗层221到226指示）形成的其它声镜。第二电极107和平坦化层107'安置 于声反射器120上面，压电层108安置于第二电极107上面，且第一电极101安置于压电层 308上面。如应由本领域的普通技术人员了解，由第二电极107、压电层108和第一电极101 提供的结构形成BAW谐振器的声堆叠110。
[0043] 根据代表性实施例，声反射器220形成于基板105的顶部中或基板105的顶部上 面且提供基板105与声堆叠110之间的声隔离。声反射器220的声阻抗层221到226由具 有不同声阻抗的材料形成。举例来说，声阻抗层221到226可具有交替的低声阻抗和高声 阻抗，以使得声阻抗层221具有相对低的声阻抗，声阻抗层222具有相对高的声阻抗，声阻 抗层223具有相对低的声阻抗，声阻抗层224具有相对高的声阻抗，声阻抗层225具有相对 低的声阻抗，且声阻抗层226具有相对高的声阻抗。例如，可通过形成相对软材料的奇数编 号的声阻抗层221、223和225及形成相对硬材料的偶数编号的声阻抗层222、224和226来 获得这些不同声阻抗。值得注意的是，在不脱离本教示的范围的情况下，声阻抗层的数目可 不同于六个。大体上，可通过合乎需要的镜性能（例如，层越多，镜性能越好）与成本及处 理问题（例如，层越少，越便宜且镜增长和后处理越直接）之间的折衷来确定声阻抗层的数 目。
[0044] 由声反射器220提供的声隔离的量大体上取决于邻近声阻抗层221到226的声阻 抗之间的对比，其中对比的量越大则产生的声隔离越好。在一些实施例中，声反射器220是 以若干对介电材料和金属或交替的若干对介电材料（具有对比声阻抗）形成。举例来说， 奇数编号的声阻抗层221、223和225可由例如氧化硅（SiOx)的具有低声阻抗的材料形成， 其中x为整数，而与对应奇数编号的声阻抗层221、223和225配对的偶数编号的声阻抗层 222、224和226可由例如钨（W)或钼（Mo)的具有高声阻抗的材料形成。在另一实例中，奇 数编号的声阻抗层221、223、225可由掺杂碳的氧化硅（CD0)形成，而与对应奇数编号的声 阻抗层221、223和225配对的偶数编号的声阻抗层222、224和226可由氮化硅（SiNx)形 成，其中x为整数。这对的好处是可在单一机器中通过以下步骤使层增长：将CD0沉积到例 如第一腔室内的硅晶片上；将晶片移到第二腔室；将氮化硅沉积到第二腔室中的晶片上； 将晶片移回到第一腔室中；等等。这个过程可比例如产生经蚀刻的气穴便宜（例如，大约 10% )，因此提供气穴的具成本效率的替代物。
[0045] 可使用各种替代性技术来制造声反射器220,所述替代性技术的实例描述于整体 以引用方式并入本文中的第7, 358, 831号美国专利（Larson，III等人）中。当前，在不脱 离本教示的范围的情况下，形成声反射器220的堆叠层的低声阻抗材料和高声阻抗材料可 变化。本教示预期在包含滤波器（例如，包括多个BAW谐振器的梯式滤波器）的多种应用 中使用FBAR(例如，FBAR100)或SMR(例如，SMR200)。
[0046] 图3是展示钼层的薄层电阻对厚度的图表。如上文所注释，BAW谐振器的串联谐 振频率（Fs)是由其中声堆叠的层的总厚度来控管的。如可了解，随着串联谐振频率增加，声 堆叠的总厚度减小。然而，BAW谐振器的带宽确定压电层的厚度，且对于合乎需要的带宽来 说，需要某一机电耦合系数（kt2)以满足那特定带宽要求。BAW谐振器的kt2受若干因素的 影响，例如压电材料与电极的尺寸（例如，厚度和面积）、组合物和结构性质。大体上，对于 特定压电材料来说，较大kt2需要压电材料的较大厚度。因而，一旦确定了带宽，那么kt2被 设定，且BAW谐振器的压电层的厚度被固定。因此，如果特定BAW谐振器的较高串联谐振频 率（Fs)是合乎需要的，那么在压电层中不能产生声堆叠中的层的厚度的任何减小，而是必 须通过减小声谐振器堆叠中的电极的厚度来达到声堆叠中的层的厚度的任何减小。用于实 现合乎需要的串联谐振频率（Fs)所需的电极的厚度的减小是以BAW谐振器的性能为代价 来达到的。举例来说，减小的电极厚度导致声堆叠的电极中的较高薄层电阻。较高薄层电 阻导致BAW谐振器的较高串联电阻（Rs)及串联谐振频率周围的不良的较品质因数Fs(Qs)。 此外，随着电极厚度减小，声堆叠变得对于高并联电阻（Rp)来说较为不利，且结果并联谐 振频率周围的品质因数Fp(Qp)被不良地减小。
[0047] 转到图3,展示在区域301中开始钼（Mo)层的薄层电阻随减小的厚度而呈指数增 加。实际上，具有近似2000A到近似2500人（接近点302)的厚度的层具有近似为最大 薄层电阻的薄层电阻，所述最大薄层电阻可用于BAW谐振器的声堆叠中同时维持适当减小 的串联电阻（Rs)、适当高的并联电阻（Rp)及适当高的谐振器Q(Qs和Qp)。然而，由于串联 谐振频率（Fs)的增加是合乎需要的，所以实现合乎需要的机电耦合系数（kt2)将需要BAW 谐振器的压电层的厚度的减小，而这是使用已知未掺杂压电层所不能实现的。相反，对于特 定串联谐振频率（Fs)来说，通过在FBAR100或SMR200的压电层108中包含掺杂的压电 材料，可在比较来说减小的厚度下实现某一机电耦合系数（kt2)。
[0048] 图4A是展示未掺杂氮化铝（A1N)压电层的声耦合系数（kt2)对厚度的图表。AIN 层被提供于滤波器（例如，包括若干BAW谐振器的梯式滤波器）中所提供的已知BAW谐振 器中。应注意，将A1N用作压电材料仅仅是说明性的，且预期供用于BAW谐振器的声堆叠中 的其它压电材料。
[0049] BAW谐振器具有近似2200MHz的串联谐振频率（Fs)，且滤波器具有近似75MHz的 带宽。如所描绘，为在此串联谐振频率（Fs)下满足此带宽要求，机电耦合系数（kt2)为近似 7%(点401)。值得注意的是，在特定串联谐振频率（Fs)下可用此压电材料达到的最大机 电耦合系数（kt2)为近似7. 2%(点402)。如可从图4A的回顾所见，7%的机电耦合系数 (kt2)要求未掺杂A1N层具有近似12500A的厚度。如上文所注释，为在所选串联谐振频率 (Fs)下维持此特定滤波器带宽，不能减小A1N层的厚度。
[0050] 图4B是展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对未掺杂氮化铝压电层 的厚度的图表，所述BAW谐振器具有特定串联谐振频率（Fs)。值得注意的是，对于在近似 2200MHz的串联谐振频率（Fs)下7%的所需声耦合系数（kt2)来说，已知BAW谐振器的声 堆叠中的底部电极的厚度必须为近似2200A (点403)，且已知BAW谐振器的声堆叠中的 顶部电极的厚度必须为近似1500A。因此，在已知滤波器的已知BAW谐振器中，为满足指定 的性能要求，需要指定的声耦合系数（kt2)。为达成此声耦合系数（kt2)，AlN压电层的厚度 实质上被固定，且已知BAW谐振器的声堆叠的电极的对应厚度被限制到比较低的厚度。
[0051] 已知BAW谐振器的声堆叠的电极的比较低的厚度导致较高薄层电阻，较高薄层电 阻又导致BAW谐振器的较高串联电阻（Rs)和增加的欧姆损耗。此外，已知BAW谐振器的电 极的比较高的薄层电阻具有串联谐振频率周围的不良的较低品质因数Fs(Qs)。此外，在比 较低的电极厚度的情况下，已知BAW谐振器的声堆叠变得对于高并联电阻（Rp)来说较为不 利，且结果并联谐振频率周围的品质因数Fp(Qp)被不良地减小。因而，已知BAW谐振器（结 合图4A和4B描述了所述已知BAW谐振器的组件）具有不能接受的欧姆损耗和不能接受的 低Q值。
[0052]图5A是根据代表性实施例的展示掺杂稀土的氮化铝压电层的声耦合系数（kt2) 对厚度的图表。A1N层被提供于滤波器（例如，包括若干BAW谐振器的梯式滤波器）中所提 供的已知BAW谐振器中。应注意，将A1N用作压电材料仅仅是说明性的，且预期供用于代表 性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的其它压电材料。当然，出于比较已知BAW谐振器与结 合图4A到5B的描述所呈现的代表性实施例的BAW谐振器的目的，已知BAW的声堆叠包括 所选压电层的未掺杂层，而代表性实施例的BAW谐振器包括所选压电层的掺杂层。
[0053] 说明性地，BAW谐振器可为上文根据代表性实施例所描述的FBAR(例如，FBAR100) 或SMR(例如，SMR200)。此外，BAW谐振器说明性地包括以近似5原子百分比Sc的掺杂水 平而掺杂钪的铝压电层。应注意，将钪用作稀土元素掺杂剂仅仅是说明性的，且预期供用于 代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的其它稀土元素掺杂剂。此外，近似5.0原子百分数 Sc的掺杂水平也是说明性的，且可大于或小于此掺杂水平以便在特定串联谐振频率（Fs) 下获得合乎需要的机电耦合系数（kt2)。
[0054] 结合图5A到5B所描述的BAW谐振器的串联谐振频率与结合图4A到4B所描述的 已知BAW谐振器的串联谐振频率相同（g卩，2200MHz)。类似地，结合图5A到5B所描述的 BAW谐振器的带宽要求与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器的带宽要求相同（即， 75MHZ)〇
[0055] 为在此串联谐振频率（Fs)下满足此带宽要求，机电耦合系数（kt2)再次为近似 7% (点501)。值得注意的是，在特定串联谐振频率（Fs)下可用此压电材料达到的最大机电 耦合系数（kt2)为近似9% (点502)。如可从图5A的回顾所见，7%的机电耦合系数（kt2) 要求A1N的掺杂Sc的A1N层具有近似6000A的厚度。通过在显著低于已知BAW谐振器的 未掺杂A1N层的厚度的厚度下获得合乎需要的机电耦合系数（kt2)，对代表性实施例的BAW 谐振器的电极的厚度约束得到显著缓和。
[0056] 图5B是根据代表性实施例的展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对稀 土元素氮化铝压电层的厚度的图表，所述BAW谐振器具有所选串联谐振频率（Fs)。值得注 意的是，对于在近似2200MHz的串联谐振频率（Fs)下7%的所需声耦合系数（kt2)来说，代 表性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的底部电极的厚度为近似4100 A(点503)，且已知 BAW谐振器的声堆叠中的顶部电极的厚度必须为近似3000 A(点504)。因此，在根据代表 性实施例的滤波器的BAW谐振器中，为满足指定的性能要求，需要指定的声耦合系数（kt2)。 为达成此声耦合系数（kt2)，A1N压电层的厚度与包括未掺杂A1N压电层的已知BAW谐振器 相比得以显著减小，且代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的对应厚度显著大于包 含未掺杂A1N压电层的已知BAW谐振器的声堆叠的电极的那些对应厚度。因而，代表性实 施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的薄层电阻与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器 的声堆叠的电极的那些薄层电阻相比实质上得以减小。为此，出于说明的目的，电极由钼制 成。
[0057] 对图3中所陈述的薄层电阻对电极厚度的回顾揭示了已知BAW谐振器的底部电极 (厚度2200A)与代表性实施例的BAW谐振器的底部电极(4100A)之间和已知BAW谐振 器的顶部电极（厚度1500A)与代表性实施例的BAW谐振器的顶部电极(3000A)之间的 薄层电阻的显著减小。与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器的声堆叠的电极的薄层 电阻相比，代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的比较低的薄层电阻导致BAW谐振 器的较低串联电阻（Rs)和减小的欧姆损耗。此外，代表性实施例的BAW谐振器的电极的比 较低的薄层电阻导致串联谐振频率周围的经改善的品质因数Fs(Qs)。此外，在比较大的电 极厚度的情况下，代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠变得对于高并联电阻（Rp)来说较有 利，且结果并联谐振频率周围的品质因数Fp(Qp)与已知BAW谐振器的并联谐振频率周围的 品质因数Fp(Qp)相比而被有利地提尚。
[0058] 除代表性实施例的BAW谐振器的性能的上述改善之外，代表性实施例的掺杂压电 层也提供其它改善。具体来说，可用所注释的掺杂剂和代表性实施例的掺杂压电层的掺杂 水平来获得8. 5% (点510)的声耦合系数（kt2)。此增大的声耦合系数（kt2)提供在所选 串联谐振频率（Fs) (2200MHz)下增加的带宽。仍然，从图5B的回顾可了解，底部电极和顶 部电极的厚度（分别为点506和508)刚好达到电极厚度的下限以便提供BAW谐振器的适 当性能。值得注意的是，虚线505在近似2500A(点506)处与垂直线509交叉，而虚线 507在近似2000A(点508)处与垂直线509交叉。因此，即使当代表性实施例的BAW谐振 器的声堆叠的底部电极和顶部电极的厚度达到可接受的最小水平时，包括代表性实施例的BAW谐振器的滤波器的带宽仍可显著增加。
[0059] 更大体上来说，对于结合图5A到5B所描述的具有被掺杂到5原子百分数的Sc掺 杂型A1N压电层及2200MHz的串联谐振频率（Fs)的BAW谐振器来说，取决于合乎需要的 带宽，机电耦合系数kt2的范围可为从近似6. 5%到近似9.0%。在这些参数的情况下，Sc 掺杂型压电层具有在近似4600A到近似12000A的范围中的厚度。此外，第一电极的厚 度是在近似3300A到近似2000A的范围中，且第二电极的厚度是在近似4500A到近似 2500A的范围中。
[0060] 图6A是根据代表性实施例的展示掺杂稀土的氮化铝压电层的声耦合系数（kt2) 对厚度的图表。A1N层被提供于滤波器（例如，包括若干BAW谐振器的梯式滤波器）中所提 供的已知BAW谐振器中。应注意，将A1N用作压电材料仅仅是说明性的，且预期供用于代表 性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的其它压电层。当然，出于比较已知BAW谐振器与结合 图4A到5B的描述所呈现的代表性实施例的BAW谐振器的目的，已知BAW的声堆叠包括所 选压电层的未掺杂层，而代表性实施例的BAW谐振器包括所选压电层的掺杂层。
[0061] 说明性地，BAW谐振器可为上文根据代表性实施例所描述的FBAR(例如，FBAR100) 或SMR(例如，SMR200)。此外，BAW谐振器说明性地包括以近似9原子百分比Sc的掺杂水 平而掺杂钪的铝压电层。应注意，将钪用作稀土元素掺杂剂仅仅是说明性的，且预期供用于 代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的其它稀土元素掺杂剂。此外，近似9. 0原子百分数 Sc的掺杂水平也是说明性的，且可大于或小于此掺杂水平以便在特定串联谐振频率（Fs) 下获得合乎需要的机电耦合系数（kt2)。
[0062] 结合图6A到6B所描述的BAW谐振器的串联谐振频率与结合图4A到4B所描述的 已知BAW谐振器的串联谐振频率相同（g卩，2200MHz)。类似地，结合图6A到6B所描述的 BAW谐振器的带宽要求与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器的带宽要求相同（即， 75MHZ)〇
[0063] 为在此串联谐振频率（Fs)下满足此带宽要求，机电耦合系数（kt2)再次为近似 7% (点601)。值得注意的是，在特定串联谐振频率（Fs)下可用此压电材料达到的最大机电 耦合系数（kt2)为近似10% (点602)。如可从图6A的回顾所见，7%的机电耦合系数（kt2) 要求A1N的掺杂Sc的A1N层具有近似4500A的厚度。通过在显著低于已知BAW谐振器的 未掺杂A1N层的厚度的厚度下获得合乎需要的机电耦合系数（kt2)，对代表性实施例的BAW谐振器的电极的厚度约束得到显著缓和。
[0064] 图6B是根据代表性实施例的展示BAW谐振器的第一电极和第二电极的厚度对稀 土元素氮化铝压电层的厚度的图表，所述BAW谐振器具有所选串联谐振频率（Fs)。值得注 意的是，对于在近似2200MHz的串联谐振频率（Fs)下7%的所需声耦合系数（k t2)来说，代 表性实施例的BAW谐振器的声堆叠中的底部电极的厚度为近似4500 A(点603)，且已知 BAW谐振器的声堆叠中的顶部电极的厚度必须为近似3700A(点604)。因此，在根据代表 性实施例的滤波器的BAW谐振器中，为满足指定的性能要求，需要指定的声耦合系数（kt2)。 为达成此声耦合系数（kt2)，A1N压电层的厚度与包括未掺杂A1N压电层的已知BAW谐振器 相比得以显著减小，且代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的对应厚度显著大于包 含未掺杂A1N压电层的已知BAW谐振器的声堆叠的电极的那些对应厚度。因而，代表性实 施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的薄层电阻与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器 的声堆叠的电极的那些薄层电阻相比实质上得以减小。为此，出于说明的目的，电极由钼制 成。
[0065] 对图3中所陈述的薄层电阻对电极厚度的回顾揭示了已知BAW谐振器的底部电极 (厚度2200A)与代表性实施例的BAW谐振器的底部电极(4500A)之间和已知BAW谐振 器的顶部电极（厚度1500A)与代表性实施例的BAW谐振器的顶部电极(3700A)之间的 薄层电阻的显著减小。与结合图4A到4B所描述的已知BAW谐振器的声堆叠的电极的薄层 电阻相比，代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠的电极的比较低的薄层电阻导致BAW谐振 器的较低串联电阻（Rs)和减小的欧姆损耗。此外，代表性实施例的BAW谐振器的电极的比 较低的薄层电阻导致串联谐振频率周围的经改善的品质因数Fs(Qs)。此外，在比较大的电 极厚度的情况下，代表性实施例的BAW谐振器的声堆叠变得对于高并联电阻（Rp)来说较有 利，且结果并联谐振频率周围的品质因数Fp(Qp)与已知BAW谐振器的并联谐振频率周围的 品质因数Fp(Qp)相比而被有利地提尚。
[0066] 除代表性实施例的BAW谐振器的性能的上述改善之外，代表性实施例的掺杂压电 层也提供其它改善。具体来说，可用所注释的掺杂剂和代表性实施例的掺杂压电层的掺杂 水平来获得9. 7% (点610)的声耦合系数（kt2)。此增大的声耦合系数（kt2)提供在所选 串联谐振频率（Fs) (2200MHz)下增加的带宽。仍然，从图6B的回顾可了解，底部电极和顶 部电极的厚度（分别为点606和608)刚好达到电极厚度的下限以便提供BAW谐振器的适 当性能。值得注意的是，虚线605在近似2900A(点606)处与垂直线609交叉，而虚线 607在近似2000A(点608)处与垂直线609交叉。因此，即使当代表性实施例的BAW谐振 器的声堆叠的底部电极和顶部电极的厚度达到可接受的最小水平时，包括代表性实施例的 BAW谐振器的滤波器的带宽仍可显著增加。
[0067] 更大体上来说，对于结合图6A到6B所描述的具有被掺杂到9. 0原子百分数的Sc 掺杂型A1N压电层及2200MHz的串联谐振频率（Fs)的BAW谐振器来说，取决于合乎需要的 带宽，机电耦合系数kt2的范围可为从近似6. 5%到近似9. 7%。在这些参数的情况下，Sc 掺杂型压电层具有在近似4200A到近似10000A的范围中的厚度。此外，第一电极的厚 度是在近似3900A到近似2000A的范围中，且第二电极的厚度是在近似4500A到近似 2900A的范围中。
[0068] 应强调，用于实现结合图5A到6B所描述的特定机电耦合系数kt2的特定压电材 料、稀土掺杂剂和掺杂水平仅仅是说明性的且预期其它材料、掺杂剂和掺杂水平以便达成 提供用于提供合乎需要的带宽的为适当值的机电耦合系数kt2但具有低于未掺杂的相同压 电材料的厚度的总体目标，从而以便通过允许声堆叠中的电极具有大于包含未掺杂压电层 的已知BAW谐振器的声堆叠中的电极的那些厚度的厚度来维持或改善代表性实施例的BAW 谐振器的上述性能参数。
[0069] 本领域的普通技术人员将了解，根据本教示的许多变化是有可能的且仍在随附权 利要求书的范围内。在检查本文中的说明书、图式和权利要求书之后，这些和其它变化将变 得为本领域的普通技术人员所明了。因此，除了在随附权利要求书的精神和范围内之外，本
【主权项】
1. 一种体声波BAW谐振器，其包括： 具有第一电极厚度的第一电极； 具有第二电极厚度的第二电极；以及 具有压电层厚度且安置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述压电层包 括掺杂有至少一种稀土元素的压电材料，其中对于所述BAW谐振器的特定声耦合系数（kt2) 值和串联谐振频率（F s)，所述第一电极厚度和所述第二电极厚度各自大于包括未掺杂压电 层的BAW谐振器的第一电极的厚度和第二电极的厚度。2. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中，对于所述特定F 3和kt2值，包括掺杂有至 少一种稀土元素的所述压电材料的所述压电层比所述未掺杂压电层的厚度薄。3. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中，对于所述特定F 3和kt2值，所述第一电极 厚度和所述第二电极厚度各自是包括所述未掺杂压电层的所述BAW谐振器的第一电极和 第二电极的所述厚度的近似两倍。4. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述kt2为近似7. 0%。5. 根据权利要求4所述的BAW谐振器，其中包括掺杂有至少一种稀土元素的所述压电 材料的所述压电层具有近似5800 A的厚度。6. 根据权利要求4所述的BAW谐振器，其中所述第一电极具有近似4100 A的厚度。7. 根据权利要求4所述的BAW谐振器，其中所述第二电极具有近似3000 A的厚度。8. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述kt2是在近似6. 5 %到近似9. 0 %的范 围中。9. 根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中包括掺杂有至少一种稀土元素的所述压电 材料的所述压电层具有在近似4600 A到近似12000 A的范围中的厚度。10. 根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述第一电极具有在近似3300 A到近似 2000 A的范围中的厚度。11. 根据权利要求8所述的BAW谐振器，其中所述第二电极具有在近似4500 A到近似 2500 A的范围中的厚度。12. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中，对于所述特定F 3和kt2值，所述第一电 极厚度和所述第二电极厚度各自是包括未掺杂压电层的所述BAW谐振器的第一电极和第 二电极的所述厚度的近似两倍。13. 根据权利要求2所述的BAW谐振器，其中，对于所述特定F 3和kt2值，包括掺杂有 至少一种稀土元素的所述压电材料的所述压电层的所述厚度是所述未掺杂压电层的所述 厚度的近似一半。14. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其进一步包括安置于所述第一电极、所述第二 电极和所述压电层下方的声反射器，其中所述声反射器、所述第一电极、所述第二电极和所 述压电层的重叠部分界定所述声谐振器的作用区域。15. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述声反射器包括安置于上面安置有所述 第一电极、所述第二电极和所述压电层的基板中的腔。16. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述声反射器包括具有交替的高声阻抗和 低声阻抗的多个层。17. 根据权利要求1所述的BAW谐振器，其中所述压电材料包括氮化铝A1N。18. 根据权利要求17所述的BAW谐振器，其中所述至少一种稀土元素并入到所述AlN 压电材料的晶格中。19. 根据权利要求17所述的BAW谐振器，其中所述至少一种稀土元素包括钪Sc。20. 根据权利要求17所述的BAW谐振器，其中所述至少一种稀土元素包括并入到所述 AlN压电材料的晶格中的两种或两种以上稀土元素。21. 根据权利要求20所述的BAW谐振器，其中所述至少两种稀土元素包括钪Sc和铒 Er022. 根据权利要求17所述的BAW谐振器，其中所述至少两种稀土元素进一步包括钇Y。23. 根据权利要求19所述的BAW谐振器，其中所述AlN压电材料中的Sc的原子百分数 为近似0.5%到小于近似10. 0%。24. 根据权利要求19所述的BAW谐振器，其中所述AlN压电材料中的Sc的原子百分数 为近似0. 5 %到近似44 %。25. 根据权利要求19所述的BAW谐振器，其中所述AlN压电材料中的Sc的百分数为近 似2. 5%到小于近似5.0%。
【专利摘要】本发明涉及具有掺杂压电层的体声波谐振器。根据代表性实施例，一种体声波BAW谐振器包括：具有第一电极厚度的第一电极；具有第二电极厚度的第二电极；以及具有压电层厚度且安置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述压电层包括掺杂有至少一种稀土元素的压电材料。对于所述BAW谐振器的特定声耦合系数(kt2)值和串联谐振频率(Fs)来说，所述第一电极厚度和所述第二电极厚度各自大于包括未掺杂压电层的BAW谐振器的第一电极的厚度和第二电极的厚度。
【IPC分类】H03H9/17
【公开号】CN104883153
【申请号】CN201510088773
【发明人】克里斯·冯, 菲尔·尼克尔, 约翰·克伊, 凯文·J·格伦纳, 叶堂水
【申请人】安华高科技通用Ip(新加坡)公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年2月26日
【公告号】US20150244347