具有空氣環(huán)及溫度補償層的聲諧振器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請案涉及一種具有空氣環(huán)及溫度補償層的聲諧振器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲諧振器可用于在各種電子應(yīng)用中實施信號處理功能。舉例來說，一些蜂窩式電 話及其它通信裝置使用聲諧振器來實施用于所發(fā)射及/或所接收信號的頻率濾波器?？筛?據(jù)不同應(yīng)用而使用數(shù)種不同類型的聲諧振器，其中實例包含體聲波（BAW)諧振器，例如薄 膜體聲諧振器（FBAR)、耦合式諧振器濾波器（CRF)、堆疊式體聲諧振器（SBAR)、雙重體聲諧 振器（DBAR)及固態(tài)安裝式諧振器（SMR)。舉例來說，F(xiàn)BAR包含在腔上方的底部（第一）電 極與頂部（第二）電極之間的壓電層。BAW諧振器可用于多種多樣的電子應(yīng)用中，例如蜂窩 式電話、個人數(shù)字（PDA)、電子游戲裝置、膝上型計算機及其它便攜式通信裝置。舉例來說， 以接近于其基波諧振頻率的頻率操作的FBAR可用作移動裝置中的射頻（RF)濾波器及雙工 器的關(guān)鍵組件。
[0003] 聲諧振器通常包括夾在兩個板狀電極之間的壓電材料層，呈稱為聲堆疊的結(jié)構(gòu)形 式。在將輸入電信號施加于電極之間的情況下，反或逆壓電效應(yīng)致使聲堆疊機械地擴張或 收縮，這取決于壓電材料的極化。隨著輸入電信號隨時間變化，聲堆疊的擴張及收縮會產(chǎn)生 聲波，所述聲波沿各種方向傳播穿過聲諧振器且通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成輸出電信號。聲波中 的一些跨越聲堆疊實現(xiàn)諧振，其中諧振頻率由若干因素決定，例如聲堆疊的材料、尺寸及操 作條件。聲諧振器的這些及其它機械特性決定其頻率響應(yīng)。
[0004] -般來說，聲諧振器包括可經(jīng)受不同類型的諧振或諧振模式的不同橫向區(qū)域。可 將這些橫向區(qū)域非常廣泛地表征為主隔膜區(qū)域及外圍區(qū)域，其中作用區(qū)域或主隔膜區(qū)域大 致由兩個板狀電極與壓電材料之間的重疊部界定，且外圍區(qū)域被界定為在主隔膜區(qū)域外側(cè) 的區(qū)。主隔膜區(qū)域可與聲諧振器的作用區(qū)域相同或可含納作用區(qū)域。特定來說，兩個外圍 區(qū)域被界定為位于主隔膜區(qū)域的邊緣與空氣腔的邊緣之間的區(qū)域及至少一個板狀電極及 壓電材料與襯底的重疊的區(qū)域。主隔膜區(qū)域經(jīng)受由兩個板狀電極之間的電場產(chǎn)生的電激發(fā) 模式，且主隔膜及外圍區(qū)域兩者均經(jīng)受通過在電激發(fā)模式中能量的散射產(chǎn)生的某些衍生模 式。例如，電激發(fā)模式包括由邊界處于主隔膜區(qū)域的邊緣的縱向聲波形成的活塞模式。例 如，所述衍生模式包括由在主隔膜區(qū)域及外圍區(qū)域的邊緣處激發(fā)的橫向聲波形成的橫向模 式。
[0005] 所述橫向模式促進電驅(qū)動主隔膜區(qū)域與本質(zhì)上非驅(qū)動外圍區(qū)域之間的適當(dāng)機械 質(zhì)點速度及應(yīng)力的連續(xù)性。其可從激發(fā)點自由傳播（所謂的傳播模式）或以指數(shù)方式衰減 (所謂的消散及復(fù)合模式）。其可由橫向結(jié)構(gòu)不連續(xù)性（例如，主隔膜區(qū)域中不同厚度的區(qū) 域之間的界面或者頂部或底部電極的邊緣）或由電場不連續(xù)性（例如，電場突然終止于其 處的頂部電極邊緣）兩者激發(fā)。
[0006] 所述橫向模式通常對聲諧振器的性能具有有害影響。因此，一些聲諧振器包含被 設(shè)計成抑制、禁止或減輕橫向模式的輔助結(jié)構(gòu)特征。舉例來說，可在頂部電極下方于頂部電 極上形成連接聲諧振器的邊緣的空氣橋以便消除襯底上方的換能器效應(yīng)。在另一實例中， 可通過主隔膜區(qū)域的邊界內(nèi)的導(dǎo)電或介電材料形成框架以最小化頂部電極邊緣處的電激 發(fā)活塞模式的散射且改進機械運動到主隔膜區(qū)域的局限。
[0007] 舉例來說，常規(guī)FBAR依賴于對電激發(fā)活塞模式的強局限。強局限是通過頂部及底 部電極的邊緣以及例如空氣環(huán)（例如，包含空氣橋及/或空氣翼）及常規(guī)外側(cè)框架等輔助 結(jié)構(gòu)特征而提供的。盡管強局限的明顯優(yōu)點在于其強制對頂部電極的邊緣處的機械運動的 準(zhǔn)鉗位，但其也提供顯著的聲不連續(xù)性，從而導(dǎo)致能量從所要活塞模式到整個結(jié)構(gòu)的非所 要外延、剪切、撓曲及膨脹模式中的散射。
[0008] 另外，特定來說，F(xiàn)BAR濾波器需要保證跨越溫度范圍以及頻率范圍的充分低的插 入損耗（IL)。通常，隨著周圍溫度增加，大多數(shù)材料的聲速降低，且形成濾波器的FBAR中 的每一者的截止頻率降低。因此，隨著溫度增加，濾波器的通帶通常朝向較低頻率移動。因 此，在不存在溫度補償?shù)那闆r下，通帶必須被設(shè)計成足夠?qū)捯栽试S周圍溫度的改變，從而需 要每一FBAR的高耦合系數(shù)Kt 2,這可能難以實現(xiàn)。此外，在一些情況中（例如，帶13)，可能不 允許通帶移動以防止對其它（例如，安全）帶的入侵?？尚枰獙V波器（及因此每一 FBAR) 的溫度補償。舉例來說，可將摻硼二氧化硅SiOx (其可稱為"溫度補償氧化物"）作為溫度 補償層添加到FBAR。溫度補償氧化物的聲速隨著溫度而增加，這產(chǎn)生聲諧振器及濾波器響 應(yīng)隨著周圍溫度的改變的所要穩(wěn)定性?？蓪囟妊a償層嵌入到頂部或底部電極中，這導(dǎo)致 所有相關(guān)聯(lián)的過程復(fù)雜化。接著，可使用其它結(jié)構(gòu)來改進并聯(lián)電阻Rp及質(zhì)量因子Q(稱為 "Q因子")，例如頂部電極空氣橋（用以消除非作用FBAR)及頂部電極上的附加框架（用以 最小化頂部電極邊緣處的散射）。
[0009] 通常，溫度補償層會降低用于Q因子改進的附加框架的有效性。原因在于，溫度補 償層的低聲阻抗會局限來自活塞模式及堆疊本征模式兩者的顯著量的能量，所述堆疊本征 模式被局限于其中放置溫度補償層的諧振器堆疊的部分。典型的附加框架被放置于堆疊的 頂部上以便促進高質(zhì)量平面壓電層的生長?？蓪囟妊a償層放置于壓電層下方或上方，這 會限制頂部附加框架對抑制局限于諧振器堆疊的底部的本征模式的有效性。因此，對于需 要高Q因子及經(jīng)溫度補償頻率響應(yīng)的應(yīng)用來說，需要允許BAW諧振器堆疊內(nèi)的溫度補償層 的方法。因此，鑒于常規(guī)聲諧振器的這些及其它缺點，通常需要經(jīng)改進的聲諧振器設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在一個方面中，本申請案提供一種體聲波（BAW)諧振器裝置，其包括：襯底；底部 電極，其形成于所述襯底上方；壓電層，其形成于所述底部電極上；頂部電極，其形成于所 述壓電層上；空氣翼及空氣橋，其形成于所述壓電層與所述頂部電極之間，所述空氣翼具有 界定所述BAW諧振器裝置的作用區(qū)域的外邊界的內(nèi)邊緣；及溫度補償特征，其具有正溫度 系數(shù)以用于抵消所述壓電層的負(fù)溫度系數(shù)的至少一部分，其中所述溫度補償特征在所述作 用區(qū)域外側(cè)延伸達預(yù)定長度。
[0011] 在另一方面中，本申請案提供一種體聲波（BAW)諧振器裝置，其包括：襯底，其界 定腔；底部電極，其形成于所述襯底及所述腔的至少一部分上方；壓電層，其形成于所述底 部電極上；頂部電極，其形成于所述壓電層上；外框架，其形成于所述頂部電極上或所述頂 部電極中，所述外框架具有界定所述BAW諧振器裝置的作用區(qū)域的外邊界的內(nèi)邊緣；空氣 翼及空氣橋，其形成于聲堆疊的所述壓電層與所述頂部電極之間；及溫度補償特征，其具有 正溫度系數(shù)以用于抵消至少所述壓電層的負(fù)溫度系數(shù)的至少一部分，其中所述溫度補償特 征在所述作用區(qū)域外側(cè)延伸達預(yù)定長度。
【附圖說明】
[0012] 當(dāng)與附圖一起閱讀時，根據(jù)以下詳細說明會最好地理解說明性實施例。要強調(diào)的 是，各種特征未必按比例繪制。事實上，為清晰地進行論述，可任意地增加或減小尺寸。在 適用且實用時，相似參考編號指代相似元件。
[0013] 圖IA是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的俯視圖。
[0014] 圖IB是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0015] 圖IC是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0016] 圖ID是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0017] 圖2A是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層及框架的聲諧振器的橫截面圖。
[0018] 圖2B是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層及框架的聲諧振器的橫截面圖。
[0019] 圖2C是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層及框架的聲諧振器的橫截面圖。
[0020] 圖3A是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0021] 圖3B是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0022] 圖3C是根據(jù)代表性實施例具有溫度補償層的聲諧振器的橫截面圖。
[0023] 圖4是描繪根據(jù)代表性實施例隨著溫度補償層向襯底腔中延伸的量而變的并聯(lián) 電阻Rp值的曲線圖。
【具體實施方式】
[0024] 在以下詳細說明中，出于解釋而非限制的目的，陳述了揭示特定細節(jié)的實例性實 施例以便提供對本發(fā)明教示的透徹理解。然而，受益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 將明了，根據(jù)本發(fā)明教示的背離本文中所揭示的特定細節(jié)的其它實施例保持在所附權(quán)利要 求書的范圍內(nèi)。此外，可省略對眾所周知的設(shè)備及方法的說明以免使對實例性實施例的說 明模糊。此類方法及設(shè)備顯然在本發(fā)明教示的范圍內(nèi)。
[0025] 本文所用術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的而非打算為限制性。所定義術(shù)語是對 所定義術(shù)語在相關(guān)背景中所通常理解及接受的技術(shù)、科學(xué)或普通含義的補充。
[0026] 術(shù)語'一（a、an) '及'所述（the) '包含單數(shù)及復(fù)數(shù)兩種形式的所指物，除非上 下文另有清晰指示。因此，舉例來說，'一裝置'包含一個裝置及多個裝置。術(shù)語'實質(zhì) 性（substantial)'或'實質(zhì)上（實質(zhì)上）'意指在可接受的限度或程度內(nèi)。術(shù)語'大致 (approximately)'意指在所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可接受的限度或量內(nèi)。可使用例如 "在…上方"、"在…下方"、"頂部"、"底部"、"上部"及"下部"等相對性術(shù)語來描述各種元件 彼此間的關(guān)系，如附圖中所圖解說明。這些相對性術(shù)語打算除圖式中所描繪的定向外還涵 蓋裝置及/或元件的不同定向。舉例來說，如果裝置相對于圖式中的視圖倒置，那么被描述 為在另一元件"上方"的元件（舉例來說）現(xiàn)在將在所述元件下方。在稱第一裝置連接或 耦合到第二裝置時，這囊括其中可采用一或多個中間裝置來將兩個裝置彼此連接的實例。 相比之下，在稱第一裝置直接連接或直接耦合到第二裝置時，這囊括其中在無除電連接器 (例如，導(dǎo)線、接合材料等）之外的任何介入裝置的情況下將兩個裝置連接在一起的實例。
[0027] 例如，本發(fā)明教示大體來說涉及例如膜體聲波諧振器（FBAR)或固態(tài)安裝式諧振 器（SMR)等聲諧振器。為使解釋簡單起見，在FBAR技術(shù)的情景中描述數(shù)個實施例；然而，所 描述概念可適于供在其它類型的聲諧振器中使用。聲諧振器