體聲波諧振器結構、薄膜體聲波諧振器結構以及固體裝配型諧振器結構的製作方法
2024-02-19 22:00:15
體聲波諧振器結構、薄膜體聲波諧振器結構以及固體裝配型諧振器結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種體聲波諧振器結構、薄膜體聲波諧振器結構以及固體裝配型諧振器結構。一種體聲波BAW諧振器結構包含安置在襯底上方的第一電極、安置在所述第一電極上方的壓電層以及安置在所述第一壓電層上方的第二電極。所述壓電層由摻雜多種稀土元素的壓電材料組成，用以改進所述壓電層的壓電特性。
【專利說明】體聲波諧振器結構、薄膜體聲波諧振器結構以及固體裝配型諧振器結構
【技術領域】
[0001]本申請案涉及一種體聲波諧振器結構、薄膜體聲波諧振器結構以及固體裝配型諧振器結構。
【背景技術】
[0002]換能器一般將電信號轉換為機械信號或振動和/或將機械信號或振動轉換為電信號。特定來說，聲換能器經由逆壓電效應及正壓電效應而將電信號轉換為聲信號(聲波)且將所接收的聲波轉換為電信號。聲換能器一般包含聲諧振器(例如表面聲波(SAW)諧振器及體聲波(BAW)諧振器)且可用於廣泛多種電子應用中，例如蜂窩式電話、個人數字助理(PDA)、電子遊戲裝置、膝上型計算機及其它可攜式通信裝置。舉例來說，BAW諧振器包含薄膜體聲波諧振器(FBAR)(其包含形成在襯底空腔上方的諧振器堆疊)以及固體裝配型諧振器(SMR)(其包含形成在聲反射器(例如，布拉格鏡)上方的諧振器堆疊)。舉例來說，BAW諧振器可用於電濾波器及變壓器。
[0003]一般來說，聲諧振器在兩個導電板(電極)之間具有壓電材料層，所述層可形成於薄膜上。舉例來說，壓電材料可為多種材料(例如氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)或鋯鈦酸鉛(PZT))的薄膜。由AlN製成的薄膜是有利的，這是因為其在高溫(例如400°C以上)下一般仍維持壓電特性。然而，舉例來說，相比於ZnO及PZT，AlN具有較低的壓電係數d33。
[0004]可以多種特定的晶體定向來沉積AlN薄膜，所述晶體定向(例如)包含纖鋅礦
(0001)B4結構(其由具有鋁(Al)及氮(N)的交替層的六邊形晶體結構組成)以及閃鋅礦結構(其由Al原子及N原子的對稱結構組成)。圖1是常見的纖鋅礦結構的說明性模型的透視圖。由於纖鋅礦結構中的Al-N鍵結的性質，所以在AlN晶體中存在電場極化，從而導致AlN薄膜的壓電特性。為了利用此極化及對應的壓電效應，必須以特定的晶體定向來合成 A1N。
[0005]參考圖1，a軸與b軸位於頂部六邊形的平面中，而c軸平行於晶體結構的側邊。舉例來說，對於AlN來說，沿著c軸的壓電係數d33為約3.9pm/V。一般來說，較高的壓電耦合係數d33是符合需要的，這是因為壓電係數d33越高，提供相同的壓電效應所需要的材料越少。為了改進壓電係數d33的值，可用不同的金屬元素取代Al原子中的若干者，這可被稱為「摻雜」。舉例來說，過去為改進壓電係數d33所做的努力包含通過添加鈧(Sc)(例如，以大於0.5原子百分比的量)或鉺(Er)(例如，以小於1.5原子百分比的量)中的一者(而非兩者)取代一些Al原子而打亂AlN晶格的化學計量純度。
【發明內容】
[0006]根據代表性實施例,體聲波(BAW)諧振器結構包含安置在襯底上方的第一電極、安置在第一電極上方的壓電層以及安置在第一壓電層上方的第二電極。壓電層包含摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進壓電層的壓電特性。[0007]根據另一代表性實施例，薄膜體聲波諧振器(FBAR)結構包含界定空腔的襯底、安置在襯底上方的第一電極(所述第一電極的至少一部分形成在襯底中的空腔上方)、安置在第一電極上方的壓電層以及安置在第一壓電層上方的第二電極。壓電層包含摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進壓電層的壓電特性。
[0008]根據另一代表性實施例，固體裝配型諧振器(SMR)結構包含襯底、形成在襯底上的聲反射器(所述聲反射器包括多個聲阻抗層，其中所述聲阻抗層中的至少兩者具有不同的聲阻抗)、安置在聲反射器上方的第一電極、安置在第一電極上方的壓電層以及安置在第一壓電層上方的第二電極。壓電層包含摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進壓電層的壓電特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]當結合附圖進行閱讀時，可從下文的詳細描述獲得對說明性實施例的最佳理解。要強調的是，不需要按照比例繪製多種特徵。事實上，為了使討論明確起見，可任意增加或減小尺寸。在任何可應用且實際的地方，相同參考數字指代相同元件。
[0010]圖1是氮化鋁(AlN)的晶體結構的說明性模型的透視圖。
[0011]圖2A根據代表性實施例展示具有經摻雜壓電層的薄膜體聲波諧振器(FBAR)的俯視圖。
[0012]圖2B是根據代表性實施例的具有經摻雜壓電層的FBAR沿著圖2A的線2B-2B截取的橫截面圖。
[0013]圖3是根據代表性實施例的具有經摻雜壓電層的固體裝配型諧振器(SMR)的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0014]應了解，本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的且無意為限制性的。所定義的術語另有在本教示的【技術領域】中通常所理解並接受的所定義術語的技術及科學含義。
[0015]如在說明書及所附權利要求書中所使用，除非上下文另外清楚地指定，否則術語「一」及「所述」包含單數及複數指示物。因此，例如，「一裝置」包含一個裝置及多個裝置。如在說明書及所附權利要求書中所使用且除了其一般含義之外，術語「實質」或「實質上」意指在可接受的限制或程度之內。舉例來說，「實質上取消」意指所屬領域的技術人員會認為所述取消是可接受的。如在說明書及所附權利要求書中所使用且除了其一般含義之外，術語「近似」或「大約」意指對所屬領域的技術人員來說在可接受的限制或數量之內。舉例來說，「近似相同」意指所屬領域的技術人員會認為進行比較的物項相同。
[0016]在下文的詳細描述中，出於解釋而非限制的目的陳述特定細節以便提供對根據本教示的說明性實施例的透徹理解。然而，對於受益於本發明的所屬領域的技術人員來說，顯而易見的是根據本教示的偏離本文所揭示的特定細節的其它實施例依然在所附權利要求書的範圍之內。而且，可能會省略對眾所周知的設備及方法的描述，以免使說明性實施例的描述模糊不清。此類方法及設備明顯處於本教示的範圍之內。
[0017]一般來說，應了解其中所描繪的圖式及多種元件並不按比例進行繪製。此外，如在附圖中所說明，相對性的術語(例如「在……上方」、「在……下方」、「頂部」、「底部」、「上部」及「下部」)是用來描述多種元件彼此之間的關係。應了解，這些相對性術語有意包含除圖式中所描繪的定向之外的裝置和/或元件的不同定向。舉例來說，如果相對於圖式中的視圖將裝置顛倒，那麼(例如)被描述為「在另一元件上方」的元件現在將在所述元件的下方。
[0018]本教示一般涉及可提供多種濾波器(例如，梯型濾波器)及其它裝置的BAW諧振器裝置。可在下文共同擁有的美國專利及專利申請案中的一者或一者以上中發現BAW諧振器(包含FBAR、SMR及諧振器濾波器、其材料及其製造方法)的某些細節:拉金(Lakin)的第6，107，721號美國專利；魯比(Ruby)等人的第5，587，620、第5，873，153號、第6，507, 983號、第6，384，697號、第7，275，292號及第7，629，865號美國專利；馮(Feng)等人的第7，280, 007號美國專利；詹姆奈拉(Jamneala)等人的第2007/0205850號美國專利申請公開案；魯比等人的第7，388，454號美國專利；喬伊(Choy)等人的第2010/0327697號美國專利申請公開案；以及喬伊等人的第2010/0327994號美國專利申請公開案。這些專利及專利申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。要強調的是，這些專利及專利申請案中所描述的組件、材料及製造方法是代表性的，且預期在所屬領域的技術人員的範圍以內的其它製造方法及材料。
[0019]多種實施例涉及通過將多種稀土元素併入AlN晶格內來給AlN薄膜提供增強的壓電係數d33及增強的機電耦合係數kt2。通過併入特定原子百分比的多種稀土元素，相比於化學計量的AlN而改進了 AlN的壓電特性，包含壓電係數d33及增強的機電有效耦合係數kt2。
[0020]圖2A展示根據代表性實施例的FBAR200的俯視圖。FBAR200包含具有五(5)側的頂部電極101，其中連接側102經配置以給互連線103提供電連接。互連線103給頂部電極101提供電信號以激發FBAR200的壓電層(圖2中未展示)中所要的聲波。
[0021]圖2B展示根據代表性實施例的FBAR200沿著線2B-2B截取的橫截面圖。FBAR200包含由具有空腔106的襯底105上方的多個層所形成的聲堆疊110。第一或底部電極107安置在襯底105上方且在空腔 106上方延伸。如所展示，在襯底上方還提供平面化層107』。舉例來說，在代表性實施例中，平面化層107』包含不可蝕刻硼矽酸鹽玻璃(NEBSG)。一般來說，結構中不需要存在平面化層107』(因為其增加了總體處理成本)，但當其存在時，其可改進隨後的層的生長質量且簡化其處理。壓電層108安置在底部電極107上方，且第二或頂部電極101 (展示於圖2A中)安置在壓電層108上方。如所屬領域的技術人員應了解，底部電極107、壓電層108及頂部電極101所提供的結構形成BAW諧振器的聲堆疊110。
[0022]可由多種類型的材料形成襯底105，所述材料包含與半導體工藝兼容的半導體材料，例如矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)或類似者，其可用於集成連接線及電子器件，從而減少大小及成本。說明性地，底部電極107及頂部電極101由具有近似1000 A到近似10000 A的厚度的鎢(W)形成。可將其它材料(包含但不限於鑰(Mo)或雙金屬材料)用於底部電極107及頂部電極101。舉例來說，可使用隨後被釋放的犧牲材料(例如磷矽酸鹽玻璃(PSG))來形成空腔106。舉例來說，可使用旋塗、濺鍍、蒸發或化學氣相沉積(CVD)技術按照所要的厚度分別將底部電極107塗覆到襯底105的頂面及最初填充空腔115的犧牲材料且可將頂部電極101塗覆到壓電層108的頂面。
[0023]舉例來說，根據多個實施例，壓電層108由「摻雜」多種稀土元素的AlN形成且具有近似5000 A到近似25000 A的厚度。特定來說，按照預定百分比用一種以上類型的稀土元素取代AlN晶格內的壓電層108的多個Al原子,這被稱為「摻雜元素」。因為摻雜元素僅取代Al原子(例如Al靶材的原子)，所以無論摻雜的數量如何，壓電層108中的氮原子的百分比均保持實質上相同。當在本文中討論摻雜元素的百分比時，其是關於AlN壓電層108的總原子(包含氮)數來說的。如所屬領域的技術人員所了解，稀土元素包含鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)及鑥(Lu)。雖然下文討論了特定實例，但多種實施例預期併入任何兩種或兩種以上稀土元素。
[0024]圖3展示根據代表性實施例的SMR300的橫截面圖。SMR300的多種元素實質上與上文參考圖2B中的FBAR200所討論的對應元素相同，不同之處在於SMR300包含形成在襯底105上方的聲反射器320以代替空腔106而提供聲隔離。聲反射器320可為分布式布拉格反射器(DBR)或(例如)由多個聲阻抗層(由代表性的第一到第六聲阻抗層321到326所指示)形成的其它聲鏡。第一或底部電極107及平面化層107』安置在聲反射器320上方，壓電層108安置在底部電極107上方且第二或頂部電極101安置在壓電層108上方。如所屬領域的技術人員應了解，由底部電極107、壓電層108及頂部電極101所提供的結構形成BAW諧振器的聲堆疊110。
[0025]更特定來說，聲反射器320生長在襯底105的頂部上，且在襯底105與聲堆疊110之間提供聲隔離。聲反射器320的聲阻抗層321到326由具有不同聲阻抗的材料而形成。舉例來說，聲阻抗層321到326可具有交替的低聲阻抗及高聲阻抗，以使聲阻抗層321具有相對低的聲阻抗、聲阻抗層322具有相對高的聲阻抗、聲阻抗層323具有相對低的聲阻抗、聲阻抗層324具有相對高的聲阻抗、聲阻抗層325具有相對低的聲阻抗且聲阻抗層326具有相對高的聲阻抗。舉例來說，可通過用相對軟的材料形成奇數編號聲阻抗層321、323及325且用相對硬的材料形成偶數編號聲阻抗層322、324及326來獲得這些不同的聲阻抗。顯而易見地，在不脫離本教示的範圍的情況下，聲阻抗層的數目可不同於六。一般來說，可通過所要的鏡性能(例如，層越多越好)與成本及處理問題(例如，層越少越便宜且直接的鏡生長及後處理越多)之間的折衷來確定聲阻抗層的數目。
[0026]聲反射器320提供的聲隔離的量一般取決於鄰近的聲阻抗層321到326的聲阻抗之間的對比，其中對比的量越大，產生的聲隔離越好。在一些實施例中，由具有對比鮮明的聲阻抗的電介質材料成對地形成聲反射器320。舉例來說，奇數聲反射器層321、323及325可由具有低聲阻抗的材料(例如，氧化矽(SiOx),其中X是整數)形成，而與對應的奇數聲反射器層321、323及325成對的偶數聲反射器層322、324及326可由具有高聲阻抗的材料(例如鎢(W)或鑰(Mo))形成。在另一實例中，奇數聲反射器層321、323及325可由碳摻雜氧化矽(CDO)形成，而與對應的奇數聲反射器層321、323及325成對的偶數聲反射器層322、324及326可由氮化矽(SiNx)形成，其中x是整數。此對的益處是可通過(例如在第一腔室內)將CDO沉積到矽晶片上、將晶片移動到第二腔室、在第二腔室中將氮化矽沉積在晶片上、將晶片移回第一腔室中等等而在單個機器中使層生長。舉例來說，此過程可能比產生蝕刻氣腔更便宜，從而為氣腔提供具成本效率的替代。
[0027]可使用多種替代技術製造聲反射器320及SMR300，其一個實例描述於拉森三世(Larson III)等人的第7，358，831號美國專利中，所述專利的全部內容以引用的方式併入本文中。當然，在不脫離本教示範圍的情況下，形成聲反射器320的堆疊層的低聲阻抗及高聲阻抗材料可改變。本教示預期在多種應用中使用FBAR(例如，FBAR200)或SMR(例如，SMR300)，所述應用包含濾波器(例如，包括多個BAW諧振器的梯型濾波器)。
[0028]出於說明的目的，圖2B及3中的壓電層108可由摻雜鈧(Sc)及鉺(Er)的AlN組成。舉例來說，可將組合的鋁、鈧及鉺濺鍍到生長在底部電極120的頂面上的晶種層上，或在反應腔室內部存在氬氣(Ar)-氮氣(N2)的氛圍下直接濺鍍在底部電極120的頂面上。更特定來說，在多個實施例中，在反應腔室中提供由鋁及所要比例的鈧及鉺(因此有效地形成Al-Sc-Er合金)所形成的複合靶材(或多個靶材)。AC電力的施加產生與靶材反應的Ar-N2等離子體，從而導致氮原子、鋁原子、鈧原子及鉺原子以成比例的量濺鍍沉積到晶種層(或底部電極120的頂面)。底部電極120的頂面之前可能已用Ar氣和/或氫氣(H2)進行清洗。2011年7月28日公布的拉森三世等人的第2011/0180391號美國專利申請公開案提供了一般的AlN濺鍍沉積過程的實例，所述公開案全部內容以引用的方式併入本文中。
[0029]在實施例中，由鋁與所要比例的稀土元素(例如，鈧及鉺)所形成的靶材(或多個靶材)可為之前以所要比例混合的鋁及稀土元素所形成的合金。在替代實施例中，靶材可為實質上由鋁形成的複合靶材，且通過在鋁靶材中形成孔且以所要比例將鈧及鉺的「插頭」插入到相應孔中而引入摻雜元素(例如，鈧及鉺)。摻雜元素中的每一者的百分比對應於插入到一個或一個以上相應孔中的所述元素的集體體積，其取代對應的鋁的體積。可取決於他摻雜元素的所要百分比逐個確定孔的大小及數目以及填充孔的每一者的摻雜元素的量。舉例來說，在多個模式中，可以所要的大小及數目部分或全部穿過鋁靶材來鑽孔。類似地，在替代實施例中，在不脫離本教示範圍的情況下，可使用多種替代類型的插入以所要比例將稀土元素添加到鋁靶材。舉例來說，由所述元素形成的完整的環或部分的環可分別嵌入每一鋁靶材中。可調整每一環的數目、寬度、深度及圓周以提供每一特定元素的所要百分比。
[0030]在替代實施例中，可將鋁及摻雜元素濺鍍到生長在底部電極120的頂面上的晶種層上，或使用分別由不同元素形成的多個靶材直接濺鍍在底部電極120的頂面上。舉例來說，可使用分別與Ar-N2等離子體反應的鋁靶材、鈧靶材及鉺靶材來應用Al-Sc-Er合金。可通過改變施加到靶材中每一者的AC電力和/或靶材彼此相對的大小而獲得元素(例如，鋁及兩種或兩種以上稀土元素摻雜劑)的所要比例。當然，在不脫離本教示範圍的情況下，可使用用於以所要比例應用稀土元素以形成經摻雜壓電層的任何其它工藝。
[0031]一般來說，鋁及氮的比例近似是各佔百分之五十(S卩，Al的總體原子百分比為近似50)。如上文所提到，鈧及鉺(在AlN晶格中)取代鋁原子，而氮的比例量保持實質上相同。因此，例如，鋁靶材可含有約5%的鈧及5%的鉺，其中經摻雜壓電層108中的鋁具有近似45的原子百分比，而壓電層108中的鈧及鉺中的每一者具有近似2.5的原子百分比。舉例來說，隨後可將壓電層108的原子一致性表不為Ala45Na5tlSc Q25Er 025。
[0032]在各個實施例中，例如，壓電層108中存在的鈧及鉺摻雜劑的每一者的量可小於近似10個原子百分比。而且，在多個實施例中，壓電層108中存在的鈧及鉺摻雜劑的每一者的量可小於近似I個原子百分比，其實例在下文進行討論。顯而易見地，在使用甚至極少量的摻雜劑的實施例中看到耦合係數kt2的顯著改進。而且，雖然參考由摻雜鈧及鉺的AlN所形成的壓電層108進行描述，但應了解，在不脫離本教示範圍的情況下，可以實質上相同的方式使壓電層108摻雜兩種或兩種以上其它稀土元素。舉例來說，使用Al-Sc-Y合金、Al-Er-Y合金或Al-Sc-Er-Y合金可用經摻雜AlN形成壓電層108，其中摻雜元素中的每一者具有小於約10的原子百分比。而且，在不脫離本教示範圍的情況下，可將用多種稀土元素摻雜壓電層108的一般概念應用於其它壓電材料，例如氧化鋅(ZnO)或鋯鈦酸鉛(PZT)。
[0033]表1展示具有由摻雜鈧及鉺的AlN形成的壓電層的SMR(例如，SMR300)相對於具有僅由AlN形成的壓電層的標準SMR在耦合係數kt2方面的改進的百分比。而且，出於比較的目的，表1展示具有由分別僅用鈧及僅用鉺摻雜的AlN所形成的壓電層的SMR相對於具有由AlN所形成的壓電層的標準SMR在耦合係數kt2方面改進的百分比。
[0034]表1
[0035]
【權利要求】
1.一種體聲波BAW諧振器結構,其包括: 安置在襯底上方的第一電極； 安置在所述第一電極上方的壓電層，所述壓電層包括摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進所述壓電層的壓電特性；以及 安置在所述第一壓電層上方的第二電極。
2.根據權利要求1所述的BAW諧振器結構，其中所述壓電材料包括氮化鋁(AlN)。
3.根據權利要求2所述的BAW諧振器結構，其中所述多種稀土元素包括併入到所述AlN壓電材料的晶格內的兩種稀土元素。
4.根據權利要求2所述的BAW諧振器結構，其中所述多種稀土元素包括併入到所述AlN壓電材料的晶格中的兩種以上稀土元素。
5.根據權利要求3所述的BAW諧振器結構，其中所述多種稀土元素包括鈧(Sc)及鉺(Er)。
6.根據權利要求5所述的BAW諧振器結構，其中所述多種稀土元素進一步包括釔(Y)。
7.根據權利要求5所述的BAW諧振器結構，其中所述鈧及所述鉺中的每一者的濃度小於所述壓電材料的近似10個原子百分比。
8.根據權利要求7所述的BAW諧振器結構，其中所述鈧及所述鉺中的每一者的所述濃度小於所述壓電材料的近似I個原子百分比。
9.根據權利要求8所述的BAW諧振器結構，其中鈧的所述濃度約為所述壓電材料的近似0.63個原子百分比，且鉺的所述`濃度約為所述壓電材料的近似0.34個原子百分比。
10.根據權利要求2所述的BAW諧振器結構，其中所述壓電層通過使用由包括鋁及所述多種摻雜元素的合金所形成的靶材且使用包括氮的等離子體將來自所述靶材的所述鋁合金濺鍍在所述底部電極上方而提供。
11.根據權利要求1所述的BAW諧振器結構，其中所述壓電層通過使用分別由鋁及所述多種摻雜元素所形成的多個靶材且使用包括氮的等離子體將來自所述對應靶材的所述鋁及所述多種摻雜元素濺鍍在所述底部電極上方而提供。
12.—種薄膜體聲波諧振器FBAR結構,其包括: 界定空腔的襯底； 安置在所述襯底上方的第一電極，所述第一電極的至少一部分形成在所述襯底中的所述空腔上方； 安置在所述第一電極上方的壓電層，所述壓電層包括摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進所述壓電層的壓電特性；以及 安置在所述第一壓電層上方的第二電極。
13.根據權利要求12所述的FBAR結構，其中所述壓電材料包括氮化鋁(AlN)。
14.根據權利要求13所述的FBAR結構，其中所述多種稀土元素包括鈧(Sc)及鉺(Er)。
15.根據權利要求14所述的FBAR結構，其中所述鈧及所述鉺中的每一者的濃度小於所述AlN的近似I個原子百分比。
16.一種固體裝配型諧振器SMR結構，其包括: 襯底； 形成在所述襯底上的聲反射器，所述聲反射器包括多個聲阻抗層，其中所述聲阻抗層中的至少兩者具有不同的聲阻抗； 安置在所述聲反射器上方的第一電極； 安置在所述第一電極上方的壓電層，所述壓電層包括摻雜多種稀土元素的壓電材料，用以改進所述壓電層的壓電特性；以及 安置在所述第一壓電層上方的第二電極。
17.根據權利要求16所述的SMR結構，其中所述聲反射器包括分布式布拉格反射器DBR。
18.根據權利要求17所述的SMR結構，其中所述壓電材料包括氮化鋁(AlN)。
19.根據權利要求18所述的SMR結構，其中所述多種稀土元素包括鈧(Sc)及鉺(Er)。
20.根據權利要求19所述的SMR結構，其中所述鈧及所述鉺中的每一者的濃度小於所述AlN的近似10個原子百分比`。
【文檔編號】H03H9/17GK103795366SQ201310471508
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2012年10月27日
【發明者】凱文·J·格倫納, 伊凡·艾納什, 克裡斯·馮, 蒂娜·萊莫斯, 約翰·蔡 申請人:安華高科技通用Ip(新加坡)公司