具有摻雜壓電材料和框架元件的體聲波諧振器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利申請涉及電子設(shè)備，具體而言涉及一種諧振器。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲諧振器可用于實(shí)施各種電子應(yīng)用中的信號處理功能。舉例來說，一些蜂窩式電 話和其它通信裝置使用聲諧振器來實(shí)施用于所傳輸和/或所接收信號的頻率濾波器。可根 據(jù)不同應(yīng)用來使用若干不同類型的聲諧振器，其中實(shí)例包含體聲波（BAW)諧振器，例如薄 膜體聲諧振器（FBAR)、固態(tài)安裝型諧振器（SMR)、耦合諧振器濾波器（CRF)、堆疊體聲諧振 器（SBAR)和雙體聲諧振器（DBAR)。
[0003] 典型聲諧振器包括夾于被稱為聲堆疊的結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)板狀電極之間的壓電材料 層。當(dāng)在電極之間施加輸入電信號時(shí)，互反或反向壓電效應(yīng)致使聲堆疊取決于壓電材料的 極化而機(jī)械膨脹或收縮。當(dāng)輸入電信號隨時(shí)間的過去而變化時(shí)，聲堆疊的膨脹和收縮產(chǎn)生 在各個(gè)方向上傳播穿過聲諧振器且通過壓電效應(yīng)而被轉(zhuǎn)換成輸出電信號的聲波。一些聲波 跨越聲堆疊達(dá)成諧振，其中諧振頻率由例如聲堆疊的材料、尺寸和操作條件的因素來確定。 聲諧振器的這些和其它機(jī)械特性確定它的頻率響應(yīng)。
[0004] 用于評估聲諧振器的性能的一個(gè)量度是它的機(jī)電耦合系數(shù)（kt2)，所述機(jī)電耦合 系數(shù)指示電極與壓電材料之間的能量轉(zhuǎn)移的效率。在其它各項(xiàng)相同的情況下，具有高kt2的 聲諧振器大體上被視為具有優(yōu)于具有較低kt2的聲諧振器的性能。因此，在例如4G和LTE 應(yīng)用的高性能無線應(yīng)用中使用具有較高kt2水平的聲諧振器大體上是合乎需要的。
[0005] 聲諧振器的kt2受若干因素的影響，例如壓電材料與電極的尺寸、組合物和結(jié)構(gòu)性 質(zhì)。這些因素反過來受用于制造聲諧振器的材料和制造過程的影響。因此，為正在進(jìn)行的 制造具有較高kt2水平的聲諧振器，研宄者正尋求設(shè)計(jì)和制造聲諧振器的改善的方法。
[0006] 一種對改善壓電材料的kt2有用的方法是通過用例如稀土元素的所選摻雜劑來摻 雜壓電材料。雖然摻雜壓電材料可提供kt2的改善，但在BAW諧振器中的應(yīng)用中，與不包含 摻雜壓電材料的BAW諧振器相比，其它參數(shù)可被降級。
[0007] 因此，需要至少克服上文所描述的已知BAW諧振器的缺點(diǎn)的BAW諧振器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種體聲波BAW諧振器，其包括：第一電極；第二電極；安置于所述 第一電極與所述第二電極之間的壓電層，所述壓電層包括摻雜有至少一種稀土元素的壓電 材料；以及安置于所述第一電極和所述第二電極中的至少一者的表面上的凹陷框架元件。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種體聲波BAW諧振器，其包括：第一電極；第二電極；安置于所 述第一電極與所述第二電極之間的壓電層，所述壓電層包括摻雜有至少一種稀土元素的壓 電材料；以及安置于所述第一電極和所述第二電極中的至少一者的表面上的凸起框架元 件。
【附圖說明】
[0010] 當(dāng)借助于隨附圖式閱讀時(shí)，從以下詳細(xì)描述來最好地理解實(shí)例實(shí)施例。應(yīng)強(qiáng)調(diào)，各 種特征未必按比例繪制。事實(shí)上，為了論述的清晰性，尺寸可任意增大或減小。在適用且實(shí) 際的情況下，相同參考數(shù)字指相同元件。
[0011] 圖1是根據(jù)代表性實(shí)施例的BAW諧振器的橫截面圖。
[0012] 圖2是根據(jù)代表性實(shí)施例的BAW諧振器的橫截面圖。
[0013] 圖3A是根據(jù)代表性實(shí)施例的BAW諧振器的橫截面圖。
[0014] 圖3B是根據(jù)代表性實(shí)施例的BAW諧振器的橫截面圖。
[0015] 圖4A是說明在壓電層中不包括摻雜劑的BAW諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)（kt2)和在 壓電層中包括摻雜劑的BAW諧振器的kt2的圖表。
[0016] 圖4B是說明在壓電層中不包括摻雜劑的BAW諧振器的品質(zhì)因數(shù)⑷）和在壓電層 中包括摻雜劑的BAW諧振器的Q的圖表。
[0017] 圖5是說明凸起框架元件及凹陷框架元件對在壓電層中不包括摻雜劑的BAW諧振 器和在壓電層中包括摻雜劑的BAW諧振器的影響的圖表。
[0018] 圖6A是說明凸起框架元件及凹陷框架元件對在壓電層中包括摻雜劑的BAW諧振 器上的并聯(lián)諧振阻抗（Rp)和串聯(lián)諧振阻抗（Rs)的影響的圖表。
[0019] 圖6B是在壓電層中包括摻雜劑的BAW諧振器中的史密斯圓圖，其說明凸起框架元 件及凹陷框架元件對史密斯圓圖的西南象限中的Q(QSW)和西南象限中的副振蕩模的影響。
[0020] 圖7是說明凸起框架元件及凹陷框架元件對在壓電層中包括摻雜劑的BAW諧振器 的Q的影響的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 在以下詳細(xì)描述中，出于闡釋的目的且非限制，陳述公開特定細(xì)節(jié)的實(shí)例實(shí)施例 以便提供對本教示的透徹理解。然而，受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將顯而易見， 根據(jù)本教示的脫離本文中所公開的特定細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例仍在隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。 此外，可省略對熟知的設(shè)備和方法的描述以便不混淆對實(shí)例實(shí)施例的描述。此些方法和設(shè) 備清楚地在本教示的范圍內(nèi)。
[0022] 本文中所使用的術(shù)語是僅用于描述特定實(shí)施例的目的，且并不意欲為限制性的。 所定義的術(shù)語不包括所述所定義術(shù)語如通常在相關(guān)上下文中理解并接受的技術(shù)、科學(xué)或普 通意義。
[0023] 除非上下文明確指示為相反，否則術(shù)語"一"和"所述"包含單數(shù)指示物與復(fù)數(shù)指 示物兩者。因此，舉例來說，"裝置"包含一個(gè)裝置和多個(gè)裝置。術(shù)語"實(shí)質(zhì)上"意思是在可 接受界限或程度內(nèi)。術(shù)語"近似"意思是在為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可接受的界限或量內(nèi)。 例如"在……上方"、"在……下方"、"在……頂部"、"在……底部"、"上部"和"下部"的相對 術(shù)語可用于描述如隨附圖式中所說明的各種元件彼此的關(guān)系。應(yīng)理解，這些相對術(shù)語既定 涵蓋裝置和/或元件除圖式中所描繪的定向之外的不同定向。舉例來說，如果裝置相對于 圖式中的視圖而反轉(zhuǎn)，那么被描述為"在另一元件上方"的元件例如現(xiàn)在將位于那個(gè)元件下 方。其它相對術(shù)語也可用于指示某些特征沿例如信號路徑的路徑的相對位置。例如，第二 特征可被認(rèn)為如果沿信號路徑傳輸?shù)男盘柕竭_(dá)位于第二特征前面的第一特征，那么第二特 征可被認(rèn)為沿所述路徑而"跟隨"第一特征。
[0024] 本教示的方面是關(guān)于BAW諧振器裝置和濾波器的組件、它們的材料和它們的制造 方法。舉例來說，可在以下美國專利公告中的一或多者中找到此些裝置和對應(yīng)的制造方 法的各種細(xì)節(jié)：第6, 107, 721號美國專利（Lakin);第5, 587, 620號、第5, 873, 153號、第 6, 507, 983 號、第 7, 388, 454 號、第 7, 629, 865 號、第 7, 714, 684 號美國專利（Ruby等人）； 第7, 791，434號和第8, 188, 810號美國專利（Fazzio等人）；第7, 280, 007號美國專利 (Feng等人）；第8, 248, 185號美國專利（Choy等人）；第7, 345, 410號美國專利（Grannen 等人）；第6, 828, 713號美國專利（Bradley等人）；第20120326807號美國專利申請公告 (Choy等人）；第20100327994號美國專利申請公告（Choy等人）；第20110180391號和 第20120177816號美國專利申請公告（LarsonIII等人）；第20070205850號美國專利申 請公告（Jamneala等人）；2014年1月22日申請的題目為"制造具有各種量的摻雜劑和 所選C軸定向的摻雜稀土元素的壓電材料的方法（MethodofFabricatingRare-Earth ElementDopedPiezoelectricMaterialwithVariousAmountsofDopantsanda SelectedC-AxisOrientation)" 的第 14/161,564 號美國專利申請案（JohnL.Larson III) ;2012年10月27日申請的題目為"具有具多種摻雜劑的壓電層的體聲波諧振器（Bulk AcousticWaveResonatorhavingPiezoelectricLayerwithMultipleDopants)" 的 第13/662,460號美國專利申請案（Choy等人）；以及2013年5月31日申請的題目為"具 有具變化的量的摻雜劑的壓電層的體聲波諧振器（BulkAcousticWaveResonatorhaving PiezoelectricLayerwithVaryingAmountsofDopants)"的第 13/906, 873 號美國專利 申請案（JohnChoy等人）。上文列舉的專利、公告的專利申請案和專利申請案中的每一者 的整體公開內(nèi)容具體地以引用方式并入本文中。應(yīng)強(qiáng)調(diào)，這些專利和專利申請案中所描述 的組件、材料及制造方法具有代表性且也預(yù)期在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的眼界內(nèi)的其它制 造方法和材料。
[0025] 所描述的實(shí)施例大體上涉及體聲波（BAW)諧振器。大體上，BAW諧振器包括第一 電極、第二電極和安置于第一電極與第二電極之間的壓電層。壓電層包括摻雜有至少一種 稀土元素的壓電材料。在某些實(shí)施例中，壓電層包括摻雜有鈧（Sc)的氮化鋁（A1N)。氮化 鋁層中的鈧的原子百分?jǐn)?shù)為近似0. 5%到小于近似10. 0%。更大體上來說，在某些實(shí)施例 中，氮化鋁層中的鈧的原子百分?jǐn)?shù)為近似0. 5 %到近似44 %。在又其它代表性實(shí)施例中，氮 化鋁層中的鈧的原子百分?jǐn)?shù)為近似2. 5 %到小于近似5. 0 %。當(dāng)本文中論述壓電層中的摻 雜元素的百分?jǐn)?shù)時(shí)，它是關(guān)于壓電層的總原子。值得注意的是，當(dāng)本文中論述摻雜A1N層 中的摻雜元素（例如，Sc)的百分?jǐn)?shù)時(shí)，它是關(guān)于A1N壓電層103的總原子（包含氮）。因 此，舉例來說且如例如在第14/161，564號美國專利申請案中所描述，如果代表性實(shí)施例的 壓電層中的A1具有近似95. 0 %的原子百分?jǐn)?shù)且Sc具有近似5. 0 %的原子百分?jǐn)?shù)，那么壓 電層104的原子一致性可隨后表示為AL^Sc^iN。
[0026] 在某些代表性實(shí)施例中，本教示的BAW諧振器包括安置于第一電極和第二電極中 的至少一者的表面上面的凹陷框架元件。在凹陷框架元件內(nèi)的BAW諧振器區(qū)域具有第一聲 阻抗，凹陷框架元件具有第二聲阻抗，且在凹陷框架元件外部（即，"外面"）的區(qū)域具有第 三聲阻抗。
[0027] 在其它代表性實(shí)施例中，本教示的BAW諧振器