具有溫度補償和諧振頻率修調功能的fbar及濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR及濾波器，其中FBAR包括襯底、溫度補償和諧振頻率修調層、支撐層、底電極、頂電極和壓電薄膜；溫度補償和諧振頻率修調層的底部中間設置有凹槽，襯底設置于凹槽兩邊的下面，襯底和溫度補償和諧振頻率修調層的底面形成有一空腔；支撐層設置于溫度補償和諧振頻率修調層的上面；底電極與頂電極之間設置壓電薄膜；該FBAR及濾波器能夠有效降低由于負溫度系數(shù)壓電薄膜造成的溫度-頻率漂移，從而提高FBAR的溫度穩(wěn)定性；在后處理工藝中，通過控制FBAR疊層中溫度補償和諧振頻率修調層的刻蝕時間來調整其厚度，能有效降低由于工藝誤差造成的頻率漂移，從而提高FBAR的頻率精確性。
【專利說明】具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR及濾波器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于射頻與微電子機械系統(tǒng)領域，具體涉及一種具有溫度補償和諧振頻率 修調功能的FBAR及采用該FBAR的窄帶寬濾波器。 技術背景
[0002] 目前應用在射頻前端模塊中的RF濾波器主要有聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave)濾波器和介質陶瓷濾波器這兩種。對于介質陶瓷濾波器而言，其主要缺點在于體積較 大且無法實現(xiàn)單片集成，無法滿足便攜性的要求；對于SAW濾波器而言，其主要缺點在于工 作頻率較低且功率容量較小，無法滿足高頻段，多頻段的要求。由于微電子機械系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-Mechanic System)技術的不斷進步促進了微細加工技術的發(fā)展，使得構造 新型半導體器件結構成為了一種可能，同時對壓電材料的研究使人們制備出了高機電耦合 系數(shù)、高品質因數(shù)的壓電薄膜材料，這兩者的結合產生了一種全新的FBAR技術，其具有工 作頻率高，體積小，品質因數(shù)高，便于集成等優(yōu)勢，由其組成的FBAR濾波器能夠很好地滿足 高頻、多頻段、多制式的通訊需求，同時兼顧可單片集成、低功耗的特點，使其在射頻前端通 信領域中發(fā)揮著重要的作用。
[0003] 由于FBAR的高靈敏度特性使其在傳感器領域也具有廣闊的應用前景。但當FBAR 作為一個射頻器件時，這種高靈敏度會降低其在電學應用中的可靠性。由于FBAR的諧振頻 率會受溫度的影響而產生漂移，對于FBAR濾波器而言，這種溫度-頻率漂移特性會導致其 中心頻率、帶內插損等性能發(fā)生變化，降低其可靠性。同時，F(xiàn)BAR的諧振頻率由FBAR疊層 中各聲學層的厚度決定，其厚度必須準確控制，以便實現(xiàn)期望的頻率響應。在一個FBAR器 件中，由于加工偏差，加工后的FBAR諧振頻率通常不同于目標值，那么設計得到的FBAR器 件就無法滿足設計指標的要求。
[0004] John D. Larson, III 在發(fā)明標題為 Temperature-compensated film bulk acoustic resonator (FBAR) devices 美國專利 No. 7408428B2 公布了 一種溫度補償?shù)?FBAR器件，該溫度補償FBAR器件的空腔是由犧牲層釋放工藝得到的，該工藝容易存在以下 問題：一、在犧牲層釋放前需要采用化學機械拋光，其工藝復雜，精度較難控制；二、犧牲層 的釋放也較為困難；三、釋放之后所產生的粘附效應對器件的影響十分嚴重。同時，該專利 提出的FBAR僅考慮了溫度-頻率漂移特性的影響，沒有考慮諧振頻率的可調諧。另有公開 號為CN101977026A，
【公開日】為2011年02月16日的中國專利文獻，公開了一種空腔型薄膜 體聲波諧振器（FBAR)的制作方法，該方案的主要缺點為：一、通過刻蝕窗口對頂層的硅材 料進行濕法腐蝕，很難控制腐蝕的膜層厚度，因此，無法實現(xiàn)精確的諧振頻率修調；二、支撐 FBAR疊層的結構僅為一層硅材料，器件的機械強度較差；三、僅考慮了諧振頻率的修調，沒 有考慮溫度-頻率漂移特性的影響。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明為了解決上述技術缺陷，提供了一種具有溫度補償和諧振頻率修調功能的 FBAR及其組成的窄帶寬濾波器，該FBAR及由其組成的濾波器的溫度補償和諧振頻率修調 層除了能夠改善FBAR的溫度穩(wěn)定性之外，還能實現(xiàn)諧振頻率后處理工藝修調、支撐層結構 增強的功能，能夠采用工藝較為簡單的背腔刻蝕工藝同時實現(xiàn)溫度補償、諧振頻率后處理 工藝的精確修調以及支撐層結構增強的功能；FBAR及由其組成濾波器的高溫度穩(wěn)定性和 高頻率精確性，適用于無線通信中高精度的應用場合。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案： 具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：FBAR的疊層包括襯底、溫度 補償和諧振頻率修調層、支撐層、底電極、頂電極和壓電薄膜；溫度補償和諧振頻率修調層 的底部中間設置有凹槽，襯底設置于凹槽兩邊的下面，襯底和溫度補償和諧振頻率修調層 的底面形成有一空腔；支撐層設置于溫度補償和諧振頻率修調層的上面；底電極完全緊貼 于支撐層的上面設置，頂電極的一部分緊貼于支撐層的上面設置，頂電極的另一部分向上 延伸至底電極上面，底電極與頂電極之間設置壓電薄膜。
[0007] 所述壓電薄膜的頂面積大于與壓電薄膜接觸的頂電極的面積，壓電薄膜的底面積 大于與壓電薄膜接觸的底電極的面積。
[0008] 所述FBAR具體是通過控制FBAR疊層中溫度補償和諧振頻率修調層的刻蝕時間來 調整所述溫度補償和諧振頻率修調層的厚度，從而實現(xiàn)FBAR諧振頻率的修調。
[0009] 刻蝕所述的溫度補償和諧振頻率修調層的方式是通過空腔釋放之后留下的刻蝕 窗口，采用干法刻蝕的方法對該層進行刻蝕。
[0010] 所述的溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，通過控制FBAR疊層中正溫度系數(shù) 的溫度補償和諧振頻率修調層的刻蝕時間來調整溫度補償和諧振頻率修調層的厚度，從而 減小FBAR疊層中負溫度系數(shù)壓電薄膜造成的溫度一頻率漂移。
[0011] 由公式：

【權利要求】
1. 具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：FBAR的疊層包括襯底、溫 度補償和諧振頻率修調層、支撐層、底電極、頂電極和壓電薄膜；溫度補償和諧振頻率修調 層的底部中間設置有凹槽，襯底設置于凹槽兩邊的下面，襯底和溫度補償和諧振頻率修調 層的底面形成有一空腔；支撐層設置于溫度補償和諧振頻率修調層的上面；底電極完全緊 貼于支撐層的上面設置，頂電極的一部分緊貼于支撐層的上面設置，頂電極的另一部分向 上延伸至底電極上面，底電極與頂電極之間設置壓電薄膜。
2. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述壓電薄膜的頂面積大于與壓電薄膜接觸的頂電極的面積，壓電薄膜的底面積大于與壓電 薄膜接觸的底電極的面積。
3. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述FBAR具體是通過控制FBAR疊層中溫度補償和諧振頻率修調層的刻蝕時間來調整所述溫 度補償和諧振頻率修調層的厚度，從而實現(xiàn)FBAR諧振頻率的修調。
4. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：刻 蝕所述溫度補償和諧振頻率修調層的方式是通過空腔釋放之后留下的刻蝕窗口，采用干法 刻蝕的方法對該層進行刻蝕。
5. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，通過控制FBAR疊層中正溫度系數(shù)的溫度補償和 諧振頻率修調層的刻蝕時間來調整溫度補償和諧振頻率修調層的厚度，從而減小FBAR疊 層中負溫度系數(shù)壓電薄膜造成的溫度一頻率漂移。
6. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：利 用深反應離子刻蝕的Lag效應使得在空腔刻蝕的同時形成裂片槽。
7. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述FBAR只采用一層結構，即溫度補償和諧振頻率修調層，通過該修調層來實現(xiàn)FBAR的溫度 補償、諧振頻率后處理工藝的修調以及支撐層結構的增強。
8. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述FBAR的聲波反射層為空氣，所述聲波反射層通過空腔得到。
9. 根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述襯底為Si襯底，所述溫度補償和諧振頻率修調層為SiO2溫度補償和諧振頻率修調層，所 述支撐層為Si3N4支撐層，所述底電極為Pt底電極，所述頂電極為Al頂電極，所述壓電薄膜 為AlN壓電薄膜。
10. 根據(jù)權利要求9所述的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR，其特征在于：所 述FBAR的有效溫度系數(shù)為：
式中，7仏為壓電薄膜的溫度系數(shù)，為電極層的溫度系數(shù)，7T,為補償層的溫度系數(shù)，G為壓電薄膜的厚度，&為電極層的厚度，&為補償層的厚度。
11. 基于權1-10任意一項所述的FBAR的濾波器，其特征在于：由若干個FBAR通過串 聯(lián)和并聯(lián)可形成若干形式的具有溫度補償和諧振頻率修調功能的FBAR濾波器，該濾波器 是窄帶寬FBAR濾波器。
12. 根據(jù)權利要求11所述的濾波器，其特征在于：所述窄帶寬FBAR濾波器，以級聯(lián)兩 中心頻率不同的FBAR濾波器為主，輔以提高并聯(lián)/串聯(lián)FBAR諧振面積比、增加FBAR疊層 內非壓電薄膜層厚度；具體是由四個串聯(lián)濾波器串聯(lián)FBAR204、FBAR205、FBAR206、FBAR207 和四個并聯(lián)濾波器FBAR208、FBAR209、FBAR210、FBAR211組成；所述并聯(lián)濾波器FBAR208的 Pt底電極208a與信號輸入端201、串聯(lián)濾波器FBAR204的Pt底電極204a分別相連，地平 面與并聯(lián)濾波器FBAR209的Pt底電極209a、并聯(lián)濾波器FBAR210的Pt底電極210a、并聯(lián) 濾波器FBAR211的Pt底電極211a分別相連，串聯(lián)濾波器FBAR206的Pt底電極206a與串 聯(lián)濾波器FBAR207的Pt底電極207a相連，串聯(lián)濾波器FBAR207的Pt底電極207a與信號 輸出端202相連，并聯(lián)濾波器FBAR209的Al頂電極209b與串聯(lián)濾波器FBAR204的Al頂電 極204b、串聯(lián)濾波器FBAR205的Al頂電極205b、并聯(lián)濾波器FBAR210的Al頂電極210b分 別相連，并聯(lián)濾波器FBAR211的Al頂電極211b與串聯(lián)濾波器FBAR206的Al頂電極206b、 串聯(lián)濾波器FBAR207的Al頂電極207b分別相連，地平面203與并聯(lián)濾波器FBAR208的Al 頂電極208b相連。
13. 根據(jù)權利要求12所述的濾波器，其特征在于：所述并聯(lián)濾波器FBAR209的AlN壓電 薄膜209c與串聯(lián)濾波器FBAR204的AlN壓電薄膜204c、串聯(lián)濾波器FBAR205的AlN壓電薄 膜205c、并聯(lián)濾波器FBAR210的AlN壓電薄膜210c分別相連，并聯(lián)濾波器FBAR211的AlN 壓電薄膜21Ic與串聯(lián)濾波器FBAR206的AlN壓電薄膜206c、串聯(lián)濾波器FBAR207的AlN壓 電薄膜207c分別相連。
14. 根據(jù)權利要求12所述的濾波器，其特征在于：所述并聯(lián)濾波器FBAR208、FBAR209、 FBAR210、FBAR211 的厚度均大于串聯(lián)濾波器FBAR204、FBAR205、FBAR206、FBAR207 的厚度。
15. 根據(jù)權利要求1所述的濾波器，其特征在于：所述窄帶寬FBAR濾波器的周圍設計 有一圈接地線，用于屏蔽微波干擾。
【文檔編號】H03H9/17GK104242864SQ201410430093
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權日:2014年8月28日
【發(fā)明者】高楊, 周斌, 何移, 李君儒, 何婉婧, 黃振華, 蔡洵 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所