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TW201816942A - 結晶性ｉｉｉ－ｎ膜的射頻（ｒｆ）濾波器和諧振器 - Google Patents

結晶性ｉｉｉ－ｎ膜的射頻（ｒｆ）濾波器和諧振器 Download PDF

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TW201816942A
TW201816942A TW106127644A TW106127644A TW201816942A TW 201816942 A TW201816942 A TW 201816942A TW 106127644 A TW106127644 A TW 106127644A TW 106127644 A TW106127644 A TW 106127644A TW 201816942 A TW201816942 A TW 201816942A
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piezoelectric layer
substrate
integrated circuit
resonator
circuit device
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TW106127644A
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布魯斯 布拉克
馬可 拉多撒福傑維克
山薩塔克 達斯古塔
漢威 陳
保羅 費雪
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美商英特爾股份有限公司
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Abstract

藉由磊晶地形成壓電膜於自在下面的基板開始形成之柱部的頂部表面上來製作體聲波諧振器架構。在有些情況中，聲波諧振器被製作成濾波多個頻率。在有些此類情況中，諧振器裝置在單一個基板上包含兩個不同的諧振器結構，各諧振器結構被組構成濾波所想要的頻率。在單一個RF聲波諧振器裝置中包含兩個不同的聲波諧振器致使單一個裝置能夠在相對小的占用面積尺寸上濾波兩種不同的頻率。

Description

結晶性III-N膜的射頻(RF)濾波器和諧振器
本發明係有關結晶性III-N膜的射頻(RF)濾波器和諧振器。
各種電子產品，其包含諸如智慧型電話、膝上型電腦、和平板電腦的移動式電腦，包含在天線與數位基帶系統之間的各種電路(通常被稱為射頻(RF)前端)。典型的RF前端包含RF濾波器、低雜訊放大器(LNA)、RF功率放大器、和RF開關，其各自可以係位於分開的積體電路晶片上。其中一種類型的RF濾波器被稱為體聲波濾波器(bulk acoustic wave filter)。體聲波濾波器包含薄膜體聲波諧振器(或者所謂的TFBAR，或僅稱為FBAR)。
100‧‧‧方法
200‧‧‧基板
202‧‧‧第一末端
204、204A、204B‧‧‧柱部
206‧‧‧遮罩
208、208A、208B‧‧‧第一壓電層
208C‧‧‧壓電層
210‧‧‧第二末端
212‧‧‧第二壓電層
216、216A、216B‧‧‧保形電極
220、220A、220B‧‧‧第一諧振器
224‧‧‧導電層
240‧‧‧矽基板
244、244A、244B‧‧‧柱部
300‧‧‧方法
404‧‧‧保護遮罩
408‧‧‧指叉電極
410‧‧‧第二諧振器
412‧‧‧指叉電極
416‧‧‧第一部分
420‧‧‧第二部分
424‧‧‧指叉電極
428‧‧‧輸入
432‧‧‧輸出
450‧‧‧薄膜體聲波諧振器裝置
454‧‧‧第二諧振器
458‧‧‧底部電極
1000‧‧‧計算系統
1002‧‧‧主機板
1004‧‧‧處理器
1006‧‧‧通訊晶片
圖1係依據本發明的實施例，用以製作範例薄膜體聲 波諧振器之範例方法的方法流程圖。
圖2A到2C係依據本發明的實施例，以方法100於漸進的製作階段所製作之範例薄膜體聲波諧振器的示意剖面視圖。
圖3係依據本發明的實施例，用以製作RF諧振器裝置之範例方法的方法流程圖，該RF諧振器裝置被組構成從多個入射頻率濾波出兩個頻率。
圖4A到4C係依據本發明的實施例，被組構成從多個入射頻率濾波出兩個頻率之RF諧振器裝置的視圖。
圖4D係依據本發明的實施例，薄膜體聲波諧振器之替換架構的剖面視圖，該薄膜體聲波諧振器係組構成從多個入射頻率濾波出兩個頻率。
圖5係依據本發明的一些實施例，以如同本文中所揭示之該等積體電路結構的一或多者所施行之範例計算系統。
該等實施例的這些和其他特徵將藉由閱讀下面的詳細說明連同本文中所述的圖形一起而有較佳的了解。在該等圖形中，在不同圖形中所繪示之各個相同或近似相同的組件可以用相同的數字來予以表示。為了清楚起見，並非每一個組件要被標示在每一個圖形中。此外，如同將有所領會者，該等圖形不需要按尺寸來予以繪製，或者並不打算將所述的實施例限制於所示的特定組態。例如，雖然有些圖形通常指示直線、直角、和平滑的表面，但是有鑒於製作製程的實際限制(real-world limitation)所揭示之技術的 真正施行可能具有不盡完美的直線和直角，而且有些圖形可能具有表面形態或者是非平面的。簡言之，該等圖形僅被提供來顯示範例結構。
【發明內容】及【實施方式】
揭示用以形成包含薄膜體聲波諧振器(TFBAR，或僅稱為BAR)結構之聲波諧振器的技術。TFBAR係藉由將壓電層(在本文也被稱為「膜」)磊晶地形成於突出部(salient)或「柱部(post)」的頂部表面上所製成的，突出部或「柱部」係自在下面的(underlying)基板開始形成或者係形成於在下面的基板上。換言之，單晶體壓電膜具有和該在下面的柱部之晶體相同的晶體結構以及相同的結晶取向(crystallographic orientation)。相較於由習知的BAR(其包含經濺鍍的結晶性壓電膜)所濾波的RF信號，磊晶形成的壓電膜使濾波後的RF信號中之信號損失和串音顯著減少。在有些實施例中，本發明之聲波諧振器被製作成具有多個諧振頻率以便提供多頻濾波器。在一個此種實施例中，在同一個RF聲波諧振器裝置內，該聲波諧振器包含具有第一諧振頻率之以柱部為基礎的TFBAR結構和具有第二諧振頻率的表面聲波(SAW)諧振器兩者。如同在本文中以各種方式所述者(而非分開之個別的濾波器和基板)，在相同基板上之單一個RF聲波諧振器裝置中包含感興趣之這兩種不同的頻率範圍致使能夠使用同一個RF濾波電路來達成兩種不同頻率的濾波。習知上，RF濾波電路被 製作成僅從多個頻率濾波出單一個頻率。為了清楚起見，濾波通常指的是從給定的信號(諸如，經由天線所接收到的RF信號)中所包含之更寬廣的頻率範圍中，使感興趣之一或多個所想要的頻率分開或者選擇性地讓感興趣之一或多個所想要的頻率通過。該天線將無線RF信號轉變成電信號。該電信號然後可被施加至RF濾波電路和放大器電路。最終的信號然後可被提供用於後續的接收器處理(例如，轉變成語音呼叫、音樂、等等)。
總體概述
習知的RF BAR(其為其中一種類型的RF濾波器電路之前端組件)常常包含底部電極、頂部電極、和設置在該兩個電極之間的壓電膜(經常藉由薄膜濺鍍(sputtering)來予以製作)。所施加的RF頻率範圍(「施加頻率」)造成跨於底部電極與頂部電極之上的週期性電壓擾動。此週期性電壓擾動最終造成設置在該等電極之間適當標尺寸的壓電層振動於對應該等入射RF頻率之其中一者的頻率。造成該壓電層之振動的RF頻率在本文中被稱為「激發頻率」或所謂的「諧振頻率」。該壓電膜之對應於激發頻率的物理振動然後藉由該RF濾波器電路之連接至該諧振器的其他元件而被轉變成電信號。轉變成電信號之濾波後的激發頻率(為了簡潔而稱「諧振頻率」)然後可被用來產生聲頻信號(例如，用於無線電話中的語音呼叫、或者用於由一或多個音頻揚聲器(audio speaker)之音響顯示的音 樂)、指令、或資料位元(例如，用於移動式無線計算裝置)，除此之外還有其他信號處理和RF接收器前端應用。在有些情況中，習知的BAR係設置在基板中的空氣腔(air cavity)之上。空氣腔讓BAR的壓電膜能夠藉由來自固體、在下面的基板之阻尼效應而自由地、沒有阻礙地振動。空氣腔也防止振動的能量被傳送到該在下面的基板，其將使RF信號在轉變成電信號之前先衰減。此等習知的RF BAR包含經濺鍍的氮化鋁膜作為該壓電元件。當使用於BAR中時，經濺鍍的膜通常具有至少兩個缺點。
第一，在BAR中想要有均勻厚度(經常是所想要頻率之波長的1/2之倍數)的壓電膜，用以較佳地從多個入射頻率中僅濾波出所想要的頻率。也就是說，具有非均勻厚度的膜可諧振於除了所想要的頻率以外的頻率。當藉由濺鍍來予以形成時，均勻厚的膜實際上係難以達成的。雖然經濺鍍之氮化鋁膜的膜厚度可以用後沉積處理(例如，離子銑薄(ion milling))而做得更加均勻，但是這增加了製造時間及成本，並且使厚度變化減少僅至微米等級。微米等級的厚度變化不足以將壓電膜的諧振限制於單一個所想要的頻率。第二，經濺鍍的膜為多晶質的(而不是單晶質或單晶體)。BAR中之經濺鍍的多晶質膜的個別晶體在該膜之內具有不同的取向，因而當由激發頻率來予以激發時振動於多個方向上。此等缺點的結果增加了信號損失和寬廣的濾波信號分布(例如，在從2°到4°處的半高全幅寬(FWHM))，其會增加信號之間的串音或者不然就 會使BAR的性能劣化。這兩個原因降低RF諧振器裝置及其相關的濾波器電路中之經濺鍍的壓電膜的性能。當使用習知的RF BAR時的另一挑戰為它們被組構成僅濾波單一個頻率。使用多個濾波後頻率的計算和通訊裝置因此必須被設計成包含多個分開的濾波電路，各濾波電路被組構成濾波感興趣的不同頻率。此對該等積體電路以及包含這些分開的濾波積體電路之對應的計算和通訊裝置而言增加了製造複雜度及成本和整體占用面積尺寸(footprint size)。
因此，在本文中說明架構和用以製作RF諧振器架構的技術，其可以被使用在例如濾波應用上。有些實施例被組構成濾波單一個基板上之單一個聲波諧振器裝置內的多個RF頻率。在一個實施例中，說明包含RF BAR結構(第一「諧振器」)的RF濾波器。在有些實施例中，該第一諧振器之此結構包含形成在單晶體半導體柱部之頂部表面上的磊晶氮化鋁(AlN)層，而單晶體半導體柱部係形成於在下面的基板上或者係自在下面的基板開始形成。磊晶AlN層係生長而橫向延伸超過該柱部的側表面。此「過度生長」減少在該磊晶AlN層與該柱部間之介面面積(interfacial area)相關於該AlN層的總表面積的比例，因而提供在該AlN層的至少一部份底下的空氣間隙(air gap)，並且減少在該AlN層的激發期間進入該柱部內的信號損失。依據要從該入射的多個頻率中被濾波的頻率來選擇該磊晶AlN層的厚度。因為該AlN層被磊晶地生長而非濺 鍍，所以此單晶體膜的厚度係均勻的，而且可以相對精準的方式來予以控制。這改善了濾波準確度和諧振信號品質。依據一些實施例，此改善品質的一個範例為在濾波後之信號變化的減小，如同由少於1.0°(諸如從0.3°到0.5°)的半高全幅寬(FWHM)信號分布(振幅vs.頻率)所指示。而且，因為磊晶沉積的層為單晶體的，所以該等層振動於單一個方向上，其亦減少該諧振器的信號損失。
在另一實施例中，說明在同一個基板上包含多個諧振頻率的架構。在一個此種實施例中，提供包含形成在該同一個基板上之第一諧振器(例如，FBAR)和第二諧振器(例如，「表面聲波(SAW)諧振器」)兩者的積體電路。該第一諧振器可被組構成，例如，如上所述(例如，FBAR包含磊晶地生長在單晶體半導體柱部上的AlN層)。該第二諧振器係設置在磊晶AlN層上，該磊晶AlN層具有比第一諧振器之AlN層厚度更薄的厚度。結果，第一諧振器和第二諧振器各自被組構成濾波單一個濾波器裝置內之不同的入射頻率。因此，單一個濾波器電路可以被組構成濾波兩個不同的RF頻率。
許多組態和濾波方案將根據本發明而顯而易知。在有些範例中，依據一些實施例所組構的RF諧振器架構可諧振於從3GHz到10GHz和從25GHz到30GHz的任兩個施加頻率。將可領會到，藉由形成第一諧振器和第二諧振器之磊晶沉積的壓電層的厚度，並且選擇第二諧振器之指叉(interdigitated)電極的週期性對應於要被濾波之所想 要的頻率，任何頻率可以被選擇以供濾波用。
範例RF諧振器架構
圖1為依據本發明的實施例，用以製作範例薄膜體聲波諧振器之範例方法100的方法流程圖。和圖2A到2C所顯示之示意剖面示圖的一致參考有助於範例方法100的解說，而圖2A到2C描述第一諧振器之各種的製作階段。圖2A到2C中的各種特徵係為了解說的便利，而且不必按照尺寸來予以繪製。
在本發明的實施例中，方法100藉由提供基板200而開始，在基板200上用以製作第一諧振器，和選項性地，第二諧振器。基板200的範例包含單晶體矽基板。該矽基板200可被取向於[111]方向、[110]方向、或[100]方向的任何一個方向上。該單晶體矽基板的取向決定如同下面所討論的藉其可製作本發明之諧振器的部分特徵之便利性。除非另外指明，本文中所述之範例基板200為[111]矽單晶體。
其他類型的基板可以取代[111]矽。例如，可以支援AlN、ZnO、或壓電纖維鋅礦(Wurtzite)薄膜之磊晶生長(例如，低於50%的晶格不匹配)的任何半導體材料可被用作為基板200。[100]矽也可被用作為基板。即使[100]矽與本文中所述的壓電半導體材料之間的晶格不匹配係大於[111]矽的晶格不匹配。
該矽基板200也可包含埋入氧化物(BOX)層， 或者可為絕緣層上半導體(或「XOI」，其中，X為任何半導體)基板。一個特定的XOI基板範例包含二氧化矽(SiO2)與矽(Si)基板的毯覆(blanket)層。有或沒有在下面的氧化物或絕緣層可以影響與本發明之諧振器相關聯的積體電路中之其他半導體裝置的性能，但是通常將不影響該等諧振器他們本身的製作或性能。
方法100繼之以從該基板200開始形成108至少一個柱部204(圖2A中顯示兩個柱部204A和204B)。此形成108之完成係藉由將遮罩206施加於基板200之所選擇的部位，並且從該基板之由遮罩206所留下暴露出的區域去除基板200材料。遮罩206的範例包含「硬」遮罩(亦即，非光敏感性聚合物(photoactive polymer))，其包含氮化矽(SiN)和氧化矽(SiO2)。其他的「硬遮罩」材料也可被用來製作遮罩206，其保護在下面的基板部分免於被蝕刻所去除。使用例如蝕刻製程來去除該基板200之未受遮罩206所保護的材料，該蝕刻製程有利於基板200材料的去除先於遮罩206材料的去除。此種蝕刻製程的範例包含深反應性離子蝕刻(例如，「Bosch製程」)，其用諸如六氟化硫離子的反應性離子(reactive ion)來轟擊露出的基板表面。使用深反應性離子蝕刻的優點為這些蝕刻可以產生幾乎垂直的側壁，諸如圖2A中所顯示者。
如圖2A中所示，去除未受遮罩206所保護之基板200的部分產生柱部204A和204B。該等柱部204的每一個具有當去除遮罩206時即暴露出的第一末端202，和與該 基板200相接觸(而在此情況中為與該基板200構成整體)的第二末端210。該等柱部204的每一個也具有由該等柱部的每一個之側表面所界定的寬度。
在所示的範例中，該至少一個柱部204為從1μm高到10μm高之間(當從該基板200的露出表面測量到該第一末端鄰接於該遮罩206的表面)和從50μm到500μm寬。在範例中，該至少一個柱部204具有在下面範圍之任一者內的高度：從1μm到5μm；從5μm到10μm；和從3μm到8μm。在範例中，該等柱部204具有在下面範圍之任一者內的寬度：從50μm到100μm；從75μm到450μm；從100μm到300μm；從200μm到400μm；和從300μm到500μm。一旦完成該至少一個柱部204的形成108，即去除該遮罩206。
圖2A中所示之矽基板200的結晶取向為[111]，其有助於在該柱部之頂部表面上磊晶地生長AlN壓電膜，如同下面所述者。然而，矽基板的其他結晶取向有助於該等柱部之不同組態的製作。例如，如圖2A’中所示，單晶體矽基板240具有(100)結晶取向，在此(100)取向中，柱部244(顯示兩個柱部244A和244B)可被形成108，如同上面在圖2A的上下文中所述者。該等柱部244然後藉由使用熱氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲銨(TMAH)蝕刻而被形成為三角形剖面的形狀，而氫氧化鉀(KOH)和氫氧化四甲銨(TMAH)各自可有效地去除除了{111}平面以外之矽的許多結晶平面。
換言之，(100)單晶體矽基板240中的{111}平面用作為對熱KOH或TMAH蝕刻的蝕刻停止層。由於(100)單晶體矽基板240中之{111}平面的取向，所以在熱KOH或TMAH蝕刻之後，柱部244的剖面為三角形。柱部244之三角形剖面的好處為使柱部的頂部與壓電層(敘述於下)之間的介面面積減小。減小此介面面積也減小從振動的壓電層至鄰接的柱部內之阻尼和信號損失，如同上面在習知BAR的上下文中所述者。
雖然可對柱部204或244實施下面的任一者，但是為了便於解說而在圖式及說明中假設是柱部204。
在已經形成了柱部204之後，第一壓電層208被磊晶地形成112在柱部204之第一末端202藉由去除遮罩206所暴露出的表面上。在同一個形成112製程期間，第二壓電層212被形成在基板200之未被柱部204所佔據的暴露出部分上。
磊晶地形成112之第一壓電層208和第二壓電層212通常係形成以諸如AlN或AlGaN的III(A)-N化合物(其中，Al含量係大於50原子%)。AlN為用來形成磊晶壓電層208於柱部204之第一末端202的暴露出表面上以及於矽基板200的暴露出表面上在(111)平面上(對於[111]單晶體矽基板)的習知材料，因為晶格不匹配為約19%。少於25%的晶格不匹配可支援磊晶生長。可被用來形成本發明之壓電層的其他第III(A)族元素包含(但不限於)硼、鎵、銦、及鉭。
其他類型的壓電材料也可以被用來形成112本發明的該等壓電層，這些包含ZnO和壓電纖維鋅礦(Wurtzite)材料。形成112通常使用有機金屬化學氣相磊晶沉積法(MOCVD，替代地已知為有機金屬化學氣相磊晶沉積法(OMVPE))來予以實施，其使用針對即將要被形成之壓電材料所適當選擇的前驅物。MOCVD通常以將氣相運輸的氣狀有機金屬前驅物和載體氣體(例如，氬)導入反應室之內開始。視要被沉積的材料而定，含有氫化物(hydrides)的氮和稀釋氣體(常常為H2或N2)也和該等前驅物蒸氣一起被導入該反應室之內。該等稀釋氣體在該等前驅物到達想要在其上沉積最終材料的加熱基板之前先抑制該等氣相前驅物的熱分解(pyrolysis)。用於第III族-氮化物膜(包含第IIIa族元素，諸如AlN和GaAlN膜，就像本文所述者)之製作的共同前驅物其中包含三甲基鋁((CH3)3Al)、三甲基鎵((C2H5)3Ga)等。反應溫度常常在500℃與1000℃之間，且氣體壓力在40托爾(Torr)與500托爾(Torr)之間。有關第III族-氮化物膜之MOCVD沉積的其他一般細節可以在2015年5月印刷於MRS公報第40冊中由Robert F.Davis所提出之”Substrates and epitaxial deposition processes for Group III-nitride thin films and power device heterostructures”中找到。
該等至少一柱部204、和該第一壓電膜208及第二壓電膜212的各種尺寸被表示於圖2B中。尺寸α相當於圖2A之上下文中所指示之其中一個柱部204的高度並且不 需要被重複。
尺寸β為第一壓電膜208的厚度，並且從第一壓電膜208與對應之柱部204的介面測量到第一壓電膜208之相向暴露出的頂部表面。如同上面所指示者，基於要被濾波之激發頻率(亦即，所以該頻率使該壓電層諧振)的波長來選擇壓電層的厚度(尺寸β)。通常，尺寸β為選擇來諧振之頻率波長的1/2之倍數，尺寸β可以在下面範圍的任何一者之內：從1μm到3μm；從2μm到3μm；從1.5μm到3μm；和從1.5μm到2μm。
尺寸χ為第一壓電膜208的寬度，並且可以在下面範圍的任何一者之內：從60μm到530μm；從60μm到400μm；從100μm到400μm；和從200μm到300μm。如所示者，寬度χ延伸超過柱部204的寬度，其如上所解說者，減少從壓電層到在下面的柱部的振動能量損失。
使過度生長(overgrowth)寬度(亦即，柱部204之側表面與第一壓電膜208之側表面間的距離)量化的尺寸δ可以在下面範圍的任何一者之內：從5μm到15μm；從5μm到10μm；從10μm到15μm；和從7.5μm到12μm。通常，該過度生長的尺寸δ為從第一壓電膜208之厚度β的3倍到5倍。
該尺寸δ超過柱部之寬度的“過度生長”係使用橫向磊晶過度生長法(LEO，替代已知為磊晶橫向過度生長或ELO)來予以完成。LEO可藉由透過供應有機金屬前驅物而使用低壓OMPVE製程以將要被過度生長之材料沉積 於基板來予以實施。習知的LEO技術使用遮罩來隱藏所有的基板，除了該基板的一小部分以外，其用作為用於要被沉積於基板上之材料的成核位置(nucleation site)材料的晶體成核於基板上、生長穿過由該遮罩所界定的孔洞以及橫向延伸於該遮罩的整個表面之上。在本發明的實施例中，因為壓電材料生長超過柱部的側表面，所以不需要遮罩。習知的LEO技術被說明於2001年印刷於Journal of Physics：Condensed Matter，第13冊(第69661至6975頁)中之”Epitaxial lateral overgrowth techniques used in group III nitride epitaxy”中。
介於相鄰的第一壓電膜208A與208B之間的間隔係以尺寸ε作為特徵，其可以在下面範圍的任何一者之內：從50μm到200μm；從50μm到100μm；從100μm到200μm；和從75μm到150μm。
由於MOCVD沉積製程，所以壓電層208C被形成於柱部204的側表面上，如圖2B所示，其保形地塗覆該等前驅物起反應於其上的表面。該壓電層208C通常不被使用於入射RF頻率的濾波或傳輸。
沉積在基板200之露出表面上的第二壓電層212係與第一壓電層208使用例如如同上面在第一壓電層208之上下文中所述的MOCVD而被同時沉積。第二壓電層212具有少於第一壓電層208之厚度β的厚度Φ，並且可以在下面範圍的任何一者之內：從500奈米(nm)到2μm；從500nm到1μm；從1μm到2μm；和從750nm到1.5μm。少於厚度 β的厚度Φ為基板200之露出表面係設置成遠離MOCVD前驅物之來源的自然結果。因為該等前驅物在沉積之前必須進一步自他們的來源行進，所以此組態使第二壓電層212的生長速率相較於第一壓電層208減小。此外，柱部204之露出的第一末端202為未經任何處理(可能已發生在遮罩206去除之前)的原始(pristine)表面，不像基板200的露出表面。通常，磊晶膜將更快速地生長於原始表面上。至少因為這些理由，尺寸β係大於尺寸Φ。
已經形成112該第一壓電層208和第二壓電層212，保形電極216(216A和216B)被形成116於第一壓電層208的頂部和底部表面上。在保形電極216的同一個形成116期間，導電層224被形成116於第二壓電層212的表面上。非常像第一壓電層208和第二壓電層212的形成212一樣，在使用相同的材料和相同的製程時而同時發生電極216和導電層224的形成116。
針對電極216和導電層224兩者所使用之材料的範例包含鎢(W)、鉬(Mo)、和氮化鈦(TiN)。不管針對電極216和導電層224所使用的材料為何，這些層可使用原子層沉積(ALD)和化學氣相沉積(CVD)來予以沉積。這些沉積技術(以及其他沉積技術)致使能夠保形地沉積一層於電極216的頂部和底部表面上。
第一壓電層208的側表面沒有電極216材料。此防止電極216設置在第一壓電層208之頂部表面上的部分與該電極設置在第一壓電層208之相反的底部表面上的部 分之間的短路(shorting)。這些側表面不是可以被遮蔽來防止金屬沉積，就是可以使真的形成在這些表面上的任何金屬被去除於分開的製程(未顯示出)中。
在電極216於第一壓電層208之相對的頂部和底部表面上的形成完成了第一諧振器220的形成，如圖2C所示。回應入射RF波長，第一諧振器220將依據上面所表示的關係而諧振。
電極216和導電層224的厚度可以在下面範圍的任何一者中：100nm到200nm；100nm到150nm；150nm到200nm；和125nm到175nm。
如上所述之第一諧振器220之各種組件的尺寸(其係在微米或數十微米的範圍中)係大於典型上與積體電路製作相關聯的許多特徵，其常常係在數十奈米的等級。第一諧振器220之此較大尺寸尺度的一個原因為該較大尺寸致使第一壓電層208和電極216能夠吸收顯著量的RF能量而不會過熱(overheating)。較小的結構可能不具有足夠的熱容量來避免過熱。此較大尺寸尺度的另一個原因為該較大尺寸致使較大的電導體能夠將該第一諧振器220連接至RF濾波器電路的其他元件。這些較大的電導體具有較低的電阻，其減少整個電路的信號損失。
如同也在圖2C中所示者，以尺寸γ來識別相鄰的第一諧振器220A與220B之間的分隔距離。此尺寸γ可以在下面範圍的任何一者之內：從50μm到200μm；從50μm到100μm；從100μm到200μm；和從75μm到125μm。此尺 寸γ係足夠大而使得第二SAW諧振器可以被製作於相鄰的第一諧振器220A與220B之間。藉由製作第一諧振器220與第二諧振器於同一個濾波器電路之內，兩個不同的頻率可從多個頻率之中被濾波出。如上所示，這是優於通常僅能濾波單一個頻率之習知濾波器電路的優點。
圖3為依據本發明的實施例，用以製作薄膜體聲波諧振器之範例方法300的方法流程圖，該薄膜體聲波諧振器係組構成從多個入射頻率濾波出兩個頻率。明確地說，方法300說明將第二諧振器添加於已經包含該第一諧振器的基板中而使得兩個分開的頻率可以被單一個RF濾波器電路所濾波的過程。同時參照圖4A到4C，其繪示具有兩個諧振器結構之薄膜體聲波諧振器製作的示意階段，將協助方法300的解說。圖4A到4C中的各種特徵被描繪來協助解說，而且不必按照尺寸來予以繪出。
方法300開始於實施302該方法100而後將該第一諧振器220封裝304於保護遮罩404中。保護遮罩的範例包含任何便利的遮罩，其包含聚合光阻和包含氧化物及氮化物的「硬遮罩」材料(諸如，「層間電介質」材料)。不管所使用之材料的類型為何，保護遮罩404最終將被去除於當完成方法300之時，如下所述。
於該方法100中所沉積的導電層224然後被減去地蝕刻以形成308多個指叉電極408，其中的一個指叉電極408被表示為412於圖4A和圖4B中。該多個指叉電極408係設置在相鄰的第一諧振器220A與220B之間。在該第一諧 振器220A與220B之間的該多個指叉電極408連同該第二壓電層212一起構成第二SAW諧振器410。
用來形成308該多個指叉電極408的方法包含習知的微影技術，其中，正或負的遮罩(例如，光敏感性聚合物)被沉積於該導電層224上、暴露於光、而後被顯影。減去性蝕刻然後被用來去除該導電層224之未受到遮罩所保護的部分，因而從該導電層224中產生該多個指叉電極408。
圖4B繪示包含第一部分416和第二部分420之單一個指叉電極412的頂視圖。指叉電極412的有些尺寸係基於要被產生之表面波波長來予以選擇的。如圖4B所示，第二部分的寬度為要由該第二諧振器所產生之波的波長的1/4，而且第一部分416的寬度係和要由該第二諧振器410所產生之波的波長的尺寸相符。
因為第二壓電層212的寬度係少於第一諧振器220之第一壓電層208的寬度，所以第二壓電層212諧振於與諧振器220不同的入射頻率。因此，如同上面所解說者，圖4A中所示之組態致使單一個諧振器裝置能夠濾波兩個不同的頻率。當第二壓電層212振動以回應第二入射頻率後，該振動即啟動多個指叉電極408，其然後依據該等電極408之各個不同部分的尺寸而產生表面聲波，如上所述。這些表面聲波然後藉由該濾波器電路的其他元件而被處理成為聲音或資料信號。
圖4C繪示多個指叉電極424之替換組態的頂視 圖，其中，設置在相同位準的輸入428和輸出432也被顯示出
圖4D為依據本發明的實施例，薄膜體聲波諧振器裝置450之替換架構的剖面視圖，該薄膜體聲波諧振器裝置450係組構成從多個接收的頻率濾波出兩個頻率。不像圖4A中所示的組態，圖4D中所示的第二諧振器454包含設置在基板200與第二壓電層212之間的底部電極458。該多個指叉電極408用作為正電極。在此實施例中，傳送至該等指叉電極408的壓電振動也能夠經由第二壓電層212之厚度尺寸Φ而發生。也就是說，在圖4A中所示的實施例中，壓電層的振動被限制於x方向上的那些振動(為了便於解說，如同由圖4D中所示之座標軸所指示者)。然而，藉由一起使用指叉電極408和底部電極458，壓電層中的振動可發生於y方向上並且可被使用於濾波。
在本文中所提供之技術和結構的使用係可以察覺於使用諸如掃描式電子顯微鏡(SEM)或穿透式電子顯微鏡(TEM)等工具之積體電路的剖面圖中，該等工具可顯示該裝置之各種不同的層和結構。用以列出一些適合之範例分析工具的其他方法，諸如合成映射法(composition mapping)、X射線結晶學或繞射法(XRD)、二次離子質譜法(SIMS)、飛行時間二次離子質譜法(ToF-SIMS)、原子探針成像法、局部電極原子探針(LEAP)技術、3D斷層掃描術(tomography)、或者高解析度物理或化學分析法。在有些實施例中，例如，TEM可以表示不同厚度之磊晶壓電層 的組合，而且也可表示在單一個諧振器裝置之內出現兩種不同組態的諧振器(如上所述)。許多的組態和變型將可鑒於本發明而顯而易知。
範例系統
圖6為依據本發明的一些實施例，以使用本文中所揭示之一或多個積體電路結構來予以施行的範例計算系統。如同可被看到的，計算系統1000容納主機板1002。主機板1002可包含許多組件，其包含(但不限於)處理器1004和至少一個通訊晶片1006，其各自可被實體且電耦合至主機板1002，或者被整合於其中。如同將可領會者，主機板1002可為，例如，任何印刷電路板，不管是主印刷電路板、安裝於主印刷電路板上的子印刷電路板、還是系統1000的唯一印刷電路板等等。
視其應用而定，計算系統1000可包含可以或可不被實體且電耦合至主機板1002之一或多個其他組件。這些其他組件可包含(但不限於)揮發性記憶體(例如，DRAM)、非揮發性記憶體(例如，ROM)、圖形處理器、數位信號處理器、密碼處理器、晶片組、天線、顯示器、觸控螢幕顯示器、觸控螢幕控制器、電池、音頻編碼解碼器、視頻編碼解碼器、功率放大器、全球定位系統(GPS)裝置、羅盤、加速計、陀螺儀、揚聲器、相機鏡頭、和大量儲存裝置(諸如硬碟機、光碟(CD)、數位多功能影音光碟(DVD)、等等)。計算系統1000所包含之該等組件的任一 者可包含依據範例實施例所組構的一或多個積體電路結構或裝置(例如，以將一或多個該第一諧振器和該第二諧振器包括在RF濾波器電路之前端中)。在有些實施例中，多重功能可以被整合入一或多個晶片中(例如，諸如，注意到通訊晶片1006可以是該處理器1004的部分或者被整合入該處理器1004中)。
通訊晶片1006致使資料的轉移來往於計算系統1000的無線通訊。術語「無線」及其衍生詞可被用來描述電路、裝置、系統、方法、技術、通訊頻道、等等，其可經由使用透過非固態媒體之經調變的電磁輻射來通訊資料。該術語並不隱含相關聯的裝置不含任何導線，雖然在有些實施例中它們可能會含有。通訊晶片1006可施行許多無線標準或協定的任一者，其包含(但不限於)Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍芽、其衍生物，以及被命名為3G、4G、5G、及往後的任何其他無線協定。計算系統1000可包含多個通訊晶片1006。例如，第一通訊晶片1006可專用於諸如Wi-Fi及藍芽的較短範圍的無線通訊，並且第二通訊晶片1006可專用於較長範圍的無線通訊，諸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO、和其它者。在有些實施例中，通訊晶片1006可包含具有閘極堆疊、存取區域、偏振層的一或多個電晶體結構，如同在本文中以各種方式所說明 者。
計算系統1000的處理器1004包含封裝於處理器1004內的積體電路晶粒。在有些實施例中，該處理器的積體電路晶粒包含以一或多個積體電路結構或裝置來予以施行之內建於板上的電路(onboard circuit)，如同在本文中以各種方式所說明者。術語「處理器」可以指任何裝置或裝置的部分，其處理，例如，來自暫存器及/或記憶體之電子資料而將該電子資料轉變成可被儲存於暫存器及/或記憶體中的其他電子資料。
通訊晶片1006也可包含被封裝於通訊晶片1006之內的積體電路晶粒。依據一些此等範例實施例，通訊晶片的積體電路晶粒包含一或多個積體電路結構或裝置，如同在本文中以各種方式所說明者。如同鑒於本發明而將領會者，注意到，多重標準的無線能力可以被直接整合入該處理器1004內(例如，其中，任何晶片1006的功能性被整合入該處理器1004內，而不是具有分開的通訊晶片)。此外，注意到，處理器1004可以是具有此種無線能力的晶片組。簡言之，任何數量的處理器1004及/或通訊晶片1006可被使用。同樣地，任何一個晶片或晶片組可以具有多重功能被整合於其中。
在各種施行中，該計算系統1000可為膝上型電腦、小筆電、筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦、個人數位助理(PDA)、超級移動式PC、行動電話、桌上型電腦、伺服器、印表機、掃描器、監視器、機上盒、娛樂控 制單元、數位相機、攜帶型音樂播放器、數位錄影機、或任何其他處理資料或者利用使用所揭示之技術所形成的一或多個積體電路結構或裝置的電子裝置，如同在本文中以各種方式所說明者。
進一步範例實施例
下面的範例有關進一步實施例，許多變更及組態可自其中而將是顯而易知的。
範例1為一種積體電路裝置，該積體電路裝置包括：基板；自該基板延伸出的單晶體半導體柱部，該柱部具有界定柱部寬度的側表面，該柱部也具有第一末端和與該第一末端相反的第二末端，該第二末端在該基板的第一部位上；設置在該單晶體半導體柱部之該第一末端上之單晶體半導體材料的第一壓電層，該第一壓電層具有大於該柱部寬度的第一寬度和與第一諧振頻率相關聯的第一厚度；以及設置在該第一壓電層之頂部表面和底部表面上的保形電極層，該柱部、該第一壓電層、和該保形電極層共同構成第一諧振器。
範例2包含範例1的專利標的，另包括設置在該基板而與該基板之該第一部位不同的第二部位上之單晶體半導體材料的第二壓電層，該第二壓電層具有少於該第一壓電層之該第一厚度的第二厚度。
範例3包含範例2的專利標的，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含第III(A)族元素與氮的 化合物。
範例4包含範例2和3的專利標的，其中，該基板的晶體與該第二壓電層的晶體之間的晶格不匹配係少於20%。
範例5包含範例2至4之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含氮化鋁(AlN)。
範例6包含範例2至5之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含氮化鋁鎵(AlGaN)，其中，AlGaN之Al含量係大於50原子%。
範例7包含範例2至6之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含鋁和氮。
範例8包含範例2至7之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含鋁、鎵、和氮。
範例9包含範例2至8之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層的該第一厚度係從1μm到3μm，並且該第二壓電層的該第二厚度係從500nm到2μm。
範例10包含範例2至9之任一者的專利標的，另包括設置在該第二壓電層之表面上的多個指叉電極，該多個指叉電極和該第二壓電層共同構成第二諧振器。
範例11包含範例2至10之任一者的專利標的，另包括設置在該第二壓電層與該基板之間的底部電極。
範例12包含範例2至11之任一者的專利標的， 其中，該第一諧振器係組構成回應第一施加頻率而諧振，並且該第二諧振器係組構成回應與第一施加頻率不同的第二施加頻率而諧振。
範例13包含範例2至12之任一者的專利標的，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在3GHz到10GHz的範圍中。
範例14包含範例2至13之任一者的專利標的，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在25GHz到30GHz的範圍中。
範例15包含範例2至14之任一者的專利標的，其中，該保形電極層和該多個指叉電極包括鎢。
範例16包含範例2至15之任一者的專利標的，其中，該保形電極層和該多個指叉電極包括鉬。
範例17包含範例2至16之任一者的專利標的，其中，該保形電極層和該多個指叉電極包括TiN。
範例18包含範例2至17之任一者的專利標的，其中，該基板的基板晶體結構和基板晶體取向和該第二壓電層的壓電晶體結構和壓電晶體取向匹配。
範例19包含範例1至18之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層的該第一厚度係從1μm到3μm。
範例20包含範例1至19之任一者的專利標的，其中，該單晶體半導體柱部的晶體結構和晶體取向和該第一壓電層的晶體結構和晶體取向匹配。
範例21包含範例1至20之任一者的專利標的， 其中，該單晶體半導體柱部的晶體與該第一壓電層的晶體之間的晶格不匹配係少於20%。
範例22包含範例1至21之任一者的專利標的，其中，該第一諧振頻率係在3GHz到10GHz的範圍中。
範例23包含範例1至22之任一者的專利標的，其中，該第一諧振頻率係在25GHz到30GHz的範圍中。
範例24包含範例1至23之任一者的專利標的，另包括額外的壓電層在該柱部的側表面上。
範例25包含範例1至24之任一者的專利標的，其中，該第一壓電層的過度生長為該第一厚度的3到5倍。
範例26包含範例25的專利標的，其中，該過度生長為從5微米到15微米。
範例27包含範例1至26之任一者的專利標的，其中，該單晶體半導體柱部的高度係從1μm到10μm。
範例28包含範例1至27之任一者的專利標的，其中，該柱部寬度係從50μm到500μm。
範例29包含範例1至28之任一者的專利標的，其中，介於設置在相鄰柱部上的相鄰第一壓電層之間的分隔為從50μm到200μm。
範例30包含範例1至29之任一者的專利標的，其中，由該第一諧振器所產生之信號具有少於10°之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
範例31包含範例1至30之任一者的專利標的，其中，由該第一諧振器所產生之信號具有在0.3°到0.5°的 範圍中之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
範例32包含範例1至31之任一者的專利標的，其中，該單晶體半導體柱部係逐漸變細而使得在其基部處比在其頂部處至少更寬1.5倍。
範例33包含範例1至32之任一者的專利標的，其中，該柱部具有包括矽之單晶體的露出(111)平面的三角形剖面。
範例34包含一種積體電路，其包含範例1至33之任一者的積體電路裝置。
範例35為一種方法，該方法包括：提供基板；形成自該基板延伸出的單晶體半導體柱部，該單晶半導體柱部具有界定柱部寬度的側表面、第一末端和與該基板之第一部位相接觸的第二未端，該第二末端和該第一末端相反；磊晶地形成設置在該柱部之該第一末端上之單晶體半導體材料的第一壓電層，該第一壓電層具有大於該柱部寬度的第一寬度和與第一諧振頻率相關聯的第一厚度；以及形成設置在該第一壓電層之頂部表面和底部表面上的保形電極層，該柱部、該第一壓電層、和該保形電極層共同構成第一諧振器。
範例36包含範例35的專利標的，另包括形成設置在該基板而與該基板之該第一部位不同的第二部位上之單晶體半導體材料的第二壓電層，該第二壓電層具有少於該第一壓電層之該第一厚度的第二厚度。
範例37包含範例35至36之任一者的專利標 的，另包括形成設置在該第二壓電層之表面上的多個指叉電極，該多個指叉電極和該第二壓電層共同構成第二諧振器。
範例38包含範例35至37之任一者的專利標的，其中，該第一諧振器係組構成回應第一施加頻率而諧振，並且該第二諧振器係組構成回應與第一施加頻率不同的第二施加頻率而諧振。
範例39包含範例35至38之任一者的專利標的，另包括形成設置在該第二壓電層與該基板之間的底部電極。
範例40包含範例35至39之任一者的專利標的，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在3GHz到10GHz的範圍中。
範例41包含範例35至40之任一者的專利標的，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在25GHz到30GHz的範圍中。
範例42包含範例35至41之任一者的專利標的，其中，由該第二諧振器所產生之信號具有少於1°之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
範例43包含範例35至42之任一者的專利標的，其中，由該第二諧振器所產生之信號具有在0.3°到0.5°之間的該第一諧振頻率的半高全幅寬。
範例44包含範例35至43之任一者的專利標的，其中，該第一諧振頻率係在3GHz到10GHz的範圍 中。
範例45包含範例35至44之任一者的專利標的，其中，該第一諧振頻率係在25GHz到30GHz的範圍中。
範例46包含範例35至45之任一者的專利標的，其中，由該第一諧振器所產生之信號具有少於1°之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
範例47包含範例35至46之任一者的專利標的，其中，由該第一諧振器所產生之信號具有在0.3°到0.5°的範圍中之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
已經為了例舉和說明目的而提出前述之範例實施例的說明，但是並不想要毫無遺漏或者將本發明限制於所揭示之精準的做法。許多修正和變型鑒於本發明係可能的。想要的是，本發明的範疇不被此詳細說明所限制，而是被附加於此之申請專利範圍來予以限制。主張本發明之優先權之未來提出的申請案可以用不同的形式來主張所揭示之申請標的，並且通常包含任何集合的一或多個限制，如同以各種方式揭示於本文中或者示範說明於本文中。

Claims (25)

  1. 一種積體電路裝置，該積體電路裝置包括：基板；自該基板延伸出的單晶體半導體柱部，該柱部具有界定柱部寬度的側表面，該柱部也具有第一末端和與該第一末端相反的第二末端，該第二末端在該基板的第一部位上；設置在該單晶體半導體柱部之該第一末端上之單晶體半導體材料的第一壓電層，該第一壓電層具有大於該柱部寬度的第一寬度和與第一諧振頻率相關聯的第一厚度；以及設置在該第一壓電層之頂部表面和底部表面上的保形電極層，該柱部、該第一壓電層、和該保形電極層共同構成第一諧振器。
  2. 如申請專利範圍第1項之積體電路裝置，另包括設置在該基板而與該基板之該第一部位不同的第二部位上之單晶體半導體材料的第二壓電層，該第二壓電層具有少於該第一壓電層之該第一厚度的第二厚度。
  3. 如申請專利範圍第2項之積體電路裝置，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含包含第III(A)族元素與氮的化合物。
  4. 如申請專利範圍第3項之積體電路裝置，其中，該基板的晶體與該第二壓電層的晶體之間的晶格不匹配係少於20%。
  5. 如申請專利範圍第2項之積體電路裝置，其中，該第一壓電層和該第二壓電層兩者皆包含氮化鋁(AlN)。
  6. 如申請專利範圍第2項之積體電路裝置，其中，該第一壓電層的該第一厚度係從1μm到3μm，並且該第二壓電層的該第二厚度係從500nm到2μm。
  7. 如申請專利範圍第2項之積體電路裝置，另包括設置在該第二壓電層之表面上的多個指叉電極，該多個指叉電極和該第二壓電層共同構成第二諧振器。
  8. 如申請專利範圍第7項之積體電路裝置，另包括設置在該第二壓電層與該基板之間的底部電極。
  9. 如申請專利範圍第7項之積體電路裝置，其中，該第一諧振器係組構成回應第一施加頻率而諧振，並且該第二諧振器係組構成回應與該第一施加頻率不同的第二施加頻率而諧振。
  10. 如申請專利範圍第7項之積體電路裝置，其中，該保形電極層和該多個指叉電極包括鎢。
  11. 如申請專利範圍第2項之積體電路裝置，其中，該基板的基板晶體結構和基板晶體取向和該第二壓電層的壓電晶體結構和壓電晶體取向匹配。
  12. 如申請專利範圍第1項之積體電路裝置，其中，該單晶體半導體柱部的晶體結構和晶體取向和該第一壓電層的晶體結構和晶體取向匹配。
  13. 如申請專利範圍第1項之積體電路裝置，其中，該第一壓電層的過度生長為該第一厚度的3到5倍。
  14. 如申請專利範圍第13項之積體電路裝置，其中，該過度生長為從5微米到15微米。
  15. 如申請專利範圍第1項之積體電路裝置，其中，介於設置在相鄰柱部上的相鄰第一壓電層之間的分隔為從50μm到200μm。
  16. 如申請專利範圍第1至15項中任一項之積體電路裝置，其中，該單晶體半導體柱部具有漸縮的剖面，其包括矽之單晶體的露出(111)平面。
  17. 一種積體電路，其包括如申請專利範圍第1至15項中任一項之積體電路裝置。
  18. 一種方法，該方法包括：提供基板；形成自該基板延伸出的單晶體半導體柱部，該柱部具有界定柱部寬度的側表面、第一末端和與該基板之第一部位相接觸的第二未端，該第二末端和該第一末端相反；磊晶地形成設置在該單晶體半導體柱部之該第一末端上之單晶體半導體材料的第一壓電層，該第一壓電層具有大於該柱部寬度的第一寬度和與第一諧振頻率相關聯的第一厚度；以及形成設置在該第一壓電層之頂部表面和底部表面上的保形電極層，該柱部、該第一壓電層、和該保形電極層共同構成第一諧振器。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，另包括形成設置在該基板而與該基板之該第一部位不同的第二部位上之單晶體半導體材料的第二壓電層，該第二壓電層具有少於該第一壓電層之該第一厚度的第二厚度。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，另包括形成設置在該第二壓電層之表面上的多個指叉電極，該多個指叉電極和 該第二壓電層共同構成第二諧振器。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該第一諧振器係組構成回應第一施加頻率而諧振，並且該第二諧振器係組構成回應與該第一施加頻率不同的第二施加頻率而諧振。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在3GHz到10GHz的範圍中。
  23. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該第一施加頻率和該第二施加頻率各自係在25GHz到30GHz的範圍中。
  24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，由該第二諧振器所產生之信號具有少於1°之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
  25. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，由該第一諧振器所產生之信號具有少於1°之該第一諧振頻率的半高全幅寬。
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