(57)【要約】【課題】異なる応用形態の要求に従ってＲｐ及び電気機械結合係数Ｋｔ２の適切な値を提供することができる音響共振器構造体を提供【解決手段】バルク音響波（BAW）共振器構造体は、基板の上に配置された第１の電極、第１の電極の上に配置された第１の圧電層、第１の圧電層の上に配置された第２の電極、並びに第１の電極、第２の電極、及び圧電層の間の重なりにより画定されたアクティブ領域の周辺部の周りに配置されたカラー構造体を含む。【選択図】図５Ａ
2014090414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク音響波（ＢＡＷ）共振器構造体であって、
基板の上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極の上に配置された第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上に配置された第２の電極と、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記圧電層の間の重なりにより画定されたアクティブ領域の周辺部の周りに配置され、所定の幅と高さの誘電体材料からなるカラー構造体とを含む、ＢＡＷ共振器構造体。
【請求項２】
前記カラー構造体が、前記アクティブ領域のカットオフ周波数と実質的に同じカットオフ周波数を有する、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項３】
前記カラー構造体が、前記第２の電極の外側エッジと実質的に揃っている内側エッジを有する、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項４】
前記カラー構造体が、前記アクティブ領域へと延在する内側エッジを有する、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項５】
前記第１の電極と前記基板との間に形成された音響ミラーを更に含む、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項６】
前記誘電体材料が、エッチング不能なホウケイ酸ガラス（ＮＥＢＳＧ）、炭素ドープ酸化ケイ素（ＣＤＯ）、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、又はダイヤモンドからなる、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項７】
前記カラー構造体が、前記第１の電極上に形成される、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項８】
前記カラー構造体が、前記第１の電極と前記圧電層との間に形成される、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項９】
前記誘電体材料が、炭素ドープ酸化ケイ素からなる、請求項８に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１０】
前記カラー構造体が、基板と前記第１の電極との間に形成される、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１１】
前記カラー構造体が、金属材料からなる、請求項１０に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１２】
前記第２の電極に隣接して前記圧電層上に形成された平坦化層を更に含む、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１３】
前記カラー構造体が、前記平坦化層および前記第２の電極上に形成される、請求項１２に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１４】
前記平坦化層が、第１の音響インピーダンスを有する第１の層と、前記第１の層上に形成され、前記第１の音響インピーダンスよりも低い第２の音響インピーダンスを有する第２の層とからなる、請求項１２に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１５】
前記第１の層が炭化ケイ素からなり、前記第２の層がエッチング不能なホウケイ酸ガラスからなる、請求項１３に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１６】
空隙を包含するトレンチを有する基板を更に含み、前記第１の電極が前記空隙をおおって前記基板上に形成され、前記カラー構造体が前記空隙の上の領域へと延在している、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１７】
前記第１の電極に隣接して前記基板上に形成された平坦化層を更に含み、前記カラー構造体が前記平坦化層および前記第１の電極上に形成される、請求項１６に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１８】
前記カラー構造体が、一体型フレームを更に含む、請求項１に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【請求項１９】
バルク音響波（ＢＡＷ）共振器構造体であって、
基板の上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極の上に配置された第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上に配置された第２の電極と、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記圧電層の間の重なりにより画定されたアクティブ領域の周辺部の周りに配置されたカラー構造体とを含む、ＢＡＷ共振器構造体。
【請求項２０】
前記カラー構造体が、所定の厚さと幅を有し、且つ前記アクティブ領域のカットオフ周波数に実質的に一致するカットオフ周波数を有する材料の領域を含む、請求項１９に記載のＢＡＷ共振器構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー構造体を有する音響共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響共振器は、様々な電子応用形態において信号処理機能を実現するために使用され得る。例えば、幾つかの携帯電話および他の通信装置は、音響共振器を用いて、送信信号および／または受信信号の周波数フィルタを実現する。
【０００３】
幾つかの異なるタイプの音響共振器が、様々な応用形態に従って使用され得る。例えば、様々な応用形態は、圧電薄膜共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator：ＦＢＡＲ）、結合共振器フィルタ（Coupled Resonator Filter：ＣＲＦ）、二重バルク音響共振器（Double Bulk Acoustic Resonator：ＤＢＡＲ）、又はＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）のようなバルク音響波（Bulk Acoustic Wave：ＢＡＷ）共振器を使用することができる。
【０００４】
図１Ａは、例示的な音響共振器１００の断面図であり、図１Ｂは音響共振器１００の上面図である。図１Ｂにおいて、線Ａ−Ａ’は、図１Ａに示された断面図の位置を示す。
【０００５】
図１Ａに示されたように、音響共振器１００は、下側電極１０５と上側電極１１５との間に配置された圧電層１１０を含む。上側電極および下側電極の呼称は、説明の便宜のためであり、それらは、音響共振器１００の空間的構成、配置または向きに関するあらゆる制限を意味しない。図１Ｂに示されるように、音響共振器１００は、多角形の各辺が他の辺と異なる長さを有する多角形形状で形成される。このタイプの形状は、アポダイズ形状と呼ばれ、音響共振器１００の所望の音響特性を達成するために使用される。図１Ｂは、アポダイズ形状を備えた上側電極１１５のみを示すが、音響共振器１００の他の部分も同様な形状を有することができる。
【０００６】
一般的動作中、電界が下側電極１０５と上側電極１１５との間に印加される。この電界に応じて、相反（reciprocal）圧電効果または逆圧電効果により、音響共振器１００は、図１Ａの矢印により示されたように、圧電材料の分極に依存して機械的に膨張または収縮する。電界が時間とともに変化する際、音波が圧電層１１０で生成され、当該音波が音響共振器１００を通して伝播する。例えば、幾つかの具現化形態において、音波は、縦波として電界と平行に伝播する、又は横波として音響共振器１００の機械的な接合部分（interface：界面、接触面）に沿って伝播する。
【０００７】
縦方向の音波は、通常ピストンモードと呼ばれ、電極板間の垂直電界により電気的に励起され、上側および下側電極と圧電材料の重なり部分により決定された運動境界を備えた横方向に均一の運動の形態を有する。横方向の音波は、通常横モードと呼ばれ、ピストンモード運動のエッジで励起（excite：励振、活性化）され、適切な機械的粒子速度の連続性および電気的に励起された領域と励起されていない領域との間の応力を促進する。一般に、横モードは、機械的なスタック（積重体）により支持された特定の運動の形態であり、縦方向成分および剪断成分の双方を有する。横モードは、励振の点から自由に伝播（所謂、伝播モード）又は指数関数的に減衰（所謂、エバネセントモード及び複雑モード）することができる。これらモードは、横方向の構造的不連続部（例えば、膜の異なる厚さの領域間の界面において、或いは上側電極または下側電極のエッジにおいて）により、又は電界の不連続性（例えば、電界が急激に終わる上側電極のエッジにおいて）により双方とも励起され得る。横モードは一般に、ＦＢＡＲ機能に有害な影響を及ぼす。
【０００８】
縦波に関して、圧電層１１０と上側および下側電極の厚さｄが、音波の波長λの半分の奇数（１、３、５、・・）倍に等しい場合、共振状態および／または音響共振振動が生じる。各音響材料が音波の異なる伝播速度を有するので、任意の所与の分極に対する基本共振周波数（例えば、水平剪断（horizontal shear）ＨＳモード、厚みすべり（thickness shear）ＴＳモード、並びに厚み伸縮（thickness extensional）ＴＥ最低次および高次モードに対応する）は、共振器層の全厚さの重み付けされた合計に反比例する。
【０００９】
圧電特性、それ故に音響共振器の共振特性は、ほんの数例を挙げれば、圧電材料、製造方法、製造中に圧電材料に加えられる分極、及び水晶のサイズのような様々な要因に依存する。
【００１０】
図２は、例示的な音響共振器の対数入力インピーダンス応答対周波数を示すグラフである。図２に示されるように、例示的な音響共振器の入力インピーダンスは、より低い周波数Ｆｓで直列共振から急に立ち下がる（対数尺度で）ピーク、及びより高い周波数Ｆｐで並列共振から急に立ち上がる（やはり、対数尺度で）ピークを示す。
【００１１】
図３Ａ〜図３Ｃは、ＦＢＡＲのようなＢＡＷ共振器の電気モデルを示す回路図である。図３Ａのモデルは、修正バターワース−バンダイク（ＭＢＶＤ）モデルである。このモデルの周波数応答は、通過帯域応答であり、この場合、通過帯域未満の周波数に対する周波数応答はキャパシタンスＣｍ及びＣｏにより減衰されており、通過帯域より上の周波数に対する周波数応答はインダクタンスＬｍにより減衰されている。図３Ｂに示されたように、直列抵抗において、ＢＡＷ共振器は、寄生抵抗Ｒｓと直列接続するインダクタンスＬｍ及びキャパシタンスＣｍの直列共振の組み合わせによりモデル化され得る。図３Ｃに示されるように、並列共振において、ＢＡＷ共振器は、寄生抵抗Ｒｐに並列接続するインダクタンスＬｍ及びキャパシタンスＣｏの並列共振の組み合わせによりモデル化され得る。抵抗Ｒｓ及びＲｐは、音響共振器内の様々な熱損失および音響損失を表す。
【００１２】
音響共振器は、無線周波数（ＲＦ）フィルタ及びマイクロ波フィルタのような様々なタイプの電気フィルタで利用され得る。更に、音響共振器は、様々な方法で組み合わされて、様々なフィルタ構成をもたらすことができる。音響共振器でもって構築されるＲＦ又はマイクロ波フィルタの性能は、共振器の並列抵抗Ｒｐ、直列抵抗Ｒｓ及びその電気機械結合係数Ｋｔ２によって表され得る音響共振器の性能に依存する。
【００１３】
図２及び図３を参照すると、直列抵抗Ｒｓは、入力インピーダンスの大きさの最も小さい値であり、直列共振周波数Ｆｓは、その最小値が発生する周波数である。並列抵抗Ｒｐは入力インピーダンスの大きさの最も大きい値であり、並列共振周波数Ｆｐは、その最大値が発生する周波数である。電気機械結合係数Ｋｔ２は、並列共振周波数Ｆｐと直列共振周波数Ｆｓとの間の正規化された差であり、直列共振周波数Ｆｓのパーセント値（％）で一般に表される。一般に、より高いＲｐ又はＫｔ２、及びより低いＲｓを有するデバイスは、より高いＲｓ又はより低いＲｐ又はより低いＫｔ２を有するデバイスよりも優れた性能を有すると考えられる。かくして、他の条件が同じなら、より高いＲｐ又はＫｔ２、及びより低いＲｓを有する音響共振器を、フィルタに提供することが望ましい。
【００１４】
また、音響共振器は発振器にも利用され得る。音響共振器が発振器に利用される場合、発振器の性能（例えば、位相ノイズ）は、音響共振器のＲｐ又はＫｔ２により影響を受ける。更に、フィルタと同様に、より高いＲｐ又はＫｔ２、及びより低いＲｓを有する音響共振器を、発振器に提供することが望ましい。
【００１５】
残念ながら、音響共振器のＲｐを増加させる多くの設計選択は、音響共振器のＫｔ２を減少させる傾向があり、逆もまた同じである。言い換えれば、ＲｐとＫｔ２との間には、一般にトレードオフが存在する。従って、高いＲｐを必要とする応用形態は、Ｋｔ２を犠牲にすることを必要とされる可能性があり、高いＫｔ２を必要とする応用形態は、Ｒｐを犠牲にすることを必要とされる可能性がある。更に、音響共振器のＲｐ値を決定するメカニズムが様々なインピーダンス不整合インターフェースにおいて複数のモードの分散（scattering：散乱）を含むので、Ｒｐを増加させるための設計選択の有効性は、例えば特定のスタック設計に依存する。しかしながら、当該特定のスタック設計は、共振器の特定の応用形態により決定される。かくして、例えばＲｐを増加させるつもりである設計、フレームは、幾つかの音響スタックに有効であるかもしれないし、異なる音響スタックに有効でないかもしれない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第６，１０７，７２１号
【特許文献２】米国特許第５，５８７，６２０号
【特許文献３】米国特許第５，８７３，１５３号
【特許文献４】米国特許第６，５０７，９８３号
【特許文献５】米国特許第７，６２９，８６５号
【特許文献６】米国特許第７，２８０，００７号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０２０５８５０号
【特許文献８】米国特許第７，３８８，４５４号
【特許文献９】米国特許出願公開第２０１０／０３２７６９７号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１０／０３２７９９４号
【特許文献１１】米国特許第７，８８９，０２４号
【特許文献１２】米国特許出願第１３／０７４，０９４号
【特許文献１３】米国特許出願第１３／０３６，４８９号
【特許文献１４】米国特許出願第１３／０７４，２６２号
【特許文献１５】米国特許出願第１３／１０１，３７６号
【特許文献１６】米国特許出願第１３／１６１，９４６号
【特許文献１７】米国特許第７，３４５，４１０号
【特許文献１８】米国特許第７，３５８，８３１号
【特許文献１９】米国特許出願第１３／２８６，０３８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従って、必要とされていることは、異なる応用形態の要求に従ってＲｐ及び電気機械結合係数Ｋｔ２の適切な値を提供することができる音響共振器構造体である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
代表的な実施形態において、ＢＡＷ共振器構造体は、基板の上に配置された第１の電極と、第１の電極の上に配置された第１の圧電層と、第１の圧電層の上に配置された第２の電極と、第１の電極、第２の電極、及び圧電層の間の重なりにより画定されたアクティブ領域の周辺部の周りに配置され、所定の幅と高さの誘電体材料からなるカラー構造体とを含む。
【００１９】
別の代表的な実施形態において、ＢＡＷ共振器構造体は、基板の上に配置された第１の電極と、第１の電極の上に配置された第１の圧電層と、第１の圧電層の上に配置された第２の電極と、第１の電極、第２の電極、及び圧電層の間の重なりにより画定されたアクティブ領域の周辺部の周りに配置されたカラー構造体とを含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、異なる応用形態の要求に従ってＲｐ及び電気機械結合係数Ｋｔ２の適切な値を提供することができる音響共振器構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】例示的な音響共振器の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示された音響共振器の上面図である。
【図２】音響共振器の例示的な入力インピーダンス応答対周波数を示す図である。
【図３Ａ】ＦＢＡＲのようなＢＡＷの電気モデルを示す図である。
【図３Ｂ】直列共振におけるＢＡＷ共振器の簡易モデルである。
【図３Ｃ】並列共振におけるＢＡＷ共振器の簡易モデルである。
【図４】カラー構造体を有するＦＢＡＲと比較のために使用される基準ＦＢＡＲの断面図である。
【図５Ａ】代表的な実施形態による平坦化層および上側電極に形成されたカラー構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図５Ｂ】別の代表的な実施形態による平坦化層および上側電極に形成されたカラー構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図６Ａ】代表的な実施形態による平坦化層および上側電極に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図６Ｂ】別の代表的な実施形態による平坦化層および上側電極に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図７】異なる音響インピーダンスの材料で形成されたＦＢＡＲ５００Ａの２つのバージョンと比較された図４のＦＢＡＲの選択されたモードの正規化ピーク歪みエネルギー分布を示すグラフである。
【図８】カラー構造体の幅と高さの関数として図５ＡのＦＢＡＲの並列抵抗Ｒｐを示す等高線図である。
【図９】図４及び図５Ａの個々のＦＢＡＲの品質ファクタ（quality factor：Ｑファクタ）及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。
【図１０】代表的な実施形態に従って、圧電層の下に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図１１】カラー／フレーム構造体の幅およびカラー／フレーム構造体とトレンチとの間の重なり部分の関数として、図１０のＦＢＡＲの並列抵抗Ｒｐを示す等高線図である。
【図１２】図４のＦＢＡＲのＱファクタ及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。
【図１３】図１０のＦＢＡＲのＱファクタ及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。
【図１４】代表的な実施形態に従って、下側電極と基板との間に形成されたカラー構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【図１５】別の代表的な実施形態に従って、下側電極と基板との間に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
例示的な実施形態は、添付図面と共に読まれる場合に以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴要素が必ずしも一律の縮尺に従わずに描かれていることが強調される。実際には、寸法は、説明の明瞭化のために任意に増減され得る。適用可能および実用的であれば、同様の参照符号は、同様の要素を表す。
【００２３】
以下の詳細な説明において、説明および制限しないことを目的として、特定の細部を開示する例示的な実施形態が、本教示の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本開示の利益を有する当業者には明らかなように、本明細書に開示された特定の細部から逸脱する、本教示による他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。更に、よく知られた装置および方法の説明は、例示的な実施形態の説明を不明瞭にしないように省略され得る。係る方法および装置は明らかに本教示の範囲内にある。
【００２４】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するだけのためであり、制限することを意図されていない。定義された用語は、関連した文脈において一般に理解される及び受け入れられるような、定義された用語の技術的、科学的または通常の意味に追加される。
【００２５】
用語「a」、「an」及び「the」は、文脈が明確に指示しない限り、１個の及び複数の指示対象を含む。かくして、例えば、「a device（デバイス）」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。用語「実質的に」は、許容できる限界または程度の範囲内にあることを意味する。用語「約」は、当業者に許容できる限界または量の範囲内にあることを意味する。相対的用語、例えば「上」、「下」、「上部」、「底部」、「上側」、及び「下側」は、添付図面に示されたように様々な要素の互いに対する関係を説明するために使用され得る。これら相対的用語は、図面に示された向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きを包含することが意図されている。例えば、デバイスが図面の表示に対して反転される場合、別の要素の「上」として説明された要素は、例えば今ではその要素の下にある。第１のデバイスが第２のデバイスに接続または結合されていると言われる場合、これは、１つ又は複数の中間デバイスが２つのデバイスを互いに接続するために使用され得る例を包含する。対照的に、第１のデバイスが第２のデバイスに直接的に接続または直接的に結合されていると言われる場合、これは、電気コネクタ（例えば、ワイヤ、ボンディング材料など）以外の任意の介在デバイスなしに、２つのデバイスが互いに接続される例を包含する。
【００２６】
開示された実施形態は一般に、ＦＢＡＲ、ＤＢＡＲ、ＣＲＦ、及びＳＭＲを含む音響共振器に関する。説明の簡略化のために、幾つかの実施形態がＦＢＡＲ技術の文脈で説明される。しかしながら、説明される概念は、他のタイプの音響共振器に使用するために適合され得る。音響共振器の特定の細部ならびに関連する材料および製造方法は、以下の共同所有された米国特許、米国特許出願公開および米国特許出願の１つ又は複数で見出されることができる。即ち、Lakinに対する特許文献１、Ruby他に対する特許文献２〜４、Ruby他に対する特許文献５、Feng他に対する特許文献６、Jamneala他に対する特許文献７、Richard C.、Ruby他に対する特許文献８、Choy他に対する特許文献９、及びChoy他に対する特許文献１０である。ＤＢＡＲ及びＣＲＦ並びにそれらの材料および製造方法の例は、Paul Bradley他に対する特許文献１１、２０１１年３月２９日出願され、Shirakawa他の特許文献１２、２０１１年２月２８日に出願され、Burak他の特許文献１３、２０１１年３月２９日に出願され、Burak他の特許文献１４、２０１１年５月５日に出願され、Burak他の特許文献１５、及び２０１１年６月１６日に出願され、Burak他の特許文献１６に見出され得る。これらの特許、特許出願公開、及び特許出願の開示は特に、参照により本明細書に組み込まれる。これらの特許および特許出願で説明されるコンポーネント、材料、及び製造方法は、当業者が検討される範囲内にある代表的な及び他の製造方法および材料であることが強調される。
【００２７】
特定の実施形態において、音響共振器は、上側および下側電極、上側電極と下側電極との間に形成された圧電層、及び上側および下側電極と圧電層との間の重なり部分により画定されたアクティブ領域の周りに形成されたカラー（collar：環、つば）構造体を含む。カラー構造体は一般に、有限幅の比較的厚い誘電体領域から形成され、上側電極の上に、下側電極の下に、又は下側電極と圧電層との間に位置することができる。代案として、カラー層が、上述した複数の位置に形成された幾つかの層に分割され得る。また、カラー層は、例えば圧電層の内側に、音響共振器を構成する層の何れかの内側に形成され得る。
【００２８】
カラー構造体は一般に、それが、アクティブ領域におけるカットオフ周波数およびピストンモードのモード分布と実質的に同じカットオフ周波数および主要な非伝播（例えば、エバネセントモード）のモード分布を有するように設計される。これは、ピストンモードにおける音響エネルギーが、カラー構造体および主要な膜の領域において不要な伝播モードへ変換されることを防止する。より具体的には、それは、アクティブ領域の内側および外側にスプリアス伝播する横モードの励起を抑制すると同時に、アクティブ領域内にピストンモードを閉じ込めることを改善する。そしてまた、これは、全体的な分散損失を低減し、音響共振器の並列抵抗Ｒｐを増大する。
【００２９】
カラー構造体がないときは、電気的に励起されたピストンモードに関して、上側電極のエッジにおいて著しい音響インピーダンスの不連続性が存在する。また、電界が上側電極のエッジにおいて終了するので、そのエッジは、構造体により支持されるエバネセントモード、伝播モード及び複雑モードの機械的および電気的励起を生じさせる。エバネセントモード及び複雑モードは、指数関数的に減衰し、そのため、十分に広いカラー構造体がそれらを抑制する。更に、伝播モードは、適切な幅でもってカラー構造体を形成することにより抑制され得る。更に、上側電極の上（又は下）に延在するカラー構造体は、一体型フレームとして働くことができ、かくしてそれは、上側電極エッジの前で電気的に励起されたピストンモードの振幅を最小化し、伝播モードを抑制するために追加の音響インピーダンスの不連続性を提供することができる。
【００３０】
図４は、カラー構造体を備えないＦＢＡＲ４００の断面図である。ＦＢＡＲ４００は、カラー構造体を有するＦＢＡＲとの比較のために使用され得る基準デバイスとして与えられる。ＦＢＡＲ４００は、後述される他の実施形態と同じ特徴要素の多くを有し、そのため、これら特徴要素の詳細な説明は、冗長性を避けるために他の実施形態の説明から省略され得る。
【００３１】
図４を参照すると、ＦＢＡＲ４００は、基板４０５、下側電極４１５、平坦化層４２０、圧電層４２５、及び上側電極４３０を含む。下側電極４１５及び平坦化層４２０は何れも、基板４０５上に形成され、圧電層４２５は下側電極４１５及び平坦化層４２０の上面に形成され、上側電極４３０が圧電層４２５上に形成される。全体として、下側電極４１５及び上側電極４３０がＦＢＡＲ４００の音響スタックを画定し、これら特徴要素間の重なり部分の領域が、音響スタックのアクティブ領域を画定する。
【００３２】
図４において、アクティブ領域が一対の点線間の領域として示される。アクティブ領域は、図４に示されるように、下側電極４１５及び上側電極４３０と圧電層４２５の間の重なり部分の全範囲を含まない。その理由は、上側電極４３０の例示された右側が、接続エッジであり、ＦＢＡＲ４００の動作周波数範囲において、任意の有効な方法で固有電気インピーダンスを変更することを意図されていないからである。しかしながら、通常「死んだＦＢＡＲ」と呼ばれる、上側電極の接続エッジにおける下側電極４１５、圧電層４２５、上側電極４３０及び基板４０５の間の重なり部分は、著しい音響エネルギー損失を生じる可能性があり、その理由は、ピストンモードがその領域においてキャビティ４１０の外周までずっと電気的に励起され、この場合、それは基板４０５の領域により支持された伝播モードに結合することができるからである。有益に、その領域にカラーを付加することは、（以下の図５Ａの右側に示された）上側電極接続エッジの質量負荷によって、その不要なエネルギー損失を最小限にすることができ、その結果として、トレンチ（キャビティ）４１０の外側エッジにおいて、電気的に励起されたピストンモードの振幅を著しく低下させる。周辺領域は、アクティブ領域の外側にＦＢＡＲ４００の一部を含む。後述される幾つかの図面に示されるように、カラー構造体が、周辺領域の部分に形成されることができ、この部分は、カラー領域と呼ばれ得る。
【００３３】
例えば、はしご形フィルタの一部としての一般的な動作中、入力電気信号が、下側電極４１５の入力端子に印加されることができ、上側電極４３０が出力端子に接続され得る。入力電気信号は一般に、アクティブ領域に振動を生じさせる時間的に変化する電圧からなる。次いで、この振動は、上側電極４３０の出力端子において出力電気信号を生じる。入力および出力端子は、図４に示されたようなアクティブ領域から離れて延在する接続エッジを介して下側電極４１５及び上側電極４３０に接続され得る。例えば、上面図から、これら接続エッジは、図１Ｂに示されたようなアポダイズされた五角形形状の外側に延在するように看取され得る。例えば、ＦＢＡＲ４００の入力および出力端子は、はしご形フィルタを構成する他のＦＢＡＲ４００の適切な端子に接続され得る。
【００３４】
カラー構造体および上側平坦化層がない場合、電気的に励起されたピストンモードは、上側電極４３０のエッジで終了する。上側電極のエッジは、アクティブ領域と上側電極４３０のエッジの外側の周辺領域との間にカットオフ周波数の著しい不連続性を与える。例えば、例示的なシミュレーションした例において、ＦＢＡＲ４００は、アクティブ領域において約２ＧＨｚの厚み伸縮（ＴＥ）モードのカットオフ周波数で、及び上側電極４３０の左側の周辺領域において約３．５ＧＨｚのＴＥモードのカットオフ周波数で振動する。この構造的不連続性により、アクティブ領域および周辺領域の双方において（これら双方の領域間の界面において適切な粒子速度および応力成分の連続性を満たすために）横モードの励起を生じ、その結果として、ピストンモードからの音響エネルギーの望ましくない分散、及びＦＢＡＲ４００の電気的応答の結果としての劣化につながる。
【００３５】
基板４０５は一般に、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、サファイア、アルミナなどのような、半導体プロセスに適合する材料からなる。トレンチ４１０が基板４０５内に形成され、それは、下側電極４１５、上側電極４３０、及び圧電層４２５の間の重なり部分により形成されたアクティブ領域の自由な機械的振動を可能にするように機能する。トレンチ４１０は一般に、空隙（空気間隙）からなるが、代案として例えば、ブラッグミラーのような音響ミラーからなることができる。基板にキャビティを製造する様々な技術の例は、２００８年３月１８日に出願され、Grannen他の特許文献１７により説明され、音響ミラーの様々な製造技術は、２００８年４月１５日に出願され、Larson III他の特許文献１８に説明され、それらは参照により本明細書に組み込まれる。
【００３６】
基板４０５はトレンチ４１０を有し、トレンチ４１０は空隙またはブラッグミラーのような音響リフレクタを含むことができる。空隙または音響リフレクタは、音響スタックが振動する際に音響スタックから機械的エネルギーを基板４０５が吸収することを防止するように設計される。言い換えれば、空隙または音響リフレクタにより、音響スタックのアクティブ領域が、比較的自由に振動することが可能になる。空隙は一般に、下側電極４１５を形成する前に、トレンチ４１０に犠牲層を堆積し、上側電極４３０を形成した後で当該犠牲層を除去することにより形成される。かくして、下側電極４１５が空隙の上に浮くことができる。
【００３７】
下側電極４１５及び上側電極４３０は一般に、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）のような導電性金属から形成されるが、様々な代替の実施形態において、他の材料が使用され得る。一般に、これら特徴要素は、様々な設計仕様またはトレードオフに従って、同じ又は異なる材料から、及び同じ又は異なる厚さで形成され得る。圧電層４２５は一般に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）のような圧電材料の薄膜からなるが、様々な代替の実施形態において、他の材料が使用され得る。
【００３８】
平坦化層４２０は一般に、エッチング不能なホウケイ酸ガラス（ＮＥＢＳＧ）のような平坦化材料から形成される。この層は厳密に言えば、ＦＢＡＲ４００の機能に必要とされないが、その存在は、様々な利点を与えることができる。例えば、下側平坦化層４２０の存在は、ＦＢＡＲ４００の構造的安定性を改善する傾向があり、後続の層の成長の品質を改善することができ、下側電極４１５が、そのエッジがトレンチ４１０を超えて延在せずに形成されることを可能にすることができる。平坦化層の潜在的な利点の更なる例は、２０１１年１０月３１日に出願された特許文献１９で提供され、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
上述したように、ＦＢＡＲ４００の性能は、アクティブ領域と周辺領域との間のカットオフ周波数の不連続性により大幅に劣化する可能性がある。ＦＢＡＲ４００のインピーダンスの不連続性を低減するための一方法は、電気的に励起された純粋な縦方向ピストンモードのより均一なインピーダンスプロファイルを生成するために、周辺領域にカラー構造体を形成することである。カラー構造体は、アクティブ領域を実質的に取り囲む所定の厚さと幅の誘電体材料からなる。カラー構造体は、アクティブ領域の外側のカットオフ周波数を下げるために質量負荷を提供する。従って、ＦＢＡＲ４００を横切って一層均一な横方向のカットオフ周波数がもたらされ得る。
【００４０】
図５Ａは、代表的な実施形態に従って、カラー構造体を含むＦＢＡＲ５００Ａの断面図である。
【００４１】
図５Ａを参照すると、ＦＢＡＲ５００Ａは、それが平坦化層５０５及びカラー構造体５１０を更に含むことを除いて、ＦＢＡＲ４００と実質的に同じである。平坦化層５０５は、上側電極４３０に隣接して圧電層４２５上に形成される。カラー構造体５１０が、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ領域を取り囲むカラー領域に形成される。図５Ａに示されていないが、カラー構造体５１０は一般に、図１Ｂに示されたようなアポダイズ形状のアクティブ領域の周りにリングを形成する。
【００４２】
平坦化層５０５は一般に、ＮＥＢＳＧ又は別の適切な平坦化材料から形成される。平坦化層５０５は一般に、比較的低い音響インピーダンスを有するが、代案として以下の図７に関連して説明されるように、アクティブ領域のスタックを横切る垂直モードエネルギー分布に一層厳密に一致する、カラー構造体５１０の領域のスタックを横切る垂直モードエネルギー分布を生成するために、ＮＥＢＳＧより高い音響インピーダンスを有する材料から形成されてもよい。しかしながら、係る材料は一般に、機械的に一層硬質であり、それ故にＮＥＢＳＧに比べて平坦化することが、より困難である。例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）のような平坦化技術を用いて、比較的硬質な材料を平坦化する場合、特定の研磨された特徴要素のすみ上の所謂「コウモリの耳」のような、表面不完全性を全て取り除くことは困難であるかもしれない。従って、幾つかの実施形態において、図５Ｂに関連して説明されるように、平坦化層５０５は、高い音響インピーダンスを備える比較的硬質な材料からなる第１の層、及びより低い音響インピーダンスを備えるより軟質な材料からなる第２の層を有する複合構造から形成され得る。他の実施形態において、カラー構造体５１０は、圧電層４２５の上面に及び上側電極４３０の上面に直接的に形成されることができ、そのためＦＢＡＲ５００Ａは、平坦化層５０５を省略することができる。
【００４３】
カラー構造体５１０は、誘電体材料、一般に比較的高い音響インピーダンスを有するものから形成される。例えば、それは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、又はダイヤモンドから形成され得る。カラー構造体５１０は、平坦化層５０５及び上側電極４３０の上に、薄いエッチング停止層（例えば、炭化ケイ素がカラーを形成するために使用される場合には３０ｎｍ（３００Å）のＡｌＮ）を堆積し、次いでカラー誘電体層の層を堆積することにより形成され得る。次いで、ドライエッチングを用いて、カラー構造体５１０の所望のパターンを画定する。カラー構造体５１０が形成された後、オプションのパッシベーション層が堆積されることができ（図５Ａには示されない）、イオンミリングが、例えば１つ又は複数のＦＢＡＲ５００Ａを含むフィルタの周波数応答を微調整するために実行され得る。当然のことながら、当業者には明らかなように、様々な他の技術が、上側カラー構造体５１０を形成するために採用され得る。例えば、カラー構造体５１０の層の堆積と形成およびパッシベーション層の堆積の順序は、入れ換えられ得る。
【００４４】
図５Ｂは、代表的な実施形態による、カラー構造体を含むＦＢＡＲ５００Ｂの断面図である。ＦＢＡＲ５００Ｂは、平坦化層５０５が複合構造で形成されることを除いて、ＦＢＡＲ５００Ａと実質的に同じである。
【００４５】
図５Ｂを参照すると、平坦化層５０５は、第１の層５０５Ａ及び第２の層５０５Ｂからなる。第１の層５０５Ａは、ＦＢＡＲ５００Ｂの圧電層４２５及び上側電極４３０上に高い音響インピーダンスの材料を堆積することにより形成される。高い音響インピーダンスの層は、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、又はダイヤモンドとすることができる。次いで、第２の層５０５Ｂが、第１の層５０５Ａの上面に、より低い音響インピーダンスの材料を堆積することにより形成され、その後にＦＢＡＲ５００Ｂのアクティブ領域から双方の材料を除去するためのドライエッチングが続く。第２の層５０５Ｂが、より軟質な材料から形成されるので、ＣＭＰのような技術を用いて、上側電極４３０と共に容易に平坦化され得る。平坦化層５０５が形成された後、カラー構造体５１０が図５Ａに関連して説明されたように形成され、次いで、パッシベーション層（図示せず）が堆積され得る。
【００４６】
平坦化層５０５に高い音響インピーダンス材料を使用することは、アクティブ領域のスタックを横切る垂直モードエネルギー分布に一層厳密に一致する、カラー構造体５１０の領域のスタックを横切る垂直モードエネルギー分布を生成する傾向がある。これにより、ＦＢＡＲ５００Ｂの直列共振周波数Ｆｓを上回る周波数において、アクティブ領域の電気的に励起されたピストンモードの垂直分布とカラー構造体５１０の領域のエバネセント厚み伸縮（ｅＴＥ）モードの垂直分布との間の一層厳密な一致が可能になる。次いで、ｅＴＥモードは、ＦＢＡＲ５００Ｂの構造体によりサポートされた他の伝播モードに結合せずに、カラー／膜の界面から離れる方向に指数関数的に減衰することができる。そして、これは、カラー領域の全体的な低減された分散損失という結果になり、Ｒｐの著しい改善をもたらすことができる。更に、図５Ａ又は図５Ｂに示されていないが、カラー構造体５１０及びパッシベーション層に一層高い音響インピーダンスの材料を使用することも、同様の理由で性能の改善に寄与することができる。
【００４７】
図６Ａは、代表的な実施形態による、平坦化層および上側電極上に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲ６００Ａの断面図である。
【００４８】
図６Ａを参照すると、ＦＢＡＲ６００Ａは、カラー構造体５１０がカラー／フレーム構造体６１０と置き換えられていることを除いて、ＦＢＡＲ５００Ａと実質的に同じである。カラー／フレーム構造体６１０は、それが上側電極４３０のエッジを越えて延在するという点で、カラー構造体５１０と異なる。この延長部分は、一対の点線内のカラー／フレーム構造体６１０の部分により、図６Ａに示される。
【００４９】
フレームは一般に、共振器デバイスの周辺部に沿って１つ又は複数の追加（又は除去）される材料の薄層を含む。それは、主要な膜に対して対応するフレーム領域のカットオフ周波数を下げる（又は増加させる）ことができる。そして、これは、電気的に励起されたピストンモードの振幅、及び膜のカットオフ周波数を上回る（又は下回る）上側電極エッジにおける結果としての分散を低減する。また、フレームは、膜／フレーム境界で機械的に励起された伝播および／またはエバネセントモード（どちらも関心のある周波数範囲に存在する）の振幅の抑制を可能にするために音響インピーダンスの不整合も生じることができ、かくしてアクティブ領域の外側への音響エネルギーの漏れを更に低減する。
【００５０】
図６Ａに関連して、カラー／フレーム構造体のフレーム部分（即ち、上側電極６１０のエッジを越えて延在する部分）は、上述したように、カラー／フレーム構造体６１０のフレーム部分において電気的に励起されたピストンモードの振幅を抑制すると同時に、カラー部分は、カラー６１０の領域において膜／カラー界面で機械的に励起されたｅＴＥモードの指数関数的な減衰を容易にする。かくして、一体化カラー／フレーム構造体は、スプリアス横モードの追加の抑制を提供することができ、ＦＢＡＲ６００Ａの並列抵抗Ｒｐ及びＱ値の更なる改善という結果になる。他方では、平坦化層５０５及びカラー６１０を形成する材料に依存して、カラー６１０がＦＢＡＲ６００Ａのアクティブ領域に部分的に重なる領域におけるカットオフ周波数のシフトは、一体化カラー／フレーム構造体を有することの利点を上回ることができるピストンモードの追加の音響分散の源を提供することができる。それは、例えば、カラー６１０の領域におけるカットオフ周波数のシフトの大部分が平坦化層５０５ではなくて、カラー６１０の存在に起因している場合とすることができる。また、これは、例えば平坦化層５０５が省かれて、カラー６１０が圧電層４２５上に直接的に形成されている実施形態の場合とすることもできる。かくして、カラー６１０の上側電極４３０との重なりの量は、ＦＢＡＲ６００Ａに使用される特定の材料およびスタック設計に関して最高の性能のために実験的に調整され得る。
【００５１】
図６Ｂは、代表的な実施形態による、カラー構造体を含むＦＢＡＲ６００Ｂの断面図である。ＦＢＡＲ６００Ｂは、平坦化層５０５が複合構造で形成されていることを除いて、ＦＢＡＲ６００Ａと実質的に同じである。
【００５２】
図６Ｂを参照すると、平坦化層５０５は、図５Ｂに示されたような第１の層５０５Ａ及び第２の層５０５Ｂからなる。これらの層は、図５Ｂに関連して上述されたように形成されることができ、それらは図５Ｂに関連して上述されたものと同様の利点を提供することができる。
【００５３】
図７は、異なる音響インピーダンスの材料で形成された平坦化層を含むＦＢＡＲ５００Ａの２つのバージョンと比較されたＦＢＡＲ４００の垂直方向のモード分布および音響インピーダンスを示すグラフである。より具体的には、当該グラフは、ＦＢＡＲ４００及びＦＢＡＲ５００Ａの直列共振周波数を上回る周波数において、スタックを横切る正規化ピーク歪みエネルギー分布を示す。このグラフは、膜領域における電気的に励起されたピストンモードとカラー構造体５１０の領域における機械的に励起されたエバネセントモードとのモード重なりに関して、カラー構造体５１０の形成に使用される平坦化層の音響インピーダンスの影響を示す。
【００５４】
図７のグラフは、ＦＢＡＲ４００及びＦＢＡＲ５００Ａを構成する様々な層の正規化ピーク歪みエネルギー（normalized peak strain energy：ＮＰＳＥ）分布を描く。各層を区別するために、その音響インピーダンス（Ｚａ）も図７に示される。説明上、下側電極４１５及び上側電極４３０はそれぞれ、約３８０ｎｍ（３８００Å）及び３３０ｎｍ（３３００Å）のモリブデンから形成され、圧電層４２５は約９３０ｎｍ（９３００Å）のＡｌＮから形成された。更に、パッシベーション層（図４に示されず）は約２４０ｎｍ（２４００Å）のＡｌＮから形成された。カラー構造体５１０は、ＮＥＢＳＧから形成されたＦＢＡＲ５００Ａの平坦化層に対して約３８０ｎｍ（３８００Å）のＳｉＣから形成され、又はＳｉＣから形成されたＦＢＡＲ５００Ａの平坦化層に対して約４２．５ｎｍ（４２５０Å）のＳｉＣから形成された。正規化ピーク歪みエネルギー分布は、左側のｙ軸で表され、各層の音響インピーダンスは右側のｙ軸で表される。
【００５５】
図７において、ＦＢＡＲ４００及びＦＢＡＲ５００Ａの各層は、その層の一定の音響インピーダンスにより示される。異なる層間の境界は、垂直線７０１〜７０４により示される。各スタックの底部は、０に等しい垂直のスタック座標（水平軸）に位置する。線７０１は、ＦＢＡＲ４００及びＦＢＡＲ５００Ａにおいて下側電極４１５を圧電層４２５から分離する。線７０２は、ＦＢＡＲ４００において圧電層４２５を上側電極４３０から分離する。しかしながら、ＦＢＡＲ５００Ａのカラー構造体５１０の領域において、線７０２が圧電層４２５を平坦化層５０５から分離する。線７０３は、ＦＢＡＲ４００において上側電極４３０をパッシベーション層（図４〜図５に示されず）から分離する。ＦＢＡＲ５００Ａのカラー構造体５１０の領域において、線７０３が平坦化層５０５をパッシベーション層から分離する。線７０４は、パッシベーション層／空気界面におけるＦＢＡＲ４００の上面を示す。ＦＢＡＲ５００Ａのカラー構造体５１０の領域において、線７０４は、パッシベーション層をカラー構造体５１０から分離する。ＦＢＡＲ５００Ａのカラー／空気界面は、ＮＰＳＥ及びＺａ分布が終了する点（水平軸において約２．３μｍの所）により示される。
【００５６】
曲線Ｃ１及びＣ４の第１の組は、図４のＦＢＡＲ４００（「第１のＦＢＡＲ」）に対応する。曲線Ｃ１は、ＦＢＡＲ４００のアクティブ部分における電気的に励起されたピストンモードのＮＰＳＥを示す。このデバイスのシミュレートされたＲｐ値は、約１３００オームである。ＦＢＡＲ４００及び５００Ａのアクティブ部分が本質的に等しいので、曲線Ｃ１は、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分における電気的に励起されたピストンモードのＮＰＳＥも示す。曲線Ｃ４は、ＦＢＡＲ４００及びＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分を構成する各層の音響インピーダンスＺａを示す。
【００５７】
曲線Ｃ２及びＣ５の第２の組はそれぞれ、上側平坦化層５０５及びカラー構造体５１０がスパッタリングされた炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成され、介在するパッシベーション層がＡｌＮから形成されたＦＢＡＲ５００Ａ（「第２のＦＢＡＲ」）のＮＰＳＥ分布とＺａに対応する。上述したように、カラーの厚さは約４２５ｎｍ（４２５０Å）であり、ＦＢＡＲデバイスは、カラー構造体５１０の最適化された幅に関して約３７００オームのシミュレートされたＲｐ値を有する。
【００５８】
曲線Ｃ３及びＣ６の第３の組は、上側平坦化層５０５がＮＥＢＳＧから形成され、パッシベーション層がＡｌＮから形成され、及びカラー構造体５１０がスパッタリングされたＳｉＣから形成されたＦＢＡＲ５００Ａ（「第３のＦＢＡＲ」）のＮＰＳＥ分布およびＺａに対応する。上述したように、カラーの厚さは約３８０ｎｍ（３８００Å）であり、ＦＢＡＲデバイスは、カラー構造体５１０の最適化された幅に関して約１９５０オームのシミュレートされたＲｐ値を有する。
【００５９】
曲線Ｃ１により示されるように、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分における電気的に励起されたピストンモードは、スタックを横切る非常に対称的な分布を有し、ＡｌＮ層の中間に位置するピークエネルギーを有する。図７に示されていないことは、非ゼロの応力および変位成分が図７の水平座標（ＦＢＡＲ５００Ａの垂直座標である）に沿って生じていることのみを意味するピストンモードが純粋に縦運動に対応する事実である。ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分とカラー構造体５１０との間の界面において、全ての横モード（伝播、エバネセント、及び高次複雑モード）が、構造的不連続性および電界の不連続性により励起されている。伝播モードは、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分から離れるようにエネルギーを伝えることができ、望ましくないＱファクタ及びＲｐの劣化をまねく。しかしながら、上述したように、エバネセントモード及び複雑モードが、励起の点から指数関数的に減衰し、かくして、カラーが十分に広い場合、エバネセントモード及び複雑モードは、基板４０５のような、ＦＢＡＲ５００Ａの周囲に任意の著しい音響エネルギー損失という結果にならないことができる。かくして、カラー構造体５１０の領域におけるエバネセントモード及び複雑モード励起の最大化および伝播モード励起の最小化は、ＦＢＡＲ５００ＡのＱファクタ及びＲｐを有利に増加させることができる。
【００６０】
一般に、励起するモードと特定の励起されたモード（例えば、エバネセントＴＥモード）との間のモード分布の整合を改善することは、これら特定の励起されたモードの増加した励起という結果になる。曲線Ｃ２及びＣ３により示されるように、第２のＦＢＡＲ５００Ａ（曲線Ｃ２）のエバネセントＴＥモードにおけるＮＰＳＥ分布は、第３のＦＢＡＲ５００Ａ（曲線Ｃ３）のエバネセントＴＥモードにおけるＮＰＳＥ分布より、ピストンモードのＮＰＳＥ分布に一層厳密に類似している。かくして、第２のＦＢＡＲ５００Ａ（曲線Ｃ２）は、第３のＦＢＡＲ５００Ａ（曲線Ｃ３）よりも約２倍高いＲｐを有する。しかしながら、指摘されるべきは、モード機械励起プロセスの一層厳しい分析は、膜／カラー界面の両側での適切な応力と粒子速度成分との間の重なり積分の計算を必要とし、そのため、図７のＮＰＳＥ分布の比較は、単なる例示とみなされ得る。
【００６１】
第１のＦＢＡＲは、ＦＢＡＲ４００の通過帯域の周波数範囲にわたって、上側電極４３０を越える領域においてエバネセントモードをサポートしない。従って、ピストンモード（曲線Ｃ１）から大幅な量のエネルギーが、図７の線７０２の左側に例示的に示されたように、下側電極４１５と圧電層４２５から構成されたスタックによりサポートされる伝播モードに移動することができ、低いＲｐ及びＱファクタの値という結果になる。かくして、第２及び第３のＦＢＡＲの双方は、ＦＢＡＲ５００Ａの通過帯域の周波数範囲において、カラーがエバネセントＴＥモードをサポートする結果として、ＦＢＡＲ４００に比べて改善されたＲｐを有する。かくして、カラー構造体５１０を包含することは、デバイス性能にプラスの効果を有する傾向がある。
【００６２】
第２のＦＢＡＲのカラー構造体５１０の領域におけるｅＴＥモードのＮＰＳＥ分布が依然としてアクティブ領域におけるピストンモードのＮＰＳＥ分布と大幅に異なるが、第２のＦＢＡＲは、第１のＦＢＡＲよりも大幅に高いＲｐ値（約３倍大きい）を有する。また、第３のＦＢＡＲに比べて第２のＦＢＡＲのかなり高いＲｐ値は、少なくとも部分的に、平坦化層を形成するＳｉＣがＮＥＢＳＧよりも大きい音響インピーダンスを有するという事実に起因すると考えられ得る。この音響インピーダンスの差異は、図７の垂直線７０２と７０３との間の領域である、平坦化層の領域における曲線Ｃ５とＣ６の差により示される。従って、他の全てのことが等しいならば、より高い音響インピーダンスの材料を用いて、これら特徴要素を形成することは有益であるかもしれない。かくして、図５Ｂに関連して説明された複合平坦化層を含む構造体は、ＦＢＡＲ５００Ｂデバイスのプロセスの複雑性および改善された性能という点で、有益なトレードオフを提供することができる。
【００６３】
図８は、カラー構造体５１０の幅と高さの関数として、ＦＢＡＲ５００Ａのシミュレートされた並列抵抗Ｒｐを示す等高線図である。図８の例において、下側電極４１５及び上側電極４３０はそれぞれ、約３００ｎｍ（３０００Å）及び２５０ｎｍ（２５００Å）の厚さのモリブデンから形成され、圧電層５２５は１１５０ｎｍ（１１５００Å）の厚さの窒化アルミニウムから形成され、平坦化層５０５は、約２５０ｎｍ（２５００Å）の厚さのＮＥＢＳＧから形成され、パッシベーション層は約２４０ｎｍ（２４００Å）の厚さの窒化アルミニウムから形成され、カラー構造体５１０は窒化アルミニウムから形成された。図８において、カラー構造体５１０の幅と高さはそれぞれ、ｘ軸とｙ軸に表示されている。幅は、上側電極４３０の個々の右側エッジとカラー構造体５１０との間の位置合わせを維持しながら、１μｍから１３μｍの範囲にわたって掃引された
【００６４】
図８を参照すると、約５μｍの垂直線８０５は、トレンチ４１０のエッジに到達しているカラー構造体５１０の幅を示す。この線を越えて（５μｍより大きい水平軸上の値にわたって）、カラー構造体は基板４０５の上に延在する。
【００６５】
円８１５は、Ｒｐの最大値を示し、その円から延びる水平矢印は、すぐ近くに配置された他の局所的な最大値を示す。これら局所的な最大値の位置は、Ｒｐがカラー構造体５１０の幅の周期関数（約２．５μｍの周期）であることを示す。円８１５の領域において、ＦＢＡＲ５００Ａは、約５３００オームのＲｐ値および約５．９５％のＫｔ２の値を呈する。比較すると、カラー構造体５１０が無いＦＢＡＲ４００は、約１３００オームのＲｐ値および約５．８７％のＫｔ２の値を呈する。従って、カラー構造体の適切な幅と高さは、Ｋｔ２を減少させずに、大幅に改善されたＲｐをもたらすことができる。カラー構造体５１０の高さと幅に対するＲｐの特定の依存は、ＦＢＡＲ５００Ａに使用される実際のスタックの厚さ及び材料、並びに平坦化層５０５及びカラー構造体５１０の設計パラメータに依存する可能性がある。指摘されるべきは、図８に示された例示的な例において、最大Ｒｐ値は、約３００ｎｍ（３０００Å）のカラーの厚さで生じ、より薄いカラーは、大幅に低いＲｐ値を示す。これらのより薄いカラーについて、カラー領域５１０のカットオフ周波数は、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分の直列共振周波数よりも大幅に高く、有害にＲｐを下げるかもしれない伝播モードの著しい励起という結果になる。他方では、３００ｎｍ（３０００Å）よりも厚いカラーについて、カラー５１０の厚さの増加に伴うＲｐの劣化は、比較的小さい。これは、３００ｎｍ（３０００Å）よりも厚いカラー５１０が、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分の電気的に励起されたピストンモードに有効に結合することができる、ＦＢＡＲ５００Ａのアクティブ部分の直列共振周波数を上回る周波数に関してエバネセントＴＥモードをサポートするからであろう。上述したように、ひとたびピストンモードがカラー５１０の領域においてエバネセントＴＥモードに有効に結合するならば、音響損失が制限されることができ、それによりＱファクタ及びＲｐ値の増加という結果になることができる。
【００６６】
図９は、図４及び図５Ａの個々のＦＢＡＲのシミュレートされたＱファクタ及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。図９の例において、ＦＢＡＲ５００Ａは、約３００ｎｍ（３０００Å）の厚さ、及び約９μｍの幅を有するカラー構造体５１０と共に形成された。これらの寸法は、図８の円８１５の領域にほぼ対応する。
【００６７】
図９を参照すると、Ｑファクタは、左側のｙ軸により表され、Ｒｐは右側のｙ軸により表される。Ｑファクタ及びＲｐの値は、入力信号の周波数の関数として示される。
【００６８】
第１の曲線Ｃ１は、ＦＢＡＲ４００のＱファクタを示し、第２の曲線Ｃ２はＦＢＡＲ５００ＡのＱファクタを示す。第３の曲線Ｃ３はＦＢＡＲ４００のＲｐ値を示し、第４の曲線Ｃ４はＦＢＡＲ５００ＡのＲｐ値を示す。
【００６９】
Ｑファクタのピーク値は、約１．９８９ＧＨｚにおいて各デバイスで発生する。この周波数は、個々のデバイスの直列共振周波数Ｆｓに対応する。同様に、Ｒｐのピーク値は、約２．０４１ＧＨｚにおいて２つのデバイスの各々で発生する。この周波数は、個々のデバイスの並列共振周波数Ｆｐに対応する。これらデバイスの帯域幅は、ＦｓとＦｐのこれら個々の値間の周波数範囲に対応する。従って、この例において、２つのデバイスは同様の帯域幅を有する。
【００７０】
両矢印により示されるように、Ｆｓを上回る周波数において、ＦＢＡＲ５００Ａは、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＱファクタを有する。更に、第３の曲線Ｃ３及び第４の曲線Ｃ４の個々のピークにより示されるように、ＦＢＡＲ５００Ａは、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＲｐ値を有する。特に、ＦＢＡＲ５００Ａは、約４４００オームのＲｐ値を有するが、ＦＢＡＲ４００は、約１３００オームのＲｐ値を有する。当業者によって理解されるべきは、ＦＢＡＲ４００と比較した場合、ＦＢＡＲ５００ＡのＲｐは、帯域幅の何らかの著しい劣化を伴わずに約３倍だけ増加している。
【００７１】
図１０は、代表的な実施形態に従って、圧電層４２５の下に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲ１０００の断面図である。
【００７２】
図１０を参照すると、ＦＢＡＲ１０００は、カラー／フレーム構造体１００５が圧電層４２５と平坦化層４２０及び下側電極４１５の上面との間に形成されていることを除いて、ＦＢＡＲ４００に類似する。カラー／フレーム構造体１００５の厚さは、アクティブ領域およびカラー領域における個々のカットオフ周波数が図５Ａ及び図７に関連して説明されたのと同じ理由で実質的に一致するように調整される。
【００７３】
カラー／フレーム構造体１００５は、上側電極４３０の外側エッジの下の領域（即ち、アクティブ領域）へと延在する。この延在した部分は、一体化カラー／フレーム構造体のフレーム部分を構成し、残りの部分はカラー部分を構成する。
【００７４】
カラー／フレーム構造体１００５は一般に、炭素ドープ酸化ケイ素（ＣＤＯ）の比較的薄い層により形成されるが、様々な代替の実施形態において、他の材料が使用され得る。より厚い層とは対照的に、比較的薄い層を使用することは、その上に成長される圧電層４２５の品質を改善する傾向がある。ＣＯＤのような比較的低い音響インピーダンス材料を使用することにより、当該構造体が、カラー／フレーム層の比較的小さい厚さに対して比較的大きな周波数シフトを達成することが可能になる。一般に、カラー／フレーム１００５の層は、下側電極４１５及び平坦化層４２０の層の堆積と形成の後に堆積される。ドライエッチングを用いて、カラー／フレーム１００５の領域の所望のパターを形成し、その後に圧電層４２５の堆積が続く。
【００７５】
図１１は、カラー／フレーム構造体１００５の幅およびカラー／フレーム構造体１００５とトレンチ４１０との間の重なり部分の関数として、ＦＢＡＲ１０００のシミュレートされた並列抵抗Ｒｐを示す等高線図である。下側電極４１５、圧電層４２５、及び上側電極４３０は、図８のＦＢＡＲ５００Ａに関連して説明されたものと同じ材料および同じ厚さで形成される。図１１に関連して説明される例示的な実施形態において、平坦化層５０５及びパッシベーション層は存在しない。
【００７６】
図１１の例において、カラー／フレーム構造体１００５は、約４０ｎｍ（４００Å）の厚さを有する。この厚さは、カラー領域におけるカットオフ周波数をＦＢＡＲ１０００のアクティブ領域のカットオフ周波数と一致させるように設計される。上側電極４３０のエッジは、トレンチ４１０の側部から−５μｍの距離に位置する。Ｒｐ値は、ｙ軸に示されるようにカラー／フレーム構造体１００５の幅を０から１０μｍまで掃引し、且つｘ軸に示されるようにカラー／フレーム構造体１００５とトレンチ４１０との間の重なり部分を−１０から−５まで掃引することにより生成された。ｘ軸に示された負の値は、カラー／フレーム構造体１００５の内側エッジとトレンチ４１０のエッジとの間の距離を示す。かくして、例えば、−１０μｍの値は、カラー／フレーム１００５の内側エッジが１０μｍの距離だけトレンチ４１０内にあり、同時にカラー／フレーム構造体１００５の内側エッジが上側電極４３０に５μｍの距離だけ部分的に重なっていることを示す。
【００７７】
上側電極４３０のエッジがトレンチ４１０の側部から５μｍの距離に位置するので、カラー／フレーム構造体１００５のより狭いバージョン（例えば、５μｍ未満の幅であるもの）は、フレームを形成する上側電極４３０の下に必ずしも延在しておらず、又はカラー構造体を形成する電極４３０のエッジを越えて必ずしも延在していない。図１１の等高線図における線１１０５は、フレームのみの設計、即ちカラー／フレーム構造体１００５が上側電極４３０の層の下に延在するが、外側エッジが上側電極４３０のエッジと揃っているものを区別する。線１００５より下の設計は、上側電極４３０の下に完全に制限される。線１００５の上の設計は、真のカラー／フレーム設計である。
【００７８】
図１１において、Ｒｐの最大値は１１１０で表示された点で生じる。この点において、Ｒｐは約１１５００オームであり、Ｋｔ２は約６％である。比較すると、カラー／フレーム構造体１００５を備えない同じデバイスは、約１０００オームのＲｐ及び約６％のＫｔ２を有する。従って、カラー／フレーム１００５を使用することは、Ｋｔ２に対する最小限の影響でもって約１１倍のＲｐの改善をもたらすことができる。しかしながら、線１１０５の下の比較的低いＲｐ値により示されるように、カラー／フレーム構造体１００５からカラー部分を省くことは、比較的貧弱な性能をもたらす可能性がある。また、−５μｍに等しいカラー／トレンチの重なり部分の値（カラー／フレーム１００５の内側エッジが上側電極４３０のエッジと揃っている）により示されるように、カラー／フレーム構造体１００５からフレーム部分を省くことも、比較的貧弱な性能をもたらす可能性がある。
【００７９】
図１１は、ＦＢＡＲ１０００の一例において、フレーム部分が、改善されたＲｐをもたらすことを示すが、カラー／フレーム１００５の幅およびトレンチ４１０との重なり部分に対するＲｐの特定の依存性は、ＦＢＡＲ１０００及びカラー／フレーム１００５の設計に使用される実際のスタックの厚さ及び材料に依存する可能性がある。従って、様々なスタック設計、動作周波数の範囲および／または選択された材料に関して、カラーのみの構成は、ＦＢＡＲ１０００の改善された性能に著しい利益をもたらすことができる。
【００８０】
図１２及び図１３は、図４及び図１０のそれぞれのＦＢＡＲ４００及び１０００のシミュレートされたＱファクタ及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。
【００８１】
図１２及び図１３のそれぞれの例において、ＦＢＡＲ１０００は、ＣＤＯから形成され、４０ｎｍ（４００Å）の厚さを有するカラー／フレーム構造体１００５を含む。双方の例において、カラー／フレーム構造体１００５は、トレンチ４１０へと９．５μｍだけ延在し、それ故にそれは上側電極４３０と４．５μｍだけ部分的に重なる。図１２の例において、カラー／フレーム構造体は、４μｍの幅を有し、そのため、それは本質的にフレームのみの設計である。図１３の例において、カラー／フレーム構造体１００５は８．５μｍの幅を有し、そのため、それは真のフレーム／カラー設計であり、図１１にシミュレートされた最も高いＲｐ値を有する設計に対応する。双方の例において、ＦＢＡＲ４００は、ＦＢＡＲ１０００と同じ寸法を有するが、それにはカラー／フレーム構造体１００５が無い。
【００８２】
図１２及び図１３の各々において、Ｑファクタが左側のｙ軸により表され、Ｒｐが右側のｙ軸により表される。Ｑファクタ及びＲｐの値は、入力信号の周波数の関数として示される。また、図１２及び図１３の双方において、第１の曲線Ｃ１は、ＦＢＡＲ４００のＱファクタを示し、第２の曲線Ｃ２はＦＢＡＲ１０００のＱファクタを示し、第３の曲線Ｃ３はＦＢＡＲ４００のＲｐ値を示し、第４の曲線Ｃ４はＦＢＡＲ１０００のＲｐ値を示す。
【００８３】
図１２において、Ｑファクタのピーク値は、双方のデバイスの直列共振周波数Ｆｓを表す約２．１ＧＨｚにおいて各デバイスで発生する。Ｒｐのピーク値は、ＦＢＡＲ４００については約２．１５４ＧＨｚにおいて発生し、ＦＢＡＲ１０００については約２．１５２ＧＨｚで発生し、当該周波数はそれぞれ、各デバイスの並列共振周波数Ｆｐを表す。Ｆｓを上回る周波数において、ＦＢＡＲ１０００は、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＱファクタを有する。更に、第３の曲線Ｃ３及び第４の曲線Ｃ４の個々のピークにより示されるように、ＦＢＡＲ１０００は、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＲｐ値を有する。特に、ＦＢＡＲ１０００は、約４５００オームのＲｐ値を有するが、ＦＢＡＲ４００は、約１０００オームのＲｐ値を有する。
【００８４】
図１３において、Ｑファクタの第１のピーク値は、双方のデバイスの直列共振周波数Ｆｓを表す約２．１ＧＨｚにおいて各デバイスで発生する。Ｒｐのピーク値は、双方のデバイスで、双方のデバイスの並列共振周波数Ｆｐを表す約２．１５４ＧＨｚにおいて発生する。Ｆｓを上回る周波数において、ＦＢＡＲ１０００は、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＱファクタを有する。更に、第３の曲線Ｃ３及び第４の曲線Ｃ４の個々のピークにより示されるように、ＦＢＡＲ１０００は、ＦＢＡＲ４００よりも大幅に高いＲｐ値を有する。特に、ＦＢＡＲ１０００は、約１１５０００オームのＲｐ値を有するが、ＦＢＡＲ４００は、約１０００オームのＲｐ値を有する。
【００８５】
図１２及び図１３により示されるように、カラー／フレーム構造体１００５を使用することは、ＦＢＡＲのＲｐ及びＱファクタの双方を著しく改善することができる。更に、カラー／フレーム構造体１００５の幅を４μｍから８．５μｍまで延ばす（又は、言い換えれば、フレームのみ構造体をカラー／フレーム構造体まで広げる）ことは、ＦＢＡＲ１０００のＲｐ値に大きな改善をもたらすことができる。指摘されるべきは、フレームを用いる設計に関して一般的であるが、図１２のＦＢＡＲ１０００のＫｔ２がＦＢＡＲ４００のそれよりも僅かに低い。フレームはＫｔ２を低減する傾向があり、その理由は、それらが、駆動電界とピストンモードの機械的な動きとの間の重なりを低減するからであり、これは、上述したようにピストンモードの振幅がフレーム構造体により下げられるからである。同時に、図１３のＦＢＡＲ１０００のＫｔ２は、ＦＢＡＲ４００のものとほぼ同じで、約〜６％であり、適切に設計されたカラーがＫｔ２値のフレームに関連した劣化を補償することができることを示す。
【００８６】
図１４は、代表的な実施形態に従って、下側電極と基板との間に形成されたカラー構造体を含むＦＢＡＲ１４００の断面図である。
【００８７】
図１４を参照すると、ＦＢＡＲ１４００は、カラー構造体１４０５が基板４０５と平坦化層４２０及び下側電極４１５の底面との間に形成されていることを除いて、ＦＢＡＲ４００に類似する。更に、平坦化層４２０の一部は、カラー構造体１４０５に隣接して下側電極４１５の下に形成される。上述した他の実施形態と同様に、カラー構造体１４０５の幅と厚さは、図５Ａ、図５Ｂ及び図７に関連して詳述されたように、アクティブ領域およびカラー領域のカットオフ周波数と適切なモードプロファイルが本質的に一致するように調整され得る。カラー１４０５を形成するプロセスは、トレンチ４１０を形成するプロセスと実質的に同じである。トレンチ４１０が犠牲材料で充填された後、カラー構造体１４０５の層が堆積され、その後、ＦＢＡＲ１４００中央部分に所望の開口を形成するためにドライエッチングが続く。犠牲材料がＦＢＡＲ１４００の中央部分に堆積され、その後ＣＭＰ平坦化が続く。次いで、カラー層１４０５の外側エッジがパターン形成されてエッチングされる。次いで、例えばＡｌＮの３０ｎｍ（３００Å）のエッチング停止層が堆積され、そして平坦化材料の層が続く。当該材料がＦＢＡＲ１４００のカラー及び中央部分からエッチング除去され、そしてＣＭＰ平坦化および下側電極４１５の堆積が続く。下側電極がパターン形成され、その後、下側電極の反対側にある層４２０の上側部分である平坦化材料の追加の層の堆積およびパターン形成およびＣＭＰが続く。当然のことながら、当業者には明らかなように、カラー構造体１４０５を形成するために、様々な他の技術が採用され得る。
【００８８】
しかしながら、カラー１４０５は下側電極の下に実質的に位置するので、それは誘電体層ではなくて金属から形成され得る。特に、カラー１４０５を形成するために金属層を用いることの２つの利点が存在する。第１に、幾つかの金属材料（例えば、モリブデン又はタングステン）は一般に、誘電体材料よりも大幅に高い音響インピーダンスを有し、そのため、ＦＢＡＲ１４００のアクティブ領域とカラー１４０５領域におけるモード分布のマッチングが、改善されることができ、Ｒｐ値およびＱファクタ値にできる限りの更なる改善をもたらす。第２に、金属のカラー１４０５は、ＦＢＡＲ１４００の直列抵抗Ｒｓに対する一層低い電気的寄与という結果になることができる電流再分配層を形成することができる。
【００８９】
図１５は、別の代表的な実施形態に従って、下側電極と基板との間に形成されたカラー／フレーム構造体を含むＦＢＡＲ１５００の断面図である。
【００９０】
図１５を参照すると、ＦＢＡＲ１５００は、アクティブ領域へと、即ち上側電極４３０のエッジを越えて延在するカラー／フレーム構造体１５０５を含むことを除いて、ＦＢＡＲ１４００と類似する。カラー構造体１４０５に類似して、カラー／フレーム構造体１５０５の幅と厚さは、アクティブ領域およびカラー領域のカットオフ周波数とモードプロファイルが本質的に一致するように調整され得る。これら及び他の調整が、例えばシミュレーション、実験、又は数学的モデル化のようなプロセスを通じて、この及び他の実施形態に行われ得る。
【００９１】
上述した実施形態において、カラー構造体およびカラー／フレーム構造体は一般に、従来の処理技術（例は、様々な形態の堆積、エッチング、研磨などを含む）を用いて形成されることができる。更に、説明された実施形態および関連する製造方法は、当業者には明らかなように、様々な方法で変更され得る。例示的な実施形態が本明細書で開示されたが、当業者は、本教示に従う多くの変形が可能であり、且つ係る変形が添付の特許請求の範囲の範囲内にあることを理解するであろう。例えば、１つのタイプの変形は、異なる層のカラー又は幾つかの層のカラー／フレームを、他の層のカラーと組み合わせることを含む。別のタイプの変形例は、例えば、異なる層のカラーの幅のような様々なパラメータに対する調整、又はＦＢＡＲ構造体を完全に包囲しないカラーを形成することを含むことができる。更に別のタイプの変形は、例えば、図５Ａに示された平坦化層５０５を用いずに、圧電層の上面に直接的に形成されたカラー又はカラー／フレームを含むことができる。別の例示的な変形例は、例えば、上側電極または下側電極または圧電層の内側にカラー層を形成することを含むことができる。これら及び他の変形は、本明細書、図面および特許請求の範囲を精査した後に、当業者に明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想およびその範囲内を除き限定されるべきではない。
【符号の説明】
【００９２】
100  音響共振器
105、415  下側電極
110、425  圧電層
115、430  上側電極
400、500A、500B、600A、600B、1000、1400、1500  ＦＢＡＲ
405  基板
410  トレンチ
420、505  平坦化層
505A  第１の層
505B  第２の層
510、1405  カラー構造体
610、1005、1505  カラー／フレーム構造体
【図１Ａ】
2014090414.tif 000003
【図１Ｂ】
2014090414.tif 000004
【図２】
2014090414.tif 000005
【図３Ａ】
2014090414.tif 000006
【図３Ｂ】
2014090414.tif 000007
【図３Ｃ】
2014090414.tif 000008
【図４】
2014090414.tif 000009
【図５Ａ】
2014090414.tif 000010
【図５Ｂ】
2014090414.tif 000011
【図６Ａ】
2014090414.tif 000012
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図９】
2014090414.tif 000015
【図１０】
2014090414.tif 000016
【図１２】
2014090414.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
2014090414.tif 000019
【図１５】
2014090414.tif 000020
【図８】
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【図１１】
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