CN101465628A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器,包括衬底、缓冲层、压电层和电极,其特征在于:①衬底上端面设置有平滑的凹槽和缓冲层,所述缓冲层跨越凹槽与衬底形成一具有平滑上凸边缘的空气隙并完全覆盖该空气隙,所述空气隙下顶面的高度低于衬底,具有平整的表面和平缓变化的边界;②所述缓冲层的与空气隙接触面且临近衬底的边缘为平滑外凸形状,缓冲层上设置所述压电层,电极包括底电极和顶电极,所述底电极设置在缓冲层上压电层内,所述顶电极设置在压电层的上面。该体声波谐振器结构新颖,该方法能够在衬底上制作出结构稳定、损耗小的FBAR,且无需采用CMP工艺,有利于集成于CMOS芯片中。

Description

一种薄膜体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域,具体涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
无线通讯终端的多功能化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。传统的声表面波器件在2.4GHz以上的高频段插入损耗大,微波介质技术有很好的性能但是体积太大。薄膜体声波谐振器(FBAR)技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通讯技术,尤其是个人无线通信技术的快速发展而出现的一种新的射频器件技术。它具有极高的Q值(1000以上)和可集成于IC芯片上的优点,同时有效地避免了声表谐振器和介质谐振器的缺点。
FBAR是制作在衬底材料上的电极——压电膜——电极的三明治结构的薄膜器件。FBAR的压电材料通常采用PZT、ZnO和氮化铝。其中氮化铝声速最高,因此应用于更高的频率,符合现在无线通信往高频化发展的要求。并且氮化铝具有相对另外两种材料温度损耗低、化学稳定性好、制备工艺相对简单的优点。此外,锌、铅、锆等材料对于CMOS工艺来说是很危险的材料,因为它们会严重降低半导体中载流子的寿命,而氮化铝不存在这个问题。因此,氮化铝是FBAR兼容在CMOS器件中的理想材料。
FBAR的结构有空气隙型、布拉格反射型(SMR)和背面刻蚀型。其中空气隙型FBAR相对SMR型Q值要高,损耗要小;相对背面刻蚀型FBAR不需去掉大面积的衬底,机械强度较高。因此,空气隙型FBAR是集成于CMOS器件上的首选。
通常空气隙型FBAR的结构如图1所示。它包括衬底、衬底上的空气隙、衬底上跨越空气隙依次制作的底电极、压电层和顶电极。通常的工艺方法是:先在硅衬底上各向异性腐蚀出一个凹坑,然后在凹坑中填充牺牲层材料,牺牲层材料可以是Al、Mg或者二氧化硅。表面经CMP抛光后溅射生长一层金属膜,对应在牺牲层上方的位置刻蚀出底电极图形。然后在底电极上方沉积一层压电膜,经刻蚀后,该压电膜盖过衬底上凹坑的边界,并且露出底电极的引出端。接下来在压电膜上沉积一层金属膜,刻蚀出顶电极图形。接下来通过干法刻蚀在压电层上腐蚀出一个窗口,将牺牲层部分露出来。最后从刻出的释放窗口将牺牲层释放,衬底上跨过空气隙的FBAR就制作出来了。
为了降低制作难度和提高FBAR的性能,前人提出过不少改进措施,如安捷伦科技有限公司的《制作薄膜体声波谐振器的改进方法和以该法实现的薄膜体声波谐振器结构》(公开号:CN1373556,公开日:2002.10.09),提出了在衬底上增加沟道以利于牺牲层释放孔的制作。Tetsuo Yamada等人的《Method OfProducing Thin Film Bulk Acoustic Resonator》(公开号:US7140084B2,公布日:2006.11.28)提出了降低薄膜表面粗糙度提高FBAR的品质。但这些改进后的结构仍然存在缺点:1.为了保证FBAR具有良好的频率稳定性,底电极和顶电极之间的区域需要非常平整。需要采用高精度CMP技术磨平硅表面,增大了对加工设备和硅片厚度精度控制的要求,且不利于CMOS芯片上加工FBAR。2.通常压电层上有一定厚度的非晶过渡区域,当FBAR的应用频率从几个GHz上升到几十GHz以上时,压电层会制作得越来越薄,择优取向的压电膜层厚度与非晶过渡区域厚度之比将会减小,这将导致FBAR的插入损耗变大,Q值降低。这就限制了FBAR往高频方向的发展。
因此,仍然有这样的需要来改进空气隙型FBAR的制作技术,即采用常规的CMOS生产工艺就能获得平整的FBAR谐振区的表面,以降低FBAR的制作难度和提高与CMOS电路的兼容性,并采用合适的工艺来改善压电膜的品质,降低FBAR的插入损耗和提升应用频率。
发明内容
本发明所要解决的问题是:如何提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法,该体声波谐振器结构新颖,该方法能够在衬底上制作出结构稳定、损耗小的FBAR,且无需采用CMP工艺,有利于集成于CMOS芯片中。
本发明所提出的技术问题是这样解决的:提供一种薄膜体声波谐振器,包括衬底、缓冲层、压电层和电极,其特征在于:
①衬底上端面设置有平滑的凹槽和缓冲层,所述缓冲层跨越凹槽与衬底形成一具有平滑上凸边缘的空气隙并完全覆盖该空气隙,所述空气隙下顶面的高度低于衬底,具有平整的表面和平缓变化的边界;
②所述缓冲层的与空气隙接触面且临近衬底的边缘为平滑外凸形状,缓冲层上设置所述压电层,电极包括底电极和顶电极,所述底电极设置在缓冲层上压电层内,所述顶电极设置在压电层的上面。
按照本发明所提供的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述缓冲层为非晶态的氮化铝层,压电层为c轴取向的氮化铝层,衬底为硅衬底。
按照本发明所提供的薄膜体声波谐振器,其特征在于,设置有牺牲层释放窗口,该释放窗口位于空气隙边界和电极边界之间。
一种薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
①在衬底上制备一层氮化硅膜;
②在氮化硅膜上光刻出具有牺牲层轮廓的窗口,即空气隙的轮廓在衬底上的轮廓,将窗口处的氮化硅刻蚀掉;
③通过局部热氧化的方法在窗口处形成二氧化硅牺牲层,控制热氧化的时间得到所需要的牺牲层厚度,该二氧化硅牺牲层具有平整的表面和平缓变化的边界;
④去除剩余的氮化硅;
⑤采用溅射的方法低温生长一层非晶态氮化铝,即所需的缓冲层,形成空气隙;
⑥在缓冲层的上表面溅射生长一层金属层并光刻出底电极图形;
⑦形成底电极后在底电极上生长一层压电层并刻蚀出压电层图形,该压电层图形边界大于空气隙的边界;
⑧在压电层的上表面沉积顶电极,刻蚀出顶电极的图形;
⑨释放牺牲层并干燥。
一种体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
①在经过抛光的硅表面上用CVD方法沉积一层80~120nm的氮化硅,该抛光表面是(100)、(110)或者(111)取向,然后用光刻的方法将对应牺牲层区域的氮化硅去掉;
②在上述生长了氮化硅的硅表面,通过局部湿法热氧化处理,在被去除氮化硅的区域生长一层二氧化硅,该二氧化硅的厚度在400nm~800nm之间;
③去除硅表面残余氮化硅;
④在上述步骤后,在硅表面生长一层60~80nm的非晶态氮化铝层,然后在非晶态氮化铝层上溅射生长一层金属并光刻出底电极图形,该底电极材料采用钼,厚度为100~200nm,非晶态氮化铝在小于200℃、功率密度<5W·cm-2的条件下由射频溅射的方法获得;
⑤在上述步骤后,在硅表面生长一层c轴取向的氮化铝压电层,该氮化铝压电层的厚度根据实际应用的频率范围决定,c轴取向的氮化铝压电层在温度>250℃、功率密度>10W·cm-2和氮气浓度>50%的条件下由射频溅射的方法获得;
⑥用湿法刻蚀出压电层的图形,该压电层图形边界轮廓大于空气隙边界轮廓,在刻蚀出压电层图形的同时,牺牲层释放窗口也被刻蚀出来,释放窗口位于空气隙边界和电极边界之间;
⑦溅射沉积顶电极金属,并刻蚀出顶电极图形。该顶电极材料通常采用钼,厚度为100~200nm;
⑧释放牺牲层并且干燥。
本发明的有益效果:本发明在结构上有所创新,其具有平整的表面和平缓变化的边界的空气隙,满足了FBAR底电极和顶电极之间的谐振区域对平整度的要求,同时平缓变化的边界避免了射频溅射镀膜对陡直台阶覆盖不好的问题,故空气隙边界处薄膜有足够的厚度支撑整个器件;另外设置有缓冲层,它在谐振区域具有平整的表面,而在边界处通过平缓的弧面连接到衬底上,该缓冲层采用非晶氮化铝为材料,作用是解决底电极材料在热氧化生长的二氧化硅或磷硅玻璃(PSG)上粘附不牢的问题,该非晶氮化铝材料缓冲层压电层材料相同的化学性质,在刻蚀压电层时即能同时去除多余的缓冲层部分,不会增加工艺难度。
本发明的制备方法比起已有技术的FBAR来说具有如下优点:首先,牺牲层的制备无需引入CMP过程,借助传统的氧化设备即可获得,所以降低了制作工艺对设备的要求,并且更方便融入CMOS工艺步骤中;其次,该技术制作的FBAR的压电层能够保证在不增大器件的插入损耗的情况下做的更薄,所以有利于将FBAR的应用频率做的更高。
在硅上局部湿法热氧化制作牺牲层的方法也是本发明的一个特点,通过该方法在抛光过的硅衬底上得到的牺牲层具有非常平整的顶面,同时具有平缓过渡的边缘,其平整顶面满足了FBAR底电极和顶电极之间的谐振区域对平整度的要求,其平缓过渡的边缘保证了后续溅射生长的各膜层不至于出现由于边缘过薄而导致的机械强度不高的问题。因此,用该制作方法得到的牺牲层可以替代经过CMP抛光所形成的牺牲层。其中的湿法热氧化工艺是CMOS常规工艺,无需对设备进行改造即可用于FBAR的制作工艺中。
本发明的制备方法还有一个特点,是在沉积底电极金属前,先在局部热氧化的牺牲层上通过射频溅射的方法沉积一层100nm左右的非晶态的氮化铝,该层非晶氮化铝的作用是解决底电极材料在热氧化生长的二氧化硅或磷硅玻璃(PSG)上粘附不牢的问题,该问题表现在生长完压电层后,部分底电极将会从牺牲层上剥离,从而导致压电层开裂。而在底电极和牺牲层之间添加非晶氮化铝层后,该问题将得以解决。同时采用非晶氮化铝这种材料能够为底电极和压电层提供一个晶格常数相匹配的缓冲层,有利于采用氮化铝为材料的压电层择优取向性能的改善。该非晶氮化铝材料具有与压电层材料相同的化学性质,在刻蚀压电层时即能同时去除多余的缓冲层,不会增加工艺难度。
另外局部热氧化形成的牺牲层边界大于底电极和顶点极的边界,以便贯穿压电层和缓冲层的牺牲层释放窗口能够通过湿法腐蚀一次刻蚀成功。最终,采用稀释HF或者HF缓冲液将牺牲层从刻蚀窗口释放出来。因此,采用本发明所制作的FBAR将不会增大工艺的繁杂程度。
附图说明
图1示出现有技术中空气隙型FBAR结构图
图2示出按本发明制作的空气隙型FBAR剖面图;
图3示出在衬底硅上CVD方法生长一层氮化硅薄膜,并光刻去除对应牺牲层区域的氮化硅后的剖视图;
图4示出通过局部热氧化方法在衬底上生长二氧化硅后的剖视图;
图5示出去除剩余氮化硅后的剖视图;
图6示出在溅射了非晶氮化铝层上生长和刻蚀完底电极后的剖视图;
图7示出沉积氮化铝压电层后的剖视图;
图8示出刻蚀出氮化铝边界和氮化铝上的释放窗口后的剖面图;
图9示出生长完顶电极后的FBAR的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述:
本发明所提供的新的FBAR结构如图2所示,包括衬底1、空气隙2、缓冲层(非晶态氮化铝层)、底电极4、氮化铝压电层5、顶电极13和释放窗口6、7。
本发明所提供FBAR的衬底材料采用硅,空气隙2上顶面的高度高于衬底1的上表面,空气隙2下顶面的高度低于衬底1的上表面。空气隙2的上表面上有一层非晶氮化铝缓冲层3,该非晶态氮化铝缓冲层3跨过空气隙的边界,且厚度不大于0.10微米。非晶氮化铝缓冲层3上依次为底电极4、氮化铝压电层5、和顶电极13。底电极4和顶电极13垂直于衬底上表面方向的重叠区域要求处于空气隙2的边界以内。
以下是本发明的具体实施方式:
1)在经过抛光的硅1表面上用CVD方法沉积一层100nm左右的氮化硅。该抛光表面可以是(100)、(110)或者(111)取向。然后用光刻的方法将对应牺牲层区域的氮化硅去掉,留下8、9所在部分的氮化硅如图3所示。
2)在上述生长了氮化硅8、9的硅表面,通过湿法热氧化处理,在被去除氮化硅的区域生长一层二氧化硅10。该二氧化硅的厚度在400nm~800nm之间。如图4所示。
3)在上述步骤后,去除硅表面残余氮化硅8、9,留下二氧化硅10部分。如图5所示。
4)在上述步骤后,在硅表面生长一层100nm左右的非晶氮化铝层11,然后在非晶氮化铝层11上溅射生长一层金属并光刻出底电极图形4,该底电极材料通常采用钼,厚度为100~200nm。如图6所示。非晶氮化铝层11可以在低温(<200℃)、低功率密度(<5W·cm-2)的条件下由射频溅射的方法获得。
5)在上述步骤后,在硅表面生长一层c轴取向的氮化铝层12。该氮化铝层12的厚度根据实际应用的频率范围决定。如图7所示。c轴取向的氮化铝层12可以在温度>250℃、功率密度>10W·cm-2和氮气浓度>50%的条件下由射频溅射的方法获得。
6)用湿法腐蚀的方法刻蚀氮化铝层12,得到压电层图形5。该压电层图形5边界轮廓大于空气隙边界轮廓。在刻蚀出压电层图形5的同时,牺牲层释放窗口6、7也被刻蚀出来。该释放窗口6、7位于空气隙边界和电极边界之间。因为在此区间的材料均为氮化铝,故释放窗口6、7能够很方便地被刻蚀穿,直至露出牺牲层10。如图8所示。
7)溅射沉积顶电极金属,并刻蚀出顶电极图形13。该顶电极材料通常采用钼,厚度为100~200nm。如图9所示。
8)释放牺牲层,露出空气隙2。干燥。如图2所示。

Claims (5)

1、一种薄膜体声波谐振器,包括衬底、压电层和电极,其特征在于:
①衬底上端面设置有平滑的凹槽和缓冲层,所述缓冲层跨越凹槽与衬底形成一具有平滑上凸边缘的空气隙并完全覆盖该空气隙,所述空气隙下顶面的高度低于衬底,具有平整的表面和平缓变化的边界;
②所述缓冲层的与空气隙接触面且临近衬底的边缘为平滑外凸形状,缓冲层上设置所述压电层,电极包括底电极和顶电极,所述底电极设置在缓冲层上压电层内,所述顶电极设置在压电层的上面。
2、根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述缓冲层为非晶态的氮化铝层,压电层为氮化铝压电层,衬底为硅衬底。
3、根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,设置有牺牲层释放窗口,该释放窗口位于空气隙边界和电极边界之间。
4、一种薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
①在衬底上制备一层氮化硅膜;
②在氮化硅膜上光刻出具有牺牲层轮廓的窗口,即空气隙的轮廓在衬底上的轮廓,将窗口处的氮化硅刻蚀掉;
③通过局部热氧化的方法在窗口处形成二氧化硅牺牲层,控制热氧化的时间得到所需要的牺牲层厚度,该二氧化硅牺牲层具有平整的表面和平缓变化的边界;
④去除剩余的氮化硅;
⑤采用溅射的方法低温生长一层非晶态氮化铝,即所需的缓冲层,形成空气隙;
⑥在缓冲层的上表面溅射生长一层金属层并光刻出底电极图形;
⑦形成底电极后在底电极上生长一层压电层并刻蚀出压电层图形,该压电层图形边界大于空气隙的边界;
⑧在压电层的上表面沉积顶电极,刻蚀出顶电极的图形;
⑨释放牺牲层并干燥。
5、一种体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
①在经过抛光的硅表面上用CVD方法沉积一层80~120nm的氮化硅,该抛光表面是(100)、(110)或者(111)取向,然后用光刻的方法将对应牺牲层区域的氮化硅去掉;
②在上述生长了氮化硅的硅表面,通过局部湿法热氧化处理,在被去除氮化硅的区域生长一层二氧化硅,该二氧化硅的厚度在400nm~800nm之间;
③去除硅表面残余氮化硅;
④在上述步骤后,在硅表面生长一层60~80nm的非晶态氮化铝层,然后在非晶态氮化铝层上溅射生长一层金属并光刻出底电极图形,该底电极材料采用钼,厚度为100~200nm,非晶态氮化铝在小于200℃、功率密度<5W·cm-2的条件下由射频溅射的方法获得;
⑤在上述步骤后,在硅表面生长一层c轴取向的氮化铝压电层,该氮化铝压电层的厚度根据实际应用的频率范围决定,c轴取向的氮化铝压电层在温度>250℃、功率密度>10W·cm-2和氮气浓度>50%的条件下有射频溅射的方法获得;
⑥用湿法刻蚀出压电层的图形,该压电层图形边界轮廓大于空气隙边界轮廓,在刻蚀出压电层图形的同时,牺牲层释放窗口也被刻蚀出来,释放窗口位于空气隙边界和电极边界之间;
⑦溅射沉积顶电极金属,并刻蚀出顶电极图形,该顶电极材料采用钼,厚度为100~200nm;
⑧释放牺牲层并且干燥。
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