CN102122940A - 预设空腔型soi基片薄膜体声波谐振器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器及制作方法，涉及微电子器件领域，包括带空腔SOI基片和设置其上的压电薄膜换能器，谐振器包括压电薄膜、底电极和顶电极，谐振器电极近似椭圆形；所述带空腔SOI基片中的衬底硅片表面设置沟槽，键合后衬底硅片与顶层硅形成封闭的空腔结构；由于采用预设的空腔结构，本发明无牺牲层，无需国外专利及其产品中处理牺牲层采用的化学机械抛光工艺和牺牲层释放工艺，同时本发明综合了SOI材料所具有的源、漏寄生电容小和低电压低功耗等优点，本发明能与IC兼容，易于集成，工艺简单，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，特别涉及一种薄膜体声波谐振器及制作方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器（FBAR）是一种利用声学谐振实现电学选频的器件。FBAR的基本工作原理：当电信号加载到FBAR上时，器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，实现频率调控的功能。
快速发展的无线通讯技术（如移动通讯、无线传感网络）和雷达技术需要越来越多的高性能集成微波振荡器和双工滤波器，它们分别被用于信号源和射频前端的收发器中，目前被广泛用于蜂窝电话和电视的声表面波滤波器遇到如下三个困难，一是其功率承受能力的限制；二是工作频率受限于表面波滤波器叉指制作工艺；三是声表面滤波器用到的压电晶体与IC电路中Si基片不兼容，难以集成。FBAR具有工作频率高、温度系数小、功率容量大、损耗低、体积小、可大批量生产、成本低且与半导体Si工艺兼容而可被集成于RFIC或MMIC中，被认为是最佳的CHz频率器件解决方案，可工作在500MHz到30GHz的频段内，在通讯和雷达方面具有很大的应用潜力，目前FBAR的主要应用领域有PCS、CDMA和W-CDMA用射频滤波器和双工器、GPS接收机用滤波器及FBAR振荡器等。
迄今为止，实现FBAR有背腔薄膜型、空腔型和声学多反射层型谐振器三种，FBAR的主要结构是金属电极-压电薄膜-金属电极构成的三明治结构。世界上能生产FBAR及其相关产品的公司主要集中在美国和日本等发达国家，其中以美国Avago公司和日本的Fujitsu公司为典型代表。美国Avago公司是世界上最早制作出FBAR，也是世界上生产商用FBAR滤波器、双工器等产品技术最成熟的公司，其专利及其相关产品中采用的就是空腔型FBAR结构。空腔是FBAR性能形成的关键，制作工艺相当复杂，其专利（US6060818，US6377137，US20050088257A1）中提到需要经过在硅片上浅槽刻蚀、在槽内填充牺牲层、CMP（化学机械抛光）抛光牺牲层以及最后牺牲层释放等关键工序，容易存在以下问题：（1）牺牲层较厚，厚度有数个微米，用镀膜的方式填充容易在镀膜过程中形成残余应力，对下一步牺牲层CMP抛光和牺牲层的释放造成影响；（2）在整个硅片表面（特别是大尺寸硅片）CMP抛除几个微米的牺牲层工艺非常复杂，精度也较难控制，对CMP设备精度和工艺人员的技术水平的要求相当高；（3）牺牲层的释放工艺也较复杂，考虑到牺牲层的体积和尺寸，释放所需时间较长，如果释放不完全，不能形成一个完整的空腔，就会造成器件失效，如果释放时间较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器又会造成某种程度上的损伤；（4）在牺牲层释放过程中，空腔中还可能会出现粘连现象，直接影响了器件的成品率。
日本Fujitsu公司生产的FBAR及其相关产品结构比较多样，从其公司申请的相关专利来看，其FBAR的结构形式大致分两类：背腔薄膜型（US7323953B2）和空腔型（US20100060384A1，US20100060385A1，US7345402B2等），其中背腔型需要刻穿整个硅片厚度，一方面需要在硅片正背面精确对准，另一方面此方式由于刻穿整个硅片厚度，需时较长，同时器件的结构可靠性会降低。最近他们提出的空腔型FBAR及其产品（US20100060384A1，US20100060385A1等），提到一种薄的牺牲层工艺以及在镀压电薄膜过程中对压电薄膜进行应力控制技术，使压电层及其电极在牺牲层释放后拱起，从而形成一个拱形空腔。此工艺有以下难点，（1）此方式对镀膜过程中的应力控制技术要求极高，不容易掌握；（2）在牺牲层释放过程中，牺牲层四周特别是上下表面全部被电极和硅片包围，全部释放出需时较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器会造成某种程度上的损伤；（3）牺牲层边缘的台阶不够平滑，压电层及其电极的膜厚在此处发生畸变，会造成应力集中现象并导致换能器的断裂，对器件的可靠性造成隐患。
因此急需一种能与IC兼容，易于集成，工艺简单，适合批量生产同时综合SOI材料所具有的优点的薄膜体声波谐振器。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明目的之一是提出一种能与IC兼容，易于集成，工艺简单，适合批量生产同时综合SOI材料所具有的优点的薄膜体声波谐振器，克服了现有工艺技术中用牺牲层形成空腔方案中牺牲层CMP抛光、牺牲层释放时间长、牺牲层台阶的不平滑造成的应力集中现象以及牺牲层释放时间对换能器造成的损害问题，同时本发明的目的之二是提出了一种预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器制作方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，包括预设空腔型的SOI基片和设置在SOI基片上的换能器，所述换能器包括底电极、顶电极和设置在底电极与顶电极之间的压电薄膜，所述底电极与SOI基片相结合，所述底电极、顶电极和压电薄膜的叠加区域与预设空腔相对。
进一步，所述SOI基片设置有衬底硅和顶层硅，所述衬底硅上设置有与顶层硅形成预设空腔的沟槽。
进一步，所述衬底硅和顶层硅之间设置二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有沟槽，所述沟槽与顶层硅形成预设空腔。
进一步，所述换能器上设置有使腐蚀液或腐蚀气体注入预设空腔的刻蚀窗口。
进一步，所述顶电极为近似椭圆形电极。
进一步，所述沟槽深度为0.5微米到200微米。
进一步，所述压电薄膜为AlN或ZnO材质的压电薄膜，厚度介于0.01微米至10微米，所述底电极或顶电极为高声阻抗材质的电极，所述底电极和顶电极厚度分别为0.01微米至2.5微米。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：
(1)在衬底硅的上表面通过热氧化形成一层二氧化硅层，并在二氧化硅层刻蚀出衬底硅的掩模板；
(2)利用掩模板刻蚀出沟槽；
(3)将带沟槽的衬底硅与顶层硅键合；
(4)对顶层硅进行减薄处理，形成带有空腔结构的SOI基片；
(5)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(6)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(7)在空腔上方的换能器上刻蚀出腐蚀窗口，使腐蚀液或腐蚀气体能进入空腔内；
(8)将腐蚀液或腐蚀气体经腐蚀窗口注入空腔中，对空腔上部的顶层硅进行腐蚀。
进一步，所述步骤(1)包括将衬底硅片经热氧化在表面形成一层二氧化硅膜，在二氧化硅SiO2膜上刻蚀出圆形、椭圆形、方形或多边形的图案作为衬底硅片掩模板。
进一步，所述步骤(2)中利用掩模板刻蚀出沟槽是指先利用掩模板刻蚀二氧化硅层，然后在衬底硅上刻蚀形成沟槽。
进一步，所述步骤(3)中衬底硅与顶层硅键合方式为先通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；然后将衬底硅带沟槽的一侧与无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；最后将无沟槽SOI基片进行初步机械减薄，通过化学腐蚀将无沟槽绝缘体硅层全部除去，完成顶层硅由无沟槽SOI基片向有沟槽SOI基片的转移。
进一步，所述步骤(8)中的腐蚀液采用HF-HNO3溶液、KOH溶液或TMAH四甲基氢氧化铵溶液，若采用干法刻蚀，腐蚀气体采用XeF2气体。
进一步，所述步骤(1)至(8)中的SOI基片上的顶层硅可用水晶或熔融石英材料代替。
本发明的优点在于：本发明采用一种带空腔SOI（绝缘体硅）基片，所述带空腔SOI基片采用键合减薄法工艺制作，SOI基片中的衬底硅片表面设置沟槽，键合后与顶层硅（器件硅层）形成封闭的空腔结构，顶层硅上表面为一光滑平面，无台阶，因此上部压电薄膜以及镀在压电薄膜上下表面的薄电极构成的换能器可以采用平面工艺制作，不会出现如现有工艺中出现的由牺牲层台阶造成换能器在台阶处应力集中并造成断裂的情况；采用在带空腔SOI基片中有预设的沟槽构成空腔，无需牺牲层技术，因此无需现有工艺中的填充牺牲层、牺牲层CMP抛光以及牺牲层释放等工艺，在简化工艺步骤的同时，避免了牺牲层CMP抛光、牺牲层释放时间长、牺牲层台阶的不平滑造成的应力集中现象以及牺牲层释放时间对换能器造成的损害等问题；另外，由于本发明采用SOI基片，用此发明制作出的FBAR综合了SOI材料所具有的源、漏寄生电容小和低电压低功耗等优点，能与IC兼容，且易于集成。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明实施例1的切面结构示意图；
图2为本发明实施例2的切面结构示意图；
图3为本发明的制作方法工艺1步骤示意图；
图4为本发明的制作方法工艺2步骤示意图。
图中标号所代表的名称为：1为衬底硅，2为二氧化硅层，3为顶层硅，4为预设空腔，5为底电极，6为压电薄膜，7为顶电极，8为预设空腔内刻蚀剩余的部分顶层硅，9为沟槽，11为二氧化硅层，12为二氧化硅层，13为无沟槽绝缘体硅层，21为腐蚀窗口。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为本发明实施例1的切面结构示意图，如图所示：本发明提供的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，包括预设空腔型4的SOI基片和设置在SOI基片上的换能器，所述换能器包括底电极5、顶电极7和设置在底电极5与顶电极7之间的压电薄膜6，所述底电极5与SOI基片相结合，所述底电极5、顶电极7和压电薄膜6的叠加区域与预设空腔4相对。
作为上述实施例的进一步改进，所述SOI基片设置有衬底硅1和顶层硅3，所述衬底硅1上设置有与顶层硅3形成预设空腔4的沟槽9。
作为上述实施例的进一步改进，所述换能器上设置有使腐蚀液或腐蚀气体注入预设空腔4的刻蚀窗口。
作为上述实施例的进一步改进，所述顶电极7为近似椭圆形电极。
作为上述实施例的进一步改进，所述沟槽深度为0.5微米到200微米。
作为上述实施例的进一步改进，所述压电薄膜6为AlN或ZnO材质的压电薄膜，厚度介于0.01微米至10微米，所述底电极5或顶电极7为高声阻抗材质的电极，所述底电极5和顶电极7厚度分别为0.01微米至2.5微米。
图2为本发明实施例2的切面结构示意图，如图所示，与图1的区别仅在于：所述衬底硅1和顶层硅5之间设置需要通过热氧化形成的二氧化硅层2，所述二氧化硅层2上设有沟槽，所述沟槽与顶层硅3形成预设空腔4，该二氧化硅层2厚度是数个微米的二氧化硅，因此不需要在衬底硅的上进行刻蚀沟槽。
图3为本发明的制作方法工艺1步骤示意图，本发明提供的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：
(1)如图3中3（a）、3（b）所示，在衬底硅的上表面通过热氧化形成一层二氧化硅层，并在二氧化硅层刻蚀出衬底硅的掩模板；
(2)如图3中3（c）、3（d）所示利用掩模板在衬底硅片湿法刻蚀出一系列沟槽，先在利用掩模板刻蚀二氧化硅层，如图3中3（c）所示；然后在衬底硅上刻蚀形成沟槽，如图3中3（d）所示。
(3)如图3中3（e）所示将带沟槽的衬底硅与顶层硅键合；
(4)如图3中3（f）所示对顶层硅进行减薄处理，形成带有空腔结构的SOI基片；
(5)如图3中3（g）所示镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(6)如图3中3（g）所示在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(7)如图3中3（h）所示在空腔上方的换能器上刻蚀出腐蚀窗口21，使腐蚀液或腐蚀气体能进入空腔内；
(8)如图3中3（i）所示将腐蚀液或腐蚀气体经腐蚀窗口21注入空腔中，对空腔上部的顶层硅进行湿法刻蚀，或直接采用干法刻蚀顶层硅，直到预设空腔内剩余部分顶层硅8全部被刻蚀完，形成了一个完整的空腔结构，如图3中3（i）所示；
作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(1)中是指将衬底硅片经热氧化在表面形成一层二氧化硅膜，在二氧化硅SiO2膜上刻蚀出圆形、椭圆形、方形或多边形的图案作为衬底硅片掩模板，图案尺寸在几十微米到数百微米之间；
如图3中3（c）所示，作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(2)中利用掩模板刻蚀出沟槽是指先利用掩模板刻蚀二氧化硅层，然后根据实际需要在衬底硅上刻蚀形成沟槽，当二氧化硅层的厚度达到大于1微米时，也可以只刻蚀二氧化硅层形成沟槽。
图4为本发明的制作方法工艺2步骤示意图，如图4中4（a）至4（h）所示，作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(3)中衬底硅与顶层硅键合方式为先通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；然后将衬底硅带沟槽的一侧与无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；再将无沟槽SOI基片进行初步机械减薄，通过化学腐蚀将无沟槽绝缘体硅层全部除去，完成顶层硅由无沟槽SOI基片向有沟槽SOI基片的转移。
如图4中4（a）所示，在衬底硅的上表面覆盖起掩模作用的二氧化硅层2，并以上表面的二氧化硅层为掩模板在衬底硅的上表面刻蚀出沟槽，在带沟槽衬底硅下表面设置二氧化硅层11；
如图4中4（b）所示，通过键合工艺形成无沟槽SOI基片，无沟槽SOI基片包括顶层硅3、二氧化硅层12和无沟槽绝缘体硅层13，其顶层硅厚度可控，厚度可达1-50微米；
如图4中4（c）所示，将衬底硅带沟槽的一侧与顶层硅键合，形成预设空腔；
如图4中4（d）所示，为提高制作效率，将无沟槽SOI基片进行初步机械减薄，然后通过化学腐蚀将无沟槽绝缘体硅层13全部除去，腐蚀液可选取四甲基氢氧化铵，考虑到此腐蚀液对硅和二氧化硅的腐蚀选择性，当腐蚀液腐蚀完无沟槽衬底硅后，二氧化硅层阻止了腐蚀的继续进行，反应自动停止，从而实现了顶层硅的完全转移，形成了空腔结构，二氧化硅层12后期可以根据需要选择保留或去除；
如图4中4（e）所示，镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
如图4中4（f）所示，在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
如图4中4（h）所示，在空腔上方的换能器上刻蚀出腐蚀窗口21，使腐蚀液或腐蚀气体能进入空腔内,将腐蚀液或腐蚀气体经腐蚀窗口21注入空腔中，对空腔上部的顶层硅进行湿法刻蚀，或直接采用干法刻蚀顶层硅，直到预设空腔内剩余部分顶层硅8全部被刻蚀完，形成了一个完整的空腔结构；
作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(8)中的腐蚀液采用HF-HNO3溶液、KOH溶液或TMAH四甲基氢氧化铵溶液，若采用干法刻蚀，腐蚀气体采用XeF2气体。
作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(1)至(8)中的SOI基片上的顶层硅可用水晶或熔融石英材料代替。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括预设空腔型(4)的SOI基片和设置在SOI基片上的换能器，所述换能器包括底电极(5)、顶电极(7)和设置在底电极(5)与顶电极(7)之间的压电薄膜(6)，所述底电极(5)与SOI基片相结合，所述底电极(5)、顶电极(7)和压电薄膜(6)的叠加区域与预设空腔(4)相对。
2.根据权利要求1所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述SOI基片设置有衬底硅(1)和顶层硅(3)，所述衬底硅(1)上设置有与顶层硅(3)形成预设空腔(4)的沟槽。
3.根据权利要求1所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底硅(1)和顶层硅(5)之间设置二氧化硅层(2)，所述二氧化硅层(2)上设有沟槽，所述沟槽与顶层硅(3)形成预设空腔(4)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述换能器上设置有使腐蚀液或腐蚀气体注入预设空腔(4)的刻蚀窗口。
5.根据权利要求4所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述顶电极(7)为近似椭圆形电极。
6.根据权利要求5所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述沟槽深度为0.5微米到200微米。
7.根据权利要求6所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜（6）为AlN或ZnO材质的压电薄膜，厚度介于0.01微米至10微米，所述底电极(5)或顶电极(7)为高声阻抗材质的电极，所述底电极(5)和顶电极(7)厚度分别为0.01微米至2.5微米。
8.预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在衬底硅的上表面通过热氧化形成一层二氧化硅层，并在二氧化硅层刻蚀出衬底硅的掩模板；
(2)利用二氧化硅层作为掩模板在衬底硅片上刻蚀出沟槽；
(3)将带沟槽的衬底硅与顶层硅键合；
(4)对顶层硅进行减薄处理，形成带有空腔结构的SOI基片；
(5)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(6)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(7)在空腔上方的换能器上刻蚀出腐蚀窗口，使腐蚀液或腐蚀气体能进入空腔内；
(8)将腐蚀液或腐蚀气体经腐蚀窗口注入空腔中，对空腔上部的顶层硅进行腐蚀。
9.根据权利要求8所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)包括将衬底硅片经热氧化在表面形成一层二氧化硅膜，在二氧化硅SiO2膜上刻蚀出圆形、椭圆形、方形或多边形的图案作为衬底硅片掩模板。
10.根据权利要求8所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中利用掩模板刻蚀出沟槽是指先利用掩模板刻蚀二氧化硅层，然后在衬底硅上刻蚀形成沟槽。
11.根据权利要求8所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中衬底硅与顶层硅键合方式为先通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；然后将衬底硅带沟槽的一侧与无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；最后将无沟槽SOI基片进行初步机械减薄，通过化学腐蚀将无沟槽绝缘体硅层全部除去，完成顶层硅由无沟槽SOI基片向有沟槽SOI基片的转移。
12.根据权利要求8所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤(8)中的腐蚀液采用HF-HNO3溶液、KOH溶液或TMAH四甲基氢氧化铵溶液，若采用干法刻蚀，腐蚀气体采用XeF2气体。
13.根据权利要求8所述的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)至(8)中的SOI基片上的顶层硅可用水晶或熔融石英材料代替。
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