CN102122941B - 可调谐的预设空腔型soi基片薄膜体声波谐振器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器及制作方法，涉及一种频率可调谐的谐振器及制作方法，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，底电极靠预设空腔一侧设置有SOI调谐层，通过控制腐蚀时间控制SOI调谐层的厚度，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
本发明涉及一种薄膜体声谐振器及制作方法，特别涉及一种频率可调谐的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（FBAF）是一种利用声学谐振实现电学选频的器件，FBAF常见的结构是由若干个薄膜体声波谐振器（FBAR）单元经过电学级联构成。FBAR的基本工作原理为：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谐振器，它们分别被用于信号源和射频前端的收发器中。传统的射频谐振器主要有介质谐振器和声表面谐振器。介质谐振器虽具有插入损耗低，功率容量大的优点，但其缺点是体积过大，无法实现小型化设计。与介质谐振器相比，声表面谐振器可做得较小，但其受光刻工艺的限制，同时在高频率下难以承受高功率，且插损大。最新发展起来的薄膜体声波谐振器技术可满足小型化和集成化设计的要求，且与传统谐振器相比，FBAF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，为将射频谐振器集成到芯片内开辟了新的途径。
FBAR作为FBAF的基本单元，是FBAF性能形成的关键，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换能器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，其中空腔型FBAR已经得到商业应用。世界上能生产FBAF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FBAF、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，制作方法相当复杂，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，其关键工序容易存在以下难点：（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；（5）其五边形电极容易在边角处形成应力集中，这在US20080169885A1中已经得到证实。
日本Fujitsu公司生产的FBAF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，US20080169885A1）和空腔型（US20100060384A1，US20100060385A1，US7345402B2等），其中背腔型需要刻穿整个硅片厚度以形成腔体结构；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；US20080169885A1中提出一种可调频式FBAF，通过在顶电极上放置金属点阵质量块调节单个FBAR的谐振频率，达到调节FBAF频率的目的。Fujitsu公司生产的FBAF产品存在以下难点：（1）背腔型FBAR需要刻穿整个硅片厚度，对结构可靠性造成一定的影响；（2）拱形空腔对镀膜过程中的应力控制技术要求极高，不容易掌握；（3）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；（4）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，并且在台阶处影响了AlN（002）统一晶向的形成；（5）其可调式FBAF需要额外增加点阵质量块，增加了工艺过程。
FBAR器件的谐振频率由其厚度确定，其厚度必须准确控制，以便具有期望的谐振器响应，但在FBAR器件加工过程中，容易出现加工偏差，使得加工后的谐振频率通常不同于目标值，谐振频率误差往往可使用激光微调技术来校正，在该技术中将激光朝向谐振器，并且对谐振器去除或添加材料，由此将谐振器的谐振频率“调谐”到期望目标频率。然而，由于谐振器大小非常小，所以传统的激光微调技术不是可行的方案。
在FBAR电极形状设计方面，美国Avago公司FBAR（US7561009B2）采用多边形电极来抑制寄生振动模式，但日本Fujitsu公司在专利US20080169885A1中提出五边形电极容易在边角处形成应力集中；日本Fujitsu公司采用椭圆形（US20080284543）或椭圆环型（US20080169885A1）型电极来改善FBAR的电性能；在谐振器电极形状方面，本专利申请人Yang等（Yang et al, Applied Physics Letters, 2008; Yang et al, IEEE UFFC, 2009; CN101257287）提出近似椭圆形电极有助于增强谐振器的能陷行为，抑制寄生振动，提高器件的Q值。
因此急需一种具有调频功能，同时综合SOI材料所具有的优点，能与IC兼容，易于集成，工艺简单，适合批量生产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，本发明提出一种具有调频功能，同时综合SOI材料所具有的优点，能与IC兼容，易于集成，工艺简单，适合批量生产的薄膜体声波谐振器。
本发明的目的之一是提出一种可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器；本发明的目的之二是提出一种可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的可调谐的预设空腔型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，所述底电极靠预设空腔一侧设置有SOI调谐层。
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，所述沟槽深度为0.5微米到200微米，所述SOI调谐层的厚度小于顶层硅的厚度；
进一步，所述SOI基片设置有衬底硅和顶层硅，所述衬底硅和顶层硅之间设置第一二氧化硅层，所述第一二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：
本发明提供的可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：
(a)在衬底硅的上下表面覆盖二氧化硅层，并以二氧化硅层为掩模板在衬底硅的上表面刻蚀出沟槽；
(b)通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；
(c)将（ａ）中的衬底硅带沟槽的一侧与（b）中无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；
(d)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；
(e)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(f)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(g)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；
(h)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(h)对空腔上部的顶层硅进行腐蚀是通过控制腐蚀时间来控制残留的空腔上部的顶层硅厚度，从而形成剩余顶层硅，通过所述剩余顶层硅的厚度来实现调节谐振器谐振频率；
进一步，所述步骤(h)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(a)至(h)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步骤示意图。
图中标号所代表的名称为：1为第二二氧化硅层，2为衬底硅，3为第一二氧化硅层，4为沟槽，5为顶层硅，6为第三二氧化硅层，7为无沟槽SOI，8为预设空腔，9为底电极，10为压电薄膜，11为顶电极，12为刻蚀窗口，13为SOI调谐层。
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，本发明提供的可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，包括预设空腔型8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9、顶电极11和设置在底电极9与顶电极11之间的压电薄膜10，所述底电极9与SOI基片相结合，所述底电极9、顶电极11和压电薄膜10的叠加区域与预设空腔8相对，所述底电极9靠预设空腔8一侧设置有SOI调谐层13，该SOI调谐层是是在对空腔上部的顶层硅进行腐蚀时，通过控制腐蚀时间来控制残留的空腔上部的顶层硅厚度，从而形成剩余顶层硅，通过所述剩余顶层硅的厚度来实现调节谐振器谐振频率。
作为上述实施例的进一步改进，所述SOI基片设置有衬底硅2和顶层硅5，所述衬底硅2上设置有与顶层硅5形成预设空腔8的沟槽4，所述沟槽4深度为0.5微米到200微米，所述SOI调谐层13的厚度小于顶层硅5的厚度。
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2和顶层硅5之间设置需要通过热氧化形成的第一二氧化硅层3，所述第一二氧化硅层3上设有沟槽，所述沟槽与顶层硅5形成预设空腔8，该第一二氧化硅层3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。
作为上述实施例的进一步改进，所述SOI基片设置有衬底硅2和顶层硅5，所述衬底硅2和顶层硅5之间设置第一二氧化硅层3，所述第一二氧化硅层3上设有沟槽4，所述沟槽4与顶层硅5形成预设空腔8，所述衬底硅2与第一二氧化硅层3的对应面还可设置有第二二氧化硅层1，所述顶层硅5与底电极之间还可设置有第三二氧化硅层6。
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8的刻蚀窗口12。
作为上述实施例的进一步改进，所述顶电极11为近似椭圆形电极。
作为上述实施例的进一步改进，所述压电薄膜10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9或顶电极11为高声阻抗材质的电极，所述底电极9和顶电极11厚度分别为0.01微米至2.5微米。
图3为本发明的制作方法工艺步骤示意图；3(a)、3(b)、3(c)、3(d)、3(e)、3(f)、3(g)、3(h)为本发明中可调谐的谐振器制作方法过程；如图所示，本发明提供的可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：
(a)在衬底硅的上下表面覆盖二氧化硅层，并以二氧化硅层为掩模板在衬底硅的上表面刻蚀出沟槽；
(b)通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片7；
(c)将（ａ）中的衬底硅带沟槽的一侧与（b）中无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；
(d)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；
(e)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(f)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(g)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；
(h)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。
作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(h)对空腔上部的顶层硅进行腐蚀是通过控制腐蚀时间来控制残留的空腔上部的顶层硅厚度，形成一个空腔结构，腐蚀液经腐蚀窗口进入空腔中，通过控制腐蚀时间将空腔上部的顶层硅减薄或全部去除，从而形成剩余顶层硅，通过所述剩余顶层硅的厚度来实现调节谐振器谐振频率，也可以选择干法刻蚀或反应离子刻蚀方式腐蚀空腔上部的顶层硅，由于薄膜体声波谐振器FBAR的谐振频率与其换能器厚度有关，因此改变预设空腔上部的顶层硅的厚度可以调整薄膜体声波谐振器FBAR的谐振频率。
作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(h)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(a)至(h)中的SOI基片上的顶层硅可用水晶或熔融石英材料代替，SOI基片的衬底硅可用蓝宝石或玻璃代替。
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 (5)
1.可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括预设空腔 (8)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(9)、顶电极(11)和设置在底电极(9)与顶电极(11)之间的压电薄膜(10)，所述底电极(9)与SOI基片相结合，所述底电极(9)、顶电极(11)和压电薄膜(10)的叠加区域与预设空腔(8)相对，所述底电极(9)靠预设空腔(8)一侧设置有SOI调谐层(13)；
所述SOI基片设置有衬底硅(2)和顶层硅(5)，所述衬底硅(2)上设置有与顶层硅(5)形成预设空腔(8)的沟槽(4)，所述沟槽(4)深度为0.5微米到200微米，所述SOI调谐层(13)的厚度小于顶层硅(5)的厚度；
所述换能器上设置有使腐蚀液或腐蚀气体注入预设空腔(8)的刻蚀窗口(12)；
所述顶电极(11)为近似椭圆形电极；
所述压电薄膜（10）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(9)或顶电极(11)为高声阻抗材质的电极，所述底电极(9)和顶电极(11)厚度分别为0.01微米至2.5微米；
所述可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器通过以下制作方法形成，具体如下：
(a)在衬底硅的上下表面覆盖二氧化硅层，并以二氧化硅层为掩模板在衬底硅的上表面刻蚀出沟槽；
(b)通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；
(c)将（ａ）中的衬底硅带沟槽的一侧与（b）中无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；
(d)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；
(e)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(f)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(g)在预设空腔上方的换能器上刻蚀出刻蚀窗口，使腐蚀液或腐蚀气体能进入预设空腔内；
(h)将腐蚀液或腐蚀气体经刻蚀窗口注入预设空腔中，对预设空腔上部的顶层硅进行腐蚀。
2.可调谐的预设空腔型SOI基片薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)在衬底硅的上下表面覆盖二氧化硅层，并以二氧化硅层为掩模板在衬底硅的上表面刻蚀出沟槽；
(b)通过键合工艺形成一片无沟槽SOI基片；
(c)将（ａ）中的衬底硅带沟槽的一侧与（b）中无沟槽SOI基片的顶层硅键合，形成预设空腔；
(d)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；
(e)镀上底电极并对底电极进行刻蚀；
(f)在底电极上依次镀上压电薄膜和顶电极，并进行刻蚀；
(g)在预设空腔上方的换能器上刻蚀出刻蚀窗口，使腐蚀液或腐蚀气体能进入预设空腔内；
(h)将腐蚀液或腐蚀气体经刻蚀窗口注入预设空腔中，对预设空腔上部的顶层硅进行腐蚀。
3.根据权利要求2所述的可调谐的预设空腔型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(h)对预设空腔上部的顶层硅进行腐蚀是通过控制腐蚀时间来控制残留的预设空腔上部的顶层硅厚度，从而形成剩余顶层硅，通过所述剩余顶层硅的厚度来实现调节谐振器谐振频率。
4.根据权利要求3所述的可调谐的预设空腔型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(h)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。
5.根据权利要求4所述的可调谐的预设空腔型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(a)至(h)中的SOI基片上的顶层硅可用水晶或熔融石英材料代替，SOI基片的衬底硅可用蓝宝石或玻璃代替。
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