CN102315830A - 一种薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，该方法包括以下步骤：准备硅衬底，清洗、烘干；在硅衬底上淀积一层低应力Si3N4薄膜，涂抹光刻胶，光刻窗口图形并刻蚀掉窗口中的Si3N4；采用刻蚀窗口形成通孔并清除残余的光刻胶和Si3N4；使用牺牲材料填充通孔并抛光表面；于经抛光的表面上依次沉积下电极、压电薄膜、上电极的结构；释放牺牲层并干燥，制备薄膜体声波谐振器。本发明方法工艺简单，在衬底上制备出结构稳定、机械强度高及Q值高的薄膜体声波谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
随着无线通讯技术的发展，特别是第三代通信技术的发展对射频电子器件提出了高性能、低功耗、微型化、集成化等高要求，工作在射频波段的通讯器件越来越受到人们的重视。传统射频频率器件的解决方案主要是微波介质陶瓷和声表面(SAW)技术，前者有很好的性能但体积太大；后者体积较前者小了很多，但是存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低、性能随温度变化漂移明显等缺点。而薄膜体声波谐振器(薄膜体声波谐振器)综合了微波介质陶瓷的优越性能和SAW的体积小优势，同时又克服两者的缺点，其工作频率高、温度系数小、功率容量大、损耗低、与半导体工艺相兼容，被认为是最佳的射频器件解决方案。
薄膜体声波谐振器的概念早在20世纪60年代就被提出以拓展石英晶振在高频段的应用，但由于当时微细加工工艺的制约，这一想法并未得到足够的重视。随着微细加工技术的发展，Lakin和Wang于1980年首次在硅晶片上制成了基波频率为435MHz的薄膜体声波谐振器。Krishnaswamy和Rosenbaum等人于1990年首次将薄膜体声波谐振器结构的滤波器扩展到GHz频段，Agilent公司的Ruby更是在1999年成功研发出了应用于美国PCS1900MHz的薄膜体声波谐振器双工器，并于2001年将其大规模量产。
薄膜体声波谐振器是由上下两个金属电极夹杂一层压电材料组成的三明治结构，利用压电材料的压电效应，当施加一定的交流电压于上下金属电极表面时，电能转化为机械能，同时由于电能转化为机械能时，因机械形变的存在激励出一定频率的体声波于材料的上下表面内纵向来回传输，当激励的体声波频率跟所施加交流电频率相同时，便形成机械谐振。理想情况下，谐振器的基频波长等于压电薄膜厚度的2倍。
目前，主流的薄膜体声波谐振器结构有体硅刻蚀型、空气隙型和布拉格反射型三种形式。通常体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器100如图1所示。体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器的制备方法比较简单，首先在硅衬底101的正反面淀积一层低应力氮化硅102，再采用湿法刻蚀的刻蚀硅片约剩3-4μm形成背面刻蚀窗口，然后制备出上电极107，压电层106，下电极105的三明治结构，即，将下电极105设置于支撑层102上，将压电层106设置于下电极105上，将上电极107设置于压电层106上，最后采用电感耦合等离子(ICP)刻蚀的方法刻蚀掉衬底101背面多余的硅，得到一开口108。从而形成悬空结构的薄膜体声波谐振器。
通常空气隙型薄膜体声波谐振器200如图2所示。空气隙型薄膜体声波谐振器的工艺方法是：在硅衬底201上各向异性腐蚀一个凹槽，在凹槽中填入牺牲层材料如Al、Mg、Cu等。表面经化学机械抛光后，依次生长下电极205、压电层206、上电极207，最后通过刻蚀牺牲层释放出薄膜体声波谐振器。
通常布拉格反射型薄膜体声波谐振器300如图3所示。布拉格反射型薄膜体声波谐振器的制备工艺与前两者相比显得略微复杂一些，首先在硅衬底301上制备布拉格反射层，其包括高声学阻抗层309和低声学阻抗层310，该等阻抗层一般采用W和SiO2，然后再在布拉格反射层上制备三明治压电结构，即，将下电极305设置于低声学阻抗层310上，将压电层306设置于下电极305上，将上电极307设置于压电层306上。
发明内容
本发明提供了一种薄膜体声波谐振器(FBAR)的制备方法，该方法工艺简单，在衬底上制备出结构稳定、机械强度高及Q值高的薄膜体声波谐振器。
一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其包括以下步骤：
(1)准备硅衬底，清洗、烘干；
(2)在硅衬底上淀积一层低应力Si3N4膜，涂抹光刻胶，光刻窗口图形并刻蚀掉窗口中的Si3N4；
(3)利用刻蚀窗口形成通孔并清除残余的光刻胶和Si3N4；
(4)使用牺牲材料填充通孔并抛光表面；
(5)于经抛光的表面上依次沉积下电极、压电薄膜、上电极；
(6)释放牺牲层并干燥，制备薄膜体声波谐振器。
步骤(4)所述的牺牲材料为磷硅玻璃，磷硅玻璃易于生长，如可采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法生长，且刻蚀方法简单。
步骤(5)所述的下电极选用金属铂或钛，下电极要支撑整个薄膜体声波谐振器的重量，故需要选用强度大的电极材料；所述的上电极可选用铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)等材料。
本发明薄膜体声波谐振器的制备方法综合应用体硅刻蚀与填充牺牲材料相结合的工艺方法，具有以下优点：
(1)与传统的体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器的制备方法至少需要五次光刻相比，本发明方法只需四次光刻即可，因此本发明制备方法不仅简化了工艺复杂度，而且降低了薄膜体声波谐振器的制造成本。
(2)由于体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器必须通过Si3N4作为深反应离子刻蚀的阻挡层以控制深反应离子刻蚀(DRIE)的刻蚀深度，因此体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器的基片与下电极、压电层、上电极的三明治结构之间存在一层Si2O2或者Si3N4支撑层，而通过本发明方法制备的薄膜体声波谐振器不需要支撑层，故可显著提高FBAR的Q值和改善FBAR的温度特性。
(3)本发明制备方法与传统空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法相比，不仅没有增加光刻次数，而且制备的薄膜体声波谐振器较空气隙型薄膜体声波谐振器具有更好的结构稳定性，这是因为本发明方法所制备的薄膜体声波谐振器整个底边均被硅衬底所支撑，而空气隙型薄膜体声波谐振器的底边只有部分被硅衬底支撑。
附图说明
图1为现有的体硅刻蚀型薄膜体声波谐振器结构的截面图；
图2为现有的空气隙型薄膜体声波谐振器结构的截面图；
图3为现有的布拉格反射型薄膜体声波谐振器结构的截面图；
图4为本发明薄膜体声波谐振器的制备方法步骤示意图；
图5为根据本发明制备方法制得的薄膜体声波谐振器结构的截面图。
具体实施方式
以下参考附图对本发明作进一步详细描述。
图4为本发明薄膜体声波谐振器(FBAR)的制备方法步骤示意图。
具体实施步骤如下：
(1)选定<100>晶向的硅片401，并采用标准RCA清洗对该硅片401进行清洗，烘干备用；
(2)采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在硅片401的表面上生长一层100nm厚度的低应力Si3N4薄膜403作为深反离子的刻蚀阻挡层，然后均匀涂抹一层1-2μm厚度的光刻胶402，显影、坚膜后根据所要求制备薄膜体声波谐振器的尺寸光刻出所需要的图形窗口，并采用干法刻蚀的方法刻蚀掉窗口中的Si3N4；
(3)采用深反应离子刻蚀(DRIE)的方法刻蚀所需的通孔，然后清除残余的光刻胶与氮化硅；
(4)鉴于磷硅玻璃(PSG)易于生长，且刻蚀方法简单，故采用磷硅玻璃(PSG)404作为牺牲层材料用来填充步骤(3)所刻蚀的通孔，然后采用化学机械抛光(CMP)的方法抛光填充牺牲层材料的表面；
(5)采用直流磁控溅射的方法在经抛光的表面上沉积厚度为100nm左右的下电极405并刻蚀出下电极图形。由于下电极405要支撑整个薄膜体声波谐振器的重量，所以最好选用铂(Pt)、钛(Ti)等强度高的电极材料，同时也可以根据设计需求相应增加电极厚度；
(6)采用反应射频磁控溅射的方法于下电极405上沉积高c轴取向的压电薄膜406，压电薄膜可选AlN、ZnO、锆钛酸铅(PZT)等，压电薄膜406的厚度根据所设计薄膜体声波谐振器的参数选定，然后用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电薄膜406的图形；
(7)采用直流磁控溅射的方法在压电薄膜406上沉积厚度约100nm的上电极407并刻蚀出上电极图形，上电极材料可选用铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)等材料；
(8)释放牺牲层材料获得空腔结构，由于采用的牺牲层材料为磷硅玻璃(PSG)，所以腐蚀液最好采用H2O与HF混合液，腐蚀牺牲层的速率可以通过调节H2O与HF比值来控制。
根据以上具体实施步骤，制备得到薄膜体声波谐振器400，如图5所示。
Claims (3)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括：
(1)准备硅衬底，清洗、烘干；
(2)在硅衬底上淀积一层低应力Si3N4膜，涂抹光刻胶，光刻窗口图形并刻蚀掉窗口中的Si3N4；
(3)利用刻蚀窗口形成通孔并清除残余的光刻胶和Si3N4；
(4)使用牺牲材料填充通孔并抛光表面；
(5)于经抛光的表面上依次沉积下电极、压电薄膜、上电极；
(6)释放牺牲层并干燥，制备薄膜体声波谐振器。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的牺牲材料为磷硅玻璃。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的下电极选用金属铂或钛。
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