CN102931941A

CN102931941A - 一种薄膜体声波谐振器基片及其制备方法

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Publication number: CN102931941A
Application number: CN2012104206818A
Authority: CN
Inventors: 杨保和; 张乾坤; 苏林; 徐晟�
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器基片及其制备方法，所述薄膜体声波谐振器基片采用W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构。W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)基片，具有高频、高Q、很好的频率稳定性的特点。可用于制作无线通信系统中的滤波器、双工器等，也可以与敏感膜结合，制作高性能的传感器。

Description

一种薄膜体声波谐振器基片及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及薄膜电子器件及微机电系统（MEMS）交叉技术领域，特别是一种新型的薄膜体声波谐振器基片。

【背景技术】

薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR）可分为硅反面刻蚀型、空气隙型、固态装备型。理想的空气隙型FBAR为三明治结构，即上电极/压电层/下电极，在硅表面和FBAR的下电极表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面。实际的空气隙型FBAR谐振器包括上电极/压电层/下电极/支撑层，在硅表面和支撑层下表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面，从而在FBAR基片上下界面形成空气反射层，在二个空气界面之间形成驻波，将声波能量限制在FBAR基片中。如图1所示。

增加支撑层的原因是：牺牲层材料被刻蚀掉以后形成空气隙，空气隙上面的压电膜、上下电极均很薄，对于GHz频段的FBAR谐振器，压电膜和上下电极的厚度总和一般为几个微米（μm），器件的机械强度很低，所以用添加支撑层的方法来增强器件的机械强度。这就要求支撑层有高的硬度和弹性模量，同时为避免在牺牲层释放过程中被刻蚀，支撑层通常选择耐腐蚀材料。

目前多采用Si3N4膜作为支撑层材料。但是，制备Si3N4薄膜工艺需要的衬底温度较高，一般为800～1000℃。而将FBAR集成在半导体芯片上，制备FBAR的全部工艺过程温度不能超过400℃，否则将破坏半导体芯片的沟道结构，所以Si3N4膜作为支撑层在制备温度上和半导体CMOS工艺不兼容；Si3N4薄膜溶于HF酸，而半导体芯片制备的清洗工序中经常用到HF酸，所以Si3N4薄膜作为支撑层在清洗工序中和半导体CMOS工艺不兼容，只能制备分立的薄膜体声波器件。

目前薄膜体声波谐振器多采用铝、铂（也有采用釕）作为上电极和下电极，由于薄膜体声波谐振器的压电层AlN综合性能指标最好，压电层AlN（002）生长在下电极上，而铝、铂、釕的晶格常数和AlN（002）不匹配，影响AlN（002）的品质，从而影响薄膜体声波谐振器的性能。

【发明内容】

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种用类金刚石膜代替Si3N4膜作为支撑层，用钨代替铝、铂、釕作为上电极和下电极的具有高频、高Q值、低频率温度系数（TCF）的薄膜体声波谐振器基片。

本发明为实现上述目的设计了一种新型的薄膜体声波谐振器基片，所述薄膜体声波谐振器基片采用W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构。该薄膜体声波谐振器基片可以制备在集成电路芯片上，制备工艺和集成电路芯片制备工艺相容。

本发明还设计了该薄膜体声波谐振器基片的制备方法。新型的薄膜体声波谐振器基片的制备方法的特征在于：

A）在硅衬底表面四个边缘用光刻胶掩膜覆盖，在硅衬底表面中部未被掩膜覆盖区域用电化学法腐蚀硅衬底制备多孔硅作为牺牲层；

B）在硅衬底表面二个边缘并延及靠近这二个边缘的多孔硅的局部上覆盖光刻胶作掩膜，再在其余硅衬底和多孔硅的表面没有光刻胶掩膜的部位制备类金刚石膜DLC作为支撑层；

C）在DLC支撑层上制备W薄膜作底层电极；

D）在W薄膜上制备高C轴取向氮化铝AlN压电层；

E）在氮化铝AlN压电层上制备W膜作顶层电极；

F）采用IC工艺中的湿法刻蚀工艺，腐蚀掉多孔硅，释放出空气隙结构。

本发明公布的W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)基片，具有高频、高Q、很好的频率稳定性的特点。可用于制作无线通信系统中的滤波器、双工器等，也可以与敏感膜结合，制作高性能的传感器。特别是：

①采用类金刚石膜（DLC）替代传统的Si₃N₄薄膜材料作为支撑层。DLC为非晶态薄膜材料，碳原子间主要以sp³和sp²杂化键结合,具有硬度高，可达40GPa以上（氮化硅的硬度32GPa），弹性模量可达200GPa以上（氮化硅的弹性模量46GPa），能够有效地提高器件的性能和机械强度。耐腐蚀，DLC不溶于强碱、强酸，甚至不溶于王水，氮化硅溶于氢氟酸；DLC可在100℃温度的衬底上制备，氮化硅一般需要700℃温度的衬底上制备，所以DLC能够和半导体CMOS工艺（400℃以下）兼容。因此选用DLC膜取代常用的Si₃N₄薄膜作为FBAR器件的支撑层。

②采用钨（W）金属膜作为底电极和上电极。一是因为W具有较低的电阻率和较高的硬度，能够有效地提高器件的电性能和机械强度；二是W具有体心立方结构，与高c-轴取向的AlN（002）晶格匹配好，结合能力强，易于在其上制备高品质的压电薄膜；三是W的热膨胀系数很小（4.5×10^-6·K^-1），和AlN的热膨胀系数（4.4×10^-6·K^-1）非常相近，在温度变化时不易出现热应力而影响器件性能；四是金属钨（W）作为CMOS的互连材料目前大量使用在集成电路工艺中，所以底电极和上电极使用W金属膜不出现新的金属离子，和现有集成电路工艺相容；五是W声阻抗大，与AlN薄膜结合，可以防止声波泄露，从而提高器件的Q值。

③AlN材料频率温度系数（TCF）小，DLC膜和W金属膜材料频率温度系数（TCF）也小，中心频率随温度升高而漂移小，可应用于稳定性要求高的FBAR。

④AlN、类金刚石（DLC）、W金属膜热导率均很高，器件的互连节点温度提高时，能快速散热，有利于器件局部热量的快速扩散，大大减小器件局部热应力引起的频率漂移。

【附图说明】

图1为W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构的薄膜体声波谐振器基片结构示意图；

图2为薄膜体声波谐振器基片多孔硅制备示意图；

图3为在多孔硅基底上制备的DLC示意图；

图4为薄膜体声波谐振器基片释放出空气隙前结构剖面图。

图中：1.硅衬底；2.多孔硅；3.类金刚石支撑层；4.底电极（W）；5.压电膜；6.上电极（W）；7.空气隙。

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

【具体实施方式】

新型的薄膜体声波谐振器FBAR基片，首先用电化学法在Si衬底1选定部位即掩膜的空气隙7位置腐蚀制备多孔硅2作为牺牲层的空气隙；再在多孔硅上制备类金刚石膜DLC作为支撑层3，其需要使用光刻胶掩膜以保证类金刚石DLC膜二个边延伸到多孔硅外；三是在DLC支撑层上制备W薄膜作底层电极4；四是在W薄膜上制备高C轴取向氮化铝AlN压电层5；五是在氮化铝AlN压电层上制备W膜作顶层电极6；六是采用IC工艺中的湿法刻蚀工艺，腐蚀掉多孔硅，释放出空气隙7结构（如图1、4所示）。

其中：硅衬底在局部腐蚀了多孔硅的表面采用薄膜平坦化系统进行化学机械抛光处理，抛光粗糙度为2－5nm，优选3nm。

支撑层是采用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积方法在硅衬底多孔硅表面沉积类金刚石膜DLC，且通过光刻胶掩膜使类金刚石膜的两个边沉积覆盖到Si衬底多孔硅外的硅衬底上。支撑层采用非晶态薄膜材料类金刚石膜（DLC），具有硬度高、绝缘性能好、耐腐蚀、能够低温制备（100℃左右）等特点，替代传统的Si3N4薄膜材料作为支撑层，能够有效地提高器件的性能和机械强度，在制备温度上能够和半导体CMOS工艺兼容。

底电极采用金属钨（W）薄膜用溅射法在类金刚石薄膜上制备。W具有体心立方结构，与高c-轴取向的AlN（002）晶格匹配好，结合能力强，且W具有较低的电阻率，可以降低器件的插入损耗，而且金属钨（W）作为CMOS工艺互连材料的和半导体CMOS工艺兼容。

高C轴取向氮化铝AlN压电层采用射频磁控溅射系统制备，高Ｃ轴取向的氮化铝AlN的晶粒取向平均偏离度＜1°、电阻率＞10⁷Ωcm。

顶层电极为钨（W）电极膜，采用溅射法制备。使用钨（W）作顶层电极是因为钨（W）声阻大，和AlN薄膜配合，可有效防止声波泄漏，提高Q值。

本发明的一个例子如下：

(1)选用电阻率为8～12Ω·cm的P型<100>硅片，用电化学法在硅片选定部分（掩膜）腐蚀制备多孔硅。如图2所示。

(2)采用薄膜平坦化系统，对局部腐蚀了多孔硅的硅表面进行化学机械抛光。抛光精度达到3nm（粗糙度）。

(3)采用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-MPCVD）设备，甲烷和氢气作为碳源和辅助气体，衬底温度100℃左右，沉积类金刚石（DLC）膜。使用光刻胶掩膜使类金刚石膜在选定区域沉积，由于类金刚石膜不能在光刻胶上形核，沉积的类金刚石膜两个边覆盖到多孔硅外面的硅衬底上，其余二个边不能完全覆盖多孔硅，为最后的多孔硅释放工艺留下腐蚀的孔道（如图3所示）。

(4)使用射频磁控溅射系统，用纯W金属靶（纯度99.999%）,在DLC膜上溅射制备底电极W金属薄膜（60～100nm）。

(5)使用射频磁控溅射系统，用纯Al靶（纯度99.999%）,在Ar、N2混合气氛下，在底电极W金属薄膜上溅射制备压电膜AlN（002）,调整衬底温度、气体流量、溅射功率及偏压，使AlN膜的晶粒取向平均偏离度＜1°。

(6)在压电膜AlN上，溅射法制备上电极W金属薄膜。采用湿法刻蚀工艺，腐蚀多孔硅材料，释放出空气隙结构完成薄膜体声波谐振器(FBAR)基片制备（如图1、4所示）。

洗掉光刻胶，在真空手套箱中，使用2%的KOH溶液腐蚀多孔硅，由于多孔硅结构疏松，在抽真空条件下KOH溶液很快充满多孔硅孔径，5～8分钟即可形成空气腔。W电极薄膜、AlN膜、DLC膜耐腐蚀性很强，不受影响。

Claims

1.一种薄膜体声波谐振器基片，其特征在于所述薄膜体声波谐振器基片采用W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构。

2.权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器基片的制备方法，其特征在于：

C）在DLC支撑层上制备W薄膜作底层电极；

D）在W薄膜上制备高C轴取向氮化铝AlN压电层；

E）在氮化铝AlN压电层上制备W膜作顶层电极；

3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述硅衬底在局部腐蚀了多孔硅的表面采用薄膜平坦化系统进行化学机械抛光处理，抛光粗糙度为2－5nm，优选3nm。

4.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述支撑层是采用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积方法在硅衬底多孔硅表面沉积类金刚石膜DLC，且通过光刻胶掩膜使类金刚石膜的两个边沉积覆盖到硅衬底多孔硅外的硅衬底上。

5.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述底电极W薄膜采用溅射法在类金刚石薄膜上制备。

6.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述高C轴取向氮化铝AlN压电层采用射频磁控溅射系统制备，高Ｃ轴取向的氮化铝AlN的晶粒取向平均偏离度＜1°，电阻率＞10⁷Ωcm。

7.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述顶层电极W膜采用溅射法制备。

8.按照权利要求2-7所述的任一制备方法，其特征在于采用2%的KOH溶液刻蚀多孔硅材料，释放出空气隙结构。