CN103326692A

CN103326692A - 一种电调薄膜体声波谐振器及其制备方法

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Publication number: CN103326692A
Application number: CN2013102030384A
Authority: CN
Inventors: 董树荣; 卞晓磊; 胡娜娜; 郭维
Original assignee: JIANGSU ALLENMOORE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ALLENMOORE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了电调薄膜体声波谐振器及其制备方法，包含在同一个衬底上连续堆叠集成为一体的声反射层及压电振荡堆；其中，压电振荡堆包括第一电极、压电层、半导体层及第二电极；第二电极和压电层表面的半导体层构成肖特基势垒二极管；直流偏压加在所述压电振荡堆的第一和第二电极上。电极施加较小的直流偏压就可以较大的改变FBAR的电学阻抗特性，从而实现低压下FBAR谐振频率的较大调节。压电层及半导体层采用了同时具有压电特性和半导体特性的材料，本身介质损耗低，且采用堆叠结构集成肖特基势垒二极管，使得薄膜体声波谐振器高Q值的优点不受影响，可以减小器件尺寸，降低成本，同时制备简单，机械牢固度强，能够在恶劣环境中使用。

Description

一种电调薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种电调薄膜体声波谐振器及其制备方法，尤其涉及一种低直流偏压可调谐薄膜体声波谐振器（FBAR）及其制备方法。

背景技术

在无线通信领域，高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化成为发展趋势，这就对要求无线收发机的组件具备一定的电调特性。通过电调，获得所需滤波特性的滤波器或所需频率点的振荡器，并且这些器件也要具有高Q值、便于集成等特点。目前，主要的电调方式有外接LC网络电调、介质微扰电调、铁电截止电调等，上述方法都体积较大、不能集成到芯片中，只能作为分立器件外接于芯片，而且这样射频电路的分布效应就很明显、Q值很低，极大影响收发机的性能。因此，提供一种体积小、可集成的电调技术成为迫切性需要。

薄膜体声波谐振器（FBAR）由于其高工作频率、高品质因数（Q值）、低温度系数、高功率承载能力、可集成及小体积的特点，近年来得到广泛重视，并在无线通信领域得到了广泛的应用。由多个FBAR串并联可以构成一定带通或带阻特性的射频滤波器，滤波器的带宽主要由所组成的单个FBAR谐振频率点决定，滤波器滚降特性主要由所组成的单个FBAR谐振峰Q值决定。由FBAR构成超低相噪振荡器。如果单个FBAR可以实现电调，那么由其组成的滤波器、多工器、振荡器等也可以实现电调。总之，寻找一种体积小、制备简单、Q值高，并能集成到现有硅基工艺的可调谐薄膜体声波谐振器，已成为了各个通信领域公司的研究热点，受到越来越多的重视。

现有的薄膜体声波谐振器电调技术研究成果主要有：①使用外接电调LC网络或PIN可变电容实现电调；②使用片上集成MEMS可变电容实现电调；③利用铁电体（同时也是压电体）在不同偏压下介电常数的变化，来调谐；④使用大的偏压，改变电梯物理特性来实现电调等。采用外接分立元件可以实现较大范围的调谐，但由于外接电容电感Q值低，分布效应明显，对FBAR的品质因数有很大影响。庞伟等人在“Electrically tunable and switchable film bulk acoustic resonator”（Frequency Control Symposium and Exposition, 2004. Proceedings of the 2004 IEEE International，pp 22-26）中提出了采用MEMS技术集成了悬梁臂电容，通过静电调谐，调节范围到达0.9%，但是此种方法结构复杂，制备难度大，机械牢固度小，不具备实际意义。瑞士联邦理工学院的A. Noeth等人在“Tuning of direct current bias-induced resonances in micromachined Ba0.3Sr0.7TiO3 thin-film capacitors”（Journal of Applied Physics， volume 102, issue 11, 2007）中提出了采用铁电材料钛酸锶钡（BST）实现较大范围的电调，但BST介质损耗大，压电性能差，使得谐振器的Q值较低。使用偏压改变压电薄膜粘弹系数，从而改变FBAR谐振频率，有损耗低、对Q值影响小的优点，但这种方法实现的频率调谐量小，而且需要很大的直流偏压，一般要大于150V，这么大的电压在实际应用中意义不大。

总而言之，现代通信系统向小型化、集成化、密集复用化方向发展，以低成本、易制备、可集成的方式实现滤波器、振荡器等射频模块的电调就成为了一种迫切的需求。因此，需要一种体积小、结构简单、低压可调、Q值高的电调FBAR来满足这种需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种可以通过外加低直流偏压实现谐振频率调节的薄膜体声波谐振器（FBAR）结构及其制备方法。本发明电调薄膜体声波谐振器采用薄膜堆叠结构，不另外占用基片面积，节约成本，而且结构简单可靠，制备方便，Q值也没有明显降低，可用于涉及频带调节的滤波器、振荡器、双工器等射频系统。

一种电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，

包含在同一个衬底上连续堆叠集成为一体的声反射层及压电振荡堆；

其中，所述压电振荡堆包括依次沉积的第一电极、压电层、半导体层及第二电极；

所述第二电极和压电层表面的半导体层构成肖特基势垒二极管；

直流偏压加在所述压电振荡堆的第一和第二电极上。

声反射层包括基片及其上沉积的支撑层；所述压电振荡堆堆叠在所述支撑层上。

所述声反射层为气息悬浮结构、背刻蚀结构或布拉格反射层结构。

电极分布为上下结构、左右结构或叉指结构。

压电层表面半导体层具有的载流子浓度10¹³-10¹⁹ cm^-3。

所述的第一或第二电极厚度在10-300nm之间；所述的压电层厚度在500-5000nm之间；所述的半导体层厚度在10-400nm之间。

常用地，压电层材料为ZnO，电极材料为Al或Au。压电材料和电极材料为所有能形成肖特基接触的压电半导体和金属，如ZnO、CdS、GaAs等Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物，和Au、Pt、Pd、Ni、Al、Ag、Ti等金属。

电压施加方式为正向偏压或反向偏压，施加电压范围为0-100V。

具有一定载流子浓度的压电层表面的半导体层，由原子层沉积方法获得，或在反应溅射压电薄膜的初始阶段或结束阶段改变O₂的流量获得。

电调薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征是，包含以下步骤：

依次在基片上沉积第二电极、压电层、半导体层、第一电极形成压电振荡堆，其中，电极采用热蒸发方法制备而成，压电层采用反应溅射方法制备而成；具有一定载流子浓度的半导体层，采用ALD原子层沉积方法获得或在反应溅射压电层的初始阶段或结束阶段改变O₂的流量，获得半导体层；

在基片上形成声反射层。

本发明所达到的有益效果：

与现有的可调频薄膜体声波谐振器相比，本发明电调薄膜体声波谐振器的优点为：

（1）由于采用薄膜堆叠结构，和外接分立原件或集成MEMS电容相比，可以减小器件尺寸，降低成本，同时制备简单，机械牢固度强，能够在恶劣环境中使用。

（2）因为肖特基势垒电容可以随较小的电压实现较大的变化，本发明电调薄膜体声波谐振器集成了肖特基势垒二极管后，电极施加较小的直流偏压就可以较大的改变FBAR的电学阻抗特性，从而实现低压下FBAR谐振频率的较大调节。

（3）压电层及半导体层采用了同时具有压电特性和半导体特性的材料，如ZnO等，本身介质损耗低，而且采用堆叠结构集成肖特基势垒二极管，避免使用外接分立元件，使得薄膜体声波谐振器高Q值的优点能够几乎不受影响。

附图说明

图1是采用背腔刻蚀结构电调薄膜体声波谐振器的集成结构主视剖面图；

图2是采用背腔刻蚀结构电调薄膜体声波谐振器的集成结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明的电调FBAR包括声反射层110及其上的压电振荡堆109。其中，声反射层110包括基片106及其上沉积的支撑层105；压电振荡堆109包括第二电极101、压电层103、第一电极104及半导体薄层102。

第二电极101和压电层103表面的半导体薄层102构成肖特基势垒二极管108。

FBAR振动模式可以是横波或纵波或剪切波或上述的混合波，不同振动模式所对应的电极分布为上下结构、左右结构或叉指结构；本实施例中以上下结构为例进行说明。

FBAR中与金属电极接触的压电层表面半导体薄层具有一定的载流子浓度10¹³-10¹⁹ cm^-3，并且压电层材料与电极材料形成肖特基接触的势垒二极管，所形成的肖特基势垒二极管可以是上电极与压电层上表面，也可以是下电极与压电层下表面，或者上下都有。所述的上、下电极厚度在10-300nm，所述的压电层厚度在500-5000nm之间，所述的压电材料的半导体薄层厚度在10-400nm之间。

涉及的材料包括所有能够形成肖特基接触的压电材料和金属电极材料，包括压电材料ZnO以及电极材料Al、Au。

声反射层为气息悬浮结构、背刻蚀结构或布拉格反射层结构。

图中声反射层109采用背刻蚀结构，在基片106上刻蚀产生空气腔107，支撑层105用以支持压电振荡堆。

本发明电调FBAR制作时，首先在硅晶圆基片106上沉积一层支撑层105如二氧化硅（SiO2），再依次沉积下电极104如金（Au）、压电层103如氧化锌（ZnO）、半导体薄层102如氧化锌（ZnO）、上电极101如金（Au）。制备方法依次是：上、下电极如金（Au）采用热蒸发方法制备，压电层如氧化锌采用反应溅射制备。要制备具有一定载流子浓度的半导体薄层102氧化锌，可以用ALD原子层沉积(Atomic layer deposition)方法获得，也可以在反应溅射ZnO压电层的初始阶段（或结束阶段）改变O₂的流量，从而获得具有一定载流子浓度的ZnO表面半导体薄层，载流子浓度10¹⁷ cm^-3，半导体薄层厚度为50nm。

最后，通过深反应离子刻蚀（DeepRIE）在基片106上形成空气腔107，作为声反射层109。

本发明电调FBAR可通过低直流偏压调节FBAR的谐振频率，直流电压通过上下电极101、104加到FBAR压电振荡堆109两端，实现频率调谐。

本发明电调薄膜体声波谐振器，采用堆叠结构，制备工艺简单，机械牢固度好，品质因数高，能够以较低的直流偏压实现较大的谐振频率调节，能够很好的应用于射频通信以及传感器领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，

直流偏压加在所述压电振荡堆的第一和第二电极上。

2.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，声反射层包括基片及其上沉积的支撑层；所述压电振荡堆堆叠在所述支撑层上。

3.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声反射层为气息悬浮结构、背刻蚀结构或布拉格反射层结构。

4.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，电极分布为上下结构、左右结构或叉指结构。

5.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，压电层表面半导体层具有的载流子浓度10¹³-10¹⁹ cm^-3。

6.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的第一或第二电极厚度在10-300nm之间；所述的压电层厚度在500-5000nm之间；所述的半导体层厚度在10-400nm之间。

7.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征是，电压施加方式为正向偏压或反向偏压，施加电压范围为0-100V。

8.根据权利要求1所述的电调薄膜体声波谐振器，其特征是，具有一定载流子浓度的压电层表面的半导体层，由原子层沉积方法获得，或在反应溅射压电薄膜的初始阶段或结束阶段改变O₂的流量获得。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的电调薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征是，包含以下步骤：

在基片上形成声反射层。

10.根据权利要求9所述电调薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征是，所述声反射层为气息悬浮结构、背刻蚀结构或布拉格反射层结构。