CN107231138A - 带有支撑结构的薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种薄膜体声波谐振器(FBAR)及其加工方法。该声波谐振器包括硅衬底、二氧化硅薄膜、压电薄膜换能器堆叠结构，压电薄膜换能器堆叠结构从上到下依次包括顶电极、压电层、底电极。其制造加工方法的特征是：在硅衬底上生长缓冲层，物理气相沉积生长底电极、压电材料和顶电极，形成压电薄膜换能器堆叠结构。然后将带有空腔的绝缘体硅基片与压电薄膜换能器堆叠结构进行键合，形成空气腔，最终剥离原先硅衬底。与现有技术相比，本发明采用预设的空腔结构，在空腔内形成压电薄膜换能器堆叠结构的支撑结构，有利于减少薄膜体声波谐振器早键合过程的断裂、损伤，能有效地提高器件生产稳定性，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信射频前端器件，特别是薄膜体声波谐振器(FBAR)及其制备方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，消费类电子产品和个人通讯系统市场的快速扩张，引起了对无线通信系统(如掌上电脑、手机、导航系统、卫星通信以及各种数据通信)的极大需求。特别是近两年以来，随着第三代和第四代通讯标准的发布，个人无线通讯系统的发展趋向于将越来越多的功能模块集成到无线终端中。现在的手机不仅需要有基本的通话和短信功能，还需要有GPS导航、网页浏览、视频音频播放、照相和实况电视接收等功能。此外，由于历史和地区等原因造成各种无线通信标准的存在，使得采用新标准的手机中需要集成多种模式、多个频段以方便实现跨地区和国家之间的漫游。以上种种，使得无线通信的发展向着增加功能模块、缩小系统尺寸、降低成本和功耗的方向发展。因此，制备高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射频系统就成为研究的一个热点。
在过去的几年中，随着射频集成电路(RFIC)技术的迅速发展，一些以前用于通讯系统中的分立元器件，如低噪声放大器(LNA)和中频滤波器(IF)等，已经可以采用射频集成电路的方式实现；但是另一些元器件，如低相噪的射频振荡器(RF Oscillator)和射频前端滤波器(RF Filter)等，却仍然难以采用射频集成电路的方式实现。另一方面，随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技术制备的射频元器件，如射频开关(RF Switch)、射频电感(RFInductor)和射频谐振器(RF Resonator)等，由于其具有的优良性能而获得广泛的研究和应用。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是最近几年来研究很热的一种采用MEMS技术实现的射频谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片上，主要由金属电极/压电薄膜/金属电极构成的一种器件。在某些特定的频率下，FBAR器件表现出如石英晶体谐振器一样的谐振特性，因此可被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯系统中。相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的LC振荡器、陶瓷介质谐振器及声表面波(SAW)器件而言，薄膜体声波谐振器器件除了具有小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率(0.5GHz－10GHz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与CMOS工艺兼容，因此可与外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。
基于FBAR器件的射频振荡器主要具有低功耗小体积并可与标准CMOS工艺兼容的特点，可实现系统的单芯片集成。随着对薄膜体声波谐振器器件频率温度系数的改进，这类振荡器在需要低功耗小体积的射频通讯系统中有极大用武之地。
薄膜体声波谐振器器件的制备工艺相对于其他MEMS器件而言并不复杂，目前制备薄膜体声波谐振器主要通过牺牲层表面工艺或背部刻蚀工艺来完成。牺牲层表面工艺主要利用磷酸硅玻璃或二氧化硅等材料作为填充牺牲层，将压电薄膜换能器堆叠结构沉积在它的表面。工艺的后期将牺牲层去除从而达到形成空腔的目的。牺牲层表面工艺主要的问题是牺牲层不能彻底清除，会造成一定程度的粘连，从而影响器件的性能。而背部刻蚀工艺主要是通过在晶圆背面进行体硅刻蚀，从而使正面形成的压电薄膜换能器堆叠结构的背面处于空腔环境。背面刻蚀工艺的主要问题是需要一层二氧化硅加一层氮化硅薄膜作为压电薄膜换能器堆叠结构的支撑层，使得器件在工艺生产中避免刻蚀业的侵蚀。然而这样的设计极容易产生较大的应力，器件容易出现褶皱和破裂，会极大影响器件的性能。不解决残余应力的问题，就无法制备出高性能的FBAR器件。
发明内容
为了克服上述现有工艺技术中用牺牲层形成空腔方案中释放困难，以及背部刻蚀造成的应力集中等问题，本发明基于带孔腔的绝缘体硅衬底的薄膜体声波谐振器(FBAR)。由于利用绝缘体硅基片与压电薄膜换能器堆叠结构键合形成封闭的空腔，从而避免了上述技术问题。
一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：
所述谐振器包括带空腔的绝缘体硅基片和压电薄膜换能器堆叠结构；所述压电薄膜换能器堆叠结构包括顶电极、压电材料和底电极，其中顶电极、压电材料、底电极依次堆叠，所述压电薄膜换能器堆叠结构置于所述绝缘体硅基片的空腔中，所述压电薄膜换能器与绝缘体硅基片通过键合形成封闭空腔结构，所述空腔内包括多个支撑结构，用于支撑压电薄膜换能器堆叠结构。
进一步地，所述顶电极、所述底电极的引出部分位于同一平面上。
进一步地，所述顶电极、所述底电极包括钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。
进一步地，所述压电材料包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。
本发明还提出一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
在转移基板上制备压电薄膜换能器堆叠结构；
制备带空腔的绝缘体硅基片，所述空腔内包括支撑结构；
所述压电薄膜换能器堆叠结构置于所述空腔中、键合所述压电薄膜换能器堆叠结构与所述带空腔的绝缘体硅基片，形成封闭的空腔结构；
剥离所述转移基板，形成空腔型薄膜体声波谐振器。
进一步地，还包括在所述转移基板上沉积缓冲层的步骤，所述缓冲层用于剥离所述转移基板。
进一步地，所述压电薄膜换能器堆叠结构包括依次堆叠的底电极、压电材料、顶电极。
进一步地，还包括在所述带空腔的绝缘体硅基片上形成键合金属层的步骤。
进一步地，所述缓冲层包括二氧化硅。
本发明还提出一种通信器件，包括薄膜体声波谐振器。
本发明提出了一个新的互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的薄膜体声波谐振器(FBAR)，其设计解决了长期困扰着薄膜体声波谐振器(FBAR)领域空腔设计的实现工艺问题。利用与互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺，可以在现有的晶圆生成条件下进行批量生产，由于其新颖的键合工艺设计，能有效的避免表面牺牲层工艺的粘连以及背面刻蚀工艺的应力问题。
本发明采用预设的空腔结构，有利于减少传统空腔刻蚀过程中形成的粘连和机械结构断裂、损伤，能有效地提高器件生产良率，适合批量生产。由于预制的空腔宽度大于压电薄膜换能器堆叠结构的水平宽度，该设计亦能对薄膜体声波谐振器的横向杂波有很好的抑制作用，从而提高器件性能。本发明在空腔内形成压电薄膜换能器堆叠结构的支撑结构，有利于减少薄膜体声波谐振器在键合过程的断裂、损伤，能有效地提高器件生产稳定性，适合批量生产。
附图说明
图1是本发明其中一实施例的薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图；
图2是本发明其中一实施例的压电薄膜换能器堆叠结构示意图；
图3是本发明其中一实施例的带空腔和支撑结构的绝缘体硅基片的示意图；
图4是本发明其中一实施例的压电薄膜换能器堆叠结构和带空腔的绝缘体硅基片键合的示意图；
图5是本发明其中一实施例的键合后衬底剥离的示意图；
图6是本发明其中一实施例的绝缘体硅基片示意图；
图7是本发明其中一实施例的绝缘体硅基片第一次刻蚀示意图；
图8是本发明其中一实施例的绝缘体硅基片刻蚀出支撑结构和空腔的示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明提出了一种薄膜体声波谐振器(FBAR)。如图1-2所示，其包括：带空腔的绝缘基片1，该绝缘基片例如为SOI基片；置于空腔中的压电薄膜换能器堆叠结构2，该堆叠结构2自上而下依次堆叠顶电极21、压电材料层22、底电极23。空腔内还包括支撑结构3，其中顶电极21、底电极23与绝缘基片及支撑结构3进行键合，形成封闭式空腔，实现薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波。最终，顶电极21、底电极23处于同一水平面，便于连接引线测试。
本实施例中，顶电极21的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合；底电极23的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。
其中，压电材料包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。
空腔内支撑结构3为绝缘基片的一部分，经刻蚀而成。本发明在空腔内形成压电薄膜换能器堆叠结构的支撑结构，有利于减少薄膜体声波谐振器在键合过程的断裂、损伤，能有效地提高器件生产稳定性，适合批量生产。
实施例2
本发明还提出了一种薄膜体声波谐振器(FBAR)的制备方法，具体地，如图2-8所示：包括如下步骤：
在转移基板25上生长一层缓冲层24，厚度50-500纳米。本领域技术人员可以理解，本实施例中的衬底常见的为硅衬底、也可以是玻璃衬底、有机材料衬底、石英衬底、或者其它一切适用于制备薄膜体声波谐振器(FBAR)的载体衬底材料。本实施例中的缓冲层24用于后续分离转移基板和薄膜体声波谐振器(FBAR)，该缓冲层的材料可以是二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，磷酸玻璃等材料。根据实际工艺，可以在二氧化硅薄膜中掺杂离子，比如磷，氟，碳，硼等，以便更好的刻蚀。
淀积底电极23，并图形化，能够应用于本实施例的底电极材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合，底电极23的厚度介于100-2000纳米。
淀积高C轴取向的压电薄膜22；淀积压电薄膜22的方法有多种，本领域技术人员可知，可以包括物理气相沉积、化学气相沉积、反应射频磁控溅射、原子层沉积等方法。其中，压电薄膜材料可以为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。
图形化压电薄膜，本实施例中使用反应离子刻蚀或者湿法刻蚀工艺刻蚀压电薄膜，形成将底电极引出的通孔。
淀积顶电极21，光刻形成所需图形。顶电极材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合，厚度为100-2000纳米。
准备带有空腔的绝缘体硅基片。该绝缘体硅基片的空腔可通过干法刻蚀形成，空腔的大小应与压电薄膜换能器堆叠结构相匹配。在该步骤中，还包括在空腔中形成压电薄膜换能器堆叠结构的支撑结构3，空腔内的支撑层的高度应与压电薄膜换能器堆叠结构的垂直高度效果匹配，以便键合的时候能形成有效接触，从而起到支撑的目的。带支撑结构的空腔结构的形成方法如图6-8所示，包括如下步骤：
如图6所示，准备绝缘体硅基片，并将其表面清洗干净。该绝缘体硅基片从上到下分别是硅、二氧化硅(BOX)、硅衬底。
如图7所示，使用干法或者湿法刻蚀绝缘体硅基片，将刻蚀窗口内的上层的硅部分去除，刻蚀的深度应与压电薄膜换能器堆叠结构的整体厚度保持一致，以便键合后能形成支撑作用。刻蚀后，空腔的横向宽度大于压电薄膜换能器堆叠结构的横向宽度。
如图8所示，使用干法或者湿法刻蚀空腔内的硅。根据预先设置的图形，刻蚀后，空腔内将形成多根支撑结构。支撑结构的数量根据器件大小的不同要求可以从1根到10根不等。
清洗晶圆表面，使空腔内不留残物。
将带有空腔的绝缘体硅基片与压电薄膜换能器堆叠结构进行键合，使之成为一个整体并形成封闭式空腔。
将缓冲层24湿法去除，从而将薄膜体声波谐振器的载体衬底从器件剥离，形成完整的薄膜体声波谐振器(FBAR)结构。顶电极21、底电极23在带空腔的绝缘体硅基片上最终处于同一水平面，方便连接引线测试。
本实施例还涉及带空腔的绝缘体硅基片与压电薄膜换能器堆叠结构的键合，其键合工艺如下：
首先在带有空腔的绝缘体硅基片表面沉积一层金属材料14，金属材料14可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合，厚度为100-2000纳米；使用干法或者湿法刻蚀工艺将空腔内的金属层去除，保留空腔外及支撑结构上的金属层；将带有空腔的绝缘体硅基片的金属层14与压电薄膜换能器堆叠结构的顶电极21、底电极23金属对齐，通过金属键合工艺将两者键合为一个器件。
在另外的实施方式中，也可以在绝缘体硅基片上预先沉积金属材料14，然后再开始带支撑结构的空腔结构的刻蚀步骤。
本发明所提出的薄膜体声波谐振器被广泛应用于通信器件，例如：射频振荡器、滤波器和双工器。
本发明是一个新的互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的薄膜体声波谐振器(FBAR)，其设计解决了长期困扰着薄膜体声波谐振器(FBAR)领域空腔设计的实现工艺问题。利用与互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺，可以在现有的晶圆生成条件下进行批量生产，由于其新颖的键合工艺设计，能有效的避免表面牺牲层工艺的粘连以及背面刻蚀工艺的应力问题。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：
所述谐振器包括带空腔的绝缘体硅基片和压电薄膜换能器堆叠结构；所述压电薄膜换能器堆叠结构包括顶电极、压电材料和底电极，其中顶电极、压电材料、底电极依次堆叠，所述压电薄膜换能器堆叠结构置于所述绝缘体硅基片的空腔中，所述压电薄膜换能器与绝缘体硅基片通过键合形成封闭空腔结构；所述空腔内包括多个支撑结构，用于支撑压电薄膜换能器堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述顶电极、所述底电极的引出部分位于同一平面上。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述顶电极、所述底电极包括钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电材料包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。
5.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在转移基板上制备压电薄膜换能器堆叠结构；
制备带空腔的绝缘体硅基片，所述空腔内包括支撑结构；
所述压电薄膜换能器堆叠结构置于所述空腔中、键合所述压电薄膜换能器堆叠结构与所述带空腔的绝缘体硅基片，形成封闭的空腔结构；
剥离所述转移基板，形成空腔型薄膜体声波谐振器。
6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：还包括在所述转移基板上沉积缓冲层的步骤，所述缓冲层用于剥离所述转移基板。
7.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述压电薄膜换能器堆叠结构包括依次堆叠的底电极、压电材料、顶电极。
8.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：还包括在所述带空腔的绝缘体硅基片上形成键合金属层的步骤。
9.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述缓冲层包括二氧化硅。
10.一种通信器件，包括权利要求1-4所述的薄膜体声波谐振器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171003 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |