CN110504937A - 一种薄膜体声波谐振器结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器结构及其制备方法。其中，方法包括：提供衬底，在衬底一侧形成缓冲层，在缓冲层上制作牺牲层，在牺牲层上形成第一电极。通过反应磁控溅射的方法在缓冲层、牺牲层和第一电极上沉积氮化铝层，在氮化铝层上形成第二电极，去除牺牲层，形成空腔。本发明提供的薄膜体声波谐振器结构及其制备方法，实现了大带宽和低损耗的薄膜体声波谐振器。

Description

一种薄膜体声波谐振器结构及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器结构及其制备方法。
背景技术
随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器(FBAR)采用一种先进的谐振技术,通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，薄膜体声波谐振器(FBAR)声波器件具有体积小,成本低,品质因数(Q)高、功率承受能力强、频率高(可达1-10GHz)且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(SAW)器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。
薄膜体声波谐振器的核心结构包括顶电极、压电薄膜层、底电极，并在底电极下形成空腔，压电薄膜材料一般为氮化铝(AlN)，传统制作方法是通过低温溅射形成高C轴取向的AlN薄膜，该方法获得的AlN薄膜的XRD在002方向上的摇摆曲线宽度(FWHM)为2-3°，晶体质量不高，限制器件获取更大的带宽以及更小的损耗。
单晶AlN材料一般通过金属有机化学气象沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)在高温环境下获得，但薄膜体声波谐振器铺设的底电极在高温下易融化损坏且不利于单晶压电材料的生长。
发明内容
本发明提供一种薄膜体声波谐振器结构及其制备方法，以实现大带宽和低损耗的薄膜体声波谐振器。
第一方面，本发明实施例提供了一种薄膜体声波谐振器结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底一侧形成缓冲层；
在所述缓冲层上制作牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
通过反应磁控溅射的方法在所述缓冲层、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层；
在所述氮化铝层上形成第二电极；
去除牺牲层，形成空腔。
可选的，在所述缓冲层、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层时，温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
可选的，所述缓冲层的材料为氮化铝或者氧化铝。
可选的，所述衬底的材料为硅。
可选的，所述在所述衬底表面生长缓冲层包括：
通过气相外延生长、金属有机物化学气相淀积、分子束外延或原子层沉积的方法在所述衬底表面生长缓冲层。
可选的，所述牺牲层的材料为二氧化硅或氮化硅。
第二方面，本发明实施例还提供了一种薄膜体声波谐振器结构，包括：
依次设置的衬底、缓冲层、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述缓冲层与所述第一电极之间设置有空腔。
可选的，所述缓冲层的材料为氮化铝或者氧化铝。
可选的，所述衬底的材料为硅。
可选的，所述氮化铝层的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm；
所述第一电极的厚度为D2，所述第二电极的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，通过在衬底上设置缓冲层，通过在缓冲层上沉积氮化铝层，从而获得晶体质量更高的氮化铝层，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器结构的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的在衬底一侧形成缓冲层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的在缓冲层上制作牺牲层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的在牺牲层上形成第一电极的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的在缓冲层、牺牲层和第一电极上沉积氮化铝层的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第二电极的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器结构的制备方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S101、提供衬底。
S102、在所述衬底一侧形成缓冲层。
S103、在所述缓冲层上制作牺牲层。
S104、在所述牺牲层上形成第一电极。
S105、通过反应磁控溅射的方法在所述缓冲层、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层。
S106、在所述氮化铝层上形成第二电极。
S107、去除牺牲层，形成空腔。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，通过在衬底上设置缓冲层，通过在缓冲层上沉积氮化铝层，从而获得晶体质量更高的氮化铝层，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
可选的，提供衬底包括对衬底表面进行清洗处理。其中，可通过气相外延生长(MOVPE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者湿法清洗的方法对衬底表面进行清洗处理，去除衬底表面的氧化物等杂质，以避免衬底表面的杂质影响缓冲层材料的沉积，且有助于在衬底上沉积具有高晶体质量的缓冲层。
图2为本发明实施例提供的在衬底一侧形成缓冲层的结构示意图，如图2所示，可选的，在衬底11表面生长缓冲层12包括：通过气相外延生长(MOVPE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或原子层沉积(ALD)的方法在衬底11表面生长缓冲层。
其中，气相外延生长(MOVPE)和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)的方法能在较低的温度下制备高纯度的缓冲层材料，减少了材料的热缺陷和本征杂质含量，并能达到原子级精度控制薄膜的厚度，适合大面积、均匀、高重复性地完成缓冲层材料的生长，适用于工业化生产。分子束外延(MBE)的方法生长温度低，能严格控制缓冲层的层厚组分。原子层沉积(ALD)的方法是逐层沉积，具有良好的包覆性，工艺配方稳定、对沉积气压及气体流速等均无严格要求、沉积温度低、成本低，适合于大批量工业生产。
可选的，缓冲层12的材料为氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)。
其中，氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)与氮化铝材料的晶格失配度较低，通过在氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)材料上沉积氮化铝材料，有助于提高氮化铝材料的晶体质量。
可选的，衬底11的材料为硅。
其中，硅衬底价格便宜，且现有技术中应用硅衬底制造薄膜体声波谐振器的技术更加成熟。
图3为本发明实施例提供的在缓冲层上制作牺牲层的结构示意图，如图3所示，可选的，通过物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)的方法在缓冲层12上沉积牺牲层材料，对牺牲层材料进行图形化处理，形成牺牲层13。
其中，物理气相沉积通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面，工艺过程简单、无污染、耗材少、成膜均匀致密且与基体的结合力强。化学气相沉积利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜，沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性和重复性好，台阶覆盖性优良。
可选的，牺牲层13的材料为二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)。
其中，二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)相对于薄膜体声波谐振器中的其他材料，更容易被刻蚀移除，通过设置牺牲层13，避免对衬底11进行刻蚀去制作空腔，从而减少了刻蚀时间。牺牲层13也可选用其他氧化物或氮化物，本领域技术人员能够对此进行明显的变化、调整和替代而不脱离本发明的保护范围。
图4为本发明实施例提供的在牺牲层上形成第一电极的结构示意图，如图4所示，在形成第一电极14时，先在缓冲层12和牺牲层13上沉积一层第一电极14的材料，然后对第一电极14材料进行刻蚀处理，以形成第一电极14，第一电极14可作为薄膜体声波谐振器的底电极。可选的，第一电极14的材料为铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)和锡(Sn)中的任意一种或多种，示例性的，第一电极14的材料为钼(Mo)，从而使得第一电极14的热弹性损失较低。第一电极14可通过磁控溅射沉积等方式沉积形成。磁控溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，使得第一电极14的沉积效果更佳。
图5为本发明实施例提供的在缓冲层、牺牲层和第一电极上沉积氮化铝层的结构示意图，如图5所示，通过反应磁控溅射的方法在缓冲层12、牺牲层13和第一电极14上沉积氮化铝层15。可选的，在缓冲层12、牺牲层13和第一电极14上沉积氮化铝层15时，温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
其中，采用反应磁控溅射的方法在缓冲层12上制备氮化铝层15，通过在反应磁控溅射中提高反应温度，提高氮化铝层15的晶体质量，解决现有技术中的薄膜体声波谐振器中压电层的氮化铝晶体质量不高的问题。其中，沉积过程中的温度T保持在600-800℃，通过设定合适的温度T，在提高氮化铝层15晶体质量的同时，避免预铺的第一电极14在高温下融化造成损坏。
图6为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第二电极的结构示意图，如图6所示，在氮化铝层15上形成第二电极16时，先在氮化铝层15上沉积一层第二电极16的材料，然后对第二电极16的材料进行图形化处理，以形成第二电极16，第二电极16可作为薄膜体声波谐振器的顶电极。可选的，第二电极16的材料为铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)和锡(Sn)中的任意一种或多种，示例性的，第二电极16的材料为钼(Mo)，从而使得第二电极16的热弹性损失较低。第二电极16可通过磁控溅射沉积等方式沉积形成。磁控溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，使得第二电极16的沉积效果更佳。
图7为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器结构的结构示意图，如图7所示，去除牺牲层13，形成空腔17。
可选的，去除牺牲层13包括：对氮化铝层15进行图形化刻蚀，露出部分牺牲层13，通过干法或湿法刻蚀牺牲层13。其中，通过刻蚀或激光等工艺在氮化铝层15上形成至少一个通孔或缝隙，露出牺牲层13，并采用干法或湿法刻蚀牺牲层13，从而通过通孔或缝隙对牺牲层13进行刻蚀和释放，形成空腔17。空腔17使得第一电极14远离氮化铝层15的一侧形成有一层空气层，该空气层能够阻隔谐振能量的散失，提高薄膜体声波谐振器的谐振的可靠性。
可选的，用于刻蚀牺牲层13的材料为磷酸或氢氟酸缓冲液(BufferedHF，BHF)。
其中，用于刻蚀牺牲层13的材料采用磷酸或氢氟酸缓冲液，通过气体刻蚀或者湿法刻蚀去除牺牲层13，从而形成空腔17。示例性的，采用氢氟酸缓冲液作为刻蚀剂刻蚀二氧化硅(SiO2)材料的牺牲层13，或者采用磷酸作为刻蚀剂刻蚀氮化硅(SiN)材料的牺牲层13，从而利用牺牲层13材料与薄膜体声波谐振器中的其他材料在刻蚀剂中腐蚀速率的巨大差异去除牺牲层13。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，通过在衬底11上首先沉积一层高晶体质量的缓冲层12，通过在缓冲层12上继续沉积氮化铝层15，从而获得晶体质量更高的氮化铝层15，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种薄膜体声波谐振器结构，该薄膜体声波谐振器结构可采用上述实施例所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法形成，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，继续参考图7所示，本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器结构包括：依次设置的衬底11、缓冲层12、第一电极14、氮化铝层15和第二电极16。缓冲层12与第一电极14之间设置有空腔17。
其中，在第一电极14和第二电极16之间设置有氮化铝层15，氮化铝层15作为压电层能够在两端电流作用下产生谐振，从而应用到电子产品中，起到频率控制的作用。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器结构，通过在衬底11上设置缓冲层12，通过在缓冲层12上生长氮化铝层15，从而显著提高氮化铝层15的晶体质量，使得薄膜体声波谐振器结构能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
可选的，缓冲层12的材料为氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)。
其中，氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)与氮化铝材料的晶格失配度较低，通过在氮化铝(AlN)或者氧化铝(Al2O3)材料上沉积氮化铝材料，有助于提高氮化铝材料的晶体质量。
可选的，衬底11的材料为硅。
其中，硅衬底价格便宜，且现有技术中应用硅衬底制造薄膜体声波谐振器的技术更加成熟。
可选的，氮化铝层15的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm，第一电极14的厚度为D2，第二电极16的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
其中，通过设置合适的氮化铝层15的厚度D1、第一电极14的厚度D2以及第二电极16的厚度D3，使得薄膜体声波谐振器工作在所需的频率范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底一侧形成缓冲层；
在所述缓冲层上制作牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
通过反应磁控溅射的方法在所述缓冲层、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层；
在所述氮化铝层上形成第二电极；
去除牺牲层，形成空腔。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，在所述缓冲层、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层时，温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为氮化铝或者氧化铝。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为硅。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底表面生长缓冲层包括：
通过气相外延生长、金属有机物化学气相淀积、分子束外延或原子层沉积的方法在所述衬底表面生长缓冲层。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为二氧化硅或氮化硅。
7.一种薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，包括：
依次设置的衬底、缓冲层、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述缓冲层与所述第一电极之间设置有空腔。
8.根据权利要求7所述薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述缓冲层的材料为氮化铝或者氧化铝。
9.根据权利要求7所述薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述衬底的材料为硅。
10.根据权利要求7所述薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述氮化铝层的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm；
所述第一电极的厚度为D2，所述第二电极的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
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