CN110635775B

CN110635775B - 谐振器及其制造方法

Info

Publication number: CN110635775B
Application number: CN201910851524.4A
Authority: CN
Inventors: 唐滨; 王家友; 王友良; 赖志国; 唐兆云; 杨清华
Original assignee: Suzhou Huntersun Electronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Huntersun Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: CN110635775A

Abstract

本发明公开了一种谐振器，包括：第一电极，位于基板上；压电层，位于第一电极上；第二电极，位于压电层上；框架，位于第一电极下方或上方和/或第二电极上方或下方，框架的厚度沿垂直方向渐变。依照本发明的谐振器，利用倾斜缓变的框架，以简单的制作工艺高效地提升了FBAR器件的Q值，提高了工艺兼容性和谐振器结构的稳定性。

Description

谐振器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种谐振器及其制造方法，特别是涉及一种具有厚度渐变倾斜侧壁框架的膜体声波谐振器(FBAR)及其制造方法。

背景技术

近来，根据移动通信装置以及化学和生物装置的飞速发展，对在这些装置中使用的小且轻的滤波器、振荡器、谐振元件以及声谐振质量传感器的需求也已经增加。

膜体声波谐振器(FBAR)是实现小且轻的滤波器、振荡器、谐振元件以及声谐振质量传感器的已知的构件。膜体声波谐振器可以以最小的成本大批量生产，并可实现为具有超小型尺寸。此外，FBAR可提供作为滤波器的主要特性的高品质因子(Q)值，甚至可被使用在微波频带中，并且还可实现个人通信系统(PCS)和数字无线系统(DCS)的特定频带。

如图1所示，通常，FBAR包括通过在包括空腔2的基板1上顺序地堆叠第一电极3、压电层4和第二电极5而实现的谐振部。在操作FBAR时，通过将电能施加到第一电极和第二电极而在压电层中诱发出电场，通过诱发的电场在压电层中产生压电现象，使得谐振部在预定方向上振动。结果，在与谐振部振动的方向相同的方向上产生体声波，导致谐振。

在上述FBAR设备中，可以通过多种方法来实现减少在边界处的声学损耗。特别地，沿着FBAR的一侧或多侧设置框架6。有框架区域FBAR与无框架区域FBAR产生声阻抗失配，声阻抗失配通过将声能反射回到谐振器的有源区来减少声能损耗，因此提升FBAR的品质因数。

虽然结合框架减少声能损耗和伴随着改进FBAR的品质(Q)因子，但是直接应用已知的框架元件没有在减少声能损耗和Q方面产生显著改进。

特别地，如图1中所示，现有的框架6侧壁通常是垂直的，也即整个框架厚度均匀。如此，只可反射特定频率下的部分声能，Q值提升程度受限。进一步，垂直侧壁的框架不利于在框架上面继续沉积薄膜，也容易剥离，结构可靠性和稳定性均较差。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种制作简单、工艺兼容性强且可靠性高、并能有效提高Q值的FBAR结构。

本发明提供了一种谐振器，包括：第一电极，位于基板上；压电层，位于第一电极上；第二电极，位于压电层上；框架，位于第一电极下方或上方和/或第二电极上方或下方，框架的厚度沿垂直方向渐变。

其中，基板中具有空腔；优选地，框架内边界沿水平方向向内延伸超过空腔边界。

其中，框架内边界与空腔边界水平距离为0.1～10微米；任选地，框架外边界与内边界之间的距离为0.5～3微米；框架外边界与内边界之间的宽度为0.2～20微米；任选地,框架外边界与内边界之间的宽度为3～8微米；任选地，框架厚度为10～500nm。

其中，空腔内填充保护性气体或惰性气体或真空；任选地，基板顶部具有凹凸结构并填充与空腔内相同的气体或真空。

其中，第一电极及第二电极材质为导电金属,可为同种金属或不同种金属；第一电极或第二电极可为单种金属也可为多层金属组合。

其中，框架的材质为导电材料或介电材料；任选地，框架具有倾斜侧壁、圆化侧壁或椭圆化侧壁；任选地，框架与第一或第二电极的夹角为15～60度。

本发明进一步提供了一种谐振器制造方法，包括步骤：在基板上或在形成第一电极之后在第一电极上形成第一电极；在第一电极上形成压电层；在压电层上形成第二电极；其中，在形成第一电极之前在基板上形成框架，和/或在形成第二电极之前在压电层上形成框架或在形成第二电极之后在第二电极上形成框架，框架的厚度沿垂直方向渐变。

其中，通过金属剥离工艺、蚀刻工艺、或者印刷等工艺，使得框架具有倾斜侧壁、圆化侧壁或椭圆化侧壁。

其中，调节光刻胶形貌，使得框架与第一或第二电极之间的夹角为15～60度。

依照本发明的谐振器，利用倾斜缓变的框架，以简单的制作工艺高效地提升了FBAR器件的Q值，提高了工艺兼容性和谐振器结构的稳定性。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1显示了现有技术的FBAR的剖面示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的FBAR的剖面示意图；以及

图3显示了根据本发明另一实施例的FBAR的剖面示意图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了可有效提高FBAR的Q值并提高工艺稳定性的谐振器结构及其制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。

如图2所示，示出了依照本发明一个实施例的谐振器结构。在该实施例中，首先提供基板1。为了提高与其他半导体器件的集成和兼容性，基板1可以是体Si、体Ge或SOI、GeOI衬底以实现与MEMS器件或CMOS器件集成在同一基板上，也可以是化合物衬底例如GaN、GaAs、InP、GaP等以与LED、OLED、HEMT等器件集成在同一基板上，甚至可以是玻璃、塑料、蓝宝石等透明绝缘材料以作为光电器件的盖板或底板。在本发明一个优选实施例中，基板1是半透明或全透明材料，从而将包括FBAR结构的声学传感器或滤波器集成在光电装置特别是其透明盖板或底板上，以实现声-光电传感器系统的整体小型化。进一步优选地，基板1是透明材料且可以通过掺杂或者退火等工艺改变局部的硬度或弹性模量，以实现MEMS所需的质量块，从而进一步将力学传感器与声-光学传感器集成。

接着，在基板1上通过PVD、蒸发等常规工艺形成下部第一电极3。电极3是高导电性材料，例如金属、合金、多层金属。在本发明的实施例中，电极3材料为Mo、W、Ru、Pt、Al、Au、Ag、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr等金属单质或金属合金，或者这些金属的导电氧化物、导电氮化物或多层金属组合。特别地，为了使得电极3能够承受稍后形成压电材料层4的高温工艺，电极3为难熔金属(Mo、W、Pt、Ti、Ta等)或难熔金属的氮化物(WN、TiN、TaN)。优选地，控制电极3的厚度使其透明。

其中，特别地为了有效提高谐振器的Q值，形成下部第一电极3之前或之后，在基板1中形成空腔2。在本发明的不同实施例中，可以先形成电极3，然后通过掩模遮蔽从侧面腐蚀电极3下方的基板1而直接掏蚀形成空腔2；或者可以先在基板1中通过蚀刻形成空腔2并填充用于临时保护的牺牲层(例如掺磷氧化硅、氧化硅、氮化硅或有机介质)，形成电极3之后再湿法腐蚀去除牺牲层，从而在基板1中留下空腔2。空腔2内优选地填入实质上难以与基板1发生反应的保护性气体或惰性气体，例如氮气、氩气、氦气、氖气、氙气等等。特别地，为了提高底部电极3与基板1之间的粘附力并提高对于外部湿气、杂质的抗渗透能力，可以在基板1顶部通过过蚀刻工艺形成细微凹凸结构(图中未示出)并填充与空腔2内相同的气体。

接着，在下部第一电极3上通过PVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、原位氧化、原位氮化、MBE、ALD等工艺，形成压电层4。压电层4的材料例如为ZnO、AlN、BST(钛酸锶钡)、BT(钛酸钡)、PZT(锆钛酸铅)、PBLN(铌酸铅钡锂)、PT(钛酸铅)等等。优选地，控制沉积工艺例如压力和温度、沉积时间以优化薄膜厚度和质量。

随后，在压电层4上形成上部第二电极5。第二电极5的形成工艺、材料与第一电极3实质上相同，区别仅在于第二电极5无需承受高温，因此除了以上所列第一电极3的材料之外，还可以是导电性、反射性更高但易熔的材料，例如Al、Ag、Au、AlTi、MgAl等，以与光电器件集成时提高向下反射出光的效率。

接着，在第二电极5上，沿着空腔2的边缘形成框架6，也即从顶面看，框架6围绕了基板1中空腔2的周缘并优选地跨越最外侧周缘而向空腔2内部和外部延伸一定距离，也即框架6的内部边界在谐振器的有效区域内。框架6的材料可以是导电材料，例如金属、金属氧化物、金属氮化物材料。在本发明一个实施例中，框架6与顶部电极5为相同材料以便一体形成，例如利用掩模板，采用光刻-蚀刻工艺将较厚的电极5顶部选择性去除一部分而留下框架6，如此可以提高框架6的机械稳定性。在本发明其他实施例中，框架6与顶部电极5材料不同，因此需要以金属剥离或蚀刻工艺形成异质的框架金属层6。在本发明的又一实施例中，框架6材料还可以是额外沉积/氧化/氮化等工艺形成的介电材料，例如氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化铝、氧化钛的单层或多层，并调节框架内应力以提高框架的稳定性。

特别地，框架6具有厚度缓慢变化，例如图2所示的倾斜的侧壁，由此有利于后续工艺的应力释放，提高结构的可靠性和稳定性。该斜坡可以通过金属剥离工艺制备，例如先在顶部电极5上形成光刻胶图形，通过调整光刻菜单参数，将光刻胶形貌调整为倒梯形，在器件整个表面上溅射金属薄层，机械剥离或者激光/紫外线照射剥离光刻胶，留下具有倾斜侧壁的框架6。在本发明其他实施例中，可以形成框架6之后通过倾斜离子注入形成(非晶化的)释放层而后机械剥离，也可以利用各向同性蚀刻工艺形成厚度缓变的侧壁。进一步，也可以利用热退火熔融。在本发明优选实施例中，框架6内侧边缘水平深入空腔2内侧以完全地反射从空腔2斜面向上传出的声波，与空腔2外侧之间的水平距离A为0.1～10微米(μm)，并优选地为0.5～3微米，该距离A可以根据有限元建模、迭代试验或者其他反馈性方法确定。在本发明优选实施例中，框架6外侧边缘水平延伸超过空腔2，使得框架6内外边界之间的宽度B为0.2～20微米(μm)，并优选地为3～8微米，该距离B同样可以根据有限元建模、迭代试验或者其他反馈性方法确定。框架6的厚度为10nm-500nm，优选地为50-200nm，同样可以根据有限元建模、迭代试验或者其他反馈性方法确定。特别地，在框架6与电极5材料异质的情况中，通过调节光刻胶形貌，可以选择使得框架6底部与电极5顶部之间的夹角为锐角，例如15～60度并优选25～45度，由此优化声波在该转角界面处的反射性能，进一步提高器件的可靠性。

在本发明另一优选实施例中，框架6具有曲线侧壁，例如热退火、氧化/氮化、或各向同性蚀刻形成的圆化或椭圆化的侧壁，优选曲率从下至上依次增大，由此调节框架6底部与电极5顶部的夹角，例如15～60度并优选25～45度，优化声波反射性能。特别地，该侧壁能够以更平缓的方式缓解应力，提高结构的可靠性。

此外，在本发明其他实施例中，框架6不仅可以位于顶部第二电极5上方，也可以位于底部第一电极3下方，或者同时位于第二电极5上方以及第一电极3下方，由此提高了沿各个方向声波反射性能。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种谐振器，包括：

第一电极，位于基板上；

压电层，位于第一电极上；

第二电极，位于压电层上；

框架，位于第二电极上方，框架的厚度沿垂直方向渐变，框架具有采用热退火、氧化/氮化、或各向同性蚀刻形成的圆化侧壁或椭圆化侧壁、且曲率从下至上依次增大，框架与第二电极材料相同且一体形成。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，基板中具有空腔。

3.根据权利要求2所述的谐振器，其中，框架内边界沿水平方向向内延伸超过空腔边界。

4.根据权利要求2所述的谐振器，其中，框架内边界与空腔边界水平距离为0.1～10微米。

5.根据权利要求1所述的谐振器，其中，框架外边界与内边界之间的宽度为0.2～20微米。

6.根据权利要求1所述的谐振器，其中，框架厚度为10～500nm。

7.根据权利要求2所述的谐振器，其中，空腔内填充保护性气体或惰性气体或为真空。

8.根据权利要求2所述的谐振器，其中，基板顶部具有凹凸结构并填充与空腔内相同的气体或为真空。

9.根据权利要求1所述的谐振器，其中，第一电极及第二电极材质为同种或不同种的难熔导电金属。

10.根据权利要求9所述的谐振器，其中，第一电极或第二电极为单种金属或者多层金属组合。

11.根据权利要求1所述的谐振器，其中，框架的材质为导电材料。

12.根据权利要求1所述的谐振器，其中，框架与第一或第二电极的夹角为15～60度。

13.一种谐振器制造方法，包括步骤：

在基板上形成第一电极；

在第一电极上形成压电层；

在压电层上形成第二电极；

其中，在形成第二电极之后在第二电极上形成框架，框架的厚度沿垂直方向渐变，框架具有采用热退火、氧化/氮化、或各向同性蚀刻形成的圆化侧壁或椭圆化侧壁、且曲率从下至上依次增大，框架与第二电极材料相同且一体形成。

14.根据权利要求13所述的谐振器制造方法，其中，调节光刻胶形貌，使得框架与第一或第二电极之间的夹角为15～60度。