CN110635776A - 谐振器及其制造方法 - Google Patents
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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；框架图形，位于第二电极与压电层之间，其中第二电极在框架图形下方具有侧向突出部以围绕在框架图形与压电层之间的空气隙。依照本发明的谐振器，仅采用一次光刻‑蚀刻工艺、利用框架结构作为空气桥的掩模而侧向腐蚀，并利用上电极沉积的侧向填充能力形成有效框架结构，减少了与压电材料接触的工艺步骤，降低了对压电材料的损伤，提高了压电层表面洁净度，并解决了光刻对位偏移对于框架结构的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振器及其制造方法，特别是涉及一种能低成本且高效率提高可靠性的膜体声波谐振器(FBAR)及其制造方法。
背景技术
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的基板(未示出)上顺序地堆叠第一电极(未示出)、压电层1和第二电极4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和FBAR的有源区(顶电极、压电层和底电极重叠的区域)中的产生的模限制。特别地，沿着FBAR的一侧或多侧设置框架3。框架产生声阻抗失配，声阻抗失配通过将期望模式反射回到谐振器的有源区来减少损耗，因此改进在FBAR的有源区内对期望模式的限制。
进一步，为了提高FBAR的Q因子，通常在压电层1与第二电极4下方的框架3之间插入空气桥(air bridge)填充层2。该填充层2一般为BSG、PSG等氧化硅基材质，需要采用HF基蚀刻液或碳氟基蚀刻气体的一次光刻-蚀刻工艺以图形化。填充层2上方的框架3也同样需要一次光刻-蚀刻工艺以图形化。随后填充层采用湿法腐蚀液完全去除，在框架3与压电层1之间留下空气隙。框架3悬出填充层2而直接与压电层1重叠的部分能够有效改进FBAR的有源区内对期望模式的限制，因此称作有效框架。
然而，在上述工艺中，各种蚀刻和去胶工艺过程中，如果去胶液或蚀刻液/气体与压电层1的压电材料接触，会对其产生损伤或者在表面产生玷污，影响了谐振器的可靠性。此外，由于图1中框架3厚度较薄而直接沉积在填充层2上，两者尺寸相近例如仅留下的有效框架仅1微米宽或更小，则对于框架3的图形化工艺需要极高的对准精度，否则有效框架会偏移不均匀甚至消失。而如果过度增大框架3厚度以降低对准精度，则声阻抗失配过大，同样影响谐振器的性能。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种低成本简化工艺的FBAR结构及其制备方法。
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；框架图形，位于第二电极与压电层之间，其中第二电极在框架图形下方具有侧向突出部以围绕在框架图形与压电层之间的空气隙。
其中，侧向突出部的宽度为0.1～0.5微米；任选地，空气隙的高度和/或框架图形的厚度为50～200nm。
其中，空气隙中填充与压电层实质上不反应或难反应的气体；任选地，第二电极上进一步具有钝化层。
本发明还提供了一种谐振器的制造方法，包括：在基板上依次形成第一电极、压电层、填充层、框架层；采用光刻-蚀刻工艺，将框架层图形化为框架图形；侧向腐蚀填充层，在框架图形下方留下填充层的凹陷部；在框架图形和压电层上形成第二电极，其中第二电极在框架图形下方具有侧向突出部；完全去除填充层，在侧向突出部之间留下空气隙。
其中，侧向突出部的宽度为0.1～0.5微米；任选地，空气隙的高度和/或框架图形的厚度为50～200nm；任选地，凹陷部的宽度为0.5～3微米；任选地，填充层和/或框架图形的膜厚偏差小于5％。
其中，侧向突出部的宽度小于凹陷部的宽度；优选地，侧向突出部与凹陷部之间剩余空隙的宽度大于0.5微米。
其中，填充层材质为氧化硅基材料、氮化硅基材料、氮氧化硅基材料或非晶态碳基材料；优选地，侧向腐蚀填充层与完全去除填充层的工艺中采用的蚀刻剂为氟化氢基蚀刻液、热磷酸蚀刻液、强酸/强氧化剂混合液或氧等离子体。
其中，光刻-蚀刻工艺期间对填充层的损伤小于20nm；任选地，完全去除填充层期间对压电层的损伤小于10nm。
其中，完全去除填充层之后，在空气隙中填充与压电层实质上不反应或难反应的气体；任选地，第二电极上进一步形成钝化层。
其中，光刻-蚀刻工艺期间，蚀刻剂对于框架层的蚀刻速率与对于填充层的蚀刻速率之比大于2:1。
依照本发明的谐振器，仅采用一次光刻-蚀刻工艺、利用框架结构作为空气桥的掩模而侧向腐蚀，并利用上电极沉积的侧向填充能力形成有效框架结构，减少了与压电材料接触的工艺步骤，降低了对压电材料的损伤，提高了压电层表面洁净度，并解决了光刻对位偏移对于框架结构的影响。
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显示了现有技术的谐振器的剖面示意图；以及
图2至图6显示了根据本发明一个实施例的谐振器制作工艺各个步骤的剖面示意图。
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，公开了低成本简化工艺的FBAR结构及其制备方法。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，在基板(未示出)上依次沉积下电极(未示出)、压电层10、空气桥填充层11和压电层12。为了提高与其他半导体器件的集成和兼容性，基板可以是体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，在基板上溅射、沉积、剥离等常规工艺形成下部第一电极。下电极是高导电性材料，例如金属、金属氧化物、金属氮化物。在本发明的实施例中，下电极材料为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。特别地，为了使得下电极能够承受稍后形成压电材料层10的高温工艺，下电极为难熔金属(Mo、W、Pt、Ti、Ta等)或难熔金属的氮化物(WN、TiN、TaN)。优选地，控制下电极的厚度使其透明。
随后，在下电极上形成压电层10。例如，通过PECVD、HDPCVD、MOCVD、原位氧化、原位氮化、MBE、ALD等工艺形成压电层。压电层的材料例如为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，使得压电层也是透明的。
接着，通过CVD、氧化、旋涂、喷涂、丝网印刷等工艺形成空气桥填充层11。填充层11的厚度为50～200nm、优选100～150nm并最佳120nm，厚度均匀性较好以使得厚度偏差优选小于5％例如1％～3％，其材质为能够与酸性腐蚀液(例如HF基腐蚀液，诸如稀释氢氟酸dHF、缓释蚀刻液dBOE等)快速反应的介质材料，例如氧化硅基材料，诸如未掺杂氧化硅USG、掺磷氧化硅PSG、多孔氧化硅等等。此外，填充层11也可以是能够与热磷酸快速反应的氮化硅基材料，或者能够与强酸/强氧化剂混合液例如硫酸/硝酸与双氧水混合液快速反应的氮氧化硅基材料，或者是能够与氧等离子体蚀刻气体快速反应的非晶态碳基材料例如石墨、氧化石墨烯等等。
随后，在填充层11上形成框架层12。框架层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，以金属剥离、CVD、蒸镀、溅射等工艺形成与填充层11、压电层10异质的框架金属层12。在本发明的又一实施例中，框架12材料还可以是额外沉积/氧化/氮化等工艺形成的介电材料并选择与填充层11蚀刻选择性高的材料，例如氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化铝、氧化钛的单层或多层，以利用不同层之间晶格常数/折射率的缓变从而提高声波在界面上的反射(例如从下至上晶格常数减小/折射率增大)，并调节框架内应力以提高框架的稳定性。框架层12的厚度例如50～200nm、优选70～150nm并最佳100nm，且厚度均匀性较好以使得厚度偏差优选小于5％例如1％～3％。
如图3所示，采用一次光刻-蚀刻工艺，对框架层12图形化以形成框架图形。例如在框架层12上施加正性光刻胶，曝光显影形成光刻胶图形，以光刻胶图形为掩模，蚀刻框架层12形成框架图形，并随后通过腐蚀或灰化工艺去除光刻胶图形。去胶工艺中控制工艺参数使得对于填充层11的过蚀刻或损伤小于20nm，由此避免后续去除填充层11形成空气隙过程中因为填充层厚度不均匀导致的填充层残留或者压电层损伤。优选地，控制蚀刻工艺参数使得图3所示工艺中，蚀刻剂对于框架层12的蚀刻速率与对于填充层11的蚀刻速率比大于2:1，优选大于5:1，最佳大于10:1。
如图4所示，侧向腐蚀填充层11，使得填充层11下切(undrecut)以使得框架图形12悬出填充层11外侧，在框架图形12与压电层10之间留下填充层11并未填满的凹陷部13。凹陷部的宽度例如0.5～3微米，优选1～2微米，最佳1.5微米，该宽度如果过大则框架层悬出部容易弯折，宽度如果过小则后续顶部电极沉积过程中容易被完全填满而无法为填充层去除预留足够的蚀刻剂进入通道。侧向腐蚀优选湿法腐蚀剂，例如针对氧化硅基材料的HF基腐蚀液，针对氮化硅基材料的热磷酸腐蚀液，针对氮氧化硅基材料的强酸/强氧化剂混合液。此外，也可以是各向同性的干法蚀刻，例如针对非晶态碳基材料的氧等离子体刻蚀。优选地，控制腐蚀工艺参数使得对于下方压电层10的过蚀刻或损伤小于10nm，避免压电层表面界面态升高导致谐振器寄生参数增大。
如图5所示，在压电层10、框架图形12上形成上电极14。采用MOCVD、HDPCVD、MBE、ALD、磁控溅射、蒸镀等工艺，并调节工艺参数以提高保形度，形成与下电极类似材质的上电极14，例如选择金属、导电金属氧化物、或导电金属氮化物材质。由于上电极14无需承受压电层10形成过程中的高温，因此除了以上所列下电极的材料之外，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。优选地，控制上电极14的沉积工艺(例如提高磁控溅射的功率或反应腔温度)，使其具有一定的侧向填充能力，如图5所示，上电极14不仅形成在压电层10和框架图形12的顶面上，还进一步向框架图形12下方的填充层11侧向填充，使得在框架图形12下方具有侧向突出部14a。优选地，控制突出部14a的宽度以使其小于图4所示凹陷部13的宽度，由此留下空隙以便蚀刻剂能够通过此空隙接触到填充层11。优选地，突出部14a的宽度为0.1～0.5微米、优选0.2～0.4微米并最佳0.3微米，由此使得突出部14a与填充层11之间仍然留下的凹陷部13剩余空隙的宽度大于0.5微米、优选大于0.8微米并最佳为1微米。
如图6所示，去除填充层11，在框架图形12下方留下空气隙16。采用与图4所示工艺类似的侧向腐蚀工艺，并延长蚀刻时间或者提高蚀刻速率，以便完全去除填充层11。优选地，去除工艺期间对压电层10的损伤小于10nm。优选地，采用与压电层10实质上不反应或难反应的气体填充空气隙16，例如氮气、氩气、氦气、氖气、氪气、氙气等，用于保护压电层并提供正压差以阻挡外部湿气或杂质的渗透。优选地，在整个结构上沉积绝缘的保护层或钝化层15，例如氮化硅基介电层，防止外部杂质渗透，并进一步调节谐振器的应力分布以获得理想的谐振因子Q。
最终形成的谐振器如图6所示，包括在基板上的下电极，下电极上的压电层10，压电层上的上电极14，其中上电极14与压电层10之间具有框架图形12，且上电极14在框架图形12与压电层10之间具有侧向突出部14a，突出部14a围绕空气隙16以构成有效框架结构，空气隙16的高度也即填充层11的厚度。谐振器的各个部件的具体尺寸和材料如前所述，在此不再赘述。
依照本发明的谐振器，仅采用一次光刻-蚀刻工艺、利用框架结构作为空气桥的掩模而侧向腐蚀，并利用上电极沉积的侧向填充能力形成有效框架结构，减少了与压电材料接触的工艺步骤，降低了对压电材料的损伤，提高了压电层表面洁净度，并解决了光刻对位偏移对于框架结构的影响。
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 (10)
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；
框架图形，位于第二电极与压电层之间，其中第二电极在框架图形下方具有侧向突出部以围绕在框架图形与压电层之间的空气隙。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，侧向突出部的宽度为0.1～0.5微米；任选地，空气隙的高度和/或框架图形的厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中，空气隙中填充与压电层实质上不反应或难反应的气体；任选地，第二电极上进一步具有钝化层。
4.一种谐振器的制造方法，包括：
在基板上依次形成第一电极、压电层、填充层、框架层；
采用光刻-蚀刻工艺，将框架层图形化为框架图形；
侧向腐蚀填充层，在框架图形下方留下填充层的凹陷部；
在框架图形和压电层上形成第二电极，其中第二电极在框架图形下方具有侧向突出部；
完全去除填充层，在侧向突出部之间留下空气隙。
5.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，侧向突出部的宽度为0.1～0.5微米；任选地，空气隙的高度和/或框架图形的厚度为50～200nm；任选地，凹陷部的宽度为0.5～3微米；任选地，填充层和/或框架图形的膜厚偏差小于5％。
6.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，侧向突出部的宽度小于凹陷部的宽度；优选地，侧向突出部与凹陷部之间剩余空隙的宽度大于0.5微米。
7.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，填充层材质为氧化硅基材料、氮化硅基材料、氮氧化硅基材料或非晶态碳基材料；优选地，侧向腐蚀填充层与完全去除填充层的工艺中采用的蚀刻剂为氟化氢基蚀刻液、热磷酸蚀刻液、强酸/强氧化剂混合液或氧等离子体。
8.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，光刻-蚀刻工艺期间对填充层的损伤小于20nm；任选地，完全去除填充层期间对压电层的损伤小于10nm。
9.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，完全去除填充层之后，在空气隙中填充与压电层实质上不反应或难反应的气体；任选地，第二电极上进一步形成钝化层。
10.根据权利要求4所述的谐振器的制造方法，其中，光刻-蚀刻工艺期间，蚀刻剂对于框架层的蚀刻速率与对于填充层的蚀刻速率之比大于2:1。
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