CN110868169A - 谐振器及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种谐振器和半导体器件。该谐振器包括：衬底；多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体由所述衬底的上侧面和所述多层结构的下侧面围成，所述多层结构的下侧面与所述腔体对应部分的中部区域为平面，且中部区域的边缘与所述腔体边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面，所述平滑曲面位于所述衬底的上侧面和所述平面之间。上述谐振器通过设置顶壁为平面的腔体，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种谐振器及半导体器件。
背景技术
谐振器可以用于各种电子应用中实施信号处理功能，例如，一些蜂窝式电话及其它通信装置使用谐振器来实施用于所发射和/或所接收信号的滤波器。可根据不同应用而使用数种不同类型的谐振器，例如薄膜体声谐振器(FBAR)、耦合式谐振器滤波器(SBAR)、堆叠式体声谐振器(SBAR)、双重体声谐振器(DBAR)及固态安装式谐振器(SMR)。
典型的声谐振器包括上电极、下电极、位于上下电极之间的压电材料、位于下电极下面的声反射结构以及位于声反射结构下面的衬底。通常将上电极、压电层、下电极三层材料在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。当在电极之间施加一定频率的电压信号时，由于压电材料所具有的逆压电效应，有效区域内的上下电极之间会产生垂直方向传播的声波，声波在上电极与空气的交界面和下电极下的声反射结构之间来回反射并在一定频率下产生谐振。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种新型结构的谐振器和半导体器件。
本发明实施例的第一方面提供一种谐振器，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体由所述衬底的上侧面和所述多层结构的下侧面围成，所述多层结构的下侧面与所述腔体对应部分的中部区域为平面，且中部区域的边缘与所述腔体边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面，所述平滑曲面位于所述衬底的上侧面和所述平面之间。
可选的，所述平滑曲面包括圆滑过渡连接的第一曲面和第二曲面。
可选的，所述第一曲面的竖截面呈倒抛物线状，所述第二曲面的竖截面呈抛物线状，且第一曲面位于第二曲面之下。
可选的，所述平滑曲面各点的曲率小于第一预设值。
可选的，所述平滑曲面与所述衬底接触处的切面与所述衬底的夹角小于45度。
可选的，所述衬底的上侧面与所述腔体对应的部分无突变。
可选的，所述腔体的高度为100纳米至2000纳米之间的任意值。
可选的，所述衬底为砷化镓衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底、铌酸锂衬底、钽酸锂衬底和各种复合材料衬底中的任一种。
可选的，所述衬底为Si衬底。
本发明实施例的第二方面提供一种半导体器件，包括上述任一种谐振器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实施例，通过在衬底和多层结构之间形成有腔体，腔体由衬底的上侧面和多层结构的下侧面围成，多层结构的下侧面与腔体对应部分的中部区域为平面，且中部区域的边缘与腔体边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面，所述平滑曲面位于所述衬底的上侧面和所述平面之间，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。
而且，本申请中腔体结构使得谐振器的制作工艺相对简单、难度较小，因此成品率较高、一致性较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的谐振器的结构示意图；
图2是图1中A区域的放大示意图；
图3是本发明实施例提供的谐振器的制作过程流程图；
图4是本发明实施例提供的谐振器的制作过程示意图；
图5是本发明实施例提供的三次离子注入的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种屏蔽层结构下进行倾斜方向的离子注入示意图；
图7是本发明实施例提供的四次离子注入的示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种屏蔽层结构下进行倾斜方向的离子注入示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本申请中的谐振器可以包括衬底100和多层结构200。多层结构200形成于所述衬底100上，所述多层结构200由下至上依次包括下电极层203、压电层202和上电极层201。其中，在所述衬底100和所述多层结构200之间形成有腔体300，所述腔体300由所述衬底100的上侧面和所述多层结构200的下侧面围成，所述多层结构200的下侧面与所述腔体100对应部分的中部区域2031为平面，且中部区域2031的边缘与所述腔体300边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面2032，所述平滑曲面2032位于所述衬底100的上侧面和所述平面(中部区域2031对应的平面)之间。其中，平滑曲面2032能够保证谐振器腔体的性能，不发生突变。平滑曲面2032为多层结构200的下侧面的一部分。
上述谐振器，通过在衬底100和多层结构200之间形成有腔体300，腔体300由衬底100的上侧面和多层结构200的下侧面围成，多层结构200的下侧面与腔体100对应部分的中部区域2031为平面，且中部区域2031的边缘与腔体300边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面2032，所述平滑曲面2032位于所述衬底100的上侧面和所述平面之间，从而形成一种新型的谐振器结构，且具有较好的性能。
参见图2，一些实施例中，所述平滑曲面2032可以包括圆滑过渡连接的第一曲面20321和第二曲面20322。其中，圆滑过渡连接的第一曲面20321和第二曲面20322是指第一曲面20321和第二曲面20322之间连接处无突变，且第一曲面20321和第二曲面20322两者也为无突变的曲面，从而能够保证谐振器腔体的性能。其中，多层结构200是由很多个晶体组成的，无突变是指第一圆滑曲面处的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
例如，所述第一曲面20321的竖截面可以呈倒抛物线状，所述第二曲面20322的竖截面可以呈抛物线状，且第一曲面20321位于第二曲面20322之下。第一曲面20321和第二曲面20322圆滑连接。当然，第一曲面20321和第二曲面20322还可以为其他形状的曲面，能够达到平滑曲面2032处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能即可。
另外，所述衬底100的上侧面无突变。可选的，所述衬底100的上侧面为平面。
一些实施例中，对于平滑曲面2032整体是平滑的，可以为平滑曲面2032各点的曲率小于第一预设值。对于第一预设值可以根据实际情况设定，以达到平滑曲面2032处的各个晶体之间的间隙不影响谐振器的性能的目的。为了保证多层结构力学特性和电学特性，过渡区域圆滑曲面的曲率要尽可能小，在牺牲层厚度一定的情况下，尽可能小的曲率要求过渡区长度增加，会增加当个谐振器的面积，因此要优化过渡区的曲率和过渡区长度。
优选的，腔体300的高度为100纳米至2000纳米之间的任意值。
一些实施例中，所述平滑曲面2032与所述衬底100接触处的切面与所述衬底100的夹角小于45度。在切面与所述衬底100的夹角小于45度时，能够使得谐振器具有更优的性能。
以上实施例中，衬底100可以为硅衬底，也可以为砷化镓衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底、铌酸锂衬底、钽酸锂衬底和各种复合材料衬底中的任一种，对此不予限制。
相对于传统的薄膜体声谐振器(FBAR)、耦合式谐振器滤波器(SBAR)、堆叠式体声谐振器(SBAR)、双重体声谐振器(DBAR)及固态安装式谐振器(SMR)，由上述谐振器制作方法制作出的谐振器，可以称为桥形体声波谐振器(BBAR)。
参见图3，以下对上述谐振器的制作过程进行详细论述。
步骤101，对衬底进行预处理，形成预设厚度的介质层。
本步骤中，所述预处理可以为氧化处理，即对衬底100进行氧化处理，形成与预设厚度的介质层400，如图4(b)所示。一些实施例中，可以将所述衬底置于氧化气氛中进行氧化处理，以使得所述衬底上形成预设厚度的氧化层。示例性的，可以在预设温度范围的工艺温度环境中，向所述衬底通入高纯氧气，通过湿氧氧化或氢氧合成氧化的方式使得所述衬底上形成氧化层。其中，预设温度范围可以为1000摄氏度至1200摄氏度。
另外，步骤101的实现过程还可以为：通过气相沉积法对衬底100进行预处理，形成预设厚度的介质层400，如图4(b)所示。其中，气相沉积法可以为PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)或LPCVD(Low PressureChemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积法)。
另外，步骤101的实现过程还可以为：通过溅射法对衬底进行预处理，形成预设厚度的介质层。
另外，步骤101的实现过程还可以为：通过电子束蒸发法对衬底进行预处理，形成预设厚度的介质层。
步骤102，对介质层的预设区域进行离子注入处理。
本步骤中，通过在介质层的预设区域进行离子注入处理，可以使得介质层的预设区域的刻蚀或腐蚀的速率大于介质层的预设区域之外的刻蚀或腐蚀的速率，从而在在对介质层的刻蚀或腐蚀过程中能够形成预设形状的介质层。
一些实施例中，步骤102的实现过程可以为：在介质层400的预设区域形成屏蔽层500，在形成屏蔽层500后的整个介质层400进行离子注入处理，如图4(c)所示。
其中，通过在介质层400的预设区域形成屏蔽层500，然后对整个介质层400进行离子注入，可以使得屏蔽层500屏蔽或一定程度上减轻离子注入对屏蔽层500覆盖的介质层400的影响，从而能够在后续步骤中形成预设形状的牺牲材料部分。
本步骤中，所述在介质层的预设区域形成屏蔽层，可以包括：在介质层400的预设区域形成边缘厚度小于中部厚度的屏蔽层500，且屏蔽层500的中部区域为平面，如图4(c)中所示。对图4(c)中的介质层400进行离子注入时，由于由屏蔽层500的存在，可以使得屏蔽层500区域的介质层部分收到离子注入的影响较小，当离子注入的能量较小时，离子注入并不会穿透屏蔽层500到达屏蔽层500下面的介质层，而没有覆盖屏蔽层500的部分则会被注入预设深度的掺杂杂质。而屏蔽层500的形状会影响步骤103中牺牲材料部分的形状，一般情况下，牺牲材料部分的形状与屏蔽层500的形状一致。因此，可以通过设置屏蔽层的具体形状来达到最终需要的腔体的形状。
作为一种可实施方式，步骤102中所述的对形成屏蔽层后的整个介质层进行离子注入处理，包括：在包含屏蔽层区域的整个介质层上注入预设剂量和预设能量的掺杂杂质。其中，预设剂量影响步骤103中的刻蚀或腐蚀速率，预设能量影响离子注入的深度，最终影响腔体的高度。
具体的，被离子注入的某一区域的预设剂量越大，则在步骤103中对该区域的刻蚀或腐蚀速率越大；被离子注入的某一区域的预设剂量越小，则在步骤103中对该区域的刻蚀或腐蚀速率越小；若由于屏蔽层500的存在某一区域未被注入掺杂杂质，则在步骤103中对该区域的刻蚀或腐蚀速率最小。
对于预设能量，被离子注入的某一区域的预设能量越大，则对该区域的离子注入深度越大，最终形成腔体后该部分对应的腔体高度越大；被离子注入的某一区域的预设能量越小，则对该区域的离子注入深度越小，最终形成腔体后该部分对应的腔体高度越小。
以上可实施方式中，预先设置好屏蔽层400的形状，仅通过一次预设剂量和预设能量的离子注入，即可在步骤103中刻蚀或腐蚀呈需要形状的牺牲材料部分，例如牺牲材料部分的形状为顶面为平面且竖截面呈桥状结构。
可选的，为获得性能更优的谐振器腔体，对于所述屏蔽层，其中部区域的边缘到其边缘的厚度逐渐减小，从而能够使得屏蔽层中部区域的边缘到屏蔽层边缘之间的曲面无突变，进而保证谐振器腔体的性能。其中，最终的谐振器的衬底100和多层结构200是由很多个晶体构成的，无突变是指屏蔽层中部区域的边缘到屏蔽层边缘之间的曲面各点之间都是相对圆滑过渡的，最终使得谐振器多层结构200与腔体对应的部分的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能。
例如，所述屏蔽层的中部区域的边缘与所述屏蔽层边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面，这样最终形成的谐振器腔体如图1中300所示。其中，谐振器腔体对应的部分的各个晶体之间的间隙不应过大以影响谐振器的性能，不会发生突变。一些实施例中，平滑曲面与所述衬底100接触处的切面与所述衬底100的夹角小于45度，这样形成的谐振器腔体性能较优。
示例性的，所述平滑曲面可以包括圆滑过渡连接的第一曲面和第二曲面。
所述第一曲面的竖截面呈倒抛物线状，所述第二曲面的竖截面呈抛物线状，且第一曲面位于第二曲面之下。这样，最终形成的谐振器腔体如图1中300所示，与平滑曲面中的第一曲面和第二曲面相对应。
作为另一种可实施方式，步骤102中所述的对形成屏蔽层后的整个介质层进行离子注入处理，包括：在包含屏蔽层区域的整个介质层上多次注入预设剂量和预设能量的掺杂杂质，其中每次离子注入的预设剂量和预设能量均不相同或不尽相同。
其中，屏蔽层的厚度可以各处一致，也可以边缘厚度小于中部厚度且中部区域为平面，对此不予限制。此时，通过调整每次离子注入的预设剂量和预设能量，均能够使得步骤103中的牺牲材料部分的形状为需要的形状。
本实施例中，对于预设能量按照大小排序的各次离子注入中的预设剂量关系可以为由小到大再由大到小。这样，经过多次离子注入后，屏蔽层边缘处会形成多层掺杂杂质层，能量大的离子注入对应的掺杂杂质层较厚，能量小的离子注入对应的掺杂杂质层较薄，如图5所示。图5为清楚示意出离子注入的情况，故只示出了屏蔽层500和介质层400。
图5中，以三次不同剂量、不同能量的离子注入为例进行说明，但不限于此。假设，第一次离子注入的剂量为第一剂量，能量为第一能量；第二次离子注入的剂量为第二剂量，能量为第二能量；第三次离子注入的剂量为第三剂量，能量为第三能量；第一能量大于第二能量，第二能量大于第三能量；第一剂量大于第二剂量，第二剂量大于第三剂量。则第一次离子注入的深度为H1，第二次离子注入的深度为H2，第三次离子注入的深度为H3，则H1>H2>H3，每个掺杂杂质层如图5中的虚线所示。本实施例中，能量最大的第一次离子注入的深度小于屏蔽层500的厚度，因此屏蔽层500中部区域的下方未被离子注入。
可选的，每次离子注入的方向均与衬底100垂直，或
每次离子注入的方向均与衬底100呈不为90度的预设角度(每次离子注入的预设角度均不同或不尽相同)，或
一部分次数的离子注入的方向与衬底100垂直，其余部分次数的离子注入的方向与衬底100呈小于预设角度的锐角。
可以理解的，对于屏蔽层的边缘处，通过变换离子注入的方向，能够调整屏蔽层相对于离子注入方向的厚度(如图6所示)，从而得到不同深度的掺杂杂质层，使得牺牲材料部分边缘的曲面更为平滑。本实施例中，将预设剂量和预设能量的离子注入，再与每次离子注入的方向相结合，可以使得牺牲材料部分边缘的曲面更为平滑。
以上为屏蔽层的边缘厚度小于中部厚度的情况，对于屏蔽层厚度一致的情况，详述如下。
步骤102中所述的在介质层的预设区域形成屏蔽层，对形成屏蔽层后的整个介质层进行离子注入处理，包括：
A、在介质层的预设区域形成厚度一致的屏蔽层；
B、在形成屏蔽层区域的整个介质层上注入预设剂量和预设能量的掺杂杂质；
循环多次执行去除该屏蔽层以及步骤A和B，且各次离子注入对应的预设区域、预设剂量、预设能量均不同或不尽相同。
其中，通过循环多次执行去除该屏蔽层以及步骤A和B，能够在介质层400形成多层掺杂杂质层，然后在步骤103中对介质层400进行刻蚀或腐蚀，形成所需形状的牺牲材料部分。
各次离子注入对应的预设区域、预设剂量、预设能量均不同或不尽相同，即，离子注入对应的预设区域、预设剂量、预设能量三个因素，各次离子注入的三个因素均不相同；各次离子注入的三个因素中也可以有一个因素相同。
参见图7，以四次离子注入为例进行说明，但不以此为限。图7为清楚示意出离子注入的情况，只示出了屏蔽层500和介质层400。在介质层的第一预设区域形成厚度一致的第一屏蔽层，并进行第一次离子注入，第一次离子注入的能量最小，对应离子注入深度最小；去除第一屏蔽层后，在介质层的第二预设区域形成厚度一致的第二屏蔽层，并进行第二次离子注入，第二次离子注入的能量大于第一次离子注入的能量，离子注入深度大于第一次离子注入的深度；去除第二屏蔽层后，在介质层的第三预设区域形成厚度一致的第三屏蔽层，并进行第三次离子注入，第三次离子注入的能量大于第二次离子注入的能量，离子注入深度大于第二次离子注入的深度；去除第三屏蔽层后，在介质层的第四预设区域形成厚度一致的第四屏蔽层，并进行第四次离子注入，第四次离子注入的能量大于第三次离子注入的能量，离子注入深度大于第三次离子注入的深度。其中，四次离子注入中能量与预设区域大小呈反比关系，且较大的预设区域包含较小的预设区域。
可选的，步骤102中，每次离子注入的方向均与衬底垂直，或
每次离子注入的方向均与衬底呈不为90度的预设角度(每次离子注入的预设角度均不同或不尽相同)，或
一部分次数的离子注入的方向与衬底垂直，其余部分次数的离子注入的方向与衬底呈小于预设角度的锐角。
可以理解的，当屏蔽层400的厚度各处一致时，屏蔽层400边缘处可以通过变换离子注入的方向，使得离子注入的方向与衬底100呈小于预设角度的锐角(如图8所示)，这样在离子注入的方向上，屏蔽层400的厚度不再是各处一致，从而使得屏蔽层400的边界处的离子注入效果与屏蔽层边缘厚度小于中部区域厚度的屏蔽层的离子注入效果基本相同。
步骤103，对经过离子注入处理后的介质层进行刻蚀或腐蚀，形成牺牲材料部分；所述牺牲材料部分的形状为顶面为平面且竖截面呈桥状结构。
其中，通过步骤102对介质层进行离子注入处理后，屏蔽层下部的介质层未被离子注入或注入深度较浅，屏蔽层之外的介质层中被离子注入的较深，从而在对介质层进行刻蚀时，屏蔽层和屏蔽层之外的介质层被刻蚀或腐蚀的速率较快，未被离子注入的介质层被刻蚀或腐蚀的速率较慢，最终能够形成所需形状的牺牲材料部分。本实施例中，所述牺牲材料部分600的形状为顶面为平面且竖截面呈桥状结构(参见图2(d)所示)。所述顶面为牺牲材料部分600远离衬底100的侧面。
一些实施例中，屏蔽层可以采用SiN，也可以采用多层膜结构，也可以为光刻胶，对此不予限制。屏蔽层用于屏蔽掉离子注入或阻挡部分离子注入，进而导致屏蔽区和非屏蔽区刻蚀或腐蚀速率相差较大：没有屏蔽层部分的刻蚀或腐蚀速率较快，有屏蔽层部分的刻蚀或腐蚀速率较慢，最终形成本步骤中的牺牲材料部分。由于屏蔽层的中部区域的边缘到屏蔽层边缘的厚度逐渐减小，因此能够在屏蔽层边缘形成一个没有速率变化的过渡区域，该过渡区域通过优化氧化方式和屏蔽层种类和结构，可以形成圆滑曲面，在该圆滑曲面上生长含AlN等压电薄膜的多层结构，可以确保压电薄膜的晶体质量。
步骤104，在已形成牺牲材料部分的衬底上形成多层结构，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层。
参见图4(e)所示，在已形成牺牲材料部分600的衬底100上形成多层结构200，所述多层结构200由下至上依次包括下电极层203、压电层202和上电极层201。
步骤105，去除所述牺牲材料部分。
参见图4(f)，本步骤中，去除所述牺牲材料部分，形成腔体300，腔体300的形状与牺牲材料部分的形状一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
多层结构，形成于所述衬底上，所述多层结构由下至上依次包括下电极层、压电层和上电极层；
其中，在所述衬底和所述多层结构之间形成有腔体，所述腔体由所述衬底的上侧面和所述多层结构的下侧面围成，所述多层结构的下侧面与所述腔体对应部分的中部区域为平面，且中部区域的边缘与所述腔体边缘之间为圆滑过渡的平滑曲面，所述平滑曲面位于所述衬底的上侧面和所述平面之间。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述平滑曲面包括圆滑过渡连接的第一曲面和第二曲面。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，所述第一曲面的竖截面呈倒抛物线状，所述第二曲面的竖截面呈抛物线状，且第一曲面位于第二曲面之下。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述平滑曲面各点的曲率小于第一预设值。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述平滑曲面与所述衬底接触处的切面与所述衬底的夹角小于45度。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述衬底的上侧面与所述腔体对应的部分无突变。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述腔体的高度为100纳米至2000纳米之间的任意值。
8.根据权利要求1至7任一项所述的谐振器，其特征在于，所述衬底为砷化镓衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底、铌酸锂衬底、钽酸锂衬底和各种复合材料衬底中的任一种。
9.根据权利要求1至7任一项所述的谐振器，其特征在于，所述衬底为Si衬底。
10.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的谐振器。
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