CN110957989A - 薄膜体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制作方法。所述制作方法包括：在SOI衬底的第一表面上制作下电极；在所述SOI衬底的第一表面和下电极上形成压电层；在所述压电层上形成顶电极；于SOI衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面和第一表面相背对设置。本发明提供的制作方法，简化了FBAR的制备工艺，通过此方法生长的AlN薄膜晶体质量高，有助于提高器件性能，同时通过硅注氧隔离的位置控制顶层硅的厚度来调整谐振器的频率；以及SOI材料具有的功耗低，集成密度高，抗辐射特性等特点，降低了器件制备工艺复杂度，对于将来5G通信系统射频前端。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种薄膜体声波谐振器及其制作方法，属于通信电子元器件技术领域。
背景技术
2017年，国内智能手机出货量达到了4.61亿部。谐振器是被广泛应用于手机射频钱的双 工器、滤波器的核心元件；并且随着通讯的发展，手机内需要同时兼容的通信波段不断上升， 所需谐振器数量也在逐渐上升，无线通信系统多功能化、集成化的发展趋势与器件数量的逐年 上升对谐振器提出了微型化、可集成、高频率、高性能等要求；传统微波谐振器，由于采用电 磁波作为载波，在现行的应用通信频段要求谐振器尺寸非常大，与现在要求的微型化相悖，而 声波比电磁波波速低4-5个数量级，相应的声波谐振器尺寸也比电磁波谐振器的体积缩小4-5 个数量级，满足了现在的器件要求；同时，与现在表面声波谐振器器件相比，在高频情况下体 声波谐振器工艺难度相对较低，且易于实现集成化，而表面声波谐振器由于是平面波传播，能 量集中在叉指区域，损耗太大。因此薄膜体声波谐振器更加满足现在手机射频前端的发展趋 势。
薄膜体声波谐振器原理是利用压电层的压电效应，在上下电极之间施加一个电信号，由于 压电层的压电效应会产生声信号，声信号在电极之间振荡，只有满足声波全反射条件的声信号 才会被保留下来，其余声波信号都被消耗掉，这个声信号再转化为电信号输出，从而就可以实 现电信号的选频。目前用于压电层的材料有ZnO，PZT，AlN；由于AlN制备工艺相对较完 善，具有合适的机电耦合系数和与微电子工艺兼容的特点，被选为合适的压电层材料。
传统的薄膜体声波谐振器结构如图1所示，Si衬底上依次是支撑层，下电极、压电层和上 电极，声波被空气腔限制在器件内部。2017年11月左右，中国工信部正式划定5G系统中频段 范围，并且不再受理和审批新申请的其他相邻频段，5G时代的推进，为谐振器带来了新的挑 战，日本Fujitsu公司生产的FBAR及其相关产品结构比较多样，从其公司申请的相关专利来 看，其FBAR的结构形式大概分为两类：空气腔型(例如专利US7323953B2)和空气隙(例如 专利US20100060384A1)，其中空气隙需要填充牺牲层，然后研磨抛光，工艺复杂繁琐。对于 传统薄膜体声波谐振器使用金属做电极，损耗较大，同时由于压电薄膜是在已经图形化的电极 上沉积或者溅射，在台阶处存在应力，会造成压电层及其电极的膜厚在此处发生畸变，造成应 力集中现象，对器件结构可靠性存在影响。以及传统器件，下电极图形化后会产生台阶，在台 阶处存在应力，会造成压电层及其电极的膜厚在此处发生畸变，造成应力集中现象，对器件结 构可靠性存在影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种薄膜体声波谐振器及其制作方法，以克服现有技术的不 足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，其包括：
在SOI衬底的第一表面上制作下电极；
在所述SOI衬底的第一表面和下电极上形成压电层；
在所述压电层上形成顶电极；
于SOI衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面和第一表面相背对设置。
本发明实施例还提供了由所述的薄膜体声波谐振器的制作方法形成的薄膜体声波谐振器。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制作方法使用S0I作为衬底，降低了器件制备 的成本，制作形成的谐振器具有功耗低，集成密度高，成本低，抗辐射特性好等特点；
2)本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制作方法，工艺简单，不需要在衬底上生长刻 蚀停止层与支撑层，停止层与支撑层结构由S01衬底中的绝缘层代替；
3)本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制作方法通过选区离子注入形成高掺杂硅，使 用高掺杂硅作为电极，消除了传统电极带来的台阶结构的影响；
4)SOI衬底的顶层Si为(111)晶向时，可以极大的提高AlN薄膜晶体质量，从而有效提 高器件性能；
5)本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制作方法在SOI衬底上制备薄层石墨烯、金 属Mo、金属W等材料后再生长AlN薄膜，亦可提高AlN薄膜晶体质量；
6)本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的可以满足今后5G技术发展或者更高性能要求 的器件所带来的技术需求。
附图说明
图1是现有技术中一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中一种薄膜体声波谐振器的制作方法中SOI衬底的 剖面图；
图3是本发明实施例1中一种薄膜体声波谐振器的制作方法中经选区离子注 入后的器件剖面图；
图4是本发明实施例1中一种薄膜体声波谐振器的制作方法中在SOI衬底 上形成压电层后的器件剖面图；
图5是本发明实施例1中一种薄膜体声波谐振器的制作方法中在压电层上形 成通孔后的器件剖面图；
图6是本发明实施例1中一种薄膜体声波谐振器的制作方法中在压电层上形 成顶电极后的器件剖面图；
图7是本发明实施例1中制作形成的一种薄膜体声波谐振器的剖面图；
图8是本发明实施例1中制作形成的一种薄膜体声波谐振器的俯视图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方 案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，其包括：
在SOI衬底的第一表面上制作下电极；
在所述SOI衬底的第一表面和下电极上形成压电层；
在所述压电层上形成顶电极；
于SOI衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面和第一表面相背对设置。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：采用离子注入的方式对SOI衬底的 顶层硅进行处理，至少使选定区域的顶层硅形成高掺杂导电硅层，之后对所述高掺杂导电硅层 进行图形化加工以形成所述的下电极。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：直接在SOI衬底的第一表面的选定 区域上制作导电薄膜层，之后对所述的导电薄膜层进行图形化加工形成所述的下电极。
优选的，所述导电薄膜层的材质包括石墨烯、钼、钨中的任意一种，但不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用气相外延生长或磁控溅射 生长的方式形成所述压电层。
优选的，所述压电层的材质包括AlN。
优选的，所述压电层为C轴取向的AlN压电薄膜。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在所述SOI衬底的第一表面和 下电极上制作形成压电薄膜后再进行图形化加工形成所述的压电层。
进一步的，在所述压电层与下电极对应的部分区域还形成有与外界连通的通孔。
优选的，采用感应耦合等离子体刻蚀技术在所述压电层上加工形成所述的通孔。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用电子束蒸发的方式制作形 成顶电极层后再进行图形化加工形成所述的顶电极。
优选的，所述的顶电极包括Pt电极。
进一步的，所述的SOI衬底的取向为(111)或(100)。
进一步的，所述空气腔形成于SOI衬底的背衬底内。
优选的，所述空气腔的深度为50-1000μm，所述空气腔的面积为10μm*10μm-1mm*1mm。
本发明实施例还提供了由所述的薄膜体声波谐振器的制作方法形成的薄膜体声波谐振器。
本发明提供的空气腔型薄膜体声波谐振器，包括SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的 硅)衬底、压电层与顶电极。该谐振器使用SOI中绝缘层之上的硅(即顶层硅)，通过离子注 入的方式形成高掺杂导电硅层，作为谐振器的下电极；或者在绝缘层之上的硅再制备一导电层 作为下电极。同时在下电极上通过沉积或者溅射生长C轴取向的AlN压电薄膜层，压电层上设 置上电极层。使用该新型FBAR(薄膜体声波谐振器)结构创新，简化了FBAR的制备工艺， 通过此方法生长的AlN薄膜晶体质量高，有助于提高器件性能，同时通过硅注氧隔离的位置控 制顶层硅的厚度来调整谐振器的频率。本发明综合了SOI材料具有的功耗低，集成密度高，成 本低，抗辐射特性好等特点，降低了器件制备的工艺复杂度，对于将来5G通信系统射频前 端，例如：滤波器、双工器以及多工器的制作带来新的方向。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
请参阅图7和图8，一种薄膜体声波谐振器包括SOI衬底7，依次设置于SOI衬底7第一 表面(正面)上的下电极3、压电层6和顶电极1，在SOI衬底7的第二表面(背面)设置有 空气腔5，空气腔的深度约为200μm，所述空气腔的面积约为150μm*150μm；其中下电极3为 选定区域SOI衬底7的顶层硅71经离子注入的方式转化形成的高掺杂导电硅层，在压电层6 与下电极3对应区域还设置有与外界连通的通孔2；空气腔5设置于SOI衬底7的背衬底73 内；其中SOI衬底7包括顶层硅71、背衬底73以及设置于顶层硅71与背衬底73之间的氧化 层72，顶电极1采用Pt电极.。在实际应用中，在薄膜体声波谐振器的两侧还设置有两个测试G 电极4。
具体的，一种薄膜体声波谐振器的制作方法可以包括如下步骤：
1)提供SOI衬底，并使用丙酮和异丙醇超声水洗，衬底结构如图2所示，衬底厚度为50nm-1μm；
2)光刻图形化，在SOI衬底的顶层硅上通过选取离子注入的方式使部分顶层硅形成高掺 杂导电硅，并将图形化后的高掺杂导电硅作为下电极；形成的器件结构如图3所示；
3)采用气相外延生长(MOVCD)或磁控溅射生长的方式在SOI衬底的顶层硅和下电极上形 成高C轴取向的AlN压电薄膜作为压电层；形成的器件结构如图4所示；
4)在压电层上采用ICP的方式刻蚀出通孔；形成的器件结构如图5所示；
5)在压电层上采用电子束蒸发的方式制作形成顶电极并图形化加工；顶电极为Pt电极； 形成的器件结构如图6所示；
6)背刻衬底，形成空气腔，形成的薄膜体声波谐振器结构如图7所示。
本发明实施例提供的制作方法是采用SOI中绝缘层之上的硅Si材料外延沉积氮化铝AlN薄 膜，这种在Si(111)上制备的AlN薄膜晶体质量好，相对于溅射等方法形成的AlN薄膜有很大 提高，溅射形成的AlN薄膜FWHM约为3°，而基于本发明提供的制作方法外延形成的AlN 一般小于0.5°
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的 人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于包括：
在SOI衬底的第一表面上制作下电极；
在所述SOI衬底的第一表面和下电极上形成压电层；
在所述压电层上形成顶电极；
于SOI衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面和第一表面相背对设置。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：采用离子注入的方式对SOI衬底的顶层硅进行处理，至少使选定区域的顶层硅形成高掺杂导电硅层，之后对所述高掺杂导电硅层进行图形化加工以形成所述的下电极。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：直接在SOI衬底的第一表面的选定区域上制作导电薄膜层，之后对所述的导电薄膜层进行图形化加工形成所述的下电极。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述导电薄膜层的材质包括石墨烯、钼、钨中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：采用气相外延生长或磁控溅射生长的方式形成所述压电层。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述压电层的材质包括A1N。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述压电层为C轴取向的A1N压电薄膜。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于包括：在所述SOI衬底的第一表面和下电极上制作形成压电薄膜后再进行图形化加工形成所述的压电层。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在所述压电层与下电极对应的部分区域还形成有与外界连通的通孔。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于包括：采用感应耦合等离子体刻蚀技术在所述压电层上加工形成所述的通孔。
11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：采用电子束蒸发的方式制作形成顶电极层后再进行图形化加工形成所述的顶电极；优选的，所述的顶电极包括Pt电极。
12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述的SOI衬底的取向为(111)或(100)。
13.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述空气腔形成于SOI衬底的背衬底内。
14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于：所述空气腔的深度为50-1000μm，所述空气腔的面积为10μm*10μm-1mm*1mm。
15.由权利要求1-14中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制作方法形成的薄膜体声波谐振器。
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