CN111082771A - 一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体声波谐振器及其制备方法，从下至上依次分布外延衬底、键合层、支撑层、底电极、压电薄膜、顶电极与介质层；压电薄膜的上表面还设有与顶电极位置不重合的电容下电极，介质层包覆于电容下电极的外表面，且顶电极的上表面显露于介质层；在介质层的上表面设有电容上电极，电容下电极与电容上电极的正投影重合。本发明公开了一种滤波器，包括多个体声波谐振器与基板、射频电容元件，且体声波谐振器平面排布于基板，且至少其中两个体声波谐振器串联，两个体声波谐振器并联，并联的体声波谐振器的顶电极上表面设有加厚层；射频电容元件连接体声波谐振器。本发明提高滤波器的带外抑制特性，减少外接电路引入的性能损耗。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振滤波器技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器。
背景技术
射频信号处理转接传递收发是5G时代信息通讯领域最为重要的一环，构建低延迟、高带宽、高可靠性的信号传输系统极为重要，其基础在于底层的信号器件，滤波器就是其中的一个关键部件。
薄膜体声波谐振滤波器的具体结构为上电容下电极层与压电薄膜共同构建形成的三明治结构。利用压电薄膜的压电特性，通过上电容下电极对压电薄膜施加一个交变电压于两端电极时，压电效应使压电薄膜产生机械振动。FBAR滤波器中应用的为逆压电效应。当对材料施加电场时材料会产生机械形变，当施加的电场为交变电场时，就将产生机械振动。FBAR谐振器中的压电薄膜在上电容下电极的交变电场下会产生机械振动，而压电薄膜的厚度是一定的，只有特定频率的信号引起的振动声波才能在压电薄膜中产生驻波，此时的信号频率被称为FBAR谐振器的谐振频率。
主流的空腔型FBAR滤波器是通过多个FBAR谐振器进行串联与并联形成拓扑结构，但是这种方式在构成高阶滤波器以及高频滤波器时存在插入损耗大，带外抑制差等问题。如何通过易于加工制备的射频电容部件协调带内插入损耗与带外抑制的关系，是制备FBAR滤波器的关键所在。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器，提高体声波谐振滤波器的带外抑制特性，减少外接电路引入的性能损耗。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种体声波谐振器，包括从下至上依次分布外延衬底、键合层、支撑层、底电极、压电薄膜、顶电极与介质层；所述压电薄膜的上表面与下表面分别连接有相对的顶电极与底电极，所述顶电极、压电薄膜与底电极构成三明治结构，且所述外延衬底与键合层、底电极围成空气隙结构；所述压电薄膜的上表面还设有与所述顶电极位置不重合的电容下电极，所述介质层包覆于电容下电极的外表面，且所述顶电极的上表面显露于所述介质层；在所述介质层的上表面设有电容上电极，所述电容下电极与所述电容上电极的正投影重合。
进一步地，所述键合层与所述压电薄膜之间还设有填平层，所述填平层位于底电极的外侧，所述填平层的与所述底电极厚度相同。
进一步地，所述底电极与顶电极、电容上电极与电容下电极均为金属材料，且所述金属材料包括铂Pt、钼Mo、钛Ti、铝Al、金Au中的一种或以上，所述压电薄膜为氮化铝AlN；所述键合层、介质层为二氧化硅SiO2。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种体声波谐振器的制备方法，制备如上所述的一种体声波谐振器，包括以下步骤：
S1、选用单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，去除表面杂物；通过光刻在所述外延衬底表面制备空腔，生成第一晶圆；
S2、在所述第一晶圆的表面通过光刻及PECVD沉积键合层；
S3、选用另一单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为转移衬底，对转移衬底进行清洗，去除表面杂物，生成第二晶圆；在所述第二晶圆的上表面依次沉积压电薄膜与底电极，并在所述底电极周围沉积填平层；
S4、在所述填平层上方通过PECVD生长支撑层；
S5、将第一晶圆与第二晶圆分别以键合层和支撑层为接触面倒装键合，并将转移衬底与压电薄膜分离；
S6、在所述压电薄膜上表面通过溅射、蒸镀沉积顶电极及电容下电极；
S7、在所述电容下电极外表面及顶电极周围制备介质层，且介质层与所述顶电极表面平齐；
S8、在所述介质层上表面制备电容上电极，且所述电容下电极与所述电容上电极的正投影重合。
进一步地，通过PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种沉积所述压电薄膜；通过磁控溅射沉积所述底电极；通过PVD磁控溅射沉积所述电容下电极；通过PECVD制备所述介质层。
进一步地，还包括：S9、若所述体声波谐振器用于并联，则在所述介质层上表面制备加厚层，且所述加厚层与所述顶电极的正投影重合。
进一步地，S5中通过将转移衬底通过机械减薄、干法去硅、化学清洗的方法将转移衬底与压电薄膜分离。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种滤波器，包括多个如上所述的体声波谐振器与基板、射频电容元件，且所述体声波谐振器平面排布于基板，且至少其中两个所述体声波谐振器串联，至少其中两个所述体声波谐振器并联，且并联的体声波谐振器的顶电极上表面设有加厚层；所述射频电容元件连接所述体声波谐振器。
进一步地，所述射频电容元件包括补偿电容通路与射频电容，所述补偿电容通路包括电容上电极、电容下电极、介质层，且所述电容上电极与并联的体声波谐振器的底电极连接。
进一步地，所述介质层的厚度为150nm～3.5μm，所述电容上电极的厚度为100nm～2μm，所述电容下电极的厚度为30nm～1μm；所述键合层的厚度为1～4μm；所述压电薄膜的厚度为100nm～2μm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种体声波谐振器及其制备方法、过滤器，增设电容上电极与电容下电极，与射频电容元件连接，减少外接电路引入的性能损耗，减少达到相同滤波性能所需的滤波器的谐振器数量，简化FBAR滤波器制备过程且降低器件制备成本提高产品性能。在四阶FBAR滤波器中能够在不影响带内插损的情况下将带外抑制提高10dB。
附图说明
图1为本发明所提供实施例一的结构示意图；
图2为本发明所提供实施例一中第一晶圆的剖视图；
图3为本发明所提供实施例一中第二晶圆的剖视图；
图4为本发明所提供实施例一中制备底电极的剖视图；
图5为本发明所提供实施例一中制备键合层的剖视图；
图6为本发明所提供实施例一中第一晶圆与第二晶圆键合的剖视图；
图7为本发明所提供实施例二中单个体声波谐振器与射频电容进行连接的拓扑示意图；
图8为本发明所提供实施例一中提供的相同结构参数由金属键合制备的谐振器的参数对照示意图；
图中：101、外延衬底；102、压电薄膜；103、底电极；104、填平层；105、支撑层；106、键合层；107、顶电极；108、电容下电极；109、介质层；110、加厚层；111、电容上电极；112、转移衬底。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
本发明提供了一种体声波谐振器，其从下到上一次分布外延衬底101、键合层106、底电极103、压电薄膜102、顶电极107与介质层109；所述压电薄膜102的上表面与下表面分别连接有相对的顶电极107与底电极103，所述顶电极107、压电薄膜102与底电极103构成三明治结构，且所述外延衬底101与键合层106、底电极103围成空气隙结构；所述压电薄膜102的上表面还设有与所述顶电极107位置不重合的电容上电极111，所述介质层109包覆于电容上电极111的外表面，且所述顶电极107的上表面显露于所述介质层109；在所述介质层109的上表面设有电容下电极108，所述电容下电极108与所述电容上电极111的正投影重合。
如图1所示，在外延衬底101的顶面具有一空腔，键合层106与部分外延衬底101构成空腔壁，所述键合层106与所述压电薄膜102之间还设置有填平层104，所述填平层104位于底电极103的外侧，与所述底电极103的厚度相同，用于填充压电薄膜102与键合层106之间的间隙。而底电极103位于所述空腔的顶端，所述底电极103的宽度与所述空腔的宽度相同。
键合层106则设置于所述外延衬底101的顶面，在键合层106与所述填平层104之间还设置有支撑层105。键合层106与支撑层105均采用二氧化硅SiO2，与传统使用的金属键合相比，可有效避免额外寄生电容的引入，键合强度高，有良好的机械稳定性，提高响应速度、降低漏电风险。通过键合层106与底电极103、外延衬底101围成空气隙结构，无需引入牺牲层，简化生产制备工艺。
压电薄膜102的上表面还设置有与所述顶电极107位置不重合的电容上电极111，所述电容下电极108被包覆于介质层109内部。在介质层109的顶面还设置有电极上电容，所述电极上电容与电极下电容的正投影重合，用于在滤波器中与射频电容连接。
外延衬底101的主材料为单晶高阻硅，压电薄膜102采用氧化锌ZnO、氮化铝AlN或压电陶瓷，而顶电极107与底电极103均采用金属材料，金属材料包括铂Pt、钼Mo、钨W、钛Ti、铝Al、金Au中的一种或以上。在本实施例中，由于压电薄膜102决定了谐振频率，而声速、温度系数对器件的谐振频率有较大的影响，因此压电薄膜102采用氮化铝AlN，谐振频率较高且温度系数低。而电极材料需要具备较低的电阻率与密度，分别降低声波谐振器的电损耗与机械损耗，因此顶电极107与底电极103采用金属材料钼Mo。介质层109则为二氧化硅SiO2。
介质层109的厚度为150nm～3.5μm，所述电容上电极111的厚度为100nm～2μm，所述电容下电极108的厚度为30nm～1μm；所述键合层106的厚度为1～4μm；所述压电薄膜102的厚度为100nm～2μm。顶电极107与底电极103的厚度可为50nm～500nm，所述压电薄膜102的厚度为200nm～3μm。在本实施例中，键合层106与支撑层105的厚度为2.3μm，顶电极107与底电极103则均为380nm，压电薄膜102的厚度为2μm。
本发明还提供了上述体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
S1、选用单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为外延衬底101，对外延衬底101进行清洗，去除表面杂物；通过光刻在所述外延衬底101表面制备空腔，生成第一晶圆。对外延衬底101进行清洗主要是将其通过浓H2SO4：H2O2：H2O＝1.5:1.5:4的SPM溶液在60℃下清洗10min，再使用H2O：HF＝20:1的BOE溶液清洗5min，去除外延衬底101表面的有机物和脏污。在清洗完成后，通过光刻RIE结合ICP对外延衬底101进行干法刻蚀，制备如图2所示的空腔。
S2、在所述第一晶圆上，通过光刻及PECVD沉积键合层106，如图3所示，所述键合层106的厚度为1～4μm，且材料为二氧化硅SiO2。
S3、选用另一单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为转移衬底112，对转移衬底112进行清洗，去除表面杂物，生成第二晶圆；在第二晶圆的上表面依次沉积压电薄膜102与底电极103，在所述底电极103的周围沉积填平层104。对转移衬底112的清洗方法与对外延衬底101的清洗相同，在此不做赘述。在第二晶圆上表面通过PECVD或者PLD或者ALD等方式沉积一层100nm～2μm的氮化铝AlN压电薄膜102，通过掺杂方式提升其压电耦合系数。在所述压电薄膜102上溅射或蒸镀底电极103。并在所述底电极103的周围沉积填平层104，如图3、4所示。
S4、在所述填平层104上方通过PECVD生长支撑层105。如图5所示，支撑层105可以采用二氧化硅SiO2或者其他非金属介质。
S5、将第一晶圆与第二晶圆分别以键合层106和支撑层105为接触面倒装键合，并将转移衬底112与压电薄膜102分离。SiO2键合使用亲水性键合，退火温度为360℃，保持4小时完成键合。如图6所示，通过将转移衬底112通过机械减薄、干法去硅、化学清洗的方法将转移衬底112与压电薄膜102分离。
S6、在所述压电薄膜102上表面通过溅射、蒸镀沉积顶电极107及电容下电极108。顶电极107、压电薄膜102和底电极103形成三明治结构，电容下电极108的位置与所述底电极103的位置不重合。
S7、在所述电容下电极108外表面及顶电极107周围通过PECVD制备介质层109，且介质层109与所述顶电极107表面平齐。介质层109的材料为二氧化硅SiO2。
S8、在所述介质层109上表面制备电容上电极111，且所述电容下电极108与所述电容上电极111的正投影重合。
S9、若所述体声波谐振器用于并联，则需要介质层109的上表面制备加厚层110，所述加厚层110与所述顶电极107的正投影重合，得到如图1所示的结构图。
实施例2
本发明还提供了一种滤波器，包括多个实施例1所述的体声波谐振器与基板、射频电容元件，且所述体声波谐振器平面排布于基板，且至少其中两个所述体声波谐振器串联，至少其中两个所述体声波谐振器并联，且并联的体声波谐振器的顶电极107上表面设有加厚层110；所述射频电容元件连接所述体声波谐振器。
所述射频电容元件包括补偿电容通路与射频电容，所述补偿电容通路包括电容上电极111、电容下电极108、介质层109，且所述电容上电极111与并联的体声波谐振器的底电极103连接。在本实施例中，图7为单个体声波谐振器与射频电容进行连接的拓扑示意图。所述射频电容元件有两个，体声波谐振器也设置有两个电容上电极111与电容下电极108、顶电极107与底电极103。将补偿电容通路与所述体声波谐振器集成，制备成滤波器。
通过探针台对包含滤波器的芯片与矢量网络分析仪相连，通过双端口电容优化体声波谐振器的散射参量，与相同结构尺寸的普通体声波谐振器测量结果进行比较。如图8所示，本滤波器的带外抑制有明显优化，在不影响带内插损的情况下，相较普通的体声波谐振滤波器带外抑制提高了10dB，提高滤波器的产品性能。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括从下至上依次分布外延衬底、键合层、支撑层、底电极、压电薄膜、顶电极与介质层；所述压电薄膜的上表面与下表面分别连接有相对的顶电极与底电极，所述顶电极、压电薄膜与底电极构成三明治结构，且所述外延衬底与键合层、底电极围成空气隙结构；所述压电薄膜的上表面还设有与所述顶电极位置不重合的电容下电极，所述介质层包覆于电容下电极的外表面，且所述顶电极的上表面显露于所述介质层；在所述介质层的上表面设有电容上电极，所述电容下电极与所述电容上电极的正投影重合。
2.如权利要求1所述的一种体声波谐振器，其特征在于，所述键合层与所述压电薄膜之间还设有填平层，所述填平层位于底电极的外侧，所述填平层的与所述底电极厚度相同。
3.如权利要求1所述的一种体声波谐振器，其特征在于，所述底电极与顶电极、电容上电极与电容下电极均为金属材料，且所述金属材料包括铂Pt、钼Mo、钛Ti、铝Al、金Au中的一种或以上，所述压电薄膜为氮化铝AlN；所述键合层、介质层为二氧化硅SiO2。
4.一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1～3任一所述的一种体声波谐振器，包括以下步骤：
S1、选用单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，去除表面杂物；通过光刻在所述外延衬底表面制备空腔，生成第一晶圆；
S2、在所述第一晶圆的表面通过光刻及PECVD沉积键合层；
S3、选用另一单晶硅或者和氮化镓GaN抛光晶圆作为转移衬底，对转移衬底进行清洗，去除表面杂物，生成第二晶圆；在所述第二晶圆的上表面依次沉积压电薄膜与底电极，并在所述底电极周围沉积填平层；
S4、在所述填平层上方通过PECVD生长支撑层；
S5、将第一晶圆与第二晶圆分别以键合层和支撑层为接触面倒装键合，并将转移衬底与压电薄膜分离；
S6、在所述压电薄膜上表面通过溅射、蒸镀沉积顶电极及电容下电极；
S7、在所述电容下电极外表面及顶电极周围制备介质层，且介质层与所述顶电极表面平齐；
S8、在所述介质层上表面制备电容上电极，且所述电容下电极与所述电容上电极的正投影重合。
5.如权利要求4所述的一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，通过PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种沉积所述压电薄膜；通过磁控溅射沉积所述底电极；通过PVD磁控溅射沉积所述电容下电极；通过PECVD制备所述介质层。
6.如权利要求4所述的一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，还包括：S9、若所述体声波谐振器用于并联，则在所述介质层上表面制备加厚层，且所述加厚层与所述顶电极的正投影重合。
7.如权利要求4所述的一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，S5中通过将转移衬底通过机械减薄、干法去硅、化学清洗的方法将转移衬底与压电薄膜分离。
8.一种滤波器，其特征在于，包括多个如权利要求1～3任一所述的体声波谐振器与基板、射频电容元件，且所述体声波谐振器平面排布于基板，且至少其中两个所述体声波谐振器串联，至少其中两个所述体声波谐振器并联，且并联的体声波谐振器的顶电极上表面设有加厚层；所述射频电容元件连接所述体声波谐振器。
9.如权利要求8所述的一种滤波器，其特征在于，所述射频电容元件包括补偿电容通路与射频电容，所述补偿电容通路包括电容上电极、电容下电极、介质层，且所述电容上电极与并联的体声波谐振器的底电极连接。
10.如权利要求8所述的一种滤波器，其特征在于，所述介质层的厚度为150nm～3.5μm，所述电容上电极的厚度为100nm～2μm，所述电容下电极的厚度为30nm～1μm；所述键合层的厚度为1～4μm；所述压电薄膜的厚度为100nm～2μm。
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