CN111092604A - 一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法，通过在衬底上形成空腔，并且在空腔的侧边底部蚀刻出向外延伸的释放通道；在空腔中填充牺牲材料后进行化学机械抛光；在空腔上制作谐振器功能层以至少覆盖空腔的表面；在空腔的外围形成连通释放通道的至少一个释放孔；利用释放孔和释放通道清除空腔内的牺牲材料。本发明的下电极层和空腔是全封闭接触，可以提高体声波滤波器的空腔上部谐振器功能层的机械稳定性与可靠性，减小压电层上释放孔周围的应力对空腔上部谐振区域的影响，减小各谐振器单元的尺寸，进而减少滤波器器件的尺寸。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件领域，主要涉及一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法。
背景技术
随着电磁频谱的日益拥挤，无线通讯设备的频段与功能增多，无线通讯使用的电磁频谱从500MHz到5GHz以上高速增长，也对射频前端模块需求日益增长。射频前端模块具有性能高、成本低、功耗低、体积小等优点，滤波器是射频前端模块之一，可改善发射和接收信号，主要由多个谐振器通过拓扑网络结构连接而成。Fbar(Thin film bulk acousticresonator)是一种体声波谐振器，由它组成的滤波器具有体积小、集成能力强、高频工作时保证高品质因素Q、功率承受能力强等优势而作为射频前端的核心器件。
Fbar的基本结构是上下电极和夹在上下电极间的压电层构成。上电极与空气接触，空气声阻抗接近0可使声波全部反射回谐振器，减少了能量损耗，因此需要在下电极下制作空腔使下电极同样与空气接触。当前比较常见的方法是先在空腔内填充牺牲层材料，待空腔上部膜层堆积完成后，用蚀刻剂通过释放通道与牺牲层材料反应，最终形成谐振器空腔。蚀刻剂在释放过程中或释放后，空腔上部堆积薄膜易因机械稳定性不好、应力等因素而坍塌或鼓起。
在现有技术中，存在一种体声波谐振器，其空腔在衬底上方由支撑层和阻挡层构成，形成支撑层需要多次镀膜，对牺牲层材料、空腔支撑层材料和阻挡层材料的选择比、牺牲层蚀刻剂选材有较高要求，制程复杂。有些支撑层为SiN，制成空腔工艺复杂且成本高，SiN沉积后应力较大后期会影响器件的可靠性，上电极与下电极延伸长度大易产生寄生振荡，横向波易传播出谐振器带走纵向波所需的能量而降低Q值。
中国工程物理研究院电子工程研究所研究的体声波谐振器将空腔的释放通道做在上电极上，释放通道是通过蚀刻工艺获得，但蚀刻工艺损伤上下电极以及压电层的侧壁，器件工作时能量易从损伤的侧壁泄露，减小器件Q值。谐振器的有效区域面积是影响器件特性的因素之一，上电极上蚀刻释放通道损失的有效区域面积可能需要增加整个谐振器面积的方式弥补，从而造成整个滤波器器件尺寸增加。
存在另外一种体声波谐振器，其释放通道是直接在衬底上蚀刻形成，当蚀刻剂通过释放孔将空腔内的牺牲层材料清除后，释放通道和空腔是连通的。但是下电极的多边形尖角处部分区域直接悬空在释放通道上，使得空腔上层堆积膜层机械结构不稳定，可靠性差。
因此需要设计出一种新的体声波谐振器的空腔结构及制造方法来解决以上提到的问题。
发明内容
针对上述提到的体声波谐振器存在因蚀刻剂导致空腔上部堆积薄膜易因机械稳定性不好、应力等因素而坍塌或鼓起，或者释放通道的结构导致空腔上层堆积膜层机械结构不稳定、可靠性差，滤波器器件尺寸大等问题，因此本申请提出了一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法来解决上述存在的问题。
在一方面，本申请提出了一种体声波谐振器的空腔结构的制造方法，包括以下步骤：
S1，在衬底上形成空腔，并且在空腔的侧边底部蚀刻出向外延伸的释放通道；
S2，在空腔中填充牺牲材料，并且进行化学机械抛光；
S3，在空腔上制作谐振器功能层以至少覆盖空腔的表面；以及
S4，在空腔的外围形成连通释放通道的至少一个释放孔；以及
S5，利用释放孔和释放通道清除空腔内的牺牲材料。
在一些实施例中，步骤S3中具体包括以下子步骤：
在空腔上制作下电极层以覆盖空腔的表面；在下电极层上制作压电层；以及在压电层上制作上电极层。谐振器功能层包括下电极层、压电层和上电极层，此时通过下电极层覆盖空腔，有效增强空腔上部堆积膜层的机械稳定性。
在一些实施例中，从衬底的顶部朝向底部的投影方向来看，释放孔的位置位于空腔的投影区域之外。因此释放孔与空腔上部的谐振功能层之间隔着衬底与压电层，释放孔周围的衬底对释放孔周围的压电层起支撑作用，减小了释放孔周围的压电层的应力对空腔上部谐振器功能层的影响，提高谐振器件性能。
在一些实施例中，压电层的至少一个侧边从下电极层的表面延伸到衬底上，并且使得释放孔形成在压电层的至少一个侧边上。因此释放孔不形成在下电极层上，且释放通道在衬底下不会使下电极层处于悬空状态，提高谐振器的稳定性和可靠性。
在一些实施例中，空腔、释放孔及释放通道分别通过蚀刻工艺制成。蚀刻工艺成熟，精确度高，可控性强。
在一些实施例中，在步骤S1中，空腔的形成深度为3-4微米。空腔的形成深度要有利于后续的加工工艺。
在一些实施例中，在化学机械抛光后，空腔的深度为0.5-2.5微米。
在一些实施例中，衬底材料包括硅，并且牺牲材料包括磷硅玻璃PSG。材料的选择有利于加工处理。
在一些实施例中，下电极层和上电极层的材料包括Mo，并且压电层的材料包括AlN。这样有利于下电极层、上电极层和压电层通过溅射、光刻与蚀刻工艺进行制作，并且具有良好的谐振性能。
在一些实施例中，步骤S5包括利用HF溶液通过蚀刻工艺去除牺牲材料。这样可以将空腔内的牺牲材料全部去除干净，牺牲材料通过释放通道和释放孔进行释放，不影响谐振器功能层的谐振性能。
在第二方面，本申请提出了根据以上方法制成的体声波谐振器的空腔结构。
在第三方面，本申请提出了一种体声波谐振器的空腔结构，包括衬底、形成于衬底中的空腔以及释放通道，空腔上形成有谐振器功能层，空腔的表面被谐振器功能层完全覆盖，并且空腔顺次经由设置在空腔侧边的释放通道以及设置在空腔之外的释放孔与外部连通。
在一些实施例中，谐振器功能层包括依次层叠而成的下电极层、压电层和上电极层。下电极层、压电层和上电极层形成具有一定谐振功能的谐振器功能层。
在一些实施例中，下电极层完全覆盖空腔的表面。这样可以有效增强空腔上部谐振器功能层的机械稳定性。
在一些实施例中，从衬底的顶部朝向底部的投影方向来看，释放孔和释放通道的投影区域位于空腔的投影区域之外。此时释放孔周围的压电层不处于悬空状态，而是与衬底相连，减小了释放孔周围的压电层的应力对空腔上部谐振器功能层的影响，提高谐振器件性能。
在一些实施例中，压电层的至少一个侧边从下电极层的表面延伸到衬底上，并且释放孔形成在压电层的延伸到衬底的至少一个侧边上。此时下电极层不处于悬空状态，而是与衬底相连，可以提高谐振器功能层的稳定性，并有效提高谐振器的可靠性。
在一些实施例中，释放孔依次穿过压电层和衬底到达释放通道。
在一些实施例中，释放孔和释放通道的数量大于1。
在一些实施例中，空腔的深度大致为0.5-2.5微米，并且释放孔的深度大致为3-5微米。空腔的深度与谐振器的谐振性能有关，释放孔的深度以保证可以与释放通道连通。
在一些实施例中，释放通道在衬底下方，使释放通道上部的下电极层不处于悬空状态。因此可以增大谐振器有效区域面积，减小各谐振器单元的尺寸。
在第四方面，本申请提出了一种体声波谐振器，包括如第三方面任一项中描述的空腔结构
本申请的实施例提出了一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法，通过在衬底上刻蚀形成空腔，不需要制造支撑层，可以简化制程工艺。通过在空腔上制作谐振器功能层以使谐振器功能层的下电极层与空腔全封闭接触，并在空腔底部蚀刻出向外延伸的释放通道，在空腔的外围形成连通释放通道的释放孔以去除空腔内的牺牲层材料，可以提高体声波滤波器的空腔上部谐振器功能层的机械稳定性与可靠性，减小压电层上释放孔周围的应力对空腔上部器件功能谐振区域的影响，减小各谐振器单元的尺寸，进而减少滤波器器件的尺寸。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的体声波谐振器的空腔结构的制造方法的流程图；
图2a-2h示出了根据本发明的一个实施例的体声波谐振器的空腔结构的制造方法制造体声波谐振器的空腔结构的流程图；
图3示出了根据本发明的另一实施例的体声波谐振器的空腔结构的俯视图；
图4示出了根据本发明的另一实施例的体声波谐振器的空腔结构的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。应当注意到，附图中的部件的尺寸以及大小并不是按照比例的，可能会为了明显示出的原因突出显示了某些部件的大小。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请的实施例中提出了一种体声波谐振器的空腔结构的制造方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，在衬底1上形成空腔2，并且在空腔2的侧边底部蚀刻出向外延伸的释放通道3；
S2，在空腔2中填充牺牲材料4，并且进行化学机械抛光；
S3，在空腔2上制作谐振器功能层5以至少覆盖空腔2的表面；以及
S4，在空腔2的外围形成连通释放通道3的至少一个释放孔6；以及
S5，利用释放孔6和释放通道3清除空腔2内的牺牲材料4。
在具体的实施例中，图2a-2h示出了该体声波谐振器的空腔结构制造的具体工艺流程的各步骤中体声波谐振器的空腔结构的剖面图。如图2a所示，在衬底1上刻蚀出空腔2，空腔2为不规则多边形空腔。在优选的实施例中，空腔2的形成深度为3-4微米，以便于后续进行进一步加工。
如图2b所示，在空腔2的侧边底部蚀刻出释放通道3，释放通道3存在于空腔2底部的至少一条边上，并向远离空腔2的方向延伸。如图2c所示，在空腔2中填充牺牲材料4，填充后进行化学机械抛光(CMP)，将沉积在衬底1上的牺牲材料4抛除干净，以便于后续谐振器功能层的沉积或溅镀。在优选的实施例中，在化学机械抛光后，将牺牲材料4研磨至与衬底1的上表面平齐，此时空腔2的深度约为0.5-2.5微米。
谐振器功能层5包括下电极层7、压电层8和上电极层9，衬底1和下电极层7之间形成空腔2。如图2d-2f，步骤S3中具体包括以下子步骤：
在空腔2上制作下电极层7以覆盖空腔2的表面；
在下电极层7上制作压电层8；以及
在压电层8上制作上电极层9。
在优选的实施例中，下电极层7、压电层8和上电极层9通过溅镀、光刻和蚀刻工艺进行制作。经过蚀刻工艺后，下电极层7将空腔2全部覆盖。如图2g所示，在空腔2的外围形成至少一个释放孔6，从衬底1的顶部朝向底部的投影方向来看，释放孔6的位置位于空腔2的投影区域之外，并且释放孔6延伸至与释放通道3连接。在优选的实施例中，释放孔6及释放通道3分别通过蚀刻工艺制成。蚀刻工艺成熟，精确度高，可控性强。因此释放孔6不直接穿过下电极层7，因此不会使下电极层7处于悬空的状态，可以有效增强空腔2上部谐振器功能层5的机械稳定性。并且减小压电层8上释放孔6周围的应力对空腔2上部谐振器功能层5的影响，提高谐振器件性能。
在具体的实施例中，使压电层8的至少一个侧边从下电极层7的表面延伸到衬底1上，并且使得释放孔6形成在压电层8的至少一个侧边上。在优选的实施例中，压电层8覆盖在下电极层7上方并平铺在衬底1上，此时释放孔6不形成在下电极层7上，且释放通道3在衬底1下不会使下电极层7处于悬空状态，释放孔6周围的衬底1对释放孔6周围的压电层8起支撑作用，所以减少谐振器功能层5所受应力影响，提高谐振器的稳定性和可靠性。
在优选的实施例中，衬底1材料包括硅，在其他可选的实施例中，衬底1也可以选择蓝宝石、砷化镓、氮化镓、氮化硅、石英或玻璃等衬底材料。牺牲材料4包括磷硅玻璃PSG，在其他可选的实施例中，牺牲材料4也可以选择氧化硅等其他材料。下电极层7和上电极层9的材料包括Mo，在其他可选的实施例中，下电极层7和上电极层9的材料还可以选择铝、金、铝铜合金、钛、钨等金属材料。压电层8的材料包括AlN，在其他可选的实施例中，压电层8的材料还可以选择氮化锌、PZT(锆钛酸铅)等压电材料。这些材料的选择有利于更好地实现工艺制程，并满足产品要求。
在具体的实施例中，如图2h所示，步骤S5包括利用HF溶液通过蚀刻工艺去除牺牲材料4。由此将空腔2内的牺牲材料4全部去除干净，牺牲材料4通过释放通道3和释放孔6进行释放，不影响谐振器功能层5的谐振性能，另外此时蚀刻不会损失谐振器功能层5的有效区域面积，从而可以减小谐振单元的尺寸，使滤波器的器件尺寸减小10％以上。
本发明还公开了一种根据上述提到的体声波谐振器的空腔结构的制造方法制成的体声波谐振器的空腔结构。
本发明还公开了一种体声波谐振器的空腔结构，图3为该体声波谐振器的空腔结构的俯视图，并且图4为该体声波谐振器的空腔结构沿X-X方向的剖面图，图2h为体声波谐振器的空腔结构沿Y-Y方向的剖面图。体声波谐振器的空腔结构包括衬底1、形成于衬底1中的空腔2以及释放通道3，空腔2上形成有谐振器功能层5，空腔2的表面被谐振器功能层5完全覆盖，并且空腔2顺次经由设置在空腔2侧边的释放通道3以及设置在空腔2之外的释放孔6与外部连通。在优选的实施例中，空腔2为不规则多边形空腔。
在具体的实施例中，谐振器功能层5包括依次层叠而成的下电极层7、压电层8和上电极层9。在优选的实施例中，下电极层7完全覆盖空腔2的表面，此时下电极层7和空腔2是全封闭接触的，因此可以有效增强空腔2上部谐振器功能层5的机械稳定性。而且压电层8的至少一个侧边从下电极层7的表面延伸到衬底1上，并且释放孔6形成在压电层8的延伸到衬底1的至少一个侧边上，并且释放孔6与释放通道3连通。在优选的实施例中，释放孔6和释放通道3的数量大于1。空腔2的深度大致为0.5-2.5微米，并且释放孔6的深度大致为3-5微米。
在具体的实施例中，从衬底1的顶部朝向底部的投影方向来看，释放孔6和释放通道3的投影区域位于空腔2的投影区域之外。而且释放孔6依次穿过压电层8和衬底1到达释放通道3。此时释放孔6不需要穿过下电极层7，减小压电层8上释放孔6周围的应力对空腔2上部谐振器功能层5的影响，提高谐振器件性能。而且在制作释放通道3和释放孔6时不会损伤具有谐振功能的上下电极层以及压电层8，可以保证不会损失谐振器的有效区域面积，减小谐振单元的尺寸大小，使滤波器器件尺寸减小10％以上。
本申请的实施例提出了一种体声波谐振器的空腔结构及制造方法，通过在衬底上刻蚀形成空腔，不需要制造支撑层，可以简化制程工艺。通过在空腔上制作谐振器功能层以使谐振器功能层的下电极层与空腔全封闭接触，并在空腔底部蚀刻出向外延伸的释放通道，在空腔的外围形成连通释放通道的释放孔以去除空腔内的牺牲层材料，可以提高体声波滤波器的空腔上部谐振器功能层的机械稳定性与可靠性，减小压电层上释放孔周围的应力对空腔上部器件功能谐振区域的影响，减小各谐振器单元的尺寸，使滤波器器件的尺寸也相应地减小。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。
Claims (21)
1.一种体声波谐振器的空腔结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在衬底上形成空腔，并且在所述空腔的侧边底部蚀刻出向外延伸的释放通道；
S2，在所述空腔中填充牺牲材料，并且进行化学机械抛光；
S3，在所述空腔上制作谐振器功能层以至少覆盖所述空腔的表面；以及
S4，在所述空腔的外围形成连通所述释放通道的至少一个释放孔；以及
S5，利用所述释放孔和所述释放通道清除所述空腔内的牺牲材料。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下子步骤：
在所述空腔上制作下电极层以覆盖所述空腔的表面；
在所述下电极层上制作压电层；以及
在所述压电层上制作上电极层。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，从所述衬底的顶部朝向底部的投影方向来看，所述释放孔的位置位于所述空腔的投影区域之外。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，使所述压电层的至少一个侧边从所述下电极层的表面延伸到所述衬底上，并且使得所述释放孔形成在所述压电层的所述至少一个侧边上。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述空腔、所述释放孔及所述释放通道分别通过蚀刻工艺制成。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，所述空腔的形成深度为3-4微米。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述化学机械抛光后，所述空腔的深度为0.5-2.5微米。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述衬底材料包括硅，并且所述牺牲材料包括磷硅玻璃PSG。
9.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述下电极层和上电极层的材料包括Mo，并且所述压电层的材料包括AlN。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S5包括利用HF溶液通过蚀刻工艺去除所述牺牲材料。
11.一种利用权利要求1-10中任一项所述的制造方法制成的体声波谐振器的空腔结构。
12.一种体声波谐振器的空腔结构，包括衬底、形成于所述衬底中的空腔以及释放通道，所述空腔上形成有谐振器功能层，其特征在于，
所述空腔的表面被所述谐振器功能层完全覆盖，并且所述空腔顺次经由设置在所述空腔侧边的释放通道以及设置在所述空腔之外的释放孔与外部连通。
13.根据权利要求12所述的空腔结构，其特征在于，所述谐振器功能层包括依次层叠而成的下电极层、压电层和上电极层。
14.根据权利要求13所述的空腔结构，其特征在于，所述下电极层完全覆盖所述空腔的表面。
15.根据权利要求14所述的空腔结构，其特征在于，从所述衬底的顶部朝向底部的投影方向来看，所述释放孔和所述释放通道的投影区域位于所述空腔的投影区域之外。
16.根据权利要求14所述的空腔结构，其特征在于，所述压电层的至少一个侧边从所述下电极层的表面延伸到所述衬底上，并且所述释放孔形成在所述压电层的延伸到所述衬底的至少一个侧边上。
17.根据权利要求16所述的空腔结构，其特征在于，所述释放孔依次穿过所述压电层和所述衬底到达所述释放通道。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的空腔结构，其特征在于，所述释放孔和所述释放通道的数量大于1。
19.根据权利要求12所述的空腔结构，其特征在于，所述空腔的深度大致为0.5-2.5微米，并且所述释放孔的深度大致为3-5微米。
20.根据权利要求13所述的空腔结构，其特征在于，所述释放通道在所述衬底下方，使所述释放通道上部的所述下电极层不处于悬空状态。
21.一种体声波谐振器，包括如权利要求12-20中任一项所述的空腔结构。
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Denomination of invention: Cavity structure and manufacturing method of bulk acoustic wave resonator Effective date of registration: 20220309 Granted publication date: 20210720 Pledgee: Huzhou Wuxing Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Jianwenlu (Zhejiang) Semiconductor Co.,Ltd. Registration number: Y2022330000319 |
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