CN111446944A - 一种利于集成的空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利于集成的空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法。该谐振器是在双抛硅衬底的正反面各制作一个空气隙型薄膜体声波谐振器，双面均为键合型空气隙型薄膜体声波谐振器，谐振器上依次分布顶电极、压电薄膜、底电极、填平层、键合层和转移衬底，键合层分别生长在填平层与转移衬底之上，所述键合层、转移衬底和底电极围成一空气隙。两个谐振器压电薄膜的上表面和下表面分别相对连接有顶电极和底电极，底电极位于空气隙中，所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构。采用所述方法制备的FBAR器件结构简单，制作工艺对核心结构的影响较小，能够降低了FBAR器件的制造成本，减小器件尺寸，适用于双工器、多工器等高频领域。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种利于集成的空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着现代无线通信技术像高频、高速方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提出了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性、集成性也有了更高的要求，薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，简称“FBAR”）是一种新型滤波器，它不仅体积小、功率容量大、可集成、工作频率高，而且它还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。
薄膜体声波谐振器主要有横膈膜型、空气隙型和固态装配型三种结构，三种结构都有“电极—压电薄膜—电极”这种三明治结构。其原理是利用压电薄膜的压电特性，当在电极施加交流电压时，压电效应使电能转化为机械能，使压电薄膜发生机械形变，从而在压电薄膜体内激励出体声波。当体声波传输到压电把面膜于电极的界面时，由于电极外普通声学层的作用，声波会被反射回来，因而将体声波被限制在两电极之间。为了减少声波的损失，尽量要使声波能够形成全反射。而空气的声阻抗可以认为近似为零，因此制作时要使顶电级和底电极表面要与空气接触，顶电极是与空气接触的，底电极生长在衬底上，需要使用刻蚀的方法出去底电极处的衬底材料，使其能够与空气形成固/气界面的接触，而又保证足够的机械强度，即制成了空气隙型薄膜体声波谐振器。
主流的空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，是通过硅腔刻蚀处硅腔，再在空腔处填入牺牲层，经过化学机械抛光后继续生长其它材料，最后再将其释放除去。，它的缺点第一是牺牲层的释放需要使用腐蚀溶液，腐蚀溶液在一定程度上会对器件的其他结构有腐蚀作用，第二是牺牲层在释放时变成气体，控制速率不得当的话会使腔内压强过大，冲坏器件结构，第三是牺牲层释放可能会不彻底，从而会引入其它影响。由于这些因素的存在，主流型的FBAR器件良品率很低，且主流的FBAR器件均是一块硅衬底上生长一面，对于多频段工作的集成电路会增加其布局面积与布线长度。
为了改善主流工艺存在的各种问题，近期的专利中提出了通过金属键合的方法制备空腔，但是金属键合的过程中金属的流动性比较大，键合压力、键合温度比较难控制，而且金属的存在容易产生电磁效应，在键合层中引入寄生参数，不同键合条件下的寄生参数又会有不同，很难对其进行阻抗匹配，对器件的滤波性能有比较大的影响。因此更高效合理的空气隙性FBAR结构与制备方法有待研究，用以简化制备工艺，提高器件性能。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种利于集成的空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
本发明提供的制备方法是在一块硅衬底的正反面上采用非金属键合制备两个空气隙型薄膜体声波谐振器。
基于此，本发明的目的在于提出一种利于集成的薄膜体声波谐振器的结构与制备方法。采用该制备方法的FBAR结构稳定，制造工艺对核心结构的损伤小，避免寄生电容的引入，可控性强，在多滤波器电路中，相对于单面空气隙型薄膜体声波谐振器，双面结构能够大大减小面积，提高电路的集成度，且采用工艺可对很薄的薄膜进行加工，适用于高频领域。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，包括两个空气隙型谐振器；所述空气隙型谐振器包括顶电极、压电薄膜、底电极、填平层、键合层和双抛硅衬底（转移衬底）；这两个空气隙型谐振器分别在双抛硅衬底的正反面上制得的；所述键合层分别生长在填平层与双抛硅衬底之上，所述键合层、双抛硅衬底和底电极围成空气隙；这两个空气隙型谐振器的上表面和下表面分别连接有顶电极和底电极，其中，底电极位于空气隙；所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构。
进一步地，所述双抛硅衬底为高阻双抛单晶硅；所述双抛硅衬底的正反面上分别设置有凹槽；所述双抛硅衬底正反面上的凹槽的深度为500nm-3μm。
进一步地，所述键合层、底电极与双抛硅衬底的凹槽围成谐振器的空气腔；所述空气腔的深度为900nm-8μm。
进一步地，所述键合层由SiO2和SiO2键合而成；所述键合层包括第一键合层、第二键合层、第三键合层及第四键合层。所述第一键合层与第三键合层连接；第二键合层与第四键合层连接。
进一步地，所述压电薄膜为AlN、ZnO、PZT中的一种以上；所述底电极和顶电极均为金属电极层，所述底电极和顶电极的材质为Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种以上。
进一步地，所述键合层的厚度为400nm-μm；所述压电薄膜的厚度为200nm-3μm；所述顶电极和底电极的厚度均为50nm-500nm。
本发明提供一种制备上述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，包括如下步骤：
（1）使用单晶硅基片作为外延衬底，对其进行表面清洗、在300℃-500℃温度下热氧化处理30min；然后在单晶硅基片上生长压电薄膜，在压电薄膜上表面生长底电极，通过光刻和湿法腐蚀获得需要的底电极图案，然后在底电极上使用PECVD生长用于填平的SiO2，将填平处用光刻胶进行保护，将底电极上的SiO2去除（此处采用的是负胶，曝光后曝光区域不溶于显影液，可作为填平层的保护），刻蚀除去覆盖在底电极上的部分；使用PECVD生长键合层（SiO2薄膜），通过光刻和湿法腐蚀去除覆盖在底电极上的SiO2，将底电极用光刻胶进行保护，使用HF酸溶液处理SiO2薄膜表面，然后送入等离子活化系统中对键合层进行表面活化处理，得到第一晶圆；第二晶圆的制备与第一晶圆相同；
（2）选择双抛单晶硅（高阻双抛单晶硅）作为转移衬底，在其一面使用PECVD生长SiO2保护层，另一面进行光刻，随后送入ICP-RIE系统中刻蚀出凹槽（硅腔），使用PECVD生长SiO2，通过光刻和湿法腐蚀去除覆盖在凹槽（空腔内）上的SiO2，使用HF酸溶液处理SiO2薄膜表面，后送入等离子活化系统中对键合层进行表面活化处理，获得第三晶圆；
（3）将第一晶圆的底电极用光刻胶进行保护，对第一晶圆的键合层进行表面活化，将活化处理后的第一晶圆和第三晶圆的键合层对准，然后一起送入键合机进行预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将第一晶圆片上的硅衬底与压电薄膜分离；
（5）在第一晶圆的压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，使得顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构；
（6）在已经沉积顶电极的第一晶圆片上使用PECVD生长一层用于保护的SiO2保护层，将其磨平，翻转；
（7）翻转后为第三晶圆片的背面，湿法除去表面的保护层，在ICP—RIE设备中刻蚀硅腔；随后使用PVD生长SiO2薄膜，刻蚀腐蚀除去空腔内的SiO2，使用HF酸溶液处理SiO2薄膜表面，后送入等离子活化系统中对键合层进行表面活化处理；
（8）将活化处理后的第三晶圆和第二晶圆键合层对准后送入键合机中进行预键合，在800℃-1000℃条件下退火2-4小时，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（9）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底与压电薄膜分离；
（10）在压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构，随后湿法除去保护用的SiO2，得到所述空气隙型薄膜体声波谐振器。
进一步地，步骤（1）中，生长压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD等中的一种以上；生长底电极的方法为磁控溅射；生长填平层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。生长键合层SiO2薄膜的方法为PECVD。
进一步地，步骤（2）中，在转移衬底上生长SiO2保护层的方法为PECVD；所述凹槽是在键合层和转移衬底上从上到下刻蚀出与底电极图形一致的凹槽。
进一步地，步骤（3）所述退火的温度为100-600℃，步骤（1）和步骤（3）所述表面活化包括等离子体活化、HF溶液表面粗化与改性方法中的一种以上。
优选地，步骤（3）所述退火的温度为150℃-300℃。
优选地，第三晶圆片上生长的键合层为SiO2。
优选地，第一、第二晶圆片上生长的键合层与支撑层均为SiO2；压电薄膜为PZT、AlN、ZnO中的一种以上；底电极和顶电极均为金属电极层，所述金属为Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种以上。
优选地，键合层的厚度为400nm~5μm；压电薄膜的厚度为200nm~3μm；顶电极和底电极的厚度为50nm-500nm。
本发明提供的制备方法，可以制备不同的谐振器级联方式、实现各频段双工器或多工器。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明所提供的制备方法中，对SiO2进行表面活性处理后使其具备更高的表面能，通过SiO2- SiO2键合实现薄膜转移，在Si衬底上外延一层高质量的单晶AlN压电薄膜，并在其上淀积金属电极并图形化，通过衬底转移在单晶AlN薄膜下形成空腔，最后对AlN的图形进行修饰，并淀积金属后图形化，形成电极-压电薄膜-电极的三明治复合结构，该方法通过键合形成空腔，不需引入牺牲层，且能将高质量的单晶AlN压电层运用于FBAR中，因此简化制备工艺；
（2）本发明提供的制备方法，采用绝缘材料SiO2进行薄膜转移，键合温度低且成本低。
附图说明
图1为实施例1中在外延衬底上依次生长压电薄膜、底电极、填平层和键合层并图形化后的剖视图；
图2为实施例1中在转移衬底上刻蚀硅腔，沉积键合层并图形化后的剖视图；
图3为以实施例1的第一晶圆和第三晶圆经过倒装键合后获得空气隙腔的剖视图；
图4为实施例1中将外延衬底剥离的剖视图；
图5为实施例1中将外延衬底玻璃后生长顶电极的剖视图；
图6为实施例1中将第一晶圆顶电极保护后，第三晶圆与第二晶圆键合剥离并生长顶电极的剖视图；
图7为实施例1中将保护层去除后获得的利于集成的空气隙型薄膜体声波谐振器的剖视图；
图中包括：外延衬底101、压电薄膜102、填平层103、底电极104、第一键合层105、顶电极106、压电层202、填平层203、底电极204、第二键合层205、顶电级206、转移衬底301、第三键合层302、保护层303、第四键合层304。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
本实施例提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器，如图7所示，所述谐振器包括外延衬底101、压电薄膜102、填平层103、底电极104、第一键合层105、顶电极106、压电层202、填平层203、底电极204、第二键合层205、顶电级206、转移衬底301、第三键合层302、保护层303、第四键合层304。
转移衬底301为高阻双抛单晶硅；键合层均为SiO2，厚度均为400nm；保护层也为SiO2，厚度10-20μm；压电薄膜为1.2μm厚的AlN；底电极和顶电极均为金属电极层，电极层的厚度为300nm，底电极、顶电级均为Mo。
本实施例还提供了一种制备如上所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，包括以下步骤：
（1）选用(100)晶向的Si衬底作为外延衬底101，首先对外延衬底通过浓H2SO4：H2O2：H2O(体积比为1.6:1.6:4)的SPM溶液在60℃下清洗15min，再使用H2O ：HF(体积比为15:1)的BOE溶液清洗10min（浓H2SO4、H2O2、BOE、HF通过市售取得），除去表面有机物和脏污，使用金属有机物化学气相沉积系统和射频磁控溅射系统，在外延衬底101生长一层压电薄膜102，反应气体三甲基铝（50sccm），NH3流量为（3slm），载气Ar（1slm），衬底温度为900℃左右，反应室总压力为40Torr左右，生长厚度为1.2μm的单晶AlN；在压电薄膜102上表面生长底电极104，使用射频磁控溅射机台，以纯度为99.99%的Mo作为溅射靶材，溅射时通入高纯的Ar作为溅射气体，工作总压为3-10Pa，靶基距设为60mm，真空度为4.0×10-4Pa，衬底温度为200℃下生长厚度为300nm Mo电极层；电极图形化后，在底电极上表面和压力薄膜表面连接底电极之外的区域通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法生长一层填平层二氧化硅103；填平层生长完成之后，使用PECVD生长第一键合层105，并通过光刻和湿法腐蚀将底电极104表面的第一键合层105去除；如图1所示，将底电极104用光刻胶进行保护，使用H2O：HF=5：1的HF酸溶液处理第一键合层105表面，然后送入ICP-RIE系统中对第一键合层105进行表面活化处理，在200W的功率下，浓度为99.99%的N2气体氛围中保持2分钟，得第一晶圆；
（2）选一高阻单晶硅为转移衬底106，首先对外延衬底通过浓H2SO4：H2O2：H2O(体积比为1.6:1.6:4)的SPM溶液在60°C下清洗15min，再使用H2O ：HF(体积比为15:1)的BOE溶液清洗10min（浓H2SO4、H2O2、BOE、HF通过市售取得），除去表面有机物和脏污；在其一面使用PECVD生长SiO2作为保护层，再在所述转移衬底301的另一面上通过感应耦合等离子刻蚀机在转移衬底上制作一个800nm深的硅腔；再生长厚度为400nm的第三键合层302。如图2所示，使用H2O：HF=5：1的HF酸溶液处理第三键合层302表面，然后送入ICP-RIE系统中对第三键合层302进行表面处理，再在200W的功率下，浓度为99.99%的N2气体氛围中保持2分钟，得第三晶圆，如图2所示；图1、图2、中箭头表示对键合层进行表面活化处理；
（3）将处理后的第一晶圆和第三晶圆分别以第一键合层105和第三键合层302为接触面送入键合机中进行预键合，键合过程中从第一晶圆的衬底101的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙，如图3所示；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底101与压电薄膜102分离，采用体积比5：1的质量分数为30%的KOH与IPA混合配置腐蚀液，在80℃下腐蚀到压电薄膜102自停止，如图4所示；
（5）清洗步骤（4）处理后的表面残留，在压电薄膜102上表面沉积顶电极106，并进行图像化处理，顶电极106和底电极104相对，顶电极106、压电薄膜102和底电极104形成三明治结构，如图5所示；
（6）在顶电极106的表面生长一层保护用的SiO2，使用机械磨平后翻转，除去第二步生长的保护层，取第二晶圆片，重复第一晶圆与第三晶圆片键合的步骤，如图6所示，最后湿法腐蚀获得完整样品，即所述空气隙型薄膜体声波谐振器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括两个空气隙型谐振器；所述空气隙型谐振器包括顶电极、压电薄膜、底电极、填平层、键合层和双抛硅衬底；这两个空气隙型谐振器分别在双抛硅衬底的正反面上制得的；所述键合层分别与填平层、双抛硅衬底连接，所述键合层、双抛硅衬底和底电极围成空气隙；这两个空气隙型谐振器的上表面和下表面分别连接有顶电极和底电极，其中，底电极位于空气隙；所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构。
2.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述双抛硅衬底为高阻双抛单晶硅；所述双抛硅衬底的正反面上分别设置有凹槽；所述双抛硅衬底正反面上的凹槽的深度为500nm-3μm。
3.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述键合层、底电极与双抛硅衬底的凹槽围成谐振器的空气腔；所述空气腔的深度为900nm-8μm。
4.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述键合层由SiO2和SiO2键合而成；所述键合层包括第一键合层、第二键合层、第三键合层及第四键合层。
5.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜为AlN、ZnO、PZT中的一种以上；所述底电极和顶电极均为金属电极层，所述底电极和顶电极的材质为Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述键合层的厚度为400nm-μm；所述压电薄膜的厚度为200nm-3μm；所述顶电极和底电极的厚度均为50nm-500nm。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）使用单晶硅基片作为衬底，对其进行表面清洗、热氧化；然后在单晶硅基片上生长压电薄膜，在压电薄膜上表面生长底电极，通过光刻和湿法腐蚀获得底电极图案，然后在底电极上生长用于填平的SiO2，将填平处用光刻胶进行保护，将底电极上的SiO2去除，生长键合层，通过光刻和湿法腐蚀去除覆盖在底电极上的SiO2，得到第一晶圆；第二晶圆的制备与第一晶圆相同；
（2）选择双抛单晶硅作为转移衬底，在其一面生长SiO2保护层，另一面进行光刻，随后送入ICP-RIE系统中刻蚀出凹槽，生长SiO2，通过光刻和湿法腐蚀去除覆盖在凹槽上的SiO2，使用HF酸溶液处理SiO2薄膜表面，后送入等离子活化系统中对键合层进行表面活化处理，获得第三晶圆；
（3）将第一晶圆的底电极用光刻胶进行保护，对第一晶圆的键合层进行表面活化，将活化处理后的第一晶圆和第三晶圆的键合层对准，然后一起送入键合机进行预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将第一晶圆片上的硅衬底与压电薄膜分离；
（5）在第一晶圆的压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，使得顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构；
（6）在已经沉积顶电极的第一晶圆片上使用PECVD生长一层用于保护的SiO2保护层，将其磨平，翻转；
（7）翻转后为第三晶圆片的背面，湿法除去表面的保护层，在ICP—RIE设备中刻蚀硅腔；随后使用PVD生长SiO2薄膜，刻蚀腐蚀除去空腔内的SiO2，使用HF酸溶液处理SiO2薄膜表面，后送入等离子活化系统中对键合层进行表面活化处理；
（8）将活化处理后的第三晶圆和第二晶圆的键合层对准后送入键合机中进行预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（9）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底与压电薄膜分离；
（10）在压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构，随后湿法除去保护用的SiO2，得到所述空气隙型薄膜体声波谐振器。
8.根据权利要求7所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，生长压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD中的一种以上；生长底电极的方法为磁控溅射；生长填平层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。
9.根据权利要求7所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，在转移衬底上生长SiO2保护层的方法为PECVD；所述凹槽是在键合层和转移衬底上从上到下刻蚀出与底电极图形一致的凹槽。
10.根据权利要求7所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述退火的温度为100-600℃，步骤（2）和步骤（3）所述表面活化包括等离子体活化、HF溶液表面粗化与改性方法中的一种以上。
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