CN111510092B - 体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种BAW谐振器，包括：谐振腔，位于衬底内；叠层结构，包括底部电极层、压电层、顶部电极层和钝化层，依次设置在衬底上以覆盖有源区内的谐振腔，其中顶部电极层在有源区外的连接区内与衬底之间具有空隙。依照本发明的BAW谐振器及其制造方法，在连接区内顶部电极与衬底之间形成空隙，防止声波能量从顶部电极泄漏，提高了谐振器品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种体声波(BAW)谐振器及其制造方法，特别是一种防止声波能量外泄的BAW谐振器及其制造方法。
背景技术
在无线通讯中，射频滤波器作为过滤特定频率信号的中介，用于减少不同频段的信号干扰，在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能。随着4GLTE网络的部署和市场的增长，射频前端的设计朝着小型化、低功耗和集成化的方向发展，市场对滤波性能的要求也越来越高。由于薄膜体声波谐振器(FilmBulkAcousticResonator，简称“FBAR”，也称“体声波”，BulkAcousticWave，简称“BAW”，)具有尺寸小、工作频率高、功耗低、品质因数(Q值)高、直接输出频率信号、与CMOS工艺兼容等特点，目前已经成为射频通讯领域重要的器件被广泛应用。
FBAR是制作在衬底材料上的电极——压电膜——电极的三明治结构的薄膜器件。FBAR的结构有空腔型、布拉格反射型(SMR)和背面刻蚀型。其中空腔型FBAR相对SMR型Q值要高，损耗要小，机电耦合系数要高；相对于背面刻蚀型FBAR不需要去掉大面积的衬底，机械强度较高。因此，空腔型FBAR是集成于CMOS器件上的首选。
现有的FBAR结构中，衬底与底部电极之间的空腔用于声波反射，压电层在底部电极与空腔重叠的有源区内发生谐振。然而，压电膜层顶部电极向外延伸所形成的连接部在保证电路连接同时也构成了声波能量的传导结构，导致声波能量外泄，谐振器的性能严重下降。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种克服以上技术障碍的防止能量外泄的BAW谐振器及其制备方法。
本发明提供了一种体声波(BAW)谐振器，包括：
谐振腔，位于衬底内；
叠层结构，包括底部电极层、压电层、顶部电极层和钝化层，依次设置在衬底上以覆盖有源区内的谐振腔，
其中顶部电极层在有源区外的连接区内与衬底之间具有空隙。
其中，底部电极层和压电层在衬底上连接区内具有倾斜侧壁；任选地，顶部电极层和钝化层具有平坦表面；任选地，顶部电极层和钝化层包括水平的第一部分、在第一部分之上水平的第二部分、以及在第一部分和第二部分之间倾斜的第三部分；任选地，顶部电极层与连接区相对的另一侧的端部在有源区内而与谐振器侧壁具有水平距离；任选地，连接区在有源区的一侧或两侧或周围；任选地，连接区与有源区的界面与谐振腔的侧壁之间具有第二水平距离。
其中，倾斜的侧壁或倾斜的第三部分与衬底表面之间的夹角大于等于45度并小于等于90度，优选地大于等于60度并小于等于75度，最佳地大于等于68度并小于等于72度；任选地，水平距离大于等于5微米且小于等于100微米，优选地大于等于10微米且小于等于50微米；任选地，第二水平距离大于等于10微米且小于等于200微米。
其中，压电层材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT的任一种或任意组合，优选地采用稀土元素掺杂，优选地稀土元素包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)及镥(Lu)的任一种及其组合，优选地稀土元素的总原子百分比大于等于5％并小于等于25％、大于等于7.5％且小于等于20％、大于等于9％且小于等于12.5％、例如为9.5％；任选地，底部电极层和/或顶部电极层材质为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg等金属单质或金属合金以及上述材料的任意组合；任选地，钝化层材料为AlN、AlOx、SiN、SiON、SiNC、SiNF、SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG的任一种及其任意组合。
本发明还提供了一种BAW谐振器制造方法，包括：
在衬底中形成谐振腔；
在衬底上形成底部电极层和压电层，覆盖有源区内的谐振腔；
在压电层上形成悬出压电层的顶部电极层和钝化层，其中顶部电极层在有源区外的连接区内与衬底之间具有空隙。
其中，形成谐振腔之后且形成底部电极层之前，在谐振腔内填充第一牺牲层；任选地，形成谐振腔之后且形成底部电极层之前，在连接区内衬底上形成第二牺牲层图形，优选地第二牺牲层图形具有倾斜侧壁，优选地第二牺牲层图形顶部高于压电层顶部；任选地，形成压电层之后且形成顶部电极层之前，倾斜离子注入并湿法腐蚀，使得底部电极层和压电层具有倾斜侧壁；优选地，形成钝化层之后去除第一牺牲层和/或第二牺牲层图形；优选地，图形化顶部电极层使得顶部电极层与连接区相对的另一侧的端部在有源区内而与谐振器侧壁具有水平距离；任选地，连接区在有源区的一侧或两侧或周围；任选地，连接区与有源区的界面与谐振腔的侧壁之间具有第二水平距离。
其中，倾斜的侧壁或倾斜的第三部分与衬底表面之间的夹角大于等于45度并小于等于90度，优选地大于等于60度并小于等于75度，最佳地大于等于68度并小于等于72度；任选地，水平距离大于等于5微米且小于等于100微米，优选地大于等于10微米且小于等于50微米；任选地，第二水平距离大于等于10微米且小于等于200微米。
其中，第一牺牲层和/或第二牺牲层图形的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳的任一种或组合；任选地，倾斜离子注入C、F、N、O的任一种及其组合。
其中，压电层材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT的任一种或任意组合，优选地采用稀土元素掺杂，优选地稀土元素包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)及镥(Lu)的任一种及其组合，优选地稀土元素的总原子百分比大于等于5％并小于等于25％、大于等于7.5％且小于等于20％、大于等于9％且小于等于12.5％、例如为9.5％；任选地，底部电极层和/或顶部电极层材质为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg等金属单质或金属合金以及上述材料的任意组合；任选地，钝化层材料为AlN、AlOx、SiN、SiON、SiNC、SiNF、SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG的任一种及其任意组合。
依照本发明的BAW谐振器及其制造方法，在连接区内顶部电极与衬底之间形成空隙，防止声波能量从顶部电极泄漏，提高了谐振器品质。
本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。
附图说明
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：
图1显示了根据本发明实施例的谐振器的剖视图；
图2显示了根据本发明实施例的另一谐振器的剖视图；
图3显示了根据本发明又一实施例的谐振器的剖视图；以及
图4显示了根据本发明另外实施例的谐振器的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了防止能量泄漏的BAW谐振器及其制备方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。
如图1所示，根据本发明实施例的谐振器包括衬底10，材质可以是体Si或绝缘体上硅(SOI)或者体Ge、GeOI以与CMOS工艺兼容并与其他数字、模拟电路集成，也可以是用于MEMS、光电器件、功率器件的化合物半导体例如GaN、GaAs、SiC、InP、GaP等，还可以是用于显示面板的玻璃、塑料、蓝宝石等透明绝缘材料。
提供了衬底10之后，在衬底10中形成谐振腔11。例如通过刻蚀、钻孔、激光烧蚀等图形化工艺，去除了衬底10表面的至少一部分而在剩余的衬底中留下空腔11。在本发明一个优选实施例中，采用各向异性干法刻蚀工艺，例如选用碳氟基刻蚀气体进行等离子体干法刻蚀或反应离子刻蚀，形成具有垂直(或近似垂直，例如与衬底表面夹角约为90度，诸如85至89度)侧壁的空腔11。在本发明另一优选实施例中，衬底10为复合多层衬底，例如先形成第一材料的底层(例如Si)，然后在底层上利用掩模形成图形化(可以选择性外延，也可以沉积之后刻蚀)的第二材料顶层(例如SiGe、SiC、SiGeC)，顶层的图案具有暴露底层的开口，而顶层图案之间的开口则保留作为谐振空腔11，如此可以更加良好地控制空腔形貌，且可以利用不同材料界面的声学特性不同而增强声波在侧壁上的反射，防止声波能量从谐振空腔11底部和侧壁泄漏。
优选地，在谐振腔11中填充牺牲层(未示出)，并平坦化使其与衬底10表面齐平。牺牲层材质例如氧化硅、非晶碳等，以提高与衬底和后续材料层之间的刻蚀选择性。
在衬底10和谐振腔11(牺牲层)上依次形成底部电极层12和压电层13。例如采用PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发等工艺，形成覆盖整个器件表面的底部电极层12,以及层12上的压电层13。电极层12材质为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg等金属单质或金属合金，以及上述材料的任意组合，也即包括种子层或阻挡层以及导电层。压电层13材料例如ZnO、AlN、BST(钛酸锶钡)、BT(钛酸钡)、PZT(锆钛酸铅)、PBLN(铌酸铅钡锂)、PT(钛酸铅)等陶瓷材料，且优选地，压电层13中掺杂稀土元素，例如包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)及镥(Lu)的任一种及其组合，以提高压电系数。在本发明一个优选实施例中，压电层13采用Sc掺杂，或Sc与Yb混合掺杂，或Sc与Gd混合掺杂，或者Sc、Yb、Sm混合掺杂。在本发明另一优选实施例中，稀土元素掺杂的总原子百分比(也即所有稀土元素原子数之和与压电层内所有原子数之比)大于等于5％并小于等于25％，优选地，稀土元素掺杂总百分比大于等于7.5％且小于等于20％，最佳地，掺杂百分比大于等于9％且小于等于12.5％，例如为9.5％。
优选地，采用图形化工艺，使得底部电极层12和压电层13的至少一侧具有悬出衬底10之上的倾斜侧壁，从而在衬底10中谐振腔11所在的有源区A之外的连接区B(任选地，连接区B在有源区A的一侧(例如左侧或右侧)或两侧(例如左右两侧均有)或周围(例如连接区B环绕有源区A))内留下空隙16。图形化工艺可以是先在衬底10之上连接区B内形成具有倾斜侧壁的第二牺牲层图形(未示出，优选地与谐振腔11内填充的牺牲层材料相同)，然后沉积底部电极12和压电层13，后续刻蚀去除第二牺牲层图形，从而留下具有倾斜侧壁的底部电极层12和压电层13，此种工艺能够方便地控制牺牲层图形侧壁角度和分布位置。此外，也可以从连接区B单侧(例如右侧)向底部电极12和压电层13侧面倾斜离子注入，例如注入C、F、N、O等元素而使得连接区内的部分膜层刻蚀选择性提高，随后采用湿法腐蚀工艺去除离子注入区内的部分层12和层13，从而留下倾斜侧壁，此种工艺可以通过调节离子注入角度而控制倾斜侧壁形貌，还可以利用被腐蚀界面上残留的掺杂离子渐变区而增强对于声波的反射，进一步提高谐振器品质。在本发明一个优选实施例中，图形化工艺所形成的倾斜侧壁与衬底10表面之间的夹角α，大于等于45度并小于等于90度，优选地大于等于60度并小于等于75度，最佳地大于等于68度并小于等于72度，如此以便于精确地调节声波在该倾斜侧壁上的反射系数，减少声波能量泄漏。在本发明另一优选实施例中，图形化过程中或者之后还进一步在有源区A的与连接区B相对的另一侧也同样形成类似的空隙或悬梁结构。
此后，采用PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发等工艺，在压电层13上依次形成顶部电极14和钝化层15。电极层14的材质与电极层12优选相同或相近。钝化层15材料为AlN、AlOx、SiN、SiON、SiNC、SiNF、SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG的任一种及其任意组合，用于对下方的电极层和压电膜提供绝缘隔离保护，同时也能提高对于声波的吸收或反射。在本发明一个优选实施例中，形成电极层14之前并未立即去除第二牺牲层图形，而是先对压电层13执行回刻蚀或CMP平坦化工艺直至暴露第二牺牲层图形使得压电层13顶部与第二牺牲层图形齐平，在形成钝化层15之后再去除第二牺牲层(优选地与谐振腔11内填充的第一牺牲层同时去除)，因此电极层14和钝化层15均为平坦的连续层。优选地，至少图形化电极层14，使得顶部电极层14的与连接区B相对的边缘在有源区A范围内，例如与谐振腔11左侧壁之间的水平距离大于等于5微米，优选地同时小于等于100微米、优选地大于等于10微米且小于等于50微米，如此利用谐振腔11左侧在有源区A之外的部分提高了声波反射能力。
然而，在本发明另一实施例中，如图2所示，形成电极层14、钝化层15之前并未去除第二牺牲层图形也并未执行平坦化工艺，而是仅去除了部分压电层13，也即第二牺牲层图形高度大于电极层12和压电层13厚度之和，第二牺牲层顶部高于压电层13顶部。如此，后续形成的电极层14和钝化层15具有较低的平坦的第一部分14a/15a，在第一部分之上的较高的平坦的第二部分14b/15b，以及在第一部分和第二部分之间倾斜的第三部分。因此，形成的图2所示结构中，顶部电极层14悬出压电层13的部分14b与衬底10之间在连接区B内的空隙16的高度增加，有效地提高了对于声波的反射，提高了谐振器的品质。
在本发明又一实施例中，如图3中所示，基本结构类似于图1所示实施例，不同之处在于谐振腔11的右边界进一步向右延伸至连接区B内，使得谐振器有源区A之外(具体为右侧)还具有额外的空腔以利用该部分提高顶电极右侧的声波反射能力。优选地，谐振腔11右侧与有源区A/连接区B之间界面的距离d大于等于10微米，优选地大于等于50微米，优选地同时小于等于200微米、优选地小于等于100微米。
类似地，如图4所示，谐振腔11右侧与有源区A/连接区B之间界面的距离d为与图3所示前述数值范围的同时，还进一步具有图2所示的台阶状的电极层14和钝化层15的堆叠。
此后，湿法腐蚀去除谐振腔11内填充的第一牺牲层，之后或者同时湿法腐蚀去除顶部电极层14悬出压电层13的部分与衬底10之间夹设的第二牺牲层图形，留下了空气隙11作为谐振腔，以及空隙16用于提高连接区B的声波反射能力。
依照本发明的BAW谐振器及其制造方法，在连接区内顶部电极与衬底之间形成空隙，防止声波能量从顶部电极泄漏，提高了谐振器品质。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (41)
1.一种体声波(BAW)谐振器，包括：
谐振腔，位于衬底内；
叠层结构，包括底部电极层、压电层、顶部电极层和钝化层，依次设置在衬底上以覆盖有源区内的谐振腔，
其中顶部电极层在有源区外的连接区内与衬底之间具有空隙，空隙在顶部电极层悬出压电层的一部分的下方，空隙的底部与衬底顶部齐平，并且空隙的顶部与顶部电极层的底部齐平或者高于顶部电极层的最底部。
2.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，底部电极层和压电层在衬底上连接区内具有倾斜侧壁。
3.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，顶部电极层和钝化层具有平坦表面。
4.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，顶部电极层和钝化层包括水平的第一部分、在第一部分之上水平的第二部分、以及在第一部分和第二部分之间倾斜的第三部分。
5.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，顶部电极层与连接区相对的另一侧的端部在有源区内而与谐振器侧壁具有水平距离。
6.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，连接区在有源区的一侧或两侧或周围。
7.根据权利要求2的BAW谐振器，其中，倾斜的侧壁与衬底表面之间的夹角大于等于45度并小于等于90度。
8.根据权利要求4的BAW谐振器，其中，倾斜的第三部分与衬底表面之间的夹角大于等于45度并小于等于90度。
9.根据权利要求7或8的BAW谐振器，其中，所述夹角大于等于60度并小于等于75度。
10.根据权利要求9的BAW谐振器，其中，所述夹角大于等于68度并小于等于72度。
11.根据权利要求5的BAW谐振器，其中，水平距离大于等于10微米且小于等于200微米。
12.根据权利要求11的BAW谐振器，其中，水平距离大于等于50微米且小于等于100微米。
13.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，压电层材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT的任一种或任意组合。
14.根据权利要求13的BAW谐振器，其中，压电层材料采用稀土元素掺杂，稀土元素包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)及镥(Lu)的任一种及其组合。
15.根据权利要求14的BAW谐振器，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.8％并小于等于1.2％。
16.根据权利要求15的BAW谐振器，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.95％且小于等于1.0％。
17.根据权利要求16的BAW谐振器，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.97％且小于等于0.99％。
18.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，底部电极层和/或顶部电极层材质为金属的单质或所述金属的合金、或者所述金属的导电氧化物或导电氮化物、以及上述材料的任意组合，所述金属为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg。
19.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，钝化层材料为Si N、S iON、SiNC、Si NF、Si Ox、S iOC、Si OC、S iOF、Si FC、BSG、PSG、PBSG的任一种及其任意组合。
20.一种BAW谐振器制造方法，包括：
在衬底中形成谐振腔；
在衬底上形成底部电极层和压电层，覆盖有源区内的谐振腔；
在压电层上形成悬出压电层的顶部电极层和钝化层，其中顶部电极层在有源区外的连接区内与衬底之间具有空隙，空隙在顶部电极层悬出压电层的一部分的下方，空隙的底部与衬底顶部齐平，并且空隙的顶部与顶部电极层的底部齐平或者高于顶部电极层的最底部。
21.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，形成谐振腔之后且形成底部电极层之前，在谐振腔内填充第一牺牲层。
22.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，形成谐振腔之后且形成底部电极层之前，在连接区内衬底上形成第二牺牲层图形。
23.根据权利要求22的BAW谐振器制造方法，其中，第二牺牲层图形具有倾斜侧壁，或者第二牺牲层图形顶部高于压电层顶部。
24.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，形成压电层之后且形成顶部电极层之前，倾斜离子注入并湿法腐蚀，使得底部电极层和压电层具有倾斜侧壁。
25.根据权利要求21或22的BAW谐振器制造方法，其中，形成钝化层之后去除第一牺牲层和/或第二牺牲层图形。
26.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，图形化顶部电极层使得顶部电极层与连接区相对的另一侧的端部在有源区内而与谐振器侧壁具有水平距离。
27.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，连接区在有源区的一侧或两侧或周围。
28.根据权利要求24的BAW谐振器制造方法，其中，倾斜的侧壁与衬底表面之间的夹角大于等于45度并小于等于90度。
29.根据权利要求28的BAW谐振器制造方法，其中，所述夹角大于等于60度并小于等于75度。
30.根据权利要求29的BAW谐振器制造方法，其中，所述夹角大于等于68度并小于等于72度。
31.根据权利要求26的BAW谐振器制造方法，其中，水平距离大于等于10微米且小于等于200微米。
32.根据权利要求31的BAW谐振器制造方法，其中，水平距离大于等于50微米且小于等于100微米。
33.根据权利要求21或22的BAW谐振器制造方法，其中，第一牺牲层和/或第二牺牲层图形的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳的任一种或组合。
34.根据权利要求24的BAW谐振器制造方法，其中，任选地，倾斜离子注入C、F、N、O的任一种及其组合。
35.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，压电层材料为ZnO、Al N、BST、BT、PZT、PBLN、PT的任一种或任意组合。
36.根据权利要求35的BAW谐振器制造方法，其中，压电层材料采用稀土元素掺杂，稀土元素包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)及镥(Lu)的任一种及其组合。
37.根据权利要求36的BAW谐振器制造方法，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.8％并小于等于1.2％。
38.根据权利要求37的BAW谐振器制造方法，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.95％且小于等于1.0％。
39.根据权利要求38的BAW谐振器制造方法，其中，稀土元素的总原子百分比大于等于0.97％且小于等于0.99％。
40.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，底部电极层和/或顶部电极层材质为金属的单质或所述金属的合金、或者所述金属的导电氧化物或导电氮化物、以及上述材料的任意组合，所述金属为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg。
41.根据权利要求20的BAW谐振器制造方法，其中，钝化层材料为SiN、SiON、SiNC、SiNF、SiOx、S iOC、Si OC、Si OF、Si FC、BSG、PSG、PBSG的任一种及其任意组合。
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