CN111654257A - 薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器 - Google Patents

薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器，该薄膜体声波谐振器包括依次层叠设置的衬底、第一电极、压电层和第二电极；衬底、压电层和第一电极之间形成有空腔，第一电极和压电层分别形成空腔相对两侧的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁表面和第二侧壁表面中的其中一个为平面，另一个为曲面，从而能有效改善空腔侧壁附近的裂纹现象，提高现有薄膜体声波谐振器的Q值，改善滤波器的带内插损性能。

Description

薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器
【技术领域】
本发明涉及谐振器领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器。
【背景技术】
随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。
薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator,FBAR)由于具有互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容、高品质因数(Q值)、低损耗、低温度系数、高功率承载能力等优点，广泛应用于滤波器中。考虑到FBAR的Q值越高，滤波器的带内插损性能就越好，故如何提高现有FBAR的Q值是滤波器研究的重点内容。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器，能有效提高现有薄膜体声波谐振器的Q值，改善滤波器的带内插损性能。
根据本发明的第一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，包括依次层叠设置的衬底、第一电极、压电层和第二电极；所述衬底、所述压电层和所述第一电极之间形成有空腔，所述第一电极和所述压电层分别形成所述空腔相对两侧的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁表面和所述第二侧壁表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
其中，所述平面与所述衬底表面之间的第一夹角、以及所述曲面上最大弧度对应点处的切线与所述衬底表面之间的第二夹角均为20°～40°。
其中，所述第一夹角和/或所述第二夹角为30°。
其中，所述曲面在垂直于所述衬底的截面上包括至少两条弧线段，所述至少两条弧线段具有不同的曲率半径。
其中，所述第一电极和/或所述第二电极呈扇形、半圆形或不规则多边形。
根据本发明的另一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极；
对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，以在所述衬底、所述压电层和所述第一电极之间形成空腔，得到薄膜体声波谐振器；
其中，所述第一电极和所述压电层分别形成所述空腔相对两侧的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁表面和所述第二侧壁表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
其中，所述平面与所述衬底表面之间的第一夹角、以及所述曲面上最大弧度对应点处的切线与所述衬底表面之间的第二夹角均为20°～40°。
其中，所述对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀的步骤具体包括：
利用干法刻蚀法对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，其中，所述干法刻蚀法中使用的气体包括三氟甲烷和氧气，所述三氟甲烷和氧气之间的含量比例范围为2.5～4.5。
其中，所述对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀的步骤具体包括：
利用湿法刻蚀法对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，其中，所述湿法刻蚀中使用的曝光能量范围为280mJ/cm2～330mJ/cm2和/或聚焦深度范围为-8um～0um。
根据本发明的另一方面，提供了一种滤波器，包括多个上述任一薄膜体声波谐振器。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请中的薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器，通过在衬底、压电层和第一电极之间形成空腔，并使位于空腔相对两侧的一侧壁表面为平面，另一侧壁表面为曲面，从而能有效改善侧壁附近的裂纹现象，提高现有薄膜体声波谐振器的Q值，改善滤波器的带内插损性能。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的俯视结构图；
图2是图1中的薄膜体声波谐振器沿A-A线的剖视示意图；
图3是本申请实施例提供的薄膜谐振器的Q值和夹角α的关系示意图；
图4是本申请实施例提供的夹角α为50.3°时，谐振器中发生断裂现象的示意图；
图5a是本申请实施例提供的夹角α为20°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5b是本申请实施例提供的夹角α为25°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5c是本申请实施例提供的夹角α为30°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5d是本申请实施例提供的夹角α为35°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5e是本申请实施例提供的夹角α为40°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5f是本申请实施例提供的夹角α为45°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图5g是本申请实施例提供的夹角α为50°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果示意图；
图6是本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的另一剖视示意图；
图7是本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的又一剖视示意图；
图8是本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的制作方法的流程示意图；
图9是本申请实施例提供的梯型滤波器的结构示意图；
图10是本申请实施例提供的网格型滤波器的结构示意图。
【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描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
需要理解的是，在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参见图1和图2，图1为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的俯视结构图，图2为图1中的薄膜体声波谐振器沿A-A线的剖视示意图。
本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器10，包括依次层叠设置的衬底11、第一电极12、压电层13和第二电极14。衬底11、压电层13和第一电极12之间形成有空腔15，第一电极12和压电层13分别形成空腔15相对两侧的第一侧壁151A和第二侧壁152A，第一侧壁151A表面和第二侧壁152A表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
具体的，该空腔15在制作时可以是通过对过渡材料制成的牺牲层释放后形成的。衬底11可以是硅衬底、锗(Ge)衬底或石英衬底等，第一电极12和第二电极14可由导电材料制成，比如金(Au)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mu)、钨(Wu)、铝(Al)等，或者它们的任意组合，其中，第一电极12作为底电极，第二电极14作为顶电极。压电层13可由具有压电特性的材料制成，比如氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或者钛酸钡等，或者可以对具有压电特性的材料掺杂制成，比如掺钪的氮化铝等，其通常呈透明色。实际工作过程中，当将诸如射频(RF)信号的电能施加到第一电极12和第二电极14时，会使压电层13发生压电效应产生振动，该振动通过空腔15的反射形成震荡，从而实现薄膜体声波谐振器10对射频信号的过滤功能。
目前，现有谐振器中形成空腔的两侧壁表面均设置为倾斜平面，这种形状的空腔会对压电层产生较大的应力，导致侧壁附近裂纹现象比较严重，进而导致谐振器的Q值较低，由此谐振器构成的滤波器，带内会出现凹坑，带内插损性能较差，极大影响滤波器的性能。而本申请通过将形成空腔15的第一侧壁151A表面和第二侧壁152A表面设置成不同形状，也即其中一个为平面，另一个为曲面，这种不对称形式和曲面形状会大大减小对压电层13产生的应力，减小侧壁附近裂纹的产生，进而有效提高谐振器的Q值，改善带内插损性能。
需要指出的是，除了空腔15侧壁形状会对Q值产生影响外，空腔15侧壁与衬底11之间的夹角α大小也会影响Q值大小。请参见图3～图5g，图3示出了空腔15侧壁的不同夹角α下，薄膜体声波谐振器10中fp(通带截止频率)点的Q值，其中，横轴为空腔15侧壁与衬底11的夹角α，比如20°～50°，纵轴为Q值大小，比如500～3000，从图3可知，fp点的Q值随着夹角α的增大而增大。与此同时，空腔15侧壁与衬底11之间的夹角α过大又会导致器件出现断裂，从而使器件失效，大大降低器件良率，比如请参见图4，其中，图4示出了夹角α为50.3°时，谐振器中发生断裂现象的示意图，因此，在实际设计或应用中，需要合理设置空腔15的侧壁形状、以及侧壁与衬底11之间夹角α的大小，以达到较为合适的Q值。图5a～图5g分别示出了空腔15侧壁的夹角α为20°、25°、30°、35°、40°、45°以及50°时，谐振器阻抗的史密斯圆图的仿真结果，当空腔15侧壁与衬底11之间的夹角α为40°～50°时，寄生谐振比较强烈，由此构成的滤波器的带内会出现凹坑，极大影响滤波器的性能。
结合图3～图5g，空腔侧壁与衬底11之间的夹角α优选为20°～40°。容易理解的是，当空腔15侧壁表面为平面(比如图2中的151A)时，空腔15侧壁的夹角α为平面与衬底11表面之间的第一夹角，当空腔15侧壁表面为曲面(比如图2中的152A)时，空腔15侧壁的夹角α为曲面上最大弧度对应点处的切线与衬底11表面之间的第二夹角。其中，第一夹角和第二夹角可以相同，也可以不同，较佳的，第一夹角和/或第二夹角为30°。
进一步地，当空腔15侧壁表面为曲面时，该曲面可以是平滑曲面，也即在垂直于衬底11的截面上呈现为单条弧线，比如图2中的152A，也可以是多个平滑曲面组成，也即在垂直于衬底11的截面上包括至少两条弧线段，该至少两条弧线段具有不同的曲率半径，比如图7中的152C，此时，每个弧线段上有一个最大弧度对应点，每个对应点处的切线与衬底11表面之间的第二夹角应当都属于20°～40°。
当曲面是由多个平滑曲面组成时，这些平滑曲面可以均朝向衬底11突出或远离衬底11突出，从而形成凹形或者凸形，这些平滑曲面也可以具有不同朝向，比如若包含两个平滑曲面，其中一个平滑曲面可以朝向衬底11突出，另外一个平滑曲面可以朝着远离衬底11的方向突出，从而形成凹凸形状(具体可参见图7中的152C)。
在其他实施方式中，当空腔15侧壁的夹角α为20°～40°时，该空腔15侧壁除了可以是平面和曲面的组合之外，还可以是其他形状组合，此处可以不做限定，比如，请参见图6，与其他实施例不同的地方在于，图6中空腔15的两侧壁151B和152B表面均为平面，或者请参见图7，与其他实施例不同的地方在于，图7中空腔15的两侧壁151C和152C表面均为曲面。
此外，薄膜体声波谐振器10还包括边框(图中未示出)，边框位于第二电极14上方。第一电极12和/或第二电极14可以呈扇形、半圆形或不规则多边形，比如图1中，第一电极12和第二电极14(也即图1中第一电极12和第二电极14在压电层13上投影重合的部分)均为扇形。
基于上述薄膜体声波谐振器，本申请实施例还提供一种制作上述膜体声波谐振器的方法，请参见图8以及图1-图2，一种薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤S101～S106，其中：
步骤S101、提供一衬底11；
步骤S102、在衬底11上形成牺牲层；
步骤S103、在牺牲层上形成第一电极12；
步骤S104、在第一电极12上形成压电层13；
步骤S105、在压电层13上形成第二电极14；
步骤S106、对形成有第二电极14的牺牲层进行刻蚀，以在衬底11、压电层13和第一电极12之间形成空腔15，得到薄膜体声波谐振器10；其中，第一电极12和压电层13分别形成空腔15相对两侧的第一侧壁151A和第二侧壁152A，第一侧壁151A表面和第二侧壁152A表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
具体的，衬底11可以是硅衬底、锗(Ge)衬底或石英衬底等，牺牲层由过渡材料制成。第一电极12和第二电极14可由导电材料制成，比如金(Au)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mu)、钨(Wu)、铝(Al)等，或者它们的任意组合，其中，第一电极12作为底电极，第二电极14作为顶电极。压电层13可由具有压电特性的材料制成，比如氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或者钛酸钡等，或者可以对具有压电特性的材料掺杂制成，比如掺钪的氮化铝等，其通常呈透明色。
需要说明的是，除了空腔15侧壁的形状会对Q值产生影响外，侧壁与衬底11之间的夹角α也会影响Q值大小，其中，平面与衬底11表面之间的第一夹角、以及曲面上最大弧度对应点处的切线与衬底11表面之间的第二夹角均为20°～40°。
其中，为确保第一夹角和第二夹角在20°～40°范围内，在刻蚀工艺中需要对刻蚀条件进行限定。
例如，当为干法刻蚀时，上述步骤具体S106包括：
利用干法刻蚀法对形成有第二电极14的牺牲层进行刻蚀，其中，干法刻蚀法中使用的气体包括三氟甲烷和氧气，所述三氟甲烷和氧气之间的含量比例范围为2.5～4.5，例如，三氟甲烷为45～54sccm，氧气为12～18sccm。最优的，三氟甲烷为49sccm，氧气为17sccm。
例如，当为湿法刻蚀时，上述步骤具体S106包括：
利用湿法刻蚀法对形成有所述第二电极14的所述牺牲层进行刻蚀，其中，所述湿法刻蚀中使用的曝光能量范围为280mJ/cm2～330mJ/cm2和/或聚焦深度范围为-8～0um,其中，最优的曝光能量为310mJ/cm2，最优的聚焦深度为-6μm。
此外，基于上述薄膜体声波谐振器，本申请实施例还提供了一种滤波器，包括多个上述任一薄膜体声波谐振器。
具体的，请参见图9和图10，图9示出了一种梯型滤波器结构，图10示出了一种网格型滤波器结构，其中，这两种类型滤波器均包括信号输出端Vout和信号输入端Vin，梯型滤波器20至少包括两个薄膜体声波谐振器10，网格型滤波器30至少包括四个薄膜体声波谐振器10。
区别于现有技术，本申请中的薄膜体声波谐振器及其制作方法、以及滤波器，通过在衬底、压电层和第一电极之间形成空腔，并使位于空腔相对两侧的一侧壁表面为平面，另一侧壁表面为曲面，从而能有效改善侧壁附近的裂纹现象，提高现有薄膜体声波谐振器的Q值，改善滤波器的带内插损性能。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底、第一电极、压电层和第二电极；所述衬底、所述压电层和所述第一电极之间形成有空腔，所述第一电极和所述压电层分别形成所述空腔相对两侧的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁表面和所述第二侧壁表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述平面与所述衬底表面之间的第一夹角、以及所述曲面上最大弧度对应点处的切线与所述衬底表面之间的第二夹角均为20°～40°。
3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一夹角和/或所述第二夹角为30°。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述曲面在垂直于所述衬底的截面上包括至少两条弧线段，所述至少两条弧线段具有不同的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极和/或所述第二电极呈扇形、半圆形或不规则多边形。
6.一种薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极；
对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，以在所述衬底、所述压电层和所述第一电极之间形成空腔，得到薄膜体声波谐振器；
其中，所述第一电极和所述压电层分别形成所述空腔相对两侧的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁表面和所述第二侧壁表面中的其中一个为平面，另一个为曲面。
7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述平面与所述衬底表面之间的第一夹角、以及所述曲面上最大弧度对应点处的切线与所述衬底表面之间的第二夹角均为20°～40°。
8.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀的步骤具体包括：
利用干法刻蚀法对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，其中，所述干法刻蚀法中使用的气体包括三氟甲烷和氧气，所述三氟甲烷和氧气之间的含量比例范围为2.5～4.5。
9.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀的步骤具体包括：
利用湿法刻蚀法对形成有所述第二电极的所述牺牲层进行刻蚀，其中，所述湿法刻蚀中使用的曝光能量范围为280mJ/cm2～330mJ/cm2和/或聚焦深度范围为-8um～0um。
10.一种滤波器，其特征在于，包括多个如权利要求1-5所述的任一薄膜体声波谐振器。
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