CN111988006A - 薄膜体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents

薄膜体声波谐振器及其制作方法 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，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，压电层的谐振区内设有多个孔洞，孔洞在平行于衬底的方向上的截面形状与压电层中的晶体结构相适配，从而能大大减少压电层中横向声波的传输，有效避免声波能量的横向泄露。

Description

薄膜体声波谐振器及其制作方法
【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。
【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。目前，现有FBAR工作时主要存在两种能量损耗：侧向波的能量损耗和纵向振动时晶柱与晶柱间的摩擦损耗，而如何减少FBAR的能量损失是当今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，能有效减少薄膜体声波谐振器的能量损耗，提升滤波器的整体性能。
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，所述压电层的谐振区内设有多个孔洞，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状与所述压电层中的晶体结构相适配。
其中，所述晶体结构为纤锌矿型结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为六角形。
其中，所述晶体结构为钙钛矿结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为四边形。
其中，所述孔洞在垂直于所述衬底的方向上贯穿所述压电层，或者所述孔洞的顶端与所述第二电极的下表面接触，底端与所述第一电极的上表面不接触，或者所述孔洞的底端与所述第一电极的上表面接触，顶端与所述第二电极的下表面不接触。
其中，所述孔洞内填充有二氧化硅。
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；
在所述衬底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状与所述压电层中的晶体结构相适配。
其中，所述在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，包括：
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞，并在所述孔洞内填充牺牲层；
在填充有所述牺牲层的所述压电层上形成第二电极；
在形成有所述第二电极的所述压电层上形成至少一个管道，所述管道沿平行于所述衬底的方向贯穿所述孔洞；
利用所述管道，通过干法刻蚀法移除所述孔洞内的所述牺牲层。
其中，所述在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，包括：
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞，并在所述孔洞内填充二氧化硅；
在填充有所述二氧化硅的所述压电层上形成第二电极。
其中，所述晶体结构为纤锌矿型结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为六角形。
其中，所述晶体结构为钙钛矿结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为四边形。
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，通过在压电层的谐振区内设有多个孔洞，并使孔洞在平行于衬底的方向上的截面形状与压电层中的晶体结构相适配，从而能大大减少压电层中横向声波的传输，有效避免声波能量的横向泄露，提高了薄膜体声波谐振器的性能。
【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是现有薄膜体声波谐振器中声波能量传播方向的示意图；
图2是本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的俯视示意图；
图3是本申请实施例提供的另一种薄膜体声波谐振器的俯视示意图；
图4是图2或图3中的薄膜体声波谐振器沿n-n线的剖视示意图；
图5是图2或图3中的另一薄膜体声波谐振器沿n-n线的剖视示意图；
图6是本申请实施例提供的又一薄膜体声波谐振器的剖视示意图；
图7是本申请实施例提供的另一薄膜体声波谐振器的剖视示意图；
图8是本申请实施例提供的又一种薄膜体声波谐振器的俯视示意图；
图9是本申请实施例提供的另一种薄膜体声波谐振器的俯视示意图；
图10是本申请实施例提供的又一种薄膜体声波谐振器的剖视示意图；
图11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12是本申请实施例提供的另一种薄膜体声波谐振器的剖视示意图；
图13是本申请实施例提供的梯型滤波器的结构示意图；
图14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，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，图1为现有薄膜体声波谐振器中声波能量传播方向的示意图。薄膜体声波谐振器10包括依次层叠设置的上电极11、压电层12和下电极13，当上电极11和下电极13加入射频RF信号时，压电层12中每个单晶的晶柱会开始发生共振，相邻两个晶柱之间可能因共振不同步导致声波能量传播时沿①的方向产生摩擦损耗，同时可能因侧向膨胀导致声波能量传播时沿②的方向产生损耗，极大影响了薄膜体声波谐振器10的性能。
请参见图2、图3、图4和图5，图2为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的俯视示意图，图3为本申请实施例提供的另一种薄膜体声波谐振器的俯视示意图，图4和图5为图2或图3中沿n-n的剖视示意图。一种薄膜体声波谐振器20，包括依次层叠设置的衬底21、第一电极22、压电层23和第二电极24，该压电层23的谐振区内设有多个孔洞(比如231a和231b)，该孔洞在平行于该衬底21的方向上的截面形状与该压电层23中的晶体结构相适配。
具体的，衬底21、压电层23和第一电极22之间形成有空腔M。该空腔M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21可以是硅衬底，第一电极22和第二电极24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22作为底电极，第二电极24作为顶电极。压电层23可由氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅PZT等具有压电特性的材料，或它们掺杂后具备压电特性的材料制成，其通常呈透明色。实际工作过程中，当将诸如RF信号的电能施加到第一电极22和第二电极24时，会使压电层23发生压电效应产生振动，该振动通过空腔M的反射形成共振，从而实现薄膜体声波谐振器20对射频信号的过滤功能。
需要解释的是，当薄膜体声波谐振器20工作时，虽然主要能量是沿纵向(也即图4中的y方向)传播，但在不同波长处会有少部分的横向(也即图4中的x方向)波被激发，造成声波从横向泄露，与此同时，考虑到不同材料具有不同声阻抗，当薄膜体声波谐振器20中的横向声波经过一不连续的界面，从介质A向介质B传递时，若介质B的声阻抗远大于介质A，则横向声波将被反射和折射，最终改变传播方向，沿纵向传播，针对这一机制，可以将压电层23设置成不连续的介质层，比如在压电层23中设置空心的孔洞，以使压电层23包括空气和压电材料这两种声阻抗完全不同的介质，具体可参见图5中的孔洞231c，或者，也可以在压电层23中设置实心的孔洞，比如图4中的孔洞231a和231b，其内填充有二氧化硅SiO2，以使压电层23包括SiO2和压电材料这两种介质，从而能大大减少横向波的传输，有效避免声波能量的横向泄露。
其中，由于正常凝固情況下，所有金属、陶瓷材料或某些高分子材料将会形成晶体结构，也即在元素周期表上，原子、离子或分子在空间中是有规律地排列，金属晶体的结构是有规则且无限延伸、各項同性，因此可以将晶体堆积的结构看成一个单位晶格，而常见的晶格排列分为面心立方、体心立方和六方最密堆积。为了在压电层23中形成孔洞，又不破坏材料无限延伸的规则，可以根据压电层23中晶体结构的形状设计孔洞形状，从而损失最少的单位晶格。优选地，在图2中，当该晶体结构为纤锌矿型结构时，该孔洞231a在平行于该衬底21的方向上的截面形状为六角形。在图3中，当该晶体结构为钙钛矿结构时，该孔洞231b在平行于该衬底21的方向上的截面形状为四边形。
需要指出的是，孔洞在压电层23中的深度、排列和大小可以根据需求而定，具体的，孔洞可以在垂直于该衬底21的方向上贯穿该压电层23，比如请参见图4中的孔洞231a和231b，或者孔洞也可以贯穿部分压电层23，比如请参见图6和图7，其中，图6中的孔洞231d的顶端与第二电极24的下表面接触，但其底端与第一电极22的上表面不接触，图7中的孔洞213e的底端与第一电极22的上表面接触，但其顶端与第二电极24的上表面不接触。孔洞在压电层23中可以是等间隔的紧密排列，比如图2中的孔洞231b，也可以是等间隔的疏远排列，比如图8中的孔洞231f，或者，排列密度可以从中心向边缘逐渐减小，比如图9中的孔洞231g，排列密度也可以从中心向边缘逐渐增大，比如图10中的孔洞231h。
此外，基于上述薄膜体声波谐振器20，本申请实施例还提供一种制作上述膜体声波谐振器20的方法，请参见图11和图2～7，一种薄膜体声波谐振器20的制作方法，包括以下步骤S101～S104，其中：
步骤S101、提供一衬底21；
步骤S102、在该衬底21上形成第一电极22；
步骤S103、在该第一电极22上形成压电层23；
步骤S104、在该压电层23的谐振区内形成多个孔洞(比如231a和231b)和第二电极24，该孔洞在平行于该衬底21的方向上的截面形状与该压电层23中的晶体结构相适配。
优选地，在图2中，当该晶体结构为纤锌矿型结构时，该孔洞231a在平行于该衬底21的方向上的截面形状为六角形。在图3中，当该晶体结构为钙钛矿结构时，该孔洞231b在平行于该衬底21的方向上的截面形状为四边形。
具体的，孔洞可以为空心孔或实心孔，当孔洞为实心孔(请参见图4)时，上述步骤S104具体可以包括：
在该压电层23上形成多个孔洞231a(231b)，并在该孔洞231a(231b)内填充二氧化硅；
在填充有该二氧化硅的该压电层23上形成第二电极24。
其中，可以在刻蚀形成的孔洞231a(231b)中填满SiO2，之后直接在压电层23上形成第二电极24即可。
当孔洞为空心孔(请参见图12)时，上述步骤S104具体可以包括：
在该压电层23上形成多个孔洞231i，并在该孔洞231f内填充牺牲层(图中未视出)；
在填充有该牺牲层的该压电层23上形成第二电极24；
在形成有第二电极24的该压电层23上形成至少一个管道232，该管道232沿平行于该衬底21的方向贯穿该孔洞231i；
利用该管道232，通过干法刻蚀法移除该孔洞231i内的该牺牲层。
其中，在图12中，薄膜体声波谐振器20还包括沿平行于该衬底21的方向(也即x方向)贯穿该孔洞231i的管道232，该管道232用于向孔洞231i提供刻蚀气体，比如向管道232内灌入一定比例混合的气体，从而移除孔洞231i中的牺牲层，成为空心孔。
另外，基于上述薄膜体声波谐振器20，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20。
具体的，请参见图13和图14，图13示出了一种梯型滤波器结构30，图14示出了一种网格型滤波器结构40，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30至少包括两个薄膜体声波谐振器20，网格型滤波器40至少包括四个薄膜体声波谐振器20。
区别于现有技术，本申请中的薄膜体声波谐振器20及其制作方法，通过在压电层23上设有多个孔洞，并使孔洞在平行于衬底21的方向上的截面形状与压电层23中的晶体结构相适配，从而能大大减少压电层23中横向声波的传输，有效避免声波能量的横向泄露，提高了薄膜体声波谐振器20的性能。
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，所述压电层的谐振区内设有多个孔洞，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状与所述压电层中的晶体结构相适配。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述晶体结构为纤锌矿型结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为六角形。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述晶体结构为钙钛矿结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为四边形。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述孔洞在垂直于所述衬底的方向上贯穿所述压电层，或者所述孔洞的顶端与所述第二电极的下表面接触，底端与所述第一电极的上表面不接触，或者所述孔洞的底端与所述第一电极的上表面接触，顶端与所述第二电极的下表面不接触。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述孔洞内填充有二氧化硅。
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；
在所述衬底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状与所述压电层中的晶体结构相适配。
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，所述在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，包括：
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞，并在所述孔洞内填充牺牲层；
在填充有所述牺牲层的所述压电层上形成第二电极；
在形成有所述第二电极的所述压电层上形成至少一个管道，所述管道沿平行于所述衬底的方向贯穿所述孔洞；
利用所述管道，通过干法刻蚀法移除所述孔洞内的所述牺牲层。
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，所述在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞和第二电极，包括：
在所述压电层的谐振区内形成多个孔洞，并在所述孔洞内填充二氧化硅；
在填充有所述二氧化硅的所述压电层上形成第二电极。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述晶体结构为纤锌矿型结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为六角形。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述晶体结构为钙钛矿结构，所述孔洞在平行于所述衬底的方向上的截面形状为四边形。
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