CN112039480B - 体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种体声波谐振器及其制造方法，采用对空腔的边缘区域进行局部开孔的方式，在空腔的边缘上方的压电叠层中刻出至少一个与空腔连通的通孔，以使空腔与大气连通，进而使原本接近真空的空腔变成一个大气压，解决空气内外压力差异问题，同时还不会影响谐振工作区的压电叠层的结构和性能，从而避免空腔在后续工艺中发生不必要的破裂。此外，本发明的体声波谐振器，能够采用本发明的体声波谐振器的制造方法，简化工艺，降低制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其制造方法。
背景技术
射频(RF)通信，如在移动电话中使用的通信，需要射频滤波器，每一个射频滤波器都能传递所需的频率，并限制所有其他频率。射频滤波器的核心是声谐振器，每个射频滤波器包括一组声谐振器。目前常用的一种声谐振器为体声波谐振器(FBAR谐振器)，且目前制作FBAR谐振器的工艺过程中，当空腔形成后，容易因后续工艺中因空腔的内外压差大而导致空腔破裂的问题。而一旦空腔破裂，就会导致FBAR谐振器的谐振腔失效，这会导致产品良率偏低、品质因数不良等问题。
因此，需要一种新的技术方案，来解决空腔内外压力差较大的问题，以避免空腔破裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及其制造方法，能够解决空腔内外压力差较大的问题，避免空腔破裂。
为了实现上述目的，本发明提供一种体声波谐振器，包括：
衬底；
支撑层，位于所述衬底上，且所述支撑层中形成有顶部开口的空腔；
包括上电极、压电层和下电极的压电叠层，所述上电极、压电层和下电极依次层叠在所述支撑层上，并均具有与所述空腔重叠的部分；以及
至少一个通孔，所述通孔位于所述空腔的边缘上方且贯穿所述压电叠层，以与所述空腔连通。
基于同一发明构思，本发明还提供一种体声波谐振器的制造方法，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成压电叠层和支撑层，所述压电叠层包括依次层叠在所述第一衬底上的上电极层、压电层和下电极层；
刻蚀所述支撑层，以在所述支撑层中形成空腔；
提供第二衬底，并将所述第二衬底键合到所述支撑层上；
去除所述第一衬底；以及，
形成位于所述空腔的边缘上的至少一个通孔，所述通孔依次贯穿所述空腔的边缘上的所述压电叠层，以与所述空腔连通。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的体声波谐振器及其制造方法，采用对空腔的边缘区进行局部开孔的方式，在空腔边缘上方的压电叠层中刻出至少一个通孔，以使空腔与大气连通，进而使原本接近真空的空腔变成一个大气压，解决空气内外压力差异问题，同时还不会影响谐振工作区的压电叠层的结构和性能，从而避免空腔在后续的电极图案化或者谐振器盖子的制作等工艺中因空腔内外压差过大而发生不必要的破裂。
进一步地，形成的下电极至少覆盖空腔的上空的一半，由此能够对其上方的膜层提供较强的机械支撑力，防止后续的电极图案化或者谐振器盖子的制作等工艺中发生膜层坍塌的问题，提高器件的可靠性。而且所述上电极具有从所述空腔的上方连续延伸到所述空腔外围的衬底上方的搭边，所述上电极仅有所述搭边与所述空腔的边界重叠，由此减小器件的寄生参数，提高器件性能。
此外，本发明的体声波谐振器，能够采用本发明的体声波谐振器的制造方法，简化工艺，降低制作成本。
附图说明
图1是一种典型的体声波谐振器的剖面结构示意图。
图2A是本发明一实施例的体声波谐振器的俯视结构示意图。
图2B是沿图2A中的XX’线的剖面结构示意图。
图2C是本发明另一实施例的体声波谐振器的俯视结构示意图。
图3是本发明具体实施例的体声波谐振器的制造方法流程图。
图4A至图4H是本发明具体实施例的体声波谐振器的制造方法中的沿图2A中的XX’线的器件剖面结构示意图。
其中，附图标记如下：
100-衬底；101-支撑柱；102-空腔；103-下电极；104-压电层；105-上电极；
300-第一衬底；301-第一刻蚀保护层；302-上电极层；302’-上电极；303-压电层；303’-制作完成的体声波谐振器的压电层；304-下电极层；304’-下电极；304a-下电极引出区；305-氧化层；306-氮化硅层；307-对准标记开口；307a-对准标记；308-支撑层；309-空腔；310-第二衬底；311-通孔；312-周向开口；313-有效区；314-无效区。
具体实施方式
请参考图1所示，目前发明人已了解的一种体声波谐振器(FBAR谐振器)的基本结构包括：衬底100、支撑柱101、下电极103、压电层104、上电极105，其中，压电层104被上电极105和下电极104夹设在中间，下电极103、压电层104、上电极105组成压电叠层，该压电叠层的边缘被位于衬底100上的支撑柱101支撑，支撑柱101所围的下电极103和衬底100之间的空间形成一个空腔102，该空腔102是作为FBAR谐振器的谐振腔。
制作上述FBAR谐振器的后续的工艺过程中，在空腔102区域上方的压电叠层上制作的器件结构仅依靠压电叠层支撑，而当空腔102形成后，空腔102的内部为真空，空腔102的外部为大气压，因此在后续的工艺中，一旦压电叠层无法承受来自空腔102中内外压力差的影响，就会产生断裂，继而使得空腔102破裂，导致FBAR谐振器的谐振腔失效，这会导致产品良率偏低、品质因数不良等问题，因此在实际工艺中需要采取一些特殊的改进措施来保护空腔以及压电叠层的结构。
基于此，本发明提供一种体声波谐振器及其制造方法，采用对空腔的边缘区进行局部开孔的方式，在空腔边缘上方的压电叠层中刻出至少一个通孔，以使空腔与大气连通，进而使原本接近真空的空腔变成一个大气压，解决空气内外压力差异问题，同时还不会影响谐振工作区的压电叠层的结构和性能，从而避免空腔在后续的电极图案化或者谐振器盖子的制作等工艺中因空腔内外压差过大而发生不必要的破裂。
以下结合相应的附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
本发明一实施例提供一种体声波谐振器，请参考图2A和图2B，图2A是一种体声波谐振器的俯视结构示意图，图2B是沿图2A中的XX’线的剖面结构示意图；包括：衬底310、支撑层308、空腔309、上电极302’、压电层303’、下电极304’以及至少一个通孔311，这些结构组成体声波谐振器的谐振腔主体结构。其中，支撑层位于所述衬底310上并具有空腔309，上电极302’、压电层303’、下电极304’依次层叠在所述支撑层308上，构成压电叠层，所述通孔311位于所述空腔309的边缘上方且贯穿所述压电叠层，以与所述空腔309连通。本实施例的谐振腔主体结构是采用下述的体声波谐振器的制造方法制得的，该衬底310就是所述制造方法中的第二衬底，下文中均记作第二衬底310。
具体地，第二衬底310可以是本领域技术人员熟知的任意合适的载体材料，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。支撑层308的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、正硅酸乙酯、干膜等中的至少一种。支撑层308和第二衬底310可以通过本领域技术人员熟知的任意合适的键合工艺(例如真空键合工艺)键合到第二衬底310上。
空腔309位于所述支撑层308中且贯穿所述支撑层308，空腔309具有顶部开口，或者说，空腔309由支撑层308围绕而成。本实施例中，空腔309的顶部开口呈方形，但在本发明的其他实施例中，空腔102的顶部开口的形状还可以是圆形、椭圆形或是正方形以外的多边形，例如五边形、六边形等。
本实施例中，下电极304’、压电层303’和上电极302’依次层叠在空腔309和支撑层308的上方。下电极304’和上电极302’可以是使用本领域技术人员熟知的任何适合的电极材料，所述电极材料包括但不限于Ag、Au、Cu、Pd、Cr、Mo、Ti、Ta、Sn、W和Al中的至少一种金属。压电层303’的材料可以使用ZnO、AlN、GaN、锆钛酸铅、钛酸铅等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料，对于压电层303’的厚度，可以根据目标谐振频率来设定，可选地设定为波长的1/2左右。下电极304’和上电极302’均可用作接收或提供诸如射频(RF)信号等的电信号的输入电极或输出电极。例如，当下电极304’用作输入电极时，上电极302’可用作输出电极，当下电极304’用作输出电极时，上电极302’可用作输入电极，压电层303’将通过上电极302’或下电极304’上输入的电信号转换为体声波。例如，压电层303’通过物理振动将电信号转换为体声波。
此外，本实施例中，下电极304’、压电层303’和上电极302’组成体声波谐振器的压电叠层，且下电极304’和上电极302’均具有相应的电极图案，压电层303’也具有相应的图案以形成夹在下电极304’和上电极302’之间的压电膜，由此使得压电叠层具有包括与所述空腔309重叠且用于产生体声波的有效区313(又称为谐振工作区)以及包围所述有效区313的无效区314。有效区313的俯视形状可以是类似于四边形、六边形、七边形或者八边形等多边形的形状，在有效区313中，下电极304’、压电层303’以及上电极302’沿着竖直方向彼此重叠且悬空于空腔309上方，在该有效区313中，当诸如射频信号的电能施加到上电极层302和下电极层304时，会因在压电层303中产生的压电现象而在压电层303的厚度方向(即纵向)上产生振动和谐振。有效区313外围的空腔309的边缘区域以及空腔309外围上具有压电叠层的区域统称为无效区314，在该无效区314中，即使当电能施加到上电极302’和下电极304’时也不因压电现象而谐振的区域。所述压电叠层还具有围绕所述有效区313的周边方向延伸的周向开口312，所述周向开口312可以贯穿上电极302’和压电层303’并暴露出所述下电极304’的顶面，用于定义出有效区，即定义出有效区中的上电极和压电层，周向开口312为所述有效区313和所述无效区314的分界。周向开口312可以是非闭合的沟道，使得无效区314中的压电层303’和无效区314中的压电层能够在某些区域中相互连接。在本发明的其他实施例中，周向开口312也可以是一个闭合的环状沟道，由此使得有效区313中的上电极(即上电极层302)与无效区314中的上电极302’可以完全断开，有效区313和无效区314中的压电层303’可以完全断开。
本实施例中，下电极304’覆盖在空腔309及空腔309周围的支撑层308上且对空腔309全面覆盖(或者说完全覆盖)，由此能够对其上方的膜层(尤其是悬空于空腔309上方的膜层)提供较强的机械支撑力，防止后续工艺过程中发生空腔309上方膜层坍塌的问题，提高器件的可靠性。
本实施例中，所述下电极304’和所述支撑层308之间设有第二刻蚀保护层，所述第二刻蚀保护层包括依次层叠在支撑层308上的氮化硅层306和氧化层305。
本实施例中，空腔309外围两侧的压电叠层中分别形成有用于制作对准标记的开口(未图示，下文中均记作对准标记开口)，对准标记开口贯穿上电极302’、压电层303’、下电极304’以及第二刻蚀保护层，支撑层308填充在所述对准标记开口中，以形成位于空腔309两侧的对准标记307a和307b。本实施例中，对准标记307a和307b不等高，且对准标记307a及其周围部分区域暴露出下电极304’的顶面，此时，对准标记307a的侧壁未被压电层303’和上电极302’围绕，由此使得暴露出的下电极304’形成位于空腔309外围的下电极引出区304a，用于将下电极304’作为体声波谐振器的下电极引出，对准标记307b的侧壁被压电层303’和上电极302’围绕，由此使得对准标记307b周围的上电极302’形成位于空腔309外围的上电极引出区(未图示)，用于将上电极302’作为体声波谐振器的上电极引出。此外，对准标记307a和307b可以用于具有空腔309的体声波谐振器的谐振腔主体结构与另外的谐振器盖子键合时的对准。
本实施中，无效区314与空腔309重叠的部分(即空腔309的边缘区)中设有至少一个通孔311，所述通孔311贯穿所述上电极302’、压电层303’和下电极304’，以与空腔309连通。通孔311的设置能够对空腔309上方的无效区314进行局部开孔，使空腔与大气连通，进而使原本接近真空的空腔变成一个大气压，解决空气内外压力差异问题，使得空腔内外压力差几乎为零，同时还不会影响有效区中的压电叠层的结构和性能，从而避免空腔在后续工艺中因空腔内外压力差过大而发生不必要的破裂。其中，通孔311的开孔尺寸不能太小，以便在后续工艺中将杂质从空腔309中顺利排出。例如，通孔311的开口尺寸为10μm～30μm，以在不影响器件性能的情况下尽量多开一些通孔311，一方面有利于在后续工艺中从多个位置将杂质从空腔309中排出，另一方面还能够尽可能地减少寄生器件的面积。当空腔309的顶部开口为例如方形等具有角的多边形时，通孔311的开孔位置集中在空腔309的顶部开口的各个角附近，由此一方面能减小空腔309的无效区面积，另一方面能使得后续工艺当中的杂质等从空腔309顶部的各个角位置排出，避免影响有效区313中的压电叠层的性能。也就是说，空腔309的一个角位置处可以设置一个或两个或更多个通孔311。当空腔309的形状为椭圆、圆等不具有角的形状时，各个所述通孔311可以设置在所述空腔309的边缘处。通孔311的开口的形状是各边不平行的多边形，由此能减少声能反射。此外，当通孔311的数量为多个时，所有的所述通孔311均匀分布在所述空腔309的边缘上，由此，有利于均衡空腔309中的气压以及均衡空腔309区域上的压电叠层的机械强度。本实施例中，所述空腔309的顶部开口呈方形，所述通孔311至少分布在空腔的顶部开口的四个角的位置处。在本发明的其他实施例中，当所述空腔309的顶部开口呈方形时，所述通孔311至少分布在空腔的顶部开口的四个角其中之一位置处。由此，能够在后续工艺中从空腔309的角位置排出杂质等，且通孔311不会影响有效区313中的压电叠层结构。
此外，当所述上电极302’和所述下电极304’在所述空腔309上方部分重叠且上电极302’、压电层303’和所述下电极304’相互连接后的压电叠层结构未能对空腔309全面覆盖时，通孔311可以在沉积压电叠层之后且在刻蚀压电叠层而形成上电极302’和下电极304’之前就被制作出来，以平衡空腔309内外气压，保证刻蚀压电叠层以形成上电极302’和下电极304’的工艺不会造成空腔破裂。当所述上电极302’、所述压电层303’和所述下电极304’均全面覆盖所述空腔309时，通孔311需要在沉积压电叠层之后且在刻蚀压电叠层以形成上电极302’和下电极304’之前就形成，以平衡空腔309内外气压。在本发明的其他实施例中，所述上电极302’和所述下电极304’在所述空腔309上方部分重叠，且所述上电极302’和所述下电极304’能通过压电层303的连接作用共同全面覆盖所述空腔309，此时通孔311可以在沉积压电叠层之后且在刻蚀压电叠层以形成上电极302’和下电极304’之前就形成，以平衡空腔309内外气压，也可以在刻蚀压电叠层以形成所述上电极302’和所述下电极304’之后来制作，以平衡空腔309内外气压。
本实施例的体声波谐振器可以应用于滤波器中，进而应用到射频通信系统中，以提高其滤波器和射频通信系统的性能。
请参考图3，本发明实施例还提供一种本发明的体声波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
S1，提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成压电叠层和支撑层，所述压电叠层包括依次层叠在所述第一衬底上的上电极层、压电层和下电极层；
S2，刻蚀所述支撑层，以在所述支撑层中形成空腔；
S3，提提供第二衬底，并将所述第二衬底键合到所述支撑层上；以及，
S4，去除所述第一衬底；
S5，形成位于所述空腔的边缘上的至少一个通孔，所述通孔依次贯穿所述空腔的边缘上的所述压电叠层，以与所述空腔连通。
请参考图4A，在步骤S1中，提供的第一衬底300可以是本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等；或者还可以为双面抛光硅片(Double Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。本实施例中，可以通过适合的沉积方法(例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等)或热氧化方法形成第一刻蚀保护层301于第一衬底300上，所述第一刻蚀保护层301的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氟化合物(CF)、掺碳氧化硅(SiOC)、碳氮化硅等材料中的至少一种，所述第一刻蚀保护层301可以在后续形成对准标记开口307的工艺中和去除第一衬底300的工艺中作为工艺停止点，以保护压电叠层不受损伤。本实施例中，所述第一刻蚀保护层301为氧化硅，采用化学气相沉积工艺形成，厚度例如为在本发明的其他实施例中，所述第一刻蚀保护层301还可以通过涂覆等工艺形成在第一衬底300上，其材料例如是非晶碳、光固化胶或热熔胶等。
请继续参考图4A，在步骤S1中，在形成第一刻蚀保护层301之后，首先，可以通过例如蒸镀、磁控溅射等本领域技术人员熟知的任何适合的方法在第一刻蚀保护层301上覆盖用于制作上电极的上电极层302；然后，可以通过例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等本领域技术人员熟知的任何适合的方法覆盖压电层303于所述上电极层302上；接着，可以通过例如蒸镀、磁控溅射等本领域技术人员熟知的任何适合的方法在压电层303上覆盖用于制作下电极的下电极层304，依次堆叠的上电极层302、压电层303和下电极层304构成压电叠层。上电极层302和下电极层304可以是使用本领域技术人员熟知的任何适合的电极材料，所述电极材料包括但不限于Ag、Au、Cu、Pd、Cr、Mo、Ti、Ta、Sn、W和Al中的至少一种金属。压电层303的材料可以使用ZnO、AlN、GaN、锆钛酸铅、钛酸铅等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料。对于压电层303的厚度，可以根据目标谐振频率来设定，可选地设定为波长的1/2左右。本实施例中，使用Mo金属薄膜作为上电极层302和下电极层304，Mo的厚度通常为到1μm，使用AlN作为压电层303，AlN厚度范围通常为/>到2μm。上电极层302、压电层303以及下电极层304组成了体声波谐振器的压电叠层，在本发明的其他实施例中，该压电叠层还可以包括上述几种膜层之外的其他膜层，可根据实际的器件需要进行合理设置，在此并不做具体限制。由于上电极层302、压电层303和下电极层304均是全面覆盖在第一刻蚀保护层301上的，因此膜厚较为均匀且膜层内部压力分布均匀。压电叠层的膜厚度例如为1μm～3μm，使得压电叠层具有足够的机械强度来使得后续工艺得以顺利实施。
请继续参考图4A，在步骤S1中，在形成下电极层304之后，可以通过适合的沉积方法(例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等)或热氧化工艺等在下电极层304上形成第二刻蚀保护层，第二刻蚀保护层的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的至少一种，所述第二刻蚀保护层可以是单层结构，也可以多层薄膜堆叠的结构。本实施例中，所述第二刻蚀保护层由依次堆叠在下电极层304上的氧化层305和氮化硅层306组成，其中，氧化层305一方面有利于增强下电极层304和氮化硅层306之间的粘附性，使得支撑层308至下电极层304的堆叠结构更加稳固，从而提高器件的性能与可靠性，另一方面还可以作为后续刻蚀支撑层308形成空腔的工艺的刻蚀停止点，能够保护下电极层304不受到不必要的损伤；氮化硅层306可以作为后续对准标记开口工艺中的硬掩膜层，有利于提高后续形成的对准标记开口的精度。
请参考图4A和4B，在步骤S1中，在形成第二刻蚀保护层之后，首先，在所述第二刻蚀保护层(即氮化硅层306)上形成图案化的光刻胶层(未图示)，以定义出用于后续对准工艺所需的对准标记图案，其中所述对准标记图案可以为点、圆形、十字形、椭圆形、多边形、光栅形等。接着，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀或干法刻蚀结合湿法刻蚀的工艺来依次刻蚀所述第二刻蚀保护层(即氮化硅层306以及氧化层305)、下电极层304、压电层303、上电极层302，刻蚀停止在第一刻蚀保护层301的顶面上或刻蚀停止在第一刻蚀保护层301中一定深度，以形成硅片对准所需的对准标记开口307。之后，去除所述图案化的光刻胶层。对准标记开口307的纵向剖面形状可以是矩形、U形、梯形或倒梯形等，其俯视形状可以是光栅条纹、十字形等本领域常用于硅片对准的对准标记形状。对准标记开口307的位置一般设置于待形成的体声波谐振器的器件区域外围，例如位于体声波谐振器的电极接触区(也可称为电极引出区)的外侧，可以仅设置在待形成的体声波谐振器的器件区域的外围一侧，也可以以轴对称或中心对称的方式设置体声波谐振器的器件区域的外围两侧。
请参考图4C，在步骤S1中，在形成对准标记开口307之后，可以通过适合的沉积方法(例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等)或涂覆方法覆盖支撑层308于对准标记开口307以及第二刻蚀保护层(即氮化硅层306)上，沉积的支撑层308不仅能够填满对准标记开口307，还需要在第二刻蚀保护层(即氮化硅层306)上方具有足够的厚度，以在后续用于形成所需深度的空腔。本实施例中，支撑层308为氧化层，可以采用正硅酸乙酯(TEOS)或者等离子增强方式形成的二氧化硅(PEOX)、氮化硅或干膜等材料，厚度为0.5μm～4μm。在覆盖支撑层308之后，可以对支撑层308进行顶部平坦化(例如是采用化学机械研磨工艺进行平坦化)，以使其顶面平坦，由此，一方面有利于提高后续形成的空腔工艺精度以及形成空腔的深度均一性，另一方面能够有利于后续的第二衬底的键合。所述支撑层308和所述第二刻蚀保护层的堆叠厚度需要满足待形成的空腔309的深度要求，例如，所述支撑层308覆盖在所述第二刻蚀保护层上的厚度为0.5μm～4μm。
请参考图4D，在步骤S2中，首先，在所述支撑层308上形成图案化的光刻胶层(未图示)，图案化的光刻胶层具有空腔图案，具体的，可以根据所需的空腔的腔体大小(体积)、形状以及工艺容忍度来调整图案化的光刻胶层中的空腔图案，进而调整后续形成的空腔的位置、体积、形状等，其中所述空腔图案的俯视形状(即顶部开口的形状)可以为矩形、五边形等多边形，也可以是圆形、椭圆形等。接着，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述支撑层308，以形成空腔309，当需要在同一衬底上制作多个体声波谐振器时，可以同时形成多个空腔309，相邻的空腔309之间通过剩余的支撑层308、第二刻蚀保护层的叠层结构来隔离，空腔309周围剩余的支撑层308、第二刻蚀保护层作为后续用于支撑压电叠层(即第一电极层303至下电极层304的堆叠膜层)的支撑结构。之后去除所述图案化的光刻胶层。本实施例中，空腔309周围剩余的支撑层308和第二刻蚀保护层组成ONO(氧化层-氮化硅-氧化层)结构，堆叠的ONO结构具有较低的缺陷，其中氮化硅层306可以捕获电荷，抑制漏电流。空腔309的深度例如为0.5μm～4μm。
请参考图4E，在步骤S3中，首先，提供第二衬底310，所述第二衬底310可以是本领域技术人员熟知的任意合适的载体材料，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。然后，可以通过本领域技术人员熟知的任意合适的键合工艺，将第二衬底310键合到支撑层308上。为了达到较好的键合效果，避免出现空洞和气泡，需要采用真空环境或者接近真空的环境做真空键合，其具体过程为：使S2步骤制备的具有空腔309的支撑层308和第二衬底310在光学对准系统中对准贴合，利用机械夹具固定好；然后转移至可加温加压的键合机腔室中，腔室内的温度为150℃～200℃，压力为1Pa～105Pa，松开夹具并对腔室抽真空，进而使得空腔309的支撑层308和第二衬底310键合到一起。由于抽真空的操作，使得空腔309内部接近真空(即空腔309内的气压接近0)，待键合好第二衬底310后取出后，空腔309内外压差很大(接近一个大气压)。此外，空腔309通过刻蚀支撑层308以及键合第二衬底310而形成，一方面相对采用先填充牺牲层再释放而形成空腔的方法，工艺步骤更少，另一方面，能够使得压电叠层先于空腔区域形成，且使得压电叠层能全面覆盖在第一刻蚀保护层301上，由此提高压电叠层的膜厚均匀性和膜内压力的分布均匀性。
请参考图4F，在步骤S4中，首先，通过减薄工艺(如化学机械研磨)对第一衬底300背向所述第二衬底310的一面进行边缘研磨和减薄，使第一衬底300的剩余厚度在20μm～100μm之间。接着，可以通过湿法刻蚀等工艺，将剩余的第一衬底300全部剥离，刻蚀停止在第一刻蚀保护层301背向所述第二衬底310的一面上，由此防止损伤上电极层302。在本发明的其他实施例中，可以根据第一衬底300和第一刻蚀保护层301的材质特性，选择合适的工艺去除第一衬底300，例如，当所述第一刻蚀保护层301为光固化胶时，通过化学试剂去除所述光固化胶，使得所述第一衬底300和所述上电极层302分离，以去除所述第一衬底300；当所述第一刻蚀保护层301为热熔胶时，通过加热处理使得所述热熔胶失去粘性，使得所述第一衬底300和上电极层302分离，以去除所述第一衬底300。
请参考图4G和图2A、2B，在步骤S4中，接着，可以倒置整个结构，使得第二衬底310在下，第一刻蚀保护层301在上。然后，在所述第一刻蚀保护层301上形成图案化的光刻胶层(未图示)，图案化的光刻胶层具有对应位于空腔309上的无效区(即空腔309和压电叠层的无效区重叠的区域)的某些位置(例如，当空腔309为长方形或正方形时，空腔的部分角或各个角的位置)的通孔图案，所述通孔图案的为各边不平行的多边形，例如为五边形，以使得后续能形成为各边不平行的多边形的通孔311，进而能减少声能反射。之后，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一刻蚀保护层301、上电极层302、压电层303、下电极层304，以在压电叠层的相应位置(即空腔309的边缘区域上方的压电叠层)中形成连通空腔309的通孔311。所述通孔3111能释放空腔309内外的压差，使得空腔309内外的压差接近于0。所述刻蚀的工艺可是干法刻蚀或者湿法刻蚀，干法刻蚀工艺包括但不限于反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀等。接着，去除所述光刻胶层。由于通孔311形成于空腔309的角上，因此在使空腔309内外压力平衡，解决压力差问题的同时，还不会影响到体声波谐振器的有效区314的压电叠层的结构，能够在防止因空腔内外压力差过大而破裂的问题的同时，不影响器件的谐振性能。所述通孔311的开口尺寸不能过大，否则会影响有效区313中的压电叠层的结构，也不能过小，否则不利于空腔中的杂质排出。本实施例中，通孔311的开口尺寸为10μm～30μm，在不影响器件性能的情况下多开孔，通孔311的开孔位置集中在多边形空腔的各个角附近，以利于后续工艺当中的物质从空腔中顺利排出。且本实施例中，由于还未对压电叠层图案化(即还未形成压电叠层的上电极和下电极以及有效区)，压电叠层还是以下电极层304、压电层303至上电极层302依次堆叠的方式覆盖在整个空腔309上方，因此形成通孔311贯穿的膜层包括所述第一刻蚀保护层301、上电极层302、压电层303、下电极层304。在刻蚀形成通孔311的工艺中，总体薄膜结构较厚，机械强度较高，因此能够保证形成通孔311的刻蚀工艺不会造成空腔309上方的膜层破裂或者坍塌的问题。本实施例中，如图2A所示，空腔309的俯视形状为矩形，空腔309的四个角上各开设有一个通孔311。在本发明的其他实施例中，通孔311可以设置在体声波谐振器的空腔309边缘的任意位置，通孔311的数量和位置可以根据器件实际需要进行合理设定，例如可以是1个、2个、3个、4个、5个等。当形成两个以上通孔311时，这些通孔311的形状可以相同，也可以不相同，同理，这些通孔311的尺寸也是可以相同或不相同。
本实施例中，在步骤S4中，采用多步刻蚀工艺来形成所述通孔311，具体的步骤包括：
首先，采用第一氟基刻蚀气体刻蚀所述空腔309外围的第一刻蚀保护层301、上电极层302，至打开第一刻蚀保护层301和所述上电极层302而形成初始开孔(未图示)，所述第一氟基刻蚀气体包括CF4、CHF3、C2F6、CH2F2、C4F8、NF3和SF4中的至少一种；
接着，采用氯基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的压电层303，至打开所述压电层303，所述氯基刻蚀气体包括Cl2、CCl4、BCl3、SiCl4和SiCl2H2中的至少一种；
然后，采用第二氟基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的所述下电极层304，至打开所述下电极层304并连通所述空腔309，以形成所述通孔311，第二氟基刻蚀气体与第一氟基刻蚀气体相同，以简化工艺，节约成本。
上述通孔311的各步刻蚀中均需要采用低刻蚀功率以保证良率，所述刻蚀功率例如为0～500W。且上述通孔311的各步刻蚀工艺过程中，有可能会在空腔309中会引入杂质，所以通孔311的开口尺寸不能太小，以便在后续的湿法工艺中将空腔309中的杂质通过通孔311顺利排出。
请参考图4H和图2B，在形成通孔311之后，可以通过光刻和刻蚀工艺，来依次图案化上电极层302、压电层303和下电极层304或者依次图案化下电极层304、压电层303和上电极层302，形成体声波谐振器的上电极302’(即图案化后剩余的上电极层302)、下电极304’(即图案化后剩余的下电极层304)和上、下电极所夹的压电层303’(即图案化后剩余的压电层303)。其中，依次图案化上电极层302、压电层303和下电极层304时，一种方法是采用一次光刻结合刻蚀的工艺，从上电极层302的顶面一直刻蚀到下电极层304的底面，以同时形成上电极302’、压电层303’、下电极304’和周向开口312，且周向开口312位于空腔309上方且能贯穿压电叠层，空腔309区域上方的上电极302’、压电层303’、下电极304’的面积、形状均相同；另一种方法是采用同一道刻蚀工艺从上电极层302的顶面一直刻蚀到下电极层304的顶面，以同时形成上电极302’、压电层303’、下电极304’和周向开口312，此时下电极层304即作为全面覆盖空腔309的下电极304’，周向开口312位于空腔309区域上方且仅能贯穿压电叠层中的上电极层302和压电层303，上电极302’和压电层303’的面积、形状等均相同；第三种方法是分两次或三次光刻结合刻蚀的工艺来完成，具体地，采用第一次光刻结合刻蚀的工艺，图形化上电极层302，而形成上电极302’，然后采用第二次光刻结合刻蚀的工艺，保护已形成的上电极302’,并图形化压电层，形成上、下电极所夹的压电层303’，之后，当采用第三次光刻结合刻蚀的工艺，保护已形成的上电极302’和压电层303’，并图形化下电极层304，而形成下电极304’，三次光刻结合刻蚀后形成的周向开口312位于空腔309区域上方且能够同时暴露出上电极302’、压电层303’和下电极304’的侧壁，当然，如果省略第三次光刻结合刻蚀的工艺，则下电极层304即作为全面覆盖空腔309的下电极304’，两次光刻结合刻蚀后形成的周向开口312位于空腔309区域上方且能够同时暴露出上电极302’和压电层303’的侧壁。而依次图案化下电极层304、压电层303和上电极层302时，一种方法是，采用三次光刻结合刻蚀的工艺来完成，具体地，可以采用第一次光刻结合刻蚀工艺从上电极层302的顶面一直刻蚀到下电极层304的顶面或底面，以定义出下电极304’，然后采用第二次光刻结合刻蚀工艺从上电极层302的顶面一直刻蚀到压电层303的顶面或底面，以定义出压电层303’，之后采用第三次光刻结合刻蚀工艺刻蚀上电极层302至压电层303的顶面，以定义出上电极302’，三次光刻结合刻蚀后形成的周向开口312位于空腔309区域上方且能够同时暴露出上电极302’、压电层303’和下电极304’的侧壁；另一种方法是，采用两次光刻结合刻蚀的工艺来完成，具体地，可以采用第一次光刻结合刻蚀工艺从上电极层302的顶面一直刻蚀到下电极层304的顶面或底面，以定义出下电极304’，然后采用第二次光刻结合刻蚀工艺从上电极层302的顶面一直刻蚀到压电层303的顶面或底面，以定义出压电层303’和上电极302’，两次光刻结合刻蚀后形成的周向开口312位于空腔309区域上方且至少能够同时暴露出上电极302’和压电层303’的侧壁。其中，当形成的下电极304’至少覆盖空腔309上空的一半时，即空腔309上方的下电极304’的面积相对上电极302’和压电层303’(即空腔上方剩余的压电层)较大时，能够为上方的上电极302’和压电层303’提供有力的机械支撑，防止空腔309坍塌和变形，进而改善品质因子。
在形成上电极302’、压电层303’、下电极304’和周向开口312之后，能通过周向开口312定义出体声波谐振器的有效区313和无效区314，有效区313和无效区314之间通过周向开口312隔开。其中，周向开口312可以是一个闭合的环状沟道，由此使得有效区313中的上电极302’与无效区314中剩余的上电极层302可以完全断开，有效区313中的压电层303’和无效区314中剩余的压电层303’可以完全断开。周向开口312可以是一个非闭合的沟道，如图2A所示，由此使得有效区313中的上电极302’与无效区314中剩余的上电极层302可以在某些位置相连，有效区313中的压电层303’和无效区314中剩余的压电层303’在某些位置相连。
本实施例中，在形成上电极和下电极的刻蚀工艺中，可以同时刻蚀去除空腔309外围一侧的无效区314中的部分上电极层302及其下方的压电层303和部分支撑层308，以形成下电极引出区304a，该下电极引出区304a暴露出下电极层304以及对准标记开口中的支撑层308，从而同时在空腔309外围形成不等高的对准标记307a和307b。对准标记307a和307b用于后续谐振腔盖子键合工艺的对准，进而提高后续的键合工艺的堆叠对准精度。
在本发明的其他实施例中，请参考图4G和4H，也可以在图形化压电叠层以形成上电极302’、压电层303’、下电极304’之后之前或之后，对空腔309外围一侧压电叠层的无效区314进行边缘切割，以去除该无效区314中的部分第一刻蚀保护层301及其下方的上电极层302、压电层303和部分支撑层308，进而形成下电极引出区304a和位于该区域的对准标记307a；之后在去除剩余的第一刻蚀保护层301后形成位于空腔309外围的另一侧的对准标记307b。其中，当对准标记307a在光刻和刻蚀上电极层302和压电层303之前形成时，该对准标记307a可以用于在光刻和刻蚀上电极层302和压电层303工艺中对准，以精确控制周向开口312和有效区313的位置，以提高形成的上电极的图案精度。
需要说明的是，在形成上电极和下电极的刻蚀工艺中，由于通孔311的存在，使得空腔309内外压力相同，因此可以保证有效区313中的膜层不会发生不必要的破裂。且在形成所述通孔311之后且在通过所述图案化工艺形成上电极302’和下电极304’之前，和/或，在通过所述图案化工艺形成上电极302’和下电极304’之后，通过所述通孔311对所述空腔309进行湿法清洗，以去除之前的工艺在空腔309中引入的杂质，湿法清洗液和杂质等均可以通过各个通孔311来向外排出。
此外需要说明的是，通孔311可以在后续的工艺中持续存在，并使得空腔309持续和大气连通，直至在谐振器盖子与之前形成的具有空腔309的结构(即谐振腔主体结构)键合的工艺中，通过键合的谐振器盖子实施封闭。
需要说明的是，本发明的技术方案并不限定图案化后的压电叠层的结构仅仅为图2A所示的俯视形状，可以根据具体需求来具体设计，例如，请参考图2C，本发明的另外一个实施例提供一种体声波谐振器，其与图2A所示的体声波谐振器相比，区别在于，上电极302’除具有位于有效区313的部分以外，仅具有从有效区313连续延伸到所述空腔外围的衬底上方的搭边302a，所述上电极302’仅有所述搭边302a与所述空腔309的边界重叠，所述通孔311位于除所述搭边302a以外的所述空腔309的边缘上方，由此，一方面保证上电极的机械性能和导电能力，另一方面还能利用搭边302a减小器件的寄生参数，例如可以减少上电极和下电极之间的寄生电容，进而提高器件性能。
综上所述，本实施例的体声波谐振器的制造方法，在第一衬底和第二衬底键合后，空腔内部的气压接近真空；之后去除第一衬底，并依靠第二衬底来承载剩余的器件结构；并用局部开孔的方式，在空腔上方的膜层中刻出至少一个通孔，以使空腔与大气连通，进而使原本接近真空的空腔变成一个大气压，解决空气内外压力差异问题，从而避免空腔在后续工艺中发生不必要的破裂。而且通孔的大小和位置，可以根据空腔大小来调整，整个方案具有相对灵活、成本低、工艺简单、容易量产控制等特点。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (20)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
支撑层，位于所述衬底上，且所述支撑层中形成有顶部开口的空腔；
包括上电极、压电层和下电极的压电叠层，所述上电极、压电层和下电极依次层叠在所述支撑层上，并均具有与所述空腔重叠的部分；以及
至少一个通孔，所述通孔位于所述空腔的边缘上方且贯穿所述压电叠层的无效区与所述空腔重叠的部分，以与所述空腔连通；
其中，所述通孔是在形成空腔之后，且在覆盖于整个所述空腔上方的所述压电叠层被图案化而形成体声波谐振器的上电极、压电层和下电极之前形成的，用于使所述空腔与大气连通。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述通孔设置在所述空腔边缘处。
3.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述通孔为多个时，所有的所述通孔均匀分布在空腔的边缘。
4.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔的顶部开口呈方形，所述通孔至少分布在所述空腔的顶部开口的四个角其中之一位置处。
5.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述通孔的开口线宽为10μm～30μm；和/或，所述通孔的开口形状为各边不平行的多边形。
6.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层键合于所述衬底。
7.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、正硅酸乙酯、干膜中的至少一种。
8.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述上电极、所述下电极及所述压电层均完全覆盖所述空腔；
或者，
所述上电极和所述下电极在所述空腔上方部分重叠，所述上电极和所述下电极共同完全覆盖所述空腔。
9.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器具有位于所述空腔外围的下电极引出区，所述下电极引出区中的所述上电极和所述压电层被去除，暴露出所述下电极。
10.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极至少覆盖所述空腔的上空的一半，所述上电极还具有从所述空腔的上方连续延伸到所述空腔外围的衬底上方的搭边，所述上电极中仅有所述搭边与所述空腔的边界重叠。
11.一种体声波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成压电叠层和支撑层，所述压电叠层包括依次层叠在所述第一衬底上的上电极层、压电层和下电极层；
刻蚀所述支撑层，以在所述支撑层中形成空腔；
提供第二衬底，并将所述第二衬底键合到所述支撑层上；
去除所述第一衬底，此时所述压电叠层覆盖于整个所述空腔上方；
形成位于所述空腔的边缘上的至少一个通孔，所述通孔依次贯穿所述空腔的边缘上的所述压电叠层的无效区与所述空腔重叠的部分，以与所述空腔连通，并使所述空腔与大气连通；
图案化所述压电叠层，以形成体声波谐振器的上电极、压电层和下电极。
12.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在所述第一衬底上形成所述上电极层之前，先在所述第一衬底上形成第一刻蚀保护层；形成的所述通孔还贯穿所述第一刻蚀保护层。
13.如权利要求12所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述支撑层的步骤包括：
在所述下电极层上形成第二刻蚀保护层；
依次刻蚀所述第二刻蚀保护层和所述压电叠层重叠于所述空腔外围的部分，刻蚀停止在第一刻蚀保护层的顶面上或刻蚀停止在第一刻蚀保护层中一定深度，以形成开口；
通过气相沉积工艺或涂覆工艺，在所述第二刻蚀保护层和所述开口的表面上覆盖所述支撑层，所述支撑层填满所述开口，且所述支撑层和所述第二刻蚀保护层的堆叠厚度满足所述空腔的深度要求。
14.如权利要求13所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述支撑层覆盖在所述第二刻蚀保护层上的厚度为0.5μm～4μm。
15.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，采用真空键合工艺将所述第二衬底键合到所述支撑层上，所述真空键合工艺的条件包括：键合压力为1Pa～105Pa，键合温度为150℃～200℃。
16.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述通孔的步骤包括：
首先，采用第一氟基刻蚀气体刻蚀所述空腔边缘的上电极层，至打开所述上电极层而形成初始开孔；
接着，采用氯基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的压电层，至打开所述压电层；
然后，采用第二氟基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的所述下电极层，至打开所述下电极层并连通所述空腔，以形成所述通孔。
17.如权利要求16所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述通孔时的各步刻蚀工艺中的刻蚀功率为0W～500W。
18.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，图案化所述压电叠层的步骤包括：图案化所述上电极层和所述压电层，以形成体声波谐振器的上电极和下电极，或者，图案化所述上电极层、所述压电层和所述下电极层，以形成体声波谐振器的上电极和下电极。
19.如权利要求18所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在形成所述通孔之后且在图案化所述压电叠层以形成体声波谐振器的上电极和下电极之前，和/或，在通过所述图案化工艺形成上电极和下电极之后，通过所述通孔对所述空腔进行湿法清洗。
20.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述通孔的开口线宽为10μm～30μm；和/或，所述通孔的开口形状为各边不平行的多边形。
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