CN112039483A - 一种薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器,包括:第一衬底;设置于所述第一衬底上的支撑层,所述支撑层中设有贯穿所述支撑层的第一空腔;压电叠层结构,覆盖所述第一空腔,所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极,在有效谐振区所述第一电极、压电层和第二电极在垂直于所述压电层表面方向上重叠,所述有效谐振区位于所述第一空腔围成的区域上方;所述压电叠层结构中设有贯穿所述压电层及所述第二电极的第一沟槽,所述第一沟槽靠近所述有效谐振区的侧壁为第一侧面,所述第一侧面与所述第一电极表面的夹角为85‑95度,所述有效谐振区的部分边界由所述第一侧面构成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域,尤其涉及一种薄膜体声波谐振器。
背景技术
自从射频通讯技术在上世纪90代初被开发以来,射频前端模块已经逐渐成为通讯设备的核心组件。在所有射频前端模块中,滤波器已成为增长势头最猛、发展前景最大的部件。随着无线通讯技术的高速发展,5G通讯协议日渐成熟,市场对射频滤波器的各方面性能也提出了更为严格的标准。滤波器的性能由组成滤波器的谐振器单元决定。在现有的滤波器中,薄膜体声波谐振器(FBAR)因其体积小、插入损耗低、带外抑制大、品质因数高、工作频率高、功率容量大以及抗静电冲击能力良好等特点,成为最适合5G应用的滤波器之一。
通常,薄膜体声波谐振器包括两个薄膜电极,并且两个薄膜电极之间设有压电薄膜层,其工作原理为利用压电薄膜层在交变电场下产生振动,该振动激励出沿压电薄膜层厚度方向传播的体声波,此声波传至上下电极与空气交界面被反射回来,进而在薄膜内部来回反射,形成震荡。当声波在压电薄膜层中传播正好是半波长的奇数倍时,形成驻波震荡。
但是,目前制作出的空腔型薄膜体声波谐振器,品质因子(Q)还有待提高,以更好的满足高性能的射频系统的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器,能够减少谐振器的横波损失,使薄膜体声波谐振器的品质因子得到提高。
为了实现上述目的,本发明提供了一种薄膜体声波谐振器,包括:
第一衬底;
设置于所述第一衬底上的支撑层,所述支撑层中形成设有贯穿所述支撑层的第一空腔;
压电叠层结构,覆盖所述第一空腔,所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极,在有效谐振区所述第一电极、压电层和第二电极在垂直于所述压电层表面方向上重叠,所述有效谐振区位于所述第一空腔围成的区域上方;
所述压电叠层结构中设有贯穿所述压电层及所述第二电极的第一沟槽,所述第一沟槽靠近所述有效谐振区的侧壁为第一侧面,所述第一侧面与所述第一电极表面的夹角为85-95度,所述有效谐振区的部分边界由所述第一侧面构成。
本发明的有益效果在于,本发明提供的薄膜体声波谐振器的部分边界由压电层和第二电极的共同的第一侧面构成,第一侧面与第一电极表面的夹角为85-95度,经过仿真表明,第一侧面与第一电极表面的夹角为85-95度相较于第一侧面与第一电极表面夹角较小时,提高了谐振器的品质因数。尤其当第一侧面与第一电极表面的夹角为89-91度时,品质因数更高。
进一步,第一空腔为键合形成,第二电极和压电层平整性强,且键合方式可以实现在键合前,从键合面向第二电极面刻蚀出第一沟槽,第一沟槽侧壁垂直或接近垂直,从而形成夹角为85-95度的第一侧面,为压电层侧壁提供垂直或接近垂直的空气交界面,第二沟槽与第一空腔连通,气体媒介声阻抗相同,有益于同时在第二电极表面和第一侧面形成声阻抗失配,能很好的实现声波的反射,防止声波泄露,提高声波谐振器的品质因子。
进一步地,当谐振区的另一部分边界由第一电极或第一电极与压电层的共有第二侧面构成时,第二侧面与第二电极表面的夹角为85-95度时,相较于侧面倾角较小时提高了谐振器的品质因数。
进一步地,当压电层具有晶格结构,由于晶胞的整体性,晶格振动是以晶胞为单位,如果晶胞的一部分在工作区之外,必然会造成部分机械振动能量流失在工作区以外。且晶格结构的一晶面与第一侧面平行时(最好为重合时),工作区内可以囊括最多的完整晶格,这种情况下只有最少的晶胞跨在工作区边界上,减少机械振动的能量损失。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,在本发明示例性实施例中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明实施例1的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图2为本发明实施例1的有效谐振区边界的构成方式示意图。
图3为本发明另一实施例的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图4为谐振器的谐振阻抗Zp和品质因数Qp的关系图。
图5为第一侧面倾角为90度时相关参数的仿真图。
图6为第一侧面倾角为60度时相关参数的仿真图。
图7为第一侧面倾角为87度时相关参数的仿真图。
附图标记说明:
100-第一衬底;202-第一电极;203-压电层;204第二电极;205-刻蚀停止层;206-支撑层;207-钝化层;220-第二沟槽;240-第一沟槽;通孔-250;230-第一空腔;301-第一侧面与第一电极表面的夹角;110-第一焊盘;120-第二焊盘;2031A-第一侧面;2031B-第二侧面。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的可选实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下结合附图和具体实施例对本发明的薄膜体声波谐振器、薄膜体声波谐振器的制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明和附图,本发明的优点和特征将更清楚,然而,需说明的是,本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施,并不局限于在此阐述的特定实施例。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。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分,且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解,在适当情况下,如此使用的这些术语可替换,例如可使得本文的本发明实施例能够以不同于本文的或所示的其他顺序来操作。类似的,如果本文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。
实施例1
本发明实施例1提供了一种薄膜体声波谐振器,图1为本发明实施例1的薄膜体声波谐振器的结构示意图,请参考图1,所述薄膜体声波谐振器包括:
第一衬底100;
设置于所述第一衬底100上的支撑层206,所述支撑层206中设有贯穿所述支撑层206的第一空腔230;
压电叠层结构,覆盖所述第一空腔230,所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极202、压电层203和第二电极204,在有效谐振区(虚线框中所示)所述第一电极202、压电层203和第二电极204在垂直于所述压电层203方向上重叠,所述有效谐振区位于所述第一空腔230围成的区域上方;
所述压电叠层结构中设有贯穿所述压电层203及所述第二电极204的第一沟槽240,所述第一沟槽240靠近所述有效谐振区的侧壁为第一侧面2031B,所述第一侧面2031B与所述第一电极202表面的夹角301为85-95度,所述有效谐振区的部分边界由所述第一侧面2031B构成。所述第一沟槽可由第二电极向压电层刻蚀得到,可以精确获得第一沟槽第一侧面接近垂直的角度。
第一空腔由第一衬底和第一衬底上的支撑层,及压电叠层结构三部分围成,规避了由压电叠层结构作为封闭空腔的盖板的现有方案,压电叠层结构可不受空腔制作的限制,先于空腔封闭前形成,可获得较平整的压电叠层结构,且在空腔封闭前能够实现从第二电极面刻蚀出第一沟槽定义有效谐振区的部分边界,第一沟槽侧壁更容易实现垂直或接近垂直,从而形成夹角为85-95度的第一侧面,为压电层侧壁提供垂直或接近垂直的空气交界面,能很好的实现声波的反射,防止声波泄露,提高声波谐振器的品质因子。尤其当第一侧面与第一电极表面的夹角为垂直或几乎垂直时(如夹角为90度、89度、91度),谐振器的品质因数更高。
本实施例中,有效谐振区的边界由第一侧面2031B和第二侧面2031A共同构成,其中第二侧面2031A为第一电极202与压电层203的共有侧面。具体地,参考图1,本实施例中,第一空腔230上的第二电极204和压电层203中设有同时贯穿第二电极204和压电层203第二沟槽220,第二沟槽220的内侧壁构成了第一侧面2031B。第一电极202和压电层203中设有同时贯穿第一电极202和压电层203的第一沟槽240,第一沟槽240的内侧壁构成了第二侧面2031A。第一沟槽240与第一空腔230相连通,第一沟槽240的底部暴露出第一电极202。
参考图2,图2为第一沟槽和第二沟槽在第一衬底方向的投影的示意图,投影的内边为有效谐振区的第一侧面2031A和第二侧面2031B)。本实施例中,有效谐振区为五边形,五边形不存在两个平行的对边。在其他实施例中有效谐振区还可以是其他不存在两个平行对边的多边形,如四边形、六边形、七边形等。
参考图3,在另一个实施例中,有效谐振区的边界由第一侧面2031B和第二侧面2031A共同构成,第二侧面2031A为第一电极202的侧面,此时第一沟槽240只贯穿第一电极202。
以上两种构成第二侧面的形式,当第二侧面2031A与第二电极204表面的夹角为85-95度时,谐振器的品质因数更高。需要说明的是,第一侧面或第二侧面单独的投影可以是连续的也可以是分段的,只要两者或的投影互相补充,构成封闭的图形就可以。
有效谐振区位于第一空腔230围成的区域上方,悬空设置,有效谐振区通过跨越所述第一空腔230的连接部连接于所述支撑层206,所述连接部包括所述第一电极202、压电层203或第二电极204中的至少一种。本实施例中,连接部包括第一电极202、压电层203和第二电极204三层结构,有利于对有效谐振区的支撑强度。
第一衬底100的材料可以是以下所提到的材料中的至少一种:硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(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。
第一衬底100的上方设有支撑层206,支撑层206中形成有贯穿所述支撑层206的第一空腔230。支撑层的材质可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)的一种或几种组合。薄膜体声波谐振器中第一空腔230的深度与谐振频率有关,因此,可以根据薄膜体声波谐振器所需要的谐振频率来设定第一空腔230的深度,即所述支撑层206的厚度。示例性的,所述第一空腔230深度可以为0.5μm~4μm,例如1μm或2μm或3μm。所述第一空腔230底面的形状可以为矩形或是矩形以外的多边形,例如五边形、六边形、八边形等,也可以为圆形或椭圆形。第一空腔230的侧壁可以是倾斜或者竖直的。本实施例中,第一空腔230的底面为矩形,且侧壁与底面构成一钝角(第一空腔230的纵向截面(沿第一衬底100厚度方向的截面)形状为倒梯形)。本发明的其他实施例中,第一空腔230的纵截面形状还可以是上宽下窄的球冠,即其纵向截面为U形。
本实施例中,第一衬底100是通过键合的方式键合在支撑层106上,键合的方法包括热压键合或干膜粘合,当采用热压键合时,第一衬底100与支撑层106之间设置有键合层(图中未示出),所述键合层可以为二氧化硅层。当采用干膜粘合时,第一衬底100与所述支撑层106之间设置有干膜层(图中未示出),干膜是一种有机固化膜,是半导体工艺中常用的粘合材料。在另一个实施例中,可以在第一衬底中通过刻蚀工艺形成第一空腔,第一空腔外周的第一衬底构成支撑层。此时第一衬底和支撑的材料相同。
第一空腔为键合形成,第二电极和压电层平整性强,且键合方式可以实现在键合前,从键合面向第二电极面刻蚀出第一沟槽,第一沟槽侧壁垂直或接近垂直,从而形成夹角为85-95度的第一侧面,为压电层侧壁提供垂直或接近垂直的空气交界面,能很好的实现声波的反射,防止声波泄露,提高声波谐振器的品质因子。
本实施例中,所述第二电极204与所述支撑层206之间设置有刻蚀停止层205。所述刻蚀停止层205的材质包括但不限于氮化硅(Si3N4)和氮氧化硅(SiON)。所述刻蚀停止层205与支撑层206相比,具有较低的刻蚀速率,在制造工艺时,可以在刻蚀所述支撑层206形成第一空腔230时防止过刻蚀,保护位于其下的第二电极204的表面不受到损伤。
本实施例中,所述有效谐振区的边界位于所述第一空腔230围成的区域内。谐振器在工作时,压电层中形成上下震动的纵向声波,部分纵向声波传播至第一电极202和第二电极204中,从第一电极202和第二电极204的表面泄露,造成了声波的能量损耗。本实施例中,有效谐振区的全部边界位于第一空腔230围成的区域上方,当纵向声波传输至第二电极204下表面与第一空腔230的交界面时,由于空气的声波阻抗与第二电极204的声波阻抗失配,使传播至交界面处的声波被反射回压电层203内,减少了纵向声波的泄露,提高了谐振器的品质因数。当然,在其他实施例中,第一空腔230的尺寸可以小些,使第一空腔230围成的区域位于所述有效谐振区的边界内,有效谐振区的边界位于支撑层上方,这种设置方式牺牲了一部分品质因数,但提高了谐振器的结构强度,并有利于散热。
经过仿真表明,构成有效谐振区的第一侧面与第一电极202表面的夹角为85-95度时相较于第一侧面与第一电极202表面具有较小倾角时,提高了谐振器的品质因数。
谐振器的品质因数是用来判断谐振器性能的主要参数。谐振器的品质因数和并联阻抗Zp具有高度线性关系,参考图4,图4示出了谐振阻抗Zp和品质因数Qp的关系,Qp=0.3683*Zp-45.125,线性关联系数R2=0.9995。R2=1为线性关系。上述关系式可通过‘MBVD模型’和‘粒子群算法拟合’得出。‘MBVD模型’和‘粒子群算法拟合’为本领域技术人员的公知常识,此处不在表述得出结果的推导过程。由以上结果可知,当谐振器的谐振阻抗Zp较高时意味着谐振器具有较高的品质因数Qp。
参考图5、图6和图7,其中图5、图6、图7的横坐标为频率,纵坐标为谐振阻抗。仿真图基于以下模型参数:上电极和下电极的材料为钼,厚度均为0.2-0.3微米,压电层的材料为氮化铝,压电层的厚度为0.5-1.5微米。图5为第一侧面倾角为90度时相关参数的仿真图。图6为第一侧面倾角为60度时相关参数的仿真图。图7为第一侧面倾角为87度时相关参数的仿真图。由图5可知,第一侧面倾角为90度时,谐振阻抗Zp为4601ohm,品质因数Qp的值为1649。由图6可知,第一侧面倾角为60度时,谐振阻抗Zp为1158ohm,品质因数Qp的值为381。由图7可知,第一侧面倾角为87度时,谐振阻抗Zp为3700ohm,品质因数Qp的值为1318。发明人还对其他角度做了模拟仿真,发现当第一侧面倾角为85-95度之间时,相较于压电层倾角较小时谐振器的品质因数明显提高,尤其当构成有效谐振区边缘的第一侧面的倾角为90度,谐振阻抗Zp和品质因数Qp的值最高。
另外,经研究发现,当构成有效谐振区的第一电极的第二侧面与压电层的夹角为85-95度时,如88度、89度、90度、91度、92度等,谐振器的品质因数更高;当构成有效谐振区的第一电极与压电层的共有第二侧面与第二电极表面的夹角为85-95度时,谐振器的品质因数进一步提高。仿真图略。
第二电极204和第一电极202的材料可以为具有导电性能的金属材料,例如,由钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)等金属中一种制成或由上述金属形成的叠层制成,半导体材料例如是Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。
压电层203的材料可以使用氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料及它们的组合。当压电层203包括氮化铝(AlN)时,压电层203还可包括稀土金属,例如钪(Sc)、铒(Er)、钇(Y)和镧(La)中的至少一种。此外,当压电层203包括氮化铝(AlN)时,压电层203还可包括过渡金属,例如锆(Zr)、钛(Ti)、锰(Mn)和铪(Hf)中的至少一种。当压电层具有晶格结构,由于晶胞的整体性,晶格振动是以晶胞为单位,如果晶胞的一部分在工作区之外,必然会造成部分机械振动能量流失在工作区以外。且晶格结构的一晶面与第一侧面平行时(最好为重合时),工作区内可以囊括最多的完整晶格,这种情况下只有最少的晶胞跨在工作区边界上,减少机械振动的能量损失,本实施例中,压电层的材料为氮化铝,具有六方晶格结构。
本实施例中,第一空腔230上方至少包括一个贯穿所述第一空腔230上方结构的通孔250,所述通孔250位于所述有效谐振区的外部。所述通孔250将第一空腔230与外部相通,防止压电叠层结构由于上下气压差不同导致的变形,提高谐振器的成品率。本实施例中通孔250为四个,分布于第一空腔230的边角处。通孔250的数量还可以是3个、5个等,不做限定。
本实施例中,还包括钝化层207,所述钝化层207覆盖所述第一电极206、所述压电层203和所述第二电极204。钝化层还可进一步覆盖支撑层。钝化层207的材质可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、氮化铝(A1N)、氧化铝(A12O3)等。钝化层207中还设置有第一焊盘110和第二焊盘120,第一焊盘110和第一电极202电连接,第二焊盘120和第二电极204电连接。进而实现薄膜体声波谐振器的电极与外部供电设备的连接。第一焊盘110和第二焊盘均位于第一空腔230的外侧。所述第一焊盘110和所述第二焊盘120的材质可以为铝(A1)、铜(Cu)、金(Au)、钛(Ti)、镍(Ni)、银(Ag)或钨(W)等中的一种或多种组合形成的复合结构。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (15)
1.一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:
第一衬底;
设置于所述第一衬底上的支撑层,所述支撑层中设有贯穿所述支撑层的第一空腔;
压电叠层结构,覆盖所述第一空腔,所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极,在有效谐振区所述第一电极、压电层和第二电极在垂直于所述压电层表面方向上重叠,所述有效谐振区位于所述第一空腔围成的区域上方;
所述压电叠层结构中设有贯穿所述压电层及所述第二电极的第一沟槽,所述第一沟槽靠近所述有效谐振区的侧壁为第一侧面,所述第一侧面与所述第一电极表面的夹角为85-95度,所述有效谐振区的部分边界由所述第一侧面构成。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一电极或所述第一电极与所述压电层设有第二侧面,所述有效谐振区的边界包括:第一侧面和第二侧面。
3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第二侧面与所述第二电极表面的夹角为85-95度。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一沟槽连通于所述第一空腔。
5.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电叠层结构中设有贯穿所述第一电极或同时贯穿所述第一电极及所述压电层的第二沟槽,所述第二沟槽靠近所述有效谐振区的侧壁构成所述第二侧面。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电层的材料具有晶格结构,所述晶格具有第一晶面,所述第一晶面与所述第一侧面平行。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述有效谐振区通过跨越所述第一空腔的连接部连接于所述支撑层,所述连接部包括所述第一电极、压电层或第二电极中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述支撑层通过键合工艺键合在所述第一衬底上,所述支撑层与所述第一衬底之间设置有键合层或干膜层。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第二电极与所述支撑层之间设置有刻蚀停止层。
10.根据权利要求9所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述刻蚀停止层的材质包括:二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
11.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述有效谐振区的形状为多边形,且所述多边形的任意两条边不平行。
12.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一空腔上方至少包括一个贯穿所述第一空腔上方结构的通孔,所述通孔位于所述有效谐振区的外部。
13.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电层的材料包括氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂、石英、铌酸钾或钽酸锂。
14.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一衬底与所述支撑层的材料不同,所述支撑层的材质包括:二氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝中的一种或多种组合。
15.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一侧面与所述第一电极表面的夹角为89-91度。
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