CN112087217B - Q值提升的fbar谐振器制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种Q值提升的FBAR谐振器制造方法，包括：在衬底上形成下电极；在下电极和衬底上形成压电层，具有第一厚度；平坦化压电层以将第一厚度减小为第二厚度；刻蚀压电层直至暴露下电极；在下电极和压电层上形成第二压电层；在第二压电层上形成上电极。依照本发明的谐振器制造方法，依次采用沉积、平坦化、刻蚀工艺分步在沉积第二压电层前形成了底电极和压电层共面的完整平坦平面，减少了缺陷，避免了声波能量泄漏。
Description
技术领域
本发明涉及一种Q值提升的FBAR谐振器制造方法，特别是一种具有平坦表面的谐振器的制造方法。
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。
在传统的制造工艺中，如图1中所示，衬底1中的空腔1A上形成的下电极2通常受限于沉积工艺而难以具有垂直侧壁，下电极2上方进一步沉积的压电层3则由于下电极2尾端倾斜侧壁而相应地也具有倾斜坡面，在该处压电薄膜生长质量不佳，在图中虚线椭圆框处容易出现断裂、塌陷等缺陷，导致产品最终Q值下降。
另一方面，压电层3上形成的上电极堆叠结构4/5不仅形成在压电层3平坦的顶部上，同时也形成在上述坡面上，因此下电极和上电极难以完全平行，如图1中箭头所示产生的电场包括纵向和水平两个分量，容易引起声波能量在水平方向的泄漏，进一步降低了Q值。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服以上技术障碍而提供一种具有平坦表面的谐振器制备方法。
本发明提供了一种Q值提升的FBAR谐振器制造方法，包括：
在衬底上形成下电极；
在下电极和衬底上形成压电层，具有第一厚度；
平坦化压电层以将第一厚度减小为第二厚度；
刻蚀压电层直至暴露下电极；
在下电极和压电层上形成第二压电层；
在第二压电层上形成上电极。
形成下电极之前进一步包括，在衬底上形成衬垫层。其中，衬垫层材质为金属氮化物，优选地为AlN、HfN、HfAlN、TiN、TaN。
刻蚀压电层直至暴露下电极、在下电极和压电层上形成第二压电层的步骤进一步包括：
在压电层上形成第二下电极；
在第二下电极上形成第二压电层，具有第三厚度；
平坦化第二压电层以将第三厚度减小为第四厚度；
刻蚀第二压电层直至暴露第二下电极；以及
在第二下电极和第二压电层上形成第三压电层。
其中，第一厚度为0.05-10微米，任选地第二厚度为0-2000埃，任选地第三厚度为0.1-5微米，任选地第四厚度为0-2000埃，任选地第二下电极的厚度为10-100nm。
其中，平坦化压电层之后测量第二厚度并根据第二厚度调节刻蚀压电层的工艺参数，或者平坦化第二压电层之后测量第四厚度并根据第四厚度调节刻蚀第二压电层的工艺参数。
其中，衬底的材料为Si、SOI、Ge、GeOI、化合物半导体；任选地，压电层、第二压电层、第三压电层的材料为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)，进一步优选地压电材料中掺杂稀土元素；任选地，下电极或上电极的材料为选自Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg的金属单质或金属合金、或者这些金属的导电氧化物、或导电氮化物，以及上述材料的任意组合。
其中，在衬底上形成下电极之后下电极具有倾斜侧壁，或者在压电层上形成第二下电极之后第二下电极具有倾斜侧壁。
形成压电层之前进一步包括刻蚀下电极的倾斜侧壁，使得下电极具有垂直侧壁；或者形成第二压电层之前进一步包括刻蚀第二下电极的倾斜侧壁，使得第二下电极具有垂直侧壁。
形成下电极或第二下电极的过程包含交替的多个沉积子循环和多个刻蚀子循环，调节工作气体使得多个刻蚀子循环期间刻蚀之前多个沉积子循环形成的电极侧面使其具有垂直侧壁。
形成下电极之前进一步包括刻蚀衬底形成空腔并在空腔中填充牺牲层，形成上电极之后进一步包括湿法腐蚀去除牺牲层在衬底中留下谐振腔。
其中，上电极的尺寸大于下电极或第二下电极的尺寸。
依照本发明的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，依次采用沉积、平坦化、刻蚀工艺分步在沉积第二压电层前形成了底电极和第一压电层共面的完整平坦平面，减少了缺陷，避免了声波能量泄漏。
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显示了根据现有技术的谐振器的剖视图；
图2至图9显示了根据本发明实施例的谐振器制造工艺各个阶段的剖视图；以及
图10A和图10B分别显示了根据本发明实施例的谐振器制造工艺的不同实施例的流程图。
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，公开了具有平坦表面的谐振器的制备方法。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2、图10A、图10B所示，在衬底上形成下电极。提供衬底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，进一步优选地，衬底10是单晶材料。刻蚀衬底10形成多个空腔，并沉积牺牲层10A填充。刻蚀工艺优选各向异性的干法刻蚀或湿法刻蚀，例如碳氟基刻蚀气体的反应离子刻蚀，或者TMAH的湿法腐蚀。沉积工艺为LPCVD、APCVD、PECVD等低温工艺(沉积温度低于500摄氏度，优选100至400摄氏度)，牺牲层10A材质为氧化硅基材料，诸如掺硼氧化硅(BSG)、掺磷氧化硅(PSG)、未掺杂氧化硅(USG)、多孔氧化硅等等，如此可以降低衬底10中残留热应力，并有利于提高后续刻蚀去除的速度以节省时间成本。
任选地，在形成下电极12A之前可以进一步在牺牲层10A上形成衬垫层或种子层11，其材质与未来将要形成的压电层相同或相近，用于提高下电极边缘处的外延生长质量。沉积工艺例如磁控溅射、热蒸发、MOCVD等。在本发明一个优选实施例中，衬垫层或种子层11材质为金属氮化物，例如AlN、HfN、HfAlN、TiN、TaN等，且优选地同时可以用作防止下电极金属材料向下迁移的阻挡层以避免影响谐振腔顶部以及与下方膜层之间的界面状态。
随后，例如采用磁控溅射、热蒸发、MOCVD等，在衬底10和牺牲层10A之上形成下电极12A，其材质例如Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg等金属单质或金属合金，或者这些金属的导电氧化物、导电氮化物，以及上述材料的任意组合。如图2中所示，由于沉积工艺的限制，下电极12A末端通常具有倾斜侧壁。优选地，形成下电极12A之后采用各向异性刻蚀工艺去除下电极12末端的倾斜侧壁，使其具有垂直侧壁。此外，形成下电极的过程可以包含交替的多个沉积子循环和多个刻蚀子循环，调节工作气体使得多个刻蚀子循环期间刻蚀之前多个沉积子循环形成的电极侧面使其具有垂直侧壁。
接着，在下电极12A和衬底10上形成压电层13A。例如采用LPCVD、PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发等，材质例如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)等压电陶瓷材料；且优选地，压电层13A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。如图2所示，压电层13A具有原始厚度H0，且由于采用共形性良好的沉积工艺，其在下电极12A末端斜坡上也同样具有共形的斜坡，因此在牺牲层10A上方具有比衬底10上方更高的高度也即具有台阶差。原始厚度H0例如为0.05至10微米，优选0.1至5微米，最佳1至3微米，通过控制厚度H0可以控制薄膜质量，降低斜坡处的缺陷向上传播的几率或比例。
随后，如图3、图10A、图10B所示，对压电层13A执行平坦化工艺，例如采用CMP工艺，将其厚度H0减小为H1。厚度H1例如为0至2000埃，优选100至1500埃，最佳800至1000埃，以便利用较快的CMP工艺去除顶部薄膜质量不佳的部分。通过调节研磨液配比、研磨时间而调节研磨速度以便通过选择CMP工艺的终止节点时间而调整厚度H1。平坦化工艺之后，压电层13A减薄为介质膜13A’。优选地，通过SEM、激光干涉等方法测量膜13A’的剩余厚度H1，以便精确地调节后续刻蚀工艺参数。
在本发明一个优选实施例中，参照图4、图10B所示，平坦化压电层13A之后，并未立即进行刻蚀暴露至下电极12A，而是进一步在压电层13A’上形成第二下电极12B，用于进一步提高第二压电层下方结构的平坦性并同时提高对于谐振器底部电场分布控制的精确度。第二下电极12B的沉积工艺和材料选择与下电极12A相同或相近。优选地，形成第二下电极12B之后刻蚀去除其端部的斜坡，使得第二下电极12B也同样具有垂直侧壁。优选地，第二下电极12B的厚度为10-100nm、进一步优选20-50nm、最佳30nm，以避免末端处台阶的形成同时也能兼顾对谐振腔的控制能力。
接着，如图5、图10B所示，在压电层13A’和第二下电极12B上形成第二压电层13B，其工艺和材质优选地与压电层13A’相同或相近。在优选实施例中，第二压电层13B与压电层13A材料完全相同，以便更好地提高堆叠结构之中上下层之间的结合强度。第二压电层13B具有原始厚度H0’，例如0.1-5微米、优选1-3微米、最佳2微米，有利于减薄在压电层13A’上的厚度从而节省后续工艺时间，且同时能够通过足够的厚度缓解下方缺陷对于顶部平坦表面的影响。
随后，如图6、图10B所示，对第二压电层13B执行平坦化工艺，将其原始厚度H0’减少为剩余厚度H1’，例如0至2000埃，优选100至1500埃，最佳800至1000埃，以便利用较快的CMP工艺去除顶部薄膜质量不佳的部分。
接着，如图7、图10B所示，按照剩余膜厚H1’，对剩余的第二压电层13B执行刻蚀工艺，直至暴露下电极12。优选采用各向异性的干法刻蚀工艺，例如等离子体干法刻蚀、反应离子刻蚀等。刻蚀工艺气体例如碳氟基刻蚀气体，诸如CF4、CHF3、CH2F2、CH3F等等，也可以采用Cl2、HCl、Br2、HBr等其他卤素基气体，并可以进一步包括氧化性气体以调节刻蚀速度、去除残渣。最终第二压电层减薄为层13B’，其厚度等同于第二下电极12B的厚度。
在本发明另一个优选实施例中，如图10A所示，省略了图4-6的工艺，在平坦化了下电极12A上的压电层13A之后，立即采用图7所示的刻蚀工艺，刻蚀压电层13A直至暴露下电极12A，使得剩余压电膜13A’顶面与下电极12A顶面齐平，并以该顶面直接作为后续第二压电层沉积的起始平面。
如图8、图10A、图10B所示，在第二下电极12B或下电极12A上形成第三压电层14，例如采用LPCVD、PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发等，材质例如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)等压电陶瓷材料；且优选地，第三压电层14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。
最后，如图9、图10A、图10B所示，在第三压电层14上形成上电极15。上电极15的工艺、材料与下电极12A/第二下电极12B相同或相近。优选地，上电极15尺寸(例如图中宽度)大于下电极/第二下电极以完全覆盖牺牲层10A，以便减小边缘处电场畸变影响谐振器Q值的可能性。随后，通过设置在器件外围的释放孔(未示出)，施加湿法腐蚀剂去除牺牲层图形。针对氧化硅基材料，采用HF基腐蚀液例如dHF(稀释HF)、dBOE(缓释刻蚀剂，HF与NH4F的混合物)去除牺牲层图形10A，留下多个谐振腔。此外，也可以形成了下电极12A并沉积压电层13A之后立即去除牺牲层图形10A而留下谐振腔。
依照本发明的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，依次采用沉积、平坦化、刻蚀工艺分步在下电极上形成具有平坦表面的压电层之后再形成第二压电层，减少了缺陷，避免了声波能量泄漏。
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 (9)
1.一种Q值提升的FBAR谐振器制造方法，包括：
在衬底上形成具有垂直侧壁的下电极；
在下电极和衬底上形成覆盖所述垂直侧壁的压电层，具有第一厚度；
平坦化压电层以将第一厚度减小为第二厚度；
刻蚀压电层直至暴露下电极，所述压电层在所述垂直侧壁处与所述下电极接触且顶部齐平；
在压电层上形成第二下电极；
在第二下电极上形成第二压电层，具有第三厚度；
平坦化第二压电层以将第三厚度减小为第四厚度；
刻蚀第二压电层直至暴露第二下电极；
在第二下电极和第二压电层上形成第三压电层；
在第三压电层上形成上电极。
2.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，形成下电极之前进一步包括，在衬底上形成衬垫层。
3.根据权利要求2的谐振器制造方法，其中，衬垫层材质为金属氮化物，为AlN、HfN、HfAl N、Ti N、TaN。
4.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，其中，第一厚度为0.05-10微米，第二厚度为0-2000埃，第三厚度为0.1-5微米，第四厚度为0-2000埃，第二下电极的厚度为10-100nm。
5.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，其中，平坦化压电层之后测量第二厚度并根据第二厚度调节刻蚀压电层的工艺参数，或者平坦化第二压电层之后测量第四厚度并根据第四厚度调节刻蚀第二压电层的工艺参数。
6.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，其中，衬底的材料为Si、SO I、Ge、GeO I、化合物半导体；压电层、第二压电层、第三压电层的材料为ZnO、Al N、BST、BT、PZT、PBLN、PT，其中BST为钛酸锶钡、BT为钛酸钡、PZT为锆钛酸铅、PBLN为铌酸铅钡锂、PT为钛酸铅，压电材料中掺杂稀土元素；下电极或上电极的材料为选自Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg的金属单质或金属合金、或者这些金属的导电氧化物、或导电氮化物，以及上述材料的任意组合。
7.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，其中，在衬底上形成下电极之后下电极具有倾斜侧壁，或者在压电层上形成第二下电极之后第二下电极具有倾斜侧壁；形成压电层之前进一步包括刻蚀下电极的倾斜侧壁，使得下电极具有垂直侧壁；或者形成第二压电层之前进一步包括刻蚀第二下电极的倾斜侧壁，使得第二下电极具有垂直侧壁。
8.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，形成下电极或第二下电极的过程包含交替的多个沉积子循环和多个刻蚀子循环，调节工作气体使得多个刻蚀子循环期间刻蚀之前多个沉积子循环形成的电极侧面使其具有垂直侧壁。
9.根据权利要求1的Q值提升的FBAR谐振器制造方法，形成下电极之前进一步包括刻蚀衬底形成空腔并在空腔中填充牺牲层，形成上电极之后进一步包括湿法腐蚀去除牺牲层在衬底中留下谐振腔。
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