CN112117986B - 谐振器制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种谐振器制造方法，包括：在衬底上形成牺牲层图形；在牺牲层图形上形成下电极；在下电极上形成第二牺牲层图形；在第二牺牲层图形和下电极上形成压电层和上电极；去除牺牲层图形和第二牺牲层图形，在上电极和下电极之间留下气隙并在下电极和衬底之间留下谐振腔。依照本发明的谐振器制造方法，利用图形化的牺牲层同时形成谐振腔和电极气隙，并以此形成了多种改善器件特性的微结构如OT和Innie结构，高效且低成本了提高了器件的性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振器制造方法，特别是一种具有气隙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，为了改善谐振器的性能例如提高Q值，通常需要在顶部电极与压电层之间留下气隙，形成各种微结构(诸如框架结构(OT，outie)，凹陷结构(Innie)，通过控制气隙的形貌尺寸而调节器件的性能。为此，通常将顶电极制造为具有在衬底之上悬垂部分的拱形，这需要采用多重掩模和多次光刻-刻蚀处理，加工难度大，加工精度低，工艺复杂，成本高，不利于器件性能的整体提高。
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高效低成本制造具有气隙和各种微结构的的谐振器的方法。
本发明提供了一种谐振器制造方法，包括：
在衬底上形成牺牲层图形；
在牺牲层图形上形成下电极；
在下电极上形成第二牺牲层图形；
在第二牺牲层图形和下电极上形成压电层和上电极；
去除牺牲层图形和第二牺牲层图形，在上电极和下电极之间留下气隙并在下电极和衬底之间留下谐振腔。
其中，形成牺牲层图形的步骤包括：
在衬底上形成牺牲层；
在牺牲层上形成光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩模刻蚀形成牺牲层图形。
其中，形成光刻胶图形之后进一步包括修饰光刻胶图形以缩减尺寸。
其中，牺牲层图形包括中心部分，在中心部分外侧的环形突起部分用于形成凹陷结构，以及在环形突起部分外侧的环形边缘部分用于形成框架结构。
其中，环形突起部分的厚度大于中心部分的厚度，中心部分的厚度大于环形边缘部分的厚度，任选地下电极的厚度大于环形边缘部分的厚度且小于环形突起部分的厚度。
其中，形成第二牺牲层图形的步骤进一步包括：
在下电极上形成第二牺牲层；
平坦化第二牺牲层直至暴露下电极的中心部分。
其中，牺牲层图形和/或第二牺牲层图形的材质为氧化物，优选地为LPCVD、APCVD、PECVD等低温工艺(沉积温度低于700摄氏度，优选300至600摄氏度)或热氧化工艺制造的氧化硅基材料，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。任选地，牺牲层图形为对绝缘体上半导体衬底刻蚀去除顶部半导体层之后剩余的埋氧层。
其中，采用各向同性的湿法腐蚀去除牺牲层图形和第二牺牲层图形。
其中，上电极的尺寸大于牺牲层图形的尺寸。
其中，形成下电极之前进一步包括在衬底上形成种子层，材质为金属氮化物例如AlN、HfN、HfAlN、TiN、TaN。
其中，下电极和/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、导电氮化物，以及上述材料的任意组合。
其中，采用LPCVD、PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发的工艺形成压电层，材质为选自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)的压电陶瓷材料；且优选地，压电层中掺杂稀土元素，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。
依照本发明的谐振器制造方法，利用图形化的牺牲层同时形成谐振腔和电极气隙，并以此形成了多种改善器件特性的微结构如OT和Innie结构，高效且低成本了提高了器件的性能和可靠性。
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10显示了根据本发明实施例的谐振器制造工艺的流程图。
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，公开了高效低成本制造具有气隙的谐振器的方法。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1、图10所示，在衬底10上形成(第一)牺牲层11。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，且最佳地，衬底10具有低浓度掺杂或者不掺杂从而具有高电阻。与传统的谐振器制造工艺不同，本发明的制造工艺中不必在衬底10中刻蚀谐振腔，因而避免了刻蚀工艺增多衬底表面缺陷。牺牲层11的沉积工艺可以为LPCVD、APCVD、PECVD等低温工艺(沉积温度低于700摄氏度，优选300至600摄氏度)，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。在本发明其他实施例中，牺牲11为热氧化工艺制造，或者是SOI、GeOI等绝缘体上半导体衬底剥离了顶部半导体薄层之后暴露的埋氧层。牺牲层11的初始(第一)厚度为a，例如50-5000nm，其决定了未来要形成的谐振腔的环形突起的高度。
如图2至图4、图10所示，刻蚀牺牲层11形成牺牲层图形。首先，如图2所示，在牺牲层11上涂覆光刻胶并曝光显影得到光刻胶图形12，以光刻胶图形12为掩模各向异性刻蚀牺牲层11而得到牺牲层图形，其包括被光刻胶图形12所覆盖的具有厚度a的(第一)中心部分11A，以及未被光刻胶图形12覆盖的具有(第二)厚度b的(第二)边缘部分11B。厚度b小于a，例如厚度b为10-2000nm，其决定了未来谐振腔环形周缘的高度。各向异性刻蚀工艺例如等离子体干法刻蚀或反应离子刻蚀，刻蚀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。
随后任选地，如图3所示，采用曝光显影或激光烧蚀等工艺，修饰光刻胶图形12例如缩减尺寸以获得第二光刻胶图形12’，并以第二光刻胶图形12’为掩模再次各向异性刻蚀牺牲层图形，得到的图形包括中心部分11A’和边缘部分11B’，两者厚度分别是a和b’，b’小于等于b例如为5-1000nm。图3所示工艺用于使得牺牲层图形向器件中心缩进，以在相邻器件单元之间留下足够的划片分割区域。
如图4所示，去除一部分光刻胶图形而留下第三光刻胶图形12”，以第三光刻胶图形12”为掩模刻蚀牺牲层图形的中心部分，最终得到的牺牲层图形包括中心部分11C、在中心部分外围的环形突起部分11A’用于形成凹陷(内侧突起)结构、以及在最外侧的环形边缘部分11B’用于形成框架(outtie，最外侧突出)结构。中心部分11C对应于未来谐振腔的主体部分以控制器件谐振性能，其厚度为c，优选地a>c>b’,c例如为8-1500nm。环形突起部分11A’对应于未来谐振腔的拱起部分以降低声波边缘散射、会聚声波能量，其厚度保持牺牲层原始厚度a。环形边缘部分11B’对应于未来谐振腔的边缘以减小边缘电场、避免能量外溢，其厚度为b’。通过湿法腐蚀或干法灰化等工艺，去除光刻胶图形12”。
如图5、图10所示，在衬底10和牺牲层图形上形成下电极13。例如采用磁控溅射、热蒸发、MOCVD等，在衬底10和牺牲层图形之上形成下电极13，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。下电极在中心的部分标记为13A。优选地，在形成下电极13之前可以进一步在牺牲层图形和衬底上形成衬垫层或种子层(未示出)，其材质与未来将要形成的下电极或压电层相同或相近，用于提高下电极边缘处的外延生长质量且提高与下电极之间的粘附力。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。如图5中所示，下电极具有厚度d，d大于b且小于a。
如图6、图7、图10所示，在下电极上形成第二牺牲层图形。如图6所示，在下电极13上形成第二牺牲层14，其材质和工艺与牺牲层11相同。接着如图7中所示，对第二牺牲层14进行平坦化，例如采用回刻蚀或CMP，直至暴露下电极的中心部分13A的顶部。第二牺牲层在下电极边缘部分上具有保留图形14’，其对应于未来谐振腔上电极下方的空气隙，因此牺牲层图形的突起部分11A’与外围部分11B’的高度差影响了气隙的厚度。
如图8、图10所示，在下电极13和第二牺牲层图形14’上形成压电层15和上电极16。例如采用LPCVD、PECVD、UHVCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、磁控溅射、热蒸发等工艺形成压电层15，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15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。在压电层15上形成上电极16，其材质和工艺与下电极13相同或相近。优选地，刻蚀上电极层使得上电极图形的尺寸大于牺牲层图形，由此使得上电极与下电极之间夹设了第二牺牲层图形(对应于未来的气隙)，由此精确调节器件的频率响应特性。
如图9、图10所示，去除牺牲层图形和第二牺牲层图形，留下气隙。气隙包括在上电极15和下电极13之间的第一部分17A，用于调节器件边缘的声波反射性能，降低能耗、提高Q值。气隙还包括在下电极13与衬底10之前的谐振腔，谐振腔包括中心部分17B3、中部环形突起17B1(也即最终的凹陷结构)、以及最外侧的环形边缘17B2(也即最终的框架结构)，其高度分别为前述c、a、b’。去除工艺例如各向同性的湿法腐蚀工艺，诸如针对氧化硅基材料的牺牲层和第二牺牲层，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)。
依照本发明的谐振器制造方法，利用图形化的牺牲层同时形成谐振腔和电极气隙，并以此形成了多种改善器件特性的微结构如OT和Innie结构，高效且低成本了提高了器件的性能和可靠性。
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 (8)
1.一种谐振器制造方法，包括：
在衬底上形成第一牺牲层图形，衬底中无刻蚀谐振腔，第一牺牲层图形具有边缘部分(11B)、中心部分(11C)、以及在中心部分外围的环形突起部分(11A’),其中，边缘部分的厚度为b,中心部分的厚度为c,环形突起部分的厚度为a,且a>c>b；在中心部分外围的环形突起部分(11A’)用于形成凹陷结构，以及在环形突起部分外围的环形边缘部分用于形成框架结构；
在第一牺牲层图形上形成下电极，下电极的厚度为d,且d大于b小于a；
在下电极上形成第二牺牲层，平坦化第二牺牲层直至暴露下电极的中心部分；
在第二牺牲层图形和下电极上形成压电层和上电极；
去除第一牺牲层图形和第二牺牲层图形，在上电极和下电极之间留下气隙并在下电极和衬底之间留下谐振腔。
2.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，形成第一牺牲层图形的步骤包括：
在衬底上形成第一牺牲层；
在第一牺牲层上形成光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩模刻蚀形成第一牺牲层图形。
3.根据权利要求2所述的谐振器制造方法，形成光刻胶图形之后进一步包括修饰光刻胶图形以缩减尺寸。
4.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，采用回刻蚀或CMP对第二牺牲层进行平坦化，直至暴露下电极的中心部分的顶部。
5.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，其中，第一牺牲层图形和/或第二牺牲层图形的材质为氧化物。
6.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，其中，采用各向同性的湿法腐蚀去除第一牺牲层图形和第二牺牲层图形。
7.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，其中，上电极的尺寸大于第一牺牲层图形的尺寸。
8.根据权利要求1所述的谐振器制造方法，形成下电极之前进一步包括在衬底上形成种子层。
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