CN112448686B - 一种纳米材料体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米结构体声波谐振器及其与CMOS器件片内集成的制备方法，所述谐振器包括：介质层、设置在所述介质层中的纳米结构；以及设置在所述介质层中的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极围绕所述纳米结构两侧；其中，所述第一电极内部设置有第一空腔，所述第二电极内部设置有第二空腔。上述谐振器及其制备方法可以在一个单一的器件中形成一个具有双空腔的集成NEMS器件，在上述谐振器及其制备方法中不再需要形成牺牲层，从而使得工艺简单、成本非常低廉。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器领域，具体涉及一种纳米材料体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着通信技术的发展，尤其是4G技术的发展及5G技术的来临，通信所采用的频率越来越高。而在频率高于1.5GHz时，BAW(体声波)滤波器非常具有性能优势。另一方面，很多通信系统都会有小型化的趋势，这是因为，小型化可以让系统更加轻便和有效，同时，日益发展的IC制造技术可以用更低的成本生产出大批量的小型产品。薄膜体声波滤波器(filmbulk acoustic resonator，FBAR)是一种非常重要的BAW滤波器。FBAR器件采用了微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的制备方法进行制备，其主要金属电极-压电元件-金属电极(metal-piezoelectric-metal，MPM)的三明治结构。为了将压电薄膜中的声波能量局限在一定的空间，通常会在压电三明治结构的下方设置一个空气气隙或空气空腔。
如图1所示为两种现有技术中的FBAR器件，在图1(a)中，FBAR包括在基底101上依次设置的支撑层102、下电极103、压电薄膜104及上电极105，其中，压电薄膜104可以为AlN材料，在基底101中还设置高度与基底101的厚度相同的空气气隙106。在图1(b)中，FBAR包括在基底111上依次设置的支撑层112、下电极113、压电薄膜114及上电极115，其中，压电薄膜114可以为AlN材料，在基底111中还设置高度小于基底101的厚度且开口朝向支撑层112的空气空腔116。
在5G通信技术中，FBAR在射频前端系统中起着越来越重要的作用。此外，随着物联网技术的发展，也需要具有更小尺寸和更低功率消耗的无线前端。而随着电子器件尺寸越来越小，使用纳米材料来代替薄膜材料是一个大的趋势。具有压电性质的ZnO或AlN材料的纳米棒或纳米线由于其具有比薄膜材料低得多的缺陷从而成为纳米微机电系统或NEMS(nano MEMS)器件制备工艺中越来越受到关注的材料，尤其是具有<0002>晶向的ZnO或AlN材料的纳米棒或纳米线更受青睐。
图2示意出一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其中，所述谐振器包括：硅衬底201、在硅衬底201上形成的衬底保护层202及在衬底保护层202上依次设置的底电极204、纳米柱阵列205和顶电极208，在每根纳米柱周围还设置一层纳米柱侧壁隔离层206并在纳米柱之间的间隙中设置电介质层207。在该结构制备中，为了形成空腔203，在沉积衬底保护层202之后还需要沉积一层特征层，并在形成顶电极208之后再将特征层刻蚀掉以获得空腔203。由此可见，在上述制备方法中，首先工艺相对复杂，且需要形成特征层，增加了谐振器的制备成本；此外，上述制备方法形成的谐振器中仅有一个空气气隙，难以满足技术发展对FBAR性能的需求。
因此，为了解决上述技术问题，亟需一种工艺简单、成本低廉、极微型化且能在一个FBAR器件中同时具备两个空气气隙的FBAR器件及其制备方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种纳米材料体声波谐振器及其制备方法，以解决现有技术中的上述问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种纳米结构体声波谐振器，所述谐振器包括：
介质层、设置在所述介质层中的纳米结构；以及
设置在所述介质层中的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极围绕所述纳米结构两侧；
其中，所述第一电极内部设置有第一空腔，所述第二电极内部设置有第二空腔。
可选的是，所述纳米结构上表面低于所述介质层上表面，所述第一电极和第二电极上表面与所述介质层上表面平齐。
可选的是，所述纳米结构为压电材料的纳米棒、纳米线、纳米棒的簇或纳米线的簇。
可选的是，所述簇中存在晶界。
可选的是，所述纳米棒或纳米线的数量为1～100。
可选的是，所述纳米结构的长度范围为1nm～100μm，所述纳米结构的横截面直径范围为1nm～10μm。
可选的是，所述纳米结构的材料选自以下材料中的其中一种或多种：ZnO、AlN、PZT、LiNbO3、SiO2、Si、Ge及上述各种材料的掺杂材料。
可选的是，所述纳米结构是平行所述介质层的上表面放置，或者与所述介质层上表面成角度θ放置，所述角度范围为0°＜θ≦90°。
可选的是，所述纳米结构为多条纳米线或纳米棒时，多条所述纳米线或纳米棒之间以接触方式紧密排列，或者以间隔方式排列。
可选的是，所述间隔是等距离的，或者是不等距离的。
可选的是，所述间隔范围不大于100μm。
可选的是，所述介质层设置于衬底上，所述谐振器与衬底的距离范围为10nm～100μm。
可选的是，所述衬底包括Si、蓝宝石、Ge、SiC或AlN。
可选的是，所述第一电极和第二电极选自以下材料中的其中一种或多种的组合：Cu、Au、Pt、Mo、Al、W、Ti、Ta及上述金属的合金材料、C、AZO、ITO、FTO等其他导电金属氧化物。
可选的是，所述第一电极为内部设置有所述第一空腔的第一电极薄膜，所述第二电极为内部设置有所述第二空腔的第二电极薄膜，所述第一电极薄膜和第二电极薄膜的厚度范围是1nm到10μm。
可选的是，在所述第一电极与所述纳米结构之间以及在第二电极与所述纳米结构之间还设置有阻挡层。
可选的是，所述阻挡层的厚度范围为0.1nm～10μm。
可选的是，所述第一空腔和第二空腔深度范围是100nm～100μm，所述第一空腔和第二空腔平均的宽度范围10nm～500μm。
本发明还提供一种制备纳米结构体声波谐振器的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层上放置纳米结构；
步骤S2：在所述第一介质层及所述纳米结构上形成第二介质层；
步骤S3：在所述第二介质层上形成图案化硬掩膜；
步骤S4：通过刻蚀工艺在所述纳米结构两端各形成一个沟槽，并在所述硬掩膜上表面及所述沟槽的底面和侧壁面上依次沉积阻挡层和电极薄膜；
步骤S5：以所述电极薄膜为籽晶层沉积电极薄膜层，所述电极薄膜层将所述沟槽封住，以在所述纳米材料两端的所述沟槽各形成一个空腔。
可选的是，所述步骤S1具体包括如下步骤：在所述衬底上沉积粘附层，然后在所述粘附层上形成所述第一介质层，最后在所述第一介质层上放置所述纳米结构。
可选的是，所述步骤S2具体包括如下步骤：在所述纳米结构上形成所述第二介质层，并对所述第二介质层进行化学机械抛光CMP。
可选的是，所述步骤S3具体包括如下步骤：在所述第二介质层上形成硬掩膜，对所述硬掩膜进行图案化以得到所述图案化硬掩膜。
可选的是，所述图案化硬掩膜包括两个凹槽，所述两个凹槽之间的距离与所述纳米结构在水平方向上的投影长度相等，并且对准。
可选的是，所述步骤S4具体包括如下步骤：通过刻蚀工艺在所述纳米结构两端形成各形成一个沟槽，所述沟槽从所述硬掩膜表面向下穿透所述第二介质层并一直延伸到所述第一介质层；在所述硬掩膜上表面及所述沟槽的底面和侧壁面上依次沉积所述阻挡层和所述电极薄膜。
可选的是，通过控制刻蚀时间来控制上述刻蚀的深度。
可选的是，所述步骤S5具体包括如下步骤：以所述电极薄膜为籽晶层快速沉积电极薄膜层，所述电极薄膜层将纳米结构两端的所述沟槽顶部封住，以在所述纳米结构两端的所述沟槽各形成一个空腔，最后对所述电极薄膜层进行研磨以除去所述第二介质层上的所述硬掩膜、阻挡层和所述电极薄膜层。
上述谐振器及其制备方法可以在一个单一的器件中形成一个具有双空腔的集成NEMS器件，在上述谐振器及其制备方法中不再需要形成牺牲层，从而使得工艺简单、成本非常低廉。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为现有技术中的FBAR器件的示意图。
图2显示为一种具有垂直阵列纳米材料的FBAR器件的示意图。
图3(a)-3(h)显示为本发明中纳米材料体声波谐振器的制备方法示意图。
图4显示为本发明中纳米材料体声波谐振器的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种工艺简单、成本低廉且能在一个FBAR器件中同时具备两个空气气隙的FBAR器件及其制备方法。图3(a)-3(h)显示为本发明中纳米材料体声波谐振器的制备方法示意图，图4显示为本发明中纳米材料体声波谐振器的制备方法流程图。结合图3-4对上述制备方法进行详细说明，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1：定位纳米材料：在衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层上放置纳米结构；
在本步骤中，如图3(a)所示，首先在衬底(未示出)上形成粘附层301，然后在粘附层301上形成第一介质层302，所述第一介质层302可以是超低k(介电常数)介质层，例如可以是应用材料公司的黑钻、黑钻II、黑钻III等SiOCH材料，或其他多孔有机材料；最后在介质层302上放置压电纳米材料303。上述衬底包括Si、蓝宝石、Ge、SiC、AlN等，但不限于以上材料。在一个具体的实施例中，所述衬底为Si晶圆。其中，所述粘附层301包括氮掺杂碳化硅薄膜(Nitride Doped Silicon Carbide，NDC)，其形成的方法包括物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD、原子层沉积ALD、旋转涂布(spin-on)沉积等方法。
其中，所述压电纳米材料303的材料包括ZnO、AlN、PZT、SiO2、LiNbO3、Si、Ge等材料及其掺杂材料，或者是上述各种材料的几种材料的组合、复合材料等。所述纳米材料303可以是纳米棒或纳米线，其可以具有1nm～100μm的长度，其横截面直径范围包括1nm～10μm。
制备所述纳米材料303的方法包括水热法、CVD、固相生长等生长方法。所述纳米材料303可以是纳米棒或纳米线的簇，簇中可以存在晶界，其中单晶纳米线或者纳米棒的数量为1～100。所述纳米材料303可以是水平放置的，也可以是非水平放置的，其与水平方向的夹角范围为-90度～90度，上述夹角优选为-45度～45度，更优选为-10度～10度。
所述纳米材料303中的多条纳米线或纳米棒之间可以是紧密排列的，也可以是间隔一定距离的，间距可以是等距离的，也可以是不等距离的。上述间距范围为0～100μm。
为了将纳米材料303放置到指定的位置，可以采用FIB技术、AFM技术、电泳技术、自组装技术等，也可以是其他技术。
步骤S2：形成第二介质层：在所述第一介质层及所述纳米结构上形成第二介质层；
在本步骤中，如图3(b)所示，在纳米材料303上形成第二介质层304，所述第二介质层304可以是超低k介质层，其可以是与第一介质层303相同的材料，例如可以是应用材料公司的黑钻、黑钻II、黑钻III等材料。为了得到光滑的表面以进行下一道工序，还对第二介质层304进行化学机械抛光CMP。
步骤S3：形成图案化硬掩膜：在所述第二介质层上形成图案化硬掩膜；
在本步骤中，如图3(c)所示，在第二介质层304上形成硬掩膜305；然后如图3(d)所示，对硬掩膜进行图案化以得到图案化的硬掩膜306，例如可以使用光刻的方法进行图案化。在纳米材料303具有在水平方向的投影长度为L的情况下，硬掩膜306的两个凹槽之间的距离应与上述投影长度L相等，并且上下对准。
步骤S4：刻蚀及初步沉积：通过刻蚀工艺在所述纳米结构两端各形成一个沟槽，并在所述硬掩膜上表面及所述沟槽的底面和侧壁面上依次沉积阻挡层和电极薄膜；
在本步骤中，如图3(e)所示，通过刻蚀工艺在纳米材料303两端各形成一个沟槽307，其中，上述刻蚀工艺可为干法刻蚀工艺，也可以是湿法刻蚀工艺。通刻蚀工艺使得沟槽307从硬掩膜306表面向下穿透第二介质层304并一直延伸到第一介质层302内部。可以通过控制刻蚀时间来控制上述刻蚀深度，其深度位置低于纳米材料的下表面。所述刻蚀时间范围为10s～100min。所述沟槽307深度范围是100nm～100μm，所述沟槽307平均的宽度范围10nm～500μm。
然后，如图3(f)所示，在硬掩膜上表面及沟槽307的底面和侧壁面上依次沉积阻挡层308和电极薄膜309。所述阻挡层308和电极薄膜309可以采用PVD(溅射、PLD、蒸发)工艺沉积形成。其中，阻挡层308可以防止电极材料向纳米材料的扩散，阻挡层的厚度范围为0.1nm～10μm。电极薄膜309的材料包括Cu、Au、Pt、Mo、Al、W、Ti、Ta等金属材料及其各种合金材料，还包括C、AZO、ITO、FTO等非金属导电材料。所述的电极薄膜厚度范围是1nm到10μm。在一个具体的实施例中，所述电极薄膜309包括铜籽晶层。
步骤S5：封沟槽及研磨：以所述电极薄膜为籽晶层沉积电极薄膜层，所述电极薄膜层将所述沟槽封住，以在所述纳米材料两端的所述沟槽各形成一个空腔；
在本步骤中，如图3(g)所示，以电极薄膜309为籽晶层快速沉积厚电极薄膜层310，所述厚电极薄膜层310将位于纳米材料303两端的沟槽307封住，以在纳米材料303两端的两个沟槽307形成两个空腔311。在一个具体的实施例中，通过PVD方法在铜籽晶层上快速沉积厚铜薄膜层。
然后，如图3(h)所示，对所述厚电极薄膜层310进行研磨以除去第二介质层304上的硬掩膜306、阻挡层308和厚电极薄膜层310。由此得到具有两个电极312的纳米材料体声波谐振器，在两个电极312中还形成有空腔311。
在一个具体的实施例中，还可以包括后续的各种工艺流程，例如可以形成沟槽以形成互连结构等。
上述纳米材料体声波谐振器的位置，可以是CMOS后段金属互联的任何一层中，也可以在CMOS金属互联完成之后制备本器件，并通过互连线与CMOS器件集成，其位置到衬底的距离范围是10nm～100μm。
所述纳米材料体声波谐振器可以是CMOS器件集成，但是也可以是任何的其他器件相集成，也可以是分立器件。
通过上述方法制备的谐振器可以在一个单一的器件中形成一个具有双空腔的集成NEMS器件，在上述制备方法中不再需要形成牺牲层，从而使得工艺简单、成本非常低廉、极其微型化。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (26)
1.一种纳米结构体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括：
介质层、包埋于所述介质层中的纳米结构；以及
设置在所述介质层中的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极围绕所述纳米结构两侧；
其中，所述第一电极内部设置有第一空腔，所述第二电极内部设置有第二空腔。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构上表面低于所述介质层上表面，所述第一电极和第二电极上表面与所述介质层上表面平齐。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构为压电材料的纳米棒、纳米线、纳米棒的簇或纳米线的簇。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述簇中存在晶界。
5.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述纳米棒或纳米线的数量为1～100。
6.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构的长度范围为1nm～100μm，所述纳米结构的横截面直径范围为1nm～10μm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构的材料选自以下材料中的其中一种或多种：ZnO、AlN、PZT、LiNbO3、SiO2、Si、Ge及上述各种材料的掺杂材料。
8.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构是平行于所述介质层的上表面放置，或者与所述介质层上表面成角度θ放置，所述角度范围为0°＜θ≦90°。
9.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述纳米结构为多条纳米线或纳米棒时，多条所述纳米线或纳米棒之间以接触方式紧密排列，或者以间隔方式排列。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其特征在于，所述间隔是等距离的，或者是不等距离的。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其特征在于，所述间隔范围不大于100μm。
12.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述介质层设置于衬底上，所述谐振器与衬底的距离范围为10nm～100μm。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其特征在于，所述衬底包括Si、蓝宝石、Ge、SiC或AlN。
14.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述第一电极和第二电极选自以下材料中的其中一种或多种的组合：Cu、Au、Pt、Mo、Al、W、Ti、Ta及上述金属的合金材料，C、AZO、ITO、FTO。
15.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述第一电极为内部设置有所述第一空腔的第一电极薄膜，所述第二电极为内部设置有所述第二空腔的第二电极薄膜，所述第一电极薄膜和第二电极薄膜的厚度范围是1nm到10μm。
16.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，在所述第一电极与所述纳米结构之间以及在第二电极与所述纳米结构之间还设置有阻挡层。
17.根据权利要求16所述的谐振器，其特征在于，所述阻挡层的厚度范围为0.1nm～10μm。
18.根据权利要求1-5任一项所述的谐振器，其特征在于，所述第一空腔和第二空腔深度范围是100nm～100μm，所述第一空腔和第二空腔平均的宽度范围10nm～500μm。
19.一种制备纳米结构体声波谐振器的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层上放置纳米结构；
步骤S2：在所述第一介质层及所述纳米结构上形成第二介质层，使所述纳米结构包埋于所述第一介质层与所述第二介质层围成的区域中；
步骤S3：在所述第二介质层上形成图案化硬掩膜；
步骤S4：通过刻蚀工艺在所述纳米结构两端各形成一个沟槽，并在所述硬掩膜上表面及所述沟槽的底面和侧壁面上依次沉积阻挡层和电极薄膜；
步骤S5：以所述电极薄膜为籽晶层沉积电极薄膜层，所述电极薄膜层将所述沟槽封住，以在所述纳米材料两端的所述沟槽各形成一个空腔。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：在所述衬底上沉积粘附层，然后在所述粘附层上形成所述第一介质层，最后在所述第一介质层上放置所述纳米结构。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：在所述纳米结构上形成所述第二介质层，并对所述第二介质层进行化学机械抛光CMP。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：在所述第二介质层上形成硬掩膜，对所述硬掩膜进行图案化以得到所述图案化硬掩膜。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述图案化硬掩膜包括两个凹槽，所述两个凹槽之间的距离与所述纳米结构在水平方向上的投影长度相等，并且对准。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：通过刻蚀工艺在所述纳米结构两端形成各形成一个沟槽，所述沟槽从所述硬掩膜表面向下穿透所述第二介质层并一直延伸到所述第一介质层；在所述硬掩膜上表面及所述沟槽的底面和侧壁面上依次沉积所述阻挡层和所述电极薄膜。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，通过控制刻蚀时间来控制上述刻蚀的深度。
26.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括如下步骤：以所述电极薄膜为籽晶层快速沉积电极薄膜层，所述电极薄膜层将纳米结构两端的所述沟槽顶部封住，以在所述纳米结构两端的所述沟槽各形成一个空腔，最后对所述电极薄膜层进行研磨以除去所述第二介质层上的所述硬掩膜、阻挡层和所述电极薄膜层。
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