CN113193846A - 一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其包括:衬底;并排设置的复合下电极层和平坦化层,两者均位于衬底表面;且在衬底上与下电极层的下表面贴合的位置设置有横向空腔;复合下电极层包括第一金属和嵌入第一金属上表面的第二金属;压电层,位于并排设置的复合下电极层和平坦化层表面;压电层包括非压电层和内外环绕非压电层设置的多晶压电层;复合上电极层,位于压电层的表面;复合上电极层包括第三金属和嵌入第三金属下表面的第四金属;第四金属和非压电层正对设置,第二金属位于非压电层的内部。本发明在有效区边缘异质电极材料界面的引入改变边界声阻抗条件,可以抑制寄生横波传导造成的能量损失,从而提滤波器的品质因子。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器,具体涉及一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器。
背景技术
伴随着5G移动通讯技术的快速发展,特别是手机端和各种收发设备数量的快速增加,高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器虽然技术相对成熟,商业化较早,在比如低谐振频率滤波器、传感器等领域应用广泛,但原理上已经限制了其在高频领域的应用。另外其功耗等性能也远不能满足现在逐渐微型化,超高集成的终端设备需求。薄膜体声波谐振器(FBAR)与陶瓷和声表面波谐振器相比具有体积小、谐振频率高、功率损耗低、品质因子(Q)高、功率容量大等优点,因此在相关领域尤其是高频通讯滤波器收发功能方面有着广阔的应用和发展前景,成为工业界和学术界的研究热门。
薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元,其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。
薄膜体声波谐振器只能激发thickness-extensional(TE)模式,即纵向机械波,理想的模式就是声波沿着压电层厚度的方向传播。但是声波在压电震荡堆之内不仅有TE模式,还有Rayleigh-Lamb模式,即横向机械波。声波在压电层中的横向传播会对FBAR器件的品质因子(Q)值产生不利影响,改善边界声阻抗条件,抑制寄生横波的方法有很多,Burak等人提出在有效区边界处引入凸起环、框架、空气桥等结构,通过加入声阻抗不对称面来减少纵向机械波能量的损失进而实现提升器件品质因子(Q)值的目标。并且通过实验证实了凸起和框架等的位置会对Q值有影响,通过精密安排与设计如凸起的位置可以得到较优的Q值谐振器。但是实际制造过程中由于工艺稳定性的原因,单一异质金属电极框对Q值提升不明显,要达到3000左右的Q值,框架结构往往设计的很复杂,比如多个连续框架,或者要框架结构搭配凸起环甚至是空气桥,这样做会引入很多牺牲层释放工艺或化学机械抛光工艺。从而增加成本,降低成品率。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,既在有效区周围引入声阻抗失配的界面,实现Q值的优化,又能简化工艺难度,实现成品率和成本的双赢。通过改变薄膜体声波谐振器的部分结构,即同时引入非压电层和复合电极框架结构达到改变边界声阻抗条件,抑制寄生横波的存在的目的,其Q值优于单独使用非压电层和单独使用复合电极的谐振器。
一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,该薄膜体声波谐振器包括:
衬底;
并排设置的复合下电极层和平坦化层,两者均位于所述衬底表面;且在所述衬底上与所述下电极层的下表面贴合的位置设置有横向空腔;所述复合下电极层包括第一金属和嵌入所述第一金属上表面的第二金属;
压电层,位于并排设置的复合下电极层和平坦化层表面;所述压电层包括非压电层和内外环绕所述非压电层设置的多晶压电层;
复合上电极层,位于所述压电层的表面;所述复合上电极层包括第三金属和嵌入所述第三金属下表面的第四金属;
所述第四金属和所述非压电层正对设置,所述第二金属位于所述非压电层的内部。
进一步地,所述横向空腔位于所述非压电层内部。
进一步地,所述非压电层的形状优选为圆环形或带有一定厚度的多边形,所述第二金属和第四金属也分别内嵌为圆环形或带有一定厚度的多边形。
进一步地,所述第一金属、第二金属、第三金属和第四金属分别选自钨和钼中的任意一种,且第一金属和第二金属不同,第三金属和第四金属不同。
进一步地,所述非压电层为在非压电层种子层上生成AlN形成。
进一步地,所述压电层材料选自氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合,厚度为10nm-5000nm。
进一步地,所述横向空腔的深度为0.5um-10um,横向尺寸为50-500um。
进一步地,所述复合下电极层和复合上电极层的的厚度为10nm-2000nm,横向宽度为5um-500um,第二金属和第四金属的宽度为5-50um。
进一步地,所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
本发明的有益效果如下:
(1)有效区边缘异质电极材料界面的引入改变边界声阻抗条件,可以抑制寄生横波传导造成的能量损失,从而提滤波器的品质因子。
(2)本发明创新性地通过在异质电极框相同水平位置引入非压电层区域,既能使异质电极框和非压电层区域协同完成对寄生横波的抑制,形成高Q值的结构,同时不增加过多的工艺步骤,具有性能和成本的综合优势。
附图说明
图1为沿着图2的虚线方向切割的剖面图;
图2为本发明的实施例的薄膜体声波谐振器的俯视图;
图3为本发明的实施例的薄膜体声波谐振器的电学阻抗曲线和Q值曲线示意图。
图中,衬底100、横向空腔101、复合下电极层102、压电层103、复合上电极层104、平坦化层105、非压电层106、第四金属107、第二金属108、非压电层种子层109。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1和2所示,本发明的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,包括:
衬底100;
并排设置的复合下电极层102和平坦化层105,两者均位于衬底100表面;且在衬底100上与下电极层102的下表面贴合的位置设置有横向空腔101;复合下电极层102包括第一金属和嵌入第一金属上表面的第二金属108;
压电层103,位于并排设置的复合下电极层102和平坦化层105表面;压电层103包括非压电层106和内外环绕非压电层106设置的多晶压电层;非压电层106为在非压电层种子层109上生成AlN形成。
复合上电极层104,位于压电层103的表面,复合上电极,104包括第三金属和嵌入所述第三金属下表面的第四金属107;
第四金属107和非压电层106正对设置,第二金属108位于非压电层106的内部。所述横向空腔位于所述非压电层内部。
所述非压电层的形状优选为圆形或多边形,所述第二金属和第四金属也分别内嵌为圆环形或带有一定厚度的多边形。因图1为剖面图,所以无法显示出非压电层和第二金属、第四金属的形状。当从俯视图中看时,非压电层、第二金属和第四金属内嵌的形状均为圆环形或带有一定厚度的多边形。对其按图2中的虚线进行剖视时,形成如图1所述的两个短截面。且第四金属的内外半径和非压电层相同,两者位置正对;第二金属的内外半径小于非压电层,位于非压电层的内部。
所述第一金属、第二金属、第三金属和第四金属分别选自钨和钼中的任意一种,且第一金属和第二金属不同,第三金属和第四金属不同。
所述压电层材料选自氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合,厚度为10nm-5000nm。
所述横向空腔的深度为0.5um-10um,横向尺寸为50-500um。
在滤波器频段为0.5GHz到5GHz应用中,所述复合下电极层和复合上电极层的厚度为10nm-2000nm,横向宽度为5um-500um,第二金属和第四金属的宽度为5-50um。压电层厚度为200nm-2um。
所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
下面具体介绍本发明的薄膜体声波谐振器的的制备工艺,具体步骤如下:
1)对硅衬底100进行清洗,使用丙酮和异丙醇超声水洗,硅衬底100的取向为(111)或(100);
2)采用基于BOSCH工艺的ICP刻蚀在硅衬底上刻蚀出深度为3um,横向宽度为200um的空腔101;
3)在含空腔的衬底100表面用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积3-5um的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层材料,并通过化学机械研磨(CMP)进行图形化;
4)在3)得到材料表面上采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积300nm的金属钼(即第一金属),并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化。
5)在4)化学气相淀积工艺生长一层350nm的非刻蚀性硼硅酸盐玻璃(NEBSG),并通过CMP工艺形成平坦化层105;
6)在5)得到材料表面上进行光刻图形化并等离子体刻蚀得到108结构的沟槽,采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积150nm的金属钨电极框架结构(即第二金属),通过化学机械研磨(CMP)进行平坦化,从而得到复合下电极层102;
7)在6)通过光刻图形化显影留出非压电区种子层109的位置,LPCVD方法生长SiO250A后去除光刻胶。得到图形化的非压电层种子层和裸露的复合下电极层102用于生长压电层AlN。
8)在7)得到的晶圆表面溅射一层C轴取向1um的AlN压电层;由于非压电层处SiO2种子层的存在,AlN会趋向非晶化生长成非压电层106,而不含SiO2种子层处AlN会保持c轴取向生长成多晶压电层AlN 103。
9)在8)得到图形表面热蒸发或磁控溅射等方法沉积150nm的金属钨电极框架结构层,得到材料表面上进行光刻图形化并等离子体刻蚀得到107结构。
10)采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积250nm的金属钼形成顶电极上电极104;通过CMP方法进行复合上电极层平坦化。
11)通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除牺牲层,形成横向空腔101。
牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、有机物、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅,牺牲层的厚度为3um。在该实施例中,下电极的厚度为300nm,上电极的厚度为250nm,压电层的厚度为1um,横向宽度为5um-500um;异质电极框架的宽度为20um。电极的材料为钨、钼材料以任意比例组合。
在发明项约定的薄膜尺寸,材料种类范畴内工艺流程与方法没有本质区别,因此不再例举其它仅区别于特征结构尺寸和材料种类的实施案例。
图3为本实施例谐振器的电学阻抗曲线和Q值曲线示意图。从图中可以看出该器件的Q值为3000左右,带宽90MHz,能够达到了目前市面主流FBAR的Q值水平,并且分别高于单独使用复合电极框架的FBAR结构。在此基础上,本发明的优势体现较为明显,工艺复杂度要小于使用‘凸起环’‘空气桥’等结构的工艺,从而降低了工艺成本同时提升良率和工艺可靠性。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,该薄膜体声波谐振器包括:
衬底;
并排设置的复合下电极层和平坦化层,两者均位于所述衬底表面;且在所述衬底上与所述下电极层的下表面贴合的位置设置有横向空腔;所述复合下电极层包括第一金属和嵌入所述第一金属上表面的第二金属;
压电层,位于并排设置的复合下电极层和平坦化层表面;所述压电层包括非压电层和内外环绕所述非压电层设置的多晶压电层;
复合上电极层,位于所述压电层的表面;所述复合上电极层包括第三金属和嵌入所述第三金属下表面的第四金属;
所述第四金属和所述非压电层正对设置,所述第二金属位于所述非压电层的内部。
2.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述横向空腔位于所述非压电层内部。
3.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述非压电层的形状优选为圆环形或带有一定厚度的多边形,所述第二金属和第四金属也分别内嵌为圆环形或带有一定厚度的多边形。
4.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第一金属、第二金属、第三金属和第四金属分别选自钨和钼中的任意一种,且第一金属和第二金属不同,第三金属和第四金属不同。
5.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述非压电层为在非压电层种子层上生成AlN形成。
6.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电层材料选自氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合,厚度为10nm-5000nm。
7.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述横向空腔的深度为0.5um-10um,横向尺寸为50-500um。
8.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述复合下电极层和复合上电极层的的厚度为10nm-2000nm,横向宽度为5um-500um,第二金属和第四金属的宽度为5-50um。
9.根据权利要求1所述的带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
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