CN113193847B - 改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其包括衬底，该衬底的上表面设置有第一空腔，以及位于第一空腔内的多个支撑柱；下电极层，位于衬底上表面，且在下电极层上与衬底贴合的表面设置封闭的第二空腔，第二空腔为台阶型环状空腔，且包围第一空腔；下电极层下表面与每个支撑柱之间设置第三空腔；压电层，位于下电极层的表面；上电极层，位于压电层的表面。本发明的结构通过设计的‘碗’状有效区结构以应对与抵消工艺中可能带来的应力所造成的的‘伞’状凸起，能改善压电薄膜生长过程带来的应力不均，提升器件稳定性；能有效改善的边缘声阻抗状态，从而实现最优的Q值。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器，具体涉及一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构。
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。
现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。从性能角度上讲前两种以空气作为声阻抗材料的结构获得的Q值最好。从工艺稳定性，复杂性和成品率以及成本的角度，背刻蚀由于大量移除衬底而使器件牢固度下降；固态装配需制备多层膜，工艺繁琐复杂，成本较高。因此从性能和工艺角度出发，空气隙型结构得到业界普遍认可，也是商业化应用较常见的结构。
空气隙型FBAR的制备中有两个关键点：
1、设计优化FBAR压电振荡堆的结构，从而改善边界声阻抗条件，抑制激发的横向机械波在FBAR器件接口处的损失，进而达到提高器件的Q值的目的。
2、优化应力分布保证器件完整性和可靠性。实际的工艺流程中难免有高温工艺会导致应力的产生。另外牺牲层的释放等工艺也会破坏原有的三明治结构的形变，严重的会造成结构塌陷和凸起，使得边界声阻抗条件变差，造成器件Q值降低、可靠性损伤，甚至彻底报废。
发明内容
为了改善应力分布，减少工艺缺陷，同时提高器件Q值，本发明设计一种‘碗’状有效区结构以应对与抵消工艺中可能带来的应力所造成的的‘伞’状凸起。
一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，该结构包括：
衬底，该衬底的上表面设置有第一空腔，以及位于所述第一空腔内的多个支撑柱；
下电极层，位于所述衬底上表面，且在所述下电极层上与所述衬底贴合的表面设置封闭的第二空腔，所述第二空腔为台阶型环状空腔，且包围所述第一空腔；所述下电极层下表面与每个所述支撑柱之间设置第三空腔；
压电层，位于所述下电极层的表面；
上电极层，位于所述压电层的表面。
进一步地，所述第一空腔支撑柱通过光刻刻蚀方法得到。
进一步地，所述第二空腔和第三空腔经过牺牲层释放得到。
进一步地，所述第一空腔支撑柱的截面形状为圆形，直径为10-20um。
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。
进一步地，所述第一空腔的深度为0.5um-10um，横向最大尺寸为50-500um。
进一步地，所述牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。
进一步地，所述上电极层的厚度为10nm-2000nm，横向宽度为5um-500um。
进一步地，所述下电极层的材料为铜、铝、银、钛、钨、镍或钼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)本发明的结构通过设计的‘碗’状有效区结构以应对与抵消工艺中可能带来的应力所造成的的‘伞’状凸起，能改善压电薄膜生长过程带来的应力不均，提升器件稳定性；能有效改善的边缘声阻抗状态，从而实现最优的Q值。
(2)本发明的结构在第一空腔内引入支撑柱来抵御工艺环节应力可能带来的第一空腔的塌陷。
(3)本发明的结构通过在支撑柱的上方设置第三空腔，用来弥补由于支撑柱结构的引入而损失掉的有效区下方的空腔面积，从而减小能量损耗，保证最优的Q值。
附图说明
图1为本发明的结构的沿图2中的AA'方向的剖面图；
图2为本发明的结构中衬底经过刻蚀后的俯视图；
图3是实施例中经过2)刻蚀之后沿着AA'方向的剖面图。
图4是实施例中经过3)步骤之后沿着AA'方向的剖面图。注：此处填充的PSG在后续工艺释放并形成空腔。
图5是实施例中步骤4)的工艺流程示意图；
图6是实施例中5)得到的图形化下电极的示意图。
图7是实施例中经过6)和7)得到压电层和图形化上电极薄膜的示意图。
图8是实施例中经过8)后得到的最终封装前的谐振器示意图。
图中，衬底100、第一空腔101、第二空腔102、下电极层103、压电层104、上电极层105、第三空腔106、支撑柱107。
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，本发明的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，包括：
衬底100，该衬底100的上表面设置有第一空腔101，以及位于第一空腔101内的多个支撑柱107；所述第一空腔的深度为0.5um-10um，横向最大尺寸为50-500um。衬底100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。
下电极层103，位于衬底100上表面，且在下电极层103上与衬底100贴合的表面设置台阶型环状的第二空腔102，第二空腔设于下电极与衬底和电极引线孔之间，且第二空腔102包围第一空腔101；下电极层103下表面与每个支撑柱107之间设置第三空腔106；第二空腔102和第三空腔106经过牺牲层释放得到，牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。所述下电极层的材料为铜、铝、银、钛、钨、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。
压电层104，位于下电极层103的表面；压电层104材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅等。
上电极层105，位于压电层104的表面。上电极层105的厚度为10nm-2000nm，横向宽度为5um-500um。
第一空腔的支撑柱107的截面形状为圆形，直径为10-20um。但形状不限于光刻能做到的其它图形包括：方形、三角形、菱形等。但要求和第三空腔的截面形状一致。
从图2中可以看出第一空腔101为五边形，但也可以为其他形状，如圆形、菱形等。第二空腔为包围第一空腔的台阶型环状的空腔，也可以为圆形、五边形或菱形等。
下面具体给出其中一种结构的制备工艺：
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的第一空腔101；如图3所示。
3)在含第一空腔的衬底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；如图4所示。
4)在3)形成的晶圆表面用光刻图形化并用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积 300nm的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层材料，并通过光刻-等离子体刻蚀-干法去胶-光刻- 等离子体刻蚀的步骤同时得到102和106空腔处图形化的PSG。由于需要两次光刻来形成 102空腔的阶梯结构，此处两层光刻的套刻精度要求在3um以内。注：此处并不是形成空腔的图形化，而是形成牺牲材料PSG的图形，102和106的空腔是通过后续PSG的释放得到的。如图5所示。
5)在4)得到材料表面上采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积250nm的金属钼下电极层 103，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；如图6所示。
6)在5)得到的晶圆表面及金属钼电极上溅射一层C轴取向1μm的AlN压电薄膜层104；
7)采用热蒸发或磁控溅射等方法在压电层104上沉积200nm的金属钼上电极层105；并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；如图7所示。
8)通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除牺牲层，形成第一空腔101，第二空腔102，和第三空腔106；如图8所示。注：至此形成本发明的最终器件结构，经过钝化层保护和电极引出即可进行相关的电学阻抗性能测试。
第二空腔102牺牲层的厚度可以为200-400nm，第三空腔106牺牲层的厚度可以为200-400nm，支撑柱的直径可以为10-20um。
以上所述的各器件结构的最优尺寸范围及材料种类按照实施例1的工艺流程皆可兼容。因此在本专利权利要求的相同结构，相同工艺范畴的区别在于应用在不同谐振频率场景的实施例不再另行举例。
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 (8)
1.一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，该结构包括：
衬底，该衬底的上表面设置有第一空腔，以及位于所述第一空腔内的多个支撑柱；
下电极层，位于所述衬底上表面，且在所述下电极层上与所述衬底贴合的表面设置封闭的第二空腔，所述第二空腔为台阶型环状空腔，且包围所述第一空腔；所述下电极层下表面与每个所述支撑柱的顶面接触，所述下电极层下表面与每个支撑柱的顶面之间构成封闭的第三空腔；所述第二空腔和第三空腔经过牺牲层释放得到；
压电层，位于所述下电极层的表面；
上电极层，位于所述压电层的表面。
2.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述第一空腔的支撑柱通过光刻刻蚀方法得到。
3.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述第一空腔的支撑柱的截面形状为圆形，直径为10um-20um。
4.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅和陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
5.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述第一空腔的深度为0.5um-10um，横向最大尺寸为50 um-500um。
6.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。
7.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述上电极层的厚度为10nm-2000nm，横向宽度为5um-500um。
8.根据权利要求1所述的改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其特征在于，所述下电极层的材料为铜、铝、银、钛、钨、镍和钼中的一种或多种按任意配比组合。
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