CN113315488A - 一种fbar谐振器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于谐振器制备技术领域，公开了一种FBAR谐振器及其制备方法，所述FBAR谐振器的制备方法包括：锗薄膜制备；FBAR谐振器衬底的选择处理；在衬底沟槽内形成硅纳米线；在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成；FBAR谐振器的制备。本发明提供的FBAR谐振器仅需要进行两层压电层的制备，制备方法简单，操作简便；将石墨作为单晶硅衬底和锗薄膜间的过渡层，可以消除硅和锗之间的晶格失配，减小由于热膨胀系数不匹配造成的锗薄膜质量的下降，从而降低锗薄膜的缺陷密度问题；通过磁控溅射法、化学气相沉积法进行石墨层和锗薄膜的制备，实现FBAR谐振器反射效果的增强的同时降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，尤其涉及一种FBAR谐振器及其制备方法。
背景技术
目前，薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种谐振体只有几微米厚的新型射频薄膜器件。FBAR射频器件具有体积小、工作频率高、插入损耗小、功率容量大等优点，FBAR振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于移动通信领域。近年来，基于FBAR的各种传感器研究也悄然开始。FBAR传感器的体积小巧和高灵敏度、高可靠性引起了人们的广泛研究。已有研究报道指出，FBAR传感器可用于检测微质量、温度、环境参数、化学气体、湿度、应力、紫外线等多种参数。
目前，FBAR目前是常用结构有三种：背腔型，上凸/下凹空气隙型、以及梯形布拉格反射结构。但是，对背面刻蚀型来说，在器件切割时只能从正面开始，器件容易破裂，且由于大面积的硅衬底被去除，势必影响了器件的机械牢度，并大幅降低成品率。这类型FBAR由于本身固有的机械牢度问题而不容易实现商业化，目前还有很多需要改进的研究内容。相比而言，采用梯形布拉格反射结构的FBAR器件机械牢度强、集成性好，且不需要借助MEMS工艺，这使得许多不具备MEMS工艺的半导体厂商业也可以方便地加入进来；但其缺点是需要制备多层薄膜，工艺成本比空气隙型要高，且布拉格反射层的声波反射效果不及空气来得好。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种FBAR谐振器及其制备方法。
本发明涉及一种FBAR谐振器的制备方法，所述FBAR谐振器的制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在石墨层上制备锗薄膜：以石墨层为基体，将所述基体安装在水平管式反应器的基座上，利用加热器对所述基体进行加热处理；在与所述基体平行的方向上提供含有锗原料的气体，由设置在与所述基体相对的管式反应器壁上的强制气体引入部分提供强制气体，进而使得含有锗原料的薄膜化学气相沉积在所述石墨层基体上，制备得到锗薄膜；其中，所述从强制气体引入部分向管式反应器提供的强制气体在原料气体通道中部的单位面积流速小于在所述通道两端的对应流速；
步骤二，进行FBAR谐振器衬底的选择以及对选择的衬底进行处理得到处理后的衬底：选择单晶硅衬底作为FBAR谐振器的衬底；采用磁控溅射法，使用片状石墨粉末在单晶硅衬底的抛光面上进行石墨层的沉积；采用化学气相沉积法在石墨层上制备得到锗薄膜后，在锗薄膜的上方进行沟槽的刻蚀，得到处理后的衬底；
步骤三，在处理后的衬底的沟槽内形成硅纳米线：在处理后的单晶硅衬底上依次形成第一二氧化硅层、氮化硅层、第二二氧化硅层；利用第一掩模板光刻定义有源区，通过刻蚀去除有源区的第二二氧化硅层、氮化硅层、第一二氧化硅层，暴露出有源区的单晶硅衬底；在单晶硅衬底上对氮化硅层进行横向刻蚀形成沟槽；在暴露出的单晶硅衬底上外延生长硅层，利用第二掩模板光刻定义硅纳米线支撑区，并对外延生长硅层进行刻蚀，形成硅纳米线，得到含硅纳米线的FBAR谐振器衬底；
步骤四，在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成：在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上形成第一下电极；在所述第一下电极上形成第一压电层，并对形成的第一压电层进行压覆使所述第一压电层与所述第一下电极均匀接触；对所述第一压电层进行刻蚀直至与所述第一压电层连接的第一下电极暴露，得到处理后的第一下电极；
步骤五，进行FBAR谐振器的制备：对处理后的第一下电极进行平坦化处理；在平坦化处理后的第一下电极上形成第二下电极；在所述第二下电极上形成第二压电层，并对形成的第二压电层进行压覆使所述第二压电层与所述第二下电极均匀接触；对所述第二压电层进行刻蚀直至与所述第二压电层连接的第二下电极暴露；对处理后的第二下电极进行平坦化处理并在平坦化处理后的第一下电极上形成上电极，得到FBAR谐振器。
进一步，步骤二中，所述石墨层的厚度为80～120nm。
进一步，步骤二中，所述锗薄膜的厚度为10～100μm。
进一步，步骤二中，所述沟槽的深度为10～30μm。
进一步，步骤三中，所述第一掩模板的图形包括多个顺次连接的“工”字型。
进一步，步骤三中，所述第二掩模板的图形包括平行排列的“一”字型。
进一步，步骤四中，所述第一压电层为氮化铝，第一压电层的厚度为0.05-0.1μm。
进一步，步骤五中，所述第二压电层为氮化硅，第二压电层的厚度为0.01-0.1μm。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的FBAR谐振器的制备方法制备得到的FBAR谐振器。
本发明的另一目的在于提供一种所述的FBAR谐振器在振荡器制备中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的FBAR谐振器仅需要进行两层压电层的制备，制备方法简单，操作简便；将石墨作为单晶硅衬底和锗薄膜之间的过渡层，不仅可以消除硅和锗之间的晶格失配，还可以减小由于热膨胀系数不匹配造成的锗薄膜质量的下降，降低锗薄膜的缺陷密度的问题；通过采用磁控溅射法、化学气相沉积法进行石墨层和锗薄膜的制备，能够降低FBAR谐振器的成本，实现FBAR谐振器成本降低以及反射效果的增强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的FBAR谐振器的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的进行FBAR谐振器衬底的选择以及对选择的衬底进行处理得到处理后衬底的方法流程图。
图3是本发明实施例提供的在处理后的衬底的沟槽内形成硅纳米线的方法流程图。
图4是本发明实施例提供的在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成的方法流程图。
图5是本发明实施例提供的进行FBAR谐振器制备的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种FBAR谐振器及其制备方法与应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的FBAR谐振器的制备方法包括以下步骤：
S101，采用化学气相沉积法在石墨层上制备锗薄膜；
S102，进行FBAR谐振器衬底的选择以及对选择的衬底进行处理得到处理后的衬底；
S103，在处理后的衬底的沟槽内形成硅纳米线；
S104，在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成；
S105，进行FBAR谐振器的制备。
本发明实施例提供的步骤S101中，所述采用化学气相沉积法在石墨层上制备锗薄膜，包括：
以石墨层为基体，将所述基体安装在水平管式反应器的基座上，利用加热器对所述基体进行加热处理；在与所述基体平行的方向上提供含有锗原料的气体，由设置在与所述基体相对的管式反应器壁上的强制气体引入部分提供强制气体，进而使得含有锗原料的薄膜化学气相沉积在所述石墨层基体上，制备得到锗薄膜。
本发明实施例提供的从强制气体引入部分向管式反应器提供的强制气体在原料气体通道中部的单位面积流速小于在所述通道两端的对应流速。
如图2所示，本发明实施例提供的步骤S102中，所述进行FBAR谐振器衬底的选择以及对选择的衬底进行处理得到处理后的衬底，包括：
S201，选择单晶硅衬底作为FBAR谐振器的衬底；
S202，采用磁控溅射的方法，使用片状石墨粉末在单晶硅衬底的抛光面上进行石墨层的沉积；
S203，采用化学气相沉积的方法，在石墨层上制备锗薄膜；
S204，在锗薄膜的上方进行沟槽的刻蚀，得到处理后的衬底。
本发明实施例提供的步骤S202中，所述石墨层的厚度为80～120nm。
本发明实施例提供的步骤S202中，所述锗薄膜的厚度为10～100μm。
本发明实施例提供的步骤S204中，本发明实施例提供的沟槽的深度为10～30μm。
如图3所示，本发明实施例提供的步骤S103中，所述在处理后的衬底的沟槽内形成硅纳米线，包括：
S301，在处理后的单晶硅衬底上依次形成第一二氧化硅层、氮化硅层、第二二氧化硅层；
S302，利用第一掩模板光刻定义有源区，通过刻蚀去除有源区的第二二氧化硅层、氮化硅层、第一二氧化硅层，暴露出有源区的单晶硅衬底；
S303，在单晶硅衬底上对氮化硅层进行横向刻蚀形成沟槽；
S304，在暴露出的单晶硅衬底上外延生长硅层，利用第二掩模板光刻定义硅纳米线支撑区，并对外延生长硅层进行刻蚀，形成硅纳米线，得到含硅纳米线的FBAR谐振器衬底。
本发明实施例提供的步骤S302中，所述第一掩模板的图形包括多个顺次连接的“工”字型。
本发明实施例提供的步骤S304中，所述第二掩模板的图形包括平行排列的“一”字型。
如图4所示，本发明实施例提供的步骤S104中，所述在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成，包括：
S401，在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上形成第一下电极；
S402，在所述第一下电极上形成第一压电层，并对形成的第一压电层进行压覆使所述第一压电层与所述第一下电极均匀接触；
S403，对所述第一压电层进行刻蚀直至与所述第一压电层连接的第一下电极暴露，得到处理后的第一下电极。
本发明实施例提供的步骤S401中，所述第一压电层为氮化铝，所述第一压电层的厚度为0.05-0.1μm。
如图5所示，本发明实施例提供的步骤S105中，所述进行FBAR谐振器的制备，包括：
S501，对处理后的第一下电极进行平坦化处理；在平坦化处理后的第一下电极上形成第二下电极；
S502，在所述第二下电极上形成第二压电层，并对形成的第二压电层进行压覆使所述第二压电层与所述第二下电极均匀接触；
S503，对所述第二压电层进行刻蚀直至与所述第二压电层连接的第二下电极暴露；
S504，对处理后的第二下电极进行平坦化处理并在平坦化处理后的第一下电极上形成上电极，得到FBAR谐振器。
本发明实施例提供的步骤S502中，所述第二压电层为氮化硅，所述第一压电层的厚度为0.01-0.1μm。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，所述FBAR谐振器的制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在石墨层上制备锗薄膜：以石墨层为基体，将所述基体安装在水平管式反应器的基座上，利用加热器对所述基体进行加热处理；在与所述基体平行的方向上提供含有锗原料的气体，由设置在与所述基体相对的管式反应器壁上的强制气体引入部分提供强制气体，进而使得含有锗原料的薄膜化学气相沉积在所述石墨层基体上，制备得到锗薄膜；其中，所述从强制气体引入部分向管式反应器提供的强制气体在原料气体通道中部的单位面积流速小于在所述通道两端的对应流速；
步骤二，进行FBAR谐振器衬底的选择以及对选择的衬底进行处理得到处理后的衬底：选择单晶硅衬底作为FBAR谐振器的衬底；采用磁控溅射法，使用片状石墨粉末在单晶硅衬底的抛光面上进行石墨层的沉积；采用化学气相沉积的法在石墨层上制备得到锗薄膜后，在锗薄膜的上方进行沟槽的刻蚀，得到处理后的衬底；
步骤三，在处理后的衬底的沟槽内形成硅纳米线：在处理后的单晶硅衬底上依次形成第一二氧化硅层、氮化硅层、第二二氧化硅层；利用第一掩模板光刻定义有源区，通过刻蚀去除有源区的第二二氧化硅层、氮化硅层、第一二氧化硅层，暴露出有源区的单晶硅衬底；在单晶硅衬底上对氮化硅层进行横向刻蚀形成沟槽；在暴露出的单晶硅衬底上外延生长硅层，利用第二掩模板光刻定义硅纳米线支撑区，并对外延生长硅层进行刻蚀，形成硅纳米线，得到含硅纳米线的FBAR谐振器衬底；
步骤四，在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上进行下电极形成：在含硅纳米线的FBAR谐振器衬底上形成第一下电极；在所述第一下电极上形成第一压电层，并对形成的第一压电层进行压覆使所述第一压电层与所述第一下电极均匀接触；对所述第一压电层进行刻蚀直至与所述第一压电层连接的第一下电极暴露，得到处理后的第一下电极；
步骤五，进行FBAR谐振器的制备：对处理后的第一下电极进行平坦化处理；在平坦化处理后的第一下电极上形成第二下电极；在所述第二下电极上形成第二压电层，并对形成的第二压电层进行压覆使所述第二压电层与所述第二下电极均匀接触；对所述第二压电层进行刻蚀直至与所述第二压电层连接的第二下电极暴露；对处理后的第二下电极进行平坦化处理并在平坦化处理后的第一下电极上形成上电极，得到FBAR谐振器。
2.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述石墨层的厚度为80～120nm。
3.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述锗薄膜的厚度为10～100μm。
4.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述沟槽的深度为10～30μm。
5.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述第一掩模板的图形包括多个顺次连接的“工”字型。
6.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述第二掩模板的图形包括平行排列的“一”字型。
7.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述第一压电层为氮化铝，第一压电层的厚度为0.05-0.1μm。
8.如权利要求1所述FBAR谐振器的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述第二压电层为氮化硅，第二压电层的厚度为0.01-0.1μm。
9.一种应用如权利要求1～8任意一项所述的FBAR谐振器的制备方法制备得到的FBAR谐振器。
10.一种如权利要求9所述的FBAR谐振器在振荡器制备中的应用。
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