CN113411067B - 滤波器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种滤波器，包括：衬底，一个或多个谐振器，其特征在于，衬底上设有围绕所述一个或多个谐振器的堤坝结构，所述堤坝结构伸入衬底内部。此外，本公开内容还涉及一种滤波器的制造方法，包括如下步骤：提供衬底，在衬底上形成一个或多个谐振器；在衬底上形成一个堤坝结构，所述堤坝结构围绕所述一个或多个谐振器设置，且堤坝结构伸入衬底内部。

Description

滤波器及其制造方法
技术领域
本公开内容涉及半导体的技术领域，特别地，本公开内容涉及滤波器及其制造方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)使用硅衬底借助微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术以及薄膜技术来制造。薄膜腔声谐振滤波器通常设有单密封圈。单密封圈直接沉积在衬底上。单密封圈底层在一定条件会发生水解反应。当薄膜腔声谐振滤波器件在严苛工作条件下工作时，湿气易经由底层侵入器件内部，造成器件失效。
因此，薄膜腔声谐振滤波器通常采用多层密封圈。也就是说，除了直接沉积在衬底上的密封圈之外，还会在封装阶段中借助电镀形成附加的密封圈。然而，这无疑增加了制造复杂度并且进一步使成本升高。
发明内容
在下文中给出了关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容的某些方面的基本理解。但是，应当理解，此概述并非关于本公开内容的穷举性概述，也非意在确定本公开内容的关键性部分或重要部分，更非意在限定本公开内容的范围。此概述的目的仅在于以简化的形式给出关于本公开内容的某些发明构思，以此作为稍后给出的更详细的描述的前序。
本公开内容的目的在于提供能够克服现有技术中存在的上述问题的滤波器及其制造方法。
根据本公开内容的一个方面，提供了一种滤波器，其包括：衬底，一个或多个谐振器，其特征在于，衬底上设有围绕所述一个或多个谐振器的堤坝结构，所述堤坝结构伸入衬底内部。
根据本公开内容的另一方面，提供了一种滤波器的制造方法，包括如下步骤：提供衬底，在衬底上形成一个或多个谐振器；在衬底上形成一个堤坝结构，所述堤坝结构围绕所述一个或多个谐振器设置，且堤坝结构伸入衬底内部。
根据本公开内容的又一方面，提供了一种电子装置，其包括一个或多个根据本公开内容的滤波器。
根据本公开内容的滤波器在无多层密封圈的情况下就能够实现良好的密封效果。通过改进了滤波器的结构，在不增加制造复杂性的情况下有效地防止在极端工作条件下湿气的侵入，显著地提升滤波器的抗湿性能。由于工艺简化，显著地降低了制造成本。
附图说明
所包括的附图用于提供本公开内容的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本公开内容的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本公开内容的原理。在附图中：
图1A示出了根据本公开内容的第一实施方式的滤波器的横截面图；
图1B示出了根据本公开内容的第一实施方式的滤波器的局部放大横截面图；
图1C示出了根据本公开内容的第一实施方式的滤波器的声学谐振器的布置的俯视图；
图2A至2O示出了用于制备根据本发明公开内容的第一实施方式的滤波器的工艺流程图。
具体实施方式
在本说明书中，还将理解，当一个部件(或区域、层、部分)被称为相对于其他元件，诸如在其他元件“上”，“连接到”或“耦接到”其他元件时，该一个部件可以直接设置在该一个部件上/直接连接到/直接耦接到该一个部件，或者还可以存在居间的第三部件。相反，当在本说明书中元件(或区域、层、部分等)被称为相对于其他元件，诸如“直接”在其他元件“上”，“直接连接到”或“直接耦接到”其他元件时，在它们之间没有设置居间的元件。
现将在下文中参照附图更全面地描述本公开内容，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开内容可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开内容将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开内容的范围。通篇相同的附图标记表示相同的元件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少一个”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个元件”的含义与“至少一个元件”相同。“至少一个”不应被解释为限制“一”或“一个”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
将理解，尽管在本文中使用诸如“第一”和“第二”的术语描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于使一个部件区别于其他部件。例如，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，在一个实施方式中被称为第一元件的第一元件可以在其他实施方式中被称为第二元件。
再者，“下面”、“下方”、“上方”、“上”等用于说明图中所示的部件的关系关联。这些术语可以是相对的概念并且基于图中呈现的方向来描述。
考虑到所讨论的测量以及与特定量的测量相关联的误差(即，测量系统的限制)，如本文中使用的“约”或“大致”包含所陈述的值以及如本领域普通技术人员所确定的关于特定值的可接受的偏差范围内的平均值。例如，“约”可以意指一个或更多个标准偏差内的平均值，或者所陈述的值的±30％、20％、10％、5％内的平均值。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的示意图的剖面透视图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
在下文中，将参照附图描述根据本公开内容的示例性实施方式。
参照图1A至1C，根据本公开内容的第一实施方式的滤波器10可以包括衬底1、声反射结构2、堤坝结构3和压电材料层4。在此，仅示出了示例性地示出了一个声反射结构。如图1A所示，在衬底1上包括设置在其上的凹入部。在该示例中，用构成为凹入部的空腔示例性地表示声反射结构。替选地，声反射结构还可以是布拉格反射层。在此，虽然未示出布拉格反射器作为声反射结构的实施例，但对于本领域技术人员可理解的是，在此情况下替代凹入部，将布拉格反射器设置在衬底上。
压电材料层4可以设置在所述衬底1上并且覆盖声反射结构2，使得对应于所述声反射结构2形成声学谐振器。堤坝结构3可以在所述衬底上方伸入衬底内部穿过压电材料层4，以围绕所有声学谐振器。堤坝结构3的下端可以延伸至所述衬底的内部。
图1B示出了滤波器10的堤坝结构3的在图1A中以虚线框AA’标记的局部的放大视图。堤坝结构3可以包括在水平方向上设置的第一部分31和第二部分32。第一部分31在水平方向上与第二部分32邻接，第一部分31在水平方向上与压电材料层4邻接。堤坝结构3的第二部分32的下端可以延伸进入到衬底1的内部。换言之，第二部分32的底面与第一部分31的底面并不处于同一平面，而是第二部分的底面与第一部分的底面存在高度差。即，堤坝结构3的第二部分32的下端伸入至所述衬底内部。下端伸入衬底内部的深度H在0至20μm的范围内。所述深度优选为2μm、4μm、6μm、8μm、12μm。
在一个优选的实施方式中，如图1A所示，根据本公开内容的第一实施方式的滤波器10还可以包括底电极5和顶电极6，它们与夹于其中的压电材料层4构成谐振器的三明治结构。图1A仅示例性地示出底电极5和顶电极6的布置，对于本领域技术人员而言应理解的是，布置并不限于图中所示，而是可以根据需要进行调整。另外，还需说明的是，底电极5和顶电极6通常可以具有条带形，即横截面为矩形的形状。对于本领域技术人员而言应理解的是，底电极5和顶电极6可以采用任何满足制造工艺要求的形状。
对于本领域技术人员而言，底电极5和顶电极6可以采用了相同的能导电的材料。替选地，底电极5和顶电极6也可以采用了不同的材料。能导电的材料优选可以是金属。任何既能导电又满足本公开内容的滤波器的制造工艺要求的材料均可用于底电极5和顶电极6的材料。
在图1C中示例性地示出了根据本公开内容的第一实施方式的滤波器10的多个声学谐振器的布置。出于清楚性的原因，这里去掉顶电极、覆盖部7和部分压电材料层4。图1C仅示例性示出了四个声学谐振器。当然并不限于四个声学谐振器，而是根据具体应用要求设置更多或更少的声学谐振器。从图1C中可以看到，堤坝结构3围绕所有声学谐振器。需要指出的是，这里仅用矩形代表底电极5，对于本领域技术人员而言清楚的是，通过调整制造工艺中的掩模可以形成所需形状的底电极5。为了避免赘述，在该实施方式中不再重复描述其他部件如压电材料层和凹入部等。相关描述可以参考针对图1A所示的实施方式的描述。
根据本公开内容的第一实施方式的滤波器10还可以包括覆盖部7。覆盖部7可以与堤坝结构3的顶部键合，从而将三明治结构封闭于其中。对于本领域技术人员而言，覆盖部7的具体形状和结构并不限于所示形状和结构，而是可以根据实际要求改变其形状和结构。
与现有技术不同，在制造本申请的滤波器的过程中直接借助刻蚀和沉积工艺在压电材料层周围形成伸入衬底中的堤坝结构。在不增加制造成本的条件下，堤坝结构3形成了更有效的密封结构。堤坝结构3伸入衬底内部的第二部分阻断了湿气侵入而显著地提升了滤波器的抗湿性能。
在此，堤坝结构3的第一部分和第二部分的下端伸入衬底内部的深度可以根据具体制备过程而加以设定。图1B中仅示意性地示出了堤坝结构3的第一部分31和第二部分32的不平齐的顶部，在未示出的替选实施方式中，与图1A和1B中所示不同，第一部分31和第二部分32的顶部可以是平齐的。
在根据本公开内容的第一实施方式的滤波器10工作时，将高频电压信号施加到底电极5和顶电极6，由此沿着压电材料层的内侧产生体波。同时根据压电材料层的厚度，以相应的频率引发谐振。
对薄膜腔声谐振滤波器而言，压电材料层4可以包含AlN、ZnO或PzT等。而对于声表面波滤波器而言，压电材料层可以包含LiTaO3，LiNbO3或SiO2等。
在一个实施方式中，衬底1可以包含硅基材料。衬底1还可以包含蓝宝石或碳化硅。
在一个实施方式中，堤坝结构3可以包含电导率低、传热性好和密封性好的材料。堤坝结构3的材料可以包含陶瓷、塑料、金属或金属基复合材料等。
以图1A所示的滤波器的结构为例，图2A至2O示出了这种滤波器的制造方法。该制造方法包括：提供衬底1，在衬底1上形成一个或多个谐振器；和在衬底1上形成一个堤坝结构，所述堤坝结构围绕所述一个或多个谐振器设置，且堤坝结构伸入衬底内部。
在衬底1上形成一个或多个谐振器包括如下步骤：
在提供衬底1之后，如图2A所示，在衬底上形成凹槽，在凹槽内沉积牺牲层，在牺牲层上沉积种子层401。种子层可以是AlN。随后在种子层401上沉积底电极层501。底电极层可以是能导电且满足沉积工艺要求的任何材料。
如图2B所示，在底电极层501上涂覆具有光刻胶G1。随后，通过掩模M1借助光刻来刻蚀底电极层501和种子层401。尤其借助干法刻蚀进行光刻。由此，形成底电极5，通过调整掩膜M1的设置，使端部的底电极5被部分刻蚀，露出两端的种子层。如图2C所示。底电极的形状取决于掩模M1和光刻胶G1的图案。进一步借助湿法刻蚀，去除露出的种子层，如图2D所示。在形成底电极5之后可以去除光刻胶G1。
在底电极层5和衬底1的通过刻蚀露出的表面上沉积压电材料层4，并且在压电材料层4上沉积顶电极层601。可选地，在顶电极层601上沉积保护层602，在沉积各层的过程中通过CMP等工艺使保护层602、顶电极层601、压电层4的两端高度低于中间高度。图2E示出了沉积了顶电极层601和保护层602的示例性实施方式。类似于底电极层，顶电极层也可以是能导电且满足沉积工艺要求的任何材料。顶电极层的材料可以与底电极层的材料相同。替选地，顶电极层的材料也可以与底电极层的材料不同。
在保护层602上涂覆光刻胶G2，如图2F中所示。通过光刻，刻蚀保护层602和顶电极层601，以形成顶电极6和钝化层11，随后去除光刻胶G2，如图2G中所示，此时压电层的两端高度低于其中间高度。
在露出的压电材料层4和钝化层11上涂覆光刻胶G3。借助掩模M2通过光刻来刻蚀钝化层11，使得部分露出顶电极6，通过调整掩膜M2的设置，在刻蚀钝化层的同时对两端的压电层进行刻蚀。如图2H中所示。如图2I所示，去除光刻胶G3。
在衬底1上形成一个堤坝结构3包括：
在压电材料4和钝化层11上涂覆光刻胶G4，如图2J中所示。光刻胶G4的涂覆形状决定了之后形成的堤坝结构的形状。可以根据具体应用来进行光刻胶G4的涂覆。在涂覆光刻胶G4之后，对压电层进行刻蚀，由于压电层的两端高度低于中间高度，当压电层中间刻蚀至底电极5时，两端已刻蚀至衬底1的内部，如图2K中所示。在图2K中可看到，底电极5、顶电极6和与夹于其中的压电材料层4构成谐振器的三明治结构。
刻蚀到衬底内部的深度可在0至20μm的范围内。所述深度优选为2μm、4μm、6μm、8μm、12μm。
在压电材料层4和钝化层11上涂覆光刻胶G5，如图2L所示。接着在露出的衬底和底电极上进行键合层沉积，键合层在端部伸入衬底内部，从而形成堤坝结构3，如图2M中所示。接着，去除光刻胶G5，如在图2N中所示。
如图2O所示，在形成堤坝结构3之后，在堤坝结构3的顶部上键合覆盖部7。覆盖部7与所述堤坝结构3实现对谐振器的密封。对于本领域技术人员而言，覆盖部7的具体形状和结构并不限于所示形状和结构，而是可以根据实际要求改变其形状和结构。
由此制造的根据本公开内容的一个或多个滤波器可以使用在电子装置中。
尽管参照本公开内容的示例性实施方式描述了本公开内容，但是本领域技术人员将理解，在不偏离权利要求中阐述的本公开内容的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

Claims (7)

1.一种滤波器，包括：
衬底，
设置于衬底上的一个或多个谐振器，其特征在于，
衬底上设有环绕所述一个或多个谐振器的堤坝结构，所述堤坝结构伸入衬底内部，所述衬底包含硅基材料；
其中，
所述堤坝结构包括在水平方向上设置的第一部分和第二部分，所述第一部分或所述第二部分中的一个的下端延伸至所述衬底内部，所述堤坝结构未延伸至衬底内部的部分设置于电极之上；
所述滤波器还包括覆盖部，所述覆盖部与所述堤坝结构的第一部分或第二部分的顶部键合连接。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述下端伸入至所述衬底内部的深度在0至20μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于，所述堤坝结构的第一部分和/或第二部分包括键合金属。
4.根据权利要求1或2所述的滤波器，其中，所述第一部分在水平方向上与所述第二部分邻接，第一部分在水平方向上与压电材料层邻接。
5.一种滤波器的制造方法，包括如下步骤：
提供硅基衬底，
在衬底上形成一个或多个谐振器；
在衬底上形成一个堤坝结构，所述堤坝结构环绕所述一个或多个谐振器设置，且堤坝结构伸入衬底内部；
其中在所述衬底上形成堤坝结构包括：在水平方向上在所述衬底上形成第一部分或第二部分，使得所述第一部分或第二部分中的一个的下端延伸至衬底内部；所述堤坝结构未延伸至衬底内部的部分形成于电极之上；
在所述堤坝结构上键合形成覆盖部，其中所述覆盖部与所述堤坝结构实现对谐振器的密封。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述下端延伸至所述衬底内部的深度在0至20μm的范围内。
7.一种电子装置，其包括一个或多个根据权利要求1至4中任一项所述的滤波器。
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