CN114421909A - 优化fbar空腔平坦化缺陷的方法及空腔型fbar和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，包括：基底表面具有空腔，在所述空腔内沉积牺牲层；平坦化牺牲层以使得所述牺牲层表面碟形坑为正值得到平坦化器件；将平坦化器件加热至1000℃‑1200℃退火30min‑60min得到热处理器件；在热处理器件表面溅射一层TaN，利用化学机械抛光法抛光TaN层至基底表面得到第二平坦化器件；在所述第二平坦化器件表面沉积压电振荡堆和金属pad层，去除牺牲层得到空腔型FBAR。该方法能够使得FBAR谐振器具有较为电极稳定的结构，较高Q值。本发明还公开了采用该方法制备的FBAR谐振器，以及该FBAR谐振器在制备圆晶片上的应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体制作技术领域，具体涉及一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法及空腔型FBAR和应用。
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。
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。
实际的空腔型FBAR的制造工艺中会涉及：1、空腔的制造；2、牺牲层的填充；3、牺牲层磨平；4、表面制造电极和后续工艺；5、牺牲层的释放。前三部的表面平整性控制会决定后面器件性能的好坏。而实际的化学机械抛光(CMP)工艺会因为空腔内部和硅衬底去除率的差异产生如图1b所示的碟形坑(Dishing)截面，和因为边缘化学腐蚀而产生的犬牙缺陷(Fang defect)，截面如图1a，和如图1c所示，为腐蚀坑缺陷(Erosion)。碟形坑(Dishing)的大小可以通过调节研磨液(slurry)的PH和磨料浓度或优化化学修正(buff)时间来控制。Fang defect则相对来说在业界普遍较难解决。Fang defect会导致空腔边缘处有台阶，如图2所示，显微镜下，器件平面图的黑边为的Fang defect。
因此亟需研发一种工艺，在FBAR的制造过程中减少Fang defect和Dishing，防止上述缺陷影响下电极成膜的平整性而损失器件Q值，甚至在牺牲层释放后因为电极结构的不稳定而塌陷。
发明内容
本发明提供了一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，该方法能够使得FBAR谐振器具有较少的Fang defect和Dishing缺陷，达到电极结构稳定，较高Q值的目的。
一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，包括：
提供基底，所述基底内具有空腔，在所述空腔内沉积牺牲层；
利用化学机械抛光法，平坦化牺牲层使得所述牺牲层表面碟形坑值为正值以得到第一平坦化器件；
将第一平坦化器件进行热处理得到热处理器件，所述热处理工艺为：加热至1000℃-1200℃退火30min-60min；
在热处理器件表面溅射一层惰性合金层，利用化学机械抛光法抛光惰性合金层至基底表面得到第二平坦化器件；在所述第二平坦化器件表面沉积压电振荡堆和金属pad层，然后去除牺牲层得到空腔型FBAR。
本发明通过热处理工艺使得牺牲层具有柔性以填充Fang defect造成的台阶，由于惰性合金层为惰性材料较困难与牺牲层、基底发生电化学或化学反应而形成新的台阶，因此在热处理器件表面沉积一层惰性合金层以填充剩余的台阶空间，基于上述工艺，使得本发明提供的空腔型FBAR存在较少的Fang defect和Dishing缺陷，具有较高的Q值和稳定的结构。
所述的基底材料为硅、碳化硅、石英片或钼酸锂。所述的牺牲层材料为掺杂磷氧化硅(PSG)、α-Si或单晶硅。在所述热处理温度下，所述的基底材料状态不变，牺牲层变为具有一定的流动性从而能够填充Fang defect造成的台阶。
所述的空腔的深度高于或等于所述的牺牲层的厚度。
所述的空腔的深度为1μm-10μm。
所述的牺牲层的厚度为2μm-20μm。
所述的空腔的深度高于或等于所述的牺牲层的厚度，所述的空腔的深度为1μm-10μm，所述的牺牲层的厚度为2μm-20μm。
所述的Dishing值为30nm-200nm。
所述的TaN层的厚度为30nm-200nm。
所述的压电振荡堆包括第一电极、单晶压电薄膜和第二电极，所述第一电极形成于基底和牺牲层表面，第二电极形成于单晶压电薄膜表面，金属pad层分别位于第一电极和第二电极上。
所述的金属pad层分为第一金属pad层和第二金属pad层，第一金属pad层穿过单晶压电薄膜位于第一电极上，且与第二电极相隔；
所述的平坦化牺牲层以使得所述牺牲层表面碟形坑为正值得到第一平坦化器件的化学机械抛光法工艺参数为：悬浮液pH为8.0-10.3，抛光压力：4psi-6psi，牺牲层抛光速率为6000A/min-9000A/min。
所述的抛光惰性合金层至基底表面得到第二平坦化器件的化学机械抛光法工艺参数为：研磨液pH为10-12，抛光压力：4psi-6psi，惰性合金层去除速率为400A/min-600A/min，所述惰性合金层为TaC、TiN或CrN层。
利用所述的一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备空腔型FBAR，所述的空腔型FBAR的Q值为1600-2500。
所述的空腔型FBAR在制备圆晶片上的应用。
犬牙缺陷会导致溅射层第一电极不连续，或存在台阶缺陷，在下方牺牲层被释放之后，连接处的支撑力不足，导致压电三明治结构塌陷到空腔内部，造成器件失效，本发明通过较少犬牙缺陷，使得空腔型FBAR具有较高的Q值，进而提高圆晶片产品良率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过热处理工艺控制牺牲层的流动性来填充Fang造成的台阶，然后利用TaN的惰性来进一步的平坦化牺牲层，减少Fang缺陷，提高空腔型FBAR的Q值，以及提高空腔型FBAR的结构稳定性，使得基于空腔型FBAR制备的圆晶片具有较高的良品率。
附图说明
图1为背景技术中提供的三种常见CMP缺陷类型图，其中，图1a为Fang defect，图1b为Dishing缺陷，图1c为腐蚀坑缺陷(Erosion)；
图2为背景技术中提供的FBAR中的牺牲层中的Fang defect显微照片；
图3为实施例1提供的在硅片上刻蚀空腔并生长牺牲层PSG的刨面图；
图4为实施例1提供的化学机械抛光(CMP)平坦化牺牲层后的刨面图；
图5为实施例1提供的平坦化牺牲层经过高温退火后的刨面图；
图6为实施例1提供的在热处理器件表面物理溅射一层TaN后的刨面图；
图7为实施例1提供的利用CMP抛光TaN表面之后的刨面图；
图8为对比例1制备的FBAR中的牺牲层表面台阶仪数据图；
图9为实施例1提供的采用优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备的第二平坦化器件表面的台阶仪数据图；
图10实施例1提供的采用优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备的第二平坦化器件的牺牲层平面显微镜照片。
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。
实施例1
一种采用优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备的空腔FBAR工艺过程：
(1)如图3所示，在基底上光刻刻蚀面积为200um*200um的空腔，所述基底为6寸硅片，空腔深度为3um，刻蚀气体为SF6、CF4或N2，采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)方法在空腔沉积厚度为5±0.2um的PSG牺牲层，其中，磷的含量控制在4±0.5％，合适的磷含量会加快释放速率。
(2)如图4所示，利用CMP抛光牺牲层，使得牺牲层平坦化，其中，研磨液为Z40，pH调节为10.3，抛光速率为7200A/min，使得Dishing值为100nm-200nm，表面粗糙度为0.6nm；
(3)如图5所示，将平坦化后的器件放入高温炉中加热至1000℃-1200℃退火30min-60min，以改变PSG的流动性，使得流动的PSG填充Fang defect造成的台阶；
(4)如图6所示，在热处理后的器件表面物理溅射一层TaN，TaN层的厚度为150nm，厚度均一性(TTV)＝3nm，以进一步的填充剩余的台阶；
(5)如图7所示，利用CMP抛光TaN层，并去除大部分的TaN，去除率为300±10A/min，抛光至硅片表面得到第二平坦化器件，如图9所示，Fang defect角基本消失，图中的牺牲层区凸起为Dishing所致，可以加抛减小Dishing，不影响Fang角的评估，如图10所示，平面显微镜照片中没有再出现‘黑边’缺陷。表明Fang defect控制很好；
(6)在第二平坦化器件的牺牲层表面利用磁控溅射法沉积第一电极，所述第一电极为钼，第一电极表面利用磁控溅射法沉积单晶压电薄膜，单晶压电薄膜内设有第一通孔和第二通孔，向第一通孔内施加第一金属pad层，金属pad层的材料为金，使得第一金属pad层与第一电极相连，向第二通孔内加入HF蚀溶液，采用熏蒸方法去除牺牲层形成空腔，单晶压电薄膜表面施加第二电极层，在第二电极层表面沉积第二金属pad层获得空腔型FBAR，空腔型FBAR的Q值为2400。
对比文件1
与上述实施例1相比不同之处为：实施例1步骤(2)利用CMP抛光牺牲层，使得牺牲层平坦化后，直接进行步骤(6)得到空腔型FBAR，如图8所示，CMP抛光的牺牲层中的Fangdefect角很明显，深宽比约为80nm/50um。
应用例：
空腔型FBAR在制备圆晶片上的应用
1)对硅衬底进行清洗，使用丙酮和异丙醇超声水洗，硅衬底300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301；
3)在含空腔的衬底300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，并通过上述实施例方法对牺牲层进行平坦化，并通过TaN的二次填充平坦化工艺完成犬牙缺陷的修复；
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305；
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302；
7)在6)通过光刻图形化显影留出非压电区种子层309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306，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 303。
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307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304；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301。
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。
Claims (10)
1.一种优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底内具有空腔，在所述空腔内沉积牺牲层；
利用化学机械抛光法，平坦化牺牲层使得所述牺牲层表面碟形坑值为正值以得到第一平坦化器件；
将第一平坦化器件进行热处理得到热处理器件，所述热处理工艺为：加热至1000℃-1200℃退火30min-60min；
在热处理器件表面溅射一层惰性合金层，利用化学机械抛光法抛光惰性合金层至基底表面得到第二平坦化器件；在所述第二平坦化器件表面沉积压电振荡堆和金属pad层，然后去除牺牲层得到空腔型FBAR。
2.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的基底材料为硅、碳化硅、石英片或钼酸锂。
3.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的牺牲层材料为掺杂磷氧化硅、α-Si或单晶硅。
4.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的牺牲层的厚度为2μm-20μm。
5.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的碟形坑值为30nm-200nm。
6.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的压电振荡堆包括第一电极、单晶压电薄膜和第二电极，所述第一电极形成于基底和牺牲层表面，第二电极形成于单晶压电薄膜表面，金属pad层分别位于第一电极和第二电极上。
7.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的平坦化牺牲层以使得所述牺牲层表面碟形坑为正值得到第一平坦化器件的化学机械抛光法工艺参数为：悬浮液pH为8.0-10.3，抛光压力为4psi-6psi，牺牲层抛光速率为6000A/min-9000A/min。
8.根据权利要求1所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法，其特征在于，所述的抛光惰性合金层至基底表面得到第二平坦化器件的化学机械抛光法工艺参数为：研磨液pH为10-12，抛光压力：4psi-6psi，惰性合金层去除速率为400A/min-600A/min，所述惰性合金层为TaC、TiN或CrN层。
9.根据权利要求1-8任一项所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备空腔型FBAR，其特征在于，所述的空腔型FBAR的Q值为1600-2500。
10.根据权利要求9所述的优化FBAR空腔平坦化工艺缺陷的方法制备空腔型FBAR在制备圆晶片上的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202111483158.5A CN114421909A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 优化fbar空腔平坦化缺陷的方法及空腔型fbar和应用 |
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| CN114421909A true CN114421909A (zh) | 2022-04-29 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114421909A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102022110631A1 (de) | 2022-01-27 | 2023-07-27 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Verfahren zum bilden einer unteren-elektroden-durchkontaktierung für eine speichervorrichtung |
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2021
- 2021-12-07 CN CN202111483158.5A patent/CN114421909A/zh active Pending
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