CN114826196A - 一种可调谐的薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可调谐的薄膜体声波谐振器及其制备方法，涉及微电子技术领域。该可调谐的薄膜体声波谐振器，包括衬底，以及依次设置于所述衬底上的底电极、压电层和顶电极，所述衬底设置有凹槽以与所述底电极之间形成空腔，所述底电极、所述压电层和所述顶电极在所述衬底上的正投影的共同部分与所述空腔在所述衬底上的正投影的交叠区域作为有效振动区，所述压电层上开设有容置槽，所述容置槽在所述衬底上的正投影与所述空腔在所述衬底上的正投影交叠，且所述容置槽内填充有介电质，以使所述容置槽处形成电容结构。能够提升Q值，以提升收发机的性能。
Description
技术领域
本申请涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种可调谐的薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波滤波器因为频率及承受功率等的限制，将越来越无法达到这样的标准。薄膜体声波谐振器(Film BulkAcoustic Resonator，FBAR)由于其高工作频率、具有CMOS工艺兼容、高品质因数Q值、低损耗、低温度系数、高功率承载能力、可集成及体积小等特性逐渐成为射频滤波器研究的热点，并在无线通信领域得到了广泛的应用。
薄膜体声波谐振器的谐振频率由其厚度决定，其厚度必须精确的控制，以便获得所需的谐振频率，但在薄膜体声波谐振器的加工过程中，很容易出现加工误差。加工后的薄膜体声波谐振器的谐振频率往往没有达到期望值，因此需要通过调谐(电调)来校正薄膜体声波谐振器的谐振频率。
现有的薄膜体声波谐振器电调技术主要有:使用外接LC电路或PIN可变电容来实现电调，或利用铁电体在不同偏压下介电常数的变化来调谐。但是上述方法都需要采用体积较大的电子元器件，不能集成到芯片中，只能作为分立器件外接于芯片，这种外加电子元器件的形式使得电容电感的值的射频电路等分布效应很明显、Q值很低，极大影响收发机的性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种可调谐的薄膜体声波谐振器及其制备方法，能够提升Q值，以提升收发机的性能。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例的一方面，提供一种可调谐的薄膜体声波谐振器，包括衬底，以及依次设置于所述衬底上的底电极、压电层和顶电极，所述衬底设置有凹槽以与所述底电极之间形成空腔，所述底电极、所述压电层和所述顶电极在所述衬底上的正投影的共同部分与所述空腔在所述衬底上的正投影的交叠区域作为有效振动区，所述压电层上开设有容置槽，所述容置槽在所述衬底上的正投影与所述空腔在所述衬底上的正投影交叠，且所述容置槽内填充有介电质，以使所述容置槽处形成电容结构。
可选地，位于所述有效振动区内的所述底电极和所述顶电极的形状相同。
可选地，位于所述有效振动区内的所述底电极的面积大于所述压电层的面积。
可选地，所述介电质为空气、二氧化硅或碳化硅。
可选地，所述有效振动区设置有贯穿所述底电极、所述压电层和所述顶电极的释放孔，所述释放孔与所述容置槽的正投影相对应，或，偏离所述容置槽。
本申请实施例的另一方面，提供一种可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成底电极和压电层；
在所述压电层上刻蚀形成容置槽，并在所述容置槽内填充填充物；
在所述压电层上形成顶电极，以使所述底电极、所述填充物和所述顶电极之间形成电容结构。
可选地，所述在所述衬底上依次形成底电极和压电层之前，所述方法还包括：
在所述衬底上刻蚀出凹槽；
在所述凹槽内沉积牺牲层。
可选地，所述在所述衬底上依次形成底电极和所述压电层包括：
在所述衬底上沉积底电极层；
对所述底电极层图案化，以形成所述底电极；
在所述底电极上沉积压电层。
可选地，所述在所述压电层上形成顶电极之后，所述方法还包括：
在所述底电极、所述压电层和所述顶电极上刻蚀与所述牺牲层导通释放孔；
通过所述释放孔去除所述牺牲层以形成空腔。
可选地，所述在所述压电层上形成顶电极之后，所述方法还包括：
所述底电极、所述填充物和所述顶电极上刻蚀将填充物与牺牲层导通的释放孔；
通过所述释放孔去除所述容置槽内的填充物和所述凹槽内的牺牲层。
本申请实施例的有益效果包括：
本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器及其制备方法，通过衬底，以及依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极，利用压电层的逆压电效应，将顶电极和底电极处的电能量转换成声波而形成谐振。同时，通过在衬底上设置凹槽以与底电极之间形成空腔，以提升谐振的灵敏度。同时，通过在压电层上设置与空腔在衬底上的正投影相交叠的容置槽，以使顶电极、容置槽内填充的介电质和底电极之间形成电容结构，且该电容结构与薄膜体声波谐振器的有效振动区并联，以便于通过上述电容结构改变薄膜体声波谐振器的稳态电容值，从而改变薄膜体声波谐振器的并联谐振频率，实现对薄膜体声波谐振器并联谐振频率的连续性调谐。采用上述形式，在实现连续性调谐时，无需采用分离的元器件，直接集成于薄膜体声波谐振器内，有利于降低分布效应，提升Q值，进而提升收发机的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之一；
图2为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之二；
图3为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之三；
图4为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之四；
图5为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之五；
图6为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之六；
图7为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之七；
图8为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之八；
图9为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之九。
图标：110-衬底；112-凹槽；120-牺牲层；130-底电极；140-压电层；142-容置槽；150-填充物；160-顶电极；170-释放孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
请参照图8和图9，本实施例提供一种可调谐的薄膜体声波谐振器，包括衬底110，以及依次设置于衬底110上的底电极130、压电层140和顶电极160，衬底110设置有凹槽112以与底电极130之间形成空腔，底电极130、压电层140和顶电极160在衬底110上的正投影的共同部分与空腔在衬底110上的正投影的交叠区域作为有效振动区，压电层140上开设有容置槽142，容置槽142在衬底110上的正投影与空腔在衬底110上的正投影交叠，且容置槽142内填充有介电质，以使容置槽142处形成电容结构。
具体的，通过在衬底110凹槽112以与底电极130之间形成空腔，以便于有效振动区内底电极130、压电层140和顶电极160之间更好的配合，以提升振动的灵敏度。需要说明的是，压电层140上开设的容置槽142与在衬底110上的正投影与空腔在衬底110上的正投影可以全部交叠，也可以部分交叠，在实际的实施过程中，可以根据需要灵活设置。
另外，衬底110作为承载压电震荡堆(有效振动区内层叠的底电极130、压电层140和顶电极160结构)的基材，可采用硅衬底或蓝宝石衬底等。压电层140的材质可以是AlN、ScAlN、ZnO、PZT、LiNbO3、LiTaO3中的一种。
本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器，通过衬底110，以及依次设置于衬底110上的底电极130、压电层140和顶电极160，利用压电层140的逆压电效应，将顶电极160和底电极130处的电能量转换成声波而形成谐振。同时，通过在衬底110上设置凹槽112以与底电极130之间形成空腔，以提升谐振的灵敏度。同时，通过在压电层140上设置与空腔在衬底110上的正投影相交叠的容置槽142，以使顶电极160、容置槽142内填充的介电质和底电极130之间形成电容结构，且该电容结构与薄膜体声波谐振器的有效振动区并联，以便于通过上述电容结构改变薄膜体声波谐振器的稳态电容值，从而改变薄膜体声波谐振器的并联谐振频率，实现对薄膜体声波谐振器并联谐振频率的连续性调谐。采用上述形式，在实现连续性调谐时，无需采用分离的元器件，直接集成于薄膜体声波谐振器内，有利于降低分布效应，提升Q值，进而提升收发机的性能。
在本申请的可选实施例中，位于有效振动区内的底电极130和顶电极160的形状相同。
具体的，由于顶电极160和底电极130不仅作为压电层140的导通电极，还需要作为电容结构的电极板使用，通过将有效振动区内的底电极130和顶电极160的形状设置为相同，以最大限度的利用顶电极160和底电极130，有利于提升空间利用率。
在本申请的可选实施例中，位于有效振动区内的底电极130的面积大于压电层140的面积。
通过在压电层140上开设容置槽142，由于容置槽142在衬底110上的正投影与空腔在衬底110上的正投影交叠，使得容置槽142的至少部分区域位于有效振动区内的压电层140，从而使此处压电层140的面积变小，并形成电容结构，以实现所需的连续性调谐。
在本申请的可选实施例中，介电质为空气、二氧化硅或碳化硅。在具体的实施过程中，可以在容置槽142内填充填充物150，并将该填充物150作为介电质使用，也可以在完成顶电极160的沉积之后，再将填充物150去除，采用空气作为介电质。
请参照图8和图9，有效振动区设置有贯穿底电极130、压电层140和顶电极160的释放孔170，释放孔170与容置槽142的正投影相对应，或，偏离容置槽142。
具体的，释放孔170的主要作用是清除衬底110内填充的牺牲层120，以形成所需的空腔结构，在清除牺牲层120时，如果将释放孔170与容置槽142在衬底110上的正投影相对应，释放孔170也能够将容置槽142内填充的填充物150去除，以使空气作为介电质。如果释放孔170偏离容置槽142设置时，只需要将凹槽112内的牺牲层120去除掉形成空腔结构即可。
如图1至图7所示，本申请实施例还提供一种可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，该方法包括：
S100、提供衬底110。
S200、在衬底110上依次形成底电极130和压电层140。
S300、在压电层140上刻蚀形成容置槽142，并在容置槽142内填充填充物150。
S400、在压电层140上形成顶电极160，以使底电极130、填充物150和顶电极160之间形成电容结构。
具体的，通过在衬底110上依次形成底电极130和压电层140，以使底电极130与压电层140之间导通。通过在压电层140上刻蚀形成容置槽142，并在容置槽142内填充填充物150，在压电层140上形成顶电极160之后，就能够底电极130、填充物150和顶电极160之间形成电容结构，以实现调谐的目的。
在本申请的可选实施例中，如图1和图2所示，上述在衬底110上依次形成底电极130和压电层140之前，该方法还包括：
S110、在衬底110上刻蚀出凹槽112。
S120、在凹槽112内沉积牺牲层120。
具体的，通过在凹槽112内沉积牺牲层120，在需要将衬底110与底电极130之间形成空腔时，只需要将牺牲层120去除即可，后利于保证后续工艺步骤的正常实施。
在本申请的可选实施例中，如图3和图4所示，上述在衬底110上依次形成底电极130和压电层140包括：
S210、在衬底110上沉积底电极层；
S220、对底电极层图案化，以形成底电极130；
S230、在底电极130上沉积压电层140。
具体的，在形成底电极130时，可先在衬底110上沉积底电极层，并对底电极层图案化，以形成所需的底电极130结构，在形成所需的底电极130之后，就可以在底电极130上沉积压电层140，以便于对可调谐的薄膜体声波谐振器进行制备。
在本申请的可选实施例中，如图7和图9所示，上述在压电层140上形成顶电极160之后，该方法还包括：
在底电极130、压电层140和顶电极160上刻蚀与牺牲层120导通释放孔170。通过释放孔170去除牺牲层120以形成空腔。
具体的，衬底110与底电极130之间形成的空腔，有利于利用空腔将声波反射回薄膜体声波谐振器内部，大幅度削减能量从薄膜体声波谐振器泄露，保证薄膜体声波谐振器的性能。此时，释放孔170避开填充物150所在位置，以使填充物150自身作为介电质使用，以形成所需的电容结构。
在本申请的另一可选实施例中，如图7和图8所示，上述在压电层140上形成顶电极160之后，该方法还包括：
底电极130、填充物150和顶电极160上刻蚀将填充物150与牺牲层120导通的释放孔170；通过释放孔170去除容置槽142内的填充物150和凹槽112内的牺牲层120。
此时，释放孔170与填充物150所在位置相对应，并贯穿填充物150，在后续去除牺牲层120的过程中，同时将填充物150去除，以使容置槽142内填充空气作为介电质使用，以形成所需的电容结构。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调谐的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括衬底，以及依次设置于所述衬底上的底电极、压电层和顶电极，所述衬底设置有凹槽以与所述底电极之间形成空腔，所述底电极、所述压电层和所述顶电极在所述衬底上的正投影的共同部分与所述空腔在所述衬底上的正投影的交叠区域作为有效振动区，所述压电层上开设有容置槽，所述容置槽在所述衬底上的正投影与所述空腔在所述衬底上的正投影交叠，且所述容置槽内填充有介电质，以使所述容置槽处形成电容结构。
2.根据权利要求1所述的可调谐的薄膜体声波谐振器，其特征在于，位于所述有效振动区内的所述底电极和所述顶电极的形状相同。
3.根据权利要求2所述的可调谐的薄膜体声波谐振器，其特征在于，位于所述有效振动区内的所述底电极的面积大于所述压电层的面积。
4.根据权利要求2所述的可调谐的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述介电质为空气、二氧化硅或碳化硅。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的可调谐的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述有效振动区设置有贯穿所述底电极、所述压电层和所述顶电极的释放孔，所述释放孔与所述容置槽的正投影相对应，或，偏离所述容置槽。
6.一种可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成底电极和压电层；
在所述压电层上刻蚀形成容置槽，并在所述容置槽内填充填充物；
在所述压电层上形成顶电极，以使所述底电极、所述填充物和所述顶电极之间形成电容结构。
7.根据权利要求6所述的可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次形成底电极和压电层之前，所述方法还包括：
在所述衬底上刻蚀出凹槽；
在所述凹槽内沉积牺牲层。
8.根据权利要求6或7所述的可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次形成底电极和所述压电层包括：
在所述衬底上沉积底电极层；
对所述底电极层图案化，以形成所述底电极；
在所述底电极上沉积压电层。
9.根据权利要求7所述的可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述压电层上形成顶电极之后，所述方法还包括：
在所述底电极、所述压电层和所述顶电极上刻蚀与所述牺牲层导通释放孔；
通过所述释放孔去除所述牺牲层以形成空腔。
10.根据权利要求7所述的可调谐的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述压电层上形成顶电极之后，所述方法还包括：
所述底电极、所述填充物和所述顶电极上刻蚀将填充物与牺牲层导通的释放孔；
通过所述释放孔去除所述容置槽内的填充物和所述凹槽内的牺牲层。
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