CN114978083A - 薄膜体声波谐振器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制备工艺，制备工艺包括：制作衬底，在衬底上刻蚀凹槽并在凹槽内填充释放材料；在衬底上连续依次形成下电极、压电层和上电极，构建覆盖释放材料的压电薄膜堆叠结构；图形化上电极和压电层，以使上电极和压电层在垂直于衬底方向上的投影位于凹槽的边缘之内；图形化下电极，下电极的一部分搭接衬底。本发明主要以提升薄膜体声波谐振器的品质因数Q值为主要目的，从膜层表面粗糙度、以及薄膜体声波谐振器界的能量泄露两个方面进行优化，避免了因为电极连接产生的寄生问题，通过仿真证明Q值确实得到较高的提升。

Description

薄膜体声波谐振器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，尤其是涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备工艺。

背景技术

随着移动通信技术的发展，移动数据传输量也迅速上升，由于频率资源有限，无线功率发射设备的发射功率成了必须考虑的问题，同时对移动通信设备前端电路中滤波器功率的要求也越来越高。近年来发展起来的基于半导体微加工工艺技术的薄膜体声波谐振器(FBAR)具有相比传统的声表面波(SAW)器件、石英晶体谐振器和陶瓷介质器件都要高的工作效率(1-10GHz)，此外薄膜体声波谐振器具有体积小、品质因数(Q值)高、损耗低等优点，因此薄膜体声波谐振器在无线通信方面具有十分广阔的发展和应用前景。其中Q值是薄膜体声波谐振器的关键性能指标，用来判断声波的损失情况。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

影响薄膜体声波谐振器的品质因数Q值的主要因素有：薄膜本身品质的好坏，主要受薄膜材料本身的影响；薄膜表面的粗糙度，电极和压电层薄膜表面较大的粗糙度会造成声波的散射损失，造成Q值的下降；声波的泄露，声波在薄膜体声波谐振器结构的边界处的泄漏，或谐振器在连接时声波泄露到非谐振区，也会降低谐振器的Q值。其中，薄膜体声波谐振器目前多数选用ALN为压电材料，Moly为电极材料，所以薄膜材料本身对品质因数的影响本发明暂不做研究。

发明人发现，由于薄膜体声波谐振器具有多个膜层，相关技术对薄膜体声波谐振器的加工工艺中，在每个膜层沉积后需要经过涂胶、光刻、刻蚀、去胶等工艺，多项工艺步骤会对膜层表面在一定程度上产生腐蚀，加大了膜层表面的粗糙度，造成声波能量的损失，降低了Q值。

此外，发明人还发现，薄膜体声波谐振器中上下电极在空腔内投影的重合区域属于有效谐振面积，但是在谐振器连接边处会有部分重合区域落在空腔之外，导致声波泄露到非谐振区域而产生寄生，进而降低薄膜体声波谐振器的品质因数Q值。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种提升薄膜体声波谐振器的品质因数Q值的制备工艺。

本发明的实施例还提出一种薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器具有较高的品质因数Q值。

本发明的实施例提出的薄膜体声波谐振器的制备工艺，包括以下步骤：

制作衬底，在所述衬底上刻蚀凹槽并在所述凹槽内填充释放材料；

在所述衬底上连续依次形成下电极、压电层和上电极，构建覆盖所述释放材料的压电薄膜堆叠结构；

图形化所述上电极和所述压电层，以使所述上电极和所述压电层在垂直于所述衬底方向上的投影位于所述凹槽的边缘之内；

图形化所述下电极，所述下电极的一部分搭接所述衬底。

本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备工艺具有以下有益效果：

压电薄膜堆叠结构连续沉积，区别与常规的加工流程，避免了膜层表面受损导致的粗糙度变大，进而避免了品质因数Q值的下降；

优化上电极及压电层图形，压电层材料与上电极材料采用同一块光罩板进行刻蚀，且光罩板图形在衬底凹槽图形之内，使有效谐振区域全部落在空腔之内，避免了因为电极连接产生的寄生问题，有效提升了薄膜体声波谐振器的品质因数Q值，减少了声波损失。

可选地，提供所述衬底步骤中，所述衬底为高阻硅片。

可选地，在所述衬底上刻蚀凹槽并在所述凹槽内填充释放材料之后，进一步包括步骤：

采用抛光工艺将所述释放材料与所述衬底进行磨平，使所述释放材料的上表面与所述衬底上表面平齐。

可选地，图形化所述上电极和所述压电层之前，还包括步骤：

在所述上电极上形成边框层，图形化所述边框层以形成边框图形。

可选地，图形化所述上电极和所述压电层之后，所述边框层的外边缘、所述上电极的边缘和所述压电层的边缘平齐。

可选地，图形化所述上电极和所述压电层的步骤具体包括：

在所述上电极上形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层以形成镂空图形；

以图形化的所述光刻胶层为掩膜，对所述上电极和所述压电层进行刻蚀。

可选地，图形化后的所述上电极的边缘和所述压电层的边缘平齐。

可选地，图形化所述下电极之后，还包括步骤：

形成隔离所述上电极和所述下电极的绝缘层；

刻蚀所述绝缘层，形成连通所述上电极的上电极开口和连通所述下电极的下电极开口；

形成金属层，所述金属层连接所述上电极和所述下电极；

释放所述释放材料形成空腔，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。

可选地，对所述释放材料进行湿法释放，在所述形成绝缘层之前，包括步骤：

形成保护层，并且在刻蚀所述绝缘层以形成所述上电极开口和所述下电极开口步骤中，还包括对所述保护层进行刻蚀。

本发明另一方面实施例提供的薄膜体声波谐振器，采用上述薄膜体声波谐振器的制备工艺制成。

附图说明

图1是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的结构示意图。

图2是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的俯视图。

图3-图10是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的制备过程中的结构示意图。

图11是相关技术中的薄膜体声波谐振器的导纳曲线。

图12是相关技术中的薄膜体声波谐振器的Q值仿真曲线。

图13是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的导纳曲线。

图14是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的Q值仿真曲线。

附图标记：

衬底100、释放材料101、下电极102、压电层103、上电极104、边框层105、绝缘层106、上电极开口107、下电极开口108、金属层109、空腔110。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图10描述本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备工艺的具体步骤，其中图1为本发明实施例的薄膜体声波谐振器的结构示意图，图2是本发明实施例的薄膜体声波谐振器的俯视图，图3-图10为本发明实施例的薄膜体声波谐振器的制备过程中的结构示意图。

步骤1：制备衬底100，衬底100的选择为本领域技术人员所熟悉，例如衬底100可以为单晶的硅衬底、锗硅衬底、锗衬底或本领域技术人员公知的其它半导体材料制成的衬底。优选衬底100为高阻硅片。

步骤2：如图3所示，在步骤1提供的衬底100上继续进行，在衬底100上刻蚀凹槽并在凹槽内填充释放材料101。具体地，例如可以是在衬底100的上表面旋涂光刻胶层，并光刻显影形成镂空图形，以图形化后的光刻胶层为掩膜，对衬底100进行刻蚀，然后通过剥离工艺去除光刻胶层，形成衬底100上的凹槽结构。此步中凹槽刻蚀可以为倒八字行，角度优选大于100°。

在执行下一个步骤之前，还可以包括步骤：采用抛光工艺将释放材料101与衬底100进行磨平，使释放材料101的上表面与衬底100的上表面平齐。可以理解的是，此处所述衬底100的上表面为衬底100在凹槽之外的部分的上表面，释放材料101填入凹槽之后，可能会相对衬底100的上表面突出，影响后续膜层的沉积质量。具体地，抛光工艺可以为化学机械抛光(CMP)工艺，采用CMP工艺将释放材料101与衬底100进行磨平，是为了后续能够得到更好的膜层沉积质量。

可选地，释放材料101包括非晶硅、聚酰亚胺、氧化硅、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃中的一种或多种。

步骤3：如图4所示，在衬底100上连续依次形成下电极102、压电层103和上电极104，构建压电薄膜堆叠结构(也就是压电三明治结构)，压电薄膜堆叠结构覆盖释放材料101。本发明实施例提供的压电薄膜堆叠结构为连续沉积而成，中间省去了涂胶、光刻、刻蚀、去胶等工艺，避免了这些工艺步骤对膜层表面产生的腐蚀，从而避免了增大膜层粗糙度的问题，使薄膜体声波谐振器的Q值不受影响。具体地，在衬底100上沉积形成下电极102，而后在下电极102上沉积形成压电层103，而后在压电层103沉积形成上电极104，如图4所示，沉积后的压电薄膜堆叠结构完全覆盖释放材料101，且下电极102、压电层103和上电极104边缘平齐。也就是说，下电极102、压电层103和上电极104在垂直于衬底100方向上的投影的边缘重合，且位于释放材料101在垂直于衬底100方向上的投影的边缘的外侧。

下电极102和上电极104的材料可以相同也可以不同，例如可以为下述材料中的一种或组合：钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪、铝。压电层103的材料包括氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、四硼酸锂以及其掺杂薄膜或组合。

另外，在衬底100上沉积下电极102之前，还可以先沉积一层种子层材料以提高氮化铝晶相。

步骤4：如图5所示，在上电极104上形成边框层105，图形化边框层以形成边框图形。边框层105的材料可选地为钼、铝、钨。边框层105的添加，可以改善薄膜体声波谐振器边缘由于阻抗不匹配产生的能量泄露。具体地，例如可以是在上电极104的上表面沉积边框层105，在边框层105上表面旋涂光刻胶层，并光刻显影形成镂空图形，以图形化后的光刻胶层为掩膜，对边框层105进行刻蚀，然后通过剥离工艺去除光刻胶层，形成边框图形。

步骤5：如图6所示，图形化上电极104和压电层103，以使上电极104和压电层103在垂直于衬底100方向上的投影位于衬底100的凹槽的边缘之内，或者说，使上电极104和压电层103在垂直于衬底100方向上的投影位于释放材料101在垂直于衬底100方向上的投影的边缘之内。如此可以保证释放材料101释放形成空腔后，上下电极在空腔内投影的重合区域均落在空腔之内，避免了声波泄露到非谐振区域，消除了相关技术中的薄膜体声波谐振器结构中上电极连接边延长产生的寄生问题，进而不会使薄膜体声波谐振器的品质因数Q值由于寄生问题而降低。

进一步地，上电极104和压电层103图形为同一块光刻板，且经过一次光刻、两次刻蚀使上电极104和压电层103图形化。具体包括步骤：在上电极104上形成光刻胶层，并图形化光刻胶层以形成镂空图形，以图形化的光刻胶层为掩膜，对上电极104和压电层103依次进行刻蚀。

如图6所示，由于采用同一块光刻板，即采用同一个光刻胶层为掩膜，图形化之后的上电极104和压电层103的边缘在垂直于衬底100方向上平齐，或者说，图形化之后的上电极104和压电层103垂直于衬底100方向上的投影的边缘重合。压电层103图形化，与上电极104图形一致，可以避免后续沉积金属层之后与下电极102之间产生的寄生问题。

此外，由于下电极、压电层、上电极三层材料连续沉积，中间无涂胶、光刻、去胶等工艺，避免了过多的工艺步骤对膜层表面产生的腐蚀，使薄膜体声波谐振器的Q值在最大程度上不受影响。

如图6所示，图形化上电极104和压电层103之后，边框层105的外边缘、上电极104的边缘和压电层103的边缘均平齐。

步骤6：如图7所示，图形化下电极102，图形化后的下电极102的一部分搭接衬底100，以保证薄膜体声波谐振器的可靠性。也就是说，图形化后的下电极102的一部分在垂直于衬底100的方向上的投影覆盖凹槽，即覆盖释放材料101，另一部分覆盖衬底100的上表面，如此起到支撑上方的上电极104和压电层103的作用，使薄膜体声波谐振器结构可靠。具体包括步骤：在下电极102上形成光刻胶层，并图形化光刻胶层以形成镂空图形，以图形化的光刻胶层为掩膜，对下电极102进行刻蚀，剥离光刻胶，完成下电极102的图形化。

如图7所示，图形化后的下电极102具有连通衬底100的上表面的开口。图形化后的下电极102在垂直于衬底100方向上的投影可以完全覆盖凹槽，即图形化后的下电极102在垂直于衬底100方向上的投影的边缘位于凹槽的外侧。

步骤7：如图8所示，形成隔离上电极104和下电极102的绝缘层106，绝缘层106可选地为二氧化硅层。具体地，如图8所示，在步骤6的结构基础上，沉积一层二氧化硅作为绝缘层106隔离上电极104和下电极102，避免后续金属层沉积时导致的短路问题。如图8所示，绝缘层106的上表面位于上电极104和边框层105之上。

进一步地，沉积二氧化硅层后，可以将二氧化硅层减薄到合适的厚度，以确保最终谐振器的频率正常。二氧化硅层的厚度可以根据谐振器的频率要求设定。

此外，如果后续对释放材料101采用的是湿法释放，湿法释放过程会腐蚀二氧化硅层，可以在填充二氧化硅之前先沉积一层薄层保护层，避免后续由于二氧化硅层被腐蚀导致的电极表面裸露。可选地，保护层的材料为氮化铝。

步骤8：刻蚀步骤7中形成的绝缘层106，以形成连通上电极104的上电极开口107和连通下电极102的下电极开口108。具体地，如图9所示，绝缘层106的位于上电极104上方的部分开设有上电极开口107，以露出部分上电极104的上表面，上电极开口107还与边框层105的一部分贯通，露出边框层105的一部分。绝缘层106的位于下电极102上方的部分开设有下电极开口108，以露出部分下电极102的上表面，并且，下电极开口108在垂直于衬底100的方向上的投影不落入衬底100的凹槽，刻蚀之后的绝缘层106在垂直于衬底100的方向上的投影的边缘位于衬底100的凹槽的外侧。具体刻蚀过程可以采用本领域技术人员熟知的过程，此处不做详述。

需要说明的是，如果步骤7中沉积了薄层保护层，则该步骤在刻蚀绝缘层106以形成上电极开口107和下电极开口108的过程中，还包括对保护层进行刻蚀，以使下电极102和上电极104暴露。

步骤9：如图10所示，在步骤8的结构基础上沉积形成PAD金属层109，金属层109用于连接上电极104和下电极102。金属层109材料可选的有金、铜、铝等。具体地，如图10所示，金属层109的一部分填充上电极开口107以与上电极104接触，一部分填充下电极开口108以与下电极102接触。

而后，释放释放材料101形成空腔110，完成薄膜体声波谐振器的制备。

可选地，释放释放材料101可以采用湿法释放，也可以采用气体释放。若采用湿法释放，则步骤7中形成的绝缘层106会被一起腐蚀掉，形成空腔。如果采用气体释放，步骤7中形成的绝缘层106仍然存在，作为钝化层保护电极不被氧化。图10展示的是采用气体释放、绝缘层106保留的结构示意图。

如图1和图2所示，制备完成的薄膜体声波谐振器的有效谐振区域(即上下电极投影的重合区域)全部落在空腔110之内，避免由于电连接时在空腔110以外产生的寄生问题。

本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备工艺具有以下有益效果：

压电薄膜堆叠结构连续沉积，区别与常规的加工流程，避免了膜层表面受损导致的粗糙度变大，进而避免了品质因数Q值的下降。

优化上电极及压电层图形，压电层材料与上电极材料采用同一块光罩版进行刻蚀，且光罩版图形在衬底凹槽图形之内，使有效谐振区域全部落在空腔之内，避免了因为电极连接产生的寄生问题，有效提升了薄膜体声波谐振器的品质因数Q值，减少了声波损失。

本发明另一方面实施例提出一种薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用上述薄膜体声波谐振器的制备工艺制成。

图11和图12分别为相关技术中的薄膜体声波谐振器的导纳与Q值仿真曲线，图13和图14分别为本发明实施例的薄膜体声波谐振器的导纳与Q值仿真曲线。参考图11和图13的导纳曲线，相关技术中的薄膜体声波谐振器在谐振器频率之内和之外均有突起的寄生杂波产生，而本发明实施例的薄膜体声波谐振器并无此现象。参考图12和图14的Q值仿真曲线，相关技术中的薄膜体声波谐振器在谐振频率之间的Q值普遍在1100以下，而本发明实施例的薄膜体声波谐振器的Q值多数在1100之上，预估Q值可以提升8％左右，仿真结果证明了Q值确实得到了较高的提升。

因此，本发明实施例的薄膜体声波谐振器具有较高的品质因数Q值、声波损失少。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

制作衬底，在所述衬底上刻蚀凹槽并在所述凹槽内填充释放材料；

在所述衬底上连续依次形成下电极、压电层和上电极，构建覆盖所述释放材料的压电薄膜堆叠结构；

图形化所述上电极和所述压电层，以使所述上电极和所述压电层在垂直于所述衬底方向上的投影位于所述凹槽的边缘之内；

图形化所述下电极，所述下电极的一部分搭接所述衬底。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，在所述衬底上刻蚀凹槽并在所述凹槽内填充释放材料之后，进一步包括步骤：

采用抛光工艺将所述释放材料与所述衬底进行磨平，使所述释放材料的上表面与所述衬底上表面平齐。

3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，构建覆盖所述释放材料的压电薄膜堆叠结构步骤中，所述压电薄膜堆叠结构完全覆盖所述释放材料。

4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，图形化所述上电极和所述压电层之前，还包括步骤：

在所述上电极上形成边框层，图形化所述边框层以形成边框图形。

5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，图形化所述上电极和所述压电层之后，所述边框层的外边缘、所述上电极的边缘和所述压电层的边缘平齐。

6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，图形化所述上电极和所述压电层的步骤具体包括：

在所述上电极上形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层以形成镂空图形；

以图形化的所述光刻胶层为掩膜，对所述上电极和所述压电层进行刻蚀。

7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，图形化后的所述上电极的边缘和所述压电层的边缘平齐。

8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，图形化所述下电极之后，还包括步骤：

形成隔离所述上电极和所述下电极的绝缘层；

刻蚀所述绝缘层，形成连通所述上电极的上电极开口和连通所述下电极的下电极开口；

形成金属层，所述金属层连接所述上电极和所述下电极；

释放所述释放材料形成空腔，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。

9.根据权利要求8所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺，其特征在于，对所述释放材料进行湿法释放，在所述形成绝缘层之前，包括步骤：

形成保护层，并且在刻蚀所述绝缘层以形成所述上电极开口和所述下电极开口步骤中，还包括对所述保护层进行刻蚀。

10.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器采用权利要求1-9所述的薄膜体声波谐振器的制备工艺制成。

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