CN115242214A - 一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，包括以下步骤：S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在凹槽结构内沉积第一金属层；S2、在凹槽结构内第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将第一牺牲材料层抛光至与衬底的表面相齐平；S3、在第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；S4、将上电极连接至与下电极同一高度；S5、释放凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。本发明极大的减小了欧姆损耗，提升器件的Q值，同时增加器件的散热途径，使得器件能够满足大功率，高频、大带宽的应用中需求。

Description

一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的加工制造技术领域，尤其涉及一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法。

背景技术

近些年来，通讯技术发展迅速，技术更新加速，尤其是5G频段的普及，射频前端需要的滤波器变得越来越多；以一个手机收发端为例，需要数十个滤波器才能保证信号的传送与接收。同时射频声波双工滤波器的在通讯市场占比飞速增长，包括声表面波(SAW)器件与薄膜体声波器件(FBAR)技术得到快速提升；通讯技术的发展对滤波器的要求也越来越高，大带宽、高功率和高频率的需求对声波器件提出了很大的挑战。不仅要求滤波器的低插损和高矩形系数性能，还对温度特性以及线性度等提出很高的要求。

薄膜体声波谐振器(FBAR)因其体积小、插入损耗低、带外抑制大、品质因数高、工作频率高、功率容量大以及抗静电冲击能力良好等特点，成为最适合5G应用的滤波器之一。薄膜体声波谐振器包括两个薄膜电极，并且两个薄膜电极之间设有压电薄膜层，其工作原理为利用压电薄膜层在交变电场下产生振动，该振动激励出沿压电薄膜层厚度方向传播的体声波，此声波传至上下电极与空气交界面被反射回来，进而在薄膜内部来回反射，形成震荡。当声波在压电薄膜层中传播正好是半波长的奇数倍时，形成驻波震荡。FBAR滤波器，采用MEMS工艺加工，利用压电特性，可实现低插损、高矩形系数的窄带器件。在一定频率下，谐振腔尺寸与谐振频率关系可近似为f＝v/2d。其中，v为波速，f为谐振频率，d为压电层厚度。对于FBAR器件，谐振频率越高，压电层的厚度越小，其电极的厚度也会越薄，相应的会增加欧姆损耗，降低FBAR谐振器的Qs，这也是目前5G高频FBAR器件普遍的问题；对于功率器件需求来说，高功率条件下损耗越大，同时面积越小的器件会发热严重，带来热应力问题使得器件工作受限；压电层厚度越薄，会给镀膜工艺带来挑战，因为常规的薄膜沉积，对于越薄的薄膜，很难保证薄膜的高质量，其机械结构稳定性也会降低；对于滤波器设计，压电层越薄，实现相同的等效阻抗需要的面积的更小，而在5G的频段，FBAR谐振面积会相对低频的时候更小，但是FBAR器件谐振区面积过小会带来一些问题，即Q值会相对的降低，因为此时谐振区边缘的低Q值区域相对占比增大，以及边缘衬底的寄生效应会增强和衬底泄露能量占比增加；在一定频率前提下，通常薄的压电层会需要更厚一点的电极层，这样会提升一点Qs，相应的会带来上述过薄压电层的风险，同时也会牺牲一些有效机电耦合系数；加厚压电层，会缓解一些问题，但是相应的更薄的电极会有更大的欧姆损耗；因此可以发现在低频阶段这种挑战难度较小，可以设计出优良的器件，但在5G甚至更高的频段状态下，压电层和电极的厚度组合需要折衷选择，因为互相的厚度占比选择总都会带来性能的损失。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法。

一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在所述凹槽结构内沉积第一金属层；

S2、在所述凹槽结构内所述第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将所述第一牺牲材料层抛光至与所述衬底的表面相齐平；

S3、在所述第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，所述三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；

S4、将所述上电极连接至与下电极同一高度；

S5、释放所述凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；

S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。

在其中一个实施例中，所述步骤S2中，所述第一牺牲材料层的材料包括磷硅玻璃、低温二氧化硅、硼磷硅玻璃、锗、碳、聚酰亚胺或光阻剂。

在其中一个实施例中，所述步骤S3包括：

S31、在所述衬底上沉积下电极，并使所述下电极位于所述第一牺牲材料层的上方；

S32、通过刻蚀的方法将所述下电极进行图形化，使所述下电极的边缘处与所述第一金属层的部分边缘选择性连接；

S33、在所述下电极上沉积压电层，并进行图形化；

S34、在所述压电层上沉积上电极，并进行图形化。

在其中一个实施例中，所述步骤S34之后还包括步骤：

S35、在所述上电极的区域边缘引出连接金属区域，所述连接金属区域位于谐振区以外；

S36、将所述压电层做相应的图形变化，用于支撑所述上电极引出的连接金属区域；

S37、对所述连接金属区域相对应的下电极进行刻蚀。

在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：

S401、沉积第一连接金属，将所述上电极连接至与下电极同一高度；

S402、将所述第一连接金属图形化，保留连接处以及用于微封装区域的金属。

在其中一个实施例中，所述步骤S6包括：

S601、在盖帽层的上一侧沉积第二金属层；

S602、通过TSV技术将所述第二金属层连接至所述盖帽层的另一侧；

S603、将盖帽层与器件进行键合；

S604、在所述衬底上制备TSV通孔，在所述TSV通孔内沉积第二连接金属作为信号管脚连接。

在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：

S411、将所述上电极的一端引出至与下电极的同平面；

S412、将所述上电极和下电极的信号引出端进行加厚；

S413、在所述上电极的上表面沉积第二牺牲材料层；

S414、通过抛光和刻蚀技术使所述第二牺牲材料层露出所述连接金属区域；

S415、在所述第二牺牲材料层上沉积第五金属并图形化；

S416、释放第二牺牲材料层。

在其中一个实施例中，所述步骤S6包括：

S611、在盖帽层上设置通孔；

S612、所述三明治结构通过第二连接金属穿过所述通孔作为信号管脚连接。

上述高性能的高频薄膜机械波谐振器，通过采用牺牲材料层技术和键合技术，相对的加厚了压电层，但同时使用中空的桥型的双层加厚电极，在不影响器件机械性能(声波谐振)前提下，极大的减小了欧姆损耗，提升器件的Q值，同时增加器件的散热途径，使得器件能够满足大功率，高频、大带宽的应用中需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的步骤S1的状态示意图；

图2是本发明的步骤S2的状态示意图；

图3是本发明的三明治结构的结构示意图；

图4是图3沿A-A′线的剖视图；

图5是图3沿B-B′线的剖视图；

图6是本发明的高性能的高频薄膜机械波谐振器的第一角度结构示意图；

图7是本发明的高性能的高频薄膜机械波谐振器的第二角度结构示意图；

图8是本发明的高性能的高频薄膜机械波谐振器的另一种结构示意图；

图9是本发明的第二连接金属的第一种连接结构示意图；

图10是本发明的第二连接金属的第二种连接结构示意图；

图11是本发明的第二连接金属的第三种连接结构示意图；

图12是本发明的第二连接金属的第四种连接结构示意图；

图13是本发明的高性能的高频薄膜机械波谐振器的又一种结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明的主要构思在于：以一串联谐振频率为5.2GHz为目标谐振频率，通常在此频率下压电层的厚度需要减薄许多；通过简单仿真两种叠层组合实现相同的谐振频率5.2GHz，其中A器件为160nmMo/300nmAlN/160nmMo；B器件为100nmMo/520nmAlN/90nmMo；可见不同的压电层厚度可以通过电极的厚度调节至相同的谐振频率，但现阶段通常不会选择B器件的组合，因为Mo电极过薄带来的欧姆损耗较大；同时，两个器件以50欧姆特征阻抗为参照设置谐振区面积，如公式1所示的计算，则A器件为2000um²,B器件面积为3500um²；两种叠层厚度的器件各有各有利弊，A器件的电极厚度相对的较厚，进而降低了欧姆损耗，但是，过小的面积使得机械谐振Q值降低，同时，有效机电耦合系数降低，过薄的压电层使得制备同质量的晶体更有难度；面积缩小带来寄生效应影响增强，以及功率损耗密度增大会降低器件的耐受功率等。B器件虽然相对的面积增大减弱了上述的影响，但过薄的金属使得欧姆损耗增大，器件的Qs很低；金属损耗增大会使得发热增加，进而影响器件的功率耐受性。

通过上述比较可以发现，在5G频段，谐振器的面积相对低频减小许多，因此，在芯片面积充裕的情况下，希望谐振器压电层可以适当的加厚来改善上述的问题，同时，通过在谐振区外并联加厚金属的新型结构优化避免厚压电层器件的欧姆损耗问题，实现一种性能更优的声波器件。

参阅图1-11所示，本发明一实施例提供一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，包括以下步骤：

S1、在衬底1上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构2，在所述凹槽结构2内沉积第一金属层3；

S2、在所述凹槽结构2内所述第一金属层3的上表面填充第一牺牲材料层4，并将所述第一牺牲材料层4抛光至与所述衬底1的表面相齐平；

S3、在所述第一牺牲材料层4的上方沉积三明治结构5，所述三明治结构5包括自下而上依次设置的下电极51、压电层52和上电极53；

S4、将所述上电极53连接至与下电极51同一高度；

S5、释放所述凹槽结构2内的第一牺牲材料层4，形成器件；

S6、将盖帽层8与器件进行键合，并布置信号管脚。

本发明的步骤S1中，衬底1可以为本领域常见的任意合适衬底，可以是以下材料的至少一种：硅(Si)\碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其他Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体，衬底1需要高阻的特性，本发明以高阻硅衬底为实例说明。可选地，可以通过干法或者湿法过程，在所述衬底1上刻蚀形成凹槽结构2。

需要说明的是，凹槽结构2可以为带有斜边的凹槽(梯形结构)，以便于减少应力集中问题，深度一般为几微米。第一金属层3的厚度小于凹槽结构2的深度，可以为几百纳米至几微米，其主要用于连接加厚的电极，且第一金属层3的连接边在谐振区以外，以降低欧姆损耗；同时，释放第一牺牲材料层4时，第一金属层3能够对衬底1进行保护以及增加散热作用，本实施例中的第一金属层3为低电阻率材料，具备对第一牺牲材料层4释放高选择比，同时热导率系数较高的材料。

在本发明一实施例中，所述步骤S2中，所述第一牺牲材料层4的材料包括磷硅玻璃、低温二氧化硅、硼磷硅玻璃、锗、碳、聚酰亚胺或光阻剂等。根据材料的不同，可以通过沉积工艺或旋涂工艺形成第一牺牲材料层4。通过研磨抛光技术，将第一牺牲材料层4抛光至与高阻硅衬底1的表面相齐平，同时，保证第一牺牲材料层4表面的粗糙度较小，一般为表面均方根粗糙度小于0.5nm，以便于后续沉积介质层的晶体质量的提高。

在本发明一实施例中，所述步骤S3包括：

S31、在所述衬底1上沉积下电极51，并使所述下电极51位于所述第一牺牲材料层4的上方；

S32、通过刻蚀的方法将所述下电极51进行图形化，使所述下电极51的边缘处与所述第一金属层3的部分边缘选择性连接；

S33、在所述下电极51上沉积压电层52，并进行图形化；

S34、在所述压电层52上沉积上电极53，并进行图形化。

本实施例中，下电极51为高声阻抗的材料，其可以为钼、铝、钛、钨、金、铂等金属，沉积厚度一般为几百纳米至几微米之间，本发明以钼电极为示例进行说明。通过PVD方式沉积设计频率所需厚度的钼电极。可选地，位于第一牺牲材料层4上方边缘的下电极51图形化边缘需要进行缓坡结构的刻蚀，形成一定角度的边缘，如此，可以避免应力集中问题。其中，连接第一金属层3为选择性的连接边，且需要与上电极53的连接金属区域54交错开，避免引入寄生谐振。

需要说明的是，压电层52一般为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、或钽酸锂(LiTaO3)等压电薄膜，通过PVD或者CVD的方法沉积一般约几百纳米至几微米左右，压电薄膜晶体质量越好，制备出的谐振器性能越佳，制备方法需要结合成本效率等综合选择；压电材料为声波的主要传播区域，在图形化时候要注意边缘处的刻蚀，一般图形化区域需要大于谐振区域，避免边缘刻蚀粗糙造成的声波散射而恶化性能；本实施例图形化压电层需要考虑上电极53的加厚连接区。

还需要说明的是，上电极53可以与下电极51相同的制备方式，或者选用具有特殊性能的金属材料，包括不限于磁电金属，吸波金属等；然后，将上电极53进行图形化，其形状可以为圆形、矩形或者多边形，上电极53/压电层52/下电极51的重叠区域即为谐振区域，同时，要注意锚定区域(上电极53/压电层52/下电极51/衬底1)尽量减少，可以采用交错的方式进行，或者现有的在压电层52与下电极51之间插入空气层或者低介电的材料，来避免能量往衬底1的泄露；在一些实施例中，还可以在上电极53边缘构件类似框架的结构，可以避免声波的横向泄露。

参阅图2-3所示，在本发明一实施例中，所述步骤S34之后还包括步骤：

S35、在所述上电极53的区域边缘引出连接金属区域54，所述连接金属区域54位于谐振区以外；如此，不影响机械谐振性能；

S36、将所述压电层52做相应的图形变化，用于支撑所述上电极53引出的连接金属区域54；

S37、对所述连接金属区域54相对应的下电极51进行刻蚀，用于减少寄生影响。具体地，可以将上电极53的连接金属区域54的连接边与下电极51的边缘互相交错，以避免引入额外的寄生谐振。

在本发明一实施例中，所述步骤S4包括：

S401、沉积第一连接金属6，将所述上电极53连接至与下电极51同一高度；

S402、将所述第一连接金属6图形化，保留连接处以及用于微封装区域的金属。

本实施例中，可以采用PVD/CVD，或者电镀的方式沉积一较厚的第一连接金属6，然后，将第一连接金属6图形化，第一连接金属6可以为铜、金、铝等常用导电性能优良的金属。

参阅图4-5所示，在本发明一实施例中，所述步骤S6包括：

S601、在盖帽层8的上一侧沉积第二金属层7，第二金属层7用于键合以及连接三明治结构5。

S602、通过TSV技术将所述第二金属层7连接至所述盖帽层8的另一侧；

S603、将盖帽层8与器件进行键合；

S604、在所述衬底1上制备TSV通孔9，在所述TSV通孔9内沉积第二连接金属10作为信号管脚连接；第二连接金属10用于将谐振器信号连接出去。

参阅图6所示，在一些实施例中，还可以将第二金属层7设置在盖帽层8靠近器件的一侧，以减少TSV的工艺。

本实施例中，加厚的压电层52可以使得谐振面积相对增大，提升器件的Q值和机械结构稳定性，同时，通过桥型的加厚电极方式，极大的降低器件的欧姆损耗，且不影响器件的机械谐振特性；在大功率条件下，本实施例可以相对的降低热损耗密度，以及增加了散热途径，下电极51的加厚连接区域相对的增加了往衬底1的散热途径，上电极53加厚连接区域(连接金属区域54)相对的增加了器件往cap层的散热途径；避免了温度过高造成的应力集中问题，增加器件的耐受功率。

参阅图7-10所示，在本发明一实施例中，所述步骤S4包括：

S411、将所述上电极53的一端引出至与下电极51的同平面；

S412、将所述上电极53和下电极51的信号引出端进行加厚；

S413、在所述上电极53的上表面沉积第二牺牲材料层11；所述第二牺牲材料层11可以与第一牺牲材料层4相同。

S414、通过抛光和刻蚀技术使所述第二牺牲材料层11露出所述连接金属区域54；(连接边在谐振区以外，不影响机械谐振性能)。

S415、在所述第二牺牲材料层11上沉积第五金属12并图形化；

S416、释放第二牺牲材料层11。

本实施例中，通过键合技术和TSV技术，将器件与盖帽层8结合，并引出信号端。其中，上电极53和下电极51的加厚金属的连接边互相交错，避免引入额外的寄生谐振。

在本发明一实施例中，所述步骤S6包括：

S611、在盖帽层8上设置通孔；

S612、所述三明治结构5通过第二连接金属10穿过所述通孔作为信号管脚连接。

需要说明的是，键合完在外部进行copper piller或者solder ball的连接方式，完成后将晶圆切割。

参阅图11所示，在本发明一实施例中，可以在下电极51的同平面制备引出的加厚连接电极，且加厚连接电极在谐振区以外，不影响机械谐振性能，最后上下电极分别连接加厚金属，降低了器件的欧姆损耗，然后，对外引出两个信号管脚用于电路的连接；同时，也可以上下电极的加厚金属在同一平面，但连接边需要避开谐振区且不能交叠。

如实施例描述所示，可通过但不仅限所述的实施例技术实现，即可多种技术方法组合来实现电极并联加厚金属的目的，也可以上述实施例的技术方法互相组合实现；即相对的增厚压电层，减少谐振器面积过小和厚度过薄带来的问题；同时通过新型结构优化降低厚压电层器件的欧姆损耗，实现一种性能更优的声波器件。

综上所述，本发明采用牺牲层技术和键合技术，实现一种高性能的高频FBAR器件，相对的加厚了压电层，但同时使用中空的桥型的双层加厚电极，在不影响器件机械性能(声波谐振)前提下，极大的减小了欧姆损耗，提升器件的Q值，同时增加器件的散热途径，使得器件能够满足大功率，高频、大带宽的应用中需求。相对的增加了压电层厚度，同频率条件下，可以增加器件的面积，提升器件的Qp值以及机械结构稳定性；同时避免了器件电极过薄带来的大欧姆损耗，提升器件的Qs值；降低了器件的损耗同时增加了器件的散热途径，可以更加的适用于高频大功率的应用。设计出更具竞争力的滤波器等不同功能的集成无源器件。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在所述凹槽结构内沉积第一金属层；

S2、在所述凹槽结构内所述第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将所述第一牺牲材料层抛光至与所述衬底的表面相齐平；

S3、在所述第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，所述三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；

S4、将所述上电极连接至与下电极同一高度；

S5、释放所述凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；

S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。

2.如权利要求1所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一牺牲材料层的材料包括磷硅玻璃、低温二氧化硅、硼磷硅玻璃、锗、碳、聚酰亚胺或光阻剂。

3.如权利要求1或2所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、在所述衬底上沉积下电极，并使所述下电极位于所述第一牺牲材料层的上方；

S32、通过刻蚀的方法将所述下电极进行图形化，使所述下电极的边缘处与所述第一金属层的部分边缘选择性连接；

S33、在所述下电极上沉积压电层，并进行图形化；

S34、在所述压电层上沉积上电极，并进行图形化。

4.如权利要求3所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S34之后还包括步骤：

S35、在所述上电极的区域边缘引出连接金属区域，所述连接金属区域位于谐振区以外；

S36、将所述压电层做相应的图形变化，用于支撑所述上电极引出的连接金属区域；

S37、对所述连接金属区域相对应的下电极进行刻蚀。

5.如权利要求4所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S401、沉积第一连接金属，将所述上电极连接至与下电极同一高度；

S402、将所述第一连接金属图形化，保留连接处以及用于微封装区域的金属。

6.如权利要求5所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S601、在盖帽层的上一侧沉积第二金属层；

S602、通过TSV技术将所述第二金属层连接至所述盖帽层的另一侧；

S603、将盖帽层与器件进行键合；

S604、在所述衬底上制备TSV通孔，在所述TSV通孔内沉积第二连接金属作为信号管脚连接。

7.如权利要求4所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S411、将所述上电极的一端引出至与下电极的同平面；

S412、将所述上电极和下电极的信号引出端进行加厚；

S413、在所述上电极的上表面沉积第二牺牲材料层；

S414、通过抛光和刻蚀技术使所述第二牺牲材料层露出所述连接金属区域；

S415、在所述第二牺牲材料层上沉积第五金属并图形化；

S416、释放第二牺牲材料层。

8.如权利要求7所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S611、在盖帽层上设置通孔；

S612、所述三明治结构通过第二连接金属穿过所述通孔作为信号管脚连接。

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