CN116318018A - 体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

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丁志鹏
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詹道栋
孙博文
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Abstract

一种体声波谐振器及其制备方法，涉及谐振器技术领域。该体声波谐振器包括衬底，衬底设有空腔，空腔具有相对的侧壁和底面；衬底上设有谐振结构，谐振结构与空腔相对设置；谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极；下电极在底面上的投影面积小于底面面积；压电层靠近衬底的一侧设有环绕下电极外周，并与空腔相通的环形结构，通过环形结构阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。该体声波谐振器能够减少声波泄漏，提高器件品质。

Description

体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
由薄膜体声波(FBAR)谐振器组成的体声波(BAW)滤波器能够满足目前高性能射频滤波器的要求，是一种全新的射频滤波器解决方案。现阶段FBAR谐振器主要由顶电极、压电层、底电极组成的“三明治”叠层以及底电极下面的空腔共同构成，FBAR谐振器的原理可简述为：利用材料的压电特性，将电能转化为声能，声波在“三明治”结构内来回反射形成驻波，驻波的频率与输入信号的频率相同，此时电学损耗最小，频率为f的输入信号通过谐振器。FBAR谐振器的主要性能指标包括：串联谐振频率、并联谐振频率、有效机电耦合系数以及品质因数。
然而，现有的FBAR谐振器的声波能量会自下电极的边缘等多处地方发生泄漏，包括横向泄露以及纵向(衬底)泄露，从而使得谐振器的性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及其制备方法，其能够减少声波泄漏，提高器件品质。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明的一方面，提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括衬底，衬底设有空腔，空腔具有相对的侧壁和底面；衬底上设有谐振结构，谐振结构与空腔相对设置；谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极；下电极在底面上的投影面积小于底面面积；压电层靠近衬底的一侧设有环绕下电极外周，并与空腔相通的环形结构，通过环形结构阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。该体声波谐振器能够减少声波泄漏，提高器件品质。
可选地，环形结构的截面形状具有倾角，和/或，截面形状的高度高于下电极的高度。
可选地，环形结构的截面形状为梯形、三角形、矩形或至少两条弧线围合形成的图形。
可选地，倾角的角度为10°～90°。
可选地，环形结构的高度为50nm至1000nm。
可选地，环形结构的宽度为2μm至15μm。
可选地，环形结构与空腔相对设置，环形结构在衬底的投影区域包括投射于衬底的第一投影区域和投射于底面的第二投影区域。
可选地，第一投影区域的面积大于或等于第二投影区域的面积。
本发明的另一方面，提供一种体声波谐振器的制备方法，该体声波谐振器的制备方法包括：提供衬底，衬底上设有空腔，空腔包括相对设置的侧壁和底面；在衬底上沉积牺牲层覆盖空腔，牺牲层的厚度高于空腔的深度；刻蚀牺牲层形成凸起，凸起环绕空腔设置；在牺牲层上形成谐振结构，谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极，下电极在底面上的投影面积小于底面面积，压电层覆盖下电极、凸起；刻蚀压电层，以形成与牺牲层接触的释放孔；通过释放孔对牺牲层和凸起进行释放，以得到环绕下电极的环形结构和空腔；环形结构与空腔相通，通过环形结构阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。
可选地，下电极具有夹角，夹角的角度为10°～30°。
本发明的有益效果包括：
本申请提供的体声波谐振器包括衬底，衬底设有空腔，空腔具有相对的侧壁和底面；衬底上设有谐振结构，谐振结构与空腔相对设置；谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极；下电极在底面上的投影面积小于底面面积；压电层靠近衬底的一侧设有环绕下电极外周，并与空腔相通的环形结构，通过环形结构阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。一方面，本申请将下电极在衬底的底面上的投影面积设置为小于底面的面积，即下电极在衬底上的正投影位于空腔内且与空腔边缘不重合，这样，能够减少声波能量从衬底泄漏；另一方面，本申请还设置了中空的环形结构，且该环形结构环设于下电极的外周，并与空腔连通，这样，声波能量在发生横向泄漏时能够被环形结构反射回空腔，从而能够有效阻挡体声波谐振器的声波能量从侧面泄漏，即能够阻止声波能量发生横向泄漏。如此，本申请通过上述两个方面阻止声波能量的泄漏，能够有效改善体声波谐振器的品质因数，提高器件品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图4为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之一；
图5为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之二；
图6为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之三；
图7为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之四；
图8为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之五；
图9为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之六；
图10为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之七；
图11为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之八。
图标：10-衬底；11-空腔；12-侧壁；13-底面；20-下电极；30-压电层；40-上电极；50-环形结构；α-倾角；h1-环形结构的高度；h2-下电极的高度；b-环形结构的宽度；60-牺牲层；61-凸起；70-释放孔。
具体实施方式
下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本发明的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本发明和随附权利要求的范围内。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，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。
诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本发明。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
请参照图1和图2，本实施例提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括衬底10，衬底10设有空腔11，空腔11具有相对的侧壁12和底面13；衬底10上设有谐振结构，谐振结构与空腔11相对设置；谐振结构包括层叠设置的下电极20、压电层30和上电极40；下电极20在底面13上的投影面积小于底面13面积；压电层30靠近衬底10的一侧设有环绕下电极20外周，并与空腔11相通的环形结构50，通过环形结构50阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。该体声波谐振器能够减少声波泄漏，提高器件品质。
其中，上述衬底10内设有空腔11，该空腔11具有侧壁12和底面13。本申请对衬底10的具体材料不做限制，本领域技术人员可以自行选择合适材料，例如，可以选择硅作为衬底10的材料。
在本实施例中，谐振结构位于空腔11的上方，与空腔11相对设置。具体地，谐振结构包括层叠的下电极20、压电层30和上电极40，其中，下电极20靠近衬底10，压电层30位于下电极20背离衬底10的一侧，上电极40位于压电层30背离下电极20的一面。
另外，在本实施例中，下电极20在衬底10上的正投影位于空腔11内，且其投影到空腔11的底面13上的投影面积小于底面13的面积。简言之，下电极20在衬底10上的正投影位于空腔11内，且与空腔11边缘不重合。
压电层30靠近衬底10的一面设有环形结构50，该环形结构50围绕下电极20的外周环设，且该环形结构50与空腔11连通。需要说明的是，上述环形结构50为内部为中空的结构，该环形结构50的中空腔11体与空腔11连通。本申请通过将下电极20在衬底10上的正投影设置为位于空腔11的内部，这样，能够减少声波能量从衬底10泄漏；并通过在下电极20的外周环设内部中空的环形结构50，这样，能够减少声波能量从侧面泄漏，从而有效减少声波泄漏，提高器件品质。
其中，上述下电极20、压电层30和上电极40的材料本申请不做限制，本领域技术人员可以自行选择合适的材料。
综上所述，本申请提供的体声波谐振器包括衬底10，衬底10设有空腔11，空腔11具有相对的侧壁12和底面13；衬底10上设有谐振结构，谐振结构与空腔11相对设置；谐振结构包括层叠设置的下电极20、压电层30和上电极40；下电极20在底面13上的投影面积小于底面13面积；压电层30靠近衬底10的一侧设有环绕下电极20外周，并与空腔11相通的环形结构50，通过环形结构50阻挡谐振结构产生的横向声波泄露。一方面，本申请将下电极20在衬底10的底面13上的投影面积设置为小于底面13的面积，即下电极20在衬底10上的正投影位于空腔11内且与空腔11边缘不重合，这样，能够减少声波能量从衬底10泄漏；另一方面，本申请还设置了中空的环形结构50，且该环形结构50环设于下电极20的外周，并与空腔11连通，这样，声波能量在发生横向泄漏时能够被环形结构50反射回空腔11，从而能够有效阻挡体声波谐振器的声波能量从侧面泄漏，即能够阻止声波能量发生横向泄漏。如此，本申请通过上述两个方面阻止声波能量的泄漏，能够有效改善体声波谐振器的品质因数，提高器件品质。
请参照图2，可选地，上述环形结构50的截面形状具有倾角α，和/或，截面形状的高度高于下电极的高度h2。
具体来说，该环形结构50的截面形状与衬底10的上表面之间具有倾角α，该倾角α可参考图2所示。
为使得环形结构50阻挡声波横向泄漏的效果更佳，可选地，该倾角α的角度为10°～90°。示例性地，该倾角α可以为10°、30°、45°、50°、60°、70、80°或者90°等。
另外，上述环形结构50的截面形状可以为梯形、三角形、矩形或至少两条弧线围合形成的图形。如图2所示，在本实施例中，该环形结构50是以多条换线依次连接为例进行示意的。
需要说明的是，上述梯形、三角形或者矩形可以分别为标准的梯形、三角形或者矩形，或者，也可以为类梯形、类三角形或者类矩形(以类梯形为例，类梯形是指形似梯形。类三角形和类矩形同理)。
本申请将环形结构50的截面形状的高度(即环形结构的高度h1)设置为高于下电极的高度h2，这样，环形结构50能够阻挡尽可能多的声波能量发生横向泄漏。
可选地，环形结构的高度h1为50nm至1000nm。示例性地，该环形结构的高度h1可以为50nm、100nm、300nm、500nm、800nm、1000nm等。
可选地，环形结构的宽度b为2μm至15μm。示例性地，该环形结构的宽度b可以为2μm、5μm、8μm、10μm、15μm等。
请参照图2所示，在本实施例中，环形结构50与空腔11相对设置，环形结构50在衬底10的投影区域包括投射于衬底10的第一投影区域和投射于底面13的第二投影区域。
即，该环形结构50位于空腔11上，与空腔11上下相对。其中，具体地，该环形结构50在衬底10的投影包括第一投影区域和第二投影区域，第一投影区域位于衬底10的上表面上，第二投影区域位于衬底10的底面13上，如图2所示。
在本实施例中，可选地，第一投影区域的面积大于或等于第二投影区域的面积。即，环形结构50位于衬底10上表面的部分多于位于衬底10的空腔11上的部分。这样，环形结构50能够尽可能减少对空腔11的空间造成占用，从而使得在一定体积的体声波谐振器和空腔11的条件下，尽可能增大下电极20的面积，从而提高有效谐振区域的面积。
请参照图3所示，本发明的另一方面，提供一种体声波谐振器的制备方法，该体声波谐振器的制备方法包括以下步骤：
S100、提供衬底10，衬底10上设有空腔11，空腔11包括相对设置的侧壁12和底面13，如图4。
在本实施例中，可选的，上述衬底10的材料可以为硅。上述空腔11位于衬底10内，其深度可以在1μm至5μm之间。
S200、在衬底10上沉积牺牲层60覆盖空腔11，牺牲层60的厚度高于空腔11的深度，如图5。
其中，牺牲层60的厚度大于空腔11深度，在本实施例中，牺牲层60的厚度不超过2μm。
示例性地，上述牺牲层60的材料可以为四乙基正硅酸盐氧化物。采用四乙基正硅酸盐氧化物作为牺牲层60，后续可以通过氟化氢气体与其反应，从而对牺牲层60进行释放，这样，释放效率更快(一般小于一小时)。另外，由于后续步骤形成的环形结构50位于空腔11的边界处且尺寸较小，这样，通过氟化氢气体释放时更容易释放干净。
S300、刻蚀牺牲层60形成凸起61，凸起61环绕空腔11设置，如图7。
需要说明的是，刻蚀牺牲层60的方式本申请不做具体限制，只要对牺牲层60进行刻蚀后能够形成凸起61，且使得该凸起61环绕空腔11设置即可。示例性地，在执行步骤S300时，可以先采用反版刻蚀牺牲层60，反版与空腔11正版的间距在1μm至4μm之间，进而在空腔11边缘形成矩形突出结构，如图6所示，矩形突出结构至衬底10的底面13的距离大于牺牲层60沉积于空腔11的底面13上的厚度。
然后，使用机械化学研磨(CMP)工艺使空腔11内部的牺牲层60与空腔11外部衬底10的高度相一致。进行机械化学研磨之后，在空腔11内外边缘处形成环状的凸起61，凸起61完全覆盖空腔11与衬底10交界处。凸起61与空腔11内外部形成平滑内凹边缘，凸起61顶部为平滑的外凸形状，如图7所示。
S400、在牺牲层60上形成谐振结构，谐振结构包括层叠设置的下电极20、压电层30和上电极40，下电极20在底面13上的投影面积小于底面13面积，压电层30覆盖下电极20、凸起61，如图8。
其中，该下电极20的厚度可以在80nm至300nm之间。该下电极20可以先整面沉积于牺牲层60上，然后对其进行图案化，使得其在底面13上的投影面积小于底面13的面积。
另外，需要说明的是，在本实施例中，可选地，下电极20具有夹角，夹角的角度为10°～30°。
即，下电极20的侧壁12和下电极20的底部之间具有夹角，该夹角可以在10°至30°之间。
上述压电层30整面覆盖于下电极20、露出的牺牲层60、凸起61和衬底10上。
可选地，压电层30的厚度在200nm至1500nm之间。
需要说明的是，上述上电极40沉积在压电层30上后还需要进行图形化，从而得到如图9所示的结构。
示例性地，上电极40的厚度在80nm至300nm之间。
S500、刻蚀上电极40、压电层30和下电极20，以形成与牺牲层60接触的释放孔70，如图10。
这样，形成的释放孔70便可以用于后期对牺牲层60进行释放。具体的，本申请对该释放孔70的尺寸不做限制，本领域技术人员可以根据经验和实际情况自行确定。
S600、通过释放孔70对牺牲层60和凸起61进行释放，以得到环绕下电极20的环形结构50和空腔11；环形结构50与空腔11相通，通过环形结构50阻挡谐振结构产生的横向声波，如图11。
对牺牲材料进行释放后，便可以得到如图11所示的内部中空的环形结构50，这样，该环形结构50能够对声波进行反射，从而在一定程度上减少声波泄漏。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底设有空腔，所述空腔具有相对的侧壁和底面；
所述衬底上设有谐振结构，所述谐振结构与所述空腔相对设置；所述谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极；
所述下电极在所述底面上的投影面积小于所述底面面积；
所述压电层靠近所述衬底的一侧设有环绕所述下电极外周，并与所述空腔相通的环形结构，通过所述环形结构阻挡所述谐振结构产生的横向声波泄露。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，
所述环形结构的截面形状具有倾角，和/或，所述截面形状的高度高于所述下电极的高度。
3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构的截面形状为梯形、三角形、矩形或至少两条弧线围合形成的图形。
4.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述倾角的角度为10°～90°。
5.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构的高度为50nm至1000nm。
6.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构的宽度为2μm至15μm。
7.如权利要求1至6中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构与所述空腔相对设置，所述环形结构在所述衬底的投影区域包括投射于所述衬底的第一投影区域和投射于所述底面的第二投影区域。
8.如权利要求7所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一投影区域的面积大于或等于所述第二投影区域的面积。
9.一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底上设有空腔，所述空腔包括相对设置的侧壁和底面；
在所述衬底上沉积牺牲层覆盖所述空腔，所述牺牲层的厚度高于所述空腔的深度；
刻蚀所述牺牲层形成凸起，所述凸起环绕所述空腔设置；
在所述牺牲层上形成谐振结构，所述谐振结构包括层叠设置的下电极、压电层和上电极，所述下电极在所述底面上的投影面积小于所述底面面积，所述压电层覆盖所述下电极、所述凸起；
刻蚀所述压电层，以形成与所述牺牲层接触的释放孔；
通过所述释放孔对所述牺牲层和所述凸起进行释放，以得到环绕所述下电极的环形结构和所述空腔；所述环形结构与所述空腔相通，通过所述环形结构阻挡所述谐振结构产生的横向声波泄露。
10.根据权利要求9所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：所述下电极具有夹角，所述夹角的角度为10°～30°。
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