CN117118385A - 一种背刻蚀型体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背刻蚀型体声波谐振器及其制作方法，属于第三代半导体材料与器件领域，谐振器包括顶电极层、底电极层以及夹在顶电极层和底电极层之间的压电层，底电极层的下方设置有环带状的衬底以在衬底中央形成空腔，顶电极层从中央往外形成向下的阶梯，顶电极层的边缘形成包围阶梯的边框，边框上设置有环带状的负载层，通过负载层抑制寄生电容的产生，再通过具有阶梯结构的顶电极层增加横向波传播路径中的阻力，进一步抑制寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，有利于提升谐振器的品质因数，空腔的设置有利于利用空气声阻抗和压电材料声阻抗不同的特点，有效形成对体声波的全反射。

Description

一种背刻蚀型体声波谐振器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种背刻蚀型体声波谐振器及其制作方法，属于第三代半导体材料与器件领域。

背景技术

薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）具有高频、微型化、高性能、低功耗、高功率容量等优点。FBAR滤波器是目前唯一可集成的射频前端滤波器，其制造工艺与IC工艺相兼容，可集成，有利于降低器件功耗和缩小器件尺寸。故FBAR滤波器将成为未来5G高频通讯的核心元器件。采用微机械加工技术（MEMS）的FBAR滤波器的工作频率范围可以从几百MHz到几十GHz，完全覆盖了无线通讯频段的要求。传统介质滤波器体积过大，声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave，SAW）插损相比FBAR滤波器大，且无法满足高频（＞3GHz）需求，因此FBAR滤波器是3GHz以上高频段的最优解决方案。

薄膜体声波谐振器主要由三部分组成：衬底、声波反射层、以及压电振荡堆，其中压电振荡堆是由上下电极和夹于上下电极之间的压电薄膜构成的三明治结构。当一个射频RF电压加在两电极之间时，在压电振荡堆内产生交变电场，通过压电薄膜的逆压电效应将部分电能转化为沿薄膜厚度方向传播的体声波并在两电极之间来回反射，当体声波在压电振荡堆中的传播刚好是半波长或半波长的奇数倍时就会产生谐振，即谐振的基频波长近似等于压电振荡堆厚度的两倍。

现有技术中的FBAR谐振器仍存在一些缺陷，例如寄生耦合现象比较严重，干扰正常的主谐振峰曲线，进而导致由普通空腔型FBAR谐振器组成的滤波器带内插损严重，工艺器件结果与仿真不符合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种背刻蚀型体声波谐振器及其制作方法，能够抑制寄生效应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供一种背刻蚀型体声波谐振器，包括顶电极层、底电极层以及夹在所述顶电极层和所述底电极层之间的压电层，所述底电极层的下方设置有环带状的衬底以在所述衬底中央形成空腔，所述顶电极层从中央往外形成向下的阶梯，所述顶电极层的边缘形成包围所述阶梯的边框，所述边框上设置有环带状的负载层。

本申请提供的背刻蚀型体声波谐振器通过负载层抑制寄生电容的产生，再通过具有阶梯结构的顶电极层增加横向波传播路径中的阻力，进一步抑制寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，有利于提升谐振器的品质因数。

优选地，所述阶梯共有三至五阶，有利于更进一步地抑制寄生效应，提高谐振器的品质因数。

优选地，所述衬底的材质为硅，适用cmos工艺，方便集成。

更优选地，所述底电极层的底面设置有支撑层，所述支撑层位于所述底电极层和所述衬底之间，所述支撑层的材质为二氧化硅。

二氧化硅支撑层用于增强硅衬底与金属底电极层之间的结合力，在制作该背刻蚀型体声波谐振器的过程中，支撑层可起到保护底电极层的作用。此外，支撑层能够给予器件一定的支撑强度，避免碎片，也有利于防止底电极氧化带来器件性能的恶化。

更优选地，所述支撑层的厚度为2μm-3.5μm，能对谐振器起到足够的支撑、保护作用，并且在制作时能较容易做成。

优选地，所述顶电极层和所述底电极层的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，所述底电极层的厚度为10nm-1μm，所述顶电极层厚度最大处为10nm-1μm。钼、铂、钛、金的密度足够高，声阻抗足够大，可以限制声波在压电层中，保证声波能量不会过多损耗。

更优选地，所述负载层的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，厚度为10nm-2μm，宽度为10nm-10μm，有利于在制作该背刻蚀型体声波谐振器时更高效、更精确地形成具有特定结构的负载层和顶电极层。

优选地，所述压电层的材质为氮化铝，性能较好，同时兼容cmos制备工艺，化学稳定性高。

更优选地，所述压电层的厚度为所述底电极层的厚度的五倍至十倍，可以保证背刻蚀型体声波谐振器的有效机电耦合系数处在较高水平，且背刻蚀型体声波谐振器的品质因数也会较高。

第二方面，本申请一种背刻蚀型体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：

在衬底上生长第一金属薄膜，得到具有底电极层的外延片；

在所述底电极层表面生长压电薄膜，得到具有压电层的外延片；

在所述压电层上生长第二金属薄膜，在所述第二金属薄膜表面制作位于所述第二金属薄膜边缘上的负载层，从外延片的顶面刻蚀至所述第二金属薄膜以使所述第二金属薄膜从中央往外形成向下的阶梯，保留第二金属薄膜的边缘形成包围所述阶梯的边框，得到具有顶电极层和所述负载层的外延片；

刻蚀所述衬底的中央以形成空腔，得到所述背刻蚀型体声波谐振器。

该方法不需要外接电容电阻，降低了制备难度，从而降低了制作成本，制得的背刻蚀型体声波谐振器寄生耦合少，品质因数高。

可选地，在所述在衬底上生长第一金属薄膜的步骤之前，还包括步骤：在衬底上生长一层支撑层。

支撑层能够给予器件一定的支撑强度，避免碎片，在后续刻蚀衬底的中央以形成空腔的过程中，能够避免刻蚀到底电极层。支撑层位于衬底和底电极层之间，有利于防止底电极氧化带来器件性能的恶化。

本发明的有益效果是：本发明通过负载层抑制寄生电容的产生，再通过具有阶梯结构的顶电极层增加横向波传播路径中的阻力，进一步抑制寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，有利于提升谐振器的品质因数，空腔的设置有利于利用空气声阻抗和压电材料声阻抗不同的特点，有效形成对体声波的全反射，以此谐振器为基础制备的滤波器、双工器、传感器等相关器件具有更优异的性能。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是在衬底上生长支撑层后的结构示意图。

图2是在衬底上生长支撑层、第一金属薄膜、压电薄膜、第二金属薄膜后的结构示意图。

图3是实施例1提供的一种背刻蚀型体声波谐振器的结构示意图。

图4是实施例3制得的一种背刻蚀型体声波谐振器的俯视图。

图5是实施例1制得的谐振器的导纳曲线。

图6是实施例2制得的谐振器的导纳曲线。

图7是实施例3制得的一种背刻蚀型体声波谐振器的结构示意图。

图8是实施例3制得的谐振器的导纳曲线。

图9是对比例1制得的谐振器的导纳曲线。

图10是对比例2制得的谐振器的导纳曲线。

附图标记：1、负载层；2、顶电极层；3、压电层；4、底电极层；5、支撑层；6、衬底；7、空腔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

尽管FBAR谐振器优于SAW谐振器，但FBAR谐振器仍然存在寄生耦合现象比较严重、品质因数不够高的问题，进而导致做成的滤波器带内插损严重。参照图3，本申请提供一种背刻蚀型体声波谐振器，包括顶电极层2、底电极层4以及夹在顶电极层2和底电极层4之间的压电层3，底电极层4的下方设置有环带状的衬底6以在衬底6中央形成空腔7，顶电极层2从中央往外形成向下的阶梯，顶电极层2的边缘形成包围阶梯的边框，边框上设置有环带状的负载层1。

该谐振器通过负载层1抑制寄生电容的产生，再通过具有阶梯结构的顶电极层2增加横向波传播路径中的阻力，进一步抑制寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，有利于提升谐振器的品质因数，空腔7的设置有利于利用空气声阻抗和压电材料声阻抗不同的特点，有效形成对体声波的全反射，以此谐振器为基础制备的滤波器、双工器、传感器等相关器件具有更优异的性能。

参照图7，在优选的实施方式中，阶梯共有三至五阶，有利于更进一步地抑制寄生效应，提高谐振器的品质因数。平行边会导致横向波反射降低，进而降低机电转换效率，优选地参照图4，该谐振器的每一层均可做成五边形的片状或五边形的框状。在图4中，最外的一环为负载层1，里面的多环为顶电极层2的多级阶梯，中央的五边形为顶电极层2的顶部。

衬底6的材质可为硅，适用cmos工艺，方便集成，例如可选用厚度为575μm的硅片作为衬底6。在优选的实施方式中，底电极层4的底面设置有支撑层5，支撑层5位于底电极层4和衬底6之间，支撑层5的材质为二氧化硅。支撑层5具有以下作用：

（1）增强硅衬底与金属底电极层之间的结合力。

（2）在制作该背刻蚀型体声波谐振器的过程中，支撑层可起到保护底电极层的作用。

（3）支撑层能够给予器件一定的支撑强度，避免碎片。

（4）有利于防止底电极层氧化带来器件性能的恶化。

支撑层的厚度优选为2μm-3.5μm。如果支撑层5过厚，则制作谐振器的效率较低，如果支撑层5过薄，则支撑效果不佳，存在碎片的风险。

顶电极层2和底电极层4的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，这些密度足够高，声阻抗足够大，可以限制声波在压电层中，保证声波能量不会过多损耗，底电极层4的厚度为10nm-1μm，顶电极层2厚度最大处为10nm-1μm。顶电极层2的结构为先沉积后刻蚀而得，顶电极层2厚度最大处即为顶电极层2的中央最高的一级阶梯以及顶电极层2的边缘。

负载层1应选用密度大的材料，在一些实施方式中，负载层1可以选用密度大的非金属材料制成。在更优选的实施方式中，负载层1的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，厚度为10nm-2μm，宽度为10nm-10μm。要制出具有特殊结构的顶电极层2在制作时要先沉积后刻蚀，而负载层1在顶电极层2之上，刻蚀时对不同材料的选择比不同，使负载层1和顶电极层2采用相同或相近的材料有利于高效、精确地刻蚀出具有特殊形状的顶电极层2。

压电层3的材质优选为氮化铝，性能较好，同时兼容cmos制备工艺，化学稳定性高。压电层3的厚度为底电极层4的厚度的五倍至十倍，可以保证背刻蚀型体声波谐振器的有效机电耦合系数处在较高水平，且背刻蚀型体声波谐振器的品质因数也会较高。

本申请还一种背刻蚀型体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：

S1：在衬底6上生长第一金属薄膜，得到具有底电极层4的外延片。

S2：在底电极层4表面生长压电薄膜，得到具有压电层3的外延片。

S3：在压电层3上生长第二金属薄膜，在第二金属薄膜表面制作位于第二金属薄膜边缘上的负载层1，从外延片的顶面刻蚀至第二金属薄膜以使第二金属薄膜从中央往外形成向下的阶梯，保留第二金属薄膜的边缘形成包围阶梯的边框，得到具有顶电极层2和负载层1的外延片。

S4：刻蚀衬底6的中央以形成空腔7，得到背刻蚀型体声波谐振器。

该方法不需要外接电容电阻，降低了制备难度，从而降低了制作成本，制得的背刻蚀型体声波谐振器寄生耦合少，品质因数高。

可选地，在步骤S4之后，还包括步骤S5：刻蚀外延片制作电极连接通孔，并沉积金属进行电学连接，得到具有引脚的背刻蚀型体声波谐振器。

可选地，在步骤S1之前，还包括步骤S0：在衬底6上生长一层支撑层5。

支撑层能够给予器件一定的支撑强度，避免碎片，在步骤S4中，能够避免刻蚀到底电极层。

步骤S3具体可通过不同的技术路径实现。例如，先生长第二金属薄膜，通过光刻-刻蚀做出顶电极层2的阶梯和边框，再光刻出保护阶梯的光刻胶，再生长负载层，最后除去保护阶梯的光刻胶。又例如，连续生长出第二金属薄膜和负载层，直接光刻-刻蚀做出顶电极层2的阶梯和边框并除去多余的负载层材料，使负载层高于阶梯的最顶处；当负载层1和顶电极层2选用相同或相近的材料时，可快捷地精确地做出顶电极层2和负载层1。

实施例1

背刻蚀型体声波谐振器通过以下步骤制作：

选用高阻Si衬底作为外延衬底，对外延衬底进行酸洗以及有机清洗，使衬底表面洁净，在衬底上先使用PECVD方法制备二氧化硅支撑层，如图1所示。于支撑层上溅射或蒸镀第一金属薄膜并进行图形化处理得到底电极层，呈五边形结构；在底电极层上利用PVD技术溅射压电薄膜并进行光刻图形化处理，得到压电层；于压电层上继续磁控溅射顶第二金属薄膜并进行图形化处理得到顶电极层；如图2所示。于顶电极层上制备负载层，同时刻蚀一阶凹陷阶梯，且使负载层沿顶电极层边缘生长。采用背刻蚀工艺(ICP)将硅衬底谐振器工作区域内的硅去除，以形成空腔，同时部分露出支撑层；如图3所示，得到实施例1的体声波谐振器。利用ICP刻蚀技术刻蚀电极连接通孔，并通过蒸镀金属进行电学连接，完成最终的接线。

具体地，本实施例方案中，负载层材质为Mo，呈正五面体框架结构，宽度设置为1.25μm（根据仿真计算结果，对谐振器内的各声波散射进行分析得到横向传输的声波波长取其四分之一波长作为负载层宽度），厚度为50nm。二氧化硅支撑层5的厚度为2μm。压电层3的厚度为2μm，采用高质量单晶AlN压电薄膜，能够更好地更适用于3GHz以上的频段。硅衬底6厚度575μm。谐振器的顶电极层2和底电极层4的材质均为Mo，厚度均为200nm，阶梯凹陷处宽度设置为1 .25μm（根据仿真计算结果，对谐振器内的各声波散射进行分析得到横向传输的声波波长取其四分之一波长作为负载层宽度），厚度10nm。

对实施例1制作的背刻蚀型体声波谐振器进行测试，得到的导纳曲线如图5所示，谐振区域内无杂峰。寄生参数较小。该谐振器的谐振点为2356MHz和2428MHz，计算得品质因数为1561。

实施例2

按实施例1的步骤制成，因此也具有图3所示的结构，与实施例1的区别在于：二氧化硅支撑层5的厚度为3.5μm，负载层1的厚度为500nm；单晶压电薄膜层3的厚度为500nm。硅衬底6厚度575μm，谐振器顶电极层2的厚度为800nm，谐振器底电极4的厚度为800nm。顶电极为Pt，负载层材质为Pt。

对实施例2制作的背刻蚀型体声波谐振器进行测试，得到的导纳曲线如图6所示，谐振区域内无杂峰。寄生参数较小。该谐振器的谐振点为4508MHz和4624MHz，品质因数为1540。

实施例3

与实施例1的区别在于：顶电极层的阶梯为三阶，其结构示意图如图7和图4所示。

对实施例3制作的背刻蚀型体声波谐振器进行测试，得到的导纳曲线如图8所示，谐振区域内无杂峰。寄生参数进一步较小。该谐振器的谐振点为2352MHz和2415MHz，品质因数为1737。因为台阶状凹陷和负载的存在进一步减少了寄生，同时提升了Q值（品质因数）。

对比例1

与实施例1的区别在于：底部没有空腔。无空腔的谐振器声反射能力较差，无法形成有效的谐振点，其导纳曲线如图9所示，该谐振器导纳曲线中无谐振点产生。

对比例2

与实施例1的区别在于：没有负载层。图10为对比例2的谐振器导纳曲线，如图10中框住的部分所示，在谐振点附近出现了较多的杂波干扰。

本发明的背刻蚀型体声波谐振器寄生耦合少，Q值高，有利于以此为基础制备更优异的滤波器、双工器、传感器等相关器件。当负载层和顶电极层选用同一种材料时，相当于生长一层厚的金属，然后做成特殊的结构，不需要额外制备功能膜层或者外接电容电阻，降低了制备难度，从而降低了制备成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式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方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种背刻蚀型体声波谐振器，包括顶电极层（2）、底电极层（4）以及夹在所述顶电极层（2）和所述底电极层（4）之间的压电层（3），其特征在于，所述底电极层（4）的下方设置有环带状的衬底（6）以在所述衬底（6）中央形成空腔（7），所述顶电极层（2）从中央往外形成向下的阶梯，所述顶电极层（2）的边缘形成包围所述阶梯的边框，所述边框上设置有环带状的负载层（1）。

2.根据权利要求1所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述阶梯共有三至五阶。

3.根据权利要求1所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述衬底（6）的材质为硅。

4.根据权利要求3所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述底电极层（4）的底面设置有支撑层（5），所述支撑层（5）位于所述底电极层（4）和所述衬底（6）之间，所述支撑层（5）的材质为二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层（5）的厚度为2μm-3.5μm。

6.根据权利要求1所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极层（2）和所述底电极层（4）的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，所述底电极层（4）的厚度为10nm-1μm，所述顶电极层（2）厚度最大处为10nm-1μm。

7.根据权利要求6所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述负载层（1）的材质选自钼、铂、钛、金中的任一种，厚度为10nm-2μm，宽度为10nm-10μm。

8.根据权利要求6所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述压电层（3）的材质为氮化铝。

9.根据权利要求8所述的背刻蚀型体声波谐振器，其特征在于，所述压电层（3）的厚度为所述底电极层（4）的厚度的五倍至十倍。

10.一种背刻蚀型体声波谐振器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底（6）上生长第一金属薄膜，得到具有底电极层（4）的外延片；

在所述底电极层（4）表面生长压电薄膜，得到具有压电层（3）的外延片；

在所述压电层上生长第二金属薄膜，在所述第二金属薄膜表面制作位于所述第二金属薄膜边缘上的负载层（1），从外延片的顶面刻蚀至所述第二金属薄膜以使所述第二金属薄膜从中央往外形成向下的阶梯，保留第二金属薄膜的边缘形成包围所述阶梯的边框，得到具有顶电极层（2）和所述负载层（1）的外延片；

刻蚀所述衬底（6）的中央以形成空腔（7），得到所述背刻蚀型体声波谐振器。