CN117728788A - 一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法，属于半导体技术领域，本申请通过生长两种不相同的钪原子的掺杂浓度的第一层和第二层作为压电层，实现第一层和第二层叠加后的钪原子的掺杂浓度等效于其它钪原子的掺杂浓度（即所需机电耦合系数对应的钪原子的掺杂浓度）的压电层，实现机电耦合系数的可控调节，相较于现有方法，本发明的工艺更简便，无需舍弃当前使用的靶材，也不需要重新设计体声波谐振器尺寸参数，同时也没有额外匹配电路，不会对器件的串联谐振频率等性能造成恶化，也不会增加体声波谐振器尺寸，符合体声波谐振器小型化的发展需求，并且满足对不同带宽的滤波器的使用需求。

Description

一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法。

背景技术

无线移动通信的快速发展，对射频（RF）设备的性能提出了更高的要求，滤波器作为射频设备前端的一个重要元件，具有较大的带宽、较低的插入损耗以及体积小的优点。其中，体声波滤波器由于其压电薄膜材料具有较高的高声速和良好的温度稳定性，成为现今主流的滤波器，但是体声波滤波器的机电耦合系数是影响滤波器带宽和截止频率的核心参数，所以通过调节机电耦合系数以满足不同带宽滤波器的使用需求。

目前，现有的调节机电耦合系数的方法是通过选择不同类型的压电材料以及生长不同掺杂浓度的压电材料，但是这种方法都需要重新设计谐振器的各种制备参数或者更换不同掺杂浓度的生长靶材，所以会让制备工艺变得很复杂。而还有一种方法通过在电路中加入电容器和电感器等外部无源器件来改变机电耦合系数，然而，无源器件的引入对谐振器的Q值以及其它性能有很大的影响，并导致滤波器体积的增加，无法满足通信终端小型化的发展需求。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本申请的目的在于提供了一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法，可以实现机电耦合系数的可控调节。

第一方面，本申请提供一种体声波谐振器，包括由下至上依次层叠设置的衬底、底电极、压电层和顶电极；

所述衬底靠近所述底电极的一侧设置有凹槽，所述凹槽的开口朝向所述底电极；

所述压电层包括由下至上依次层叠的第一层和第二层，所述第一层和所述第二层的材料均为掺钪氮化铝，且所述第一层对应的所述掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度与所述第二层对应的所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度不相同。

通过上述设置，实现机电耦合系数的可控调节。

进一步地，所述第一层和所述第二层的厚度不相同。

通过上述设置，可以增加机电耦合系数的调节范围，实现了机电耦合系数的可控调节，满足客户的不同需求。

进一步地，所述第一层对应的所述掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度比所述第二层对应的所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度大，且所述第一层的厚度比所述第二层的厚度小。

通过上述设置，可以得到对应的机电耦合系数。

进一步地，所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度的范围为5 at％-50at％。

进一步地，所述衬底的材质包括Si、SiC、Ge、蓝宝石中的至少一种。

进一步地，所述底电极的材质包括Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb、Hf中的至少一种。

进一步地，所述顶电极的材质包括Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb、Hf中的至少一种。

第二方面，本申请提供一种滤波器，包括如上述的体声波谐振器。

第三方面，本申请提供一种体声波谐振器的制作方法，用于制作如上述的体声波谐振器，所述制作方法包括步骤：

A1. 在衬底的上表面采用干法或湿法刻蚀一个凹槽，所述凹槽深度为 3μm ~30μm；

A2. 在所述凹槽上通过PECVD 沉积疏松的SiO₂，作为牺牲层，并对所述衬底的表面进行化学机械抛光处理，将高于所述凹槽边缘的SiO₂除去，并清洗；

A3. 在所述衬底的上表面上沉积一层底电极材料，并刻蚀出所述底电极的图形；

A4. 在所述底电极的上表面采用PVD法分别生长第一预设厚度的第一层和第二预设厚度的第二层，作为压电层，并对压电层进行刻蚀形成需要的图形；

A5. 在所述压电层的上表面生长顶电极，并对所述顶电极进行刻蚀以获得图案；

A6. 在所述凹槽的周围通过干法刻蚀获得释放窗口，将氟化氢溶液从所述释放窗口注入，把所述牺牲层去除，以得到体声波谐振器。

进一步地，所述第一预设厚度与所述第二预设厚度不同。

由上可知，本发明提供的体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法，本申请通过生长钪原子的掺杂浓度不相同的第一层和第二层作为压电层，实现第一层和第二层叠加后的钪原子的掺杂浓度等效于其它钪原子的掺杂浓度（即所需机电耦合系数对应的钪原子的掺杂浓度）的压电层，实现机电耦合系数的可控调节，相较于现有方法，本发明的工艺更简便，无需舍弃当前使用的靶材，也不需要重新设计体声波谐振器尺寸参数，同时也没有额外匹配电路，不会对器件的串联谐振频率等性能造成恶化，也不会增加体声波谐振器尺寸，符合体声波谐振器小型化的发展需求，并且满足对不同带宽的滤波器的使用需求。

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实施例了解。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为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的阻抗曲线对比示意图。

图3为本申请实施例提供的体声波谐振器的制作方法的流程示意图。

标号说明：100、衬底；110、底电极；120、压电层；121、第一层；122、第二层；130、顶电极。

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。

如图1-图3所示，本申请提供一种体声波谐振器、滤波器以及体声波谐振器的制作方法，可以实现机电耦合系数的可控调节。

第一方面，本申请提供一种体声波谐振器，包括由下至上依次层叠设置的衬底100、底电极110、压电层120和顶电极130；

衬底100靠近底电极110的一侧设置有凹槽，凹槽的开口朝向底电极110；

压电层120包括由下至上依次层叠的第一层121和第二层122，第一层121和第二层122的材料均为掺钪氮化铝（AlScN），且第一层121对应的掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度与第二层122对应的掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度不相同。

具体地，在现有技术中，因客户定制需求，可能需要制定多种机电耦合系数的体声谐振器，在调节机电耦合系数时，虽然可以直接更换压电层120的材料，使掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度达到所需机电耦合系数对应的浓度，但是在实际应用中，由于需要更换钪原子的掺杂浓度就需要舍弃目前使用的靶材，换上所需浓度对应的靶材，导致无法继续使用当前的靶材，使制备工艺变得很复杂，因此，本申请通过生长钪原子的掺杂浓度不相同的第一层121和第二层122作为压电层120，如图1所示，实现第一层121和第二层122叠加后的钪原子的掺杂浓度等效于其它钪原子的掺杂浓度（即所需机电耦合系数对应的钪原子的掺杂浓度）的压电层120，从而可以继续使用当前的靶材（钪原子的掺杂浓度不是目标浓度），在当前靶材制得的第一层121后，再采用另一种浓度的靶材，使得第一层121和第二层122叠加后的钪原子的掺杂浓度是目标浓度，例如，当前客户需要的机电耦合系数对应的钪原子的掺杂浓度是12%，而当前靶材使用的钪原子的掺杂浓度是8%，为了继续使用当前的靶材，在当前靶材制得第一层121后，再采用钪原子的掺杂浓度是16%的靶材制作第二层122，第一层121和第二层122叠加后的钪原子的掺杂浓度是12%，钪原子的掺杂浓度是8%、12%和16%对应的机电耦合系数的表现分别如图2中的A曲线、B曲线和C曲线，该图2为体声波谐振器的阻抗曲线对比示意图，图2中的纵坐标表示阻抗值，横坐标为频率，从图2中可以得到，本申请通过第一层121和第二层122叠加后的压电层120对应的机电耦合系数介于掺杂浓度为8%对应的机电耦合系数和掺杂浓度为16%对应的机电耦合系数之间，证明了通过使用不同掺杂浓度的第一层121和第二层122作为压电层120，即可等效其它钪原子的掺杂浓度的压电层120，实现机电耦合系数的可控调节，相较于现有方法，本发明的工艺更简便，无需舍弃当前使用的靶材，也不需要重新设计体声波谐振器尺寸参数，同时也没有额外匹配电路，不会对器件的串联谐振频率等性能造成恶化，也不会增加体声波谐振器尺寸，符合体声波谐振器小型化的发展需求，并且满足对不同带宽的滤波器的使用需求。

在一些优选的实施方式中，第一层121和第二层122的厚度不相同。

具体地，通过设置第一层121和第二层122的厚度不相同，可以增加机电耦合系数的调节范围，实现了机电耦合系数的可控调节，满足客户的不同需求。

其中，在现有的生长机器里面，一般有两个靶材（即是有两种不同的钪原子的掺杂浓度）同时存在的，因此，通过本申请的设计方案，仅需改变第一层121和第二层122的厚度比，即可等效多种不同的钪原子的掺杂浓度的压电层120。

在一些优选的实施方式中，第一层121对应的掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度比第二层122对应的掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度大，且第一层121的厚度比第二层122的厚度小。

具体地，通过上述设置，可以得到对应的机电耦合系数，其中，第一层121的厚度和第二层122的厚度不限于该实施方式，可以根据实际需要设置，此处不作具体限制。

在一些优选的实施方式中，掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度的范围为5 at％-50at％。

具体地，通过上述设置，可以满足现有的机电耦合系数的需求。

在一些优选的实施方式中，衬底100的材质包括Si(硅)、SiC(碳化硅)、Ge(锗)、蓝宝石中的至少一种。

在一些优选的实施方式中，底电极110的材质包括Au(金)、Ag(银)、Ru(钌)、W(钨)、Mo(钼)、Ir(铱)、Al(铝)、Pt(铂)、Nb(铌)、Hf(铪)中的至少一种。

在一些优选的实施方式中，顶电极130的材质包括Au(金)、Ag(银)、Ru(钌)、W(钨)、Mo(钼)、Ir(铱)、Al(铝)、Pt(铂)、Nb(铌)、Hf(铪)中的至少一种。

第二方面，本申请提供一种滤波器，包括如上述的体声波谐振器。

第三方面，本申请提供一种体声波谐振器的制作方法，用于制作如上述的体声波谐振器，制作方法包括步骤：

A1. 在衬底100的上表面采用干法或湿法刻蚀一个凹槽，凹槽深度为 3μm ~30μm；

A2. 在凹槽上通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积）沉积疏松的SiO₂，作为牺牲层，并对衬底100的表面进行化学机械抛光处理，将高于凹槽边缘的SiO₂除去，并清洗；

A3. 在衬底100的上表面上沉积一层底电极110材料，并刻蚀出底电极110的图形；

A4. 在底电极110的上表面采用PVD法分别生长第一预设厚度的第一层121和第二预设厚度的第二层122，作为压电层120，并对压电层120进行刻蚀形成需要的图形；

A5. 在压电层120的上表面生长顶电极130，并对顶电极130进行刻蚀以获得图案；

A6. 在凹槽的周围通过干法刻蚀获得释放窗口，将氟化氢溶液从释放窗口注入，把牺牲层去除，以得到体声波谐振器。

具体地，如图3所示，通过上述方法可以制得体声波谐振器。

其中，在步骤A2中，还可以通过物理气相沉积、旋涂或者其他适合的方法形成牺牲层。

在步骤A3中，在衬底100上表面形成第一导电材料层，并于第一导电材料层的上表面形成图案化的第一遮蔽层，基于图案化的第一遮蔽层刻蚀第一导电材料层，以得到底电极110，形成第一导电材料层的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射或其他适合的方法，第一遮蔽层具有显影特性，例如，可以是光刻胶层，也可以是干膜，图案化第一遮蔽层的方法为常用显影方法，此处不作具体详述，刻蚀第一导电材料层的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀或者其他适合的方法。

在步骤A4中，第一层121的厚度和第二层122的厚度可以相同，也可以不同，可根据情况确定厚度比值，在第二层122的上表面形成图案化的第二遮蔽层，基于图案化的第二遮蔽层刻蚀压电材料层，以得到压电层120，其中，第二遮蔽层具有显影特性，例如，可以是光刻胶层，也可以是干膜，图案化第二遮蔽层的方法为常用显影方法，此处不作具体限制。

在步骤A5中，在压电层120上表面形成第二导电材料层，并于第二导电材料层的上表面形成图案化的第三遮蔽层，基于图案化的第三遮蔽层刻蚀第二导电材料层，以得到顶电极130；形成第二导电材料的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、溅射或其他适合的方法。

在一些优选的实施方式中，第一预设厚度与第二预设厚度不同。

具体地，通过设置第一预设厚度与第二预设厚度不同，即可等效多种不同的钪原子的掺杂浓度的压电层120。

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。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (10)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括由下至上依次层叠设置的衬底（100）、底电极（110）、压电层（120）和顶电极（130）；

所述衬底（100）靠近所述底电极（110）的一侧设置有凹槽，所述凹槽的开口朝向所述底电极（110）；

所述压电层（120）包括由下至上依次层叠的第一层（121）和第二层（122），所述第一层（121）和所述第二层（122）的材料均为掺钪氮化铝，且所述第一层（121）对应的所述掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度与所述第二层（122）对应的所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度不相同。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一层（121）和所述第二层（122）的厚度不相同。

3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一层（121）对应的所述掺钪氮化铝中的钪原子的掺杂浓度比所述第二层（122）对应的所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度大，且所述第一层（121）的厚度比所述第二层（122）的厚度小。

4. 根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述掺钪氮化铝中钪原子的掺杂浓度的范围为5 at％-50at％。

5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述衬底（100）的材质包括Si、SiC、Ge、蓝宝石中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极（110）的材质包括Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb、Hf中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极（130）的材质包括Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb、Hf中的至少一种。

8.一种滤波器，其特征在于，包括如权利要求1-权利要去7一项所述的体声波谐振器。

9.一种体声波谐振器的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1-权利要求7任一项所述的体声波谐振器，所述制作方法包括步骤：

A1. 在衬底（100）的上表面采用干法或湿法刻蚀一个凹槽，所述凹槽深度为3μm~30μm；

A2. 在所述凹槽上通过PECVD沉积疏松的SiO2，作为牺牲层，并对所述衬底（100）的表面进行化学机械抛光处理，将高于所述凹槽边缘的SiO2除去，并清洗；

A3. 在所述衬底（100）的上表面上沉积一层底电极材料，并刻蚀出所述底电极（110）的图形；

A4. 在所述底电极（110）的上表面采用PVD法分别生长第一预设厚度的第一层（121）和第二预设厚度的第二层（122），作为压电层（120），并对压电层（120）进行刻蚀形成需要的图形；

A5. 在所述压电层（120）的上表面生长顶电极（130），并对所述顶电极（130）进行刻蚀以获得图案；

A6. 在所述凹槽的周围通过干法刻蚀获得释放窗口，将氟化氢溶液从所述释放窗口注入，把所述牺牲层去除，以得到体声波谐振器。

10.根据权利要求9所述的体声波谐振器的制作方法，其特征在于，所述第一预设厚度与所述第二预设厚度不同。