一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器及其制作方法，該聲波諧振器包括硅襯底、犧牲層和壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)，壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)從下往上依次包括支撐層、底電極、壓電層、頂電極；壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)被釋放窗口陣列貫穿，釋放窗口陣列形成了釋放通道；犧牲層中間設(shè)置有中空部分，該中空部分與下面的硅襯底和上面的支撐層形成空氣腔；空氣腔通過釋放位于硅襯底正面的犧牲層形成，其釋放通道由貫穿壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的釋放窗口陣列組成；根據(jù)該FBAR氣隙的功能和結(jié)構(gòu)特征，本發(fā)明制作方法有利于改進(jìn)其可制造性，并且能夠快速、干凈的形成空腔，減小芯片尺寸。
【專利說明】一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子器件領(lǐng)域，具體指一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器及其制作方法，其制作方法有利于改進(jìn)薄膜體聲波諧振器的可制造性，能夠快速、干凈的形成空腔，減小芯片尺寸。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著無線通信系統(tǒng)(如掌上電腦、手機(jī)、GPS接收機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信以及各種數(shù)據(jù)通信)需求的快速增長，促進(jìn)了高頻器件的相關(guān)發(fā)展，催生了更高頻率，帶寬更大、速度更快的信號傳輸應(yīng)用。無線終端設(shè)備的多功能化對頻率器件的要求也越來越高，逐步趨向于微型化、低功耗、低成本、集成化及高性能等。
[0003]傳統(tǒng)的射頻頻率器件主要采用微波陶瓷技術(shù)和聲表面波(SAW)技術(shù)。其中采用微波陶瓷技術(shù)的器件主要的不足之處:(I)工作速度慢，(2)體積偏大，(3)無法與RFIC電路集成；聲表面波(SAW)濾波器主要不足之處:(1)叉指電極工藝的復(fù)雜性限制了 SAW濾波器在高頻領(lǐng)域中的應(yīng)用，(2)插入損耗大，(3)功率容量小，(4)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝難以集成。薄膜聲體波諧振器(FBAR)克服了傳統(tǒng)射頻器件的缺點(diǎn)，具有:(1)工作頻率高(最高可達(dá)20GHz)，(2)體積小，(3)損耗低、Q值高，(4)與CMOS工藝兼容，可與外圍電路構(gòu)成單芯片系統(tǒng)。
[0004]薄膜體聲波諧振器(FBAR)是一種利用聲學(xué)諧振實(shí)現(xiàn)電學(xué)選頻的器件。FBAR的基本結(jié)構(gòu)為頂電極-壓電薄膜-底電極的三明治結(jié)構(gòu)，其工作原理為:當(dāng)施加電信號到電極上時，壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)化為聲波信號，當(dāng)聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數(shù)倍時就會產(chǎn)生諧振，再通過壓電薄膜的壓電效應(yīng)將諧振頻率處的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出；由于諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的電信號。
[0005]薄膜體聲波諧振器的研制主要集中在美國、韓國等發(fā)達(dá)國家，美國安華高(Avago)是世界上最早進(jìn)行FBAR研制的公司，其FBAR濾波器出貨量早在2006年就達(dá)到2億只，其專利和相關(guān)產(chǎn)品中采用的就是空腔型FBAR。FBAR空腔結(jié)
構(gòu)的加工十分重要，空腔提供的空氣層聲阻抗為零，聲波經(jīng)過空氣層全反射，在FBAR中振蕩產(chǎn)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)FBAR的濾波功能。其專利(EP1012888B1)中提到的形成空腔的方法:(I)采用表面微加工工藝在襯底上生長一層集中在襯底中間的犧牲層；(2)在襯底上依次生長支撐層、底電極、壓電層、頂電極；(3)釋放犧牲層，形成空腔。此方法中由于犧牲層位于襯底上，加工形成的換能器堆疊結(jié)構(gòu)呈臺階形，對支撐層強(qiáng)度要求很高，且壓電層及電極在臺階邊緣處易發(fā)生畸變，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象并導(dǎo)致斷裂。韓國三星電子(SAMSUNGELECTRONICS)在專利(EP1471636B1)中提到的空腔型FBAR的工藝中，采用犧牲層填充淺槽的方法實(shí)現(xiàn)犧牲層的預(yù)留，但在預(yù)留工藝中需要對超出淺槽部分的犧牲層進(jìn)行拋光處理，通常采用的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)拋光工藝復(fù)雜、精度難以控制；其專利(EP1180494A2)提到的犧牲層釋放窗口位于FBAR外，釋放形成的空腔結(jié)構(gòu)比FBAR尺寸大的多，增加了FBAR的尺寸；其專利(EP1598933B1)提到通過在硅襯底背面刻蝕腐蝕通道實(shí)現(xiàn)犧牲層的釋放，形成空腔結(jié)構(gòu)；但襯底厚度較大，刻蝕襯底形成腐蝕通道時間長，且刻蝕終止時間難以控制。近年來，中國在空腔型FBAR的研制上有了很大的進(jìn)步。天津理工大學(xué)的專利(CN102931941A)中提到的空腔型FBAR制作方法為:首先通過電化學(xué)法在硅襯底上掩膜的空氣隙位置處腐蝕制備多孔硅，然后依次完成支撐層、底電極、壓電層、頂電極的加工，最后采用IC工藝中的濕法刻蝕工藝，腐蝕掉多孔硅，釋放出空氣隙結(jié)構(gòu)。此種方法需要先制備多孔硅，并且要刻蝕大量的硅襯底材料，其工藝復(fù)雜，耗時長。另外，中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所的專利(CN101977026A)中提到的FBAR制作方法為:將帶空腔的SOI基片與頂層硅鍵合形成空腔，并在頂層硅上加工壓電薄膜換能器結(jié)構(gòu)。此種方法雖然克服了犧牲層釋放的問題，但其增加了額外的鍵合工藝；換能器需要加工于通過鍵合工藝形成的空腔正上方，對準(zhǔn)出現(xiàn)的誤差會影響薄膜體聲波諧振器的諧振特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提出了一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器及其制作方法，能改進(jìn)空腔型薄膜體聲波諧振器的可制造性，快速、干凈的形成空腔，減小芯片尺寸。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:包括硅襯底、犧牲層和壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)，壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)從下往上依次包括支撐層、底電極、壓電層、頂電極；所述壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)被釋放窗口陣列貫穿，釋放窗口陣列形成了釋放通道；所述犧牲層中間設(shè)置有中空部分，該中空部分與下面的硅襯底和上面的支撐層形成空氣腔。
[0008]所述空氣腔是通過犧牲層的釋放通道導(dǎo)入腐蝕液對犧牲層刻蝕形成的。
[0009]所述壓電層的釋放窗口小于底電極的釋放窗口，用于防止工藝過程中頂電極和底電極短路。
[0010]所述犧牲層是通過熱氧化硅襯底形成的位于硅襯底正面的二氧化硅，克服了傳統(tǒng)犧牲層預(yù)留時復(fù)雜的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝；犧牲層結(jié)構(gòu)平整、無臺階，避免了采用表面微加工工藝加工集中在襯底中間的犧牲層，克服了由此加工產(chǎn)生的壓電層及電極的臺階邊緣處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
[0011]所述釋放通道貫穿壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)，且位于薄膜體聲波諧振器的正面，沒有占用額外面積，可以減小芯片尺寸。
[0012]所述釋放窗口陣列位于薄膜體聲波諧振器的正面，通過腐蝕釋放的犧牲層面積彼此相鄰，使得犧牲層釋放能夠快速、干凈的完成，并形成完整的空腔；貫穿薄膜體聲波諧振器的犧牲層釋放窗口陣列可釋放壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)中薄膜間的應(yīng)力，改善其長期穩(wěn)定性。
[0013]制作所述的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的方法，其工藝步驟如下:
A.熱氧化硅襯底形成犧牲層；
B.在犧牲層上生長帶釋放窗口陣列的支撐層；
C.在支撐層上生長帶釋放窗口陣列的底電極，支撐層的釋放窗口陣列與步驟B中犧牲層的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿；
D.在底電極上生長帶釋放窗口陣列的壓電層，底電極的釋放窗口陣列與步驟C中支撐層的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿；
E.在壓電層上生長帶釋放窗口陣列的頂電極，壓電層的釋放窗口陣列與步驟D中底電極的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿；
F.通過貫穿換能器堆疊結(jié)構(gòu)的釋放窗口陣列形成的腐蝕通道釋放犧牲層，形成完整的空氣腔。
[0014]所述制作方法中采用剝離法在圖形化電極的同時形成釋放窗口陣列。
[0015]綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，是空腔型薄膜體聲波諧振器制作方法的創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)思維束縛，其加工工藝簡單、可行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的俯視示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明圖1中按照A-A’切割得到的截面示意圖。
[0018]圖3-8為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的工藝流程圖。
[0019]圖9-12為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的底電極剝離工藝流程圖。
[0020]圖13-16為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的避免電極短路的工藝流程圖。
[0021]圖17-20為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器犧牲層釋放窗口形狀設(shè)計(jì)。
[0022]其中，附圖標(biāo)記為:1硅襯底、2犧牲層、3支撐層、4底電極、5壓電層、6頂電極、7犧牲層釋放通道、8空氣腔。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]圖1為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的俯視示意圖，圖2是鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器按照圖1中A-A’切割得到的截面圖。本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，包括硅襯底1、犧牲層2、支撐層3、底電極4、壓電層5、頂電極6、犧牲層釋放通道7、空氣腔8。所述的空氣腔8是通過犧牲層釋放通道7導(dǎo)入腐蝕液對犧牲層2刻蝕形成的，其中犧牲層釋放通道7由換能器堆疊結(jié)構(gòu)的釋放窗口陣列組成。所述的壓電層5的釋放窗口小于底電極4的釋放窗口，用于防止工藝過程中頂電極6和底電極4短路。圖1-2中鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器為正五邊形，當(dāng)其(通常采用縱波模式)橫向振動時，橫波在互不平行的正五邊形邊界來回反射，降低了反射波與入射波的疊加產(chǎn)生諧振的幾率，減小了其縱波模式阻抗特性中寄生的橫波諧振的阻抗特性。
[0025]圖3-8為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的工藝流程圖，按照31六個主要工藝步驟順序依次實(shí)施。在圖3中，在襯底硅I上通過熱氧化在其表面上形成一層犧牲層2 ;在圖4中，在犧牲層2上生長帶釋放窗口陣列的支撐層3 (選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，以改善其功率容量)；在圖5中，在支撐層3上生長帶釋放窗口陣列的底電極4 ;在圖6中，在底電極4上生長帶釋放窗口陣列的壓電層5 ;在圖7中，在壓電層5上生長帶釋放窗口陣列的頂電極6 ;在圖8中，通過釋放通道7導(dǎo)入腐蝕液對犧牲層3進(jìn)行刻蝕，形成空腔結(jié)構(gòu)8。
[0026]圖9-12為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的底電極剝離工藝流程圖，包括四個主要步驟，工藝步驟順序按照圖9-12的順序依次實(shí)施。在圖9中，在犧牲層2上生長帶釋放窗口陣列的支撐層3 ;在圖10中，在支撐層3上覆蓋一層光刻膠，經(jīng)過紫外線曝光和丙酮清洗處理，形成底電極4的掩膜層；在圖11中，在光刻膠上生長一層底電極4 ;在圖12中，采用剝離的方法，在圖形化底電極4的同時形成底電極釋放窗口。
[0027]圖13-16為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的避免電極短路的工藝流程圖，包括四個主要步驟，工藝步驟順序按照圖13-16的順序依次實(shí)施。在圖13中，在帶釋放窗口陣列的底電極4上生長帶釋放窗口陣列的壓電層5，其中壓電層5的犧牲層釋放窗口與底電極4的釋放窗口對應(yīng)貫穿，且前者尺寸小于后者尺寸；在圖14中，在壓電層5上直接濺射生長頂電極6，由于壓電層5的釋放窗口小于底電極4的釋放窗口，避免了濺射生長的頂電極6與底電極4短接；在圖15中，在底電極6上覆蓋一層光刻膠，經(jīng)過紫外線曝光和丙酮清洗處理，形成頂電極6的掩膜層；在圖16中，采用腐蝕液對頂電極6進(jìn)行刻蝕，在圖形化頂電極6的同時形成了頂電極6的犧牲層釋放窗口。
[0028]圖17-20為本發(fā)明的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器犧牲層釋放窗口形狀設(shè)計(jì)，包括四個形狀的犧牲層釋放窗口形狀設(shè)計(jì)，分別為正方形、圓形、三角形、正五邊形。圖中陰影為通過不同形狀犧牲層釋放窗口陣列釋放的犧牲層，其中通過正方形釋放窗口陣列釋放的犧牲層彼此連通，充分、高效的利用犧牲層腐蝕的終止長度，能夠快速、干凈的釋放犧牲層，形成完整空腔結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:包括硅襯底、犧牲層和壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)，壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)從下往上依次包括支撐層、底電極、壓電層、頂電極；所述壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)被釋放窗口陣列貫穿，釋放窗口陣列形成了釋放通道；所述犧牲層中間設(shè)置有中空部分，該中空部分與下面的硅襯底和上面的支撐層形成空氣腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:所述空氣腔是通過犧牲層的釋放通道導(dǎo)入腐蝕液對犧牲層刻蝕形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:所述壓電層的釋放窗口小于底電極的釋放窗口，用于防止在工藝過程中頂電極和底電極短路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:所述釋放通道貫穿壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)，且位于薄膜體聲波諧振器的正面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器，其特征在于:所述整個薄膜體聲波諧振器設(shè)計(jì)為正五邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貫穿堆疊結(jié)構(gòu)的犧牲層釋放窗口陣列中的釋放窗口形狀，其特征在于:所述釋放窗口形狀為正方形。
7.制作權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的方法，其工藝步驟如下: A.熱氧化硅襯底形成犧牲層； B.在犧牲層上生長帶釋放窗口陣列的支撐層； C.在支撐層上生長帶釋放窗口陣列的底電極，支撐層的釋放窗口陣列與步驟B中犧牲層的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿； D.在底電極上生長帶釋放窗口陣列的壓電層，底電極的釋放窗口陣列與步驟C中支撐層的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿； E.在壓電層上生長帶釋放窗口陣列的頂電極，壓電層的釋放窗口陣列與步驟D中底電極的釋放窗口陣列對應(yīng)貫穿； F.通過貫穿換能器堆疊結(jié)構(gòu)的釋放窗口陣列形成的腐蝕通道釋放犧牲層，形成完整的空氣腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鏤空空腔型薄膜體聲波諧振器的制造方法，其特征在于:采用剝離法在圖形化電極的同時形成釋放窗口陣列。
【文檔編號】H03H9/17GK104202010SQ201410430280
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】高楊, 何移, 周斌, 何婉婧, 李君儒, 蔡洵, 黃振華 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所