专利名称：一种空腔型薄膜体声波谐振器(fbar)的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子器件领域，具体是指一种薄膜体声波谐振器。
背景技术：
薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种利用声学谐振实现电学选频的器件。FBAR的基 本工作原理当电信号加载到FBAR上时，器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变 为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，实现频率调控的功能。快速发展的无线通讯技术(如移动通讯、无线传感网络)和雷达技术需要越来越 多的高性能集成微波振荡器和双工滤波器，它们分别被用于信号源和射频前端的收发器 中，目前被广泛用于蜂窝电话和电视的声表面波滤波器遇到如下三个困难，一是其功率承 受能力的限制；二是工作频率受限于表面波滤波器叉指制作工艺；三是声表面滤波器用到 的压电晶体与IC电路中Si基片不兼容，难以集成。FBAR具有工作频率高、温度系数小、功率 容量大、损耗低、体积小、可大批量生产、成本低且与半导体Si工艺兼容而可被集成于RFIC 或MMIC中，被认为是最佳的CHz频率器件解决方案，可工作在500MHz到30GHz的频段内， 在通讯和雷达方面具有很大的应用潜力，目前FBAR的主要应用领域有PCS、CDMA和W-CDMA 用射频滤波器和双工器、GPS接收机用滤波器及FBAR振荡器等。迄今为止，实现FBAR有背腔薄膜型、空腔型和声学多反射层型谐振器三种，FBAR 的主要结构是金属电极-压电薄膜_金属电极构成的三明治结构。世界上能生产FBAR及 其相关产品的公司主要集中在美国和日本等发达国家，其中以美国Avago公司和日本的 Fujitsu公司为典型代表。美国Avago公司是世界上最早制作出FBAR，也是世界上生产商 用FBAR滤波器、双工器等产品技术最成熟的公司，其专利及其相关产品中采用的就是空 腔型FBAR结构。空腔是FBAR性能形成的关键，制作工艺相当复杂，其专利(US6060818， US6377137，US20050088257A1)中提到需要经过在硅片上浅槽刻蚀、在槽内填充牺牲层、 CMP (化学机械抛光)抛光牺牲层以及最后牺牲层释放等关键工序，容易存在以下问题(1) 牺牲层较厚，厚度有数个微米，用镀膜的方式填充容易在镀膜过程中形成残余应力，对下一 步牺牲层CMP抛光和牺牲层的释放造成影响；(2)在整个硅片表面(特别是大尺寸硅片) CMP抛除几个微米的牺牲层工艺非常复杂，精度也较难控制，对CMP设备精度和工艺人员的 技术水平的要求相当高；(3)牺牲层的释放工艺也较复杂，考虑到牺牲层的体积和尺寸，释 放所需时间较长，如果释放不完全，不能形成一个完整的空腔，就会造成器件失效，如果释 放时间较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器又会造成某种程度上的损伤；(4)在牺牲层释放 过程中，空腔中还可能会出现粘连现象，直接影响了器件的成品率。日本Fu j i t su公司生产的FBAR及其相关产品结构比较多样，从其公司申请 的相关专利来看，其FBAR的结构形式大致分两类背腔薄膜型(US7323953B2)和空腔 型(US20100060384A1, US20100060385A1, US7345402B2 等)，其中背腔型需要刻穿整个 硅片厚度，一方面需要在硅片正背面精确对准，另一方面此方式由于刻穿整个硅片厚 度，需时较长，同时器件的结构可靠性会降低。最近他们提出的空腔型FBAR及其产品(US20100060384A1, US20100060385A1等)，提到一种薄的牺牲层工艺以及在镀压电薄膜过 程中对压电薄膜进行应力控制技术，使压电层及其电极在牺牲层释放后拱起，从而形成一 个拱形空腔。此工艺有以下难点，(1)此方式对镀膜过程中的应力控制技术要求极高，不容 易掌握；(2)在牺牲层释放过程中，牺牲层四周特别是上下表面全部被电极和硅片包围，全 部释放出需时较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器会造成某种程度上的损伤；(3)牺牲层边 缘的台阶不够平滑，压电层及其电极的膜厚在此处发生畸变，会造成应力集中现象并导致 换能器的断裂，对器件的可靠性造成隐患。
发明内容
为了克服上述现有工艺技术中用牺牲层形成空腔方案中牺牲层CMP抛光、牺牲层 释放时间长、牺牲层台阶的不平滑造成的应力集中现象以及牺牲层释放时间对换能器造成 的损害等问题，本发明提供一种新的薄膜体声波谐振器制作方法，本发明制作的薄膜体声 波谐振器无牺牲层，无需国外专利及其产品中处理牺牲层采用的化学机械抛光工艺和牺牲 层释放工艺，本发明谐振器具有可调谐功能，同时本发明综合了 SOI材料所具有的源、漏寄 生电容小和低电压低功耗等优点，能与IC兼容，易于集成，本发明工艺简单，适合批量生 产。为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案本发明采用一种带空腔SOI (绝缘体硅)基片，所述带空腔SOI基片采用键合减薄 法工艺制作，SOI基片中的衬底硅片表面设置沟槽，键合后与顶层硅(器件硅层)形成封闭 的空腔结构，顶层硅上表面为一光滑平面，无台阶，因此上部压电薄膜以及镀在压电薄膜上 下表面的薄电极构成的换能器可以采用平面工艺制作，不会出现如现有工艺中出现的由牺 牲层台阶造成换能器在台阶处应力集中并造成断裂的情况；采用在带空腔SOI基片中有预 设的沟槽构成空腔，无需牺牲层技术，因此无需现有工艺中的填充牺牲层、牺牲层CMP抛光 以及牺牲层释放等工艺，在简化工艺步骤的同时，避免了牺牲层CMP抛光、牺牲层释放时间 长、牺牲层台阶的不平滑造成的应力集中现象以及牺牲层释放时间对换能器造成的损害等 问题；谐振器可调谐，通过控制空腔上部顶层硅刻蚀时间来调整其厚度，从而调整谐振器的 谐振频率；另外，由于本发明采用SOI基片，用此发明制作出的FBAR综合了 SOI材料所具有 的源、漏寄生电容小和低电压低功耗等优点，能与IC兼容，且易于集成。综上所述，本发明与现有技术相比，制作出的FBAR工艺简单，适合批量生产。
图1和图2分别为本发明方案一和方案二的切面结构示意图。图3为图1方案制作工艺步骤示意图。图中标号所代表的名称为1为衬底硅片，2为SiO2 (二氧化硅)层，3为顶层硅，4 为空腔，5为底电极层，6为压电薄膜层，7为顶电极层，8为空腔内刻蚀剩余的部分顶层硅，9 为沟槽。
具体实施例方式下面结合附图和本发明工作原理以及实验对本发明性能作进一步详细说明。
图1为本发明方案一的切面结构示意图，结构由衬底硅片1工102层2、顶层硅3和 沟槽9组成的一种带空腔SOI基片和设置其上的由底电极层5、压电薄膜层6和顶电极层 7组成的压电薄膜换能器构成。所述带空腔SOI基片中的衬底硅片1表面设置沟槽9(图 3(d)中所示)，键合后与顶层硅3形成封闭的空腔4 ；顶层硅3上部设置换能器，换能器由 中间压电薄膜6以及镀在压电薄膜6上下表面顶电极7和底电极5构成；谐振器可调谐，通 过控制空腔4上部顶层硅8 (图3 (i)中所示)刻蚀时间来调整其厚度，从而调整谐振器的 谐振频率。图3为本发明图1方案的制作工艺步骤示意图，包括3(a)_3(j)十个主要工艺步 骤，工艺步骤顺序按照字母a-j顺序依次实施。3(a)为初始的衬底硅片1 ；在3(b)中，在衬 底硅片1上通过热氧化在其上表面形成一层SiO2膜2 ；在3 (c)中，在SiO2膜2上刻蚀出圆 形、椭圆形、方形或多边形的图案作为刻蚀衬底硅片1的掩模板，图案尺寸在几十微米到数 百微米之间；在3(d)中，利用图案的SiO2膜2掩模板在衬底硅片1上湿法刻蚀出一系列沟 槽9，沟槽9深度为数个微米；在3 (e)中，将带沟槽9的衬底硅片1与另一硅片3键合；在 3(f)中，对3(e)中键合的顶层硅3进行减薄处理，此工艺称为键合减薄法；在3(g)中，在 顶层硅3上制作换能器，换能器由中间压电薄膜层6以及镀在压电薄膜6上下表面的顶电 极7和底电极5构成；在3(h)中，在空腔4上方顶层硅3上开出刻蚀窗口 ；在3(i)中，用 HF-HNO3溶液、KOH溶液或TMAH(四甲基氢氧化氨)溶液从3 (h)中的刻蚀窗口进入空腔4湿 法刻蚀顶层硅3，或直接采用干法刻蚀顶层硅3，通过控制刻蚀时间来调整顶层硅3厚度，从 而达到调整谐振器的谐振频率的目的，8为空腔内刻蚀剩余的部分顶层硅，由于顶层硅3厚 度为数个微米，刻蚀是面刻蚀，刻蚀所需时间较短；在3(j)中，空腔内刻蚀剩余的部分顶层 硅8全部被刻蚀完，形成了 一个完整的空腔结构。图2为本发明方案二的切面结构示意图，方案二(图2)制作工艺步骤与方案一 (图1)的制作工艺步骤(图3)类似，方案二(图2)只是在以下两个方面方案一(图1)有 所不同，分别为(1)在3(b)中需要热氧化数个微米的SiO2膜；(2)无需图3中的3(d)步
马聚ο
权利要求
一种空腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)的制作方法，其特征在于所述谐振器由一种带空腔SOI(绝缘体硅)基片和设置在基片上的压电薄膜换能器构成；所述带空腔SOI基片中的衬底硅片表面设置沟槽，形成空腔结构；顶层硅(器件硅层)上部设置换能器，换能器由中间压电薄膜以及镀在压电薄膜上下表面的薄电极构成；谐振器可调谐，通过控制刻蚀时间来调整顶层硅的厚度，从而调整谐振器的谐振频率。
2.根据权利要求1所述带空腔SOI基片采用键合减薄法工艺制作，制作工艺步骤如下 (1)首先将衬底硅片经热氧化在表面形成一层SiO2膜，在SiO2膜上刻蚀出圆形、椭圆形、方 形或多边形的图案作为衬底硅片的掩模板，图案尺寸在几十微米到数百微米之间；(2)利 用图案的SiO2掩模板在衬底硅片上湿法刻蚀出一系列沟槽，沟槽深度为数个微米；若选择 热氧化形成的较厚的SiO2膜，厚度达到数个微米，可直接利用在SiO2膜上刻蚀出的图形作 为沟槽，无需再刻蚀衬底硅片以形成沟槽；(3)将带沟槽的衬底硅片与另一硅片键合，再对 上层硅片进行减薄处理，形成带有空腔结构的SOI基片。
3.根据权利要求1所述的谐振器可调谐，SOI基片顶层硅厚度介于1-10微米，在换能 器制作完成后，通过控制空腔上部顶层硅刻蚀时间来调整其厚度，从而调整谐振器的谐振 频率。去除顶层硅的方式为通过在沟槽上方顶层硅上开出刻蚀窗口，用HF-HNO3溶液、KOH 溶液或TMAH (四甲基氢氧化氨)溶液进入空腔湿法刻蚀顶层硅，或直接采用干法刻蚀顶层 娃。
全文摘要
本发明涉及一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括一种带空腔SOI基片和设置其上的压电薄膜换能器构成。其特征为所述带空腔SOI基片中的衬底硅片表面设置沟槽，键合后衬底硅片与顶层硅形成封闭的空腔结构；顶层硅上部设置换能器，换能器由压电薄膜以及镀在压电薄膜上下表面的薄电极构成；谐振器可调谐，通过控制空腔上部顶层硅的刻蚀时间来调整其厚度，从而调整谐振器的谐振频率。由于采用预设的空腔结构，本发明无牺牲层，无需国外专利及其产品中处理牺牲层采用的化学机械抛光工艺和牺牲层释放工艺，同时本发明综合了SOI材料所具有的源、漏寄生电容小和低电压低功耗等优点，能与IC兼容，易于集成，本发明工艺简单，适合批量生产。
文档编号H03H3/02GK101977026SQ201010526799
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者傅金桥, 冷俊林, 刘积学, 张涛, 张龙, 杨增涛, 杨正兵, 欧黎, 江洪敏, 赵治国, 马晋毅 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所