一种具有地室支柱的薄膜体声波谐振器的制作方法

本发明涉及射频滤波器技术领域，具体涉及一种具有地室支柱的薄膜体声波谐振器。

背景技术：

石英晶振元件，是一种基于石英晶体压电/逆压电特性的体声波元件，在电路频率源中得到广泛应用。由于石英晶振元件的谐振频率与石英晶体的厚度成反比，目前其谐振频率最高仅为数十兆赫兹，无法满足现代无线电频谱的急剧延伸需求。

采用压电基片上的平面金属叉指换能器和金属反射栅阵，激发和接收声表面波，将提升谐振频率的结构由厚度减薄转换为提高横向电极分辨率，借助于成熟的微电子工艺技术，使声表面波石英谐振器的谐振频率提升到数百兆赫兹。

换能效率更高的压电材料(如铌酸锂和钽酸锂)基片的应用和声表面波谐振滤波器的发明，声表面波谐振器和声表面波谐振滤波器得到快速发展，工作频率又延伸到数千兆赫兹，已成为现代高频通信电路的标准频率元件。

同样，声表面波器件的工作频率与其叉指换能器金属电极的周期成反比，限于压电基片工艺，千兆赫兹级的声表面波器件性价比下降，无法跟上现代通信频段高频化的步伐。由此，薄膜体声波器件成为各国努力发展的新型滤波元器件。

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR)是采用人造压电薄膜代替天然压电晶体的体声波谐振器(石英晶振)，其谐振腔基本结构(图1)是一人造压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构，由于压电薄膜的(逆)压电效应，对外界电激励产生谐振，其谐振频率主要与压电薄膜厚度成反比，也与三明治结构其他各层特性和厚度有关。

目前成熟的FBAR器件结构分为隔膜(membrane)型和固贴(Solidly Mounded)型两大类。

隔膜型FBAR，如图2所示，其特点是三明治谐振腔外两面都是空气，满足理想全反射状态。其结构又可分为：空气桥(图2a)、背孔(图2b)和地室(图2c)三种。

固贴型FBAR，又简称SMR(Solidly Mounded Resonator)，如图3所示，其特点是三明治谐振腔外一面是空气，而另一面是布拉格声反射结构。布拉格声反射结构是由多个高低声速材料(厚度为四分之一波长)层组合构成，其特性近似于真空全发射。由于反射结构与压电薄膜同时生长，器件工艺简单，可靠性优，但由于反射结构有损耗，其优值要差一些。

技术实现要素：

图2c所示的地室隔膜型FBAR，是安华高(Avago)发明的，其三明治谐振腔支撑在地室上方。由于三明治谐振腔的厚度直径比极小，三明治谐振腔薄膜机械强度差，极易发生下凹弯曲产生谐振腔薄膜微裂纹，甚至破裂等质量问题。为此，我们提出改进技术方案：

本发明提出一种具有地室支柱的薄膜体声波谐振器，包括具有地室的高阻衬底、由上金属电极和下金属电极夹持压电体组成的三明治谐振腔，三明治谐振腔置于高阻衬底表面形成的地室上方，所述压电体为压电薄膜，在地室内设有若干根用以提高三明治谐振腔的机械性能的支柱；地室内的这些支柱位于三明治谐振腔声振幅最小处，可降低支柱对器件性能的影响。

作为优选，所述高阻衬底是由硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石或者金刚石材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的工艺更为简单，可靠性更优。

附图说明

图1FBAR原理：三明治谐振腔。

图2隔膜型FBAR。

图3固贴型FBAR。

图4现有技术的地室隔膜型FBAR。

图5本发明的地室隔膜型FBAR。

图6FBAR谐振振幅模拟，中心振幅最大。

图7FBAR谐振振幅模拟，振幅极值规则分布。

图8地室隔膜型型FBAR制作工艺大纲。

图9安华高FBAR(2009)示意。

图10FBAR工艺流程1硅片清洗，光刻地室图形。

图11FBAR工艺流程2腐蚀硅，形成地室。

图12FBAR工艺流程3淀积腐蚀牺牲层的阻挡层(AlN，SiO2)。

图13FBAR工艺流程4淀积牺牲层(磷硅玻璃，PSG)，厚度大于地室深度。

图14FBAR工艺流程5采用化学机械抛光(CMP)平面化。

图15FBAR工艺流程6淀积钝化层，下电极金属层。

图16FBAR工艺流程7套刻下电极图形。

图17FBAR工艺流程8干法刻蚀。

图18FBAR工艺流程9淀积压电AlN薄膜。

图19FBAR工艺流程10淀积上电极层，淀积钝化层。

图20FBAR工艺流程11套刻上电极图形。

图21FBAR工艺流程12干法刻蚀钝化层和上电极。

图22FBAR工艺流程13套刻上电极接触区。

图23FBAR工艺流程14腐蚀钝化层。

图24FBAR工艺流程15套刻AlN台面。

图25FBAR工艺流程16刻蚀AlN台面和用于腐蚀牺牲层的通孔。

图26FBAR工艺流程17剥离技术制作引出电极。

图27FBAR工艺工流程18湿法腐蚀牺牲层，形成地室。

图28FBAR工艺流程2用掩模(现有技术)。

图29FBAR工艺流程2用掩模(本发明技术)。

附图标注：上电极1，引出电极11，钝化层12，压电薄膜2，下电极3，引出电极31，钝化层33，高阻硅衬底4，阻挡层41，牺牲层42，地室5，支柱6，空气7，背面蚀刻8，反射器堆栈9。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式。

制作FBAR，首先要进行三明治谐振腔的声学微波特性模拟，来确定器件结构参数。图6和图7为不同性能FBAR的谐振腔薄膜谐振振幅模拟，可见其谐振腔有源区薄膜振幅极值具有严格规律。为支撑谐振腔有源薄膜，而尽量不降低器件谐振性能，支柱位置必须位于谐振腔有源区薄膜振幅极值最小处，及图6/图7中深蓝色表示的区域。例如对图6所模拟的FBAR，地室支柱应围绕中心偏外围设置，而对图7所模拟的FBAR，地室支柱应近中心设置。所有支柱均为五角形排列，与有源区形状有关。

图8为采用硅帽圆片级封装的地室隔膜型型FBAR器件制作主要方法，

1.在高阻硅片上制作氧化物牺牲物填充的地室，抛光使硅表面平滑；

2.在平滑衬底上制作三明治结构FBAR；

3.制作引出金电极，腐蚀去除地室内氧化物牺牲物，形成下方空气腔；

4.圆片级微盖封装。

图9为2009年公开的安华高专利FBAR示意，FBAR谐振腔为Mo/AlN/Mo三明治结构，工艺流程如下：

流程1(图10)：硅片清洗，光刻地室图形。

流程2(图11)：腐蚀硅，形成地室。

流程3(图12)：淀积腐蚀牺牲层的阻挡层(AlN，SiO2)。

流程4(图13)：淀积牺牲层(磷硅玻璃，PSG)，厚度大于地室深度。

流程5(图14)：采用化学机械抛光(CMP)平面化。

流程6(图15)：淀积钝化层，下电极金属层。

流程7(图16)：套刻下电极图形。

流程8(图17)：干法刻蚀。

流程9(图18)：淀积压电AlN薄膜。

流程10(图19)：淀积上电极层，淀积钝化层。

流程11(图20)：套刻上电极图形。

流程12(图21)：干法刻蚀钝化层和上电极。

流程13(图22)：套刻上电极接触区。

流程14(图23)：腐蚀钝化层。

流程15(图24)：套刻压电AlN薄膜台面。

流程16(图25)：刻蚀压电AlN薄膜台面和用于腐蚀牺牲层的通孔。

流程17(图26)：剥离技术制作引出电极。

流程18(图27)：湿法腐蚀牺牲层，形成地室。

为实现本发明技术方案，所有工艺都不需要改变。只要在工艺流程1中原来采用的光刻地室图形所用的全透明圆图形掩模(图28)换成内部具有多个对称排列黑色圆点的圆图形掩模(图29)即可。

虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。