FBAR谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及一种FBAR谐振器及其制备方法，尤其是一种基于MEMS微加工技术的FBAR及其制备方法，属于微电子机械系统与新材料相结合的技术领域。

背景技术：

薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种谐振体只有几um厚的新型射频薄膜器件。FBAR射频器件具有体积小、工作频率高、插入损耗小、功率容量大等优点，FBAR振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于移动通信领域。近年来，基于FBAR的各种传感器研究也悄然开始。FBAR传感器的体积小巧和高灵敏度、高可靠性引起了人们的广泛研究兴趣。已有研究报道指出，FBAR传感器可用于检测微质量、温度、环境参数、化学气体、湿度、应力、紫外线等多种参数。目前，主流的FBAR器件结构有两种：一种是在硅片背面进行光刻蚀以形成低声阻抗的空腔；另一种是采用梯形布拉格反射结构。两种结构都有比较大的缺陷。对背面刻蚀型来说，在器件切割时只能从正面开始，器件容易破裂，且由于大面积的硅衬底被去除，势必影响了器件的机械牢度，并大幅降低成品率。这类型FBAR由于本身固有的机械牢度问题而不容易实现商业化，目前还有很多需要改进的研究内容。相比而言，第二种采用梯形布拉格反射结构的FBAR器件机械牢度强、集成性好，且不需要借助MEMS工艺，这使得许多不具备MEMS工艺的半导体厂商业也可以方便地加入进来。但其缺点是需要制备多层薄膜，工艺成本比空气隙型的FBAR要高，且布拉格反射层的声波反射效果终不及空气来得好。所以如何实现可靠性高，低成本，加工工艺简单，且应用范围更为广泛的FBAR成为了FBAR器件的设计的一个重要问题。

技术实现要素：

目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于单晶硅外延封腔工艺的FBAR谐振器及其制备方法，结构稳定，低成本，加工工艺简单，且应用范围更为广泛。基本方法就是采用MEMS技术，通过单晶硅外延封腔工艺在硅片内形成空腔，并实现FBAR器件的功能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种FBAR谐振器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）、选取单晶硅衬底，采用各向异性反应离子刻蚀（RIE）工艺在单晶硅衬底上刻蚀深度为5-10μm的浅槽；

步骤2）、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；

步骤3）、外延单晶硅封腔：外延生长单晶硅，使单晶硅衬底内部形成密封的腔体；

步骤4）、在单晶硅衬底上表面依次生长二氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔；

步骤5）、在氮化硅表面溅射第一层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及FBAR下电极；

步骤6）、在氮化硅和第一层金属上溅射压电材料，光刻、腐蚀形成FBAR压电材料结构；

步骤7）、在氮化硅和压电材料上溅射第二层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及FBAR上电极。

作为优选方案，所述的FBAR谐振器的制备方法，其特征在于：所述压电材料为氮化铝。

作为优选方案，所述的FBAR谐振器的制备方法，其特征在于：所述腔体高度为4-6μm。更优选为5μm。

本发明提供的一种FBAR谐振器，采用上述的FBAR谐振器的制备方法制备而成。

有益效果：本发明提供的FBAR谐振器及其制备方法，建立在密封的单晶硅腔体结构之上，器件结构简单，且该密封腔体结构通过单晶硅外延生长工艺形成。相对于通过键合或者表面牺牲层工艺形成的FBAR结构，建立在单晶硅外延封腔工艺上的FBAR结构具有制造工艺简单，器件机械性能良好，稳定性高等特点。并且利用正面溅射和刻蚀工艺就可以完成FBAR器件的加工，工艺步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以FBAR谐振器可以采用post-CMOS 加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。

附图说明

图1是本发明制作的流程示意图；

图中：单晶硅衬底1、二氧化硅2、氮化硅3、第一层金属 4、压电材料5、第二层金属6、腔体7。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做具体说明：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的FBAR谐振器通过以下步骤制备：

（a）采用N型（100）单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀（RIE）工艺在单晶硅衬底1上刻蚀浅槽；

（b）在对单晶硅衬底1浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；

（c）外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成了密封的腔体7，腔体7高约5μm；

（d）在单晶硅衬底1上表面依次生长二氧化硅2和氮化硅3，并光刻、腐蚀形成接触孔；

（e）在氮化硅3表面溅射第一层金属4，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及FBAR下电极；

（f）在氮化硅3和第一层金属4上溅射压电材料5（如氮化铝），光刻、腐蚀形成FBAR压电材料结构；

（g）在氮化硅3和压电材料5上溅射第二层金属6，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及FBAR上电极。

本发明提供的FBAR谐振器及其制备方法，建立在密封的单晶硅腔体结构之上，器件结构简单，且该密封腔体结构通过单晶硅外延生长工艺形成。具体是一种基于MEMS微加工技术的FBAR，由于外延单晶硅工艺成熟，其所形成的硅微结构机械性能良好，尤其利用外延单晶硅所形成的腔体结构密封性能十分优异。由此形成的FBAR谐振频率主要由薄膜体厚度决定，并受环境温度影响，其谐振频率随温度的升高而减小，并且呈现明显的单调性，该特性可用作温度、气压等数据检测。结合MEMS微加工技术，该FBAR体积小，成本低，响应时间短。相对于通过键合或者表面牺牲层工艺形成的FBAR结构，建立在单晶硅外延封腔工艺上的FBAR结构具有制造工艺简单，器件机械性能良好，稳定性高等特点。并且利用正面溅射和刻蚀工艺就可以完成FBAR器件的加工，工艺步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以FBAR谐振器可以采用post-CMOS 加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。