气隙式薄膜体声波谐振器及其制造方法与流程

本申请要求2017年09月25日提交的韩国专利申请no.2017-0123341的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本发明涉及可用于无线电频段通信用的滤波器、双工器等的薄膜体声波谐振器(filmbulkacousticresonator，fbar)，更具体地涉及气隙式fbar及其制造方法。

背景技术：

无线移动通信技术需要能够在有限的频段中有效传输信息的各种无线电频率(radiofrequency,rf)部件。特别地，rf部件中的滤波器是用于无线通信技术的关键部件之一，并且选择用户所需的信号或滤出要在无数的天空无线电波当中传输的信号以实现高质量的通信。

目前，作为常用于无线通信的rf滤波器，存在电介质滤波器和表面声波(saw)滤波器。电介质滤波器具有诸如高介电常数、低插入损耗和高温稳定性、抗振动性和抗冲击性等优点。然而，电介质滤波器在作为近来的技术发展趋势的小型化和单片微波集成电路(mmic)制造方面存在限制。此外，saw滤波器的尺寸比电介质滤波器小，容易处理信号，电路简单，并且可通过半导体制造工艺批量生产。而且，与电介质滤波器相比，saw滤波器由于通带中的高侧抑制而具有发送和接收高质量信息的优点。然而，由于saw滤波处理包括使用紫外(uv)线的曝光处理，所以存在叉指式换能器(idt)的线宽被限制为大约0.5μm的缺点。因此，不可能使用saw滤波器来覆盖超高频段(5ghz以上)，并且基本上难以配置形成在半导体衬底上的mmic结构和单个芯片。

为了克服上述限制，已经提供了能够通过与现有的硅(si)或砷化镓(gaas)衬底上的其他有源元件集成而将频率控制电路完全制成mmic的薄膜体声波谐振器(fbar)滤波器。

由于fbar是具有低成本、小尺寸和高品质因数的薄膜元件，因此fbar可用于各种频段(900mhz至10ghz)的无线通信设备、军用雷达等。而且，fbar可被小型化为电介质滤波器和集总常数电路(lc)滤波器的百万分之一的大小，并且可以具有比saw滤波器的插入损耗低非常多的插入损耗。因此，对于需要高稳定性和高品质因数的mmic来说，fbar可能是最合适的元件。

fbar滤波器是通过rf溅射在si或gaas半导体衬底上沉积作为压电电介质材料的氧化锌(zno)、氮化铝(aln)等而形成的，并根据压电特性引起谐振。即，在fbar中，在两个电极之间沉积压电膜并且通过引起体声波而产生谐振。

到目前为止，已经研究了各种fbar结构。在薄膜型fbar中，氧化硅(sio2)层被沉积在衬底上，并且使用通过各向异性蚀刻衬底的相反侧而形成的腔体来形成薄膜层。而且，在sio2层上形成下电极，使用rf磁控溅射方法在下电极上沉积压电材料，并且在压电层上形成上电极。

上述薄膜型fbar具有诸如由腔体引起的衬底的较小电介质损耗和较少功率消耗的优点。然而，由于硅衬底的方向性导致器件占用面积大并且在随后的封装工艺中结构稳定性低，所以薄膜型fbar由于损坏而导致产量下降。因此，近来，气隙式fbar和布拉格反射式fbar已经出现，以减少由薄膜引起的损耗并简化了器件制造工艺。

布拉格反射式fbar具有如下的结构，其中具有弹性阻抗差的材料每隔一层沉积在衬底上以构成反射层，并且下电极、压电层和上电极被顺序沉积。在此，穿过压电层的弹性能量不会朝向衬底传输并且被反射层反射以产生有效的谐振。布拉格反射式fbar在结构坚固并且没有由挠曲引起的应力，但是其缺点在于难以形成具有用于全反射的精确厚度的四个以上的反射层，并且制造需要大量时间和成本。

同时，在具有利用空气间隙代替反射层来分离衬底和谐振器的结构的一般气隙式fbar中，通过各向同性地蚀刻硅衬底的表面而实现牺牲层，通过化学机械抛光来研磨表面，依次沉积绝缘层、下电极、压电层和上电极，通过通孔去除牺牲层来形成空气间隙，从而实现fbar。

在相关技术中，根据电极的梯度在非z轴方向的另一方向上生长的压电层原样用在下电极边缘区域的一部分中。作为其限制，由于出现了另一个方向分量而不是所需的垂直方向分量，所以谐振发生在不希望的频率上。在相关技术中，为了克服这个问题，防止电极在与不完整区域对应的部分中与压电层接触，从而防止电压降和机械谐振被传递。然而，由于不完整区域基本上没有被去除，因此出现关于另一种模式的限制。换句话说，存在沿z轴方向以外的另一个方向上生长的压电层的各种模式引起不必要的谐振的限制中。

技术实现要素：

本发明的一个方面是提供一种能够改善谐振特性的气隙式薄膜体声波谐振器(fbar)及其制造方法。

根据本发明的一个方面，一种气隙式fbar包括：衬底，其包括在其顶面中的空气间隙部分；形成在衬底上的下电极；形成在下电极上的压电层；以及形成在压电层上的上电极。这里，下电极包括与衬底中的空气间隙部分间隔开地形成的第一下电极和通过仅包围空气间隙部分的顶部的一部分地沉积而形成在衬底上的与第一下电极分离并且包括空气间隙部分的非沉积区域的第二下电极。

非沉积区域可以是与空气间隙部分的间隙边缘和第二下电极的电极边缘之间的分离距离相对应的区域。

压电层可以包括具有在非沉积区域附近的下电极和上电极之间形成的空气空间的通道部分。

通道部分可以包括通过暴露下电极的上部和上电极的下部而形成的完整空气空间。

通道部分可以包括暴露上电极的下部而不暴露下电极的上侧的部分空气空间。

通道部分可以形成为允许从形成空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的垂直表面或虚拟垂直表面与衬底或空气间隙部分的非沉积区域相接。

通道部分可以包括由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面和衬底形成的并且位于第一下电极的电极边缘和空气间隙部分的间隙边缘之间的第一虚拟线段。

通道部分可以包括由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面和非沉积区域形成的并且位于空气间隙部分的间隙边缘和第二下电极的电极边缘之间的第二虚拟线段。

根据本发明的另一方面，一种制造气隙式fbar的方法包括：在衬底的顶面中形成腔体，然后在腔体上形成第一牺牲层；在其上形成有第一牺牲层的衬底上形成下电极；在下电极上形成压电层；在压电层上形成上电极；通过除去第一牺牲层形成与腔体相对应的空气间隙部分。这里，形成下电极包括：在衬底的与空气间隙部分间隔开的区域中形成第一下电极和通过仅包围空气间隙部分的顶部的一部分地沉积而在衬底上形成与第一下电极分离并且包括关于空气间隙部分的非沉积区域的第二下电极。

该方法可以进一步包括：在形成压电层之后，通过蚀刻压电层以暴露在非沉积区域附近的上电极和下电极之间的空间而形成具有空气空间的通道部分，并且在通道部分上形成第二牺牲层。这里，上电极可以形成在其上形成有第二牺牲层的压电层上，然后可以去除第一牺牲层和第二牺牲层。

通道部分的形成可以包括通过暴露下电极的上部和上电极的下部而形成完整空气空间。

通道部分的形成可以包括形成暴露上电极的下部而不暴露下电极的上侧的部分空气空间。

通道部分的形成可以包括形成通道部分以允许从形成空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的垂直表面或虚拟垂直表面与衬底或空气间隙部分的非沉积区域相接。

通道部分的形成可以包括形成通道部分以允许由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面与衬底形成的第一虚拟线段位于第一下电极的电极边缘和空气间隙部分的间隙边缘之间。

通道部分的形成可以包括形成通道部分以允许由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面和非沉积区域形成的第二虚拟线段位于空气间隙部分的间隙边缘和第二下电极的电极边缘之间。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述及其它目的、特征和优点对于本领域普通技术人员来说将变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的气隙式薄膜体声波谐振器(fbar)的截面图；

图2是图1所示的气隙式fbar的俯视图；

图3a是根据本发明的一个实施例的气隙式fbar的截面图；

图3b是根据本发明的另一实施例的气隙式fbar的截面图；

图4a是根据本发明的又一实施例的气隙式fbar的截面图；

图4b是根据本发明的又一实施例的气隙式fbar的截面图；

图5是示出根据本发明的一个实施例的制造气隙式fbar的方法的流程图；和

图6a至图6g是顺序地示出根据本发明的一个实施例的制造气隙式fbar的工艺的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

提供本发明的实施例是为了向本领域的普通技术人员更全面地解释本发明。以下实施例可以被修改为各种不同的形式，并且本发明的范围不限于此。提供实施例是为了使本公开更加充实和完整，并且将本发明的概念完全传达给本领域技术人员。

本文使用的术语是为了解释特定的实施例，而不是为了限制本发明。如本文所使用的，除非上下文中另有定义，否则单数形式可以包括复数形式。而且，如本文所使用的，术语“和/或”包括任何和所有组合或多个相关列出项目中的一个。在下文中，将参考示意性地示出实施例的附图描述本发明的实施例。

图1是根据本发明的一个实施例的气隙式薄膜体声波谐振器(fbar)的截面图，图2是图1所示的气隙式fbar的俯视图。以下，相同的附图标记表示具有相同功能或结构的相同元件。

参考图1和图2，气隙式fbar包括衬底100、空气间隙部分110、下电极200、压电层300和上电极400。在气隙式fbar中，当信号从外部施加到下电极200和上电极400之间的空间时，输入并传输到两个电极之间的空间的电能的一部分根据压电效应被转换成机械能。在机械能转换回电能的过程中，以根据压电层300的厚度的固有振荡频率发生谐振。

衬底100是半导体衬底并且可以使用普通的硅片并且优选地使用高电阻率硅衬底(hrs)。在衬底100的顶面上可以形成有绝缘层(未示出)。该绝缘层可以采用能够容易地在衬底100上生长的热氧化物膜，或者可以选择性地采用使用普通的沉积工艺如化学气相沉积等形成的氧化物膜或氮化物膜。

空气间隙部分110是通过在衬底100中形成腔体，在腔体中形成绝缘层，在绝缘层上沉积牺牲层，然后通过蚀刻使牺牲层平坦化，并去除牺牲层而形成的。在此，使用具有优异的表面粗糙度且容易形成和除去的材料，如多晶硅、氧化锌(zno)等，作为牺牲层。作为例子，可以采用多晶硅作为牺牲层。多晶硅可以具有有优异粗糙度的表面，可以容易地形成和去除，并且可以通过在下面的工艺中施加干法蚀刻来去除。

在牺牲层已存在于腔体中的衬底100上形成下电极200。下电极是通过在衬底100上沉积并图案化特定材料而形成的。下电极200用的材料是诸如金属的普通导电材料并且可以包括铝(al)、钨(w)、金(au)、铂(pt)、镍(ni)、钛(ti)、铬(cr)、钯(pd)和钼(mo)中的一种。下电极200的厚度可以是10～1000nm。

可以通过图案化在衬底100的绝缘层和牺牲层上形成下电极200，即，多个第一下电极210和第二下电极220。第一下电极210和第二下电极220形成为间隔一定距离。

第一下电极210可以形成为与衬底100中的空气间隙部分110间隔开。即，第一下电极210形成在衬底100上，并且与第一下电极210的一端相对应的电极边缘ee1可以与空气间隙部分110的间隙边缘ge间隔一定距离以上。这里，第一下电极210的电极边缘ee1对角倾斜地形成在衬底100上。

第二下电极220可以与第一下电极210分离地形成在衬底100上。这里，第二下电极220包括关于空气间隙部分110的非沉积区域na，其通过仅包围衬底100的空气间隙部分的顶部的一部分而形成。参考图1和图2，非沉积区域na可以是在空气间隙部分110的间隙边缘ge与第二下电极220的电极边缘ee2之间形成的区域。

压电层300形成在下电极200上。压电层300可以通过在下电极200上沉积压电材料然后图案化而形成。作为普通的压电材料，可以使用氮化铝(aln)或zno。沉积方法可以包括射频(rf)磁控溅射方法、蒸发方法等。压电层300的厚度可以是5～500nm。

压电层300可以包括在下电极200与上电极400之间靠近空气间隙部分110的非沉积区域na的具有空气空间的通道部分。该通道部分是通过蚀刻压电层300的一部分形成腔体，在该腔体上沉积牺牲层并平坦化，然后去除牺牲层而形成的。在此，使用具有有优异粗糙度的表面且容易形成和除去的材料，如多晶硅、zno等，作为该牺牲层。这里，该通道部分可以形成完整空气空间，其中下电极200的上部和上电极400的下部两者都被暴露。该通道部分也可以形成部分空气空间，其中上电极400的下部被暴露，而下电极200的上部不被暴露。

图3a是根据本发明的一个实施例的气隙式fbar的截面图。

参考图3a，下电极200的上部220a和上电极400的下部400a都被暴露，使得通道部分310a可以形成完整空气空间。也就是说，示出了从压电层300的部分区域去除压电材料，使得上电极400的一部分完全暴露于空气空间并且下电极200的第二下电极220的一部分完全暴露于空气空间。另外，参考图3a，由于压电层300的通道部分310a形成完整空气空间，所以提供通道部分310a的完整空气空间和形成在衬底100中的空气间隙部分110的空气空间通过空气间隙部分110的非沉积区域na彼此连通的结构。

同时，通道部分310a可以包括垂直表面vs1，垂直表面vs1从形成完整空气空间的一侧的通道边界屏障延伸并且与衬底100相接。如图3a所示，当由彼此相接的从通道边界屏障延伸的垂直表面vs1和衬底100形成的线段被称为第一虚拟线段vl1时，第一虚拟线段vl1可位于第一下电极210的电极边缘ee1和空气间隙部分110的间隙边缘ge之间。

图3b是根据本发明的另一实施例的气隙式fbar的截面图。

参考图3b，上电极400的下部400b被暴露，使得通道部分310b可形成部分空气空间。也就是说，从压电层300的部分区域去除压电材料，使得上电极400的一部分暴露于空气空间，并且下电极200不暴露于空气空间。另外，参考图3b，由于压电层300的通道部分310b形成部分空气空间，所以通道部分310b的部分空气空间与形成在衬底100中的空气间隙部分110的空气空间被压电层300的压电材料隔开。

同时，在通道部分310b中，从形成部分空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的虚拟垂直表面vs2可以与衬底100相接。如图3b所示，当由彼此相接的从通道边界屏障延伸的虚拟垂直表面vs2和衬底100形成的线段被称为第二虚拟线段vl2时，第二虚拟线段vl2可以位于第一下电极210的电极边缘ee1和空气间隙部分110的间隙边缘ge之间。

图4a是根据本发明的又一实施例的气隙式fbar的截面图。

参考图4a，由于下电极200的上部220b和上电极400的下部400c都被暴露，所以通道部分310c可以形成完整空气空间。也就是说，示出了从压电层300的部分区域去除压电材料，使得上电极400的一部分完全暴露于空气空间并且下电极200的第二下电极220的一部分完全暴露于空气空间。另外，参考图4a，由于压电层300的通道部分310c形成完整空气空间，所以提供通道部分310c的完整空气空间与形成在衬底100中的空气间隙部分110的空气空间通过空气间隙部分110的非沉积区域na的部分区域na-1彼此连通的结构。

同时，通道部分310c可以包括垂直表面vs3，垂直表面vs3从形成完整空气空间的一侧的通道边界屏障延伸并且与空气间隙部分110的上部空气空间相接。如图4a所示，当由彼此相接的从通道边界屏障延伸的垂直表面vs3和空气间隙部分110的上部空气空间形成的线段被称为第三虚拟线段vl3时，第三虚拟线段vl3可以位于空气间隙部分110的间隙边缘ge和第二下电极220的电极边缘ee2之间。

图4b是根据本发明的又一实施例的气隙式fbar的截面图。

参考图4b，上电极400的下部400d被暴露，使得通道部分310d可形成部分空气空间。也就是说，从压电层300的部分区域去除压电材料，使得上电极400的一部分完全暴露于空气空间，并且下电极200不暴露于空气空间。另外，参考图4，由于压电层300的通道部分310d形成部分空气空间，所以通道部分310d的部分空气空间与形成在衬底100中的空气间隙部分110的空气空间被压电层300的压电材料隔开。

同时，在通道部分310d中，从形成部分空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的虚拟垂直表面vs4可以与空气间隙部分110的上部空气空间相接。如图4b所示，当彼此相接的从通道边界屏障延伸的虚拟垂直表面vs4和空气间隙部分110的上部空气空间形成的线段被称为第四虚拟线段vl4时，第四虚拟线段vl4可以位于空气间隙部分110的间隙边缘ge与第二下电极220的电极边缘ee2之间。

上电极400形成在压电层300上。当形成牺牲层以在压电层300上形成通道部分310a、310b、310c或310d时，上电极400也可以形成在牺牲层上。可以通过在压电层300上的特定区域中沉积上电极的金属膜并图案化来形成上电极400。上电极400可以通过使用与下电极200相同的材料、沉积方法和图案化方法来形成。上电极400的厚度可以是5～1000nm。

同时，虽然未在附图中示出，但是可以形成施加于已经在上面描述的下电极200、压电层300和上电极400的多个部分的垫层。垫层用作用于保护下电极200、压电层300和上电极400的覆盖物。

上述气隙式fbar具有输入到上电极400的rf信号通过压电层300输出到下电极200的结构。这里，由于压电层300具有恒定的谐振频率，所以在输入的rf信号中只有具有与压电层300的频率相同的频率的rf信号被输出，并且其他频率消失。因此，下电极200、压电层300和上电极400被如上所述地配置，使得可以体现具有恒定中心频率和恒定带宽的fbar滤波器。

图5是示出根据本发明的一个实施例的制造气隙式fbar的方法的流程图，图6a至图6g是顺序地示出根据本发明的一个实施例的制造气隙式fbar的工艺的截面图。

首先，在衬底的顶面中形成腔体，然后在腔体上形成牺牲层(s500)。参考图6a，通过各向异性地蚀刻衬底的特定区域2～3μm来形成腔体。可以在其中形成有腔体的衬底上堆叠具有一定厚度的绝缘层。该绝缘层可以包括二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)等，并且可以通过rf磁控溅射方法、蒸发方法等形成。之后，在其中形成有腔体的衬底上形成第一牺牲层sl1，然后刻蚀第一牺牲层sl1并平坦化。

在操作s500之后，在其中形成有腔体的衬底上形成下电极(s502)。由于当下电极200位于空气间隙部分110上时谐振效率高，因此需要图案化以使得空气间隙部分110被特定区域包围。下电极200用的材料可以包括al、w、au、pt、ni、ti、cr、pd和mo中的一种。

下电极200的形成包括形成第一下电极210和第二下电极220的工艺。参考图6b，为了在衬底100中形成空气间隙部分110，在与其上形成有第一牺牲层sl1的腔体相隔一定距离的区域中形成第一下电极210。而且，可以通过仅包围衬底100中的空气间隙部分110的顶部的一部分地堆叠而在衬底100上形成与第一下电极210分离的第二下电极220。可以通过仅包围空气间隙部分110的该部分地堆叠第二下电极220来形成非沉积区域na。非沉积区域na可以是腔体的间隙边缘ge与第二下电极220的电极边缘ee2之间的区域。

在操作s502之后，在下电极200上形成压电层300(s504)。参考图6c，压电层沉积在衬底100的包括下电极200和第一牺牲层sl1的部分区域上。作为一般的压电材料，可以使用aln或zno。作为沉积方法，可以使用rf磁控溅射方法和蒸发方法中的任何一种。

在操作s504之后，可以通过蚀刻压电层300形成具有空气空间的通道部分，以暴露非沉积区域na附近的下电极200和上电极400之间的空间(s506)。这里，通道部分可以具有通过暴露下电极200的上部和上电极400的下部而形成的完整空气空间或者具有暴露上电极400的下部而不暴露下电极200的上侧的部分空气空间。

通道部分可以形成为使得从形成空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的垂直表面或虚拟垂直表面可以与衬底100或空气间隙部分110相接。通道部分可以包括由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面和衬底100形成的并且位于第一下电极210的电极边缘与空气间隙部分110的间隙边缘之间的第一虚拟线段。而且，通道部分可以包括由彼此相接的垂直表面或虚拟垂直表面和衬底100形成的并且位于空气间隙部分110的间隙边缘和第二下电极220的电极边缘之间的第二虚拟线段。图6d示出通道部分310a形成在压电层300上。参考图6d，可以查看在通道部分310a中从形成空气空间的一侧的通道边界屏障延伸的垂直表面vs1与衬底100相接。这里，由彼此相接的垂直表面vs1和衬底100形成的第一虚拟线段vl1可以位于第一下电极210的电极边缘ee1与空气间隙部分110的间隙边缘ge之间。图6d示出形成图3a的上述通道部分的工艺。因此，由于图3b、图4a和图4b的上述通道部分是通过图6d中所示的相同工艺形成的，所以下面将参考图6d来描述该工艺。

在操作s506之后，在形成于压电层300中的通道部分上形成第二牺牲层(s508)。参考图6e，通过蚀刻压电层300的部分区域形成腔体并在腔体的顶部沉积第二牺牲层sl2而形成通道部分310a。这里，第二牺牲层sl2可以形成为与第一牺牲层sl1相同或相似。也就是说，可以使用表面具有优异粗糙度以易于形成和去除牺牲层的材料，例如多晶硅、zno等。

同时，形成上述通道部分和形成第二牺牲层的操作s506和s508不是必需的并且可以省略，并且可以在操作s504之后执行以下操作s510。

在操作s508之后，在压电层300上形成上电极400(s510)。当在压电层300上形成第二牺牲层以形成通道部分时，可以在第二牺牲层上形成上电极400。图6f示出上电极400形成在其上形成有第二牺牲层sl2的压电层300上，以形成通道部分310a。上电极400可以通过在压电层300上的特定区域中沉积用于上电极的金属膜并图案化来形成。上电极400可以通过使用与下电极200相同的材料、沉积方法和图案化方法来形成。

同时，虽然未在附图中示出，但是可以形成被施加于上面描述的下电极200、压电层300和上电极400的部分的垫层。该垫层可以用作用于保护下电极200、压电层300和上电极400的覆盖物。

在操作s510之后，可以通过去除形成在衬底100的腔体上的第一牺牲层sl1来形成与腔体相对应的空气间隙部分110(s512)。而且，当在压电层300的通道部分上形成第二牺牲层sl2时，可以通过去除第二牺牲层sl2来形成具有空气空间的通道部分310a。参考图6g，通过去除衬底100或压电层300的一部分来形成蚀刻孔。

通过干法蚀刻或湿法蚀刻方法形成蚀刻孔。蚀刻孔的内径为大约10μm～100μm。通过如上所述的蚀刻孔，可以通过去除第一牺牲层sl1来形成空气间隙部分110，并且可以通过去除第二牺牲层sl2来形成通道部分310a。

根据本发明的实施例，由于提供了在相关技术中作为问题的不完全区域中的压电层被蚀刻的结构，所以自然发生电压降。

此外，不完整区域被去除，从而提供不必要的机械谐振不会在与具有多种模式的压电层相邻的每个方向以及其垂直方向上传递的效果。

以上已经描述了本发明的示例性实施例。本领域的普通技术人员可以理解，可以不偏离本发明的范围的情况下进行修改。因此，应该在描述性方面而不是限制性方面考虑所公开的实施例。本发明的范围由权利要求而非上述说明限定，并且在相同范围内的所有差异应被解释为包括在本发明中。