一种薄膜体声波谐振器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种薄膜体声波谐振器(FBAR或TFBAR，Thin_film bulk acousticresonator)，特别是涉及一种空气隙型FBAR0
【背景技术】
[0002]目前用于移动通信的滤波器主要有声表面波(SAW，surfaceacoustic wave，也称表面声波)滤波器和体声波(BAW，bulk acoustic wave)滤波器。声表面波滤波器主要在4英寸和6英寸的铌酸锂(LiN13)或钽酸锂(LiTaO3)晶圆上生产，体声波滤波器主要在6英寸和8英寸的硅晶圆上生产。通常是晶圆尺寸越大，同一晶圆上可生产的集成电路就越多，成本就越低。声表面波滤波器与体声波滤波器的材料成本基本相同，但体声波滤波器的整体制造成本远远高于声表面波滤波器，这是由于体声波滤波器的结构以及制造工艺复杂。声表面波滤波器由于成本低、制造工艺成熟，占据了60%以上的滤波器市场。
[0003]随着4G移动通信技术的发展，无线通信频率越来越高，可用频谱越来越拥挤，对滤波器的滚降系数、插入损耗、带外抑制、功率承受能力等方面有了更高的要求。声表面波滤波器逐渐表现出无法满足这些要求。而体声波滤波器在这些方面表现优异，逐渐成为了 4G移动通信领域的首选。但体声波滤波器的高昂成本阻碍了其快速发展。
[0004]FBAR是一种体声波器件，也是一种MEMS(micro-electro_mechanical systems，微机电系统)器件，是构成体声波滤波器的基本单元。一组FBAR采用诸如半梯形(half-1adder)、全梯形(ful1-1adder)、晶格(lattice)、堆叠(stack)等方式级联在一起就构成体声波滤波器。FBAR还用于制作双工器、微波振荡器、传感器、功率放大器、低噪声放大器等。如何制造出高性能、低成本的FBAR对体声波滤波器的进一步发展有着重要意义。
[0005]目前FBAR根据不同的制造工艺主要有三种结构一一背面刻蚀型、固态装配型和空气隙型。背面刻蚀型FBAR由于机械强度差而使得成品率低，无法大规模量产。固体装配型FBAR采用布拉格反射层作为声波反射层，一方面需要制备多层薄膜，在各层薄膜应力控制上难度较大且工艺成本较高；另一方面布拉格反射层的声波反射效果不如空气，Q值(品质因子)低于空气隙型FBAR。空气隙型FBAR的机械强度较好、Q值较高，制造工艺复杂度适中而被广泛使用。电子科技大学2007年硕士学位论文《薄膜体声波谐振器结构分析与仿真》(作者:吴勇)在第二章《FBAR的原理和结构》对这方面内容进行了介绍。
[0006]请参阅图1，这是一种传统的空气隙型FBAR。在衬底100的上方依次向上分别具有下电极201、压电层202和上电极203。所述衬底100可以是硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等材料。所述下电极201和上电极203可以是铝、铜、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、金、妈、钛、钛妈化合物、钼、铀等金属材料。所述压电层202可以是氧化锌、PZT(Leadzirconate titanate，错钛酸铅)、氮化招等压电薄膜材料。在衬底100和下电极201之间具有从衬底100的上表面向下凹陷的空腔104作为FBAR的空气隙。
[0007]请参阅图2，图1所示的传统的空气隙型FBAR的制造方法包括如下步骤:
[0008]步骤SlOl，在衬底100的上表面刻蚀出空腔104，例如采用光刻和刻蚀工艺。在空腔104的边缘还具有一起被刻蚀出的牺牲层释放通道。
[0009]步骤S102，在衬底100上淀积一层牺牲层，至少将所述空腔104填充满。所述牺牲层例如为二氧化硅、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。
[0010]步骤S103，采用平坦化工艺将牺牲层研磨至与衬底100的上表面齐平。所述平坦化工艺例如为化学机械研磨(CMP)。
[0011]步骤S104，在衬底100和牺牲层之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成下电极201，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。下电极201大致覆盖空腔104的位置。
[0012]步骤S105，在衬底100、牺牲层和下电极201之上先淀积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层202。压电层202也大致覆盖空腔104的位置。
[0013]步骤S106，在衬底100、牺牲层、下电极201和压电层202之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成上电极203，例如采用淀积、光刻和刻蚀工艺。上电极203也大致覆盖空腔104的位置。
[0014]步骤S107，刻蚀上电极203、压电层202、下电极201中的一层或多层从而暴露出牺牲层释放通道的位置，然后通过该牺牲层释放通道去除空腔104中的牺牲层，例如采用光刻、刻蚀、湿法腐蚀工艺。位于衬底100和下电极201之间的空腔104就作为FBAR的空气隙。
[0015]传统的空气隙型FBAR在制造时，均采用二氧化硅或类似材料作为牺牲层用于填充空腔，在器件制作完成后再用氢氟酸(HF)将空腔中的二氧化硅移除形成空气隙。由于氢氟酸对大多数金属具有腐蚀性，因此传统的空气隙型FBAR必须谨慎选择电极及层间互联的金属材料。一般地，空气隙型FBAR不能采用低成本的铝(Al)、铜(Cu)作为互联金属，均采用高成本的金(Au)作为互联金属，这大大增加了其材料成本。并且，采用氢氟酸移除牺牲层的同时，FBAR器件的其他结构也会受到氢氟酸不同程度的腐蚀，导致器件的可靠性变差。
【发明内容】
[0016]本申请所要解决的技术问题是提供一种低成本、高可靠性、无污染的FBAR以及相应的制造方法。
[0017]为解决上述技术问题，本申请的薄膜体声波谐振器是在衬底的上方具有空腔，在空腔的上方还具有下电极、上电极以及位于两者中间的压电层;所述空腔是先填充牺牲层再移除牺牲层而得到的，并且牺牲层采用能够被氧等离子体刻蚀工艺去除的材料;所述下电极、上电极和/或电极引出端采用铝、铜或铜铝合金的一种或多种。
[0018]本申请的薄膜体声波谐振器的制造方法之一是:在衬底上形成凸出在衬底之上的牺牲层，或者在衬底上形成上表面齐平的支撑层与牺牲层;接着在衬底和牺牲层之上、或者在衬底和支撑层和牺牲层之上分别形成下电极、压电层、上电极;最后采用铝、铜或铜铝合金作为互联金属形成电极引出端，并采用氧等离子体刻蚀工艺去除牺牲层而形成薄膜体声波谐振器的空气隙。
[0019]本申请取得的技术效果是:一方面将薄膜体声波谐振器中的电极、电极引出端材料由贵金属改为便宜金属，降低了制造成本;另一方面避免了氢氟酸对器件的损害，提高了薄膜体声波谐振器的可靠性;再一方面舍弃了对环境有污染的氢氟酸药液，体现环境友好性。
【附图说明】
[0020]图1是传统的空气隙型FBAR的结构示意图。
[0021 ]图2是传统的空气隙型FBAR的制造方法示意图。
[0022]图3a至图3i是本申请的空气隙型FBAR制造方法实施例一各步骤示意图。
[0023]图4a至图4d是本申请的空气隙型FBAR制造方法实施例二部分步骤示意图。
[0024]图5a至图5b是本申请的空气隙型FBAR制造方法实施例三部分步骤示意图。
[0025]图3i还是本申请的空气隙型FBAR的实施例一的结构示意图。
[0026]图5c是本申请的空气隙型FBAR的实施例二的结构示意图。
[0027]图中附图标记说明:100为衬底；101为支撑层；102为硅(单晶硅或多晶硅)；104为空腔；105为牺牲层；201为下电极；202为压电层；203为上电极；207为沟槽；208为隔离层；209为钝化层;300为互联金属。
【具体实施方式】
[0028]本申请的FBAR制造方法的实施例一包括如下步骤:
[0029]步骤S301，请参阅图3a，在衬底100上淀积一层支撑层101。支撑层101可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘材料。
[0030]步骤S302，请参阅图3b，刻蚀支撑层101形成空腔104，例如采用光刻和刻蚀工艺。空腔104还连接有一起被刻蚀出的牺牲层释放通道(未图示)。
[0031]步骤S303，请参阅图3c，在衬底100和支撑层101之上淀积一层牺牲层105，所述牺牲层105将空腔104和牺牲层释放通道填充满。牺牲层105例如采用黑金刚石(BlackDiamond)、光刻胶(Photoresist)、聚酰亚胺(Polyimide)等能够被氧等离子体刻蚀(O2P Iasma)工艺去除的无机或有机材料。
[0032]步骤S304，请参阅图3d，采用平坦化工艺将牺牲层105的上表面研磨至与支撑层101的上表面齐平。所述平坦化工艺例如为化学机械研磨。
[0033]步骤S305，请参阅图3e，先在支撑层101和牺牲层105之上淀积一层隔离层208，隔离层208例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。然后在隔离层208之上生长一层金属，并将该层金属刻蚀成下电极201，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。下电极201和隔离层208均完整覆盖空腔104的位置，但暴露出牺牲层释放通道的位置。
[0034]可选地，可以同时刻蚀下电极201和隔离层208。
[0035]可选地，在同时刻蚀下电极201和隔离层208时，还在下电极201和隔离层208中刻蚀出沟槽207，例如采用光刻和刻蚀工艺。沟槽207的底部例如为支撑层101的上表面，沟槽207与空腔104的位置相错开。沟槽207用来将FBAR与互联金属触点进行隔离。图3e中表现出了沟槽207，在其他实施例中不刻蚀沟槽207也是可以的。
[0036]步骤S306，请参阅图3f，在隔离层208和下电极201之上先淀积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层202。压电层202完整或部分地覆盖空腔104的位置，但暴露出牺牲层释放通道以及下电极201的引出端。
[0037]如果在步骤S305中刻蚀出用于隔离的沟槽207，那么压电层202的一部分可以填充在该沟槽207内。
[0038]步骤S307，请参阅图3g，先在隔离层208、下电极201和压电层202之上生长一层金属，然后在隔离层208、下电极201、压电层202、新生长的金属层之上淀积一层钝化层209。钝化层209例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。接着先刻蚀钝化层209，再刻蚀新生长的金属层成为上电极203，例如采用光刻和刻蚀工艺。上电极203部分或全部覆盖空腔104的位置，但暴露出牺牲层释放通道的位置。钝化层209覆盖上电极203和下电极201的暴露部分，但暴露出电极的引出端。
[0039]如果在步骤S305中刻蚀出用于隔离的沟槽207，那么上