薄膜体声波谐振器及其制造方法

专利名称：薄膜体声波谐振器及其制造方法
相关申请的交叉引用本申请要求2002年4月11在韩国知识产权局申请的、韩国申请号10-2002-19808的优先权，在此合并作为参考。
特别地，由于用在移动通信终端中频带变得更高，要求一种用于超高频带的部件。然而，超高频带部件在尺寸的最小化以及降低制造成本方面是很困难的。例如，由于现有技术中的谐振器和滤波器用于1GHz以上的频带中的现有技术中的介质谐振器和滤波器的大体积尺寸和形状使其不能集成到最小化和多功能的移动通信终端中。
尽管已经引入了代替介质谐振器的声波表面谐振器(acousticsurface resonator)或晶体谐振器，插入损耗仍然大于该现有技术中的谐振器，而且不可能以所需的尺寸和体积来集成和最小化该声波表面谐振器。此外，不能降低制造成本。
为解决上述问题，最近已经提出了一种使用压电层的厚度振动的薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜谐振器(TFR)。
在该FBAR中，由如ZnO或AlN的介质材料制成的薄层形成在如硅或GaAs的半导体衬底上，以便使用该薄层的压电特性来产生谐振。降低制造成本和该薄层的重量以及保持该薄层的高质量是可能的。在具有900Mhz-10Ghz的超高频带的无线通信装置和设备中可使用该薄层。该薄层被最小化到小于该介质滤波器的十倍并具有小于该表面声波部件的插入损耗。
通常，该FBAR由依次形成在硅衬底上的下电极、压电层以及上电极形成。防止该硅衬底受由于上和下电极形成的磁场而在该压电层中形成的大量声波的影响。
FBAR要求将硅衬底与上电极、压电层以及下电极的谐振(激活)区分隔开来的另外的单独的结构以便提高电效率，如插入损耗和传输增益以及该FBAR的制造过程。该FBAR的单独结构被分成使用Bragg反射的反射层结构以及具有在硅衬底和上电极、压电层和下电极的谐振(激活)区间的气隙的气隙结构。


图1A是具有反射层的现有技术中的FBAR的剖视图；以及图1B是具有气隙的另一现有技术中的FBAR的剖视图。
参考图1A，FBAR包括衬底11、具有第一和第二反射层12a、12b的反射结构、以及由第一电极17形成的谐振器(激活)区、压电层18以及第二电极19。衬底11与在声阻抗方面具有差值的第一和第二反射层12a，12b的谐振器区分开。在反射层结构中反复形成第一和第二反射层12a，12b以便将衬底11与谐振器区分开。该反射结构是使用位于该谐振器区的下部分中的第一和第二结构间的声差的单独结构。将这称为安装牢固的谐振器(SMR)(solidly mounted resonator)。
然而，第一和第二层12a，12b应当具有与谐振频率的1/4波长相同的厚度而且当在该反射结构中反复形成第一和第二层12a，12b时应当考虑在第一和第二层间生成的应力。因此，制造过程变得很复杂，并且增加了制造成本。另外，该SMR在反射特性方面低于气隙方法，并且由于降低的有效带宽而在实现为谐振器方面受到限制。
为克服上述问题，已经引入了一种根据气隙电桥方法的具有气隙的FBAR。根据图1，FBAR在衬底21上形成牺牲层(sacrificing layer)以形成气隙A1。在衬底21上形成具有绝缘层的膜层25后，依次形成第一电极27、压电层28以及第二电极29。经过孔刻蚀来去除牺性层并且最终形成该气隙A1。尽管具有气隙A1的FBAR很容易制造并且具有比SMR好的反射特性，但在形成具有该气隙的FBAR期间，由于膜层很不稳定，因此使膜层的结构变形并与衬底21分开。
为解决上述问题，提供另外的层来支撑该膜层，并且形成另一层来包围该FBAR的膜层。图2示出了FBAR的剖视图。图2B是图2A的FBAR的平面图。
根据图2A和2B，该FBAR包括衬底31、形成在衬底31上的包括气隙A2的支撑层35、形成在支撑层35上的膜层36以及由按顺序形成在膜层36上的由第一电极37、压电层38以及第二电极39形成的谐振器(激活)区。支撑层35支撑该膜层36并包括气隙A2。如图2A所示的FBAR在形成通孔H和去除光刻胶期间通过加强该膜层36的结构来防止膜层36变形和与衬底31分开。这使得FBAR相对稳定和牢固。
然而，由于图2A和2B的现有技术中的FBAR包括由掺杂质的硅制成的衬底来具有高的导电性，1GHz以上的高频可从第一电极37、压电层38以及第二电极层39的激活区传送到该衬底31。因此，当在高频带中操作的集成电路中实现该FBAR时，使现有技术中的FBAR的特性恶化。
在执行刻蚀操作形成该气隙A2后，由于施加在具有包围气隙A2的支撑层35的膜层36上的结合力，该FBAR可能变得不稳定。因为腐蚀剂溶液的结合力，该腐蚀剂溶液影响该膜层36，使用该腐蚀剂溶液来去除用金属氧化物如ZnO或金属如Al、Cu和NiFe形成的牺牲层。
另外，当将腐蚀剂溶液应用到该牺牲层时，当形成通孔H以耦合牺牲层和该FBAR的外部时，该腐蚀剂溶液可刻蚀该压电层38。因此，该通孔应当形成在激活(谐振器)区的外部区域上。当该通孔形成在该激活区的角区部分时，至少在激活区的每个角区部分上应当形成四个通孔H。在现有技术中的FBAR中，通孔H的数量以及通孔H的位置很有限。因此，增加通孔H的数量，在FBAR的特殊部分上形成的通孔H严重地影响该FBAR的特性。
在该牺牲层的湿刻蚀操作后，使用光刻胶的干刻蚀操作可防止在现有技术中的牺牲层形成过程中钻蚀FBAR，但该过程非常复杂，并且不容易控制该钻蚀(undercut)。如果由于在上述过程中该光刻胶的下端的齿形角生成翼尖(wing tip)，该FBAR的结构变得不牢固并且很容易变形。根据图3A和3B，在衬底41上形成牺牲层43，在牺牲层43上形成具有下端齿形角θ1的光刻胶44以形成气隙区，并且通过活性离子刻蚀(RIE)刻蚀牺牲层，根据气隙来形成牺牲区43′。由于光刻胶44的材料比牺牲层43的材料具有更高的刻蚀速率，因此光刻胶44的下端齿形角(profile angle)θ1比现有技术中的光刻胶更低。因此，当执行膜层形成操作后，光刻胶层44剥离膜层时，由于降低的牺牲层的侧角，生成了翼尖。除上述问题外，在上述现有技术中的FBAR中不容易控制谐振频率。

发明内容
为克服上述和其他问题，本发明的一个目的是提供一种具有高反射特性和低插入损耗的FBAR以及防止在谐振器区域中生成的信号传送到衬底。
本发明的另一个目的是提供一种用于形成FBAR的方法。该方法包括稳定地形成气隙以及防止削弱与FBAR的气隙有关的结构。
本发明的另外的目的和优点将部分地在下面的说明中阐述以及从该描述部分是显而易见的，或通过实施本发明可以知道。
根据本发明的一个实施例，通过提供包括衬底、形成在衬底上的绝缘层、形成在绝缘层上的薄膜支撑层、形成在薄膜支撑层上的膜层、形成在膜层上的第一电极、形成在第一电极上的压电层以及形成在压电层上的第二电极的FBAR，可实现上述和其他目的。
根据本发明的一个方面，通过电阻止，使衬底免受高频信号的影响，绝缘层降低了插入损耗，并且绝缘层是由很容易附着在硅衬底上的氧化层、氮化物层以及多孔硅层中的一种制造成的热氧化层。并且可使用具有高绝缘电阻的衬底，如非掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)，玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LN(LiNbO3)、LT(LiTiO3)。在这种情况下，不需要绝缘层。
根据本发明的另一实施例，通过提供包括衬底、形成在衬底上并具有气隙的薄膜支撑层、形成在薄膜支撑层上的膜层，它具有与激活区相对应的部分，并具有小于该膜层的其他部分的厚度的部分、形成在膜层上的第一电极、形成在第一电极层上的压电层以及形成在压电层上的第二电极的FBAR来实现上述和其他目的。
根据本发明的另一方面，膜层具有两个不同的厚度来有效地控制谐振频率的中心频率并提高传输增益。通过干刻蚀过程来形成部分膜层以便形成对应于激活区的下陷的顶面。
根据本发明的另一方面，FBAR包括衬底、形成在衬底上并具有气隙的薄膜支撑层、形成在薄膜支撑层上的膜层、形成在膜层上的第一电极、形成在第一电极层上的压电层、形成在压电层上的第二电极、以及在第一电极、压电层、第二电极中形成的至少一个与气隙连通的通孔。
由于在激活区中形成通孔以便与牺牲层的中心部分连通，所以通孔的数量降低，并且提高了FBAR的谐振特性。
根据本发明的一个实施例，通过提供一种形成FBAR的方法来实现上述和其他目的。该方法包括在衬底上形成绝缘层、绝缘层上形成牺牲层、部分去除除了与气隙形成区域相对应的牺牲层之外的牺牲层、在已经去除牺牲层的绝缘层上形成薄膜支撑层、在薄膜支撑层和部分牺牲层上形成膜层、在膜层上形成第一电极、在第一电极层上形成压电层、在压电层上形成第二电极以及通过去除部分牺牲层形成气隙。
根据本发明的另一方面，牺牲层的形成可以包括在与气隙形成区域相对应的部分牺牲层上形成光刻胶层、干刻蚀除由光刻胶覆盖的部分牺牲层外的牺牲层以及从部分牺牲层去除光刻胶。
根据本发明的另一方面，从部分牺牲层去除光刻胶前形成薄膜支撑层。当形成光刻胶时，在干刻蚀牺牲层后，在70度和90度的范围内相对于衬底或绝缘层的垂直线调整光刻胶的侧齿形角。调整侧齿形角以便形成牺牲区域作为钻蚀结构，以防止当执行剥离过程从绝缘层剥离光刻胶时生成翼尖。
根据本发明的另一方面，FBAR改进谐振频率的传输增益并控制该谐振频率。该方法进一步包括刻蚀膜层以便通过在形成第一电极前使用干刻蚀过程形成对应于激活区的下陷平面。
根据本发明的另一方面，该方法避免了如在形成气隙的湿刻蚀过程中产生的，由在湿刻蚀过程中使用的腐蚀剂溶液产生的结合力导致的结构变形的问题。该方法包括形成多晶硅层作为牺牲层并去除与气隙相对应的牺牲层的牺牲区域。可以使用XeF2作为应用在干刻蚀过程中的刻蚀气体。由于牺牲层由不同于激活层的材料的材料制成，如压电层的材料，并且由于在该方法中使用一种新的刻蚀过程，可在任何位置形成通孔以便为用在刻蚀过程的刻蚀液体提供供给通道。
根据本发明的另一方面，可使用上述实施例的任意组合来形成FBAR。
图4A和4B分别是根据本发明的实施例的FBAR的剖视图和平面图。参考图4A，FBAR包括衬底51、形成在衬底51上的绝缘层52、形成在绝缘层52上以便具有气隙A3的薄膜支撑层55、形成在薄膜支撑层55上的膜层56、形成在膜层56上的第一电极57、形成在第一电极57上的压电层58以及形成在压电层58上的第二电极59。
根据本发明的这个实施例，由于绝缘层52形成在衬底51上，因而降低了插入损耗。当向第一电极57和第二电极59提供电压时，从第一和第二电极57、59和压电层58的激活(谐振器)区生成的预定频率信号可被传送到在现有技术中的FBAR中的衬底51中。此外，由于增加的插入损耗，现有技术中的FBAR的特性变得更低。当在现有技术中的FBAR中掺有杂质的衬底具有高导电性时，并且当现有技术中的FBAR用在具有1GHz以上的频带的高频集成电路中时，由于插入损耗变得更大，使现有技术中的FBAR的特性恶化。然而，由于在衬底51和薄膜支撑层55间形成的绝缘层，根据本发明的第一特性的FBAR防止了从激活区生成的信号传送到衬底51。因此，图4A的FBAR提高了插入损耗的特性。
该绝缘层52使用在由硅或氧化层和氮化层中的一种制成的衬底上容易生成的、通过化学蒸气溅射过程或现有技术中的蒸气溅射过程形成的热氧化层。具有绝缘特性的热氧化层的厚度可能在约0.5μm和约5μm间，用多孔硅形成的热氧化的厚度可能在5μm和50μm间。
根据本发明的实施例的另一特性，有效地控制了谐振频带的中心频率，并且通过调节对应于激活区的膜层56的厚度提高了传输增益。如图4A所示，与对应于激活区的部分膜层56是下陷一定距离的下陷平面，在压电层58的激活区下和气隙A3上的膜层部分的厚度小于膜层56的其他部分的下陷距离。用该下陷部分控制中心频率并且提高传输增益。通过在膜层56上形成第一电极57前使用刻蚀过程来形成膜层56的下陷部分。
尽管根据本发明的该实施例，图4A的FBAR包括第一和第二特性，但是可在该FBAR中独立地和单独地实现第一和第二特性中的每一个。
根据本发明的该实施例，提供了一种形成该FBAR的过程，而且该过程包括有效地形成气隙并防止当形成薄膜支撑层后将光刻胶从牺牲层剥离时生成翼尖。
图5A至5J是描述形成图4A和4B的每个过程的剖视图。
如图5A所示，在衬底101上形成绝缘层102。绝缘层102可以是通过使用高热氧化法形成在硅衬底101上的热氧化层。硅衬底101可以由掺有杂质的硅晶片以及高质量的未掺杂质的高阻硅晶片中的一种制成。绝缘层102可以是使用现有技术中的淀积法，如化学气相淀积法的氧化层或氮化层，代替用高热氧化法形成在衬底上的热氧化层。绝缘层102也可通过使用高热氧化法形成热氧化层的方法，用多孔硅层制成，该多孔硅层是通过电解刻蚀硅衬底形成的。热氧化层可能具有约0.5μm的厚度以便具有足够的绝缘特性来阻止信号传送到衬底101。当使用多孔层制成热氧化层时，热氧化层可能具有约5μm以上的厚度。尽管上面描述过热氧化层的厚度，本发明并不限定热氧化层的厚度。
而且可使用具有高绝缘电阻，如不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LN(LiNbO3)、LT(LiTiO3)的衬底。在这种情况下，不需要绝缘层。
图5B至5D表示在绝缘层102的上表面上形成牺牲层103′的过程，该绝缘层从衬底101形成以形成气隙A3。
如图5B所示，在绝缘层102的整个上表面上形成牺牲层103。例如，多晶硅被用作牺牲层103，具有容易形成和去除的良好的表面粗糙度并且在使用下面的过程中的干刻蚀过程执行去除方面具有优点。
在图5C中，在牺牲层103的上表面上形成构图的光刻胶104来限定由光刻蚀过程形成的气隙A3。光刻胶104由与图6A和6B的完全相同的正光刻胶制成。可以使用图5C的负或相反的光刻胶层(negative or image reverse photo resist layer)作为构图的光致抗蚀剂层104。负的或图象相反的光刻胶层104具有钻蚀结构，如第一侧齿形角θ1大于90度，这不同于现有技术中的光刻胶图案。
在图5D中，执行刻蚀过程来生成牺牲区域103′。由该刻蚀过程形成的光刻胶层104′的第一侧齿形角θ2可能具有第二侧齿形角θ′2，该θ′2接近直角。与图3的现有技术中的侧齿形角θ1相比，牺牲层103′的第三侧齿形角增加。因此，随着牺牲层103′的第三侧齿形角或光刻胶层104′的第一侧齿形角θ2的增加，防止了当形成薄膜支撑层105′后将光刻胶层104′剥离绝缘层102时生成翼尖的问题。可能将光刻胶层104′的第一侧齿形角θ2控制在70度和90度间的范围内。可能将侧齿形角控制到垂直于绝缘层。
本发明的光刻胶层104′并不限定于负光刻胶或图像相反的光刻胶作为控制光刻胶104′的第一侧齿形角θ2的一个过程以便防止翼尖问题。该方法可包括使光刻胶104′的侧齿形角θ2变大。例如，即使正光刻胶层被用作光刻胶层104′，通过降低光刻胶层104′的刻蚀速度可获得所需的侧齿形角。例如，可使用使用热板烘焙光刻胶104′的硬烘焙(hard baking)方法或使用电子束或硬化剂(hard agent)加强光刻胶104′的另一种方法。这些方法可结合起来使用。如果需要的话，可选择使用负光刻胶层。硬烘焙方法可能用于降低刻蚀速率以便将第一侧齿形角θ2保持在直角，并在具有温度在约100度和约200间的环境中进行一至十分钟。
另外，响应于在刻蚀过程中刻蚀气体的种类的变化，可通过调整光刻胶104′的角度来获得大的侧齿形角。通过使用由金属制成的硬掩膜而不使用光刻胶来防止刻蚀过程的影响，可获得作为光刻胶104′的第一侧齿形角θ2的直角。
通过使用RIE(活性离子刻蚀)将上述条件应用于干刻蚀过程。即，如果使用另一种干刻蚀装置，则可以不产生翼尖问题。因此，可以不需要控制光刻胶的侧面轮廓的过程。在这种情况下可能需要另一个条件。
在另一种干刻蚀过程中，可选择使用ICR(电感耦合等离子体)和ECR(电子回旋共振)。干刻蚀气体至少是CxFy、SF6、Cl2中的一种或是CxFy，SF6，Cl2的组合的混合物中。通过控制功率、压力、装置的流量、光刻胶104′的状态以及刻蚀气体的条件来调整光刻胶104′的第一侧齿形角θ2。
干刻蚀过程提高了光刻胶104′的第一侧齿形角θ2以便提高使用该干刻蚀过程刻蚀的牺牲层103′的第三侧齿形角。如上所述，使用不同的掩膜、加强光刻胶以及优化刻蚀过程的每个条件的任何组合可被用来形成光刻胶104′以及牺牲层103′。
如图5E所示，在未去除光刻胶层104′的状态下，将绝缘材料施加到绝缘层102和光刻胶层104′的上表面。光刻胶层104′限定形成薄膜支撑层的区域。绝缘材料可能是Si3N4、SiO2以及Al2O3中的一种以便形成薄膜支撑层105′。
接着，如图5F所示，通过使用剥离过程来去除光刻胶104′，由于在将绝缘材料施加到绝缘层102和光刻胶104′上后，将排列在牺牲层103′上的光刻胶104′剥离牺牲层103′而不需要从牺牲层去除光刻胶104′，因此通过使用该简化的过程形成如图5F所示的膜层105′。由于在刻蚀牺牲层103′后用垂直面形成光刻胶，在剥离过程中能有效地防止发生翼尖。即，从牺牲层103′去除形成在光刻胶104′的顶面和端面上的光刻胶104′和绝缘材料。在这一过程中，由于由绝缘材料制成的薄膜支撑层105′形成在绝缘层102的上表面上以便包围牺牲层103′，因此增加了绝缘层106的厚度，同时通过有效地阻止从图5I的第一和第二电极107、109的电焊盘生成的信号传输到衬底101，因此降低了插入损耗。
牺牲层103′的厚度和薄膜支撑层105′的厚度在约0.5μm到5μm之间。牺牲层103′和薄膜支撑层105′不必具有相同的厚度。如果薄膜支撑层105′具有足够的厚度来支撑图5G的膜层106，那么薄膜支撑层105′可能比牺牲层103′厚或薄。由于对应于薄膜支撑层105′的区域不是FBAR中的激活区，因此薄膜支撑层105′不必是平的或具有一个平面。因此，通过上述简单的过程很容易形成薄膜支撑层105′而在形成薄膜支撑层105′时不需要任何薄膜支撑层105′的压平过程。
在形成薄膜支撑层105′后，如图5G所示，膜层106形成在牺牲层103′和薄膜支撑层105′的顶面。膜层106可使用现有技术中的淀积法用现有技术中的材料制成。例如，膜层106可用SiO2制成并具有1μm的厚度。膜层106也可用具有1μm的SiO2或形成在SiO2上具有0.5μm厚度的SiN制成。膜层形成过程并不限定于面描述的过程。
与非激活区相对应的膜层106具有第一厚度t1，而与牺牲层103′或激活区相对应的膜层部分下沉以便具有小于第一厚度t1的第二厚度t2。干刻蚀与激活区相对应的薄膜106部分的上表面以便将第一厚度t1减小到第二厚度t2。在将膜层106部分刻蚀到具有第二厚度t2后，在具有第二厚度t2的刻蚀部分和具有第一厚度t1的膜层106的其他部分间形成倾斜部分以便减小在操作FBAR过程中生成的抽头电阻和并联谐振。在硬烘焙过程后通过干刻蚀过程可形成倾斜部分。在激活区和膜层106的其他部分间形成的倾斜部分相对于膜层106的主表面可具有约20度到80度间的角度。在130摄氏度和200摄氏度间的温度可以进行1至10分钟的硬烘焙过程。膜层106的第二厚度t2可能是第一厚度t1的约0％至约50％以便增加有效传输以及谐振频带的中心频率的控制增益。
如图5I所示，在膜层106′的顶面形成第一电极107，在第一电极层107上形成压电层108，以及在压电层108上形成第二电极层109。第一和第二层用导电材料如包括Al、W、Au、Pt、Ru、RuO2以及Mo中的至少一种金属制成。压电层108是由但不限于氮化铝(AlN)或ZnO制成。压电层是通过使用湿刻蚀过程或干刻蚀过程形成。如果使用氮化铝(AlN)形成压电层108，使用从包括Ar、BCl3、CF4的组中选择的至少一种组成的气体来增加具有氮化铝的压电层108的刻蚀角。当压电层108相对于具有厚度t1的膜层具有相对高的选择比时，进行干刻蚀过程。
第一电极107、压电层108以及第二电极层109具有与膜层106′的其他部分和绝缘层102相对应的第一部分并且还具有与膜层的刻蚀部分和气隙A3相对应的第二部分。通过在第一电极107的各个第一和第二部分、压电层108以及第二电极109间形成的倾斜部分将第一部分降低到第二部分。
在图5J中，形成至少一个通孔以便提供通道，以及经通孔H3去除牺牲层103′以便形成气隙A3。由于牺牲层103′用多晶硅制成，使用湿刻蚀过程而不是干刻蚀过程来去除牺牲层103′。因此，当去除牺牲层103′时可避免膜层106和牺牲层103′间的结合力并且简化刻蚀过程。
可以将二氟化氙XeF2用作用在干刻蚀过程中的刻蚀气体。在微机电系统(MEMS)中通过控制压力而不使用用于刻蚀多晶硅的等离子体，则二氟化氙使牺牲层103′蒸发。
在干刻蚀过程前在约140摄氏度的温度烘焙该FBAR约10分钟以便防止二氟化氙XeF2形成HF污染衬底101的表面。
通常，二氟化氙以每分钟几微米的速度刻蚀多晶硅并具有与硅氧化层的几千比一的选择比。由于光刻胶、磷硅酸盐玻璃(PSG)、掺有二氧化硅的硼和磷(BPSG)、铝、氮化硅以及NiTi和氮化硅刻蚀的很少，如果这些材料用在FBAR制造过程中，由于各向同性刻蚀特性，将以高速刻蚀多晶硅层(牺牲层103′)，并且通过通孔很容易刻蚀。因此，由于与膜层106′或薄膜支撑层105′的高选择比，使用上述简单的过程形成稳定的气隙A3。
在现有技术中的方法中，由于腐蚀剂溶液相对于形成压电层和第一及第二电极的材料具有高刻蚀比，因此通孔的位置很有限。然而，根据本发明的该实施例，在通道的气隙的形成中，由于具有高选择比的干刻蚀过程，可在牺牲层的任何部分或中心部分形成通过压电层和第一及第二电极层的通孔。用高选择比，在刻蚀牺牲层的同时，很少刻蚀压电层和第一及第二电极层。因此，由于执行上述有效的刻蚀过程在牺牲层的中心部分形成通孔，即使形成最小量的通孔，使用注入的二氟化氙气体很容易去除牺牲层。用上述实施例，解决了与通孔的位置和数量有关的问题。通过控制通孔的位置和数量，降低了影响FBAR的特性的FBAR的寄生元件。
如图5A-5J中所示，仅用一个例子来描述FBAR的制造过程。即，可独立或用一系列组合操作来执行制造过程的操作。例如，根据本发明的实施例，可独立执行或用一系列上述各自操作的任意组合执行通过将多晶硅层形成为衬底来形成气隙的干刻蚀过程、形成绝缘层以防止插入损失的形成过程、通过干刻蚀膜层控制谐振频率的中心频率的控制操作以及提高光刻胶的侧齿形角的提高操作。
如上所述，根据本发明，通过在衬底上形成具有高质量的绝缘层，防止信号传输到具有导电性的衬底，并且最小化插入损失。在形成牺牲层的操作中，形成基本上垂直于该牺牲层和光刻胶层而没有任何翼尖的平面，以及通过刻蚀与激活层相对应的绝缘层可增加谐振频率的中心频率的控制和传输增益。
由于通过使用二氟化氮干刻蚀用多晶硅层制成的牺牲层，从而简化了制造过程。另外，通过降低包围气隙的层间的结合力来增加FBAR的每个元件的物理稳定性。如果将二氟化氙用作干刻蚀气体，由于与组成包围激活层的层的材料相比，二氟化氙具有高选择比，通过该高选择比有选择地刻蚀牺牲层和其他层，因此形成该通孔来通过激活区提供刻蚀气体。
尽管已经示出和描述了本发明的一些实施例，本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的原理和精神的情况下可对这些实施例作出改变，本发明的范围由附加权利要求和其等同内容来限定。
权利要求
1.一种薄膜体声波谐振器，具有与预定频率信号谐振的激活区，包括衬底；在所述衬底上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成的并具有气隙的薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层上形成的膜层；在所述膜层上形成的第一电极；在所述第一电极层上形成的压电层；以及在所述压电层上形成的第二电极。
2.如权利要求1所述的谐振器，其中所述绝缘层是热氧化层。
3.如权利要求2所述的谐振器，其中所述热氧化层的厚度大于等于0.5μm且小于等于5μm。
4.如权利要求1所述的谐振器，其中所述绝缘层是具有多孔硅的热氧化层。
5.如权利要求1所述的谐振器，其中所述热氧化层的厚度大于等于5μm且小于等于70μm。
6.如权利要求1所述的谐振器，其中所述膜层包括具有第一厚度的第一部分以及具有小于第一厚度的第二厚度的第二部分。
7.如权利要求6所述的谐振器，其中所述膜层的第二部分包括与所述激活区相对应的下陷平面。
8.如权利要求7所述的谐振器，其中所述下陷平面是通过干刻42蚀过程形成的。
9.如权利要求7所述的谐振器，其中所述膜层的第二厚度约为所述第一厚度的0-50％。
10.如权利要求1所述的谐振器，进一步包括形成在所述激活区中的至少一个通孔以便通过所述第一电极、压电层以及第二电极与气隙连通。
11.如权利要求10所述的谐振器，其中将所述通孔耦合到所述气隙的中心部分。
12.一种薄膜体声波谐振器，具有与预定频率信号谐振的激活区，包括衬底；在所述衬底上形成的并具有气隙的薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层上形成的膜层，所述膜层具有与所述激活区相对应的且具有小于所述膜层的其他部分的厚度的部分；在所述膜层上形成的第一电极；在所述第一电极层上形成的压电层；以及在所述压电层上形成的第二电极。
13.如权利要求12所述的谐振器，其中与所述激活区相对应的所述部分膜层包括下陷平面。
14.如权利要求12所述的谐振器，其中所述衬底具有从由不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LiNbO3、LiTiO3组成的组中选择的高绝缘电阻。
15.一种薄膜体声波谐振器，具有与预定频率信号谐振的激活区，包括衬底；在所述衬底上形成的并具有气隙的薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层上形成的膜层；在所述膜层上形成的第一电极；在所述第一电极层上形成的压电层；在所述压电层上形成的第二电极；以及在所述第一电极、压电层和第二电极中形成的至少一个通孔以便与所述气隙连通。
16.如权利要求15的谐振器，其中所述衬底具有从由不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LiNbO3、LiTiO3组成的组中选择的高绝缘电阻。
17.一种薄膜体声波谐振器，具有与预定频率信号谐振的激活区，包括具有从由不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LiNbO3、LiTiO3组成的组中选择的高绝缘电阻的衬底；在所述衬底上形成的并具有气隙的薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层上形成的膜层；在所述膜层上形成的第一电极；在所述第一电极层上形成的压电层；在所述压电层上形成的第二电极。
18.一种形成薄膜体声波谐振器的方法，所述薄膜体声波谐振器具有与预定频率信号谐振的激活区，所述方法包括在衬底上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成牺牲层；部分去除除与气隙形成区相对应的部分牺牲层外的牺牲层；在去除牺牲层的所述绝缘层上形成薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层和部分牺牲层上形成膜层；在所述膜层上形成第一电极；在所述第一电极层上形成压电层；在所述压电层上形成第二电极；以及通过去除部分牺牲层来形成气隙。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述绝缘层的形成包括通过在所述衬底上应用热氧化过程来在所述衬底上形成热氧化层。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述热氧化层的厚度大于等于0.5μm且小于等于5μm。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述衬底是硅衬底，并且所述绝缘层的形成包括在所述硅衬底上形成具有多孔硅的热氧化层。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述热氧化层的厚度大于等于5μm且小于等于70μm。
23.如权利要求18所述的方法，其中所述绝缘层的形成包括通过使用化学气相淀积过程来形成氧化层或氮化层。
24.如权利要求18所述的方法，其中所述牺牲层的形成包括在与所述气隙形成区域相对应的部分牺牲层上形成光刻胶层；干刻蚀除由所述光刻胶覆盖的部分牺牲层外的牺牲层；以及从所述部分牺牲层去除所述光刻胶。
25.如权利要求24所述的方法，其中在从所述部分牺牲层去除光刻胶前形成所述薄膜支撑层。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述光刻胶的形成包括在干刻蚀所述牺牲层后，在70度和90度之间、包括70度和90度的范围内相对于所述衬底或绝缘层调整所述光刻胶的侧齿形角。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述光刻胶的形成包括在调整所述光刻胶的侧面轮廓后，使用硬化材料或电子束固化来加强所述所述光刻胶。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述光刻胶是负或图像相反的光刻胶中的一种。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述光刻胶的形成包括在形成所述膜层前和形成所述光刻胶后，使用热板来硬烘焙所述光刻胶。
30.如权利要求27所述的方法，其中在100摄氏度和200摄氏度的范围内硬烘焙所述光刻胶1至10分钟。
31.如权利要求18所述的方法，其中所述牺牲层的形成包括应用从由CxFy、SF5、Cl2、CCl2F2、XeF2，H2以及O2组成的组中选择的刻蚀气体，其中x和y是自然数。
32.如权利要求18所述的方法，其中所述膜层的形成包括形成与所述激活区相对应的并具有小于所述膜层的其他部分的厚度的膜层部分。
33.如权利要求18所述的方法，其中所述膜层的形成包括干刻蚀与所述激活区相对应的所述膜层部分。
34.如权利要求33所述的方法，其中通过干刻蚀去除的厚度约在所述膜层的其他部分厚度的50％和100％之间。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述膜层的形成包括在干刻蚀所述膜层部分前使用热板硬烘焙所述膜层。
36.如权利要求35所述的方法，其中在130摄氏度和200摄氏度间的温度中硬烘焙所述膜层1至10分钟。
37.如权利要求18所述的方法，其中所述牺牲层用多晶硅制成。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述气隙的形成包括在与所述激活区相对应的所述第一电极、压电层以及第二电极中形成至少一个通孔；以及使用干刻蚀过程通过所述通孔去除所述部分牺牲层。
39.如权利要求38所述的方法，其中去除所述部分牺牲层包括经所述通孔将XeF2应用为刻蚀气体来去除所述部分牺牲层。
40.如权利要求38所述的方法，其中所述通孔经所述第一电极、压电层以及第二电极将所述牺牲层耦合到外部。
41.如权利要求18所述的方法，其中所述膜层是用从由SiO2、SiN以及Al2O3组成的组中选择的一种材料制成。
42.如权利要求18所述的方法，其中所述压电层用AlN或ZnO制成。
43.一种形成薄膜体声波谐振器的方法，所述薄膜体声波谐振器具有与预定频率信号谐振的激活区，所述方法包括在衬底上形成牺牲层；部分去除除与气隙形成区相对应的部分牺牲层外的牺牲层；在去除牺牲层的所述绝缘层上形成薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层和部分牺牲层上形成膜层；使用于刻蚀过程在与所述激活区相对应的膜层的顶面刻蚀以便具有预定厚度；在所述膜层上形成第一电极；在所述第一电极层上形成压电层；在所述压电层上形成第二电极；以及通过去除部分牺牲层来形成气隙。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述衬底具有从由不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LiNbO3、LiTiO3组成的组中选择的高绝缘电阻。
45.一种形成薄膜体声波谐振器的方法，所述薄膜体声波谐振器具有与预定频率信号谐振的激活区，所述方法包括在衬底上形成牺牲层；部分去除除与气隙形成区相对应的部分牺牲层外的牺牲层；在去除牺牲层的所述绝缘层上形成薄膜支撑层；在所述薄膜支撑层和部分牺牲层上形成膜层；在所述膜层上形成第一电极；在所述第一电极层上形成压电层；在所述压电层上形成第二电极；在所述第一电极、压电层和所述第二电极中形成至少一个通孔以便把外部耦合到所述牺牲层；以及通过去除部分牺牲层来形成气隙。
46.如权利要求45所述的方法，其中所述衬底具有从由不掺杂质的高电阻Si晶片(＞5000Ω)、玻璃晶片、石英晶片、蓝宝石、LiNbO3、LiTiO3组成的组中选择的高绝缘电阻。
47.如权利要求45所述的方法，其中所述气隙的形成包括将XeF2作为刻蚀气体施加到所述部分牺牲层。
全文摘要
一种薄膜体声波谐振器(FBAR)包括在衬底上的绝缘层以防止信号传输到衬底。该FBAR包括与激活区相对应的牺牲层部分以便调整谐振频带并提高谐振频带的传输增益，部分刻蚀的部分膜层的厚度小于该膜层的其他部分。形成该FBAR的方法包括形成由多晶硅制成的牺牲层、使用干刻蚀过程形成气隙以及形成通孔。该方法防止在现有技术中的气隙形成过程中产生的结构问题以及提供可控制的通孔的位置和数量。
文档编号H03H3/04GK1450719SQ02157838
公开日2003年10月22日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年4月11日
发明者张济旭, 鲜于国贤 申请人:三星电机株式会社