专利名称：膜体声谐振器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及膜体声谐振器，尤其涉及高频带的膜体声谐振器及其制造方法。
背景技术：
近年来，GHz或更高频带广泛用于无线通信系统，包括移动通信设备，如移动电话和用于迅速在计算机之间传输数据的无线局域网(LAN)系统。膜体声谐振器(FBAR)是用于这样的无线通信系统和其他高频带电子设备的一种高频元件。
通常，体(陶瓷)介质谐振器和表面声波(SAW)元件用作高频区域的谐振器。相比于这些谐振器，FBAR的特征在于适于小型化并适于更高的频率。该基于FBAR的高频滤波器和谐振器电路正得到开发。
在FBAR的基本构造中，在彼此相对的下电极和上电极之间夹有氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)的压电膜。为了获得更高的性能，FBAR的谐振器部分跨接腔。例如，美国专利6060818公开了一种通过使用牺牲材料制造跨接腔的FBAR的方法。
例如，沉积牺牲膜，以填充在衬底中形成的槽中。平面化沉积的牺牲膜。连续形成下电极、压电膜以及上电极，以覆盖牺牲膜。然后，除去牺牲膜，以在FBAR的谐振器部分下方形成腔。
当通过化学机械抛光(CMP)平面化例如磷硅酸盐玻璃(PSG)的牺牲膜时，由于牺牲膜与衬底的硬度的差异，在受到CMP的表面中容易发生凹陷。由于凹陷，掩埋牺牲膜的表面向下面的衬底侧凹陷。从而在形成于凹陷牺牲膜上的谐振器部分中发生应变。除去牺牲膜以形成腔进一步增加了谐振器部分中的应变。这导致FBAR的谐振特征的变差。而且，在干燥或蚀刻牺牲膜以后的其他步骤中，谐振器部分由于腔中剩余的水的表面张力而弯曲，并粘到腔的底部表面上，从而导致干扰谐振的问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种膜体声谐振器，包括衬底，其在其表面中具有腔；下电极，其从衬底的上表面在腔的上方延伸；压电膜，其设置在下电极上；上电极，其与下电极相对，并设置在压电膜上；以及多个突出，其设置在下电极下方的腔中。
根据本发明的另一方面，提供一种制造膜体声谐振器的方法，包括除去衬底的部分，以形成多个隔离的第一支撑和以盒形结构围绕所述多个第一支撑的第二支撑；形成牺牲膜和侧壁膜以分别掩埋第一间隙和第二间隙，第一间隙设置在每对多个第一支撑、以及多个第一支撑与第二支撑之间，所述第二间隙设置在第二支撑与衬底之间的第二支撑的周围；形成下电极，其从衬底的上方在牺牲膜和第一支撑上方延伸；在下电极的表面上形成压电膜；相对于下电极并在压电膜上形成上电极；除去牺牲膜，以在谐振器部分下方形成腔，所述谐振器部分由其中下电极与上电极相对的区域限定；以及在高度方向除去腔中的多个第一支撑的每个的至少部分。
图1为示出根据本发明实施例的FBAR的实例的平面图；图2示出图1中所示的FBAR的A-A截面图；图3示出图1中所示的FBAR的B-B截面图；图4为示出根据本发明实施例的制造FBAR的方法的实例的平面图；
图5A-5C示出图4所示的衬底的C-C截面图；图6-10为示出根据本发明实施例的制造FBAR的方法的实例的截面图；图11为示出根据本发明实施例的制造FBAR的方法的实例的平面图；图12示出图11中所示的衬底的D-D截面图；图13和14为示出根据本发明实施例的制造FBAR的方法的实例的截面图；图15为示出根据本发明实施例的FBAR的另一实例的平面图；图16为示出根据本发明实施例的FBAR的另一实例的平面图；图17为示出根据本发明实施例的第一变化的FBAR的实例的平面图；图18示出图17中所示的FBAR的E-E截面图；图19为示出根据本发明实施例的第二变化的FBAR实例的平面图；图20示出图19中所示的FBAR的F-F截面图。
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。在下面对附图的描述中，相同或类似的元件用相同或类似的标号表示。附图是示意性的，从而应该注意，厚度和平面尺寸之间的关系、层厚的比率等与实际情况是不同的。从而具体厚度和尺寸应从下面的描述中理解。另外，可以理解，在各图中一些尺寸的比率或关系可能彼此不同。
如图1和2所示，根据本发明的FBAR包括衬底10、设置在衬底10上的下电极14、设置在下电极14上的压电膜16、以及设置在压电膜16上的上电极18。衬底10在其表面中具有腔20。下电极14从衬底10的上表面在腔20的上方延伸。压电膜16覆盖腔20和下电极14的部分。上电极18与下电极14相对。在下电极14下方的腔20中，在限定腔20的衬底10上设置多个凸起24a、24b、...、24c、24d、...、24e、...。在衬底10和下电极14之间设置保护膜12。
多个凸起24a-24e、...由侧壁膜22围绕，其由不同于衬底10的材料制成。设置围绕壁26，使其与侧壁膜22接触。谐振器部分40由腔20上方的区域限定，在所述区域中，下电极14与上电极18彼此相对。如图3所示，位于谐振器部分40外侧的压电膜16和保护膜12具有与形成于谐振器部分40下方的腔20连通的开口30。
谐振器部分40的压电膜16通过施加到下电极14或上电极18上的高频信号激发的体声波的谐振而传输高频信号。例如，通过谐振器部分40的压电膜16，将施加到下电极14上的GHz频带的高频信号传输到上电极18。为了获得谐振器部分40的良好的谐振特征，用AlN膜或ZnO膜制成压电膜16，其在包括晶体取向的膜质量和膜厚度方面具有良好的均匀性。
下电极14由以下物质制成铝(Al)和钽铝(TaAl)的层叠金属膜、高熔点金属(如钼(Mo)、钨(W)、以及钛(Ti))或者含高熔点金属的金属化合物。上电极18由以下物质制成如A的金属、如Mo、W和Ti的高熔点金属、或者含高熔点金属的金属化合物。衬底10例如为Si或其他半导体衬底。保护膜12例如是由AlN制成的绝缘膜。侧壁膜22例如是由氧化硅制成的绝缘膜，其不同于衬底10的材料。
腔20的尺寸依赖于FBAR的工作频率和截面结构。在该实施例中，每边的长度为大约100微米到大约200微米。多个凸起24a-24e具有矩形平面形，其短边测量为在1微米至大约10微米的范围内。每对多个凸起24a-24e之间的间隔为小于等于大约10微米。
在根据所述实施例的FBAR中，多个凸起24a-24e被设置在形成于谐振器部分40下方的腔20的底部表面上。多个凸起24a-24e的上表面的面积小于谐振器部分40的总面积。从而，如果谐振器部分40在制造过程中弯曲并接触多个凸起24a-24e的上表面，谐振器部分40不粘合到所述多个凸起24a-24e的上表面。从而该实施例可以防止谐振器特性由于谐振器部分40粘合到衬底10而变差。
压电膜16在其中在保护膜12上形成下电极14的表面上生长。在保护膜12和下电极14之间的阶状部分，压电膜16的取向改变。从而，压电膜16收到应力集中，这导致例如压电特性变差和压电膜16中的裂缝的问题。
为了缓解阶状部分的影响，下电极14的端部优选相对于保护膜12的表面成充分小于90度的斜角。
接着，参考图4至14所示的工艺平面图和截面图描述根据该实施例的制造FBAR的方法。这里，在用于描述的截面图中示出对应于图1中所示的A-A和B-B线的线。
(A)如图4和5A所示，通过例如光刻和反应离子蚀刻(RIE)的工艺除去Si或其他衬底的部分，以形成多个隔离的第一支撑124a、124b、...、124c、124d、...、124e、...以及以盒形结构围绕所述多个第一支撑124a-124e、...的第二支撑126。在每对每个为棱柱形的多个第一支撑124a-124e、...之间、以及在多个第一支撑124a-124e、...、与第二支撑126之间设置第一间隙120。多个第一支撑124a-124e每个具有大约2微米×10微米的矩形上表面。在相邻第一支撑124a-124e之间的间隔为小于等于大约10微米。在第二支撑126周围，在第二支撑126与衬底10之间设置第二间隙122。第一和第二支撑124a-124e、126的侧表面的形状被加工成使得沿深度的中心部分变细。
如图5B所示，第一和第二支撑124a-124e、126可以在沿深度的上部变细。可选的是，第一和第二支撑124a-124e、126可以如图5C所示在沿深度的中心部分变细。
(B)通过化学气相沉积(CVD)在衬底10上沉积磷硅酸盐玻璃(PSG)的绝缘膜，以掩埋第一和第二间隙120、122。如图6所示，通过CMP平面化沉积的绝缘膜，以暴露衬底10的表面，从而形成掩埋在第一间隙120中的牺牲膜222和掩埋在第二间隙122中的侧壁膜22。
(C)如图7所示，通过溅射在衬底10的表面上沉积AlN的保护膜12，在所述衬底10中掩埋有牺牲膜222和侧壁膜22。
(D)如图8所示，通过溅射、光刻和RIE，形成在牺牲膜222上延伸的AlTa/Al的下电极14和衬底10上的第一支撑124a-124c。调整光刻条件以使抗蚀剂掩模的端部成斜角，从而使下电极14的端部成斜角。
(E)如图9所示，通过溅射、光刻和RIE形成AlN的压电膜16。注意，可以可选地通过利用碱性溶液的湿蚀刻来蚀刻AlN压电膜。
(F)如图10所示，通过溅射、光刻和湿蚀刻形成Mo的上电极18。
(G)如图11和12所示，使用抗蚀剂膜100作为掩模，以通过光刻和RIE选择性除去压电膜16和保护膜12，从而形成开口30。在开口30中暴露牺牲膜222的表面。在矩形第二支撑126的角附近设置4个开口30，但是开口的定位和数量不限于此。例如，开口可以位于除上和下电极14、18彼此相对的区域以外的任何位置。开口数可以是一个或多个。如果下和上电极14和18由耐(腐蚀)蚀刻剂的材料制成，所述蚀刻剂用于蚀刻除去牺牲膜222和第一和第二支撑124a-124d、126的至少部分，则开口通过下和上电极，还通过压电膜16，以及可以在下和上电极14和18彼此相对的区域设置保护膜12。
(H)如图13所示，通过利用缓冲氢氟酸(BHF)的湿蚀刻，穿过开口30选择性除去下电极14和压电膜16下方的牺牲膜222，从而形成腔20。侧壁膜22被Si的第二支撑126覆盖，从而不暴露于BHF或其他湿蚀刻溶液。从而未除去侧壁膜22，其随后当蚀刻除去第一和第二支撑124a-124d、126的至少部分时在衬底10的平面内方向用作蚀刻停止膜。下电极14和压电膜16通过保护膜12下方的第一和第二支撑124a-124d、126在衬底10的表面水平得到支撑。
(I)通过利用氟利昂(CF4)和氧(O2)的化学干蚀刻(CDE)，穿过开口30和腔20选择性除去部分高度的保护模12下方的第一和第二支撑124a-124d、126。如果第一和第二支撑124a-124d、126如图5B所示在深度的上部变细，则其被处理成容易从上部除去。当通过CDE除去第一和第二支撑124a-124d、126时，腔20的底表面被挖到相对于侧壁膜22为Db的深度。从而，如图14所示，在下电极14下方的腔20的底表面上形成这样的凸起24a-24d和围绕壁26，其顶部低于衬底10的上表面的水平面。注意，在利用CF4和O2的CDE中，不蚀刻PSG侧壁膜22和AlN保护膜12。这样制得如图1至3所示的FBAR。
在根据该实施例的制造FBAR的方法中，每对多个第一支撑124a-124e之间的间隔为小于等于10微米。从而即使通过CMP平面化牺牲膜222，也可以防止牺牲膜222的表面中发生的凹陷。从而，可以减少谐振器部分40中的应变。
即使在除去牺牲膜222之后，通过第一支撑124a-124e支撑下电极14和压电膜16。从而下电极14和压电膜16不向腔20的底部弯曲。
另外，当通过CDE除去保护膜12下方的第一和第二支撑124a-124e、126时，在腔20的底表面上形成多个凸起24a-24e。多个凸起24a-24e的上表面的面积小于谐振器部分40的总面积。从而，如果谐振器部分40在水洗或其他制造工艺期间弯曲并与多个凸起24a-24e的上表面接触，谐振器部分40不粘合到多个凸起24a-24e的上表面。
从而，该实施例可以防止谐振器部分40受到应变并粘合到衬底10。结果，可以制造不降低谐振特性的FBAR。
该实施例基于多个具有矩形平面形状的凸起24a-24e。然而，多个凸起的平面形状不限于此。例如，如图15所示，可以使用多个方形凸起24A，每个的每边测量为大约1微米至大约10微米。可选的是，如图16所示，可以使用多个圆形凸起24B，其每个的直径为大约1微米至大约10微米。注意，在图15和16中，为了简化，省略了保护膜和谐振器部分。这里，在CMP期间可以防止凹陷的条件下，适当设置用于掩埋牺牲膜222的相邻凸起24A或24B之间的间隔。例如，在凸起24a-24e的情况下，将间隔设置为小于等于大约10微米。
第一变化如图17和18所示，根据本发明实施例的第一变化的FBAR还包括多个也用作第一添加膜54a、54b、54c、54d、...的多个凸起和在面对腔20的保护膜12的下表面上的围绕膜56。多个第一添加膜54a-54d、...与多个凸起24a-24e、...相对，所述多个凸起24a-24e、...设置在限定腔20的底表面的衬底10上。围绕膜56与围绕壁26相对，并接触侧壁膜22。第一添加膜54a、54b、54c、54d、...和围绕膜56可以用与衬底10相同的材料形成。
在多个第一添加膜54a-54d、...中，第一添加膜54b、54c、...位于谐振器部分40的下电极14的下方。FBAR的谐振频率近似反比于下电极14和在压电膜16上设置的上电极18等的质量的方根。从而，可以通过谐振器部分40中的第一添加膜54b、54c、...、的质量添加效果改变谐振器部分40的谐振频率。
该实施例的第一变化不同于所述实施例之处在于，在面对腔20的保护膜12的下表面上设置多个第一添加膜54a-54d和围绕膜56。其他结构与所述实施例相同，并省略重复描述。
在实施例的第一变化中，如图13所示，在下电极14和压电膜16的下方形成腔20。通过利用CF4和O2的CDE穿过腔20选择性除去保护膜12下方的第一和第二支撑124a-124d、126。如图5C所示，第一和第二支撑124a-124d、126可以在沿深度的中心部分变细。从而，通过控制CDE蚀刻条件，如图18所示，可以除去沿第一和第二支撑124a-124d、126的深度的中心部分，以形成在面对腔20的保护膜12的下表面上的多个第一添加膜54a-54d和围绕膜56。可以控制对多个第一添加膜54a-54d的蚀刻量，以调节谐振器部分40的谐振频率。
在实施例的第一变化中，在保护膜12的下表面上形成用作多个第一添加膜54a-54d的凸起，在腔20的底表面上形成多个凸起24a-24e。从而，如果谐振器部分40在水洗或其他制造工艺中弯曲，并且多个第一添加膜54a-54d的下表面接触多个凸起24a-24e的上表面，多个第一添加膜54a-54d不会粘合到多个凸起24a-24e的上表面。这样，实施例的第一变化可以防止谐振器部分40粘到衬底10上。从而，可以防止FBAR的谐振特性的降低。另外，在实施例的第一变化中，用作多个第一添加膜54a-54d的凸起的下表面的面积小于谐振器部分40的总面积。从而，即使在腔20的底表面上没有形成多个凸起24a-24e，也可以防止谐振器部分40粘合到衬底10。
第二变化如图19和20所示，根据本发明实施例的第二变化的FBAR在面对腔20的保护膜12的下表面上还包括也用作第二添加膜58a、58b、58c、58d、...的多个凸起。多个第二添加膜58a-58d、...沿着谐振器部分40的周缘内位于谐振器部分40中的下电极14的下方。多个第二添加膜58a-58d、...与多个设置在腔20的底表面上的凸起24a-24d相对。多个第二添如膜58a-58d、...和围绕膜56可以由与衬底10相同的材料形成。
在FBAR的谐振器部分40中承载高频信号的体声波是在相对的下和上电极14、18之间传播的纵波。除了纵波以外，在谐振器部分40中还有横波。横波平行于下和上电极14、18与压电膜16的介面传播。在谐振器部分40中传播的横波在谐振器部分40的端部反射。例如，沿谐振器部分40的一边传播的横波在谐振器部分40的端部反射，并沿同样的路径以相反方向传播。该波与在相对端反射的另一横波干涉，从而形成寄生模。
在实施例的第二变化中，沿谐振器部分40的周缘内定位的第二添加膜58a-58d、...用于削弱在谐振器部分40的端部的横波。从而，可以防止形成寄生模。优选，第二添加膜58a-58d、...的至少一边大于例如在大约5微米至大约30微米范围中的第一添加膜54a-54d、...。然后，即使蚀刻除去第一添加膜54a-54d、...以调节谐振频率，仍可以留下第二添加膜58a-58d、...。
实施例的第二变化与实施例的不同之处在于，沿谐振器部分40的周缘内在面对腔20的保护膜12的下表面上提供多个第二添加膜58a-58d、...。其他结构与实施例相同，并省略重复的描述。
在实施例的第二变化中，在保护膜12的下表面上形成用作多个第一添加膜54a-54d和第二添加膜58a-58d的凸起，以及在腔20的底表面上形成多个凸起24a-24e、28a-28d。从而，如果谐振器部分40在水洗或其他制造工艺期间弯曲，并且多个第一添加膜54a-54d和多个第二添加膜58a-58d的下表面与多个凸起24a-24e、28a-28d的上表面接触，多个第一添加膜54a-54d和多个第二添加膜58a-58d不会粘合到多个凸起24a-24e、28a-28d的上表面。这样，实施例的第二变化可以防止谐振器部分40粘合到衬底10。从而，可以防止FBAR的谐振特征变差。另外，在该变化中，同样，用作多个第一添加膜54a-54d和第二添加膜58a-58d的凸起的下表面的面积小于谐振器部分40的总面积。从而，即使在腔20的底表面上没有形成多个凸起24a-24e、28a-28d，仍可以防止谐振器部分40粘合到衬底10。
其他实施例上文已经描述了本发明的实施例。然而，构成该公开的部分的说明书和附图不能理解为限制本发明的范围。通过该公开，本领域技术人员容易想到各种可选实施例、实例和实际应用。
在本发明的实施例和第一和第二变化中，在腔20的侧表面上提供侧壁膜22。侧壁膜22在用于除去第一和第二支撑124a-124e、126的CDE中用作蚀刻停止膜。然而，如果在除去第一和第二支撑124a-124e、126时，腔20没有延伸超过在衬底10的表面上提供的下电极14和压电膜16的周缘时，则可以省略侧壁膜。
在实施例中，在限定腔20的底表面的衬底10上提供多个凸起24a-24e。然而，具有多个凸起的表面不限于腔20的底表面。多个凸起的作用可以由如下至少之一来实现多个第一添加膜54a-54d、...或多个第二添加膜58a-58d、...，其被设置在谐振器40侧的形成于腔20中的保护膜12的下表面上。
例如，使用绝缘体上硅(SOI)衬底来在掩埋氧化物膜(BOX)上的半导体层中形成第一和第二支撑。然后掩埋相对于BOX具有特定蚀刻选择比的材料作为牺牲膜。通过调节RIE或其他蚀刻工艺的条件，可以将第一和第二支撑处理为，使得在BOX侧的宽度比在半导体层的表面侧的宽度小。选择性蚀刻除去牺牲膜以形成腔。然后，通过CDE穿过腔选择性除去保护膜下方的第一和第二支撑的部分。从而，在限定腔的底表面的BOX上没有剩余凸起，并且在限定腔的上表面的保护膜的下表面上形成多个凸起。在保护膜的下表面上提供的多个凸起用于防止谐振器部分粘合到腔的底表面。
从而，可以理解，本发明包括这里没有描述的多个实施例。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定，其根据上述描述解释。
权利要求
1.一种膜体声谐振器，包括衬底，其在其表面中具有腔；下电极，其从所述衬底的上表面在所述腔的上方延伸；压电膜，其被设置在所述下电极上；上电极，其与所述下电极相对，并被设置在所述压电膜上；以及多个凸起，其被设置在所述下电极下方的腔中。
2.根据权利要求1的膜体声谐振器，还包括围绕所述多个凸起的侧壁膜，所述侧壁膜由不同于所述衬底的材料的材料制成。
3.根据权利要求2的膜体声谐振器，还包括设置在限定所述腔的底表面的衬底侧上的围绕壁，所述围绕壁接触所述侧壁膜。
4.根据权利要求3的膜体声谐振器，还包括与所述围绕壁相对的围绕膜，所述围绕膜接触所述侧壁膜。
5.根据权利要求4的膜体声谐振器，其中所述围绕膜由与所述衬底相同的材料制成。
6.根据权利要求1的膜体声谐振器，其中所述多个凸起被设置在靠限定所述腔的底表面的衬底的一侧的腔中。
7.根据权利要求1的膜体声谐振器，其中所述多个凸起被设置在靠谐振器部分的一侧的腔中，所述谐振器部分由在所述腔上方形成的其中所述下电极与所述上电极相对的区域限定。
8.根据权利要求7的膜体声谐振器，其中所述多个凸起由与所述衬底相同的材料制成。
9.根据权利要求7的膜体声谐振器，其中所述多个凸起被至少沿着所述谐振器部分的周缘内侧设置在靠所述谐振器部分的一侧的腔中。
10.根据权利要求1的膜体声谐振器，其中所述凸起的顶表面的总面积小于谐振器部分的面积，所述谐振器部分由在所述腔上方形成的其中所述下电极与所述上电极相对的区域限定。
11.根据权利要求7的膜体声谐振器，其中所述凸起的下表面的总面积小于所述谐振器部分的面积。
12.根据权利要求1的膜体声谐振器，还包括在所述腔和所述下电极之间设置的保护膜，其中所述下电极的端部相对于所述保护膜的表面以小于直角的角倾斜。
13.根据权利要求1的膜体声谐振器，其中一些所述多个凸起被设置在靠限定所述腔的底表面的衬底的一侧的腔中，另一些所述多个凸起被设置在靠谐振器部分的一侧的腔中，所述谐振器部分由在所述腔上方形成的其中所述下电极与所述上电极相对的区域限定，所述一些多个凸起和所述另一些多个凸起彼此相对。
14.一种制造膜体声谐振器的方法，包括除去衬底的部分，以形成多个隔离的第一支撑和盒形结构的围绕所述多个第一支撑的第二支撑；形成牺牲膜和侧壁膜，以分别掩埋在每对所述多个第一支撑之间、和在所述多个第一支撑和第二支撑之间设置的第一间隙、以及围绕第二支撑的在第二支撑和所述衬底之间提供的第二间隙；形成下电极，其从所述衬底上方在所述牺牲膜和所述第一支撑上方延伸；在所述下电极的表面上形成压电膜；形成上电极，其与所述下电极相对并位于所述压电膜上；除去所述牺牲膜，以在所述谐振器部分下方形成腔，所述谐振器部分由其中所述下电极与所述上电极相对的区域限定；以及在高度方向除去所述腔中的多个第一支撑的每个的至少部分。
15.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，其中将所述第一支撑形成为，使得沿高度方向的上部变细。
16.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，其中将所述第一支撑形成为，使得沿高度方向的中间部分变细。
17.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，其中除去所述第一支撑的上部。
18.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，其中除去所述第一部分的中间部分。
19.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，还包括在形成所述下电极之前形成保护膜，其从所述衬底上方在所述牺牲膜和所述第一支撑上方延伸。
20.根据权利要求14的制造膜体声谐振器的方法，其中所述下电极的端部相对于所述保护膜的表面以小于直角的角度倾斜。
全文摘要
一种膜体声谐振器，包括衬底；下电极；在下电极上设置的压电膜；与所述下电极相对并设置在压电膜上的上电极；以及多个凸起。所述衬底在其表面中具有腔。所述下电极从所述衬底的上表面在腔的上方延伸。所述凸起被设置在下电极下方的腔中。
文档编号H03H9/02GK101026368SQ20071000703
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月7日 优先权日2006年2月17日
发明者柴田浩延, 坂井雅规 申请人:株式会社东芝