专利名称：一种压电薄膜体声波谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频及声学微机电系统领域，具体涉及一种压电薄膜体声波谐振器。
背景技术：
消费类电子产品和个人通讯系统市场的快速扩张，引起了对无线通信系统(如掌 上电脑、手机、导航系统、卫星通信以及各种数据通信)的极大需求。特别是近两年以来，随 着第三代和第四代通讯标准的发布，个人无线通讯系统的发展趋向于将越来越多的功能模 块集成到无线终端中。现在的手机不仅需要有基本的通话和短信功能，还需要有GPS导航、 网页浏览、视频音频播放、照相和实况电视接收等功能。此外，由于历史和地区等原因造成 各种无线通信标准的存在，使得采用新标准的手机中需要集成多种模式、多个频段以方便 实现跨地区和国家之间的漫游。以上种种，使得无线通信的发展向着增加功能模块、缩小系 统尺寸、降低成本和功耗的方向发展。因此，制备高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射频系 统就成为研究的一个热点。在射频系统中，时钟频率参考源以及射频前端滤波器具有重要作用。例如全球 定位系统(GPS)的内部时钟和手机中的射频前端滤波器。在过去的几年中，随着射频集 成电路(RFIC)技术的迅速发展，一些以前用于通讯系统中的分立元器件，如低噪声放大 器(LNA)和中频滤波器(IF)等，已经可以采用射频集成电路的方式实现；但是另一些元器 件，如低相噪的射频振荡器(RF Oscillator)和射频前端滤波器(RF Filter)等，却仍然 难以采用射频集成电路的方式实现。另一方面，随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技 术制备的射频元器件，如射频开关(RF Switch)、射频电感(RF Inductor)和射频谐振器 (RF Resonator)等，由于其具有的优良性能而获得广泛的研究和应用。薄膜体声波谐振器 (Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)是最近几年来研究很热的一种采用MEMS技术实 现的射频谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片上，在空间关系上从上到下由上层金属电极 层-压电薄膜层-下层金属电极层构成的一种器件。在某些特定的频率下，FBAR器件表现 出如石英晶体谐振器一样的谐振特性，因此，可被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯 系统中。相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的LC振荡器、陶瓷介质谐振器及 声表面波(SAW)器件而言，FBAR器件除了具有小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率 (0. 5GHz 10GHz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与CMOS工艺兼容，因此可与 外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。FBAR器件的结构主要有薄膜型、空气隙型和固态装配型(SMR)三种，其中薄膜型 和空气隙型器件主要由顶电极、压电膜、底电极和支持层构成声学回路，通过湿法或干法刻 蚀释放衬底或牺牲层产生空气界面；而固态装配型器件则无需进行释放，它主要由顶电极、 压电膜、底电极、四分之一波长反射栅和衬底构成声学回路，通过四分之一波长反射栅将能 量限制在压电薄膜中。相对于空气隙型和固态装配型器件而言，薄膜型FBAR器件的Q值较 高，制备工艺相对简单，但存在的问题是经过硅体深刻蚀后的FBAR器件需要具有平整的薄 膜表面。通常的工艺是采用单层氮化硅或二氧化硅薄膜作为FBAR器件的支持层，但是由于单层氮化硅或二氧化硅薄膜存在残余应力，往往导致经过硅体深刻蚀之后的FBAR器件 表面出现褶皱和薄膜破裂现象，导致器件Q值急剧下降，成品率很低；另外，可以采用低压 化学气相沉积(LPCVD)的富硅氮化硅来获得低应力的薄膜，但是对设备和工艺条件要求较 高。因此，寻找合适材料和结构作为FBAR器件的支持层，使得经过硅体深刻蚀之后的FBAR 器件具有平整的薄膜表面，是研制薄膜型FBAR器件的关键。
发明内容
本发明的目的在于，解决经过硅体深刻蚀之后的FBAR器件表面出现褶皱和薄膜 破裂现象，并提高成本率，降低生产成本。为实现上述发明目的，本发明提供了一种压电薄膜体声波谐振器，所述的压电薄 膜体声波谐振器由上至下包括上层金属电极、压电薄膜、下层金属电极、支持薄膜和衬底， 工作区由上层金属电极、压电薄膜和下层金属电极构成，所述的压电薄膜体声波谐振器通 过对衬底进行硅体深刻蚀，使得支持薄膜的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工 作区中；其特征在于，所述的支持薄膜采用多层结构，包括厚度为0. 2 μ m 0. 6 μ m的氮化硅层和厚度 为0. 2 μ m 0. 8 μ m的二氧化硅层，其中，最下层为氮化硅层。所述的支持薄膜采用由上至下三层结构，依次是氮化硅层、二氧化硅层和氮化硅 层；所述的支持薄膜采用由上至下两层结构，依次是二氧化硅层和氮化硅层。所述的衬底为硅衬底或砷化镓；所述的上金属电极采用铝金属电极、钼金属电极， 以铬作过渡层的金金属电极，以钛作过渡层的钼金金属电极，或是以铬作过渡层的钼金金 属电极；所述的下金属电极采用铝金属电极、钼金属电极，以铬作过渡层的金金属电极，以 钛作过渡层的钼金金属电极，或以铬作过渡层的钼金金属电极；上金属电极和下金属电极 采用上述各种电极中的同一种电极，或是上述各种电极中的不同电极。所述的上层金属电极/下层金属电极的厚度为0. 1 μ m 0. 6 μ m ；所述的压电薄 膜的厚度为0. 5μπ 3μπ 。本发明的优点在于，该谐振器的制备方法能够解决谐振器经过硅体深刻蚀之后薄 膜表面出现褶皱和破裂现象的问题，且避免了采用低压化学气相沉积(LPCVD)富硅氮化硅 对设备和工艺条件要求高的问题，能够极大地提高成本率，降低生产成本。另外，本发明提 出的压电薄膜体声波谐振器还具有的优点是其二次谐频具有较大Q值，能够应用于更高频 率的射频振荡器中。
图1是传统采用单层氮化硅作支持薄膜时出现的褶皱情况示意图。图2是本发明采用由上至下由氮化硅层、二氧化硅层、氮化硅层组成的复合膜作 支持薄膜时获得的平整薄膜结构示意图。图3是传统采用单层氮化硅作支持薄膜和本发明提出的采用复合膜作支持薄膜 的两种谐振器的输入阻抗曲线对比图。图4 图7是本发明提出的一种压电薄膜体声波谐振器制备方法中几个步骤完成 后所对应的器件结构示意图；其中，
图4是步骤4完成之后对应的器件剖面图，图5是步骤5完成之后对应的剖面图，图6是步骤6完成之后对应的器件剖面图，图7是步骤7完成之后对应的器件剖面图。附图标识1、氮化硅薄膜 2、二氧化硅薄膜3、衬底4、上层金属电极5、压电薄膜 6、下层金属电极
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。实施例1本发明所提出的一种压电薄膜体声波谐振器的结构，如图7所示，包括衬底3、由 上至下由氮化硅薄膜1、二氧化硅薄膜2、氮化硅薄膜1组成的复合支持薄膜、上层金属电极 4、压电薄膜5和下层金属电极6。其中，由上至下由氮化硅薄膜1、二氧化硅薄膜2、氮化硅 薄膜1组成的复合支持薄膜、上层金属电极4、压电薄膜5和下层金属电极6构成谐振器的 主声学回路。(1)采用高阻(100)晶向的双面抛光硅片作为衬底，采用标准清洗液对硅片进行清洗。(2)采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法在上述硅片的上下两面各淀积0. 5 μ m
厚的氮化硅薄膜。(3)采用等离子体化学气相沉积(PECVD)的方法在上述硅片的上面淀积0. 2 μ m厚
的二氧化硅薄膜。(4)采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法在上述硅片的上下两面再各淀积一层 0.5μπι厚的氮化硅薄膜。上述步骤完成后的器件侧面图，如图4所示。(5)对上述硅片的下面进行甩胶、光刻，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的方法 刻蚀1 μ m厚的氮化硅，形成硅体深刻蚀的掩膜。上述步骤完成后的器件侧面图，如图5所示。(6)在上述硅片的上面采用磁控溅射的方法淀积0. 2 μ m厚的钼电极，并甩胶、光 刻腐蚀后形成器件的下层金属电极；接着在上面采用磁控溅射的方法淀积Iym厚的氮化 铝压电薄膜，并甩胶、光刻腐蚀后形成器件的压电薄膜；再接着在上面采用磁控溅射的方法 淀积0. 2 μ m厚的钼电极，并光刻、腐蚀后形成器件的上层金属电极。上述步骤完成后的器件侧面图，如图6所示。(7)最后采用质量比为30%的KOH溶液，在80摄氏度的温度下，从硅片的下方对 硅片进行硅体深刻蚀，直至将上述复合支持薄膜下方的硅全部刻蚀完毕，并自停止于该薄 膜处。上述步骤完成后的器件的侧面图，如图7所示，也即为制备完成的压电薄膜体声 波谐振器。实施例2
本发明提出的压电薄膜体声波谐振器还具有较大Q值二次谐频的特点，其分析如 下采用两种谐振器进行对比分析，其中一种采用单层氮化硅薄膜作为支持薄膜，在表1、 表3和附图3中用三角形表示；一种是本发明所提出的采用由上至下由氮化硅层、二氧化硅 层、氮化硅层组成的复合膜作为支持薄膜，在表2、表3和附图3中用正方形表示。选择两种 器件的上层金属电极均为0. 2 μ m厚的金电极，下层金属电极均为0. 2 μ m厚的金电极，压电 薄膜均为2 μ m厚的氧化锌压电薄膜，第一种器件的单层支持薄膜为0. 5 μ m厚的氮化硅，第 二种器件的复合支持薄膜是由上至下由0. 5 μ m厚的氮化硅层、0. 2 μ m厚的二氧化硅层和 0. 5 μ m厚的氮化硅层组成。两种器件的输入阻抗曲线如附图3所示，相应模式分析如下面 表3所示。从表1和表2可以看到，本发明所提出的复合薄膜作为支持薄膜，能够极大地提 高器件二次谐频的Q值(从181提高到1033)，可以应用于需要更高频率的射频振荡器中。表1采用单层氮化硅薄膜作为支持薄膜的谐振器的谐振特性数据
权利要求
一种压电薄膜体声波谐振器，由上至下包括上层金属电极、压电薄膜、下层金属电极、支持薄膜和衬底，工作区由上层金属电极、压电薄膜和下层金属电极构成，所述的压电薄膜体声波谐振器通过对衬底进行硅体深刻蚀，使得支持薄膜的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中；其特征在于，所述的支持薄膜采用多层结构，包括厚度为0.2μm～0.6μm的氮化硅层和厚度为0.2μm～0.8μm的二氧化硅层，其中，最下层为氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的支持薄膜由上 至下为三层，依次是氮化硅层、二氧化硅层和氮化硅层。
3.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的支持薄膜由上 至下为两层，依次是二氧化硅层和氮化硅层。
4.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的衬底为硅衬底 或砷化镓衬底。
5.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的上金属电极采 用铝金属电极、钼金属电极，以铬作过渡层的金金属电极，以钛作过渡层的钼金金属电极， 或是以铬作过渡层的钼金金属电极。
6.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的下金属电极采 用铝金属电极、钼金属电极，以铬作过渡层的金金属电极，以钛作过渡层的钼金金属电极， 或是以铬作过渡层的钼金金属电极。
7.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的压电薄膜为氮 化铝压电薄膜或者氧化锌压电薄膜。
8.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的上层金属电极 和下层金属电极的厚度均为0. 1 μ m 0. 6 μ m。
9.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的压电薄膜的厚 度为0. 5 μ m 3 μ m。
全文摘要
本发明涉及一种压电薄膜体声波谐振器，由上至下包括上层金属电极、压电薄膜、下层金属电极、支持薄膜和衬底，工作区由上层金属电极、压电薄膜和下层金属电极构成，所述的压电薄膜体声波谐振器通过对衬底进行硅体深刻蚀，使得支持薄膜的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中；其特征在于，所述的支持薄膜采用多层结构，包括厚度为0.2μm～0.6μm的氮化硅层和厚度为0.2μm～0.8μm的二氧化硅层，其中，最下层为氮化硅层。本发明解决了谐振器经过硅体深刻蚀之后薄膜表面出现褶皱和破裂现象的问题，降低了对设备和工艺条件要求高的问题，能够极大地提高成本率，降低生产成本，并其二次谐频具有较大Q值，能够应用于更高频率的射频振荡器中。
文档编号H03H9/17GK101951238SQ20101024236
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者乔东海, 汤亮 申请人:中国科学院声学研究所