一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法，该声波谐振器包括硅衬底、牺牲层和压电薄膜换能器堆叠结构，压电薄膜换能器堆叠结构从下往上依次包括支撑层、底电极、压电层、顶电极；压电薄膜换能器堆叠结构被释放窗口阵列贯穿，释放窗口阵列形成了释放通道；牺牲层中间设置有中空部分，该中空部分与下面的硅衬底和上面的支撑层形成空气腔；空气腔通过释放位于硅衬底正面的牺牲层形成，其释放通道由贯穿压电薄膜换能器堆叠结构的释放窗口阵列组成；根据该FBAR气隙的功能和结构特征，本发明制作方法有利于改进其可制造性，并且能够快速、干净的形成空腔，减小芯片尺寸。
【专利说明】一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子器件领域，具体指一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法，其制作方法有利于改进薄膜体声波谐振器的可制造性，能够快速、干净的形成空腔，减小芯片尺寸。
【背景技术】
[0002]近年来随着无线通信系统(如掌上电脑、手机、GPS接收机、雷达、卫星通信以及各种数据通信)需求的快速增长，促进了高频器件的相关发展，催生了更高频率，带宽更大、速度更快的信号传输应用。无线终端设备的多功能化对频率器件的要求也越来越高，逐步趋向于微型化、低功耗、低成本、集成化及高性能等。
[0003]传统的射频频率器件主要采用微波陶瓷技术和声表面波(SAW)技术。其中采用微波陶瓷技术的器件主要的不足之处:(I)工作速度慢，(2)体积偏大，(3)无法与RFIC电路集成；声表面波(SAW)滤波器主要不足之处:(1)叉指电极工艺的复杂性限制了 SAW滤波器在高频领域中的应用，(2)插入损耗大，(3)功率容量小，(4)与标准CMOS工艺难以集成。薄膜声体波谐振器(FBAR)克服了传统射频器件的缺点，具有:(1)工作频率高(最高可达20GHz)，(2)体积小，(3)损耗低、Q值高，(4)与CMOS工艺兼容，可与外围电路构成单芯片系统。
[0004]薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种利用声学谐振实现电学选频的器件。FBAR的基本结构为顶电极-压电薄膜-底电极的三明治结构，其工作原理为:当施加电信号到电极上时，压电薄膜的逆压电效应将电信号转化为声波信号，当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，再通过压电薄膜的压电效应将谐振频率处的声信号转化为电信号输出；由于谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的电信号。
[0005]薄膜体声波谐振器的研制主要集中在美国、韩国等发达国家，美国安华高(Avago)是世界上最早进行FBAR研制的公司，其FBAR滤波器出货量早在2006年就达到2亿只，其专利和相关产品中采用的就是空腔型FBAR。FBAR空腔结
构的加工十分重要，空腔提供的空气层声阻抗为零，声波经过空气层全反射，在FBAR中振荡产生谐振，从而实现FBAR的滤波功能。其专利(EP1012888B1)中提到的形成空腔的方法:(I)采用表面微加工工艺在衬底上生长一层集中在衬底中间的牺牲层；(2)在衬底上依次生长支撑层、底电极、压电层、顶电极；(3)释放牺牲层，形成空腔。此方法中由于牺牲层位于衬底上，加工形成的换能器堆叠结构呈台阶形，对支撑层强度要求很高，且压电层及电极在台阶边缘处易发生畸变，造成应力集中现象并导致断裂。韩国三星电子(SAMSUNGELECTRONICS)在专利(EP1471636B1)中提到的空腔型FBAR的工艺中，采用牺牲层填充浅槽的方法实现牺牲层的预留，但在预留工艺中需要对超出浅槽部分的牺牲层进行抛光处理，通常采用的化学机械研磨(CMP)抛光工艺复杂、精度难以控制；其专利(EP1180494A2)提到的牺牲层释放窗口位于FBAR外，释放形成的空腔结构比FBAR尺寸大的多，增加了FBAR的尺寸；其专利(EP1598933B1)提到通过在硅衬底背面刻蚀腐蚀通道实现牺牲层的释放，形成空腔结构；但衬底厚度较大，刻蚀衬底形成腐蚀通道时间长，且刻蚀终止时间难以控制。近年来，中国在空腔型FBAR的研制上有了很大的进步。天津理工大学的专利(CN102931941A)中提到的空腔型FBAR制作方法为:首先通过电化学法在硅衬底上掩膜的空气隙位置处腐蚀制备多孔硅，然后依次完成支撑层、底电极、压电层、顶电极的加工，最后采用IC工艺中的湿法刻蚀工艺，腐蚀掉多孔硅，释放出空气隙结构。此种方法需要先制备多孔硅，并且要刻蚀大量的硅衬底材料，其工艺复杂，耗时长。另外，中国电子科技集团公司第二十六研究所的专利(CN101977026A)中提到的FBAR制作方法为:将带空腔的SOI基片与顶层硅键合形成空腔，并在顶层硅上加工压电薄膜换能器结构。此种方法虽然克服了牺牲层释放的问题，但其增加了额外的键合工艺；换能器需要加工于通过键合工艺形成的空腔正上方，对准出现的误差会影响薄膜体声波谐振器的谐振特性。
【发明内容】
[0006]本发明为解决上述技术问题，提出了一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法，能改进空腔型薄膜体声波谐振器的可制造性，快速、干净的形成空腔，减小芯片尺寸。
[0007]本发明的技术方案是:
一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:包括硅衬底、牺牲层和压电薄膜换能器堆叠结构，压电薄膜换能器堆叠结构从下往上依次包括支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述压电薄膜换能器堆叠结构被释放窗口阵列贯穿，释放窗口阵列形成了释放通道；所述牺牲层中间设置有中空部分，该中空部分与下面的硅衬底和上面的支撑层形成空气腔。
[0008]所述空气腔是通过牺牲层的释放通道导入腐蚀液对牺牲层刻蚀形成的。
[0009]所述压电层的释放窗口小于底电极的释放窗口，用于防止工艺过程中顶电极和底电极短路。
[0010]所述牺牲层是通过热氧化硅衬底形成的位于硅衬底正面的二氧化硅，克服了传统牺牲层预留时复杂的化学机械研磨(CMP)工艺；牺牲层结构平整、无台阶，避免了采用表面微加工工艺加工集中在衬底中间的牺牲层，克服了由此加工产生的压电层及电极的台阶边缘处的应力集中现象。
[0011]所述释放通道贯穿压电薄膜换能器堆叠结构，且位于薄膜体声波谐振器的正面，没有占用额外面积，可以减小芯片尺寸。
[0012]所述释放窗口阵列位于薄膜体声波谐振器的正面，通过腐蚀释放的牺牲层面积彼此相邻，使得牺牲层释放能够快速、干净的完成，并形成完整的空腔；贯穿薄膜体声波谐振器的牺牲层释放窗口阵列可释放压电薄膜换能器堆叠结构中薄膜间的应力，改善其长期稳定性。
[0013]制作所述的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的方法，其工艺步骤如下:
A.热氧化硅衬底形成牺牲层；
B.在牺牲层上生长带释放窗口阵列的支撑层；
C.在支撑层上生长带释放窗口阵列的底电极，支撑层的释放窗口阵列与步骤B中牺牲层的释放窗口阵列对应贯穿；
D.在底电极上生长带释放窗口阵列的压电层，底电极的释放窗口阵列与步骤C中支撑层的释放窗口阵列对应贯穿；
E.在压电层上生长带释放窗口阵列的顶电极，压电层的释放窗口阵列与步骤D中底电极的释放窗口阵列对应贯穿；
F.通过贯穿换能器堆叠结构的释放窗口阵列形成的腐蚀通道释放牺牲层，形成完整的空气腔。
[0014]所述制作方法中采用剥离法在图形化电极的同时形成释放窗口阵列。
[0015]综上所述，本发明与现有技术相比，是空腔型薄膜体声波谐振器制作方法的创新，突破了传统思维束缚，其加工工艺简单、可行。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的俯视示意图。
[0017]图2为本发明图1中按照A-A’切割得到的截面示意图。
[0018]图3-8为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的工艺流程图。
[0019]图9-12为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的底电极剥离工艺流程图。
[0020]图13-16为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的避免电极短路的工艺流程图。
[0021]图17-20为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器牺牲层释放窗口形状设计。
[0022]其中，附图标记为:1硅衬底、2牺牲层、3支撑层、4底电极、5压电层、6顶电极、7牺牲层释放通道、8空气腔。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步详细说明。
[0024]图1为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的俯视示意图，图2是镂空空腔型薄膜体声波谐振器按照图1中A-A’切割得到的截面图。本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器，包括硅衬底1、牺牲层2、支撑层3、底电极4、压电层5、顶电极6、牺牲层释放通道7、空气腔8。所述的空气腔8是通过牺牲层释放通道7导入腐蚀液对牺牲层2刻蚀形成的，其中牺牲层释放通道7由换能器堆叠结构的释放窗口阵列组成。所述的压电层5的释放窗口小于底电极4的释放窗口，用于防止工艺过程中顶电极6和底电极4短路。图1-2中镂空空腔型薄膜体声波谐振器为正五边形，当其(通常采用纵波模式)横向振动时，横波在互不平行的正五边形边界来回反射，降低了反射波与入射波的叠加产生谐振的几率，减小了其纵波模式阻抗特性中寄生的横波谐振的阻抗特性。
[0025]图3-8为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的工艺流程图，按照31六个主要工艺步骤顺序依次实施。在图3中，在衬底硅I上通过热氧化在其表面上形成一层牺牲层2 ;在图4中，在牺牲层2上生长带释放窗口阵列的支撑层3 (选用导热系数大的材料，以改善其功率容量)；在图5中，在支撑层3上生长带释放窗口阵列的底电极4 ;在图6中，在底电极4上生长带释放窗口阵列的压电层5 ;在图7中，在压电层5上生长带释放窗口阵列的顶电极6 ;在图8中，通过释放通道7导入腐蚀液对牺牲层3进行刻蚀，形成空腔结构8。
[0026]图9-12为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的底电极剥离工艺流程图，包括四个主要步骤，工艺步骤顺序按照图9-12的顺序依次实施。在图9中，在牺牲层2上生长带释放窗口阵列的支撑层3 ;在图10中，在支撑层3上覆盖一层光刻胶，经过紫外线曝光和丙酮清洗处理，形成底电极4的掩膜层；在图11中，在光刻胶上生长一层底电极4 ;在图12中，采用剥离的方法，在图形化底电极4的同时形成底电极释放窗口。
[0027]图13-16为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的避免电极短路的工艺流程图，包括四个主要步骤，工艺步骤顺序按照图13-16的顺序依次实施。在图13中，在带释放窗口阵列的底电极4上生长带释放窗口阵列的压电层5，其中压电层5的牺牲层释放窗口与底电极4的释放窗口对应贯穿，且前者尺寸小于后者尺寸；在图14中，在压电层5上直接溅射生长顶电极6，由于压电层5的释放窗口小于底电极4的释放窗口，避免了溅射生长的顶电极6与底电极4短接；在图15中，在底电极6上覆盖一层光刻胶，经过紫外线曝光和丙酮清洗处理，形成顶电极6的掩膜层；在图16中，采用腐蚀液对顶电极6进行刻蚀，在图形化顶电极6的同时形成了顶电极6的牺牲层释放窗口。
[0028]图17-20为本发明的镂空空腔型薄膜体声波谐振器牺牲层释放窗口形状设计，包括四个形状的牺牲层释放窗口形状设计，分别为正方形、圆形、三角形、正五边形。图中阴影为通过不同形状牺牲层释放窗口阵列释放的牺牲层，其中通过正方形释放窗口阵列释放的牺牲层彼此连通，充分、高效的利用牺牲层腐蚀的终止长度，能够快速、干净的释放牺牲层，形成完整空腔结构。
【权利要求】
1.一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:包括硅衬底、牺牲层和压电薄膜换能器堆叠结构，压电薄膜换能器堆叠结构从下往上依次包括支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述压电薄膜换能器堆叠结构被释放窗口阵列贯穿，释放窗口阵列形成了释放通道；所述牺牲层中间设置有中空部分，该中空部分与下面的硅衬底和上面的支撑层形成空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:所述空气腔是通过牺牲层的释放通道导入腐蚀液对牺牲层刻蚀形成的。
3.根据权利要求1所述的一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:所述压电层的释放窗口小于底电极的释放窗口，用于防止在工艺过程中顶电极和底电极短路。
4.根据权利要求1所述的一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:所述释放通道贯穿压电薄膜换能器堆叠结构，且位于薄膜体声波谐振器的正面。
5.根据权利要求1所述的一种镂空空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于:所述整个薄膜体声波谐振器设计为正五边形。
6.根据权利要求1所述的贯穿堆叠结构的牺牲层释放窗口阵列中的释放窗口形状，其特征在于:所述释放窗口形状为正方形。
7.制作权利要求1-6任意一项所述的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的方法，其工艺步骤如下: A.热氧化硅衬底形成牺牲层； B.在牺牲层上生长带释放窗口阵列的支撑层； C.在支撑层上生长带释放窗口阵列的底电极，支撑层的释放窗口阵列与步骤B中牺牲层的释放窗口阵列对应贯穿； D.在底电极上生长带释放窗口阵列的压电层，底电极的释放窗口阵列与步骤C中支撑层的释放窗口阵列对应贯穿； E.在压电层上生长带释放窗口阵列的顶电极，压电层的释放窗口阵列与步骤D中底电极的释放窗口阵列对应贯穿； F.通过贯穿换能器堆叠结构的释放窗口阵列形成的腐蚀通道释放牺牲层，形成完整的空气腔。
8.根据权利要求7所述的镂空空腔型薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于:采用剥离法在图形化电极的同时形成释放窗口阵列。
【文档编号】H03H9/17GK104202010SQ201410430280
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】高杨, 何移, 周斌, 何婉婧, 李君儒, 蔡洵, 黄振华 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所