体声波谐振器和体声波滤波器的制作方法

1.本技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种具有至少一个释放孔的体声波谐振器和体声波滤波器。


背景技术：

2.体声谐振器是一种包括薄膜的装置，该薄膜由压电材料制成并设置在两个电极之间。体声谐振器设备通常基于半导体微加工技术制造。
3.由于体声谐振器设备的厚度较小，可以用于需要高频率、小尺寸和轻重量的应用中。体声谐振器设备的一种示例性应用是在移动通信设备中使用的体声谐振器滤波器。
4.体声波滤波器可以包括多种体声波谐振器，亟需制成具有更小尺寸的体声波滤波器。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个方面，提供了一种体声波谐振器。体声波谐振器包括基板、设置在基板上的支撑层、设置在支撑层上的压电层、位于压电层下方的底部电极以及位于压电层上方的顶部电极，其中：支撑层包括在与从基板到支撑层的第一方向相交的平面上具有三条边以上的多边形空腔；底部电极与空腔部分重叠，并延伸穿过空腔的第一侧；顶部电极与空腔部分重叠，并延伸穿过空腔的第二侧。体声波谐振器还包括至少一个释放孔，该释放孔形成在压电层中并且与空腔的一部分重叠。释放孔包括以下至少之一：第一释放孔，位于不同于空腔的第一侧和第二侧的一侧附近；第二释放孔，位于空腔两侧相交处的空腔顶点附近，且不与底部电极或顶部电极重叠；第三释放孔，位于空腔的第一侧附近，并与底部电极重叠；第四释放孔，位于空腔的第二侧附近，并与顶部电极重叠。
6.根据本公开的另一个方面，提供了一种体声波滤波器。体声波滤波器包括彼此相邻的第一体声波谐振器和第二体声波谐振器。第一体声波谐振器包括：基板；支撑层，设置在基板上，包括具有三条边以上的多边形空腔，空腔的一侧与第二体声波谐振器的空腔共用；压电层，设置在支撑层上；底部电极，设置在压电层下方，与空腔部分重叠，并延伸穿过空腔的第一侧；顶部电极，设置在压电层上方，与空腔部分重叠，并延伸穿过空腔的第二侧。第一体声波谐振器包括形成在压电层中并且与空腔的一部分重叠的至少一个释放孔。释放孔包括以下至少之一：第一释放孔，位于不同于空腔的第一侧和第二侧的一侧附近；第二释放孔，位于空腔两侧相交处的空腔顶点附近，且不与底部电极或顶部电极重叠；第三释放孔，位于空腔的第一侧附近，并与底部电极重叠；第四释放孔，位于空腔的第二侧附近，并与顶部电极重叠；第五释放孔，位于与第二体声波谐振器的空腔共用的空腔一侧的端部附近。
附图说明
7.包含在本技术中并构成本技术一部分的附图示出了所公开的实施例，并且与描述一起用于解释所公开的实施例。
8.图1是根据本公开实施例提供的用于体声波滤波器的体声波谐振器的俯视图；
9.图2a是用于图1的体声波滤波器的体声波谐振器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线a－a＇和b－b＇；
10.图2b是用于图2a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线 a－a＇或b－b＇的横截面图；
11.图3a是用于图1的体声波滤波器的体声波谐振器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线c－c＇；
12.图3b是用于图3a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线 c－c＇的横截面图；
13.图4a是用于图1的体声波谐振器的体声波滤波器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线d－d＇；
14.图4b是用于图4a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线 d－d＇的横截面图；
15.图5是根据本公开实施例的体声波滤波器的俯视图；
16.图6a是图5的体声波滤波器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线e－e＇和f－f＇；
17.图6b是图6a的体声波滤波器的沿截面线ee＇的横截面图；
18.图6c是图6a的体声波滤波器的沿ff＇横截面线的横截面图；
19.图7－10、11a、11b、12a、12b、13a、13b、14a、14b、15a、15b、 16a、16b、17a和17b示出了根据本公开实施例公开的图5的体声波滤波器在制造过程中形成的结构的剖面图。
具体实施方式
20.下面的文字结合附图中所示的具体实施例详细描述了本公开。但是，这些实施例不限制本公开。本发明的保护范围包括本领域普通技术人员基于这些实施例对结构、方法或功能所做的改变。
21.为了便于本公开中的附图的呈现，某些结构或部分的尺寸可能相对于其他结构或部分放大。因此，本公开中的附图仅用于说明本公开主题的基本结构的目的。除非另有说明，不同附图中的相同数字表示相同或相似的元件。
22.此外，本文中指示相对空间位置的术语，例如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上方”、“下方”等，出于解释目的来描述图中描绘的单元或特征与其中的另一个单元或特征之间的关系。表示相对空间位置的术语可以指在使用或操作设备时除了附图中所描绘的位置之外的位置。例如，如果将图中所示的设备翻转过来，则被描述为位于另一个单元或特征“下方”或“下方”的单元将位于另一个单元或特征“上方”。因此，说明性术语“下方”可以包括上方和下方的位置。设备可能以其他方式定向(例如，旋转90度或面向另一个方向)，出现在文本中并与空间相关的描述性术语应进行相应解释。当一个组件或层被称为“在”另一个组件或层“之上”或“连接到”另一个组件或层时，它可以直接在另一个组件或层之上或直接连接到另一个组件或层，或者可能有中间组件或层。
23.图1是用于根据本公开实施例的体声波滤波器10中的体声波谐振器20的俯视图。如图1所示，体声波滤波器10包括体声波谐振器20，体声波谐振器20包括由边界结构300围
绕的空腔1000。空腔1000具有多边形形状，在平行于体声波滤波器10的主表面的平面中具有三条以上的边(图1中的x－y平面)。例如，空腔1000可以是矩形、五边形、六边形等。如图1所公开的实施例所示，空腔1000是五边形。体声波谐振器20还包括部分重叠空腔1000并延伸跨过空腔1000的第一侧1001 的底部电极500，以及部分重叠空腔1000并延伸跨过空腔1000的第二侧1002的顶部电极700。部分底部电极500、顶部电极700和彼此重叠的压电层(图1中未示出)形成有源区。
24.体声波谐振器20还包括与空腔1000的一部分重叠的第一释放孔 810、第二释放孔820、第三释放孔830和第四释放孔840中的至少一个。第一释放孔810位于不同于空腔1000第一侧1001和第二侧1002的侧面 1003附近。第二释放孔820位于空腔1000的两侧相交处的顶点1010附近，并且不与底部电极500或顶部电极700重叠。第三释放孔830位于空腔1000的第一侧1001附近，并且与底部电极500重叠。第四释放孔 840位于空腔1000的第二侧1002附近，并且与顶部电极700重叠。
25.空腔1000可以通过蚀刻释放工艺形成。在执行蚀刻释放工艺之前，空腔1000填充有诸如sio2的材料。在蚀刻释放过程中，诸如氢氟酸的化学蚀刻溶液通过释放孔810、820、830和840中的至少一个蚀刻填充的sio2和蚀刻产品。
26.边界结构300包括至少一个突起310、320、330或340，其远离由底部电极500、压电层和顶部电极700的彼此重叠的部分形成的有源区突起。至少一个释放孔810、820、830或840位于至少一个突起310、320、 330或340旁边。如图1所示，第一释放孔810位于被突起310部分包围的区域中；第二释放孔820位于被突起320部分包围的区域中；第三释放孔830位于被突起330部分包围的区域中；第四释放孔840位于被突起340部分包围的区域中。
27.图2a是用于图1的体声波滤波器10的体声波谐振器20的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线a－a＇和b－b＇。图2b是用于图2a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线a－a＇或b－b＇的横截面图。
28.如图2a和2b所示，体声波滤波器10包括形成在基板100上的体声波谐振器20。基板100包括诸如si、玻璃、sic、蓝宝石(al2o3)或gan 的材料。支撑层400设置在基板100上，并且包括与从基板100朝向支撑层400的方向(图2b中的z轴方向)相交的平面(图2a中的x－y平面) 中具有多边形形状的空腔1000。支撑层400包括诸如sio2的材料。压电层600设置在支撑层400上，覆盖空腔1000。压电层600包括压电材料，例如aln或掺钪aln(scaln)。底部电极500设置在压电层600下方，与空腔1000部分重叠，并且延伸穿过空腔1000的第一侧1001。顶部电极 700设置在压电层600上方，与空腔1000部分重叠，并且延伸穿过空腔 1000的第二侧1002(如图2a所示，但未在图2b中示出)。底部电极500 和顶部电极70包括金属材料。第一释放孔810和第二释放孔820形成在压电层600中，与空腔1000部分重叠，并穿过压电层600。第一释放孔 810位于空腔的不同于空腔1000的第一侧1001的一侧附近，底部电极 500延伸穿过该空腔1000。第二释放孔820位于空腔1000两侧相交处的顶点附近。第一释放孔810和第二释放孔820都不与底部电极500或顶部电极700重叠。
29.体声波滤波器10还包括设置在基板100和支撑层400之间的接合层 200。接合层200包括沿方向z向压电层600突出的突出结构210。当从体声波滤波器10的顶部观察时，突出结构210为围绕空腔1000的环形。边界层360覆盖在接合层200上，覆盖接合层200的上表面以及围绕空腔1000的突出结构210的侧表面。因此，边界层360限定了空腔1000 的底部和
侧壁。接合层200包括接合材料，例如用于接合基板100和边界层360的sio2。
30.突出结构210和形成在突出结构210的侧面上的边界层360的部分构成了围绕空腔1000的边界结构300。边界结构300具有双壁结构，结合材料设置在两个侧壁之间，两个侧壁由形成在突出结构210的侧面上的边界层360的部分形成。具有双壁结构的边界结构300按照预定厚度形成。边界结构300的顶部与底部电极或压电层600连接。
31.图3a是用于图1的体声波滤波器的体声波谐振器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线c－c＇；图3b是用于图3a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线c－c＇的横截面图。
32.如图3a和3b所示，第三释放孔830位于空腔1000的第一侧1001 附近，底部电极500延伸穿过第一侧1001。第三释放孔830与底部电极 500重叠。底部电极500包括贯穿底部电极500的开口510。开口510与第三释放孔830连接并重叠。开口510的直径大于第三释放孔830的直径。
33.图4a是用于图1的体声波谐振器的体声波滤波器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线d－d＇；图4b是用于图4a的体声波滤波器的体声波谐振器的沿横截面线d－d＇的横截面图。
34.如图4a和4b所示，第四释放孔840位于空腔1000的第二侧1002 附近，顶部电极700延伸穿过该第二侧1002。第四释放孔840与顶部电极700重叠。顶部电极700包括贯穿顶部电极700的开口710。开口710 与第四释放孔840连接并重叠。开口710的直径大于第四释放孔840的直径。
35.图5是根据本公开实施例的体声波滤波器50的俯视图。如图5所示，体声波滤波器50包括彼此相邻的第一体声波谐振器20和第二体声波谐振器30。第一体声波谐振器20和/或第二体声波谐振器30中具有与图1 所示的体声波谐振器20相同或相似的结构。例如，第一体声波谐振器 20包括由边界结构300围绕的第一空腔1000、与第一空腔1000部分重叠并延伸穿过第一空腔1000的第一侧1001的第一底部电极500、以及与第一空腔1000部分重叠并延伸穿过第一空腔1000的第二侧1002的第一顶部电极700。例如，第二体声波谐振器30包括由边界结构300围绕并位于第一空腔1000旁边的第二空腔2000、与第二空腔2000部分重叠并延伸穿过第二空腔2000的第一侧2001的第二底部电极550，以及与第二空腔1000部分重叠并延伸穿过第二空腔2000的第二侧2002的第二顶部电极750，第二空腔2000的第二侧2002与第一空腔1000的第二侧 1002相邻。如图5的实施例所示，第一顶部电极700和第二顶部电极750 在第一空腔1000和第二空腔2000之外的区域中连接。
36.第一空腔1000和/或第二空腔2000在平行于体声波滤波器50的主表面(图5中的x－y平面)的平面中包括大于三条边的多边形形状。第一空腔1000的侧边1003与第二空腔2000共用。在下文中，侧边1003指第一空腔1000和第二空腔2000之间的共用侧边1003。第一体声波谐振器20包括第五释放孔850，该第五释放孔850位于靠近第一空腔1000 与第二空腔2000的共用边1003的端部。换言之，第五释放孔850位于第一空腔1000与第二空腔2000的相邻两侧之间的夹角55附近。
37.边界结构300包括边界部分300a，边界部分300a在第一空腔1000 和第二空腔2000之间延伸并将第一空腔1000和第二空腔2000分隔开。边界部分300a沿第一空腔1000和第二空腔2000之间的共用侧边1003 设置。边界结构300包括突起350，该突起350在x－y平面中
远离第一底部电极500和第二底部电极550以及第一顶部电极700和第二顶部电极750突出。释放孔850位于突起350旁边并且被突起350部分包围。
38.如图5的实施例所示，第一体声波谐振器20仅包括一个释放孔850。在替代实施例中，第一体声波谐振器20可以包括释放孔810、820、830、 840和850中的至少一个。同样，第二体声波谐振器30可以在与释放孔 810、820、830、840和850相似的位置处包括至少一个释放孔。
39.图6a是图5的体声波滤波器的俯视图，示出了体声波滤波器上的横截面线e－e＇和f－f＇；图6b是图6a的体声波滤波器的沿截面线ee＇的横截面图；图6c是图6a的体声波滤波器的沿ff＇横截面线的横截面图。
40.如图6a－6c所示，体声波滤波器50包括形成在基板100上的第一体声波谐振器20和第二体声波谐振器30。支撑层400设置在基板100 上，包括第一空腔1000和第二空腔2000，第一空腔1000和第二空腔2000 在与从基板100朝向支撑层400的方向(z轴方向)相交的平面(x－y平面) 中具有多边形形状。压电层600设置在支撑层400上，覆盖第一空腔1000 和第二空腔2000。第一底部电极500和第二底部电极550设置在压电层 600下方。第一底部电极500与第一空腔1000部分重叠，并延伸穿过第一侧空腔1000的第一侧1001。第二底部电极550与第二空腔2000部分重叠，并延伸穿过第二空腔2000的第一侧2001。第一顶部电极700和第二顶部电极750设置在压电层600上方。第一顶部电极700与第一空腔1000部分重叠，并且延伸穿过第一空腔1000的第二侧1002(如图6a 所示，在图6b和6c中未示出)。第二顶部电极750与第二空腔1000部分重叠，并且延伸穿过第二空腔2000的第二侧2002(如图6a中所示，在图6b和6c中未示出)。第五释放孔850在压电层600中形成，并穿透压电层600。
41.体声波滤波器50还包括设置在基板100和支撑层400之间的接合层 200。接合层200包括沿方向z向压电层600突出的突出结构210。当从体声波滤波器50的顶部观察时，突出结构210为围绕第一空腔1000和第二空腔2000的两个环。图6c是图6a的体声波滤波器的沿ff＇横截面线的横截面图，如图6c所示，突出结构210包括设置在第一空腔1000 和第二空腔2000之间的部分210a。
42.边界层360覆盖接合层200，覆盖接合层200的上表面和围绕空腔 1000的突出结构210的侧表面。因此，边界层360限定第一空腔1000 和第二空腔2000的底部和侧壁。
43.突出结构210和形成在突出结构210的侧面上的边界层360的部分构成了围绕空腔1000的边界结构300。边界结构300具有双壁结构，接合材料设置在两个侧壁之间，两个侧壁由形成在突出结构210的侧面上的边界层360的部分形成。具有双壁结构的边界结构300按照预定厚度形成。边界结构300的顶部与底部电极或压电层600连接。
44.边界结构300包括边界部分300a，边界部分300a在第一空腔1000 和第二空腔2000之间延伸并将第一空腔1000和第二空腔2000分隔开。边界部分300a沿第一空腔1000和第二空腔2000之间的共用侧边1003 设置。
45.图7－10、11a、11b、12a、12b、13a、13b、14a、14b、15a、16a、 16b、17a和17b示出了根据本公开实施例公开的图5的体声波滤波器在制造过程中形成的结构的剖面图。其中，图11a－17a是沿图6a所示体声波滤波器50上的截面线e－e＇的结构的截面图；图11b－17b是沿图 6a所示体声波滤波器50上的截面线f－f＇的结构的截面图。
46.如图7所示，获得临时基板3000，并在临时基板3000上形成氧化硅层3100。临时基
板3000包括硅(si)、碳化硅(sic)、氧化铝、石英或玻璃等。氧化硅层3100可以通过氧化硅基板获得，或者可以通过化学气相沉积(cvd)工艺沉积在基板100上。在本实施例中，基板3100包括硅(si)。
47.如图8所示，顶部电极层700a、压电层600和底部电极层500a依次设置在氧化硅层3100上。顶部电极层700a和底部电极层500a可以包括任何合适的导电材料，例如具有导电性的各种金属材料，或者几种导电金属材料的特性或堆叠，例如钼(mo)、铝(al)、铜(cu)、铂(pt)、钽(ta)、钨(w)、钯(pd)、钌(ru)。在本实施例中，顶部电极层700a和底部电极层 500a包括钼(mo)。压电层600可以包括具有压电特性的材料或其堆叠组合，例如氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、锆钛酸铅(pzt)、钛酸锶钡。当压电层600的材料为氮化铝(aln)时，氮化铝本身也可以掺杂一定比例的稀土元素，如钪、铒、镧等。在实施例中，压电层600的材料包括氮化铝(aln)或掺钪氮化铝(scaln)。
48.如图9所示，将底部电极层500a图案化以形成第一底部电极500和第二底部电极550。图案化可以通过蚀刻来实现，例如等离子体蚀刻工艺、湿法化学蚀刻工艺或两者的组合。作为图案化的结果，可以实现第一底部电极500和第二底部电极550的精确图案。
49.如图10所示，支撑层400设置在图9所示的结构上。支撑层400的材料可以是氧化硅。支撑层400的一部分将在随后的释放蚀刻工艺中被去除，从而形成第一空腔1000和第二空腔2000。
50.如图11a和11b所示，支撑层400通过蚀刻图案化以形成沟槽450，沟槽450暴露出底部电极500的一部分或压电层600的一部分。沟槽450 包括两个环形并且用于限定第一空腔1000和第二空腔2000的范围。如图11b所示，沟槽450的部分450a暴露第一底部电极500和第二底部电极550之间的压电层600的一部分。部分450a用于限定第一空腔1000 和第二空腔2000之间的间隔。
51.如图12a和12b所示，边界层360设置在支撑层400上，包括沟槽 450的侧壁和底部。边界层360的材料可以是硅(si)、氮化硅(sin)、氮化铝(aln)或其他非导电材料，或两种或多种这些材料的堆叠组合。边界层 360设置在沟槽450中，在支撑层400的后续释放蚀刻工艺期间限定停止边界，从而限定第一空腔1000和第二空腔2000。在本实施例中，由于第一底部电极500和第二底部电极550的图案化在形成第一空腔1000 和第二空腔2000之前进行，可以精确控制第一底部电极500和第二底部电极550的图案化，从而将由于第一底部电极500和第二底部电极550 图案化不准确而导致的寄生电容最小化。
52.如图13a和13b所示，接合层200设置在边界层360上，包括边界层360的设置在沟槽450的侧壁和底部上的部分。然后，在接合层200 上进行表面平坦化和抛光。接合层200的部分设置在沟槽450上以形成突出结构210，因此沟槽450具有用于限定第一空腔1000和第二空腔2000 的范围的两个环形。如图13b所示，突出结构210包括延伸于第一空腔 1000与第二空腔2000之间的部分210a。接合层200用以接合基板100。底部接合层200的材料可为氧化硅、氮化硅或其他材料，或两种或多种这些材料的堆叠组合。在本实施例中，氧化硅用于接合层200。表面平坦化和抛光可以通过化学机械抛光(cmp)工艺进行。
53.如图14a和14b所示，基板100接合到接合层200。基板100可以包括诸如硅(si)、碳硅(sic)、氧化铝、石英、玻璃(sio2)或蓝宝石的材料的盖晶片(al2o3)。在本实施例中，基板100包含硅(si)。
54.然后，图14a和14b所示的结构被翻转，并且如图15a和15b所示，去除临时基板3000和氧化硅层3100。可以通过研磨工艺、等离子干蚀刻工艺、湿化学蚀刻工艺或它们的组合来去除临时基板3000。在本实施例中，临时基板3000由硅材料制成，可以通过研磨和湿法化学蚀刻相结合，或者研磨和等离子干法蚀刻相结合的方式去除。氧化硅层3100可以通过等离子体干法蚀刻、湿法化学蚀刻或两者的组合来去除。
55.此外，通过蚀刻对顶部电极层700a进行图案化，以形成第一顶部电极700和第二顶部电极750。蚀刻工艺可以是等离子体蚀刻工艺、湿法化学蚀刻工艺或两者的组合。该步骤可以实现第一顶部电极700和第二顶部电极750的精确图案化。结合第一底部电极500和第二底部电极550 的精确图案化，可以将寄生电容最小化。
56.如图16a和16b所示，蚀刻设置在支撑层400上方的压电层600的一部分以形成释放孔850，用于去除支撑层400的一部分以形成第一空腔1000和第二空腔2000。
57.如图17a和17b所示，蚀刻支撑层400以形成第一空腔1000和第二空腔2000。在本实施例中，支撑层400由氧化硅制成，并且支撑层400 的蚀刻和释放工艺可以使用氢氟酸、溶液湿法蚀刻、缓冲氧化物蚀刻剂 (boe)溶液湿法蚀刻或氢氟酸蒸汽腐蚀，或这些工艺的组合。蚀刻工艺在边界层360处停止。在形成第一空腔1000和第二空腔2000之后，形成图5中所示的体声波滤波器50。
58.本公开的实施例中的体声波滤波器10和50包括以下优点：
59.第一，第一空腔1000和第二空腔2000被边界结构300包围。边界结构300为在第一空腔1000和第二空腔2000的侧面具有一定厚度的双壁结构，并且与压电层600或底部电极500或550连接。接合层200的接合材料(即sio2)填充在边界结构300的双壁之间。
60.第二，底部电极500和550部分地位于第一空腔1000或第二空腔 2000中。底部电极500或550不完全穿过第一空腔1000或第二空腔2000。底部电极500或550也不完全延伸出第一空腔1000或第二空腔2000。因此，可以避免由底部电极500或550、顶部电极700或750和压电层600 在空腔1000或2000外部的重叠部分形成的谐振器的寄生电容，从而改善谐振器和包括谐振器的滤波器的性能。
61.第三，彼此相邻的第一体声波谐振器20和第二体声波谐振器30的边共享相同的边界结构300。因此，不需要为第一空腔1000和第二空腔 2000分别形成完全独立的边界结构，从而节省谐振腔间距并减小芯片尺寸。
62.第四，第一体声波谐振器20和第二体声波谐振器30的释放孔可以布置在各种位置(例如，释放孔810至850的位置)。可以根据实际设计需要选择至少其中一个位置，以使谐振器之间的距离最小化，从而使芯片尺寸最小化。
63.第五，在两个相邻谐振器20和30的相邻边之间的角度处，边界结构300包括远离第一底部电极500和第二底部电极550突出的突起350。释放导电通道存在于突起350和延伸在第一空腔1000和第二空腔2000 之间边界部分300a之间。释放孔850在释放导电通道中。也就是说，两个相邻的谐振器20和30共用一个释放孔，从而使谐振器间距最小化。
64.本领域技术人员通过考虑说明书和实践在此公开的本发明，将清楚本发明的其他实施例。说明书和实施例仅视为示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求指示。