一种体声波谐振器及其制备方法

1.本发明属于半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种体声波谐振器及其制备方法
。


背景技术：

2.目前，射频滤波器向着更高工作频率发展，体声波滤波器
(baw)
具有高工作频率
、
低插入损耗
、
高频率选择特性
、
高功率容量和强抗静电能力等优点，是未来射频前端的最佳解决方案
。
3.aln
材料具有高声速
、
低损耗
、
低温度系数等优势，目前被广泛用于
4g
滤波器中，然而多晶
aln
的压电系数和机电耦合系数较小，限制了其在
5g
高频宽带滤波器上的应用
。
4.同时，随着工作频率的进一步提高，滤波器中的压电薄膜厚度越来越薄，空气隙薄膜体声波滤波器
(fbar)
结构中的谐振区域位于空腔上方，极有可能出现薄膜破裂等问题；并且由于空气是热的不良导体，
fbar
器件工作温度高，导致滤波器性能具有较大的频率漂移
。
因此亟待一种可以提高机械强度
、
降低温度漂移的体声波滤波器
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚
、
完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知
。


技术实现要素：

6.鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种，用于解决现有技术中体声波谐振器性能参数受限
、
机械强度差的问题
。
7.为实现上述目的，本发明提供一种体声波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：提供一临时衬底，于所述临时衬底上设置压电薄膜，所述压电薄膜为不进行掺杂的单晶氮化铝或掺杂钪的单晶氮化铝；
8.于所述压电薄膜上设置图形化的第一电极层，以显露部分所述压电薄膜；
9.于所述第一电极层上设置布拉格反射结构；
10.于所述布拉格反射结构上设置键合层；
11.将所述布拉格反射结构通过所述键合层键合至一键合衬底上；
12.去除所述临时衬底，显露出所述压电薄膜，对显露出的所述压电薄膜进行减薄；
13.于减薄后的所述压电薄膜上设置图形化的第二电极层；
14.设置电引出结构将所述第一电极层和所述第二电极层的电连接引出
。
15.可选地，所述临时衬底的材料为
si、
蓝宝石或
sic
中的一种或一种以上的任意组合
。
16.可选地，设置所述布拉格反射结构的步骤包括：设置低声阻抗层，使所述低声阻抗层覆盖所述第一电极层及所述压电薄膜显露出的表面；继续交替设置多层高声阻抗层和多层低声阻抗层，得到所述布拉格反射结构
。
17.可选地，所述布拉格反射层内的一层所述低声阻抗层和一层所述高声阻抗层构成一个周期，所述布拉格反射结构包括的周期数为n，n为大于等于1且小于等于9的正整数
。
18.可选地，对显露出的所述压电薄膜进行减薄后，于所述压电薄膜上再次生长所述压电薄膜至预设厚度，以满足所述体声波谐振器的谐振参数
。
19.可选地，于所述压电薄膜上再次生长的所述压电薄膜的材料为不进行掺杂的氮化铝薄膜或掺杂钪的氮化铝
。
20.可选地，设置所述电引出结构的步骤包括：于上方未被所述第二电极层覆盖的所述压电薄膜处设置通孔，所述通孔与所述第一电极层接触；于所述通孔内设置电引出结构以引出所述第一电极层的电连接，于所述第二电极层设置电引出结构以引出所述第二电极层的电连接
。
21.本发明还提供一种体声波谐振器，所述采用上述任意一种制备方法得到，所述体声波谐振器包括：键合衬底
、
键合层
、
布拉格反射结构
、
第一电极层
、
压电薄膜
、
第二电极层
、
电引出结构，所述压电薄膜的材料为不进行掺杂的单晶氮化铝或掺杂钪的单晶氮化铝；
22.所述键合层设置于所述键合衬底上，所述布拉格反射结构设置于所述所述键合层上，所述第一电极层设置于所述布拉格反射结构上，所述压电薄膜设置于所述第一电极层上，所述第二电极层设置于所述压电薄膜上，一个所述电引出结构贯穿所述压电薄膜将所述第一电极层引出至所述压电薄膜表面，另一个所述电引出结构与所述第二电极层进行电连接引出
。
23.可选地，所述低声阻抗层的材料为
sio2、aln、si3n4或
sioc
中的一种或一种以上的任意组合
。
24.可选地，所述压电薄膜在未设置所述第一电极层的位置设置有贯通沟道，所述贯通沟道包围所述第一电极层的边沿以在相邻两个所述体声波谐振器之间形成隔离
。
25.如上，本发明的体声波谐振器及其制备方法，具有以下有益效果：
26.本发明通过单晶氮化铝的压电薄膜材料选择，提高器件性能；
27.本发明通过设置布拉格反射结构在键合层上，使键合层对谐振器性能影响小，可以选用多种键合材料和键合工艺，提高了制备过程的可实现性；
28.本发明利用对压电薄膜的减薄，去除质量较差的压电薄膜，提高器件性能；
29.本发明配合设置布拉格反射结构并配合键合工艺制造固态装配型的体声波谐振器，可以提高谐振器的机械强度，并改善衬底表面的导热性能，以减小体声波谐振器的温度漂移，实现更高的功率密度
。
附图说明
30.图1显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤1中设置临时衬底和压电薄膜所呈现的结构示意图
。
31.图2显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤2中设置第一电极层所呈现的结构示意图
。
32.图3显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤3中设置布拉格反射结构所呈现的结构示意图
。
33.图4显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤3中平坦化低声阻
抗层所呈现的结构示意图
。
34.图5显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤3中交替设置高声阻抗层和低声阻抗层所呈现的结构示意图
。
35.图6显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤3中布拉格反射结构的结构放大图示意图
。
36.图7显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤4中设置键合层所呈现的结构示意图
。
37.图8显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤5中进行键合所呈现的结构示意图
。
38.图9显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤6中去除临时衬底所呈现的结构示意图
。
39.图
10
显示为本发明体声波谐振器的制备方法步骤6中减薄压电薄膜所呈现的结构示意图
。
40.图
11
显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤6中再次生长压电薄膜所呈现的结构示意图
。
41.图
12
显示为本发明体声波谐振器的制备方法中步骤7中设置第二电极层所呈现的结构示意图
。
42.图
13
显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤8中设置通孔所呈现的结构示意图
。
43.图
14
显示为本发明体声波谐振器的制备方法一可选示例中步骤8中设置电引出结构所呈现的结构示意图
。
44.元件标号说明
45.11、
临时衬底；
12、
压电薄膜；
121、
贯通沟道；
13、
第一电极层；
14、
布拉格反射结构；
141、
低声阻抗层；
142、
高声阻抗层；
15、
键合层；
16、
键合衬底；
17、
第二电极层；
18、
电引出结构；
19、
通孔
。
具体实施方式
46.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效
。
本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变
。
47.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围
。
此外，在实际制作中应包含长度
、
宽度及深度的三维空间尺寸
。
48.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系
。
将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的
、
除了附图中描绘的方向之外的其他方向
。
49.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一
和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触
。
50.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目
、
形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态
、
数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂
。
51.如图
1-图
13
所示，本发明提供一种体声波谐振器的制备方法，制备方法包括：
52.步骤1：提供一临时衬底
11
，于所述临时衬底
11
上设置压电薄膜
12
，所述压电薄膜
12
为不进行掺杂的单晶氮化铝或掺杂钪的单晶氮化铝；
53.步骤2：于所述压电薄膜
12
上设置图形化的第一电极层
13
，以显露部分所述压电薄膜
12
；
54.步骤3：于所述第一电极层
13
上设置布拉格反射结构
14
；
55.步骤4：于所述布拉格反射结构
14
上设置键合层
15
；
56.步骤5：将所述布拉格反射结构
14
通过所述键合层
15
键合至一键合衬底
16
上；
57.步骤6：去除所述临时衬底
11
，显露出所述压电薄膜
12
，对显露出的所述压电薄膜
12
进行减薄；
58.步骤7：于减薄后的所述压电薄膜
12
上设置图形化的第二电极层
17
；
59.步骤8：设置电引出结构
18
将所述第一电极层
13
和所述第二电极层
17
的电连接引出
。
60.下面将结合附图详细说明本发明的体声波谐振器的制备方法，其中，需要说明的是，上述顺序并不严格代表本发明所保护的体声波谐振器的制备方法顺序，本领域技术人员可以依据实际制备步骤进行改变
。
61.首先，如图1所示，进行步骤1，提供一临时衬底
11
，于所述临时衬底
11
上设置压电薄膜
12
，所述压电薄膜
12
为不进行掺杂的单晶氮化铝或掺杂钪的单晶氮化铝
。
62.本发明通过设置所述压电薄膜
12
为单晶氮化铝，克服了现有技术中使用多晶氮化铝作为压电薄膜
12
得到的压电系数和机电耦合系数较小的缺点，利用单晶氮化铝作为压电薄膜
12
提高体声波谐振器的有效耦合系数
、
品质因数和功率容量等性能参数
。
63.在一个实施例中，所述临时衬底
11
的材料为
si、
蓝宝石或
sic
中的一种或一种以上的任意组合
。
64.在一个实施例中，所述临时衬底
11
的材料为
si(111)。
65.本发明通过设置临时衬底
11
的材料为
si(111)
，以配合压电薄膜
12
中的单晶氮化硅材料，减少压电薄膜
12
与临时衬底
11
之间的晶格失配，从而进一步提高所述压电薄膜
12
的质量，以保证形成的所述体声波谐振器的性能可靠性
。
66.在一个实施例中，所述临时衬底
11
的材料也可以为蓝宝石或氮化硅等衬底材料
。
67.在一个实施例中，所述压电薄膜
12
可以通过化学气相沉积
(cvd)
进行生长，或在进行
cvd
后进行物理气相沉积
(pvd)
生长，或在进行
cvd
后进行
pvd
再进行
cvd。
68.优选地，在进行
cvd
后进行
pvd
生长所述压电薄膜
12
，以避免
cvd
生长的压电薄膜
12
产生较大应力使压电薄膜
12
容易破裂
。
69.在一个实施例中，所述压电薄膜
12
的厚度为
10
纳米-10000
纳米
。
70.然后，如图2所示，进行步骤2，于所述压电薄膜
12
上设置图形化的第一电极层
13
，以显露部分所述压电薄膜
12。
71.具体地，通过图形化所述第一电极层
13
，使显露出的部分压电薄膜
12
可以在后续进行隔离结构和电引出结构
18
的设置
。
72.在一个实施例中，所述第一电极层
13
的材料为
mo、pt、au、al、w
或
ru
中的一种或一种以上的任意组合
。
优选地，所述第一电极层
13
使用
mo。
73.在一个实施例中，所述第一电极层
13
的厚度为
10
纳米-500
纳米
。
74.在一个实施例中，如图2所示，设置所述第一电极层
13
后，图形化显露出的所述压电薄膜
12
，以形成包围所述第一电极层
13
边沿的贯通沟道
121
，形成岛状结构，使相邻两个所述体声波谐振器之间形成隔离
。
75.接着，进行步骤3，于所述第一电极层
13
上设置布拉格反射结构
14。
76.在一个实施例中，设置所述布拉格反射结构
14
的步骤包括：如图3所示，设置低声阻抗层
141
，使所述低声阻抗层
141
覆盖所述第一电极层
13
及所述压电薄膜
12
显露出的表面；如图5所示，继续交替设置多层高声阻抗层
142
和多层低声阻抗层
141
，得到所述布拉格反射结构
14。
77.在一个实施例中，所述低声阻抗层
141
填充所述压电薄膜
12
图形化的空隙；如图4所示，设置所述低声阻抗层
141
后，对所述低声阻抗层
141
进行平坦化
。
78.在一个实施例中，对所述低声阻抗层
141
进行平坦化使该层低声阻抗材料的厚度为所述体声波谐振器的谐振频率对应的声波波长的
1/4
或
3/4
，之后形成的每层低声阻抗材料和每层高声阻抗材料的厚度为所述体声波谐振器的谐振频率对应的声波波长的
1/4
或
3/4。
79.在一个实施例中，如图6所示，所述布拉格反射层内的一层所述低声阻抗层
141
和一层所述高声阻抗层
142
构成一个周期，所述布拉格反射结构
14
包括的周期数为n，n为大于等于1且小于等于9的正整数
。
80.本发明通过设置布拉格反射结构
14
的周期数，使体声波谐振器可以达到足够的反射率同时保证尺寸小型化
。
81.在一个实施例中，所述低声阻抗层
141
的材料为
aln、si3n4或
sio2中的一种或一种以上的任意组合
。
82.优选地，使用
sio2作为所述低声阻抗层
141
的材料，以实现较低的声阻抗
。
83.在一个实施例中，生长所述低声阻抗层
141
的方法为
pecvd(
等离子增强化学气相沉积
)、icpcvd(
电感耦合等离子体化学气相沉积
)、ald(
原子层沉积
)、mbe(
分子束外延
)、pld(
脉冲激光束沉积
)
中的一种或一种以上的任意组合
。
优选地，使用
icpcvd。
84.在一个实施例中，所述高声阻抗层
142
的材料为w，
mo
，
pt
，
au
，
ni
，
ir
中的一种或一种以上的任意组合
。
85.在一个实施例中，生长所述高声阻抗层
142
的方法为磁控溅射或蒸发
。
优选使用磁控溅射生长所述高声阻抗层
142。
86.然后，如图7所示，进行步骤4，于所述布拉格反射结构
14
上设置键合层
15。
87.在一个实施例中，所述键合层
15
的材料为
au、、bcb(
苯并环丁烯
)、pi(
聚酰亚胺
)、pbo(
聚对苯撑苯并二噁唑
)、sio2。
88.接着，如图8所示，进行步骤5，将所述布拉格反射结构
14
通过所述键合层
15
键合至一键合衬底
16
上
。
89.然后，如图
9-图
10
所示，进行步骤6，去除所述临时衬底
11
，显露出所述压电薄膜
12
，对显露出的所述压电薄膜
12
进行减薄
。
90.在一个实施例中，通过机械研磨结合选择性刻蚀的方法去除所述临时衬底
11
，或通过机械研磨结合抛光的方法去除所述临时衬底
11。
91.在一个实施例中，如图
11
所示，对显露出的所述压电薄膜
12
进行减薄后，于所述压电薄膜
12
上再次生长所述压电薄膜
12
至预设厚度，以满足所述体声波谐振器的谐振参数
。
92.本发明通过对所述压电薄膜
12
进行减薄，从而去除所述压电薄膜
12
与所述临时衬底
11
接触质量较差的部分，以提高谐振器的有效机电耦合系数
、
品质因数等整体性能，并通过再次生长所述压电薄膜
12
调节体声波谐振器的谐振频率和带宽等参数以满足需求
。
93.在一个实施例中，于所述压电薄膜
12
上再次生长的所述压电薄膜
12
的材料为不进行掺杂的氮化铝薄膜或掺杂钪的氮化铝
。
94.在一个实施例中，所述压电薄膜为掺杂钪的氮化铝时，掺杂钪的浓度为0％-40
％
。
95.在一个实施例中，再次生长所述压电薄膜
12
时，通过
cvd
或
pvd
的方法生长单晶氮化铝或掺杂氮化铝
。
96.接着，如图
12
所示，进行步骤7，于显露出的所述压电薄膜
12
上设置图形化的第二电极层
17。
97.在一个实施例中，所述第二电极层
17
的材料为
mo、pt、au、al、w
或
ru
中的一种或一种以上的任意组合
。
优选地，所述第二电极层
17
的材料为
mo。
98.在一个实施例中，所述第二电极层
17
的厚度为
10
纳米-500
纳米
。
99.最后，进行步骤8，设置电引出结构
18
将所述第一电极层
13
和所述第二电极层
17
的电连接引出
。
100.在一个实施例中，设置所述电引出结构
18
的步骤包括：如图
13
所示，于上方未被所述第二电极层
17
覆盖的所述压电薄膜
12
处设置通孔
19
，所述通孔
19
与所述第一电极层
13
接触；如图
14
所示，于所述通孔
19
内设置电引出结构
18
以引出所述第一电极层
13
的电连接，于所述第二电极层
17
设置电引出结构
18
以引出所述第二电极层
17
的电连接
。
101.本发明还提供一种体声波谐振器，采用上述任意一种制备方法得到，所述体声波谐振器包括：键合衬底
16、
键合层
15、
布拉格反射结构
14、
第一电极层
13、
压电薄膜
12、
第二电极层
17、
电引出结构
18
，所述压电薄膜
12
的材料为不进行掺杂的单晶氮化铝或掺杂钪的单晶氮化铝；
102.所述键合层
15
设置于所述键合衬底
16
上，所述布拉格反射结构
14
设置于所述所述键合层
15
上，所述第一电极层
13
设置于所述布拉格反射结构
14
上，所述压电薄膜
12
设置于所述第一电极层
13
上，所述第二电极层
17
设置于所述压电薄膜
12
上，一个所述电引出结构
18
贯穿所述压电薄膜
12
将所述第一电极层
13
引出至所述压电薄膜
12
表面，另一个所述电引出结构
18
与所述第二电极层
17
进行电连接引出
。
103.本发明通过将所述布拉格反射结构
14
设置在所述键合层
15
上，从而使键合层
15
对谐振器的性能影响较小，从而可以选择多种键合材料和键合工艺，拓宽了键合的选择范围，提高了制备过程的可实现性；同时配合所述布拉格反射结构
14
进行键合得到的固态装配型
体声波谐振器的结构，可以提高谐振器的机械强度，并改善衬底的导热性能，以减小体声波谐振器的温度漂移，实现更高的功率密度；同时，本发明通过设置压电薄膜
12
的材料为单晶氮化铝，可以实现体声波谐振器的有效机电耦合系数
、
品质因数
、
功率容量等性能参数的提高，从而有利于所述体声波谐振器在
5g
高频带谐振器上的应用，并配合装配型体声波谐振器的结构，实现高性能的体声波谐振器
。
104.在一个实施例中，所述低声阻抗层
141
的材料为
sio2、aln、si3n4或
sioc
中的一种或一种以上的任意组合
。
105.本发明通过设置所述低声阻抗层
141
的材料为
sio2，以得到较低的声阻抗
。
106.在一个实施例中，所述压电薄膜
12
在未设置所述第一电极层
13
的位置设置有贯通沟道
121
，所述贯通沟道
121
包围所述第一电极层
13
的边沿以在相邻两个所述体声波谐振器之间形成隔离
。
107.综上，本发明的体声波谐振器及其制备方法，可以通过单晶氮化铝的压电薄膜材料选择，提高器件性能；同时通过设置布拉格反射结构在键合层上，使键合层对谐振器性能影响小，可以选用多种键合材料和键合工艺，提高了制备过程的可实现性；另外利用对压电薄膜的减薄，去除质量较差的压电薄膜，提高器件性能；最后，配合设置布拉格反射结构并配合键合工艺制造固态装配型的体声波谐振器，可以提高谐振器的机械强度，并改善衬底的导热性能，以减小体声波谐振器的温度漂移，实现更高的功率密度
。
108.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值
。
109.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明
。
任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变
。
因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖
。