一种体声波谐振器芯片结构和制造方法与流程

本公开的实施例涉及一种体声波谐振器芯片结构和制造方法。

背景技术：

1、完整的薄膜体声波谐振器（即fbar：film bulk acoustic resonator）在结构上包含晶圆级封装结构，以在谐振器电极的上方形成体声波谐振器正常工作所必须的空气腔。传统的晶圆级封装，通过金属-金属键合（如常用的au-au键合）将一片带凹槽的siliconcap wafer（即硅盖晶圆）键合到体声波谐振器晶圆上来实现空气腔，同时用于实现键合的金属层也是体声波谐振器电极对外电气连接导通的一部分；实施硅盖晶圆键合后，在硅盖晶圆上形成tsv（through silicon via，即深硅通孔）以便实现体声波谐振器电极的对外电气连接，tsv的底部暴露出键合金属层。此种晶圆级封装结构存在如下弊端：1）由于键合金属层是体声波谐振器电极对外电气连接导通的一部分，从晶圆良率和器件结构强度和电气连接可靠性角度上就对键合工艺质量有很高的要求，工艺难度较大；

2、2）tsv刻蚀时会刻蚀掉键合金属层的一部分，同时tsv孔的面积相当于键合面减少的面积，不利于键合强度和电气连接可靠性；

3、3）为克服上述两个弊端，传统上需要增加键合金属层面积并在键合面上使用垫圈图形结构来增加键合结构可靠性和电气连接可靠性，这增加了工艺复杂度且增大了芯片面积，增加了制造工艺成本；

4、如能提出一种新的体声波谐振器芯片结构，实现不同的晶圆级封装或体声波谐振器电极对外电气连接结构，以避免上述弊端，将有助于体声波谐振器的可靠性改善和制造成本降低。

技术实现思路

1、本公开的一个实施例提供一种体声波谐振器芯片结构，包括第一衬底以及设置于第一衬底第一表面的第一凹陷、第二凹陷和第三凹陷，其中第一凹陷为空气腔结构，第二凹陷和第三凹陷的至少一部分区域填充有介质层；包括第一金属层，置于第一衬底的第一表面上方且被分成至少三部分：第一金属层中心部，位于第一凹陷的正上方并延伸覆盖到第二凹陷的至少一部分，即为体声波谐振器的下电极；第一金属层谐振器上电极连接部，位于第一凹陷的外侧，向第三凹陷延伸并覆盖第三凹陷的至少一部分；第一金属层边缘部，位于体声波谐振器的边缘并环绕体声波谐振器周边；包括压电层，置于第一金属层上方；包括第二金属层，置于压电层上方，其位于第一凹陷正上方的部分为第二金属层中心部，即为体声波谐振器的上电极；包括第一深孔和第二深孔，置于第一衬底的第二表面，其中第一深孔和第二凹陷平面垂直对应且穿透第一衬底和第二凹陷内的介质层且其底部暴露出第一金属层中心部，第二深孔和第三凹陷平面垂直对应且穿透第一衬底和第三凹陷内的介质层且其底部暴露出第一金属层谐振器上电极连接部。

2、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，所述第一衬底的材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅以及玻璃中的至少一种；所述压电层的材料包括氮化铝(aln)、钪参杂氮化铝(scaln)、氧化锌(zno)以及锆钛酸铅(pzt)中的至少一种。

3、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括刻蚀压电层形成的压电层通孔，其底部暴露出第一金属层谐振器上电极连接部。

4、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，第二金属层被分成四部分：第二金属层中心部，置于压电层之上且位于第一凹陷正上方；第二金属层第二凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第二凹陷正上方；第二金属层第三凹陷支撑部，位于压电层之上且位于第三凹陷正上方；第二金属层边缘部，位于压电层之上且位于第一金属层边缘部的正上方并环绕体声波谐振器周边。

5、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括第三金属层，其被分成四部分：第三金属层压电层通孔连接部，其一端连接第二金属层中心部，另一端通过压电层通孔连接到第一金属层谐振器上电极连接部；第三金属层第二凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第二凹陷的正上方；第三金属层第三凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第三凹陷的正上方；第三金属层边缘部，置于压电层之上且位于第一金属层边缘部的正上方并环绕体声波谐振器周边；第三金属层压电层通孔连接部和第三金属层第三凹陷支撑部相互连接在一起。

6、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，第三金属层第二凹陷支撑部被置于第二金属层第二凹陷支撑部的正上方，第三金属层第三凹陷支撑部被置于第二金属层第三凹陷支撑部的正上方，第三金属层边缘部被置于第二金属层边缘部的正上方并环绕体声波谐振器周边。

7、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，所述第三金属层的材料包括ti、cr、tiw、al、mo、au、cu、ag以及pt中的至少一种。

8、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括覆盖在第一金属层面向第一凹陷一侧表面的第一钝化层和覆盖在第二金属层远离压电层一侧表面的第二钝化层，所述第一钝化层和第二钝化层的材料包括sin、aln、gan以及tin中的至少一种。

9、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括第二衬底及在其第一表面上形成的第四金属层，第四金属层被分成至少三部分：第四金属层第二凹陷支撑部，其与第三金属层第二凹陷支撑部面对面贴合；第四金属层第三凹陷支撑部，其与第三金属层第三凹陷支撑部面对面贴合；第四金属层边缘部，环绕体声波谐振器周边且与第三金属层边缘部面对面贴合。

10、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，所述第四金属层的材料包括ti、cr、tiw、al、mo、au、cu、ag以及pt中的至少一种；第二衬底的材料包括硅、玻璃、碳化硅以及蓝宝石中的至少一种。

11、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括在第二衬底第一表面设置有第二衬底凹陷，第二衬底和第一衬底平行放置且第二衬底凹陷在第一衬底上的投影和第一凹陷位置重叠。

12、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，第一深孔靠近第二凹陷的一侧的开口位于第二凹陷内，即第一深孔的开口尺寸小于第二凹陷的开口尺寸；第二深孔靠近第三凹陷的一侧的开口位于第三凹陷内，即第二深孔的开口尺寸小于第三凹陷的开口尺寸。

13、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括第一深孔金属层和第二深孔金属层，其中第一深孔金属层通过第一深孔和第一金属层中心部连接，第二深孔金属层通过第二深孔和第一金属层谐振器上电极连接部连接。

14、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，包括在第一衬底的第一表面和第一凹陷、第二凹陷、第三凹陷的侧壁和底部设置富陷阱层，所述富陷阱层的材料，包括sin、aln、gan、sic、多晶硅以及非晶硅中的至少一种。

15、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，第一深孔和第二深孔穿过富陷阱层。

16、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，第一深孔和第二深孔穿过第一钝化层。

17、在本公开的实施例提供体的声波谐振器芯片结构，所述第一金属层和第二金属层的材料包括mo、tiw、w以及ru中的至少一种。

18、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，所述介质层的材料为sio2，其表面和第一衬底的第一表面平齐。

19、本公开的实施例提供一种体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括：获取第一衬底，并对其第一表面进行刻蚀形成第一凹陷、第二凹陷和第三凹陷；在第一凹陷、第二凹陷和第三凹陷内形成介质层填充，凹陷内的介质层表面和第一衬底的第一表面平齐；淀积第一金属层并对其实施图案化，第一金属层被分成至少三部分，包括第一金属层中心部，位于第一凹陷的正上方并延伸覆盖到第二凹陷的至少一部分，即为体声波谐振器的下电极；包括第一金属层谐振器上电极连接部，位于第一凹陷的外侧，向第三凹陷延伸并覆盖第三凹陷的至少一部分；包括第一金属层边缘部，位于体声波谐振器的边缘并环绕体声波谐振器周边；淀积压电层，在压电层上淀积第二金属层并对其实施图案化，其中第二金属层位于第一凹陷正上方的部分为第二金属层中心部；刻蚀压电层，形成压电层通孔，压电层通孔的底部暴露出第一金属层谐振器上电极连接部；淀积并图案化第三金属层，第三金属层被分成四部分，包括第三金属层压电层通孔连接部，其一端连接第二金属层中心部，另一端通过压电层通孔连接到第一金属层谐振器上电极连接部；包括第三金属层第二凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第二凹陷的正上方；包括第三金属层第三凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第三凹陷的正上方；包括第三金属层边缘部，置于压电层之上且位于第一金属层边缘部的正上方且环绕体声波谐振器周边；释放腐蚀移除第一凹陷内的介质层，形成体声波谐振器的下空腔，第二凹陷和第三凹陷内的介质层不被腐蚀移除；获取第二衬底并在其第一表面形成第四金属层，第四金属层被分成至少三部分，包括第四金属层第二凹陷支撑部，在第二衬底和第一衬底平行放置时其在第一衬底上的投影和第三金属层第二凹陷支撑部重叠；包括第四金属层第三凹陷支撑部，在第二衬底和第一衬底平行放置时其在第一衬底上的投影和第三金属层第三凹陷支撑部重叠；包括第四金属层边缘部，呈周边环绕且在第二衬底和第一衬底平行放置时其在第一衬底上的投影和第三金属层边缘部重叠；将第二衬底的第一表面和第一衬底第一表面做面对面的图形对位键合，其中第四金属层第二凹陷支撑部和第三金属层第二凹陷支撑部贴合，第四金属层第三凹陷支撑部和第三金属层第三凹陷支撑部贴合，第四金属层边缘部和第三金属层边缘部贴合；在第一衬底的第二表面形成第一深孔和第二深孔，其中第一深孔和第二凹陷平面垂直对应且穿透第一衬底和第二凹陷内的介质层，底部暴露出第一金属层中心部；其中第二深孔和第三凹陷平面垂直对应且穿透第一衬底和第三凹陷内的介质层，底部暴露出第一金属层谐振器上电极连接部。

20、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，第二金属层被分成四部分：第二金属层中心部，置于压电层之上且位于第一凹陷正上方；第二金属层第二凹陷支撑部，置于压电层之上且位于第二凹陷正上方；第二金属层第三凹陷支撑部，位于压电层之上且位于第三凹陷正上方；第二金属层边缘部，位于压电层之上且位于第一金属层边缘部的正上方并环绕体声波谐振器周边。

21、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括在使用介质层填充第一凹陷、第二凹陷和第三凹陷之前，在第一衬底的第一表面和第一凹陷、第二凹陷、第三凹陷的侧壁和底部设置富陷阱层，所述富陷阱层的材料包括sin、aln、gan、sic、多晶硅以为非晶硅中的至少一种。

22、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括在淀积第一金属层之前在第一衬底的第一表面淀积第一钝化层，包括在第二金属层表面淀积第二钝化层，所述第一钝化层和第二钝化层的材料包括sin、aln、gan以为tin中的至少一种。

23、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，所述介质层的材料为sio2。

24、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括在第二衬底第一表面形成第四金属层之前或之后，刻蚀第二衬底的第一表面以形成第二衬底凹陷，当第二衬底和第一衬底平行放置时，第二衬底凹陷在第一衬底上的投影和第一凹陷位置重叠。

25、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括刻蚀穿透富陷阱层以形成第一深孔和第二深孔。

26、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括刻蚀穿透第一钝化层以形成第一深孔和第二深孔。

27、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括在第一深孔内形成第一深孔金属层，在第二深孔内形成第二深孔金属层，其中第一深孔金属层和第一金属层中心部连接，第二深孔金属层和第一金属层谐振器上电极连接部连接。

28、在本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构的制造方法，包括将第三金属层第二凹陷支撑部置于第二金属层第二凹陷支撑部的正上方，将第三金属层第三凹陷支撑部置于第二金属层第三凹陷支撑部的正上方，将第三金属层边缘部置于第二金属层边缘部的正上方并环绕体声波谐振器周边。

29、本公开的实施例提供的体声波谐振器芯片结构，将体声波谐振器的上电极和下电极的电气连通深孔置于体声波谐振器本体衬底（即第一衬底）一侧（即第二表面），而不是置于cap wafer（盖板晶圆）（盖板晶圆即第二衬底）上，同时又通过在衬底上设置额外的凹陷（即第二凹陷和第三凹陷）和填充在凹陷内的介质层sio2来实现电气连通深孔的刻蚀停止，其整体结构具有以下优点：1）避免了电气连通深孔直接置于cap wafer键合金属层上，简化了制造工艺，有利于器件结构强度和电气连接可靠性，并有利于缩减芯片面积；2）体声波谐振器的一侧（即第一衬底第一表面侧）是通过金属键合层键合形成的cap wafer，体声波谐振器的另一侧（即第一衬底第二表面侧）是电气连通深孔和相应的电气连通金属层，体声波谐振器的两面都有多个金属接触点，有利于体声波谐振器工作时的散热，从而有利于提高体声波谐振器的功率承受能力；3）在电气连通深孔和相应凹陷（即第二凹陷和第三凹陷）的一侧（即第一衬底的第一表面侧）的压电层上方设置有互相堆叠贴合的金属层（即第三金属层和第四金属层），作为对电气连通深孔的支撑结构，避免了电气连通深孔在垂直方向上悬空，增强了体声波谐振器芯片结构的可靠性。本公开的实施例同时提供了与上述体声波谐振器芯片结构相应的制造方法。

30、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。