CN110289824A - 薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S110、提供SOI硅片，所述SOI硅片包括硅衬底以及依次形成在所述硅衬底上的埋氧层和硅结构层；S120、形成二氧化硅墙结构；S130、形成二氧化硅薄膜以作为第一钝化层；S140、形成功能器件层；S150、图形化所述二氧化硅墙结构所对应的硅结构层，以使得所述功能器件层与所述埋氧层之间形成空气隙，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。采用二氧化硅作为器件的支撑结构，在射频下损耗较小，功能器件层生长于SOI基片本身的硅结构层上，因晶格匹配较好，有利于生长性能更好的功能器件层，有利于改善薄膜体声波谐振器器件性能等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器制作技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器以及该薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代(3G)以多媒体通信为特征，***(4G)将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移动通信技术，5G与3G、4G相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从1G到4G主要解决的是人与人之间的沟通，5G将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频***的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频***和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。声表面波滤波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比较合适。然而，目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段，这时必须使用基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。
薄膜体声波谐振器的结构和制备方式已经有很多。在以往的结构和制备方式中，常采用硅做支撑结构，采用磷硅玻璃(Phosphosilicate-Glass，PSG)作为牺牲层材料，最后通过腐蚀PSG牺牲层形成空气隙。这种结构和制备方法的缺点主要有三个，一是采用硅作为支撑结构，硅作为半导体材料，在射频下存在较大损耗，因此需要选用高阻硅，成本相对较高；二是这种结构和制备方法的压电三明治结构(主体为Mo/AlN/Mo)需要在PSG上生长，而根据已知的经验和晶格匹配的原因，在氧化硅上(PSG是一种掺磷的氧化硅)生长的Mo和AlN薄膜的性能不如在单晶硅上生长的好；三是主流的制备方法在进行完PSG沉积后，需要对PSG牺牲层进行CMP抛光，以达到谐振器声学镜面反射所需要的粗糙度要求，提高了工艺复杂性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
本发明的第一方面，提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S110、提供SOI硅片，所述SOI硅片包括硅衬底以及依次形成在所述硅衬底上的埋氧层和硅结构层；
S120、形成二氧化硅墙结构；
S130、形成二氧化硅薄膜以作为第一钝化层；
S140、形成功能器件层；
S150、图形化所述二氧化硅墙结构所对应的硅结构层，以使得所述功能器件层与所述埋氧层之间形成空气隙，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。
可选地，步骤S120具体包括：
形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层以形成具有预定形貌的镂空图形；
以图形化后的光刻胶层为掩膜，对所述硅结构层进行刻蚀，以在所述硅结构层的表面形成预设凹陷区域；
形成二氧化硅层，所述二氧化硅层包括覆盖所述光刻胶层的第一二氧化硅子层以及填充在所述预设凹陷区域的第二二氧化硅子层；
去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层，以获得所述二氧化硅墙结构。
可选地，所述去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层，以获得所述二氧化硅墙结构的步骤具体包括：
采用剥离工艺去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层。
可选地，步骤S130具体包括：
形成整层的所述二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜完全覆盖所述硅结构层和所述二氧化硅墙结构；或，
形成整层的所述二氧化硅薄膜，并图形化所述二氧化硅薄膜以形成所述第一钝化层，其中，所述第一钝化层覆盖所述二氧化硅墙结构以及其与所述硅结构层的边界所限定的区域。
可选地，步骤S140具体包括：
形成下电极金属薄膜，并图形化所述下电极金属薄膜以形成下电极；
形成压电层；
形成上电极金属薄膜；
形成第二钝化层，并图形化所述第二钝化层，以形成与目标上电极形状相匹配的钝化保护层；
以所述钝化保护层为掩膜，对所述上电极金属薄膜进行刻蚀，以去除所述钝化保护层之外的上电极金属薄膜，以形成上电极；
其中，所述上电极、所述下电极和所述压电层一起形成所述功能器件层。
可选地，步骤S140还包括在所述以所述钝化保护层为掩膜，对所述上电极金属薄膜进行刻蚀的步骤之后进行的：
对所述钝化保护层通过构图工艺形成第一过孔，所述第一过孔将所述上电极暴露出；
对所述压电层通过构图工艺形成第二过孔，所述第二过孔将所述下电极和硅释放孔暴露出。
可选地，步骤S150具体包括：
将所述SOI硅片置入XeF2刻蚀环境；
XeF2通过所述硅释放孔对所述二氧化硅墙结构所对应的硅结构层进行刻蚀，以使得所述功能器件层与所述埋氧层之间形成空气隙，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。
可选地，所述埋氧层的厚度范围为0.1um～50um，所述硅结构层的厚度范围为0.5um～10um。
可选地，所述下电极电极和/或所述上电极的材料包括钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪和铝中的至少一者；和/或，
所述压电层的材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌和四硼酸锂中的至少一者。
本发明的第二方面，提供一种薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用前文记载的所述的薄膜体声波谐振器的制备方法制成。
本发明的薄膜体声波谐振器及其制备方法具有以下有益效果：
一是本发明采用二氧化硅作为器件的支撑结构。二氧化硅作为绝缘材料，在射频下损耗较小；二是本发明的压电三明治结构生长于SOI基片本身的硅结构层上，因晶格匹配较好，有利于生长性能更好的下电极和压电薄膜，有利于改善薄膜体声波谐振器器件性能；三是本发明采用剥离工艺完成二氧化硅墙的制备，之后压电三明治结构直接制备于SOI基片本身的硅结构层上，因SOI基片的硅结构层本身具有较好的粗糙度，因此无需对其进行CMP抛光处理，降低了工艺的复杂性；四是本发明一种实施例在压电三明治结构下方制备了二氧化硅薄膜，利用二氧化硅具有的与Mo和AlN相反的温度特性，可以适当改善器件的温度特性。
附图说明
图1为本发明实施例1的制备工艺流程步骤1，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图2为本发明实施例1的制备工艺流程步骤2，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图3为本发明实施例1的制备工艺流程步骤3，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图4为本发明实施例1的制备工艺流程步骤4，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图5为本发明实施例1的制备工艺流程步骤5，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图6为本发明实施例1的制备工艺流程步骤6，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图7为本发明实施例1的制备工艺流程步骤7，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图；
图8为本发明实施例1的制备工艺流程步骤8，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图9为本发明实施例1的制备工艺流程步骤9，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图10为本发明实施例1的制备工艺流程步骤10，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图11为本发明实施例1的制备工艺流程步骤11，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图12为本发明实施例1的制备工艺流程步骤12，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图13为本发明实施例1的制备工艺流程步骤13，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图14为本发明实施例1的制备工艺流程步骤14，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图15为本发明实施例2的制备工艺流程步骤1，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图16为本发明实施例2的制备工艺流程步骤2，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图17为本发明实施例2的制备工艺流程步骤3，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图18为本发明实施例2的制备工艺流程步骤4，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图19为本发明实施例2的制备工艺流程步骤5，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图20为本发明实施例2的制备工艺流程步骤6，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图21为本发明实施例2的制备工艺流程步骤7，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图22为本发明实施例2的制备工艺流程步骤8，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图23为本发明实施例2的制备工艺流程步骤9，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图24为本发明实施例2的制备工艺流程步骤10，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图25为本发明实施例2的制备工艺流程步骤11，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图26为本发明实施例2的制备工艺流程步骤12，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图27为本发明实施例2的制备工艺流程步骤13，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
图28为本发明实施例2的制备工艺流程步骤14，其中(a)为剖面视图、(b)为俯视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
图1-14为本发明实施例1的薄膜体声波谐振器的制备方法的制备工艺流程步骤，具体步骤内容如下：
步骤1：如图1所示，准备单面或双面抛光的SOI硅片100，其中抛光面向上，进行标准清洗。在本实施例中对SOI硅片的导电性能没有特殊要求，无需特意要求为高阻硅片。SOI硅片100包括硅衬底101以及依次形成在硅衬底101上的埋氧层102和硅结构层103。对于埋氧层102和硅结构层103的具体厚度并没有作出限定，优选地，埋氧层102的厚度范围可以为0.1um～50um。硅结构层103的厚度范围可以为0.5um～10um，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些具体厚度取值。
步骤2：如图2所示，在SOI硅片100的上表面旋涂光刻胶层202，并光刻显影形成镂空图形201。
步骤3：如图3所示，以上述图形化后的光刻胶层为掩膜，对SOI硅片100的硅结构层103进行干法刻蚀，形成硅结构层103的凹陷区域104。
步骤4：如图4所示，在SOI硅片100的上表面沉积二氧化硅层，该二氧化硅层包括第一二氧化硅子层301和第二二氧化硅子层302，其中第一二氧化硅子层301位于SOI硅片100表面未去除的光刻胶层202上，第二二氧化硅子层302填充硅结构层的凹陷区域104，该第二二氧化硅子层302便形成器件的二氧化硅墙结构。
步骤5：如图5所示，通过剥离工艺去除光刻胶层202，同时去除位于光刻胶层202上方的第一二氧化硅子层301。
步骤6：如图6所示，在SOI硅片100上表面沉积二氧化硅薄膜并甩胶光刻并刻蚀，形成器件有效区域外的第一钝化层400，所谓的有效区域外是指，如图6所示，第一钝化层400覆盖二氧化硅墙结构302以及其与硅结构层103的边界所限定的区域。
步骤7：如图7所示，在SOI硅片100上表面沉积下电极金属薄膜并图形化为下电极500。
步骤8：如图8所示，在SOI硅片100上表面沉积压电层600。
步骤9：如图9所示，在SOI硅片100上表面沉积上电极金属薄膜700。
步骤10：如图10所示，在SOI硅片100上表面沉积第二钝化层并图形化形成保护器件上电极的钝化保护层800。
步骤11：如图11所示，以保护器件上电极的钝化保护层800为掩膜，对上电极金属薄膜700进行刻蚀，去除钝化保护层800之外的上电极金属薄膜，形成器件的上电极。
步骤12：如图12所示，在SOI硅片100上表面对钝化保护层800进行图形化，形成第一过孔801，该第一过孔801露出器件的上电极700。
步骤13：如图13所示，在SOI硅片100上表面对压电层600进行图形化，形成第二过孔601，该第二过孔601露出器件的下电极500和硅释放孔900。
步骤14：如图14所示，将SOI硅片100放入XeF2刻蚀设备中，用XeF2通过硅释放孔900对压电三明治结构下方的硅牺牲层(即由二氧化硅墙结构302围起来的SOI硅结构层部分)进行刻蚀，使得压电三明治结构下方与SOI硅片100之间形成完全的空气隙，完成器件的制备。
本实施例中，下电极和上电极的材料可以相同也可以不同，例如包括如下材料及其组合：钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪、铝。压电层的材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、四硼酸锂以及其掺杂薄膜或组合。
本实施例薄膜体声波谐振器的制备方法不同于现有技术，采用二氧化硅作为器件的支撑结构。二氧化硅作为绝缘材料，在射频下损耗较小；本实施例的压电三明治结构生长于SOI基片本身的硅结构层上，因晶格匹配较好，有利于生长性能更好的下电极和压电薄膜，有利于改善薄膜体声波谐振器器件性能；本实施例采用剥离工艺完成二氧化硅墙的制备，之后压电三明治结构直接制备于SOI基片本身的硅结构层上，因SOI基片的硅结构层本身具有较好的粗糙度，因此无需对其进行CMP抛光处理，降低了工艺的复杂性。
实施例2：
图15-28为本发明实施例2的薄膜体声波谐振器的制备方法的制备工艺流程步骤，具体步骤内容如下：
步骤1：如图15所示，准备单面或双面抛光的SOI硅片100，其中抛光面向上，进行标准清洗。在本实施例中对SOI硅片的导电性能没有特殊要求，无需特意要求为高阻硅片。SOI硅片100包括硅衬底101以及依次形成在硅衬底101上的埋氧层102和硅结构层103。对于埋氧层102和硅结构层103的具体厚度并没有作出限定，优选地，埋氧层102的厚度范围可以为0.1um～50um。硅结构层103的厚度范围可以为0.5um～10um，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些具体厚度取值。
步骤2：如图16所示，在SOI硅片100的上表面旋涂光刻胶层202，并光刻显影形成镂空图形201。
步骤3：如图17所示，以上述图形化后的光刻胶层为掩膜，对SOI硅片100的硅结构层103进行干法刻蚀，形成硅结构层103的凹陷区域104。
步骤4：如图18所示，在SOI硅片100的上表面沉积二氧化硅层，该二氧化硅层包括第一二氧化硅子层301和第二二氧化硅子层302，其中第一二氧化硅子层301位于SOI硅片100表面未去除的光刻胶层202上，第二二氧化硅子层302填充硅结构层的凹陷区域104，该第二二氧化硅子层302便形成器件的二氧化硅墙结构。
步骤5：如图19所示，通过剥离工艺去除光刻胶层202，同时去除位于光刻胶层202上方的第一二氧化硅子层301。
步骤6：如图20所示，在SOI硅片100上表面沉积二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜的厚度范围优选地为0.1um～5um，形成器件钝化层400，该钝化层400为整层结构，也即如图20所示，钝化层400完全覆盖硅结构层103和二氧化硅墙结构。
步骤7：如图21所示，在SOI硅片100上表面沉积下电极金属薄膜并图形化为下电极500。
步骤8：如图22所示，在SOI硅片100上表面沉积压电层600。
步骤9：如图23所示，在SOI硅片100上表面沉积上电极金属薄膜700。
步骤10：如图24所示，在SOI硅片100上表面沉积第二钝化层并图形化形成保护器件上电极的钝化保护层800。
步骤11：如图25所示，以保护器件上电极的钝化保护层800为掩膜，对上电极金属薄膜700进行刻蚀，去除钝化保护层800之外的上电极金属薄膜，形成器件的上电极。
步骤12：如图26所示，在SOI硅片100上表面对钝化保护层800进行图形化，形成第一过孔801，该第一过孔801露出器件的上电极700。
步骤13：如图27所示，在SOI硅片100上表面对压电层600进行图形化，形成第二过孔601，该第二过孔601露出器件的下电极500和硅释放孔900。
步骤14：如图28所示，将SOI硅片100放入XeF2刻蚀设备中，用XeF2通过硅释放孔900对压电三明治结构下方的硅牺牲层(即由二氧化硅墙结构302围起来的SOI硅结构层部分)进行刻蚀，使得压电三明治结构下方与SOI硅片100之间形成完全的空气隙，完成器件的制备。
本实施例中，下电极和上电极的材料可以相同也可以不同，例如包括如下材料及其组合：钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪、铝。其中压电层的材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、四硼酸锂以及其掺杂薄膜或组合。
本实施例薄膜体声波谐振器的制备方法不同于现有技术，采用二氧化硅作为器件的支撑结构。二氧化硅作为绝缘材料，在射频下损耗较小；本实施例的压电三明治结构生长于SOI基片本身的硅结构层上，因晶格匹配较好，有利于生长性能更好的下电极和压电薄膜，有利于改善薄膜体声波谐振器器件性能；本实施例采用剥离工艺完成二氧化硅墙的制备，之后压电三明治结构直接制备于SOI基片本身的硅结构层上，因SOI基片的硅结构层本身具有较好的粗糙度，因此无需对其进行CMP抛光处理，降低了工艺的复杂性；本实施例在压电三明治结构下方制备了二氧化硅薄膜，利用二氧化硅具有的与Mo和AlN相反的温度特性，可以适当改善器件的温度特性。
此外，本发明还提供一种薄膜体声波谐振器，薄膜体声波谐振器采用前文记载的薄膜体声波谐振器的制备方法制成，具体制备方法可以参考前文相关记载，在此不作赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
S110、提供SOI硅片，所述SOI硅片包括硅衬底以及依次形成在所述硅衬底上的埋氧层和硅结构层；
S120、形成二氧化硅墙结构；
S130、形成二氧化硅薄膜以作为第一钝化层；
S140、形成功能器件层；
S150、图形化所述二氧化硅墙结构所对应的硅结构层，以使得所述功能器件层与所述埋氧层之间形成空气隙，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：
形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层以形成具有预定形貌的镂空图形；
以图形化后的光刻胶层为掩膜，对所述硅结构层进行刻蚀，以在所述硅结构层的表面形成预设凹陷区域；
形成二氧化硅层，所述二氧化硅层包括覆盖所述光刻胶层的第一二氧化硅子层以及填充在所述预设凹陷区域的第二二氧化硅子层；
去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层，以获得所述二氧化硅墙结构。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层，以获得所述二氧化硅墙结构的步骤具体包括：
采用剥离工艺去除所述光刻胶层和所述第一二氧化硅子层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S130具体包括：
形成整层的所述二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜完全覆盖所述硅结构层和所述二氧化硅墙结构；或，
形成整层的所述二氧化硅薄膜，并图形化所述二氧化硅薄膜以形成所述第一钝化层，其中，所述第一钝化层覆盖所述二氧化硅墙结构以及其与所述硅结构层的边界所限定的区域。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S140具体包括：
形成下电极金属薄膜，并图形化所述下电极金属薄膜以形成下电极；
形成压电层；
形成上电极金属薄膜；
形成第二钝化层，并图形化所述第二钝化层，以形成与目标上电极形状相匹配的钝化保护层；
以所述钝化保护层为掩膜，对所述上电极金属薄膜进行刻蚀，以去除所述钝化保护层之外的上电极金属薄膜，以形成上电极；
其中，所述上电极、所述下电极和所述压电层一起形成所述功能器件层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S140还包括在所述以所述钝化保护层为掩膜，对所述上电极金属薄膜进行刻蚀的步骤之后进行的：
对所述钝化保护层通过构图工艺形成第一过孔，所述第一过孔将所述上电极暴露出；
对所述压电层通过构图工艺形成第二过孔，所述第二过孔将所述下电极和硅释放孔暴露出。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S150具体包括：
将所述SOI硅片置入XeF2刻蚀环境；
XeF2通过所述硅释放孔对所述二氧化硅墙结构所对应的硅结构层进行刻蚀，以使得所述功能器件层与所述埋氧层之间形成空气隙，完成所述薄膜体声波谐振器的制备。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述埋氧层的厚度范围为0.1um～50um，所述硅结构层的厚度范围为0.5um～10um。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述下电极电极和/或所述上电极的材料包括钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪和铝中的至少一者；和/或，
所述压电层的材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌和四硼酸锂中的至少一者。
10.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器采用权利要求1至9中任意一项所述的薄膜体声波谐振器的制备方法制成。
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