CN112532195B - 一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其包括支撑衬底、依次设置在支撑衬底上的键合黏附层、外延衬底层和单晶压电层，以及上电极和下电极；键合黏附层和外延衬底层的部分区域缺失，使得支撑衬底和单晶压电层之间形成一空腔；上电极、下电极分别位于单晶压电层远离支撑衬底的上下两侧，且下电极位于空腔内；第一互联金属层覆盖部分单晶压电层，并通过单晶压电层中的贯通孔与下电极连接；第二互联金属层覆盖部分单晶压电层和部分上电极层。本发明采用单晶压电材料作为FBAR的压电薄膜，能够获得更小的损耗、更大的Q值和更高的机电耦合系数，极大地提升FBAR的性能，能够满足5GHz及以上频段的高性能应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构及制备方法。
背景技术
高频5GHz及以上频段无线收发电路在军用和民用领域都有广泛的应用场景，研发高性能的5GHz频段的射频前端芯片具有重要意义。未来无线通信对5GHz及以上频段的射频前端无线收发芯片提出了很高的技术要求，包括需要具备5GHz及以上频段，超高频下宽带、高功率、高隔离度、低噪声、高度集成等。
滤波器是射频前端无线收发芯片中的重要模块。面对5GHz及以上频段的射频前端芯片的性能需求，传统的介质陶瓷滤波器和声表面波(SAW)滤波器已无法满足要求。其中介质陶瓷滤波器存在体积偏大和工艺兼容性差等问题，限制了其在射频方面的进一步发展。尽管SAW滤波器能达到较高的Q值，几何尺寸也更小，但由于其叉指电极的指宽和间隙与工作频率成反比，光刻工艺方面的难度制约了其在高频方面的应用。
薄膜体声波谐振器(以下简称FBAR)可以构成一种全新的射频滤波器，它是当前5G终端的唯一滤波器解决方案。FBAR是一种新型射频MEMS器件，器件尺寸远小于传统的介质滤波器，其基本结构为由压电薄膜以及上下电极组成三明治结构的压电堆，如图1所示，工作原理上说可以认为是极度减薄的晶振片。并且与传统的介质陶瓷滤波器和声表面波滤波器相比，它具有更高的工作频率(0.5-30GHz)，更高的品质因子Q(1000-50000)，拥有更好的带外抑制性能和更低的***损耗，在功率容量、滤波性能及频率温度系数等方面均有一定优势，更重要的是FBAR可以兼容CMOS半导体工艺。
到了5GHz以上频段，FBAR的压电层厚度在500-600nm，在这种厚度下，传统磁控溅射的多晶材料已经无法具备良好压电特性。
发明内容
针对现有的空腔型多晶FBAR工作频率做高难，Q值提升难的问题，本发明提出一种空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构及制备方法，该空腔型单晶FBAR的制备良率高，且能满足5GHz及以上频段高性能应用需求。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，该结构包括：
支撑衬底；
以及，依次设置在所述支撑衬底上的键合黏附层、外延衬底层和单晶压电层；
所述键合黏附层和外延衬底层的部分区域缺失，使得所述支撑衬底和单晶压电层之间形成一空腔；
上电极，位于所述单晶压电层远离所述支撑衬底的一侧；
下电极，位于所述单晶压电层朝向所述支撑衬底的一侧，且所述下电极位于所述空腔内；
第一互联金属层，覆盖部分单晶压电层，并通过单晶压电层中的贯通孔与下电极连接；
第二互联金属层，覆盖部分单晶压电层和部分上电极层。
进一步地，第一互联金属层和第二互联金属层的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合，厚度为10-5000nm。
进一步地，所述的外延衬底层的材料选自碳化硅、硅、蓝宝石中的任意一种或多种。
进一步地，所述的支撑衬底的材料为硅片。
进一步地，所述的键合黏附层的材料为二氧化硅或硅。
进一步地，所述的单晶压电层的材料选自氮化铝单晶、掺杂氮化铝单晶、氮化镓，氧化锌单晶，镍酸锂单晶，锆钛酸铅单晶，铌酸锂单晶、锆酸锂单晶、钽酸锂单晶、四硼酸锂单晶、锗酸铋单晶、硅酸铋单晶、硫化镉单晶、石英单晶中的一种或几种的组合，厚度为10–10000nm。
进一步地，所述的上电极和下电极的材料选自钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合，厚度为10-5000nm。
一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在外延衬底层上用金属有机化学气相沉积外延单晶压电薄膜，形成单晶压电层；
步骤二：用磁控溅射或者蒸发工艺在单晶压电层上形成上电极；
步骤三：采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶压电层形成贯通孔；
步骤四：在所述单晶压电层上沉积互联金属，形成覆盖部分单晶压电层和部分上电极层的第一互联金属层，以及填充所述贯通孔且覆盖部分单晶压电层的第二互联金属层；
步骤五：在晶圆正面旋涂临时键合胶，经过烘烤后，将晶圆正面与支撑衬底正面键合在一起；
步骤六：减薄外延衬底层背面，并进行化学机械抛光，形成已减薄抛光的外延衬底层；
步骤七：在所述外延衬底层背面沉积键合黏附层；
步骤八：干法选择性刻蚀晶圆背面的键合黏附层和已减薄抛光的衬底，直到露出所述单晶压电层；
步骤九：沉积薄膜体声波谐振器的下电极金属，并使下电极覆盖部分所述第二互联金属层和所述单晶压电层；
步骤十：将已减薄抛光的外延衬底层背面与支撑衬底层通过键合黏附层进行键合，形成薄膜体声波谐振器的空腔；
步骤十一：采用热滑移的方式将晶圆正面与步骤五中键合的支撑衬底层解离，并用临时键合胶清洗剂去除临时键合胶，从而完成空腔型单晶薄膜体声波谐振器的制备。
进一步地，所述的步骤八中的干法刻蚀选自反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀工艺。
本发明的有益效果如下：
本发明的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器采用单晶压电材料作为FBAR的压电薄膜，能够获得更小的损耗、更大的Q值和更高的机电耦合系数，极大地提升FBAR的性能，且能够满足5GHz及以上频段的高性能应用需求。
附图说明
图1为现有的空腔型多晶薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2为本发明的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构的示意图；
图3～13为本发明的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构的制备过程的示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明的其中一个实施例的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器100，从下到上，其包括支撑硅片112、二氧化硅键合黏附层109、已减薄的碳化硅(SiC)外延衬底层108、单晶AlN压电薄膜102、分别位于单晶AlN压电薄膜102的上下两侧的上电极103和下电极110，以及第一互联金属层105-1和第二互联金属层105-2。
二氧化硅层109和已减薄的碳化硅(SiC)外延衬底层108的部分区域缺失，使得支撑硅片112和单晶AlN压电薄膜102之间形成FBAR器件100的空腔111，其中空腔111通过在二氧化硅键合黏附层109上键合支撑硅片112形成。
单晶AlN压电薄膜102的厚度为500nm。
空腔型单晶FBAR的上电极103和下电极110的材料为磁控溅射的钼(Mo)，厚度为250nm。
第一互联金属层105-1和第二互联金属层105-2的材料为Ti/Au金属叠层，其中Ti为底层金属，作为黏附层，Ti的厚度为20nm，Au的厚度为150nm。
如图3～13所示，本发明的实施例中的无源空腔型单晶FBAR器件结构的制备方法包括以下步骤：
步骤一：在SiC外延衬底层108上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延单晶AlN压电薄膜102，如图3所示。
其中单晶AlN压电薄膜102的厚度为500nm。
步骤二：用磁控溅射工艺在单晶AlN压电薄膜102上形成上电极103，如图4所示。
其中上电极103的材料为钼，厚度为250nm。
步骤三：采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀单晶AlN压电薄膜102形成贯通孔104，如图5所示。
其中选用的刻蚀气体为包含氯基的气体及混合气体。
步骤四：采用电子束蒸发工艺，蒸发互联金属，与FBAR上电极103形成第一互联金属层105-1，并填充步骤三中形成的贯通孔104，形成第二互联金属层105-2，为形成FBAR下电极的金属互联做准备，如图6所示。
其中第一互联金属层105-1和第二互联金属层105-2的材料为Ti/Au金属叠层，其中Ti为底层金属，作为黏附层，Ti的厚度为20nm，Au的厚度为150nm。
步骤五：在晶圆正面旋涂临时键合胶106，经过烘烤后，将晶圆正面与临时键合的硅片107正面键合在一起，如图7所示。
步骤六：减薄SiC外延衬底层108的背面，使SiC外延衬底层108减薄到100μm，并进行化学机械抛光，得到已减薄抛光的SiC衬底108，如图8所示。
步骤七：用等离子体增强化学气相沉积的方式在已减薄抛光的SiC外延外延衬底层108背面沉积1μm厚的二氧化硅键合黏附层109，为后面键合支撑硅片做准备，如图9所示。
步骤八：采用电感耦合等离子体刻蚀工艺，从晶圆背面刻蚀二氧化硅键合黏附层109和已减薄抛光的SiC外延衬底层108，直到露出单晶AlN压电层102，如图10所示。
其中选用的刻蚀气体为包含氟基的刻蚀气体及混合气体。
步骤九：采用磁控溅射工艺沉积FBAR的下电极110，同时与互联金属105形成金属互联，如图11所示。
其中下电极材料为钼，厚度为300nm。
步骤十：将已减薄抛光的SiC外延衬底层108与支撑硅片112通过二氧化硅键合黏附层109键合，形成FBAR的空腔111，如图12所示。
步骤十一：采用热滑移的方式将晶圆正面与步骤五中临时键合的硅片107解离，然后用临时键合胶清洗剂去除临时键合胶106，从而完成空腔型单晶FBAR器件100的制备工艺，如图13所示。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：在外延衬底层上用金属有机化学气相沉积外延单晶压电薄膜，形成单晶压电层；
步骤二：用磁控溅射或者蒸发工艺在单晶压电层上形成上电极；
步骤三：采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶压电层形成贯通孔；
步骤四：在所述单晶压电层上沉积互联金属，形成覆盖部分单晶压电层和部分上电极层的第一互联金属层，以及填充所述贯通孔且覆盖部分单晶压电层的第二互联金属层；
步骤五：在晶圆正面旋涂临时键合胶，经过烘烤后，将晶圆正面与支撑衬底正面键合在一起；
步骤六：减薄外延衬底层背面，并化学机械抛光，形成已减薄抛光的外延衬底层，
步骤七：在所述外延衬底层背面沉积键合黏附层；
步骤八：干法选择性刻蚀晶圆背面的键合黏附层和已减薄抛光的衬底，直到露出所述单晶压电层；
步骤九：沉积薄膜体声波谐振器的下电极金属，并使下电极覆盖部分所述第二互联金属层和所述单晶压电层；
步骤十：将已减薄抛光的外延衬底层背面与支撑衬底层通过键合黏附层进行键合，形成薄膜体声波谐振器的空腔；
步骤十一：采用热滑移的方式将晶圆正面与步骤五中键合的支撑衬底层解离，并用临时键合胶清洗剂去除临时键合胶，从而完成空腔型单晶薄膜体声波谐振器的制备。
2.根据权利要求1所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤八中的干法刻蚀选自反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀工艺。
3.一种由权利要求1所述的方法制成的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，该结构包括：
支撑衬底；
以及，依次设置在所述支撑衬底上的键合黏附层、外延衬底层和单晶压电层；
所述键合黏附层和外延衬底层的部分区域缺失，使得所述支撑衬底和单晶压电层之间形成一空腔；
上电极，位于所述单晶压电层远离所述支撑衬底的一侧；
下电极，位于所述单晶压电层朝向所述支撑衬底的一侧，且所述下电极位于所述空腔内；
第一互联金属层，覆盖部分单晶压电层，并通过单晶压电层中的贯通孔与下电极连接；
第二互联金属层，覆盖部分单晶压电层和部分上电极层。
4.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，第一互联金属层和第二互联金属层的材料均选自钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的任意一种或两种以上的任意组合，厚度为10-5000nm。
5.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述的外延衬底层的材料选自碳化硅、硅、蓝宝石中的任意一种或多种。
6.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述的支撑衬底的材料为硅片。
7.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述的键合黏附层的材料为二氧化硅或硅。
8.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述的单晶压电层的材料选自氮化铝单晶、掺杂氮化铝单晶、氮化镓、氧化锌单晶、镍酸锂单晶、锆钛酸铅单晶、铌酸锂单晶、锆酸锂单晶、钽酸锂单晶、四硼酸锂单晶、锗酸铋单晶、硅酸铋单晶、硫化镉单晶、石英单晶中的一种或几种的组合，厚度为10–10000nm。
9.根据权利要求3所述的无源空腔型单晶薄膜体声波谐振器结构，其特征在于，所述的上电极和下电极的材料选自钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合，厚度为10-5000nm。
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