CN116131798A - 一种固态体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态体声波谐振器及其制作方法，涉及半导体器件制造技术领域，包括从上至下依次层叠设置的负载层、顶电极、压电薄膜、底电极、布拉格反射层、键合层以及支撑衬底，其中，所述负载层的中部镂空以使所述负载层呈环形，所述顶电极正对所述负载层的镂空处设置有槽结构，以使所述顶电极形成多层调整层。本发明的固态体声波谐振器通过单阶负载层抑制寄生电容的产生，再通过具有多层调整层的顶电极进一步减少寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，进一步提升Q值，多层调整层还可以抑制多种杂波导致的寄生现象，在后续以此为基础制备的滤波器、双工器、传感器等相关器件具有更优异的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种固态体声波谐振器及其制作方法。
背景技术
近几年来，薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)因其具有高频、微型化、高性能、低功耗、高功率容量等优点，且制造工艺与IC工艺相兼容，可集成，有利于降低器件功耗和缩小器件尺寸，是目前唯一可集成的射频前端滤波器。故FBAR滤波器将成为未来5G高频通讯的核心元器件。
固态装配型FBAR的最大优势在于其结构的机械强度、牢固程度好。但是也存在着寄生效应，产生寄生电容并在生产工艺流程中对薄膜体声波谐振器的核心部件造成损坏，进而使生产的薄膜体声波谐振器的品质因数低下；同时还会将寄生电容残留在薄膜体声波谐振器中，使得在后续集成电路中使用时往往会造成很大的能量损害。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种固态体声波谐振器，能够减少寄生效应的产生，同时还可以减少声波的泄露。
本发明实施例还提供一种上述固态体声波谐振器的制作方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种固态体声波谐振器，包括从上至下依次层叠设置的负载层、顶电极、压电薄膜、底电极、布拉格反射层、键合层以及支撑衬底，其中，所述负载层的中部镂空以使所述负载层呈环形，所述顶电极正对所述负载层的镂空处设置有槽结构，以使所述顶电极形成多层调整层。
上述固态体声波谐振器至少具有以下有益效果：通过单阶负载层抑制寄生电容的产生，再通过具有多层调整层的顶电极进一步减少寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，进一步提升Q值，多层调整层还可以抑制多种杂波导致的寄生现象，在后续以此为基础制备的滤波器、双工器、传感器等相关器件具有更优异的性能。使用键合层将布拉格反射层与支撑衬底键合连接，相对来说键合层可以充当一个高阻层，抑制声波穿过，不影响谐振器本身的谐振性能。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述调整层呈盘形且依次层叠，多层所述调整层的直径从上至下逐渐减小，其中，所述调整层中心轴与所述负载层的中心轴同轴。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述调整层的厚度大小为40～400nm。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述调整层的边缘相距所述负载层的内侧的垂直距离在1～7μm。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所有的所述调整层的厚度总和不超过所述顶电极的厚度的四分之三。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述负载层、所述顶电极以及所述底电极的材质均为钼，所述负载层的厚度在40～400nm，所述顶电极的厚度在100～400nm。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述负载层的厚度小于所述顶电极的厚度的一半。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述键合层的材质为硅或者氧化硅，所述键合层的厚度在60～400nm。
根据本发明第一方面实施例所述的固态体声波谐振器，所述压电薄膜的材质为单晶氮化铝。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种制作方法，用于制备上述固态体声波谐振器，包括如下步骤：
制备材质为蓝宝石的转移衬底；
在转移衬底的表面沉积压电薄膜；
使用射频磁控溅射***在压电薄膜的表面溅射沉积底电极；
使用射频磁控溅射***在底电极上沉积布拉格反射层；
在布拉格反射层的表面制备厚度在30～200nm之间的键合层，制作由硅材料制成的支撑衬底，并在支撑衬底的表面制备一层厚度在30～200nm之间的键合层，通过倒装键合的方式将布拉格反射层上的键合层与支撑衬底上的键合层键合为一体；
去除转移衬底，在压电薄膜远离底电极的一侧沉积顶电极，在顶电极远离压电薄膜的一侧沉积负载层，采用光刻工艺对压电薄膜进行图形化处理，采用刻蚀工艺对负载层进行图形化处理，以使负载层呈环形，对顶电极进行多次刻蚀，以形成多层调整层。
上述固态体声波谐振器的制作方法至少具有以下有益效果：与现有制备方法相比，大大提高了压电薄膜的晶体质量。现有固态装配型体声波谐振器制备方法是在布拉格反射层上沉积C轴择优取向多晶压电膜，而本发明提出的制备方法则在制备衬底上直接外延生长高质量单晶压电膜，通过改善压电膜的晶体质量来提高谐振器的品质因数和有效机电耦合系数。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例中，在转移衬底的依次沉积好压电薄膜、底电极以及布拉格反射层的结构示意图；
图2是本发明实施例中，布拉格反射层通过键合层与支撑衬底连接的结构示意图；
图3是本发明实中，成型后的固态体声波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
薄膜体声波谐振器主要由三部分组成：衬底、声波反射层、以及由上下电极和夹于上下电极之间的压电薄膜构成的三明治压电振荡堆。其结构可分为空腔型、体硅刻蚀型和固态装配型(SMR)，固态装配型的基础就是布拉格反射层，是通过在硅衬底上生长了若干四分之一波长厚度的低、高声阻抗膜层，即，高低声阻抗膜采用的是交替叠加的方式。大量的声波会在高低声阻抗膜的交界面上发生反射，且反射波因为高低声阻抗膜的厚度是声波波长的四分之一而产生相位叠加，多次反射叠加后会实现近似的全反射效果。层数越多反射系数越多，制得的器件品质因数(Q值)也越高。一般来讲，要达到较高的Q值需要5-7层反射层。通常情况下采用高阻抗材料钨(W)和低阻抗材料SiO2或Mo作为布拉格反射层，这几种材料都是标准CMOS工艺常用材料，有很高的集成度。
为了改善主流工艺存在的问题，现有技术中一般只是在顶电极200上添加一层负载层100来减少寄生电容，进而提高品质因数，但是，在生产工艺过程中仍然存在部分寄生电容。
为此，本发明实施例提供一种新型的固态体声波谐振器，能够实现进一步抑制寄生效应的同时，还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，进一步提升Q值。具体的，如图3所示，本发明实施例的固态体声波谐振器包括从上至下依次层叠设置的负载层100、顶电极200、压电薄膜300、底电极400、布拉格反射层500、键合层600以及支撑衬底700，其中，负载层100的中部镂空以使负载层100呈环形，顶电极200正对负载层100的镂空处设置有槽结构，以使顶电极200形成多层调整层210。
通过单阶负载层100抑制寄生电容的产生，再通过具有多层调整层210的顶电极200进一步减少寄生效应，同时还可以减少声波的泄露，对声波能量进行约束，进一步提升Q值，多层调整层210还可以抑制多种杂波导致的寄生现象，在后续以此为基础制备的滤波器、双工器、传感器等相关器件具有更优异的性能。使用键合层600将布拉格反射层500与支撑衬底700键合连接，相对来说键合层600可以充当一个高阻层，抑制声波穿过，不影响谐振器本身的谐振性能。
进一步的，调整层210呈盘形且依次层叠，多层调整层210的直径从上至下逐渐减小，其中，调整层210中心轴与负载层100的中心轴同轴，多层调整层210依次层叠的结构设置能进一步减少寄生效应，还可以减少声波的泄漏，对声波能量进行约束，进一步提升Q值，而多层调整层210的直径从上至下逐渐减小，可以有效抑制多种杂波导致的寄生现象，调整层210中心轴与负载层100的中心轴同轴，使得整个顶电极200的整体结构对称便于声波的传播。
在一些实施例中，调整层210的厚度大小为40～400nm，调整层210的边缘相距负载层100的内侧的垂直距离在1～7μm，每层调整层210的厚度宽度大小不同，所以能够抑制不同厚度压电薄膜300引起不同波长的兰姆波，压电薄膜300厚度越大，兰姆波波长越大，调整层210厚度宽度应相应增加，如1000nm厚的压电薄膜300大致每层调整层210的厚度在200nm，宽度4μm，以便能够更好地抑制对应波长的兰姆波。需说明的是，所有的调整层210的厚度总和不应超过顶电极200的厚度的四分之三。
其中，负载层100、顶电极200以及底电极400的材质均为钼，负载层100的厚度在40～400nm，顶电极200的厚度在100～400nm，负载层100的厚度应小于顶电极200的厚度的一半。
优选的，键合层600的材质为硅或者氧化硅，键合层600的厚度在60～400nm。
而压电薄膜300的材质优选为单晶氮化铝。
本发明申请还提供一种上述固态体声波谐振器的制作方法，具体包括如下步骤：
制备材质为蓝宝石的转移衬底800，完成后，在经过标准的RCA清洗烘干并在850℃氮气氛围下退火1h的转移衬底800的表面沉积单晶氮化铝层以形成压电薄膜300，压电薄膜300的厚度根据实际应用的频率范围决定，这里不做进一步的限定。
进一步的，形成压电薄膜300的过程包括：在三甲基铝(TMA)流量为45-60sccm(标准状态毫升/分)，NH3流量为2-5slm(标准状态升/分)，Ar流量为0.5-1.5slm，衬底温度为750-1000℃，反应室总压为35-45Tor的参数下由MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)沉积获得，其沉积分为两步进行，首先是沉积5-10nm单晶氮化铝层成主核层，接下来沉积较厚厚度的单晶氮化铝层，厚度由固态体声波谐振器最终要实现的工作频率决定。
上述完成后，使用射频磁控溅射***，用纯钼靶(纯度99.999％)在压电薄膜300的表面溅射沉积底电极400，底电极400的厚度范围应控制在100～400nm。
接着使用射频磁控溅射***在底电极400上沉积布拉格反射层500，布拉格反射层500主要包括二氧化硅反射层和钨反射层，本实施例的布拉格反射层500主要由3层钨反射层和2层二氧化硅反射层交替沉积而成，其中，二氧化硅反射层作为低声阻抗层，钨反射层作为高声阻抗层，每层二氧化硅反射层或每层钨反射层的厚度为对应频率声波波长的1/4，其中，布拉格反射层500与底电极400接壤的一层为钨反射层，上述步骤完成后得到如图1所示的层结构示意图。
进行如图2所示的层结构制作时，在布拉格反射层500远离底电极400的一侧制备一层厚度在30～200nm之间的键合层600，然后单独制作由硅材料制成的支撑衬底700，在经过标准的RCA清洗并烘干的支撑衬底700的表面也制备一层厚度在30～200nm之间的键合层600，将支撑衬底700上的键合层600倒装于布拉格反射层500上的键合层600，通过Si-Si或SiO2-SiO2键将两层键合层600键合为一体，从而完成布拉格反射层500与支撑衬底700的键合连接，其中，键合层600的厚度应控制在60～400nm之间。
上述完成后，通过机械减薄和干法刻蚀两步工艺将转移衬底800去除，露出单晶氮化铝压电薄膜300，然后压电薄膜300远离底电极400的一侧沉积金属钼以形成顶电极200，顶电极200的厚度在100～400nm，在顶电极200远离压电薄膜300的一侧沉积负载层100，接着采用光刻工艺对压电薄膜300进行图形化处理，采用刻蚀工艺对负载层100进行图形化处理，以使负载层100呈环形，最后对顶电极200进行多次刻蚀环状的槽结构，以形成多层调整层210。
最后形成如图3所示的支撑衬底700、键合层600、布拉格反射层500、底电极400、压电薄膜300、顶电极200以及负载层100依次层叠的结构，最终形成固态体声波谐振器。与现有制备方法相比，大大提高了压电薄膜300的晶体质量。现有固态装配型体声波谐振器制备方法是在布拉格反射层500上沉积C轴择优取向多晶压电薄膜300，而本发明提出的制备方法则在支撑衬底700上直接外延生长高质量单晶压电薄膜300，通过改善压电薄膜300的晶体质量来提高谐振器的品质因数和有效机电耦合系数。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种固态体声波谐振器，其特征在于：包括从上至下依次层叠设置的负载层(100)、顶电极(200)、压电薄膜(300)、底电极(400)、布拉格反射层(500)、键合层(600)以及支撑衬底(700)，其中，所述负载层(100)的中部镂空以使所述负载层(100)呈环形，所述顶电极(200)正对所述负载层(100)的镂空处设置有槽结构，以使所述顶电极(200)形成多层调整层(210)。
2.根据权利要求1所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述调整层(210)呈盘形且依次层叠，多层所述调整层(210)的直径从上至下逐渐减小，其中，所述调整层(210)中心轴与所述负载层(100)的中心轴同轴。
3.根据权利要求2所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述调整层(210)的厚度大小为40～400nm。
4.根据权利要求2所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述调整层(210)的边缘相距所述负载层(100)的内侧的垂直距离在1～7μm。
5.根据权利要求2所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所有的所述调整层(210)的厚度总和不超过所述顶电极(200)的厚度的四分之三。
6.根据权利要求1所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述负载层(100)、所述顶电极(200)以及所述底电极(400)的材质均为钼，所述负载层(100)的厚度在40～400nm，所述顶电极(200)的厚度在100～400nm。
7.根据权利要求6所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述负载层(100)的厚度小于所述顶电极(200)的厚度的一半。
8.根据权利要求1所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述键合层(600)的材质为硅或者氧化硅，所述键合层(600)的厚度在60～400nm。
9.根据权利要求1所述的固态体声波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜(300)的材质为单晶氮化铝。
10.一种制作方法，用于制作权利要求1至9中任一所述的固态体声波谐振器，其特征在于，包括如下步骤：
制备材质为蓝宝石的转移衬底(800)；
在转移衬底(800)的表面沉积压电薄膜(300)；
使用射频磁控溅射***在压电薄膜(300)的表面溅射沉积底电极(400)；
使用射频磁控溅射***在底电极(400)上沉积布拉格反射层(500)；
在布拉格反射层(500)的表面制备一层厚度在30～200nm之间的键合层(600)，制作由硅材料制成的支撑衬底(700)，并在支撑衬底(700)的表面制备一层厚度在30～200nm之间的键合层(600)，通过倒装键合的方式将布拉格反射层(500)上的键合层(600)与支撑衬底(700)上的键合层(600)键合为一体；
去除转移衬底(800)，在压电薄膜(300)远离底电极(400)的一侧沉积顶电极(200)，在顶电极(200)远离压电薄膜(300)的一侧沉积负载层(100)，采用光刻工艺对压电薄膜(300)进行图形化处理，采用刻蚀工艺对负载层(100)进行图形化处理，以使负载层(100)呈环形，对顶电极(200)进行多次刻蚀，以形成多层调整层(210)。
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