CN117254784B - 一种薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于半导体材料及电子通讯装置技术领域，公开了一种薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法，薄膜体声波谐振器包括从下到上依次层叠的衬底、声反射镜、底电极、压电薄膜和顶电极，底电极与顶电极之间连接有上下电极连接层，底电极的顶部边缘还设置有围绕压电薄膜和顶电极的键合层，键合层的顶部盖接有WLP封装层，WLP封装层顶部设置有与键合层电连接的金属电极，金属电极包括第一金属层、第二金属层以及位于第一金属层和第二金属层之间的导电阻挡层；导电阻挡层把第一金属层和第二金属层分隔，并用于阻挡第一金属层和第二金属层互融；从而能够改善金属电极中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体材料及电子通讯装置技术领域，具体而言，涉及一种薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种新型的射频器件，具有极佳的品质因数Q值和可集成于IC芯片上的优点，并能与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺进行兼容，可以有效地避免声表面波谐振器和介质谐振器无法与CMOS工艺兼容的问题。
薄膜体声波谐振器的核心结构是由声学镜-电极-压电层-电极构成的压电振荡堆结构，其工作原理是当电信号通过两端电极上时，由于材料的逆压电效应，会将电信号转化成机械振动，机械振动以声波的形式在压电薄膜内传播，当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，以实现电信号的谐振功能。目前，薄膜体声波谐振器中用于接线或植球的金属电极通常包括多个不同的金属层，各金属层之间容易出现互融，导致连接线或植球掉落。
发明内容
本申请的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法，能够改善金属电极中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性。
第一方面，本申请提供了一种薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次层叠的衬底、声反射镜、底电极、压电薄膜和顶电极，所述声反射镜位于所述压电薄膜的正下方，所述底电极与所述顶电极之间连接有上下电极连接层，所述底电极的顶部边缘还设置有围绕所述压电薄膜和所述顶电极的键合层，所述键合层的顶部盖接有WLP（晶片级封装）封装层，所述WLP封装层顶部设置有与所述键合层电连接的金属电极，所述金属电极包括位于内侧的第一金属层、位于外侧的第二金属层以及位于所述第一金属层和所述第二金属层之间的导电阻挡层；所述导电阻挡层把所述第一金属层和所述第二金属层分隔，并用于阻挡所述第一金属层和所述第二金属层互融。
由于在金属电极的第一金属层和第二金属层之间设置导电阻挡层来阻挡第一金属层和第二金属层互融，能够改善金属电极中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性。
优选地，所述第一金属层包括Ti和Cu。
优选地，所述第二金属层为AlSiCu层。
优选地，所述导电阻挡层包括钛、氮化钛和钛钨合金中的至少一种。
从而导电阻挡层能够有效阻挡第一金属层和第二金属层中的铜扩散互融。
优选地，所述导电阻挡层的厚度为100nm-500nm。
优选地，所述声反射镜为空腔或布拉格反射层。
优选地，所述压电薄膜包括PZT、AlN、GaN、ZnO、CdS和LiNbO3中的至少一种。
优选地，所述顶电极和所述底电极包括钼、钨、金、铝、银和钛中的至少一种。
第二方面，本申请提供了一种金属电极制备方法，用于制备前文所述薄膜体声波谐振器中的所述金属电极，包括步骤：
A1.在所述WLP封装层的连通所述键合层的通孔处制备一层所述第一金属层；
A2.通过磁控溅射在所述第一金属层上覆盖一层所述导电阻挡层；
A3.通过磁控溅射在所述导电阻挡层上覆盖一层所述第二金属层，得到所述金属电极。
优选地，步骤A1包括：
在所述WLP封装层的连通所述键合层的通孔处通过磁控溅射生长一层钛和铜的混合层；
在所述钛和铜的混合层上电镀一层铜层。
先生长一层钛和铜的混合层，该钛和铜的混合层能够提高铜层与WLP封装层之间的连接可靠性。
有益效果：本申请提供的薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法，在金属电极的第一金属层和第二金属层之间设置导电阻挡层来阻挡第一金属层和第二金属层互融，能够改善金属电极中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图2为金属电极的结构示意图。
图3为未制备金属电极时的薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的金属电极制备方法的流程图。
标号说明：1、衬底；2、声反射镜；3、底电极；4、压电薄膜；5、顶电极；6、上下电极连接层；7、键合层；8、WLP封装层；801、通孔；9、金属电极；901、第一金属层；9011、钛和铜的混合层；9012、铜层；902、第二金属层；903、导电阻挡层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1、图2，本申请一些实施例中的一种薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次层叠的衬底1、声反射镜2、底电极3、压电薄膜4和顶电极5，声反射镜2位于压电薄膜4的正下方，底电极3与顶电极5之间连接有上下电极连接层6，底电极3的顶部边缘还设置有围绕压电薄膜4和顶电极5的键合层7，键合层7的顶部盖接有WLP封装层8，WLP封装层8顶部设置有与键合层7电连接的金属电极9，金属电极9包括位于内侧的第一金属层901、位于外侧的第二金属层902以及位于第一金属层901和第二金属层902之间的导电阻挡层903；导电阻挡层903把第一金属层901和第二金属层902分隔，并用于阻挡第一金属层901和第二金属层902互融。
由于在金属电极9的第一金属层901和第二金属层902之间设置导电阻挡层903来阻挡第一金属层901和第二金属层902互融，能够改善金属电极9中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性。
其中，金属电极9的内侧是指靠近WLP封装层8的一侧，外侧是指远离WLP封装层8的一侧。金属电极9用于接线或植球。
在一些实施方式中，第一金属层901包括Ti和Cu。能够提高第二金属层902和导电阻挡层903与硅片（即WLP封装层8）之间的粘附性。
在一些实施方式中，第二金属层902为AlSiCu层。能够增强第一金属层901和导电阻挡层903之间的粘附性。
在一些实施方式中，导电阻挡层903包括钛、氮化钛和钛钨合金中的至少一种。从而导电阻挡层903能够有效阻挡第一金属层901和第二金属层902中的铜扩散互融，从而保证金属电极9中各层金属之间的连接可靠性。
在一些优选实施方式中，见图2，第一金属层901包括位于内侧的钛和铜的混合层9011以及位于外侧的铜层9012。通过钛和铜的混合层9011能够提高铜层9012与WLP封装层8之间的连接可靠性，防止金属脱落。
其中，钛和铜的混合层9011的厚度为3.2-3.6μm；铜层9012的厚度为3.0-3.4μm 。优选地，钛和铜的混合层9011的厚度为3.4μm ，铜层9012的厚度为3.2μm 。
其中，导电阻挡层903的厚度为100nm-500nm。优选为200nm。
其中，第二金属层902的厚度为1000nm -1400nm。优选为1200nm。
在一些实施方式中，见图2、图3，WLP封装层8上设置有连通键合层7的通孔801（可以是孔或槽），第一金属层901、第二金属层902和导电阻挡层903均包括位于通孔801中的竖直部分和位于WLP封装层8顶面的水平部分，该竖直部分均与键合层7相连。从而保证金属电极9与键合层7之间能够可靠导电。
其中，键合层7可导电，键合层7可以但不限于是Au/Sn、Au/Au、Au /Cu等金属间化合物或二氧化硅。
在本实施例中，声反射镜2为空腔或布拉格反射层（布拉格反射层由高低声阻抗交叠而成）。例如图1中，声反射镜2为空腔，该空腔开设在衬底1顶部正对压电薄膜4的位置。
其中，衬底1为高阻硅、铌酸锂或蓝宝石。
其中，压电薄膜4为具有压电效应的薄膜材料，其包括PZT、AlN、GaN、ZnO、CdS和LiNbO3中的至少一种。
其中，压电薄膜4的厚度为300nm-1200nm，具体厚度需根据产品频段进行选择。
其中，顶电极5和底电极3包括钼、钨、金、铝、银和钛中的至少一种。上下电极连接层6为导电层，其包括钼、钨、金、铝、银和钛中的至少一种。
其中，顶电极5和底电极3的厚度为200nm-300nm；上下电极连接层6的厚度为1.4μm。
参考图4，本申请提供了一种金属电极制备方法，用于制备前文薄膜体声波谐振器中的金属电极9，包括步骤：
A1.在WLP封装层8的连通键合层7的通孔801处制备一层第一金属层901；
A2.通过磁控溅射在第一金属层901上覆盖一层导电阻挡层903；
A3.通过磁控溅射在导电阻挡层903上覆盖一层第二金属层902，得到金属电极9。
其中，在步骤A1之前，先把衬底1、声反射镜2、底电极3、压电薄膜4、顶电极5、上下电极连接层6、键合层7和WLP封装层8装配好，得到薄膜体声波谐振器半成品，然后再通过步骤A1-步骤A3在该薄膜体声波谐振器半成品上制备金属电极9。
优选地，步骤A1包括：
在WLP封装层8的连通键合层7的通孔801处通过磁控溅射生长一层钛和铜的混合层9011；
在钛和铜的混合层9011上电镀一层铜层9012。
先生长一层钛和铜的混合层9011，该钛和铜的混合层9011能够提高铜层9012与WLP封装层8之间的连接可靠性。此外，选择电镀方法生成铜层9012，其优点在于能大批量制作并降低成本。
在一个具体实施例中，薄膜体声波谐振器的衬底1为高阻硅；压电薄膜4为1.1μm厚的多晶AlN薄膜；底电极3与顶电极5均为270nm厚的金属钼电极；上下电极连接层6是为1200nm厚的金；WLP封装层8是高阻硅；其金属电极9在制备时，先通过PVD机台磁控溅射生长100nm厚的钛和铜的混合层9011，然后在钛和铜的混合层9011上电镀一层2.5μm厚的铜层9012，接着在铜层9012表面溅射200nm-500nm厚的Ti或TiW的导电阻挡层903，最后在导电阻挡层903表面溅射1200nm厚的AlSiCu的第二金属层902。
综上所述，该薄膜体声波谐振器及其金属电极制备方法，在金属电极9的第一金属层901和第二金属层902之间设置导电阻挡层903，能够有效阻挡第一金属层901和第二金属层902互融，从而能够改善金属电极9中不同金属层互融的情况，提高薄膜体声波谐振器与外部电路的连接可靠性，而且其工艺难度低，实现了低成本改善金属电极9中不同金属层互融。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括从下到上依次层叠的衬底（1）、声反射镜（2）、底电极（3）、压电薄膜（4）和顶电极（5），所述声反射镜（2）位于所述压电薄膜（4）的正下方，所述底电极（3）与所述顶电极（5）之间连接有上下电极连接层（6），所述底电极（3）的顶部边缘还设置有围绕所述压电薄膜（4）和所述顶电极（5）的键合层（7），所述键合层（7）的顶部盖接有WLP封装层（8），所述WLP封装层（8）顶部设置有与所述键合层（7）电连接的金属电极（9），所述金属电极（9）包括位于内侧的第一金属层（901）、位于外侧的第二金属层（902）以及位于所述第一金属层（901）和所述第二金属层（902）之间的导电阻挡层（903）；所述导电阻挡层（903）把所述第一金属层（901）和所述第二金属层（902）分隔，并用于阻挡所述第一金属层（901）和所述第二金属层（902）互融；
所述键合层（7）可导电；
所述第一金属层（901）包括Ti和Cu；
所述第二金属层（902）为AlSiCu层；
所述导电阻挡层（903）包括钛、氮化钛和钛钨合金中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述导电阻挡层（903）的厚度为100nm-500nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声反射镜（2）为空腔或布拉格反射层。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜（4）包括PZT、AlN、GaN、ZnO、CdS和LiNbO3中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极（5）和所述底电极（3）包括钼、钨、金、铝、银和钛中的至少一种。
6.一种金属电极制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5任一项所述薄膜体声波谐振器中的所述金属电极（9），包括步骤：
A1.在所述WLP封装层（8）的连通所述键合层（7）的通孔（801）处制备一层所述第一金属层（901）；
A2.通过磁控溅射在所述第一金属层（901）上覆盖一层所述导电阻挡层（903）；
A3.通过磁控溅射在所述导电阻挡层（903）上覆盖一层所述第二金属层（902），得到所述金属电极（9）。
7.根据权利要求6所述的金属电极制备方法，其特征在于，步骤A1包括：
在所述WLP封装层（8）的连通所述键合层（7）的通孔（801）处通过磁控溅射生长一层钛和铜的混合层（9011）；
在所述钛和铜的混合层（9011）上电镀一层铜层（9012）。
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