CN117375572A - 一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器及制备方法，属于薄膜体声波滤波器工艺技术领域。所述薄膜体声波滤波器包括衬底，在所述衬底的中央开设有空腔，在衬底上依次制备下电极、压电层、上电极、保护层以及焊盘引线；在保护层上方设置有凹凸温补层，凹凸温补层为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。本发明的凹凸温补层形成了跳台阶梯式的结构，不仅能够让凹陷层的厚度增加，可减小工艺难度，提高膜厚的精度，进而提高薄膜体声波滤波器的高频性能。还能够实现二次抑制杂波的效果，进一步减小通带的杂波，提高带宽。
Description
技术领域
本专利涉及一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器(FBAR)及制备方法，属于薄膜体声波滤波器工艺技术领域。
背景技术
随着移动通信对高频、高性能、小体积的滤波器提出了迫切需求。薄膜体声波滤波器在射频前端中，用于对射频信号进行隔离、选通，限定发射机在其工作频带内的辐射信号，同时阻止接收噪声信号的干扰，是射频***中的关键器件，因此，对薄膜体声波滤波器的通带杂波、带宽、损耗和频率温度系数都提出了更高要求。
微声薄膜体声波滤波器的工作原理是：当电信号施加到换能器上后，因压电薄膜的逆压电效应，电信号被转换为声信号，声信号分别朝换能器的上下方向传播，由空气或其它结构形成的反射界面对声信号进行反射；声波在纵向传播的同时也存在部分横向传播，使声波能量泄漏，增大损耗的同时也恶化通带形貌。微声薄膜体声波滤波器的频率是由压电薄膜材料的声速和薄膜厚度决定，声速越高、薄膜厚度越薄，滤波器工作频率越高；而压电薄膜材料国际上主要采用氮化铝压电薄膜，其声速已固定，因此频率越高，薄膜的厚度就越薄。微声薄膜体声波滤波器是由如图1所示的串并联谐振器组成，串并联谐振器的薄膜厚度差，形成不同频率的阻抗特性，组成滤波器。
然而，目前薄膜体声波滤波器常用的电极薄膜材料为Mo，由于频率越高，薄膜的厚度就越薄，并联谐振器的电极加厚层也较薄，相应的，并联谐振器的电极加厚层就更薄(几纳米)，使得薄膜的精度难以控制，加大了工艺难度，导致滤波器的性能不能满足要求。
基于上述问题，申请人在2020年提出了一种薄膜体声波滤波器的膜层结构及其制备方法CN111277240A，其在并联谐振器的保护层上制作加厚层氮化硅(或AlN，低质量密度的材料)，可使薄膜体声波滤波器的并联加厚层较原有厚度的基础上增加3～4倍。然而，申请人发现这种结构存在横向能量泄漏的问题，导致出现横波能量损耗甚至出现杂波，同时还具有较大的频率温度系数(-25～-30ppm/℃)。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器及制备方法，为了减小横向的声波能量泄漏，本发明在保护层上增加凹凸层结构来抑制横向的声波，来减小损耗和杂波，从而提高带宽。为了降低工艺难度和提高薄膜厚度的精度，本发明采用质量密度较小的温补材料作为凹凸层结构，可将凹凸层结构的薄膜厚度增加数倍，更好的抑制横向杂波，进一步降低高频滤波器的损耗和频率温度系数，提高性能。同时，本发明保护层采用正频率温度系数的SiO2薄膜替代负频率温度系数的AlN薄膜；在保护层上制作凹凸温补层薄膜结构，仍然可使薄膜体声波滤波器的并联加厚层增加3～4倍。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
在本发明的第一方面，本发明提供了一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，包括衬底，在所述衬底的中央开设有空腔，在所述衬底上依次制备下电极、压电层、上电极、保护层以及焊盘引线；在所述保护层上方设置有凹凸温补层，所述凹凸温补层为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
进一步的，所述保护层采用二氧化硅。
进一步的，所述凹凸温补层采用二氧化硅。
进一步的，各凸起层的宽度为0.5～20μm，各凹陷层的宽度为0.1～20μm。
进一步的，所述第一凸起层的厚度为30～700nm，所述第二凸起层的厚度为30～500nm，所述第三凸起层的厚度为30～300nm。
进一步的，所述第一凹陷层和所述第二凹陷层的厚度为20～100nm。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器的制备方法，所述方法包括：
步骤1)在衬底上制备出空腔；
步骤2)通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出下电极；
步骤3)对下电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的下电极图形；
步骤4)在所述下电极图形上通过交流磁控溅射镀膜方式，采用氮化铝材料制备出压电层；
步骤5)在压电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出上电极；
步骤6)对上电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的上电极图形；
步骤7)在所述上电极图形上通过等离子体增强化学气相沉积方式，制备保护层；
步骤8)通过高密度等离子体化学气相沉积方式，生长温补层；
步骤9)通过光刻和刻蚀出所需要的凹凸层图形，所述凹凸层图形为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
进一步的，所述步骤8)的制备条件包括在氮气流量为1000～3000sccm、硅烷流量为10～30sccm、氧化亚氮流量为1000～3000sccm、氩气流量为500～2000sccm的条件下进行。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在不改变滤波器性能的情况下，保护层采用正频率温度系数的SiO2薄膜代替负频率温度系数的AlN薄膜，可降低滤波器的频率温度系数，同时降低设计难度。
(2)本发明在保护层上制备凹凸层结构，凹凸层采用具有正频率温度系数和低密度的SiO2薄膜，可以增加凹凸层的厚度，同时降低频率温度系数。在高频时采用高密度Mo薄膜的凹陷层厚度只有几纳米，而本发明采用低密度SiO2薄膜的凹陷层厚度可达几十纳米，可减小工艺难度，提高膜厚的精度，进而提高薄膜体声波滤波器的高频性能。
(3)本发明采用的结构是在保护层上制作凹凸层，可避免对电极和薄膜体声波滤波器性能的影响，同时可起到抑制杂波的作用，减小通带波动，增加带宽，降低通带损耗。
附图说明
图1是传统薄膜体声波滤波器的电路结构示意图；
图2是传统薄膜体声波滤波器的示意图；
图3是本发明实施例的带凹凸层的薄膜体声波滤波器示意图；
图4是常规结构和本发明实施例带有凹凸结构的性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本薄膜体声波滤波器的电路结构如图1所示，膜厚结构如图3所示，从图3中可以看出，所述薄膜体声波滤波器包括衬底在所述衬底的中央开设有空腔，在所述衬底上依次制备下电极、压电层、上电极、保护层以及焊盘引线；在所述保护层上方设置有凹凸温补层，所述凹凸温补层为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
在本发明实施例中，所述衬底可以是堆叠有硅的衬底。例如，硅晶圆被用作衬底。在衬底上开设有一空腔，所述下电极设置在衬底上并且面向所述空腔，也即是所述下电极设置在衬底上，且部分地设置在空腔的上方。
在本发明实施例中，所述下电极可以由诸如钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)或者钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)的合金的导电材料形成。此外，下电极被用作输入诸如射频(RF)信号的电信号的输入电极和输出电极之一。例如，在下电极为输入电极的情况下，上电极为输出电极，在下电极为输出电极的情况下，上电极为输入电极。
在本发明实施例中，所述压电层被形成为至少部分地覆盖下电极。此外，压电层将通过下电极或者上电极输入的信号转换为其他信号。所述压电层可通过沉积氮化铝、掺杂的氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅形成。此外，在压电层由氮化铝(AlN)形成的情况下，压电层还可包含稀土金属。作为示例，稀土金属包括钪(Sc)、铒(Er)、钇(Y)和镧(La)中的至少一种。另外，氮化铝(AlN)压电层还可包含过渡金属。过渡金属可包括锆(Zr)、钛(Ti)、锰(Mn)和铪(Hf)中的至少一种。
在本发明实施例中，所述上电极被形成为至少部分地覆盖压电层，并且与所述下电极类似，所述上电极仍然可以由诸如钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)或者钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)的合金的导电材料形成。此外，上电极被用作输入诸如射频(RF)信号的电信号的输入电极和输出电极之一。例如，在上电极为输入电极的情况下，下电极为输出电极，在上电极为输出电极的情况下，下电极为输入电极。
在本发明实施例中，所述保护层设置在所述上电极的上方，能够防止对其下方的层级结构的破坏，常规膜层结构中，所述保护层采用负频率温度系数的AlN薄膜，而在本发明中，所述保护层采用正频率温度系数的SiO2薄膜代替负频率温度系数的AlN薄膜，可降低滤波器的频率温度系数，同时降低设计难度。除此以外，在上电极上生长保护层不会影响压电层的取向和有效机电耦合系数，可降低对薄膜体声波滤波器性能的影响。
在本发明实施例中，所述凹凸温补层被形成为至少部分地覆盖保护层，本发明在保护层上制备凹凸层结构，所述凹凸层结构由外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层构成，本实施例的凹凸温补层形成了跳台阶梯式的结构，在两个凸起层中穿插凹陷层，在两个凹陷层中穿插凸起层，这种方式不仅能够让凹陷层的厚度增加，可减小工艺难度，提高膜厚的精度，进而提高薄膜体声波滤波器的高频性能。还能够实现二次抑制杂波的效果，进一步减小通带的杂波，提高带宽。
在传统结构中，一般是采用高密度Mo薄膜作为加厚层，本发明的凹凸层采用具有正频率温度系数和低密度的SiO2薄膜，可以增加凹凸层的厚度，同时降低频率温度系数。在高频时采用高密度Mo薄膜的凹陷层厚度只有几纳米，而采用低密度SiO2薄膜的凹陷层厚度可达几十纳米，可减小工艺难度，提高膜厚的精度，进而提高滤波器的高频性能。
抑制横向杂波的凹凸层结构就更薄，使工艺难度加大；而薄膜厚度太薄，精度就很难控制，导致凹凸层结构(尤其是凹陷层)的薄膜厚度不准确，不但不能抑制杂波，还会导致滤波器的性能恶化。
作为示例，各凸起层的宽度d1为0.5～20μm，各凹陷层的宽度d2为0.1～20μm。
作为示例，所述第一凸起层的厚度为30～700nm，所述第二凸起层的厚度为30～500nm，所述第三凸起层的厚度为30～300nm。通过这种厚度和宽度设置，能够抑制横向的声波，将横波能量束缚在内，减少横波能量损耗和杂波产生。
在本发明实施例中，所述第一凹陷层和所述第二凹陷层的厚度为20～100nm。本发明的凹陷层厚度可以达几十纳米，可减小工艺难度，提高膜厚的精度，进而提高薄膜体声波滤波器的高频性能。
在一些优选实施例中，可以在所述衬底上设置一层牺牲层，所述牺牲层防止在形成空腔时对所述衬底的损坏。作为示例，所述牺牲层由包含氮化硅或二氧化硅(SiO2)的材料形成。所述牺牲层可通过卤化物基蚀刻气体去除。与所述牺牲层对应于滤波器中央部分的空腔部分相比，围绕空腔部分的牺牲层更容易被更进一步蚀刻。
常规结构和凹凸结构滤波器性能对比如图4所示。常规结构滤波器的1dB带宽为5.6MHz，顶部损耗为1.4dB，频率温度系数为-25～-30ppm/℃；凹凸结构滤波器的1dB带宽为26.4MHz，顶部损耗为1.1dB，频率温度系数为-2～-15ppm/℃。采用SiO2薄膜作为保护层和凹凸层结构后，滤波器的带宽增加4.7倍，可大大降低损耗和频率温度系数。
在半导体常用材料中，Mo的密度为10280kg/m3，声速为6214m/s；SiO2的密度为2000kg/m3，声速为6253m/s，在相同频率的条件下，SiO2厚度为Mo厚度的3～4倍。Mo-AlN-Mo-AlN结构的频率温度系数为-25～-30ppm/℃，SiO2的频率温度系数为+85ppm/℃，本发明在保护层上用SiO2替代AlN后可大大降低滤波器的频率温度系数。
基于上述新膜层结构，本发明提供一种新的薄膜体声波滤波器膜层结构和工艺方法，工艺步骤如下：
步骤1)在衬底上制备出空腔；
步骤2)通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出下电极；
步骤3)对下电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的下电极图形；
步骤4)在所述下电极图形上通过交流磁控溅射镀膜方式，采用氮化铝材料制备出压电层；
步骤5)在压电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出上电极；
步骤6)对上电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的上电极图形；
步骤7)在所述上电极图形上通过等离子体增强化学气相沉积方式，制备保护层；
步骤8)通过高密度等离子体化学气相沉积方式，生长温补层；
步骤9)通过光刻和刻蚀出所需要的凹凸层图形，所述凹凸层图形为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
在本发明的优选实施例中，本发明还可以包括如下步骤：
(1)在硅晶圆上制备出空腔，通过直流磁控溅射镀膜的方式制备下电极100～350nm。再经过光刻和刻蚀，得到所需要的下电极图形制作工艺：
(2)得到所需要的下电极图形后，在下电极图形上通过交流磁控溅射镀膜方式制备压电层薄膜AlN 300～2000nm，制备出的压电薄膜c轴取向较好和应力较小。
(3)在压电层薄膜上通过直流磁控溅射镀膜的方式制备上电极100～600nm，通过光刻和刻蚀，得到所需要的上电极图形。
(4)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式生长SiO2保护层30～700nm，通过光刻和刻蚀出所需要的凹凸层图形。
(5)其中d1的尺寸为0.5～20μm，d2的尺寸为0.1～20μm。
本膜层结构工艺采用硅晶圆作为衬底材料，首先在衬底上先挖出空腔，再在衬底和空腔上依次下电极、压电层、上电极、保护层和凹凸层，最后再制备焊盘引线电极，通过焊盘引线电极得到薄膜体声波滤波器的性能。
本发明采用SiO2作为保护层和凹凸层，提高了滤波器的频率温度特性，还可大大降低薄膜体声波滤波器薄膜制备的工艺难度，增加凹凸层的厚度，最薄凹陷层厚度从几纳米提高到几十纳米。凹陷层薄膜的厚度增加，降低滤波器的设计难度，同时增加了薄膜的可制造性；凹陷层的厚度增加后，薄膜的精度也更易控制，对抑制杂波的效果也更佳，滤波器的通带波动更小，同时增加带宽。通带带宽增加提高了滤波器的矩形度，减小进入接收机的干扰信号，提高整机信噪比和装备灵敏度；同时，滤波器在恶劣环境下工作时可保持性能不变。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器包括衬底，在所述衬底的中央开设有空腔，在所述衬底上依次制备下电极、压电层、上电极、保护层以及焊盘引线；其特征在于，在所述保护层上方设置有凹凸温补层，所述凹凸温补层为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
2.根据权利要求1所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述保护层采用二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述凹凸温补层采用二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，其特征在于，各凸起层的宽度为0.5～20μm，各凹陷层的宽度为0.1～20μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述第一凸起层的厚度为30～700nm，所述第二凸起层的厚度为30～500nm，所述第三凸起层的厚度为30～300nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述第一凹陷层和所述第二凹陷层的厚度为20～100nm。
7.一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1)在衬底上制备出空腔；
步骤2)通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出下电极；
步骤3)对下电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的下电极图形；
步骤4)在所述下电极图形上通过交流磁控溅射镀膜方式，采用氮化铝材料制备出压电层；
步骤5)在压电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式，制备出上电极；
步骤6)对上电极经过光刻和刻蚀，得到所需要的上电极图形；
步骤7)在所述上电极图形上通过等离子体增强化学气相沉积方式，制备保护层；
步骤8)通过高密度等离子体化学气相沉积方式，生长温补层；
步骤9)通过光刻和刻蚀出所需要的凹凸层图形，所述凹凸层图形为从外到内相连接的第一凸起层、第一凹陷层、第二凸起层、第二凹陷层和第三凸起层，且第一凸起层、第二凸起层、第三凸起层的厚度依次递减。
8.根据权利要求7所述的一种具有凹凸温补层结构的薄膜体声波滤波器的制备方法，其特征在于，所述步骤8)的制备条件包括在氮气流量为1000～3000sccm、硅烷流量为10～30sccm、氧化亚氮流量为1000～3000sccm、氩气流量为500～2000sccm的条件下进行。
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