CN210444236U - Fbar滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种FBAR滤波器，FBAR滤波器包括：键合衬底，键合衬底一侧设置有与第一键合层键合连接的第二键合层，支撑层设置在第一键合层远离第二键合层的一侧；第一电极，第一电极设置在支撑层远离第一键合层的一侧，支撑层空腔贯穿支撑层、第二键合层且两端分别接触第一电极、键合衬底；压电薄膜，压电薄膜设置在第一电极远离支撑层一侧，电极上引结构贯穿压电薄膜与第一电极连接，顶电极设置在压电薄膜远离第一电极一侧，与电极上引结构部分连接；第一通孔，第一通孔贯穿键合衬底与支撑层空腔连接。本实用新型无需设置牺牲层，保留了压电薄膜的完整性，并且这种在键合衬底上开孔的结构设计，结构稳定，不易塌陷，可以很好的改善压电薄膜的品质。

Description

FBAR滤波器

技术领域

本实用新型涉及电子通讯装置技术领域，尤其涉及一种FBAR滤波器。

背景技术

无线通讯终端的多功能化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。传统的声表面波滤波器(SAW)在2.4GHz以上的高频段***损耗大，介质滤波器有很好的性能但是体积太大。薄膜体声波谐振器(FBAR)技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通信技术，尤其是个人无线通信技术的快速发展而出现的一种新的射频器件技术。它具有极高的品质因数Q值(1000以上)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 Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，同时有效地避免了声表面波谐振器和介质谐振器无法与CMOS工艺兼容的缺点。

FBAR的基本原理是基于压电材料的机械能和电能转换，因此其压电复合膜的品质因数影响了FBAR滤波器的损耗和滚降特性。通常FBAR滤波器如图1所示。它包括衬底、衬底上的空气腔、衬底上跨越空气腔依次制作底电极、压电层和顶电极。通常的工艺方法是：先在衬底上各向异性腐蚀出一个凹坑，然后在凹坑中填充牺牲层材料，牺牲层材料可以是Al、Mg、Ge或者二氧化硅。牺牲层表面经CMP抛光后溅射生长一层金属膜，对应在牺牲层上方的位置刻蚀出底电极图形。然后在底电极上方沉积一层压电膜，经刻蚀后，该压电膜盖过衬底上凹坑的边界，并且露出底电极的引出端，接下来在压电膜上沉积一层金属膜，刻蚀出顶电极图形。接下来通过干法刻蚀在压电层上刻蚀出一个释放窗口，将牺牲层部分露出来。最后从蚀刻出的释放窗口将牺牲层释放，衬底上跨过空气腔的FBAR就制作出来了，但这种牺牲层释放的方法会在压电层上留下很多释放通道孔，对压电薄膜损伤很大，导致空腔结构容易塌陷，且Q值和机电耦合系数低，***损耗大，影响器件的性能。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出一种FBAR滤波器，通过在键合衬底上开孔的结构设计，能够保持支撑层空腔结构稳定，不易塌陷，可以很好的改善压电薄膜的品质，降低滤波器的***损耗，提高了Q值和机电耦合系数，将成为适用于未来高频、高功率场合下射频滤波器的解决方案。

为解决上述问题，本实用新型采用的一个技术方案为：一种FBAR滤波器，所述FBAR滤波器包括：键合衬底，所述键合衬底一侧设置有与第一键合层键合连接的第二键合层，支撑层设置在第一键合层远离第二键合层的一侧；第一电极，所述第一电极设置在支撑层远离第一键合层的一侧，支撑层空腔贯穿所述支撑层、第二键合层且两端分别接触所述第一电极、所述键合衬底；压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述第一电极远离所述支撑层一侧，电极上引结构贯穿压电薄膜与第一电极连接，顶电极设置在压电薄膜远离第一电极一侧，与所述电极上引结构部分连接；第一通孔，所述第一通孔贯穿所述键合衬底与所述支撑层空腔连接。

进一步地，所述第一电极的数量为4个，通过所述支撑层间隔设置。

进一步地，所述电极上引结构的数量为2个，间隔设置，并分别与不同所述第一电极连接。

进一步地，所述顶电极包括第一顶电极、第二顶电极，所述第一顶电极靠近所述第二顶电极的一端与所述电极上引结构连接。

进一步地，所述压电薄膜的厚度为0.02微米至10微米。

进一步地，所述支撑层空腔和所述第一通孔的数量为2个，所述支撑层空腔与所述第一通孔一一对应并连通。

进一步地，所述第一电极与所述顶电极的厚度为20纳米至500纳米。

进一步地，所述第二键合层的厚度为0.3微米至3微米。

进一步地，所述第一通孔为圆形，孔径为2微米至30微米。

进一步地，所述FBAR滤波器包括10MHZ至100GHZ频率范围内的FBAR滤波器。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：本实用新型将第一键合层与第二键合层键合连接，从而在第一电极与键合衬底之间形成封闭空腔，并使第一通孔贯穿键合衬底与该封闭空腔连通，本实用新型的FBAR滤波器无需设置牺牲层，保留了压电薄膜的完整性，从而克服了在牺牲层去除的过程中对滤波器结构产生不良影响的问题，并且这种在键合衬底上开孔的结构设计，结构稳定，不易塌陷，可以很好的改善压电薄膜的品质，降低滤波器的***损耗，提高了Q值和机电耦合系数，将成为适用于未来高频、高功率场合下射频滤波器的解决方案。

附图说明

图1为现有的FBAR滤波器一实施例的示意图；

图2为本实用新型FBAR滤波器一实施例结构图；

图3为本实用新型FBAR滤波器中提高FBAR滤波器制备良率的方法一实施例的流程图；

图4为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在第一基板上形成压电薄膜一实施例的示意图；

图5为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在压电薄膜上形成第一电极一实施例的示意图；

图6为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一绝缘层一实施例的示意图；

图7为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第二绝缘层一实施例的示意图；

图8为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成支撑层一实施例的示意图；

图9为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一支撑层空腔一实施例的示意图；

图10为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一键合层一实施例的示意图；

图11为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在键合衬底上形成第二键合层一实施例的示意图；

图12为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在形成第一通孔一实施例的示意图；

图13为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第二支撑层空腔一实施例的示意图；

图14为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中将第一键合层与第二键合层键合连接一实施例的示意图；

图15为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中第一键合层与第二键合层键合连接一实施例的结构图；

图16为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中去除第一基板一实施例的示意图；

图17为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成电极上引孔一实施例的示意图；

图18为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成顶电极和电极上引结构一实施例的示意图；

图19为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成的FBAR滤波器一实施例的结构图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参阅图2-19，其中，图2为本实用新型FBAR滤波器一实施例结构图；图3为本实用新型FBAR滤波器中提高FBAR滤波器制备良率的方法一实施例的流程图；图4为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在第一基板上形成压电薄膜一实施例的示意图；图5为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在压电薄膜上形成第一电极一实施例的示意图；图6为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一绝缘层一实施例的示意图；图7为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第二绝缘层一实施例的示意图；图8为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成支撑层一实施例的示意图；图9为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一支撑层空腔一实施例的示意图；图10为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第一键合层一实施例的示意图；图11为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在键合衬底上形成第二键合层一实施例的示意图；图12为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中在形成第一通孔一实施例的示意图；图13为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成第二支撑层空腔一实施例的示意图；图14为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中将第一键合层与第二键合层键合连接一实施例的示意图；图15为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中第一键合层与第二键合层键合连接一实施例的结构图；图16为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中去除第一基板一实施例的示意图；图17为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成电极上引孔一实施例的示意图；图18为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成顶电极和电极上引结构一实施例的示意图；图19为图3提高FBAR滤波器制备良率的方法中形成的FBAR滤波器一实施例的结构图。结合图2-19对本实用新型的FBAR滤波器做详细说明。

在本实施例中，FBAR滤波器包括：键合衬底109，键合衬底109一侧设置有与第一键合层112键合连接的第二键合层108，支撑层106设置在第一键合层112远离第二键合层108的一侧；第一电极103，第一电极103设置在支撑层106远离第一键合层112的一侧，支撑层空腔贯穿支撑层106、第二键合层108且两端分别接触第一电极103、键合衬底109；压电薄膜101，压电薄膜101设置在第一电极103远离支撑层106一侧，电极上引结构115贯穿压电薄膜101与第一电极103连接，顶电极设置在压电薄膜101远离第一电极103一侧，与电极上引结构115部分连接；第一通孔111，第一通孔111贯穿键合衬底109与支撑层空腔连接。

在本实施例中，支撑层空腔和第一通孔111的数量为2个，支撑层空腔与第一通孔111一一对应并连通。

本实用新型的FBAR滤波器通过一种提高FBAR滤波器制备良率的方法制备得到，下面通过提高FBAR制备良率的方法制备FBAR滤波器的流程对本实用新型的FBAR滤波器作进一步描述。

在本实施例中，本实用新型提高FBAR制备良率的方法包括如下步骤：

S1：在第一基板上生成压电薄膜，并在压电薄膜远离第一基板一侧形成至少一个第一电极。

在本实施例中，第一基板102作为压电薄膜101的生长衬底，该第一基板102可以为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN缓冲层基板、LiGaO2、玻璃以及金属基板中的至少一种，在其他实施例中，也可以为其他可用于作为压电薄膜101生长衬底的基板，在此不做限定。

附图4中的结构100包括压电薄膜101和第一基板102，压电薄膜101覆盖第一基板102，其可以是外延生长的高质量单晶压电薄膜，也可以是通过溅射生长的高C轴取向的多晶压电薄膜，可以是AlN，ZnO,PZT等具有压电特性的薄膜。

在本实施例中，压电薄膜101的厚度为0.02微米至10微米。

附图5中的结构200为第一电极103形成于压电薄膜101的示意图，第一电极103通过电子束剥离法或磁控溅射法形成在压电薄膜101远离第一基板102的一侧，部分覆盖第一基板102，其中，第一电极103的厚度在0.1纳米至500纳米之间，形成第一电极103的材料可以为Al、Mo、W、Pt、Cu、Ag、Au、ZrN中的一种或几种，也可以是其他导电性能良好的材料，比如石墨烯等非金属材料。

在一个具体的实施例中，第一电极103的数量为4个，间隔设置在压电薄膜101远离第一基板102的一侧。

S2：形成覆盖第一电极的支撑层，并对支撑层进行刻蚀形成第一支撑层空腔，在支撑层远离压电薄膜一侧形成第一键合层。

在本实施例中，覆盖第一电极103的支撑层106可以由在压电薄膜101上形成的第一绝缘层104、第二绝缘层105构成，还可以由覆盖第一电极103的第三绝缘层形成。其中，附图6中的结构300为形成第一绝缘层104的示意图，附图7中的结构301为形成第二绝缘层105的示意图，附图8中的结构302为形成的支撑层106结构图，附图9为蚀刻支撑层106形成第一支撑层空腔107的示意图，附图10为在支撑层106上形成第一键合层108的示意图。

在本实施例中，支撑层空腔包括第一支撑层空腔107和第二支撑层空腔，第一支撑层空腔107与第二支撑层空腔相对，并连通形成支撑层空腔。

在一个优选的实施例中，在压电薄膜101远离第一基板102的一侧形成与第一电极103厚度相同的第一绝缘层104，并去除第一电极103上的第一绝缘层104；在第一绝缘层104与第一电极103层上形成第二绝缘层105，并对第二绝缘层105进行抛平处理形成支撑层106。

其中，第一绝缘层104分隔第一电极103，通过湿法或干法蚀刻的方式去除第一电极103上的第一绝缘层104，第二绝缘层105覆盖第一电极103和第一绝缘层104。

在另一个优选的实施例中，在压电薄膜101远离第一基板102一侧形成覆盖第一电极103的第三绝缘层，通过第三绝缘层形成支撑层106。其中，通过第三绝缘层进行机械抛光抛平的方式形成支撑层106。

在本实施例中，第一绝缘层104、第二绝缘层105以及第三绝缘层由SiO2、Si3N4等介电材料构成，在其他实施例中，第一绝缘层104、第二绝缘层105以及第三绝缘层也可以为其他能够对第一电极103起到绝缘作用的介电材料，在此不做限定。

在一个具体的实施例中，第一支撑层空腔107通过对支撑层106图形化刻蚀形成，其数量为两个，间隔设置并与不同的第一电极103接触。

在本实施例中，在支撑层106远离压电薄膜101一侧形成第一键合层108的方式为在支撑层106远离压电薄膜101一侧通过溅射、电子束蒸发、反应气相沉积法中的一种形成第一键合层108。其中，第一键合层108可以为金属，也可以为非金属材料，行业内常用的键合方法及使用的材料都可以用于此第一键合层108。

在一个具体的实施例中，第一键合层108覆盖支撑层106远离第一电极103的一侧上为设置支撑层106空腔的部分，通过第一键合层108连接FBAR滤波器的其他结构。

S3：在键合衬底的一侧形成用于与第一键合层键合连接的第二键合层，另一侧形成至少一个标记点，在键合衬底上形成贯穿键合衬底的第一通孔，其中，第一键合层、第一通孔在键合衬底上的位置分别与第一键合层、第一支撑层空腔在第一基板上的位置对应。

在本实施例中，键合衬底109与第一基板102的材料相同，也可以为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN缓冲层基板中的至少一种。

附图11中的结构500为在键合衬底109上形成第二键合层112的示意图，在本实施例中，形成第二键合层112的方式和使用的材料可以与第一键合层108相同或不同，只需能够将第一键合层108与第二键合连接即可，在此不做限定。

在本实施例中，第二键合层112的厚度为0.3微米至3微米，第二支撑层空腔的厚度为0.5微米至3微米。

在本实施例中，标记点110为键合衬底109上的凹槽，其数量为两个与第二键合层112相对，位于第二支撑层空腔的两侧，并间隔设置在键合衬底109远离第二键合层112一侧。在其他实施例中，标记点110的数量也可以为一个、三个一级其他数量，只需能够通过该标记点110实现第一基板102与键合衬底109对准键合以及形成贯穿键合衬底109的第一通孔111即可。

附图12为在键合衬底109上形成第一通孔111的示意图，在本实施例中，第一通孔111的数量为2个，设置在键合衬底109位置第二键合层112的区域，在其他实施例中，第一通孔111的数量可以为1个、3个以及其他数量，只需第一通孔111的位置与第一支撑层空腔107的位置对应，在第一键合层108与第二键合层112键合连接后能够通过第一通孔111排出第一支撑层空腔107内的空气即可，在此不做限定。

在本实施例中，第一通孔111可以为圆形，孔径为2微米至30微米，在其他实施例中，第一通孔111也可以为其他形状，只需第一通孔111贯穿键合衬底109即可，在此不做限定。

附图13中的结构601为在键合衬底109上形成第二支撑层空腔的示意图，在键合衬底109上形成贯穿键合衬底109的第一通孔111之后，在键合衬底109设置第二键合层112一侧形成第二支撑层空腔，第二支撑层空腔在键合衬底109上的位置与第一支撑层空腔107在第一基板102上的位置相对应。

在本实施例中，第二支撑层空腔通过刻蚀键合衬底109形成，其设置在键合衬底109设置第二键合层112的一侧，位于键合衬底109上未形成第二键合层112的区域，并与第一通孔111连接。

在本实施例中，第二支撑层空腔的数量为2个分别与不同的第一通孔111连接。

S4：将第一键合层与第二键合层键合连接，去除第一基板，在压电薄膜远离第一电极一侧形成顶电极以及与第一电极连接的电极上引结构，以形成FBAR滤波器。

附图14中的结构700为第一键合层108与第二键合层112键合连接的示意图，附图15中的结构701为第一键合层108与第二键合层112键合连接形成的器件结构图，在本实施例中，第一键合层108与第二键合层112键合连接的方式可根据晶圆片所处的环境以及第一键合层108、第二键合层112的材料选择不同的键合连接方式，其中，键合连接的方式可以为金属扩散或金属共晶键合的方式，如果采用了金属扩散或金属共晶键合，那键合过程中就会遇到高真空以及高温条件，如果没有第一通孔111的存在，在抽真空的条件下完成键合，键合完成后第一支撑层空腔107与第二支撑层空腔形成的封闭空腔就是一个封闭的空间，在后续去除第一基板102后压电薄膜101没有第一基板102的约束就会被大气压压碎，导致压电薄膜101破裂，器件失效，如果压电薄膜101此时强度足够未发生破裂，那压电薄膜101也会存在较大应力，对器件性能造成极大影响，后续工艺在遇到几百摄氏度的条件下，封闭空腔受热膨胀也会发生爆裂。

附图16为去除第一基板102的示意图，在本实施例中，第一基板102通过激光剥离或机械减薄结合湿法腐蚀或干法刻蚀方法去除。

其中，在压电薄膜101远离第一电极103一侧形成顶电极以及与第一电极103互连孔连接的电极上引结构115的步骤包括：在压电薄膜101上形成贯穿压电薄膜101的电极上引孔114，在压电薄膜101远离第一电极103一侧且未被电极上引孔114贯穿的区域形成顶电极；形成填充电极上引孔114的电极上引结构115，其中，电极上引结构115通过电极上引孔114与第一电极103连接，并部分延伸至压电薄膜101远离所述第一电极103一侧。

附图17为在压电薄膜101上形成电极上引孔114的示意图，附图18为形成电极上引结构115与顶电极的示意图，在本实施例中，电极上引孔114通过干法刻蚀或湿法刻蚀的方式形成，顶电极与电极上引结构115通过溅射或电子束蒸发的方式形成。

附图19为形成的FBAR滤波器的结构图，在本实施例中，电极上引结构115与为2个，间隔设置，分别与不同的第一电极103连接，顶电极包括第一顶电极、第二顶电极。压电薄膜101上的电极上引结构115、顶电极按照电极上引结构115、顶电极的方式依次排列，位于压电薄膜101中部的第一顶电极靠近第二顶电极的一端与一个电极上引结构115连接。在其他实施例中，电极上引结构115与顶电极的数量也可以为1个以及其他数量，在此不做限定。

在本实施例中，形成顶电极的材料为Al、Mo、W、Pt、Cu、Ag、Au、ZrN中的一种或两种的组合，其厚度为20纳米至500纳米。

在本实施例中，形成的FBAR滤波器为任意频率的FBAR滤波器，包括从10MHZ到100GHZ频率范围内的FBAR滤波器。

有益效果本实用新型将第一键合层与第二键合层键合连接，从而在第一电极与键合衬底之间形成封闭空腔，并使第一通孔贯穿键合衬底与该封闭空腔连通，本实用新型的FBAR滤波器无需设置牺牲层，保留了压电薄膜的完整性，从而克服了在牺牲层去除的过程中对滤波器结构产生不良影响的问题，并且这种在键合衬底上开孔的结构设计，结构稳定，不易塌陷，可以很好的改善压电薄膜的品质，降低滤波器的***损耗，提高了Q值和机电耦合系数，将成为适用于未来高频、高功率场合下射频滤波器的解决方案。

基于相同的发明构思，本实用新型还提出了一种FBAR滤波器，其中，该FBAR滤波器通过如上述实施例所述的FBAR滤波器得到，在此不做赘述。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的可以是或者也可以不是物理上分开的，作为显示的部件可以是或者也可以不是物理，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施方式方案的目的。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种FBAR滤波器，其特征在于，所述FBAR滤波器包括：

键合衬底，所述键合衬底一侧设置有与第一键合层键合连接的第二键合层，支撑层设置在第一键合层远离第二键合层的一侧；

第一电极，所述第一电极设置在支撑层远离第一键合层的一侧，支撑层空腔贯穿所述支撑层、第二键合层且两端分别接触所述第一电极、所述键合衬底；

压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述第一电极远离所述支撑层一侧，电极上引结构贯穿压电薄膜与第一电极连接，顶电极设置在压电薄膜远离第一电极一侧，与所述电极上引结构部分连接；

第一通孔，所述第一通孔贯穿所述键合衬底与所述支撑层空腔连接。

2.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述第一电极的数量为4个，间隔设置在压电薄膜上。

3.如权利要求2所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述电极上引结构的数量为2个，间隔设置，并分别与不同所述第一电极连接。

4.如权利要求3所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述顶电极包括第一顶电极、第二顶电极，所述第一顶电极靠近所述第二顶电极的一端与所述电极上引结构连接。

5.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为0.02微米至10微米。

6.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述支撑层空腔和所述第一通孔的数量为2个，所述支撑层空腔与所述第一通孔一一对应并连通。

7.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述第一电极与所述顶电极的厚度为20纳米至500纳米。

8.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述第二键合层的厚度为0.3微米至3微米。

9.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述第一通孔为圆形，孔径为2微米至30微米。

10.如权利要求1所述的FBAR滤波器，其特征在于，所述FBAR滤波器包括10MHZ至100GHZ频率范围内的FBAR滤波器。

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