CN105262455A - 一种高可靠性的薄膜体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高可靠性的FBAR(薄膜体声波谐振器)，在整个衬底之上具有隔离层，衬底和隔离层之间具有从衬底上表面向下凹陷的空气腔；隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。与现有的FBAR相比，本申请在衬底之上增加了与衬底尺寸相同的隔离层。这一方面可以降低对衬底材料在电阻率方面的要求，从而降低衬底的成本；另一方面可以在不改变衬底材料的前提下，提升衬底对器件之间的隔离，从而提升谐振器的开路阻抗。本申请还在上电极和/或下电极的暴露部分之上增加了钝化层，可以有效预防上电极和/或下电极因氧化等变质对器件性能及长期可靠性带来的影响。

Description

一种高可靠性的薄膜体声波谐振器及其制造方法

技术领域

本申请涉及一种薄膜体声波谐振器(FBAR或TFBAR，thin-filmbulkacousticresonator)。

背景技术

FBAR是一种半导体器件，主要包括夹在两个电极之中的压电材料，三者构成三明治结构。FBAR常用于制作手机等无线设备中的射频滤波器，所述滤波器由一组FBAR构成，例如采用半梯形(half-ladder)、全梯形(full-ladder)、晶格(lattice)、堆叠(stack)等拓扑结构，用来滤除无用频率同时允许特定频率通过。FBAR还用于制作双工器，以部分取代早期的表面声波(SAW，surfaceacousticwave)器件，其优势在于尺寸小、工艺先进、效率提升。此外，FBAR还用于制作微波振荡器、传感器、功率放大器、低噪声放大器等。

请参阅图1，这是一种现有的FBAR的剖面示意图。在衬底1之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。所述衬底1例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等衬底材料。所述下电极3、上电极5例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、钨、钛、钛钨化合物、钼、铂等金属材料。所述压电层4例如为氧化锌、PZT(Leadzirconatetitanate，锆钛酸铅)、氮化铝等压电材料。衬底1和下电极3之间具有从衬底1的上表面向下凹陷的空气腔2。

请参阅图1a，这是图1所示的FBAR的部分结构示意性版图。空气腔2(斜线填充)在边缘具有至少一个牺牲层释放通道2a。下电极3(实线，未填充)完整地覆盖在空气腔2之上，除了牺牲层释放通道2a。上电极5(虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。下电极3与上电极5的重叠区域大部分在空气腔2之上，也有小部分落在空气腔2之外。

请参阅图1b，图1所示的FBAR的制造方法包括如下步骤：

步骤S101，在衬底1的表面刻蚀出一个凹坑，例如采用光刻和刻蚀工艺。凹坑的形状就是空气腔2及其边缘的牺牲层释放通道2a的总和。

步骤S102，在衬底1上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满。所述牺牲层例如为氧化硅、铝、镁、锗等。

步骤S103，采用化学机械研磨(CMP)等平坦化工艺将牺牲层研磨至与衬底1的上表面齐平。

步骤S104，在衬底1和牺牲层之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成下电极3，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。下电极3大致覆盖空气腔2的位置，但暴露出牺牲层释放通道2a的位置。

步骤S105，在衬底1、牺牲层和下电极3之上先淀积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层4。压电层4完整覆盖凹坑，但暴露出下电极3的引出端。

步骤S106，在衬底1、牺牲层、下电极3和压电层4之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成上电极5，例如采用淀积、光刻和刻蚀工艺。

步骤S107，刻蚀压电层4从而暴露出牺牲层释放通道2a的位置，然后通过该牺牲层释放通道2a去除全部的牺牲层，例如采用光刻、刻蚀、湿法腐蚀工艺。原本被牺牲层占据的部分就成为空气腔2位于衬底1和下电极3之间。

上述FBAR具有如下缺点：

其一，下电极3直接与衬底1接触，因此对衬底1的电阻率要求较高。某些材料的衬底1和下电极3之间的接触应力较大，使得下电极3的生长结构差，导致FBAR的性能差。

其二，下电极3直接置于空气腔2之上，因此下电极3必须完全覆盖住空气腔2的边缘(除牺牲层释放通道2a)。因此下电极3与上电极5的重叠区域有一小部分不在空气腔2之上，这会造成声波的泄露，影响FBAR的品质因数。

其三，上电极5裸露在空气中，容易氧化、变质等，从而对FBAR的频率等参数造成影响。

针对现有FBAR的缺点，已有文献公开了一些FBAR的改进方案。

公开号为CN101217266A、公开日为2008年7月9日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要对空气气隙结构进行了改进。传统的空气气隙结构位于衬底中，其制造工艺是先在衬底上刻蚀凹坑、在凹坑中填充牺牲层、对牺牲层进行化学机械抛光，最后去除牺牲层。该份专利申请的空气气隙结构位于衬底之上，其制造工艺是先在衬底上制备牺牲层并刻蚀出所需形状，然后在衬底和牺牲层上制备向上凸起的薄膜支撑层，最后去除牺牲层。该份专利申请的空气气隙结构位于衬底与薄膜支撑层之间，可以省略刻蚀衬底、化学机械抛光、刻蚀通孔等工艺步骤。

申请公布号为CN102931941A、申请公布日为2013年2月13日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要是对各层薄膜的材料进行了改进。传统的支撑层通常选用氮化硅，上电极和下电极通常选用铝、铂、钌。该份专利申请则将支撑层改用类金刚石膜(DLC)，将上电极和下电极改用钨。这使得支撑层制作兼容低温CMOS工艺，并具有其他一些有益效果。

申请公布号为CN104767500A、申请公布日为2015年7月8日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要对空腔的制造工艺进行了改进。传统的空腔制造工艺是先在衬底上刻蚀凹坑、在凹坑中填充牺牲层、对牺牲层进行化学机械抛光，最后去除牺牲层。该份专利申请采用两片晶圆——制备衬底和支撑衬底，在制备衬底上生长薄膜结构层，并给出了两个实施例。实施例一是在支撑衬底上刻蚀凹槽，然后将制备衬底以薄膜结构层覆盖在支撑衬底的凹槽上以形成空腔。实施例二是不对支撑衬底进行刻蚀，将制备衬底以薄膜结构层与支撑衬底进行焊接，由凸起的焊接材料形成空腔。这样可以省去化学机械抛光、牺牲层先制备再去除的工艺步骤。

发明内容

由以上各种现有薄膜体声波谐振器可知，主要改进聚焦于简化制造工艺，而对于器件性能和可靠性较少关注。本申请所要解决的技术问题是提供一种高可靠性的薄膜体声波谐振器，同时降低制造成本。

为解决上述技术问题，本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器之一是在整个衬底之上具有隔离层，衬底和隔离层之间具有从衬底上表面向下凹陷的空气腔；隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。

本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器之二是在整个衬底之上具有隔离层，隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；衬底和下电极之间具有从隔离层上表面向下凹陷且穿透隔离层的空气腔；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。

本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法之一包括如下步骤：

步骤S201，在衬底的表面刻蚀出一个凹坑；

步骤S202，在衬底上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满；

步骤S203，将牺牲层研磨至与衬底上表面齐平；

步骤S204，淀积一层隔离层；

步骤S205，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成下电极；

步骤S206，淀积一层压电材料，再将该层压电材料刻蚀成压电层；

步骤S207，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成上电极；

步骤S208，淀积一层钝化层；

步骤S209，刻蚀压电层、或者刻蚀钝化层和压电层以暴露出牺牲层释放通道，通过该牺牲层释放通道去除全部的牺牲层，原本被牺牲层占据的部分就成为空气腔。

本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法之二将步骤S201至步骤S204分别改为：

步骤S401，在衬底上淀积一层隔离层；

步骤S402，在隔离层的表面刻蚀出一个凹坑，凹坑穿透隔离层落在衬底中；

步骤S403，淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满；

步骤S404，将牺牲层研磨至与隔离层的上表面齐平。

与现有的薄膜体声波谐振器相比，本申请在衬底之上增加了与衬底尺寸相同的隔离层。这一方面可以降低对衬底材料在电阻率方面的要求，从而降低衬底的成本；另一方面可以在不改变衬底材料的前提下，提升衬底对器件之间的隔离，从而提升谐振器的开路阻抗。本申请还在上电极和/或下电极的暴露部分之上增加了钝化层，可以有效预防上电极和/或下电极因氧化等变质对器件性能及长期可靠性带来的影响。

附图说明

图1是一种现有的FBAR的剖面示意图。

图1a是图1所示的FBAR的版图示意图(仅部分结构)。

图1b是图1所示的FBAR的制造方法的流程图。

图2是本申请的FBAR的实施例一的剖面示意图。

图2a是图2所示的FBAR的制造方法的流程图。

图2b是图2所示的FBAR的一种变形结构。

图3是本申请的FBAR的实施例二的剖面示意图。

图3a是图3所示的FBAR的版图示意图(仅部分结构)。

图3b是图3所示的FBAR的一种变形结构。

图4是本申请的FBAR的实施例三的剖面示意图。

图4a是图4所示的FBAR的制造方法的流程图。

图4b是图4所示的FBAR的一种变形结构。

图中附图标记说明：1为衬底；2为空气腔；2a为牺牲层释放通道；3为下电极；4为压电层；5为上电极；7为隔离层；8为钝化层；9为刻蚀通道。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请的FBAR的实施例一的剖面示意图。在衬底1之上具有隔离层7，隔离层7的尺寸与衬底1相同，即隔离层7在整个衬底1之上。衬底1例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等衬底材料。隔离层7例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。衬底1和隔离层7之间具有从衬底1的上表面向下凹陷的空气腔2。在隔离层7之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。下电极3和上电极5例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、钨、钛、钛钨化合物、钼、铂等金属材料。压电层4例如为氧化锌、PZT、氮化铝等压电材料。在上电极5之上具有钝化层8，至少覆盖整个上电极5和/或下电极3的暴露部分。钝化层8例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。

图2所示的FBAR的部分结构示意性版图也如图1a所示。下电极3(实线，未填充)完整地覆盖在空气腔2之上，除了牺牲层释放通道2a。上电极5(虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。下电极3与上电极5的重叠区域大部分在空气腔2之上，也有小部分落在空气腔2之外。

请参阅图2a，图2所示的FBAR的制造方法包括如下步骤：

步骤S201，在衬底1的表面刻蚀出一个凹坑，例如采用光刻和刻蚀工艺。凹坑的形状就是空气腔2及其边缘的牺牲层释放通道2a的总和。

步骤S202，在衬底1上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满。所述牺牲层例如为氧化硅、铝、镁、锗、硼磷玻璃、磷硅玻璃、硅酸乙酯、多晶硅、光刻胶等。

步骤S203，采用化学机械研磨或其他平坦化工艺将牺牲层研磨至与衬底1的上表面齐平。

步骤S204，在衬底1和牺牲层之上淀积一层隔离层7。

步骤S205，在隔离层7之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成下电极3，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。下电极3大致覆盖空气腔2的位置，但暴露出牺牲层释放通道2a的位置。

步骤S206，在隔离层7和下电极3之上先淀积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层4。压电层4完整覆盖凹坑，但暴露出下电极3的引出端。

步骤S207，在隔离层7、下电极3和压电层4之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成上电极5，例如采用淀积、光刻和刻蚀工艺。上电极5部分覆盖空气腔2的位置，且暴露出牺牲层释放通道2a的位置。

步骤S208，在隔离层7、下电极3、压电层4、上电极5之上先淀积一层钝化层8，此时钝化层8的尺寸与衬底1相同。可选地，将该层钝化层8刻蚀成至少完整覆盖住上电极5和/或下电极3的暴露部分，例如采用淀积、光刻和刻蚀工艺。

步骤S209，刻蚀压电层4(或者刻蚀钝化层8和压电层4)从而暴露出牺牲层释放通道2a的位置，然后通过该牺牲层释放通道2a去除全部的牺牲层，例如采用光刻、刻蚀工艺。原本被牺牲层占据的部分就成为空气腔2位于衬底1和下电极3之间。

与现有的FBAR相比，上述实施例一具有如下优点：

其一，在下电极3与衬底1之间增加了隔离层7。首先，隔离层7可以增加器件结构的稳定性，实现现有的支撑层的功能。其次，隔离层7增加了器件与衬底1之间的隔离，可以降低对衬底1的电阻率要求，并防止器件的电极之间有漏电发生，从而为IC集成提供更好的基础。再次，隔离层7作为器件与衬底1之间的过渡，可以提高器件结构生长的一致性，从而提高器件性能与可靠性。

其二，钝化层8完整覆盖住上电极5和/或下电极3的暴露部分，避免了上电极5和/或下电极3的暴露部分裸露在空气中而导致的氧化、变质等现象，保持FBAR的性能长期稳定可靠。

请参阅图2b，这是图2的一种变形。图2中，在空气腔2边缘的牺牲层释放通道2a加注药液对牺牲层进行湿法腐蚀工艺。图2b中，在FBAR的空气腔2的中心区域新增至少一个刻蚀通道9，例如采用光刻和刻蚀工艺刻蚀一个底部在牺牲层中的通孔，然后通过该刻蚀通道9(也可同时通过空气腔2边缘的牺牲层释放通道2a)加注药液对牺牲层进行湿法腐蚀工艺。这种变形结构的优势在于可以提高牺牲层释放速度，从而减少牺牲层释放时对其他器件结构造成的损伤。与此同时，这种变形结构可能会降低FBAR的性能，故适用于对性能要求较低但对可靠性要求很高的情形下。

请参阅图3，这是本申请的FBAR的实施例二的剖面示意图。在衬底1之上具有隔离层7，隔离层7的尺寸与衬底1相同，即隔离层7在整个衬底1之上。衬底1例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等衬底材料。隔离层7例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。衬底1和隔离层7之间具有从衬底1的上表面向下凹陷的空气腔2。在隔离层7之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。下电极3和上电极5例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、钨、钛、钛钨化合物、钼、铂等金属材料。压电层4例如为氧化锌、PZT、氮化铝等压电材料。在上电极5之上具有钝化层8，至少覆盖整个上电极5。钝化层8例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。

请参阅图3a，这是图3所示的FBAR的部分结构示意性版图。将版图在平面上区分为相互垂直的X轴和Y轴，下电极3例如在X轴方向延伸引出端，上电极5例如在Y轴方向延伸引出端。空气腔2(斜线填充)在边缘具有至少一个牺牲层释放通道2a。下电极3(实线，未填充)在除上电极5引出方向以外的各个方向完整地覆盖住空气腔2的边缘，但在上电极5引出方向未覆盖空气腔2的边缘而在空气腔2的边缘以内。当然，下电极3也未覆盖牺牲层释放通道2a。上电极5(虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。下电极3与上电极5的重叠区域全部在空气腔2之上。

图3所示的FBAR的制造方法也如图2a所示。

与实施例一相比，上述实施例二优化了下电极3的图形，使得下电极3与上电极5的重叠区域全部落在空气腔2之上，这将大大减少声波的泄露，提高FBAR的品质因数。与实施例一具有变形相同，实施例二也具有同样的变形并具有同样的优势及劣势，如图3b所示。

请参阅图4，这是本申请的FBAR的实施例三的剖面示意图。在衬底1之上具有隔离层7，隔离层7的尺寸与衬底1相同，即隔离层7在整个衬底1之上。衬底1例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等衬底材料。隔离层7例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。在隔离层7之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。下电极3和上电极5例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、钨、钛、钛钨化合物、钼、铂等金属材料。压电层4例如为氧化锌、PZT、氮化铝等压电材料。衬底1和下电极3之间具有从隔离层7的上表面向下凹陷、且穿透隔离层7的空气腔2。在上电极5之上具有钝化层8，至少覆盖整个上电极5。钝化层8例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等材料。

图4所示的FBAR的部分结构示意性版图也如图1a所示。下电极3(实线，未填充)完整地覆盖在空气腔2之上，除了牺牲层释放通道2a。上电极5(虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。下电极3与上电极5的重叠区域大部分在空气腔2之上，也有小部分不在空气腔2之上。

请参阅图4a，图4所示的FBAR的制造方法包括如下步骤：

步骤S401，在衬底1之上淀积一层隔离层7。

步骤S402，在隔离层7的表面刻蚀出一个凹坑，凹坑穿透隔离层7落在衬底1中，例如采用光刻和刻蚀工艺。凹坑的形状就是空气腔2及其边缘的牺牲层释放通道2a的总和。

步骤S403，在隔离层7上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满。所述牺牲层例如为氧化硅、铝、镁、锗、硼磷玻璃、磷硅玻璃、硅酸乙酯、多晶硅、光刻胶等。

步骤S404，采用化学机械研磨或其他平坦化工艺将牺牲层研磨至与隔离层7的上表面齐平。

步骤S405至步骤409分别与步骤S205至步骤S209相同。

与实施例一相比，上述实施例三优化了空气腔2的立体位置。在实施例一中，空气腔2位于衬底1与隔离层7之间。而实施例三去除了空气腔2上方的隔离层7，使得空气腔2位于衬底与下电极3之间，同时保留了隔离层7的其他优势。下电极3直接暴露在空气腔2界面可以减少声波泄露，提高FBAR的品质因数。与实施例一具有变形相同，实施例三也具有同样的变形并具有同样的优势及劣势，如图4b所示。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。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 (10)

1.一种高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，在整个衬底之上具有隔离层，衬底和隔离层之间具有从衬底上表面向下凹陷的空气腔；隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。

2.根据权利要求1所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，下电极完整地覆盖在空气腔之上，上电极部分地覆盖在空气腔之上，下电极与上电极的重叠区域有部分落在空气腔之外。

3.根据权利要求1所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，下电极在除上电极引出方向以外的各个方向完整地覆盖住空气腔的边缘，但在上电极引出方向未覆盖空气腔的边缘而在空气腔的边缘以内；上电极部分地覆盖在空气腔之上；下电极与上电极的重叠区域全部在空气腔之上。

4.根据权利要求1所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，所述隔离层、钝化层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，在空气腔的中心区域新增至少一个刻蚀通道，所述刻蚀通道穿透钝化层、上电极、压电层、下电极和隔离层。

6.一种高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，在整个衬底之上具有隔离层，隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；衬底和下电极之间具有从隔离层上表面向下凹陷且穿透隔离层的空气腔；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。

7.根据权利要求6所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器，其特征是，在空气腔的中心区域新增至少一个刻蚀通道，所述刻蚀通道穿透钝化层、上电极、压电层和下电极。

8.一种高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤S201，在衬底的表面刻蚀出一个凹坑；

步骤S202，在衬底上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满；

步骤S203，将牺牲层研磨至与衬底上表面齐平；

步骤S204，淀积一层隔离层；

步骤S205，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成下电极；

步骤S206，淀积一层压电材料，再将该层压电材料刻蚀成压电层；

步骤S207，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成上电极；

步骤S208，淀积一层钝化层；

步骤S209，刻蚀压电层、或者刻蚀钝化层和压电层以暴露出牺牲层释放通道，通过该牺牲层释放通道去除全部的牺牲层，原本被牺牲层占据的部分就成为空气腔。

9.根据权利要求8所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征是，将步骤S201至步骤S204分别改为：

步骤S401，在衬底上淀积一层隔离层；

步骤S402，在隔离层的表面刻蚀出一个凹坑，凹坑穿透隔离层落在衬底中；

步骤S403，淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满；

步骤S404，将牺牲层研磨至与隔离层的上表面齐平。

10.根据权利要求8或9所述的高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征是，所述步骤209中还包括在牺牲层中心区刻蚀一个底部在牺牲层中的通孔，然后通过该通孔和/或牺牲层释放通道去除全部的牺牲层。