CN108231995B - 一种压电器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极、压电层和下电极，压电层包括用于产生纵向波的c轴优选压电层；所述的压电层还包括设置在c轴优选压电层侧向、用于消除侧向波的非c轴优选压电层；所述的非c轴优选压电层的结晶特性与c轴优选压电层的结晶特性不同；本压电器件还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层。本发明通过在同一个压电层，形成2种以上结晶特性的薄膜，由于结晶特性不同的材料，其声波传递阻抗也会不同，因此在c轴优选压电层的侧向设置非c轴优选压电层，能够消除c轴优选压电层产生的侧向波或是寄生模态的共振。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种压电器件及其制备方法。
背景技术
压电器件可以应用于体声波滤波器、表面声波滤波器、传感器以及致动器等器件，其中声波滤波器可分为体声波滤波器及表面声波滤波器。在LTE通讯技术的发展下，众多频段集中在同一个移动终端，为了使不同频段的干扰降低，因此滤波器的矩形系数以及通带的插损必须提升。
由于压电器件的压电层是一个弹性体，声波器件会使用压电层纵向的振动模态，如图1所示，在压电层101厚度的范围内形成一个纵向波102；除了这个纵向波102外，还会伴随产生侧向的振动模态，即横向波103，这些侧向的振动模态形成的共振频率会在声波滤波器的通带内产生纹波，影响器件特性，所以抑制寄生模态以及提高谐振器的Q值，是声波器件需要克服的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种压电器件及其制备方法，能够消除侧向波或是寄生模态的共振。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极、压电层和下电极，所述的压电层包括用于产生纵向波的c轴优选压电层；其特征在于：
所述的压电层还包括设置在c轴优选压电层侧向、用于消除侧向波的非c轴优选压电层；所述的非c轴优选压电层的结晶特性与c轴优选压电层的结晶特性不同；
本压电器件还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层(Orientation Control Layer, OCL)。
按上述方案，所述的晶向控制层设置在下电极的上表面和/或下表面。
按上述方案，所述的下电极下方还设有牺牲层。
按上述方案，所述的晶向控制层设置在与下电极接触的牺牲层表面，所述的下电极包括位于晶向控制层与非c轴优选压电层之间的非结晶优选电极层和位于牺牲层与c轴优选压电层之间的结晶优选电极层。
按上述方案，所述的晶向控制层通过改变表面粗糙度而形成。
按上述方案，所述晶向控制层为与下电极晶格不匹配的金属层。
按上述方案，所述的压电层的材料为AlN、ZnO 、PZT、BST中的一种。
按上述方案，所述的上电极和下电极的材料为Mo、Pt、Ru中的一种。
按上述方案，所述的牺牲层的材料为SiO2、Si、TiW、Cu、PSG、BSG和光刻胶中的一种。
一种用于制备所述的压电器件的方法，依次在下电极上形成压电层和上电极，其特征在于：
在形成压电层之前，首先形成用于控制非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层，从而在形成压电层时，在同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜，其中一种结晶特性的薄膜为c轴优选压电层，其它的作为非c轴优选压电层。
按上述方法，在下电极的一部分上表面改变表面粗糙度形成所述的晶向控制层。
按上述方法，在下电极的一部分上表面形成与下电极晶格不匹配的金属层，作为所述的晶向控制层；
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺，在晶向控制层上形成所述的非c轴优选压电层，在非晶向控制层的下电极表面上形成所述的c轴优选压电层。
按上述方法，所述的下电极在牺牲层上形成；在牺牲层的一部分表面改变表面粗糙度形成所述的晶向控制层；
形成下电极时，采用同一种金属与同一次工艺在晶向控制层和牺牲层的表面形成下电极，在晶向控制层上形成的下电极为非结晶优选电极层，在非晶向控制层的牺牲层表面形成的下电极为结晶优选电极层；
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺在下电极上形成压电层，其中在非结晶优选电极层上形成所述的非c轴优选压电层，结晶优选电极层上形成所述的c轴优选压电层。
按上述方法，所述的改变表面粗糙度的具体方法为：离子轰击、激光表面处理、溶液湿法刻蚀中的任意一种。
本发明的有益效果为：通过在同一个压电层，形成2种以上结晶特性的薄膜，由于结晶特性不同的材料，其声波传递阻抗也会不同，因此在c轴优选压电层的侧向设置非c轴优选压电层，能够消除c轴优选压电层产生的侧向波或是寄生模态的共振。
附图说明
图1为现有压电薄膜的振动原理图。
图2为本发明的振动原理图。
图3为本发明一实施例的结构示意图。
图4为本发明又一实施例的结构示意图。
图5为Mo FWHM 为 6.930的图。
图6为Mo FWHM 为 4.330的图。
图中：101-压电层，102-纵向波，103-横向波，201-c轴优选压电层，202-非c轴优选压电层，203-纵向波，204-横向波，205-非c轴优选压电层弱横向波，206-c轴优选压电层弱横向波，301-c轴优选压电层，302-非c轴优选压电层，303-晶向控制层，304-下电极，305-上电极，401-c轴优选压电层，402-非c轴优选压电层，403-晶向控制层，404-下电极，4041-结晶优选电极，4042-非结晶优选电极，405-上电极，406-牺牲层。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
如图2所示，c轴优选压电层201除了在厚度的范围内形成一个纵向波203之外，还会伴随产生侧向的横向波204，本发明的目的是在横向波204传递的路径上形成一个吸收波能量区域，即非c轴优选压电层202，此区域的压电薄膜结晶特性不同于c轴优选压电层201，横向波204传递到非c轴优选压电层202时会因为材料结晶特性的差异而衰减，抑制横向波204共振所产生的寄生模态。本发明会在压电层上形成至少一个以上不同结晶特性的区域，用以达到消除横向波或是寄生模态的共振。
具体的来说，本发明提供一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极、压电层和下电极，所述的压电层包括用于产生纵向波的c轴优选压电层；所述的压电层还包括设置在c轴优选压电层侧向、用于消除侧向波的非c轴优选压电层；所述的非c轴优选压电层的结晶特性与c轴优选压电层的结晶特性不同。
形成不同结晶特性的方法主要是在薄膜沉积的表面形成不同的粗糙度或是不同的结晶方向，因此本压电器件还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层。
通常制备压电器件的方法是依次在下电极上形成压电层和上电极，而制备本发明压电器件的方法在形成压电层之前，首先形成用于控制非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层，从而在形成压电层时，在同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜，其中一种结晶特性的薄膜作为c轴优选压电层，其它的作为非c轴优选压电层。
形成晶向控制层的方法很多，只要能够使得同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜即可。以下给出几个实施例进一步说明。
实施例一：
如图3所示，一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极305、压电层和下电极304，所述的压电层包括用于产生纵向波的c轴优选压电层301，和设置在c轴优选压电层301侧向、用于消除侧向波的非c轴优选压电层302；所述的非c轴优选压电层302的结晶特性与c轴优选压电层301的结晶特性不同；本压电器件还包括在与非c轴优选压电层302接触的下电极304表面改变表面粗糙度而形成的晶向控制层303，用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性。下电极304表面的粗糙度为0-2nm，晶向控制层303的粗糙度为1nm-1μm。
制备本实施例所述的压电器件的方法，在下电极304的一部分表面改变表面粗糙度形成所述的晶向控制层303，从而在形成压电层时，在同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜，其中一种结晶特性作为c轴优选压电层301，其它的作为非c轴优选压电层302；最后在压电层上沉积上电极305。
以下电极304 以Mo为例，晶向控制层303为粗糙的Mo表面，压电层为AlN薄膜。粗糙的Mo表面会让AlN的半高宽（FWHM）变大，FWHM变大表示结晶特性变差，因此横向波在此处会被吸收，进而减少寄生模态的产生。
AlN薄膜的生长机制不同，为得到c-轴取向的AlN薄膜，通常在Mo、Pt、Cr等薄膜上生长AlN。在Mo、Pt、Cr等薄膜特定区域形成这些金属的晶向控制层。晶向控制层形成的方式可以使用离子轰击的方式、激光表面处理、溶液湿法刻蚀等。
c轴优选压电层301的材料种类有：AlN<002>， ZnO<002>，PZT<111>，BST<110>；非c轴优选压电层302则为不同晶向的同种材料。
适合作为声波器件下电极304的金属材料的种类：Mo<110>，Pt<111>，Ru<001>等。
实施例二：
本实施例的基本原理与实施例一相同，其不同之处在于：如图4所示，一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极405、压电层、下电极404和牺牲层406；本压电器件还包括通过在牺牲层406表面改变表面粗糙度而形成的晶向控制层403；在晶向控制层403上形成的下电极404为非结晶优选电极层4042，在非晶向控制层的牺牲层406表面上形成的下电极404为结晶优选电极层4041；在结晶优选电极层4041上形成的压电层为用于产生纵向波的c轴优选压电层401，在非结晶优选电极层4042上形成的压电层为用于消除侧向波的非c轴优选压电层402。
在牺牲层406表面形成一个晶向控制层403，则下电极404在成长时也会因为表面能的差异，结晶特性改变，以Mo电极为例，当Mo的结晶优选<110>被破坏时，在上面成长的AlN也会形成非c轴<002>优选的结晶；故晶向控制层403也可以制作于牺牲层406的表面。
本发明的其中一个实施例如下，当我们在牺牲层SiO2的表面，形成不同的粗糙度表面时，上方Mo电极<110>的FWHM也会随之变大，FWHM变大表示结晶特性变差，如表一、图5和图6所示，当Mo的结晶特性变差时，在上面成长的AlN薄膜结晶特性也会随之改变。
表一：
用于制备本实施例所述的压电器件的方法，首先在牺牲层406的一部分表面改变表面粗糙度形成所述的晶向控制层403；改变表面粗糙度的具体方法为：离子轰击、激光表面处理、溶液湿法刻蚀中的任意一种。
形成下电极时，采用同一种金属与同一次工艺在晶向控制层403和牺牲层406的表面形成下电极，在晶向控制层403上形成的下电极为非结晶优选电极层4042，在非晶向控制层的牺牲层表面形成的下电极为结晶优选电极层4041。
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺在下电极404上形成压电层，其中在非结晶优选电极层4042上形成所述的非c轴优选压电层402，结晶优选电极层4041上形成所述的c轴优选压电层401。
适合作为牺牲层406材料：SiO2、Si、TiW、Cu、PSG、BSG、光刻胶、聚合物等。
实施例三：
本实施例的基本原理与实施例一相同，其不同之处在于：所述的晶向控制层设置在所述的下电极与非c轴优选压电层之间，晶向控制层采用与下电极材料不同的金属。
一种用于制备本实施例所述的压电器件的方法，将下电极的一部分进行蚀刻后，在蚀刻的下电极表面生长与下电极晶格不匹配的金属层，作为所述的晶向控制层，从而在形成压电层时，在同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜，在非晶向控制层的下电极表面生长的压电层为c轴优选压电层，在晶向控制层上生长的压电层为非c轴优选压电层。
由于AlN通常具有六方结构，通常在Mo、Pt等薄膜上沉积的AlN具有<002>晶向，而由于晶格匹配，Cu、Ti等材料的晶向与AlN的<011>晶向相匹配，因此在这类材料上沉积AlN具有<011>晶向。因此，若原本的下电极材料是Mo，由于Mo的<110>优选可以让AlN更容易形成<002>优选，在Mo或是Pt电极蚀刻后，成长一层Cu或Ti等晶格不匹配的金属层作为晶向控制层，则不容易形成<002>优选。因此，能够选用与原本电极不同的材料，形成不同表面能的界面，让压电材料的沉积条件不同，用以形成不同结晶特性的压电薄膜。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电器件，包括从上到下依次设置的上电极、压电层和下电极，所述的压电层包括用于产生纵向波的c轴优选压电层；其特征在于：
所述的上电极完全覆盖所述的压电层；
所述的压电层还包括设置在c轴优选压电层侧向、用于消除侧向波的非c轴优选压电层；所述的非c轴优选压电层的结晶特性与c轴优选压电层的结晶特性不同；所述的c轴优选压电层和非c轴优选压电层位于同一个压电层中；
所述的压电器件还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层；
所述的下电极下方还设有牺牲层；所述的牺牲层的材料为PSG、BSG和光刻胶中的一种；
所述的晶向控制层设置在与下电极接触的牺牲层表面，所述的下电极包括位于晶向控制层与非c轴优选压电层之间的非结晶优选电极层和位于牺牲层与c轴优选压电层之间的结晶优选电极层；
所述的晶向控制层通过改变所述牺牲层的表面粗糙度而形成。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于：在所述下电极的一部分上表面设有新的晶向控制层。
3.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于：所述的新的晶向控制层为与下电极晶格不匹配的金属层。
4.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于：所述的压电层的材料为AlN、ZnO、PZT、BST中的一种。
5.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于：所述的上电极和下电极的材料为Mo、Pt、Ru中的一种。
6.一种用于制备权利要求1所述的压电器件的方法，依次在下电极上形成压电层和上电极，其特征在于：
在形成压电层之前，首先形成用于控制非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层，从而在形成压电层时，在同一个压电层形成两种以上结晶特性的薄膜，其中一种结晶特性的薄膜为c轴优选压电层，其它的作为非c轴优选压电层；
所述的下电极在牺牲层上形成；在牺牲层的一部分表面改变表面粗糙度形成所述的晶向控制层；
形成下电极时，采用同一种金属与同一次工艺在晶向控制层和牺牲层的表面形成下电极，在晶向控制层上形成的下电极为非结晶优选电极层，在非晶向控制层的牺牲层表面形成的下电极为结晶优选电极层；
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺在下电极上形成压电层，其中在非结晶优选电极层上形成所述的非c轴优选压电层，结晶优选电极层上形成所述的c轴优选压电层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在下电极的一部分上表面改变表面粗糙度形成新的晶向控制层；
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺，在晶向控制层上形成所述的非c轴优选压电层，在非晶向控制层的下电极表面上形成所述的c轴优选压电层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在下电极的一部分上表面形成与下电极晶格不匹配的金属层，形成新的晶向控制层；
形成压电层时，采用同样的材料与同一次工艺，在晶向控制层上形成所述的非c轴优选压电层，在非晶向控制层的下电极表面上形成所述的c轴优选压电层。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述的改变表面粗糙度的具体方法为：离子轰击、激光表面处理、溶液湿法刻蚀中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TG01 | Patent term adjustment | ||
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