CN111697937A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器，包括从下至上依次分布的转移衬底、键合层、填平层、底电极、压电薄膜和顶电极；通过压电薄膜、底电极与顶电极第一层形成三明治结构，并在转移衬底上形成凹槽，使得底电极、键合层与转移衬底之间形成空气腔；通过空气腔可使得压电薄膜产生的体声波，并在底电极的表面发生全反射，从而被限制在顶电极第一层与底电极之间，实现谐振器功能；同时通过在顶电极第一层上设置顶电极第二层和顶电极第三层，分别用于优化薄膜声波谐振器的串联谐振点、并联谐振点，消除寄生效应，提高了品质因数。本发明还公开了一种薄膜体声波谐振器的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及制备方法。
背景技术
随着现代无线通信技术向着高频、高速的方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提高了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性和集成性也有了更高的要求，过去使用的声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW)由于其体积偏大、工艺兼容和工作频段等的问题，已经不能够满足高频通信的需求。
而薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型滤波器，相对于声表面滤波器不仅体积小、功率容量大、可继承、工作频段高等特点，还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。
一般来说，薄膜体声波谐振器的结构主要包括横膈膜型、空气隙型和固态装配型三种，均为“电极-压电薄膜-电极”的三明治结构，其原理是利用压电薄膜的压电特性，当在电极施加交流电压时，压电效应使电能转换为机械能，使压电薄膜发生机械形变，从而在压电薄膜体内激励出体声波；当提升波传输到压电薄膜与电极的表面时，由于电极外普通声学层的作用，声波会被反射回来，因而将体声波限制在两电极之间。因此，为了减少声波的损失，尽量使得体声波全反射。而空气的声阻抗可以认为近似为零，因此制作时要使顶电极和底电极的表面与空气接触，由于顶电极是与空气接触的，而底电极生长在衬底上，很难在制作工艺中使得底电极的表面与空气接触，同时还要保证机械强度而不影响薄膜声波谐振器的结构。
另外，在薄膜体声波谐振器的生产工艺过程中，由于寄生效应的存在，会产生寄生电容并在生产工艺流程中对薄膜体声波谐振器的核心部件造成损坏，进而使生产的薄膜体声波谐振器的品质因数低下；同时还会将寄生电容残留在薄膜体声波谐振器中，使得在后续集成电路中使用时往往会造成很大的能量损害。为了改善主流工艺存在上述的问题，现有技术中一般只是在顶电极上添加一层调节层来减少寄生电容，进而提高品质因数。但是，在生产工艺过程中仍然存在寄生电容，同时单层调节层的结构对于串联谐振点的优化作用较为明显，但对于并联谐振点的优化并不明显，并不能够很好地提高品质因数。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种薄膜声波谐振器，其能够解决现有技术中薄膜体声波谐振器结构复杂、不稳定等等问题。
本发明的目的之二在于提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其能够解决现有技术中薄膜体声波谐振器的生产工艺存在品质因数低下的问题。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器包括从下至上依次分布的转移衬底、键合层、填平层、底电极、压电薄膜和顶电极；所述顶电极包括从下至上依次分布的顶电极第一层、顶电极第二层和顶电极第三层；
所述压电薄膜位于底电极与顶电极第一层之间，使得顶电极第一层、压电薄膜和底电极之间形成三明治结构，同时顶电极第一层与底电极上下相对设置；
所述转移衬底包括位于转移衬底中部的凹槽和围绕于凹槽设置的环状突起；所述键合层位于所述环状突起的上方；所述填平层设于键合层上方，并环绕所述底电极进行设置，使得底电极、键合层与转移衬底之间形成空气腔；当薄膜声波谐振器的顶电极通电后，压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极第一层与底电极之间；
通过所述顶电极第二层的电磁感应效应优化所述薄膜声波谐振器的串联谐振点，使得串联谐振点处的波纹平滑、杂波得到抑制；通过所述顶电极第三层的电磁感应效用优化所述薄膜声波谐振器的并联谐振点，使得并联谐振点处的波纹平滑、杂波得到抑制。
进一步地，所述转移衬底由单晶高阻硅组成；所述键合层由二氧化硅组成。
进一步地，所述转移衬底的凹槽的深度为500nm～3um；所述键合层的厚度为400nm～5um；所述空气腔的深度为900nm～8um。
进一步地，所述压电薄膜由AIN、ZNO和PZT中的一种或多种组成；压电薄膜的厚度为200nm～3um。。
进一步地，底电极和顶电极均为金属电极；所述金属电极由Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种或多种组成；底电极的厚度为50nm～500nm。
进一步地，顶电极第一层的厚度为50nm～500nm、顶电极第二层的厚度为150nm～400nm、顶电极第三层的厚度为150nm～400nm。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种如本发明目的之一采用的薄膜体声波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
步骤(1)选用一单晶硅片作为外延衬底，并在所述外延衬底上生长一层压电薄膜；
步骤(2)在所述压电薄膜的第一表面上生长底电极，并通过蚀刻法获取底电极的形状；
步骤(3)在所述压电薄膜的第一表面以及底电极上生长一层二氧化硅，作为填平层，并采用蚀刻法除去覆盖在底电极上的部分，同时保证填平层与底电极的厚度相同，生成第一晶圆；
步骤(4)选一转移衬底并在所述转移衬底的中部蚀刻一凹槽，使得转移衬底的周缘形成环状突起，并在所述环状突起上生长一层二氧化硅作为键合层，同时在所述键合层的表面做活化处理，生成第二晶圆；
步骤(5)将第二晶圆的键合层和第一晶圆的填平层对准进行键合，使得第一晶圆固定于第二晶圆的上方固定，并使得所述压电薄膜实现转移，使得键合层、底电极、转移衬底之间形成空气腔；
步骤(6)将所述外延衬底与所述压电薄膜分离；
步骤(7)在所述压电薄膜的第二表面上依次沉积顶电极第一层、顶电极第二层、顶电极第三层，并使得顶电极第一层与底电极上下相对设置；同时保证顶电极第一层、压电薄膜和底电极形成三明治结构。
进一步地，所述步骤(1)包括通过物理气相沉积、金属有机物化学气相沉积、脉冲激光沉积中的任意一种方法在外延衬底上生成一层压电薄膜。
进一步地，所述步骤(4)包括：通过将转移衬底置于感应耦合等离子体刻蚀机设备中进行刻蚀而形成凹槽；以及通过将转移衬底置于感应耦合等离子体刻蚀机射中对键合层进行表面活化处理。
进一步地，所述步骤(6)包括：通过机械减薄工艺、化学抛光工艺和化学腐蚀工艺中的任意一种或多种方法将外延衬底与压电薄膜分离。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过在三层顶电极的结构，通过顶电极第一层、压电薄膜和底电极构成谐振器；通过顶电极第二层、顶电极第三层，并借助顶电极第二层以及顶电极第三层的电磁感应效应，来优化薄膜声波谐振器的串联谐振点、使串联谐振点处波纹平滑、杂波得到抑制，以及优化薄膜声波谐振器的并联谐振点、使并联谐振点处波纹平滑、杂波得到抑制，进而减少寄生效应，提高薄膜声波谐振器的品质因数。
附图说明
图1为本发明提供的薄膜声波谐振器的竖向剖面的结构示意图；
图2为图1中的底电极的横截面的示意图；
图3为图1中顶电极的横截面的示意图。
图中：101、转移衬底；102、键合层；103、填平层；104、底电极；105、压电薄膜；200、顶电极；201、顶电极第一层；202、顶电极第二层；203、顶电极第三层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，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。
实施例一
本发明提供了一种优选的实施例，一种薄膜体声波谐振器，其结构简单、稳定，同时在制造工艺过程中对于薄膜体声波谐振器的核心部件的损伤小、可避免寄生电容的引入，大大提高了薄膜体声波谐振器的品质因数，同时降低了薄膜体声波谐振器的制造成本。
如图1所示，一种薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次分布的转移衬底101、键合层102、填平层103、底电极104、压电薄膜105和顶电极200。
其中，顶电极200位于压电薄膜105的上方、底电极104位于压电薄膜105的下方。这样，顶电极200、压电薄膜105和底电极104之间构成三明治结构。
其中，转移衬底101为环状结构，包括位于转移衬底101中部的凹槽和位于转移衬底101周缘的环形突起。
键合层102位于转移衬底101周缘的环形突起的上方。填平层103位于键合层102的上方，并环绕于底电极104进行设置。通过填平层103使得底电极104固定于转移衬底101中部的凹槽的上方。这样，键合层102、底电极104与转移衬底101之间形成空气腔。
薄膜声波谐振器在工作时：当顶电极200施加交流电压时，由于压电效应使电能转换为机械能，可使压电薄膜105发生机械形变从而在压电薄膜105内激励出体声波。当体声波通过压电薄膜105传输到底电极104时，由于底电极104的下部空气腔的存在，可通过声学层的作用原理，使得体声波在底电极104的表面发生全反射，进而被限制在顶电极200与底电极104之间，保证了薄膜体声波谐振器的工作。
由于填平层103环绕设于底电极104的一圈，同时可保证了底电极104的机械强度，可避免由于压电薄膜105的形变而导致底电极104向下塌陷而损坏薄膜声波谐振器。
优选地，为了消除寄生效应，本发明中的顶电极200包括从下至上依次分布的顶电极第一层201、顶电极第二层202和顶电极第三层203。其中，顶电极第一层201与压电薄膜105、底电极104形成三明治结构，构成薄膜声波谐振器的主体结构。
本发明通过设置顶电极第二层202，并借助顶电极第二层202的电磁感应效应，来优化薄膜声波谐振器的串联谐振点，使串联谐振点处波纹平滑，杂波得到抑制；通过设置顶电极第三层203，并借助顶电极第三层203的电磁感应效应，来优化薄膜声波谐振器的并联谐振点，使并联谐振点处波纹平滑，杂波得到抑制。也即是说，本发明通过设置的顶电极第二层202、顶电极第三层203达到对串联、并联谐振点出的杂波抑制效应。其中，由于杂波为杂散寄生电容的体现，也即是杂波由寄生效应引起的；因此，通过抑制杂波，降低了杂波在工作中产生的功率损耗，减少寄生效应，提高品质因数。
优选地，所述顶电极第一层201与底电极104上下相对设置。也即是，当顶电极第一层201位于压电薄膜105的上层时，顶电极第一层201与设于压电薄膜105下的底电极104相对设置。
优选地，顶电极第二层202、顶电极第三层203均为环状结构，从下至上依次位于顶电极第一层201的上方。
优选地，如图2所示，底电极104的横截面的形状为五边形结构。也即是底电极104为横截面为五边形的圆台结构。
如图3所示，顶电极第一层201的横截面的形状为五边形结构，也即是顶电极第一层201为实心的圆台结构。顶电极第二层202、顶电极第三层203的横截面的形状均为环状的五边形结构，顶电极第二层202、顶电极第三层203均为中空环状的圆台结构。其中，顶电极第一层201的横截面的面积大于底电极104的横截面的面积。由于高频信号在平行边之间传输时，会大大增加其损耗，而五边形的无边互不平行，因此将底电极104、顶电极均采用五边形结构时，可减少高频信号在平行边中传输的损耗。
进一步地，顶电极第二层202的横截面的面积与周长满足预设比例，同样地，顶电极第三层203的横截面的面积与周长也满足预设比例。优选地，预设比例为50～100。
也即是，顶电极第一层201、顶电极第二层202以及顶电极第三层203的横截面的面积均不同。优选地，顶电极第一层201的面积为2500μm2～90000μm2。顶电极第二层202的面积为4μm2～400μm2。顶电极第三层203的面积为0.25μm2～100μm2。
进一步地，顶电极第一层201的厚度为50nm～500nm、顶电极第二层202的厚度为150nm～400nm、顶电极第三层203的厚度为150nm～400nm。
优选地，顶电极第一层201的厚度为300nm，顶电极第二层202和顶电极第三层203的厚度均为150nm。
进一步地，转移衬底101由单晶高阻硅组成。也即是，转移衬底为单晶高阻硅层。其中，转移衬底101上的凹槽的深度为500nm～3um。
进一步地，键合层102由二氧化硅组成，其厚度为400nm～5um。也即是，键合层为二氧化硅层。优选地，键合层102的厚度为800nm。
另外，由键合层102、底电极104与转移衬底101之间形成的空气腔的深度为900nm～8um。
进一步地，压电薄膜105由AIN(氮化铝)、ZNO(氧化锌)和PZT(锆钛酸铅)中的一种或多种组成。也即是压电薄膜可以是氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅等，也可以是由上述任一两个或三个所混合而成的。其中，压电薄膜105的厚度为200nm～3um。优选地，压电薄膜105的厚度为1.2um。比如AIN是一种在热、电、光和机械等方面具有良好综合性能的材料，作为电子薄膜材料在微电子、电子元件、高频宽带通信以及功率半导体器件等领域有广泛应用。
进一步地，底电极104和顶电极200均为金属电极。其中，金属电极由Pt(铂)、Mo(钼)、W(钨)、Ti(钛)和Au(金)中的一种或多种组成。底电极104的厚度为50nm～500nm。优选地，底电极104的厚度为300nm。
本发明通过顶电极第二层202优化谐振器的串联谐振点；通过顶电极第三层203优化谐振器的并联谐振点，进而大大提高谐振器的品质因数，提高性能。
实施例二
基于实施例一，本发明还提供了一种薄膜声波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、选用一单晶硅片作为外延衬底，并在外延衬底上生长一层压电薄膜。
优选地，在外延衬底上生长一层压电薄膜可采用物理气相沉积(PVD，PhysicalVapor Deposition)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD，metal organic chemical vapourdeposition)和脉冲激光沉积(PLD，Pulsed Laser Deposition)等任意一种或多种方法在外延衬底上生长一层压电薄膜。
步骤S2、在压电薄膜的第一表面上生长底电极，并通过蚀刻法获取底电极的形状。
优选地，在压电薄膜的第一表面生成底电极采用磁控溅射的方法。
步骤S3、在压电薄膜的第一表面以及底电极上生长一层二氧化硅，作为填平层，并采用蚀刻法除去覆盖在底电极上的部分，同时保证填平层与底电极的厚度相同，生成第一晶圆。
优选地，在底电极上生成一二氧化硅作的方法为等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)的方法。
步骤S4、选一转移衬底并在转移衬底的中部蚀刻一凹槽，使得转移衬底的周缘形成环状突起，并在环状突起上生长一层二氧化硅作为键合层，同时在键合层的表面做活化处理，生成第二晶圆。
优选地，在转移衬底上形成凹槽时，在感应耦合等离子体刻蚀机(ICP-RIE)设备中对转移衬底进行蚀刻并形成凹槽。
在转移衬底的周缘的环状突起上使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)生成一层二氧化硅，并作为第二键合层。
在键合层的表面做活化处理时，通过在感应耦合等离子体刻蚀机中对键合层进行表面活化处理。
步骤S5、将第二晶圆的键合层和第一晶圆的填平层对准后送入键合机中进行键合，进而使得第二晶圆与第一晶圆之间形成牢固的键合并且第一晶圆位于第二晶圆的上方；同时实现压电薄膜转移使得键合层、底电极、转移衬底之间形成空气腔。
步骤S6、将外延衬底与压电薄膜分离。优选地，通过机械减薄、化学抛光以及化学腐蚀的方法将外延衬底与压电薄膜分离。
步骤S7、在所述压电薄膜的第二表面上依次沉积顶电极第一层、顶电极第二层、顶电极第三层，并使得顶电极第一层与底电极上下相对设置；同时保证顶电极第一层、压电薄膜和底电极形成三明治结构；其中，第一层与底电极的形状相同；第二层、第三层为与第一层形状相同的环状结构。
优选地，将顶电极与底电极相对时，可通过设备进行图像化处理来使得顶电极与底电极相对。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器包括从下至上依次分布的转移衬底、键合层、填平层、底电极、压电薄膜和顶电极；所述顶电极包括从下至上依次分布的顶电极第一层、顶电极第二层和顶电极第三层；
所述压电薄膜位于底电极与顶电极第一层之间，使得顶电极第一层、压电薄膜和底电极之间形成三明治结构，同时顶电极第一层与底电极上下相对设置；
所述转移衬底包括位于转移衬底中部的凹槽和围绕于凹槽设置的环状突起；所述键合层位于所述环状突起的上方；所述填平层设于键合层上方，并环绕所述底电极进行设置，使得底电极、键合层与转移衬底之间形成空气腔；当薄膜声波谐振器的顶电极通电后，压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极第一层与底电极之间；
通过所述顶电极第二层的电磁感应效应优化所述薄膜声波谐振器的串联谐振点，使得串联谐振点处的波纹平滑、杂波得到抑制；通过所述顶电极第三层的电磁感应效用优化所述薄膜声波谐振器的并联谐振点，使得并联谐振点处的波纹平滑、杂波得到抑制。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述转移衬底由单晶高阻硅组成；所述键合层由二氧化硅组成。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述转移衬底的凹槽的深度为500nm～3um；所述键合层的厚度为400nm～5um；所述空气腔的深度为900nm～8um。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜由AIN、ZNO和PZT中的一种或多种组成；压电薄膜的厚度为200nm～3um。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，底电极和顶电极均为金属电极；所述金属电极由Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种或多种组成；底电极的厚度为50nm～500nm。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，顶电极第一层的厚度为50nm～500nm、顶电极第二层的厚度为150nm～400nm、顶电极第三层的厚度为150nm～400nm。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤(1)选用一单晶硅片作为外延衬底，并在所述外延衬底上生长一层压电薄膜；
步骤(2)在所述压电薄膜的第一表面上生长底电极，并通过蚀刻法获取底电极的形状；
步骤(3)在所述压电薄膜的第一表面以及底电极上生长一层二氧化硅，作为填平层，并采用蚀刻法除去覆盖在底电极上的部分，同时保证填平层与底电极的厚度相同，生成第一晶圆；
步骤(4)选一转移衬底并在所述转移衬底的中部蚀刻一凹槽，使得转移衬底的周缘形成环状突起，并在所述环状突起上生长一层二氧化硅作为键合层，同时在所述键合层的表面做活化处理，生成第二晶圆；
步骤(5)将第二晶圆的键合层和第一晶圆的填平层对准进行键合，使得第一晶圆固定于第二晶圆的上方固定，并使得所述压电薄膜实现转移，使得键合层、底电极、转移衬底之间形成空气腔；
步骤(6)将所述外延衬底与所述压电薄膜分离；
步骤(7)在所述压电薄膜的第二表面上依次沉积顶电极第一层、顶电极第二层、顶电极第三层，并使得顶电极第一层与底电极上下相对设置；同时保证顶电极第一层、压电薄膜和底电极形成三明治结构。
8.根据权利要求7所述的薄膜体体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)包括通过物理气相沉积、金属有机物化学气相沉积、脉冲激光沉积中的任意一种方法在外延衬底上生成一层压电薄膜。
9.根据权利要求7所述的薄膜体体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：通过将转移衬底置于感应耦合等离子体刻蚀机设备中进行刻蚀而形成凹槽；以及通过将转移衬底置于感应耦合等离子体刻蚀机射中对键合层进行表面活化处理。
10.根据权利要求7所述的薄膜体声体波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)包括：通过机械减薄工艺、化学抛光工艺和化学腐蚀工艺中的任意一种或多种方法将外延衬底与压电薄膜分离。
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