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CN111817679B - 一种薄膜体声波谐振器及其制作工艺 - Google Patents

一种薄膜体声波谐振器及其制作工艺 Download PDF

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CN111817679B CN202010526851.5A CN202010526851A CN111817679B CN 111817679 B CN111817679 B CN 111817679B CN 202010526851 A CN202010526851 A CN 202010526851A CN 111817679 B CN111817679 B CN 111817679B
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Jianwenlu Zhejiang Semiconductor Co ltd
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Abstract

公开了一种薄膜体声波谐振器，包括设置在声波反射结构所在衬底的上部的底电极层、压电层和顶电极层，其中压电层的与声波反射结构的边界对应的部位经过退极化处理以形成退极化部。还公开了一种薄膜体声波谐振器的制作工艺，包括在形成或将要形成声波反射结构的衬底上制作底电极层以覆盖声波反射结构；在底电极层上制作压电层；对压电层的与声波反射结构的边界对应的部位进行退极化处理以形成退极化部；在压电层上制作顶电极层。该薄膜体声波谐振器及其制作工艺可以抑制横波从谐振器的空腔上部的谐振区域带走能量，从而保证谐振区域的机械振动强度，抑制寄生振荡，并提升谐振器Q值。

Description

一种薄膜体声波谐振器及其制作工艺
技术领域
本申请涉及通信器件领域，主要涉及一种薄膜体声波谐振器及其制作工艺。
背景技术
随着电磁频谱的日益拥挤、无线通讯设备的频段与功能增多，无线通讯使用的电磁频谱从500MHz到5GHz以上高速增长，因此对性能高、成本低、功耗低、体积小的射频前端模块需求也日益增长。滤波器是射频前端模块之一，可改善发射和接收信号，主要由多个谐振器通过拓扑网络结构连接而成。Fbar(Thin film bulk acoustic resonator) 是一种体声波谐振器，由它组成的滤波器具有体积小、集成能力强、高频工作时保证高品质因素Q、功率承受能力强等优势而作为射频前端的核心器件。
Fbar是由上下电极和夹在电极之间的压电层组成的基本结构。压电层主要实现电能与机械能的转化。当Fbar的上下电极施加电场时，压电层将电能转换为机械能，机械能则以声波的形式存在。声波有横波和纵波两种振动模式，纵波是Fbar工作状态下的主要模式，横波易从谐振器边缘泄露而带走能量。Q值是衡量谐振器性能的重要指标，等于谐振器储存能量与谐振器所损失能量的比值。因此横波带走能量必然会衰减Q值，使器件性能下降。
现有技术通过空腔边界的air gap反射横波而抑制横波带走能量， air gap以释放内部牺牲层的工艺制成，工艺较为复杂，且需要保证空腔上部的顶电极连接部的机械稳定性。或者通过在谐振器的有效谐振区域上交错的电极结构上的设置可一定程度上抑制寄生振荡，但无法抑制横波携带能量传出谐振器。或者通过在压电层上制作凹槽来抑制横波带走能量，从而提升器件Q值，但是凹槽通过蚀刻工艺制成，此工艺会造成凹槽底部及侧壁的的压电层的晶格缺陷及微孔洞，影响谐振器性能；另一方面减小空腔上部的谐振区域面积，一定程度增加了滤波器的尺寸。又或者通过顶电极上部的质量负载层来形成声阻抗突变而抑制横波带走能量，但空腔边缘上部的压电层会复制其底电极经刻蚀工艺所带来的晶格缺陷及微孔。
发明内容
为了解决现有技术谐振器空腔上部的谐振区域处横波易从谐振器边缘泄露而带走能量，难以抑制寄生振荡，影响器件性能的技术问题，本发明提出了一种薄膜体声波谐振器及其制作工艺，用以解决上述问题。
根据本发明的一方面，提出了一种薄膜体声波谐振器，包括设置在声波反射结构所在衬底的上部的底电极层、压电层和顶电极层，其中压电层的与声波反射结构的边界对应的部位经过退极化处理以形成退极化部。凭借退极化部的设置，可以抑制横波从谐振器的谐振区域带走能量，进而保证谐振区域的机械振动强度，抑制寄生振荡，提升谐振器的Q值。
在一些实施例中，退极化部被部分退极化。根据器件性能需求设置局部退极化可以便于以最小成本制作出满足预期性能需求的器件。
在一些实施例中，退极化部被全部退极化。凭借退极化部的全部退极化可以实现完美的隔离效果和最小的寄生效应。
在一些实施例中，退极化部在衬底上的投影区域至少从声波反射结构之外的区域跨越到声波反射结构之内。凭借该设置能够更好地抑制横波带走谐振器的能量。
在一些实施例中，退极化部是通过将压电层进行选择性退极化处理后形成的。凭借选择性退极化的处理可以便于实现对退极化的控制。
在一些实施例中，退极化处理包括对压电层中的压电材料进行离子注入以及退火。通过离子注入可以实现利用不同的退火工艺实现压电层的退极化。
在一些实施例中，谐振器包括设置在同一衬底上的多个谐振器，其中在多个谐振器之间的区域所具有的压电层被退极化处理。通过该设置可以实现整体抑制寄生振荡的技术效果。
在一些实施例中，声波反射结构为空腔。空腔结构可以增强声波的反射效果，提高器件的Q值。
在一些实施例中，声波反射结构为布拉格反射结构。
根据本发明的第二方面，提出了一种薄膜体声波谐振器的制作工艺，其中包括以下步骤：
S1、在形成或将要形成声波反射结构的衬底上制作底电极层以覆盖声波反射结构；
S2、在底电极层上制作压电层；
S3、对压电层的与声波反射结构的边界对应的部位进行退极化处理以形成退极化部；以及
S4、在压电层上制作顶电极层。
凭借对压电层与声波反射结构的边界对应的部位进行退极化处理以形成退极化部，可以抑制横波从谐振器的谐振区域带走能量，从而保证谐振区域的机械振动强度，抑制寄生振荡，并提升谐振器Q值。
在一些实施例中，步骤S3具体包括：
S31、在压电层上沉积硬掩膜或涂覆光刻胶，
S32、将所述硬掩模或所述光刻胶图形化以使得压电层的至少与声波反射结构的边界对应的部位暴露出，
S33、对压电层的暴露部位进行离子注入，
S34、去除硬掩膜或光刻胶。
在一些实施例中，S33步骤还包括在离子注入后，对压电层施加退火工艺。通过退火工艺可以消除压电层的压电性。
在一些实施例中，S33步骤具体包括控制离子注入过程中的掺杂离子的种类和/或浓度以使得被离子注入后的压电层材料的居里点低于离子注入后谐振器的制作工艺的最高工艺温度。该设置可以根据最高工艺温度选择合适的掺杂离子种类和/或浓度，以满足不同工艺温度下的去极化操作。
在一些实施例中，声波反射结构为空腔或者布拉格反射结构。声波反射结构可以根据不同的应用效果选择空腔或布拉格反射结构。
根据本发明的第三方面，提出了一种薄膜体声波谐振器，通过上述制作工艺制成。
本发明的一种薄膜体声波谐振器的特定区域的压电层被退极化使其不具有压电性，可以抑制寄生振荡，抑制横波带走能量从而提升Q 值，提升器件的性能。相较于现有技术中利用air gap等工艺反射横波抑制横波带走能量的方式，工艺更加简单，无需顾虑顶电极连接部的机械稳定性。同时根据本发明的另一方面的一种薄膜体声波谐振器的制作工艺，对压电层的暴露部位进行离子注入，并施加退火工艺，使得压电层的与声波反射结构的边界对应的部位形成退极化部，并根据不同频段的器件性能需求以及成本要求实现部分或全部退极化，可以制作不同成本或性能要求的薄膜体声波谐振器。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的薄膜体声波谐振器的截面图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的滤波器的俯视图；
图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的薄膜体声波谐振器的串联状态下的截面图；
图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的薄膜体声波谐振器的串联状态下部分极化的截面图；
图5示出了根据本发明的另一个实施例的SMR结构薄膜体声波谐振器的截面图；
图6a-图 6 o示出了根据本发明的一个实施例的薄膜体声波谐振器的制作工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了根据本发明的一个实施例的薄膜体声波谐振器的截面图，如图1所示，该薄膜体声波谐振器包括衬底101、支撑层102、底电极103、压电层104和顶电极105，其中支撑层102连接衬底101 和底电极103并在二者之间形成空腔106，在空腔106外部的压电层104与电极的纵向区域退极化形成退极化压电层107，退极化压电层 107的设置可以抑制横波带走谐振器的能量进而提升器件的Q值。优选的，退极化压电层107可以为全部退极化或局部退极化，根据器件性能需求设置局部退极化可以便于以最小成本制作出满足预期性能需求的器件，而全部退极化可以实现完美的隔离效果和最小的寄生效应。
在具体的实施例中，退极化压电层107在衬底101上的投影区域可以从空腔106之外的区域跨越到空腔106的边缘或空腔106之内，其中，退极化压电层107是通过将压电层104进行选择性退极化处理后形成的，退极化处理包括对压电层104中的压电材料进行离子注入以及退火。退极化压电层107的设置能够更好地抑制横波带走谐振器的能量，通过离子注入可以实现利用不同的退火工艺实现压电层104 的退极化且便于实现对退极化的控制。
在具体的实施例中，一般的薄膜体声波谐振器的顶电极105右侧往外延伸，空腔106外部的压电层104与电极纵向区域会形成寄生振荡，影响器件性能，令该区域内的压电层失去压电性可以抑制寄生振荡，底电极103因刻蚀工艺而出现晶格缺陷及微孔，垂直方向上的压电层104在成膜过程中会复制底电极103的缺陷，压电层104缺陷会导致横波在此处散射而带走能量，通过退极化压电层107的设置可以避免压电层104缺陷所导致的能量损失，无论顶电极105是否向外延伸，退极化压电层107的设置都能够抑制横波带走谐振器能量而提升器件Q值。
在具体的实施例中，同一衬底上多组谐振器并联(图1中谐振器右侧仅局部示意)，前一组谐振器的顶电极105与下一谐振器的顶电极连接，应当注意的是，区域1071与区域1072必须设置为退极化压电层107，才能够抑制寄生振荡提升器件性能。
对比于现有技术中利用在空腔边界释放内部牺牲层形成的air gap 来反射横波，工艺较为复杂且需要保证空腔上部的顶电极连接部的机械稳定性。本发明只需去除空腔边界的压电层的压电性即可实现抑制横波带走能量的效果，工艺更加简单，且无需顾虑顶电极连接部的机械稳定性能。
图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的滤波器的俯视图，如图2所示，包括四组谐振器201、202、203、204和连接板205，其中，谐振器201、202、203、204的支撑层2011、2021、2031、2041 与电极2012、2022、2032、2042可以为任意形状，具体可以依滤波器形状进行设定，连接板205为谐振器204的电极2042的连接部。四组谐振器的空腔与谐振器外部相互连通，使得边缘可以通过互通互联的通道实现释放，从而达到不破坏谐振器边缘的压电层就可以进行空腔释放的效果，一定程度上提升了器件性能。
继续参考图3，图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的薄膜体声波谐振器的串联状态下的截面图，如图3所示，前一谐振器的顶电极105与后一谐振器的底电极103连接实现谐振器的串联，并分别在两谐振器串联处的压电层104上设置退极化压电层307，区域3071 和区域3072必须设置为退极化压电层307，如未设置退极化压电层307 会产生寄生振荡影响器件性能。
在另一具体的实施例中，退极化压电层的设置区域越大性能提升越好，但成本更高，因此可以根据成本以及器件的性能调整退极化压电层的范围，例如图4中示出的一个具体的实施例的薄膜体声波谐振器的串联状态下部分极化的截面图，区域4071和区域4072必须设置为退极化压电层407，同样能够实现抑制横波带走谐振器能量，抑制寄生振荡的技术效果。
虽然图1-3中示出的均为空腔结构的谐振器结构的退极化压电层设置方案，但应当认识到，该退极化的压电层结构同样适用于SMR 结构，同样能够实现本发明的技术效果。图5示出了根据本发明的另一个实施例的SMR结构薄膜体声波谐振器的截面图，如图5所示，该 SMR结构薄膜体声波谐振器包括衬底501、底电极502、压电层503 和顶电极504，衬底501上设置有布拉格反射结构506，压电层503 在布拉格反射结构506的反射区域上部的两端设置有退极化压电层 505，同样能够实现抑制横波带走谐振器能量的技术效果。
图6示出了根据本发明的一个实施例的薄膜体声波谐振器的制作工艺，如图6所示，该工艺包括以下流程：
首先如图6a所示，在衬底601上生长硅层602，其中，衬底601 可以为Si、SiC、蓝宝石、尖晶石等，优选的，通过PVD生长硅层的厚度为1.5-3μm。利用光刻在硅层602上生成所需的谐振器空腔图形，如图6b所示。在空腔中生长牺牲层603，其中，牺牲层材料可以为PSG(掺杂P的SiO2)，并对牺牲层603进行化学机械抛光，如图6c所示。在硅层602以及牺牲层603上制作底电极604，其中底电极604 的材料可以为钼，并在底电极604的基础上制作压电层605，其中压电层605为氮化铝，具体结构如图6d和6e所示。
继续参考图6f和6g，通过CVD在压电层605表面沉积硬掩模606，硬掩模606为无机薄膜材料，主要成分包括TiN、SiN、SiO2等，利用光刻与刻蚀将硬掩模开口，应当注意的是，硬掩模区域的形状与后续顶电极的形状相同，阻挡区域为谐振器的有效区域。可替代的，也可以直接采用光刻胶显影制作开口图形的技术(即将硬掩模换做光刻胶)，同样能够实现本发明的技术效果。
如图6h和6i所示，对压电层605暴露于硬掩模606的区域进行离子注入，其中，注入原子可以为Ni/Fe/Cr/Mn/Co/V/Y/Si等，对离子注入后的压电层605施加退火工艺，退火工艺中的退火温度应当高于被离子注入后的压电层605材料的居里点，以使得压电层605被离子注入的区域形成退极化部607。优选的，可以控制离子注入过程中的掺杂离子的种类和/或浓度以使得被离子注入后的压电层材料的居里点低于离子注入后谐振器的制作工艺的最高工艺温度。
在具体的实施例中，对压电层605进行离子注入，随后进行选择性处理的方式退极化以消除压电层605的压电性。以氮化铝压电层605 的居里点为673.15K(400℃)作临界点。当压电层605的居里点低于 673.15K时，因离子注入工艺后的多个工序温度作业温度超673.15K，此作业温度＞压电层605的居里点而致使压电层605膜层内部分子和原子剧烈运动而无规则排布，这些相对高温工艺可使压电层605压电性消除；当压电层605的居里点高于673.15K时，此时没有工艺超过 673.15K，因此在压电层605离子注入后添加一道额外的退火工艺，退火温度需高于压电层605的居里点，最佳温度可设定为高于压电层605 居里点约10-20℃，保温时间约0.5h。
在一个具体的实施例中，可以引用铬压电层605。铬掺杂浓度为 1-3％时居里点略高于350K，掺杂浓度为15％时居里点略高于400K，此时居里点低于前文所设置的临界点(673.15K)，因此无需退火；掺杂浓度为7％时居里点略高于900K，此时居里点高于临界点，因此需要设置高于900K的退火温度使退极化部607失去压电性。
在另一具体的实施例中，可引用钒压电层605。当钒的掺杂浓度为1.58％时，此时压电层605可获得接近于室温的居里点300K，无需退火即可在后续的工艺中使退极化部607的压电性消除。
继续参考图6j，利用氢氟酸蚀刻液去除硬掩模606，应当注意的是，无论何种形貌的离子注入区域，各侧离子注入区域均不超出空腔的范围，即离子注入区域垂直方向上的投影可以局部与空腔边界重叠，也可稍延伸至空腔内部。
在具体的实施例中，离子注入水平方向的区域限定，可以是投影于空腔外的全部(如图6j所示)，也可以是投影于空腔外围的局部(如图6k所示)；离子注入垂直方向区域范围限定，可以是贯穿压电层(如图6j所示)，也可以是局部注入(如图6l所示)。水平方向的区域范围可通过调整硬掩模606开口图形的形貌来实现，垂直方向可以通过调节离子注入的工艺参数来实现。应当注意的是，离子注入区域越大对于器件的性能提升更好，但成本增加越大，因此可以权衡成本和器件性能需求来选择合适的离子注入的区域。
在另一具体的实施例中，非谐振区域可以全部使用离子注入使得压电层605失去压电性，只保留谐振器区域的压电层605的压电性以实现器件功能，实现完美的隔离效果和最小的寄生效应。如图6m所示。除了顶电极608对应的压电层605区域以外的所有区域全部掺杂。
在优选的实施例中，掺杂区域的设定依据是以最小成本制作可达到预定要求的抑制寄生震荡效果的退极化部区域。应当注意的是，所掺杂的压电层605的区域，所在谐振器之间的位置，面积大小和深度以及谐振器之外的掺杂区域都是可以任意选择和设定的。
最后参考图6n和图6o，在压电层605表面制作顶电极608，其中，顶电极608材料为钼。利用氢氟酸蚀刻剂释放牺牲层603获得空腔 609，完成薄膜体声波谐振器的制作工艺。该工艺通过硬掩模606的沉积将需要退极化的压电层暴露，通过对压电层605进行离子注入，可以进行选择性处理的方式退极化来消除部分压电层的压电性，可以根据成本以及器件的性能综合选择相应的离子注入区域，满足不同类型的薄膜体声波谐振器的制作工艺。
利用如图6a-6o所示的制作工艺制作获得的薄膜体声波谐振器，通过特定区域或特定深度的压电层的退极化，当顶电极和底电极施加电场时，压电层将电能转换为包括横波和纵波两种振动模式的机械能，退极化的区域可以抑制横波从谐振器空腔上部的谐振区域带走能量，从而保证谐振区域的机械振动强度，进而提升谐振器的Q值。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括设置在声波反射结构所在衬底的上部的底电极层、压电层和顶电极层，其中所述压电层的与所述声波反射结构的边界对应的部位经过退极化处理以形成退极化部从而消除所述部位的压电性，所述退极化部在所述衬底上的投影区域至少从所述声波反射结构之外的区域跨越到所述声波反射结构之内。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述退极化部被部分退极化。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述退极化部被全部退极化。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述退极化部是通过将所述压电层进行选择性退极化处理后形成的。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述退极化处理包括对压电层中的压电材料进行离子注入以及退火。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括设置在同一衬底上的多个谐振器，其中在所述多个谐振器之间的区域所具有的压电层被退极化处理。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声波反射结构为空腔。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声波反射结构为布拉格反射结构。
9.一种薄膜体声波谐振器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在形成或将要形成声波反射结构的衬底上制作底电极层以覆盖所述声波反射结构；
S2、在所述底电极层上制作压电层；
S3、对所述压电层的与所述声波反射结构的边界对应的部位进行退极化处理以形成退极化部从而消除所述部位的压电性，所述退极化部在所述衬底上的投影区域至少从所述声波反射结构之外的区域跨越到所述声波反射结构之内；以及
S4、在所述压电层上制作顶电极层。
10.根据权利要求9所述的制作工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、在所述压电层上沉积硬掩膜或涂覆光刻胶，
S32、将所述硬掩膜 或所述光刻胶图形化以使得所述压电层的至少与所述声波反射结构的边界对应的部位暴露出，
S33、对所述压电层的暴露部位进行离子注入，
S34、去除所述硬掩膜或光刻胶。
11.根据权利要求10所述的制作工艺，其特征在于，所述S33步骤还包括在离子注入后，对所述压电层施加退火工艺。
12.根据权利要求10所述的制作工艺，其特征在于，所述S33步骤具体包括控制离子注入过程中的掺杂离子的种类和/或浓度以使得被离子注入后的压电层材料的居里点低于所述离子注入后的所述谐振器的制作工艺的最高工艺温度。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的制作工艺，其特征在于，所述声波反射结构为空腔或者布拉格反射结构。
14.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，通过权利要求9-13中任一项所述的制作工艺制成。
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PB01 Publication
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CB02 Change of applicant information
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Address after: 1219-23, building 3, No. 1366, Hongfeng Road, Kangshan street, Huzhou City, Zhejiang Province, 313000

Applicant after: Jianwenlu (Zhejiang) Semiconductor Co.,Ltd.

Address before: 310019 room 1004, 10th floor, building 4, No. 9, Jiuhuan Road, Jianggan District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant before: Hangzhou Wenwenlu Technology Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
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Denomination of invention: A thin film bulk acoustic resonator and its manufacturing process

Effective date of registration: 20220613

Granted publication date: 20211015

Pledgee: Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Hangzhou Yuhang sub branch

Pledgor: Jianwenlu (Zhejiang) Semiconductor Co.,Ltd.

Registration number: Y2022330000928

PP01 Preservation of patent right
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Effective date of registration: 20250210

Granted publication date: 20211015