一種薄膜體聲波諧振器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及一種薄膜體聲波諧振器(FBAR或TFBAR，Thin_film bulk acousticresonator)，特別是涉及一種空氣隙型FBAR0
【背景技術(shù)】
[0002]目前用于移動(dòng)通信的濾波器主要有聲表面波(SAW，surfaceacoustic wave，也稱表面聲波)濾波器和體聲波(BAW，bulk acoustic wave)濾波器。聲表面波濾波器主要在4英寸和6英寸的鈮酸鋰(LiN13)或鉭酸鋰(LiTaO3)晶圓上生產(chǎn)，體聲波濾波器主要在6英寸和8英寸的硅晶圓上生產(chǎn)。通常是晶圓尺寸越大，同一晶圓上可生產(chǎn)的集成電路就越多，成本就越低。聲表面波濾波器與體聲波濾波器的材料成本基本相同，但體聲波濾波器的整體制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲表面波濾波器，這是由于體聲波濾波器的結(jié)構(gòu)以及制造工藝復(fù)雜。聲表面波濾波器由于成本低、制造工藝成熟，占據(jù)了60%以上的濾波器市場(chǎng)。
[0003]隨著4G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信頻率越來(lái)越高，可用頻譜越來(lái)越擁擠，對(duì)濾波器的滾降系數(shù)、插入損耗、帶外抑制、功率承受能力等方面有了更高的要求。聲表面波濾波器逐漸表現(xiàn)出無(wú)法滿足這些要求。而體聲波濾波器在這些方面表現(xiàn)優(yōu)異，逐漸成為了 4G移動(dòng)通信領(lǐng)域的首選。但體聲波濾波器的高昂成本阻礙了其快速發(fā)展。
[0004]FBAR是一種體聲波器件，也是一種MEMS(micro-electro_mechanical systems，微機(jī)電系統(tǒng))器件，是構(gòu)成體聲波濾波器的基本單元。一組FBAR采用諸如半梯形(half-1adder)、全梯形(ful1-1adder)、晶格(lattice)、堆疊(stack)等方式級(jí)聯(lián)在一起就構(gòu)成體聲波濾波器。FBAR還用于制作雙工器、微波振蕩器、傳感器、功率放大器、低噪聲放大器等。如何制造出高性能、低成本的FBAR對(duì)體聲波濾波器的進(jìn)一步發(fā)展有著重要意義。
[0005]目前FBAR根據(jù)不同的制造工藝主要有三種結(jié)構(gòu)一一背面刻蝕型、固態(tài)裝配型和空氣隙型。背面刻蝕型FBAR由于機(jī)械強(qiáng)度差而使得成品率低，無(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)。固體裝配型FBAR采用布拉格反射層作為聲波反射層，一方面需要制備多層薄膜，在各層薄膜應(yīng)力控制上難度較大且工藝成本較高；另一方面布拉格反射層的聲波反射效果不如空氣，Q值(品質(zhì)因子)低于空氣隙型FBAR?？諝庀缎虵BAR的機(jī)械強(qiáng)度較好、Q值較高，制造工藝復(fù)雜度適中而被廣泛使用。電子科技大學(xué)2007年碩士學(xué)位論文《薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)分析與仿真》(作者:吳勇)在第二章《FBAR的原理和結(jié)構(gòu)》對(duì)這方面內(nèi)容進(jìn)行了介紹。
[0006]請(qǐng)參閱圖1，這是一種傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR。在襯底100的上方依次向上分別具有下電極201、壓電層202和上電極203。所述襯底100可以是硅、藍(lán)寶石、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、石英、玻璃等材料。所述下電極201和上電極203可以是鋁、銅、鋁銅合金、鋁硅合金、鋁硅銅合金、金、媽、鈦、鈦媽化合物、鉬、鈾等金屬材料。所述壓電層202可以是氧化鋅、PZT(Leadzirconate titanate，錯(cuò)鈦酸鉛)、氮化招等壓電薄膜材料。在襯底100和下電極201之間具有從襯底100的上表面向下凹陷的空腔104作為FBAR的空氣隙。
[0007]請(qǐng)參閱圖2，圖1所示的傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR的制造方法包括如下步驟:
[0008]步驟SlOl，在襯底100的上表面刻蝕出空腔104，例如采用光刻和刻蝕工藝。在空腔104的邊緣還具有一起被刻蝕出的犧牲層釋放通道。
[0009]步驟S102，在襯底100上淀積一層犧牲層，至少將所述空腔104填充滿。所述犧牲層例如為二氧化硅、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。
[0010]步驟S103，采用平坦化工藝將犧牲層研磨至與襯底100的上表面齊平。所述平坦化工藝?yán)鐬榛瘜W(xué)機(jī)械研磨(CMP)。
[0011]步驟S104，在襯底100和犧牲層之上先生長(zhǎng)一層金屬，然后將該層金屬刻蝕成下電極201，例如采用濺射、光刻和刻蝕工藝。下電極201大致覆蓋空腔104的位置。
[0012]步驟S105，在襯底100、犧牲層和下電極201之上先淀積一層壓電材料，然后將該層壓電材料刻蝕成壓電層202。壓電層202也大致覆蓋空腔104的位置。
[0013]步驟S106，在襯底100、犧牲層、下電極201和壓電層202之上先生長(zhǎng)一層金屬，然后將該層金屬刻蝕成上電極203，例如采用淀積、光刻和刻蝕工藝。上電極203也大致覆蓋空腔104的位置。
[0014]步驟S107，刻蝕上電極203、壓電層202、下電極201中的一層或多層從而暴露出犧牲層釋放通道的位置，然后通過(guò)該犧牲層釋放通道去除空腔104中的犧牲層，例如采用光刻、刻蝕、濕法腐蝕工藝。位于襯底100和下電極201之間的空腔104就作為FBAR的空氣隙。
[0015]傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR在制造時(shí)，均采用二氧化硅或類似材料作為犧牲層用于填充空腔，在器件制作完成后再用氫氟酸(HF)將空腔中的二氧化硅移除形成空氣隙。由于氫氟酸對(duì)大多數(shù)金屬具有腐蝕性，因此傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR必須謹(jǐn)慎選擇電極及層間互聯(lián)的金屬材料。一般地，空氣隙型FBAR不能采用低成本的鋁(Al)、銅(Cu)作為互聯(lián)金屬，均采用高成本的金(Au)作為互聯(lián)金屬，這大大增加了其材料成本。并且，采用氫氟酸移除犧牲層的同時(shí)，F(xiàn)BAR器件的其他結(jié)構(gòu)也會(huì)受到氫氟酸不同程度的腐蝕，導(dǎo)致器件的可靠性變差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種低成本、高可靠性、無(wú)污染的FBAR以及相應(yīng)的制造方法。
[0017]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)的薄膜體聲波諧振器是在襯底的上方具有空腔，在空腔的上方還具有下電極、上電極以及位于兩者中間的壓電層;所述空腔是先填充犧牲層再移除犧牲層而得到的，并且犧牲層采用能夠被氧等離子體刻蝕工藝去除的材料;所述下電極、上電極和/或電極引出端采用鋁、銅或銅鋁合金的一種或多種。
[0018]本申請(qǐng)的薄膜體聲波諧振器的制造方法之一是:在襯底上形成凸出在襯底之上的犧牲層，或者在襯底上形成上表面齊平的支撐層與犧牲層;接著在襯底和犧牲層之上、或者在襯底和支撐層和犧牲層之上分別形成下電極、壓電層、上電極;最后采用鋁、銅或銅鋁合金作為互聯(lián)金屬形成電極引出端，并采用氧等離子體刻蝕工藝去除犧牲層而形成薄膜體聲波諧振器的空氣隙。
[0019]本申請(qǐng)取得的技術(shù)效果是:一方面將薄膜體聲波諧振器中的電極、電極引出端材料由貴金屬改為便宜金屬，降低了制造成本;另一方面避免了氫氟酸對(duì)器件的損害，提高了薄膜體聲波諧振器的可靠性;再一方面舍棄了對(duì)環(huán)境有污染的氫氟酸藥液，體現(xiàn)環(huán)境友好性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖2是傳統(tǒng)的空氣隙型FBAR的制造方法示意圖。
[0022]圖3a至圖3i是本申請(qǐng)的空氣隙型FBAR制造方法實(shí)施例一各步驟示意圖。
[0023]圖4a至圖4d是本申請(qǐng)的空氣隙型FBAR制造方法實(shí)施例二部分步驟示意圖。
[0024]圖5a至圖5b是本申請(qǐng)的空氣隙型FBAR制造方法實(shí)施例三部分步驟示意圖。
[0025]圖3i還是本申請(qǐng)的空氣隙型FBAR的實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5c是本申請(qǐng)的空氣隙型FBAR的實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中附圖標(biāo)記說(shuō)明:100為襯底；101為支撐層；102為硅(單晶硅或多晶硅)；104為空腔；105為犧牲層；201為下電極；202為壓電層；203為上電極；207為溝槽；208為隔離層；209為鈍化層;300為互聯(lián)金屬。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本申請(qǐng)的FBAR制造方法的實(shí)施例一包括如下步驟:
[0029]步驟S301，請(qǐng)參閱圖3a，在襯底100上淀積一層支撐層101。支撐層101可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等絕緣材料。
[0030]步驟S302，請(qǐng)參閱圖3b，刻蝕支撐層101形成空腔104，例如采用光刻和刻蝕工藝。空腔104還連接有一起被刻蝕出的犧牲層釋放通道(未圖示)。
[0031]步驟S303，請(qǐng)參閱圖3c，在襯底100和支撐層101之上淀積一層犧牲層105，所述犧牲層105將空腔104和犧牲層釋放通道填充滿。犧牲層105例如采用黑金剛石(BlackDiamond)、光刻膠(Photoresist)、聚酰亞胺(Polyimide)等能夠被氧等離子體刻蝕(O2P Iasma)工藝去除的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料。
[0032]步驟S304，請(qǐng)參閱圖3d，采用平坦化工藝將犧牲層105的上表面研磨至與支撐層101的上表面齊平。所述平坦化工藝?yán)鐬榛瘜W(xué)機(jī)械研磨。
[0033]步驟S305，請(qǐng)參閱圖3e，先在支撐層101和犧牲層105之上淀積一層隔離層208，隔離層208例如為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁等材料。然后在隔離層208之上生長(zhǎng)一層金屬，并將該層金屬刻蝕成下電極201，例如采用濺射、光刻和刻蝕工藝。下電極201和隔離層208均完整覆蓋空腔104的位置，但暴露出犧牲層釋放通道的位置。
[0034]可選地，可以同時(shí)刻蝕下電極201和隔離層208。
[0035]可選地，在同時(shí)刻蝕下電極201和隔離層208時(shí)，還在下電極201和隔離層208中刻蝕出溝槽207，例如采用光刻和刻蝕工藝。溝槽207的底部例如為支撐層101的上表面，溝槽207與空腔104的位置相錯(cuò)開(kāi)。溝槽207用來(lái)將FBAR與互聯(lián)金屬觸點(diǎn)進(jìn)行隔離。圖3e中表現(xiàn)出了溝槽207，在其他實(shí)施例中不刻蝕溝槽207也是可以的。
[0036]步驟S306，請(qǐng)參閱圖3f，在隔離層208和下電極201之上先淀積一層壓電材料，然后將該層壓電材料刻蝕成壓電層202。壓電層202完整或部分地覆蓋空腔104的位置，但暴露出犧牲層釋放通道以及下電極201的引出端。
[0037]如果在步驟S305中刻蝕出用于隔離的溝槽207，那么壓電層202的一部分可以填充在該溝槽207內(nèi)。
[0038]步驟S307，請(qǐng)參閱圖3g，先在隔離層208、下電極201和壓電層202之上生長(zhǎng)一層金屬，然后在隔離層208、下電極201、壓電層202、新生長(zhǎng)的金屬層之上淀積一層鈍化層209。鈍化層209例如為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁等材料。接著先刻蝕鈍化層209，再刻蝕新生長(zhǎng)的金屬層成為上電極203，例如采用光刻和刻蝕工藝。上電極203部分或全部覆蓋空腔104的位置，但暴露出犧牲層釋放通道的位置。鈍化層209覆蓋上電極203和下電極201的暴露部分，但暴露出電極的引出端。
[0039]如果在步驟S305中刻蝕出用于隔離的溝槽207，那么上