体声波谐振装置的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种体声波谐振装置的形成方法。


背景技术：

2.无线通信设备的射频(radio frequency，rf)前端芯片包括功率放大器、天线开关、射频滤波器、包括双工器的多工器和低噪声放大器等。其中，射频滤波器包括声表面波(surface acoustic wave，saw)滤波器、体声波(bulk acoustic wave，baw)滤波器、微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)滤波器、集成无源装置(integrated passive devices，ipd)滤波器等。
3.声表面波谐振器和体声波谐振器的品质因数值(q值)较高，由声表面波谐振器和体声波谐振器制作成的低插入损耗、高带外抑制的射频滤波器，即声表面波滤波器和体声波滤波器，是目前手机、基站等无线通信设备使用的主流射频滤波器。其中，q值是谐振器的品质因数值，定义为中心频率除以谐振器3db带宽。声表面波滤波器的使用频率一般为0.4ghz至2.7ghz，体声波滤波器的使用频率一般为0.7ghz至7ghz。
4.与声表面波谐振器相比，体声波谐振器的性能更好，但是由于工艺步骤复杂，体声波谐振器的制造成本比saw谐振器高。然而，当无线通信技术逐步演进，所使用的频段越来越多，同时随着载波聚合等频段叠加使用技术的应用，无线频段之间的相互干扰变得愈发严重。高性能的体声波技术可以解决频段间的相互干扰问题。随着5g时代的到来，无线移动网络引入了更高的通信频段，当前只有体声波技术可以解决高频段的滤波问题。
5.然而，现有技术中形成的体声波谐振装置仍存在诸多问题。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是提供一种体声波谐振装置的形成方法，可使压电层不包括明显转向的晶粒，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
7.为解决上述问题，本发明提供一种体声波谐振装置的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成中间层；形成第一开口，嵌入所述中间层内；在所述第一开口内形成牺牲层，所述牺牲层的顶部表面与所述中间层的顶部表面齐平；形成第二开口，嵌入所述中间层和所述牺牲层；在所述第二开口内形成第一电极层，所述第一电极层的顶部表面与所述中间层的顶部表面齐平；形成压电层，位于所述中间层上、所述牺牲层上及所述第一电极层上；在所述压电层上形成第二电极层。
8.可选的，所述牺牲层的材料与第一电极和所述中间层的材料不同；所述牺牲层的材料包括：聚合物、二氧化硅、掺杂二氧化硅和多晶硅中的一种或多种。
9.可选的，所述聚合物包括：苯并环丁烯、光感环氧树脂光刻胶和聚酰亚胺中的一种或多种。
10.可选的，所述中间层的材料包括：聚合物和绝缘电介质中一种或多种。
11.可选的，所述聚合物包括：苯并环丁烯、光感环氧树脂光刻胶和聚酰亚胺中的一种
或多种。
12.可选的，所述绝缘电介质包括：氮化铝、二氧化硅、氮化硅和氧化钛中的一种或多种。
13.可选的，所述压电层包括多个晶粒，多个所述晶粒包括第一晶粒和第二晶粒，其中，所述第一晶粒和所述第二晶粒是多个所述晶粒中的任意两个晶粒；沿第一方向的第一坐标轴对应所述第一晶粒的高，沿第二方向的第二坐标轴对应所述第二晶粒的高，其中，所述第一方向和所述第二方向相同或相反。
14.可选的，所述第一晶粒对应第一坐标系，所述第一坐标系包括所述第一坐标轴和沿第三方向的第三坐标轴；所述第二晶粒对应第二坐标系，所述第二坐标系包括所述第二坐标轴和沿第四方向的第四坐标轴。
15.可选的，所述第一坐标系还包括沿第五方向的第五坐标轴，所述第二坐标系还包括沿第六方向的第六坐标轴。
16.可选的，所述第三方向和所述第四方向相同或相反。
17.可选的，所述压电层的材料包括：氮化铝、氮化铝合金、氮化镓、氧化锌、钽酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅和铌镁酸铅—钛酸铅中的一种或多种。
18.可选的，在形成所述中间层之前，还包括：在所述基底上形成多晶层，所述多晶层位于所述基底和所述中间层之间。
19.可选的，所述多晶层的材料包括：多晶材料。
20.可选的，所述多晶材料包括：多晶硅、多晶氮化硅和多晶碳化硅中的一种或多种。
21.可选的，所述中间层的厚度范围为：0.1微米至10微米。
22.可选的，在形成所述第二电极层之后，还包括：去除所述牺牲层，在压电层和中间层之间形成空腔，且所述第一电极层的一端位于所述空腔内。
23.可选的，在形成所述牺牲层之前，还包括：在所述第一开口的侧壁和底部表面形成刻蚀屏蔽层。
24.可选的，所述刻蚀屏蔽层的材料包括：氮化铝、碳化硅、金刚石、氮化硅、二氧化硅、氧化铝和二氧化钛中的一种或多种。
25.可选的，所述刻蚀屏蔽层的厚度范围为：0.1微米至3微米。
26.可选的，在形成所述第二电极层之后，还包括：在所述压电层上形成边缘结构，所述边缘结构与所述压电层接触，所述边缘结构包围所述第二电极层。
27.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
28.在本发明技术方案的体声波谐振装置的形成方法中，形成压电层，位于中间层上、牺牲层上和第一电极层上。由于所述中间层、所述牺牲层以及所述第一电极层的顶部表面齐平，因此使得形成的所述压电层不包括明显转向的晶粒，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。另外，所述体声波谐振装置通过层堆叠的方式形成，避免了采用键合的制程工艺，有效简化了制作步骤，降低了制作成本。
29.进一步，在形成所述中间层之前，还包括：在所述基底上形成多晶层，所述多晶层位于所述基底和所述中间层之间。所述中间层与所述基底之间设置所述多晶层有助于防止所述基底表面形成自由电子层，从而减少所述基底造成的电损耗。
30.进一步，所述中间层202的厚度范围为：0.1微米至10微米。使得所述中间层的声阻
抗与所述压电层的声阻抗差别较大，形成声学反射结构，从而阻隔声波从谐振区漏入所述基底。
31.进一步，在形成所述牺牲层之前，还包括：在所述第一开口的侧壁和底部表面形成刻蚀屏蔽层。在后续去除所述牺牲层形成空腔时，所述刻蚀屏蔽层可以起到保护所述中间层的作用。此外，所述刻蚀隔屏蔽层可以起到保护谐振装置不受水和氧气腐蚀。
32.进一步，在形成所述第二电极层之后，还包括：在所述压电层上形成边缘结构，所述边缘结构与所述压电层接触，所述边缘结构呈环状，位于所述第二电极层与所述第一电极层的重合部的边缘，所述边缘结构能够用于限制横向波泄漏，从而可以提高谐振装置的q值。
附图说明
33.图1是一种体声波滤波器电路的示意图；
34.图2是一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
35.图3至图10是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法各步骤结构示意图；
36.图11是一种六方晶系晶粒的结构示意图；
37.图12是不同晶系晶粒的结构示意图。
具体实施方式
38.正如背景技术所述，现有技术中形成的体声波谐振装置仍存在诸多问题。以下将结合附图进行具体说明。
39.图1是一种体声波滤波器电路的示意图；图2是一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
40.请参考图1，一种体声波滤波器电路，包括由多个体声波谐振器组成的梯形电路，其中，f1、f2、f3、f4分别表示4种不同的频率。每个体声波谐振器内，谐振器压电层两侧的金属电极产生交替正负电压，压电层通过交替正负电压产生声波，该谐振器内的声波沿垂直于压电层的方向传播。为了形成谐振，声波需要在上金属电极的上表面和下金属电极的下表面产生全反射，以形成驻声波。声波反射的条件是与上金属电极的上表面和下金属电极的下表面接触区域的声阻抗与金属电极的声阻抗有较大差别。
41.薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic wave resonator，fbar)是一种可以把声波能量局限在器件内的体声波谐振器，该谐振器的谐振区上方是空气或真空，下方存在一个空腔。空气声阻抗与金属电极声阻抗差别较大，声波可以在上金属电极的上表面和下金属电极的下表面全反射，形成驻波。
42.请参考图2，一种薄膜体声波谐振器100，包括：基底101，所述基底101上表面侧包括空腔103；第一电极层105，位于所述基底101及所述空腔103上；压电层107，位于所述基底101上，覆盖所述第一电极层105，所述压电层107包括凸起部107a；第二电极层109，位于所述压电层107上，所述第二电极层109包括凸起部109a，所述凸起部109a位于所述凸起部107a上；其中，谐振区111(即，所述第一电极层105和所述凸起部109a的重合区域)位于所述空腔103上，与所述基底101有重合接触部。所述薄膜体声波谐振器100通过逐层堆叠形成，即在所述基底101上形成所述第一电极层105，在所述第一电极层105和所述基底101上形成
所述压电层107，然后在所述压电层107上形成所述第二电极层109。
43.由于所述第一电极层105凸起，直接在所述第一电极层105和所述基底101上形成所述压电层107，会造成所述压电层107中部分晶粒(例如，所述凸起部107a的两侧部115中的晶粒)出现明显转向，与另一部分晶粒(例如，所述凸起部107a的中间部117中的晶粒)不平行，从而降低所述薄膜体声波谐振器100的机电耦合系数及q值。
44.在此基础上，本发明提供一种体声波谐振装置的形成方法，形成压电层，位于中间层上、牺牲层上和第一电极层上。由于所述中间层、所述牺牲层以及所述第一电极层的顶部表面齐平，因此使得形成的所述压电层不包括明显转向的晶粒，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。另外，所述体声波谐振装置通过层堆叠的方式形成，避免了采用键合的制程工艺，有效简化了制作步骤，降低了制作成本。
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
46.图3至图10是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法各步骤结构示意图；图11是一种六方晶系晶粒的结构示意图；图12是不同晶系晶粒的结构示意图。
47.请参考图3，提供基底200。
48.在本实施例中，所述基底200的材料采用高阻抗硅。
49.请继续参考图3，在所述基底200上形成多晶层201。
50.在本实施例中，所述多晶层201的材料包括但不限于：多晶薄膜。
51.在本实施例中，所述多晶薄膜的材料包括但不限于以下至少之一：多晶硅、多晶氮化硅、多晶碳化硅。需要说明的是，所述多晶层201形成与所述基底200以及后续形成的中间层之间，有助于防止所述基底200表面形成自由电子层，从而减少所述基底造成的电损耗。
52.请参考图4，在所述基底200上形成中间层202。
53.在本实施例中，所述中间层202具体与所述多晶层202接触。
54.请继续参考图4，形成第一开口203，嵌入所述中间层202内。
55.在本实施例中，所述第一开口203的形成方法包括：在所述中间层202上形成第一图形化层(未图示)，所述第一图形化层暴露出部分所述中间层202的顶部表面；以所述第一图形化层为掩膜刻蚀所述中间层202，形成所述第一开口203；在形成所述第一开口203之后，去除所述第一图形化层。
56.在本实施例中，所述中间层202的材料包括但不限于以下至少之一：聚合物、绝缘电介质。
57.在本实施例中，所述聚合物包括但不限于以下至少之一：苯并环丁烯(即，bcb)、光感环氧树脂光刻胶(例如，su-8)、聚酰亚胺。
58.在本实施例中，所述绝缘电介质包括但不限于以下至少之一：二氧化硅、氮化硅、氧化钛。
59.请参考图5，在所述第一开口203内形成牺牲层204，所述牺牲层204的顶部表面与所述中间层202的顶部表面齐平。
60.在本实施例中，所述牺牲层204的形成方法包括：在所述第一开口203内以及所述中间层202上形成牺牲材料层(未图示)；对所述牺牲材料层进行平坦化处理，直至暴露出所述中间层202的顶部表面为止，形成所述牺牲层204。
61.在本实施例中，对所述牺牲材料层进行平坦化处理的工艺包括但不限于：化学机械研磨工艺。
62.在本实施例中，所述牺牲层204的材料包括但不限于以下至少之一：聚合物、二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅。
63.在本实施例中，所述聚合物包括但不限于以下至少之一：苯并环丁烯(即，bcb)、光感环氧树脂光刻胶(例如，su-8)、聚酰亚胺。需要说明的是，所述掺杂二氧化硅为掺杂其他元素的二氧化硅。
64.请继续参考图5，在本实施例中，在形成所述牺牲层204之前，还包括：在所述第一开口203的侧壁和底部表面形成刻蚀屏蔽层205。
65.在本实施例中，所述刻蚀屏蔽层205的材料包括但不限于以下至少之一：氮化铝、碳化硅、钻石、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛。
66.在本实施例中，所述刻蚀屏蔽层205的厚度包括但不限于：0.1微米至3微米。
67.请参考图6，形成第二开口206，嵌入所述中间层202和所述牺牲层204内。
68.在本实施例中，形成所述第二开口206的方法包括：在所述中间层202和所述牺牲层204上形成第二图形化层(未图示)，所述第二图形化层暴露出部分所述中间层202和所述牺牲层204的顶部表面；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀所述中间层202和所述牺牲层204，形成所述第二开口206；在形成所述第二开口206之后，去除所述第二图形化层。
69.请参考图7，在所述第二开口206内形成第一电极层207，所述第一电极层207的顶部表面与所述中间层202的顶部表面齐平。
70.在本实施例中，在所述第二开口206内形成第一电极层207的方法包括：在所述第二开口206内以及所述中间层202和所述牺牲层204表面形成第一电极材料层(未图示)；对所述第一电极材料层进行平坦化处理，直至暴露出所述中间层202和所述牺牲层204的顶部表面为止，形成所述第一电极层207。
71.在本实施例中，对所述第一电极材料层进行平坦化处理的工艺包括但不限于：化学机械研磨工艺。
72.在本实施例中，所述第一电极层207的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
73.请参考图8，在所述中间层202上、牺牲层204上和第一电极层207上形成压电层208。
74.需要说明的是，由于所述中间层202、牺牲层204以及第一电极层207的顶部表面齐平，因此使得形成的所述压电层208不包括明显转向的晶粒，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
75.在本实施例中，所述压电层208的材料包括但不限于以下至少之一：氮化铝、氮化铝合金、氮化镓、氧化锌、钽酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅、铌镁酸铅—钛酸铅。
76.在本实施例中，所述压电层208包括多个晶粒，多个所述晶粒包括第一晶粒和第二晶粒，其中，所述第一晶粒和所述第二晶粒是多个所述晶粒中的任意两个晶粒。所属技术领域的技术人员知晓晶粒的晶向、晶面等可以基于坐标系表示。如图11所示，对于六方晶系的晶粒，例如氮化铝晶粒，采用ac立体坐标系(包括a轴及c轴)表示。如图12所示，对于图12中的(i)正交晶系(a≠b≠c)、(ii)四方晶系(a＝b≠c)、(iii)立方晶系(a＝b＝c)等的晶粒，
其中，a为晶系的宽，b为晶系的高，c为晶系的长，采用xyz立体坐标系(包括x轴、y轴及z轴)表示。除上述两个实例，晶粒还可以基于其他所属技术领域的技术人员知晓的坐标系表示，因此本发明不受上述两个实例的限制。
77.在本实施例中，所述第一晶粒可以基于第一立体坐标系表示，所述第二晶粒可以基于第二立体坐标系表示，其中，所述第一立体坐标系至少包括沿第一方向的第一坐标轴及沿第三方向第三坐标轴，所述第二立体坐标系至少包括沿第二方向的第二坐标轴及沿第四方向的第四坐标轴，其中，所述第一坐标轴对应所述第一晶粒的高，所述第二坐标轴对应所述第二晶粒的高。
78.在本实施例中，所述第一方向和所述第二方向相同或相反。需要说明的是，所述第一方向和所述第二方向相同指：沿所述第一方向的向量和沿所述第二方向的向量的夹角范围包括0度至5度；所述第一方向和所述第二方向相反指：沿所述第一方向的向量和沿所述第二方向的向量的夹角范围包括175度至180度。
79.在其他实施例中，所述第一立体坐标系为ac立体坐标系，其中，所述第一坐标轴为第一c轴，所述第三坐标轴为第一a轴；所述第二立体坐标系为ac立体坐标系，所述第二坐标轴为第二c轴，所述第四坐标轴为第二a轴，其中，所述第一c轴和所述第二c轴的指向相同或相反。
80.在其他实施例中，所述第一立体坐标系还包括沿第五方向的第五坐标轴，所述第二立体坐标系还包括沿第六方向的第六坐标轴。在其他实施例中，所述第一方向和所述第二方向相同或相反，所述第三方向和所述第四方向相同或相反。需要说明的是，所述第三方向和所述第四方向相同指：沿所述第三方向的向量和沿所述第四方向的向量的夹角范围包括0度至5度；所述第三方向和所述第四方向相反指：沿所述第三方向的向量和沿所述第四方向的向量的夹角范围包括175度至180度。
81.在其他实施例中，所述第一立体坐标系为xyz立体坐标系，其中，所述第一坐标轴为第一z轴，所述第三坐标轴为第一y轴，所述第五坐标轴为第一x轴；所述第二立体坐标系为xyz立体坐标系，所述第二坐标轴为第二z轴，所述第四坐标轴为第二y轴，所述第六坐标轴为第二x轴。在其他实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相同，所述第一y轴和所述第二y轴的指向相同。在其他实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相反,所述第一y轴和所述第二y轴的指向相反。在其他实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相同，所述第一y轴和所述第二y轴的指向相反。在其他实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相反,所述第一y轴和所述第二y轴的指向相同。
82.在本实施例中，所述压电层包括多个晶粒，多个所述晶粒组成的晶体的摇摆曲线半峰宽低于2.5度。需要说明的是，摇摆曲线(rocking curve)描述某一特定晶面(衍射角确定的晶面)在样品中角发散大小，通过平面坐标系表示，其中，横坐标为该晶面与样品面的夹角，纵坐标则表示在某一夹角下，该晶面的衍射强度，摇摆曲线用于表示晶体质量，半峰宽角度越小说明晶体质量越好。此外，半峰宽(full width at half maximum，fwhm)指在函数的一个峰当中，前后两个函数值等于峰值一半的点之间的距离。
83.在本实施例中，所述中间层202的厚度范围为：0.1微米至10微米。所述中间层202的声阻抗与形成的所述压电层208的声阻抗差别较大，从而阻隔声波从谐振区漏入所述基底200。
84.请参考图9，在所述压电层208上形成第二电极层209。
85.在本实施例中，所述第二电极层209的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
86.请继续参考图9，在本实施例中，在形成所述第二电极层209之后，还包括：在所述压电层208上形成边缘结构210，所述边缘结构210与所述压电层208接触，所述边缘结构210呈环状，位于所述第二电极层209与所述第一电极层207的重合部的边缘。所述边缘结构210能够用于限制横向波泄漏，从而可以提高谐振装置的q值。
87.请参考图10，在形成所述第二电极层209之后，去除所述牺牲层207，在压电层208和中间层202之间形成空腔211，且所述第一电极层207的一端位于所述空腔211内。
88.在本实施例中，所述体声波谐振装置通过层堆叠的方式形成，避免了采用键合的制程工艺，有效简化了制作步骤，降低了制作成本。
89.在本实施例中，去除所述牺牲层204的方法包括但不限于以下至少之一：氧气离子刻蚀、氢氟酸刻蚀、二氟化氙刻蚀。
90.在本实施例中，所述牺牲层204的材料与所述中间层202以及所述第一电极层207的材料不同。其目的在于，在去除所述牺牲层204的过程中，减小对所述中间层202和所述第一电极层207的刻蚀损伤。
91.在本实施例中，在刻蚀去除所述牺牲层204形成空腔时，通过所述刻蚀屏蔽层205可以起到保护所述中间层202的作用。此外，所述刻蚀隔屏蔽层205还可以起到保护谐振装置不受水和氧气腐蚀的作用。
92.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。