薄膜体声波谐振器的制作方法

1.本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种具有功能层的薄膜体声波谐振器。


背景技术：

2.近年来，基于硅材料的半导体器件、尤其是集成电路芯片取得了飞速的发展，已经牢牢占据了产业的主流地位。包括体声波滤波器在内的mems半导体器件是目前常用的半导体器件之一。通常mems器件都具有可动单元，为保证其正常工作，需要空腔型封装结构。以体声波滤波器为例，体声波滤波器是由许多串联和并联谐振器组成。体声波谐振器的核心单元是悬空压电薄膜，其横向尺寸大多在微米量级，薄膜厚度尺寸大多在纳米量级。因此，体声波滤波器对外部环境非常敏感，空气中的水分子和气体可以与器件表面发生相互作用带来性能恶化和可靠性下降。因此，对薄膜体声波滤波器进行原位保护非常的重要。
3.现有技术中都是通过在谐振器顶电极的表面和底电极的下表面沉积一层保护层进行保护，如图1所示，其中01为基底，02为谐振空腔，03为位于底电极下的保护层，04为底电极，05为压电层，06为顶电极，07为位于顶电极上的保护层。但是位于电极上下表面位置的保护层虽然能够起到对电极的保护作用，能够减弱谐振器受外界环境的影响，但是由于谐振器的有效区域和非有效区域中的钝化层是连接在一起的，这样会导致有效区域中的能量泄露到非有效区域中，从而降低了谐振器的性能。另外一方面，传统的保护层03和06所用的材料一般为氮化铝薄膜，虽然能够对电极起到一定的保护作用，但长时间将导致电极变性，谐振器性能下降，可靠性较低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出一种带有功能层的薄膜体声波谐振器结构，能够使得谐振器的电极结构受到保护，整体提高谐振器的性能和可靠性。
5.本发明提供如下技术方案：
6.一种薄膜体声波谐振器，包括：依次堆叠的基底、功能层、底电极、压电层、顶电极和钝化层，所述功能层或所述钝化层为掺钪氮化铝。
7.可选地，所述压电层为掺钪氧化铝。
8.可选地，所述功能层和所述钝化层的掺杂浓度均小于30％。
9.可选地，还包括谐振空腔，所述谐振空腔位于所述基底的顶部表面。
10.可选地，所述底电极和所述功能层部分覆盖所述谐振空腔。
11.可选地，还包括：支撑层，所述支撑层位于所述基底之上、所述功能层之下；谐振空腔，所述谐振空腔位于支撑层结构中。
12.可选地，还包括：声学镜结构，所述声学镜结构位于所述基底之上、所述功能层之下。
13.可选地，所述顶电极的边缘处设置有凸起结构和凹陷结构。
14.可选地，在顶电极的边缘处，设有顶电极桥部结构和位于所述顶电极桥部结构下
的第一空气隙，以及设有顶电极桥翼结构和位于所述顶电极桥翼结构下的第二空气隙。
15.可选地，在底电极的边缘处，设有底电极桥部结构和位于所述底电极桥部结构下的第三空气隙。
16.可选地，在顶电极的边缘处，设置有凸起结构和凹陷结构，并且设有顶电极桥部结构和位于所述顶电极桥部结构下的第一空气隙，以及设有顶电极桥翼结构和位于所述顶电极桥翼结构下的第二空气隙。
17.根据本发明的技术方案，通过增加功能层，能够使得谐振器的电极结构受到保护，整体提高谐振器的性能和可靠性。
附图说明
18.为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
19.图1为现有技术的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
20.图2为本发明第一实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
21.图3为本发明第二实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
22.图4为本发明第三实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
23.图5为本发明第四实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
24.图6为本发明第五实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
25.图7为本发明第六实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
26.图8为本发明第七实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
27.图9为本发明第八实施例的薄膜体声波谐振器的剖面示意图。
具体实施方式
28.下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.图2所示为根据本发明的一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，100为基底，101为嵌入基底的谐振空腔，102为掺钪氮化铝材料的功能层，103为底电极，104为压电层，105为顶电极，106为掺钪氮化铝材料的钝化层。
30.压电层104的材料可以为掺钪氮化铝也可以为氮化铝、pzt等其他压电材料。压电层104的材料优选掺钪氮化铝，此时压电层与功能层的材料一致，器件功能效果更好。
31.功能层102和钝化层106二者的掺杂浓度可以相同，也可以不同。其中功能层102掺杂钪元素的浓度小于30％，优选的可以为小于10％；其中钝化层106掺杂钪元素的浓度小于30％，优选的可以为小于10％。
32.当压电层的材料为掺钪氮化铝时，由于钪元素的原子半径比较大，导致压电材料中的电偶极子发生改变，此时对压电材料施加一电场时，压电材料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数(kt2)。本发明的各实施例中，针对压电层的材料采用掺钪氮化铝的情形，将功能层102材料同样选择为掺钪氮化铝，使其与压电层材料的晶格匹配程度更高，从而能够更好的促使底电极在生长时结核形成光滑、均匀的
平面，并和压电层形成更好的晶向及晶格匹配，进而使得压电层的压电耦合系数提高，声学损耗更小，最终提高谐振器的机电耦合系数和q值。另外，由于功能层和钝化层是掺钪的氮化铝材料，和氮化铝相比，其晶界不明显且形状更复杂，因此对外界因素如水汽的保护能力更强，提高谐振器的可靠性。
33.图3所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图3与图2基本相同，区别在于：在本实施例中，底电极103和功能层102部分覆盖谐振空腔101，这样能够使得底电极103的一侧完全位于有效区域内，从而能够减小声波泄露，提高谐振器的电学性能。
34.图4所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图4与图2基本相同，区别在于：在本实施例中，空腔结构101是位于底电极之上的支撑层107结构中。
35.图5所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图5与图2基本相同，区别在于：在本实施例中还包括位于谐振器底部的声学镜结构。该声学镜结构可以为布拉格反射结构。其中108和110为高声学阻抗层，109和111为低声学阻抗层，并且低声阻抗层和高声阻抗层的厚度均为四分之一或四分之三声波波长。
36.图6所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图6与图2基本相同，区别在于：在本实施例中，位于顶电极的边缘处有凸起结构113和凹陷结构112，由于在凸起结构和凹陷结构中的声阻抗与谐振器的有效区域内声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续，因此在有效区域的边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式，从而使得谐振器的q值得到提高。
37.图7所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图7与图2基本相同，区别在于：在本实施例中，在顶电极的边缘处有顶电极桥部结构116和位于顶电极桥部结构下的第一空气隙117，以及顶电极桥翼结构114和位于顶电极桥翼结构下的第二空气隙115。在桥部和桥翼结构处，由于空气隙的存在使其声阻抗与谐振器的有效区域内声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续，因此在有效区域的边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式，从而使得谐振器的q值得到提高。
38.图8所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图8与图7基本相同，区别在于：在底电极的边缘处，设有底电极桥部结构116和位于底电极桥部结构116下的第三空气隙117。底电极桥部结构116和第三空气隙117均位于压电层104的下方。
39.图9所示为根据本发明的另一个示例性实施例的薄膜体声波谐振器的截面示意图。其中，图9与图2基本相同，区别在于：在本实施例中，在顶电极的边缘处既设置有凸起结构113和凹陷结构112，也设置有顶电极桥部结构116和位于顶电极桥部结构下的第一空气隙117，以及顶电极桥翼结构114和位于顶电极桥翼结构下的第二空气隙115。由于在凸起结构和凹陷结构以及桥部和桥翼结构处，由于空气隙的存在使其声阻抗与谐振器的有效区域内声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续，因此在有效区域的边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式，从而
使得谐振器的q值得到提高。
40.在本发明中，基于不同的谐振器，基底材料可以为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
41.电极材料可为：金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)，钌(ru)、铱(ir)、钛钨(tiw)、铝(al)、钛(ti)、锇(os)、镁(mg)、金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、钌(ru)、铱(ir)、锗(ge)、铜(cu)、铝(al)、铬(cr)、砷掺杂金等类似金属形成。
42.功能层和钝化层的材料均为掺钪氮化铝。
43.压电层的材料可以为：多晶或单晶aln，稀土元素(如钪)掺杂aln，锆钛酸铅(pzt)、氧化锌(zno)，铌酸锂(linbo3)、铌酸钾(knbo3)或钽酸锂(litao3)等材料，但不局限于以上材料。
44.低声阻抗的材料，可以是氧化硅、铝、碳掺杂氧化硅、纳米多孔甲基倍半硅氧烷、纳米多孔氢倍半硅氧烷、包含甲基倍半硅氧烷(methyl silsesquioxane，简称msq)和氢硅倍半环氧乙烷(hydrogen silsesquioxane，简称hsq)的纳米多孔混合物、纳米玻璃、气凝胶、干凝胶、旋涂玻璃、聚对二甲苯、silk(silk是dow chemical公司开发的一种低介电常数材料，目前广泛用于集成电路生产。目前已知它是一种高分子材料，但是具体结构仍然是商业秘密)或苯并环丁烯。
45.高声阻的材料，可以是钨、钼、铂、钌、铱、钨钛、五氧化二钽、氧化哈、氧化铝、硅化络、碳化铌、氮化钽、碳化钛、氧化钛、碳化钒、氮化钨、氧化钨、碳化锆、类金刚石或硅掺杂的金刚石。
46.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。