一种谐振器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种谐振器及其制备方法。


背景技术：

2.随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振滤波器因具有体积小、成本低、品质因数高、功率承受能力强、频率高且与ic技术兼容等特点，在新一代无线通信系统和超微量生化检测等领域具有良好的应用前景。
3.现有技术中，通常采用耦合电容的方式来增强薄膜体声波谐振器的带外抑制特性，减少外接电路的损耗。但根据该方法制备得到的薄膜体声波谐振器，在后续的滤波器搭建过程当中，增大了器件所占据的面积，增大了封装难度。同时，耦合电容形成之后，无法根据薄膜体声波谐振器的实际频率调节电容大小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种谐振器及其制备方法，其将有效谐振区域与电容并联，在搭建滤波器时不会增大器件的占用面积，且能够调节电容的大小，同时，还能起到抑制谐振器中横向传播的杂波的作用。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.一种谐振器，其包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、底电极层、压电层和顶电极层，支撑层和底电极层之间具有空腔，空腔通过释放孔与空气连通，顶电极层、压电层和底电极层在空腔的正投影重叠的部分共同构成有效谐振区域，压电层上设有第一凹槽，第一凹槽内填充介电材料以形成介电层，介电层分别与顶电极层和底电极层贴合以形成电容，电容位于有效谐振区域的侧面并与有效谐振区域并联。
7.可选的，支撑层上设有第二凹槽，底电极层覆盖在支撑层上并部分覆盖第二凹槽的开口，压电层覆盖在底电极层和支撑层以将第二凹槽的开口封闭。
8.可选的，第一衬底层与支撑层之间设有键合层。
9.可选的，介电材料为二氧化硅。
10.一种谐振器的制备方法，包括：制备谐振结构，其中，谐振结构包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、牺牲层、底电极层和压电层，且支撑层、底电极层和压电层共同包裹牺牲层；在压电层远离底电极层的表面形成第一凹槽，以将底电极层露出，其中，第一凹槽位于牺牲层侧面；在第一凹槽内填充介电材料以形成介电层；在压电层远离底电极层的表面形成顶电极层，其中，顶电极层与介电层的表面贴合；释放牺牲层以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔。
11.可选的，在压电层远离底电极层的表面形成第一凹槽，以将底电极层露出，其中，第一凹槽位于牺牲层侧面包括：在压电层远离底电极层的表面形成硬掩膜层；采用光刻工艺刻蚀硬掩膜层和压电层直至底电极层露出，以在牺牲层的侧面形成第一凹槽；去除刻蚀
后的硬掩膜层。
12.可选的，制备谐振结构，其中，谐振结构包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、牺牲层、底电极层和压电层，且支撑层、底电极层和压电层共同包裹牺牲层包括：制备第二衬底层，并在第二衬底层上形成压电层；在压电层上形成底电极层，并使底电极层部分覆盖压电层；在底电极层和压电层上形成牺牲层，并使牺牲层部分覆盖底电极层和压电层；在底电极层、牺牲层和压电层上形成支撑层；在支撑层上形成第二键合层；制备第一衬底层并在第一衬底层上形成第一键合层；将第一键合层和第二键合层封装键合并去除第二衬底层，以露出压电层。
13.可选的，在支撑层上形成第二键合层包括：在支撑层上沉积键合材料以形成第二键合层；对第二键合层的表面进行平整化处理。
14.可选的，在压电层上形成底电极层，并使底电极层部分覆盖压电层包括：在压电层上沉积电极材料以形成底电极层；刻蚀底电极层的边缘以部分露出压电层。
15.可选的，释放牺牲层以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔包括：采用化学溶剂溶解牺牲层，并将溶解后的液体排出以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔。
16.本发明实施例的有益效果包括：
17.本发明提供的谐振器，包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、底电极层、压电层和顶电极层，支撑层和底电极层之间具有空腔，空腔通过释放孔与空气连通，顶电极层、压电层和底电极层在空腔的正投影重叠的部分共同构成有效谐振区域，压电层上设有第一凹槽，第一凹槽内填充介电材料以形成介电层，介电层分别与顶电极层和底电极层贴合以形成电容，电容位于有效谐振区域的侧面并与有效谐振区域并联。上述谐振器本身具有电容，通过电容与谐振器的有效谐振区域并联，即可获得较大的带宽，无需通过外部电路连接外部电容，结构简单，在后续搭建滤波器时，不会增大滤波器的占用面积。在后期的设计当中，还可以通过刻蚀、激光轰击等工艺来改变电容的宽度，以实现对电容大小的调节，进而改变谐振器的谐振频率。另外，由于电容所采用的介电材料的声阻抗与压电层所采用的压电材料不同，谐振器中的杂波会在介电层与压电层交界处反射，起到提高谐振器品质因数的作用。介电材料声阻抗与压电材料声阻抗差距越大，反射效果越好。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本发明实施例提供的谐振器的结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之一；
21.图3为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之一；
22.图4为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之二；
23.图5为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之三；
24.图6为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之四；
25.图7为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之二；
26.图8为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之五；
27.图9为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之六；
28.图10为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之三；
29.图11为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之七；
30.图12为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之四；
31.图13为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之八；
32.图14为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之九；
33.图15为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之五；
34.图16为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之十；
35.图17为本发明实施例提供的谐振器的制备示意图之十一；
36.图18为本发明实施例提供的谐振器的制备方法的流程图之六。
37.图标：100-谐振器；111-第一衬底层；112-第二衬底层；120-支撑层；130-底电极层；140-压电层；141-第一凹槽；150-顶电极层；160-介电层；170-键合层；171-第一键合层；172-第二键合层；180-牺牲层；190-硬掩膜层；200-空腔；300-有效谐振区域；400-电容。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
40.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
41.除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
42.请参照图1，本实施例提供一种谐振器100，其包括第一衬底层111以及在第一衬底
层111上依次层叠的支撑层120、底电极层130、压电层140和顶电极层150，支撑层120和底电极层130之间具有空腔200，空腔200通过释放孔与空气连通，顶电极层150、压电层140和底电极层130在空腔200的正投影重叠的部分共同构成有效谐振区域300，压电层140上设有第一凹槽141，第一凹槽141内填充介电材料以形成介电层160，介电层160分别与顶电极层150和底电极层130贴合以形成电容400，电容400位于有效谐振区域300的侧面并与有效谐振区域300并联。
43.支撑层120、底电极层130、压电层140和顶电极层150在第一衬底层111上沿层叠方向(图1中的a方向)依次分布，底电极层130和支撑层120之间形成有用于容纳空气的空腔200，顶电极层150、压电层140和底电极层130在空腔200的正投影(沿与图1中a方向相反的方向投影)重叠的部分共同构成了谐振器100的有效谐振区域300，声波形成于有效谐振区域300并在有效谐振区域300内振荡。
44.两个相互靠近的导体，中间夹一层介电材料就构成了电容400。当电容400的两个极板之间加上电压时，电容400就会储存电荷。具体的，压电层140上设有贯穿压电层140上、下表面的第一凹槽141，第一凹槽141被介电材料填满，介电材料在第一凹槽141内形成介电层160，介电层160的上、下表面分别与压电层140的上、下表面平齐，以保证介电层160的两个表面分别与顶电极层150和底电极层130贴合，以形成电容400。第一凹槽141在支撑层120上的正投影(沿与图1中a方向相反的方向投影)与空腔200不重合或仅边缘处部分重合，以使形成的电容400位于有效谐振区域300的侧面。电容400与有效谐振区域300共用顶电极层150和底电极层130，故形成的电容400与有效谐振区域300并联。
45.需要说明的是，本实施例中，对支撑层120、底电极层130、压电层140和顶电极层150的形成顺序不作限定，可以按上述顺序在第一衬底层111上依次形成，也可以借助其他衬底层，在其他衬底层上先形成压电层140、底电极层130和支撑层120，再通过封装键合、反转、去除其他衬底层等工艺，最后形成顶电极层150，只要最终能够形成上述谐振器100即可。
46.相应地，第一衬底层111和支撑层120之间可以直接连接，也可以通过其他层级结构间接连接，具体的连接情况由谐振器100的制备工艺决定。示例地，当在第一衬底层111上直接沉积支撑层120时，支撑层120则与第一衬底层111直接连接；当采用封装键合工艺时，则支撑层120通过键合层170与第一衬底层111间接连接。
47.空腔200通过释放孔(图中未示出)与空气连通，释放孔可以位于底电极层130侧面，并依次穿过压电层140和顶电极层150，也可以位于底电极层130与空腔200对应的区域，并依次穿过底电极层130、压电层140和顶电极层150。
48.另外，本实施例中，对介电材料也不作限定，只要能够与底电极层130和顶电极层150共同形成电容400即可。
49.上述谐振器100本身具有电容400，通过电容400与谐振器100的有效谐振区域300并联，即可获得较大的带宽，无需通过外部电路连接外部电容400，结构简单，在后续搭建滤波器时，不会增大滤波器的占用面积。在后期的设计当中，还可以通过刻蚀、激光轰击等工艺来改变电容400的宽度(沿图1中的b方向)，以实现对电容400大小的调节，进而改变谐振器100的谐振频率。另外，由于电容所采用的介电材料的声阻抗与压电层140所采用的压电材料不同，谐振器100中的杂波会在介电层160与压电层140交界处反射，起到提高谐振器
100品质因数的作用。介电材料声阻抗与压电材料声阻抗差距越大，反射效果越好。
50.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，支撑层120上设有第二凹槽，底电极层130覆盖在支撑层120上并部分覆盖第二凹槽的开口，压电层140覆盖在底电极层130和支撑层120以将第二凹槽的开口封闭。如此，以形成空腔200。
51.第二凹槽位于支撑层120朝向底电极层130的表面，第二凹槽的开口朝向底电极层130设置，层叠设置于支撑层120上的底电极层130和压电层140共同将第二凹槽的开口封闭以在支撑层120、底电极层130和压电层140之间形成空腔200。请结合参照图2，在实际制备时，可以通过在支撑层120和底电极层130之间铺设牺牲层180(如二氧化硅层)，最后再将牺牲层180溶解释放的方式，以形成第二凹槽。
52.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，第一衬底层111与支撑层120之间设有键合层170。
53.本实施例中，支撑层120通过键合层170与第一衬底层111连接。在实际制备时，采用封装键合、反转等工艺，制备得到上述谐振器100，有利于在制备过程中将电容400与谐振器100有效谐振区域300的并联。
54.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，介电材料为二氧化硅。二氧化硅化学性质稳定，成本较低，采用二氧化硅制备得到的电容400能够不同环境下较好的存储电荷。
55.请参照图3，本发明另一实施例提供一种谐振器100的制备方法，包括：
56.s100：制备谐振结构，其中，谐振结构包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、牺牲层、底电极层和压电层，且支撑层、底电极层和压电层共同包裹牺牲层。
57.请参照图1和图4，支撑层120、牺牲层180、底电极层130和压电层140在第一衬底层111上沿层叠方向(图4中的a方向)依次分布。底电极层130覆盖部分支撑层120和部分牺牲层180，压电层140覆盖在底电极层130上并将被底电极层130露出的支撑层120和牺牲层180覆盖，以形成支撑层120、底电极层130和压电层140共同包裹牺牲层180的结构。牺牲层180用于使底电极层130和支撑层120分离，以在后续工艺中利用牺牲层180在两者之间形成空腔200。
58.本实施例中，对制备谐振结构的制备方法不作限定，只要能够得到如图4所示的谐振结构即可。
59.s200：在压电层远离底电极层的表面形成第一凹槽，以将底电极层露出，其中，第一凹槽位于牺牲层侧面。
60.请参照图1和图5，谐振结构中，压电层140的上表面(远离底电极层130的表面)被露出，第一凹槽141形成于压电层140的上表面并贯穿压电层140，使位于压电层140下方的底电极层130露出。第一凹槽141用于形成介电部，将底电极层130露出才能使介电部与底电极层130贴合。示例地，第一凹槽141可以采用光刻胶刻蚀工艺形成于压电层140的上表面。当然，第一凹槽141也可以采用其他工艺形成，只要其能够贯穿压电层140的上、下表面即可。
61.第一凹槽141在支撑层120上的正投影(沿与图5中a方向相反的方向投影)与空腔200不重合或仅边缘处部分重合，以使后续步骤中形成的电容400位于有效谐振区域300的侧面。
62.s300：在第一凹槽内填充介电材料以形成介电层。
63.请结合参照图6，第一凹槽141被介电材料填满，介电材料在第一凹槽141内形成介电层160，介电层160的上、下表面分别与压电层140的上、下表面平齐。
64.s400：在压电层远离底电极层的表面形成顶电极层，其中，顶电极层与介电层的表面贴合。
65.请参照图1和图6，形成介电层160之后，在压电层140的上表面形成覆盖压电层140和介电层160的顶电极层150(如采用沉积工艺)，顶电极层150、介电层160和底电极层130共同形成了电容400。
66.s500：释放牺牲层以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔。
67.在形成电容400之后，将牺牲层180去除，以形成空腔200，空腔200使底电极层130的底部与空气接触，顶电极层150、压电层140和底电极层130与空腔200对应的部分则形成了谐振器100的有效谐振区域300。
68.上述谐振器100的制备方法，在工艺当中将电容400与有效谐振区域300并联，工艺简单，得到的谐振器100在后续搭建滤波器时，不会增大滤波器的占用面积。在后期的设计当中，还可以通过刻蚀、激光轰击等工艺来改变电容400的宽度(沿图1中的b方向)，以实现对电容400大小的调节，进而改变谐振器100的谐振频率。
69.请参照图7，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，制备谐振结构，其中，谐振结构包括第一衬底层以及在第一衬底层上依次层叠的支撑层、牺牲层、底电极层和压电层，且支撑层、底电极层和压电层共同包裹牺牲层包括：
70.s110：制备第二衬底层，并在第二衬底层上形成压电层。
71.s120：在压电层上形成底电极层，并使底电极层部分覆盖压电层。
72.s130：在底电极层和压电层上形成牺牲层，并使牺牲层部分覆盖底电极层和压电层。
73.s140：在底电极层、牺牲层和压电层上形成支撑层。
74.s150：在支撑层上形成第二键合层。
75.s160：制备第一衬底层并在第一衬底层上形成第一键合层。
76.s170：将第一键合层和第二键合层封装键合并去除第二衬底层，以露出压电层。
77.请参照图2和图8，在第二衬底层112上先后形成压电层140、底电极层130、牺牲层180、支撑层120和第二键合层172，其中，底电极层130覆盖部分压电层140，牺牲层180位于底电极层130和压电层140的交界处并同时覆盖部分压电层140和部分底电极层130，支撑层120将露出的底电极层130、牺牲层180和压电层140全部覆盖，第二键合层172将支撑层120覆盖。
78.请参照图9，制备第一衬底层111和第一键合层171，然后采用封装键合工艺以盖帽的形式将第一键合层171和第二键合层172连接，键合后将得到的层叠结构反转并去除第二衬底层112以将压电层140露出。请结合参照图1，第一键合层171和第二键合层172连接后共同构成键合层170。优选的，第一键合层171和第二键合层172的材料相同(如采用二氧化硅)，以提高封装键合的牢固程度，降低封装键合的难度。
79.采用封装键合的工艺制备上述谐振结构，操作简单且加工效率较高。
80.请参照图10，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，在支撑层上形成第二
键合层包括：
81.s151：在支撑层上沉积键合材料以形成第二键合层。
82.s152：对第二键合层的表面进行平整化处理。
83.如图11所示，在支撑层120上沉积得到的第二键合层172的表面凹凸不平，为了便于与第一键合层171键合，如图8所示，对第二键合层172的表面进行磨平处理，使第二键合层172的表面为光滑的平面。同理，在第一衬底层111上形成第一键合层171之后，也可以对第一键合层171的表面进行平整化处理，以提高封装键合的效果。
84.请参照图12，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，在压电层上形成底电极层，并使底电极层部分覆盖压电层包括：
85.s121：在压电层上沉积电极材料以形成底电极层。
86.s122：刻蚀底电极层的边缘以部分露出压电层。
87.如图13和图14所示，在压电层140上沉积形成底电极层130后，对底电极层130进行刻蚀(如采用光刻胶刻蚀)，即可将压电层140的边缘露出。
88.请参照图15，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，在压电层远离底电极层的表面形成第一凹槽，以将底电极层露出，其中，第一凹槽位于牺牲层侧面包括：
89.s210：在压电层远离底电极层的表面形成硬掩膜层。
90.s220：采用光刻工艺刻蚀硬掩膜层和压电层直至底电极层露出，以在牺牲层的侧面形成第一凹槽。
91.s230：去除刻蚀后的硬掩膜层。
92.请参照图16和图17，在压电层140的上表面铺设硬掩膜层190，采用光刻工艺将用于形成第一凹槽141的图形转移到硬掩膜层190上，在利用硬掩膜层190将该图形刻蚀转移到压电层140上以形成第一凹槽141，然后去除硬掩膜层190以将压电层140露出。
93.请参照图18，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，释放牺牲层以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔包括：
94.s510：采用化学溶剂溶解牺牲层，并将溶解后的液体排出以在支撑层、底电极层和压电层之间形成空腔。
95.请结合参照图1和图6，示例地，制备牺牲层180的材料为二氧化硅，化学溶剂为氢氟酸，氢氟酸与二氧化硅发生化学反应将二氧化硅溶解，反应生成的气体和残留的液体可经由释放孔排出以形成空腔200，外界空气也经由释放孔进入空腔200内。
96.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。