一种体声波谐振器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种体声波谐振器及其制备方法。


背景技术：

2.薄膜体声波谐振器利用压电材料将电学信号转换成为声学信号，由于声波的速度较低，声波波长短，因此与其他种类的谐振器相比，具有体积小、工作频率高的优点，广泛应用于射频前端电路。目前薄膜体声波滤波器已经大规模应用于5g滤波器，但是基于氮化铝的薄膜体声波滤波器仍然存在着各种各样的缺陷。频率固定或者不可调严重限制了谐振器的多频率应用，目前关于频率可调体声波谐振器的报道仍然很少。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种体声波谐振器，优化体声波谐振器的结构，使得体声波谐振器的频率能够在一定范围内调节。
4.本发明实施例还提供一种体声波谐振器的制备方法。
5.根据本发明第一方面的实施例，提供一种体声波谐振器，包括衬底，所述衬底的表面具有凹腔；第一电极层，所述第一电极层的一面覆盖于所述凹腔；压电层，所述压电层贴合所述衬底，所述压电层将所述第一电极层的其余面覆盖；第二电极层，所述第二电极层贴合连接所述压电层远离所述衬底的一面；以及敏感层，所述敏感层贴合连接所述第二电极层远离所述压电层的一面。
6.上述体声波谐振器，至少具有以下有益效果：改变电极层的层叠结构，减小电极层的面积和厚度，降低声波的泄漏，设置的敏感层可以大量吸收氢气，因此，利用选择性的通入氮气和氢气，即可实现体声波谐振器的频率移动和恢复。
7.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述凹腔的深度为2μm～30μm，所述凹腔的截面形状为矩形、三角形、梯形中的其中一种。
8.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述第一电极层与所述衬底贴合的一面的面积小于所述衬底与所述第一电极层贴合的一面的面积的二分之一。
9.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述敏感层的厚度范围在10nm～300nm。
10.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述敏感层的厚度为200nm。
11.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述敏感层由钯制成。
12.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述压电层由氮化铝制成，所述压电层的厚度范围在100nm～5μm。
13.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述压电层的厚度为1000nm。
14.根据本发明第一方面所述的体声波谐振器，所述第一电极层和所述第二电极层的
厚度和形状均相同，所述第二电极层和所述第一电极层均由pt、mo、ag、al、au中的其中一种制成，所述第二电极层的厚度范围在60nm～700nm。
15.根据本发明第二方面的实施例，提供一种体声波谐振器的制备方法，用于制备上述的体声波谐振器，包括如下步骤：
16.采用晶面高阻硅制备衬底；
17.在衬底的表面制造凹腔；
18.在凹腔内形成持平衬底表面的支撑层，支撑层的材质为磷硅玻璃；
19.在衬底和支撑层上形成覆盖于凹腔的第一电极层；
20.在衬底上形成压电层，压电层的厚度大于第一电极层，第一电极层嵌设于压电层接触衬底的一面；
21.在压电层远离衬底的一面依次制备第二电极层、敏感层；
22.去除支撑层。
23.上述体声波谐振器的制备方法，至少具有以下有益效果：上述方法制成的体声波谐振器的频率可调，利用生成的敏感层的特性来大量吸收氢气，因此，利用选择性的通入氮气和氢气，即可实现体声波谐振器的频率移动和恢复，另外上述制备体声波谐振器的方法也能够与cmos工艺相兼容，制备工艺简单，无需集成其它的电子元件，极大的节省了生产成本。
附图说明
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
25.图1是本发明实施例中，制备好的衬底的结构示意图；
26.图2是本发明实施例中，电极层和压电层均制备好的结构示意图；
27.图3是本发明实施例中，电极层、压电层以及敏感层均制备好的结构示意图；
28.图4是本发明实施例中，去除支撑层的体声波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
29.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。
31.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
32.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。
33.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器(fbar)采用一种先进的谐振技术,它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，薄膜体声波谐振器(fbar)声波器件具有体积小，成本低,品质因数(q)高、功率承受能力强、频率高(可达1-10ghz)且与ic技术兼容等特点，适合于工作在1-10ghz的rf系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(saw)器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。
34.目前，现有的薄膜体声波滤波器已经大规模应用于5g滤波器，但是基于氮化铝的薄膜体声波滤波器仍然存在着各种各样的缺陷。频率固定或者不可调严重限制了谐振器的多频率应用，目前关于频率可调体声波谐振器的报道仍然很少。
35.参照图4，本发明实施例提供一种体声波谐振器，包括衬底100、第一电极层200、压电层300、第二电极层400以及敏感层500。
36.其中，衬底100的表面具有凹腔110，衬底100的材质为晶面高阻硅，衬底100制作好后，将衬底100先用丙酮浸泡并进行超声清洗，然后经过硫酸和过氧化氢混合溶液清洗完毕后进行干燥处理，而凹腔110的形成则通过电感耦合等离子体在衬底100的上表面刻蚀以形成一定形状的凹腔110，本实施例中，凹腔110的深度为2μm～30μm，凹腔110的截面形状为矩形、三角形、梯形中的其中一种，如图1至图4所示，凹腔110的截面形状优选为矩形，具体的，凹腔110的深度优选为2μm。在其它的一些实施例中，衬底100的材质也可以为玻璃，硅,碳化硅，蓝宝石，陶瓷等中的一种或其任意组合。
37.第一电极层200的一面覆盖于凹腔110上，在进行第一电极层200的制备时，利用等离子体增强化学的气相沉积法在凹腔110内沉积一层磷硅玻璃以形成支撑层700，磷硅玻璃填满凹腔110且沉积至持平衬底100的表面，支撑层700成型完毕后，对支撑层700进行机械抛光以及化学抛光以便支撑层700持平衬底100的一面光滑平整，便于后续其它层结构的制作，然后利用磁控溅射的方法制备第一电极层200。在其它的一些实施例中，支撑层700的材质也可以为氮化硅，硅，氮化坦，陶瓷等中的一种或其任意组合
38.其中，等离子体增强化学的气相沉积法是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种cvd称为等离子体增强化学气相沉积(pecvd)。而磁控溅射是物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。
39.第一电极层200制作好后，在衬底100和第一电极层200的表面上制备压电层300，压电层300贴合衬底100，压电层300将第一电极层200上除与衬底100贴合的一面的其余面覆盖，以使第一电极层200呈嵌设于压电层300贴合衬底100的一面的状态。需说明的是，压
电层300的制作方法也是采用磁控溅射的方法。
40.上面的压电层300制作好后，接着制作第二电极层400，第二电极层400贴合连接压电层300远离衬底100的一面，第二电极层400正对第一电极层200，第一电极层200的制作方法也是采用磁控溅射的方法。
41.上面第二电极层400制作好后，进行最后的敏感层500制作，敏感层500贴合连接第二电极层400远离压电层300的一面，敏感层500的制作方法也是采用磁控溅射的方法。其中，敏感层500由钯制成，钯制成敏感层500能够大量吸收氢气，因此可以极大地改变谐振器的频率。进一步的，敏感层500的厚度范围在10nm～300nm，本实施例中，敏感层500的厚度优选为200nm。
42.如图2至图4所示，第一电极层200与衬底100贴合的一面的面积小于衬底100与第一电极层200贴合的一面的面积的二分之一，第一电极层200的覆盖于衬底100的面积不宜过大。第一电极层200和第二电极层400的厚度和形状均相同，第二电极层400和第一电极层200均由pt、mo、ag、al、au中的其中一种制成，第二电极层400的厚度范围在60nm～700nm，其中，第二电极层400和第一电极层200的厚度均优选为100nm。
43.在一些实施例中，压电层300由氮化铝制成，压电层300的厚度范围在100nm～5μm。本实施例中，压电层300的厚度优选为1000nm。
44.上述完成后，利用氢氟酸溶液对支撑层700进行释放，至此完成体声波谐振器的制作。
45.相较于现有技术，本发明实施例通过在第二电极层400上沉积一层由钯制成的敏感层500，钯能够可以大量吸收氢气，因此，利用选择性的通入氮气和氢气，即可实现体声波谐振器的频率移动和恢复，解决现有的体声波谐振器无法调节频率的问题。需说明的是，当第二电极层400和第一电极层200的厚度均为100nm、敏感层500的厚度为200nm、压电层300的厚度为1000nm、凹腔110的深度为2μm时，体声波谐振器频率调节范围较宽，高达1mhz。
46.此外，本发明实施例还提供一种上述体声波谐振器的制备方法，具体的包括如下步骤：
47.采用晶面高阻硅制备衬底100，衬底100制作好后，将衬底100先用丙酮浸泡并进行超声清洗，然后经过硫酸和过氧化氢混合溶液清洗完毕后进行干燥处理；
48.如图1所示，在衬底100的表面制造凹腔110，通过电感耦合等离子体在衬底100的上表面刻蚀以形成一定形状的凹腔110，本实施例中，凹腔110的深度为2μm～30μm，凹腔110的截面形状为矩形、三角形、梯形中的其中一种；
49.在凹腔110内形成持平衬底100表面的支撑层700，支撑层700的材质为磷硅玻璃，具体的，利用等离子体增强化学的气相沉积法在凹腔110内沉积一层磷硅玻璃以形成支撑层700，磷硅玻璃填满凹腔110且沉积至持平衬底100的表面，支撑层700成型完毕后，对支撑层700进行机械抛光以及化学抛光以便支撑层700持平衬底100的一面光滑平整，便于后续其它层结构的制作；
50.在衬底100和支撑层700上采用等离子体增强化学的气相沉积法形成覆盖于凹腔110的第一电极层200，第一电极层200的厚度范围在60nm～700nm，本实施例中，第一电极层200由pt、mo、ag、al、au中的其中一种制成，第一电极层200的厚度优选为100nm，且第一电极层200与衬底100贴合的一面的面积小于衬底100与第一电极层200贴合的一面的面积的二
分之一；
51.在衬底100上采用等离子体增强化学的气相沉积法形成压电层300，压电层300的厚度大于第一电极层200，第一电极层200嵌设于压电层300接触衬底100的一面，压电层300由氮化铝制成，压电层300的厚度范围在100nm～5μm，本实施例中，压电层300的厚度优选为1000nm；
52.在压电层300远离衬底100的一面依次制备第二电极层400、敏感层500，第一电极层200和第二电极层400的厚度和形状均相同，第二电极层400由pt、mo、ag、al、au中的其中一种制成，第二电极层400的厚度范围在60nm～700nm，其中，第二电极层400和第一电极层200的厚度均优选为100nm，第二电极层400、敏感层500制作完毕后，利用光刻工艺对压电层300进行图形化处理；
53.去除支撑层700，利用氢氟酸溶液对支撑层700进行释放，至此，完成体声波谐振器的制作。
54.上述方法制成的体声波谐振器的频率可调，利用生成的敏感层500的特性来大量吸收氢气，因此，利用选择性的通入氮气和氢气，即可实现体声波谐振器的频率移动和恢复，另外上述制备体声波谐振器的方法也能够与cmos工艺相兼容，制备工艺简单，无需集成其它的电子元件，极大的节省了生产成本。
55.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。