一种硅背刻蚀FBAR谐振器的制作方法

一种硅背刻蚀fbar谐振器
技术领域
1.本实用新型涉及体声波谐振器技术领域，具体涉及一种硅背刻蚀fbar谐振器。


背景技术：

2.滤波器主要用于选择性的过滤特定频段的收发信号，降低干扰信号的影响。低频表面声波(saw)滤波器以及大体积介质滤波器根本无法满足手机终端、微基站等对高频、微型的要求。薄膜体声波谐振器(fbar)滤波器具有体积小、损耗低、可集成、高品质因数、高带外抑制、高工作频率和高功率承受能力等优点，是目前唯一可以满足5g高频需求又能满足射频前端模块化集成的5g射频滤波器。fbar体声波滤波器是射频通信前端不可替代的核心元件，承担起主要的滤波、选频功能，是移动通信领域关键器件之一，也是业界普遍认可的最具有潜力的第三代半导体器件之一。
3.目前主流的空腔型fbar谐振器存在以下缺陷：(1)寄生耦合现象比较严重，干扰正常的主谐振峰曲线。(2)由普通空腔型fbar谐振器组成的滤波器带内插损严重，工艺器件结果与仿真不符合。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种硅背刻蚀fbar谐振器，解决了现有单晶薄膜体声波谐振器存在的寄生谐振、品质因数低、插入损耗大的问题。本实用新型的技术方案为：
5.一种硅背刻蚀fbar谐振器，按照从下向上的顺序依次包括硅衬底、支撑层和压电层；所述支撑层下方形成有空腔，并且所述支撑层部分暴露在所述空腔中，所述空腔的侧壁由所述硅衬底形成；所述支撑层和所述压电层之间设有下电极层，所述压电层上方设有上电极层；
6.所述谐振器还包括上负载层和下负载层；所述上负载层和所述下负载层分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置，且所述下负载层穿透所述支撑层延伸至所述空腔内；所述上负载层和所述下负载层呈上下对称分布。
7.进一步地，所述硅衬底厚度为575μm，截面呈倒直角梯形结构。
8.进一步地，所述支撑层为二氧化硅材质，厚度为2～3.5μm。
9.进一步地，所述压电层为aln材质，厚度为500nm～4μm。
10.进一步地，所述上电极层和所述下电极层材质为mo、pt、ti和au中的任意一种，厚度为50nm～1μm。
11.进一步地，所述上负载层和所述下负载层材质为mo、pt、ti和au中的任意一种，厚度为50nm～2μm，宽度为50nm～10μm。
12.进一步地，所述上负载层和所述下负载层的数量均为1个或多个，呈多面体框架结构。
13.进一步地，当所述上负载层和所述下负载层的数量为多个时，多个所述多面体框
架结构分别以一个包围一个的嵌套方式排布，相邻多面体框架结构间隔一定距离，最外层多面体框架结构分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置，其它层多面体框架结构分别设置在所述上电极层和所述下电极层上。
14.进一步地，所述上负载层和所述下负载层的数量为2个。
15.进一步地，所述多面体框架结构为正五面体框架结构。
16.本实用新型的谐振器通过上电极、压电层和下电极共同构成压电震荡三明治结构，能够减少外接电路引入的性能损耗。并通过采用对称型负载层设计可以减少压电层中横向模式的声波能耗，从器件边缘将压电层内横向模式的声波反射回压电震荡堆内部，所以有效降低fbar谐振器在谐振峰位置的寄生波形，有利于构建低插损的优质体声波滤波器。负载层还可以设置成一阶或多阶复杂层阵列可以进一步平衡由负载层引入的杂散因子。空腔的设置有利于从利用空气和压电材料声阻抗不同的特点，有效形成对体声波的全反射。此外，本实用新型仅仅需要在上电极与下电极上制备材料相同的负载层即可，并不需要额外制备功能膜层或者外接电容电阻，降低了制备难度，从而降低了制备成本。
附图说明
17.图1为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s1在硅衬底上沉积支撑层的结构示意图。
18.图2为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s2在支撑层上生长下电极的结构示意图。
19.图3为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s3硅衬底、支撑层、压电层、下电极组成结构示意图。
20.图4为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s4硅衬底、支撑层、压电层、下电极、上电极组成结构示意图。
21.图5为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s5制备上负载层的结构示意图。
22.图6为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s6在上电极层及上负载层上方生长二氧化硅保护层的结构示意图。
23.图7为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s7形成空腔的结构示意图。
24.图8为本实用新型具体实施例fbar谐振器制备过程中步骤s8形成下电极负载层的结构示意图。
25.图9为本实用新型的硅背刻蚀fbar谐振器的结构示意图。
26.图10为本实用新型的负载层的俯视结构示意图，包围在中间的为电极层，这儿用白色背景显示，以防混淆。
27.图11为本实用新型采用2组上下负载层的fbar谐振器的结构示意图。
28.图12为本实用新型采用多组上下负载层的俯视结构示意图。
29.图1～8的附图标记说明：101二氧化硅支撑层；102硅衬底；103下电极层；104压电层；105上电极层；106上负载层；107二氧化硅保护层；108下负载层；109空腔。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，本实用新型的保护范围包括但不限于以下实施例，在不偏离本技术的精神和范围的前提下任何对本实用新型的技术方案的细节和形式所做出的修改均落入本实用新型的保护范围内。
31.实施例1
32.如图9-10所示，本实施例提供一种硅背刻蚀fbar谐振器，包括高祖硅衬底102、二氧化硅支撑层101和aln单晶压电薄膜层104；所述二氧化硅支撑层101下方形成有空腔109，并且所述二氧化硅支撑层101部分暴露在所述空腔109中，所述空腔109的侧壁由所述硅衬底102形成；所述二氧化硅支撑层101和所述单晶压电薄膜层104之间设有下电极层103，所述单晶压电薄膜层104上方设有上电极层105；所述上电极层105和所述下电极层103分别被一个上负载层106和下负载层108沿上电极层105和下电极层103边沿包围设置；且所述下负载层108穿透所述二氧化硅支撑层101延伸至所述空腔109内；所述上负载层106和所述下负载层108呈上下对称分布。
33.具体的，本实施例方案中，上负载层106和下负载层108的材质为mo，数量均为1个，呈正五面体框架结构，宽度设置为1.25μm，该宽度是根据仿真计算结果，对谐振器内的各声波散射进行分析得到横向传输的声波波长取其四分之一波长作为负载层宽度，厚度为50nm。
34.具体的，本实施例方案中，所述二氧化硅支撑层101的厚度为2μm。所述单晶压电薄膜层104的厚度为2μm，通过采用高质量aln压电薄膜104，能够更好地更适用于3ghz以上的频段。。所述硅衬底102厚度575μm，截面呈倒直角梯形结构。谐振器上电极层105和下电极层103的材质为mo，厚度均为300nm。
35.该谐振器的制备方法具体如下：
36.步骤s1，选用高阻si衬底作为外延衬底，对外延衬底进行酸洗以及有机清洗，使衬底表面清洁，在衬底上先使用pecvd方法制备二氧化硅支撑层；如图1所示。
37.步骤s2，在步骤s1基础上于支撑层上溅射或蒸镀下电极金属薄膜并进行图形化处理得到下电极层，呈五边形结构；如图2所示。
38.步骤s3，在步骤s2基础上，在所述下电极层上利用pvd技术溅射压电薄膜并进行光刻图形化处理得到压电层；如图3所示。
39.步骤s4，在步骤s3基础上于压电层上继续磁控溅射上电极金属薄膜并进行图形化处理得到上电极层；如图4所示。
40.步骤s5，在步骤s4基础上于压电层上制备上负载层，使上负载层沿上电极层边沿包围设置；如图5所示。
41.步骤s6，在步骤s5基础上于上电极层及上负载层上方生长二氧化硅保护层；如图6所示。
42.步骤s7，采用背刻蚀工艺(icp)将硅衬底谐振器工作区域内的硅去除，以形成空腔，同时部分露出支撑层；如图7所示。
43.步骤s8，在步骤s7基础上在支撑层上制备下负载层，使下负载层一端沿下电极层边沿包围设置，另一端则延伸至空腔中；如图8所示。
44.步骤s9，去除顶部的二氧化硅保护层，利用icp刻蚀技术刻蚀电极连接通孔，并通过蒸镀金属进行电学连接，得到本实施例的fbar体声波谐振器。
45.本实施例的谐振器导纳曲线的谐振区域内无杂峰。寄生参数较小。该谐振器的谐振点位2306mhz和2400mhz，品质因数为1472。
46.实施例2
47.如图9-10所示，本实施例提供一种硅背刻蚀fbar谐振器，该谐振器与实施例1的区别在于：所述二氧化硅支撑层101的厚度为3.5μm，所述上负载层108的厚度为500nm；所述下负载层106的厚度为500nm；所述单晶压电薄膜层104的厚度为500nm。所述硅衬底102厚度575μm，谐振器上电极105的厚度为800nm，谐振器下电极103的厚度为800nm。上电极和下电极材质为pt，上负载层和下负载层材质为pt。
48.本实施例的谐振器导纳曲线谐振区域内无杂峰。寄生参数较小。该谐振器的谐振点位4503mhz和4621mhz，品质因数为1590。
49.实施例3
50.本实施例提供一种硅背刻蚀fbar谐振器，与实施例1的区别在于：上负载层和下负载层的数量分别为2个，并且分别以一个包围一个的嵌套方式排布，相邻多面体框架结构间隔0.25μm，最内层多面体框架结构分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置。结构示意图如图11和12所示。本实施例获得的谐振器由于采用了2个负载层，同样可以有效降低谐振峰的寄生波形，提高品质因数。
51.对比例1
52.本对比例与实施例1的区别在于底部没有空腔。无空腔的谐振器声反射能力较差，无法形成有效的谐振点。
53.对比例2
54.本对比例与实施例1的区别在于没有上负载层和下负载层。对比例1的谐振器导纳曲线在谐振点附近出现了较多的杂波干扰。
55.综上，本实用新型的谐振器通过上电极、压电层和下电极共同构成压电震荡三明治结构，能够减少外接电路引入的性能损耗。并通过采用对称型负载层设计可以减少压电层中横向模式的声波能耗，从器件边缘将压电层内横向模式的声波反射回压电震荡堆内部，所以有效降低fbar谐振器在谐振峰位置的寄生波形，有利于构建低插损的优质体声波滤波器。此外，本实用新型仅仅需要在上电极与下电极上制备材料相同的负载层即可，并不需要额外制备功能膜层或者外接电容电阻，降低了制备难度，从而降低了制备成本。
56.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：按照从下向上的顺序依次包括硅衬底、支撑层和压电层；所述支撑层下方形成有空腔，并且所述支撑层部分暴露在所述空腔中，所述空腔的侧壁由所述硅衬底形成；所述支撑层和所述压电层之间设有下电极层，所述压电层上方设有上电极层；所述谐振器还包括上负载层和下负载层；所述上负载层和所述下负载层分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置，且所述下负载层穿透所述支撑层延伸至所述空腔内；所述上负载层和所述下负载层呈上下对称分布。2.根据权利要求1所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述硅衬底厚度为575μm，截面呈倒直角梯形结构。3.根据权利要求1所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述支撑层厚度为2～3.5μm。4.根据权利要求1所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述压电层厚度为500nm～4μm。5.根据权利要求1所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述上电极层和所述下电极层厚度为50nm～1μm。6.根据权利要求1所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述上负载层和所述下负载层厚度为50nm～2μm，宽度为50nm～10μm。7.根据权利要求6所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述上负载层和所述下负载层的数量均为1个或多个，呈多面体框架结构。8.根据权利要求7所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：当所述上负载层和所述下负载层的数量为多个时，多个所述多面体框架结构分别以一个包围一个的嵌套方式排布，相邻多面体框架结构间隔一定距离，最外层多面体框架结构分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置，其它层多面体框架结构分别设置在所述上电极层和所述下电极层上。9.根据权利要求8所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述上负载层和所述下负载层的数量为2个。10.根据权利要求7～9任意一项所述的一种硅背刻蚀fbar谐振器，其特征在于：所述多面体框架结构为正五面体框架结构。

技术总结
本实用新型提供一种硅背刻蚀FBAR谐振器，该谐振器按照从下向上的顺序依次包括硅衬底、支撑层和压电层；所述支撑层下方形成有空腔，并且所述支撑层部分暴露在所述空腔中，所述空腔的侧壁由所述硅衬底形成；所述支撑层和所述压电层之间设有下电极层，所述压电层上方设有上电极层；所述谐振器还包括上负载层和下负载层；所述上负载层和所述下负载层分别沿所述上电极层和所述下电极层边沿包围设置，且所述下负载层穿透所述支撑层延伸至所述空腔内；所述上负载层和所述下负载层呈上下对称分布。本实用新型通过采用对称型负载层设计可以减少压电层中横向模式的声波能耗，有效降低FBAR谐振器在谐振峰位置的寄生波形，有利于构建低插损的优质体声波滤波器。的优质体声波滤波器。的优质体声波滤波器。


技术研发人员：李国强
受保护的技术使用者：河源市艾佛光通科技有限公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/5/25