具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器,该谐振器依次由硅衬底和夹层结构组成。本发明谐振器的制备方法,利用硅的表面加工工艺和牺牲层技术,制成由上层金属电极,压电材料和下层金属电极构成的自支撑的夹层结构,以避免支撑膜对谐振器的影响,从而大大提高谐振器的性能。同时使制作工艺比较简单,生产成本降低;并且与现有的超大规模集成电路工艺兼容,易于芯片级的集成和大规模生产。

说明书

本发明涉及一种具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器及其制备方法，属半导体器件及工艺技术领域，尤其涉及无线射频通信体声波滤波器的重要组成部分。

随着以第三代通信系统和BlueTooth为代表的GHz无线通信技术的发展，人们对工作在此频率下的前置滤波器的要求越来越高。微型化，性能优良，易于VLSI集成的体声波滤波器日益成为当今国际研究的热点。而谐振器是滤波器的基础。

以美国麻省理工大学微系统实验室为代表的、采用氮化铝(AlN)作为压电材料并结合微电子机械系统(MEMS)技术制成的体声波谐振器在所需频段表现了良好的器件性能，是当今体声波谐振器的代表。参阅文献《A sealed cavity TFR process for RFbandpass filter》IEDM(国际电子器件会议)96-95，其结构如图1所示，其中的上层金属电极，氮化铝(AlN)压电材料和下层金属电极构成的三明治结构是实际工作部分，氮化铝(AlN)压电材料和下层金属电极之间的氮化硅只是为了生长氮化铝所加的种子层。上层金属电极和下层金属电极分别充当了射频信号的输入输出端。由于压电材料的特性，将会产生如图2的阻抗曲线，从而实现谐振器的功能。

上述结构存在以下缺点：

1)这种谐振器必须将三明治结构做在比较厚的支撑膜上，而较厚的支撑膜会对谐振器的性能有很大的不良影响；

2)采用体硅加工工艺存在很多不足之处，如工艺复杂，不易与超大规模集成电路工艺兼容，集成密度不易提高等。

本发明的目的是提出一种具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器及其制备方法，针对现有技术的缺点，利用硅的表面加工工艺和牺牲层技术，制成由上层金属电极，压电材料和下层金属电极构成的自支撑的夹层结构，以避免支撑膜对谐振器的影响，从而大大提高谐振器的性能。同时使制作工艺比较简单，生产成本降低；并且与现有的超大规模集成电路工艺兼容，易于芯片级的集成和大规模生产。

本发明设计的具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器，该谐振器包括硅衬底、二氧化硅绝缘层、下层金属电极、压电材料和上层金属电极。硅衬底与二氧化硅绝缘层之间，其四周部分相互叠合，硅衬底的中间部分下凹10-50μm，二氧化硅绝缘层、下层金属电极、压电材料和上层金属电极依次相互叠合形成夹层结构，在该夹层结构上布有多个腐蚀孔。

本发明设计的具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器的制备方法，包括以下各步骤：

(1)在硅衬底的边缘部分制作抗HF腐蚀的薄膜材料，作为掩蔽层，未制作掩蔽层的部分的横向宽度为40～120微米；

(2)在硅衬底上未制作掩蔽层的部分，利用阳极氧化制作孔径为0.001～1微米的多孔硅牺牲层，牺牲层厚度为10微米～50微米；

(3)用与掩蔽层相对应的溶剂去除掩蔽层，然后在边缘部分的硅衬底和中间的多孔硅牺牲层上，用低压化学气相淀积(LPCVD)二氧化硅绝缘层，其厚度为0.05～0.2微米，低压化学气相淀积的温度为650摄氏度，反应气体为四乙氧基硅烷；并在氧化硅绝缘层上与多孔硅牺牲层相对应的部分的四周，用HF溶液刻蚀出若干腐蚀孔，孔径为3～20微米；

(4)在上述二氧化硅绝缘层上溅射下层金属电极层，其厚度为0.1～2微米，并在下层金属电极层上、与上述腐蚀孔的相应位置，用相应的方法对下层金属电极层进行刻蚀，使腐蚀孔贯通。为了确保下金属电极层和硅衬底绝缘良好，本层的刻蚀范围应略大于第三步提到的二氧化硅绝缘层上的腐蚀孔；

(5)在上述第四步制作的电极层上制作压电材料层，其厚度为0.5微米～2微米，并在与上述腐蚀孔相应位置对压电材料层刻蚀，使腐蚀孔贯通；

(6)在上述压电材料层上，溅射上层金属电极层，其厚度为0.1～2微米；

(7)刻蚀上层金属边缘部分使腐蚀孔贯通；

(8)最后用腐蚀溶液通过腐蚀孔将多孔硅牺牲层去除，形成依次由上层金属电极、压电材料、下层金属电极、二氧化硅绝缘层和硅衬底组成的自支撑夹层结构的射频体声波谐振器。

本发明提出的射频体声波谐振器及其制备方法，使谐振器的整体机电耦合系数，和品质因数都有明显提高，并使谐振器的插入损耗和串音有所减小。同时与现有的超大规模集成电路工艺比较兼容，易于芯片级的集成和大规模生产，不但降低成本，而且更有利于谐振器的应用。

附图说明：

图1为已有的体声波谐振器的结构示意图。

图2为体声波谐振器输出阻抗与频率关系图。

图3为本发明提出的具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器的结构示意图。

图4为本发明提出的具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器的制备过程的示意图。

图1～图4中：1为上层金属电极，2为氮化铝(AlN)压电材料，3为下层金属电极，4为氮化硅支撑膜，5为空腔，6为硅衬底，7为氮化硅种子层，8为二氧化硅绝缘层，9为压电材料，10为腐蚀孔，11为掩蔽层，12为多孔硅牺牲层，13为二氧化硅绝缘层。

下面结合附图和实施例详细介绍本发明的内容。

如图3所示，本发明设计的具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器，包括硅衬底6、二氧化硅绝缘层8、下层金属电极3、压电材料9和上层金属电极1。硅衬底6与二氧化硅绝缘层8之间，其四周部分相互叠合，硅衬底的中间部分下凹10-50μm，二氧化硅绝缘层、下层金属电极、压电材料和上层金属电极依次相互叠合形成夹层结构，在该夹层结构上布有多个腐蚀孔10。

实施例一：

(1)在电阻率为0.001欧姆，(111)晶向N型重搀杂单晶硅片衬底上低压化学气相淀积(LPCVD)一层氮化硅掩蔽层，LPVCD的条件是温度830摄氏度，压强为90Pa，反应气体为SiH₄和NH₃，淀积的厚度为0.2微米；用湿法刻蚀氮化硅掩蔽层，形成边长为120微米的未被氮化硅保护的正方形区域，刻蚀剂为沸腾的H₃PO₄；

(2)利用阳极氧化工艺制作多孔硅牺牲层。反应溶液为35％的HF溶液，电极为铂电极，电流密度为50mA/cm²，控制时间使牺牲层厚度为50微米，多孔硅的孔径为0.01微米；

(3)用沸腾的H₃PO₄去除氮化硅掩蔽层。在边缘部分的硅衬底和中间的多孔硅牺牲层上低压化学气相淀积(LPCVD)二氧化硅绝缘层，其厚度为0.06微米，低压化学气相淀积的温度为650摄氏度，反应气体为四乙氧基硅烷；并在氧化硅绝缘层上与多孔硅牺牲层相对应的部分的四角，用浓度为8％的HF溶液刻蚀出四个正方形的腐蚀孔，腐蚀孔的边长为12微米；

(4)在上述二氧化硅绝缘层上涂一层正胶，光刻，去胶，使与正方形多孔硅牺牲层四角相对应的位置的四个边长15微米的正方形区域的光刻胶保留；为了确保下金属电极层和硅衬底绝缘良好，光刻胶覆盖的范围应略大于第三步提到的二氧化硅绝缘层上的腐蚀孔；在二氧化硅绝缘层和保留的光刻胶上用射频磁控溅射Pt/Ti金属层作为下电极。其中Pt层厚度为0.2微米，Ti层厚度为0.01微米，溅射频率为13.56MHz，温度为50摄氏度；在室温下用丙酮浸泡十分钟，去除有光刻胶部分的金属Pt/Ti，腐蚀孔贯通；

(5)用溶胶-凝胶(sol-gel)法在Pt/Ti金属层上制备PZT压电薄膜层。PZT(Pb_x(Zr_yTi_1-y)O₃)的组分中：x=0.9,y=0.5,PZT压电薄膜层厚度为1.5微米，通过改变旋涂PZT薄膜的次数可以获得相应的厚度。每次旋涂需经380摄氏度和600摄氏度的预热处理去除有机溶剂，最后将PZT薄膜置于900摄氏度环境中退火30分钟，得到PZT压电薄膜。并在与上述腐蚀孔的相应位置采用反应离子刻蚀，对PZT压电材料层刻蚀，使腐蚀孔贯通；反应离子刻蚀的反应气体为SF₆和CF₄，体积比为1∶1，气体流量为25毫升/分钟，功率为300瓦。

(6)在PZT压电薄膜层上涂一层正胶，光刻，去胶，保留四周的光刻胶使其完全覆盖腐蚀孔的范围，并在与多孔硅对应位置的正上方形成一个边长为75微米的未被光刻胶保护的正方形区域。用射频磁控溅射Pt/Ti金属层作为上电极，其中Pt层厚度为0.1微米，Ti层厚度为0.01微米。溅射频率为13.56MHz，温度为50摄氏度；

(7)在室温下用丙酮浸泡十分钟，去除光刻胶部分金属Pt/Ti，形成上电极，并使腐蚀孔贯通；

(8)在室温下用浓度为1％的KOH溶液通过腐蚀孔去除多孔硅牺牲层。最终形成具有由上层Pb/Ti金属电极，PZT压电材料和下层Pb/Ti金属电极构成的自支撑的夹层结构的射频体声波谐振器。

实施例二：

(1)在电阻率为0.01欧姆，(111)晶向P型重搀杂单晶硅片衬底上用涂胶机涂一层厚度为1.5微米的负光刻胶。对光刻胶进行光刻，去胶，形成边长为60微米的未被光刻胶保护的正方形区域。

(2)利用阳极氧化工艺制作多孔硅牺牲层。反应溶液为20％的HF溶液，电极为铂电极，电流密度为30mA/cm²。控制时间使牺牲层厚度为10微米。多孔硅的孔径为0.01微米。

(3)在室温下用丙酮去除负光刻胶。在边缘部分的硅衬底和中间的多孔硅牺牲层上低压化学气相淀积(LPCVD)二氧化硅绝缘层，其厚度为0.1微米，低压化学气相淀积的温度为650摄氏度，反应气体为四乙氧基硅烷；并在氧化硅绝缘层上与多孔硅牺牲层相对应的部分的四角，用浓度为8％的HF溶液刻蚀出四个正方形的腐蚀孔，腐蚀孔的边长为6微米；

(4)在上述二氧化硅绝缘层用直流磁控溅射AL金属层作为下电极。其中Al层厚度为1微米。溅射功率为2000瓦。厚度由溅射时间控制，溅射速率大约为0.1微米/分钟；并在下层Al金属电极层上与上述腐蚀孔相对应的部分，刻蚀掉四个边长8微米的正方形区域的Al，使腐蚀孔贯通；为了确保下金属电极层和硅衬底绝缘良好，本层的刻蚀范围完全覆盖二氧化硅绝缘层上的腐蚀孔；

(5)用直流磁控溅射的方法在Al金属层上制备AlN压电薄膜，背景气压为1×10^-8pa，工作气压为0.5Pa，溅射温度为100摄氏度，溅射功率为150瓦，反应气体为N₂和Ar₂的混合气体，比例为1∶1，靶距为55毫米；AlN厚度为1.1微米。并在与上述腐蚀孔的相应位置对压电材料层湿法刻蚀，使腐蚀孔贯通；刻蚀溶液为磷酸，硝酸和醋酸的混合液；

(6)用射频磁控溅射Al金属层作为上电极。其中Al层厚度为0.6微米，溅射功率为2000瓦；厚度由溅射时间控制，溅射速率大约为0.1微米/分钟；

(7)刻蚀金属Al层，只保留在与多孔硅对应位置的正上方一个边长为35微米的正方形区域，从而形成上电极，并使腐蚀孔贯通；

(8)在室温下用浓度为1％的KOH溶液通过腐蚀孔去除多孔硅牺牲层；最终形成具有由上层Al金属电极，AlN压电材料和下层Al金属电极构成的自支撑的夹层结构的射频体声波谐振器。

实施例三：

(1)在电阻率为0.001欧姆，(100)晶向N型重搀杂单晶硅片衬底上用涂胶机涂一层厚度为1.5微米的正光刻胶；对光刻胶进行光刻，去胶，形成边长为90微米的未被正光刻胶保护的正方形区域；

(2)利用阳极氧化工艺制作多孔硅牺牲层，反应溶液为26％的HF溶液，电极为铂电极，电流密度为50mA/cm²，控制时间使牺牲层厚度为20微米；

(3)在室温下用丙酮去除光刻胶。在边缘部分的硅衬底和中间的多孔硅牺牲层上低压化学气相淀积(LPCVD)二氧化硅绝缘层，其厚度为0.1微米，低压化学气相淀积的温度为650摄氏度，反应气体为四乙氧基硅烷；并在氧化硅绝缘层上与多孔硅牺牲层相对应的部分的四角，用浓度为8％的HF溶液刻蚀出四个正方形的腐蚀孔，腐蚀孔的边长为8微米；

(4)在上述二氧化硅绝缘层上涂一层正胶，光刻，去胶，使与正方形多孔硅牺牲层四角相对应的位置的四个边长10微米的正方形区域的光刻胶保留；为了确保下金属电极层和硅衬底绝缘良好，光刻胶覆盖的范围应略大于第三步提到的二氧化硅绝缘层上的腐蚀孔；在二氧化硅绝缘层上和保留的光刻胶上用射频磁控溅射Ir/IrO₂金属层作为下电极。其中Ir层厚度为0.3微米，IrO₂层厚度为0.1微米，功率为30瓦；在室温下用丙酮浸泡十分钟，去除有光刻胶部分的金属Ir/IrO₂，使腐蚀孔贯通；

(5)用直流磁控溅射的方法在上述Ir金属层上制备ZnO压电薄膜，背景气压为2×10^-3pa，工作气压为2Pa，溅射温度为200摄氏度，溅射功率为150瓦，反应气体为高纯O₂，靶距为80毫米；ZnO厚度为1.0微米，并在与上述腐蚀孔的相应位置对压电材料层湿法刻蚀，使腐蚀孔贯通，刻蚀溶液为磷酸，醋酸和水的混合液，体积比为1∶10∶100：

(6)在ZnO压电薄膜层上涂一层正胶，光刻使腐蚀孔范围被保护。用直流磁控溅射AL金属层作为下电极，其中Al层厚度为1.0微米。溅射功率为2000瓦，厚度由溅射时间控制，溅射速率大约为0.1微米/分钟；

(7)刻蚀金属Al层，只保留在与多孔硅对应位置的正上方一个边长为35微米的正方形区域，从而形成上电极，并使腐蚀孔贯通；

(8)在室温下用浓度为1％的KOH溶液通过腐蚀孔去除多孔硅牺牲层。最终形成具有由上层Al金属电极，ZnO₂压电材料和下层Ir/IrO₂金属电极构成的自支撑的夹层结构的射频体声波谐振器。