一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构

摘要

本发明公开了一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构，包括衬底、压电振荡堆、第一空腔、第二空腔；还可包括有终止层；所述的压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极，其中所述第二空腔的宽度与第二空腔距第一空腔边缘的最短距离相等。本发明通过增加空腔结构或结合改变部分结构，可以优化FBAR压电振荡堆的状态，从而较好的改善边界声阻抗条件，抑制寄生横波的存在，进而达到提高器件的Q值的目的，产品的良率也得到较大的提升，可大大增强产品的市场竞争力。

说明书

技术领域

本发明属于MEMS器件技术领域，涉及一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构。

背景技术

随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。

现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。背刻蚀型结构采用体微机械加工技术从衬底表面反向刻蚀去除大部分衬底材料，形成压电震荡堆和空气的交界面，从而将声波限制在压电振荡内。衬底的大量移除势必影响器件机械强度，大大降低成品率。固态装配型通过交替衬底高低声阻抗层来形成布拉格反射层实现声波限制，这种结构工艺过程中需制备多层薄膜，繁琐复杂，成本较高，而且布拉格反射层的声波限制效果不如空气，会导致器件性能差Q值低。空气隙型体声波谐振器基于表面微加工技术，通过在硅片的上表面通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。这种结构不需要大量移除衬底造成器件牢固度下降，也不需要繁琐的工艺形成层层堆叠的声反射层就可以达到很好的声波限制效果，获得较高的Q值。

薄膜体声波谐振器只能激发thickness-extensional(TE)模式，即纵向机械波，理想的模式就是声波沿着压电层厚度的方向传播。但是声波在压电震荡堆之内不仅有TE模式，还有Rayleigh-Lamb模式，即横向机械波。声波在压电层中的横向传播会对FBAR器件的品质因子(Q)值产生不利影响，尤其是横向机械波的能量会在FBAR器件接口处损失，横向机械波的能量损失将导致期望纵向机械波能量的损失，最终导致FBAR器件的品质因子(Q)值的降低。本发明通过改变薄膜体声波谐振器的部分结构，达到改善边界声阻抗条件，抑制寄生横波的存在的目的，减少期望纵向机械波能量的损失进而实现提升器件品质因子(Q)值的目标。

发明目的

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构和设计方法，通过改变薄膜体声波谐振器的部分结构，达到改变边界声阻抗条件，抑制寄生横波的存在的目的，减少期望纵向机械波能量的损失进而实现提升器件品质因子(Q)值及产品良率。

本发明采用的技术方案如下：

一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构，包括衬底、终止层、压电振荡堆、第一空腔、第二空腔；所述的压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极，所述的第一空腔设于所述衬底表面，所述的终止层位于衬底与压电振荡堆的下电极之间，第二空腔设于终止层与压电振荡堆之间，所述第一空腔与第二空腔由终止层隔开；所述第二空腔的宽度与第二空腔距第一空腔边缘的最短距离相等。

进一步的，在所述下电极与压电层之间围绕第二空腔还设置有第三空腔；

更进一步的，所述的第三空腔中填满下电极材料，使得其所处位置处下电极的厚度大于其他位置的下电极厚度；

进一步的，将所述第二空腔正上方的下电极材料减薄，使得其所处位置处下电极的厚度小于其他位置的下电极厚度；

另一种可提高薄膜体声波谐振器品质因子Q值的结构，包括衬底、压电振荡堆、第一空腔、第二空腔；所述的压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极，所述的第一空腔设于所述衬底表面，所述第二空腔位于第一空腔外围且设于衬底与压电震荡堆之间，且所述结构中还设置有隔断腔使得在所述第二空腔上方仅存在部分压电震荡堆，即压电振荡堆在第二空腔上方形成悬空结构；

上述各方案中，进一步的，所述薄膜体声波谐振器为空腔型FBAR，所述的第一空腔通过释放牺牲层形成；或者所述的薄膜体声波谐振器为布拉格反射层结构的FBAR，在所述的第一空腔填满布拉格反射层结构；

进一步的，所述第二空腔通过释放牺牲层得到，第二空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形中的任一种或多种任意组合；

按照上述结构设计后，可以结合模拟获得的FBAR的Q值与第二空腔宽度的关系，选择合适的第二空腔宽度以获得所需的Q值；

本发明通过增加空腔结构或结合改变部分结构，可以优化部分FBAR压电振荡堆的状态，从而较好的改善边界声阻抗条件，抑制寄生横波的存在，进而达到提高器件的Q值的目的，产品的良率也得到较大的提升，可大大增强产品的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明的一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101为空腔；

图2为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101内填充布拉格反射层结构；

图3为图1结构的谐振器并联情况下Q值与第二空腔103横向宽度的关系图；可以看出，随着空腔103横向宽度的增加会出现例如301，302，303的极大值，也会出现例如304，305，306的极小值，301，302，303等极大值远大于初始点即没增加第二空腔的FBAR结构；

图4为图2结构的谐振器串联情况下Q值与第二空腔103横向宽度的关系图；可以看出，随着空腔103横向宽度的增加会出现例如307，308，309的极大值，也会出现例如310，311的极小值，307，308，309等极大值远大于初始点即没增加第二空腔的FBAR结构；

图5为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101为空腔，且在下电极105与压电层106之间围绕第二空腔103还设置有空腔，即第三空腔108；

图6为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101内填充布拉格反射层结构，且在下电极105与压电层106之间围绕第二空腔103还设置有空腔，即第三空腔108；

图7为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101为空腔；在图5结构中的第三空腔108内填充下电极材料，使得此处的下电极厚度大于其他位置的下电极厚度；

图8为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101内填充布拉格反射层结构；在图6结构中的第三空腔108内填充下电极材料，使得此处的下电极厚度大于其他位置的下电极厚度；

图9为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101为空腔，且第二空腔103正上方的下电极材料厚度小于其他位置的下电极厚度；

图10为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101内填充布拉格反射层结构，且第二空腔103正上方的下电极材料厚度小于其他位置的下电极厚度；

图11为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101为空腔，且该结构中无终止层，第二空腔103位于第一空腔101外围且设于衬底100与压电震荡堆之间，此外，还设有隔断腔109使得压电振荡堆在第二空腔103上方形成悬空结构；

图12为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其中第一空腔101内填充布拉格反射层结构，且该结构中无终止层，第二空腔103位于第一空腔101外围且设于衬底100与压电震荡堆之间，此外，还设有隔断腔109使得压电振荡堆在第二空腔103上方形成悬空结构；

图中：100衬底、101第一空腔、102终止层、103第二空腔、104第二空腔边缘距第一空腔边缘的最短距离、105下电极、106压电层、107上电极、108第三空腔、109隔断腔。

具体实施方式

本发明的FBAR结构包括衬底、第一空腔、压电振荡堆、第二空腔；相对于常规FBAR本发明通过增加一特定的第二空腔和/或改变一些部件结构，可以改变部分FBAR压电振荡堆状态，从而较好的改变边界声阻抗条件，抑制寄生横波的存在，最终可以达到提高器件的Q值的目的，产品的良率也可得到较大的提升。

下面结合具体实例对本发明的方法进行进一步说明，如图1为本发明的一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其包括衬底100、终止层102、压电振荡堆、第一空腔101、第二空腔103；所述的压电振荡堆包括下电极105、压电层106和上电极107，所述的第一空腔101设于所述衬底100表面，所述的终止层102位于衬底100与压电振荡堆的下电极105之间，第二空腔103设于终止层102与压电振荡堆之间，所述第一空腔101与第二空腔103由终止层隔开；所述第二空腔103的宽度与第二空腔距第一空腔边缘的最短距离104相等。

其的一种制备方法，具体步骤如下：1)对硅衬底100进行清洗，使用丙酮和异丙醇超声水洗，硅衬底取向为(111)或(100)；2)采用基于BOSCH工艺的ICP刻蚀在硅衬底上刻蚀出深度为3um，横向宽度为200um的第一空腔101；3)在含第一空腔的衬底100表面用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积3-5um的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层材料，并通过化学机械研磨(CMP)进行图形化；4)在衬底100及牺牲层表面用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)或磁控溅射等方法沉积100nm的C轴取向的氮化铝(ALN)作为终止层102；5)在终止层102表面用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积300nm的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层材料，并通过等离子体或湿法腐蚀在距第一空腔边缘5um处形成横向宽度为5um的图案；6)在终止层102及牺牲层材料表面上采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积250nm的金属钼第一电极105，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；7)在终止层102表面及金属钼电极上溅射一层C轴取向1μm的AlN压电薄膜层106；8)采用热蒸发或磁控溅射等方法在压电层106上沉积200nm的金属钼第二电极107；并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；9)通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除牺牲层，形成第一空腔101，第二空腔103；

其中，器件的衬底100材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合，100上的第一空腔可以采用等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。第一空腔的截面可以为梯型，三角形，长方形正方形的一种或其任意组合，第一空腔的深度为1-10um，横向宽度为50-400um。空腔宽度小于器件层。

所述终止层102材料可以是氮化硅，氮化铝,氧化硅,氧化铝中的一种或其任意组合，厚度为30-100nm，主要是在103图形化过程中起到终止刻蚀的作用。

第二空腔103的深度可以为200-400nm，通过等离子体或湿法腐蚀在距第一空腔101边缘0.1um-100um处形成横向宽度为0.1um-100um的图案。

下电极105，材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为20-1000nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案。为了提高104下电极膜层的沉积质量，可以先沉积10-100nm的压电层种子层(图中未画出)。

压电层106材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅等。

上电极107材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度可以为20-1000nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案。

上述实例中所述薄膜体声波谐振器可以为空腔型FBAR，即所述的第一空腔通过释放牺牲层形成空腔；或者所述的薄膜体声波谐振器也可以为布拉格反射层结构的FBAR，即在所述的第一空腔填满布拉格反射层结构；无论采用哪种结构，基于本发明的结构设计，都可以相应提高其Q值，如图3、4所示，根据需要选择合适的第二空腔的宽度值即可。

上述实施例仅为本发明的一种具体实例，除此之外，本发明的结构还可以如图5-10所示，通过增设第二空腔，相对于不增设第二空腔的结构均可以实现提高FBAR的Q值。

如图11为本发明的另一种可提高薄膜体声波谐振器Q值的结构示意图；其包括衬底100、压电振荡堆、第一空腔101、第二空腔103；所述的压电振荡堆包括下电极105、压电层106和上电极107，所述的第一空腔101设于所述衬底100表面，所述第二空腔103位于第一空腔101外围且设于衬底100与压电振荡堆之间，且所述结构中还设置有用于将压电振荡堆完全隔断的隔断腔，使得在所述第二空腔103上方仅存在部分压电震荡堆，即压电振荡堆在第二空腔103上方形成悬空结构；上述薄膜体声波谐振器可以为空腔型FBAR，即所述的第一空腔通过释放牺牲层形成空腔；或者所述的薄膜体声波谐振器也可以为布拉格反射层结构的FBAR，即在所述的第一空腔填满布拉格反射层结构如图12；无论采用哪种结构，基于本发明的结构设计，都可以相应提高其Q值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。