体声波谐振装置的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种体声波谐振装置的形成方法。


背景技术：

2.无线通信设备的射频（radio frequency，rf）前端芯片包括功率放大器、天线开关、射频滤波器、双工器、多工器和低噪声放大器等。其中，射频滤波器包括声表面（surface acoustic wave，saw）滤波器、体声波（bulk acoustic wave，baw）滤波器、微机电系统（micro-electro-mechanical system，mems）滤波器、ipd（integrated passive devices）滤波器等。
3.saw谐振器和baw谐振器的品质因数值（q值）较高，由saw谐振器和baw谐振器制作成的低插入损耗、高带外抑制的射频滤波器，即saw滤波器和baw滤波器，是目前手机、基站等无线通信设备使用的主流射频滤波器。其中，q值是谐振器的品质因数值，定义为中心频率除以谐振器3db带宽。saw滤波器的使用频率一般为0.4ghz至2.7ghz，baw滤波器的使用频率一般为0.7ghz至7ghz。
4.与 saw谐振器相比，baw谐振器的性能更好，但是由于工艺步骤复杂，baw谐振器的制造成本比saw谐振器高。然而，当无线通信技术逐步演进，所使用的频段越来越多，同时随着载波聚合等频段叠加使用技术的应用，无线频段之间的相互干扰变得愈发严重。高性能的baw技术可以解决频段间的相互干扰问题。随着5g时代的到来，无线移动网络引入了更高的通信频段，当前只有baw技术可以解决高频段的滤波问题。
5.然而，现有技术中形成的体声波谐振装置仍存在诸多问题。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是提供一种体声波谐振装置的形成方法，可使压电层不包括明显转向的晶粒，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
7.为解决上述问题，本发明提供一种体声波谐振装置的形成方法，包括：形成第一层，形成所述第一层包括：提供第一基底；一体形成第一电极材料层、压电层以及第二电极材料层，其中，所述第二电极材料层位于所述第一基底上，所述压电层位于所述第二电极材料层上，所述第一电极材料层位于所述压电层上；对所述第一电极材料层进行第一图形化处理，形成第一电极层；在所述压电层上形成空腔预处理层，用于形成空腔，所述空腔预处理层至少覆盖所述第一电极层的第一端，其中，所述第一层的第一侧对应所述第一基底侧，所述第一层的第二侧对应所述空腔预处理层侧；形成第二层，形成所述第二层包括：提供第二基底；接合所述第一层和所述第二层，其中，所述第二层位于所述第二侧；去除所述第一基底；以及对所述第二电极材料层进行第二图形化处理，形成第二电极层。
8.可选的，形成所述空腔预处理层包括：形成牺牲层，位于所述压电层上，所述牺牲层至少覆盖所述第一电极层的第一端。
9.可选的，所述牺牲层的材料包括以下至少之一：聚合物、二氧化硅、掺杂二氧化硅、
多晶硅。
10.可选的，所述聚合物包括以下至少之一：苯并环丁烯、光感环氧树脂光刻胶、聚酰亚胺。
11.可选的，形成所述空腔预处理层还包括：形成第一中间层，位于所述压电层上方，所述第一中间层至少覆盖所述牺牲层，所述第二侧对应所述第一中间层侧。
12.可选的，所述第一中间层还覆盖所述第一电极层的第二端。
13.可选的，所述第一中间层的材料包括以下至少之一：聚合物、绝缘电介质、多晶硅。
14.可选的，所述聚合物包括以下至少之一：苯并环丁烯、光感环氧树脂光刻胶、聚酰亚胺。
15.可选的，所述绝缘电介质包括以下至少之一：氮化铝、二氧化硅、氮化硅、氧化钛。
16.可选的，所述压电层的材料包括以下至少之一：氮化铝、氧化铝合金、氮化镓、氧化锌、钽酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅、铌镁酸铅—钛酸铅。
17.可选的，形成所述第二层还包括：形成第二中间层，位于所述第二基底上方。
18.可选的，所述第二中间层的材料包括以下至少之一：聚合物、绝缘电介质。
19.可选的，所述聚合物包括以下至少之一：苯并环丁烯、光感环氧树脂光刻胶、聚酰亚胺。
20.可选的，所述绝缘电介质包括以下至少之一：氮化铝、二氧化硅、氮化硅、氧化钛。
21.可选的，形成所述第二层还包括：形成薄层，位于所述第二基底与所述第二中间层之间。
22.可选的，所述薄层包括：多晶薄层。
23.可选的，所述多晶薄层的材料包括以下至少之一：多晶硅、多晶氮化硅、多晶碳化硅。
24.可选的，接合所述第一层和所述第二层包括：键合所述第一中间层和所述第二中间层，形成第三中间层。
25.可选的，所述第三中间层的厚度包括：0.1微米至10微米。
26.可选的，在形成所述第二电极层之后，还包括：去除所述牺牲层，形成所述空腔，其中，所述第一电极层的第一端位于所述空腔中。
27.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在本发明技术方案的体声波谐振装置的形成方法中，所述压电层形成于所述第二电极材料层上，由于所述第二电极材料层的表面平坦，因此可以使所述压电层不包括明显转向的晶体，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
28.此外，一体形成第一电极材料层、压电层以及第二电极材料层，使得所述第一电极材料层、压电层以及第二电极材料层全程在较好的环境（例如，真空环境或粒子数量较少的环境）下一体完成，避免所述压电层表面吸附或残留较多的粒子，从而提升所述压电层或所述第二电极层的晶体质量，并提升有源层（包括所述压电层、所述第一电极层及所述第二电极层）的整体质量。
附图说明
29.图1是一种体声波滤波器电路的示意图；
图2是一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；图3是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法的流程示意图；图4至图12是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法各步骤结构示意图；图13是一种六方晶系晶体的结构示意图；图14是晶系晶体的结构示意图，其中，（i）是一种正交晶系晶体的结构示意图；（ii）是一种四方晶系晶体的结构示意图；（iii）是一种立方晶系晶体的结构示意图。
具体实施方式
30.正如背景技术所述，现有技术中形成的体声波谐振装置仍存在诸多问题。以下将结合附图进行具体说明。
31.图1是一种体声波滤波器电路的示意图；图2是一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
32.请参考图1，一种体声波滤波器电路，包括由多个体声波谐振器组成的梯形电路，其中，f1、f2、f3、f4分别表示4种不同的频率。每个体声波谐振器内，谐振器压电层两侧的金属电极产生交替正负电压，压电层通过交替正负电压产生声波，该谐振器内的声波沿垂直于压电层的方向传播。为了形成谐振，声波需要在上金属电极的上表面和下金属电极的下表面产生全反射，以形成驻声波。声波反射的条件是与上金属电极的上表面和下金属电极的下表面接触介质的声阻抗与金属电极的声阻抗有较大差别。
33.薄膜体声波谐振器（film bulk acoustic wave resonator，fbar）是一种可以把声波能量局限在器件内的体声波谐振器，该谐振器的谐振区上方是空气或真空，下方存在一个空腔。空气声阻抗与金属电极声阻抗差别较大，声波可以在上金属电极的上表面和下金属电极的下表面全反射，形成驻波。
34.请参考图2，一种薄膜体声波谐振器100，包括：基底101，所述基底101上表面侧包括空腔103；第一电极层105，位于所述基底101及所述空腔103上；压电层107，位于所述基底101上，覆盖所述第一电极层105，所述压电层107包括第一凸起部107a；第二电极层109，位于所述压电层107上，所述第二电极层109包括第二凸起部109a，所述第二凸起部109a位于所述第一凸起部107a上；其中，谐振区111（即，所述第一电极层105和所述第二凸起部109a的重合区域）位于所述空腔103上，与所述基底101有重合接触部。所述薄膜体声波谐振器100通过逐层堆叠形成，即在所述基底101上形成所述第一电极层105，在所述第一电极层105和所述基底101上形成所述压电层107，然后在所述压电层107上形成所述第二电极层109。
35.由于所述第一电极层105凸起，直接在所述第一电极层105和所述基底101上形成所述压电层107，会造成所述压电层107中部分晶粒（例如，所述第一凸起部107a的两侧部115中的晶粒）出现明显转向，与另一部分晶粒（例如，所述第一凸起部107a的中间部117中的晶粒）不平行，从而降低所述薄膜体声波谐振器100的机电耦合系数及q值。
36.在此基础上，本发明提供一种体声波谐振装置的形成方法，压电层形成于第二电极材料层上，由于所述第二电极材料层的表面平坦，因此可以使所述压电层不包括明显转向的晶体，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
37.此外，一体形成第一电极材料层、所述压电层以及所述第二电极材料层，使得所述
第一电极材料层、压电层以及第二电极材料层全程在较好的环境（例如，真空环境或粒子数量较少的环境）下一体完成，避免所述压电层表面吸附或残留较多的粒子，从而提升所述压电层或所述第二电极层的晶体质量，并提升有源层（包括所述压电层、第一电极层及所述第二电极层）的整体质量。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
39.图3是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法的流程示意图。
40.请参考图3，所述体声波谐振装置的形成方法包括：步骤s11，形成第一层，形成所述第一层包括：提供第一基底；一体形成第一电极材料层、压电层以及第二电极材料层，其中，所述第二电极材料层位于所述第一基底上，所述压电层位于所述第二电极材料层上，所述第一电极材料层位于所述压电层上；对所述第一电极材料层进行第一图形化处理，形成第一电极层；在所述压电层上形成空腔预处理层，用于形成空腔，所述空腔预处理层至少覆盖所述第一电极层的第一端，其中，所述第一层的第一侧对应所述第一基底侧，所述第一层的第二侧对应所述空腔预处理层侧；步骤s12，形成第二层，形成所述第二层包括：提供第二基底；步骤s13，接合所述第一层和所述第二层，其中，所述第二层位于所述第二侧；步骤s14，去除所述第一基底；步骤s15，对所述第二电极材料层进行第二图形化处理，形成第二电极层。
41.以下结合附图进行详细说明。
42.图4至图12是本发明实施例中体声波谐振装置的形成方法各步骤结构示意图；图13是一种六方晶系晶体的结构示意图；图14是晶系晶体的结构示意图，其中，（i）是一种正交晶系晶体的结构示意图；（ii）是一种四方晶系晶体的结构示意图；（iii）是一种立方晶系晶体的结构示意图。
43.形成第一层，所述第一层的具体形成过程请参考图4至图7。
44.请参考图4，提供第一基底200。
45.在本实施例中，所述第一基底200的材料包括但不限于以下至少之一：硅、碳化硅、玻璃。
46.请参考图5，在腔体内一体形成第一电极材料层201、压电层202以及第二电极材料层203，其中，所述压电层202位于所述第二电极材料层203上，所述第一电极材料层201位于所述压电层202上。其中，所述腔体内环境较好，例如，所述腔体内为真空环境或所述腔体内的粒子数量较少。
47.在本实施例中，所述第一电极材料层201的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
48.在本实施例中，所述第二电极材料层203的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
49.在本实施例中，所述压电层202的材料包括但不限于以下至少之一：氮化铝、氮化铝合金、氮化镓、氧化锌、钽酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅、铌镁酸铅—钛酸铅。
50.在本实施例中，所述压电层202包括多个晶体，所述多个晶体包括第一晶体和第二晶体，其中，所述第一晶体和所述第二晶体是所述多个晶体中的任意两个晶体。所属技术领
域的技术人员知晓晶体的晶向、晶面等可以基于坐标系表示。如图13所示，对于六方晶系的晶体，例如氮化铝晶体，采用ac立体坐标系（包括a轴及c轴）表示。如图14所示，对于（i）正交晶系（a≠b≠c）、（ii）四方晶系（a=b≠c）、（iii）立方晶系（a=b=c）等的晶体，采用xyz立体坐标系（包括x轴、y轴及z轴）表示。除上述两个实例，晶体还可以基于其他所属技术领域的技术人员知晓的坐标系表示，因此本发明不受上述两个实例的限制。
51.在本实施例中，所述第一晶体可以基于第一立体坐标系表示，所述第二晶体可以基于第二立体坐标系表示，其中，所述第一立体坐标系至少包括沿第一方向的第一坐标轴及沿第三方向第三坐标轴，所述第二立体坐标系至少包括沿第二方向的第二坐标轴及沿第四方向的第四坐标轴，其中，所述第一坐标轴对应所述第一晶体的高，所述第二坐标轴对应所述第二晶体的高。
52.在本实施例中，所述第一方向和所述第二方向相同或相反。需要说明的是，所述第一方向和所述第二方向相同指：沿所述第一方向的向量和沿所述第二方向的向量的夹角范围包括0度至5度；所述第一方向和所述第二方向相反指：沿所述第一方向的向量和沿所述第二方向的向量的夹角范围包括175度至180度。
53.在另一个实施例中，所述第一立体坐标系为ac立体坐标系，其中，所述第一坐标轴为第一c轴，所述第三坐标轴为第一a轴；所述第二立体坐标系为ac立体坐标系，所述第二坐标轴为第二c轴，所述第四坐标轴为第二a轴，其中，所述第一c轴和所述第二c轴的指向相同或相反。
54.在另一个实施例中，所述第一立体坐标系还包括沿第五方向的第五坐标轴，所述第二立体坐标系还包括沿第六方向的第六坐标轴。在另一个实施例中，所述第一方向和所述第二方向相同或相反，所述第三方向和所述第四方向相同或相反。需要说明的是，所述第三方向和所述第四方向相同指：沿所述第三方向的向量和沿所述第四方向的向量的夹角范围包括0度至5度；所述第三方向和所述第四方向相反指：沿所述第三方向的向量和沿所述第四方向的向量的夹角范围包括175度至180度。
55.在另一个实施例中，所述第一立体坐标系为xyz立体坐标系，其中，所述第一坐标轴为第一z轴，所述第三坐标轴为第一y轴，所述第五坐标轴为第一x轴；所述第二立体坐标系为xyz立体坐标系，所述第二坐标轴为第二z轴，所述第四坐标轴为第二y轴，所述第六坐标轴为第二x轴。在另一个实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相同，所述第一y轴和所述第二y轴的指向相同。在另一个实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相反, 所述第一y轴和所述第二y轴的指向相反。在另一个实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相同，所述第一y轴和所述第二y轴的指向相反。在另一个实施例中，所述第一z轴和所述第二z轴的指向相反, 所述第一y轴和所述第二y轴的指向相同。
56.在本实施例中，所述压电层202包括多个晶体，所述多个晶体的摇摆曲线半峰宽低于2.5度。需要说明的是，摇摆曲线（rocking curve）描述某一特定晶面（衍射角确定的晶面）在样品中角发散大小，通过平面坐标系表示，其中，横坐标为该晶面与样品面的夹角，纵坐标则表示在某一夹角下，该晶面的衍射强度，摇摆曲线用于表示晶格质量，半峰宽角度越小说明晶格质量越好。此外，半峰宽（full width at half maximum，fwhm）指在函数的一个峰当中，前后两个函数值等于峰值一半的点之间的距离。
57.在本实施例中，在形成所述第二电极材料层203之前，还包括：在所述第一基底200
上形成刻蚀停止层204，所述第二电极材料层203位于所述刻蚀停止层204上。
58.在本实施例中，所述刻蚀停止层204的材料采用二氧化硅。
59.请参考图6，对所述第一电极材料层201进行第一图形化处理，形成第一电极层206。
60.在本实施例中，对所述第一电极材料层201进行第一图形化处理包括：在所述第一电极材料层201上形成第一图形化层（未图示），所述第一图形化层暴露出部分所述第一电极材料层201的部分表面；以所述第一图形化层为掩膜刻蚀所述第一电极材料层201，直至暴露出所述压电层202的表面为止，形成所述第一电极层206。
61.在本实施例中，所述第一电极层206由所述第一电极材料层201刻蚀形成，因此所述第一电极层206与所述第一电极材料层201的材料相同，即所述第一电极层206的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
62.请参考图7，在所述压电层202上形成空腔预处理层，用于形成空腔，所述空腔预处理层至少覆盖所述第一电极层206的第一端，其中，所述第一层的第一侧对应所述第一基底200侧，所述第一层的第二侧对应所述空腔预处理层侧。
63.在本实施例中，形成所述空腔预处理层包括：形成牺牲层207，位于所述压电层202上，所述牺牲层207至少覆盖所述第一电极层206的第一端。
64.在本实施例中，所述牺牲层207的材料包括但不限于以下至少之一：聚合物、二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅。
65.在本实施例中，所述聚合物包括但不限于以下至少之一：苯并环丁烯（即，bcb）、光感环氧树脂光刻胶（例如，su-8）、聚酰亚胺。需要说明的是，所述掺杂二氧化硅为掺杂其他元素的二氧化硅。
66.在本实施例中，形成所述空腔预处理层还包括：形成第一中间层208，位于所述压电层202上方，所述第一中间层208至少覆盖所述牺牲层207，所述第二侧对应所述第一中间层208侧。
67.在本实施例中，所述第一中间层208还覆盖所述第一电极层206的第二端。
68.在本实施例中，所述第一中间层208的材料包括但不限于以下至少之一：聚合物、绝缘电介质、多晶硅。
69.在本实施例中，所述聚合物包括但不限于以下至少之一：苯并环丁烯（即，bcb）、光感环氧树脂光刻胶（例如，su-8）、聚酰亚胺。
70.在本实施例中，所述绝缘电介质包括但不限于以下至少之一：氮化铝、二氧化硅、氮化硅、氧化钛。
71.在本实施例中，所述第一中间层208的厚度包括但不限于：0.1微米至10微米。
72.在形成所述第一层之后，还包括：形成第二层。形成所述第二层的具体过程请参考图8。
73.请参考图8，提供第二基底210。
74.在本实施例中，所述第二基底210的材料包括但不限于以下至少之一：硅、碳化硅、玻璃。
75.在本实施例中，形成所述第二层还包括：形成第二中间层211，位于所述第二基底210上方。
76.在本实施例中，所述第二中间层211的材料包括但不限于以下至少之一：聚合物、绝缘电介质、多晶硅。
77.在本实施例中，所述聚合物包括但不限于以下至少之一：苯并环丁烯（即，bcb）、光感环氧树脂光刻胶（例如，su-8）、聚酰亚胺。
78.在本实施例中，所述绝缘电介质包括但不限于以下至少之一：氮化铝、二氧化硅、氮化硅、氧化钛。
79.在本实施例中，形成所述第二层还包括：形成薄层212，位于所述第二基底210与所述第二中间层211之间。所述第二中间层211与所述第二基底210之间设置所述薄层212有助于防止所述第二基底210表面形成自由电子层，从而减少所述第二基底210的电学损耗。
80.在本实施例中，所述薄层212包括：多晶薄层。
81.在本实施例中，所述多晶薄层的材料包括以下至少之一：多晶硅、多晶氮化硅、多晶碳化硅。
82.请参考图9，接合所述第一层和所述第二层，其中，所述第二层位于所述第二侧。
83.在本实施例中，接合所述第一层和所述第二层包括：键合所述第一中间层208和所述第二中间层211，形成第三中间层213。
84.在本实施例中，所述第三中间层213的厚度包括：0.1微米至10微米。所述第三中间层213的声学阻抗与所述压电层202相比较小，从而减少声波从谐振区漏入所述第二基底。
85.请参考图10，去除所述第一基底200。
86.在本实施例中，去除所述第一基底200直至暴露出所述刻蚀停止层204为止。
87.在本实施例中，去除所述第一基底200采用刻蚀或打磨。
88.在本实施例中，去除所述第一基底200之后，还包括：去除所述刻蚀停止层204，直至暴露出所述第二电极材料层203的表面为止。
89.在本实施例中，去除所述刻蚀停止层204采用刻蚀工艺。
90.请参考图11，对所述第二电极材料层203进行第二图形化处理，形成第二电极层205。
91.在本实施例中，所述压电层202形成于所述第二电极材料层203上，由于所述第二电极材料层203的表面平坦，因此可以使所述压电层202不包括明显转向的晶体，从而有助于提高谐振装置的机电耦合系数以及谐振装置的q值。
92.此外，一体形成第一电极材料层201、压电层202以及第二电极材料层203，使得所述第一电极材料层201、压电层202以及第二电极材料层203全程在较好的环境（例如，真空环境或粒子数量较少的环境）下一体完成，避免所述压电层202表面吸附或残留较多的粒子，从而提升所述压电层202或所述第二电极层205的晶体质量，并提升有源层的整体质量。
93.在本实施例中，对所述第二电极材料层203进行第二图形化处理包括：在所述第二电极材料层203上形成第二图形化层（未图示），所述第二图形化层暴露出部分所述第二电极材料层203的部分表面；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀所述第二电极材料层203，直至暴露出所述压电层202的表面为止，形成所述第二电极层205。
94.在本实施例中，所述第二电极层205由所述第二电极材料层203刻蚀形成，因此所述第二电极层205与所述第二电极材料层203的材料相同，即所述第二电极层205的材料包括但不限于以下至少之一：钼、钌、钨、铂、铱、铝。
95.请参考图12，在形成所述第二电极层205之后，去除所述牺牲层207，形成所述空腔209，其中，所述第一电极层206的第一端位于所述空腔209中。
96.在本实施例中，去除所述牺牲层207的方法包括但不限于以下至少之一：氧气离子刻蚀、氢氟酸刻蚀、二氟化氙刻蚀。
97.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。