片上集成型体波谐振器及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种片上集成型体波谐振器及其制造方法，其中，该体波谐振器包括：体波谐振器；至少一储能元件，其中，至少一储能元件的至少部分位于体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内。本发明通过将储能元件集成到体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内，从而有效缩小储能元件和体波谐振器的集成空间，利于进一步缩减体波滤波器芯片的尺寸。
【专利说明】片上集成型体波谐振器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，并且特别地，涉及一种片上集成型体波谐振器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在手机通讯和高速串行数据应用等方面，利用压电薄膜在厚度方向上的纵向谐振所制成的薄膜压电体波谐振器已经成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前端体波压电滤波器/双工器提供了优越的滤波特性，包括:低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率容量，较强的抗静电放电(ESD)能力等。高频薄膜压电体波振荡器具有超低频率温度漂移，并且其相位噪声低，功耗低且带宽调制范围大。除此之外，这些微型薄膜压电谐振器在硅衬底上还使用互补式金属氧化物半导体(CMOS)兼容的加工工艺，这样可以降低单位成本，并且有利于谐振器与CMOS电路集成。
[0003]典型的薄膜压电体波谐振器包括:两金属电极(包括顶部电极和底部电极)、压电材料、声反射结构，其中，压电材料位于金属电极之间，压电材料和两个金属电极组成的三明治结构，声反射结构位于底部金属电极下方。通常将顶部电极、压电层、底部电极组成的三层结构在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。当两金属电极之间施加有一定频率的电压信号时，由于两金属电极之间的压电材料所具有的逆压电效应，有效区域内的顶部电极与底部电极之间会产生在垂直方向上传播的声波，声波在顶部电极与空气的交界面和底部电极下的声反射结构之间来回反射并在一定频率下产生谐振。如图1所示，为现有技术中已有的薄膜压电体波谐振器结构，如图1所示的谐振器包括:顶部电极T、压电层P、底部电极B、声反射结构X和衬底S。形成图1中谐振器的声反射结构X的步骤可以包括:
[0004]步骤1、在衬底S上刻蚀出空腔结构；
[0005]步骤2、以牺牲层材料填充空腔结构；
[0006]步骤3、在经过表面平坦化的衬底S上依次制作底部电极B、压电层P和顶部电极T。
[0007]步骤4、除去牺牲层材料形成悬浮结构。
[0008]这样可以在谐振器的底部电极的下方形成空腔，由于底部电极与空气之间的声学阻抗比很大，声波在底部电极与空气的交界面上可以得到良好的反射，因此，可以在谐振器的工作过程中减少声波能量由谐振器内部往衬底的泄漏，从而提高谐振器的Q值，由此提高由多个谐振器组成的滤波器的性能。
[0009]通过将不同频率的薄膜压电谐振器按照一定的拓扑结构连接在一起，可以构成薄膜压电体波滤波器，在滤波器的设计中，通常需要在并联谐振器上串联一段电感，如图2所示，为现有技术中连接有电感的滤波器结构的示意图。通过串联电感可以改变滤波器通带左侧传输零点的位置来获得较好的带外抑制，同时也能增加谐振器的有效机电耦合因数，达到拓宽带宽的作用。[0010]在双工器设计中，通常需要在接收滤波器和发送滤波器之间加入阻抗匹配网络，这部分电路可以是由电感和电容组成的H型网络、或者是一段四分之一波长传输线组成。阻抗匹配网络的作用是使接收滤波器在发送滤波器通带频段内呈现高阻抗，从而有利于传输发射通道信号。通常，将电感/电容等储能元件制造在芯片的封装基板上，是以贴片电感/电容或者印制螺旋线的形式实现，或者，还存在一种现有方法，在晶圆的制造过程中通过构图金属线的方式直接将电感/电容与滤波器集成在片上，其中电感/电容与滤波器平行布置。但是，以上方法共有的缺点是，无论是形成在封装基板上的电感电容还是集成在片上的电感电容，都占用了额外的面积，不利于滤波器芯片尺寸的缩小，因此，不能适应芯片进一步小型化的要求。
[0011]针对相关技术中体波滤波器芯片中储能元件要占用额外的芯片面积，不利于芯片尺寸进一步小型化的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0012]针对相关技术中体波滤波器芯片中储能元件要占用额外的芯片面积，不利于芯片尺寸进一步小型化的问题，本发明提出一种片上集成型体波谐振器及其制造方法，能够将储能元件集成到体波谐振器中，从而利于进一步缩减体波滤波器芯片的尺寸。
[0013]本发明的技术方案是这样实现的:
[0014]根据本发明的一个方面，提供了一种片上集成型体波谐振器。
[0015]该体波谐振器包括:
[0016]体波谐振器；
[0017]至少一储能元件，其中，至少一储能元件的至少部分位于体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内。
[0018]其中，上述储能元件包括储能部和电极部。
[0019]并且，上述体波谐振器包括空腔，至少一储能元件的储能部位于空腔内。
[0020]此外，上述体波谐振器进一步包括:
[0021]第一电极；
[0022]第二电极，位于第一电极下方，并且与第一电极电隔离；
[0023]基底，位于第二电极下方，空腔由基底的下凹表面形成。
[0024]此外，上述体波谐振器进一步包括:
[0025]电极；
[0026]基底，位于电极下方，至少一储能元件的储能部位于基底和电极之间。
[0027]另外，上述体波谐振器进一步包括:
[0028]电极；
[0029]基底，位于电极下方；
[0030]至少一储能元件的储能部位于电极的上方。
[0031]其中，在至少一储能元件的下方至少部分填充有绝缘材料或者存在间隙。
[0032]可选地，体波谐振器的导电部与至少一储能元件之间存在间隙和/或绝缘材料。
[0033]优选地,储能元件包括电容和/或电感。
[0034]根据本发明的一个方面，提供了一种片上集成型体波谐振器的制造方法。[0035]该制造方法包括:
[0036]提供体波谐振器；
[0037]将至少一储能元件的至少部分设置于体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内。
[0038]其中，储能元件包括储能部和电极部。
[0039]可选地，在体波谐振器中形成空腔，并且将至少一储能元件的储能部设置于空腔内；
[0040]在空腔上方形成压电结构，压电结构包括上电极、压电层和下电极。
[0041]此外，在提供体波谐振器时，上述制造方法进一步包括:
[0042]提供基底；
[0043]将至少一储能元件的储能部设置于基底上方；
[0044]在至少一储能元件的上方形成隔膜层；
[0045]在隔膜层上方形成压电结构，压电结构包括上电极、压电层和下电极。
[0046]优选地,上述储能元件包括电容和/或电感。
[0047]本发明通过将储能元件集成到体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内，从而有效缩小储能元件和体波谐振器的集成空间，利于进一步缩减体波滤波器芯片的尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1是现有技术中体波谐振器的示意图；
[0049]图2是现有技术中具有电感的滤波器结构的示意图；
[0050]图3a是根据本发明实施例的体波谐振器的俯视图；
[0051]图3b是图3a所示的体波谐振器的空腔内结构的俯视图；
[0052]图3c是沿图3a所示的体波谐振器中A-A方向的截面图；
[0053]图4a至图4j是根据本发明的一实施例的片上集成型体波谐振器的制造方法的示意图；
[0054]图5是根据本发明的又一实施例的体波谐振器的示意图；
[0055]图6a是根据本发明的一实施例的集成了蛇形电感结构的体波谐振器空腔内结构的俯视图；
[0056]图6b是图6a所示体波谐振器的截面图；
[0057]图7是本发明的又一实施例集成了电容的示意图；
[0058]图8a是根据本发明的又一实施例的集成了电感的体波谐振器的示意图；
[0059]图8b是图8a所示体波谐振器中A-A方向的截面图；
[0060]图9是根据本发明的再一实施例的体波谐振器的截面图；
[0061]图1Oa至图1Oe是根据本发明的一实施例的片上集成型体波谐振器的制造方法的示意图；
[0062]图11是根据本发明的又一实施例集成了电感的体波谐振器的示意图；
[0063]图12是根据本发明的又一实施例的集成了电容的体波谐振器的示意图。
【具体实施方式】
[0064]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]根据本发明的实施例，提供了 一种片上集成型体波谐振器。
[0066]根据本发明实施例的体波谐振器可以包括:
[0067]体波谐振器；
[0068]至少一储能元件，其中，储能元件可以包括电容和/或电感或者其它用于体波谐振器的储能元件，至少一储能元件的至少部分位于体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内，优选地，至少一储能元件的至少部分位于空腔内。通过将储能元件集成到体波谐振器中，能够有效缩小储能元件和体波谐振器的集成空间，利于进一步缩减体波滤波器芯片的尺寸。
[0069]其中，上述储能元件包括储能部和电极部。并且，根据本发明实施例的体波谐振器包括空腔，至少一储能元件的储能部位于空腔内。
[0070]此外，根据本发明实施例的体波谐振器进一步包括:
[0071]第一电极；
[0072]第二电极，位于第一电极下方，并且与第一电极电隔离；
[0073]基底，位于第二电极下方，空腔由基底的下凹表面形成，并且，至少一储能元件的至少部分位于空腔内。
[0074]根据本发明的一个实施例，可以提供一种片上集成型体波谐振器。如图3a_3c所示，分别为根据本发明实施例的体波谐振器的俯视图、体波谐振器的空腔内结构的俯视图以及体波谐振器沿图3a中A-A方向的截面图，在图3a_3c所示的实施例中，空腔位于基底内。根据本发明实施例的体波谐振器包括基底110、空腔120、金属层130、电感的螺旋区域131、电感的金属电极132、绝缘层140、底部电极150、压电层160、顶部电极170。其中，电感为文中所说的储能元件，电感的金属层130起支撑螺旋区域131和电连接作用，螺旋区域131为储能部，金属电极132为电极部。
[0075]如图3a所示，空腔120形成于基底110内，底部电极150覆盖空腔120，金属电极132用于连接空腔120内电感的螺旋区域131，绝缘层140位于底部电极150与电感的金属电极132之间,压电层160位于底部电极150上,顶部电极170位于压电层160上。
[0076]如图3b所示，电感的螺旋区域131悬浮在空腔120中，金属层130位于电感的螺旋区域131下方，用于从螺旋电感的中心引出电学连接同时对螺旋电感起一定支撑作用。
[0077]如图3c所示，电感的螺旋区域131悬浮在空腔中。金属层130位于电感的螺旋区域131下方，用于从螺旋电感的中心引出电学连接同时对螺旋电感起一定支撑作用。绝缘层140用于隔离电感的金属电极132与谐振器的底部电极150。
[0078]根据本发明的再一个实施例，可以提供一种体波谐振器，包括:
[0079]电极；
[0080]基底，位于电极下方；
[0081]至少一储能元件的储能部位于电极的上方。
[0082]其中，在本文所述的实施例中，均可以在至少一储能元件的下方至少部分填充有绝缘材料(可以起到结构上的支撑作用)或者存在间隙。[0083]此外，在本文所述的实施例中，均可以在体波谐振器的导电部与至少一储能元件之间存在间隙和/或绝缘材料，可以使储能元件与体波谐振器的导电部电隔离。
[0084]根据本发明的实施例，提供了一种片上集成型体波谐振器的制造方法。
[0085]根据本发明实施例的制造方法包括:
[0086]提供体波谐振器；
[0087]将至少一储能元件的至少部分设置于体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内，其中，储能元件包括储能部和电极部，可选地，储能元件包括电容和/或电感。
[0088]优选地，在体波谐振器中形成空腔，并且将至少一储能元件的储能部设置于空腔内；
[0089]在空腔上方形成压电结构，压电结构包括上电极、压电层和下电极。
[0090]此外，在提供体波谐振器时，根据本发明实施例的制造方法进一步包括:
[0091]提供基底；
[0092]将至少一储能元件的储能部设置于基底上方；
[0093]在至少一储能元件的上方形成隔膜层；
[0094]在隔膜层上方形成压电结构，压电结构包括上电极、压电层和下电极。
[0095]在上述实施例中将至少一储能元件的储能部设置于基底和电极之间，此外，也可以在顶部电极之上形成储能元件。即，还可以将电感或者电容布置在体波谐振器的上方，同样可以达到减小芯片面积的作用。
[0096]根据本发明的一个实施例，图4a_图4j所示的加工流程图，提供了一种片上集成型体波谐振器的制造方法，在该实施例中，空腔形成于基底内。
[0097]如图4a所示，通过干法刻蚀，在硅衬底110上形成凹陷的空腔结构，然后通过溅射或物理气相沉积等方法在硅衬底上沉积金属层，为了形成从空腔内向空腔外引出的金属电极，要求金属对空腔侧壁有良好的覆盖。紧接着通过光刻构图金属层形成电感下方的金属电极130。
[0098]如图4b所示，通过化学气相沉积等方法在硅衬底110和金属电极130上方覆盖牺牲层材料180，并刻蚀出用于电感中心与金属电极130连接的通孔a。
[0099]如图4c所示，沉积用于形成电感的金属材料，并构图形成图3c所示的体波谐振器中的平面螺旋电感131，由于需要形成从空腔内向空腔外引出的金属电极，同样要求金属对侧壁有良好的覆盖。
[0100]如图4d所示，通过化学气相沉积等方法沉积牺牲层材料180，使牺牲层材料180覆
盖空腔及空腔外的区域并达到一定厚度。
[0101]如图4e所示，利用化学机械研磨抛光牺牲层，并露出空腔外的衬底110，并形成平坦光滑的表面。
[0102]如图4f所示，沉积金属层并构图金属电极，使得金属电极分别与空腔中电感的两个电学端相连接，形成用于连接电感的金属外部电极132。
[0103]如图4g所示，沉积绝缘层140，并且再次进行化学机械研磨以形成平坦光滑的表面，其中，绝缘层完全覆盖金属外部电极。
[0104]如图4h所示，在绝缘层上沉积金属材料，并合理构图形成压电体波谐振器的底部电极150。[0105]如图4i所示，沉积压电薄膜(具有良好晶向性)以形成压电层160，然后在压电薄膜上沉积金属并合理构图形成谐振器的顶部电极170。
[0106]如图4j所示，选择性刻蚀压电层以及绝缘层以露出金属电极以便提供方便自由的电学连接。然后，利用对牺牲层刻蚀选择性较高的溶液去除牺牲层，使得底电极底部形成空腔，并且使得电感的螺旋形区域悬浮在空气中，为简单起见图4j中未示出用于将牺牲层去除溶液引入空腔的通道。
[0107]此外，可以在储能元件的下方至少部分填充有绝缘材料(可以起到结构上的支撑作用)或者形成间隙。
[0108]如图5所示，是根据本发明的又一个实施例，在对电感Q值要求不高的情况下，将图4b中沉积的牺牲层材料改换成拥有较小电学损耗角的电介质材料190，使得电感不再悬浮在空气中，从而使得电感可以拥有更好的机械稳定性。
[0109]本发明的技术方案中，螺旋电感平面形状可以不局限于正方形，还可以是圆形、八边形等多种形状。另外，如图6a所示，为集成了蛇形电感结构的体波谐振器空腔内结构的俯视图，电感可以为蛇形。由于蛇形电感的电学端分别在电感线两端，不需要像螺线电感一样从中间引出电学连接，因此，由图6b所示的体波谐振器的截面图可知，可以在制作流程中，只进行一次电感金属层构图即可形成储能元件，简化了工艺流程。
[0110]根据本发明的又一个实施例，如图7所示，可以使用类似于图4a_图4j所示的工艺流程在空腔底部集成电容。图7中所示的体波谐振器与图3c所示类似，除了图7中所示的体波谐振器中的储能元件为电容。通过控制金属电极231和232的面积，沉积具有适当厚度及介电常数的电介质220，可以在电极231和232之间形成一定大小的电容。
[0111]如图8a所示，为根据本发明的再一个实施例的片上集成型体波谐振器的俯视图，与图3c所示的谐振器的类似，除了图8a的波谐振器省略了图3c中的绝缘层140，通过合理构图谐振器底部电极340的形状，使底部电极340绕开电感电极332。图Sb是沿图8a所示的A-A方向取的截面图，可以看出谐振器底部电极340与电感电极332之间留有空隙380，使得去除牺牲层的溶液可以由空隙380进入空腔，简化了制作工艺。
[0112]根据本发明的又一个实施例，可以提供一种体波谐振器，包括:
[0113]电极；
[0114]基底，位于电极下方，至少一储能元件的储能部位于基底和电极之间。在该实施例中，基底中不存在空腔，而在基底上方形成容纳储能元件的空腔。
[0115]如图9所示，为根据本发明实施例的一种空腔位于基底上方的体波谐振器的截面图。该体波谐振器包括基底410、电感金属电极420、金属电感421、金属电感的另外一端金属电极422、空腔430、绝缘层440、压电谐振器的底部电极450、压电层460以及顶部电极470。其中，电感金属电极420用于从电感中心引出电学连接，金属电感421悬浮在空腔430中。
[0116]如图1Oa至图1Oe所示，简单地示出了如图8a所示的谐振器的制作过程。
[0117]如图1Oa所示，提供衬底410，在衬底410上沉积并构图金属电极420，然后沉积并构图牺牲层480，使得金属电极的一部分露出以便于与之后构图的金属螺线电感中心相连接。
[0118]如图1Ob所示，先构图金属螺旋电感421，并使得螺旋电感中心与金属电极420相连，然后沉积牺牲层480将表面覆盖。
[0119]如图1Oc所示，通过化学机械研磨平坦化牺牲层的表面，然后通过刻蚀形成凸起的牺牲层台阶。
[0120]如图1Od所示，沉积隔膜层440以作为支撑层，然后在隔膜层440上沉积并构图谐振器的底部电极450。
[0121]如图1Oe所示，沉积压电层，沉积并构图顶部电极470，最后刻蚀压电层460和隔膜层以露出金属电感的连接电极420和421，最后利用对牺牲层刻蚀选择性较高的溶液去除牺牲层，使得底电极下方形成空腔，并且使得电感的螺旋形区域悬浮在空气中，为简单起见图中并没有画出用于将牺牲层去除溶液引入空腔的通道。
[0122]如图11所示，为根据本发明的另一个实施例的体波谐振器的截面图。在对电感Q值要求不高的情况下，将图1Ob中沉积的牺牲层材料改换成拥有较小电学损耗角的电介质材料490，可以使电感不再悬浮在空气中，从而拥有更好的机械稳定性。
[0123]根据本发明实施例的体波谐振器中的螺旋电感平面形状不局限于正方形，还可以是圆形、八边形等其它形状。另外，在实施例中的电感还可以是蛇形的，由于蛇形电感的电学端分别在电感线两端，不需要像螺线电感一样从中间引出电学连接，可以只进行一次电感金属层的构图，能够简化工艺流程。
[0124]如图12所示，为根据本发明的另一个实施例的体波谐振器，可以参考图1Oa-图1Oj所示的工艺流程形成，即可以用类似的加工方法可以在空腔中集成电容。
[0125]此外，本发明的技术方案并不局限于谐振器底部空腔或其它位置只有一个电容或电感的情况，还可以是多个电容、多个电感或它们的组合。
[0126]本文中描述的基底可以由硅、锗、砷化镓、氮化镓、蓝宝石等或他们的组合构成，但并不局限于以上材料。顶部电极和底部电极可以由金(Au)、钨(W)、钥(Mo)、钼(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)等类似金属形成。压电层可以为氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、错钛酸铅(PZT)、银酸锂(LiNbO3)、石英(quartz)、银酸钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料形成，但不局限于以上材料。
[0127]本文中描述的金属电感可以由铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)、钨(W)、钥(Mo)等材料构成，但不局限与以上材料。
[0128]本文中描述的绝缘层可以由二氧化硅(Si02)、聚合物(Polymer)、氮化硅(SiN)等材料构成，但不局限于以上材料。
[0129]本文中描述的介电层可以为:二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)等材料，但不局限于以上材料。
[0130]本文中描述的隔膜层材料可以为:二氧化硅(SiO2),聚合物(Polymer)，氮化硅(SiN)等材料构成，但不局限于以上材料。
[0131]综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过在芯片晶圆制作过程中在薄膜体波谐振器的底部空腔或其它结构内集成电感及电容等储能元件，由此将电感或电容等储能元件与薄膜体波谐振器在基底厚度方向上垂直布置，从而减小了芯片面积，最终减小芯片的尺寸。
[0132]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种片上集成型体波谐振器，其特征在于，包括: 所述体波谐振器； 至少一储能元件，其中，所述至少一储能元件的至少部分位于所述体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内。
2.根据权利要求1所述的体波谐振器，其特征在于，储能元件包括储能部和电极部。
3.根据权利要求2所述的体波谐振器，其特征在于，所述体波谐振器包括空腔，所述至少一储能元件的储能部位于所述空腔内。
4.根据权利要求3所述的体波谐振器，其特征在于，所述体波谐振器进一步包括: 第一电极； 第二电极，位于所述第一电极下方，并且与所述第一电极电隔离； 基底，位于所述第二电极下方，所述空腔由所述基底的下凹表面形成。
5.根据权利要求2所述的体波谐振器，其特征在于，所述体波谐振器进一步包括: 电极； 基底，位于所述电极下方，所述至少一储能元件的储能部位于所述基底和所述电极之间。
6.根据权利要求2所述的体波谐振器，其特征在于，所述体波谐振器进一步包括: 电极； 基底，位于所述电极下方； 所述至少一储能元件的储能部位于所述电极的上方。
7.根据权利要求1-6中任一所述的体波谐振器，其特征在于，在所述至少一储能元件的下方至少部分填充有绝缘材料或者存在间隙。
8.根据权利要求2-6中任一所述的体波谐振器，其特征在于，所述体波谐振器的导电部与所述至少一储能元件之间存在间隙和/或绝缘材料。
9.根据权利要求1-6中任一所述的体波谐振器，其特征在于，储能元件包括电容和/或电感。
10.一种片上集成型体波谐振器的制造方法，其特征在于，包括: 提供所述体波谐振器； 将至少一储能元件的至少部分设置于所述体波谐振器在垂直方向的投影区域范围内。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，储能元件包括储能部和电极部。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在所述体波谐振器中形成空腔，并且将所述至少一储能元件的储能部设置于所述空腔内； 在所述空腔上方形成压电结构，所述压电结构包括上电极、压电层和下电极。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在提供所述体波谐振器时，所述制造方法进一步包括: 提供基底； 将所述至少一储能元件的储能部设置于所述基底上方； 在所述至少一储能元件的上方形成隔膜层； 在所述隔膜层上方形成压电结构，所述压电结构包括上电极、压电层和下电极。
14.根据权利要求10-13中任一所述的体波谐振器，其特征在于，储能元件包括电容和/或电感。
【文档编号】H03H9/15GK103560763SQ201310555021
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】庞慰, 江源, 张代化, 张 浩 申请人:诺思（天津）微系统有限公司