一种体声波谐振器装置及其制造方法与流程

1.本发明属于半导体及微电子技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器装置及其制造方法。


背景技术：

2.体声波谐振器的典型结构为三明治结构，中间为压电层，压电层上下两侧均为电极层，三明治上下两侧均需要反射空气腔将声波限制在三明治内，从而提升谐振器q值，而下侧空气腔制作过程是先将空气腔填充牺牲层，再通过释放孔将牺牲层蚀刻掉，从而形成空气腔，这种方法时常出现空气腔刻蚀不干净，或过度刻蚀，且刻蚀的界面不平整，导致q值降低或性能异常，最终导致良率降低，成本增加。现有技术除了采用蚀刻的办法形成下侧空气腔导致成本增加外，上电极上也经常采用键合一层硅来保护芯片表面，这也会增加成本。本发明采用新的反射空气腔制造方法以及新的保护芯片表面的方法，从而提升q值降低成本。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种体声波谐振器装置及其制造方法，解决了体声波谐振器q值低和成本过高的问题。
4.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
5.本方案提供了一种体声波谐振器装置，包括上电极、压电层、下电极、空气腔、第一支撑层、第二支撑层、硅衬底盖、保护层、金属球、基板、第一金属孔以及第二金属孔；
6.所述上电极上沉积压电层，所述压电层上沉积下电极，所述下电极上依次沉积第一支撑层和第二支撑层，所述硅衬底盖盖于第二支撑层上形成空气腔，所述上电极上沉积保护层，所述保护层通过金属球与基板连接，且部分金属球通过贯穿第一金属孔与下电极连接，部分金属球通过贯穿第二金属孔与上电极连接，所述下电极上设置了凹凸台；
7.所述下电极、第一支撑层、第二支撑层以及硅衬底盖合围的区域为下电极一侧的反射空气腔；所述保护层、金属球和基板合围的区域为谐振器上方的反射空气腔。
8.本发明的有益效果是：本发明基于上述结构，在下电极一侧反射空气腔的形成方式为：在下电极上沉积第一支撑层和第二支撑层，再将平整的硅衬底盖在第二支撑层上，下电极、第一支撑层、第二支撑层和硅衬底三者合围的区域为下电极一侧反射空气腔，这种形成方式相比采用释放孔来刻蚀牺牲层形成反射空气腔的方式的优点在于，可以解决在刻蚀空腔过程中出现的刻蚀过度或不足导致的谐振器q值降低或异常的问题；同时，本发明基于上述结构在上电极保护层上通过金属球直接与具有电气特性基板相连，保护层、金属球和基板三者合围的区域为上方反射空气腔，相比现有技术，省去了保护帽，解决了成本过高的问题。
9.进一步地，所述下电极在谐振器的外围一圈设置有凸台，所述凸台的厚度为500-2500um，所述凸台的宽度为0-10um；所述下电极在谐振器紧邻凸台的内圈设置有凹槽，所述
凹槽的深度为20-300um，所述凹槽的宽度为0-10um。
10.上述进一步方案的有益效果是：本发明通过设置凹凸台，为将声波束缚在谐振器的纵向方向上，减小横向波，从而提升谐振器的q值。
11.再进一步地，所述上电极、下电极、金属球、第一金属孔以及第二金属孔均采用的材料为金属钼、铜、钨、金、钌和/或锡中至少一种，所述压电层采用的材料为aln、scaln、zno和/或pzt中至少一种，所述第一支撑层为sin材料，所述第二支撑层为sio2材料，所述保护层为aln或sin材料，所述基板为多层树脂载板或陶瓷载板。
12.本发明还提供了一种体声波谐振器装置的制造方法，所述制造方法包括：
13.s1、准备临时硅衬底，并在临时硅衬底上沉积种子层；
14.s2、在种子层上沉积上电极；
15.s3、在上电极上沉积压电层；
16.s4、在压电层上沉积下电极；
17.s5、在下电极上沉积第一支撑层；
18.s6、在下电极上沉积第二支撑层；
19.s7、将第一支撑层与第二支撑层进行刻蚀；
20.s8、将下电极刻蚀出谐振器厚度；
21.s9、将下电极刻蚀出凹槽；
22.s10、继续刻蚀下电极，分开不同的谐振器；
23.s11、在第二支撑层上键合硅衬底盖，形成空气腔；
24.s12、将步骤s11制作成的结构上下翻转，将硅衬底盖及种子层刻蚀掉，露出上电极；
25.s13、将上电极刻蚀出所需图形；
26.s14、在上电极上沉积保护层；
27.s15、刻蚀第一金属孔和第二金属孔，且第一金属孔与上电极连接，所述第一金属孔与下电极连接；
28.s16、在刻蚀的孔中填充导电材料，并在保护层表面沉积pad；
29.s17、在pad植金属球，并与基板键合，形成体声波谐振器。
30.本发明的有益效果：本发明是在临时硅衬底上依次沉积种子层、上电极、压电层、下电极以及两层支撑层，将多余的支撑层刻蚀掉，再刻蚀下电极层，再在支撑层上加硅盖，形成底部空气反射腔；再将临时硅衬底及种子层刻蚀掉，露出上电极后再进行刻蚀，再沉积保护层，然后继续刻蚀连接孔，将孔填充金属材料后植球，最终与基板再进行键合，本发明不采用释放孔及保护帽，采用新的反射空气腔制造方法以及新的保护芯片表面的方法，以提升q值和降低成本。
附图说明
31.图1为现有技术中的体声波谐振器俯视图。
32.图2为现有技术中体声波谐振器的侧示图。
33.图3为图2中虚线部分的局部放大图。
34.图4为本发明的体声波谐振器侧视框图。
35.图5为图4中虚线部分的局部放大图。
36.图6为本发明的方法流程图。
37.图7为本实施例中硅衬底示意图。
38.图8为本实施例中硅衬底上沉积种子层示意图。
39.图9为本实施例中种子层上沉积上电极示意图。
40.图10为本实施例中上电极上沉积压电层示意图。
41.图11为本实施例中压电层上沉积下电极示意图。
42.图12为本实施例中下电极沉积第二支撑层示意图。
43.图13为本实施例中下电极沉积第一支撑层示意图。
44.图14为本实施例中第一支撑层与第二支撑层进行刻蚀的示意图。
45.图15为本实施例中在下电极刻蚀出所谐振器厚度的示意图。
46.图16为本实施例中在下电极刻蚀出凹槽的示意图。
47.图17为本实施例中刻蚀下电极分开不同的谐振器的示意图。
48.图18为本实施例中形成的空气腔示意图。
49.图19为本实施例中露出上极电示意图。
50.图20为本实施例上电极刻蚀出所需图形的示意图。
51.图21为本实施例中在上电极上沉积保护层示意图。
52.图22为本实施例中蚀刻出第一金属孔和第二金属孔示意图。
53.图23为本实施例中在保护层表面沉积连接pad示意图。
54.图24为本实施例中植入金属球示意图。
55.图25为本实施例中形成完整的体声波谐振器示意图。
56.其中，1-上电极，2-压电层，3-下电极，4-空气腔，5-第一支撑层，6-第二支撑层，7-硅衬底盖，8-保护层，9-金属球，10-基板，11-第一金属孔，12-第二金属孔，13-种子层，14-释放孔，15-反射空气腔，16-连接通孔，17-金属孔，18-保护帽，19-临时硅衬底。
具体实施方式
57.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
58.实施例1
59.如图1所示，图1为现有技术一个体声波谐振器俯视图的实施例，其中，1为上电极，3为下电极，上下电极间有压电层2，图中为简洁没有示意出来，14为释放孔，通过释放孔将填充在硅衬底反射空气腔中的牺牲层蚀刻掉，从而形成反射空气腔，图中ab表示ab虚线，图2为沿ab虚线切开后的侧视图。
60.图2是现有技术体声波谐振器的侧示图。图中7为硅衬底盖，硅衬底盖7的上表面反射空气腔15中沉积牺牲层，13为种子层，sio2，2为压电层，材料为钼等金属，1为上电极钼，8为保护层。其中的保护层需要通过释放孔14蚀刻掉从而形成反射空气腔15(释放孔14贯穿不限于保护层)，但是这种方法会过度蚀刻或蚀刻不足，导致谐振器的q值降低，良率降低，
成本增加。17为刻蚀后填充的金或铜连接金属孔，根据需要连接到下电极或上电极。至此体声波谐振器裸芯片便制作完成。接下来是将填充有金或铜等金属孔17的保护帽18倒扣在谐振器上，一方面是保护谐振器表面，一方面是形成谐振器上侧反射空气腔。再将基板10通过金属球9连接在一起，此时裸芯片、保护帽18和基板10三部分才形成一个完整的体声波滤波器芯片。
61.图3为图2中虚线框的局部放大图，其中，反射空气腔15、上电极1、下电极3重合的部分才为体声波谐振器的有效区域。
62.本实施例中，如图4所示，本发明提供了一种体声波谐振器装置，包括上电极1、压电层2、下电极3、空气腔4、第一支撑层5、第二支撑层6、硅衬底盖7、保护层8、金属球9、基板10、第一金属孔11以及第二金属孔12；
63.所述上电极1上沉积压电层2，所述压电层2上沉积下电极3，所述下电极3上依次沉积第一支撑层5和第二支撑层6，所述硅衬底盖7盖于第二支撑层6上形成空气腔4，所述上电极1上沉积保护层8，所述保护层8通过金属球9与基板10连接，且部分金属球9通过贯穿第一金属孔11与下电极3连接，部分金属球9通过贯穿第二金属孔12与上电极1连接，所述下电极3上设置了凹凸台；所述下电极3、第一支撑层5、第二支撑层6以及硅衬底盖7合围的区域为下电极3一侧的反射空气腔；所述保护层8、金属球9和基板10合围的区域为谐振器上方的反射空气腔。
64.本实施例中，所述上电极1、下电极3、金属球9、第一金属孔11以及第二金属孔12均采用的材料为金属钼、铜、钨、金、钌和/或锡中至少一种，所述压电层2采用的材料为aln、scaln、zno和/或pzt中至少一种，所述第一支撑层5为sin材料，所述第二支撑层6为sio2材料，所述保护层为aln或sin材料，所述基板10为多层树脂载板或陶瓷载板。
65.本实施例中，如图4所示，图4中，上电极1、压电层2、下电极3(这三种是典型的三明治结构)、空气腔4投影重叠的区域l为谐振器的有效面积，其中电极层材料为钼、铜、钨等金属，压电层2为aln、scaln、pzt等压电材料。本发明的关键点为不采用释放孔，而是在下电极3上依次沉积第一支撑层5和第二支撑层6，第二支撑层6材料为sin，第一支撑层5为sio2。再在第二支撑层6上盖上表面平整的硅衬底盖7(此处膜层是由上往下长膜)，所以不存在刻蚀过度或不足的问题。另一个关键点为并不需要保护帽19，而是在保护层8(材料为aln或sin等)上面直接通过金属球9(材料为金、锡、锡银、铜等金属)与基板10(基板为多层树脂载板或陶瓷载板)相连，部分金属球9通过贯穿的第一金属孔11(材料为金、铜等金属材料)与下电极3相连，部分金属球9通过贯穿的第二金属孔12(材料为金、铜等金属材料)与上电极1相连。保护层8与基板10之间的空气腔4则形成谐振器上方的反射空气腔，减小保护帽直接降低至少10％的成本，其层叠之间的相互关系如图4所示。
66.本实施例中，如图5所示，图5为图4中虚线框的放大图，现有技术是在上电极1表面设置一些凹凸台，本发明是在下电极3设置凹凸台，下电极3的实际厚度为h3，在谐振器的外围一圈设置凸台，凸台的高度为h1，一般为500-2500um厚，凸台的宽度为w1，一般为0-10um，在紧临凸台的内圈设置一圈凹槽，凹槽的深度为h2，一般为20-300um，凹槽的宽度w2一般为0-10um，l表示谐振器的有效面积。
67.本发明基于上述结构，在下电极、第一支撑层、第二支撑层以及硅衬底盖合围的区域为下电极一侧的反射空气腔，相比采用释放孔来刻蚀牺牲层形成反射空气腔的方式的优
点在于，可以解决在刻蚀空腔过程中出现的刻蚀过度或不足导致的谐振器q值降低或异常的问题；同时，本发明基于上述结构在上电极保护层上通过金属球直接与具有电气特性基板相连，保护层、金属球和基板三者合围的区域为谐振器上方反射空气腔，相比现有技术，省去了保护帽，解决了成本过高的问题。
68.实施例2
69.如图6所示，本发明提供了一种体声波谐振器装置的制造方法，所述制造方法如下：
70.s1、如图7-图8所示，准备临时硅衬底19，并在临时硅衬底19上沉积种子层13；
71.s2、如图9所示，在种子层13上沉积上电极1；
72.s3、如图10所示，在上电极1上沉积压电层2；
73.s4、如图11所示，在压电层2上沉积下电极3；
74.s5、如图12所示，在下电极3上沉积第二支撑层6；
75.s6、如图13所示，在下电极3上沉积第一支撑层5；
76.s7、如图14所示，将第一支撑层5与第二支撑层6进行刻蚀；
77.s8、如图15所示，将下电极3刻蚀出谐振器厚度；
78.s9、如图16所示，将下电极3刻蚀出凹槽；
79.s10、如图17所示，继续刻蚀下电极3，分开不同的谐振器；
80.s11、如图18所示，在第二支撑层6上键合硅衬底盖7，形成空气腔4；
81.s12、如图19所示，将步骤s11制作成的结构上下翻转，将硅衬底盖7及种子层13刻蚀掉，露出上电极1；
82.s13、如图20所示，将上电极1刻蚀出所需图形；
83.s14、如图21所示，在上电极1上沉积保护层8；
84.s15、如图22所示，刻蚀第一金属孔11和第二金属孔12，且第二金属孔12与上电极1连接，所述第一金属孔11与下电极3连接；
85.s16、如图23所示，在刻蚀的孔中填充导电材料，并在保护层8表面沉积pad，其中，pad表示为在填充导电材料后，保护层8与导电材料平齐，需要继续在导电材料位置且高于保护层8处沉积导电材料，形状为圆形或方形等，作用是使通孔与金属球相更好的相连；
86.s17、如图24-图25所示，在pad植金属球9，并与基板10键合，形成体声波谐振器。
87.本发明是在临时硅衬底上依次沉积种子层13、上电极1、压电层2、下电极3以及两层支撑层，将多余的支撑层刻蚀掉，再刻蚀下电极3，再在支撑层上加硅衬底盖7，形成底部空气反射腔；再将硅衬底7及种子层13刻蚀掉，露出上电极1后再进行刻蚀，再沉积保护层8，然后继续刻蚀连接通孔16，将连接通孔16填充金属材料后植金属球9，最终与基板10再进行键合，本发明不采用释放孔及保护帽，采用新的反射空气腔制造方法以及新的保护芯片表面的方法，以提升q值降低成本能有效提升了q降低了成本。