一种高可靠性的薄膜体声波谐振器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种薄膜体声波谐振器(FBAR或TFBAR，thin-film bulk acousticresonator)。
【背景技术】
[0002]FBAR是一种半导体器件，主要包括夹在两个电极之中的压电材料，三者构成三明治结构。FBAR常用于制作手机等无线设备中的射频滤波器，所述滤波器由一组FBAR构成，例如采用半梯形(half-ladder)、全梯形(full-ladder)、晶格(lattice)、堆叠(stack)等拓扑结构，用来滤除无用频率同时允许特定频率通过。FBAR还用于制作双工器，以部分取代早期的表面声波(SAW，surface acoustic wave)器件，其优势在于尺寸小、工艺先进、效率提升。此外，FBAR还用于制作微波振荡器、传感器、功率放大器、低噪声放大器等。
[0003]请参阅图1，这是一种现有的FBAR的剖面示意图。在衬底1之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。所述衬底1例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等衬底材料。所述下电极3、上电极5例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、妈、钛、钛妈化合物、钼、铀等金属材料。所述压电层4例如为氧化锌、PZT(Lead zirconatetitanate，错钛酸铅)、氮化招等压电材料。衬底1和下电极3之间具有从衬底1的上表面向下凹陷的空气腔2。
[0004]请参阅图la，这是图1所示的FBAR的部分结构示意性版图。空气腔2(斜线填充)在边缘具有至少一个牺牲层释放通道2a。下电极3(实线，未填充)完整地覆盖在空气腔2之上，除了牺牲层释放通道2a。上电极5 (虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。下电极3与上电极5的重叠区域大部分在空气腔2之上，也有小部分落在空气腔2之外。
[0005]请参阅图lb，图1所示的FBAR的制造方法包括如下步骤:
[0006]步骤S101，在衬底1的表面刻蚀出一个凹坑，例如采用光刻和刻蚀工艺。凹坑的形状就是空气腔2及其边缘的牺牲层释放通道2a的总和。
[0007]步骤S102，在衬底1上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满。所述牺牲层例如为氧化硅、铝、镁、锗等。
[0008]步骤S103，采用化学机械研磨(CMP)等平坦化工艺将牺牲层研磨至与衬底1的上表面齐平。
[0009]步骤S104，在衬底1和牺牲层之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成下电极3，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。下电极3大致覆盖空气腔2的位置，但暴露出牺牲层释放通道2a的位置。
[0010]步骤S105，在衬底1、牺牲层和下电极3之上先淀积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层4。压电层4完整覆盖凹坑，但暴露出下电极3的引出端。
[0011 ] 步骤S106，在衬底1、牺牲层、下电极3和压电层4之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成上电极5，例如采用淀积、光刻和刻蚀工艺。
[0012]步骤S107，刻蚀压电层4从而暴露出牺牲层释放通道2a的位置，然后通过该牺牲层释放通道2a去除全部的牺牲层，例如采用光刻、刻蚀、湿法腐蚀工艺。原本被牺牲层占据的部分就成为空气腔2位于衬底1和下电极3之间。
[0013]上述FBAR具有如下缺点:
[0014]其一，下电极3直接与衬底1接触，因此对衬底1的电阻率要求较高。某些材料的衬底1和下电极3之间的接触应力较大，使得下电极3的生长结构差，导致FBAR的性能差。
[0015]其二，下电极3直接置于空气腔2之上，因此下电极3必须完全覆盖住空气腔2的边缘(除牺牲层释放通道2a)。因此下电极3与上电极5的重叠区域有一小部分不在空气腔2之上，这会造成声波的泄露，影响FBAR的品质因数。
[0016]其三，上电极5裸露在空气中，容易氧化、变质等，从而对FBAR的频率等参数造成影响。
[0017]针对现有FBAR的缺点，已有文献公开了一些FBAR的改进方案。
[0018]公开号为CN101217266A、公开日为2008年7月9日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要对空气气隙结构进行了改进。传统的空气气隙结构位于衬底中，其制造工艺是先在衬底上刻蚀凹坑、在凹坑中填充牺牲层、对牺牲层进行化学机械抛光，最后去除牺牲层。该份专利申请的空气气隙结构位于衬底之上，其制造工艺是先在衬底上制备牺牲层并刻蚀出所需形状，然后在衬底和牺牲层上制备向上凸起的薄膜支撑层，最后去除牺牲层。该份专利申请的空气气隙结构位于衬底与薄膜支撑层之间，可以省略刻蚀衬底、化学机械抛光、刻蚀通孔等工艺步骤。
[0019]申请公布号为CN102931941A、申请公布日为2013年2月13日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要是对各层薄膜的材料进行了改进。传统的支撑层通常选用氮化硅，上电极和下电极通常选用铝、铂、钌。该份专利申请则将支撑层改用类金刚石膜(DLC)，将上电极和下电极改用钨。这使得支撑层制作兼容低温CMOS工艺，并具有其他一些有益效果。
[0020]申请公布号为CN104767500A、申请公布日为2015年7月8日的中国发明专利申请公开了一种体声波谐振器，主要对空腔的制造工艺进行了改进。传统的空腔制造工艺是先在衬底上刻蚀凹坑、在凹坑中填充牺牲层、对牺牲层进行化学机械抛光，最后去除牺牲层。该份专利申请采用两片晶圆一一制备衬底和支撑衬底，在制备衬底上生长薄膜结构层，并给出了两个实施例。实施例一是在支撑衬底上刻蚀凹槽，然后将制备衬底以薄膜结构层覆盖在支撑衬底的凹槽上以形成空腔。实施例二是不对支撑衬底进行刻蚀，将制备衬底以薄膜结构层与支撑衬底进行焊接，由凸起的焊接材料形成空腔。这样可以省去化学机械抛光、牺牲层先制备再去除的工艺步骤。
【发明内容】
[0021]由以上各种现有薄膜体声波谐振器可知，主要改进聚焦于简化制造工艺，而对于器件性能和可靠性较少关注。本申请所要解决的技术问题是提供一种高可靠性的薄膜体声波谐振器，同时降低制造成本。
[0022]为解决上述技术问题，本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器之一是在整个衬底之上具有隔离层，衬底和隔离层之间具有从衬底上表面向下凹陷的空气腔；隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。
[0023]本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器之二是在整个衬底之上具有隔离层，隔离层之上分别具有下电极、压电层和上电极；衬底和下电极之间具有从隔离层上表面向下凹陷且穿透隔离层的空气腔；上电极之上具有至少覆盖整个上电极和/或下电极的暴露部分的钝化层。
[0024]本申请高可靠性的薄膜体声波谐振器的制造方法之一包括如下步骤:
[0025]步骤S201，在衬底的表面刻蚀出一个凹坑；
[0026]步骤S202，在衬底上淀积一层牺牲层，至少将所述凹坑填充满；
[0027]步骤S203，将牺牲层研磨至与衬底上表面齐平；
[0028]步骤S204，淀积一层隔离层；
[0029]步骤S205，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成下电极；
[0030]步骤S206，淀积一层压电材料，再将该层压电材料刻蚀成压电层；
[0031]步骤S207，生长一层金属，再将该层金属刻蚀成上电极；
[0032]步骤S208，淀积一层钝化层；
[0033]步骤S209，刻蚀压电层、或者刻蚀钝化层和压电层以暴露出牺牲层