固态装配谐振器的结构及制作工艺的制作技术

图片简介:
本技术介绍了一种固态装配谐振器及制作工艺，该固态装配谐振器包括衬底、形成在衬底上的声波反射层以及形成在声波反射层上的谐振功能层，谐振功能层包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极层，底电极层的周围形成有介质层，并且底电极层与介质层在声波反射层上形成平坦表面，压电层被设置在平坦表面上。

制作工艺上，在绝对平坦的Si衬底上可生长绝对平坦的种子层，可以更好的获得C轴择优取向的压电层AlN薄膜，提高谐振器工作性能；在绝对平坦的种子层上生长压电层，使压电层具有非常平整的表面，保证应力一致性，保证机电耦合系数一致性；移除初始无定形态的压电层AlN，可以使压电层AlN薄膜获得优越的C轴取向，从而获得更好的器件性能和产品良率。

技术要求
1.一种固态装配谐振器，包括衬底、形成在所述衬底上的声波反射层以及形成在所述声波反射层上的谐振功能层，所述谐振功能层包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极
层，其特征在于，所述底电极层的周围形成有介质层，并且所述底电极层与所述介质层
在所述声波反射层上形成平坦表面，所述压电层被设置在所述平坦表面上。

2.根据权利要求1所述的固态装配谐振器，其特征在于，所述声波反射层包括交替层叠的至少两组介质反射层和金属反射层的组合。

3.根据权利要求2所述的固态装配谐振器，其特征在于，所述衬底和所述底电极层靠近所述声波反射层的一侧设置有所述介质反射层。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的固态装配谐振器，其特征在于，所述声波反射层的周围设置有所述介质层。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的固态装配谐振器，其特征在于，所述底电极层和所述顶电极层的材料为Mo、W、Al、Pt或Ru中的一种或多种材料复合而成。

6.一种固态装配谐振器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在第一衬底上制作压电层，然后在所述压电层上制作底电极层；
S2，在所述底电极层上制作声波反射层；
S3，在所述声波反射层上键合第二衬底；
S4，移除所述第一衬底，以暴露所述压电层的背对所述底电极层的背面；以及
S5，在所述压电层的所述背面上制作顶电极层。

7.根据权利要求6所述的制作工艺，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下子步骤：
S21，在之前步骤形成的层上生长介质反射层，并且磨平所述介质反射层；
S22，在所述介质反射层上制作金属反射层；
S23，重复以上步骤S21-S22以形成交错叠加的至少两组的介质反射层和金属反射层的组合来构成所述声波反射层。

8.根据权利要求6所述的制作工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括通过waferbonding工艺在所述声波反射层上键合所述第二衬底。

9.根据权利要求6所述的制作工艺，其特征在于，所述步骤S1还包括在所述第一衬底和所述压电层之间制作种子层。

10.根据权利要求6所述的制作工艺，其特征在于，所述步骤S4具体包括通过研磨、化学机械抛光和trimming工艺去除所述第一衬底，移除所述种子层，并将所述压电层进行减薄。

11.根据权利要求10所述的制作工艺，其特征在于，所述压电层的材料为AlN，所述压电层trimming时将所述压电层中初始无定型态的AlN去掉。

12.根据权利要求9所述的制作工艺，其特征在于，所述种子层包括通过溅镀或沉积形成的两层或多层材料组成。

13.根据权利要求12所述的制作工艺，其特征在于，所述种子层包括靠近所述第一衬底的AlN层和位于所述AlN层上的Mo层。

14.根据权利要求12所述的制作工艺，其特征在于，所述种子层包括靠近所述第一衬底的Cr或Ir，Pt层以及位于所述Cr或Ir，Pt层上的Mo层。

15.根据权利要求12所述的制作工艺，其特征在于，所述种子层包括靠近所述第一衬底的SiC层以及位于所述SiC层上的AlN层。

16.根据权利要求13或15所述的制作工艺，其特征在于，所述AlN层具有C轴取向的(0,0,0,2)晶面。

17.根据权利要求13或14所述的制作工艺，其特征在于，所述Mo层具有(1,1,0)晶面的体心立方结构。

18.根据权利要求6-15中任一项所述的制作工艺，其特征在于，所述底电极层和所述顶电极层为Mo、W、Al、Pt或Ru中的一种或多种材料复合而成。

19.根据权利要求6-15中任一项所述的制作工艺，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底的材料为Si。

技术说明书
一种固态装配谐振器的结构及制作工艺
技术领域
本申请涉及通信器件领域，主要涉及一种固态装配谐振器的结构及制作工艺。

背景技术
随着电磁频谱的日益拥挤、无线通讯设备的频段与功能增多，无线通讯使用的电磁频谱从500MHz到5GHz以上高速增长，也对性能高、成本低、功耗低、体积小的射频前端模块需求日益增长。

滤波器是射频前端模块之一，可改善发射和接收信号，主要由多个谐振器通过拓扑网络结构连接而成。

BAW(Bulk Acoustic Wave)是一种体声波谐振器，由它组成的滤波器具有体积小、集成能力强、高频工作时保证高品质因素Q、功率承受能力强等优势而作为射频前端的核心器件。

SMR(Solidly Mounted Resonator)属BAW器件类型之一，基本结构是由声波反射层、顶电极、底电极和压电层。

声波反射层是由声阻抗不匹配的金属与介质膜层交替堆积而成，各层理论厚度为λ/4。

SMR上底电极施加高频电压时，压电层能实现电能与机械能的转化，此时机械能是以声波的形式存在。

压电层以piston mode(活塞模式)发生振动，纵波在谐振器的有效区域内传播，分别在顶电极与空气界面、底电极与反射层界面发生反射。

有效区域的顶电极、压电层与底电极需具有良好的C轴择优取向，可降低声损耗，促使谐振器在工作频率下维持需要的振动模式。

现有技术中固态装配谐振器的压电层需要经过溅镀、光刻与蚀刻工艺制成，因为底电极边缘会带有一定角度，后续压电层会顺着边缘带有角度的底电极生长与反射层(λ/4layer)接触，使得压电层不平坦，受应力影响难以获得良好C轴取向。

另外蚀刻工艺会导致侧壁易损伤。

本技术旨在设计一种固态装配谐振器结构，获得良好C轴择优取向的压电层、顶电极和底电极，或者平坦的压电层，以获得高性能、高品质因素的固态装配谐振器结构。

技术内容
针对上述提到的固态装配谐振器的压电层容易受应力影响，难以获得良好的C轴择优取向等问题。

本申请提出了一种固态装配谐振器及制作工艺来解决上述存在的问题。

在第一方面，本申请提出了一种固态装配谐振器，包括衬底、形成在衬底上的声波反射层以及形成在声波反射层上的谐振功能层，谐振功能层包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极层，底电极层的周围形成有介质层，并且底电极层与介质层在声波反射层上形成平坦表面，压电层被设置在平坦表面上。

该固态装配谐振器上的压电层具有非常平整的表面，可以保证应力一致性和机电耦合系数一致性。

在一些实施例中，声波反射层包括交替层叠的至少两组介质反射层和金属反射层的组合。

谐振功能层通过压电层实现电能与机械能的转化，机械能以声波的形式存在，声波反射层具有高声阻抗和低声阻抗交替的特点，能够有效反射声波，避免声波能量的损失，使声波在有效谐振区中达到谐振的目的。

在一些实施例中，衬底和底电极层靠近声波反射层的一侧设置有介质反射层。

此时金属反射层夹在介质反射层中间，构成具有良好反射效果的声波反射层。

在一些实施例中，声波反射层的周围设置有介质层。

介质层将底电极层和声波反射层包围起来，用以保护底电极层和声波反射层。

在一些实施例中，底电极层和顶电极层的材料为Mo、W、Al、Pt或Ru中的一种或多种材料复合而成。

在压电层具有平整表面的前提下，底电极层和顶电极层可以选择除Mo以外的其他电极材料，对电极材料的选择限制性比较小，可以扩大电极材料的选择范围，降低成本。

在第二方面，本申请还提出一种固态装配谐振器的制作工艺，包括以下步骤：
S1，在第一衬底上制作压电层，然后在压电层上制作底电极层；
S2，在底电极层上制作声波反射层；
S3，在声波反射层上键合第二衬底；
S4，移除第一衬底，以暴露压电层的背对底电极层的背面；以及
S5，在压电层的背面上制作顶电极层。

在一些实施例中，步骤S2具体包括以下子步骤：
S21，在之前步骤形成的层上生长介质反射层，并且磨平介质反射层；
S22，在介质反射层上制作金属反射层；
S23，重复以上步骤S21-S22以形成交错叠加的至少两组的介质反射层和金属反射层的组合来构成声波反射层。

谐振功能层通过压电层实现电能与机械能的转化，机械能以声波的形式存在。

声波反射层具有高声阻抗和低声阻抗交替的特点，能够有效反射声波，避免声波能量的损失，使声波在有效谐振区中达到谐振的目的。

在一些实施例中，步骤S3具体包括通过wafer bonding工艺在声波反射层上键合第二衬底。

wafer bonding工艺成熟，便于键合第二衬底。

在一些实施例中，步骤S1还包括在第一衬底和压电层之间制作种子层。

种子层的存在有利于形成具有良好C轴择优取向的压电层、顶电极层和底电极层，减小电极材料的选择限制性。

在一些实施例中，步骤S4具体包括通过研磨、化学机械抛光和trimming工艺去除第一衬底，移除种子层，并将压电层进行减薄。

在绝对平坦的种子层上生长压电层，使压电层具有非常平整的表面，去除第一衬底和种子层，并将压电层trimming后获得具有平坦表面的压电层以保证应力一致性。

在一些实施例中，压电层的材料为AlN，压电层trimming时将压电层中初始无定型态的AlN去掉。

此步骤将无定形态压电层AlN去除，使整体的压电层具有更好的C轴取向、更好的压电性，提高谐振器工作性能。

在一些实施例中，种子层包括通过溅镀或沉积形成的两层或多层材料组成。

不同材料制备形成的种子层能够获得具有良好C轴择优取向的压电层，且能够提高电极材料的选择性，可降低生产成本。

在一些实施例中，种子层包括靠近第一衬底的AlN层和位于AlN层上的Mo层。

Mo层可以增强压电层的择优取向程度。

在一些实施例中，种子层包括靠近第一衬底的Cr或Ir，Pt层以及位于Cr或Ir，Pt层上的Mo 层。

Mo为(1,1,0)晶面，可以增强后续膜层的C轴择优取向。

在一些实施例中，种子层包括靠近第一衬底的SiC层以及位于SiC层上的AlN层。

同样AlN 层可以增强后续膜层的C轴择优取向。

在一些实施例中，AlN层具有C轴取向的(0,0,0,2)晶面。

可获得(1,1,0)晶面的Mo层。

在一些实施例中，Mo层具有(1,1,0)晶面的体心立方结构。

(1,1,0)晶面的Mo可以增强压电层AlN的(0,0,0,2)晶面的择优取向程度，可降低声损耗，促使谐振器在工作频率下维持需要的振动模式。

在一些实施例中，底电极层和顶电极层为Mo、W、Al、Pt或Ru中的一种或多种材料复合而成。

在压电层具有平整表面的前提下，底电极层和顶电极层可以选择除Mo以外的其他电极材料，对电极材料的选择限制性比较小，可以扩大电极材料的选择范围，降低成本。

在一些实施例中，第一衬底和第二衬底的材料为Si。

Si衬底便于谐振器的加工制作。

本申请提出了一种固态装配谐振器及制作工艺，包括衬底、形成在衬底上的声波反射层以及形成在声波反射层上的谐振功能层，谐振功能层包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极层，底电极层的周围形成有介质层，并且底电极层与介质层在声波反射层上形成平坦表面，压电层被设置在平坦表面上。

制作工艺上，在绝对平坦的Si衬底上可生长绝对平坦的种子层，可以更好的获得C轴择优取向的压电层AlN薄膜，提高谐振器工作性能；在绝对平坦的种子层上生长压电层，使压电层具有非常平整的表面，保证应力一致性，保证机电耦合系数一致性；移除初始无定形态的压电层AlN，可以使压电层AlN薄膜获得优越的C轴取向，从而获得更好的器件性能和器件产品良率。

另外可以通过trimming(等离子研磨)的技术，移除最初始的无定形态的AlN，可以获得C轴择优取向的AlN压电层，具有更好的压电性能。

附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。

附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本技术的原理。

将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。

附图的元件不一定是相互按照比例的。

同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1示出了根据本技术的实施例的固态装配谐振器的结构示意图；
图2示出了根据本技术的实施例的固态装配谐振器的制作工艺的流程图
图3a-3m示出了根据本技术的实施例的固态装配谐振器的制作工艺的结构示意图；
图4示出了根据本技术的实施例的固态装配谐振器的制作工艺的步骤S2的流程图。

具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关技术，而非对该技术的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关技术相关的部分。

应当注意到，附图中的部件的尺寸以及大小并不是按照比例的，可能会为了明显示出的原因突出显示了某些部件的大小。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本技术提出了一种固态装配谐振器，如图1所示，包括衬底101、形成在衬底101上的声波反射层201以及形成在声波反射层201上的谐振功能层301。

谐振功能层301包括依次层叠的底电极层302、压电层303和顶电极层304。

底电极层302、压电层303和顶电极层304在垂直于衬底101方向上构成有效谐振区域。

谐振功能层301通过压电层303实现电能与机械能的转化，机械能以声波的形式存在。

声波反射层201具有高声阻抗和低声阻抗交替的特点，能够有效反射声波，避免声波能量的损失，使声波在有效谐振区中达到谐振的效果。

底电极层302的周围形成有介质层401，并且压电层303可以具有非常平整的表面。

在具体的实施例中，声波反射层201包括交替层叠的至少两组介质反射层202和金属反射层203的组合。

在优选的实施例中，在至少垂直于底电极层302的投影区域范围内，介质反射层202和金属反射层203的厚度为谐振器纵波波长的1/4。

在此条件下声波反射层201可以构成反射栅，将能量集中在谐振器中，并达到反射声波的效果。

在具体的实施例中，衬底101和底电极层302靠近声波反射层201的一侧设置有介质反射层202，声波反射层201的周围设置有介质层401。

因此金属反射层203被介质反射层202和介质层401所包围，可以保护金属反射层203不被腐蚀，并且介质反射层202和金属反射层203可以构成具有良好反射效果的声波反射层201。

同时底电极层302也被介质反射层202和介质层401所包围，可以保护底电极层302不被腐蚀。

在具体的实施例中，底电极层302和顶电极层304的材料为Mo、W、Al、Pt或Ru中的一种或多种材料复合而成。

在现有技术中，一般通过Mo作为底电极层302，来获取C向的压电层，因此对于底电极层302材料的选择有很大的限制。

本申请的实施例在压电层303具有平整表面的前提下，底电极层302和顶电极层304可以选择除Mo以外的其他电极材料，对电极材料的选择限制性比较小，可以扩大电极材料的选择范围，降低成本。

该固态装配谐振器上的压电层303设置在平坦表面上，因此具有非常平整的压电层303，保证应力一致性，保证机电耦合系数一致性，可以获得更好的器件性能和器件产品良率。

本技术还提出一种固态装配谐振器的制作工艺，如图2所示，包括以下步骤：
S1，在第一衬底上制作压电层，然后在压电层上制作底电极层；
S2，在底电极层上制作声波反射层；
S3，在声波反射层上键合第二衬底；
S4，移除第一衬底，以暴露压电层的背对底电极层的背面；以及
S5，在压电层的背面上制作顶电极层。

接下来通过结构示意图的方法详细描述步骤S1-S5的制作过程。

步骤S1中通过在第一衬底111上制作压电层303，该步骤可以直接完成，或者在第一衬底111上做进一步的处理，以获得具有良好C轴择优取向的压电层303。

在压电层303上制作底电极层302，压电层303不会顺着边缘带有角度的底电极层302生长与声波反射层201接触。

图3a-3m为本申请的实施例的固态装配谐振器的制作工艺的结构示意图，在具体的实施例中，如图3a所示，步骤S1还包括在第一衬底111和压电层303之间制作种子层501。

在优选的实施例中，种子层501由通过溅镀或沉积形成的两层或多层材料组成。

种子层501中第一层材料通过溅镀或沉积的方式在第一衬底111上形成，种子层501中的第二层材料通过溅镀或沉积的方式在第一层材料上形成，以此类推。

第一衬底111的材料为Si，在第一衬底111上通过不同材料制备形成的种子层501能够获得具有良好C轴择优取向的压电层303，且能够提高电极材料的选择性，降低生产成本。

在其中一种实施例中，种子层501包括靠近第一衬底111的AlN 层和位于AlN层上的Mo层。

AlN层的厚度约50nm，AlN为C轴取向的(0,0,0,2)晶面。

Mo层的厚度约50nm，Mo为(1,1,0)晶面的体心立方结构，第一衬底111的材料为Si，AlN种子层的(0,0,0,2)晶面增强了(1,1,0)晶面的Mo的择优取向程度。

在另一种实施例中，种子层501包括靠近第一衬底111的Cr或Ir，Pt层以及位于Cr或Ir，Pt层上的Mo层。

用MOCVD工艺，先在第一衬底111上生长Cr/Ir，Pt层，然后控制温度、压力、气体流量以及气密性等因素获得单晶或多晶Mo层，其中，Mo为(1,1,0)晶面，以此增强后续膜层的C轴择优取向。

在另外一种实施例中，种子层501包括靠近第一衬底111的SiC层以及位于SiC层上的AlN 层。

采用MOCVD工艺，先在第一衬底111生长SiC层，通过控制温度、压力、气体流量以及气密性等因素获得单晶或多晶AlN层，增强后续膜层的C轴择优取向，其中，AlN为(0,0,0,2)晶面。

在具体的实施例中，如图3b所示，在种子层501上溅镀压电层303，其中，压电层303的材料包括AlN，呈(0,0,0,2)晶面择优取向。

在具有平整表面的种子层501上制作压电层303，使得压电层303具有良好的C轴择优取向。

如图3c所示，通过光刻、溅镀和蚀刻工艺在压电层303上制作底电极层302，在优选的实施例中，底电极层302的材料为Mo，也可以是钨，铝，钼，铂，钌等单一或复合的电极。

在现有技术中，一般通过Mo作为底电极层302的材料来获取C向的压电层303，因此对于底电极层302的选择有很大的限制。

在本申请的实施例中，通过复合种子层501上生长AlN压电层303的方法直接实现高度C向的AlN压电层303，因此对于电极材料的选择限制性比较小。

在具体的实施例中，如图4所示，步骤S2具体包括以下子步骤：
S21，在之前步骤形成的层上生长介质反射层，并且磨平介质反射层；
S22，在介质反射层上制作金属反射层；
S23，重复以上步骤S21-S22以形成交错叠加的至少两组的介质反射层和金属反射层的组合来构成声波反射层。

步骤S2是制作声波反射层201的过程，声波反射层201包括交替层叠的至少两组介质反射层202和金属反射层203的组合。

在优选的实施例中，在至少垂直于底电极层302的投影区域范围内，介质反射层202和金属反射层203的厚度为谐振器纵波波长的1/4。

在此条件下声波反射层201可以构成反射栅，将能量集中在谐振器中，并达到反射声波的效果。

在具体的实施例中，如图3d所示，通过CVD工艺生长介质反射层202。

其中，介质反射层202的材料为SiO2，或为SiO2的掺杂材料及其他介质材料，例如SiOF等。

如图3e所示，通过CMP(化学机械抛光)工艺磨平介质反射层202的上表面，其中，底电极层302上剩余的介质反射层202的厚度为谐振器纵波波长λ的1/4倍。

厚度也可以根据介质反射层202和金属反射层203的材料带来的不同效果进行调整。

在具体的实施例中，如图3f所示，通过光刻、溅镀和蚀刻工艺在介质反射层202上制作金属反射层203，其中，金属反射层203的厚度为谐振器纵波波长λ的1/4倍，金属反射层203的材料可以包括钨，铝，钼，铂，钌等。

在具体的实施例中，如图3g-3j所示，通过重复步骤S21-S22以制作出由多组介质反射层202和金属反射层203构成的声波反射层201。

在声波反射层201。

声波反射层201可以有效反射声波，使谐振功能层达到谐振的效果。

在具体的实施例中，如图3k所示，步骤S3具体包括通过wafer bonding工艺在声波反射层201上键合第二衬底112。

其中，第二衬底112的材料包括Si，第二衬底112可以通过蒸金处理，wafer蒸金是为了保证键合后的结合力。

wafer bonding工艺是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。

wafer bonding工艺广泛应用于半导体器件制备过程中，wafer bonding工艺技术成熟。

键合后的第二衬底112将保留在器件上，作为基底或支撑作用。

在具体的实施例中，如图3l所示，步骤S4具体包括通过研磨、化学机械抛光和trimming工艺去除第一衬底111，移除种子层501，并且通过trimming工艺将压电层303进行减薄，在优选的实施例中，压电层的材料为AlN，压电层trimming时将压电层303中初始无定型态的AlN去掉。

优选的，压电层303可以减薄30-50nm的厚度。

种子层501的存在有利于压电层303形成具有良好C轴择优取向的压电层303、底电极层302和顶电极层304，减小电极材料的选择限制性，并且将压电层303上的30-50nm的无定形态AlN去除，使压电层更多地保持在(0,0,0,2)的晶面取向，使器件具有更好的压电性，提高谐振器工作性能。

在底电极层302上生长AlN压电层303时(比如1000nm厚)，最初始的30-50nm是无定形态的AlN，这种无定形态的AlN会影响压电层的性能，因此可以通过trimming工艺将最初始的30-50nm无定形态的AlN移除，最终获得优异的C轴取向的AlN压电层，使固态装配谐振器具有更好的压电性能。