基于絕緣體硅基片的薄膜體聲波諧振器及通信器件的制作方法

本實用新型涉及一種無線通信射頻前端器件，特別是薄膜體聲波諧振器(FBAR)。

背景技術：

進入二十一世紀以來，消費類電子產品和個人通訊系統市場的快速擴張，引起了對無線通信系統(如掌上電腦、手機、導航系統、衛星通信以及各種數據通信)的極大需求。特別是近兩年以來，隨著第三代和第四代通訊標準的發布，個人無線通訊系統的發展趨向于將越來越多的功能模塊集成到無線終端中。現在的手機不僅需要有基本的通話和短信功能，還需要有GPS導航、網頁瀏覽、視頻音頻播放、照相和實況電視接收等功能。此外，由于歷史和地區等原因造成各種無線通信標準的存在，使得采用新標準的手機中需要集成多種模式、多個頻段以方便實現跨地區和國家之間的漫游。以上種種，使得無線通信的發展向著增加功能模塊、縮小系統尺寸、降低成本和功耗的方向發展。因此，制備高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射頻系統就成為研究的一個熱點。

在過去的幾年中，隨著射頻集成電路(RFIC)技術的迅速發展，一些以前用于通訊系統中的分立元器件，如低噪聲放大器(LNA)和中頻濾波器(IF)等，已經可以采用射頻集成電路的方式實現；但是另一些元器件，如低相噪的射頻振蕩器(RF Oscillator)和射頻前端濾波器(RF Filter)等，卻仍然難以采用射頻集成電路的方式實現。另一方面，隨著MEMS技術的發展，一些采用MEMS技術制備的射頻元器件，如射頻開關(RF Switch)、射頻電感(RF Inductor)和射頻諧振器(RF Resonator)等，由于其具有的優良性能而獲得廣泛的研究和應用。薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator， FBAR)是最近幾年來研究很熱的一種采用MEMS技術實現的射頻諧振器。它是制作在硅或砷化鎵基片上，主要由金屬電極/壓電薄膜/金屬電極構成的一種器件。在某些特定的頻率下，FBAR器件表現出如石英晶體諧振器一樣的諧振特性，因此可被搭建成振蕩器或濾波器應用于現代通訊系統中。相對于傳統用來構成帶通濾波器及微波振蕩源的LC振蕩器、陶瓷介質諧振器及聲表面波(SAW)器件而言，薄膜體聲波諧振器器件除了具有小尺寸、低功耗、低插入損耗以及高工作頻率(0.5GHz－10GHz)的優點之外，更重要的是它的制備工藝可以與CMOS工藝兼容，因此可與外圍電路構成單芯片系統，極大地減小系統的尺寸和功耗。

基于FBAR器件的射頻振蕩器主要具有低功耗小體積并可與標準CMOS工藝兼容的特點，可實現系統的單芯片集成。隨著對薄膜體聲波諧振器器件頻率溫度系數的改進，這類振蕩器在需要低功耗小體積的射頻通訊系統中有極大用武之地。

薄膜體聲波諧振器器件的制備工藝相對于其他MEMS器件而言并不復雜，目前制備薄膜體聲波諧振器主要通過犧牲層表面工藝或背部刻蝕工藝來完成。犧牲層表面工藝主要利用磷酸硅玻璃或二氧化硅等材料作為填充犧牲層，將壓電薄膜換能器堆疊結構沉積在它的表面。工藝的后期將犧牲層去除從而達到形成空腔的目的。犧牲層表面工藝主要的問題是犧牲層不能徹底清除，會造成一定程度的粘連，從而影響器件的性能。而背部刻蝕工藝主要是通過在晶圓背面進行體硅刻蝕，從而使正面形成的壓電薄膜換能器堆疊結構的背面處于空腔環境。背面刻蝕工藝的主要問題是需要一層二氧化硅加一層氮化硅薄膜作為壓電薄膜換能器堆疊結構的支撐層，使得器件在工藝生產中避免刻蝕業的侵蝕。然而這樣的設計極容易產生較大的應力，器件容易出現褶皺和破裂，會極大影響器件的性能。不解決殘余應力的問題，就無法制備出高性能的FBAR器件。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術中所形成的結構用犧牲層形成的空腔方案中釋放困難，以及背部刻蝕造成的器件應力集中等問題，本實用新型提出一種基于帶空腔的絕緣體硅襯底的薄膜體聲波諧振器(FBAR)。由于利用絕緣體硅基片與壓電薄膜換能器堆疊結構鍵合形成封閉的空腔，從而避免了上述技術問題。另外，由于預制的空腔寬度大于壓電薄膜換能器堆疊結構的水平寬度，該設計亦能對薄膜體聲波諧振器的橫向雜波有很好的抑制作用，從而提高器件性能。

具體地，本實用新型所提出的方案如下：

一種基于絕緣體硅基片的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：

所述諧振器包括帶空腔的絕緣體硅基片和壓電薄膜換能器堆疊結構；所述壓電薄膜換能器堆疊結構包括頂電極、壓電材料和底電極，其中頂電極、壓電材料、底電極依次堆疊，所述壓電薄膜換能器堆疊結構置于所述絕緣體硅基片的空腔中，所述壓電薄膜換能器與絕緣體硅基片之間還包括鍵合層；所述壓電薄膜換能器堆疊結構和絕緣體硅基片共同形成封閉空腔結構。

進一步地，所述頂電極、所述底電極的引出部分位于同一平面上。

進一步地，所述頂電極、所述底電極包括鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合。

進一步地，所述壓電材料包括氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNbO₃)、鉭酸鋰(LiTaO₃)之一或者組合。

進一步地，所述空腔的寬度大于所述壓電薄膜換能器堆疊結構的水平寬度。

進一步地，所述鍵合層包括金屬層。

本實用新型還提出一種通信器件，包括本實用新型所提出的薄膜體聲波諧振器。

附圖說明

圖1是本實用新型其中一實施例的薄膜體聲波諧振器(FBAR)的結構示意圖；

圖2是本實用新型其中一實施例的壓電薄膜換能器堆疊結構示意圖；

圖3是本實用新型其中一實施例的帶空腔的絕緣體硅基片的示意圖；

圖4是本實用新型其中一實施例的壓電薄膜換能器堆疊結構和帶空腔的絕緣體硅基片鍵合的示意圖；

圖5是本實用新型其中一實施例鍵合后襯底剝離的示意圖。

具體實施方式

實施例1

本實用新型提出了一種薄膜體聲波諧振器(FBAR)。如圖1-5所示，其包括：帶空腔的絕緣基片1，該絕緣基片例如為SOI基片；置于空腔中的壓電薄膜換能器堆疊結構2，該堆疊結構2包括頂電極21、壓電材料層22、底電極23，三層材料依次堆疊。其中頂電極21、底電極23與絕緣基片進行鍵合，形成封閉式空腔，實現薄膜體聲波諧振器(FBAR) 濾波。最終，頂電極21、底電極23處于同一水平面，便于連接引線測試。

本實施例中，頂電極21的材料可以為鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合；底電極23的材料可以為鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合。

在轉移基板25上包括一層緩沖層24，厚度50-500納米。本領域技術人員可以理解，本實施例中的襯底常見的為硅襯底、也可以是玻璃襯底、有機材料襯底、石英襯底、或者其它一切適用于制備薄膜體聲波諧振器(FBAR)的載體襯底材料。本實施例中的緩沖層 24用于后續分離轉移基板和薄膜體聲波諧振器(FBAR)，該緩沖層的材料可以是二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，磷酸玻璃等材料。根據實際工藝，可以在二氧化硅薄膜中摻雜離子，比如磷，氟，碳，硼等，以便更好的刻蝕。

底電極23，通過常規沉積工藝形成并圖形化，能夠應用于本實施例的底電極材料可以為鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合，底電極23的厚度介于100-2000 納米。

壓電薄膜22，通過淀積高C軸取向的壓電薄膜形成，本領域技術人員可知，可以包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、反應射頻磁控濺射、原子層沉積等方法。其中，壓電薄膜材料可以為氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鎳酸鋰(LiNbO₃)、鉭酸鋰(LiTaO₃)之一或者組合。

壓電薄膜的圖形化，本實施例中可以使用反應離子刻蝕或者濕法刻蝕工藝刻蝕壓電薄膜，形成將底電極引出的通孔。

頂電極21，通過淀積形成，并且光刻形成所需圖形。頂電極材料可以為鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合，厚度為100-2000納米。

帶有空腔的絕緣體硅基片；該絕緣體硅基片的空腔可通過干法刻蝕形成，空腔的大小應與壓電薄膜換能器堆疊結構相匹配。優先的，在本實用新型中，空腔的寬度大于壓電換能器堆疊結構的水平寬度，以提高對薄膜體聲波諧振器的橫向雜波的抑制作用，從而提高器件性能。

本實用新型的薄膜體聲波諧振器，包括將帶有空腔的絕緣體硅基片與壓電薄膜換能器堆疊結構進行鍵合，使之成為一個整體并形成封閉式空腔。

緩沖層24應用于將薄膜體聲波諧振器的載體襯底從器件剝離，形成完整的薄膜體聲波諧振器(FBAR)結構。頂電極21、底電極23在帶空腔的絕緣體硅基片上最終處于同一水平面，方便連接引線測試。

通常地，本實用新型中帶空腔的絕緣硅基片，從上到下分別是硅、二氧化硅(BOX)、硅襯底。

使用干法或者濕法刻蝕絕緣體硅基片形成空腔，空腔的橫向寬度大于壓電薄膜換能器堆疊結構的橫向寬度。

本實施例還涉及帶空腔的絕緣體硅基片與壓電薄膜換能器堆疊結構的鍵合，鍵合層包括在帶有空腔的絕緣體硅基片表面沉積的一層金屬材料14，金屬材料14可以為鎢、鉬、鉑白金、釕、銥、鈦鎢、鋁之一或者組合，厚度為100-2000納米。將帶有空腔的絕緣體硅基片的金屬層14與壓電薄膜換能器堆疊結構的頂電極21、底電極23金屬對齊，通過金屬鍵合工藝將兩者鍵合為一個器件。

本實用新型所提出的薄膜體聲波諧振器被廣泛應用于通信器件，例如：射頻振蕩器、濾波器和雙工器。

本實用新型是一個新的互補型金屬氧化物半導體(CMOS)工藝兼容的薄膜體聲波諧振器 (FBAR)，其設計解決了長期困擾著薄膜體聲波諧振器(FBAR)領域空腔設計的實現問題。由于其新穎的鍵合結構，能有效的避免薄膜體聲波諧振器表面犧牲層工藝的粘連以及背面刻蝕工藝的應力問題。

盡管上文對本實用新型進行了詳細說明，但是本實用新型不限于此，本技術領域技術人員可以根據本實用新型的原理進行各種修改。因此，凡按照本實用新型原理所作的修改，都應當理解為落入本實用新型的保護范圍。