体声波谐振结构及声波器件的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种体声波谐振结构及声波器件。


背景技术：

2.目前薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，fbar)的截面结构分为两种，一种是空腔在衬底内部，整个器件呈现为平板膜层的堆叠，这种结构自身的稳定性比较好，不存在膜层的爬坡现象，但工艺实现难度较大，且在刻蚀衬底表面形成空腔的过程中，容易造成破片；另一种结构空腔在衬底上方，整个器件截面的形状呈拱桥形，下电极上方的压电层会有两个爬坡的过程，使得压电层产生晶格错位，影响器件性能甚至导致器件失效，另外，下电极引线的设置也容易对压电层造成影响。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种体声波谐振结构及声波器件，用于解决相关技术中压电层二次爬坡产生晶格错位，影响器件性能，以及下电极引线的设置对压电层造成影响的技术问题。
4.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
5.本实用新型实施例提供一种体声波谐振结构，包括：衬底、压电层、空腔结构、下电极以及第一引线；所述压电层位于所述衬底上；所述空腔结构位于所述压电层和所述衬底之间；所述下电极位于所述空腔结构内靠近所述压电层的一侧；所述第一引线与所述下电极电连接，部分所述第一引线位于所述空腔结构内。
6.在一些实施例中，所述衬底上形成有第一通孔，所述第一引线远离所述下电极的一端填充所述第一通孔。
7.在一些实施例中，所述第一引线包括倾斜段和平直段；所述倾斜段位于所述空腔结构内，且与所述压电层贴合设置；所述平直段的两侧分别与所述压电层和所述衬底贴合设置。
8.在一些实施例中，在垂直于所述第一引线的延伸方向上，所述第一引线的宽度大于或等于所述下电极的厚度。
9.在一些实施例中，所述压电层包括与所述衬底分离设置的第一斜面，所述第一斜面与所述衬底之间形成第一夹角，所述第一夹角大于或等于5度且小于或等于50度。
10.在一些实施例中，所述体声波谐振结构还包括：上电极和调频层；所述上电极位于所述压电层上，所述上电极包括第二斜面；所述调频层位于所述压电层和所述上电极上；其中，所述第二斜面与所述衬底之间形成第二夹角，所述第二夹角大于或等于20度且小于或等于45度。
11.在一些实施例中，所述第二夹角与所述第一夹角相等。
12.在一些实施例中，所述第二斜面与所述第一斜面共面。
13.在一些实施例中，在通过所述压电层、所述下电极以及所述衬底的一个纵截面中，
所述下电极的形状为倒梯形、矩形、正梯形中的任一者。
14.在一些实施例中，所述空腔结构经蚀刻牺牲层后形成，所述牺牲层设置有容纳所述第一引线和所述下电极的凹陷结构。
15.本实用新型实施例还提供一种声波器件，包括上述的体声波谐振结构。
16.本实用新型提供一种体声波谐振结构，包括：衬底、压电层、空腔结构、下电极以及第一引线；压电层位于衬底上；空腔结构位于压电层和衬底之间；下电极位于空腔结构内靠近压电层的一侧；第一引线与下电极电连接，部分第一引线位于空腔结构内；本实用新型通过将下电极设置于空腔结构内，使得空腔结构靠近压电层的一侧为平面或近似平面，使得压电层可以减少一次爬坡，更多的压电层在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优；本实用新型还将部分第一引线设置于空腔结构内，避免对压电层造成影响。
附图说明
17.图1为相关技术的体声波谐振结构的示意图；
18.图2为本实用新型实施例提供的体声波谐振结构的示意图；
19.图3为本实用新型实施例提供的另一体声波谐振结构的示意图；
20.图4a～图4c为本实用新型实施例提供的下电极的基本结构示意图；
21.图5为本实用新型实施例提供的体声波谐振结构的半成品示意图；
22.图6a～图6f为图5的体声波谐振结构的半成品的制作流程中各组件的基本结构示意图；
23.图7为本实用新型实施例提供的另一体声波谐振结构的半成品示意图；
24.图8a～图8e为图7的体声波谐振结构的半成品的制作流程中各组件的基本结构示意图。
具体实施方式
25.以下结合说明书附图及具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细阐述。在附图中，为了清晰及便于理解和描述，附图中绘示的组件的尺寸和厚度并未按照比例。
26.如图1所示，为相关技术的体声波谐振结构的示意图，所述体声波谐振结构包括：衬底100、空腔结构200、下电极300、压电层400及上电极500。其中，压电层400为纤锌矿晶体结构，一般采用氮化铝或氧化锌等，其薄膜晶胞为柱状生长。下电极300和上电极500的组成材料可以相同，具体可以包括：金(au)、铝(al)、钼(mo)、钌(ru)、铱(ir)或者铂(pt)等。由于空腔结构200的高度和下电极300的厚度的影响，压电层400在空腔结构200的侧壁a1处和下电极300的侧壁a2处均发生倾斜，使得压电层400有两次爬坡的过程，然而在爬坡过程中会产生晶格错位，影响器件性能甚至导致器件失效，另外，下电极引线(图未示)的设置也容易对压电层400造成影响，本实用新型实施例可以解决上述缺陷。
27.如图2所示，为本实用新型实施例提供的体声波谐振结构的示意图，所述体声波谐振结构包括：衬底100、压电层400、空腔结构200、下电极300、第一引线301以及上电极500；所述压电层400位于所述衬底100上；所述空腔结构200位于所述压电层400和所述衬底100
之间；所述下电极300位于所述空腔结构200内靠近所述压电层400的一侧；所述第一引线301与所述下电极300电连接，部分所述第一引线301位于所述空腔结构200内。
28.可以理解的是，本实用新型通过将下电极300设置于空腔结构200内，使得空腔结构200靠近压电层400的一侧为平面s或近似平面，使得压电层400可以减少一次爬坡，更多的压电层400在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优；本实用新型还将部分第一引线301设置于空腔结构200内，避免第一引线301对压电层400造成影响，提高了器件性能。
29.具体的，在一种实施例中，所述衬底100上形成有第一通孔101，所述第一引线301远离所述下电极300的一端填充所述第一通孔101。即本实施例的第一引线301通过衬底100上的第一通孔101引出。
30.可以理解的是，谐振区的大小根据下电极300与上电极500的正对面积的大小来确定，本实施例使第一引线301通过衬底100上的第一通孔101引出，既不会影响压电层400，又不会影响下电极300与上电极500的正对面积，提高了谐振器有效面积，利于器件小型化设计。
31.需要说明的是，图2所示的第一引线301的设置方式可以利用硅通孔(through silicon via，tsv)技术来实现。另外，上电极500采用第二引线(图未示)引出，第二引线的引出端在衬底上的正投影与第一引线301的引出端在衬底上的正投影无重叠。例如，图2中的第一引线301从体声波谐振结构的左侧引出，第二引线可以从体声波谐振结构的右侧引出，且为了便于后续绑定，第二引线也可通过在衬底100上设置第二通孔(图未示)，从而从第二通孔引出。
32.在一种实施例中，在垂直于所述第一引线301的延伸方向上，所述第一引线301的宽度w大于或等于所述下电极300的厚度h1。其中，下电极300的厚度h1为几百纳米。
33.需要说明的是，图2中第一引线301竖直延伸，则第一引线301的宽度w指第一引线301在水平方向上的宽度。本实施例通过增大第一引线301的宽度，即增大了第一引线301的横截面积，可以降低第一引线301的电阻，减小信号的传输损耗。
34.在一种实施例中，所述压电层400包括与所述衬底100分离设置的第一斜面401，所述第一斜面401与所述衬底100之间形成第一夹角α1，所述第一夹角α1大于或等于5度且小于或等于50度，例如所述第一夹角α1等于20度。
35.需要说明的是，所述第一斜面401在水平方向上的投影宽度d2由空腔结构200的高度h2和第一夹角α1决定，其中，空腔结构200的高度h2大于下电极300的厚度h1。
36.在一种实施例中，在空腔结构200靠近压电层400的一侧的平面s上，下电极300与空腔结构200的边缘之间的距离d1大于或等于0。当d1等于0时，可实现谐振区面积最大化；当d1大于0时，可以使声波在横向界面也形成全反射，减少声波泄露，提高q值。
37.在一种实施例中，所述体声波谐振结构还包括调频层600；所述上电极500位于所述压电层400上，所述上电极500包括第二斜面501；所述调频层600位于所述压电层400和所述上电极500上；其中，所述第二斜面501与所述衬底100之间形成第二夹角α2，所述第二夹角α2大于或等于20度且小于或等于45度，例如所述第二夹角α2等于25度。
38.需要说明的是，调频层600一般采用与压电层400相同的材料制备。
39.在一种实施例中，所述第二夹角α2与所述第一夹角α1相等，例如α2＝α1＝30度。
40.在一种实施例中，所述第二斜面501与所述第一斜面401共面，因此可以避免调频层600二次爬坡，使更多的调频层600在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优，提高了器件性能。
41.接下来，请参阅图3，为本实用新型实施例提供的另一体声波谐振结构的示意图，与图2的体声波谐振结构不同的是，在本实施例中，所述第一引线301包括倾斜段31和平直段32；所述倾斜段31位于所述空腔结构200内，且与所述压电层400贴合设置；所述平直段32的两侧分别与所述压电层400和所述衬底100贴合设置。
42.可以理解的是，本实施例通过将倾斜段31设置在空腔结构200内，既可以传输信号，又可以使空腔结构200靠近压电层400的一侧为平面s或近似平面，即倾斜段31靠近压电层400的一侧位于平面s内或平面s下，使得压电层400可以减少一次爬坡，更多的压电层400在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优；避免了第一引线301对压电层400造成影响，提高了器件性能。
43.在一种实施例中，在垂直于所述第一引线301的延伸方向上，所述第一引线301的宽度w大于或等于所述下电极300的厚度h1。其中，下电极300的厚度h1为几百纳米。
44.需要说明的是，图3中倾斜段31倾斜延伸，则第一引线301的宽度w指倾斜段31在垂直于倾斜方向上的宽度；平直段32水平延伸，则第一引线301的宽度w指平直段32在竖直方向上的宽度。本实施例通过增大第一引线301的宽度，即增大了第一引线301的横截面积，可以降低第一引线301的电阻，减小信号的传输损耗。
45.接下来，请参阅图4a～图4c，为本实用新型实施例提供的下电极的基本结构示意图，在本实施例中，在通过所述压电层400、所述下电极300以及所述衬底100的一个纵截面中，所述下电极300的形状为倒梯形(如图4a)、矩形(如图4b)、正梯形(如图4c)中的任一者。
46.在一种实施例中，所述空腔结构200经蚀刻牺牲层700后形成，所述牺牲层700设置有容纳所述第一引线301和所述下电极300的凹陷结构701。
47.需要说明的是，位于压电层400和衬底100之间的空腔结构200是经蚀刻牺牲层700后形成，即先在衬底100上形成牺牲层700，然后在牺牲层700上形成容纳第一引线301和下电极300的凹陷结构701，再形成压电层400，最后去除牺牲层700，得到空腔结构200。具体过程通过图5至图8e进行详细说明。
48.如图5所示，为本实用新型实施例提供的体声波谐振结构的半成品示意图。如图6a～图6f所示，为图5的体声波谐振结构的半成品的制作流程中各组件的基本结构示意图。首先，如图6a所示，在衬底100上沉积牺牲材料70。然后，如图6b所示，在牺牲材料70上采用黄光工艺形成光阻图案800。然后，如图6c所示，将光阻图案800转移至牺牲材料70上，形成牺牲层700，牺牲层700上具有容纳下电极300的凹槽。
49.接下来，如图6d所示，在图6c的凹槽内沉积下电极300，此时，下电极300的上表面和牺牲层700的上表面共面。
50.接下来，如图6e所示，在图6d的组件上沉积压电层400，在压电层400上沉积上电极500。由于下电极300的上表面和牺牲层700的上表面共面，可使得压电层400减少一次爬坡，更多的压电层400在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优，提高了器件性能。
51.接下来，如图6f所示，在衬底100侧采用tsv技术制作第一引线301。可以理解的是，
谐振区的大小根据下电极300与上电极500的正对面积的大小来确定，本实施例使第一引线301通过衬底100上的第一通孔101引出，既不会影响压电层400，又不会影响下电极300与上电极500的正对面积，提高了谐振器有效面积，利于器件小型化设计。
52.如图7所示，为本实用新型实施例提供的另一体声波谐振结构的半成品示意图。如图8a～图8e所示，为图7的体声波谐振结构的半成品的制作流程中各组件的基本结构示意图。首先，如图8a所示，在衬底100上沉积牺牲材料70。然后，如图8b所示，在牺牲材料70上采用黄光工艺形成光阻图案800，本实施例的光阻图案800与图6b的光阻图案800不同的是，本实施例的光阻图案800一侧还具有缺口，所述缺口用于容纳第一引线301。然后，如图8c所示，将光阻图案800转移至牺牲材料70上，形成牺牲层700，牺牲层700上具有容纳下电极300的凹槽和容纳第一引线301的缺口。
53.接下来，如图8d所示，在图8c的凹槽和缺口内以及衬底100上沉积下电极300和第一引线301，此时，下电极300的上表面和牺牲层700的上表面以及第一引线301的顶部共面。
54.接下来，如图8e所示，在图8d的组件上沉积压电层400，在压电层400上沉积上电极500。由于下电极300的上表面和牺牲层700的上表面以及第一引线301的顶部共面，可使得压电层400减少一次爬坡，更多的压电层400在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优，提高了器件性能。
55.本实用新型实施例还提供一种声波器件，包括上述的体声波谐振结构，所述体声波谐振结构请参阅图2至图8e及相关说明，此处不再赘述。
56.综上所述，本实用新型实施例提供的一种体声波谐振结构，包括：衬底、压电层、空腔结构、下电极以及第一引线；压电层位于衬底上；空腔结构位于压电层和衬底之间；下电极位于空腔结构内靠近压电层的一侧；第一引线与下电极电连接，部分第一引线位于空腔结构内；本实用新型通过将下电极设置于空腔结构内，使得空腔结构靠近压电层的一侧为平面或近似平面，使得压电层可以减少一次爬坡，更多的压电层在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优；本实用新型还将部分第一引线设置于空腔结构内，避免对压电层造成影响；解决了相关技术中压电层二次爬坡产生晶格错位，影响器件性能，以及下电极引线的设置对压电层造成影响的技术问题。
57.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种体声波谐振结构，其特征在于，包括：衬底；压电层，位于所述衬底上；空腔结构，位于所述压电层和所述衬底之间；下电极，位于所述空腔结构内靠近所述压电层的一侧；第一引线，与所述下电极电连接，部分所述第一引线位于所述空腔结构内。2.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述衬底上形成有第一通孔，所述第一引线远离所述下电极的一端填充所述第一通孔。3.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述第一引线包括倾斜段和平直段；所述倾斜段位于所述空腔结构内，且与所述压电层贴合设置；所述平直段的两侧分别与所述压电层和所述衬底贴合设置。4.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，在垂直于所述第一引线的延伸方向上，所述第一引线的宽度大于或等于所述下电极的厚度。5.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述压电层包括与所述衬底分离设置的第一斜面，所述第一斜面与所述衬底之间形成第一夹角，所述第一夹角大于或等于5度且小于或等于50度。6.根据权利要求5所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述体声波谐振结构还包括：上电极，位于所述压电层上，所述上电极包括第二斜面；调频层，位于所述压电层和所述上电极上；其中，所述第二斜面与所述衬底之间形成第二夹角，所述第二夹角大于或等于20度且小于或等于45度。7.根据权利要求6所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述第二夹角与所述第一夹角相等。8.根据权利要求7所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述第二斜面与所述第一斜面共面。9.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，在通过所述压电层、所述下电极以及所述衬底的一个纵截面中，所述下电极的形状为倒梯形、矩形、正梯形中的任一者。10.根据权利要求1所述的体声波谐振结构，其特征在于，所述空腔结构经蚀刻牺牲层后形成，所述牺牲层设置有容纳所述第一引线和所述下电极的凹陷结构。11.一种声波器件，其特征在于，包括根据权利要求1至10中任一项所述的体声波谐振结构。

技术总结
本实用新型提供一种体声波谐振结构及声波器件，体声波谐振结构包括：衬底、压电层、空腔结构、下电极以及第一引线；压电层位于衬底上；空腔结构位于压电层和衬底之间；下电极位于空腔结构内靠近压电层的一侧；第一引线与下电极电连接，部分第一引线位于空腔结构内；本实用新型通过将下电极设置于空腔结构内，使得空腔结构靠近压电层的一侧为平面或近似平面，使得压电层可以减少一次爬坡，更多的压电层在水平方向上进行生长，减少了晶柱方向突变导致的位错与断裂，更能保证晶格生长更优；本实用新型还将部分第一引线设置于空腔结构内，避免对压电层造成影响。对压电层造成影响。对压电层造成影响。


技术研发人员：靳小冬 张大鹏 陈香玉
受保护的技术使用者：武汉光钜微电子有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/7/19