[發明專利]預設空腔型SOI基片薄膜體聲波濾波器及制作方法

有效

• 申請號: 201110034129.0
• 申請日: 2011-01-31
• 公開（公告）號: CN102122939A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 楊增濤;馬晉毅;歐黎;冷俊林;楊正兵;趙建華;陳運祥;周勇;陳小兵;傅金橋;張龍;張濤;曹亮
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十六研究所
• 主分類號: H03H9/54
• 分類號: H03H9/54;H03H3/02
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明涉及微電子器件領域，具體是指一種薄膜體聲波濾波器。

背景技術

薄膜體聲波濾波器(FBAF)是一種利用聲學諧振實現電學選頻的器件，FBAF常見的結構是由若干個薄膜體聲波諧振器(FBAR)單元經過電學級聯構成。FBAR的基本工作原理為：當電信號加載到FBAR上時，器件中的壓電薄膜通過逆壓電效應將電信號轉變為聲信號，器件特定的聲學結構對不同頻率的聲信號呈現出選擇性，實現頻率調控的功能。

快速發展的無線通訊技術(如移動通訊、無線傳感網絡)和雷達技術需要越來越多的高性能集成微波振蕩器和雙工濾波器，它們分別被用于信號源和射頻前端的收發器中。傳統的射頻濾波器主要有介質濾波器和聲表面濾波器。介質濾波器雖具有插入損耗低，功率容量大的優點，但其缺點是體積過大，無法實現小型化設計。與介質濾波器相比，聲表面濾波器可做得較小，但其受光刻工藝的限制，同時在高頻率下難以承受高功率，且插損大。最新發展起來的薄膜體聲波濾波器技術可滿足小型化和集成化設計的要求，且與傳統濾波器相比，FBAF具有工作頻率高、溫度系數小、功率容量大、損耗低、體積小、可大批量生產、成本低且與半導體工藝兼容而可被集成于RFIC或MMIC中，被認為是最佳的CHz頻率器件解決方案，可工作在500MHz到30GHz的頻段內，在通訊和雷達方面具有很大的應用潛力，為將射頻濾波器集成到芯片內開辟了新的途徑。

FBAR作為FBAF的基本單元，是FBAF性能形成的關鍵，迄今為止，實現FBAR有背腔薄膜型、空腔型和聲學多反射層型諧振器三種，FBAR換能器的主要結構是金屬電極-壓電薄膜-金屬電極構成的三明治結構，其中空腔型FBAR已經得到商業應用。世界上能生產FBAF及其相關產品的公司主要集中在美國和日本等發達國家，其中以美國Avago公司和日本的Fujitsu公司為典型代表。美國Avago公司是世界上最早制作出FBAR，也是世界上生產商用FBAF、雙工器等產品技術最成熟的公司，其專利及其相關產品中采用的就是空腔型FBAR結構。空腔是FBAR性能形成的關鍵，制作方法相當復雜，其專利(US6060818，US6377137，US20050088257A1)中提到需要經過在硅片上淺槽刻蝕、在槽內填充犧牲層、CMP(化學機械拋光)拋光犧牲層以及最后犧牲層釋放等關鍵工序，其關鍵工序容易存在以下難點：(1)犧牲層較厚，厚度有數個微米，用鍍膜的方式填充容易在鍍膜過程中形成殘余應力，對下一步犧牲層CMP拋光和犧牲層的釋放造成影響；(2)在整個硅片表面(特別是大尺寸硅片)CMP拋除幾個微米的犧牲層工藝非常復雜，精度也較難控制，對CMP設備精度和工藝人員的技術水平的要求相當高；(3)犧牲層的釋放工藝也較復雜，考慮到犧牲層的體積和尺寸，釋放所需時間較長，如果釋放不完全，不能形成一個完整的空腔，就會造成器件失效，如果釋放時間較長，犧牲層釋放刻蝕液對換能器又會造成某種程度上的損傷；(4)在犧牲層釋放過程中，空腔中還可能會出現粘連現象，直接影響了器件的成品率；(5)其五邊形電極容易在邊角處形成應力集中，這在US20080169885A1中已經得到證實。

日本Fujitsu公司生產的FBAF產品結構比較多樣，從其公司申請的相關專利來看，其FBAR的結構形式大致分兩類：背腔薄膜型(US7323953B2，US20080169885A1)和空腔型(US20100060384A1，US20100060385A1，US7345402B2等)，其中背腔型需要刻穿整個硅片厚度以形成腔體結構；最近他們提出的空腔型FBAR及其產品(US20100060384A1，US20100060385A1等)，提到一種薄的犧牲層工藝以及在鍍壓電薄膜過程中對壓電薄膜進行應力控制技術，使壓電層及其電極在犧牲層釋放后拱起，從而形成一個拱形空腔；US20080169885A1中提出一種可調頻式FBAF，通過在頂電極上放置金屬點陣質量塊調節單個FBAR的諧振頻率，達到調節FBAF頻率的目的。Fujitsu公司生產的FBAF產品存在以下難點：(1)背腔型FBAR需要刻穿整個硅片厚度，對結構可靠性造成一定的影響；(2)拱形空腔對鍍膜過程中的應力控制技術要求極高，不容易掌握；(3)在犧牲層釋放過程中，犧牲層四周特別是上下表面全部被電極和硅片包圍，全部釋放出需時較長，犧牲層釋放刻蝕液對換能器會造成某種程度上的損傷；(4)犧牲層邊緣的臺階不夠平滑，壓電層及其電極的膜厚在此處發生畸變，會造成應力集中現象并導致換能器的斷裂，并且在臺階處影響了AlN(002)統一晶向的形成；(5)其可調式FBAF需要額外增加點陣質量塊，增加了工藝過程。