[发明专利]一种压电薄膜体声波谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及射频及声学微机电系统领域，具体涉及一种压电薄膜体声波谐振器。

背景技术

消费类电子产品和个人通讯系统市场的快速扩张，引起了对无线通信系统(如掌上电脑、手机、导航系统、卫星通信以及各种数据通信)的极大需求。特别是近两年以来，随着第三代和第四代通讯标准的发布，个人无线通讯系统的发展趋向于将越来越多的功能模块集成到无线终端中。现在的手机不仅需要有基本的通话和短信功能，还需要有GPS导航、网页浏览、视频音频播放、照相和实况电视接收等功能。此外，由于历史和地区等原因造成各种无线通信标准的存在，使得采用新标准的手机中需要集成多种模式、多个频段以方便实现跨地区和国家之间的漫游。以上种种，使得无线通信的发展向着增加功能模块、缩小系统尺寸、降低成本和功耗的方向发展。因此，制备高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射频系统就成为研究的一个热点。

在射频系统中，时钟频率参考源以及射频前端滤波器具有重要作用。例如全球定位系统(GPS)的内部时钟和手机中的射频前端滤波器。在过去的几年中，随着射频集成电路(RFIC)技术的迅速发展，一些以前用于通讯系统中的分立元器件，如低噪声放大器(LNA)和中频滤波器(IF)等，已经可以采用射频集成电路的方式实现；但是另一些元器件，如低相噪的射频振荡器(RF Oscillator)和射频前端滤波器(RF Filter)等，却仍然难以采用射频集成电路的方式实现。另一方面，随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技术制备的射频元器件，如射频开关(RF Switch)、射频电感(RF Inductor)和射频谐振器(RF Resonator)等，由于其具有的优良性能而获得广泛的研究和应用。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是最近几年来研究很热的一种采用MEMS技术实现的射频谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片上，在空间关系上从上到下由上层金属电极层-压电薄膜层-下层金属电极层构成的一种器件。在某些特定的频率下，FBAR器件表现出如石英晶体谐振器一样的谐振特性，因此，可被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯系统中。相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的LC振荡器、陶瓷介质谐振器及声表面波(SAW)器件而言，FBAR器件除了具有小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率(0.5GHz～10GHz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与CMOS工艺兼容，因此可与外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。

FBAR器件的结构主要有薄膜型、空气隙型和固态装配型(SMR)三种，其中薄膜型和空气隙型器件主要由顶电极、压电膜、底电极和支持层构成声学回路，通过湿法或干法刻蚀释放衬底或牺牲层产生空气界面；而固态装配型器件则无需进行释放，它主要由顶电极、压电膜、底电极、四分之一波长反射栅和衬底构成声学回路，通过四分之一波长反射栅将能量限制在压电薄膜中。相对于空气隙型和固态装配型器件而言，薄膜型FBAR器件的Q值较高，制备工艺相对简单，但存在的问题是经过硅体深刻蚀后的FBAR器件需要具有平整的薄膜表面。通常的工艺是采用单层氮化硅或二氧化硅薄膜作为FBAR器件的支持层，但是由于单层氮化硅或二氧化硅薄膜存在残余应力，往往导致经过硅体深刻蚀之后的FBAR器件表面出现褶皱和薄膜破裂现象，导致器件Q值急剧下降，成品率很低；另外，可以采用低压化学气相沉积(LPCVD)的富硅氮化硅来获得低应力的薄膜，但是对设备和工艺条件要求较高。因此，寻找合适材料和结构作为FBAR器件的支持层，使得经过硅体深刻蚀之后的FBAR器件具有平整的薄膜表面，是研制薄膜型FBAR器件的关键。

发明内容

本发明的目的在于，解决经过硅体深刻蚀之后的FBAR器件表面出现褶皱和薄膜破裂现象，并提高成本率，降低生产成本。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种压电薄膜体声波谐振器，所述的压电薄膜体声波谐振器由上至下包括：上层金属电极、压电薄膜、下层金属电极、支持薄膜和衬底，工作区由上层金属电极、压电薄膜和下层金属电极构成，所述的压电薄膜体声波谐振器通过对衬底进行硅体深刻蚀，使得支持薄膜的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中；其特征在于，

所述的支持薄膜采用多层结构，包括：厚度为0.2μm～0.6μm的氮化硅层和厚度为0.2μm～0.8μm的二氧化硅层，其中，最下层为氮化硅层。

所述的支持薄膜采用由上至下三层结构，依次是氮化硅层、二氧化硅层和氮化硅层；所述的支持薄膜采用由上至下两层结构，依次是二氧化硅层和氮化硅层。