[发明专利]预设空腔型SOI基片薄膜体声波滤波器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，具体是指一种薄膜体声波滤波器。

背景技术

薄膜体声波滤波器(FBAF)是一种利用声学谐振实现电学选频的器件，FBAF常见的结构是由若干个薄膜体声波谐振器(FBAR)单元经过电学级联构成。FBAR的基本工作原理为：当电信号加载到FBAR上时，器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，实现频率调控的功能。

快速发展的无线通讯技术(如移动通讯、无线传感网络)和雷达技术需要越来越多的高性能集成微波振荡器和双工滤波器，它们分别被用于信号源和射频前端的收发器中。传统的射频滤波器主要有介质滤波器和声表面滤波器。介质滤波器虽具有插入损耗低，功率容量大的优点，但其缺点是体积过大，无法实现小型化设计。与介质滤波器相比，声表面滤波器可做得较小，但其受光刻工艺的限制，同时在高频率下难以承受高功率，且插损大。最新发展起来的薄膜体声波滤波器技术可满足小型化和集成化设计的要求，且与传统滤波器相比，FBAF具有工作频率高、温度系数小、功率容量大、损耗低、体积小、可大批量生产、成本低且与半导体工艺兼容而可被集成于RFIC或MMIC中，被认为是最佳的CHz频率器件解决方案，可工作在500MHz到30GHz的频段内，在通讯和雷达方面具有很大的应用潜力，为将射频滤波器集成到芯片内开辟了新的途径。

FBAR作为FBAF的基本单元，是FBAF性能形成的关键，迄今为止，实现FBAR有背腔薄膜型、空腔型和声学多反射层型谐振器三种，FBAR换能器的主要结构是金属电极-压电薄膜-金属电极构成的三明治结构，其中空腔型FBAR已经得到商业应用。世界上能生产FBAF及其相关产品的公司主要集中在美国和日本等发达国家，其中以美国Avago公司和日本的Fujitsu公司为典型代表。美国Avago公司是世界上最早制作出FBAR，也是世界上生产商用FBAF、双工器等产品技术最成熟的公司，其专利及其相关产品中采用的就是空腔型FBAR结构。空腔是FBAR性能形成的关键，制作方法相当复杂，其专利(US6060818，US6377137，US20050088257A1)中提到需要经过在硅片上浅槽刻蚀、在槽内填充牺牲层、CMP(化学机械抛光)抛光牺牲层以及最后牺牲层释放等关键工序，其关键工序容易存在以下难点：(1)牺牲层较厚，厚度有数个微米，用镀膜的方式填充容易在镀膜过程中形成残余应力，对下一步牺牲层CMP抛光和牺牲层的释放造成影响；(2)在整个硅片表面(特别是大尺寸硅片)CMP抛除几个微米的牺牲层工艺非常复杂，精度也较难控制，对CMP设备精度和工艺人员的技术水平的要求相当高；(3)牺牲层的释放工艺也较复杂，考虑到牺牲层的体积和尺寸，释放所需时间较长，如果释放不完全，不能形成一个完整的空腔，就会造成器件失效，如果释放时间较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器又会造成某种程度上的损伤；(4)在牺牲层释放过程中，空腔中还可能会出现粘连现象，直接影响了器件的成品率；(5)其五边形电极容易在边角处形成应力集中，这在US20080169885A1中已经得到证实。

日本Fujitsu公司生产的FBAF产品结构比较多样，从其公司申请的相关专利来看，其FBAR的结构形式大致分两类：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个硅片厚度以形成腔体结构；最近他们提出的空腔型FBAR及其产品(US20100060384A1，US20100060385A1等)，提到一种薄的牺牲层工艺以及在镀压电薄膜过程中对压电薄膜进行应力控制技术，使压电层及其电极在牺牲层释放后拱起，从而形成一个拱形空腔；US20080169885A1中提出一种可调频式FBAF，通过在顶电极上放置金属点阵质量块调节单个FBAR的谐振频率，达到调节FBAF频率的目的。Fujitsu公司生产的FBAF产品存在以下难点：(1)背腔型FBAR需要刻穿整个硅片厚度，对结构可靠性造成一定的影响；(2)拱形空腔对镀膜过程中的应力控制技术要求极高，不容易掌握；(3)在牺牲层释放过程中，牺牲层四周特别是上下表面全部被电极和硅片包围，全部释放出需时较长，牺牲层释放刻蚀液对换能器会造成某种程度上的损伤；(4)牺牲层边缘的台阶不够平滑，压电层及其电极的膜厚在此处发生畸变，会造成应力集中现象并导致换能器的断裂，并且在台阶处影响了AlN(002)统一晶向的形成；(5)其可调式FBAF需要额外增加点阵质量块，增加了工艺过程。