本實(shí)用新型涉及一種無(wú)線通信射頻前端器件，特別是帶有支撐結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波諧振器(FBAR)及其通信器件。

背景技術(shù)：

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，消費(fèi)類電子產(chǎn)品和個(gè)人通訊系統(tǒng)市場(chǎng)的快速擴(kuò)張，引起了對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)(如掌上電腦、手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信以及各種數(shù)據(jù)通信)的極大需求。特別是近兩年以來(lái)，隨著第三代和第四代通訊標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，個(gè)人無(wú)線通訊系統(tǒng)的發(fā)展趨向于將越來(lái)越多的功能模塊集成到無(wú)線終端中?，F(xiàn)在的手機(jī)不僅需要有基本的通話和短信功能，還需要有GPS導(dǎo)航、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、視頻音頻播放、照相和實(shí)況電視接收等功能。此外，由于歷史和地區(qū)等原因造成各種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的存在，使得采用新標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)中需要集成多種模式、多個(gè)頻段以方便實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)和國(guó)家之間的漫游。以上種種，使得無(wú)線通信的發(fā)展向著增加功能模塊、縮小系統(tǒng)尺寸、降低成本和功耗的方向發(fā)展。因此，制備高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射頻系統(tǒng)就成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

在過(guò)去的幾年中，隨著射頻集成電路(RFIC)技術(shù)的迅速發(fā)展，一些以前用于通訊系統(tǒng)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(jīng)可以采用射頻集成電路的方式實(shí)現(xiàn)；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(shí)現(xiàn)。另一方面，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，一些采用MEMS技術(shù)制備的射頻元器件，如射頻開關(guān)(RF Switch)、射頻電感(RF Inductor)和射頻諧振器(RF Resonator)等，由于其具有的優(yōu)良性能而獲得廣泛的研究和應(yīng)用。薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR)是最近幾年來(lái)研究很熱的一種采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(gòu)成的一種器件。在某些特定的頻率下，F(xiàn)BAR器件表現(xiàn)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?yàn)V波器應(yīng)用于現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中。相對(duì)于傳統(tǒng)用來(lái)構(gòu)成帶通濾波器及微波振蕩源的LC振蕩器、陶瓷介質(zhì)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(yōu)點(diǎn)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(gòu)成單芯片系統(tǒng)，極大地減小系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單芯片集成。隨著對(duì)薄膜體聲波諧振器器件頻率溫度系數(shù)的改進(jìn)，這類振蕩器在需要低功耗小體積的射頻通訊系統(tǒng)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(duì)于其他MEMS器件而言并不復(fù)雜，目前制備薄膜體聲波諧振器主要通過(guò)犧牲層表面工藝或背部刻蝕工藝來(lái)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(jié)構(gòu)沉積在它的表面。工藝的后期將犧牲層去除從而達(dá)到形成空腔的目的。犧牲層表面工藝主要的問(wèn)題是犧牲層不能徹底清除，會(huì)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(guò)在晶圓背面進(jìn)行體硅刻蝕，從而使正面形成的壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的背面處于空腔環(huán)境。背面刻蝕工藝的主要問(wèn)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(jié)構(gòu)的支撐層，使得器件在工藝生產(chǎn)中避免刻蝕業(yè)的侵蝕。然而這樣的設(shè)計(jì)極容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，器件容易出現(xiàn)褶皺和破裂，會(huì)極大影響器件的性能。不解決殘余應(yīng)力的問(wèn)題，就無(wú)法制備出高性能的FBAR器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有薄膜體聲波諧振器的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型基于帶孔腔的絕緣體硅襯底的薄膜體聲波諧振器(FBAR)，通過(guò)金屬建合層以及空腔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)避免了上述技術(shù)問(wèn)題。

一種帶有支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；所述壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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通過(guò)鍵合層形成封閉空腔結(jié)構(gòu)；所述空腔內(nèi)包括多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)。

進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步地，所述鍵合層包括金屬鍵合層。

進(jìn)一步地，所述空腔的橫向?qū)挾却笥趬弘姳∧Q能器堆疊結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾取?/p>

進(jìn)一步地，所述頂電極和所述底電極的厚度介于100-2000納米。

本實(shí)用新型還提出一種通信器件，包括本實(shí)用新型所提出的帶有支撐結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波諧振器。

本實(shí)用新型提出了一個(gè)新的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的薄膜體聲波諧振器(FBAR)，其設(shè)計(jì)解決了長(zhǎng)期困擾著薄膜體聲波諧振器(FBAR)領(lǐng)域空腔設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)鍵合層，能有效的避免表面犧牲層工藝的粘連以及背面刻蝕工藝的應(yīng)力問(wèn)題。

本實(shí)用新型采用預(yù)設(shè)的空腔結(jié)構(gòu)，有利于減少傳統(tǒng)空腔刻蝕過(guò)程中形成的粘連和機(jī)械結(jié)構(gòu)斷裂、損傷，能有效地提高器件生產(chǎn)良率，適合批量生產(chǎn)。由于預(yù)制的空腔寬度大于壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的水平寬度，該設(shè)計(jì)亦能對(duì)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。本實(shí)用新型在空腔內(nèi)形成壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，有利于減少薄膜體聲波諧振器在鍵合過(guò)程的斷裂、損傷，能有效地提高器件生產(chǎn)穩(wěn)定性，適合批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型其中一實(shí)施例的薄膜體聲波諧振器(FBAR)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型其中一實(shí)施例的壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型其中一實(shí)施例的帶空腔和支撐結(jié)構(gòu)的絕緣體硅基片的示意圖；

圖4是本實(shí)用新型其中一實(shí)施例的壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)和帶空腔的絕緣體硅基片鍵合的示意圖；

圖5是本實(shí)用新型其中一實(shí)施例的鍵合后襯底剝離的示意圖；

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)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(jié)構(gòu)2，該堆疊結(jié)構(gòu)2自上而下依次堆疊頂電極21、壓電材料層22、底電極23。空腔內(nèi)還包括支撐結(jié)構(gòu)3，其中頂電極21、底電極23與絕緣基片及支撐結(jié)構(gòu)3進(jìn)行鍵合，形成封閉式空腔，實(shí)現(xiàn)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(cè)試。

本實(shí)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。

其中，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。

空腔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)3為絕緣基片的一部分，經(jīng)刻蝕而成。本實(shí)用新型在空腔內(nèi)形成壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，有利于減少薄膜體聲波諧振器在鍵合過(guò)程的斷裂、損傷，能有效地提高器件生產(chǎn)穩(wěn)定性，適合批量生產(chǎn)。

在轉(zhuǎn)移基板25上包括一層緩沖層24，厚度50-500納米。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本實(shí)施例中的襯底常見的為硅襯底、也可以是玻璃襯底、有機(jī)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(shí)施例中的緩沖層 24用于后續(xù)分離轉(zhuǎn)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(jù)實(shí)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(guò)常規(guī)沉積工藝形成并圖形化，能夠應(yīng)用于本實(shí)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(guò)淀積高C軸取向的壓電薄膜形成，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，可以包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、反應(yīng)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(shí)施例中可以使用反應(yīng)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(guò)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(guò)干法刻蝕形成，空腔的大小應(yīng)與壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)相匹配。優(yōu)選的，在本實(shí)用新型中，空腔的寬度大于壓電換能器堆疊結(jié)構(gòu)的水平寬度，以提高對(duì)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。

在本實(shí)用新型中，空腔中還包括用于支撐壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)3，空腔內(nèi)的支撐層的高度應(yīng)與壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的垂直高度效果匹配，以便鍵合的時(shí)候能形成有效接觸，從而起到支撐的目的。

帶支撐結(jié)構(gòu)的空腔結(jié)構(gòu)的形成方法包括如下步驟：

準(zhǔn)備絕緣體硅基片，并將其表面清洗干凈。該絕緣體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，將刻蝕窗口內(nèi)的上層的硅部分去除，刻蝕的深度應(yīng)與壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)的整體厚度保持一致，以便鍵合后能形成支撐作用?？涛g后，空腔的橫向?qū)挾却笥趬弘姳∧Q能器堆疊結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾取?/p>

使用干法或者濕法刻蝕空腔內(nèi)的硅。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的圖形，刻蝕后，空腔內(nèi)將形成多根支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量根據(jù)器件大小的不同要求可以從1根到10根不等。

清洗晶圓表面，使空腔內(nèi)不留殘物。

將帶有空腔的絕緣體硅基片與壓電薄膜換能器堆疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍵合，使之成為一個(gè)整體并形成封閉式空腔。

將緩沖層24濕法去除，從而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(jié)構(gòu)。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(cè)試。

本實(shí)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(jié)構(gòu)的鍵合，其鍵合工藝如下：

首先在帶有空腔的絕緣體硅基片表面沉積一層金屬材料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；使用干法或者濕法刻蝕工藝將空腔內(nèi)的金屬層去除，保留空腔外及支撐結(jié)構(gòu)上的金屬層；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(jié)構(gòu)的頂電極21、底電極23金屬對(duì)齊，通過(guò)金屬鍵合工藝將兩者鍵合為一個(gè)器件。

在另外的實(shí)施方式中，也可以在絕緣體硅基片上預(yù)先沉積金屬材料14，然后再開始帶支撐結(jié)構(gòu)的空腔結(jié)構(gòu)的刻蝕步驟。

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

本實(shí)用新型是一個(gè)新的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的薄膜體聲波諧振器(FBAR)，其設(shè)計(jì)解決了長(zhǎng)期困擾著薄膜體聲波諧振器(FBAR)領(lǐng)域空腔設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)工藝問(wèn)題。利用與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的工藝，可以在現(xiàn)有的晶圓生成條件下進(jìn)行批量生產(chǎn)，運(yùn)用鍵合層結(jié)構(gòu)，能有效的避免表面犧牲層工藝的粘連以及背面刻蝕工藝的應(yīng)力問(wèn)題。

盡管上文對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是本實(shí)用新型不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型的原理進(jìn)行各種修改。因此，凡按照本實(shí)用新型原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。