[发明专利]改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构

说明书

本发明公开一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，其包括衬底，该衬底的上表面设置有第一空腔，以及位于第一空腔内的多个支撑柱；下电极层，位于衬底上表面，且在下电极层上与衬底贴合的表面设置封闭的第二空腔，第二空腔为台阶型环状空腔，且包围第一空腔；下电极层下表面与每个支撑柱之间设置第三空腔；压电层，位于下电极层的表面；上电极层，位于压电层的表面。本发明的结构通过设计的‘碗’状有效区结构以应对与抵消工艺中可能带来的应力所造成的的‘伞’状凸起，能改善压电薄膜生长过程带来的应力不均，提升器件稳定性；能有效改善的边缘声阻抗状态，从而实现最优的Q值。

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器，具体涉及一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构。

背景技术

伴随着5G移动通讯技术的快速发展，特别是手机端和各种收发设备数量的快速增加，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器虽然技术相对成熟，商业化较早，在比如低谐振频率滤波器、传感器等领域应用广泛，但原理上已经限制了其在高频领域的应用。另外其功耗等性能也远不能满足现在逐渐微型化，超高集成的终端设备需求。薄膜体声波谐振器(FBAR)与陶瓷和声表面波谐振器相比具有体积小、谐振频率高、功率损耗低、品质因子(Q)高、功率容量大等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯滤波器收发功能方面有着广阔的应用和发展前景，成为工业界和学术界的研究热门。

薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。

现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。从性能角度上讲前两种以空气作为声阻抗材料的结构获得的Q值最好。从工艺稳定性，复杂性和成品率以及成本的角度，背刻蚀由于大量移除衬底而使器件牢固度下降；固态装配需制备多层膜，工艺繁琐复杂，成本较高。因此从性能和工艺角度出发，空气隙型结构得到业界普遍认可，也是商业化应用较常见的结构。

空气隙型FBAR的制备中有两个关键点：

1、设计优化FBAR压电振荡堆的结构，从而改善边界声阻抗条件，抑制激发的横向机械波在FBAR器件接口处的损失，进而达到提高器件的Q值的目的。

2、优化应力分布保证器件完整性和可靠性。实际的工艺流程中难免有高温工艺会导致应力的产生。另外牺牲层的释放等工艺也会破坏原有的三明治结构的形变，严重的会造成结构塌陷和凸起，使得边界声阻抗条件变差，造成器件Q值降低、可靠性损伤，甚至彻底报废。

发明内容

为了改善应力分布，减少工艺缺陷，同时提高器件Q值，本发明设计一种‘碗’状有效区结构以应对与抵消工艺中可能带来的应力所造成的的‘伞’状凸起。

一种改善薄膜体声波谐振器品质因子和优化应力分布的结构，该结构包括：

衬底，该衬底的上表面设置有第一空腔，以及位于所述第一空腔内的多个支撑柱；

下电极层，位于所述衬底上表面，且在所述下电极层上与所述衬底贴合的表面设置封闭的第二空腔，所述第二空腔为台阶型环状空腔，且包围所述第一空腔；所述下电极层下表面与每个所述支撑柱之间设置第三空腔；

压电层，位于所述下电极层的表面；

上电极层，位于所述压电层的表面。

进一步地，所述第一空腔支撑柱通过光刻刻蚀方法得到。

进一步地，所述第二空腔和第三空腔经过牺牲层释放得到。

进一步地，所述第一空腔支撑柱的截面形状为圆形，直径为10-20um。

进一步地，所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。