硅基ScAlN薄膜GHz谐振器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种硅基ScAlN薄膜GHz谐振器及其制备方法，所述谐振器由上而下依次包含引线键合辅助层、上电极层、功能层、辅助层、晶种层、布拉格反射层、器件层衬底、上表面氧化层、结构层衬底和上表面氧化层；所述结构层衬底与器件层衬底形成空腔，布拉格反射层位于空腔正上方，辅助层作为功能层图形化的辅助层和功能层并列设置在晶种层之上。本发明的谐振器通过布拉格反射层与空腔型结构的有机结合，可最大限度地抑制声波损耗，提高器件的性能。

权利要求

1.硅基ScAlN薄膜 GHz 谐振器的制备方法，其特征在于，制备方法为以下步骤：（1）取厚度为 300～500μm 的硅片为结构层衬底，双面分别热氧化使结构层衬底上下表面分别形成厚度为 200～350nm 的 SiO2 层，即上表面氧化层和下表面氧化层；

（2）对步骤（1）氧化后的结构层衬底进行腐蚀和图形化，使其上表面氧化层和结构层衬底形成空腔，下表面氧化层的相反方向形成对位标记；

（3）另取一片硅片作为器件层衬底和结构层衬底键合并退火，机械减薄并抛光器件层衬底使其厚度为 30 150μm；所述器件层衬底和结构层衬底大小一样；

~

（4）在器件层衬底表面依次交替生长两种金属层并图形化，形成布拉格反射层，单层金属层厚度为 15 30nm；所述布拉格反射层比器件层衬底宽度小 10 30μm；且置于空腔正上~ ~方；

（5）再在步骤（4）布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为 160 300nm，并图~形化；

（6）在晶种层之上生长一层辅助层，厚度为 300 500nm；所述辅助层为 Al 或 Ti；

~

（7）辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层，厚度为 0.8 1.5μm，光刻并图形化，再用Ir~生长上电极层，上电极层厚度为 0.2 0.3μm；

~

（8）最后在功能层上生长一层引线键合辅助层，厚度为 0.6 0.8μm，光刻并图形化，材~质为 Al。

2.根据权利要求1 所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述金属为铱和铝。

3.根据权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）形成空腔是利用氢氟酸腐蚀 SiO2 层，四甲基氢氧化铵腐蚀结构层衬底；利用四甲基氢氧化铵湿法腐蚀时的自停止腐蚀形成对位标记。

4.根据权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述晶种层厚度为 200nm。

5.根据权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，所述布拉格反射层、晶种层和辅助层生长方式采取磁控溅射方式生长。

说明书

硅基ScAlN薄膜GHz谐振器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于微机电领域，涉及硅基ScAlN薄膜GHz谐振器及其制备方法。

背景技术

[0002] 氮化铝压电薄膜具有高声速、耐高温、性能稳定等优点，尤其与CMOS工艺的特性兼容，使其受到国内外广泛关注。硅基AlN-MEMS压电器件可被广泛应用于传感器、谐振器及能量收集器等领域。

[0003] 硅基AlN薄膜用于部分传感器、谐振器及能量收集器等领域时，存在机电耦合系数不高及准静态D33压电系数低等不足。如基于布拉格反射层或空气腔型的体声波(BAW)器件，由于布拉格反射层均匀性的限制及AlN薄膜高声速的特点，会使声波在反射层底层传播中存在一定量的漏波，从而引起能量损耗；当采用空腔型的BAW器件时，无论是采用牺牲层工艺还是采用背部镂空工艺，空腔内的残留或粘连会造成器件性能大幅衰减；氮化铝钪(ScAlN)压电薄膜能够在保持ALN压电薄膜固有物理属性的同时，可提高静态D33压电系数及机电耦合系数，但由于Sc元素的存在使得湿法图形化ScAlN薄膜时，电极表面有残留使得器件内阻增大，性能下降。

[0004] 因此，亟需一种新型硅基ScAlN薄膜GHz谐振器来有效克服上述不足，提升器件性能。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅基ScAlN薄膜GHz谐振器，并提供其制备方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 1.硅基ScAlN薄膜GHz谐振器，由上而下依次包含引线键合辅助层、上电极层、功能层、辅助层、晶种层、布拉格反射层、器件层衬底、上表面氧化层、结构层衬底和上表面氧化层；所述结构层衬底与器件层衬底形成空腔，布拉格反射层位于空腔正上方，辅助层作为功能层图形化的辅助层和功能层并列设置在晶种层之上。

[0008] 进一步，所述器件层衬底和结构层衬底大小一致；布拉格反射层各金属层与晶种层大小一致并窄于器件层衬底10～30μm；辅助层作为功能层图形化的辅助层和功能层并列在晶种层之上，且二者宽度和晶种层一致，上电极层和引线键合辅助层大小一致并窄于功能层1～10μm。

[0009] 进一步，所述布拉格反射层由2～10层两种金属交替生长覆盖而成，所述两种金属的声阻抗差值为6×106g/cm2s～10×106g/cm2s。

[0010] 进一步，所述两种金属为铝和铱。

[0011] 进一步，所述空腔的深度为3～10μm，空腔宽度为500～1000μm。

[0012] 进一步，下表面氧化层形成对位标记，对位标记宽10～30μm。

[0013] 2、以上任一项所述的硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的制备方法为以下步骤：

[0014] (1)取厚度为300～500μm的硅片为结构层衬底，双面分别热氧化使结构层衬底上下表面分别形成厚度为200～350nm的SiO2层，即上表面氧化层和下表面氧化层；

[0015] (2)对步骤(1)氧化后的结构层衬底进行腐蚀和图形化，使其上表面氧化层和结构层衬底形成空腔，下表面氧化层的相反方向形成对位标记；

[0016] (3)另取一片硅片作为器件层衬底和结构层衬底键合并退火，机械减薄并抛光器件层衬底使其厚度为30～150μm；所述器件层衬底和结构层衬底大小一样；

[0017] (4)在器件层衬底表面依次交替生长声两种金属层并图形化，形成布拉格反射层，单层金属层厚度为15～30nm；所述布拉格反射层比器件层衬底宽度小10～30μm；且置于空腔正上方；

[0018] (5)再在步骤(4)布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为160～300nm，并图形化；

[0019] (6)在晶种层之上生长一层辅助层，厚度为300～500nm；所述辅助层为Al或Ti；

[0020] (7)辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层，厚度为0.8～1.5μm，光刻并图形化，再用Ir生长上电极层，上电极层厚度为0.2～0.3μm；

[0021] (8)最后在功能层上生长一层引线键合辅助层，厚度为0.6～0.8μm，光刻并图形化，材质为Al。

[0022] 进一步，步骤(4)所述金属为铱和铝。

[0023] 进一步，所述步骤(2)形成空腔是利用BHF腐蚀SiO2层，TMAH腐蚀结构层衬底；利用TMAH湿法腐蚀时的自停止腐蚀形成对位标记。

[0024] 进一步，步骤(5)所述晶种层厚度为200nm。

[0025] 进一步，，所述布拉格反射层、晶种层和辅助层生长方式采取磁控溅射方式生长。

[0026] 结构层衬底以热氧化生长是SiO2层为掩蔽层，通过特定工艺实现结构层衬底上面形成空腔，与布拉格反射层相结合，结构层衬底2下面形成对位标记。

[0027] 本发明的有益效果在于：1.本发明可以克服传统牺牲层工艺或背部镂空工艺的不足，如易造成空腔内的残留或粘连从而造成器件性能大幅衰减；2.氮化铝钪(ScAlN)压电薄膜能够在保持ALN压电薄膜固有物理属性的同时，可提高静态D33压电系数及机电耦合系数，利用本发明，可以有效克服由于Sc元素的存在使得湿法图形化ScAlN薄膜时，电极表面有残留使得器件内阻增大，性能下降等缺陷，提高器件性能，如机电耦合系数及品质因数等。

附图说明

[0028] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0029] 图1为硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的结构示意图；

[0030] 图2为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器器件制备步骤1)示意图；

[0031] 图3为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤2)示意图；

[0032] 图4为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤3)示意图；

[0033] 图5为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤4)示意图；

[0034] 图6为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤5)示意图；

[0035] 图7为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤6)示意图；

[0036] 图8为实施例1硅基ScAlN薄膜GHz新型谐振器制备步骤7)示意图。

具体实施方式

[0037] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

[0038] 实例1：

[0039] 硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：

[0040] 1)取4英寸N型硅片(100面)为结构层衬底2，其厚度为300μm，双面分别热氧化结构层衬底2，使其上下表面分别形成厚度为200nm的SiO2层，即上表面氧化层和下表面氧化层，统称氧化层3，如图2所示，左边为侧面结构示意图，右边为从正上面看示意图，以下均同；

[0041] 2)光刻，BHF(氢氟酸蚀刻液)腐蚀在上部SiO2层3，TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀结构层衬底2，上面形成空腔(深度3μm)，空腔宽度为600μm；下表面氧化层与空腔相反方向形成对位标记(利用TMAH腐蚀的自停止特性)，对位标记宽15μm；如图3所示；取4英寸N型硅片(100面)作为器件层衬底1，与结构层衬底2键合，退火，减薄至器件层40μm，抛光，如图4所示；

[0042] 3)在器件层衬底1上依次生长Al/Ir/Al/Ir层并图形化，形成布拉格反射层，单层铱或铝膜层厚度为20nm；再在布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为200nm，并图形化，如图5所示；

[0043] 4)生长Al层作为ScAlN湿法图形化的辅助层8，厚度为350nm，如图6所示；

[0044] 5)辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层9，厚度为0.8～1.5μm，光刻并图形化，再用Ir生长上电极层7，上电极层厚度为0.2～0.3μm，如图7所示；

[0045] 6)生长Al层，光刻并图形化，形成引线键合辅助层10，厚度为0.6μm，如图8所示。

[0046] 对位标记主要作用为空腔定位：背面对准时，标识空腔的具体位置；

[0047] 器件层衬底1具体厚度可根据设计器件的谐振频率而定；

[0048] 步骤(5)中辅助层作用主要为湿法腐蚀时，可将ScAlN薄膜去除干净。

[0049] 由实施例1制备的硅基ScAlN薄膜GHz谐振器结构如图1所示，由上而下依次包含引线键合辅助层10、上电极层7、功能层9、辅助层8、晶种层6、布拉格反射层、器件层衬底1、氧化层3、结构层衬底2和氧化层3；所述布拉格反射层由金属铝层4和金属铱层5交替而成，所述结构层衬底与器件层衬底形成空腔，布拉格反射层位于空腔正上方，辅助层作为功能层图形化的辅助层和功能层并列设置在晶种层之上。

[0050] 器件层衬底和结构层衬底大小一致；布拉格反射层各金属层与晶种层大小一致并窄于器件层衬底10～30μm；辅助层作为功能层图形化的辅助层和功能层并列在晶种层之上，且二者宽度和晶种层一致，上电极层和引线键合辅助层大小一致并窄于功能层1～10μm。

[0051] 空腔的大小由空腔内的真空度、器件层的厚度决定。

[0052] 其中，所述器件层衬底1和结构层衬底2采用高阻硅片，厚度均为300～500μm，其中器件层衬底厚度可小于结构层衬底；

[0053] 氧化层3采用热氧化的方式生长，厚度为200～350nm；

[0054] 布拉格反射层为Ir和Al交替生长，采用磁控溅射的方式生长，膜层厚度均匀性小于1％，单层厚度为15～30nm；

[0055] 辅助层及晶种层也采用磁控溅射的方式，辅助层厚度300～500nm，晶种层厚度160～300nm。

[0056] 该谐振器通过布拉格反射层与空腔型结构的有机结合，可最大限度地抑制声波损耗，提高器件的性能。

[0057] 实例2：

[0058] 硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：

[0059] 1)取4英寸N型硅片(100面)为结构层衬底2，其厚度为500μm，双面分别热氧化结构层衬底2，使其上下表面分别形成厚度为250nm的SiO2层3；

[0060] 2)光刻，BHF腐蚀在上面SiO2层3，TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀结构层衬底2，上面形成空腔(深度5μm)，空腔宽度为800μm；下表面氧化层形成对位标记(利用TMAH腐蚀的自停止特性)；对位标记宽15μm；

[0061] 3)取4英寸N型硅片(100面)作为器件层衬底1，与结构层衬底2键合，退火，减薄至器件层衬底100μm，抛光；

[0062] 4)在器件层衬底1上依次生长Al/Ir/Al/Ir/Al/Ir层并图形化，形成布拉格反射层，单层铱或铝膜层厚度为30nm；再在布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为300nm，并图形化；

[0063] 5)生长Al层作为ScAlN湿法图形化的辅助层，厚度为450nm；

[0064] 6)辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层，厚度为0.9μm，光刻并图形化，再用Ir生长上电极层，上电极层厚度为0.2μm；

[0065] 7)生长Al层，光刻并图形化，形成引线键合辅助层10，厚度为0.3μm。

[0066] 实例3：

[0067] 硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：

[0068] 1)取4英寸N型硅片(100面)为结构层衬底2，其厚度为400μm，双面分别热氧化结构层衬底2，使其上下表面分别形成厚度为250nm的SiO2层3；

[0069] 2)光刻，BHF腐蚀在上面SiO2层3，TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀结构层衬底2，上面形成空腔(深度10μm)，空腔宽度为600μm；下表面氧化层形成对位标记(利用TMAH腐蚀的自停止特性)，对位标记宽10μm；

[0070] 3)取4英寸N型硅片(100面)作为器件层衬底1，与结构层衬底2键合，退火，减薄至器件层衬底150μm，抛光；

[0071] 4)在器件层衬底1上依次生长Al/Ir/Al/Ir层并图形化，形成布拉格反射层，单层铱或铝膜层厚度为30nm；再在布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为200nm，并图形化；

[0072] 5)生长Al层作为ScAlN湿法图形化的辅助层，厚度为300nm；

[0073] 6)辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层，厚度为1.2μm，光刻并图形化，再用Ir生长上电极层，上电极层厚度为0.3μm；

[0074] 7)生长Al层，光刻并图形化，形成引线键合辅助层10，厚度为0.5μm。

[0075] 实例4：

[0076] 硅基ScAlN薄膜GHz谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：

[0077] 1)取4英寸N型硅片(100面)为结构层衬底2，其厚度为400μm，双面分别热氧化结构层衬底2，使其上下表面分别形成厚度为250nm的SiO2层3；

[0078] 2)光刻，BHF腐蚀在上面SiO2层3，TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀结构层衬底2，上面形成空腔(深度10μm)，空腔宽度为600μm；下表面氧化层形成对位标记(利用TMAH腐蚀的自停止特性)；对位标记宽30μm

[0079] 3)取4英寸N型硅片(100面)作为器件层衬底1，与结构层衬底2键合，退火，减薄至器件层衬底150μm，抛光；

[0080] 4)在器件层衬底1上依次生长Al/Ir/Al/Ir/Al/Ir/Al/Ir层并图形化，形成布拉格反射层，单层铱或铝膜层厚度为20nm；再在布拉格反射层之上生长一层钼，形成晶种层，厚度为200nm，并图形化；

[0081] 5)生长Ti层作为ScAlN湿法图形化的辅助层8，厚度为300nm；

[0082] 6)辅助层之上生长ScAlN膜，形成功能层，厚度为1.2μm，光刻并图形化，再用Ir生长上电极层7，上电极层厚度为0.3μm；

[0083] 7)生长Al层，光刻并图形化，形成引线键合辅助层10，厚度为0.5μm。

[0084] 布拉格反射层也可以由其他两种声阻抗差值在所述两种金属的声阻抗差值为6×6 2 6 2
10g/cms-10×10g/cms范围内的金属制备，这样才能较大程度上抑制声耗损失。布拉格反射层小于器件层衬底。

[0085] 以上技术方案中，除N型硅片(100面)外，其余针对不同的体声波器件要求不同的本领域技术人员公知的硅片都可以实施。

[0086] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。