一种体声波滤波器及其制作方法

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种体声波滤波器及其制作方法。

背景技术

声学谐振器利用逆压电效应将电信号转换为震动(声)信号，由于谐振器本身特性，使特定频率的震动(声)经过谐振，仅输出该信号。声学谐振器通常包括表面声波(SAW)谐振器、体声波(BAW)谐振器等。

利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的体声波(BAW)谐振器，在高频移动通信领域已成为不可或缺的射频器件。体声波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率容量，较强的抗静电放电(ESD)能力。除此之外，体声波(BAW)谐振器加工兼容CMOS工艺，也有利于最终与电路集成。

然而，SAW谐振器由于叉指电极的尺寸限制，难以突破3GHz的频率上限，在Sub-6G的高频频段应用受限；而BAW谐振器中常见的FBAR谐振器由于多晶AlN薄膜缺陷密度较高，晶体质量较差，性能也受到影响，同时由于牺牲层释放和CMP工艺对谐振器本身造成的损伤，器件良率也相应降低；而获得不同谐振器上不同的谐振频率，现有技术一般是通过控制压电薄膜的厚度，由于电极材料薄膜一般通过溅射设备在整片晶圆制备，因此，目前在同一晶圆上制作的谐振器多采用同一厚度的压电薄膜；而为了不增加工艺复杂度，滤波器制作过程通常仅通过改变不同谐振器上质量负载层来调节谐振器区域的总厚度以获得不同谐振频率的谐振器，进而通过级联形成多级滤波器。

但是，以电极材料形成质量负载，增加了电极的厚度，对谐振器本身的有效机电耦合系数会有负面影响，因此该方法频率调节的范围较低。当遇到双工器及射频前端集成需求，需要多种频率的滤波器时，往往需要先将滤波器分立器件制作出来，在初步封装后再行集成，不利于整个模块面积的减小。

因此，在提高晶体质量、减少器件损伤，进而提高谐振器性能和良率的基础上，如何精确控制谐振/滤波器频率，同时降低集成模块部分的总面积，成为亟待解决的问题。

发明内容

基于此，本发明提供一种体声波滤波器的制作方法，其可以在同一晶圆上制作不同频率的滤波器，可以大大减小集成不同频率滤波器时芯片的面积；如果结合滤波器的共地设计方法，可以使滤波器之间共用地线，进一步减小滤波器集成芯片面积，提高了一片晶圆上的芯片产量。同时，由于可将集成芯片需求的不同频率滤波器集成在一起，可以实现不同频率滤波器的整体封装，而不用采用分立器件封装后再集成封装的形式，节省了封装材料，降低了封装成本。

一种体声波滤波器的制作方法，包括以下步骤：

根据第1谐振器至第n谐振器的设计频率确定相对应压电层的设计厚度，n≥2；

在晶圆衬底上形成第1谐振器至第n谐振器的空气腔、牺牲层、种子层、底电极层和厚度为T压电层，T≥第1谐振器至第n谐振器压任一压电层的设计厚度；

采用Ar+离子束将第1谐振器至第n谐振器的压电层厚度修整至设计厚度，形成具有不同厚度的第1谐振器至第n谐振器的压电层；

在修整后的第1谐振器至第n谐振器压电层上形成顶电极层；

释放牺牲层，得到体声波滤波器。

本发明通过在同一晶圆上形成不同厚度的压电层获得各类不同谐振频率的谐振器，由此可降低体声波谐振器的电极厚度，增加谐振器有效机电耦合系数(kt2eff)，并可减小不同频率滤波器间预留的切片间隔，显著减小滤波器的面积，使集成模块的面积大大缩小。采用Ar+离子束对压电层进行修整可以精确控制压电薄膜厚度和均匀性，制作整体时间短、效率高。

进一步地，采用Ar+离子束修整压电层厚度包括以下步骤：

N从1取至n，分别重复以下过程：

取第N遮挡板，在遮挡板和晶圆衬底的固定位置做好对位标记或者对位标记区，遮挡板完全遮盖晶圆衬底；

在第N遮挡板上的第N谐振器电压层对应的正投影区域开孔；

将第N遮挡板与晶圆衬底进行对位和固定，采用Ar+离子束进行轰击，将第N谐振器的压电层修整至设计厚度；

所述遮挡板采用耐Ar+离子束刻蚀的材料制备。

采用遮挡板对不需要修整的部分进行遮挡，使Ar+离子束对压电层进行精确定位修整，降低对Ar+离子束的定位控制要求。遮挡板上在需要进行修整的区域开孔，Ar+离子束可以从中通过而不受影响，在其余位置则形成对Ar+离子束的阻挡，使得离子束对下方材料的轰击只存在于特定位置。

进一步地，采用Ar+离子束修整压电层厚度包括以下步骤：

取一遮挡板，在遮挡板和晶圆衬底的固定位置做好对位标记或者对位标记区，遮挡板完全遮盖晶圆衬底；

在遮挡板上的第1谐振器至第n谐振器电压层对应的正投影区域分别开孔；

将遮挡板与晶圆衬底进行对位和固定，采用Ar

所述遮挡板采用耐Ar+离子束刻蚀的材料制备。

采用遮挡板对不需要修整的部分进行遮挡，使Ar+离子束对压电层进行精确定位修整，降低对Ar+离子束的定位控制要求。遮挡板上在需要进行修整的区域开孔，Ar+离子束可以从中通过而不受影响，在其余位置则形成对Ar+离子束的阻挡，使得离子束对下方材料的轰击只存在于特定位置。

进一步地，进行Ar+离子束轰击前还包括：对压电层实际厚度进行测量，计算修整厚度，所述修整厚度＝实际厚度－设计厚度，控制Ar+离子束强度和轰击时长，使所述压电层减薄所述修整厚度，得到相应设计厚度的压电层。

根据压电层的实际厚度进行修整提高修整精度，Ar+离子束强度和轰击时长控制由计算机根据实际修整厚度进行控制。

进一步地，所述遮挡板的材质为Pt、陶瓷材料、SiC和SiO2其中一种或多种复合，其可以显著阻挡Ar+离子束的刻蚀效果，遮挡板在使用过程中被刻蚀破坏的部分可以通过涂层的方式补充，进而可以重复利用。

进一步地，采用Ar+离子束对压电层进行修整时，环境真空度不低于10

进一步地，形成第1谐振器至第n谐振器的空气腔、牺牲层、种子层、底电极层和压电层的具体方法为：

清洗晶圆衬底，在晶圆衬底上形成空气腔；

在晶圆衬底上形成牺牲层，采用CMP工艺，使所述牺牲层上表面与所述衬底上表面齐平；

在晶圆衬底和牺牲层上表面依次形成种子层薄膜和底电极层薄膜，对种子层薄膜和底电极层薄膜进行光刻和刻蚀工艺形成底电极图形，所述底电极图形覆盖空气腔部分，露出牺牲层释放通道；

在晶圆衬底、牺牲层和底电极层上表面形成压电层薄膜，对压电层薄膜进行光刻及刻蚀工艺去除底电极层上表面之外的压电层薄膜，得到压电层。

进一步地，采用光刻、干法刻蚀或湿法刻蚀工艺形成所述声反射空气腔；

采用溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、或旋涂工艺形成所述牺牲层；

采用溅射工艺形成所述种子层和所述底电极层。

进一步地，所述牺牲层材料包括掺磷氧化硅、金属或聚合物；所述种子层材料为AlN；所述底电极层材料为Mo、Al和Cu其中一种；所述压电层为c轴择优取向的AlN。

本发明还提供一种体声波滤波器，其采用上述制作方法制作而成。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例一提供的在晶圆衬底上形成空腔后的结构示意图。

图2为实施例一提供的形成牺牲层后的结构示意图。

图3为实施例一提供的形成种子层和底电极层并且进行图形化的结构示意图。

图4为实施例一提供的形成压电层后的结构示意图。

图5为实施例一提供的采用Ar+离子束和遮挡板对一个谐振器压电层进行修整的结构示意图。

图6为实施例一提供的采用Ar+离子束和遮挡板对另一个谐振器压电层进行修整的结构示意图。

图7为实施例一提供的体声波滤波器结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本实施例提供一种体声波滤波器及其制作方法。

参照图1-7，所述体声波滤波器制作方法包括以下步骤：

步骤01，根据第1谐振器至第n谐振器的设计频率确定相对应压电层的设计厚度，n≥2。

参见图1，清洗晶圆衬底1，在晶圆衬底1上形成滤波器101的各种不同谐振器101-1，101-2，…101-n的空气腔2。具体的，可采用光刻、干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺形成所述空气腔2。

步骤02，在晶圆衬底1上形成牺牲层，牺牲层完全填满所述空气腔2。其中，所述牺牲层材料为掺磷氧化硅(PSG)，利用化学气相沉积(CVD)工艺制备牺牲层。

步骤03，参见图2，利用CMP工艺研磨所述衬底表面，去除晶圆衬底1平面上方凸出的牺牲层，使所述牺牲层上表面与所述衬底上表面齐平。

步骤04，参见图3，在晶圆衬底1上表面形成种子层薄膜，在所述种子层薄膜上表面形成底电极层薄膜。对种子层薄膜和底电极层薄膜进行光刻和刻蚀工艺形成底电极图形，得到种子层3和底电极层4，并暴露出牺牲层释放通道9。其中，所述种子层材料可以为AlN，所述底电极层材料可以为Mo、Al和Cu其中一种。

步骤05，在晶圆衬底1、牺牲层2和底电极层4上表面形成压电层薄膜，对压电层薄膜进行光刻及刻蚀工艺去除底电极层上表面之外的部分压电层薄膜，得到压电层5。实施例中，所述压电层为采用磁控溅射生长的c轴择优取向的AlN。

步骤06，根据第1谐振器至第n谐振器的设计频率确定相对应压电层的设计厚度；采用Ar

N从1取至n，分别重复以下过程：

取第N遮挡板，在遮挡板和晶圆衬底的固定位置做好对位标记或者对位标记区，遮挡板能完全遮盖晶圆衬底；

在第N遮挡板上的第N谐振器电压层对应的正投影区域开孔；

对压电层实际厚度进行测量，计算修整厚度，所述修整厚度＝实际厚度－设计厚度；

将第N遮挡板与晶圆衬底进行对位和固定(所述遮挡板固定于晶圆衬底上或者固定于设备上)，采用Ar+离子束7进行轰击，对第N谐振器的压电层进行修整，减薄所述修整厚度，进行修整时，环境真空度不低于10

所述遮挡板采用耐Ar+离子束刻蚀的Pt、陶瓷材料、SiC和SiO

参见图5，采用遮挡板6-2和Ar+离子束7对谐振器101-2的压电层进行修整。

参见图6，采用遮挡板6-n和Ar+离子束7对谐振器101-n的压电层进行修整。

在其他实施例中，可以只采用一块遮挡板对第1谐振器至第n谐振器的压电层进行修整，具体地：

取一遮挡板，在遮挡板和晶圆衬底的固定位置做好对位标记或者对位标记区，遮挡板完全遮盖晶圆衬底；

在遮挡板上的第1谐振器至第n谐振器电压层对应的正投影区域分别开孔；

将遮挡板与晶圆衬底进行对位和固定，采用Ar+离子束对第1谐振器至第n谐振器电压层逐个进行轰击，对第1谐振器至第n谐振器的压电层进行修整，减薄所述修整厚度。

步骤07，参见图7，在压电层5上溅射顶电极层8，通过光刻和刻蚀工艺形成所需图形，形成“三明治”结构，其后通过牺牲层释放通道9释放牺牲层，形成空腔，实现在同一晶圆上制作不同频率的滤波器。

本发明还提供一种体声波滤波器，其采用上述的制作方法制作得到。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。