垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器技术

本发明专利技术公开了垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，依次包括硅衬底、空腔和压电堆叠结构，所述空腔形成于硅衬底和压电堆叠结构之间；所述压电堆叠结构包括底电极、压电材料纳米柱阵列、纳米柱侧壁隔离层、制作在纳米柱侧壁隔离层外的间隙填充层、顶电极。本发明专利技术的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器能有效释放压电材料生长中所积累的应力，减少材料内部缺陷，有效抑制除纵向振动外的其他寄生振动模式，实现低杂波高Q值FBAR。

【技术实现步骤摘要】
垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器
本专利技术涉及体声波谐振器，特别涉及一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器。
技术介绍
很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化可以让系统更加轻便和有效，另一方面，日益发展的IC制造技术可以用更低的成本生产出大批量的小型产品。基于薄膜体声波谐振器（filmbulkacousticresonator,FBAR）技术的滤波器相较于传统的介质陶瓷滤波器、SAW滤波器，具有工作频率高、功率容量大、损耗低、体积小、温度稳定性好以及可与射频集成电路(radiofrequencyintegratedcircuit，RFIC)或微波单片电路(microwavemonolithicintegratedcircuit，MMIC)集成的优点。因此，FBAR是今后很长一段时间内无线终端射频前端的理想解决方案。薄膜体声波谐振器采用金属电极-压电薄膜-金属电极的三明治结构，其工作原理如图1所示，可简述为：当在两电极上施加一交变电压时，在压电薄膜内会形成交变电场，压电薄膜由于压电效应而形变，从而激发出体声波。这时在薄膜内的体声波沿着薄膜厚度方向传播，并在两电极之间来回反射，当体声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振。其中谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他不满足谐振条件的声信号就会衰减，与谐振频率相差越远的声信号衰减得越快。单个薄膜体声波谐振器只是在某个频点产生谐振，不能称之为滤波器。将多个薄膜体声波谐振器通过某种方式级联、桥接或耦合在一起就可以构成满足一定需求的带通滤波器，其中级联方式最为常用。目前制备FBAR压电层的主流工艺是在电极薄膜上磁控溅射AlN压电薄膜，而由于AlN薄膜与电极之间存在较大的晶格失配和热失配，导致在生长薄膜时应力过大而产生缺陷，并引起晶圆片翘曲或产生裂纹。不但加大器件加工难度，减小器件良率，同时也削弱了器件性能。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的之一在于提供一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，并可通过级联、桥接等方式设计出带通滤波器。本专利技术的目的之二在于提供上述垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的制备方法。本专利技术的目的之三在于提供一种滤波器。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，依次包括硅衬底、空腔和压电堆叠结构，所述空腔形成于硅衬底和压电堆叠结构之间；所述压电堆叠结构包括底电极、压电材料纳米柱阵列、纳米柱侧壁隔离层、制作在纳米柱侧壁隔离层外的间隙填充层、顶电极。所述空腔为上凸或下凹的空腔。当所述空腔为上凸的空腔时，所述压电堆叠结构还包括位于底电极之下的支撑层，所述支撑层与硅衬底之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔。所述垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：（1）利用刻蚀技术在硅衬底的顶表面制备一个凹槽；（2）在凹槽中填满牺牲层材料；（3）在牺牲层材料之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；（4）在底电极之上制备压电材料纳米柱阵列；（5）在压电材料纳米柱阵列周围生长一层纳米柱侧壁隔离层；（6）在纳米柱间隙中旋涂一层电介质，使其完全覆盖纳米柱阵列顶端，作为间隙填充层；（7）利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀电介质层，直至完全露出纳米柱阵列的顶端，形成基片；（8）在基片之上刻蚀通孔，露出底电极，并沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述底电极、基片、顶电极形成压电堆叠结构；（9）在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到垂直结构纳米柱薄膜体声波谐振器。所述垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：（1）在硅衬底沉积一层牺牲层，并刻蚀形成牺牲层凸起；（2）在牺牲层之上制备一层支撑层；（3）在支撑层之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；（4）在底电极之上制备压电材料纳米柱阵列；（5）在压电材料纳米柱阵列周围生长一层纳米柱侧壁隔离层；（6）在纳米柱间隙中旋涂一层电介质，使其完全覆盖纳米柱阵列顶端，作为间隙填充层；（7）利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀电介质层，直至完全露出纳米柱阵列的顶端，形成基片；（8）在基片之上刻蚀通孔，露出底电极，并沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述支撑层、底电极、基片、顶电极形成压电堆叠结构；（9）在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器。滤波器，包含所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：本专利技术的薄膜体声波谐振器采用压电材料纳米柱阵列替代传统的压电薄膜，纳米柱阵列结构能够有效的释放材料生长中所积累的应力，减少材料内部缺陷，从而提高器件性能；此外，由于纳米柱阵列间隙采用具体极低声阻抗的电介质进行填充，有效抑制除纵向振动外的其他寄生振动模式，实现低杂波高Q值FBAR。附图说明图1为本专利技术的实施例1的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的剖视图。图2为本专利技术的实施例2的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的光刻、刻蚀牺牲层后的剖视图。图3为本专利技术的实施例2的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的剖视图。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1。本实施例的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，通过以下制备方法制备：1、在硅衬底1表面刻蚀一个凹槽，槽深30μm，然后PECVD沉积Si3N4衬底保护层2，厚度为200nm，以保护硅衬底。2、在Si3N4之上PECVD沉积一层PSG（磷石英玻璃）作为牺牲层。3、通过CMP工艺对牺牲层进行表面抛光。4、在抛光后的表面通过直流磁控溅射沉积一层Mo底电极4，厚度为200nm，并通过lift-off技术进行图形化。5、采用选择区域生长技术、高Ⅴ-Ⅲ比自下而上生长技术，或利用纳米模板自上而下刻蚀技术制备AlN纳米柱阵列5，该纳米柱的直径为30nm-900nm，高度为0.5μm-5μm。5、利用LPCVD或PECVD在AlN纳米柱阵列5的纳米柱周围生长一层纳米柱侧壁隔离层6，所述纳米柱侧壁隔离层6的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm。6、在AlN纳米柱阵列5的间隙中旋涂一层电介质层7，使其完全覆盖AlN纳米柱阵列5的顶端，并具有平整的上表面，所述电介质层7为旋涂电介质硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亚胺。7、利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀电介质层7，直至完全露出AlN纳米柱阵列5顶端，形成基片，所述干法刻蚀为F基或Cl基反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）或电子回旋共振反应离子刻蚀（ECR-RIE）系统。8、在基片之上通过干法刻蚀出通孔，露出Mo底电极4，通过电子束蒸发沉积一层厚度为100nm厚的Mo顶电极8，并通过lift-off技术进行图形化。所述底电极4、基片、顶电极8形成压电堆叠结构。9、刻蚀出牺牲层释放通孔，用XeF2（氟化氙）气体通过牺牲层释放通孔，获得空腔3。最终得到垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，如图1所示。本实施例的滤波器，包括本实施例的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器。由两个串联薄膜体声波谐振器及一个并联薄膜体声波谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，其依次包括硅衬底、空腔和压电堆叠结构，所述空腔形成于硅衬底和压电堆叠结构之间；所述压电堆叠结构包括底电极、压电材料纳米柱阵列、纳米柱侧壁隔离层、制作在纳米柱侧壁隔离层外的间隙填充层、顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，其依次包括硅衬底、空腔和压电堆叠结构，所述空腔形成于硅衬底和压电堆叠结构之间；所述压电堆叠结构包括底电极、压电材料纳米柱阵列、纳米柱侧壁隔离层、制作在纳米柱侧壁隔离层外的间隙填充层、顶电极。2.根据权利要求1所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空腔为上凸或下凹的空腔。3.根据权利要求1所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，当所述空腔为上凸的空腔时，所述压电堆叠结构还包括位于底电极之下的支撑层，所述支撑层与硅衬底之间形成上凸的空腔。4.根据权利要求1所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电材料纳米柱阵列为C轴择优取向的AlN纳米柱阵列；其中，压电材料纳米柱的直径为30nm-900nm，高度为0.5μm-5μm。5.根据权利要求1所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述纳米柱侧壁隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm。6.根据权利要求1所述的垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述间隙填充层材料为旋涂的电介质硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亚胺。7.一种垂直阵列纳米柱薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：（1）利用刻蚀技术在硅衬底的顶表面制备一个凹槽；（2）在凹槽中填满牺牲层材料；（3）在牺牲层材料之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；（4）在底电极之上制备压电材料纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，刘国荣，李洁，
申请(专利权)人：佛山市艾佛光通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44