GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层、第一功能层、第一公共地电极层、第二公地电极层、晶种层、顶层SiO2层、第二功能层、中间夹层SiO2层、结构层和第一Al层，所述IDT层图形化后形成叉指电极和位于叉指电极两端的反射栅；该谐振器还包括第一介质保护层，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层。本发明专利技术通过晶种层的生长，一方面可提高公共电极生长的择优取向，增加电极层与介质层的粘附性，同时，可提高功能层的结晶度。

GHz silicon based ScAlN thin film resonator and manufacturing process thereof

The invention discloses a silicon GHz ScAlN thin film resonator, including top-down sequential IDT layer, the first layer, the first function common electrode layer, second common electrode layer, a seed layer, the top second SiO2 layer, function layer, SiO2 layer, interlayer structure layer and a first Al layer, the IDT layer the graphical form of interdigital electrodes and in interdigital reflection at both ends of the gate electrode; the resonator also includes a first dielectric protection layer, a first dielectric protective layer covered on the part of the IDT layer, partially covers the functional layer; the first dielectric protection layer is arranged on the array window; the first dielectric protection layer is arranged on the upper electrode layer, the upper electrode layer includes second Al layer covered on the array window side wall and the bottom wall and the third layer is composed of Al array window edge extends outward to form the. The invention can improve the preferred orientation of the growth of the common electrode and increase the adhesion of the electrode layer and the dielectric layer through the growth of the seed layer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可再生资源领域，涉及到将振动能转换为电能的微能源技术，尤其是一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作工艺，属于基于MEMS技术的微能源

技术介绍
物联网技术的发展使得各种谐振器及传感器的需求剧增，目前成熟的诸多谐振器及传感器已经不能满足特定复杂环境下的使用需求，如高温、频率精确可控、高速信息传输及酸性环境中。这对谐振器及传感器的品质及可靠性提出了更高的要求。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作工艺，该工艺在提高MEMS谐振器及传感器品质的同时，也可提高其稳定性和可靠性。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案实现的，一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层6、功能层5、第一公共地电极层4、第二公地电极层3、晶种层2、第一介质层1、第二功能层8、中间夹层SiO2层10、结构层9和第一Al层12，所述IDT层图形化后形成叉指电极61和位于叉指电极两端的反射栅62；该谐振器还包括第一介质保护层7，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层向下凹陷形成；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层向功能层方向凹陷形成。进一步，所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层一端的第一窗口和设置于第一介质保护层另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层腐蚀至第一公共地电极层形成，所述第二窗口由第一介质保护层腐蚀至IDT层形成。进一步，所述腔体由第一Al层刻蚀至功能层形成。本专利技术的目的之二是通过以下技术方案实现的，GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的制作工艺，包括以下步骤：步骤(1)在基底材料的双面热氧化生长顶层SiO2层1和底层SiO2层1’，所述基底材料包括由上至下排列的第二功能层8、中间夹层10和结构层9；步骤(2)在顶层SiO2层磁控溅射依次生长晶种层2、第一公共地电极层4和第二公地电极层3；步骤(4)生长第一功能层5；步骤(5)在第一功能层上采用剥离工艺制备IDT层6并图形化；步骤(6)在第一功能层上通过PECVD制备第一介质保护层7并图形化；步骤(7)磁控溅射生长上电极层11并图形化；步骤(8)在结构层9上生长第一Al层12，并图形化，感应耦合等离子刻蚀至中间夹层SiO2层；步骤(9)在步骤8的基础上反应离子刻蚀去除第二功能层形成腔体。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：1.本专利技术提出的一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其工艺实现方法，通过晶种层的生长，一方面可提高公共电极生长的择优取向，增加电极层与介质层的粘附性，同时，可提高功能层的结晶度；2.本专利技术所提出的增加公共地电极的硅基ScAlN薄膜谐振器，如SAW谐振器，可很大程度上消除或抑制谐振器及传感器对周围的静电放电或电压脉冲的破坏的感知度，从而提高谐振器及传感器的可靠性，因此具有抗干扰能力强等优点；3.本专利技术所提出的增加公共地电极的材料，若采用Mo/Ti/Pt复合电极材料，则会在改善提高ScAlN压电薄膜结晶性的同时，具有耐高温的特性；压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜材料；4.本专利技术所提出的多层介质保护层，可极大程度地消除或降低谐振器对由于周围环境如空气温湿度变化及自然氧化作用而造成的频率飘移的感知度，从而提高谐振器及传感器的稳定性；5.本专利技术提出的在第一介质保护层与地电极连通时，开出阵列窗口，可降低欧姆接触，大大提高器件良率。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的结构图；图2为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的三视图；图3为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的制作方法流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。如图1～3所示，一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层6、功能层5、第一公共地电极层4、第二公地电极层3、晶种层2、第一介质层1、第二功能层8、中间夹层SiO2层10、结构层9和第一Al层12，所述IDT层图形化后形成叉指电极61和位于叉指电极两端的62；该谐振器还包括第一介质保护层7，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层向下凹陷形成；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层向功能层方向凹陷形成。在本专利技术中，所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层一端的第一窗口和设置于第一介质保护层另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层腐蚀至第一公共地电极层形成，所述第二窗口由第一介质保护层腐蚀至IDT层形成。在本专利技术中，第一窗口和第二窗口沿长度方向排列，第一窗口包括若干个窗口单元，窗口单元沿宽度方向排列，所述第二窗口包括若干个窗口单元，窗口单元沿宽度方向排列。其中第一窗口靠近其中一个反射栅62设置，第二窗口位于另一个反射栅62的上方。在本专利技术中，所述腔体由第一Al层刻蚀至第二功能层形成。腔体刻蚀完成包括两步，第一步先由第一Al层刻蚀至中间夹层SiO2层，第二步再由中间夹层SiO2层刻蚀至第二功能层。本专利技术以小型轻质化体声波滤波器(BAW)为突破口，采用MEMS技术，使得叉指换能器(IDT)的间距可缩小至0.32um，达到GHz频率要求，可提高传感器的灵敏度；一方面，通过公共地电极的设置，可很大程度上消除或抑制谐振器及传感器对周围的静电放电或电压脉冲的破坏的感知度，从而提高谐振器及传感器的可靠性；另一方面，通过对各个功能层进行介质层保护，可以消除或降低谐振器对由于周围环境如空气温湿度变化及自然氧化作用而造成的频率飘移的感知度，从而提高谐振器及传感器的稳定性。再一方面，功能层采用掺钪(Sc)元素的氮化铝(AlN)薄膜，且为使功能层的AlN薄膜具有良好的择优取向，在公共电极层下进行了种子层的生长，可大大提高器件的机电耦合系数。本专利技术还提供一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器制作工艺，包括以下步骤：步骤(1)在基底材料的双面热氧化生长顶层SiO2层1和底层SiO2层1’；其中基底材料为SOI基片，其厚度为500um，顶层SiO2层与底层SiO2层的厚度为300nm，所述基底材料包括由上至下排列的第二功能层(顶层Si层，厚度为40～60um)8、中间夹层(SiO2层，厚度为1um)10和结构层(底层Si层，厚度为450um)9，如图3a、3b所示，步骤(2)在顶层SiO2层磁控溅射依次生长晶种层2、第一公共地电极层4和第二公地电极层3；如图3c所示，其中晶种层为AlN，厚度为20nm，下电极Mo层，厚度为200nm(仅耐高温器件需要，未画出)，第一公共地电极层为Pt层，厚度为120nm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，其特征在于：包括由上至下依次排列的IDT层(6)、第一功能层(5)、第一公共地电极层(4)、第二公地电极层(3)、晶种层(2)、顶层SiO2层(1)、第二功能层(8)、中间夹层SiO2层(10)、结构层(9)和第一Al层(12)，所述IDT层图形化后形成叉指电极(61)和位于叉指电极两端的反射栅(62)；该谐振器还包括第一介质保护层(7)，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层向下凹陷形成；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层向功能层方向凹陷形成。

【技术特征摘要】
1.一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，其特征在于：包括由上至下依次排列的IDT层(6)、第一功能层(5)、第一公共地电极层(4)、第二公地电极层(3)、晶种层(2)、顶层SiO2层(1)、第二功能层(8)、中间夹层SiO2层(10)、结构层(9)和第一Al层(12)，所述IDT层图形化后形成叉指电极(61)和位于叉指电极两端的反射栅(62)；该谐振器还包括第一介质保护层(7)，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层向下凹陷形成；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层向功能层方向凹陷形成。2.根据权利要求1所述的GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，其特征在于：所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层一端的第一窗口和设置于第一介质保护层另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层腐蚀至第一公...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚正国，牟笑静，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50