体声波谐振器及其制造方法技术

一种BAW谐振器，包括：压电膜阵列，包括在衬底与盖帽层之间的多个压电膜，垂直方向上相邻压电膜之间、压电膜与盖帽层之间以及压电膜与衬底之间具有多个第一空腔，水平的第一方向上相邻压电膜之间具有共用的第二空腔，水平的第二方向上相邻压电膜之间具有共用的第三空腔；多个电极层，至少覆盖每个压电膜的顶面和底面；多个电极互连层，沿第三空腔侧面连接压电膜底面的电极层；接触区，位于盖帽层中以电连接顶部压电膜的顶部电极层。依照本发明专利技术的BAW谐振器及其制造方法，采用CMOS兼容工艺制造了其中多个空腔包围压电膜的立体谐振器，并在盖帽层中通过离子深注入形成电连接压电膜顶部电极的接触区，减小了封装体积，降低了界面电阻。

【技术实现步骤摘要】
体声波谐振器及其制造方法
本专利技术涉及一种体声波(BAW)谐振器及其制造方法，特别是一种兼容CMOS工艺的BAW谐振器、封装结构及其制造方法。
技术介绍
在无线通讯中，射频滤波器作为过滤特定频率信号的中介，用于减少不同频段的信号干扰，在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能。随着4GLTE网络的部署和市场的增长，射频前端的设计朝着小型化、低功耗和集成化的方向发展，市场对滤波性能的要求也越来越高。由于薄膜体声波谐振器(FilmBulkAcousticResonator，简称“FBAR”，也称“体声波”，BulkAcousticWave，简称“BAW”，)具有尺寸小、工作频率高、功耗低、品质因数(Q值)高、直接输出频率信号、与CMOS工艺兼容等特点，目前已经成为射频通讯领域重要的器件被广泛应用。FBAR是制作在衬底材料上的电极——压电膜——电极的三明治结构的薄膜器件。FBAR的结构有空腔型、布拉格反射型(SMR)和背面刻蚀型。其中空腔型FBAR相对SMR型Q值要高，损耗要小，机电耦合系数要高；相对于背面刻蚀型FBAR不需要去掉大面积的衬底，机械强度较高。因此，空腔型FBAR是集成于CMOS器件上的首选。然而，由于制造复杂，现有的BAW滤波器和体声谐振器(BAR)被制造为独立的平面型或二维(2D)布局的装置。也就是说，BAW滤波器和体声谐振器(BAR)并未被提供为与其他的CMOS、BIiCMOS、SiGeHBT和/或无源器件集成的结构，从而，导致更高的制造成本和增加的制造工艺。此外，作为独立器件的2DBAW谐振器体积、面积均较大，集成度较低，难以与其驱动电路采用CMOS工艺制造在相同芯片上，更难以与FinFET、NAND存储器等3D器件一起集成。而如果采用3D封装技术将多个2DBAW谐振器层叠在一起，虽然能有效提高集成度，但是每个芯片均需要采用接合(bonding)、背面研磨减薄(grinding)以及穿硅通孔(TSV)技术以减小封装高度，工艺复杂且需要极高的对准精度，制造成本高。此外，这种3D封装还存在布线复杂、寄生阻抗大的问题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种克服以上技术障碍的兼容CMOS工艺的BAW谐振器及其制备方法。本专利技术提供了一种体声波(BAW)谐振器，包括：压电膜阵列，包括在芯片的衬底与上方盖帽层之间的多个压电膜，垂直方向上相邻压电膜之间、压电膜与盖帽层之间以及压电膜与衬底之间具有多个第一空腔，水平的第一方向上相邻压电膜之间具有共用的第二空腔，水平的第二方向上相邻压电膜之间具有共用的第三空腔；多个电极层，至少覆盖每个压电膜的顶面和底面；多个电极互连层，沿第三空腔侧面连接压电膜底面的电极层；离子注入形成的接触区，位于盖帽层中，电连接顶部压电膜的顶部电极层。其中，每个第一空腔与共用的第三空腔之间具有电极层、第一隔离层和电极互连层；任选地，电极层和第二隔离层包围每个第一空腔；任选地，接触区之上进一步具有层间介质层以及层间介质层中的布线层，优选地层间介质层之上具有金属间介质层以及至少一层再布线层，优选地金属间介质层和再布线层之上具有焊垫和钝化层，优选地层间介质层深入第二、第三空腔的深度小于等于盖帽层厚度的1/3；任选地，接触区上具有欧姆接触层。其中，衬底和/或盖帽层材料选自体Si、绝缘体上硅(SOI)、体Ge、GeOI、GaN、GaAs、SiC、InP、GaP，并优选地衬底与盖帽层材料相同；任选地，电极层和/或电极互连层和/或焊垫的材料为选自Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg的金属单质、这些金属的合金、这些金属的导电氧化物或导电氮化物、以及其任意组合；任选地，压电膜的材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT；任选地，第一隔离层和/或第二隔离层的材料为SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG或其任意组合，并优选地第一隔离层和第二隔离层材料相同；任选地，欧姆接触层为金属硅化物或金属锗化物；任选地，层间介质层和/或金属间介质层为低k材料；任选地，钝化层的材料为氧化硅、氮化硅材质或有机树脂。本专利技术还提供了一种体声波(BAW)谐振器制造方法，包括以下步骤：在衬底上形成交替层叠的多个牺牲层和多个压电层；在顶部的牺牲层上形成盖帽层，并在盖帽层上形成硬掩模；依次刻蚀前述各个层直至暴露衬底，形成沿第一方向延伸的多个第一开口；在每个开口中形成第一隔离层；刻蚀直至暴露衬底，形成沿第二方向延伸的多个第二开口；通过第二开口去除多个牺牲层，留下的相邻压电层之间、压电层与盖帽层之间、以及压电层与衬底之间具有多个第一空腔；通过第二开口至少在压电层的顶面和底面形成多个电极层；在第一开口中形成连接压电层底部电极的电极互连层；在盖帽层中离子注入形成接触区以电连接顶部压电层的顶部电极层。其中，在每个第一空腔与共用的第三空腔之间形成电极层、第一隔离层和电极互连层；任选地，形成电极层和第二隔离层包围每个第一空腔；任选地，驱动晶体管之上进一步形成层间介质层以及层间介质层中的布线层，优选地在层间介质层之上形成金属间介质层以及至少一层再布线层，更优选地在金属间介质层和再布线层之上形成焊垫和钝化层，优选地层间介质层深入第二、第三空腔的深度小于等于盖帽层厚度的1/3；任选地，形成布线层之后执行退火使得金属与接触区的半导体材料反应形成欧姆接触层。其中，衬底和/或盖帽层材料选自体Si、绝缘体上硅(SOI)、体Ge、GeOI、GaN、GaAs、SiC、InP、GaP，并优选地衬底与盖帽层材料相同；任选地，电极层和/或电极互连层和/或焊垫的材料为选自Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg的金属单质、这些金属的合金、这些金属的导电氧化物或导电氮化物、以及其任意组合；任选地，压电膜的材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT；任选地，第一隔离层和/或第二隔离层的材料为SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG或其任意组合，并优选地第一隔离层和第二隔离层材料相同；任选地，欧姆接触层为金属硅化物或金属锗化物；任选地，层间介质层和/或金属间介质层为低k材料；任选地，钝化层的材料为氧化硅、氮化硅材质或有机树脂。其中，利用掩模选择性执行离子注入工艺并随后执行第一退火以形成接触区。其中，形成欧姆接触层的工艺包括：在源区和漏区上形成金属层，执行第二退火使得金属层与盖帽层的半导体材料反应形成金属硅化物或金属锗化物，优选地金属层为W、Co、Pt、Ti、Ni、Ta的任一种及组合。其中，执行第二退火进一步包括：步骤a1)，以第一温度执行低温退火使得金属层与接触区的半导体材料反应形成富硅或富锗化合物；步骤a2)，以第二温度执行高温退火使得富硅或富锗化合物转变为低阻态，其中第二温度高于第一温度。优选地，步骤a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种体声波(BAW)谐振器，包括：/n压电膜阵列，包括在芯片的衬底与上方盖帽层之间的多个压电膜，垂直方向上相邻压电膜之间、压电膜与盖帽层之间以及压电膜与衬底之间具有多个第一空腔，水平的第一方向上相邻压电膜之间具有共用的第二空腔，水平的第二方向上相邻压电膜之间具有共用的第三空腔；/n多个电极层，至少覆盖每个压电膜的顶面和底面；/n多个电极互连层，沿第三空腔侧面连接压电膜底面的电极层；/n离子注入形成的接触区，位于盖帽层中，电连接顶部压电膜的顶部电极层。/n

【技术特征摘要】
1.一种体声波(BAW)谐振器，包括：
压电膜阵列，包括在芯片的衬底与上方盖帽层之间的多个压电膜，垂直方向上相邻压电膜之间、压电膜与盖帽层之间以及压电膜与衬底之间具有多个第一空腔，水平的第一方向上相邻压电膜之间具有共用的第二空腔，水平的第二方向上相邻压电膜之间具有共用的第三空腔；
多个电极层，至少覆盖每个压电膜的顶面和底面；
多个电极互连层，沿第三空腔侧面连接压电膜底面的电极层；
离子注入形成的接触区，位于盖帽层中，电连接顶部压电膜的顶部电极层。


2.根据权利要求1的BAW谐振器，其中，每个第一空腔与共用的第三空腔之间具有电极层、第一隔离层和电极互连层；任选地，电极层和第二隔离层包围每个第一空腔；任选地，接触区之上进一步具有层间介质层以及层间介质层中的布线层，优选地层间介质层之上具有金属间介质层以及至少一层再布线层，优选地金属间介质层和再布线层之上具有焊垫和钝化层，优选地层间介质层深入第二、第三空腔的深度小于等于盖帽层厚度的1/3；任选地，接触区上具有欧姆接触层。


3.根据权利要求1或2的BAW谐振器，其中，衬底和/或盖帽层材料选自体Si、绝缘体上硅(SOI)、体Ge、GeOI、GaN、GaAs、SiC、InP、GaP，并优选地衬底与盖帽层材料相同；任选地，电极层和/或电极互连层和/或焊垫的材料为选自Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg的金属单质、这些金属的合金、这些金属的导电氧化物或导电氮化物、以及其任意组合；任选地，压电膜的材料为ZnO、AlN、BST、BT、PZT、PBLN、PT；任选地，第一隔离层和/或第二隔离层的材料为SiOx、SiOC、SiOC、SiOF、SiFC、BSG、PSG、PBSG或其任意组合，并优选地第一隔离层和第二隔离层材料相同；任选地，欧姆接触层为金属硅化物或金属锗化物；任选地，层间介质层和/或金属间介质层为低k材料；任选地，钝化层的材料为氧化硅、氮化硅材质或有机树脂。


4.一种体声波(BAW)谐振器制造方法，包括以下步骤：
在衬底上形成交替层叠的多个牺牲层和多个压电层；
在顶部的牺牲层上形成盖帽层，并在盖帽层上形成硬掩模；
依次刻蚀前述各个层直至暴露衬底，形成沿第一方向延伸的多个第一开口；
在每个开口中形成第一隔离层；
刻蚀直至暴露衬底，形成沿第二方向延伸的多个第二开口；
通过第二开口去除多个牺牲层，留下的相邻压电层之间、压电层与盖帽层之间、以及压电层与衬底之间具有多个第一空腔；
通过第二开口至少在压电层的顶面和底面形成多个电极层；
在第一开口中形成连接压电层底部电极的电极互连层；
在盖帽层中离子注入形成接触区以电连接顶部压电层的顶部...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴明，唐兆云，杨清华，赖志国，王家友，
申请(专利权)人：苏州汉天下电子有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32