一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括采用第一次晶圆键合方法制备第一压电薄膜结构，去除第一衬底，并在压电薄膜层表面沉积第二电极，在第二电极表面沉积牺牲层得到第二压电薄膜结构；对第二压电薄膜结构采用第二次晶圆键合方法得到第三压电薄膜结构；减薄第二衬底，在减薄的第二衬底上开窗口至保护层表面得到第一窗口，通过第二窗口在第一电极上沉积金属pad层，通过第三窗口在第二电极上沉积金属pad层，将腐蚀液加入第四窗口腐蚀牺牲层形成空腔，得到最终薄膜体声波谐振器。该方法能够避免制备过程中压电薄膜的崩裂，提升产品良率以及性能。提升产品良率以及性能。提升产品良率以及性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法


[0001]本专利技术属于半导体领域，具体涉及一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法。

技术介绍

[0002]随着移动通讯技术的高速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振器中使用了一种独立体声薄膜，该薄膜只有在其被使用的边缘周围被支撑。底部电极与载体晶圆之间有一个空气腔体，薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。
[0003]薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡器。压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率，膜层的质量决定谐振器的性能，如Q 值、机电耦合系数、FOM值等。
[0004]目前主流压电薄膜如AlN、ZnO等，均采用磁控溅射的方式制备，其厚度均要在500nm以上才能具有较好的薄膜质量，严重限制了器件的工做频率。
[0005]另一方面，上述薄膜内缺陷较多，造成BAW谐振器的损耗较大，Q 值提升困难。随着薄膜制备工艺技术、设备的进步，压电薄膜的制备工艺日趋成熟，能够制备出具有薄膜质量好，缺陷少等优点的压电薄膜，并借助该压电薄膜可以制备更高频率和Q值的BAW谐振器，已引起科研及工业界的广泛兴趣。
[0006]但是在现有压电薄膜生长工艺下制备的压电薄膜质量越好，越容易引入较大的膜层应力，使得对后续键合工艺要求极高，进而容易导致压电膜层在转移过程中崩裂的情况，这将严重影响产品良率。但在现有器件结构的情况下又不可避免影响键合效果，最终导致压电薄膜生长衬底在机械减薄过程中去除量较少，剩余较多的压电薄膜生长衬底在采用等离子体刻蚀过程中容易造成压电薄膜过刻蚀，影响压电薄膜的厚度均匀性进而影响器件性能。
[0007]因此亟需设计一种器件结构及制备流程以提高器件键合效果，减少压电膜层崩裂现象。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器制备方法的制备方法，该方法能够避免制备过程中压电薄膜的崩裂，提升产品良率以及性能。
[0009]一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括：
[0010](1)采用第一次晶圆键合方法制备第一压电薄膜结构，第一压电薄膜结构包括自上而下依次设置的第二衬底层、刻蚀阻挡层、第一致密膜层、保护层、第一电极层、压电薄膜层和第一衬底；
[0011](2)取第一压电薄膜结构，去除第一衬底，并在压电薄膜层表面沉积第二电极，在第二电极表面沉积牺牲层得到第二压电薄结构；
[0012](3)对第二压电薄膜结构采用第二次晶圆键合方法得到第三压电薄膜结构，第三压电薄膜结构包括自上而下依次设置的第二衬底、刻蚀阻挡层、第一致密膜层、保护层、第一电极层、压电薄膜层、第二电极层、牺牲层、第二致密膜层和第三衬底；
[0013](4)方案一，取第三压电薄膜结构，减薄第二衬底，在减薄的第二衬底上开窗口至保护层表面得到第一窗口，在第一窗口底部开窗口得到第二、三、四窗口，通过第二窗口在第一电极上沉积金属pad层，通过第三窗口在第二电极上沉积金属pad层，将腐蚀液加入第四窗口腐蚀牺牲层形成空腔，得到第一单晶薄膜体声波谐振器；
[0014]方案二，取第三压电薄膜结构，减薄第二衬底，整面刻蚀第二衬底至刻蚀阻挡层，去除刻蚀阻挡层及第二致密层，在保护层开窗口得到第五窗口，在压电薄膜层开窗口得到第六、第七窗口，通过第五窗口在第一电极上沉积金属pad层，通过第六窗口在第二电极上沉积金属pad层，将腐蚀液加入第七窗口腐蚀牺牲层形成空腔，得到第二薄膜体声波谐振器。
[0015]所述第一窗口的尺寸为：50
‑
50000um
[0016]本专利技术在形成第三压电薄膜结构后，首先减薄第二衬底，然后再第二衬底表面上开窗口，以平衡压电薄膜自身存在的较大内应力及后续器件制备过程中产生的内应力，从而避免了牺牲层释放后由于内应力变化使得压电薄膜结构破裂，保证了压电薄膜的完整性。
[0017]第二、第三衬底为预防压电薄膜破裂及支撑器件结构，刻蚀阻挡层位于第二衬底及第一致密膜层之间，预防第二衬底刻蚀过程中对第一致密膜层及第一电极的损伤，金属Pad是将第一电极，第二电极加厚，方便器件在线测试及作为后续封装键合的焊点。
[0018]步骤(1)中，第一次晶圆键合方法制备第一压电薄膜结构，包括：
[0019]在第一衬底表面沉积压电薄膜层，在压电薄膜层表面沉积第一电极，在第一电极表面沉积保护层，在压电薄膜层表面和保护层表面沉积第一待键合层；
[0020]在第二衬底表面沉积刻蚀阻挡层，在刻蚀阻挡层表面沉积第二待键合层；
[0021]将第一待键合层与第二待键层通过第一次晶圆键合转移方法进行键合得到第一致密膜层，进而得到第一压电薄膜结构。
[0022]本专利技术在第一次晶圆键合转移方法过程中，只沉积了第一电极层，进而在较薄厚度情况下沉积第一待键合层，使得第一待键合层具有较小的蝶形坑(dishing)缺陷，从而提高了键合强度，减少了去除第一衬底后压电薄膜因自身应力变化而产生的膜层破裂。同样因键合强度的提高，使得第一衬底在机械减薄的过程中去除量增加，机械减薄后第一衬底的剩余量可以由100μm降到10μm以下，甚至可以直接采用机械减薄与化学机械抛光 (CMP)共同处理的方法完全去除第一衬底。第一次衬底的剩余量越小，等离子体刻蚀时间越短，获得的压电薄膜的厚度均匀性越好，压电薄膜无崩裂的情况下，CMP处理后表面的粗糙度可以达到器件使用要求。
[0023]采用磁控溅射或金属有机化合物化学气相沉淀方法(MOCVD)或离子注入剥离方法将压电薄膜层固定在在第一衬底上，压电薄膜层的材料为单晶氮化铝、多晶氮化铝、掺杂氮化铝、LiNbO3薄膜、LiTbO3薄膜、石英薄膜、PZT薄膜或氧化锌，压电薄膜层的厚度为0.1μm
–
2μ
m。
[0024]采用CVD或等离子体化学气相沉积工艺方法(PECVD)将刻蚀阻挡层沉积在第二衬底上，刻蚀阻挡层的材料为无机物或有机物，无机物为硅、氧化硅、氮化硅、磷酸玻璃或掺杂氧化硅，刻蚀阻挡层的厚度为 0.2μm
–
10μm。
[0025]将第一待键合层与第二待键层通过第一次晶圆键合转移方法进行键合之前对第一待键合层与第二待键层均进行CMP处理，使得键合面的粗糙度低于0.5nm。以提高键合强度。
[0026]采用CVD或PECVD将保护层沉积在第一电极层，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀在保护层表面形成图案，保护层的材料为氧化硅或氮化铝，保护层的厚度为10nm
–
1000nm，横向宽度为50μm
–
300μm(优选150μm)。
[0027]步骤(2)中，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：(1)采用第一次晶圆键合方法制备第一压电薄膜结构，第一压电薄膜结构包括自上而下依次设置的第二衬底层、刻蚀阻挡层、第一致密膜层、保护层、第一电极层、压电薄膜层和第一衬底；(2)取第一压电薄膜结构，去除第一衬底，并在压电薄膜层表面沉积第二电极，在第二电极表面沉积牺牲层得到第二压电薄膜结构；(3)对第二压电薄膜结构采用第二次晶圆键合方法得到第三压电薄膜结构，第三压电薄膜结构包括自上而下依次设置的第二衬底、刻蚀阻挡层、第一致密膜层、保护层、第一电极层、压电薄膜层、第二电极层、牺牲层、第二致密膜层和第三衬底；(4)取第三压电薄膜结构，减薄第二衬底，在减薄的第二衬底上开窗口至保护层表面得到第一窗口，在第一窗口底部开窗口得到第二、三、四窗口，通过第二窗口在第一电极上沉积金属pad层，通过第三窗口在第二电极上沉积金属pad层，将腐蚀液加入第四窗口腐蚀牺牲层形成空腔，得到第一薄膜体声波谐振器；或取第三压电薄膜结构，减薄第二衬底，整面刻蚀第二衬底至刻蚀阻挡层，去除刻蚀阻挡层及第二致密层，在保护层开窗口得到第五窗口，在压电薄膜层开窗口得到第六、第七窗口，通过第五窗口在第一电极上沉积金属pad层，通过第六窗口在第二电极上沉积金属pad层，将腐蚀液加入第七窗口腐蚀牺牲层形成空腔，得到第二薄膜体声波谐振器。2.根据权利要求1所述的基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用第一次晶圆键合方法制备第一压电薄膜结构，包括：在第一衬底表面沉积压电薄膜层，在压电薄膜层表面沉积第一电极，在第一电极表面沉积保护层，在压电薄膜层表面和保护层表面沉积第一待键合层；在第二衬底表面沉积刻蚀阻挡层，在刻蚀阻挡层表面沉积第二待键合层；将第一待键合层与第二待键层通过第一次晶圆键合转移方法进行键合得到第一致密膜层，以得到第一压电薄膜结构。3.根据权利要求2所述的基于多次键合工艺的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射或金属有机化合物化学气相沉淀方法或离子注入剥离方法将压电薄膜层固定在在第一衬底上，压电薄膜层的材料为单晶氮化铝、多晶氮化铝、掺杂氮化铝、LiNbO3薄膜、LiTbO3薄膜、石英薄膜、PZT薄膜或氧化锌，压电薄膜层的厚度为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，轩伟鹏，刘刚，丁睿，金浩，高峰，骆季奎，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：