在某些情况下，希望提供射频前端滤波器。过去，已经使用陶瓷滤波器和SAW 滤波器作为前端射频滤波器。SAW滤波器有些问题，即这种滤波器在2.4千兆赫 (GHz)以上开始具有额外插入损耗。陶瓷滤波器尺寸大，因而随着频率增长， 制作难度增加。
在图1中示意性地示出基本FBAR设备100。FBAR设备100在基底110的水平平面 上形成。第一金属层120放置在基底110上，然后压电层130放置在金属层120上。 压电层可以是ZnO、AIN、PZT、任何其它压电材料。第二金属层122放置在压电 层130之上。第一金属层120用作第一电极120，而第二金属层122用作第二电极 122。第一电极120、压电层130和第二电极122形成堆叠140。基底110在堆叠140 之后或之下的一部分用后部块硅蚀刻除去。更普通地，后部块硅蚀刻可用两种 方法之一完成—或者使用深沟反应离子蚀刻(“DRIE”)或者使用依赖结晶取向 的蚀刻(“CODE”)，诸如KOH、TMAH和EDP。
示于图1中的FBAR设备用DRIE形成。得到的结构是夹在位于基底中开口150 上方的第一电极120和第二电极122之间的水平放置的压电层130。FBAR是悬挂 在水平基底中开口150上方的薄膜设备。开口150的侧壁基本上垂直于压电层 130。用DRIE形成FBAR存在相关的问题。主要问题之一是用DRIE形成FBAR不利 于大量生产。DRIE处理过程是单片处理过程且典型的蚀刻速度是4到10μm/分 钟。用DRIE的制造产量低，因为该过程一次只能在一个晶片上实施，而且因为 蚀刻速度很低。这导致了昂贵的FBAR。
图2示意性地示出另一个基本FBAR设备200。FBAR设备200在由块(100)硅片 制成的基底110的水平平面上形成。第一金属层120放置在基底110上，然后压 电层130放置在金属层120上。压电层可以是ZnO、AIN、PZT或任何其它压电材 料。第二金属层122放置在压电层130之上。第一金属层120用作第一电极120， 而第二金属层122用作第二电极122。第一电极120、压电层130和第二电极122 形成堆叠140。基底110在堆叠140之后或之下的一部分用使用CODE(诸如KOH、 TMAH和EDP)的后部块硅蚀刻来除去。后部块硅蚀刻在基底110中产生了开口 250。使用CODE的蚀刻导致了斜侧壁，诸如斜侧壁251和斜侧壁252。尽管使用 CODE具有较高的制造产量，但得到的斜侧壁，诸如251、252，增加了生产FBAR 设备所需的间隔量。换句话说，每晶片生产的设备数量剧烈下降。例如，200μm 正方形(尺寸L＝200μm)的FBAR每边要有额外的300μm(尺寸S＝300μm)专用 于开口250的侧壁。每个FBAR设备在基底上的面积将是640,000平方μm。而直侧 壁所用的晶片面积是40,000平方μm。这样，用CODE过程所形成的FBAR设备的密 度大约是具有斜侧壁251、252的FBAR设备密度的1/16。使用CODE过程能得到更 高的产量，但大大降低了每个晶片上能够形成的设备数量。
这样，存在对FBAR设备和生产FBAR设备的方法的需求，该设备和方法适合 于提高制造产量，而且每晶片的设备数量高。还存在对低成本FBAR设备的需 求。还需要能够可靠地制造的FBAR设备。还需要制造具有良好、可靠性能特 征的FBAR设备的方法。
附图说明
所附权利要求书详细指出本发明。然而，通过参考详细说明并结合附图考虑， 可得到本发明的更完整的理解，在全部附图中，相同的参考号指相似的项目：
图1示出第一背景技术的薄膜体声谐振器的横断面视图。
图2示出第二背景技术的薄膜体声谐振器的横断面视图。
图3示出硅晶胞的透视图。
图4示出硅晶胞的(101)平面、(111)平面和(112)平面。
图5示出(110)平面和与(110)平面相关的<110>向量。
图6示出垂直于Si<110>片的(110)表面的四个(111)平面之间的关系。
图7A示出在低张应力材料(SiN或SiO2)已沉积在晶片的顶部和底部之后 (110)硅片的横断面视图。
图7B示出在用于底部电极的金属已溅射在主表面之一上后(110)硅片的横 断面视图。
图7C示出在用于底部电极的金属已形成图样后(110)硅片的横断面视图。
图7D示出在压电材料已溅射在用于底部电极的已形成图样的金属上后(110) 硅片的横断面视图。
图7E示出在压电材料已形成图样之后(110)硅片的横断面视图。
图7F示出在用于顶部电极的金属已溅射和形成图样之后(110)硅片的横断 面视图。
图7G示出在低张应力材料(SiN或SiO2)中形成一个开口之后(110)硅片的 横断面视图。
图7H示出在施加依赖晶体取向的蚀刻之后(110)硅片的横断面视图。
图7I示出关联于硅晶胞的(110)平面的<110>向量和关联于(111)平面的 <111>向量。
图8A示出一个电极的顶视图，它覆盖硅基底电极上的薄膜体声谐振器的第一
实施例的压电部分。
图8B示出<110>硅上通过依赖晶体取向的蚀刻制成的薄膜体声谐振器的前视 图。
图9A示出一个电极的顶视图，它覆盖硅基底上的薄膜体声谐振器的第二实施 例的压电部分。
图9B示出<110>硅上通过依赖晶体取向的蚀刻制成的薄膜体声谐振器的前视 图。
图10示出薄膜体声谐振器电路的示意图。
这里陈述的说明示出了本发明的各种实施例，但这样的说明并非旨在解释成 任何方式的限制。
详细说明
图3示出硅晶胞300的透视图。晶体中的原子将它们自己排列在称为晶胞的结 构中的特定点处。晶胞是晶体中的第一层组织。在晶体中所有地方都重复晶胞 结构。图3示出硅的晶胞。如图3所示，硅晶胞包括排列成金刚石结构的16个原 子。当形成薄膜体声谐振器时，硅片用作基底材料。硅片有特定晶体取向。原 始硅片的特定晶体取向是指定的。换句话说，可用不同角度从晶体切割晶片， 每个角度表示一个不同平面。这些穿过晶体的每一切片都穿透每个晶胞，且因 此露出每个胞内的特定平面。每个平面在原子数和原子间结合能上都是唯一不 同的。这些不同导致与每个平面相关的不同的化学、电学和物理性质。平面可 通过称为密勒指数(Miller Indices)的一系列数来标识。密勒指数标识晶体中 特定平面的位置。在特定晶体中的原子层或沿其排列原子的平面称为原子面或 结晶面。一组平面与晶胞轴的关系由密勒指数指定。
图4给出具有在其上示出的几个平面的晶胞400。晶胞的一个角假设为空间坐 标的原点。密勒指数用平面与坐标的交点的倒数来标识任意平面。如果一个平 面平行于一个轴，则它在无穷远与该轴相交。晶胞400包括角A、B、C、D、E、 F、G和H。将使用晶胞400上指定的字母来讨论特定平面和密勒指数。晶胞400 的点A是原点。点A处的原点有三个轴，X、Y和Z，它们从原点发出。轴X对应于 由晶胞上点A和D定义的直线。轴Y由晶胞400上的点A和B定义。轴Z由晶胞400上 的点A和F定义。由点B、D和F定义的平面具有密勒指数(111)。由B、D、F定 义的平面在离原点一单位处与X轴相交，在离原点一单位处与Y轴相交，并在离 原点一单位处与Z轴相交。一的倒数等于一，因此密勒指数等于(111)。由字 母B、C、H和G定义的平面只在一单位处与Y轴相交。X和Z轴不与这个平面相交， 因为它平行于X和Z轴两者。因此，对于X交点是无穷大、对于Y是1、而对于Z是 无穷大。这些值的倒数就是关联于平面B、C、H、G的密勒指数。因此，对于由 字母B、C、H和G定义的平面，密勒指数为(010)。由字母B、D、J示出并定义 第三个平面。X轴与平面B、D、J相交于离原点一单位处，且Y轴也与平面B、D、 J相交于离原点一单位处。与Z轴相交于距原点半个单位处。这些不同交点的倒 数产生密勒指数(112)。
图5示出由字母A、B、C、D、E、F、G和H定义的同一晶胞400。图5示出了由 字母B、D、E和G定义的平面。这个特殊平面与X轴相交于一单位处、与Y轴相交 于一单位处、而不与Z轴相交，或者换句话说，与Z轴相交于无穷远。因此交点 的倒数产生密勒指数(110)。平面也可由垂直于该平面的向量指定。因此， 具有密勒指数(110)的平面B、D、E、F也可由经过A和C的向量指定，它带有 标号<110>。因此，平面可用圆括号指定，而垂直于平面的向量可由尖括号内 的密勒指数指定。
图6示出了四个(111)平面之间的关系，它们垂直于(110)平面或者硅<110> 片的表面。四个(111)平面由参考数字610、612、614和616指定。四个(111) 平面示出为部分平面的虚线。四个(111)平面610、612、614、616都垂直于 (110)平面，但彼此不垂直。四个(111)平面610、612、614、616形成具有 70.5度和109.5度角的菱形。应该注意所形成的菱形620的边长不限于图6中所 示的边长。菱形可形成为具有两条非常短的边或者具有四条非常短的边(导致 非常小的菱形)。这些(111)平面中的二个与硅片的主平面(main flat)有35.25 度的角。硅片的主平面由参考数字630指定。如图6所示，菱形620的边614和612 与晶片的主平面630形成35.25度的角。
图7A到7I示出在处理晶片以形成本发明的FBAR设备时的各种步骤。图7A示出 具有第一主表面712和第二主表面714的(110)硅片的横断面视图。低张应力 材料722沉积在晶片710的第一主表面712上。低张应力材料724沉积在晶片710 的第二主表面714上。如图7A所示，第一主表面712对应于硅片710的顶部，而 第二主表面714对应于硅片710的底部主表面。应该注意“顶部”和“底部”的称呼 只给出了图中晶片的位置关系，而不认为是为权利要求解释目的的限制术语。
图7B示出在金属层732已沉积在晶片710的第一主表面712上后的(110)硅片 的横断面视图。事实上，金属表面732实际上沉积在低张应力材料(诸如SiN或 SiO2)层722上。沉积的金属层732最终变成正在形成的FBAR的底部电极。金属 层732可用多种方法放置在低张应力金属层722上。在一个实施例中，金属层732 溅射在与(110)基底710的第一主表面712相关的金属层722上。
图7C示出在金属层732形成图样后的(110)硅片的横断面视图。使金属层732 形成图样。在一个实施例中，通过将光致抗蚀剂层放置在金属层732上，暴露 光致抗蚀剂使得所选或所想要的金属层732图样在金属层732上形成，并随后用 各种蚀刻方案来蚀刻金属层732的不需要部分，以形成图样。一旦金属层732的 不需要部分已除去，然后就除去保护剩余的图样部分732的光致抗蚀剂。结果 是相应于FBAR设备的底部电极的金属图样732保留在Si(110)片710的第一主 表面712的金属层722上。应该注意可以形成任意图样。可形成正方形图样和长 方形图样。在本发明的一个实施例中，与金属层732关联的图样是菱形。可使 用具有不同几何边的不同类型的菱形作为与形成图样的金属层732关联的图 样。
图7D示出在压电材料已沉积在(110)硅片710的主表面712上后的(110)硅 片的横断面视图。压电材料734可以用许多方法沉积在金属层722和形成图样的 金属层734上。在一个实施例中，压电材料734溅射在(110)硅片710的第一主 表面712上。
图7E示出在压电材料734形成图样后的(110)硅片710的横断面视图。关联 于压电层734的图样一般在极大程度上受到最终变成FBAR设备的底部电极的金 属层732上形成的图样的限制。形成图样的压电材料734的一端或边735越过形 成图样的金属层732的边733。
图7F示出在另一金属层736已在金属层722上和压电材料层734上沉积并形成 图样后的(110)硅片710的横断面视图。金属层736对应于FBAR设备的顶部电 极。顶部电极736包括与顶部电极进行电连接的部分，它带有参考数字737。金 属层736可以用许多方法放置或沉积在(110)晶片710的主表面712上。在一个 实施例中，金属层736和电触点737溅射在第一主表面712上和压电层734上。通 过光致抗蚀剂掩模并蚀刻掉之前沉积在(110)硅片710的主表面712上的多余 的不需要或不想要的金属来完成使金属层736和电触点737形成图样。应该注 意，压电材料734的末端735是将FBAR设备的金属层732与金属层736隔开所必需 的。
图7G示出在Si(110)片710的第二主表面714上的低张应力金属层724中形成 一个开口740后的(110)硅片710的横断面视图。
图7H示出在施加依赖晶体取向的蚀刻(“CODE”)后的(110)硅片710的横断 面视图。在一个实施例中，使用KOH进行CODE处理过程。在另一实施例中，在 CODE处理过程中使用EDP。使用这些蚀刻剂的任意一种都导致沿向量<110>与沿 向量<111>的蚀刻速度不同，两者的比例是600∶1。换句话说，使用(110)硅 虑及使用KOH或EDP蚀刻剂来形成硅(110)片710后部中的开口750。换句话说， 使用硅(110)片虑及蚀刻剂如KOH或EDP的使用，它在<110>方向上具有更快的 蚀刻速度，这个方向垂直于在其上形成FBAR的硅(110)的表面。在<110>中的 蚀刻速度很慢或者是<110>方向蚀刻速度的1/600。结果是当在FBAR制作期间使 用硅(110)片时可以获得垂直侧壁。尽管在图7A到7I中只示出正在形成一个 设备，但应该注意那些设备是在晶片表面上大量形成的。一旦在晶片上形成了 各种FBAR，晶片就被切片和切块来形成单个FBAR设备。
图7I也是一个使用CODE处理过程或依赖晶体取向的蚀刻剂(如KOH或EDP)形 成的设备。在这个特定的图中，开口长度大约有200mm的尺寸。它示出侧壁751 和752都是垂直或基本垂直的。当与背景技术的处理过程(其结果示于图2)比 较时，这产生了更高的产量。如图2所示，侧壁251和252是斜的。对于大约200mm 正方形的设备，倾斜实质上减少了在特定片上能够形成的FBAR数量的产量。如 在本发明的背景部分中所讨论的，以及明确地参考图2所讨论的，如图7H和7I 所示地形成的FBAR需要大约1/16的晶片表面积，且因此，用所讨论的处理过程 可形成远多于或16倍的FBAR，在该处理过程中所用晶片是Si(110)片并且使 用CODE处理过程来蚀刻将变成FBAR的设备后面的晶片的后部。图7I还明确展示 了向量<110>和向量<111>方向。
现在转到图8A和8B，将讨论这样形成的FBAR 801的特定实施例。使用依赖晶 体取向的蚀刻剂的一个特性是，与(111)平面相比，它将非常快地在一个方 向即<110>方向上蚀刻。(<111>平面仍将被蚀刻，但只是慢得多)结合(110) 硅片使用依赖晶体取向的蚀刻剂的后部蚀刻的最终结果是很容易形成菱形形 状的开口。在图8A和8B中示出菱形形状的开口，用参考数字850表示。
图8A示出FBAR设备801的顶视图，而图8B示出形成的FBAR设备的前视图。FBAR 设备包括底部电极832和具有电触点端837的顶部电极836。夹在顶部电极836和 底部电极832之间的是压电层834。压电层834包括将底部电极832与顶部电极 836隔开的末端835。FBAR设备置于具有第一主表面712和第二主表面714的 (110)硅基底710之上。在主表面712顶上是低张应力金属层722，而沉积在主 表面724上的是相似的低张应力材料724。诸如KOH或EDP的依赖晶体取向的蚀刻 剂用于形成后部开口850。使后部开口850形成图样，使得它基本上对应于菱形 形状的开口，它露出或对应于由多个(111)平面形成的形状，因为它们接触 硅(110)片或基底710的(110)表面。然后可以将所选择的蚀刻剂放置在开 口形状中以形成开口850。
图9A和9B示出通过依赖晶体取向的蚀刻在(110)上制作的FBAR的另一个实 施例。图9A示出关联于另一实施例FBAR设备901的电极的顶视图。使用依赖晶 体取向的蚀刻剂的一个特性是，它将很快地在一个方向即<110>方向上蚀刻， 而不进入(111)平面。换句话说，蚀刻剂将不沿<111>方向进行。结合(110) 硅片使用依赖晶体取向的蚀刻剂的后部蚀刻的最终结果是很容易形成菱形形 状的开口。在图9A和9B中示出菱形形状开口，用参考数字950表示。
图9A示出FBAR设备901的顶视图，而图9B示出形成的FBAR设备的前视图。FBAR 设备包括底部电极932和具有电触点937的顶部电极936。夹在顶部电极936和底 部电极932之间的是压电层934。压电层934包括隔开底部电极932和顶部电极 936的末端935。FBAR设备置于具有第一主表面712和第二主表面714的(110) 硅基底710上。在主表面712顶上是低张应力金属层722，而沉积在主表面724上 的是相似的低张应力材料724。诸如KOH或EDP的依赖晶体取向的蚀刻剂用于形 成后部开口950。使后部开口950形成图样，使得它基本上对应于菱形形状的开 口，它露出或对应于由多个(111)平面形成的形状，因为它们接触硅(110) 片或基底710的(110)表面。然后可将所选择的蚀刻剂放置在开口形状中以形 成开口950。在图9A和9B中形成的菱形也可称为条状形菱形。诸如图8A和9A中 形状的菱形具有可能的缺点，即低蚀刻速度的(111)平面的高阶(high-order) 平面可能出现。作为结果，后部开口850的角落区域中的蚀刻侧壁可能不垂直。 使用示于图9A和9B中的条状形菱形后部开口950，角落区域相对比图8A和8B中 所示的区域要小。也应该注意菱形任意几何形状都可用来形成本发明的FBAR设 备。
图10示出电路2000的示意图，它包括薄膜体声谐振器100。电路2000包括射 频“RF”电压源210。RF电压源210通过第一导电体220附在第一电极120上，并通 过第二导电体222附在第二电极122上。当以谐振频率施加RF电压时，整个堆叠 140可以在Z方向“d33”模式中自由谐振。谐振频率由薄膜的厚度或压电层130的厚 度确定，它由图10中的字母“d”或尺寸“d”指定。谐振频率由下列公式确定：
f0～V/2d，其中
f0＝谐振频率，
V＝压电层的声速，以及
d＝压电层的厚度。
应该注意图7A到10中所描述的结构可用作谐振器，它是滤波器的基本组件。 为形成FBAR，压电膜，诸如ZnO和AIN，用作活性材料。这些膜的材料性质，诸 如纵向压电系数和声损耗系数，都是谐振器性能的关键参数。关键性能系数包 括Q-系数、插入损耗和电气/机械耦合。
结论
在基底上形成的薄膜体声谐振器包括具有第一主表面和第二主表面的压电 材料层。薄膜体声谐振器还具有第一导电层，包括与压电材料层的第一主表面 相接触的部分，并具有与压电材料层的第二表面相接触的第二导电层。至少一 部分压电材料层夹在第一导电层和第二导电层之间。在其上形成薄膜体声谐振 器的基底中具有一个开口，该开口露出第一导电层。开口基本上是平行四边形 形状。平行四边形包括第一对平行边和第二对平行边。第一对平行边与第二对 平行边构成不是90度的角。薄膜体声谐振器还具有基本上以平行四边形形状形 成的第一导电层和第二导电层。压电材料层也基本上是平行四边形的形状。在 一些实施例中，平行四边形基本上是菱形形状。
基底中基本上是平行四边形形状的开口有第一侧壁和第二侧壁。基本上是平 行四边形形状的开口的第一侧壁和基本上是平行四边形形状的开口的第二侧 壁之间的角度在大约67度到74度的范围内。在一些实施例中，第一侧壁和第二 侧壁之间的角度大约为70.5度。基底是<110>硅。在一些实施例中，包括平行 四边形形状的开口和设备的基底也是平行四边形的形状。基本上是平行四边形 形状的开口的第一侧壁和基本上是平行四边形形状的开口的第二侧壁基本上 垂直于基底的主表面。基本上是平行四边形形状的开口的第一侧壁和第二侧壁 还基本上垂直于压电层的主表面。还揭示了一种在<110>硅的基底上形成设备 的方法。该方法包括在基底上形成第一导电层、在第一导电层的第一部分上形 成压电层、以及在压电层上形成第二电极。该方法还包括用依赖晶体取向的蚀 刻除去压电层和第一导电层下面的基底的后部部分。在基底上形成第一导电层 包括形成基本上为平行四边形的第一导电层。平行四边形包括两条边，彼此构 成大约67度到74度范围内的角。压电层也基本上形成为平行四边形。基本上是 平行四边形形状的压电层包括两条边，彼此构成大约67度到74度范围内的角。 在一些实施例中，压电层基本上形成为菱形。基底上的第二导电层也基本上形 成为平行四边形。基本上形成为平行四边形的第二导电层包括两条边，彼此构 成大约67度到74度范围内的角。除去基底的后部部分包括形成一开口，它具有 基本上垂直于设备第一导电层的侧壁，或者形成一个开口，它具有基本上垂直 于基底的第一主表面或第二主表面的侧壁。除去基底的后部部分还包括以平行 四边形形状遮蔽基底的主后部表面，并施加依赖晶体取向的蚀刻直至到达第一 导电层。在一个实施例中，形成具有比第二组侧壁长的第一组侧壁的平行四边 形。在一些实施例中，形成的平行四边形具有至少是第二组侧壁两倍长的第一 组侧壁。依赖晶体取向的蚀刻可以是氢氧化钾(KOH)或乙二胺邻苯二酚(EDP)。
还公开了在<110>硅的基底上形成多个设备的方法。该方法包括在基底上施 加第一导电层、在第一导电层的第一部分上施加压电层、以及在压电层上施加 第二电极。第一导电层、压电层和第二电极形成多个平行四边形形状的设备。 基本上同时用依赖晶体取向的蚀刻在基底上形成多个设备下的基底的后部部 分。基底的后部部分的去除包括在其中形成具有多个平行四边形形状开口的掩 模，它们位于多个设备的第一导电层下面。上述的特定实施例充分地揭示了本 发明的基本原理，其他人可用现有知识容易地修改和/或改编它用于各种应用， 而不脱离基本概念，因而要将这样的改编和修改理解为在所公开的实施例等价 体的意义和范围内。
要理解这里所用的短语或术语是为描述而非限制的目的。因而，本发明旨在 包含落进所附权利要求书的精神和宽广范围内的所有这样的备选、修改、等价 和变化方案。