CN108475722B - 用于温度补偿表面声波器件或体声波器件的衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于表面声波器件或体声波器件的衬底(1)，该衬底(1)包括支撑衬底(11)和所述支撑衬底上的压电层(10)，其特征在于，支撑衬底(11)在加强衬底(110)上具有半导体层(111)，该加强衬底(110)的热膨胀系数比硅的热膨胀系数更接近压电层(10)的材料的热膨胀系数，半导体层(111)被设置在压电层(10)与加强衬底(110)之间。

Description

用于温度补偿表面声波器件或体声波器件的衬底
技术领域
本发明涉及用于温度补偿表面声波器件或体声波器件的衬底以及用于制造这种衬底的方法和包括这种衬底的表面声波器件或体声波器件。
背景技术
通常由首字母缩写词SAW器件特指的表面声波器件在射频(RF)通信且特别是在用于滤波应用的领域中找到应用。
SAW器件通常包括压电层和为沉积在所述压电层表面上的两个相互交错的金属梳形式的两个电极。
电信号(诸如，施加于电极的电压变化)被转换成在压电层表面处传播的弹性波。该波在到达另一个电极时再次转换成电信号。
压电材料的选择将电磁耦合系数和压电材料的振荡频率的温度稳定性考虑在内，该电磁耦合系数表示由所述材料进行的电磁转换率。
SAW器件对温度变化非常敏感，这由于这些材料的不同热膨胀系数而引入压电层和金属电极的不同程度的膨胀。
更准确来说，由首字母缩写词TCF所指并作为温度T的函数被设计为给定频率f的变化的频率温度系数由以下公式给出：
Figure BDA0001734203580000011
其中，
Figure BDA0001734203580000012
V是表面声波的速度，并且
CTE是压电材料在表面声波的传播方向上的热膨胀系数。
对于补偿温度对SAW器件的影响的措施已经存在。
具体地，Hashimoto等人的文章[1]提供了用于SAW器件的各种温度补偿技术的评论。
这些不同的技术中，基本上可以区分以下内容：
(1)所谓的“叠加”技术，该技术由以下步骤构成：利用展示在与压电层的热膨胀系数相反意义上的热膨胀系数的电介质材料(通常为二氧化硅(SiO2))覆盖压电层和电极的表面；
(2)所谓的“晶片粘合”技术，该技术由以下步骤构成：将压电层粘合到热膨胀系数尽可能低的支撑衬底，以便抵消压电层的热膨胀。由此，例如可以由硅、蓝宝石、玻璃或尖晶石(MgAl2O4)制成的所述支撑衬底执行压电层的加强功能。给定压电层的厚度，则认为压电层沿远离电极的方向无限延伸，使得支撑衬底的存在不干扰表面声波的传播。然而，支撑衬底的粘合似乎产生比器件的主频率更大频率的假共振(参见[1]，图5)。
对于该第二技术中的支撑衬底设想的材料中，因为硅允许实施衬底规模(所谓的“晶片级”)的电子部件的集成方法，所以它看起来最有前景。
然而，热膨胀系数的显著差异存在于压电材料与硅之间(对于是各向异性的LiTaO3的晶体，CTE值为大约4x10-6/℃和14x10-6/℃，而硅的CTE具有量级2.3x10-6/℃)，这在后者在表面声波器件的制造方法中的后续步骤期间暴露到高温时影响支撑衬底/压电层堆的稳定性。鉴于这种步骤，必须确保压电层/支撑衬底堆的热稳定性高达大约250℃的温度。
类似的问题对于由首字母缩写词BAW已知的体声波过滤器和共振器而发生。
体声波过滤器和共振器通常包括薄压电层(即，通常具有小于1μm的厚度)和被设置在所述薄层的各主面上的两个电极。电信号(诸如，施加于电极的电压变化)被转换成借助压电层传播的弹性波。该波在到达位于相对侧上的电极时再次被转换成电信号。
发明内容
本发明的一个目的是设计一种克服以上所提及的缺点的、用于温度补偿表面声波器件或体声波器件的衬底。具体地，这种衬底必须在允许电子部件的容易集成的同时比以上所提及的硅支撑衬底/压电层堆更稳定，高达大约300℃的温度。
根据本发明，提出了一种用于表面声波器件或体声波器件的衬底，该衬底包括支撑衬底和在所述支撑衬底上的压电层，其特征在于，支撑衬底在加强衬底上具有半导体层，该加强衬底的热膨胀系数比硅的热膨胀系数更接近压电层的材料的热膨胀系数，其中，半导体层被设置在压电层与加强衬底之间。
加强衬底有利地包括蓝宝石、玻璃和/或尖晶石(MgAl2O4)。
半导体层优选地由以下材料中的一种形成：硅、锗、SiGe、SiC、III-V族材料。
特别有利地，半导体层包括至少一个电子部件。所述电子部件具体可以从CMOS晶体管、开关以及功率放大器之中来选择。
根据一个实施方式，压电层的厚度与加强衬底的厚度的比小于或等于0.125。
例如，压电层的厚度小于50μm，优选地小于20μm，还更优选地为小于1μm，并且加强衬底的厚度在400μm至800μm之间。
根据一个实施方式形式，衬底包括：电介质层，该电介质层在压电层与半导体层之间；以及电荷俘获层，该电荷俘获层在所述电介质层与半导体层之间的界面处和/或电介质层与压电层之间的界面处。
所述电荷俘获层可以包括多晶硅层。
在压电层为各向异性的且因此在与衬底的主面平行的平面中展示至少两个不同热膨胀系数的情况下，考虑导致关于加强衬底的热膨胀系数的最大差异的热膨胀系数。
本发明还涉及一种表面声波器件，该表面声波器件包括：如上所述的衬底；以及两个电极，所述两个电极由压电层的表面上的两个叉指金属梳(interdigitated metalliccomb)形成。
本发明还涉及一种体声波器件，该体声波器件包括：如上所述的衬底；以及两个电极，所述两个电极被设置在压电层的任一侧上。
另一个目的涉及一种制造如上所述的衬底的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将半导体层从第一供体衬底转移到加强衬底上；
-将压电层从第二供体衬底转移到半导体层上。
根据一个实施方式，转移步骤中的至少一个包括以下子步骤：
-分别通过植入原子种类在第一供体衬底、第二供体衬底中形成脆化区(embrittlement zone)；
-将第一供体衬底、第二供体衬底分别粘合到加强衬底和半导体层上；
-分别沿着脆化区分离所述第一衬底、所述第二衬底。
附图说明
本发明的其他特性和优点将参照附图从下文呈现，在附图中：
图1是温度补偿表面声波过滤器的示意剖面图；
图2是温度补偿体声波共振器的示意剖面图；
图3是根据本发明的一个实施方式形式的衬底的示意剖面；
图4是根据本发明的一个实施方式的温度补偿表面声波过滤器的示意剖面；
图5是根据本发明的另选实施方式的温度补偿表面声波过滤器的示意剖面；
图6A至图6E示出了根据本发明的一个实施方式的衬底的制造中的连续步骤。
为了可读性目的，不是必须等比例示出元件。另外，相同部件在各种图中由相同附图标记来指定。
具体实施方式
图1是表面声波过滤器的示意图。
所述过滤器包括压电层10和为沉积在所述压电层表面上的两个相互交错金属梳形式的两个电极12、13。在远离电极12、13的侧上，压电层停留在旨在提供温度补偿且将在下面详细描述结构的支撑衬底11上。为了不引起表面波的衰减，压电层10优选地具有完美的结晶质量。因此，所述层为单晶的。当前，可以工业使用的合适材料是石英、LiNbO3或LiTaO3。压电层10通常通过将所述材料中的一种的锭切片来获得，其中，用于所述层的厚度的所需精度就波必须基本上在其表面处传播而言不大。
图2是体声波共振器的示意图。
共振器包括薄压电层(即，通常具有小于20nm的厚度)和被设置在所述压电层10的任一侧上的两个电极12、13。压电层10停留在下面将详细描述其结构的支撑衬底11上。为了使共振器与衬底隔离且由此避免波传播到衬底中，在电极13与衬底11之间插入布拉格(Bragg)镜14。另选地(未示出)，隔离可以通过在衬底与压电层之间设置腔来实现。这些各种结构为本领域技术人员已知，因此在本说明书中未详细描述。
对于体声波器件，压电层10在整个层上具有已确定的均匀厚度。另一方面，因为结晶质量在共振器性能方面不承担任何特别重要性，所以多晶压电材料是可接受的。因此，压电层10通常通过沉积到支架(例如，硅支架)上来形成。当前工业地用于这种沉积的材料是AlN、ZnO以及PZT。
图3是根据本发明的一个实施方式形式的、用于制造温度补偿表面声波器件或体声波器件的衬底的示意剖面图。
所述衬底1包括压电层10，该压电层旨在容纳电极，以便形成表面声波器件或体声波器件。
所述压电层10的材料、结晶质量以及厚度由本领域技术人员取决于目标应用来选择。选择准则他们自己已知，并且不需要在本说明书中详细描述。
如果所选压电材料为各向异性的，则后者在不同方向上具有不同的热膨胀系数。
压电层10被设置在复合支撑衬底11(即，由若干层的不同材料的堆形成的支撑衬底)上。
所述支撑衬底11包括所谓的加强衬底110，该加强衬底在衬底1内的功能是具体在热处理操作期间确保堆的刚度。
加强衬底110有利地包括蓝宝石、玻璃和/或尖晶石(MgAl2O4)。
这些材料具有以下优点：提供比硅更接近压电材料的热膨胀系数的热膨胀系数，提供提高的堆的温度稳定性(高达大约300℃)，但该提高的热膨胀系数的接近度对温度补偿效应稍微有害。
此外，加强衬底110展示大的厚度，通常具有400μm至800μm的量级，该厚度远远大于衬底1的其他层的厚度，具体地远远大于压电层的厚度，该压电层的厚度通常小于50μm，优选地小于20μm，并且还更优选地小于1μm。由此，加强衬底的温度行为与其它层的温度行为相比占主导地位。
由于加强衬底110和压电层10的热膨胀系数的相对接近度，使由于在衬底1经受的热处理期间的热膨胀系数的差而产生的应力最小化。
半导体层111被插在加强衬底110与压电层10之间。所述半导体层可以包括硅、锗、SiGe、SiC或III-V型材料(诸如，GaAs、GaN或InGaN(该列表是非限制性的))。这些材料中，锗和GaAs由于它们的易碎性而不那么优选。根据本发明的一个优选实施方式形式，半导体层是硅层。
特别有利地，半导体层111包括至少一个电子部件112。所述部件使用微电子学中已知的技术来制造。这可以为CMOS晶体管、开关、功率放大器(该列表不是限制性的)。此外，可以在半导体层111的内部制造路径113，以便允许各种部件的电连接。这些部件和路径由本说明书中未详细描述的传统微电子技术来形成。
半导体层111比加强衬底110实质上更薄。由此，半导体层111通常具有在10nm至2μm之间的厚度。因此，即使半导体层的材料具有比加强衬底110的材料与压电材料10之间的热膨胀系数的差更大的、相对于压电材料的热膨胀系数的差，半导体层111也薄至不足以在热处理期间在压电层10中生成机械应力。
此外，与大块蓝宝石衬底相比，由蓝宝石加强衬底110和半导体层111形成的复合衬底11允许电子部件集成到压电层10的后面中。
根据一个有利但不是强制的实施方式形式，在半导体层111与压电层10之间的界面处设置电介质层114。这种电介质层通常用于促进压电层10粘合到半导体层111上。电介质层可以在压电层10粘合在半导体层111上之前形成在这些层中的仅一个上或它们中的每一个上(在后者情况下执行氧化物-氧化物粘合)。在这种情况下，在压电层下方制作电荷俘获层115，该电荷俘获层有利地插在电介质层114与压电层10之间或在半导体层111与电介质层114之间，以便俘获可能干扰设置在半导体层111内的电子部件的操作的存在的电荷。所述俘获层115例如可以包括一层多晶或无定形硅。然而，可以使用满足电荷俘获功能的任何其他层(或层的堆)。
图4示意性示出了在图3的衬底1上形成的表面声波过滤器。为此，已经以两个叉指梳的形式在压电层10的自由表面上沉积金属电极12、13。
根据图5所示的一个实施方式另选方案，可以在压电层10上形成电极12、13之后根据以上所提及的“叠加”技术用电介质层(通常为二氧化硅(SiO2))覆盖衬底。电介质层15的厚度通常具有100nm至10000nm的量级。
与图4中的实施方式相比，具有在压电层10的热膨胀系数的相反意义上的热膨胀系数的压电层15提供改进的温度补偿。
现在将参照图6A至图6E描述根据本发明的一个非限制性实施方式的、制造用于表面声波器件或体声波器件的衬底的方法。以下所描述的方法涉及供体衬底的粘合且然后薄化，但可以采用其他技术，诸如如在文献FR 2 816 445中描述的“可去除衬底”类型。这种“可去除”衬底在部件的制造之前制作，并且包含允许在加强衬底上的组装之后破坏供体衬底的脆化区或界面。
参照图6A，根据广泛用于微电子学中的技术提供包括半导体层111的供体衬底116，在半导体层111中，有利地包含电子部件112和/或路径113。
参照图6B，将供体衬底116粘合到加强衬底110上，使得半导体层111位于粘合界面处。
参照图6C，通过远离半导体层111的侧使得供体衬底更薄，以便将包括层111的层转移到加强衬底110上。所述薄化可以为机械的(抛光型)、化学的(蚀刻)或其他。如果必要，然后将电子部件和/或路径集成在所述层中。
参照图6D，提供由压电材料制成的供体衬底118，并且通过在所述衬底中植入原子种类形成脆化区119，该脆化区119界定了要转移的压电层，即，图3所示的最终衬底的压电层10。现有技术中已知植入条件，即，具有5至15E16量级的剂量和在20keV到200keV之间的能量。
参照图6E，将供体衬底118粘合到由加强衬底110和半导体层111形成的堆上，使得半导体层111和压电层10处于粘合界面处。如以上所陈述的，电介质层(图6E中未示出)可以在这些层中的一个和/或另一个上预先形成，以便促进粘合。如果必要，可以在所述电介质层与压电层之间形成电荷俘获层(图6E中未示出)。所述俘获层有利地在压电衬底118中所执行的植入之后形成。在这些条件下，需要低温方法。例如，在压电衬底上沉积无定形硅层，或者在半导体层111上所形成的电介质层上沉积多晶硅层。
在希望形成体声波器件的情况下，粘合可以借助于金属层来实现，所述层然后满足埋设在器件中的电极的角色。
然后沿着脆化区119分离压电供体衬底118，以便将压电层10转移到半导体层111上。为了去除与植入相关联的缺点，可以在必要时实施压电层的薄化。
在半导体层不包括电子部件的情况下，为了将半导体层111转移到加强衬底110上，还可以实施Smart CutTM方法。该过程为本领域技术人员公知。具体地，通过在供体衬底116中植入原子种类形成脆化区，以便界定包括层111的、要转移的层。该植入还使用氢和/或氦原子，并且本领域技术人员能够取决于供体衬底材料和要达到的深度来确定植入剂量和能量。然后，在将供体衬底粘合到加强衬底110之后，沿着脆化区分离供体衬底，其中，该分离可以机械地、化学地或由其他手段来发起。
在希望制造表面声波器件的情况下，然后在压电层10的表面上沉积为两个叉指梳形式的金属电极。
在希望制造体声波器件的情况下，必须调节以上所描述的步骤。一方面，在图6E所示的粘合步骤之前，第一电极被沉积在形成压电供体层的一部分的压电层10的自由表面上，其中，该第一电极被定位为埋设在最终堆中。在将压电层10转移到半导体层111上之后，将第二电极沉积到压电层的远离第一电极的自由表面上。另一方面，为了防止声波在半导体层111和加强衬底110中传播，可以将隔离装置并入到半导体层111中，其中，隔离装置例如可以为布拉格镜(如图2所示)或蚀刻到半导体层111中的腔。
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FR 2 816 445.

Claims (14)

1.一种用于表面声波器件或体声波器件的衬底(1)，该衬底(1)包括支撑衬底(11)和所述支撑衬底上的压电层(10)，其特征在于，所述支撑衬底(11)在加强衬底(110)上具有半导体层(111)，该加强衬底(110)的热膨胀系数比硅的热膨胀系数更接近所述压电层(10)的材料的热膨胀系数，其中，所述半导体层(111)被设置在所述压电层(10)与所述加强衬底(110)之间，所述衬底(1)还包括：电介质层(114)，该电介质层(114)在所述压电层(10)与所述半导体层(111)之间；以及电荷俘获层(115)，该电荷俘获层(115)在所述电介质层与所述半导体层之间的界面处和/或所述电介质层与所述压电层之间的界面处。
2.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述加强衬底(110)包括蓝宝石、玻璃和/或尖晶石(MgAl2O4)。
3.根据权利要求1或2所述的衬底，其特征在于，所述半导体层(111)由以下材料中的一种形成：硅、锗、SiGe、SiC、III-V族材料。
4.根据权利要求1或2所述的衬底，其特征在于，所述半导体层(111)包括至少一个电子部件(112)。
5.根据权利要求4所述的衬底，其特征在于，所述电子部件(112)选自CMOS晶体管、开关以及功率放大器。
6.根据权利要求1或2所述的衬底，其特征在于，所述压电层(10)的厚度与所述加强衬底(110)的厚度的比小于或等于0.125。
7.根据权利要求1或2所述的衬底，其特征在于，所述压电层(10)的厚度小于50μm，并且所述加强衬底(110)的厚度在400μm至800μm之间。
8.根据权利要求7所述的衬底，其特征在于，所述压电层(10)的厚度小于20μm。
9.根据权利要求7所述的衬底，其特征在于，所述压电层(10)的厚度小于1μm。
10.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述电荷俘获层(115)包括多晶硅层。
11.一种表面声波器件，该表面声波器件包括：根据权利要求1至10中的任一项的衬底(1)；以及两个电极(12、13)，所述两个电极(12、13)由压电层(10)的表面上的两个叉指金属梳形成。
12.一种体声波器件，该体声波器件包括：根据权利要求1至10中的任一项的衬底(1)；以及两个电极(12、13)，所述两个电极(12、13)被设置在所述压电层(10)的任一侧上。
13.一种制造根据权利要求1至10中的任一项的衬底(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将半导体层(111)从第一供体衬底(116)转移到加强衬底(110)上；
-将压电层从第二供体衬底(118)转移到所述半导体层(111)上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，转移步骤中的至少一个包括以下子步骤：
-通过植入原子种类，分别在所述第一供体衬底、所述第二供体衬底中形成脆化区；
-将所述第一供体衬底、所述第二供体衬底分别粘合到所述加强衬底和所述半导体层上；
-分别沿着所述脆化区分离所述第一供体衬底、所述第二供体衬底。
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