CN109534278B - 声学滤波器与hemt异构集成的结构及其制备方法 - Google Patents

声学滤波器与hemt异构集成的结构及其制备方法 Download PDF

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    • B81C1/00246—Monolithic integration, i.e. micromechanical structure and electronic processing unit are integrated on the same substrate

Abstract

本发明提供了两种声学滤波器与高电子迁移率晶体管的异构集成结构及其制备方法，该发明解决的技术问题是减小了功放模块的尺寸，使系统小型化；同时，减小了传统分立封装技术中器件间连接引入的寄生电感和互感，提升了功率模块特性。

Description

声学滤波器与HEMT异构集成的结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及射频微机电系统器件研究领域，尤其涉及声学滤波器与HEMT异构集成的结构及其制备方法。
背景技术
射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit,RFIC)被广泛应用于通信、导航、雷达等领域，它的作用是完成接收机和发射机的射频前端模拟信号处理功能，相比由分立器件组装的集成电路，具有电性能更佳、集成度高、可靠性好、体积小、使用便捷等众多优点，因此，RFIC成为近年来国内外的研究热点。
然而，射频前端功放模块中，声学滤波器和高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transistor,HEMT)仍作为分立器件，分别焊接到印刷电路板(Printed CircuitBoard,PCB)上，图1所示为参考文献1("BAW Technologies:Development andApplications within MARTINA,MIMOSA and MOBILIS IST European Projects"，IEEEUltrasonics Symposium,2006:341-350)中展示的将体声波(Bulk Acoustic Wave,BAW)滤波器和金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)分立器件封装在PCB板上后的照片，这种分立封装技术存在以下几个缺点：
一、封装过程采用点焊线互联会引入很多额外的寄生电感和互感，当器件工作频率较高时，器件性能会恶化；
二、声学滤波器及RFIC均通过粘片胶粘在PCB板上，器件之间需要间隔很大的距离，这会增加封装后集成器件的面积，不利于系统的小型化；
三、与声学滤波器连接的焊盘需放置在芯片周围，这会使得RFIC芯片周围的焊盘拥挤，同时额外的布线会增加RFIC的芯片尺寸。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供两种声学滤波器与HEMT异构集成的结构及其制备方法，解决了传统的声学滤波器和HEMT器件分立封装技术存在尺寸大、寄生参数高等问题，减小了功放模块的尺寸，提升功率模块特性。
(二)技术方案
本发明提供一种体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，其结构包括：
HEMT外延层；
HEMT金属电极，其形成在HEMT外延层的表面；
体声波滤波器，其形成在HEMT外延层的表面；
集成电路板215，其集成电路板引脚216分别与体声波滤波器及HEMT金属电极连接。
可选地，HEMT外延层包括AlN成核层202、GaN缓冲层203和AlGaN势垒层204，其中，AlN缓冲层202为GaN或AlN，厚度为0-1μm；GaN缓冲层203为GaN、AlN或AlGaN的一种或两种以上组合，厚度为0-100μm；AlGaN势垒层204为AlxGa1-xN或InxGa1-xN，厚度为0-1μm。
可选地，集成电路板215分别通过BAW滤波器厚金213和HEMT厚金214与体声波滤波器及HEMT金属电极连接，BAW滤波器厚金213和HEMT厚金214的厚度为0-100μm。
本发明提供一种体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构的制备方法，包括：
步骤1：制备HEMT金属外延层，HEMT金属外延层包括AlN成核层202、GaN缓冲层203和AlGaN势垒层204；
步骤2：在AlGaN势垒层204上表面制备HEMT金属电极，刻蚀BAW滤波器位置外延层；
步骤3：在BAW滤波器位置外延层上制备体声波滤波器；
步骤4：在体声波滤波器的金属顶电极211和底电极引出金属212上表面制备BAW滤波器厚金213，在HEMT金属电极上表面制备HEMT厚金214；
步骤5：在集成电路版215的集成电路版引脚216上铺设金球或锡球217；
步骤6：将步骤4得到的器件翻转，将BAW滤波器厚金213和HEMT厚金214对准对应的金球或锡球217，进行倒装焊工艺并冷却。
可选地，倒装焊过程中加热温度范围30-600℃，加热时间范围0-10min，超声功率范围0-10kW；超声时间范围0-10min。
一种声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，包括：
HEMT外延层；
HEMT金属电极，其形成在HEMT外延层的表面；
SAW滤波器，其形成在HEMT外延层的表面；
集成电路板314，其集成电路板引脚313分别与声表面波滤波器及HEMT金属电极连接。
可选地，HEMT外延层包括AlN成核层302、GaN缓冲层303和AlGaN势垒层304，其中，AlN缓冲层302为GaN或AlN，厚度为0-1μm；GaN缓冲层303为GaN、AlN或者AlGaN的一种或两种以上组合，厚度为0-100μm；AlGaN势垒层304为AlxGa1-xN或者InxGa1-xN，厚度为0-1μm。
可选地，集成电路板314分别通过SAW滤波器厚金310和HEMT厚金311与声表面波滤波器及HEMT金属电极连接，SAW滤波器厚金310和HEMT厚金311的厚度为0-100μm。
本发明提供一种声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构的制备方法，包括：
步骤1：制备HEMT金属外延层，HEMT金属外延层包括AlN成核层302、GaN缓冲层303和AlGaN势垒层304；
步骤2：在AlGaN势垒层304上表面制备HEMT金属电极，刻蚀BAW滤波器位置外延层；
步骤3：在SAW滤波器位置外延层上制备SAW滤波器；
步骤4：在SAW滤波器的金属汇流条309上表面制备SAW滤波器厚金310，在HEMT金属电极上表面制备HEMT厚金311；
步骤5：在集成电路版314的集成电路版引脚313上铺设金球(或锡球)412；
步骤6：将步骤4得到器件翻转，将SAW滤波器厚金310和HEMT厚金311对准对应的金球或锡球312，进行倒装焊工艺并冷却。
可选地，倒装焊过程中加热温度范围30-600℃，加热时间范围0-10min，超声功率范围0-10kW；超声时间范围0-10min。
(三)有益效果
本发明提供两种声学滤波器与HEMT异构集成的结构及其制备方法，解决了传统的声学滤波器和HEMT器件分立封装技术存在尺寸大、寄生参数高等问题，减小了功放模块的尺寸，提升功率模块特性。
附图说明
图1是参考文献1中将BAW滤波器和MOSFET分立器件封装在PCB版后的结构示意图；
图2是本发明提出的一种BAW滤波器与HEMT异构集成结构示意图，图2A-2L是该结构的制备流程示意图；
【附图标记说明】
201-衬底 202-AlN成核层；
203-GaN缓冲层 204-AlGaN势垒层；
205-栅极(G)金属 206-源极(S)金属；
207-漏极(D)金属 208-SiO2牺牲层；
209-金属底电极 210-压电薄膜；
211-金属顶电极 212-底电极引出金属
213-BAW滤波器厚金 214-HEMT厚金
215-集成电路版 216-集成电路版引脚
217-金球(或锡球)
图3是本发明提出的一种BAW滤波器与HEMT异构集成结构示意图，图3A-3G是该结构的制备流程示意图；
【附图标记说明】
301-衬底 302-AlN成核层
303-GaN缓冲层 304-AlGaN势垒层
305-栅极(G)金属 306-源极(S)金属
307-漏极(D)金属 308-金属叉指电极
309-金属汇流条 310-SAW滤波器厚金
311-HEMT厚金 312-金球(或锡球)
313-集成电路版引脚 314-集成电路版
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图2，本发明提供一种BAW滤波器与HEMT异构集成的结构，包括：
HEMT金属外延层，包括AlN成核层202、GaN缓冲层203和AlGaN势垒层204，其中AlN成核层202为50nm，GaN缓冲层203厚度为3μm，Al0.25Ga0.75N势垒层204厚度为30nm；
HEMT金属电极，包括栅极(G)金属205、源极(S)金属206、漏极(D)金属207，形成在AlGaN势垒层204上表面，其中，源极(S)金属206、漏极(D)金属207的金属体系为Ti/Al/Ti/Au(20/40/50/70nm)，栅极(G)金属205的金属体系为Ni/Au(5/30nm)；
BAW滤波器位置外延层，即露出的AlN缓冲层；
体声波滤波器，其金属底电极209和金属顶电极211为铂或金，厚度为50-150nm，压电薄膜210为GaN、AlN或AlxGa1-xN，厚度为10nm-2μm；
集成电路板215，其上已经集成了特定无源器件(如电容、电感等)以及其他电路(如放大电路或匹配电路等)，并制备有集成电路板引脚216，分别通过BAW滤波器厚金213和HEMT厚金214与所述体声波滤波器及所述HEMT金属电极连接，连接厚金与集成电路板引脚216的是金球或锡球217，其中厚金金属为Al，厚度为10μm。
如图2A-2L所示，本发明提供一种BAW滤波器与HEMT异构集成的结构的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：制备HEMT外延层：利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)技术，在Si衬底(201)上依次外延厚度为50nm的AlN成核层202、厚度为3μm的GaN缓冲层203和厚度为30nm的Al0.25Ga0.75N势垒层204；
步骤2：制备HEMT金属电极：在AlGaN势垒层204上表面，利用电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备栅极(G)金属205、源极(S)金属206、漏极(D)金属207，其中栅极(G)金属205的金属体系为Ni/Au(5/30nm)，源极(S)金属206、漏极(D)金属207的金属体系为Ti/Al/Ti/Au(20/40/50/70nm)；
步骤3：刻蚀BAW滤波器位置外延层：在AlGaN势垒层204上表面，利用反应离子刻蚀技术刻蚀，并结合光刻、剥离等工艺，其中刻蚀深度3.05μm，露出AlN缓冲层202；
步骤4：在步骤C刻蚀的位置上表面，利用等离子体增强化学的气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备厚度为SiO2的牺牲层208；
步骤5：在SiO2牺牲层208上表面，利用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备金属底电极209，金属底电极209为铂或金，厚度为50-150nm；
步骤6：在金属底电极209上表面，采用磁控溅射技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备压电薄膜210，压电薄膜210可以为GaN、AlN或AlxGa1-xN(0＜x＜1)。压电薄膜210的厚度为10nm-2μm，制备压电薄膜210的温度范围为700℃-1500℃；
步骤7：在压电薄膜210上表面，利用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备金属顶电极211，金属顶电极211为铂或金，厚度为50-150nm；
步骤8：制备底电极引出金属212：利用反应离子刻蚀技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺，刻蚀压电薄膜210的部分位置，使得一部分金属底电极209露出，之后采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，在刻蚀孔中制备底电极引出金属212；
步骤9：采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺，在金属顶电极211和底电极引出金属212上表面制备BAW滤波器厚金213；在栅极(G)金属205、源极(S)金属206、漏极(D)金属207上表面制备HEMT厚金214，厚金金属为Al，厚度10μm；
步骤10：采用湿法腐蚀方法，去除金属底电极209下方的SiO2牺牲层208；
步骤11：铺设金球(或锡球)：在已经集成了特定无源器件(如电容、电感等)以及其他电路(如放大电路或匹配电路等)的LTCC集成电路版215的集成电路版引脚216上，利用植金球机等设备，铺设金球(或锡球)217；
步骤12：倒装焊接器件与集成电路版：利用倒装焊设备，将步骤10得到器件翻转，将BAW滤波器厚金213和HEMT厚金214对准对应的金球或锡球217，进行倒装焊工艺，倒装焊压力5N并加热2min，同时对金球施加超声波1min，使得金球融化，最后冷却。
实施例2
如图3所示，本发明提供一种SAW滤波器与HEMT异构集成的结构，具体包括：
HEMT金属外延层，包括AlN成核层302、GaN缓冲层303和AlGaN势垒层304，其中AlN成核层302为50nm，GaN缓冲层303厚度为3μm，Al0.25Ga0.75N势垒层304厚度为30nm；
HEMT金属电极，包括栅极(G)金属305、源极(S)金属306、漏极(D)金属307，形成在AlGaN势垒层304上表面，其中，源极(S)金属306、漏极(D)金属307的金属体系为Ti/Al/Ti/Au(20/40/50/70nm)，栅极(G)金属305的金属体系为Ni/Au(5/30nm)；
SAW滤波器位置外延层，即露出的AlN缓冲层；
SAW滤波器，其金属叉指电极308和金属汇流条209为铂或金，厚度为50-150nm；
集成电路板314，其上已经集成了特定无源器件(如电容、电感等)以及其他电路(如放大电路或匹配电路等)，并制备有集成电路板引脚313，分别通过SAW滤波器厚金310和HEMT厚金311与所述体声波滤波器及所述HEMT金属电极连接，连接厚金与集成电路板引脚313的是金球或锡球312，其中厚金金属为Al，厚度为10μm。
如图3A-3G所示，本发明提供一种SAW滤波器与HEMT异构集成的结构的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：制备HEMT外延层：利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)技术，在Si衬底(301)上依次外延厚度为50nm的AlN成核层302、厚度为3μm的GaN缓冲层303和厚度为30nm的Al0.25Ga0.75N势垒层304；
步骤2：制备HEMT金属电极：在AlGaN势垒层304上表面，利用电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备栅极(G)金属305、源极(S)金属306、漏极(D)金属307，其中栅极(G)金属305的金属体系为Ni/Au(5/30nm)，源极(S)金属306、漏极(D)金属307的金属体系为Ti/Al/Ti/Au(20/40/50/70nm)；
步骤3：刻蚀SAW滤波器位置外延层：在AlGaN势垒层304上表面，利用反应离子刻蚀技术刻蚀，并结合光刻、剥离等工艺，其中刻蚀深度3.05μm，露出AlN缓冲层302；
步骤4：结合光刻、刻蚀、剥离等工艺，在AlN缓冲层302上表面溅射或蒸发金属叉指电极308和金属汇流条309，金属叉指电极308和金属汇流条309材料为铂或金，厚度为50-150nm；
步骤5：采用电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺，在金属汇流条309上表面制备SAW滤波器厚金310，在栅极(G)金属305、源极(S)金属306、漏极(D)金属307上表面制备HEMT厚金311，厚金金属为Al，厚度10μm；
步骤6：铺设金球(或锡球)：在已经集成了特定无源器件(如电容、电感等)以及其他电路(如放大电路或匹配电路等)的LTCC集成电路版314的集成电路版引脚313上，利用植金球机等设备，铺设金球(或锡球)312；
步骤7：倒装焊接器件与集成电路版：利用倒装焊设备，将步骤5得到器件翻转，将SAW滤波器厚金310和HEMT厚金311对准对应的金球或锡球312，进行倒装焊工艺，倒装焊压力5N并加热2min，同时对金球施加超声波1min，使得金球融化，最后冷却。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，包括：
HEMT外延层；
HEMT金属电极，其形成在所述HEMT外延层的表面；
BAW滤波器，其形成在所述HEMT外延层的表面；
集成电路板(215)，其集成电路板引脚(216)分别与所述体声波滤波器及所述HEMT金属电极连接，其中，所述集成电路板(215)分别通过BAW滤波器厚金(213)和HEMT厚金(214)与所述体声波滤波器及所述HEMT金属电极连接。
2.如权利要求1所述的体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，其特征在于，所述HEMT外延层包括成核层(202)、缓冲层(203)和势垒层(204)，其中，成核层(202)为GaN或AlN，厚度为0-1μm；缓冲层(203)为GaN、AlN或AlGaN的一种或两种以上组合，厚度为0-100μm；势垒层(204)为AlxGa1-xN或InxGa1-xN，厚度为0-1μm。
3.如权利要求1所述的体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，其特征在于，所述BAW滤波器厚金(213)和HEMT厚金(214)的厚度为0-100μm。
4.一种体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成结构的制备方法，包括：
步骤1：制备HEMT外延层，所述HEMT外延层包括成核层(202)、缓冲层(203)和势垒层(204)；
步骤2：在所述势垒层(204)上表面制备HEMT金属电极，刻蚀BAW滤波器位置外延层；
步骤3：在所述BAW滤波器位置外延层上制备BAW滤波器；
步骤4：在所述BAW滤波器的金属顶电极(211)和底电极引出金属(212)上表面制备BAW滤波器厚金(213)，在所述HEMT金属电极上表面制备HEMT厚金(214)；
步骤5：在集成电路板(215)的集成电路板引脚(216)上铺设金球或锡球(217)；
步骤6：将步骤4得到的器件翻转，将BAW滤波器厚金(213)和HEMT厚金(214)对准对应的金球或锡球(217)，进行倒装焊工艺并冷却。
5.如权利要求4所述的体声波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成结构的制备方法，其特征在于，所述倒装焊过程中加热温度范围为30-600℃，加热时间为0-10min，超声功率范围为0-10kW；超声时间为0-10min。
6.一种声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，包括：
HEMT外延层；
HEMT金属电极，其形成在所述HEMT外延层的表面；
SAW滤波器，其形成在所述HEMT外延层的表面；
集成电路板(314)，其集成电路板引脚(313)分别与所述声表面波滤波器及所述HEMT金属电极连接，其中，所述集成电路板(314)分别通过SAW滤波器厚金(310)和HEMT厚金(311)与所述声表面波滤波器及所述HEMT金属电极连接。
7.如权利要求6所述的声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，其特征在于，所述HEMT外延层包括成核层(302)、缓冲层(303)和势垒层(304)，其中，成核层(302)为GaN或AlN，厚度为0-1μm；缓冲层(303)为GaN、AlN或者AlGaN的一种或两种以上组合，厚度为0-100μm；势垒层(304)为AlxGa1-xN或者InxGa1-xN，厚度为0-1μm。
8.如权利要求6所述的声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成的结构，其特征在于，所述SAW滤波器厚金(310)和HEMT厚金(311)的厚度为0-100μm。
9.一种声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成结构的制备方法，包括：
步骤1：制备HEMT外延层，所述HEMT外延层包括成核层(302)、缓冲层(303)和势垒层(304)；
步骤2：在所述势垒层(304)上表面制备HEMT金属电极，刻蚀SAW滤波器位置外延层；
步骤3：在所述SAW滤波器位置外延层上制备SAW滤波器；
步骤4：在所述声表面波滤波器的金属汇流条(309)上表面制备SAW滤波器厚金(310)，在所述HEMT金属电极上表面制备HEMT厚金(311)；
步骤5：在集成电路板(314)的集成电路板引脚(313)上铺设金球或锡球(312)；
步骤6：将步骤4得到的器件翻转，将SAW滤波器厚金(310)或者HEMT厚金(311)对准对应的金球或锡球(312)，进行倒装焊工艺并冷却。
10.如权利要求9所述的声表面波滤波器与高电子迁移率晶体管异构集成结构的制备方法，其特征在于，所述倒装焊过程中加热温度范围为30-600℃，加热时间范围为0-10min，超声功率范围为0-10kW；超声时间范围为0-10min。
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