CN110419102A - 配置有单晶滤声器器件的整体单片集成式射频前端模块 - Google Patents

配置有单晶滤声器器件的整体单片集成式射频前端模块 Download PDF

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CN110419102A
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epitaxial
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肖恩·R·吉布
戴维·艾歇勒
罗摩克里希纳·韦特力
马克·D·博姆加登
杰弗里·B·希利
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Akoustis Inc
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Abstract

一种用于整体单片单晶器件的制造方法和结构。该方法可以包括：形成覆盖在衬底上的第一单晶外延层以及形成覆盖在第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层。可以处理所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件。通过该过程，形成的器件包括集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。

Description

配置有单晶滤声器器件的整体单片集成式射频前端模块
相关申请的交叉引用
本申请出于所有目的而通过引用并入如下同时递交的、全部共同拥有的专利申请：在2014年6月6日递交的、名称为“RESONANCE CIRCUIT WITH A SINGLE CRYSTALCAPACITOR DIELECTRIC MATERIAL”的美国专利申请No.14/298,057(代理方案号A969RO-000100US)，在2014年6月6日递交的、名称为“METHOD OF MANUFACTURE FOR SINGLECRYSTAL CAPACITOR DIELECTRIC FOR A RESONANCE CIRCUIT”的美国专利申请No.14/298,076(代理方案号A969RO-000200US)(现在是在2017年1月3日签发的美国专利No.9,537,465)，在2014年6月6日递交的、名称为“INTEGRATED CIRCUIT CONFIGURED WITH TWO ORMORE SINGLE CRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR DEVICES”的美国专利申请No.14/298,100(代理方案号A969RO-000300US)，在2014年7月25日递交的、名称为“WAFER SCALE PACKAGING”的美国专利申请No.14/341,314(代理方案号A969RO-000400US)，在2014年7月31日递交的、名称为“MOBILE COMMUNICATION DEVICE CONFIGURED WITH A SINGLE CRYSTAL PIEZORESONATOR STRUCTURE”的美国专利申请No.14/449,001(代理方案号A969RO-000500US)，在2014年8月26日递交的、名称为“MEMBRANE SUBSTRATE STRUCTURE FOR SINGLE CRYSTALACOUSTIC RESONATOR DEVICE”的美国专利申请No.14/469,503(代理方案号A969RO-000600US)，在2016年3月11日递交的、名称为“METHOD OF MANUFACTURE FOR SINGLECRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR DEVICES USING MICRO-VIAS”的美国专利申请No.15/068,510(代理方案号A969RO-000700US)，在2016年7月27日递交的、名称为“METHOD OFMANUFACTURE FOR SINGLE CRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR DEVICES USING MICRO-VIAS”的美国专利申请No.15/221,358(代理方案号A969RO-000710US)，以及在2016年11月2日递交的、名称为“STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURE FOR ACOUSTIC RESONATOR ORFILTER DEVICES USING IMPROVED FABRICATION CONDITIONS AND PERIMETER STRUCTUREMODIFICATIONS”的美国专利申请No.15/341,218(代理方案号A969RO-000900US)。
技术领域
根据本发明，提供了总体涉及电子器件的技术。更具体地，本发明提供涉及用于整体单片单晶器件、体声波(bulk acoustic wave)谐振器器件、单晶滤波器和谐振器器件、功率放大器(Power Amplifier，PA)、低噪音放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、开关等的制造方法和结构的技术。仅通过示例方式，本发明已应用于尤其用于通信设备、移动设备、计算设备的单晶谐振器器件。
背景技术
已成功地遍及全世界部署移动通信设备。在一年中制造了超过10亿的移动设备(包括移动手机和智能手机)，而且单位容量继续逐年增长。随着4G/LTE在大约2012年的蔓延以及移动数据流量的激增，数据丰富的内容正在驱动智能手机市场的生长，这在未来几年内预期达到2B/年。新标准和遗留标准的共存以及对于更高数据速率要求的渴望正在驱动智能手机中的RF复杂化。遗憾地，传统的RF技术存在限制，这是有问题的且在未来可能导致弊端。
现有的RF前端模块通过将多个分立的裸片级器件部件组装在单一层压制件或PC板上来建立。该方法的缺陷包括多器件级裸片的来源，由于连接不同的器件裸片造成的电连接损失，以及提高的组装复杂度、尺寸和成本。
由上可见，用于改进电子通信设备的技术是高度期望的。本发明通过将不同器件类型集成到建立在公共单晶外延层之上的单片中而克服了上述缺陷。
发明内容
本发明总体涉及RF前端模块。更具体地，本发明总体涉及无源电子器件和有源电子器件的单片集成。此外，本发明提供了针对单晶器件的整体单片集成所提议的配置，该单晶器件包括单晶体声波(bulk acoustic wave)谐振器器件、单晶滤波器和谐振器器件、功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、开关等。
根据一示例，本发明提供了一种制造整体单片单晶器件的方法。所述方法可以包括：提供具有衬底表面区域的衬底；形成覆盖在所述衬底表面区域上的第一单晶外延层；处理所述第一单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件；形成覆盖在所述第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层；以及处理所述一个或多个第二单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件。所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层可以形成集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
所述衬底可以选自如下项之一：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板、和AlxGa1-xN模板。在一具体示例中，所述第一单晶外延层包括用于RF滤波器功能的氮化铝(AlN)材料，且其中，所述第一单晶外延层的特征在于大约0.01微米(um)到大约10.0微米的厚度。在一具体示例中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，所述第二单晶外延层的特征在于0≤X<1.0的组成和大约200nm到大约1200nm的厚度或大约10nm到大约40nm的厚度。所述一个或多个有源或无源器件部件可以包括一个或多个滤波器、放大器、开关等。
在一示例中，所述方法还可以包括形成覆盖在第三外延层上的覆盖层(caplayer)，其中，所述覆盖层包括氮化镓(GaN)材料。在一具体示例中，所述覆盖层的特征在于大约0.10nm到大约5.0nm的厚度。
根据一示例，本发明还提供了所形成的该整体单片单晶器件的结构。所述器件包括：具有衬底表面区域的衬底；形成为覆盖在所述衬底表面区域上的第一单晶外延层，所述第一单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件；以及形成为覆盖在所述第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层，所述一个或多个第二单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件。所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层可以形成为集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
在一示例中，单片集成的部件可以以外延堆叠体结构实现。相比于将各种分立封装的部件组合到较大的封装器件上的传统实施方式，本发明提供了一种使多个单晶器件层生长以将未封装的有源单晶部件和无源单晶部件单片集成到单片封装中的方法。由于使用本申请中所描述的单晶块体(bulk)制造工艺，因此该方法是可行的。使用这种方法，形成的器件可以得益于尺寸减小、改善的性能、更低的集成成本、和更快的上市时间。
使用本发明获得了超过现存技术的一个或多个益处。特别地，可以通过使用较小的PCB区域和较少的无源部件以较低的集成成本制造当前器件。本发明的整体单片设计通过消除丝焊和分立部件封装而降低了前端模块的复杂度。由于最佳阻抗匹配、较低的信号损失和较小的组装可变性，因此也可以改善器件性能。根据实施方式，可以实现这些益处中的一者或多者。当然，可以存在其它变型、修改和替选方案。
可以通过参看后面说明书的部分和附图来实现对本发明的性质和优势的进一步理解。
附图说明
为了更全面地理解本发明，对附图进行参照。要理解，这些附图不被视为限制本发明的范围，当前描述的实施方式以及当前理解的本发明的最佳模式通过使用附图更加详细地描述，其中：
图1A为示出根据本发明的示例的具有顶部互连的声谐振器器件的简化图。
图1B为示出根据本发明的示例的具有底部互连的声谐振器器件的简化图。
图1C为示出根据本发明的示例的具有无中介层/盖结构的互连(interposer/cap-free structure interconnection)的声谐振器器件的简化图。
图1D为示出根据本发明的示例的具有与共享背部沟槽的无中介层/盖结构的互连的声谐振器器件的简化图。
图2和图3为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的步骤的简化图。
图4A为示出根据本发明的示例的创建顶部微型沟槽的方法的步骤的简化图。
图4B和图4C为示出用于进行如图4A中所描述的形成顶部微型沟槽的方法步骤的替选方法的简化图。
图4D和图4E为示出用于进行如图4A中所描述的形成顶部微型沟槽的方法步骤的替选方法的简化图。
图5至图8为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的步骤的简化图。
图9A为示出根据本发明的示例的用于形成背部沟槽的方法步骤的简化图。
图9B和图9C为示出用于进行如图9A中所描述的形成背部沟槽的方法步骤的替选方法、同时单片化(singulating)根据本发明的实施方式的种子衬底的简化图。
图10为示出根据本发明的示例的在谐振器的顶部和底部之间形成背部金属化和电气互连的方法步骤的简化图。
图11A和图11B为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的替选步骤的简化图。
图12A至图12E为示出根据本发明的示例的用于使用盲孔中介层来制造声谐振器器件的方法的步骤的简化图。
图13A至图13E为示出根据本发明的各种示例的各种整体单片单晶器件的简化电路图。
图14为示出根据本发明的示例的集成有多种电路功能的整体单片单晶器件的简化电路图。
图15A至图15E为示出根据本发明的各种示例的整体单片单晶器件的剖面图的简化图。
图16为示出根据本发明的示例的用于制造声谐振器器件的方法的简化流程图。
图17为示出根据本发明的示例的形成用于声谐振器器件的压电层的结果的简化曲线图。该曲线图突出了针对给定铝摩尔分数而调整材料的声学特性的能力。这种灵活性允许形成的谐振器特性适应个体化应用。
图18A为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。
图18B为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。
图18C为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。
具体实施方式
本发明总体涉及RF前端模块。更具体地，本发明总体涉及无源电子器件和有源电子器件的单片集成。此外，本发明提供了针对单晶器件的整体单片集成所提议的配置，该单晶器件包括单晶体声波谐振器器件、单晶滤波器和谐振器器件、功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、开关等。
图1A为示出根据本发明的示例的具有顶部互连的声谐振器器件101的简化图。如图所示，器件101包括薄种子衬底112，该薄种子衬底112上面覆盖有单晶压电层120，该器件101具有微通孔129。微通孔129可以包括顶部微沟槽121、顶部金属塞146、背部沟槽114、和背部金属塞147。尽管器件101被绘制为具有单一微通孔129，但是器件101可以具有多个微通孔。顶部金属电极130形成在压电层120的上面。顶部盖结构接合到压电层120。该顶部盖结构包括具有一个或多个通孔151的中介层衬底119，该一个或多个通孔151连接到一个或多个顶部接合焊盘143、一个或多个接合焊盘144、以及具有顶部金属塞146的顶部金属145。焊锡球170电联接到一个或多个顶部接合焊盘143。
薄衬底112具有第一背部沟槽113和第二背部沟槽114。背部金属电极131形成在一部分薄种子衬底112、第一背部沟槽113、和顶部金属电极130的下面。背部金属塞147形成在一部分薄种子衬底112、第二背部沟槽114、和顶部金属145的下面。该背部金属塞147电联接到顶部金属塞146和背部金属电极131。背部盖结构161接合到薄种子衬底112且在第一背部沟槽113和第二背部沟槽114的下面。将从图2开始讨论关于该器件的制造方法的其它细节。
图1B为示出根据本发明的示例的具有背部互连的声谐振器器件102的简化图。如图所示，器件101包括具有薄种子衬底112，该薄种子衬底112上面覆盖有压电层120，该器件具有微通孔129。微通孔129可以包括顶部微沟槽121、顶部金属塞146、背部沟槽114、和背部金属塞147。尽管器件102被绘制为具有单一微通孔129，但是器件102可以具有多个微通孔。顶部金属电极130形成在压电层120上。顶部盖结构接合到压电层120。该顶部盖结构119包括连接到压电层120上的一个或多个接合焊盘144和顶部金属145的接合焊盘。顶部金属145包括顶部金属塞146。
薄衬底112具有第一背部沟槽113和第二背部沟槽114。背部金属电极131形成在一部分薄种子衬底112、第一背部沟槽113、和顶部金属电极130的下面。背部金属塞147形成在一部分薄种子衬底112、第二背部沟槽114、和顶部金属塞146的下面。该背部金属塞147电联接到顶部金属塞146。背部盖结构162接合到薄种子衬底112且在第一背部沟槽和第二背部沟槽的下面。一个或多个背部接合焊盘(171、172、173)形成在背部盖结构162的一个或多个部分内。焊锡球170电联接到所述一个或多个背部接合焊盘171-173。将从图14A开始讨论关于该器件的制造方法的其它细节。
图1C为示出根据本发明的示例的具有无中介层/盖结构的互连的声谐振器器件的简化图。如图所示，器件103包括薄种子衬底112，该薄种子衬底112上面覆盖有单晶压电层120，该器件103具有微通孔129。微通孔129可以包括顶部微沟槽121、顶部金属塞146、背部沟槽114、和背部金属塞147。尽管器件103被绘制为具有单一微通孔129，但是器件103可以具有多个微通孔。顶部金属电极130形成在压电层120的上面。薄衬底112具有第一背部沟槽113和第二背部沟槽114。背部金属电极131形成在一部分薄种子衬底112、第一背部沟槽113、和顶部金属电极130的下面。背部金属塞147形成在一部分薄种子衬底112、第二背部沟槽114、和顶部金属145的下面。该背部金属塞147电联接到顶部金属塞146和背部金属电极131。将从图2开始讨论关于该器件的制造方法的其它细节。
图1D为示出根据本发明的示例的具有与共享背部沟槽的无中介层/盖结构的互连的声谐振器器件的简化图。如图所示，器件104包括薄种子衬底112，该薄种子衬底112上面覆盖有单晶压电层120，该器件104具有微通孔129。微通孔129可以包括顶部微沟槽121、顶部金属塞146、和背部金属147。尽管器件104被绘制为具有单一微通孔129，但是器件104可以具有多个微通孔。顶部金属电极130形成在压电层120的上面。薄衬底112具有第一背部沟槽113。背部金属电极131形成在一部分薄种子衬底112、第一背部沟槽113、和顶部金属电极130的下面。背部金属147形成在一部分薄种子衬底112、第二背部沟槽114、和顶部金属145的下面。该背部金属147电联接到顶部金属塞146和背部金属电极131。将从图2开始讨论关于该器件的制造方法的其它细节。
图2和图3为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的步骤的简化图。该方法示出了用于制造与图1A中所示的声谐振器器件类似的声谐振器器件的过程。图2可以表示提供部分加工的压电衬底的方法步骤。如所图示，器件102包括具有形成在上面的压电层120的种子衬底110。在一具体示例中，种子衬底可以包括硅、碳化硅、氧化铝、或单晶氮化铝镓材料等。压电层120可以包括压电单晶层或薄膜压电单晶层。
图3可以表示形成顶部金属化体或谐振器顶部金属电极130的方法步骤。在一具体示例中，顶部金属电极130可以包括钼材料、铝材料、钌材料、或钛材料等及其组合。可以通过剥离工艺、湿刻蚀工艺、干刻蚀工艺、金属印制工艺、金属层压工艺等将该层沉积在压电层的顶部上并使其图案化。剥离工艺可以包括如下步骤的顺序过程以产生该顶部金属层：平版印刷图案化、金属沉积、和剥离。湿/干刻蚀工艺可以包括如下步骤的顺序过程以产生该顶部金属层：金属沉积、平版印刷图案化、金属沉积、和金属刻蚀。本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案。
图4A为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件401的制造方法的步骤的简化图。该图可以表示在压电层120的一部分内形成一个或多个顶部微沟槽121的方法步骤。该顶部微沟槽121可以用作声膜的顶侧和底侧之间的主要互连接合点，在后续方法步骤中将使该声膜显影。在一示例中，顶部微沟槽121一直延伸通过压电层120且在种子衬底110中停止。该顶部微沟槽121可以通过干刻蚀工艺、激光钻孔工艺等来形成。图4B和图4C更详细地描述了这些选择。
图4B和图4C为示出用于进行如图4A中所描述的方法步骤的替选方法的简化图。如图所示，图4B表示使用激光钻机的方法步骤，其可以快速且准确地在压电层120中形成顶部微沟槽121。在一示例中，激光钻机可以用于形成穿过压电层120、并在种子衬底110中且在层120和层110之间的界面之下停止的标称50微米的孔或直径在10微米和500微米之间的孔。保护层122可以形成在压电层120和顶部金属电极130的上面。该保护层122可以用于保护器件免受激光碎片的影响且提供用于顶部微通孔121的刻蚀的掩膜。在一具体示例中，激光钻机可以为11W的高功率二极管泵浦UV激光器等。随后可以在进行其它步骤之前去除该掩膜122。也可以从激光钻孔工艺中省略掩膜，并且可以使用气流来去除激光碎片。
图4C可以表示使用干刻蚀工艺来在压电层120中形成顶部微沟槽121的方法步骤。如图所示，平版印刷的掩蔽层123可以形成在压电层120和顶部金属电极130的上面。顶部微沟槽121可以通过暴露于等离子体等来形成。
图4D和图4E为示出用于进行如图4A中所描述的方法步骤的替选方法的简化图。这些图可以表示同时制造多个声谐振器器件的方法步骤。在图4D中，两个器件分别被示出为裸片#1和裸片#2。图4E示出了在这些裸片中的每一者上形成微通孔121同时还刻蚀切割线124或分割线的过程。在一示例中，切割线124的刻蚀使单晶压电层120单片化且减轻单晶压电层120中的应力。
图5至图8为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的步骤的简化图。图5可以表示形成一个或多个接合焊盘140且形成电联接到至少一个接合焊盘140的顶部金属141的方法步骤。顶部金属141可以包括形成在顶部微沟槽121内的顶部金属塞146。在一具体示例中，顶部金属塞146填充顶部微沟槽121以形成微通孔的顶部部分。
在一示例中，接合焊盘140和顶部金属141可以根据器件的应用而包括金材料或其它互连金属材料。这些金属材料可以通过剥离工艺、湿刻蚀工艺、干刻蚀工艺、丝网印刷工艺、电镀工艺、金属印制工艺等来形成。在一具体示例中，沉积的金属材料也可以用作用于盖结构的接合焊盘，这将在下文描述。
图6可以表示用于制造用于接合的声谐振器器件的方法步骤，该接合可以为密封接合。如图所示，顶部盖结构置于如在前面的图中所描述的部分加工的声谐振器器件之上。顶部盖结构可以使用中介层衬底119以两种配置来形成：完全加工的中介层版本601(通过玻璃通孔)和部分加工的中介层版本602(盲孔版本)。在601版本中，中介层衬底119包括通孔结构151，该通孔结构151延伸通过中介层衬底119且电联接到底部接合焊盘142和顶部接合焊盘143。在602版本中，中介层衬底119包括盲孔结构152，该盲孔结构152仅从底侧延伸通过中介层衬底119的一部分。这些盲孔结构152还电联接到底部接合焊盘142。在一具体示例中，中介层衬底可以包括硅、玻璃、智能玻璃、或其它类似材料。
图7可以表示将顶部盖结构接合到部分加工的声谐振器器件的方法步骤。如图所示，中介层衬底119通过接合焊盘(140、142)和顶部金属141(这些接合焊盘和顶部金属现在被记为接合焊盘144和顶部金属145)接合到压电层。该接合工艺可以使用压缩接合方法等来完成。图8可以表示使种子衬底110变薄的方法步骤，衬底110现在被记为薄种子衬底111。该衬底变薄工艺可以包括研磨工艺和刻蚀工艺等。在一具体示例中，该工艺可以包括晶圆背面研磨工艺，之后进行应力解除，这可以涉及干刻蚀工艺、CMP抛光工艺、或退火工艺。
图9A为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件901的制造方法的步骤的简化图。图9A可以表示用于形成背部沟槽113和背部沟槽114以允许从薄种子衬底111的背部接近压电层的方法步骤。在一示例中，第一背部沟槽113可以形成在薄种子衬底111内且在顶部金属电极130的下面。第二背部沟槽114可以形成在薄种子衬底111内且在顶部微沟槽121和顶部金属塞146的下面。该衬底现在被记为薄衬底112。在一具体示例中，这些沟槽113和沟槽114可以使用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)工艺、博世(Bosch)工艺等来形成。沟槽的尺寸、形状和数量可以随着声谐振器器件的设计而改变。在各种示例中，第一背部沟槽可以形成有与顶部金属电极的形状和背部金属电极的形状类似的沟槽形状。第一背部沟槽也可以形成有与顶部金属电极和背部金属电极的形状不同的沟槽形状。
图9B和图9C为示出了用于进行如图9A中所描述的方法步骤的替选方法的简化图。如同图4D和图4E，这些图可以表示同时制造多个声谐振器器件的方法步骤。在图9B中，具有盖结构的两个器件分别被显示在裸片#1和裸片#2上。图9C示出了在这些裸片中的每一者上形成背部沟槽(113、114)同时还刻蚀切割线115或分割线的过程。在一示例中，切割线115的刻蚀提供了使背部晶圆112单片化的可选方式。
图10为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件1000的制造方法的步骤的简化图。该图可以表示在薄种子衬底112的背部沟槽内形成背部金属电极131和背部金属塞147的方法步骤。在一示例中，背部金属电极131可以在第一背部沟槽113内形成在薄衬底112的一个或多个部分的下面且在顶部金属电极130的下面。该过程完成了声谐振器器件内的谐振器结构。背部金属塞147可以在第二背部沟槽114内形成在薄衬底112的一个或多个部分的下面且在顶部微沟槽121的下面。背部金属塞147可以电联接到顶部金属塞146和背部金属电极131。在一具体示例中，背部金属电极130可以包括钼材料、铝材料、钌材料、或钛材料等及其组合。背部金属塞可以包括金材料、低电阻率互连金属、电极金属等。可以使用先前所描述的沉积方法来沉积这些层。
图11A和图11B为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的替选步骤的简化图。这些图示出了将背部盖结构接合在薄种子衬底112下面的方法。在图11A中，背部盖结构为干膜盖(dry film cap)161，其可以包括永久性光可成像的干膜，诸如焊接掩模、聚酰亚胺等。接合该盖结构可以为有成本效益的且可靠的，但是可能不会产生气密封口。在图11B中，背部盖结构为衬底162，其可以包括硅、玻璃、或其它类似材料。接合该衬底可以提供气密封口，但是可能花费更多且需要附加工艺。根据应用，这些背部盖结构中的任一者可以接合在第一背部通孔和第二背部通孔的下面。
图12A至图12E为示出根据本发明的示例的用于声谐振器器件的制造方法的步骤的简化图。更具体地，这些图描述了用于加工顶部盖结构的盲孔中介层“602”版本的附加步骤。图12A示出了在顶部盖结构中具有盲孔152的声谐振器器件1201。在图12B中，中介层衬底119变薄，这形成薄中介层衬底118，以暴露盲孔152。该变薄工艺可以为如针对种子衬底的变薄所描述的研磨工艺和刻蚀工艺的组合。在图12C中，再分布层(ReDistributionLayer，RDL)工艺和金属化工艺可以应用于创建顶部盖接合焊盘160，该顶部盖接合焊盘160形成在盲孔152的上面且电联接到盲孔152。如图12D所示，球状网格阵列(Ball GridArray，BGA)工艺可以应用于形成焊锡球170，该焊锡球170在顶部盖接合焊盘160上面且电联接到该顶部盖接合焊盘160。该工艺使声谐振器器件准备就绪以用于引线接合171，如图12E所示。
在一示例中，本发明提供了一种整体单片单晶器件的制造方法和结构。该整体设计使用公共单晶材料层堆叠体将无源器件元件和有源器件元件两者都集成到单片中。可以将该设计应用于各种各样的器件部件，诸如单晶体声谐振器(single crystal bulkacoustic resonator)、过滤器、功率放大器(PA)、开关、低噪音放大器(LNA)等。可以将这些部件集成为移动无线前端模块(Front-End Module，FEM)或其它类型的FEM。在一具体示例中，该整体单片单晶器件可以为单晶III族氮化物单片集成前端模块(Single ChipIntegrated Front End Module，SCIFEM)。此外，可以将基于CMOS的控制器芯片与SCIFEM芯片集成到一个封装中以提供完整的通信RF FEM。
图13A至图13E为示出根据本发明的各种示例的各种整体单片单晶器件的简化电路图。图13A示出了天线开关模块1301，该天线开关模块1301单片集成有一系列开关1310。图13B示出了PA双工器(PA Duplexer，PAD)1302，该PAD 1302单片集成有滤波器1320和PA1330。图13C示出了开关式双工器组1303，该开关式双工器组1303单片集成有天线开关模块1301、滤波器1320、发送开关模块1311和接收开关模块1312。图13D示出了发送模块1304，该发送模块1304单片集成有天线开关模块1301、滤波器1320和PA 1330。图13E示出了接收分集模块1305，该接收分集模块1305单片集成有滤波器1320、天线开关模块1301、高波段LNA1341和低波段LNA 1342。这些仅仅为示例，且本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案。
图14示出了单片集成系统1400，其中，LNA 1440和PA 1430联接到双工器和滤波器1420，该双工器和滤波器1420联接到发送和接收开关1410。这些集成的部件可以包括在图13A至图13E中所描述的那些部件。当然，可以存在其它变型、修改和替选方案。
图15A至图15E为示出根据本发明的各种示例的整体单片单晶器件的剖面图的简化图。在图15A中，提供衬底1510作为外延膜堆叠体的基础。该衬底可以包括硅、碳化硅或其它相似材料。如在器件1501中所示，可以形成覆盖在衬底上的第一外延层1520。在一具体示例中，该第一外延层可以包括单晶氮化铝(AlN)材料且可以具有范围从大约0.01微米到大约10.0微米的厚度。可以使用先前描述的工艺使该外延层生长且可以将该外延层配置为用于开关/放大器/滤波器器件应用。
可以形成覆盖在第一外延层上的一个或多个第二外延层1530。在一示例中，这些第二外延层可以包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料且可以被配置为用于开关/放大器/滤波器应用或其它无源或有源部件。在一具体示例中，至少一个第二外延层可以以0≤X<1.0的组成为特征且可以具有范围从大约200nm到大约1200nm的厚度。在另一具体示例中，至少一个第二外延层可以以0.10≤X<1.0的组成为特征且可以具有范围从大约10nm到大约40nm的厚度。也可以使用先前描述的工艺使该一个或多个第二外延层生长。而且，单片器件1400可以包括覆盖层1540，该覆盖层1540可以包括氮化镓(GaN)材料等。该覆盖层可以具有范围从大约0.10nm到大约5.0nm的厚度且可以用于防止所述一个或多个第二外延层氧化。
图15B示出了具有有源器件的单晶器件的示例的剖面图，该有源器件具有非嵌入式接触。如在器件1502中所示，有源器件1550形成为覆盖在覆盖层1540上。如果不具有覆盖层，则所述有源器件将形成为覆盖在所述一个或多个第二单晶外延层1530的顶层上。该有源器件可以为PA、LNA、或开关、或任何其它有源器件部件。
图15C示出了具有有源器件的单晶器件的示例的剖面图，该有源器件具有嵌入式接触。如在器件1503中所示，有源器件1551形成为覆盖在覆盖层1540上。在此，元件“S”和“D”的接触延伸越过覆盖层且进入所述一个或多个第二单晶外延层1530。如上所述，该有源器件可以为PA、LNA、或开关、或任何其它有源器件部件。
图15D示出了具有无源滤波器器件的单晶器件的示例的剖面图。如在器件1504中所示，滤波器器件1560形成为穿过第一单晶外延层1520，该第一单晶外延层1520在衬底1510中具有底部空腔。在此也可以实施其它无源元件。
图15E示出了具有无源滤波器器件和有源器件的整体单片单晶器件的示例的剖面图，该有源器件具有非嵌入式接触。如图所示，器件1505将图15B和图15D的器件与有源器件元件1550和滤波器器件1560单片集成。当然，可以存在其它变型、修改和替选方案。
在一示例中，在图13A至图13E和图14中所描述的单片集成部件可以被实施在外延堆叠体结构中，如图15A至图15E所示。相比于将各种分立封装的部件组合到较大的封装器件上的传统实施方式，本发明提供了一种使多个单晶器件层生长以将未封装的有源单晶部件和无源单晶部件单片集成到单片封装中的方法。由于使用单晶块体制造工艺(诸如前文所描述的那些工艺)，因此该方法是可行的。使用这种方法，形成的器件可以得益于尺寸减小、改善的性能、更低的集成成本和更快的上市时间。
使用本发明获得了超过现存技术的一个或多个益处。特别地，可以通过使用较小的PCB区域和较少的无源部件以较低的集成成本制造当前器件。本发明的整体单片设计通过消除丝焊和分立部件封装而降低了前端模块的复杂度。由于最佳阻抗匹配、较低的信号损失和较小的组装可变性，因此还可以改善器件性能。根据实施方式，可以实现这些益处中的一者或多者。当然，可以存在其它变型、修改和替选方案。
根据一示例，本发明提供了一种制造整体单片单晶器件的方法。该方法可以包括：提供具有衬底表面区域的衬底；形成覆盖在衬底表面区域上的第一单晶外延层；处理第一单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件；形成覆盖在第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层；以及处理所述一个或多个第二单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件。第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层可以形成集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
衬底可以选自如下项之一：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板和AlxGa1-xN模板。在一具体示例中，第一单晶外延层包括用于RF滤波器功能的氮化铝(AlN)材料，并且，第一单晶外延层的特征在于大约0.01微米到大约10.0微米的厚度。在一具体示例中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，第二单晶外延层的特征在于0≤X<1.0的组成和大约200nm到大约1200nm的厚度或大约10nm到大约40nm的厚度。所述一个或多个有源或无源器件部件可以包括一个或多个滤波器、放大器、开关等。
在一示例中，该方法还可以包括形成覆盖在第三外延层上的覆盖层，其中，该覆盖层包括氮化镓(GaN)材料。在一具体示例中，该覆盖层的特征在于大约0.10nm到大约5.0nm的厚度。
根据一示例，本发明还提供了所形成的该整体单片单晶器件的结构。该器件包括：具有衬底表面区域的衬底；形成为覆盖在衬底表面区域上的第一单晶外延层，该第一单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件；以及形成为覆盖在第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层，该一个或多个第二单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件。所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层形成为集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
图16为示出根据本发明的示例的用于制造声谐振器器件的方法的流程图。如下步骤仅为示例且不应当过度地限制本文中的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多其它变型、修改和替选方案。例如，下文概述的各个步骤可以如在本发明的范围内所预期地被添加、去除、修改、重排、重复、和/或重叠。典型的生长过程1600可以概述如下：
1601、提供具有所需材料特性和晶向的衬底。各种衬底可以被用在用于制造声谐振器器件的本方法中，所述衬底诸如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)体衬底。本方法还可以使用GaN模板、AlN模板、和AlxGa1-xN模板(其中，x在0.0和1.0之间变化)。这些衬底和模板可以具有极性的、非极性的、或半极性的晶向。本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案；
1602、将所选的衬底放置到受控环境内的处理室中；
1603、将衬底加热到第一预期温度。在500毫巴至800毫巴的减小压力下，在存在净化的氢气(作为清洁衬底的暴露表面的手段)的情况下，将衬底加热到范围为1100℃到1350℃的温度。该净化的氢气流将在5slpm(标准升/分钟)到30slpm的范围内，且气体的纯度应当超过99.9995％；
1604、将衬底冷却到第二预期温度。在处于提高温度10分钟到15分钟之后，衬底表面温度应当下降100℃至200℃；在此，温度偏移量通过衬底材料和待生长的初始层(在图18A至图18C中突出)来确定；
1605、将反应物引入处理室。在温度已稳定之后，III族反应物和V族反应物被引入处理室并开始生长；
1606、在完成成核层(nucleation layer)之后，可以进一步调整生长室的压力、温度和气相混合物以生长对于声谐振器器件来说感兴趣的一个或多个层；
1607、在薄膜生长过程期间，可以借助修改生长条件或通过将杂质受控地引入薄膜中来调节材料的应变状态(有别于薄膜的电子特性的修改)；
1608、在生长过程的结尾，关闭III族反应物并可控地将形成一个或多个薄膜的温度降低到室温。热改变的速率取决于生长的一个或多个层，以及在优选实施方式中被平衡使得包括薄膜的衬底的物理参数适合于后续处理。
参照步骤1605，可以通过如下多种生长方法之一在衬底上开始单晶材料的生长：在成核层上的直接生长、在超晶格成核层上的生长、以及在分级过渡成核层上的生长。单晶材料的生长可以为同质外延的、异质外延的等。在同质外延方法中，在衬底和薄膜之间具有最小的晶格失配，诸如用于天然的III-N单晶衬底材料的情况。在异质外延方法中，在衬底和薄膜之间具有基于平面内的晶格参数的可变晶格失配。如下文进一步描述的，成核层中的多个层的组合可以用于后续形成的结构中的应变工程。
参照步骤1606，各种衬底可以被用在用于制造声谐振器器件的本方法中。可以使用各种晶向的硅衬底。另外，本方法可以使用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓(GaN)体衬底、或氮化铝(AlN)体衬底。本方法还可以使用GaN模板、AlN模板、和AlxGa1-xN模板(其中，x在0.0和1.0之间变化)。这些衬底和模板可以具有极性的、非极性的、或半极性的晶向。本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案。
在一示例中，本方法涉及控制(一个或多个)成核层和(一个或多个)压电层的材料特性。在一具体示例中，这些层可以包括配置有小于1E+11缺陷/平方厘米的缺陷密度的单晶材料。单晶材料可以包括选自如下至少一者的合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN和BN。在各种示例中，上述材料的任何单品或组合可以用于器件结构的(一个或多个)成核层和/或(一个或多个)压电层。
根据一示例，本方法涉及借助生长参数修改的应变工程。更具体地，该方法涉及借助薄膜生长条件的修改(可以借助压电膜的声速来测量和比较这些修改)来改变压电层中的外延膜的压电特性。这些生长条件可以包括成核条件和压电层条件。成核条件可以包括温度、厚度、生长速率、气相比例(V/III)等。压电层条件可以包括从成核层的过渡条件、生长温度、层厚度、生长速率、气相比例(V/III)、生长后退火等。下文可以发现本方法的其它细节。
图17为示出根据本发明的示例的形成用于声谐振器器件的压电层的结果的简化曲线图。该曲线图突出了针对给定铝摩尔分数而调整材料的声学特性的能力。参照上文步骤1607，这种灵活度允许形成的谐振器特性适应个体化应用。如图所示，曲线图1700示出了铝摩尔分数(％)下的声速(m/s)的绘图。标记区域1720示出了在0.4的铝摩尔分数下借助压电层的应变工程的声速修改。在此，该数据示出了声速变化的范围从大约7,500m/s到大约9,500m/s，其以8,500m/s的初始声速为中心大约±1,000m/s。因此，生长参数的修改提供了用于声谐振器器件的声速的大的可调范围。该可调范围对于从0到1.0的全部铝摩尔分数将是存在的并且具有在本技术的其它传统实施方式中不存在的自由度。
本方法还包括通过杂质引入或掺杂进行的应变工程，从而影响声波将传播通过该材料所用的速率。参照上文步骤1607，可以专门引入杂质以提高声波将传播通过该材料所用的速率。在一示例中，杂质种类可以包括但不限于如下项：硅(Si)、镁(Mg)、碳(C)、氧(O)、铒(Er)、铷(Rb)、锶(Sr)、钪(Sc)、铍(Be)、钼(Mo)、锆(Zr)、铪(Hf)和钒(Va)。硅、镁、碳和氧为用在生长过程中的常规杂质，其浓度可以针对不同压电特性而改变。在一具体示例中，杂质浓度的范围从大约1E+10/立方厘米到大约1E+21/立方厘米。用于传送杂质的杂质源可以为气源，该气源可以在从有机金属源导出之后或通过其它相似过程直接传送。
本方法还包括通过引入合金元素进行的应变工程，从而影响声波将传播通过该材料所用的速率。参照上文步骤1607，可以专门引入合金元素以提高声波将传播通过该材料所用的速率。在一示例中，合金元素可以包括但不限于如下项：镁(Mg)、铒(Er)、铷(Rb)、锶(Sr)、钪(Sc)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(Va)、铌(Nb)和钽(Ta)。在一具体示例中，一种(三元合金)或多种(在四元合金的情况下)合金元素的浓度范围从大约0.01％到大约50％。类似于上文，用于传送合金元素的合金源可以为气源，该气源可以在从有机金属源导出之后或通过其它相似过程直接传送。本领域的普通技术人员将认识到这些过程的其它变型、修改和替选方案。
用于引入杂质的方法可以在薄膜生长期间(原位)或生长后(非原位)进行。在薄膜生长期间，用于引入杂质的方法可以包括体掺杂、δ掺杂、共掺杂等。对于体掺杂，可以使用流程工序来创建均匀的掺杂剂并入。对于δ掺杂，可以有意地操纵流程工序以用于更高掺杂剂并入的局部区域。对于共掺杂，可以使用任何掺杂方法来在薄膜生长过程期间同时引入多于一种掺杂剂种类。跟随薄膜生长，用于引入杂质的方法可以包括离子注入、化学处理、表面修改、扩散、共掺杂等。本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案。
图18A为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。如在器件1801中所示，压电层1831或薄膜直接生长在成核层1821上，该成核层1821形成在衬底1810的表面区域的上面。成核层1821的原子组成可以与压电层1831相同或不同。在此，压电膜1831可以在生长期间(原位)或生长后(非原位)被掺杂一个或多个种类，如上所述。
图18B为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。如在器件1802中所示，压电层1832或薄膜生长在超晶格成核层1822上，该超晶格成核层1822包括具有交替组成和厚度的层。该超晶格层1822形成在衬底1810的表面区域的上面。器件1802的应变可以通过超晶格层1822中的周期或交替对的数量、或通过改变构成层的原子组成而调整。类似地，压电膜1832可以在生长期间(原位)或生长后(非原位)被掺杂一个或多个种类，如上所述。
图18C为示出根据本发明的示例的用于形成用于声谐振器器件的压电层的方法的简化图。如在器件1803中所示，压电层1833或薄膜生长在分级过渡层1823上。形成在衬底1810的表面区域的上面的这些过渡层1823可以用于调整器件1803的应变。在一示例中，合金(二元或三元)含量可以根据生长方向上的生长而降低。该功能可以是线性的、阶梯式的、或连续的。类似地，压电膜1833可以在生长期间(原位)或生长后(非原位)被掺杂一个或多个种类，如上所述。
在一示例中，本发明提供了一种用于制造声谐振器器件的方法。如上所述，该方法可以包括压电膜生长过程，诸如在成核层上的直接生长、在超晶格成核层上的生长、或在分级过渡成核层上的生长。每个过程均可以使用如下成核层，该成核层包括但不限于具有如下项中的至少一者的材料或合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN和BN。本领域的普通技术人员将认识到其它变型、修改和替选方案。
使用本发明获得了超过现存技术的一个或多个益处。具体地，当前器件可以以相对简单且有成本效益的方式同时使用根据本领域的普通技术人员的传统材料和/或方法来制造。使用本方法，可以通过晶圆级工艺使用三维堆叠的多种方式创建可靠的基于单晶的声谐振器。这类滤波器或谐振器可以被实施在RF滤波器器件、RF滤波器系统等中。根据实施方式，可以实现这些益处中的一者或多者。当然，可以存在其它变型、修改和替选方案。
尽管上文为具体实施方式的全面描述，但是可以使用各种修改、替选结构和等效物。例如，封装的器件可以包括上文所描述的以及本说明书之外的元件的任何组合。如在本文中所使用，术语“衬底”可以指体衬底，或可以包括覆盖在上面的生长结构，诸如含有外延区域、或功能区域、外延区域和功能区域的组合等的铝、镓、或铝和镓和氮的三元化合物。因此，以上描述和说明不应当被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于制造集成有多种电路功能的整体单片单晶器件的方法，所述方法包括：
提供具有衬底表面区域的衬底；
形成覆盖在所述衬底表面区域上的第一单晶外延层；
处理所述第一单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件；
形成覆盖在所述第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层；以及
处理所述一个或多个第二单晶外延层以形成一个或多个有源或无源器件部件；
其中，所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层形成集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底选自如下项之一：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板、和AlxGa1-xN模板。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一单晶外延层包括用于RF滤波器功能的氮化铝(AlN)材料，并且，所述第一单晶外延层的特征在于大约0.01微米到大约10.0微米的厚度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，所述第二单晶外延层的特征在于0≤X<1.0的组成和大约200nm到大约1200nm的厚度。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，所述第二单晶外延层的特征在于0.10≤X<1.0的组成和大约10nm到大约40nm的厚度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个有源或无源器件部件包括一个或多个滤波器、放大器或开关。
7.如权利要求1所述的方法，还包括形成覆盖在所述第三外延层上的覆盖层，其中，所述覆盖层包括氮化镓(GaN)材料。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述覆盖层的特征在于大约0.10nm到大约5.0nm的厚度。
9.一种用于制造集成有多种电路功能的整体单片单晶器件的方法，所述方法包括：
提供具有衬底表面区域的衬底；
形成覆盖在所述衬底表面区域上的第一单晶外延层，所述第一单晶外延层包括氮化铝(AlN)材料；
处理所述第一单晶外延层以形成一个或多个滤波器器件；
形成覆盖在所述第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层，所述一个或多个第二单晶外延层包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料；以及
处理所述一个或多个第二单晶外延层以形成一个或多个开关、一个或多个功率放大器、和一个或多个低噪声放大器；
其中，所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层形成整体外延堆叠体。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述衬底选自如下项之一：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板、和AlxGa1-xN模板。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一单晶外延层的特征在于大约0.01微米到大约10.0微米的厚度；以及
其中，所述一个或多个第二单晶外延层的特征在于0≤X<1.0的组成和大约200nm到大约1200nm的厚度。
12.如权利要求9所述的方法，还包括形成覆盖在所述一个或多个第二外延层上的覆盖层，其中，所述覆盖层包括氮化镓(GaN)材料；
其中，所述覆盖层的特征在于大约0.10nm到大约5.0nm的厚度。
13.一种整体单片单晶器件，所述器件包括：
具有衬底表面区域的衬底；
形成为覆盖在所述衬底表面区域上的第一单晶外延层，所述第一单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件；以及
形成为覆盖在所述第一单晶外延层上的一个或多个第二单晶外延层，所述一个或多个第二单晶外延层具有一个或多个有源或无源器件部件；
其中，所述第一单晶外延层和所述一个或多个第二单晶外延层形成为集成有多种电路功能的整体外延堆叠体。
14.如权利要求13所述的器件，其中，所述衬底选自如下项之一：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板、和AlxGa1-xN模板。
15.如权利要求13所述的器件，其中，所述第一单晶外延层包括氮化铝(AlN)材料，并且，所述第一单晶外延层的特征在于大约0.01微米到大约10.0微米的厚度。
16.如权利要求13所述的器件，其中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，所述第二单晶外延层的特征在于0≤X<1.0的组成和大约200nm到大约1200nm的厚度。
17.如权利要求13所述的器件，其中，所述一个或多个第二单晶外延层中的至少一者包括单晶氮化铝镓(AlxGa1-xN)材料，并且，所述第二单晶外延层的特征在于0.10≤X<1.0的组成和大约10nm到大约40nm的厚度。
18.如权利要求13所述的器件，其中，所述一个或多个有源或无源部件包括一个或多个开关、滤波器或放大器。
19.如权利要求13所述的器件，还包括形成为覆盖在所述一个或多个第二外延层上的覆盖层，其中，所述覆盖层包括氮化镓(GaN)材料。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述覆盖层的特征在于大约0.10nm到大约5.0nm的厚度。
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