CN110540169B - Fbar滤波器与放大器或开关单片集成的器件及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件及方法。本发明的单片集成方法是将射频前端模块中的功率放大器、低噪声放大器、开关以及滤波器通过MEMS工艺加工集成在一起，与目前将各种离散封装的功放、开关、滤波器组合在更大的基板上再次进行封装相比，本发明提供了一种将射频前端有源和无源器件裸芯片加工集成在同一个基板上，然后进行封装。采用该单片集成方法可以进一步缩小射频前端模块的体积，避免前端模块分立单体器件在PCB版上集成时电气连接的损耗，降低了射频前端模块的成本。

Description

FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件及方法
技术领域
本发明属于电子通讯装置技术领域，特别涉及FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件及方法。
背景技术
无线通讯终端的多功能化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。传统的声表面波滤波器(SAW)在2.4GHz以上的高频段插入损耗大，介质滤波器有很好的性能但是体积太大。薄膜体声波谐振器(FBAR)技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通信技术的快速发展而出现的一种性能更加优越的射频器件。它具有极高的品质因数Q值(1000以上)和可集成于IC芯片上的优点，并能与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，有效地避免了声表面波谐振器和介质谐振器无法与CMOS工艺兼容的缺点。
移动通信终端已在全球成功广泛部署。全球每年会生产包括手机和智能手机在内的移动终端设备超过10亿台，而且数量还在逐年增加。随着4G/LTE的应用普及，以及移动数据流量的激增，大数据时代也正在推动智能手机市场的增长，预计未来几年将达到每年20亿英镑。在目前新标准和旧标准并存，以及人们对更高数据速率要求的渴望，正推动智能手机的射频前端模块功能更加多样复杂。但是，传统射频技术目前仍存在局限性，存在问题，可以进一步完善提高。
现有的射频前端模块是通过将多个分立的芯片组件组装在单个层压板或PC板上而构建的。这种方法的缺点是不同芯片要互联在一起，连接不同的芯片会导致电气连接损失以及增加的装配复杂性、尺寸和成本。
由此可见，进一步优化改进电子通信射频前端模块的技术是非常有必要的。本发明通过将不同类型的射频前端分立芯片集成在一个基于普通单晶外延层的单芯片中，即提供了一种新型单片集成技术，用于体声波谐振器器件、滤波器器件、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、开关等的集成，克服了上述分立器件集成模块的缺点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是提供FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，包括如下步骤：
（1）取第一基板，作为外延生长衬底，在所述第一基板上从下到上外延生长缓冲层、第一单晶层、第二单晶层，在第二单晶层的上表面制备源极、栅极和漏极，源极和漏极分别位于第二单晶层上表面的两端，栅极位于源极和漏极之间，得第一器件；
（2）在第一器件上沉积一层钝化层，覆盖源极、栅极、漏极和第三单晶层上表面，在钝化层上和源极、栅极和漏极相应的位置处刻蚀出电极上引通孔，分别漏出部分源极、栅极和漏极上表面，在所述电极上引通孔内制备第一连接金属，得第二器件；
（3）另取第二基板，在第二基板上外延生长压电薄膜，在压电薄膜上表面制备底电极，在底电极的周围位置处对压电薄膜进行通孔图形化并刻蚀，制备出电极互连通孔，漏出部分第二基板上表面，同时制备出大气连通孔；
在电极互连通孔内制备第二连接金属，然后在压电薄膜相应位置上表面制备多个键合金属支撑层，其中两个键合金属支撑层与两个第二连接金属分别相连，一个键合金属支撑层与底电极相连，得第三器件；
（4）将第三器件倒装键合到第二器件上，第三器件与第二器件之间形成芯片空气腔，所述芯片空气腔通过大气连通孔与器件外相连通，然后将第三器件的第二基板去除，然后在压电薄膜上与底电极相对的位置处制备顶电极，在顶电极周围和压电薄膜上表面制备电极接触点，电极接触点的个数大于3，其中的3个电极接触点分别与栅极、漏极和顶电极相连，得单片集成器件。
优选地，在步骤（1）中的第一基板上制备多个第一器件，第一器件之间具有芯片切割道；重复步骤（2），得相应的第二器件；重复步骤（3）和（4），得FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件。
优选地，在同一第一基板上制备第一器件的个数为1-4。
优选地，第一基板和第二基板均为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN缓冲层基板中的一种以上。
优选地，第一单晶层和第二单晶层均为GaN，AlN，AlxGa1-xN中的两种或三种材料组成多层单晶结构，其中0<x<1，第一单晶层和第二单晶层的厚度为1-2000nm。
优选地，钝化层为AlN、GaN、SiO2中的一种以上，厚度为2nm-10μm；
电极上引通孔的孔径大小为10nm-100μm；第一连接金属和第二连接金属均为导电性金属；压电薄膜为单晶AlN、多晶AlN、ZnO、PZT中的一种以上，厚度为0.01μm-10μm之间。
优选地，底电极材料为钼、铝、钌、钨或钛中的一种以上，厚度为1nm-500nm；
键合金属支撑层的材料为金属、SiO2或粘连功能胶，厚度不小于2μm；
顶电极的电极材料为钼、铝、钌、钨或钛中的一种以上，厚度为1nm-500nm；
电极接触点的材料为导电金属。
优选地，第一连接金属和第二连接金属为金、银或铝。
优选地，电极上引通孔刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀；第一连接金属和第二连接金属的制备方法为电镀或蒸镀；底电极的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法；电极互连通孔和大气连通孔的刻蚀方法为干法或湿法刻蚀法；第二基板的去除方法为激光剥离法或机械减薄结合干法或湿法刻蚀法；顶电极的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法结合干法或湿法刻蚀法；电极接触点的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法结合干法或湿法刻蚀法。
本发明还提供了所述方法制备的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
本发明可以将射频前端模块中的功率放大器、低噪声放大器、开关以及滤波器通过MEMS工艺加工集成在一起，与目前将各种离散封装的功放、开关、滤波器组合在更大的基板上再次进行封装相比，本发明提供了一种将射频前端有源和无源器件裸芯片加工集成在同一个基板上，然后进行封装。采用此发明方法可以极大的缩小射频前端模块体积。
附图说明
为了更全面的理解本发明，请参考附图。注意附图仅是本发明的简化图，本发明要保护的内容不受附图限制，保护内容要参考权利要求书。
图1a是实施例提供的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成剖面图；
图1b是实施例提供的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成俯视图；
图2为实施例中在第一基板上外延生长多层单晶功能层外延片结构示意图；
图3为实施例中在多层单晶功能层外延片制备源漏电极和栅电极的结构示意图；
图4为一片基片上制备的多电路功能芯片结构示意图；
图5为实施例中器件表面进行钝化保护处理后的结构示意图；
图6为实施例中器件表面钝化层进行通孔刻蚀后的结构示意图；
图7为实施例中在钝化层通孔中制备互连金属后的结构示意图；
图8为实施例中在第二基板上制备单晶或多晶压电薄膜的结构示意图；
图9为实施例中在压电薄膜上面制备金属电极的结构示意图；
图10为实施例中对压电薄膜进行电极互连通孔以及空气连通孔进行刻蚀后的结构示意图；
图11为实施例中在压电薄膜电极互连通孔及空气连通孔中制备连接金属后的结构示意图；
图12为实施例中生长金属键合支撑层的结构示意图；
图13为一片基片上制备的多电路功能芯片的结构示意图；
图14为实施例中将两片晶圆进行对准键合的结构示意图；
图15为实施例中键合后的器件去除第二基板后的结构示意图；
图16为实施例中器件生长制备顶电极后的结构示意图；
图17为实施例中制备电极接触点的结构示意图；
图18为在一片基片上集成多电路功能芯片的结构示意图；
图19实施例提供的相对完整的集成电路图；
图1a中：110-滤波器；100-放大器或开关；
图1b至图18中：121-第一基板；122-缓冲层；123-第一单晶层；124-第二单晶层；125-源极；126-栅极；127-漏极； 129-钝化层；130-电极上引通孔；131-第一连接金属；111-第二基板；112-压电薄膜；113-底电极；114-电极互连通孔；132-芯片空气腔；133-大气连通孔；115-第二连接金属；116键合金属支撑层；117-芯片切割通道；118-顶电极；119-电极接触点；120-第一器件；150-第二器件；160-第三器件；
图19中：141-LNA；142-PA；143-双工器和滤波器；144-收发开关。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明。
本实施例提供了用于单晶器件、多晶器件的单片集成，包括单晶体声波谐振器器件、单晶滤波器器件、多晶滤波器器件、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、开关等。
图1a和图1b为本实施例提供的单片集成器件的简化图解，图1a为单晶或多晶体声波谐振器器件或单晶或多晶滤波器器件与功率放大器（PA）或低噪声放大器（LNA）或开关等或其他具有类似结构的器件的单片集成器件。110代表单晶或多晶体声波谐振器器件、单晶或多晶滤波器器件，100代表功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、开关等或其他具有类似结构的器件，图1b为该单片集成器件的俯视图，便于理解结构关系。
实施例
本实施例提供了一种FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，包括如下步骤：
（1）如图2，取第一基板121，作为外延生长衬底，在所述第一基板121上从下到上外延生长缓冲层122、第一单晶层123、第二单晶层124，在第二单晶层124的上表面制备源极125、栅极126和漏极127，源极125和漏极127分别位于第二单晶层124上表面的两端，栅极126位于源极125和漏极127之间，如图3所示，得第一器件120；
（2）在第一器件120上沉积一层钝化层129，如图5所示，覆盖源极125、栅极126、漏极127和第二单晶层124上表面，在钝化层129上和源极125、栅极126和漏极127相应的位置处刻蚀出电极上引通孔130，如图6所示，分别漏出部分源极125、栅极126和漏极127上表面，在所述电极上引通孔130内制备第一连接金属131，得第二器件150，如图7所示；
（3）如图8所示，另取第二基板111，在第二基板111上外延生长压电薄膜112，在压电薄膜112上表面制备底电极113，如图9所示，在底电极113周围位置处对压电薄膜112进行通孔图形化并刻蚀，制备出电极互连通孔114，漏出部分第二基板111上表面，同时制备出大气连通孔133，如图10所示；
在电极互连通孔114内制备第二连接金属115，如图11所示，然后在压电薄膜112相应位置上表面制备多个键合金属支撑层116，其中两个键合金属支撑层116与两个第二连接金属115分别相连，一个键合金属支撑层与底电极113相连，得第三器件160，如图12；
（4）将第三器件160倒装键合到第二器件150上，由于键合金属支撑层116的支撑作用，第三器件160与第二器件150之间形成芯片空气腔132，所述芯片空气腔132通过大气连通孔133与器件外相连通，如图14，然后将第三器件160的第二基板111去除，如图15，然后在压电薄膜112上与底电极相对的位置处制备顶电极118，如图16，在顶电极118周围和压电薄膜112上表面制备电极接触点119，电极接触点119的个数大于3，其中的3个电极接触点119分别与栅极126、漏极127和顶电极118相连，如图17，得单片集成器件。
在步骤（1）中的第一基板121上制备2个第一器件120，如图4所示，第一器件120之间具有芯片切割道117，第一器件为多个级联组成PA、LNA和开关；重复步骤（2），得相应的第二器件150；如图13，重复步骤（3）和（4），得FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件，如图18。
第一基板121和第二基板111均为硅基板；
第一单晶层123和第二单晶层124分别为1um的GaN和20nm的Al0.25Ga0.75N；
钝化层129为SiO2，厚度为3μm；
电极上引通孔130的孔径大小为50μm；
压电薄膜112为单晶AlN，厚度为1μm；
底电极113材料为钼，厚度为300nm；
键合金属支撑层116的材料为金，厚度为2μm；
顶电极118的电极材料为钼，厚度为200nm；
电极接触点119的材料为金。
第一连接金属131和第二连接金属115为金。
电极上引通孔130刻蚀的方法为干法刻蚀；
第一连接金属131和第二连接金属115的制备方法为电镀；
底电极113的制备方法为磁控溅射法；
电极互连通孔130和大气连通孔133的刻蚀方法为干法刻蚀；
第二基板111的去除方法为机械减薄结合湿法腐蚀去除；
顶电极118的制备方法为磁控溅射法结合湿法刻蚀来完成；
电极接触点119的制备方法为电子束蒸发剥离法。
图19表示一个相对完成的集成系统，其中LNA141和PA142耦合到双工器和滤波器143，接着耦合连接到收发开关144。这个相对完成的集成系统可以被拆分为几个小集成系统，比如LNA141与滤波器143单独集成，PA142与滤波器143单独集成，开关144与滤波器143单独集成，也可以LNA141与滤波器143与开关144集成等等，这之间的器件任意两个或三个或四个都可以完成集成，本行业技术人员可以进行变化修改和替代，都在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取第一基板，作为外延生长衬底，在所述第一基板上从下到上外延生长缓冲层、第一单晶层、第二单晶层，在第二单晶层的上表面制备源极、栅极和漏极，源极和漏极分别位于第二单晶层上表面的两端，栅极位于源极和漏极之间，得第一器件；
（2）在第一器件上沉积一层钝化层，覆盖源极、栅极、漏极和第三单晶层上表面，在钝化层上和源极、栅极和漏极相应的位置处刻蚀出电极上引通孔，分别漏出部分源极、栅极和漏极上表面，在所述电极上引通孔内制备第一连接金属，得第二器件；
（3）另取第二基板，在第二基板上外延生长压电薄膜，在压电薄膜上表面制备底电极，在底电极的周围位置处对压电薄膜进行通孔图形化并刻蚀，制备出电极互连通孔，漏出部分第二基板上表面，同时制备出大气连通孔；
在电极互连通孔内制备第二连接金属，然后在压电薄膜相应位置上表面制备多个键合金属支撑层，其中两个键合金属支撑层与两个第二连接金属分别相连，一个键合金属支撑层与底电极相连，得第三器件；
（4）将第三器件倒装键合到第二器件上，第三器件与第二器件之间形成芯片空气腔，所述芯片空气腔通过大气连通孔与器件外相连通，然后将第三器件的第二基板去除，在压电薄膜上与底电极相对的位置处制备顶电极，在顶电极周围和压电薄膜上表面制备电极接触点，电极接触点的个数大于3，其中的3个电极接触点分别与栅极、漏极和顶电极相连，得单片集成器件。
2.根据权利要求1所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，在步骤（1）中的第一基板上制备多个第一器件，第一器件之间具有芯片切割道；重复步骤（2），得相应的第二器件；重复步骤（3）和（4），得FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件。
3.根据权利要求1所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，在同一第一基板上制备第一器件的个数为1-4。
4.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，第一基板和第二基板均为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN缓冲层基板中的一种以上。
5.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，第一单晶层和第二单晶层均为GaN，AlN，AlxGa1-xN中的两种或三种材料组成多层单晶结构，其中0<x<1，第一单晶层和第二单晶层的厚度为1-2000nm。
6.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，钝化层为AlN、GaN、SiO2中的一种以上，厚度为2nm-10μm；
电极上引通孔的孔径大小为10nm-100μm；第一连接金属和第二连接金属均为导电性金属；压电薄膜为单晶AlN、多晶AlN、ZnO、PZT中的一种以上，厚度为0.01μm-10μm之间。
7.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，底电极材料为钼、铝、钌、钨或钛中的一种以上，厚度为1nm-500nm；
键合金属支撑层的材料为金属、SiO2或粘连功能胶，厚度不小于2μm；
顶电极的电极材料为钼、铝、钌、钨或钛中的一种以上，厚度为1nm-500nm；
电极接触点的材料为导电金属。
8.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，第一连接金属和第二连接金属为金、银或铝。
9.根据权利要求1或2所述的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的方法，其特征在于，电极上引通孔刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀；
第一连接金属和第二连接金属的制备方法为电镀或蒸镀；
底电极的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法；
电极互连通孔和大气连通孔的刻蚀方法为干法或湿法刻蚀法；
第二基板的去除方法为激光剥离法或机械减薄结合干法或湿法刻蚀法；
顶电极的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法结合干法或湿法刻蚀法；
电极接触点的制备方法为电子束蒸发剥离法或磁控溅射法结合干法或湿法刻蚀法。
10.权利要求1至9任一项所述方法制备的FBAR滤波器与放大器或开关单片集成的器件。
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