CN111801890A - 多个层系统、制造方法以及在多个层系统上形成的saw设备 - Google Patents
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Abstract
提出一种特别用于在其上形成SAW设备的层系统，该层系统包括单晶蓝宝石衬底和晶体压电层，单晶蓝宝石衬底具有第一表面，晶体压电层包括AlN，被沉积到所述第一表面上并具有第二表面。蓝宝石的晶体学R平面被用作第一表面，使得压电层的c轴的定向能够平行于第一表面和第二表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括薄压电膜的层系统、一种制造方法以及一种在具有压电层的层系统上形成的SAW设备。
背景技术
近年来，基于钽酸锂LT晶片的标准SAW技术，用以实现在500MHz至3GHz范围内的RF滤波器，该项技术已经越来越多地被先进的微声学技术(如BAW或温度补偿SAW)所取代，以便满足对移动电话系统的日益增长的性能要求。
基于WCDMA和LTE的移动电话需要最低损耗的RF滤波器、双工器和复用器，以支持高级RF概念，如载波聚合、分集天线和MIMO概念或新的调制方案。借助新的5G标准，将进一步提高对微声学设备相对于几个关键特性的要求，如最低损耗、随温度而减少的温度漂移、更高的线性度和功率耐久性、3与6GHz之间的新频段以及更大的滤波器带宽。另外，存在对于降低微声学设备的成本、减小大小和高度的持续需求。
如今，两种微声学技术(SAW和BAW)基本上被用于实现用于移动电话应用的高性能谐振器、滤波器、双工器和复用器。SAW技术主要利用单晶片材料(如钽酸锂LT或铌酸锂LN)作为压电衬底，在其上实现基于合适金属的电极结构(例如交叉指型换能器)以激励表面声波。附加功能层(如由例如氮化硅组成的钝化层、由例如非晶形氧化硅组成的温度补偿层或厚金属互连件)被用于进一步改善设备性能。
更先进的SAW设备使用被键合到载体晶片上的薄压电单晶层。在这些设备内，可以通过导波效应实现压电层中的能量限制，从而整体上进一步降低损耗。通过适当地选择层系统，可以例如通过以下操作来增强微声学设备的附加特性：通过引入如上文所提及的附加层或通过使用具有良好热导率的高电阻率硅晶片，以改善散热和功率耐久性。薄压电单晶层通常通过熟知的晶片键合方法将单晶晶片键合到载体衬底上，并且然后通过晶片研磨和抛光方法将压电晶片减薄到所需的层厚度来实现，该所需的层厚度通常在微声波的四分之一波长的一半至一个波长的范围内。
对于层厚度而言，实现高度均匀的压电层需要先进的减薄方法。通常，压电层的定向(晶体学定向)基于先进的仿真和建模方法(如有限元仿真(FEM))来仔细选择，以实现最佳的设备性能。由于压电晶片材料通常通过单晶生长方法从熔体中生长，因此可获得多种可能的晶体定向。主要的缺点是不能获得大直径的晶片解决方案，如200mm和300mm晶片，这是因为例如具有这种大直径的钽酸锂晶片目前无法批量生产。
用以实现薄压电层的不同方法将通过以下熟知的薄膜沉积方法来沉积这种层：如溅射、脉冲激光沉积(PLD)、包括金属有机CVD(MOCVD)和等离子体增强型CVD(PECVD)的化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或溶胶-凝胶沉积)。利用这些技术，可以在合适的晶片衬底(如高电阻率硅)上生长用于BAW设备的压电层(通常为氮化铝AlN或掺钪氮化铝AlScN)。通常，目前，用于BAW设备的基于AlN的压电膜通过溅射方法生长，其中高度定向但多晶的薄膜通过使晶体学c轴的定向垂直于衬底表面来实现。这些高度定向的多晶压电层很好地支持了纵波沿基于AlN的压电层的晶体学c轴的传播。利用这种设计和结构，可以实现低损耗的BAW谐振器和设备。然而，由于基于AlN的压电层的外延生长不能利用通常所使用的低温溅射方法来实现，因此与真实的单晶或外延层相比，基于AlN的微晶的平面内定向不太明显。
通常，与使用单晶晶片的键合和减薄方法相比，通过薄膜沉积方法实现薄膜压电层具有显著的优势，如极好的厚度控制、良好层附着、低成本工艺、低材料消耗、完全整合到晶片生产线中、实现在大直径晶片上的层以及容易使化学层组成变化。
因此，已经做出了几种利用这种基于AlN的薄膜来实现SAW设备的方法，从而根据以下方法而受益：与如上文所提及的单晶方法相比的薄膜方法，以及与BAW设计相比的SAW设计的灵活性。通过光刻方法以优异的均匀性来图案化SAW，从而允许在一个工艺步骤中实现所有具有不同频率的谐振器。在BAW技术中，压电层的厚度是主要的频率限定特征。修整方法允许实现高频均匀性。在一个晶片上实现具有不同频率的谐振器需要多个工艺步骤，如后续的层沉积和层图案化。
此时结合SAW设计原理和通过薄膜沉积方法生长基于AlN的压电层的主要限制是基于AlN的层的定向。由于在使用低温溅射时晶体学c轴始终或多或少地垂直于衬底表面定向，因此主压电耦合也垂直于衬底表面，而衬底表面上的横向传播表面声波则需要c-轴相对于表面法线明显倾斜，以实现足够大的滤波器带宽。
而且，尽管基于AlN的层的晶体学c轴垂直于衬底表面，但是特定电极配置可以有助于激励具有横向传播方向的表面声波或兰姆波/板波模式。然而，即使在利用具有显著水平的例如Sc掺杂的AlN层从而最终将SAW结构和基于AlN的薄压电膜的组合限制于仅需要小滤波器带宽的一些应用时，也几乎不可能利用该设计实现针对微声学谐振器的高于5％的有效耦合系数。
因此，有利的是实现一种层系统，该层系统展现出通过薄膜沉积方法生长的基于AlN的压电薄膜，其中晶体学c轴相对于衬底表面的法线明显倾斜。
该目的和其他目的通过根据权利要求1的层系统来实现。其他权利要求给定了制造方法以及在层系统上形成的SAW设备。
发明内容
本发明提供了一种关于如何实现具有基于AlN的压电层的层系统的不同方法，该基于AlN的压电层具有或多或少地平行于衬底表面的c轴。
提出使用具有蓝宝石的晶体学R平面(以布拉维密勒指数的形式表示为(1-102)平面)作为第一表面的单晶蓝宝石衬底。可以根据外延定律将包括AlN的晶体压电层外延生长到该第一表面上，其中基于AlN的层的(11-20)平面平行于蓝宝石的(1-102)平面，基于AlN的层的平面内[1-100]方向平行于蓝宝石的[-1-120]方向，并且基于AlN的层的平面内[000-1]方向(晶体学c轴)平行于蓝宝石的[1-10-1]方向。该基于AlN的层的外延生长产生优选的定向，其中晶体学c轴或多或少地平行于衬底表面。因此，作为晶体压电层的表面的第二表面是(11-20)平面。
利用新颖的层系统，可以产生平行于c轴并因此平行于层平面的高耦合。因此，压电层适于在其上形成实现高耦合系数的SAW设备。该层可以通过通常所使用层生长技术来形成，该层生长技术可控制以实现外延生长。
具有高导热率、低电导率和低RF损耗以及高声速的蓝宝石是实现微声学RF设备的理想衬底材料，并且可以晶圆形式获得，其中R平面作为第一表面。此外，可获得这种蓝宝石晶片，这些蓝宝石晶片具有与从熔体拉伸锭切下的LT或LN中的单晶压电晶片相比更大的晶片直径。然而，尽管考虑到R平面蓝宝石的可用性以及其先前的用途，例如作为用于光电应用的生长层的衬底，但R平面蓝宝石几乎未被用作微声学设备的衬底。
具有附加改善的平行于衬底表面的高压电耦合的层系统包括：掺杂有合适掺杂剂(如Sc)的基于AlN的压电层。掺杂剂(如Sc)可以被用于改善AlN的压电耦合并提高压电层的压电响应。
也可以借助于合适的沉积方法(如高温溅射、PLD、MOCVD、ALD或MBE)在新提出的R平面蓝宝石上外延生长AlScN。
取决于层系统的用途，可以使用不同量的掺杂。因此，根据实施例，压电层包括AlScN，其中压电层中所包含的Sc的量在5at％与45at％之间。然而，改善压电耦合的任何掺杂剂也可能是有利的。
在优选实施例中，层系统包括压电AlN层的晶体学定向，其中AlN层的(11-20)平面平行于蓝宝石的(1-102)平面，AlN层的平面内[1-100]方向平行于蓝宝石的[-1-120]方向，并且AlN层的平面内[000-1]方向(晶体学c轴)平行于蓝宝石的[1-10-1]方向。
在优选实施例中，压电层包括掺杂有Sc的AlN，并布置在外延的未掺杂的纯AlN的籽晶层上。因此，籽晶层布置在衬底与压电AlScN层之间。该AlN籽晶层还有助于产生波导效应，这是由于与例如Sc掺杂的AlN中的声速相比，AlN中的声速更大。波导压电层允许SAW以较低损耗及因此以较高的效率传播。在波导层系统中也抑制了寄生波模的出现。
此外，为了明确地限定压电层的极性c轴的生长方向，则在R平面蓝宝石表面的0.5至6度的范围内稍微倾斜可能是必须的。
层系统可以进一步包括被沉积到第二表面上的SiO2的钝化层和/或温度补偿层。
使用具有在顶部外延生长的基于AlN的层系统的该晶片，可以在基于AlN的层系统的表面上实现用以激励声波的电极结构(如交叉指型换能器)，其中可以以实现相对于以下参数的最佳性能的方式，来选择这些结构相对于晶体定向的定向：可用波型、压电耦合、不出现寄生波模、频率温度系数、损耗机制和其他关键参数。通过围绕层系统的表面法线旋转IDT定向，可以对给定的层系统进行改变。交叉指型换能器IDT可以具有任何的平面内定向，其中该平面内定向具有围绕表面法线的在0与90°之间的旋转角。
沿交叉指型电极结构的传播方向和间距的声速限定了如此可激励的SAW的频率和波长。然后，通常可以将掺杂的AlN层的优选厚度设置为在表面声波SAW的波长λ的0.3至3.0倍的范围内。
根据实施例，交叉指型电极结构包括Cu和/或Al。
选自以下群组：钝化层、SiN的修整层和温度补偿层的其他功能层可以被并入到层系统的层序列中，优选地在压电层上方。
附图说明
在下文中，将参考特定实施例和附图更详细地说明本发明。图示仅是示意性的，并且未按比例绘制。为了更好地理解，可能以放大的形式描绘了一些细节。
图1示意性地示出蓝宝石基本晶体结构内的R平面的位置。
图2示出穿过根据第一实施例的层系统的示意性截面图，该层系统包括蓝宝石R平面衬底、布置在蓝宝石R平面衬底上的AlScN层和用于SAW设备的电极结构。
图3示出类似的根据第二实施例的具有电极结构的层系统。
图4示出关于晶片的示意性俯视图，该晶片具有根据第一实施例的层系统和电极结构。
图5示出关于晶片的示意性俯视图，该晶片具有根据第二实施例的层系统和电极结构。
图6A和6B示出在第一实施例的层系统上构建的SAW谐振器的导纳，其中在AlScN中具有不同量的Sc。
图7A和7B示出在第二实施例的层系统上构建的SAW谐振器的导纳，其中在AlScN中具有不同量的Sc。
具体实施方式
图1示意性地示出了蓝宝石晶体内的R平面的位置。
具有Sc含量为40mol％的AlScN层可以直接外延生长到该R平面蓝宝石晶片上。在该情况下，AlScN层的[11-20]方向垂直于衬底表面(x切割AlScN)。根据有利的实施例，例如由纯的且未掺杂的AlN制成的籽晶层系统可以作为底层生长到蓝宝石衬底上。这种AlN层可以支持外延生长。籽晶层的厚度可以薄至30nm，但可以视需要进行调整。
用于将AlScN层外延生长到籽晶层上，沉积技术选自金属有机CVD(MOCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、溶胶-凝胶沉积、高温溅射和脉冲激光沉积PLD。
此外，由于这种材料内的声速不同于AlScN内的声速的事实，改善的声学性质得以实现，如例如层系统的波导效应。所生长的AlScN层的c轴被定向为平行于蓝宝石衬底的第一表面。
在AlScN层的顶部，利用例如基于Al或Cu电极的交叉指型换能器实现为具有相对于AlScN的晶体学轴的特定定向。
图2示出了根据第一实施例的具有AlN薄籽晶层、薄AlScN层的原理性层堆叠，以及电极结构IDT，该电极结构IDT具有相对于Al2O3和AlScN两者的晶体学轴的第一可能定向。在该实施例中，通过图2中的电极结构IDT实现的SAW设备激励了具有剪切特性的主声波。传播方向是AlScN的晶体学[1-100]方向。取决于通过电极结构的间距而被设置的中频，压电AlScN层的厚度被选择为在波长λ的0.5至1.5倍的范围内。更高的厚度是可能的，但并不需要。可以以能够实现最大波导效应的方式来修改不同层的厚度比。
图3示出了相同的层堆叠，但是设置有根据第二实施例的电极结构IDT，该电极结构具有相对于Al2O3和AlScN两者的晶体学轴的第二可能定向。实际上，IDT相对于图2中的IDT定向围绕表面法线旋转了90°。在图3的该实施例中，SAW设备激励了具有瑞利特性的主声波。传播方向是AlScN的晶体学[0001]方向。
附加功能层(如钝化层、温度补偿层或频率修整层)可以被施加在SAW电极结构的顶部。
具有所提出的层系统的这种微声学设备的益处在于：将与SAW设备的设计灵活性有关的优势与BAW设备的易于生产的优势相结合。在SAW设备中，通过光刻方法以优异的均匀性来图案化主要频率限定的平面结构，从而允许在一个工艺步骤中实现所有具有不同频率的谐振器。由BAW技术提供的益处是由于可能的薄膜处理。这些益处是例如极好的厚度控制、良好层附着、低成本处理、低材料消耗、完全整合到晶片生产线中、实现在大直径晶片上的层、以及容易使化学层组成变化。与用于通过键合和减薄单晶压电晶片来制造薄膜SAW设备的先前工艺相比，薄膜技术的益处使新的层系统和在其上生产的SAW设备优于“旧的”技术。
与蓝宝石晶片的用途有关的附加益处是减少RF损耗，不需要在使用高电阻率Si晶片时通常必需的复杂的富陷阱层技术。此外，必须强调改善微声学设备的功率耐久性的优异的导热率。此外，层系统中的高声速支持微声学层的波导。利用基于AlN的材料系统，可获得相对较高的声速，还使得能够实现关于所使用的光刻技术具有宽松要求的高频表面声波设备。
图4和5示出了SAW电极结构IDT相对于AlScN层的晶体学轴的两个示例性定向的俯视图。
在图4中，AlScN层的c轴[000-1]相对于表面法线倾斜90°，并且电极结构IDT的定向使得主SAW传播能够沿[1-100]方向。
在图5中，AlScN层的c轴[000-1]相对于表面法线倾斜90°，并且电极结构IDT方向的定向使得主SAW传播方向能够沿晶体学c轴([000-1]方向)。在该第二实施例中，电极结构IDT与图4中所示出的电极结构IDT相比旋转了90°。
图6A、6B示出了根据图4中给定配置的SAW谐振器的导纳曲线。针对模拟，已使用针对分别具有7％Sc含量(图6A)和37.5％Sc含量(图6B)的AlScN压电层的公开的材料性质。AlScN的层厚度约为1200nm/3700nm(第一值针对低Sc含量，第二值针对高Sc含量)。电极结构IDT由具有约100nm的高度的Cu电极体现。在两种情况下，电极结构的换能器的相应间距都被设置为0.8μm。金属化比率a/p被设置为约0.45，其中a是指宽，且p是相邻的电极指的中心之间的距离。
SAW的传播方向平行于AlScN的[-1100]方向。利用该配置，可以激励剪切水平SAW模式。
图7A和7B示出了根据图5中给定配置的SAW谐振器的导纳曲线。再次，针对模拟，已使用针对分别具有7％Sc含量(图7A)和37.5％Sc含量(图7B)的AlScN压电层的相同的公开材料性质。AlScN的层厚度约为1000nm/800nm(第一值针对低Sc含量，第二值针对高Sc含量)。电极结构IDT由具有约150nm的高度的Cu电极体现。在两种情况下，电极结构的换能器的相应间距都被设置为0.8μm。金属化比率a/p被设置为约0.5/0.4(第一值针对低Sc含量，第二值针对高Sc含量)，其中a是指宽，且p是相邻的电极指的中心之间的距离。SAW的传播方向平行于晶体学c轴([000-1]方向)。利用该配置，可以激励纯瑞利模式SAW。可以通过减少AlScN层的Sc含量来实现更小的压电耦合(如在与图7B中较高的Sc含量37.5％相比时，针对图7A的实施例被设置为具有7％的Sc)。
由于实施例的数量有限，本发明不应限于这些实施例。层系统可以用于实现其他设备，该其他设备具有其他电极结构、不同层厚度，以及与针对特定目的可能是有帮助的附加层的组合。这种变化的实现和效果本身是本领域已知的。本发明的全部范围由权利要求限定。
Claims (13)
1.一种层系统，包括：
单晶蓝宝石衬底，具有第一表面；
晶体的压电层，包括AlN，在所述第一表面上外延生长，并且具有背离所述第一表面的第二表面；
其中所述第一表面是蓝宝石的晶体学R平面；
其中所述蓝宝石衬底与所述压电层之间的外延关系如下：
所述压电层(x切割)的(11-20)平面与蓝宝石(R平面)的(1-102)平面平行，
所述压电层的平面内[1-100]方向与蓝宝石的[-1-120]方向平行，并且
所述压电层的平面内[000-1]方向(晶体学c轴)与蓝宝石的[1-10-1]方向平行。
2.根据前述权利要求所述的层系统，
其中所述压电层包括掺杂有掺杂剂的AlN，所述掺杂剂改善压电耦合。
3.根据前述权利要求所述的层系统，
其中所述压电层包括AlScN，并且其中所述压电层中所包含的掺杂剂Sc的量在5at％与45at％之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的层系统，
其中所述压电层包括掺杂有Sc的AlN，并且其中纯AlN的籽晶层被布置在所述衬底与压电AlScN层之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的层系统，
包括被沉积到所述第二表面上的SiO2层。
6.一种SAW设备，包括前述权利要求中任一项所述的层系统，并且具有交叉指型电极结构，所述交叉指型电极结构被布置在所述第二表面的顶部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的SAW设备，
其中所述交叉指型电极结构适于在具有给定波长λ的所述压电层中激励SAW，其中所述压电层的厚度dP根据关系0.3λ≤dP≤3λ来选择。
8.根据前述权利要求中任一项所述的SAW设备，
其中所述第一表面相对于所述R平面倾斜0.5°至6°的角度δ。
9.根据前述权利要求中任一项所述的SAW设备，
其中所述交叉指型电极结构具有平面内定向，所述平面内定向具有围绕所述表面法线的在0°与90°之间的旋转角。
10.根据前述权利要求中任一项所述的SAW设备，
其中所述交叉指型电极结构包括Cu和/或Al。
11.根据前述权利要求中任一项所述的SAW设备，
包括选自以下群组的其他功能层：钝化层、SiN修整层和温度补偿层。
12.一种制造包括AlN层的层系统的方法，所述AlN层具有与所述层平行的c轴，所述方法包括以下步骤：
A)提供具有平面的第一表面的蓝宝石衬底，所述平面的第一表面是晶体学R平面；
B)将纯AlN的籽晶层沉积到所述第一表面上；
C)通过使用沉积技术将压电层外延生长到包括AlScN的所述籽晶层上，所述沉积技术选自以下项：金属有机CVD(MOCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、溶胶-凝胶沉积、高温溅射和脉冲激光沉积PLD。
13.根据前述权利要求所述的方法，包括以下步骤：
D)在所述压电层的顶部形成包括交叉指型电极的电极结构，所述交叉指型电极适于生成具有中频的SAW波，
其中步骤C)包括：在进行所述外延生长工艺时，将所述外延压电层的厚度dP控制为满足0.3λ≤dP≤3λ的值，其中λ与所述SAW波在所述中频处的波长一致。
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