CN111817681A - 一种薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，涉及半导体器件技术领域。本发明的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：对压电单晶衬底的正面进行离子注入形成注入损伤层，在压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化；在衬底晶圆的正面进行刻蚀，并图案化；将压电单晶衬底的正面与衬底晶圆的正面进行键合，形成键合结构；对键合结构进行退火处理，使键合结构沿注入损伤层剥离，得到位于衬底晶圆上的压电单晶薄膜；在压电单晶薄膜的表面制作电极，得到薄膜体声波谐振器。本发明可以实现衬底晶圆上的特定厚度薄膜的转移，解决了压电单晶薄膜的厚度不均匀性的问题，本发明制备的薄膜体声波谐振器的器件性能稳定，良率高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，FBAR)具有体积小、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大、高Q(quality factor，品质因数)值、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点，利用薄膜体声波谐振器技术可以制作谐振器、振荡器、双工器等多种高性能频率器件。与当前传统的介质谐振器和声表谐振器相关技术相比，薄膜体声波谐振器技术能提供更完善的功率处理能力、插入损耗和选择度特性。随着无线通信技术的发展，集成化和小型化已成为无线射频模块的发展趋势，射频模块前端电路中的滤波器的集成化、小型化和高功率则变得非常关键。鉴于薄膜体声波谐振器具有的上述优点，由薄膜体声波谐振器组成的滤波器已广泛应用于无线通信装置技术领域中。
薄膜体声波谐振器的工作区由金属底电极-压电膜-金属上电极组成，器件工作于能陷-厚度振动模式，工作频率与压电材料的厚度成反比。当电信号加载到薄膜体声波谐振器上时，器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特有的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，其中在器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就会衰减，在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号衰减越快。最后，在器件内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电薄膜等比例地转变成输出电信号，这样薄膜体声波谐振器最终就表现出对电信号的选频作用。
由于薄膜体声波谐振器的工作频率与压电材料的厚度成反比，作为核心的压电层，其厚度决定了最终器件的性能。然而，当前常用的通过物理或化学气相沉积得到的压电薄膜通常有着较大的厚度不均匀性，这对制备薄膜体声波谐振器这类对压电薄膜厚度敏感的器件是极其不利的。
有鉴于此，有必要提出一种薄膜体声波谐振器的制备方法，以解决上述技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，用以解决由于压电薄膜的厚度不均匀，而影响薄膜体声波谐振器的性能的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层；
在所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化；
提供一衬底晶圆，在所述衬底晶圆的正面进行刻蚀，并图案化；
将所述压电单晶衬底的正面与所述衬底晶圆的正面进行键合，形成键合结构；
对所述键合结构进行退火处理，所述键合结构沿所述注入损伤层剥离，得到位于所述衬底晶圆上的压电单晶薄膜；
在所述压电单晶薄膜的表面制作电极，得到薄膜体声波谐振器。
进一步地，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，采用氢离子注入、氦离子注入、氖离子注入或氢氦离子共注入的方法，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入。
进一步地，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，离子注入的温度为50-150℃；离子注入的能量为1-2000keV；离子注入的剂量为1×1016-1.5×1017cm-2。
进一步地，在对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化的步骤中，对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积后形成金属导电层，所述金属导电层的电阻率小于7×10-4Ω·m。
进一步地，在将所述压电单晶衬底的正面与所述衬底晶圆的正面进行键合，形成键合结构的步骤中，键合温度为40-250℃。
进一步地，在对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化之后，在所述压电单晶衬底的正面形成金属条纹；在对所述衬底晶圆的正面进行刻蚀，并图案化之后，在所述衬底晶圆的正面形成图案化的凹槽；所述凹槽的宽度大于所述金属条纹的宽度。
进一步地，在对所述键合结构进行退火处理，所述键合结构沿所述注入损伤层剥离，得到位于所述衬底晶圆上的压电单晶薄膜之后，还包括对所述压电单晶薄膜和所述衬底晶圆进行后处理的步骤。
进一步地，所述后处理采用后退火处理或表面处理。
进一步地，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，还包括：在对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入之前，对所述压电单晶衬底进行还原处理。
进一步地，所述压电单晶衬底的材料为铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡、石英和铌镁酸铅-钛酸铅中的至少一种；所述衬底晶圆的材料为硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓和碳化硅中的至少一种。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过对压电单晶衬底的正面进行离子注入形成注入损伤层，再与衬底晶圆进行键合，键合结构沿注入损伤层剥离后，可以实现衬底晶圆上的特定厚度的压电单晶薄膜的转移，较之于现有技术中的物理或化学气相沉积方法得到的压电单晶薄膜，本发明解决了压电单晶薄膜的厚度不均匀性的问题，由于压电单晶薄膜的厚度均匀，本发明的薄膜体声波谐振器的制备方法制备的器件性能稳定，良率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的压电单晶衬底依次进行离子注入、金属沉积及图案化对应的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的衬底晶圆进行图案化的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的键合结构的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的在位于衬底晶圆上的压电单晶薄膜表面制作电极的结构示意图。
其中，图中附图标记对应为：1-压电单晶衬底、2-注入损伤层、3-金属导电层、4-金属条纹、5-衬底晶圆、6-凹槽、7-键合结构、8-压电单晶薄膜、9-电极。
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，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明创造的描述中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。
实施例
本实施例提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，参照图1，本实施例中的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、提供一压电单晶衬底1，对压电单晶衬底1的正面进行离子注入，在压电单晶衬底1的预设深度形成注入损伤层2。
作为一种具体的实施方式，步骤S1中压电单晶衬底1作为薄膜转移衬底，其衬底材料包括铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡、石英和铌镁酸铅-钛酸铅中的至少一种。本领域技术人员可以理解，压电单晶衬底1的材料除了上述的铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡等材料外，实际应用中，还可以根据需要选择其他的材料，本发明实施例对此不作限制。
离子注入为半导体生产工艺中重要的手段之一，利用离子注入可以很方便地实现半导体掺杂，尤其是便于在指定位置和深度引入杂质，这在半导体器件的制备过程中是非常关键的；而且，离子注入还可以精确控制杂质，并具有很高的可重复性，这是常规的掺杂方法不能满足的。本实施例中，离子注入的目的是在压电单晶衬底1的内部的预设深度形成注入损伤层2，即缺陷层，进而后续可以在该注入损伤层2实现压电单晶薄膜的剥离与转移，离子注入的注入能量决定了注入离子聚集的深度，即转移薄膜的厚度，因此，预设深度视转移薄膜的厚度而定，离子注入的能量需足以使注入离子到达压电单晶衬底1内的预设深度；而剥离压电单晶薄膜所需的剂量是存在工艺窗口的，过高或过低都不能实现薄膜的剥离与转移。
作为一种具体的实施方式，在对压电单晶衬底1的正面进行离子注入的步骤中，离子注入的温度为50-150℃；离子注入的能量为1-2000keV；离子注入的剂量为1×1016-1.5×1017cm-2。
作为一种具体的实施方式，步骤S1中的对压电单晶衬底1的正面进行离子注入，采用氢离子注入、氦离子注入、氖离子注入或氢氦离子共注入的方法，对压电单晶衬底1的正面进行离子注入。当采用氢氦离子共注入的方式进行离子注入时，氢离子与氦离子的注入顺序还可以根据实际需要进行适当地调节。
作为一种可选的实施方式，在步骤S1中，对压电单晶衬底1的正面进行离子注入之前，还包括对压电单晶衬底1进行还原处理，还原处理能够提高晶片表面的电导率，进而改善和消除晶片在器件制备过程中因热释电效应引起的放电现象，通过一定的还原处理，能够使得压电单晶衬底1在具备较好压电性能的同时，减小材料因热释电现象的出现而对器件性能造成的影响。
步骤S2、在压电单晶衬底1的正面进行金属沉积，并图案化。
作为一种具体的实施方式，步骤S2中的对压电单晶衬底1的正面进行金属沉积，并图案化，作为非限制性示例，金属沉积可以采用物理气相沉积、化学气相沉积及溅射等方式，所沉积的金属可以是Au、Ti、Al、Cu、Cr等金属，对压电单晶衬底1的正面进行金属沉积后形成金属导电层3。考虑到若金属导电层3电阻过大，难以实现器件制备完成后在较高的工作频率下与外电路的阻抗匹配，因此金属导电层3的电阻率小于7×10-4Ω·m。对压电单晶衬底1进行离子注入，随后进行表面的金属沉积及图案化，对应的结构示意图如图2所示，在压电单晶衬底1的正面形成金属条纹4。
步骤S3、提供一衬底晶圆5，在衬底晶圆5的正面进行刻蚀，并图案化。
作为一种具体的实施方式，步骤S3中衬底晶圆5的材料为硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓和碳化硅中的至少一种。
本领域技术人员可以理解，衬底晶圆5的材料除了上述的硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石等材料外，实际应用中，还可以根据需要选择其他的材料，本发明实施例对此不作限制。
作为一种具体的实施方式，在步骤S2中的对压电单晶衬底1的正面进行金属沉积，并图案化之后，在压电单晶衬底1的正面形成金属条纹4；在步骤S3中的对衬底晶圆5的正面进行刻蚀，并图案化之后，在衬底晶圆5的正面形成图案化的凹槽6，本领域技术人员可以理解的是，此处的刻蚀可以为本领域已知的任何适当工艺；如图3所示为对衬底晶圆5的表面进行图案化刻蚀的结构示意图，凹槽6的宽度大于金属条纹4的宽度，以便后续键合。
步骤S4、将压电单晶衬底1的正面与衬底晶圆5的正面进行键合，形成键合结构7。
作为一种具体的实施方式，步骤S4中的将压电单晶衬底1的正面与衬底晶圆5的正面进行键合，形成键合结构7，具体地，键合温度可以为40-250℃。
作为一种具体的实施方式，如图4所示，将上述完成图案化的压电单晶衬底1与衬底晶圆5进行键合，通过加热等方式实现初始注入离子在注入损伤层的聚集，并实现带有电极图案的压电单晶薄膜的转移。
步骤S5、对键合结构7进行退火处理，键合结构7沿注入损伤层2剥离，得到位于衬底晶圆5上的压电单晶薄膜8。在退火处理的过程中，键合界面发生物理化学反应，能够显著增加键合强度。本实施例中的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过对压电单晶衬底进行离子注入形成注入损伤层，再与衬底晶圆进行键合，键合结构沿注入损伤层剥离后，可以实现衬底晶圆上的特定厚度的压电单晶薄膜的转移，且压电单晶薄膜的厚度不均匀性较之于常用的物理或化学气相沉积有着极大的优势，制备的薄膜体声波器件性能稳定，良率高。作为一种可选的实施方式，在步骤S5得到位于衬底晶圆5上的压电单晶薄膜8之后，还包括对压电单晶薄膜8和衬底晶圆5进行后处理的步骤。
作为一种具体的实施方式，后处理工艺可以采用后退火，后退火处理的温度可以介于300℃至700℃之间，后退火处理的时间可以介于1h至12h之间，后退火处理的气氛可以包括氮气、氧气、富Li气氛、真空或氩气。
作为一种可选的实施方式，后处理工艺还可以采用表面处理，表面处理可以包括表面粗糙度处理，进行表面粗糙度处理的方法可以包括化学机械抛光、化学腐蚀及低能离子辐照中的至少一种。通过表面处理，可以使压电单晶薄膜8具有平坦化表面。
步骤S6、在压电单晶薄膜8的表面制作电极9，得到薄膜体声波谐振器。如图5所示，完成对转移到衬底晶圆5上的压电单晶薄膜8后处理之后，随后进行金属沉积及图案化，完成电极9的制备，得到薄膜体声波器件，该薄膜体声波器件可应用于射频信号处理。
现有技术中常用的通过物理或化学气相沉积得到的压电薄膜通常有着较大的厚度不均匀性，这对制备薄膜体声波谐振器这类对压电薄膜厚度敏感的器件是极其不利的。本实施例采用离子束剥离的方式，能够精确控制转移的压电单晶薄膜的厚度，从而可以实现衬底晶圆上的特定厚度压电单晶薄膜的转移，解决了现有技术中采用物理或化学气相沉积方法制备的压电单晶薄膜的厚度不均匀性的问题，由于压电单晶薄膜的厚度均匀，采用本实施例中的薄膜体声波谐振器制备方法制备的器件性能稳定，良率高。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例中的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过对压电单晶衬底的正面进行离子注入形成注入损伤层，再与衬底晶圆进行键合，键合结构沿注入损伤层剥离后，可以实现衬底晶圆上的特定厚度的压电单晶薄膜的转移，较之于现有技术中的物理或化学气相沉积方法得到的压电单晶薄膜，本发明解决了压电单晶薄膜的厚度不均匀性的问题，由于压电单晶薄膜的厚度均匀，本发明实施例的薄膜体声波谐振器的制备方法制备的器件性能稳定，良率高。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层；
在所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化；
提供一衬底晶圆，在所述衬底晶圆的正面进行刻蚀，并图案化；
将所述压电单晶衬底的正面与所述衬底晶圆的正面进行键合，形成键合结构；
对所述键合结构进行退火处理，所述键合结构沿所述注入损伤层剥离，得到位于所述衬底晶圆上的压电单晶薄膜；
在所述压电单晶薄膜的表面制作电极，得到薄膜体声波谐振器。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，采用氢离子注入、氦离子注入、氖离子注入或氢氦离子共注入的方法，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入。
3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，离子注入的温度为50-150℃；离子注入的能量为1-2000keV；离子注入的剂量为1×1016-1.5×1017cm-2。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化的步骤中，对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积后形成金属导电层，所述金属导电层的电阻率小于7×10-4Ω·m。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在将所述压电单晶衬底的正面与所述衬底晶圆的正面进行键合，形成键合结构的步骤中，键合温度为40-250℃。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在对所述压电单晶衬底的正面进行金属沉积，并图案化之后，在所述压电单晶衬底的正面形成金属条纹；
在对所述衬底晶圆的正面进行刻蚀，并图案化之后，在所述衬底晶圆的正面形成图案化的凹槽；
所述凹槽的宽度大于所述金属条纹的宽度。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在对所述键合结构进行退火处理，所述键合结构沿所述注入损伤层剥离，得到位于所述衬底晶圆上的压电单晶薄膜之后，还包括对所述压电单晶薄膜和所述衬底晶圆进行后处理工艺的步骤。
8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述后处理工艺为后退火处理或表面处理。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在提供一压电单晶衬底，对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入，在所述压电单晶衬底的预设深度形成注入损伤层的步骤中，还包括：在对所述压电单晶衬底的正面进行离子注入之前，对所述压电单晶衬底进行还原处理。
10.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电单晶衬底的材料为铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡、石英和铌镁酸铅-钛酸铅中的至少一种；所述衬底晶圆的材料为硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓和碳化硅中的至少一种。
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