CN111865250A - 一种poi衬底、高频声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种POI衬底、高频声波谐振器及其制备方法，该POI衬底的制备方法包括以下步骤：获取重掺杂SiC衬底和压电衬底；对重掺杂SiC衬底进行多次H离子注入，在重掺杂SiC衬底中形成富H层，获得含富H层的重掺杂SiC衬底；其中，每次注入H离子的能量不同；对含富H层的重掺杂SiC衬底进行退火处理；对压电衬底进行离子注入，在压电衬底的设定深度位置形成缺陷层，获得含缺陷层的压电衬底；将含富H层的SiC衬底的注入面和含缺陷层的压电衬底的注入面进行键合，获得键合结构；对键合结构进行退火剥离处理，使得含缺陷层的压电衬底部分被剥离，形成含压电薄膜的键合结构；对含压电薄膜的键合结构进行后退火处理及对压电薄膜进行表面处理。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种POI衬底、高频声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着高速通信时代的进入，射频前端滤波器的工作所需的工作频段越来越高，与此同时与以前的滤波器有着相同的带宽要求以及品质因子(Q值)表现。然而，目前声表面波滤波器普遍工作频率低于2GHz。基于目前的硅基工艺，并不能在硅衬底上实现高频的器件设计，而另一方面器件还受限于压电材料的本征性能——目标弹性波波速不高。通过特征尺寸的减小虽能有效提高工作频率，但增加了工艺难度，导致滤波器的带宽以及品质因子(Q值)的表现大幅下降，同时成品率大大降低。
目前产业上比较通用的是通过在压电薄膜下设置高声速层来提高压电材料中目标弹性波波速。SiC作为工业上已经成熟并大规模商业化的高声速半导体，是目前最为理想的衬底材料。然而目前依旧存在如下问题：1、现有技术中需要采用绝缘SiC衬底以避免漏电问题，而目前这种衬底的成本极高，是普通SiC晶圆的3倍以上。2、采用普通异质外延沉积得到的SiC高声速材料层取向杂乱，对于提高压电膜中传播的目标弹性波声速及性能的提升不明显。同质外延则面临成本问题3、采用普通较低成本的高掺杂SiC则面临漏电问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种POI衬底的制备方法，包括以下步骤：
获取重掺杂SiC衬底和压电衬底；
对所述重掺杂SiC衬底进行多次H离子注入，在所述重掺杂SiC衬底中形成富H层，获得含富H层的重掺杂SiC衬底；其中，每次注入H离子的能量不同；
对所述含富H层的重掺杂SiC衬底进行退火处理；
对所述压电衬底进行离子注入，在所述压电衬底的设定深度位置形成缺陷层，获得含缺陷层的压电衬底；
将所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面进行键合，获得键合结构；
对所述键合结构进行退火剥离处理，使得所述含缺陷层的压电衬底部分被剥离，形成含压电薄膜的键合结构；
对所述含压电薄膜的键合结构进行后退火处理及对所述压电薄膜进行表面处理。
进一步地，对所述重掺杂SiC衬底进行H离子注入的次数为3-5次；
其中，每次注入H离子的能量为50keV-2MeV；多次注入H离子的能量设定规律平均分布；每次注入H离子的剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2；每次注入H离子的温度为25℃-400℃；每次注入H离子的方向为沿所述SiC衬底的<0001>晶向偏3-7°注入；
所述富H层各处的H元素密度平均分布。
进一步地，对所述含富H层的重掺杂SiC衬底进行退火处理步骤中，退火温度为900℃至1150℃，退火时间为4至12小时，退火气氛为氮气、氩气或真空中的任意一种。
进一步地，所述压电衬底的材料包括硅、锗、石英、蓝宝石、铌酸锂或钽酸锂中的任意一种。
进一步地，对所述压电衬底进行离子注入，包括：对所述压电衬底进行H离子和/或He离子注入；
若所述压电衬底的材料为硅、锗或钽酸锂，则对所述压电衬底进行H离子注入；
若所述压电衬底的材料为铌酸锂，则对所述压电衬底进行He离子注入；
若所述压电衬底的材料为石英或蓝宝石，则对所述压电衬底进行H离子注入或H离子和He离子共同注入。
进一步地，所述压电薄膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波、反对称型兰姆波、剪切恒波或瑞利波中的任意一种；
所述含富H层的SiC衬底中传播的体波波速大于所述压电薄膜激发的目标弹性波的本征波速。
进一步地，所述对所述压电衬底进行H离子和/或He离子注入的能量范围为20keV-1MeV，剂量范围为1×1016cm-2-2×1017cm-2。
进一步地，所述将所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面进行键合步骤之前，还包括：
对所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面采用等离子激活的方法进行处理，在所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面上形成富氧层、富氮层或富氩层。
进一步地，所述对所述含压电薄膜的键合结构进行后退火处理步骤中，后退火温度大于等于所述退火剥离处理的退火温度，且与所述退火剥离处理的退火温度的温差小于等于400℃。
本申请第二方面提供一种POI衬底，所述POI衬底由上述制备方法制备形成，包括：重掺杂SiC衬底和压电薄膜；
所述重掺杂SiC衬底和所述压电薄膜键合连接；
所述重掺杂SiC衬底含有富H层；所述富H层各处的H元素密度平均分布。
本申请第三方面提供一种高频声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
根据上述制备方法制备POI衬底；
在所述POI衬底上制备滤波结构。
本申请第四方面提供一种高频声波谐振器，包括滤波结构和所述POI衬底，所述滤波结构设于所述POI衬底上。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的POI衬底应用于高频声波谐振器中，在低成本高掺杂的SiC晶圆中，通过多次离子注入的方式引入一层较厚的富H层，能够在解决解决SiC衬底漏电，高声速稳定性的问题的同时，保证高频声波谐振器的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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他的附图。
图1为本申请实施例一种POI衬底的制备方法的示意图；
图2为350keV/1014cm-2下H离子注入在不同温度下SiC阻值的变化图；
图3为H离子注入在SiC衬底中的分布(Dp)以及造成的损伤情况(RP)图；
图4为高频声波谐振器SEM俯视图以及性能测试结果图。
以下对附图作补充说明：
1-重掺杂SiC衬底；2-压电衬底；3-富H层；4-缺陷层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种POI(Piezo-On-Insulator，绝缘体上的压电薄膜)衬底的制备方法示意图，包括以下步骤：
如图1(a)所示:获取重掺杂SiC衬底1和压电衬底2；
如图1(b)所示:对重掺杂SiC衬底1进行多次H离子注入，在重掺杂SiC衬底1中形成富H层3，获得含富H层3的重掺杂SiC衬底1；其中，每次注入H离子的能量不同；H离子注入在重掺杂SiC衬底1中形成补偿掺杂，使重掺杂SiC衬底1近表面部分钝化。
本申请实施例中，对重掺杂SiC衬底1进行H离子注入的次数为3-5次；其中，每次注入H离子的能量为50keV-2MeV；多次注入H离子的能量设定规律平均分布,使得注入后的富H层3各处的H元素密度平均分布；每次注入H离子的剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2；每次注入H离子的温度为25℃-400℃；每次注入H离子的方向为沿SiC衬底的<0001>晶向偏3-7°注入；
由于H离子的注入对SiC的导电特性有很强的钝化作用，因此可以用来调控SiC的电学性能，如图2所示，图2为350keV/1014cm-2下H离子注入在不同注入温度下的SiC阻值的变化图，证明了通过调控H离子注入后的的退火温度可以调控SiC衬底1的阻值。
本申请实施例中，H离子注入后其离子分布在SiC衬底1中呈高斯分布(如图3所示),因此在确定注入深度的前提下，通过不同能量H离子的分布比例及注入总量，可以综合计算以使各个深度的H离子浓度达到平均分布。各个深度的H离子浓度达到平均分布目的是为了使得富H层的电学特性各深度均匀，而不会造成单一能量注入仅在高斯峰附近实现良好的电学改性而表层部分依旧出现漏电情况。图4(a),(b)分别为高频声波谐振器的SEM俯视图以及性能测试结果图，图4(b)的测试结果表明，基于LiNbO3/SiC衬底的固态装配型高频声波谐振器的谐振频率达到3.46GHz，机电耦合系数大于20％，完全满足5G通信对高频和大带宽的需求；图4(b)的测试结果还表明该谐振器激发的反对称型兰姆波的声速为6228m/s，高于反对称型兰姆波的本征声速(5900m/s)，H离子的注入对SiC衬底1的电学性能实现了良好的改性，并适用于高频滤波器件的制备。
如图1(c)所示:对含富H层3的重掺杂SiC衬底1进行退火处理；
其中，退火温度为900℃至1150℃，退火时间为4至12小时，退火气氛为氮气、氩气或真空中的任意一种，退火过程用于恢复SiC包含晶格质量，导热，机械等基本物理特性。
如图1(d)所示:对压电衬底2进行离子注入，在压电衬底2的设定深度位置形成缺陷层4，获得含缺陷层4的压电衬底2；
本申请实施例中，压电衬底2的材料包括但不仅限于硅、锗、石英、蓝宝石、铌酸锂或钽酸锂中的任意一种。
其中，对压电衬底2进行离子注入，包括：对压电衬底2进行H离子和/或He离子注入；对压电衬底2进行H离子和/或He离子注入的能量范围为20keV-1MeV，剂量范围为1×1016cm-2-2×1017cm-2。
若压电衬底2的材料为硅、锗或钽酸锂，则对压电衬底2进行H离子注入；
若压电衬底2的材料为铌酸锂，则对压电衬底2进行He离子注入；
若压电衬底2的材料为石英或蓝宝石，则对压电衬底2进行H离子注入或H离子和He离子共同注入。
如图1(e)所示:将含富H层3的SiC衬底的注入面和含缺陷层4的压电衬底2的注入面进行键合，获得键合结构；
将含富H层3的SiC衬底的注入面和含缺陷层4的压电衬底2的注入面进行键合步骤之前，还包括：
对含富H层3的SiC衬底的注入面和含缺陷层4的压电衬底2的注入面采用等离子激活的方法进行处理，在含富H层3的SiC衬底的注入面和含缺陷层4的压电衬底2的注入面上形成富氧层、富氮层或富氩层。
本申请实施例中，含富H层3的SiC衬底的注入面和含缺陷层4的压电衬底2的注入面进行键合时，键合的温度范围为室温到800℃，键合环境条件包括但不限于常温常压，真空环境，氮气气氛等，键合温度不高于后压电衬底2的退火剥离中的退火温度。
如图1(f)所示:对键合结构进行退火剥离处理，使得含缺陷层4的压电衬底2部分被剥离，形成含压电薄膜的键合结构；
其中，退火剥离的气氛为氮气、氩气、氢气、真空中至少一种，退火时间为30分钟到24小时。
不同材料的压电衬底2采用的退火温度不同，其中，硅或锗材料的退火温度为400℃至600℃；钽酸锂材料的退火温度区间为100℃至400℃，铌酸锂材料的退火温度区间为200℃至500℃，石英或蓝宝石材料的温度区间为700℃至1100℃。
如图1(g)所示:对含压电薄膜的键合结构进行后退火处理及对压电薄膜进行表面处理。
其中，对剥离后的含压电薄膜的键合结构做后退火能够恢复薄膜质量，其中，后退火时间为2h至24h。其中，后退火温度大于等于退火剥离处理的退火温度，且与退火剥离处理的退火温度的温差小于等于400℃。后退火时间随退火温度的升高而降低。
对压电薄膜进行表面处理方法为化学机械抛光、干湿法混合氧化后腐蚀或低能离子束辐照中的任意一种或多种的组合，处理后压电薄膜的表面粗糙度降低至1nm以下。
本申请实施例中压电薄膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波、反对称型兰姆波、剪切恒波或瑞利波中的任意一种；
含富H层3的SiC衬底中传播的体波波速大于压电薄膜激发的目标弹性波的本征波速。
本申请通过在重掺杂SiC衬底1中引入富H层3对SiC衬底进行改性，实现利用产业成熟且低成本的高掺杂SiC衬底代替传统昂贵的高声速衬底作为压电薄膜的优良支撑材料，在提高高频声波谐振器性能的同时大大降低器件的生产成本。
本申请实施例第二方面提供一种POI衬底，POI衬底由上述制备方法制备形成，包括：重掺杂SiC衬底1和压电薄膜；
重掺杂SiC衬底1和压电薄膜键合连接；
重掺杂SiC衬底1含有富H层3；富H层3各处的H元素密度平均分布。
本申请第三方面提供一种高频声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
根据上述制备方法制备POI衬底；
在POI衬底上制备滤波结构。
其中，高频声波谐振器的制备方法包括电子束曝光与干法刻蚀。电子束曝光的涂胶为铬，PMMA，PDMS，AB胶，二氧化硅，HSQ中至少一种；干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀与反应离子刻蚀中至少一种，刻蚀气体为CCl4，SF6，O2，Ar中至少一种或其中数种的混合气体。
本申请第四方面提供一种高频声波谐振器，包括滤波结构和POI衬底，滤波结构设于POI衬底上。
本申请提供的POI衬底应用于高频声波谐振器中，在低成本高掺杂的SiC晶圆中，通过多次离子注入的方式引入一层较厚的富H层3，能够在解决解决SiC衬底漏电，高声速稳定性的问题的同时，保证高频声波谐振器的性能。
基于上述实施方法下面举例详述一种实施例：
实施例1：
S1、获取重掺杂SiC衬底和铌酸锂压电衬底
S2:以200keV、400keV、600keV、800keV四种能量分别对SiC衬底进行四次H离子注入，四种能量所注剂量分别为6×106cm-2、6.5×106cm-2、7.7×106cm-2、9×106cm-2，其中，注入条件为常温，注入方向沿SiC<0001>偏7°注入,获得含富H层的重掺杂SiC衬底；
S3:对含富H层的重掺杂SiC衬底做后退火处理恢复注入损伤，退火温度900℃，退火时间10小时，退火气氛为氮气。
S4:并沿铌酸锂压电衬底表面注入H离子，注入剂量为7×106cm-2，注入能量为150keV。
S5:利用1keV低能氩等离子处理含富H层的重掺杂SiC衬底表面与铌酸锂表面，处理面均为注H面，然后在两晶圆表面形成约2nm深的富氩层，然后在真空环境中将两衬底表面键合，形成键合结构，键合温度为350℃。
对键合结构进行退火剥离处理，使得含缺陷层的压电衬底部分被剥离，形成含压电薄膜的键合结构；
S6:对键合结构进行退火剥离处理，将键合结构在氮气环境中退火，退火温度为500℃，退火时间为12小时，铌酸锂部分被剥离与SiC衬底形成含压电薄膜的键合结构。
S7:对含压电薄膜的键合结构进行后退火处理及对压电薄膜进行表面处理。将铌酸锂结构在氮气环境下进行后退火，退火温度为650℃，退火时间小时。对后退火后的结构进行化学机械抛光处理平坦化表面。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种POI衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取重掺杂SiC衬底和压电衬底；
对所述重掺杂SiC衬底进行多次H离子注入，在所述重掺杂SiC衬底中形成富H层，获得含富H层的重掺杂SiC衬底；其中，每次注入H离子的能量不同；
对所述含富H层的重掺杂SiC衬底进行退火处理；
对所述压电衬底进行离子注入，在所述压电衬底的设定深度位置形成缺陷层，获得含缺陷层的压电衬底；
将所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面进行键合，获得键合结构；
对所述键合结构进行退火剥离处理，使得所述含缺陷层的压电衬底部分被剥离，形成含压电薄膜的键合结构；
对所述含压电薄膜的键合结构进行后退火处理及对所述压电薄膜进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，对所述重掺杂SiC衬底进行H离子注入的次数为3-5次；
其中，每次注入H离子的能量为50keV-2MeV；多次注入H离子的能量设定规律平均分布；每次注入H离子的剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2；每次注入H离子的温度为25℃-400℃；每次注入H离子的方向为沿所述SiC衬底的<0001>晶向偏3-7°注入；
所述富H层各处的H元素密度平均分布。
3.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述对所述含富H层的重掺杂SiC衬底进行退火处理步骤中，退火温度为900℃至1150℃，退火时间为4至12小时，退火气氛为氮气、氩气或真空中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述压电衬底的材料包括硅、锗、石英、蓝宝石、铌酸锂或钽酸锂中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，对所述压电衬底进行离子注入，包括：对所述压电衬底进行H离子和/或He离子注入；
若所述压电衬底的材料为硅、锗或钽酸锂，则对所述压电衬底进行H离子注入；
若所述压电衬底的材料为铌酸锂，则对所述压电衬底进行He离子注入；
若所述压电衬底的材料为石英或蓝宝石，则对所述压电衬底进行H离子注入或H离子和He离子共同注入。
6.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波、反对称型兰姆波、剪切恒波或瑞利波中的任意一种；
所述含富H层的SiC衬底中传播的体波波速大于所述压电薄膜激发的目标弹性波的本征波速。
7.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述对所述压电衬底进行H离子和/或He离子注入的能量范围为20keV-1MeV，剂量范围为1×1016cm-2-2×1017cm-2。
8.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述将所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面进行键合步骤之前，还包括：
对所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面采用等离子激活的方法进行处理，在所述含富H层的SiC衬底的注入面和所述含缺陷层的压电衬底的注入面上形成富氧层、富氮层或富氩层。
9.根据权利要求1所述的POI衬底的制备方法，其特征在于，所述对所述含压电薄膜的键合结构进行后退火处理步骤中，后退火温度大于等于所述退火剥离处理的退火温度，且与所述退火剥离处理的退火温度的温差小于等于400℃。
10.一种POI衬底，所述POI衬底由上述权利要求1-9任一项所述制备方法制备形成，其特征在于，包括：重掺杂SiC衬底和压电薄膜；
所述重掺杂SiC衬底和所述压电薄膜键合连接；
所述重掺杂SiC衬底含有富H层；所述富H层各处的H元素密度平均分布。
11.一种高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据权利要求1-9任一项所述制备方法制备POI衬底；
在所述POI衬底上制备滤波结构。
12.一种高频声波谐振器，其特征在于，包括滤波结构和权利要求10所述POI衬底，所述滤波结构设于所述POI衬底上。
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