CN113904645A - 一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器 - Google Patents

一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及声波谐振器制备技术领域，特别涉及一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器。方法包括：获取支撑衬底；在支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层；对碳化硅单晶薄膜层减薄，以使碳化硅单晶薄膜层形成超薄碳化硅单晶薄膜层；在超薄碳化硅单晶薄膜层上制作氮化铝薄膜，以使超薄碳化硅单晶薄膜层与氮化铝薄膜形成复合压电器件层；在复合压电器件层上制作上电极，上电极设置在氮化铝薄膜上。在支撑衬底上通过离子束剥离和键合的方法形成碳化硅单晶薄膜层，得到与AlN更匹配的SiC作为外延模板，大大提高了外延AlN薄膜的晶体质量，从而提高器件性能与可靠性。

Description

一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器
技术领域
本发明涉及声波谐振器制备技术领域，特别涉及一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器。
背景技术
氮化铝(AlN)材料具有极高的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传播速度、低传输损耗、良好的物理、化学稳定性和热稳定性，是制备高性能声波谐振器的优质材料，可用于声波滤波器的制备。
现有技术通常在晶面为111面Si衬底表面外延c轴择优取向的多晶AlN薄膜，进而制备AlN声波谐振器器件。该现有技术具有以下缺点：
首先，由于晶型匹配选用晶面为111面的Si衬底，得到的AlN薄膜一般是c轴择优取向多晶，AlN晶体质量差、位错缺陷密度高，严重影响器件性能和可靠性。由于晶型匹配限制，往往只能得到c轴择优取向，而无法得到其他取向的AlN晶体。同时，衬底选用晶面为111面的高阻Si，只能制备上下电极器件，导致器件结构单一。此外，晶面为111面的Si衬底无法实现100晶面的Si衬底独有的CMOS兼容性，导致最终的功能器件制备无法实现与CMOS工艺兼容。
其次，AlN器件的底电极往往需要空气腔(Air Gap)，使器件基本处于悬空状态，而AlN与Si的巨大热失配造成的热应力，容易使AlN破裂，造成器件坍塌。而且，由于Si衬底热导率不高，以及AlN晶体质量差等，均会影响散热，使器件散热能力受到限制，严重影响了器件性能和可靠性。
发明内容
本发明提供一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器，以解决现有氮化铝声波谐振器制备方法所存在的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法，所述方法包括：
获取支撑衬底；
在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层；
对所述碳化硅单晶薄膜层减薄，以使所述碳化硅单晶薄膜层形成超薄碳化硅单晶薄膜层；
在所述超薄碳化硅单晶薄膜层上制作氮化铝薄膜，以使超薄碳化硅单晶薄膜层与所述氮化铝薄膜形成复合压电器件层；
在所述复合压电器件层上制作上电极，所述上电极设置在所述氮化铝薄膜上。
进一步的，所述支撑衬底为硅、氧化硅、绝缘体上硅中的至少一种。
进一步的，所述在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层，包括：
获取碳化硅单晶晶片；
对所述碳化硅单晶晶片进行离子注入，得到离子注入碳化硅单晶晶片；
将所述离子注入碳化硅单晶晶片与所述支撑衬底进行键合，得到异质键合结构；
对所述异质键合结构进行退火处理，以使所述离子注入碳化硅单晶晶片沿离子注入损伤面分裂得到所述碳化硅单晶薄膜层；所述碳化硅单晶薄膜层设置在所述支撑衬底上。
进一步的，所述碳化硅单晶晶片为高导电碳化硅单晶晶片或半绝缘碳化硅单晶晶片。
进一步的，所述碳化硅单晶晶片晶面为极性面、半极性面、非极性面中的任意一种。
进一步的，将所述离子注入碳化硅单晶晶片与所述支撑衬底进行键合所采用的键合方法包括亲水性直接键合、介质层间接键合、表面活化键合中的任意一种。
进一步的，所述碳化硅单晶晶片为高导电碳化硅单晶晶片；所述在所述复合压电器件层上制作上电极，包括：
在所述氮化铝薄膜上制作共面第一电极和第二电极。
进一步的，所述碳化硅单晶晶片为半绝缘碳化硅单晶晶片；所述在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层之前，还包括：
在所述支撑衬底内形成牺牲层；
在所述牺牲层内制作下电极。
进一步的，对所述碳化硅单晶薄膜层减薄所采用的方法包括化学机械抛光、离子束刻蚀、机械研磨、离子束研磨、高温氧化加湿法腐蚀中的至少一种。
进一步的，所述超薄碳化硅单晶薄膜层厚度为1nm-100nm。
进一步的，形成氮化铝薄膜所采用的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、真空蒸发镀膜、溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、化学束外延、氢化物气相外延、物理气相传输中的任意一种。
第二方面，本申请实施例公开了一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器，所述声波谐振器为通过如上所述的氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法制备得到。
采用上述技术方案，本申请实施例所述的氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器具有如下有益效果：
该氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法，在支撑衬底上通过离子束剥离和键合的方法形成碳化硅单晶薄膜层，得到与AlN更匹配的SiC作为外延模板，大大提高了外延AlN薄膜的晶体质量，从而提高器件性能与可靠性。而且离子束剥离剩余SiC单晶晶片使其可以循环使用，成本大大降低。此外，该制备方法将SiC单晶薄膜进一步减薄得到超薄SiC单晶薄膜，使AlN层与超薄SiC层作为声波谐振器的整体共同作用。SiC具有优异的机械性能，可以起到良好的支撑作用，避免因热应力导致的AlN薄膜破裂、器件坍塌的问题。同时，由于SiC热导率极高，可大大提高器件的散热能力，从而提升器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种在支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层的方法流程示意图；
图3为本申请实施例提供的一种形成碳化硅单晶薄膜层的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的结构示意图。
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。
本申请实施例提供了一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法，图1为本申请实施例提供的一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S101：获取支撑衬底。
本申请实施例中，支撑衬底可以选用硅、氧化硅、绝缘体上硅等。优选的，为了实现与CMOS工艺兼容，支撑衬底可选用晶面为100的硅衬底。
S103：在支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层。
本申请实施例中，可以通过离子束剥离和键合的方法在支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层。图2为本申请实施例提供的一种在支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层的方法流程示意图，如图2所示，该方法包括：
S201：获取碳化硅单晶晶片。
本申请实施例中，碳化硅单晶晶片的晶面类型可以为极性面、半极性面、非极性面中的任意一种。即可以选用晶面类型为c面的碳化硅单晶晶片，也可以选用晶面类型为a面的碳化硅单晶晶片，还可以选用晶面类型为m面的碳化硅单晶晶片。碳化硅晶面的选择可根据所设计的声波谐振器的指标参数来选择。具体而言，对于采用氮化铝作为压电薄膜层的声波谐振器来说，不同晶面取向的氮化铝薄膜制备得到的声波谐振器具有不同的性能。而不同晶面取向的氮化铝薄膜需要选用不同晶面取向的碳化硅单晶薄膜作为模板进行外延。为了实现声波谐振器的性能多样化，可采用不同晶面取向的碳化硅单晶薄膜作为模板来外延不同晶面取向的氮化铝薄膜作为压电薄膜层。
S203：对碳化硅单晶晶片进行离子注入，得到离子注入碳化硅单晶晶片。
本申请实施例中，图3为本申请实施例提供的一种形成碳化硅单晶薄膜层的流程示意图，如图3所示，首先获取碳化硅单晶晶片，然后对碳化硅单晶晶片进行离子注入，以在碳化硅单晶晶片内形成离子注入损伤层，以使得碳化硅单晶晶片经过后续处理可以在离子注入损伤层处实现剥离。离子注入的方向为自碳化硅单晶晶片的一个表面注入，优选为垂直于碳化硅单晶晶片偏7°角。在一些实施例中，离子注入方向还可以与碳化硅单晶晶片呈其他预设夹角。进行离子注入的离子可以为氢离子、氦离子等，离子注入可以是单一离子注入，也可以是多种离子的共注入的方式，如氢\氦离子共注。当采用两种以上离子共注入的方式时，注入顺序可以依据实际需求调整。离子注入的剂量与注入能量可根据注入离子来确定。作为一种可选的实施方式，选用氢离子进行离子注入，注氢离子的能量范围为20keV-2MeV，注入剂量范围为1×1016ions/cm2-1×1017ions/cm2。对碳化硅单晶晶片进行离子注入后得到离子注入碳化硅单晶晶片，以进行后续处理。
S205：将离子注入碳化硅单晶晶片与支撑衬底进行键合，得到异质键合结构。
本申请实施例中，如图3所示，在将离子注入碳化硅单晶晶片与支撑衬底进行键合时，可选的，将碳化硅单晶晶片中进行离子注入的表面与支撑衬底的表面进行键合。可选的，将离子注入碳化硅单晶晶片与支撑衬底进行键合所采用的键合方法可以是亲水性直接键合，或者是介质层间接键合，还可以是表面活化键合等。在一个可选的实施方式中，采用介质层间接键合的方式将离子注入碳化硅单晶晶片与支撑衬底进行键合，介质层间接键合中的介质层可以为氧化铝、氧化硅、氮化硅等。
S207：对异质键合结构进行退火处理，以使离子注入碳化硅单晶晶片沿离子注入损伤面分裂得到碳化硅单晶薄膜层。
本申请实施例中，如图3所示，对异质键合结构进行退火处理，使碳化硅单晶晶片沿离子注入损伤层剥离，由此得到键合在支撑衬底上的碳化硅单晶薄膜层和碳化硅单晶晶片余料。碳化硅与氮化铝在晶格匹配与热匹配更好，使用碳化硅作为氮化铝的外延模板，能够获得更高质量的氮化铝薄膜。然而，碳化硅虽然是更优质的外延衬底，但碳化硅的成本高昂，因此本申请实施例采用在支撑衬底上键合剥离碳化硅单晶薄膜层的方式，在实现高质量器件制备的同时，兼顾成本因素，降低器件制备成本。剥离后的碳化硅单晶晶片余料可以进行表面处理，去除残余损伤层，可以循环利用，进而降低成本。
S105：对碳化硅单晶薄膜层减薄，以使碳化硅单晶薄膜层形成超薄碳化硅单晶薄膜层。
本申请实施例中，由碳化硅单晶晶片剥离得到的碳化硅单晶薄膜的表面粗糙度较高，不利于外延高质量氮化铝薄膜。本申请实施例中在得到碳化硅单晶薄膜层之后，对碳化硅单晶薄膜层的进行减薄处理，一方面能够提高碳化硅单晶薄膜层的表面晶格质量，进而提升氮化铝外延质量。另一方面通过对碳化硅单晶薄膜层进行减薄得到超薄碳化硅单晶薄膜层，使超薄碳化硅单晶薄膜层与外延的氮化铝层作为声波谐振器的整体共同作用。由于碳化硅具有优异的机械性能，即硬度较高，可以起到良好的支撑作用，避免热应力导致的氮化铝薄膜破裂、器件坍塌等问题，而且碳化硅热导率极高，可大大提高器件的散热能力，从而提升器件性能。
本申请实施例中，可以采用化学机械抛光、离子束刻蚀、机械研磨、离子束研磨、高温氧化加湿法腐蚀等方法对碳化硅单晶薄膜层进行减薄。减薄得到的超薄碳化硅单晶薄膜层厚度可选为1nm-100nm。
S107：在超薄碳化硅单晶薄膜层上制作氮化铝薄膜，以使超薄碳化硅单晶薄膜层与氮化铝薄膜形成复合压电器件层。
本申请实施例中，在超薄碳化硅单晶薄膜层上制作氮化铝薄膜，以形成声波谐振器的有源器件层。可选的，制作氮化铝薄膜所采用的方法包括单但不仅限于化学气相沉积、物理气相沉积、真空蒸发镀膜、溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、化学束外延、氢化物气相外延、物理气相传输等。在一个可选的实施方式中，采用金属有机化合物气相沉积的方法在超薄碳化硅单晶薄膜层的表面外延氮化铝薄膜。
S109：在复合压电器件层上制作上电极，上电极设置在氮化铝薄膜上。
本申请实施例中，制备声波谐振器还包括制备金属电极的步骤。可选的，金属的电极的材质为铝、钨、铬、钛、铜、银、金的至少一种或多种组合。
本申请实施例中由于在氮化铝薄膜下层制作了超薄碳化硅单晶薄膜层，因此可根据超薄碳化硅单晶薄膜层的导电性在设计符复合声波谐振器的结构。
作为一种可选的实施方式，图4为本申请实施例提供的一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的结构示意图，如图4所示，当选用半绝缘碳化硅单晶晶片来制作超薄碳化硅单晶薄膜层时，可以在复合压电器件层的上下表面分别制作上电极和下电极，其中下电极处于支撑衬底所形成的空气腔内。制备该中结构的复合声波谐振器时，上电极的制作可以在完成复合压电器件层制作之后进行。而下电极的制作可根据不同的制作工艺进行选择。
在一些实施例中，可以在支撑衬底与离子注入碳化硅单晶晶片键合之前进行下电极的制作。具体而言，首先在支撑衬底内形成凹槽结构，然后在凹槽内形成牺牲层来填充凹槽，例如，可选用SiO2作为牺牲层材质。最后在牺牲层内形成下电极，得到预先掩埋下电极的支撑衬底。在一些实施方式中，还可以对该预先掩埋下电极的支撑衬底进行表面平坦化，例如化学机械抛光，得到表面光滑的预先掩埋下电极的支撑衬底。在完成下电极的制备之后，可以将离子注入碳化硅单晶晶片与预先掩埋下电极的支撑衬底进行异质键合。
作为另一种可选的实施方式，图5为本申请实施例提供的另一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的结构示意图，如图5所示，当选用高导电碳化硅单晶晶片来制作超薄碳化硅单晶薄膜层时，由于高导电碳化硅单晶制作的超薄碳化硅单晶薄膜层具有良好的导电性，可以作为悬浮电势，因此，无需制备下电极，可以仅在复合压电器件层的上表面制作上电极即可。具体来说，在氮化铝薄膜上形成共面第一电极和第二电极，即电极G(ground)电极和S(signal)电极，然后对支撑衬底进行背刻蚀或背腐蚀，使超薄碳化硅单晶薄膜层的下表面裸露在空气中，即完成复合声波谐振器的制备。
本申请实施例提供了一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器，声波谐振器为通过如上所述的氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法制备得到。
本申请实施例中，氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的结构可以为图4所示的结构，也可以为图5所示的结构。关于复合声波谐振器的结构具体实施情况，可参见上述描述氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法中的全部方式。
本身实施例所述的氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法及谐振器具有以下优点：
第一，由于选用了碳化硅作为氮化铝的外延模板，最底层选用的支撑衬底无需考虑晶格匹配问题，因此支撑衬底可选用晶面为100的衬底，从而实现与CMOS工艺相兼容。
第二，在支撑衬底上通过离子束剥离和键合的方法形成碳化硅单晶薄膜层，既得到与氮化铝更匹配的碳化硅作为外延模板，大大提高了外延氮化铝薄膜的晶体质量，从而提高器件性能与可靠性。此外，离子束剥离碳化硅单晶晶片使其可以循环使用，使成本大大降低。
第三，将碳化硅单晶薄膜进一步减薄得到超薄碳化硅单晶薄膜，使氮化铝层与碳化硅层作为声波谐振器的整体共同作用。碳化硅具有优异的机械性能，可以起到良好的支撑作用，避免现有技术中热应力导致的氮化铝薄膜破裂、器件坍塌的问题。此外，碳化硅热导率极高，可大大提高器件的散热能力，从而提升器件性能。
第四，碳化硅不仅可以使用常用的0001面，即c面外延得到c轴氮化铝，可也以使用碳化硅的m面、a面，从而得到不同取向面的氮化铝，即调控了氮化铝的极化情况，从而调控氮化铝器件的性能。
第五，碳化硅选用半绝缘类型时，可以制备性能更优异的上下电极氮化铝声波谐振器，其中碳化硅可以有效约束氮化铝薄膜的声波，进一步大大提升器件性能；而碳化硅为高导电类型时，超薄碳化硅单晶薄膜可作为悬浮电势，在氮化铝表面只需制备共面电极，大大降低工艺难度。
以上所述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)

1.一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
获取支撑衬底；
在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层；
对所述碳化硅单晶薄膜层减薄，以使所述碳化硅单晶薄膜层形成超薄碳化硅单晶薄膜层；
在所述超薄碳化硅单晶薄膜层上制作氮化铝薄膜，以使超薄碳化硅单晶薄膜层与所述氮化铝薄膜形成复合压电器件层；
在所述复合压电器件层上制作上电极，所述上电极设置在所述氮化铝薄膜上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑衬底为硅、氧化硅、绝缘体上硅中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层，包括：
获取碳化硅单晶晶片；
对所述碳化硅单晶晶片进行离子注入，得到离子注入碳化硅单晶晶片；
将所述离子注入碳化硅单晶晶片与所述支撑衬底进行键合，得到异质键合结构；
对所述异质键合结构进行退火处理，以使所述离子注入碳化硅单晶晶片沿离子注入损伤面分裂得到所述碳化硅单晶薄膜层；所述碳化硅单晶薄膜层设置在所述支撑衬底上。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅单晶晶片为高导电碳化硅单晶晶片或半绝缘碳化硅单晶晶片。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅单晶晶片晶面为极性面、半极性面、非极性面中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将所述离子注入碳化硅单晶晶片与所述支撑衬底进行键合所采用的键合方法包括亲水性直接键合、介质层间接键合、表面活化键合中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅单晶晶片为高导电碳化硅单晶晶片；所述在所述复合压电器件层上制作上电极，包括：
在所述氮化铝薄膜上制作共面第一电极和第二电极。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅单晶晶片为半绝缘碳化硅单晶晶片；所述在所述支撑衬底上形成碳化硅单晶薄膜层之前，还包括：
在所述支撑衬底内形成牺牲层；
在所述牺牲层内制作下电极。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述碳化硅单晶薄膜层减薄所采用的方法包括化学机械抛光、离子束刻蚀、机械研磨、离子束研磨、高温氧化加湿法腐蚀中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述超薄碳化硅单晶薄膜层厚度为1nm-100nm。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成氮化铝薄膜所采用的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、真空蒸发镀膜、溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、化学束外延、氢化物气相外延、物理气相传输中的任意一种。
12.一种氮化铝/碳化硅复合声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器为通过权利要求1-11任一项所述的氮化铝/碳化硅复合声波谐振器的制备方法制备得到。
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