CN1283895A - 薄膜谐振器装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
用改进的压电膜制成一薄膜谐振器(TFR),改进的压电膜是在生长表面上外延生长的,得到的压电膜有很少晶粒边界。外延生长是指,压电膜有一结晶学取向,它取自或仿照一单晶衬底或生长表面的结晶学取向。例如,在以单晶硅衬底为生长表面上外延生长的压电膜,可以制作有很少或没有晶粒边界的改进的压电膜。按照本发明的另一个方面,披露了制作TFR的一种方法,其中,压电膜是在一衬底上生长的。随后,除去衬底的一部分,最后在压电膜的两侧淀积电极。
Description
本发明涉及薄膜谐振器(TFR)和制作TFR的一种方法。
TFR是薄膜声学器件，它能在例如．5至5吉赫(GHz)的射频到微波范围内，响应电信号而谐振。图1画出一典型的TFR 10，它在第一电极14和第二电极16之间有一压电膜12，两个电极向压电膜12施加电场。膜12用呈现压电效应的压电结晶材料制作，如氧化锌，氮化铝(AlN)，和其他的压电结晶材料。压电材料响应施加的跨越压电材料的电场，例如通过第一和第二电极14和16施加的电场，产生膨胀或收缩，或者响应施加于压电材料的应力或应变，产生电场，这就是压电效应。如果跨越膜12的电场是交变电场，其频率分量等于膜12的各个谐振频率，那么膜12将在各个谐振频率上(如基频和各个谐波)发生振动，对一厚度一致的膜，其基频定义为膜12中声速(v)除以膜厚(t)的两(2)倍，即fr=v/2t。如果膜12在各个谐振频率上发生机械振动，它便在各个谐振频率上产生交变电场。
第一和第二电极14和16通常是金属，如铝。若第一电极14和空气之间的声阻抗失配，则在第一电极14的上表面和空气之间的界面，产生第一声反射面18。第二电极16和衬底24(或空气，如果膜12下面的衬底被部分移去的话)之间的界面，能够产生第二个声反射面。另外，能够在第二电极16和衬底24之间产生声反射层(一层或多层)，以抑制不需要的频率，如基频的谐波。能够用具有需要的特征声阻抗的材料和适当尺寸来形成声反射层，为第二电极16和该声反射层之间界面上的第二个声反射面，提供需要的反射特性。这样，该声反射层能够反射需要的频率而抑制不需要的频率。第一和第二反射面之间产生并有适当尺寸的声学腔，在压电膜12的谐振频率上建立一个驻波。声学腔的尺寸，如压电膜和电极14与16的厚度，规定了TFR 10的工作频率。TFR 10工作频率以外的能量损耗了，而工作频率内的能量则被保持。
TFR 10的结构，能够在诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、或其他半导体等衬底24上形成，以便单片集成，例如与有源半导体器件集成。单独应用时，TFR 10通常形成在其他合适的衬底上，如石英，蓝宝石，氮化铝(AlN)，或碳化硅上。如果TFR 10有声反射层，则反射层形成在衬底24上，随后才形成反射层上的第二电极16。如果没有反射层，那么用例如化学汽相淀积(CVD)或溅射法，在衬底24上形成第二电极16。参见Kern&Vossen，“Thin Film Processes，”Vols.Ⅰ and Ⅱ，Wiley&Sons。然后在第二电极16上形成压电膜12，再在压电膜12上用例如化学汽相淀积(CVD)或溅射法，形成第一电极14。为改善TFR 10的性能，从第二反射面22下除去部分衬底24。为移去部分衬底24，在衬底24上表面靠近第二电极16的底部，包含一个蚀刻阻挡层28，例如硅(Si)衬底中注入的掺p+的硼层。在除去衬底24的部分30时，用蚀刻阻挡层28保护第二电极16，免受化学腐蚀。
通过在第二电极上生长压电膜12，得到的压电膜12是多晶化的，就是说，整个压电膜12都存在晶格取向各不相同的晶体。不同取向的微晶或晶体颗粒之间存在晶粒边界的这种不一致或不规则的结晶结构，降低了压电膜12的质量。
有两个优值被用来测量压电膜的质量：品质因数Q和机电耦合系数。TFR的品质因数Q是对声学腔谐振质量的一种测量，而耦合系数是对声学腔中电能与机械能之间转换效率的一种测量。这两个优值与TFR在工作频带上引入的声学损耗成反比。如果压电膜10有带晶粒边界的多晶结构和其他缺陷，如晶格中的点缺陷或位错，或反射面18与22由于比如表明粗糙而导致反射能力不良，那么因膜12内的声散射和进入器件10周围区域的声辐射而导致声损耗。因此，如果膜12是多晶的，膜12将引进声损耗，从而产生较低质量的TFR。
因为压电膜能够做得很薄，所以TFR能够用于射频(RF)，在更高的频率，如.5-10 GHz，压电膜12宽度可以在.4和8微米之间。因为TFR响应频率分量等于谐振频率的交变电场时，能够在谐振频率上产生一个交变电场，所以TFR能够用作射频(RF)滤波器元件。TFR滤波器比普通的如陶瓷基的RF滤波器，有其特殊的尺寸上的优势。例如，薄膜谐振器能够有1.5立方毫米的体积，而陶瓷谐振器的体积通常都不会小于数百立方毫米。同时，在工作频率波段上，陶瓷元件通常比TFR对输入信号引入更大损耗。TFR还比表面波(SAW)器件有更高的功率处理能力，例如200毫瓦对2瓦。但是如前所述，TFR会对施加于TFR的电信号引入损耗，部分是因为膜12的多晶结构。通常TFR的制作方法所产生的压电膜，有量级为108、由晶粒边界分开的各不相同的结晶取向。
因此，存在对高质量、对施加于TFR的电信号引入低损耗的TFR的需求。
本发明涉及用改进的压电膜制作的薄膜谐振器(TFR)，它在一生长表面上外延生长，得到晶粒边界较少的压电膜。外延生长是指，压电膜有一结晶学取向，它来自或仿照一单晶衬底或生长表面的结晶学取向。例如，在作为生长表面的单晶硅衬底上，外延生长一压电膜，可以制作出很少或没有晶粒边界的改进的压电膜。按照本发明的另一方面，披露一种制作TFR的方法，其中的压电膜是在衬底上生长的。随后，衬底的一部分被除去，然后在压电膜两侧淀积电极。
阅读后面详细的说明及参考附图后，本发明的其他方面和优点，会变得显而易见，附图有：
图1画出薄膜谐振器的一般方框图；和
图2-4a及5-9，画出一个实施例，表明按照本发明原理的薄膜谐振器(TFR)制作的各个不同阶段；和
图4b举例表示外延的和非外延的压电膜的X-射线衍射峰。
本发明下面的说明，均参照薄膜谐振器(TFR)及TFR制作方法的示例性实施例。特别是参考图2，该图表明，在提供的单晶硅衬底上，用外延法形成一压电膜，作为TFR的声学腔。在说明本发明的行文中，外延生长是指形成有结晶学取向的结晶膜，结晶学取向取自或仿照一单晶衬底，或生长表面上另加的一个样板图形。例如，当在相同的生长条件下并相对于相同衬底或表面时，所形成的压电膜，能够始终得到一一致的、规则的或连续的结晶学取向，这一点足以证明，外延可以形成有结晶学取向的膜，该结晶学取向取自或仿照一单晶衬底的结晶学取向，或生长表面一个图形的结晶学取向。在某些实施例中，外延形成有一致的、规则的或连续的结晶学取向的压电膜，是基于衬底一致的、规则的或连续的结晶学取向，例如一单晶硅衬底。非外延生长的压电膜，通常会产生晶粒边界，晶粒边界导致制成的TFR内的声能损耗，并且由于晶粒边界的老化和疲劳，导致器件的退化。外延生长得到较少的晶粒边界并改进了结构的完整性。
晶体中，对理想的周期性晶格的任何偏离，就是一种缺陷。点缺陷局限在晶格结构中某一点，并可因化学不纯、结构位置空缺、和填隙原子(不在规则晶格内的额外原子)而发生。线缺陷，如位错，是晶体的晶格结构内的不连续。通常在位错两侧，晶体取向有相同的规则的周期排列。位错阵列能够在比邻的微晶间，或在比邻的有各不相同结晶学取向的晶体颗粒间，形成晶粒边界。非外延生长通常会产生晶粒边界，晶粒边界导致膜内结晶取向的不规则和不连续。晶粒边界产生显著损耗，应该使之减少，以减少膜对TFR引入的损耗，以及改进膜结构的完整性。其他缺陷，如位错，同样促成损耗，故也应减少。使用非外延生长的压电膜制作的TFR，通常每cm2能有108晶粒边界和每cm2有1010位错。因此，非外延压电膜是带有不连续和不规则结晶结构的多晶，且位错通常散布于整个压电膜。在近似晶格匹配的单晶衬底上生长的高质量外延压电膜，有极其少(如膜内少于10种各不相同的结晶学取向)或没有晶粒边界，在衬底-异质外延界面每cm2有105-1010位错。位错的数量每2-3000埃降低一个因子二，而且位错通常平行于或沿着生长方向。
当衬底和压电膜具有相似的共面晶格参量的结晶结构时，能够在衬底上获得外延生长的压电膜。例如，当压电膜与下面的材料(即压电膜在其上淀积的衬底)之间的共面晶格失配时，一个膜能够在衬底上外延生长的可能性少于20％。晶格失配等于[(a0/a0(衬底))-1]，这里a0和a0(衬底)分别为被淀积的薄膜和薄膜在其上淀积的材料的共面晶格参量。
能够改变衬底晶体的取向，以减小衬底40与衬底40上淀积的膜的平行晶格平面之间的晶格失配。例如，用>取向的Si衬底40能够外延生长AlN膜。用>或>取向的衬底40也可以。如何描述不同晶体取向的说明，见C.Kittel，“Introduction to Solid StatePhysics，”John Wiley&Sons，Inc.(1967)。其他的衬底可以包括砷化镓、氮化镓、等等。
通过提供具有均一的、连续或规则的周期晶格结构的衬底40，例如单晶硅，在要淀积的压电膜与衬底之间以适当的晶格失配，能够用外延方法，在衬底40上形成晶粒边界数量减少的压电膜。单晶硅衬底具有零晶粒边界和零位错，而单晶GaAs衬底具有零晶粒边界和每cm2有10-105位错。多种材料的外延淀积，在Mathews，Epitaxial Growth，Academic Press，(1975)中有讨论。在别的实施例里，只要能外延生长出需要的连续、一致或规则的结晶取向的压电膜，可以用不同的、非结晶的、甚至不规则且不连续结晶取向的其他衬底或生长表面，如砷化镓、氮化镓、或氧化铝。例如，可以用图形外延进行外延生长，其中，用物理生长晶格点或结构，如槽、坑、蚀刻图形、或一模型，制备生长表面，通过外延形成有特殊连续的、一致或规则的结晶取向的膜。能够在非晶结构材料上，如氧化物(如氧化铝)上，通过横向外延生长而形成膜，横向外延生长是在非晶结构附近适当的生长表面上，外延形成膜，再由此膜开始，相对于生长表面在非晶结构上外延而形成膜。参考Kern&Vossen，“Thin Film Processes，”Vols.Ⅰ and Ⅱ，Wiley&Sons。
通过外延生长作为薄膜谐振器声学腔的压电膜，该压电膜减小了膜中晶粒边界产生的TFR损耗。在TFR的一些实施例中，用作膜声学腔的压电膜，可以包括第一压电膜，它是在靠近第二压电膜的第一生长表面或衬底上外延生长的，而第二压电膜有不同的结晶取向，且是在第二生长表面或衬底上外延生长的。此外，第一生长表面上外延生长的第一压电膜，可以紧邻第二生长表面上非外延生长的膜。在这个实施例中，第一和第二压电膜是不同的，并且/或生长表面或衬底是不同的。
单晶Si衬底40可以用约．5-1毫米厚的市售的单晶Si。按照本发明的一个实施例，要在衬底40上外延形成一压电膜，把掩模42，例如氮化硅Si3N4掩模，放在衬底40上。也可以用能抗随后对衬底40蚀刻的其他掩模。掩模42可以淀积，如用低压化学汽相淀积(LPCVD)或其他淀积技术。参考Kern&Vossen，“Thin Film Processes，”Vols.Ⅰand Ⅱ，Wiley&Sons。
如图3所示，在衬底40上制作一蚀刻阻挡层44，以抵抗随后对衬底40的各向异性或各向同性蚀刻。蚀刻阻挡层的类型随掺杂剂、衬底、蚀刻剂而改变。蚀刻阻挡层44的制作，可以用外延生长或离子注入法，比如制作掺n+或P+的磷或硼的蚀刻阻挡层44，掺杂物的量级大于每立方厘米1020原子。也可以用其他的蚀刻阻挡层或掺杂物浓度。
在图4a，衬底40上外延生长一压电结晶膜46，如氮化铝。可以用分子束外延(MBE)法，在衬底40上外延生长压电膜46。在一个实施例里，用Si(111)作衬底，在其上外延AlN膜，膜的c轴沿生长方向。要做到这一点，在缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)中清洁Si(111)衬底，在空气中旋转甩干，然后装进MBE真空室。在MBE真空室，衬底被加热至950摄氏度，把残留的被吸收的氧化物从衬底中清除。清洁的Si(111)衬底降至800摄氏度，由此重建的Si(111)7X7硅表面显示一反射高能电子衍射(RHEED)图形，此图形指出，一个清洁的(111)表面已经为外延生长准备就绪。AlN膜在衬底温度为600-800摄氏度时成核，以每小时775埃的生长速率生长至100埃厚。然后把衬底的温度升至920摄氏度，以每小时775埃的生长速率，再生长200埃的AlN。最后，再把衬底升至980-1020摄氏度，还以每小时775埃的生长速率，完成AlN膜的生长。
因为MBE是在高真空中进行的，例如高于10-10乇，制作的膜46带有较少杂质，导致较少的缺陷。缺陷使声能散射，导致声损耗。也可以用其他方法，在衬底40上外延制作膜46，如溅射和金属有机物化学汽相淀积(CVD)。参考Kern&Vossen，“Thin Film Processes，”Vols.ⅠandⅡ，Wiley&Sons。
因为压电膜46是在有连续结晶取向的衬底40上外延形成的，所以制作的压电膜46有连续的结晶取向，比如是一单晶的AlN膜46，沿衬底有较少或没有晶粒边界。外延膜46可能有位错或其他缺陷，但如果其基底是在衬底40上外延形成的，有适当的晶格失配和连续的结晶取向，那么，这些缺陷也能够减少。
可以用X射线衍射显微镜扫描压电膜46，以确定压电膜的取向是否一致，以及是否有低的缺陷密度。衍射峰的锐度或宽度能够衡量该膜是否高度取向，例如整个膜的衍射峰宽度小于1度，表明该膜有连续的结晶取向。图4b画出一外延压电膜的X射线衍射峰例子，它的Δθ为．5度和强度为106计数。虚线画出一非外延压电膜的X射线衍射峰例子，它的X射线衍射峰宽约3度和强度为104计数。峰的强度能够给出缺陷密度的一种指示。高强度的衍射峰，例如，相对于施加膜上恒定通量的X射线衍射光子，高于106计数，间接表示低的缺陷密度。如图4b所示，通常非外延膜的强度的数量级约104计数。可以用透射式电子显微镜(TEM)或缺陷蚀刻来确定膜的缺陷密度。用TEM时，取结晶材料的一部分切成片，并减薄至电子能透过的厚度。因为缺陷比周围材料有不同的透射系数，所以缺陷能被电子计数检测，缺陷蚀刻涉及化学蚀刻，因为缺陷的蚀刻速度与周围材料不同，从而使膜的缺陷显露出来。然后是简单地对缺陷计数。
如图5所示，在除去氮化硅掩模42的一部分后，用各向异性或各向同性蚀刻，从膜46下面除去硅衬底40的一部分47。不同衬底用不同的蚀刻剂。对硅衬底，可以用乙二胺邻苯二酚(ehylene damineprocatechol(EDP))进行各向异性蚀刻。例如在100摄氏度，EDP蚀刻硅的速度约每小时50-80微米。也可以用氢氧化钾(KOH)进行各向异性蚀刻，在80摄氏度时达到相同的蚀刻速度。另外，如果用铬(Cr)掩模的话，可以用例如离子蚀刻进行各向同性蚀刻。硅的蚀刻通常都腐蚀大多数金属，包括铝和氮化铝。因此，在此实施例中，蚀刻阻挡层44保护AlN膜46免受蚀刻。虚线48表示不同类型蚀刻在衬底40上的效果。虚线48a表示用例如EDP或KOH进行各向异性蚀刻的效果，虚线48b画出各向同性蚀刻的效果，以及虚线48c画出别的各向异性蚀刻的效果，例如用反应离子蚀刻(RIE)，以获得不同的蚀刻分布。蚀刻阻挡层44的作用，是在下面一层被蚀刻的环境中，它基本上不被蚀刻。
如图6所示，利用氟等离子气体反应的反应离子蚀刻(RIE)，能够除去蚀刻阻挡层44以及遗留的掩模42，在本实施例中，反应离子蚀刻(RIE)把硅腐蚀掉，但停止在AlN膜46上。在别的实施例中，不除去蚀刻阻挡层44。还可以用别的蚀刻技术，视材料而定。
在压电膜46露出来之后，使膜46和遗留的衬底40氧化，例如用热氧化或阳极氧化，如图7所示。添加的氧化硅层，提供电极与硅衬底的电隔离。非导电的衬底，如GaAs和氧化铝，不需要与电极隔离。在本实施例中，因为以AlN为例的压电膜46，氧化速度比以硅为例的衬底40慢，所以在AlN膜46上产生了比如100-200埃厚的氮氧化铝(AlON)薄膜。硅衬底被氧化，形成比如说1000-2000埃厚的二氧化硅(SiO2)层51。在膜46的上部和下部的AlON层49和50，用对二氧化硅层51作用很小的氯基化学反应除去，如图8所示。在别的实施例里，层49和50可以有选择地用蚀刻除去层49和/或50，或者层49和50两者都保留。
如图9所示，在膜46两侧制作电极52和54，如铝或其他金属电极，与膜46构成一电容。用溅射法淀积电极52和54，溅射时通常要用氩气作溅射气体，设备例如用美国加州Santa Clara的Novellus的M2000溅射系统。业内人士应该知道，这类溅射要在制作的TFR和铝靶之间加一电场。氩离子被吸向Al靶并轰击Al靶，释放出Al离子和中性产物，淀积在膜46的上部和/或下部(以及衬底40)。也可以用气体淀积技术，如化学汽相淀积(CVD)。
于是，一种改进的薄膜谐振器被制作出来，它的晶粒边界很少，它在某些等于TFR谐振频率的频率上，如.1-10 GHz上，减少了TFR对电信号引入的损耗。对其他频率，可以制作不同厚度的膜。除上述实施例外，省去和／或添加上述方法的一些步骤，和/或利用上述方法的某些变化或部分，可能得到本方法制作TFR的另外的实施例。此外，添加和/或省去上述TFR的某些层和/或某些结构，和/或利用上述TFR的某些变化或部分，可能得到制作TFR的另外的实施例。例如，在淀积电极52和54之前，层48和/或49可以除去和/或保留。再有，一些附加层，如反射层的附加层，可以在制作TFR时包括进去，或在其后添加到TFR上。所述TFR是以特定材料制作并用特定蚀刻法的，但是，按照本发明原理，TFR也可以用别的材料和蚀刻法制作。例如，其他压电结晶膜，如氧化锌和其他压电材都可以用。
所述TFR是用单晶Si上生长的压电膜，但是，外延产生的膜内均匀结晶结构，是根据衬底或生长表面的结晶学取向，所以其他生长表面也可以用。例如，可以用图形外延(grapho-epitaxy)来外延生长膜12，在这种情形下，电极表面能够作为生长表面，它被例如周期性的、规则的图形作成图形或条纹。周期性的规则图形表面，能够成为模仿单晶衬底的表面。用与压电膜晶格结构的间隔成适当比例的间隔，例如与平行晶格平面之间间隔相同的间隔或若干倍，作成台面(mezas)和/或槽的周期性规则图形，能够用作压电膜的籽晶。此图形能够用光刻和／或蚀刻技术形成。可以用与上述类似的生长过程，或业内人士借助本文披露的帮助而了解的生长过程。正如业内人士借助本文披露的帮助而了解的，利用LEGO，衬底或适当的生长表面置于电极邻近，在其上生长压电膜。另外，一个有适当晶格结构的单晶电极可以用作电极，在其上生长压电膜。正如业内一般人士所了解，构成TFR的各种材料和它们各自的物理特性，决定某些制作步骤和制作过程的顺序和方式。例如，按照本发明的某些方面，诸如在刚才说明的实施例中，电极能够在膜之前淀积。
已经说明的一切，仅在表明本发明原理的应用。业内人士当能立刻明白，无需严格遵从本文出示和描述的示范性应用，也不偏离本发明的精神和范围，可以把这样和那样的修改、安排、和方法，施于本发明。
Claims (13)
1．一种制作薄膜谐振器装置的方法，所述方法的特征为包括步骤：
提供一生长表面(40)；和
在所述生长表面(40)上外延生长一压电膜(46)，直至其厚度给出所述薄膜谐振器的谐振频率。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于所述提供步骤还包括：
提供一单晶硅衬底(40)作为所述生长表面(40)。
3．按照权利要求2的方法，其中所述外延生长步骤的特征为：
用分子束外延法，在所述衬底外延生长所述压电膜(46)。
4．按照权利要求3的方法，其中所述外延生长步骤的特征为：
在所述衬底(40)外延生长一氮化铝压电膜(46)。
5．按照权利要求2的方法的特征为：
在所述压电膜(46)下面，除去所述衬底(40)的一部分(47)；和
在所述压电膜(46)下面，淀积一电极(54)。
6．按照权利要求2的方法的特征为：
在所述衬底(40)上外延生长所述压电膜(46)之前，在所述衬底(40)内提供一蚀刻阻挡层(44)；
在所述压电膜(46)下面，蚀刻所述衬底(40)的一部分(47)，直至所述蚀刻阻挡层(44)；和
在所述压电膜(46)下面在淀积电极(54)之前，除去所述蚀刻阻挡层(44)。
7．按照权利要求6的方法，其特征在于，在淀积所述电极(54)之前和在蚀刻所述衬底(40)的所述部分(47)之后：
使所述压电膜(46)和所述衬底(40)氧化；和
至少除去所述压电膜(46)的所述第二侧上的所述氧化层。
8．一种薄膜谐振器，其特征为包括：
一个第一电极(52)和一个第二电极(54)；和
在所述第一电极和所述第二电极之间的压电膜(46)，所述膜(46)用外延法生长至给出所述薄膜谐振器的谐振频率的厚度。
9．按照权利要求8的装置，其特征为，所述压电膜(46)是在有均一结晶取向的衬底(40)上外延生长的。
10．按照权利要求9的装置，其特征为，所述压电膜(46)有均一结晶取向。
11．按照权利要求9的装置，其特征为，所述压电膜(46)沿所述膜都有宽度小于1度的X射线衍射峰。
12．一种制作薄膜谐振器装置的方法，所述方法的特征为：
提供一衬底(40)；
在所述衬底(40)上生长一压电膜(46)；
在所述压电膜(46)下面，除去所述衬底(40)的一部分(47)；和
在所述压电膜(46)下面，淀积一电极(54)。
13．一种薄膜谐振器，其特征为包括：
一个第一电极(52)和一个第二电极(54)；和
在所述第一电极和所述第二电极之间的压电膜(46)，所述膜是在一衬底(40)上生长的。
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