制造用于射频器件的可用于转移压电层的压电结构的方法以及转移这种压电层的方法与流程

1.本发明涉及制造用于射频器件的压电结构的方法，该压电结构可用于转移压电层，并且本发明涉及转移这种压电层的方法。


背景技术：

2.在衬底上制造诸如谐振器或滤波器之类的射频(rf)器件是已知的做法；该射频器件从基底到其表面依次包括通常由诸如硅或蓝宝石之类的材料制成的载体衬底、中间结合层以及压电层。
3.表面声波(saw)滤波器通常包括压电层，以及沉积在所述压电层的表面上的两个指叉金属栅(interdigitated metal comb)形式的两个电极。取决于saw滤波器的操作，该压电层的厚度可为约几十纳米至几十微米。在厚度为几十微米的情况下，存在寄生传播模式(parasitic modes of propagation)，该寄生传播模式延伸至压电层的厚度中并且易于在与下方载体衬底的界面处被反射。此现象称为“响振”(rattle)。为了避免这些寄生模式，已知的做法是使位于与中间结合层的界面处的压电层表面足够粗糙，以允许寄生波在所有方向上被反射。考虑到谐振器的工作波长，压电层的粗糙表面的粗糙度应非常高，约与工作波长的数量级相同(几μm)。
4.压电层通常通过将由压电材料制成的厚衬底(例如通过切割晶锭的方式获得)转移至载体衬底而获得。该载体衬底例如是硅衬底。
5.转移压电层包括将厚压电衬底结合至载体衬底，接着减薄厚压电衬底，以在载体衬底上只留下所需厚度的薄压电层以用于制造rf器件。
6.为了获得压电衬底与载体衬底的良好粘附，通常在两个衬底上各沉积一层氧化物(例如硅氧化物sio2)，并经由所述氧化物层结合所述两个衬底。
7.一方面，由于该压电材料和载体衬底的材料具有非常不同的热膨胀系数，因此在实现这种退火时会造成组件严重变形。
8.另一方面，在厚压电衬底上沉积氧化物层会造成所述压电衬底严重弯曲(bow)，该弯曲与针对平坦衬底设计的后续方法步骤不兼容。
9.最后，如前所述，该异质结构无法承受固结退火，因为厚压电衬底与搬运衬底(handle substrate)之间的热膨胀系数存在差异。然而，若不进行固结退火，则两个衬底的氧化物层的结合能量仍然很低，使得供体虚拟衬底(donor virtual substrate)的机械强度会不足。因此，在减薄厚压电衬底的步骤期间，断裂可能会在结合界面处发生。
10.为了确保厚压电衬底与载体衬底之间的良好粘附，尤其在厚压电衬底具有高粗糙度水平时，现行方法需要大量步骤，例如沉积多个氧化物层，然后对所述氧化物层进行化学机械抛光(cmp)，所述氧化物层交替沉积在厚压电衬底的两个面上，以避免因严重弯曲而无法结合。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于通过提出一种制造用于射频器件的压电结构(该压电结构也可用于转移压电层)的方法以及一种转移这种压电层的方法来克服现有技术的这些限制。
12.本发明涉及一种制造用于射频器件的压电结构的方法，所述方法的特征在于包括：提供压电材料衬底；提供载体衬底；在所述压电材料衬底上提供介电结合层；经由所述介电结合层将所述压电材料衬底接合到所述载体衬底的步骤；形成由经由所述介电结合层接合到载体衬底的压电材料层构成的所述压电结构的减薄步骤。
13.在一些实施方式中，所述介电结合层包括通过等离子体辅助化学气相沉积而沉积在所述压电材料衬底上的硅氧化物层。
14.在一些实施方式中，所述接合步骤包括所述介电结合层与所述载体衬底之间的分子结合。
15.在一些实施方式中，所述压电材料衬底具有被设计成反射射频波的粗糙表面。
16.在一些实施方式中，所述介电结合层的厚度在200nm至500nm之间。
17.在一些实施方式中，所述载体衬底还包括旨在接合到所述介电结合层的俘获层。
18.在一些实施方式中，所述俘获层为多晶硅。
19.在一些实施方式中，所述俘获层是通过注入例如氩之类的较重物质而获得的。
20.在一些实施方式中，所述减薄步骤(2')包括蚀刻和/或化学机械抛光。
21.本发明还涉及一种将压电层转移到最终衬底的方法，所述方法包括：提供通过实现根据前述权利要求中任一项所述的制造方法而获得的压电结构；在所述压电材料层中形成弱化区，以界定出待转移的所述压电层；提供所述最终衬底；将所述压电材料层与所述最终衬底结合在一起的步骤；拆开步骤，所述拆开步骤包括使所述压电结构沿着所述弱化区断裂并分离。
22.在一些实施方式中，所述弱化区是通过将原子物质注入所述压电材料层中而形成的。
23.在一些实施方式中，所述最终衬底和所述载体衬底具有相同的膨胀系数。
附图说明
24.通过参照附图阅读下面的详细描述将更好地理解本发明的其他特点和优点，其中：
25.图1示出了根据本发明的一个实施方式的制造方法以及根据本发明的该实施方式的衬底；
26.图2示出了根据本发明的一个实施方式的转移方法；
27.为了提高附图的可读性，各层之间不一定按比例绘制。
具体实施方式
28.图1示出了载体衬底100，优选为硅材料，压电材料层200被转移到载体衬底100，压电材料层200优选为单晶压电材料，更特别地为钽酸锂或铌酸锂材料。可设想用于压电材料层200的其他材料。待转移的有源层200也可以包括铁电材料，例如litao3、linbo3、lialo3、batio3、pbzrtio3、knbo3、bazro3、catio3、pbtio3或ktao3。
29.包括该有源层的供体衬底可以采取标准尺寸圆形晶片的形式，例如直径150mm或200mm的圆形晶片。然而，本发明不限于这些尺寸或这种形式。供体衬底可以以这种方式取自铁电材料晶锭：使得供体衬底具有预定的晶向(crystal orientation)，或者，供体衬底可以包括与载体衬底接合的铁电材料层。待转移的铁电材料有源层的晶向是根据预期应用而选择的。因此，就litao3材料而言，通常选择30
°
至60
°
xy之间的取向或40
°
至50
°
xy之间的取向，尤其是在想要利用薄层的特性以形成saw滤波器时。就linbo3材料而言，通常选择约128
°
xy的取向。但本发明不限于任何特定晶向。
30.无论供体衬底铁电材料的晶向为何，所述方法皆包括例如将氢和/或氦物质(离子和/或原子)引入该供体衬底中。该引入可对应于例如氢的注入，即，对供体衬底的平面进行氢离子轰击。众所周知，注入离子的目的是形成弱化平面，该弱化平面界定待转移的第一铁电材料层(该层位于正面上)以及形成衬底剩余部分的另一部分。注入物质的性质与剂量、注入离子的类型以及注入能量是根据期望转移的层的厚度以及供体衬底的物理化学特性而选择的。在供体衬底由litao3制成的情况下，将因此可以选择以30至300kev之间的能量注入剂量在1x10
16
至5x10
17
at/cm2之间的氢，以便限定约10至2000nm的第一层。
31.由硅材料制成的载体衬底100也可以用蓝宝石材料、多晶氮化铝(aln)、玻璃或者热膨胀系数低于或相对于压电材料层200的压电材料的热膨胀系数的任何材料制成的载体衬底100来取代(在本发明中，重要的是平行于衬底主表面的平面中的热膨胀系数)。因此，载体衬底100作为强固件(stiffener)使用，其限制压电结构10在承受温度变化期间的膨胀，这使得可以降低压电材料层200的热频率系数(thermal frequency coefficient)，也就是说，通过压电材料层200传播的波的频率随温度变化的程度。硅是特别优选的材料，因其可允许添加功能，这些功能可通过添加表面俘获层为rf应用实现电气隔离。
32.硅的使用不但具有将压电材料膜的应用领域扩展到300mm大型设备的优点，而且兼容于在接纳用于非硅特殊材料(尤其是钽酸锂或铌酸锂)的生产线方面要求严格的微电子产业。也可设想到将在铁电材料层或压电材料层中获得或制造的元件(例如saw和/或baw滤波器)，与在硅衬底中获得或形成的元件(例如晶体管、功率放大器或网络开关)进行集成，从而减少不同类型元件之间互连的损耗，并使这种集成多个元件的系统更加小巧。
33.图1示意性地示出了将压电材料衬底20接合到载体衬底100的接合步骤1’，该载体衬底100优选由硅材料制成。将压电材料衬底20接合到载体衬底100(优选由硅材料制成)的接合步骤1’优选借助于分子粘附步骤来进行。该分子粘附步骤包括优选在室温下进行的结合步骤，接着可对结合界面进行固结退火(consolidation anneal)。
34.还示意性地示出了在压电材料衬底20旨在接合到载体衬底100的面上形成介电结合层1001。以非限制性方式，可以设想在压电材料衬底20的单个面上沉积这种介电结合层1001。因此，该沉积可在低于或等于300℃的温度下发生。一般而言，介电结合层1001的沉积温度被选择成使得由压电材料衬底20与介电结合层1001之间的热膨胀系数差异所引起的弯曲保持兼容于分子结合步骤，由压电材料衬底20和介电结合层1001组成的组件的弯曲小于或等于100μm。介电结合层1001的厚度必须纳入考量。在设想的200nm到500nm之间的厚度范围上，小于或等于300℃的沉积温度表现出良好的结果。已证明不仅该弯曲(在介电结合层1001的厚度为500nm的情况下为80至90μm)保持低于与分子结合兼容的阈值(约100μm)，而且介电结合层1001的性质也使得在介电结合层1001与载体衬底100之间获得的结合能量
得以改善。另一个实施方式可同时或依次在压电材料衬底的两个面上沉积介电结合层，以使由这两个介电结合层和压电材料衬底20组成的组件的弯曲保持兼容于前述分子结合。申请人意外地发现，当该载体衬底100上不存在如现有技术已知的介电结合层的情况下，分子结合直接发生在介电结合层1001与载体衬底100之间时，结合能量具有更高的值。该结合能量因此可达到超过1j/m2的较高值。这些能量足够高，以在例如减薄步骤或固结退火等后续步骤中实现稳定的机械强度。
35.分子粘附步骤优选在室温下进行，即，约20℃。然而，可在20℃至50℃之间的温度下进行该直接热结合。此外，该结合步骤可有利地在低压下进行，也就是说，在小于或等于5mtorr的压力下进行(1torr等于101325/760帕斯卡，即，约133.322pa)，这使得水可从形成结合界面的表面被脱附(desorption)。在真空下进行结合步骤可进一步改善水在结合界面处的脱附。
36.在一有利实施方式中，压电材料衬底20具有被设计成反射射频波的粗糙表面。在本文中，“粗糙表面”意指这样的表面：其粗糙度与要在谐振器或滤波器的压电层中传播的rf波的波长为相同数量级，以允许寄生波在所有方向上反射，从而不再影响所讨论的谐振器或滤波器的输出信号。在本发明的上下文中，这种表面的粗糙度在1.0至1.8μm之间(按峰谷值测量)。为了填补该粗糙度，介电结合层1001的厚度大于该粗糙度；借助于化学和/或机械蚀刻步骤获得平坦性。
37.优选地，介电结合层1001包括沉积在压电材料衬底20上的硅氧化物层(优选地，通过等离子体辅助化学气相沉积)。
38.根据另一实施方式，介电结合层1001为优选地通过等离子体辅助化学气相沉积而获得的硅氧化物层，或硅氮化物层，或包括硅氧化物和硅氮化物的组合的层，或者至少一层硅氧化物和至少一层硅氮化物的叠加。
39.在一有利实施方式中，执行结合界面的固结退火，以便增强压电结构的机械强度。该固结退火通常在小于或等于300℃的温度下进行，持续时间从几分钟至几小时不等。在介电结合层1001是通过低温沉积形成的情况下，该退火在低于所述介电结合层1001的沉积温度的温度下进行，因此使得可以增加结合能量，而不会因任何杂质(例如氢)的存在及其在这种退火期间发生脱气(degassing)并朝着结合界面迁移而在该界面处产生缺陷。
40.如图1中示意性示出的，在将压电材料衬底20接合到载体衬底100之后，接着进行将压电材料衬底20减薄的减薄步骤2’。图1示意性地示出了减薄步骤2’，其可借助于例如化学和/或机械蚀刻(抛光、研磨、铣削(milling)等)实现。以这种方式，可以获得压电材料层200。该减薄步骤也可由应用smartcut
tm
方法构成。图2中示意性示出了该方法，其涉及：在待转移层中形成弱化区以将被选择用于转移的衬底的待转移层与剩余层界定开；提供接收衬底，待转移层将被转移到该接收衬底上；将待转移层接合到接收衬底的步骤(通常借助于分子结合)；然后是拆开步骤，其包括沿着弱化区进行断裂及分离，从而形成包含待转移层在接收衬底上的异质结构。该减薄步骤通常在低于300℃的温度下进行，更特别地，在室温下进行。在介电结合层1001通过低温沉积形成的情况下，该减薄步骤通常在低于所述介电结合层1001的沉积温度的温度下进行，这使得可以避免因任何杂质(例如氢)的存在及其在这种减薄步骤期间发生脱气并朝着结合界面迁移而在该界面处存在前文所述缺陷。
41.图2示意性地示出了将压电层200’转移到最终衬底300’的方法的实施方式，该方
法包括：提供压电结构10’(使用图1中示意性示出的方法获得，应了解，本发明不限于此实施方式)；在压电材料层200中形成弱化区0”以将压电材料层200的待转移的压电层200’与剩余层201界定开；提供最终衬底300’；将压电材料层200接合到最终衬底300’的步骤；拆开步骤2”，其包括使压电结构10’沿着弱化区断裂并分离，从而形成包括位于最终衬底300’上的压电层200’的异质结构30’。该拆开步骤优选在低于300℃的温度下进行，或者在介电结合层1001通过低温沉积形成的情况下，在小于或等于介电结合层1001的沉积温度的温度下进行，优选在小于或等于300℃的温度下进行。
42.将压电结构10’接合到最终衬底300’(优选为硅材料)的接合步骤1”优选地借助于分子粘附步骤进行。该分子粘附步骤包括优选在室温下进行的结合步骤，并且可以接着进行结合界面的固结退火。
43.对于图2中示意性示出的转移方法，弱化区0”是通过将原子物质注入压电材料层200而形成的。一般而言，注入步骤0”使用氢离子来进行。本领域技术人员公知的一个受关注的替代方法涉及用氦离子取代全部或部分的氢离子。
44.在压电材料层200由钽酸锂制成的情况下，氢的注入剂量通常在6
×
10
16
cm-2
至1x10
17
cm-2
之间。注入能量通常在50至170kev之间。因此，拆开步骤通常在150℃至300℃之间的温度下进行。这样可获得厚度约10nm至500nm的压电层200’。
45.最终衬底300’和载体衬底100可有利地具有相同或至少非常接近的热膨胀系数，从而具有较佳机械强度，并在结合界面的固结退火期间发生较少变形。最终衬底300’和载体衬底100可具有相同的性质，除了介电结合层或可能存在的俘获层之外，这两个衬底基本上皆由硅制成。该俘获层的厚度不足以显著影响具有相同材料的最终衬底300’和载体衬底100的“三明治”结构的优点。
46.在拆开操作之后，有利地添加附加技术步骤，目的是强化结合界面，或者恢复良好的粗糙度水平，或者修复注入步骤期间产生的任何缺陷(或者制备用于重复其他方法步骤(例如形成用于saw型器件的电极)的表面)。这些附加技术步骤例如是抛光、化学蚀刻(湿式或干式)、退火、化学清洁等。这些步骤可单独实施或组合实施，本领域技术人员将能够进行调整。
47.在有利实施方式中，载体衬底100和/或最终衬底300’可以是电阻率大于1k.ohm.cm的硅衬底。该载体衬底100和/或最终衬底300’也可以包括位于该硅衬底的旨在被接合的表面上的电荷俘获层。该俘获层可以包括未掺杂的多晶硅。在某些情况下，尤其是当俘获层足够厚时，例如超过30μm厚时，该硅基衬底可具有小于1k.ohm.cm的标准电阻率。一般而言，该俘获层为具有结构缺陷(例如错位、颗粒边界、无定形区、间隙、夹杂物、孔洞等)的非晶层。这些结构缺陷形成了易于流过材料的电荷的陷阱，例如在不完整或悬垂(dangling)的化学结合的位点处。俘获层中的传导因而受到遏止，从而表现出高电阻率。有利地，为了便于实施，该俘获层由一层多晶硅形成。该俘获层的厚度可在0.3μm至3μm之间，尤其是当其形成在电阻性的硅基衬底上时。但是，取决于预期的rf性能水平，低于或高于此范围的其他厚度也是完全有可能的。为了在载体衬底100或最终衬底300’可能经历的热处理期间保持俘获层的多晶品质，在沉积电荷俘获层之前，可以在该衬底上有利地提供由诸如二氧化硅制成的无定形层。另选地，俘获层可通过将诸如氩之类较重物质注入衬底的表面厚度中而形成，以便在其中形成构成电荷陷阱的结构缺陷。俘获层也可通过使衬底的表
面厚度孔隙化(porosifying)而形成。