[发明专利]多个层系统、制造方法以及在多个层系统上形成的SAW设备

说明书

提出一种特别用于在其上形成SAW设备的层系统，该层系统包括单晶蓝宝石衬底和晶体压电层，单晶蓝宝石衬底具有第一表面，晶体压电层包括AlN，被沉积到所述第一表面上并具有第二表面。蓝宝石的晶体学R平面被用作第一表面，使得压电层的c轴的定向能够平行于第一表面和第二表面。

技术领域

本发明涉及一种包括薄压电膜的层系统、一种制造方法以及一种在具有压电层的层系统上形成的SAW设备。

背景技术

近年来，基于钽酸锂LT晶片的标准SAW技术，用以实现在500MHz至3GHz范围内的RF滤波器，该项技术已经越来越多地被先进的微声学技术(如BAW或温度补偿SAW)所取代，以便满足对移动电话系统的日益增长的性能要求。

基于WCDMA和LTE的移动电话需要最低损耗的RF滤波器、双工器和复用器，以支持高级RF概念，如载波聚合、分集天线和MIMO概念或新的调制方案。借助新的5G标准，将进一步提高对微声学设备相对于几个关键特性的要求，如最低损耗、随温度而减少的温度漂移、更高的线性度和功率耐久性、3与6GHz之间的新频段以及更大的滤波器带宽。另外，存在对于降低微声学设备的成本、减小大小和高度的持续需求。

如今，两种微声学技术(SAW和BAW)基本上被用于实现用于移动电话应用的高性能谐振器、滤波器、双工器和复用器。SAW技术主要利用单晶片材料(如钽酸锂LT或铌酸锂LN)作为压电衬底，在其上实现基于合适金属的电极结构(例如交叉指型换能器)以激励表面声波。附加功能层(如由例如氮化硅组成的钝化层、由例如非晶形氧化硅组成的温度补偿层或厚金属互连件)被用于进一步改善设备性能。

更先进的SAW设备使用被键合到载体晶片上的薄压电单晶层。在这些设备内，可以通过导波效应实现压电层中的能量限制，从而整体上进一步降低损耗。通过适当地选择层系统，可以例如通过以下操作来增强微声学设备的附加特性：通过引入如上文所提及的附加层或通过使用具有良好热导率的高电阻率硅晶片，以改善散热和功率耐久性。薄压电单晶层通常通过熟知的晶片键合方法将单晶晶片键合到载体衬底上，并且然后通过晶片研磨和抛光方法将压电晶片减薄到所需的层厚度来实现，该所需的层厚度通常在微声波的四分之一波长的一半至一个波长的范围内。

对于层厚度而言，实现高度均匀的压电层需要先进的减薄方法。通常，压电层的定向(晶体学定向)基于先进的仿真和建模方法(如有限元仿真(FEM))来仔细选择，以实现最佳的设备性能。由于压电晶片材料通常通过单晶生长方法从熔体中生长，因此可获得多种可能的晶体定向。主要的缺点是不能获得大直径的晶片解决方案，如200mm和300mm晶片，这是因为例如具有这种大直径的钽酸锂晶片目前无法批量生产。

用以实现薄压电层的不同方法将通过以下熟知的薄膜沉积方法来沉积这种层：如溅射、脉冲激光沉积(PLD)、包括金属有机CVD(MOCVD)和等离子体增强型CVD(PECVD)的化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或溶胶-凝胶沉积)。利用这些技术，可以在合适的晶片衬底(如高电阻率硅)上生长用于BAW设备的压电层(通常为氮化铝AlN或掺钪氮化铝AlScN)。通常，目前，用于BAW设备的基于AlN的压电膜通过溅射方法生长，其中高度定向但多晶的薄膜通过使晶体学c轴的定向垂直于衬底表面来实现。这些高度定向的多晶压电层很好地支持了纵波沿基于AlN的压电层的晶体学c轴的传播。利用这种设计和结构，可以实现低损耗的BAW谐振器和设备。然而，由于基于AlN的压电层的外延生长不能利用通常所使用的低温溅射方法来实现，因此与真实的单晶或外延层相比，基于AlN的微晶的平面内定向不太明显。

通常，与使用单晶晶片的键合和减薄方法相比，通过薄膜沉积方法实现薄膜压电层具有显著的优势，如极好的厚度控制、良好层附着、低成本工艺、低材料消耗、完全整合到晶片生产线中、实现在大直径晶片上的层以及容易使化学层组成变化。