一种压电复合薄膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种压电复合薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.应用于声表面波滤波器中的压电复合薄膜具体包括压电层、低声阻层和高声阻衬底。图1为本发明提供的目前压电复合薄膜的基本结构示意图，如图1所示，压电层为功能层，实现电-声的相互转换，一般为ln或lt压电单晶结构。
3.但是，目前的压电复合薄膜的sio2层中，通常会存在一些可移动的带正电的碱金属离子，例如na

，li

等，其中的na

主要来源于空气中，压电复合薄膜生产过程中操作人员呼出气体中的na

含量也比较高；li

主要来源于lt材料，在压电复合薄膜的制作过程中，键合工艺和离子注入工艺都需要对薄膜进行高温退火，此时会提升压电层中li

向sio2层扩散。这些碱金属离子在sio2层中的扩散系数较大，尤其是在温度较高时或电场的作用下移动现象更明显，声表面波滤波器在工作时产生能量损失造成温度上升，进而有助于碱金属离子的移动。同时作为压电层的钽酸锂也是一种热释电材料，压电复合薄膜所处环境温度的变化会造成其两个表面产生电荷，也为sio2层中碱金属离子的移动带来了便利。
4.上述这些可移动的碱金属离子一方面会与声表面波滤波器激发的射频电磁场相互作用产生损耗，另一方面碱金属离子在压电复合薄膜中不同位置的聚集会对声表面波滤波器带来不同的影响，使声表面波滤波器的稳定性变差。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种压电复合薄膜及其制备方法，以解决目前压电复合薄膜中存在碱金属离子而造成的声表面波滤波器的稳定性差的问题。
6.第一方面，本发明提供了一种压电复合薄膜，包括依次叠加的衬底层、低声阻层以及压电层，其特征在于，低声阻层中掺有氯离子，所述氯离子均匀分布在低声阻层之中或者位于低声阻层中的局部区域。
7.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述低声阻层中氯离子的含量大于2x10
18 atoms/cm3。
8.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，压电层的材料为单晶钽酸锂或单晶铌酸锂，以及，所述压电层的厚度为100～2000nm。
9.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述衬底层与所述低声阻层之间设置具有预设缺陷密度的捕获层。
10.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述捕获层形成于所述衬底层的表面区域。
11.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述捕获层的缺陷密度为大于1x10
11
/cm2，以及所述捕获层的厚度为200～3000nm。
12.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述低声阻层的材料为二氧化
硅，以及，所述低声阻层的厚度为100～5000nm，所述低声阻层的厚度均匀度小于1％。
13.结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述衬底层的材料为电阻率大于5000ω
·
cm的单晶硅，以及，所述衬底层的厚度为150～1000μm。
14.第二方面，本发明提供了一种压电复合薄膜制备方法，包括：
15.在衬底层上通过掺氯氧化法或者掺氯沉积法形成含氯离子的低声阻层；
16.通过离子注入法和键合法将压电层移动到低声阻层上；
17.对衬底层、低声阻层和压电层的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层的损伤，获得复合薄膜。
18.第三方面，本发明提供了另一种压电复合薄膜制备方法，包括：
19.在衬底层上通过热氧化法或者沉积法形成低声阻层
20.通过离子注入法使氯离子注入到低声阻层内，形成含氯离子的低声阻层；
21.通过离子注入法和键合法将压电层转移到低声阻层上；
22.对衬底层、低声阻层和压电层的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层的损伤，获得压电复合薄膜。
23.第四方面，本发明提供了另一种压电复合薄膜制备方法，包括：
24.在衬底层上通过热氧化法或者沉积法形成低声阻层；
25.通过离子注入法和键合法将压电层转移到低声阻层上；
26.对衬底层、低声阻层和压电层的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层的损伤；
27.通过离子注入法穿过所述压电层使氯离子注入到低声阻层内，得到压电复合薄膜。
28.由以上技术方案可知，本发明公开了一种压电复合薄膜及其制备方法，压电复合薄膜具体包括依次叠加的衬底层、低声阻层以及压电层，其中，低声阻层内含有一定含量的氯离子，氯离子均匀分布在低声阻层之中或者位于低声阻层中的局部区域。本发明的技术方案中，加入氯离子能够有效地捕获低声阻层中的可移动的碱金属离子，形成中性的氯化物，避免低声阻层中的碱金属离子对声表面波滤波器激发的电磁场造成影响，保证声表面波滤波器的稳定性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明提供的目前压电复合薄膜的基本结构示意图；
31.图2为本发明实施例提供的一种压电复合薄膜的结构示意图；
32.图3为本发明实施例提供的另一种压电复合薄膜的结构示意图；
33.图4为本发明实施例提供的加入捕获层的一种压电复合薄膜的结构示意图；
34.图5为本发明实施例提供的加入捕获层的另一种压电复合薄膜的结构示意图。
具体实施方式
35.声表面波滤波器由压电复合薄膜及电极构成，电极制作在压电复合薄膜的压电层上，压电层及电极的配合工作可以将特定频率的声波转化为电信号，从而实现滤波功能。目前常用的压电复合薄膜具体包括压电层、低声阻层和高声阻衬底三层结构。其中，压电层一般为ln(铌酸锂，linio3)或lt(钽酸锂，litao3)单晶结构；低声阻层的材料一般为sio2；高声阻衬底的材料一般为si。
36.目前的压电复合薄膜的低声阻层200中，例如sio2层，通常会存在一些可移动的带正电的碱金属离子，例如na

，li

等，其中的na

主要来源于空气中，压电复合薄膜生产过程中操作人员呼出气体中的na

含量也比较高；li

主要来源于lt材料，在压电复合薄膜的制作过程中，键合工艺和离子注入工艺都需要对薄膜进行高温退火，此时会增强或加快压电层中li

向sio2层的扩散。另外，由于这些碱金属离子在sio2层中的扩散系数较大，尤其是在温度较高时或电场的作用下移动现象更明显。声表面波滤波器在工作时会产生能量损失造成温度上升，进而有利于碱金属离子的移动。同时，作为压电层的钽酸锂也是一种热释电材料，压电复合薄膜所处环境温度的变化造成其两个表面产生电荷，也促进了sio2层中的碱金属离子的移动。这些可移动的碱金属离子与声表面波滤波器激发的射频电磁场相互作用产生损耗。
37.另外，声表面波滤波器的稳定性与其射频电磁场的损耗相关，如果损耗稳定，那么声表面波滤波器的稳定性就好，但是碱金属离子在温度升高的情况下，可以随意移动，并在sio2层的不同位置聚集，从而对声表面波滤波器激发的射频电磁场带来不同程度的损耗，如果损耗时而大时而小，那么声表面波滤波器的稳定性就差。
38.本发明实施例提供了一种压电复合薄膜，在目前的压电复合薄膜的基础上，通过掺氯工艺操作，在低声阻层200中加入一定含量的氯离子，由于氯离子带负电，可以有效地捕获低声阻层200中带正电的碱金属离子，避免碱金属离子对声表面波滤波器造成的不良影响。
39.图2为本发明实施例提供的一种压电复合薄膜结构示意图。如图2所示，该压电复合薄膜包括依次叠加的衬底层300、低声阻层200以及压电层100，低声阻层200中掺有氯离子cl-，所述氯离子cl-均匀分布在低声阻层200之中或者位于低声阻层200中的局部位置。
40.本发明实施例中可采用掺氯氧化法、掺氯沉积法、氯离子注入法等，制作含氯离子的低声阻层200。如果采用掺氯氧化法或者掺氯沉积法，则氯离子的来源可以是氯化氢、二氯乙烯、三氯乙烯等含氯的气体或液体，如果采用氯离子注入法，则氯离子的来源主要是氯气或氯化氢。加入到低声阻层200中的氯离子cl-的位置和含量可以通过掺氯的方法确定，本发明实施例中，掺入氯离子cl-的优选含量大于2x10
18 atoms/cm3。
41.图3为本发明实施例提供的另一种压电复合薄膜的结构示意图。如图3所示，在压电层200中加入氯离子后，氯离子cl-与压电层200中原有的碱金属离子na

、li

等结合，生成中性的nacl、licl等。
42.本发明实施例中，压电层100的材料可以为单晶钽酸锂或者单晶铌酸锂，在充分考虑了工艺可能性、成本和性能方面的因素之后，本发明实施例中最优选的压电层100的材料为单晶钽酸锂。以及，压电层100的厚度大约为100nm～2000nm，更加优选的范围为300nm～1000nm，还可以选取600nm、700nm等具体数值。
43.低声阻层200的材料优选为sio2(二氧化硅)，以及，低声阻层200的厚度为100nm～5000nm，并且厚度均匀度小于1％。由于低声阻层200与压电层100具有相反的声速-温度变化系数，低声阻层200的厚度需与压电层100的厚度相匹配，更加优选的厚度应与压电层100的厚度相同或者相近，这样能够更好地实现温度补偿，进而降低声表面波滤波器的频率温度系数，保证声表面波滤波器的器件性能。
44.衬底层300的材料优选为电阻率大于5000ω
·
cm的si(单晶硅)，以及，衬底层300的厚度优选为150μm～1000μm，更加优选的厚度范围为250μm～500μm。
45.另外，由于制作工艺的原因，在低声阻层200(如sio2层)和衬底层300(如si层)之间存在很多缺陷和电荷，导致衬底层300与低声阻层200之间界面的载流子集中，产生寄生电导，从而在射频应用中产生额外的损耗。为了避免寄生电导的形成，本发明实施例中还可以在低声阻层200(如sio2层)和衬底层300(如si层)之间设置具有预设缺陷密度的捕获层400，由于捕获层400具有一定的缺陷，因此，捕获层400具有捕获低声阻层200(如sio2层)和衬底层300(如si层)之间的载流子的作用，避免这些载流子引起衬底层300(如si层)界面处的载流子聚集，从而避免载流子削弱施加在压电复合薄膜上的电磁场。
46.图4为本发明实施例提供的加入捕获层的一种压电复合薄膜的结构示意图，本发明实施例中，可以在衬底层300上采用沉积法形成捕获层400，此后在捕获层400上依次形成低声阻层200和压电层100，进而制作出如图4所示的压电复合薄膜。然而，这种制作方式中，形成低声阻层200的热氧化法使得先形成的捕获层400的电荷捕获能力降低。因此，本发明实施例中还可以通过离子注入法使离子穿过压电层100和低声阻层200，破坏衬底层300表面区域的晶格结构，产生缺陷，进而在衬底层300的表面区域形成一个捕获层400，用这种方式形成的压电复合薄膜的结构如图5所示。
47.通过上述实施例中的方式形成捕获层400的缺陷密度大于1x10
11
，捕获层400的厚度为200～3000nm，优选为300～1000nm。捕获层400中损伤晶格的缺陷密度小于当前常用的多晶硅的缺陷密度，损伤晶格的厚度也小于多晶硅的厚度，从而制作捕获层400的能量要比制作多晶硅需要的能量小。再有，如果通过热氧化法形成低声阻层200，之后再通过离子注入法形成捕获层400，热氧化法则不会影响捕获层400的电荷捕获能力，捕获层400与目前压电复合薄膜中的多晶硅层相比，能够更加有效地捕获低声阻层200与衬底层300之间的电荷。
48.由上述内容可知，本发明实施例提供的压电复合薄膜，由于在低声阻层200中掺入了一定量的氯离子，使得氯离子能够捕获原本低声阻层200中移动的碱金属离子，由于氯离子带负电，碱金属离子带正电，二者可以相互中和形成中性的氯化物，避免游离的碱金属离子对声表面波滤波器激发的射频电磁场造成损耗。另外，氯离子在低声阻层200中很难扩散，因此，难以移动的氯离子不会对声表面波滤波器的性能造成影响。
49.本发明实施例中还提供了一种压电复合薄膜制备方法，用于制备上述实施例中的压电复合薄膜，具体的步骤包括：
50.步骤s101，在衬底层300上通过掺氯氧化法或者掺氯沉积法形成含氯离子的低声阻层200。
51.掺氯氧化法和掺氯沉积法中，氯离子的来源可以是氯化氢、二氯乙烯、三氯乙烯等含氯的气体或液体。以制作材料为sio2的低声阻层200为例，掺氯氧化法在热氧化法的基础
上进行，在向si中加入o2或h2o等含氧气体或液体进行高温氧化反应生成sio2的同时，掺入含氯气体或液体，含氯气体或液体高温时产生氯离子，这样在生成的sio2中就掺有氯离子；掺氯沉积法在化学气相沉积法的基础上进行，在利用o2等含氧气体或蒸汽使si表面发生氧化的同时，掺入含氯气体或液体，使含氯气体或液体产生氯离子，这样在si上生长的sio2中就掺有氯离子。
52.上述掺氯氧化法和掺氯沉积法可以具体确定加入到低声阻层200中的氯离子的位置是均匀分布还是在某一局部区域分布。还可以确定加入到低声阻层200中的氯离子的含量，在本发明实施例中，氯离子的含量优选为大于2x10
18 atoms/cm3。
53.如果在热氧化法或者化学气相沉积法的整体过程中以固定的掺入速率持续不断地掺入含氯气体或液体，那么可以使产生的氯离子均匀地分布在低声阻层200中；如果在热氧化法或者化学气相沉积法的整体过程中间断地掺入含氯气体或液体，那么在掺入含氯气体或液体的时间段内生成的一部分低声阻层200中才会含有氯离子。氯离子在低声阻层200中均匀分布还是局部分布，对其捕获碱金属离子的时间有一定的影响，如果是均匀分布，当声表面波滤波器工作时，碱金属离子刚刚开始移动就能被氯离子捕获，这样捕获的时间比较短；而如果是局部分布，当声表面波滤波器工作时，碱金属离子只有在移动到氯离子分布的区域时才能被捕获，当声表面波滤波器工作一定时间后碱金属离子才能被全部捕获，这样捕获的时间较长。但是，不论是均匀分布还是局部分布，都不影响氯离子对于碱金属离子的捕获能力。
54.步骤s102，通过离子注入法和键合法将压电层100转移到低声阻层200上。
55.本发明实施例中，压电层100采用的材料可以是ln或lt，在低声阻层200上制作压电层100之前，还需要将压电层100从体材料上剥离出来，其中剥离方法包括离子注入法和键合法两个步骤。例如，具体的压电层100的剥离原理可以为：对ln晶片或lt晶片进行(氢或氦)离子注入，离子进入晶片后，能量逐渐损失，速度减小，最后离子停留在某一深度的层面上形成注入层；将此晶片键合到另外一片覆盖有sio2的晶片上，将此晶片组放入退火炉中加热，在加热的过程中，在注入层中注入的离子变成氢气分子或氦气分子，逐渐聚集起来，形成气泡，随退火温度的升高或退火时间的延长，气泡密度逐渐增加，体积逐渐加大，最终所有的气泡连成一片，气泡层最终破裂，压电层100从注入层被剥离下来。值得说明的是，本发明实施例中提供的压电层100的剥离方法并不是唯一可以获得压电层100的方法，本发明中只是示例性说明，对于本领域的技术人员来说，将压电层100剥离出的方法均可以实现本发明实施例中获得压电层100的目的。
56.步骤s103，对衬底层、低声阻层和压电层的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层的损伤，获得压电复合薄膜。
57.在离子注入法的过程中，离子穿过压电层100会对压电层100中的晶体结构造成损伤，影响压电层100的功能，因此，在经过了离子注入法之后，还需对整体结构进行高温退火处理，使压电层100中的离子释放出来，恢复压电层100的原始晶体结构。本发明实施例中，高温退火处理的温度大约为450～550℃。
58.可见，上述这种压电复合薄膜制备方法在衬底层300上制作低声阻层200时，向低声阻层200中掺入氯离子，然后在低声阻层200上制作压电层100。这种方法最终制备的压电复合薄膜中，通过氯离子捕获低声阻层200中的碱金属离子生成中性化合物，从而有效避免
碱金属离子对声表面波滤波器的射频电磁场产生影响。
59.本发明实施例中还提供了另一种压电复合薄膜制备方法，用于制备上述实施例中的压电复合薄膜，具体的步骤包括：
60.步骤s201，在衬底层300上通过热氧化法或者沉积法形成低声阻层200。
61.在本发明实施例中，优选利用热氧化法形成低声阻层200，因为热氧化法的氧化温度比较高，制作的低声阻层200具有很高的致密性以及较少的缺陷，热氧化法制作的低声阻层200也具有其他工艺都无法具有的厚度均匀性，例如sio2层的厚度均匀性一般可以控制在1％以内。同时热氧化法一般是用高温氧化炉进行批次生产，所用原料只有o2和h2o，具有非常低的工艺成本而且原料环保。
62.步骤s202，通过离子注入法使氯离子注入到低声阻层200内，形成含氯离子的低声阻层200。
63.其中，离子注入法可以通过控制注入氯离子的速度确定加入到低声阻层200中氯离子的位置，注入的离子运动速度快，则注入氯离子的位置较深；注入的离子运动速度慢，则注入氯离子的位置较浅。如果使用具有一定递减规律或者递增规律的速度持续不断地向低声阻层200中注入氯离子，则氯离子将在低声阻层200中均匀分布；如果只使用一种注入速度，则氯离子将集中分布在低声阻层200中的某一局部区域；如果使用的注入速度时而快时而慢，则氯离子将在低声阻层200中呈现无规则的分布状态。无论是哪一种氯离子分布状态，都不会影响氯离子对于碱金属离子的捕获能力，影响的只是捕获时间的长短。另外，离子注入法还可以确定加入到低声阻层200中的氯离子的含量，在本发明实施例中，氯离子的含量优选为大于2x10
18 atoms/cm3。
64.步骤s203，通过离子注入法和键合法将压电层100转移到低声阻层200上。
65.其中，压电层100采用的材料可以是ln或lt，具体的剥离方法和在低声阻层200的制作方法如上述实施例的内容所述，在此不再赘述。
66.步骤s204，对衬底层300、低声阻层200和压电层100的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层100的损伤，获得压电复合薄膜。本发明实施例中，高温退火处理的温度大约为400～550℃。
67.值得说明的是，使用上述掺氯氧化法、掺氯沉积法或者离子注入法均可以使氯离子均匀分布或者局部分布在低声阻层200之中，均匀分布的氯离子对于碱金属离子的捕获时间较短，进而碱金属离子对于声表面波滤波器射频电磁场的损耗时间较短，可以使声表面波滤波器从工作开始就保持稳定的性能；局部分布的氯离子对于碱金属离子的捕获时间较长，碱金属离子对于声表面波滤波器射频电磁场的损耗时间较短长，声表面波滤波器的性能在工作中逐渐转好，最终达到稳定。不论氯离子是均匀分布还是局部分布，都不影响其捕获碱金属离子的能力，都能够减小声表面波滤波器最终形成的射频电磁场损耗，保证声表面波滤波器最终获得稳定的性能。
68.本发明实施例中还提供了又一种压电复合薄膜制备方法，用于制备上述实施例中的压电复合薄膜，具体的步骤包括：
69.步骤s301中，在衬底层300上通过热氧化法或者沉积法形成低声阻层200。具体的形成方式参见上述实施例中的内容。
70.步骤s302中，通过离子注入法和键合法将压电层100转移到低声阻层200上。
71.其中，压电层100采用的材料可以是ln或lt，具体的剥离方法和在低声阻层200的制作方法参见上述实施例中的内容。
72.步骤s303中，对衬底层300、低声阻层200和压电层100的整体结构进行高温退火处理，恢复离子注入法对压电层100的损伤。
73.步骤s304中，通过离子注入法穿过所述压电层100使氯离子注入到低声阻层200内，得到压电复合薄膜。离子注入法的具体方式参见上述实施例中的内容。
74.本实施例与上述实施例相比，区别在于，本实施例中，在将衬底层300、低声阻层200和压电层100制作完成后，通过离子注入法穿过压电层100将氯离子注入至低声阻层200中，得到低声阻层200掺入氯离子的压电复合薄膜。由于离子注入方法中，氯离子的注入剂量和注入深度可控，因此，本实施例中，通过离子注入法穿过压电层100将氯离子掺入低声阻层200中的方式可控。
75.由以上技术方案可知，本发明公开了一种压电复合薄膜及其制备方法，压电复合薄膜具体包括依次叠加的衬底层300、低声阻层200以及压电层100，其中，低声阻层200中掺有一定含量的氯离子，氯离子均匀分布在低声阻层200之中或者位于低声阻层200中的局部区域。本发明的技术方案中，加入氯离子能够有效地捕获低声阻层200中的可移动的碱金属离子，形成中性的氯化物，避免低声阻层200中的碱金属离子对声表面波滤波器激发的电磁场进行影响，保证声表面波滤波器的稳定性。
76.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
77.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。