一种制备压电复合薄膜的方法及压电复合薄膜与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种制备压电复合薄膜的方法及压电复合薄膜。


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。其中，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；低声阻层的材料一般为sio2；高声阻衬底的材料一般为si，其结构可以极大限度地抑制声波能量往衬底中泄露，降低器件的损耗。
3.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，其中包括压电层100、低声阻层200和衬底层300。如图1所示，在常规的压电复合薄膜结构中，由于制作工艺的原因，在sio2层和si层之间会存在气泡等间隙。压电复合薄膜在通电时，施加在压电复合薄膜上的电压产生电磁场，sio2层和si层之间的间隙中存在大量电荷，这些电荷吸引si层中的载流子在si层表面聚集，形成导电层。而导电层中的载流子与电磁场之间相互影响，进而削弱电磁场的强度，造成电磁场的损耗。
4.为了避免在si层表面形成导电层，通常的做法是在sio2层和si层之间加入多晶硅层，多晶硅层中存在一定密度的缺陷，可以捕获存在于sio2层和si层之间的电荷，从而降低si层表面聚集的载流子，减少载流子对于外部电磁场的影响。然而，多晶硅的加入需要在si层上采用沉积工艺来制作多晶硅层，然后在多晶硅层之上采用热氧化工艺制作sio2层。虽然热氧化工艺能够保证sio2层具有很高的致密性、均匀性、较少的缺陷和较小的表面粗糙度，但是在氧化温度下，sio2层之下的多晶硅会再度结晶化，从而降低对于电荷的捕获能力；另外，热氧化的工艺也会导致多晶硅的表面粗糙度增加，影响多晶硅对于电荷的捕获能力。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种制造压电复合薄膜的方法及压电复合薄膜，以解决目前在压电复合薄膜内增加多晶硅层造成的电荷捕获能力低的问题。
6.第一方面，本发明提供了一种制备压电复合薄膜的方法，包括：
7.制备原始压电复合薄膜，所述原始压电复合薄膜包括衬底层；
8.通过离子注入法使离子穿过原始压电复合薄膜，注入到衬底层表面区域，使衬底层的表面区域形成损伤层；
9.对包含损伤层在内的原始压电复合薄膜进行低温退火处理，获得目标压电复合薄膜。
10.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述原始压电复合薄膜还包括依次叠加在衬底层表面的低声阻层和压电层。
11.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，制备原始压电复合薄膜的步骤，
包括：
12.在衬底层上通过热氧化法形成低声阻层；
13.通过离子注入法和键合法将压电层转移至低声阻层上；
14.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，获得原始压电复合薄膜。
15.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述离子注入法中注入的离子为h离子。
16.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述离子注入法中的离子注入量为5x10
11-1x10
15
ions/cm2。
17.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述损伤层的缺陷密度为1x10
11-1x10
15
/cm2，以及所述损伤层的厚度为200～3000nm。
18.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述低温退火处理的温度范围为300～400℃。
19.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，所述压电层的材料为钽酸锂或者铌酸锂，以及，所述压电层的厚度为100～2000nm。
20.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，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2％。
21.结合第一方面，在第一方面的一种可实施方式中，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。
22.第二方面，本发明提供了一种压电复合薄膜，所述压电复合薄膜通过第一方面所述的方法制备，具体包括顺序堆叠的压电层、低声阻层、损伤层和衬底层。
23.第三方面，本发明还提供了一种压电复合薄膜，具体包括衬底层、低声阻层和至少一层功能层，其中，所述衬底层的表面区域通过离子注入法被损伤形成损伤层。
24.由以上技术方案可知，本发明公开了一种制备压电复合薄膜的方法及压电复合薄膜，在具有衬底层的原始压电复合薄膜内，通过离子注入法将离子注入到衬底层的表面区域，使得离子破坏衬底层表面处的晶格结构，造成一定的损伤进而形成损伤层，之后再对包含损伤层在内的原始压电复合薄膜进行低温退火处理，获得目标压电复合薄膜。本发明的方案可以在制备好整体的原始压电复合薄膜之后，通过离子注入法形成损伤层，再利用损伤层捕获衬底层与低声阻层之间的电荷，避免采用当前常用的方法，使得后形成低声阻层时对先生成的损伤层造成影响，本发明的方案能够保证损伤层捕获电荷的能力。
附图说明
25.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。
26.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；
27.图2为本发明实施例提供的压电复合薄膜的结构示意图；
28.图3为本发明实施例提供的制备压电复合薄膜的方法流程图。
具体实施方式
29.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。
30.在上述的衬底层结构中，对界面的光滑度有一定的要求，一般是其界面的粗糙度<0.5nm，这样可以避免界面上声波的散射带来能量的损失，也可以避免因界面粗糙导致后续光刻工艺时发生光的散射，影响光刻图形。低声阻层的sio2主要有两个方面的用处：一方面，作为低声阻层提高与衬底层的声阻差，提高限制能量下漏的效果，这样声波能量主要集中在压电层和sio2层中；另一方面，sio2具有正的声速温度系数，与一般的压电材料相反，这样可以起到降低最终器件频率温度漂移系数的作用，最终的补偿效果主要与sio2层的厚度有关。衬底层对sio2层有两方面的要求，一方面是sio2层的声波传输损耗低，一方面是sio2层厚度均匀。在目前的工艺中，通常采用热氧化法制作sio2层，可同时满足衬底层对于sio2层的上述两项要求。热氧化法的氧化温度比较高，制作的sio2具有很高的致密性以及较少的缺陷，热氧化法制作的sio2也具有其他工艺都无法具有的厚度均匀性，一般可以控制在2％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。
31.常规的压电复合薄膜结构中，由于制作工艺的原因，在sio2层和si层之间存在很多缺陷和电荷，导致sio2层和si层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，本领域内的常规操作是在sio2层和si层之间加入多晶硅层，多晶硅层中存在一定密度的缺陷，可以捕获存在于sio2层和si层之间的载流子，避免这些载流子引起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。
32.然而，多晶硅的加入需要在si层上采用沉积工艺来制作多晶硅层，然后在多晶硅层之上采用热氧化法或者沉积法制作sio2层。首先，制作多晶硅层的原料一般是含si气体或液体，这种原料不环保。其次，制作的多晶硅层中具有大小不一的晶粒，使得多晶硅层表面的粗糙度很难控制，如果制作完成后再采用cmp(chemical mechanical polishing，化学机械抛光)工艺平滑表面，这又使得制作压电复合薄膜的工艺变得复杂。再有，在多晶硅层上制作sio2层时，如果采用沉积法，则难以保证sio2层的厚度均匀性；如果采用热氧化法，由于多晶硅具有大小不一的晶粒，氧化速度对硅晶向是有取向性的，使得多晶硅层上最终氧化的界面变得非常粗糙，甚至达到几十纳米的级别；另外，在氧化温度下，多晶硅会再度晶化，降低捕获载流子效果。
33.可见，目前为了保证sio2层的厚度均匀性，通常采用热氧化法制作sio2层，但是热氧化法又会造成多晶硅再度晶化，以及，会导致多晶硅的表面粗糙度增加，进而都会影响多晶硅对于电荷的捕获能力。因此，本发明提供了一种制备压电复合薄膜的方法，以增加新的损伤层，既能够达到捕获衬底层与低声阻层之间电荷的作用，也能避免热氧化法对损伤层造成影响，保证捕获电荷的效果。
34.图2为本发明实施例提供的压电复合薄膜的结构示意图，图2中的压电复合薄膜为
根据本发明提供的方法制备的目标压电复合薄膜。
35.本发明实施例中的压电复合薄膜包括衬底层300和损伤层400，其中，损伤层400是利用离子注入法使离子注入到衬底层300的表面使衬底层300的表面产生损伤进行形成的。具体的，原始压电复合薄膜还可以包括依次叠加在衬底层300表面的低声阻层200和压电层100。所以，本发明实施例利用原始压电复合薄膜制备的目标压电复合薄膜的结构可以如图2所示，在图2中，目标压电复合薄膜具体包括压电层100、低声阻层200、损伤层400和衬底层300。其中，损伤层400是在离子通过压电100和低声阻层200之后，在衬底层300的表面区域形成的。
36.另外，在本发明实施例中，通过制备压电复合薄膜的方法制备出的目标压电复合薄膜中，压电层100还可以被其他能实现电-声转换的功能层所替代，形成的目标压电复合薄膜具体可以包括功能层、低声阻层200、衬底层300和损伤层400，其中，功能层可以为一层或者多层。在图2所示的目标压电复合薄膜中，压电层100的材料优选为钽酸锂单晶结构或者铌酸锂单晶结构，以及，压电层100的厚度为100nm～2000nm，更加优选的范围为300nm～1000nm，还可以选取600nm、700nm等具体数值。
37.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2％。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。
38.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。
39.图3为本发明实施例提供的制备压电复合薄膜的方法流程图。图3所示，本发明实施例中制备压电复合薄膜的方法具体包括：
40.步骤s101，制备原始压电复合薄膜，所述原始压电复合薄膜包括衬底层300。
41.本发明实施例中的原始压电复合薄膜中包括衬底层300，在衬底层300之上，还可以包括依次叠加的低声阻层200和压电层100，具体结构如图1所示。另一种实施例中，本发明实施例的原始压电薄膜中，在衬底层300之上叠加低声阻层200，在低声阻层200之上还可以叠加至少一层其他能够实现电-声转换的功能层。例如，在低声阻层200上叠加一层铌酸锂层，铌酸锂层上依次再叠加一层隔离层和钽酸锂层。
42.步骤s102，通过离子注入法使离子穿过原始压电复合薄膜，注入到衬底层300表面区域，使衬底层300的表面区域形成损伤层400。
43.如图1所示，本发明实施例中的原始压电复合薄膜包括衬底层300、低声阻层200和压电层100。在步骤s102中，就需要通过离子注入法使离子穿过原始压电复合薄膜的压电层100和低声阻层200，注入到衬底层300与低声阻层200之间，从而使离子破坏衬底层300表面的晶格结构，形成损伤层400。
44.本发明实施例中，压电层100的材料优选为钽酸锂单晶结构或者铌酸锂单晶结构，低声阻层200的材料优选为sio2，衬底层300的材料优选为si，以下实施例的内容均以这些优选材料作为示例，对本发明提供的压电复合薄膜以及制备压电复合薄膜的方法进行进一步的说明。
45.本发明实施例制备压电复合薄膜的方法与当前常用方法的不同之处在于，当前常用的方法中，在多晶硅层制作完成后，再在多晶硅层上形成低声阻层200，例如sio2层；而本发明中，是在已经形成了低声阻层200的原始压电复合薄膜的基础之上，再通过离子注入法将离子注入到原始压电复合薄膜内，使离子破坏衬底层300界面处的晶格结构产生缺陷，这些缺陷形成了损伤层400，如图2所示，其中箭头所指方向即为离子注入方向。损伤层400内的缺陷可以吸引低声阻层200与衬底层300之间的电荷，避免这些电荷引起衬底层300界面处的载流子聚集。
46.本发明实施例中使用离子注入法，避免当前常用方法中，先形成多晶硅层后，再形成低声阻层200造成的多晶硅再度结晶化的问题。离子注入法中，可使用的离子包括h离子、ar离子等，但是h离子的效果更好，因为h离子不易影响sio2层，即使h离子破坏了sio2层的晶格结构生成si-h键，在低温退火处理时，h离子也可以容易从sio2层中扩散出来；而ar离子太大，对于sio2层的损伤较严重，而且离子注入操作时，注入ar离子需要的能量较大。另外，sio2层中的电荷密度一般在10
10
～10
13
/cm2级别，想要达到对载流子的捕获效果，注入离子的剂量在5x10
11
～1x10
15
ions/cm2即可，更加优选的范围可以是1x10
13
～1x10
15
ions/cm2。
47.步骤s103，对包含损伤层400在内的原始压电复合薄膜进行低温退火处理，获得目标压电复合薄膜。
48.本发明实施例中注入的离子可能会对原始压电复合薄膜其他层的晶格结构造成的损伤，比如压电层100、低声阻层200等。如果使用h离子，h离子会与sio2层中的si离子生成si-h键等，为了避免压电层100和低声阻层200不必要的化学键产生，需要对离子注入后的整体压电复合薄膜进行低温退火处理，恢复压电层100和低声阻层200的晶格结构，例如，低温退火使sio2层中si-h键中的h离子扩散出来。本发明实施例中，低温退火的温度一般为200℃以上，更加优选的低温退火处理的温度范围为300～400℃。
49.目前制备压电复合薄膜时，通常需要在si层上采用沉积工艺来制作多晶硅层，然后在多晶硅层之上采用热氧化工艺制作sio2层，但是热氧化法会影响在先生成的多晶硅层的电荷捕获能力。而本发明实施例提供的制备压电复合薄膜的方法，可以通过热氧化法制作sio2层，不仅使制作的sio2层的致密性、厚度均匀性更好，同时也避免沉积方式的高温对损伤层400的影响。通过离子注入的方式，在sio2层制作好之后再形成损伤层400，以损伤层400替代目标压电复合薄膜中的多晶硅层，可有效避免损伤层400制作好后再通过热氧化、沉积方式制作sio2层，可防止损伤层400经过高温环境后的结晶化。
50.本发明实施例提供的方法制备出的压电复合薄膜中，损伤层400的缺陷密度为1x10
11-1x10
15
/cm2，以及损伤层400的厚度大约在200～3000nm之间，优选为300～1000nm，损伤层400中损伤晶格的缺陷密度小于多晶硅的缺陷密度，再有，损伤层400是在热氧化法之后形成的，热氧化法并不会对其电荷捕获能力造成影响，其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sio2层与si层之间的电荷。
51.在本发明提供的制备压电复合薄膜的方法的另一实施例中，制备原始压电复合薄膜的步骤，具体包括：
52.步骤s201，在衬底层300上通过热氧化法形成低声阻层200。
53.例如，在si层上通过热氧化法形成sio2层，由于在声表面波滤波器中使用的复合薄膜对sio2层的要求是声波传输损耗低和厚度均匀，因此热氧化法能够确保制作的sio2层
满足要求，并且工艺成本低，工艺过程比较环保。
54.步骤s202，通过离子注入法和键合法将压电层100转移至低声阻层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，然后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在注入层中就被剥离下来。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，可以将压电层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s203，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，获得原始压电复合薄膜。
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一般为400℃以上，更加优选的高温退火处理的温度大约为450～550℃。
58.由以上方案可知，本发明实施例提供了一种制备压电复合薄膜的方法及压电复合薄膜，在具有压电层100、低声阻层200和衬底层300的原始压电复合薄膜内，通过离子注入法将离子注入到衬底层300表面区域，使得离子破坏衬底层300表面的晶格结构，造成一定的损伤进而形成损伤层400，之后再对包含损伤层400在内的原始压电复合薄膜进行低温退火处理，恢复离子注入法对压电层100和低声阻层200的晶格结构造成的损伤，获得目标压电复合薄膜。本发明可以在形成低声阻层200之后，通过离子注入法形成损伤层400，再利用损伤层400捕获衬底层300与低声阻层200之间的电荷，避免后形成低声阻层200时对先生成的损伤层400造成影响，保证损伤层400捕获电荷的能力。
59.另外，本发明实施例提供的制备压电复合薄膜的方法中增加的离子注入法是在之前成熟的压电复合薄膜制作工艺的基础上最后增加的，不产生中间环节的工艺变更过程，工艺稳定性好，易于实现，并且制备压电复合薄膜的成本低，环保效果好。同时对于损伤层400的缺陷密度、厚度、位置等都可以通过离子注入法进行精确地控制，最终的电导抑制效果好，使得使用该压电复合薄膜的声表面波滤波器能够发达到预想的性能要求。
60.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。
61.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。