CN110601673B - 基于铪系铁电薄膜的声表面波器件及薄膜体声波器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于铪系铁电薄膜的声表面波器件及薄膜体声波器件，声表面波器件包括在衬底上集成的谐振/滤波组件和传感组件中的任意一种或两种，各组件均分别包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极层；薄膜体声波器件包括在衬底上集成的谐振/滤波组件、传感组件中的任意一种或两种，各组件均分别包括依次层叠的底电极层、压电层和顶电极层；两类声波器件中的各压电层均分别是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得。本发明能够在铪系铁电薄膜上制备出两类声波器件和存储器件，可以将环境感知、信号处理与存储进行集成，有利于提高电子设备的集成度和工作速度。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种基于铪系铁电薄膜的声表面波器件及薄膜体声波器件。
背景技术
随着物联网技术的蓬勃发展，连接于物联网中的智能化的电子设备，通过各种传感器感知着环境中的各种信息，然后将感知的信息发送到处理单元，进行数据分析处理和存储，尤其是对于智能驾驶，相关的传感器感知着复杂的路面状况，在采集海量路况信息的同时，还要完成信号的处理和存储。然而对于常规的电子设备而言，环境传感、信号处理和数据存储是分立的不同的部分，中间需要数据传输通路来传送数据，进而增大了信号的响应时间，限制了相关电子设备的工作速度。因此，如果能通过相关的技术创新，将环境传感、信号处理和信息存储集成在一起，则能够缩短信号传输通路，提高智能化设备的响应速度，同时能够通过提高集成度减小设备体积，提高便携性。
在存储方面，目前主要是使用诸如RAM、ROM等传统的存储介质，RAM读写速度快，但掉电丢失数据；ROM具有非易失性，但无法随机存取；然而铁电存储器是一种低功耗、读写速度快、抗辐照能力强的随机存取的非易失性存储器，因此铁电存储器具有极大的发展前景。在众多的铁电材料中，铪系的铁电薄膜具有与硅基CMOS工艺兼容、化学性质稳定、铁电性可调等优势，已经被用于制备铁电随机存储器中的电容、铁电场效应管等铁电存储器件，因此铪系铁电薄膜在铁电存储器领域有着较大的价值。
在信号的处理方面，基于声表面波和薄膜体声波的谐振器和滤波器已经被广泛应用于智能手机、移动基站等通信设备中，目前用于声表面波的压电材料主要为铌酸锂、钽酸锂等体材料和氮化铝、氧化锌等薄膜材料，用于薄膜体声波器件的压电材料主要为氮化铝和氧化锌薄膜，其中铌酸锂、钽酸锂、氧化锌无法和主流的CMOS工艺兼容，因此也不能和相应的芯片***进行集成；氮化铝材料虽然能够和CMOS工艺兼容，但是无法应用于存储领域，因此也不能实现***集成。
在环境传感方面，基于声表面波器件和薄膜体声波器件的传感器，由于具有响应速度快、灵敏度高的优势，已经被广泛应用于检测温度、湿度、力、光、化学气体等方面，但是这些基于声表面波器件和薄膜体声波器件的传感器是分立的器件，在整个***中需要占用一定的空间，且需要特定的互联，因此无法进一步提高***的集成度。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种基于铪系铁电薄膜的声表面波器件及薄膜体声波器件。本发明将铪系铁电薄膜作为压电层用于声表面波器件和体声波器件的制备，从而实现将环境感知、信号处理与存储进行集成。
为了实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提出的一种基于铪系薄膜的声表面波器件，其特征在于，包括一衬底，该衬底上设有谐振/(“/”理解为“或”)滤波组件、传感组件中的任意一种或两种；所述谐振/滤波组件包括在所述衬底上依次层叠的第一底电极层、第一压电层和第一顶电极层；所述传感组件包括在所述衬底上依次层叠的第二底电极层、第二压电层和第二顶电极层；所述第一顶电极层包括多个第一叉指电极；所述第二顶电极层包括敏感薄膜和多个第二叉指电极；各所述压电层均为铪系铁电薄膜。
进一步地，所述声表面波器件能够与存储组件进行集成；所述存储组件包括在所述衬底上依次层叠的第三底电极层、铁电薄膜和第三顶电极层；所述铁电薄膜为铪系铁电薄膜。
进一步地，所述声表面波器件的类型包括单端口谐振、双端口谐振、延迟线。
本发明还提出一种基于铪系薄膜的薄膜体声波器件，其特征在于，包括一衬底，该衬底上设有谐振/(“/”理解为“或”)滤波组件、传感组件中的任意一种或两种；所述谐振/滤波组件包括在所述衬底上依次层叠的第一底电极层、第一压电层和第一顶电极层；所述传感组件包括在所述衬底上依次层叠的第二底电极层、第二压电层、第二顶电极层和敏感薄膜；各所述压电层均为铪系铁电薄膜。
进一步地，所述薄膜体声波器件能够与存储组件进行集成；所述存储组件包括在所述衬底上依次层叠的第三底电极层、铁电薄膜和第三顶电极层；所述铁电薄膜为铪系铁电薄膜。
进一步地，所述薄膜体声波器件的类型包括背刻蚀型、表面刻蚀空气隙型和固态装配型。
进一步地，所述声表面波器件或薄膜体声波器件中，各所述铪系铁电薄膜均是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得；其中，锆的掺杂浓度不超过50％；掺铝的浓度为4.5％-7.5％；掺硅的浓度为3.5％-4.5％；优选地，掺铝的浓度为4.8％-7.1％。
进一步地，所述声表面波器件或薄膜体声波器件中，所述敏感薄膜采用石墨烯、高分子聚合物、碳纳米管、银纳米线、氧化锌纳米柱、氧化锌纳米颗粒或氧化锌纳米线制备。
本发明特点及有益效果：
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过将原子层淀积生长的铪系铁电薄膜用作压电层，来制备声表面波器件和薄膜体声波器件，在实现环境感知、信号处理的同时，还能够与存储部分进行集成，从而能够提高电子设备的集成度，缩减信号传输距离，降低成本，缩小设备体积提高便携性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种基于铪系铁电薄膜的声表面波器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1的声表面波器件的微电子工艺流程图；
图3为本发明实施例2提供的一种基于铪系铁电薄膜的声表面波传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的一种声表面波谐振器、传感器与铁电存储单元集成的示例；
图5为本发明实施例3提供的一种铪系铁电薄膜电容的结构示意图；
图6为本发明实施例4提供的一种基于铪系铁电薄膜的薄膜体声波器件的结构示意图；
图7为本发明实施例4的一种背刻蚀型薄膜体声波器件的工艺流程图；
图8为本发明实施例5提供的一种基于铪系铁电薄膜的薄膜体声波器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，以下描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
声表面波器件：
实施例1
在本实施例中提出了一种基于铪系铁电薄膜的单端口谐振型的声表面波器件，具有信号处理功能，其剖面结构如图1所示，包括在衬底101上依次层叠的底电极层102、压电层103和顶电极层104；本实施例的压电层103采用掺杂有锆的铪系铁电薄膜，顶电极层104为依次排列的多个叉指电极，相应叉指电极分别形成一个叉指换能器以及反射栅阵列。
本实施例声表面波器件的制备工艺流程如图2所述，具体过程如下：
首先在衬底101上通过磁控溅射的方式，溅射一层氮化钛底电极层102，底电极层的厚度为20nm，作用是使得后续的铪系薄膜能够产生铁电相，同时也是为了后续薄膜的预极化；然后采用原子层沉积的方式，在底电极层102上生长一层100nm厚的掺锆的氧化铪薄膜作为压电层103，其中，掺锆浓度为50％的铪系薄膜，薄膜的分子式为Hf0.5Zr0.5O2；采用光刻的方式，在压电层103表面形成声表面波器件的叉指电极的图案；通过电子束蒸发的方式，蒸镀厚度为5nm的金属铬作为黏附层，蒸镀厚度为100nm的金作为顶电极层104，其中黏附层的作用在于避免剥离时叉指电极的脱落。最后采用剥离的方式，形成叉指电极，得到单端口谐振型的声表面波器件，叉指电极用于激励和检测出声表面波，使器件得以工作。
实施例2
在本实施例中提出一种基于铪系铁电薄膜的声表面波器件，为延迟线型，主要是用于实现传感功能，其剖面结构如图3所示，包括在衬底101上依次层叠的底电极层102、压电层103和顶电极层104，在顶电极层104之间的压电层103表面上还通过滴涂、旋涂、静电喷雾、化学溶液生长或喷墨打印等方式设有用于感知环境的敏感薄膜105，该敏感薄膜通过吸附环境中的相关物质来检测与该物质对应的环境参数。本实施例的压电层103采用掺杂有硅的铪系铁电薄膜，硅的掺杂浓度为4％；顶电极层104为依次排列的输入、输出叉指换能器，各叉指换能器由多个叉指电极组成，敏感薄膜105设置在相邻的两叉指换能器之间、为氧化锌纳米柱，当紫外光强度发生改变时，氧化锌纳米柱中会产生光生载流子，由于声电效应，会使得声表面波的传输特性发生改变，通过测试器件的工作频率的偏移以及传输损耗的变化，均能够实现紫外光传感，其中氧化锌纳米柱的生长方法为，具体地，首先在延迟线型声表面波器件的延迟区磁控溅射30nm厚的氧化锌的籽晶层，然后放入含有硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液中，即可生长出氧化锌纳米柱。
在另一实施例中，敏感薄膜采用聚乙烯醇，可以吸附环境中的水汽，由于吸附的水汽越多，声表面波器件的表面沉积的质量越大，使得器件表面的声表面波传输条件发生改变，通过测试器件的工作频率的偏移和传输损耗的变化，能够实现环境湿度的检测，其中聚乙烯醇的生长方法为滴涂法，具体地，将体积为5uL聚乙烯醇溶液通过移液枪滴到器件上，放在洁净的室温环境下静置，即可生成敏感薄膜。
声表面波器件用于传感器主要基于质量沉积效应和声电效应。质量沉积效应的原理主要是敏感薄膜可以吸附相关的待检测物质，使得敏感薄膜的质量发生改变，声表面波的传输条件也会随之改变，因此可以通过测试器件的工作频率偏移和传输损耗的变化，来感知待检测的物质，通常基于此原理的敏感薄膜有石墨烯、高分子聚合物、碳纳米管、银纳米线等。声电效应的主要原理为外界环境发生改变时，敏感膜内部会产生电子-空穴对，对器件表面传输的声表面波产生影响，从而使得器件的工作频率发生偏移，基于此原理的敏感膜有氧化锌纳米柱、氧化锌纳米颗粒、氧化锌纳米线等。
本实施例中其余各结构层的厚度同实施例1。
实施例3
在本实施例中提出一种将声表面波谐振器、传感器与铁电存储单元进行集成得到器件集成的示例，如图4所示，包括声表面波谐振器201、声表面波传感器202、铁电存储单元(可为铁电电容)203和六个MOS场效应晶体管(204～206，208～210)。本实施例的声表面波谐振器201和声表面波传感器202可通过实施例1和2中的方法得到，声表面波谐振器201中的一个叉指换能器具有两个引出端，声表面波传感器202中各叉指换能器共同形成两个引出端。铁电电容203用于存储功能，其结构如图5所示，包括在衬底301上依次层叠的底电极层302、铁电薄膜303和顶电极层304；其中，衬底301为硅衬底，底电极层302采用厚度为20nm的氮化钛，是通过磁控溅射在硅衬底301上溅射形成；铁电薄膜303采用厚度为20nm、掺杂有铝的铪系铁电薄膜，铝的掺杂浓度为6％，且是通过原子层沉积的方法在底电极层302表面生长形成；顶电极层304采用厚度为20nm的氮化钛，是在铁电薄膜303表面通过磁控溅射方式形成。在铁电电容203的底电极层302和顶电极层304分别形成一个引出端。声表面波谐振器201、声表面波传感器202和铁电电容203的第一引出端分别与相应的一个MOS场效应晶体管(204、205、206)的源漏极一端相连，三个MOS场效应晶体管的源漏极另一端共同连接作为本器件集成示例与外部连接的第一端口207；声表面波谐振器201、声表面波传感器202和铁电电容203的第二引出端分别与相应的一个MOS场效应晶体管(208、209、210)的源漏极一端相连，三个MOS场效应晶体管的源漏极另一端共同连接作为本器件集成示例与外部连接的第二端口211。与声表面波谐振器201、声表面波传感器202和铁电电容203相连的六个场效应晶体管(204～206，208～210)作为选通器，通过在相应场效应晶体管的栅极施加不同的电压，即可打开或者关闭相应晶体管的源漏端的连接，从而实现将不同的器件(201、202、203)与外部通过端口207、211进行连接。需要说明的是，本实施例中的声表面波谐振器201、声表面波传感器202和铁电电容203均共用同一个衬底，然后在该衬底表面分别通过上述方法形成各器件的各结构层，通过本实施例所述方法，即可实现将声表面波谐振器、传感器与铁电存储单元进行集成。
此外，还可按照本实施例所述方法仅将声表面波谐振器、声表面波传感器和铁电存储单元中的任意两者进行组合。
薄膜体声波器件
实施例4
在本实施例中提出一种基于铪系铁电薄膜的薄膜体声波器件，为背刻蚀型，具有信号处理功能，其剖面结构如图6所示，包括在衬底(衬底由硅401和绝缘支撑层402组成)上依次层叠的底电极层403、压电层404和顶电极层405，且所述底电极层403、压电层404和顶电极层405均与衬底中的绝缘支撑层402相连接；所述压电层404采用铪系铁电薄膜。
本实施例薄膜体声波器件的制备工艺流程如图7所述，具体过程如下：
首先在硅衬底401上生长一层厚度为1um的二氧化硅作为绝缘支撑层402，通过光刻、溅射和剥离的方式，在绝缘支撑层402上制备出厚度为200nm的金属铝底电极层403；采用原子层淀积的方式，在底电极层表面生长一层厚度为20nm、掺锆浓度为50％、分子式为Hf0.5Zr0.5O2薄膜作为压电层404；由于底电极层403被压电层404完全覆盖，因此需要采用光刻及刻蚀的方法，在压电层404未覆盖有顶电极层405的部分形成底电极通孔406，从而露出底电极层需要连接的部分，便于后续的测试；随后采用和制备底电极层相同的方法和参数，在压电层404表面制备器件的顶电极层405；在完成薄膜体声波器件正表面结构的制备之后，通过干法刻蚀工艺来刻蚀掉背面的硅衬底，得到背刻蚀型薄膜体声波器件。
实施例5
在本实施例中提出一种基于铪系铁电薄膜的薄膜体声波器件，为背刻蚀型，具有传感功能，是在实施例4的基础之上提出，其剖面结构如图8所示，与实施例4的不同之处在于，本实施例在顶电极层405的上表面处通过滴涂、旋涂、静电喷雾或喷墨打印方式设有一敏感薄膜407，该敏感薄膜的具体实现方式和功能与实施例2相同，此处不再赘述。
实施例6
在本实施例中提出一种将体声波谐振器、体声波传感器与铁电存储单元进行集成的示例。与实施例3类似，本实施例在一个衬底上同时集成体声波谐振器、体声波传感器与铁电存储单元，其中，体声波谐振器和体声波传感器分别按照实施例4和实施例5所述方式实现，铁电存储单元的实现方式参见实施例3中的铁电电容。本实施例的体声波谐振器、体声波传感器和铁电存储单元在与相应的MOS场效应晶体管的源漏极连接时分别均通过各自的顶电极层和底电极层引出一个引出端来实现，此处不再赘述。
本发明的工作原理为：
根据功能材料的分类，铁电材料属于压电材料的子类，因此铪系的铁电薄膜必然具有压电特性及逆压电特性，而声表面波器件及体声波器件主要是利用相关材料的压电及逆压电特性来工作的，所以铪系铁电薄膜可以用于声表面波器件及体声波器件。由于铪系薄膜本身固有的铁电特性，可以用于制备存储器。因此，本发明提出了基于铪系铁电薄膜的声表面波器件及薄膜体声波器件，并且可以与铁电存储单元进行集成，有望于将环境感知、信号处理、信息存储三类器件进行集成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于铪系薄膜的声表面波器件，其特征在于，包括一衬底，该衬底上设有谐振/滤波组件和传感组件中的任意一种或两种；所述谐振/滤波组件包括在所述衬底上依次层叠的第一底电极层、第一压电层和第一顶电极层；所述传感组件包括在所述衬底上依次层叠的第二底电极层、第二压电层和第二顶电极层；所述第一顶电极层包括多个第一叉指电极；所述第二顶电极层包括敏感薄膜和多个第二叉指电极；各所述压电层均为铪系铁电薄膜；
各所述铪系铁电薄膜均是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得；其中，锆的掺杂浓度不超过50％；掺铝的浓度为4.5％-7.5％；掺硅的浓度为3.5％-4.5％；
该声表面波器件能够与存储组件进行集成；所述存储组件包括在所述衬底上依次层叠的第三底电极层、铁电薄膜和第三顶电极层；所述铁电薄膜为铪系铁电薄膜；该铪系铁电薄膜是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得；其中，锆的掺杂浓度不超过50％；掺铝的浓度为4.5％-7.5％；掺硅的浓度为3.5％-4.5％。
2.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述敏感薄膜采用石墨烯、高分子聚合物、碳纳米管、银纳米线、氧化锌纳米柱、氧化锌纳米颗粒或氧化锌纳米线制备。
3.根据权利要求1或2所述的声表面波器件，其特征在于，所述声表面波器件的类型包括单端口谐振、双端口谐振、延迟线。
4.一种基于铪系薄膜的薄膜体声波器件，其特征在于，包括一衬底，该衬底上设有谐振/滤波组件和传感组件中的任意一种或两种；所述谐振/滤波组件包括在所述衬底上依次层叠的第一底电极层、第一压电层和第一顶电极层；所述传感组件包括在所述衬底上依次层叠的第二底电极层、第二压电层、第二顶电极层和敏感薄膜；各所述压电层均为铪系铁电薄膜；
各所述铪系铁电薄膜均是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得；其中，锆的掺杂浓度不超过50％；掺铝的浓度为4.5％-7.5％；掺硅的浓度为3.5％-4.5％；
该薄膜体声波器件能够与存储组件进行集成；所述存储组件包括在所述衬底上依次层叠的第三底电极层、铁电薄膜和第三顶电极层；所述铁电薄膜为铪系铁电薄膜；该铪系铁电薄膜是通过掺杂有锆、铝或硅的铪系铁电薄膜，使用原子层沉积工艺制得；其中，锆的掺杂浓度不超过50％；掺铝的浓度为4.5％-7.5％；掺硅的浓度为3.5％-4.5％。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波器件，其特征在于，所述敏感薄膜采用石墨烯、高分子聚合物、碳纳米管、银纳米线、氧化锌纳米柱、氧化锌纳米颗粒或氧化锌纳米线制备。
6.根据权利要求4～5中任意一项所述的薄膜体声波器件，其特征在于，所述薄膜体声波器件的类型包括背刻蚀型、表面刻蚀空气隙型和固态装配型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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