阅读说明：本技术 单片集成射频器件、制备方法以及集成电路系统 (Monolithic integrated radio frequency device, preparation method and integrated circuit system ) 是由 李国强 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种单片集成的射频器件、制备方法以及集成电路系统,制备方法包括：在第一基板上生成外延层；将外延层加工为至少一个电子器件,并在电子器件远离第一基层的一侧形成具有至少一个通孔的钝化层；在第二基板上依次形成压电薄膜、金属电极以及布拉格反射层,并形成贯穿布拉格反射层的电极互连孔；将布拉格反射层与钝化层键合连接,去除第二基板,在压电薄膜上形成顶电极以及电极接触点,顶电极与电极接触点通过电极互连孔与电子器件连接。本发明能够将射频前端模块上不同类型的多个电子器件集成在同一个芯片中,避免了需要额外设计线路的问题,减少了电气连接损失,降低了装配复杂性,减少了射频前端模块的尺寸和成本。(The invention provides a monolithic integrated radio frequency device, a preparation method and an integrated circuit system, wherein the preparation method comprises the following steps: generating an epitaxial layer on a first substrate; processing the epitaxial layer into at least one electronic device, and forming a passivation layer with at least one through hole on one side of the electronic device far away from the first base layer; sequentially forming a piezoelectric film, a metal electrode and a Bragg reflection layer on a second substrate, and forming an electrode interconnection hole penetrating through the Bragg reflection layer; and bonding and connecting the Bragg reflection layer with the passivation layer, removing the second substrate, forming a top electrode and an electrode contact point on the piezoelectric film, and connecting the top electrode and the electrode contact point with the electronic device through the electrode interconnection hole. The invention can integrate a plurality of electronic devices of different types on the radio frequency front-end module in the same chip, thereby avoiding the problem of additional circuit design, reducing the electrical connection loss, reducing the assembly complexity and reducing the size and the cost of the radio frequency front-end module.)

单片集成射频器件、制备方法以及集成电路系统

技术领域

本发明涉及电子通讯装置技术领域，尤其涉及一种单片集成的射频器件、制备方法以及集成电路系统。

背景技术

无线通信终端已在全球成功广泛部署。全球每年会生产包括手机和智能手机在内的无线通信终端设备超过10亿台，而且数量还在逐年增加。随着4G/LTE 的应用普及，以及移动数据流量的激增，大数据时代也正在推动无线通信手机市场的增长，预计未来几年将达到每年20亿台。因此，为了应对这个巨大的市场和用户不断提高的要求，无线通讯终端的功能也变得越来越多功能化。

相应的，无线通讯终端的多功能化发展对无线通讯终端的射频前端模块提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。

为了满足这些技术要求，现有的射频前端模块采取的方式是将多个分立的芯片组装在单个层压板或PC板上，但是这种方式具有的缺点是需要额外设计线路以将不同芯片互联在一起，而通过线路连接不同的芯片会导致电气连接损失以及增加装配复杂性、增加了射频前端模块的尺寸和成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种单片集成的射频器件、制备方法以及集成电路，能够将射频前端模块上不同类型的多个电子器件集成在同一个芯片中，避免了需要额外设计线路的问题，减少了电气连接损失，降低了装配复杂性，减少了射频前端模块的尺寸和成本。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案为：一种单片集成的射频器件制备方法，所述射频器件用于射频前端模块，所述制备方法包括：S1：在第一基板上生成外延层，所述外延层包括依次叠置的第一缓冲层、第二单晶层以及第三单晶层；S2：将所述外延层加工为至少一个电子器件，并在所述电子器件远离所述第一基层的一侧形成具有至少一个通孔的钝化层，所述电子器件包括功率放大器、噪声放大器以及开关中的至少一种；S3：在第二基板上依次形成压电薄膜、金属电极以及布拉格反射层，并形成贯穿所述布拉格反射层的电极互连孔；S4：将所述布拉格反射层与所述钝化层键合连接，使所述电极互连孔和所述通孔电连接，并去除第二基板，在所述压电薄膜远离所述金属电极的一侧依次形成顶电极以及电极接触点，所述顶电极与所述电极接触点通过所述电极互连孔与所述电子器件连接。

进一步地，所述通孔的数量为三个，且所述通孔分别与所述电子器件的源极、漏极、栅极连接。

进一步地，所述电极互连孔的数量为三个，每个电极互连孔贯穿的对象不完全相同，并分别不同所述通孔相对并电连接。

进一步地，所述顶电极部分覆盖所述压电薄膜远离所述金属电极一侧，通过其中一个所述电极互连孔与所述栅极连接。

进一步地，所述电极接触点设置于所述压电薄膜远离所述金属电极一侧未设置所述顶电极的区域，包括第一电极接触点、第二电极接触点、第三电极接触点，其中，第一电极接触点、所述第三电极接触点通过所述电极互连孔分别与栅极、漏极连接，所述第二电极接触点与所述顶电极连接。

进一步地，所述金属电极部分覆盖所述压电薄膜，所述布拉格反射层覆盖所述金属电极以及所属压电薄膜设置金属电极一侧未被所述金属电极覆盖的部分。

进一步地，所述布拉格反射层包括交替叠置的第一材料层、第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的数量相同均为至少两层，且第一材料层与第二材料层的声阻抗不同。

进一步地，所述布拉格反射层远离所述压电薄膜层的一侧还设置有第一钝化层，所述第一钝化层设置于所述布拉格反射层的凹陷区域，通过所述第一钝化层平整所述布拉格反射层。

基于相同的发明构思，本发明还提出一种单片集成的射频器件，其中，所述射频器件通过如上所述的单片集成的射频器件制备方法得到。

基于相同的发明构思，本发明又提出一种集成电路系统，所述集成电路系统包括放大器、双工器、滤波器以及收发开关，所述双工器、滤波器与所述放大器、收发开关耦合连接，所述放大器包括功率放大器、低噪声放大器中的至少一个，所述放大器、双工器、滤波器以及收发开关中的至少两个设置在如上所述的单片集成的射频器件中。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明在第一基板上制备功率放大器、噪声放大器以及开关等电子器件，在第二基板上制备相应的滤波器，并将第二基板倒装键合在第一基板上，并将第一基板上的电子器件与第二基板上的滤波器键合连接，能够将射频前端模块上不同类型的多个电子器件集成在同一个芯片中，避免了需要额外设计线路的问题，减少了电气连接损失，降低了装配复杂性，减少了射频前端模块的尺寸和成本。

附图说明

图1为本发明单片集成的射频器件制备方法一实施例的流程图；

图2a为本发明单片集成的射频器件制备方法中单片集成的射频器件一实施例的剖面图；

图2b本发明单片集成的射频器件制备方法中单片集成的射频器件一实施例的俯视图；

图3为本发明单片集成的射频器件制备方法中在第一基板上生成外延层一实施例的结构图；

图4为本发明单片集成的射频器件制备方法中对外延层加工形成的电子器件一实施例的结构图；

图5为本发明单片集成的射频器件制备方法中在电子器件上形成钝化层一实施例的结构图；

图6为本发明单片集成的射频器件制备方法中在钝化层上形成通孔一实施例的结构图；

图7为本发明单片集成的射频器件制备方法中在第二基板上形成压电薄膜一实施例的结构图；

图8为本发明单片集成的射频器件制备方法中在压电薄膜上形成金属电极一实施例的结构图；

图9为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成电极互连孔一实施例的结构图；

图10为本发明单片集成的射频器件制备方法中将布拉格反射层与钝化层键合一实施例的结构图；

图11为本发明单片集成的射频器件制备方法中去除第二基板一实施例的结构图；

图12为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成顶电极一实施例的结构图；

图13为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成电极接触点一实施例的结构图；

图14为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成的射频器件一实施例的结构图；

图15为本发明集成电路系统一实施例的结构图。

图中：120、电子器件；110、滤波器；119、电极接触点；135、顶电极；112、压电薄膜；113、金属电极；114、第一材料层；116、第二材料层；115、第一电极互连孔；117、第二电极互连孔；118、第一钝化层；129、钝化层；124、第三单晶层；123、第二单晶层；122、第一缓冲层；130、通孔；121、第一基板； 111、第二基板；128、第一芯片切割道；131、第一金属层；125、源极；126、栅极；127、漏极；140、第二芯片切割道；141、LNA；142、PA；143、双工器、滤波器；144、TX/RX开关。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参阅图1-14，其中，图1为本发明单片集成的射频器件制备方法一实施例的流程图；图2a为本发明单片集成的射频器件制备方法中单片集成的射频器件一实施例的剖面图；图2b本发明单片集成的射频器件制备方法中单片集成的射频器件一实施例的俯视图；图3为本发明单片集成的射频器件制备方法中在第一基板上生成外延层一实施例的结构图；图4为本发明单片集成的射频器件制备方法中对外延层加工形成的电子器件一实施例的结构图；图5为本发明单片集成的射频器件制备方法中在电子器件上形成钝化层一实施例的结构图；图6 为本发明单片集成的射频器件制备方法中在钝化层上形成通孔一实施例的结构图；图7为本发明单片集成的射频器件制备方法中在第二基板上形成压电薄膜一实施例的结构图；图8为本发明单片集成的射频器件制备方法中在压电薄膜上形成金属电极一实施例的结构图；图9为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成电极互连孔一实施例的结构图；图10为本发明单片集成的射频器件制备方法中将布拉格反射层与钝化层键合一实施例的结构图；图11为本发明单片集成的射频器件制备方法中去除第二基板一实施例的结构图；图12为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成顶电极一实施例的结构图；图13为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成电极接触点一实施例的结构图；图14为本发明单片集成的射频器件制备方法中形成的射频器件一实施例的结构图。

本发明在说明书附图中为了作图简便，滤波器部分仅画出一个FBAR谐振器表示，放大器、开关等仅画了一个晶体管来表示，实际制备中可以由多个FBAR 谐振器构成滤波器，多个晶体管来构成放大器、开关等器件，都在本发明专利的保护范围之内，其中，附图中的虚线为被遮挡的结构。结合图1-14对本发明的单片集成的射频器件制备方法做详细说明。

在本实施例中，用于射频前端模块的电子器件120的单片集成包括至少一个滤波器110、至少一个电子器件120。电子器件120包括功率放大器、噪声放大器以及开关中的至少一种。滤波器110包括压电薄膜112、金属电极113、布拉格反射层、顶电极135以及电极接触点119。电极接触点119、顶电极135设置在滤波器110的一侧。电子器件120与滤波器110未设置顶电极135的一侧键合连接。金属电极113设置在压电薄膜112靠近电子器件120的一侧，布拉格反射层设置在金属电极113远离压电薄膜112的一侧。在压电薄膜112上设置有贯穿布拉格反射层的电极互连孔。滤波器110与电子器件120通过电极互连孔电连接连接。电子器件120包括按远离滤波器110的方向依次叠置的第三单晶层124、第二单晶层123、第一缓冲层122，第三单晶层124远离第二单晶层 123的一侧设置有钝化层129，钝化层129与布拉格反射层键合连接，钝化层129 上设置有至少一个电连接滤波器110与电子器件120的通孔130，电子器件120 通过对第三单晶层124、第二单晶层123、第一缓冲层122的加工形成。

在本实施例中，滤波器110包括单晶或多晶SMR谐振器器件、单晶或多晶滤波器器件的至少一种。

在本实施例中，电子器件120包括功率放大器、低噪声放大器、开关以及其他具有与类似结构的器件。

在本实施例中，本发明单片集成的射频器件制备方法包括如下步骤：

S1：在第一基板上生成外延层，外延层包括依次叠置的第一缓冲层、第二单晶层以及第三单晶层。

在本实施例中，第一基板121作为外延层的生长衬底，该第一基板121可以为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN 缓冲层基板中的至少一种，在其他实施例中，也可以为其他可用于作为外延层衬底的基板，在此不做限定。

覆盖第一基板121的第一缓冲层122可以由氮化铝构成，其厚度根据时间、成本取最优值，不做限定，任意厚度均在本发明的保护范围内。

在本实施例中，当形成的电子器件120为单晶体结构时，第一缓冲层122 可以为单晶AlN、SiC、AlxGa1-xN以及其他单晶半导体材料所制成的超晶格缓冲结构。

第二单晶层123与第三单晶层124为GaN，AlN，AlxGa1-xN中的两种或三种材料组成多层单晶结构，其中，AlxGa1-xN中0<x<1，第二单晶层123的厚度与第三单晶层124的厚度均在1纳米到1500纳米之间。

在一个具体的实施例中，第二单晶层123与第三单晶层124的厚度之和在100纳米至2000纳米之间。

S2：将外延层加工为至少一个电子器件，并在电子器件远离第一基层的一侧形成具有至少一个通孔的钝化层，电子器件包括功率放大器、噪声放大器以及开关中的至少一种。

对形成外延层的第一缓冲层122、第二单晶层123以及第三单晶层124进行芯片级加工形成至少一个电子器件120。附图以加工形成的电子器件120为晶体管为例进行说明，其中，晶体管的源极125、栅极126、漏极127依次设置在第三单晶层124上。

在本实施例中，第一基板121上可以形成多个电子器件120，每个电子器件 120之间设有第一芯片切割道128，通过第一芯片切割道128分隔电子器件120。第一基板121上形成的电子器件120可单独工作，也可以多个级联组成功率放大器、低噪声放大器、开关以及其他射频前端模块所需的器件。

钝化层129通过沉积的方式形成与电子器件120远离第一基板121的一侧，该钝化层129可以为AlN、GaN、SiO2等高介电常数的材料，厚度可以在2纳米到3微米之间。

钝化层129上的通孔130通过干法或湿法蚀刻形成，通孔130的孔径大小在在几十纳米到几十微米范围内，根据实际需求作调整，在此不做限定。

在本实施例中，通孔130内设置有第一金属层131，第一金属层131通过电镀或蒸镀形成，形成第一金属层131的金属可以为金、银、铝等导电性良好的金属，通过该第一金属层131将通孔130与电子器件120电连接形成电极上引通孔。

在一个具体的实施例中，形成的电子器件120为晶体管，通孔130的数量为3个，该晶体管的源极125、栅极126、漏极127分别与一个通孔130电连接。

S3：在第二基板上依次形成压电薄膜、金属电极以及布拉格反射层，并形成贯穿布拉格反射层的电极互连孔。

在本实施例中，第二基板111为硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板，氮化镓基板、氮化铝基板、AlxGa1-xN缓冲层基板中的至少一种，在其他实施例中，也可以为其他可用于作为压电薄膜112外延生长衬底的基板，在此不做限定。

压电薄膜112包括单晶AlN、溅射得到的多晶AlN、ZnO、PZT中的任一种，其厚度为0.01微米至10微米。

金属电极113通过电子束剥离法或磁控溅射法形成在压电薄膜112远离第二基板111的一侧，部分覆盖压电薄膜112，其中，金属电极113厚度在0.1纳米至500纳米之间，形成金属电极113的材料可以为钼、铝、钌、钨或钛材料及其组合。

在压电薄膜112上形成金属电极113后，再在金属电极113和压电薄膜112 上形成布拉格反射层，布拉格反射层覆盖金属电极113以及压电薄膜112设置金属电极113一侧未被金属电极113覆盖的部分布拉格反射层包括交替叠置的第一材料层114、第二材料层116，第一材料层114与第二材料层116的数量相同均为至少两层，且第一材料层114与第二材料层的声阻抗116不同。其中，第一材料层114与第二材料层116之间的声阻抗差异大，二者的声阻抗具体差值可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

布拉格反射层远离压电薄膜112的一侧还设置有第一钝化层118，第一钝化层118设置于布拉格反射层的凹陷区域，通过第一钝化层118平整布拉格反射层远离压电薄膜112的一侧，以便于与滤波器110与电子器件120键合连接。

在一个具体的实施例中，电极互连孔的数量为三个，每个电极互连孔贯穿的对象不完全相同，并分别不同的通孔130相对并电连接。其中，电极互连孔包括两个第一电极互连孔115、一个第二电极互连孔117，第一电极互连孔115 与第二电极互连孔117彼此间隔设置。第二电极互连孔117贯穿布拉格反射层与金属电极113电连接，靠近第二电极互连孔117的第一电极互连孔115贯穿布拉格反射层、金属电极113、压电薄膜112，另一个第一电极互连孔115贯穿布拉格反射层、第一钝化层118以及压电薄膜112。

该第二基板111上的滤波器110可以单独工作，也可以多个级联组成任意目前应用及未应用频段的滤波器110。

S4：将布拉格反射层与钝化层键合连接，使滤波器与电子器件通过电极互连孔和通孔电连接，并去除第二基板，在压电薄膜远离金属电极的一侧依次形成顶电极以及电极接触点，顶电极与电极接触点通过电极互连孔与电子器件连接。

将钝化层129与布拉格反射层以及第一钝化层118键合连接。其中，钝化层129与布拉格反射层键合的方式可以是本领域可以用到的所有键合方式，在此不做限定。

在本实施例中，去除第二基板111的方式可以为激光剥离法、机械减薄结合干法蚀刻以及湿法腐蚀中的任一种。

在本实施例中，顶电极135部分覆盖压电薄膜112远离第一基板121的一侧，制备顶电极135的方法包括电子束蒸发剥离法、磁控溅射金属电极层结合干法蚀刻以及湿法刻蚀中的任一种，顶电极135的厚度在10纳米到500纳米之间，电极接触点119设置在压电薄膜112未设置顶电极135的区域。

在本实施例中，顶电极135的材料类型可以为钼、铝、钌、钨或钛金属材料及其组合，也可以为石墨烯等导电材料。

在一个具体的实施例中，电极接触点119包括第一电极接触点、第二电极接触点、第三电极接触点，其中，第一电极接触点、所述第三电极接触点通过第一电极互连孔115分别与栅极126、漏极127连接，第二电极接触点与顶电极 135连接。

压电薄膜112、布拉格反射层、第一钝化层118、金属电极113、顶电极135 以及电极接触点119构成滤波器110。滤波器110与电子器件120通过通孔130 连接，形成单片集成的射频器件。

在本实施例中，形成的射频器件为薄膜体声波谐振器(FBAR)，薄膜体声波谐振器技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通信技术的快速发展而出现的一种性能更加优越的射频器件。它具有极高的品质因数Q值(1000 以上)和可集成于IC芯片上的优点，并能与互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，有效地避免了声表面波谐振器和介质谐振器无法与CMOS工艺兼容的缺点。

在本实施例中，同一块第一基板121上的单片集成装置之间通过第二芯片切割道140分隔开。

在一个具体的实施例中，第二基板111上的布拉格反射层与第一基板121 上的钝化层129键合在一起，去除第二基板111后，第一基板121上的晶体管的源极125与压电薄膜112上的金属电极113连接，晶体管的漏极127与压电薄膜112上的一个电极接触点119连接。

有益效果：本发明在第一基板上制备功率放大器、噪声放大器以及开关等电子器件，在第二基板上制备相应的滤波器，并将第二基板倒装键合在第一基板上，并将第一基板上的电子器件与第二基板上的滤波器键合连接，能够将射频前端模块上不同类型的多个电子器件集成在同一个芯片中，避免了需要额外设计线路的问题，减少了电气连接损失，降低了装配复杂性，减少了射频前端模块的尺寸和成本。

基于相同的发明构思，本发明还提出了一种单片集成的射频器件，其中，该单片集成的射频器件通过如上述实施例所述的单片集成的射频器件制备方法得到，在此不做赘述。

基于相同的发明构思，本发明还提出了一种集成电路系统，请参阅图15，图15是本发明集成电路系统一实施例的结构示意图，该集成电路系统包括放大器、双工器、滤波器以及收发开关，其中，在附图中将双工器、放在同一个方框中用标号143进行表示，收发开关用TX/RX开关144进行表示，放大器包括功率放大器、低噪声放大器中的至少一个，功率放大器用PA142进行表示，低噪声放大器用LNA141进行表示。

在本实施例中，双工器、滤波器与放大器、收发开关耦合连接，放大器、双工器、滤波器以及收发开关中的至少两个设置在如上所述的单片集成的射频器件上，在此不做详述。

在本实施例中，功率放大器的一端与收发器连接，另一端与双工器、滤波器连接，收发开关未与双工器、滤波器连接的另一端与天线连接。

在本实施例中，功率放大器的一端还与电源管理系统连接。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的可以是或者也可以不是物理上分开的，作为显示的部件可以是或者也可以不是物理，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施方式方案的目的。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。