JP6920358B2 - ＲＦフィルタ用途のためのエピタキシャルＡｌＮ／希土類酸化物構造 - Google Patents

Description

本願は、２０１６年６月１９日に出願された米国仮出願第６２／３５１，９９５号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮出願は、全体が参照により本明細書中に援用される。

モバイル通信ハンドセット用途向けに、適切な周波数選択を確実にするための無線周波数（ＲＦ）フィルタの著しい必要性が存在する。より迅速かつより高品質な無線サービスへの世界的な欲求が、急速に増加したため、現在の無線用途向けの周波数スペクトルが、非常に混雑しつつある。したがって、フィルタ要件は、これまで以上にさらに厳しくなりつつある。ある事例では、ＲＦフィルタは、直接隣接する周波数範囲を選択することが可能でなければならない。これは、フィルタ技術に対して著しい難題をもたらす。

弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタおよびバルク音響波（ＢＡＷ）フィルタの、２つの一般的なタイプのＲＦフィルタが、通常、使用されている。ＢＡＷフィルタには、典型的には、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）およびソリッドマウント共振器（ＳＭＲ）の２つのタイプが存在する。ＳＡＷおよびＢＡＷフィルタは両方とも、電気信号を所望される共振周波数の音波に変換する、結合電気機械共振器から成る。これらの共振周波数が、選定され、フィルタに所望される帯域周波数を与える。

ＲＦフィルタの応答振幅およびフィルタの選択性が、ＲＦフィルタ性能におけるキー因子である。ＲＦフィルタの共振周波数および共振応答は、圧電材料の質に依存するため、ＲＦフィルタを形成する層内に良好な結晶品質を有することが、デバイス性能のために不可欠である。

本明細書に説明されるシステムおよび方法は、ＲＦフィルタのための改良された性能を達成するエピタキシャル層を有する層構造を含む。ＲＦフィルタスタック内の圧電層は、結晶質かつエピタキシャルであり得、そのため、その厚さは、それが多結晶であった場合より精密に制御されることができる。

本システムおよび方法は、層構造であって、半導体層と、半導体層にわたる第１の希土類酸化物層であって、第１の希土類酸化物層は、第１の不連続部分と第２の不連続部分とを含む、層と、第１の希土類酸化物層にわたってエピタキシャルに成長した金属層であって、金属層は、第１の不連続部分の第１の領域および第２の不連続部分の第２の領域に重複する金属部分を含む、層と、金属層にわたってエピタキシャルに成長したＩＩＩ−Ｎ層であって、ＩＩＩ−Ｎ層は、結晶圧電層である、層とを含む、層構造を含んでもよい。

いくつかの実施例では、ＩＩ−Ｎ層および金属部分は、第１の不連続部分および第２の不連続部分にわたってブリッジを形成する。いくつかの実施形態では、半導体層およびＩＩＩ−Ｎ層は、ブランケット層である。いくつかの実施例では、第１の希土類酸化物層は、第３の不連続部分をさらに含み、付加的な層が、第１の希土類酸化物層の第３の不連続部分とＩＩＩ−Ｎ層との間に位置付けられる。いくつかの実施例では、金属層は、第３の不連続部分にわたって成長したいかなる金属をも含まない。いくつかの実施例では、付加的な層は、ブランケット層である。いくつかの実施形態では、付加的な層は、第２の希土類酸化物層を含む。いくつかの実施例では、付加的な層は、希土類窒化物、希土類珪化物、およびＩＩＩ−Ｏのうちの少なくとも１つを含み、付加的な層は、層構造の伝導性を改良する。

いくつかの実施例では、ＩＩＩ−Ｎ層の少なくとも一部は、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース（ＥＬＯＧ）法を使用して成長される。いくつかの実施例では、酸化硅素層は、半導体層と第１の希土類酸化物層との間に位置付けられてもよい。いくつかの実施例では、ＩＩＩ−Ｎ層は、ＡｌＮ、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのうちの１つ以上のものを含む。いくつかの実施例では、ＩＩＩ−Ｎ層は、ＡｌＮと希土類金属との合金を含む。いくつかの実施例では、付加的な希土類酸化物層は、ＩＩＩ−Ｎ層にわたってエピタキシャルに成長する。いくつかの実施例では、ＳｃＮの層は、ＩＩＩ−Ｎ層にわたって成長する。いくつかの実施例では、ＩＩＩ−Ｖ層は、ＳｃＮ層にわたって存在する。

本開示の上記および他の特徴は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮することによって、より明白となるであろう。

図１は、従来技術によるＦＢＡＲ技術の概略図である。

図２は、従来技術による、テンプレート上のＡＩＮのスパッタ成長の略図を描写する。

図３は、従来技術による、テンプレート上のＡＩＮのスパッタ成長の略図を描写する。

図４は、従来技術による、テンプレート上のＡＩＮのスパッタ成長の略図を描写する。

図５は、例証的実施形態による、テンプレート上のＡＩＮのスパッタ成長の略図を描写する。

図６は、例証的実施形態による、基板上のｃＲＥＯ島の概略図を描写する。

図７は、例証的実施形態による、ｃＲＥＯの島を伴う基板の上面図を描写する。

図８は、例証的実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる、金属堆積の略図を描写する。

図９は、例証的実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる、金属堆積および希土類窒化物堆積の略図を描写する。

図１０は、例証的実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる金属堆積にわたる、ＩＩＩ−Ｎ層の略図を描写する。

図１１は、例証的実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる金属堆積にわたるＩＩＩ−Ｎ層にわたる、付加的な層の略図を描写する。

図１２は、例証的実施形態による、基部シリコン基板にわたる、酸化硅素の付加的な層の略図の描写である。

図１３は、例証的実施形態による、２つのｃＲＥＯ層の間に挟み込まれる、酸化硅素の層の略図の描写である。

図１４は、例証的実施形態による、シリコン基板にわたって成長したｃＲＥＯ島にわたる、シリコーンの付加的な層の略図を描写する。

図１５は、例証的実施形態による、図１０に示される層構造を成長させるための方法のフローチャートを描写する。

以下の説明では、説明の目的のために多数の詳細が述べられる。しかしながら、当業者は、本明細書に説明される実施形態が、これらの具体的な詳細点を使用することなく実践され得ることを理解するであろう。他の事例では、説明が不要な詳細を伴って不明瞭にならないであろうように、周知の構造およびデバイスが、ブロック図の形態で示される。

本明細書に説明されるシステム、デバイス、および方法は、とりわけ、ＲＦフィルタのために改良される性能を達成するエピタキシャル層を有する層構造を含む。ＲＦフィルタスタック内の圧電層は、結晶質かつエピタキシャルであり得、そのため、その厚さは、それが多結晶であった場合より精密に制御されることができる。特に、層厚が減少するにつれて、エピタキシは、他の堆積方法と比較して改良される層厚制御をもたらす。ＲＦフィルタは、品質因子（Ｑ）または実効結合係数（Ｋ^２）等の、ある性能指数（ＦＯＭ）を使用して評価されることができる。高品質界面は、ＲＦフィルタに関して高いＱ値をもたらすことができる。Ｑは、物質の機械的損失の測定値であり、フィルタ挿入損失に直接的に関連する。Ｋ^２は、圧電結合の有効性の測定値であり、フィルタ帯域幅の決定において重要である。高Ｑ値である界面の特性は、低欠陥レベル、鮮明な遷移、および低粗度を含む。本明細書に説明される圧電層は、エピタキシャルかつ結晶質であるため、バルク圧電材料の品質もまた、より高い。Ｑは、圧電材料の同一性および品質、および圧電媒体と基板との間の絶縁の有効性の関数である。加えて、ＲＦフィルタスタックおよび接触層を結晶質にすることは、それらが上層のデバイス内で使用され得るＩＩＩ−窒化層等の付加的な層の後続のエピタキシャル成長のためのテンプレートとして使用されることを可能にする。

現在のＲＦフィルタ生成のための最も普及している技術は、ＩＩＩ−Ｎ圧電フィルタ媒体を組み込むＦＢＡＲフィルタであり、その中でも、金属フィルム上に堆積されたスパッタＡＩＮフィルムが、最も一般的である。金属フィルムは、別個のプロセスにおいて、シリコン基板上に堆積される。ＦＢＡＲ ＲＦフィルタ構造のキー部分は、図１に示されるように、ＡＩＮ金属が、空気によって両側に境界される膜領域の最終製造である。本開示は、現在の技術に対する、優れた層厚制御、優れた界面品質、優れたバルクＡＩＮ品質、低減された接触損失、および増加された統合の可能性を含む複数の利点を提案する。

図１は、従来技術による、ＲＦフィルタのための層を含む層構造１００を描写する。層構造１００は、基板１０２と、基板１０２にわたる金属層１０６と、金属層１０６にわたるエピタキシャル圧電層１０８とを含む。層構造１００は、エアギャップ１０４を含む。エアギャップ１０４の１つの機能は、ＦＢＡＲ内の遮音を増大させることである。

エピタキシャル圧電層１０８は、ＩＩＩ−Ｎ材料がＡｌ、Ｉｎ、Ｇａ、またはこれらの要素の任意の組み合わせの合金を含む、圧電応答を示す任意のＩＩＩ−Ｎ材料であってもよい。いくつかの実施形態では、圧電層は、希土類元素（ＲＥ）が、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）、およびイットリウム（Ｙ）を含む、ドープＩＩＩ−Ｎ合金またはＲＥ−ＩＩＩ−Ｎ合金（ＩＩＩ_ｘＲＥ_１−ｘＮ）を含んでもよい。基板１０２は、単結晶、多孔性物質、または多孔性物質と結晶質との組み合わせのうちの任意のものであってもよく、かつドープ物質または非ドープ物質、および＜１１１＞、＜１１０＞、または＜１００＞を含む任意の結晶配列を有し、軸ありまたはなしのいずれか一方であり得る。本明細書に開示される基板の任意のものは、ＳＯＩタイプ基板であり得る。エピタキシャル圧電層１０８の厚さは、周波数と層を通した音の速度と厚さとの間の関係を定義する、下記の等式１に基づいて選択されることができる。
ｆ_ｒ＝ｖ_ｓ／（２×ｔ_ｆ） ［１］
式中、ｆ_ｒは、周波数であり、ｖ_ｓは、圧電層を通した音の速度であり、ｔ_ｆは、圧電層厚である。

周波数ｆ_ｒは、約２．４ＧＨｚ、約２．３〜２．７ＧＨｚ、約２〜３ＧＨｚ、約１〜４ＧＨｚ、１〜２８ＧＨｚであり得る。厚さは、約１μｍ、約０．５〜１．５μｍ、約１〜１０μｍであり得る。いくつかの実施形態では、圧電層厚は、最高２８ＧＨｚの周波数に対応し得る。

エピタキシャル圧電層１０８は、結晶質かつエピタキシャルであるため、その厚さは、それが多結晶であった場合より精密に制御されることができる。特に、層厚が減少するにつれて、エピタキシは、他の堆積方法と比較して改良される層厚制御をもたらす。

エピタキシャル圧電層１０８は、隣接層を伴う、圧電層が多結晶であった場合より高い品質の界面を有する。高品質界面は、ＲＦフィルタに関して高いＱ値をもたらすことができる。高品質界面の特性は、低欠陥レベル、鮮明な遷移、および低粗度を含む。

圧電層１０８は、エピタキシャルかつ結晶質であるため、バルク圧電材料の品質もまた、より高い。これは、ＲＦフィルタの改良された性能をもたらす、増加されたＱ値およびＫ^２値をもたらす。

図２−４は、それにわたってＡＩＮがスパッタ堆積を使用して成長されるテンプレートが、従来技術において説明されるように変更される過程の、ＡＩＮの柱状寸法の変化を描写する。

図２は、テンプレート２０２上のＡＩＮ２０４の成長の略図２００を描写する。いくつかの実施形態では、テンプレート２０２は、シリコンと、本明細書に説明されるような金属とを含む。テンプレート２０２にわたるＡｌＮ２０４の成長のためのスパッタ堆積の使用は、テンプレート２０２にわたる単結晶ＡＩＮの個々の柱状物２０６をもたらす。

図３は、ｃＲＥＯ３０２にわたるＡＩＮ３０４の成長を図示する略図３００を描写する。用語「ｃＲＥＯ」は、結晶性希土類酸化物および結晶性希土類酸窒化物を表すために使用される。テンプレート２０２からｃＲＥＯ３０２への変化は、図２内の同一のスパッタ堆積方法を使用してｃＲＥＯ３０２にわたって成長されたＡＩＮ３０４内に産出される柱状寸法３０６の増大を示す。

図４は、ｃＲＥＯ上に堆積された単結晶ＡＩＮ４０４の薄い層が新たなテンプレートを形成するように図示する略図４００を描写する。付加的なＡｌＮが、次いで、ＡＩＮ４０４にわたって任意の時間に（堆積チャンバからの除去後、チャンバ以外の場所で）堆積される。新たなテンプレートにわたって成長したＡｌＮの柱状寸法４０８は、図２および図３と比較すると、さらにもっと増大される。

図２−４に説明される、テンプレートにわたってＡＩＮ層を生成させるためのスパッタ堆積の使用は、Ｓｉ基板上に実質的に厚いエピタキシャル連続バルクＡＩＮ層を堆積せず、ウエハの重度の撓み／歪、およびＡＩＮの厚い層内の歪み緩和に起因する後続の亀裂を作成する。これらの欠陥は、ＳＥＭＩ規格の基板上にエピタキシャルに堆積されるＡｌＮの利点を開発するための実践的かつ現実的道筋を提供する、本開示によって排除される。さらに、本開示は、現在の技術と比較して、優れた層厚制御、優れた界面品質、優れたバルクＡＩＮ品質、低減された接触損失、および増加された統合の可能性を含む複数の利点を提案する。

図５は、例証的な実施形態による、テンプレートにわたるＡｌＮの連続バルク結晶層を図示する略図５００を描写する。略図５００は、ｃＲＥＯ５０２上に成長した単結晶ＡＩＮ５０４の層がテンプレートを形成するように描写する。略図５００は、成長した／堆積された厚さ（すなわち、単結晶ＡＩＮの層上に位置付けられるＡＩＮの部分）内の材料物性のいくつかの変化によって特徴付けられる付加的なＡｌＮ層５０６を描写する。いくつかの実施形態では、テンプレートは、単結晶核生成領域と、バルクＡｌＮ領域とを含む。したがって、ｃＲＥＯ／単結晶ＩＩＩ−Ｎ層は、ＲＦフィルタ内で使用するために実質的に厚いＩＩＩ−Ｎ材料の層の付加的な成長／堆積のためのテンプレートを形成する。層５０４および５０６は、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、または希土類材料等の、同一または異なる材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、層５０４の材料は、層５０６の材料とは異なってもよい。層５０４の材料の測定半値全幅（ＦＷＨＭ）は、Ｘ線によって測定されたとき、層５０６の材料の測定ＦＷＨＭと比較して狭小なＦＷＨＭを有するであろう。

図６は、例証的な実施形態による、基板６０２にわたって成長したｃＲＥＯ島の概略図を描写する。略図６００の左図は、ｃＲＥＯの非連続部分の成長のための所望される間隙６０６を画定するための、基板６０２の表面上のマスキング材料部分６０４ａおよび６０４ｂを描写する。本開示の目的のために、ｃＲＥＯの不連続部分または不連続領域はまた、ｃＲＥＯ島と称され得る。略図６００の中央図では、ｃＲＥＯの層が、間隙６０６内に成長し、マスキング材料部分６０４ａおよび６０４ｂが、間隙６１０によって分離された、ｃＲＥＯ島６０８ａ、６０８ｂ、および６０８ｃを残して除去される。いくつかの実施形態では、マスキング材料は、ｃＲＥＯ島を成長させるためにデバイスの要件によって要求されるような具体的な様式で配列されてもよい。略図６００の右図では、導電層６１２ａ、６１２ｂ、および６１２ｃは、ｃＲＥＯ島にわたって成長し、ｃＲＥＯ島がない場所（例えば、間隙６１０の中）では成長しない。いくつかの実施形態では、導電層は、Ｉｎ_２Ｏ_３のようなＩＩＩ−Ｏ材料、希土類窒化物、または希土類珪化物を含む。これは、２０１７年３月１６日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／２２８２１号、および２０１６年９月２２日に出願された米国仮特許出願第６２，３９８，４１６号（参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）内に説明される。いくつかの実施形態では、基板６０２は、上記に説明されたようなシリコンである。

図７は、例証的な実施形態による、ｃＲＥＯの島を伴う基板の上面概略図を描写する。略図７００は、基板７０２にわたるｃＲＥＯの島（例えば、ｃＲＥＯ島７０４ａ、７０４ｂ、および７０４ｃ、概して、ｃＲＥＯ島７０４）を示す。ｃＲＥＯ島７０４の成長は、図６に関連してより詳細に説明される。図７では、いくつかは相互に異なるサイズを伴う、１２個のｃＲＥＯ島７０４が、描写される。概して、種々のｃＲＥＯ島７０４の寸法は、相互に異なる、または相互と同一であってもよい。図７に示されるように、種々のｃＲＥＯの島７０４ａ、７０４ｂ、および７０４ｃの寸法は、異なるが、ｃＲＥＯの島７０４は、本開示の範囲から逸脱することなく、同一または同様の形状およびサイズ、または異なる形状およびサイズを有してもよいことが、理解されるであろう。いくつかの実施形態では、ｃＲＥＯ島７０４の異なる形状またはｃＲＥＯ島７０４の間で異なる間隙を有することは、精密なデバイス要件に応じて望ましくあり得る。いくつかの実施形態では、基板のみにわたるｃＲＥＯ島の層は、材料の分離された不連続部分を含む他の層の下方の１つの層を表す。概して、他の層はｃＲＥＯ島の上方の構造内に含まれてもよい。そのような場合では、ｃＲＥＯ島の層の上方の層は、他所ではなくｃＲＥＯ島自体の上面上に堆積される材料の不連続部分のみを含んでもよい。ｃＲＥＯ島の上面上に堆積される材料の不連続部分は、同一または異なる材料が構造の上面に存在し得る、異なるｃＲＥＯ島を横断して同一または異なってもよい。いくつかの実施形態では、ｃＲＥＯ島の層の上方の層は、異なるｃＲＥＯ島を接続するブリッジを形成する。

図８は、例証的な実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる金属堆積の略図を描写する。略図８００は、４つのｃＲＥＯ島８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ、および８０８ｄを伴う基板８０２を描写する。金属層８１０ａは、金属層が不連続なｃＲＥＯ島（８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ、および８０８ｄ）の部分に重複するように、ｃＲＥＯ島にわたって堆積される。金属部分８１０ａが、図８内に、４つの異なるｃＲＥＯ島にわたる重複部として描写されるが、概して、任意の好適な数のｃＲＥＯ島にわたって重複してもよい。図８の左側の概略図に描写されるように、金属層８１０ａは、寸法「ｐ」と、「ｑ」とを有する。寸法「ｐ」は、金属層８１０ａとｃＲＥＯ島８０８ｃの寸法（例えば、図８の左側の概略図内の垂直寸法）との間の重複部の量（物理的寸法、割合、または分数でもよい）を表す。同様に、寸法「ｑ」は、金属層８１０ａとｃＲＥＯ島８０８ｄの寸法（例えば、図８の左側の概略図内の水平寸法）との間の重複部の量（物理的寸法、割合、または分数でもよい）を表す。いくつかの実施形態では、ｃＲＥＯ島は、１つを上回る金属層の重複堆積部を有してもよい。図８に示されるように、ｃＲＥＯ島８０８ｄは、金属層８１０ａおよび８１０ｂの重複堆積部を有する。金属層８１０ａおよび８１０ｂは、異なる割合のｃＲＥＯ島８０８ｄとの重複を有してもよい。いくつかの実施形態では、金属層８１０ａおよび８１０ｂの堆積に関する「ｐ」値および「ｑ」値は、金属層８１０ａおよび８１０ｂにわたって堆積されるＩＩＩ−Ｎ層のエピ部を支持するために十分なエピタキシャル材料の表面面積が存在するかどうかに依存する。いくつかの実施形態では、「ｐ」値および「ｑ」値は、その機械的特性に基づいて金属を支持するための十分な金属層重複を示すべきである。

図９は、例証的な実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる、金属堆積および希土類窒化物堆積の略図を描写する。図９は、ｃＲＥＯ島８０８ｆにわたる希土類窒化物層９１２をも描写することを除いては、図８と同様である。いくつかの実施形態では、種々の合金の層が、複数のエピタキシ系回路要素を統合するための可能性を伴う基板を横断した、不連続フィルタ要素の開発を可能にする、ｃＲＥＯ島にわたって成長し得る。いくつかの実施形態では、希土類窒化物層は、導電性であってもよい。

いくつかの実施形態では、図８に示されるような上層の金属テンプレート８１０ａおよび８１０ｂを伴うｃＲＥＯ島は、付加的なエピタキシャル処理のための開始テンプレートである。使用されるべきタイプのエピタキシは、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース（ＥＬＯＧ）法を含んでもよい。ＥＬＯＧのキー側面は、暴露されるｃＲＥＯ表面が、次の材料が成長する核生成部位を提供することである。いくつかの実施形態では、ＥＬＯＧは、その後ＡＩＮの成長が続く、ｃＲＥＯ島の暴露部分上の付加的なｃＲＥＯ層の成長に適用される。いくつかの実施形態では、成長した付加的なｃＲＥＯ層は、ｃＲＥＯ島８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ、８０８ｄ、および８０８ｅとは異なる。いくつかの実施形態では、ＥＬＯＧプロセスは、希土類窒化物、希土類珪化物、ＩＩＩ酸化物、またはその任意の好適な組み合わせ等の、その導電特性のために選定される第２の層の成長に適用される。

図１０は、例証的な実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる金属堆積にわたる、ＩＩＩ−Ｎ層の略図を描写する。図８の構造（図１０に構造１０１０として複製される）に始まって、ｃＲＥＯ島１００４ａ、１００４ｂ、および１００４ｃ（概して、ｃＲＥＯ島１００４）は、基板１００２にわたって成長し、金属部分１００６ａおよび１００６ｂ（概して、金属部分１００６）は、ｃＲＥＯ島１００４の間にブリッジを形成する。エアギャップ１００８ａおよび１００８ｂ（概して、エアギャップ１００８）は、層構造１０１０内の遮音を増大させる。構造１０２０では、ＩＩＩ−Ｎ材料１０２２ａ、１０２２ｂ、および１０２２ｃ（概して、ＩＩＩ−Ｎ材料１０２２）は、ＥＬＯＧ優先成長条件を使用して、ｃＲＥＯ島１００４の暴露表面上に直接的に堆積される。ＩＩＩ−Ｎ材料１０２２は、成長するにつれて、ｃＲＥＯ島１００４上方の別個の部分内に最初に優先的に堆積される。付加的なＩＩＩ−Ｎ材料１０２２が成長するにつれて、ＩＩＩ−Ｎ材料１０２２ａおよび１０２２ｂは、金属層１００６ａにわたって延在し、ｃＲＥＯ島１００４ａおよび１００４ｂにわたってＩＩＩ−Ｎ材料の単一の合体層を継合かつ形成する。同様に、ＩＩＩ−Ｎ材料１０２２ｂおよび１０２２ｃは、金属層１００６ｂにわたって延在し、ｃＲＥＯ島１００４ｂおよび１００４ｃにわたってＩＩＩ−Ｎ材料の単一の合体層を継合かつ形成する。層構造１０３０は、ＥＬＯＧ優先成長条件を使用して、基板１００２にわたって成長したｃＲＥＯ島１００４ａ、１００４ｂ、および１００４ｃにわたって堆積される金属堆積１００６ａおよび１００６ｂにわたって成長する、ＩＩＩ−Ｎ材料１０３２を描写する。いくつかの実施形態では、基板１００２は、シリコンであってもよい。

いくつかの実施形態では、ＡＩＮ等のＩＩＩ−Ｎ材料の圧電特性は、ＩＩＩ−Ｎ材料のフィルム内の２軸応力によって影響を受ける。図１０の層１０３２の成長温度において組み込まれる応力は、図１０の層構造１０３２内の材料の熱的膨張の係数の差異に起因する最終応力に影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態では、この応力は、ＩＩＩ−Ｎ層にわたる１つ以上の異なる層を成長させることによって均衡される。いくつかの実施形態では、１つ以上の異なる層が、ＩＩＩ−Ｎ層にわたって成長し、シリコン基板上に改良されたＩＩＩ−Ｎ材料を作成する。ＩＩＩ−Ｎ層にわたって成長し得る異なる層が、図１１により詳細に説明される。説明された、ＩＩＩ−Ｎ層を成長させる方法、デバイス、およびプロセスを通して達成される、優れた層厚制御、界面品質、およびバルク品質は、ＩＩＩ−Ｎ層にわたって異なる化合物を成長させることによって、設けられ得る。

図１１は、例証的実施形態による、基板にわたって成長したｃＲＥＯの島にわたる金属堆積にわたるＩＩＩ−Ｎ層にわたる、付加的な層の略図を描写する。略図１１００は、それにわたってｃＲＥＯ島１１０４ａ、１００４ｂ、および１１０４ｃ（概して、ｃＲＥＯ島１１０４）が成長する基板１０２を含む。金属層１１０８ａおよび１１０８ｂ（概して、金属層１１０８）は、金属層１１０８がｃＲＥＯ島１１０４を接続するブリッジを形成するように、ｃＲＥＯ島１１０４にわたって堆積される。付加的な層１１０６は、図１０に関して説明されるようなＥＬＯＧプロセスを使用して、ｃＲＥＯ島１１０４にわたって成長される。いくつかの実施形態では、付加的な層１１０６は、希土類窒化物、希土類珪化物、またはＩＩＩ酸化物等の、その導電特性のために選定される。ＩＩＩ−Ｎ層１１１０は、付加的な層１１０６にわたって成長し、層１１１２は、ＩＩＩ−Ｎ層にわたって成長する。いくつかの実施形態では、層１１１２は、不連続なエピ層である。いくつかの実施形態では、不連続な合金、または圧電要素を形成するために使用されるＩＩＩ−Ｎ層１１１０のバルク内のドープＩＩＩ−Ｎの領域の包含は、ＩＩＩ−Ｎ層が、スイッチ、増幅器、光検出器、および放射体等の他のデバイスの必要性に好適であるＩＩＩ−Ｎ層１１１０にわたる成長層１１１２のための基礎になることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、不連続なエピ層１１１２は、単斜晶Ｇｄ_２Ｏ_３またはＳｃＮ等の材料を含む。いくつかの実施形態では、ＳｃＮは、導電性を改良するために、ＩＩＩ−Ｎ層にわたるＩＩＩ−Ｎ層とＩＩＩ−Ｖ層との間の格子定数に橋架するために使用される。ＩＩＩ−Ｎ層とＩＩＩ−Ｖ層との間の緩衝層としてのＳｃＮの使用は、２０１６年６月２日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３５７９４号（参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）内に詳細に説明される。

図１２−１４は、それにわたって図１０の層構造１０３０が成長し得る基板の変型例の略図を描写する。

図１２は、例証的実施形態による、基部シリコン基板にわたる、酸化硅素の付加的な層の略図を描写する。スタック１２１０は、シリコン基板１２０２と、ｃＲＥＯ層１２０６ａと、シリコン基板１２０２とｃＲＥＯ層１２０６ａとの間に位置付けられる酸化硅素層１２０４ａとを含む。図１２の右図は、スタック１２１０の３つの実装（３つのｃＲＥＯ島１２０６ａ、１２０６ｂ、および１２０６ｃ、およびそれらが、それぞれ、対応する酸化硅素層１２０４ａ、１２０４ｂ、および１２０４ｃによって表される）を描写する。概して、任意の数のｃＲＥＯ島が、使用されてもよい。ＩＩＩ−Ｎ層１２０８は、ｃＲＥＯ島１２０６に橋架する金属堆積層部分１２１２ａおよび１２１２ｂにわたって成長する。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ−Ｎ層１２０８は、図１０に関連して説明されるＥＬＯＧを使用して成長される。いくつかの実施形態では、付加的な酸化硅素層は、ＥＬＯＧプロセスを支持するｃＲＥＯ層１２０６の結晶構造を損なうことなく、付加的応力緩和をスタック１２１０に提供してもよい。いくつかの実施形態では、酸化硅素は、フィルタ下のＲＦスイッチのためのイネーブラである。

図１３は、例証的実施形態による、２つのｃＲＥＯ層の間に挟み込まれる、酸化硅素の層の略図を描写する。スタック１３１０は、シリコン基板１３０２と、第１のｃＲＥＯ層１３０４ａと、酸化硅素層１３０６ａと、第２のｃＲＥＯ層１３０８ａとを含む。いくつかの実施形態では、第１のｃＲＥＯ層１３０４ａおよび第２のｃＲＥＯ層１３０８ａは、同一の材料から構成されてもよい。図１３の右図は、スタック１３１０の３つの実装（３つのｃＲＥＯ島１３０４ａ、１３０４ｂ、および１３０４ｃ、およびそれらが、それぞれ、対応する酸化硅素層１３０６ａ、１３０６ｂ、および１３０６ｃによって表される）を描写する。概して、任意の数のｃＲＥＯ島が、使用されてもよい。ＩＩＩ−Ｎ層１３１４は、ｃＲＥＯ島１３０４に橋架する金属堆積層部分１３１２ａおよび１３１２ｂにわたって成長する。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ−Ｎ層１２０８は、図１０に関連して説明されるＥＬＯＧを使用して成長される。

図１４は、例証的実施形態による、シリコン基板にわたって成長したｃＲＥＯ島にわたる、シリコンの付加的な層の略図を描写する。スタック１４１０は、シリコン基板１４０２と、ｃＲＥＯ層１４０４ａと、シリコン層１４０６とを含む。第２のシリコン層１４０６の存在は、層構造に付加的な機能性および統合を提供する。図１４の中央図は、スタック１４１０の３つの実装（３つのｃＲＥＯ島１４０４ａ、１４０４ｂ、および１４０４ｃ、およびそれらが、それぞれ、対応するシリコン層１４０６によって表される）を描写する。概して、任意の数のｃＲＥＯ島が、使用されてもよい。シリコン層１４０６は、金属層１４０８ａおよび１４０８ｂにわたって合体される。図１４の右図は、ｃＲＥＯ島１４０４ａ、１４０４ｂ、および１４０４ｃにわたる合体シリコン層１４０６を描写する。ＩＩＩ−Ｎ層１４１２は、ｃＲＥＯ島１２０６に橋架する合体シリコン層１４０６にわたって成長する。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ−Ｎ層１４１２は、図１０に関連して説明されるＥＬＯＧを使用して成長される。いくつかの実施形態では、層１４１２は、不連続なエピ層であってもよい。いくつかの実施形態では、不連続なエピ層１４１２は、層にわたって成長し他のデバイスを作成する他の層のための基礎を作成し得る、単斜晶Ｇｄ_２Ｏ_３またはＳｃＮ等の材料を含んでもよい。例えば、同時係属中の２０１６年１１月２日に出願された米国特許出願第１５／３４２，０４５号（参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。いくつかの実施形態では、シリコン層１４０６は、その上にＥＬＯＧプロセスが開始される、より良好な表面を提供してもよい。いくつかの実施形態では、シリコン層１４０６は、ｃＲＥＯ島のサブセット（例えば、ｃＲＥＯ島１４０４ａ）のみにわたって成長してもよい。そのような実施形態では、シリコンにわたるＩＩＩ−Ｎ層１４１２の成長は、ＨＥＭＴタイプ構造であってもよい。いくつかの実施形態では、シリコン層１４０６は、フィルタ下のＲＦスイッチのためのイネーブラであってもよい。

図１５は、例証的実施形態による、層構造１０３０を成長させるプロセス１５００のフローチャートである。プロセスは、半導体層１００２が提供されるとき、１５０２において開始する。１５０４において、プロセスは、第１の希土類酸化物層１００４を成長させるために開始し、第１の希土類酸化物層は、第１の不連続部分１００４ａと、第２の不連続部分１００４ｂとを含む。１５０６において、プロセスは、金属層１００６をエピタキシャルに成長させ、金属層は、第１の不連続部分１００４ａの第１の領域および第２の不連続部分１００４ｂの第２の領域に重複する金属部分１００６ａを含む。１５０８において、プロセスは、ＩＩＩ−Ｎ層１０３２をエピタキシャルに成長させ、ＩＩＩ−Ｎ層は、圧電層である。

１５０２において、半導体層１００２が、提供される。半導体１００２層は、それにわたって希土類酸化物層１００４が成長するシリコン基板であってもよい。

１５０４において、希土類酸化物層１００４は、第１の半導体層１００２わたってエピタキシャルに成長し、第１の希土類酸化物層１００４は、第１の不連続部分１００４ａと、第２の不連続部分１００４ｂとを含む。希土類酸化物層１００４内で不連続部分１００４ａおよび１００４ｂを成長させるプロセスが、図６に詳細に説明される。

１５０６において、金属層１００６は、希土類酸化物層１００４にわたってエピタキシャルに成長し、金属層１００６は、第１の不連続部分１００４ａの第１の領域１００４ａおよび第２の不連続部分１００４ｂの第２の領域に重複する金属部分１００６ａを含む。いくつかの実施形態では、第１の不連続部分１００４ａおよび１００４ｂの橋架は、チャンバ以外の場所で行われ、フォトレジストを用いるリソグラフィのような標準的な堆積技術を使用し、金属が堆積される間に最初に間隙を充填する可能性が非常に高いであろう。

１５０８において、ＩＩＩ−Ｎ層１０３２は、金属層１００６にわたってエピタキシャルに成長し、ＩＩＩ−Ｎ１０３２層は、電圧層である。ＩＩＩ−Ｎ層１０３２の成長が、図１０に詳細に説明される。

ランタニド系列は、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）等の金属を含む。本開示全体を通して、用語「希土類元素」または「希土類金属」は、スカンジウムおよびイットリウムおよび全てのランタニドを含むことを理解されたい。

本明細書に説明される成長および／または堆積は、化学蒸着（ＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）、および／または物理蒸着（ＰＶＤ）のうちの１つ以上のものを使用して実施されることができる。

ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）材料は、窒素と、１つ以上の第ＩＩＩ族元素とを含む半導性の材料である。ＩＩＩ族窒化物材料を形成するために使用される一般的な第ＩＩＩ族元素は、アルミニウムと、ガリウムと、インジウムとを含む。ＩＩＩ族窒化物材料は、大きい直接バンドギャップを有し、それ自体を高電圧デバイス、無線周波数デバイス、および光学デバイス向けに有用にしている。さらに、複数の第ＩＩＩ族元素は、変動組成内の単一のＩＩＩ族窒化物フィルム内に組み合わせられることができるため、ＩＩＩ族窒化物フィルムの物性は、非常に調整可能である。

いくつかの実施形態では、本明細書に説明される層構造内で使用されるＩＩＩ−ＶおよびＩＩＩ族窒化物材料は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使用して成長される。ＭＯＣＶＤでは、１つ以上の第ＩＩＩ族前駆体が、第Ｖ族前駆体と反応し、基板上にＩＩＩ族窒化物フィルムを堆積させる。いくつかの第ＩＩＩ族前駆体は、ガリウム源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、アルミニウム源としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、インジウム源としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを含む。アンモニアは、窒素源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。ターシャリーブチルアルシンおよびアルシンは、砒素源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。ターシャリーブチルホスフィンおよびホスフィンは、亜燐酸源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。

いくつかの実施形態では、本明細書に説明される層構造内で使用されるＩＩＩ−ＶおよびＩＩＩ族窒化物材料は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用して成長される。ＭＢＥは、高真空または超高真空内で生じる、単一結晶の薄膜蒸着のためのエピタキシ方法である。ＭＢＥでは、ガス状の原子または分子の精密なビームが、加熱された基板において発射される。分子は、基板表面に到達すると、緩徐かつ体系的に濃縮し、超薄層に堆積する。

本明細書に説明されるように、層は、表面を被覆する略一様な厚さの材料を意味する。層は、連続的または不連続的（すなわち、材料の領域の間に間隙を有する）のいずれか一方であり得る。例えば、層は、表面を完全に被覆する、または集合的に層（すなわち、選択領域エピキタシを使用して形成される領域）を画定する、不連続領域、不連続部分に分割されることができる。層はまた、規定領域にわたるブランケット層であってもよい。層構造は、層のセットを意味し、独立型構造またはより大きな構造の部分であり得る。

「〜上に配置される」とは、下層の材料または層の「上に存在する」ことを意味する。この層は、好適な表面を確実にするために必要である、転位層等の中間層を含んでもよい。例えば、材料が「基板上に配置される」ように説明される場合、これは、（１）材料は、基板と直接接触している、または（２）材料は、基板上に存在する１つ以上の転位層と接触しているのいずれか一方を意味し得る。

単結晶は、略１つのタイプの単位胞のみを含む結晶構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、積層欠陥、断層、または他の一般的に発生する結晶欠陥等のいくつかの結晶欠陥を示し得る。

単一ドメイン（すなわち、単結晶）は、実質的に単位胞の１つの構造のみかつ実質的にその単位胞の１つの配向のみを含む結晶質構造を意味する。言い換えると、単一ドメイン結晶は、双ドメインまたは反位相ドメインを示さない。

単一位相は、単結晶および単一ドメインの両方である結晶構造を意味する。

結晶質は、実質的に単結晶および実質的に単一ドメインである結晶構造を意味する。結晶化度は、結晶構造が、単結晶および単一ドメインである程度を意味する。高結晶質構造は、略完全に、または完全に、単結晶かつ単一ドメインであるであろう。

エピタキシ、エピタキシャルな成長、およびエピタキシャルな堆積は、結晶性基板上の結晶層の成長または堆積を指す。結晶層は、エピタキシャル層と称される。

基板は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的な基板は、限定ではないが、ウエハが均一な厚さの単結晶シリコンを含むバルクシリコンウエハ、バルクシリコンハンドルウエハ上に配置される二酸化硅素の層上に配置されるシリコンの層を含むシリコン・オン・インシュレータウエハ等の複合ウエハ、またはその上またはその中でデバイスが形成される基部層の役割を果たす任意の他の材料を含む。基板層およびバルク基板として使用するための用途の機能として好適である、そのような他の材料の実施例は、限定ではないが、窒化ガリウムと、炭化硅素と、酸化ガリウムと、ゲルマニウムと、アルミナと、ガリウム砒素と、燐化インジウムと、珪土と、二酸化硅素と、硼珪酸ガラスと、パイレックス（登録商標）ガラスと、サファイアとを含む。

希土類プニクタイド材料は、１つ以上の第Ｖ族元素と、１つ、２つ、またはそれを上回る希土類（ＲＥ）元素とを含有する材料である。希土類元素は、ランタン（Ｌａ）と、セリウム（Ｃｅ）と、プラセオジム（Ｐｒ）と、ネオジム（Ｎｄ）と、プロメチウム（Ｐｍ）と、サマリウム（Ｓｍ）と、ユーロピウム（Ｅｕ）と、ガドリニウム（Ｇｄ）と、テルビウム（Ｔｂ）と、ジスプロシウム（Ｄｙ）と、ホルミウム（Ｈｏ）と、エルビウム（Ｅｒ）と、ツリウム（Ｔｍ）と、イッテルビウム（Ｙｂ）と、ルテチウム（Ｌｕ）と、スカンジウム（Ｓｃ）と、イットリウム（Ｙ）とを含む。

セミコンダクタ・オン・インシュレータは、単結晶半導体層と、単相誘電層と、基板とを含む層を意味し、誘電層は、半導体層と基板との間に挿入される。この構造は、シリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）組成を含んでもよい。

キャリア濃度は、単位体積あたりのバルクキャリアの数を意味する。

電荷キャリア密度は、体積あたりの電荷キャリアの数を示す。

界面は、異種結晶性半導体の２つの層の層または領域の間の表面を意味する。

セミコンダクタ・オン・インシュレータ組成は、限定ではないが、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムの「活性」層を含む。言い換えると、例示的なセミコンダクタ・オン・インシュレータ組成は、限定ではないが、シリコン・オン・インシュレータと、ゲルマニウム・オン・インシュレータと、シリコンゲルマニウム・オン・インシュレータとを含む。いくつかの実施形態では、使用され得るシリコンの種々の構造は、例えば、Ｓｉ＜１００＞、Ｓｉ＜１１０＞、Ｓｉ＜１１１＞である。

本明細書において第２の層「上に存在する」またはそれ「にわたる」ものとして説明および／または描写される第１の層は、第２の層に直接的に隣接し得る、または第１の層と第２の層との間に存在し得る１つ以上の介在層であり得る。第１の層と第２の層「との間」に存在するものとして説明および／または描写される介在層は、第１の層および／または第２の層に直接的に隣接し得る、または第１の層と第２の層との間の介在層であり得る１つ以上の付加的な介在層であり得る。本明細書において「直接的に」第２の層または基板「上に存在する」またはそれ「にわたる」ものとして説明および／または描写される第１の層は、可能性として第１の層の、第２の層または基板との混合に起因して形成し得る介在合金層以外の、介在層を伴わない第２の層または基板に直接的に隣接する。加えて、本明細書において第２の層または基板「上に存在する」、それ「にわたる」、「直接的に」その「上に存在する」、または「直接的に」それ「にわたる」ものとして説明および／または描写される第１の層は、第２の層または基板全体、または第２の層または基板の一部を被覆し得る。

基板は、層成長の間に基板ホルダ上に設置され、そのため、上面または上側表面は、基板ホルダから最も遠い基板または層の表面である一方、底部表面または下側表面は、基板ホルダに最も近い基板または層の表面である。本明細書に描写かつ説明される任意の構造は、描写された構造の上方および／または下方に付加的な層を伴うより大きな構造の部分であり得る。明確化のために、本明細書における図は、これらの付加的な層を省略し得るが、これらの付加的な層は、開示された構造の部分であり得る。加えて、描写される構造は、たとえ反復が図内に描写されていなくても、その単位で反復され得る。

上記の説明から、種々の技術が、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される概念の実装のために使用され得ることが、明白である。説明される実施形態は、全ての点で、例証的でありかつ制限的ではないと見なされるべきである。本明細書に説明される技術および構造は、本明細書に説明される特定の実施例に限定されるものではないが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施例に実装され得ることもまた、理解されたい。同様に、動作は、図面内に特定の順序に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序またはシーケンシャル順序で実施されること、または全ての図示される動作が示される特定の順序またはシーケンシャル順序で実施されることを要求するものではないことを理解されたい。加えて、説明される異なる実施例は、１つの実施例ではなく、１つの実施例の特徴は、他の開示実施例内にも含まれ得る。故に、請求項は、本明細書に開示される実施例に限定されるものではないが、それらの教示が当業者に通知するであろうように、上記に提供される技術的教示から理解され得ることを理解されたい。

Claims (15)

1. 層構造であって、
   半導体層と、
   前記半導体層にわたる第１の希土類酸化物層であって、前記第１の希土類酸化物層は、第１の不連続部分と第２の不連続部分とを含む、第１の希土類酸化物層と、
   前記第１の希土類酸化物層にわたってエピタキシャルに成長した金属層であって、前記金属層は、前記第１の不連続部分の第１の領域および前記第２の不連続部分の第２の領域に重複する金属部分を含む、金属層と、
   前記金属層にわたってエピタキシャルに成長したＩＩＩ−Ｎ層であって、前記ＩＩＩ−Ｎ層は、結晶圧電層である、ＩＩＩ−Ｎ層と、
   を含む、層構造。
2. 前記ＩＩＩ−Ｎ層および前記金属部分は、前記第１の不連続部分および前記第２の不連続部分にわたってブリッジを形成する、請求項１に記載の層構造。
3. 前記半導体層および前記ＩＩＩ−Ｎ層は、ブランケット層である、請求項１−２に記載の層構造。
4. 前記第１の希土類酸化物層は、第３の不連続部分をさらに含み、付加的な層が、前記第１の希土類酸化物層の第３の不連続部分と前記ＩＩＩ−Ｎ層との間に位置付けられる、請求項１−３に記載の層構造。
5. 前記金属層は、前記第３の不連続部分にわたって成長したいかなる金属をも含まない、請求項４に記載の層構造。
6. 前記付加的な層は、ブランケット層である、請求項４−５に記載の層構造。
7. 前記付加的な層は、第２の希土類酸化物層を含む、請求項４−６に記載の層構造。
8. 前記付加的な層は、希土類窒化物、希土類珪化物、およびＩＩＩ−Ｏのうちの少なくとも１つを含み、前記付加的な層は、前記層構造の伝導性を改良する、請求項４−７に記載の層構造。
9. 前記ＩＩＩ−Ｎ層の少なくとも一部は、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース（ＥＬＯＧ）法を使用して成長される、請求項１−８に記載の層構造。
10. 前記半導体層と前記第１の希土類酸化物層との間に位置付けられる酸化硅素層をさらに含む、請求項１−９に記載の層構造。
11. 前記ＩＩＩ−Ｎ層は、ＡｌＮ、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのうちの１つ以上のものを含む、請求項１−１０に記載の層構造。
12. 前記ＩＩＩ−Ｎ層は、ＡｌＮと希土類金属との合金を含む、請求項１−１１に記載の層構造。
13. 前記ＩＩＩ−Ｎ層にわたってエピタキシャルに成長した付加的な希土類酸化物層をさらに含む、請求項１−１２に記載の層構造。
14. 前記ＩＩＩ−Ｎ層にわたるＳｃＮの層をさらに含む、請求項１−１３に記載の層構造。
15. 前記ＳｃＮ層にわたるＩＩＩ−Ｖ層をさらに含む、請求項１４に記載の層構造。

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