JP2018518840A - ヘテロ構造体及び製造の方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ヘテロ構造体、特に圧電構造体であって、カバー層、特に圧電材料の層を具備し、上記カバー層の材料が第1の熱膨張係数を有し、支持基板に組み付けられ、上記支持基板が、上記第1の熱膨張係数とは実質的に異なる第2の熱膨張係数を有し、界面のところに、上記カバー層が上記界面から上記カバー層の中まで延伸している少なくとも1つのリセスを備える、ヘテロ構造体及びその製造の方法に関する。【選択図】 図2D

Description

本発明は、一般に、ヘテロ構造体、特に圧電構造体、及びヘテロ構造体、特に圧電構造体の製造の方法に関する。
発明の目的は、ヘテロ構造体、特に圧電構造体、及びヘテロ構造体、特に圧電構造体の製造の方法を提案することである。
無線周波数(RF)表面弾性波(SAW)技術は、例えば現在の携帯電話機のデュプレクサのような多数の用途に広く使用されている。標準SAW技術のさらなる改善により、RFバルク弾性波(BAW)技術と競合できる状態に留まるための温度補償型SAWデバイスの開発がもたらされた。
温度補償型SAWは、図1Aに模式的に示したように、任意選択で接着剤層130を間に置いて支持基板110に組み付けられた圧電材料の層120を備える圧電構造体100内で得ることができる。温度補償型SAWデバイスの最近の発展が、Hashimotoらによる最近の刊行物、「Recent development of temperature compensated SAW devices(温度補償型SAWデバイスの最近の発展)」、Ultrasonics Symposium 2011、IEEE International、79〜86ページに論評されており、図1Aの手法をより詳細に図説している。支持基板110は、以て圧電構造体100の硬化機能を有している。
しかしながら、図1Aに模式的に示したようなこのような圧電構造体100は、圧電材料の層120及び支持基板110それぞれの熱膨張係数(CTE)の実質的な違いのために、熱処理に耐えることに適していないことがある。このようなCTEの不一致は、最悪のケースでは、所定のしきい値よりも高い温度に対するこのような構造の破壊の原因になることもある。例えば圧電材料の層120の座屈のような他の現象が起きることもある。さらに、圧電構造体100の湾曲が、熱処理での臨界値を超えることがあり、例えば臨界値よりも大きい値では、静電チャックが構造に接触しなくなることがある。加えて、大部分の圧電材料に関するCTEの強い異方性が、異方性歪の蓄積のために熱処理を困難にする。
図1Bは、米国特許第8664747号に開示された手法を模式的に示しており、リセス140が、基板110’に組み付けられた層120’の面とは反対側の構造100’の面に形成されている。層120’とは実質的に異なるCTEを有する基板110’に形成された層120’にこのようにリセスを形成することは、このような構造100’に蓄積される応力を調節することに役立つことがある。
しかしながら、このような手法を使用するといくつかの問題に直面する。特に、1〜10μmの範囲の比較的小さい厚さを有する層120’に関して、基板110’に対して下にある界面に損傷を与えないために、注意を払わなければならない。例えばソーイングのような正確ではない方法は、破断のための核形成サイトを後に残す表面領域の基板110’又は接着剤層(図1Bには図示せず)のいずれかに損傷をもたらすことがある。層120’の実質的なアンダーエッチングを引き起こすことがあるリソグラフィ及びエッチングステップがその後に含まれる場合には、これは構造110’に対して特に有害である。さらに、基板110’は、その表面に機能層が組み付けられなければならず、機能層はその特定の特性を失わないために変えられるべきではない。
本発明は、上に述べた問題を解消している。
特に、本発明は、ヘテロ構造体、特に圧電構造体であって、カバー層、特に圧電材料の層を具備し、上記カバー層が第1の熱膨張係数を有し、支持基板に組み付けられ、上記支持基板が、上記第1の熱膨張係数とは実質的に異なる第2の熱膨張係数を有し、界面のところに、上記カバー層が上記界面から上記カバー層の中まで延伸している少なくとも1つのリセスを備える、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記少なくとも1つのリセスが、上記カバー層全体にわたり延伸しているトレンチを形成している、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記少なくとも1つのリセスにより分離されている上記カバー層の部分が、所定の臨界長さよりも小さい横方向広がりを有し、上記臨界長さよりも上では、予め定められた温度での熱処理に起因して破壊が生じ得る、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記少なくとも1つのリセスが、上記支持基板との上記界面とは反対側の上記カバー層の表面まで延伸している、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記熱膨張係数のうちの少なくとも一方が強い異方性を示す、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記カバー層の材料が、特にLTO、LNO、AlN、ZnOの中から選択される圧電材料である、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記支持基板の材料が、Si、Ge、GaAs、InP、SiGe、サファイアの群の中から選択される、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記支持基板が、上記界面に隣り合う機能層を備える、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記機能層が、1kOhm/cmよりも高い、好ましくは5kOhm/cmよりも高い電気抵抗を上記支持基板に与える、ヘテロ構造体に関する。
さらに有利な実施形態は、上記機能層が、10μm未満の、好ましくは1μm未満の、又はさらにはより好ましくは100nm未満の厚さを有する、ヘテロ構造体に関する。
本発明は、支持基板を用意し、カバー層、特に圧電材料の層を用意するステップと、上記カバー層の表面に少なくとも1つのリセスを形成するステップと、上記支持基板と上記少なくとも1つのリセスを備えた上記カバー層の上記表面との間の組み付け界面のところに上記支持基板と上記カバー層とを組み付けるステップとを含む、ヘテロ構造体の製造の方法にもやはり関する。
さらに有利な実施形態は、上記組み付け界面とは反対側の上記カバー層の上記表面の薄化ステップをさらに含む、ヘテロ構造体の製造の方法に関する。
さらに有利な実施形態は、上記薄化ステップが、組み付けるステップに先立って原子種又はイオン種、特にH又はHeを注入して、上記カバー層に脆弱ゾーンを形成するステップと、組み付けるステップの後で上記脆弱ゾーンのところでの剥離のステップとを含む、ヘテロ構造体の製造の方法に関する。
さらに有利な実施形態は、上記薄化するステップが、グラインディング、ポリッシング、エッチング、又は任意の組み合わせの群の中から選択される技術により実行される、ヘテロ構造体の製造の方法に関する。
さらに有利な実施形態は、上記薄化ステップが、上記少なくとも1つのリセスを露出させる、ヘテロ構造体の製造の方法に関する。
発明は、例として以降に有利な実施形態を使用し、図面を参照してより詳細に説明されるであろう。しかしながら、説明される実施形態は、個々の特徴が互いに別個に実装されてもよいか又は省略されてもよい可能性のある構成に過ぎない。
先行技術から知られるような温度補償型SAWデバイス用の圧電構造体を模式的に図示している図である。 先行技術から知られるようなCTEの不一致を調節するためのヘテロ構造体を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体の上面図を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体の上面図を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体の上面図を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体の製造方法を模式的に図示している図である。 本発明の実施形態による、ヘテロ構造体の製造方法を模式的に図示している図である。
本発明について、次いで特定の実施形態を参照して説明する。実施形態のうちのいずれかにある特徴及び代替形態が、互いに無関係に、特許請求の範囲の範囲に従った任意の他の実施形態の特徴及び代替形態と組み合わせられてもよいことが、当業者には明白であろう。
本発明の下記の説明では、圧電構造体及び圧電材料の層を例示的に参照している。しかしながら、上に既に指摘したように、本発明は、この特定の実施形態に限定されず、カバー層(220、320、420、520)及び支持基板(210、410、510)を備えている任意のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)に関係し、カバー層の熱膨張係数が支持基板のうちの1つとは実質的に異なることをともなう。このようなヘテロ構造体は、上に記述したカバー層として識別可能な圧電材料の層を有するヘテロ構造体として識別可能な圧電構造体の特定の実施形態を包含する。本発明はまた、このようなヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法にも関係する。
図2Aは、圧電材料の層220と、支持基板210と、圧電材料の層220及び支持基板210が組み付けられている界面から圧電材料の層220の中まで延伸する少なくとも1つのリセス240とを備えている圧電構造体200を模式的に示している。圧電材料の層220は、第1の熱膨張係数CTE1を有し、支持基板210は、第1の熱膨張係数CTE1とは実質的に異なる第2の熱膨張係数CTE2を有する、すなわち、関係Max(CTE1;CTE2)>Min(CTE1;CTE2)が成り立ち、特にMax(CTE1;CTE2)/Min(CTE1;CTE2)>2、好ましくは>4又は>6が成り立ち、したがって、Max(CTE1;CTE2)及びMin(CTE1;CTE2)がそれぞれCTE1及びCTE2の両者の最大値及び最小値である。これは、CTEの最大の不一致を計算するために異方性CTE値のケースにも当てはまる。
少なくとも1つのリセス240は、リセスを画定するために必要な精度に応じて、例えばマスキング及びエッチング(リソグラフィを含む)、又はさらにはソーイングのようなよく知られている技術により形成されてもよい。100μmから5mmに至るまでの範囲に含まれる少なくとも1つのリセス240の横方向寸法は、容易に画定することができ、深さプロファイルが、例えば、化学薬品、エッチング速度、及びエッチング期間に依存して、0.5μmから50μmに至るまでの範囲に制御されることがある。低コストの代替技術としてのソーイングは、数μmの不確定度で制御される深さプロファイルを有する1から2mm幅のトレンチを容易に実現する。さらに下記に詳細に記されるような層移転(例えばスマートカー(SmartCur)(商標))のケースでは、少なくとも1つのリセスを露出させることが、移転させようとする層の厚さを少なくとも1つのリセスの深さプロファイルよりも小さい範囲内に調節することにより実現されることがある。
圧電材料から作られたカバー層のケースでは、圧電材料は、タンタル酸リチウム(LTO)、ニオブ酸リチウム(LNO)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、等であってもよい。
支持基板200の材料は、Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、サファイア、又は半導体産業において広く知られ使用されている任意の他の基板の群の中から選択されてもよい。
図2Bに模式的に開示した実施形態は、接着剤層230が圧電材料の層220と支持基板210との間の界面に存在する点で、図2Aに示したものとは異なっている。下記に詳細に論じるように、圧電材料の層220と支持基板210との組み付けは、ボンディング技術、特に分子ボンディングを含むことがあり、接着剤層230は、ボンディングに先立って圧電材料の層220及び支持基板210にそれぞれ形成されている2つの酸化物層のボンディング界面であってもよい。他の組み付け技術は、例えばボンディング樹脂又はのりのような他のタイプの接着剤層230を含むことがある。
図2Cに模式的に描いた実施形態は、支持基板210が圧電材料の層220との界面の近くに機能層250を含む点で、図2A及び図2Bのうちの一方とは異なっている。例えば、シリコン、特に1kOhm/cm又はさらには5kOhm/cmよりも高い電気抵抗を有する高抵抗シリコン基板から作られている支持基板210のケースでは、機能層250は、酸化物ボンディング層の近くの界面導電性構成物を削除するために、いわゆるトラップリッチ層であってもよい。上記トラップリッチ層は、多結晶シリコン層として形成されるか、又は上記機能層に所定の気孔レベルを導入することによるかのいずれであってもよい。界面にあるこのような高抵抗機能層250は、信号の何らかの電気的損失がデバイス性能に対して有害であるSAWデバイスに使用される圧電構造体200にとって、特に関心が持たれる。さらに、このような機能層250は、圧電材料の層220を支持基板210から接続を切るために又は電気的に分離するために使用されることがある。このような機能層250は、10μmよりも薄い、又はさらには1μmよりも薄い、又はさらには100nmよりも薄い厚さを有することがある。
最も顕著な材料は、シリコンが半導体産業で最も一般的に使用されている材料であるため、支持基板210として重要なものはシリコンである。既存の製造ラインでの取り扱い及び集積化は、したがってこのようなシリコン支持基板210を使用することにより容易になる。加えて、例えばCMOSのような機能マイクロエレクトロニックデバイスが、支持基板210に集積され、上記の高抵抗機能層250を横切ることにより圧電デバイスと必要な場合には電気的に接続されることがあり(電気ビアは図2Dには示されていない)、クロストークが最小化された極めて小型のデバイス構造をもたらす。
図2Dに模式的に開示した実施形態は、少なくとも1つのリセスが界面から支持基板210との界面とは反対側の圧電材料の層220の表面まで延伸する点で、図2Aから図2Cに描いたものとは異なる。このような構成は、熱処理中の応力蓄積の調節をさらに改善する。しかしながら、圧電材料の能動表面は、少なくとも1つのリセスを露出させることのために縮小される。
少なくとも1つのリセス240の横方向寸法は、圧電材料の能動表面を増加させつつ、圧電構造体200の十分な機械的安定性を持たせるように選択されなければならない。
図3A、図3B、及び図3Cは、ウェハレベルでの平面図を模式的に示しており、少なくとも1つのリセス340の様々な実現のモードが表現されている。CTEの異方性が存在しないケースでは、図3Aに示したような構成は、CTEの不一致に起因する熱処理の有害な効果を抑制するためには十分である可能性がある。最も近い及び/又は2番目に近いリセスまで距離dを有する圧電材料の層320での点状のリセス340が、支持基板との界面に形成され、したがって、距離dl(図3Aでは、最も近い距離に対してdl1そして2番目に近い距離に対してdl2)が、所定の臨界長さclよりも小さくなるように選択される。このような臨界長さclは、臨界長さよりも大きいと、所定の温度における熱処理が有害な効果を引き起こし得る値になるように規定される。このような有害な効果は、例えば、圧電材料の層の座屈を含め湾曲に関する臨界値を超えるか、又は圧電構造体の破壊を引き起こし得る。ところが、取り扱い及び湾曲の問題は、制御される場合があり、特に破壊及び座屈は、例えばパッケージング及びデバイスのフロントエンド処理中に使用される熱処理に対応する250℃に至るまで、又はさらには500℃に至るまでの温度に対して回避されるべきである。
図3B及び図3Cは、CTEの強い異方性が存在するケースを模式的に示している。少なくとも1つのリセスは、圧電材料の全体の層320にわたり延伸しているトレンチを形成している。主軸x及びyについてそれぞれの距離dlx及びdlyは、したがってこれらの主軸x及びyに由来する臨界長さよりも小さく、図3Aに関連して上に開示した同じ基準に従う。
図4は、圧電構造体400の製造の方法を模式的に示している。少なくとも1つのリセス440が、例えばリソグラフィ/マスキング及びエッチング技術により、圧電材料の層420に形成される。少なくとも1つのリセス440の深さは、その後の熱処理中に圧電構造体400内で調節することを望む応力に依存することがあり、100nmから20又はさらには50μmに至るまでの範囲であってもよい。任意選択で、少なくとも1つのリセス440は、材料、例えばリセスに堆積した(すなわち、PVD又はCVD)酸化シリコンで埋められる。これは、このような構造に適用されるその後のボンディング又はエッチングにとって有利である可能性がある。任意選択的なステップS41a及びS41bは、圧電材料の層420及び支持基板410の各々にボンディング層460、例えば、それぞれの表面に堆積した酸化シリコンを設けることを模式的に示している(しかしながら、本発明はこのような手法に限定されず、代わりに1つのボンディング層460の使用、又はさらには何も使用しないことも想像することができる)。このようなボンディング層460は、例えばボンディング界面における粗さを最小にするための平坦化を含むその後の組み付けステップS42を考慮して、さらに処理されることがある。組み付けステップS42は、任意の種類のボンディング技術、特に分子ボンディングにより行われ得る。任意選択のボンディング層460は、したがって接着剤層430を形成する。類似の構成が、のり又は例えばボンディング樹脂としての他の接着剤の使用により得られることがある。圧電材料の層420との界面におけるボンディング層460の使用は、ボンディング界面における大きなボンディングエネルギーを維持しながらボンディング層460に対する上記界面を粗くすることを望むケースでは特に関心が持たれる。圧電材料の層420に対して粗くした界面が、最終SAWデバイスのいわゆるリップル効果を回避するために使用されることがある。
圧電材料の層420と支持基板410との組み付けの後で、S43は、組み付け界面とは反対側の圧電材料の層420の表面の薄化ステップを模式的に示している。このような薄化ステップS43は、限定しないが、グラインディング、ポリッシング、エッチング、又はこれらの技術の任意の組み合わせの群の中から選択される技術により行われてもよい。したがって、少なくとも1つのリセスを露出させること及びステップS43の後の図4に示したような圧電構造体400’を得ることが可能である。
図5は、圧電構造体500’の製造の方法を模式的に示しており、ここではそれぞれの薄化ステップS53が圧電構造体500’を組み付けた後で脆弱ゾーン560のところでの剥離のステップを含む。脆弱ゾーン570は、イオン種及び/又は原子種、例えばH又はHeの注入により作られることがある。このような手法は、スマートカット(SmartCut)(商標)という用語の下で一般によく知られている。図5は、注入ステップが圧電材料の層520に少なくとも1つのリセス540の形成(ステップSA2及びSB2)の前(ステップSA1)又は後(ステップSB1)のいずれで実行されてもよいことを模式的に示している。さらに、図5は、図4のプロセスフローに開示したように、S51での任意選択的な接着剤層530を設けるステップ、及び組み付けるステップS52を模式的に示している。図5はそのときには、少なくとも1つのリセス540の深さが脆弱ゾーン570の深さを超えるシナリオを示しているに過ぎず、薄化ステップS53により露出した少なくとも1つのリセス540を有する圧電構造体500’をこのようにもたらしている。本発明は、このような実施形態に限定されず、例えば図2Aから図2Cに示した実施形態に従った最終的な圧電構造体を得るために深さを容易に適応させることができる。露出していても又は露出していなくても、リセス540を有する圧電材料の層520の厚さは、100nmから1μmに至るまで、又はさらには10μmに至るまで、又はさらには20μmに至るまでの範囲であるように選択されてもよい。

Claims (15)

  1. ヘテロ構造体(200、400、400’、500’)、特に圧電構造体であって、カバー層(220、420、520)、特に圧電材料の層を具備し、前記カバー層(220、420、520)が第1の熱膨張係数を有し、支持基板(210、410、510)に組み付けられ、前記支持基板(210、410、510)が前記第1の熱膨張係数とは実質的に異なる第2の熱膨張係数を有し、界面のところに、前記カバー層(220、420、520)が、前記界面から前記カバー層(220、420、520)の中まで延伸している少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)を備える、ヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  2. 前記少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)が、前記カバー層(220、420、520)全体にわたり延伸しているトレンチを形成している、請求項1に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  3. 前記少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)により分離されている前記カバー層(220、420、520)の部分が、所定の臨界長さよりも小さい横方向広がりを有し、前記臨界長さよりも上では、予め定められた温度での熱処理に起因して破壊が生じ得る、請求項1又は2に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  4. 前記少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)が、前記支持基板(210、410、510)との前記界面とは反対側の前記カバー層(220、420、520)の表面まで延伸している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  5. 前記熱膨張係数のうちの少なくとも一方が強い異方性を示す、請求項1〜4のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  6. 前記カバー層(220、420、520)の材料が、特にLTO、LNO、AlN、ZnOの中から選択される圧電材料である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  7. 前記支持基板(210、410、510)の材料が、Si、Ge、GaAs、InP、SiGe、サファイアの群の中から選択される、請求項1〜6のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  8. 前記支持基板(210、410、510)が、前記界面に隣り合う機能層(250)を備えている、請求項1〜7のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  9. 前記機能層(250)が、1kOhm/cmよりも高い、好ましくは5kOhm/cmよりも高い電気抵抗を前記支持基板(210、410、510)に与える、請求項8に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  10. 前記機能層(250)が、10μm未満の、好ましくは1μm未満の、又はさらにはより好ましくは100nm未満の厚さを有する、請求項8又は9に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)。
  11. 支持基板(210、410、510)を用意し、カバー層(220、420、520)、特に圧電材料の層を用意するステップと、前記カバー層(220、420、520)の表面に少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)を形成するステップ(SA2、SB2)と、前記支持基板(210、410、510)と前記少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)を備えた前記カバー層(220、420、520)の前記表面との間の組み付け界面のところに前記支持基板(210、410、510)と前記カバー層(220、420、520)とを組み付けるステップ(S42、S52)とを含む、ヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法。
  12. 前記組み付け界面とは反対側の前記カバー層(220、420、520)の前記表面の薄化のステップ(S43)をさらに含む、請求項11に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法。
  13. 前記薄化ステップ(S43)が、組み付けるステップに先立って原子種又はイオン種、特にH又はHeを注入して(SA1、SB1)、前記カバー層(220、420、520)に脆弱ゾーン(570)を形成するステップと、組み付けるステップの後で前記脆弱ゾーンのところでの剥離のステップ(S53)とを含む、請求項12に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法。
  14. 前記薄化ステップ(S43)が、グラインディング、ポリッシング、エッチング、又は任意の組み合わせの群の中から選択される技術により実行される、請求項12に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法。
  15. 前記薄化ステップ(S43)が、前記少なくとも1つのリセス(240、340、440、540)を露出させる、請求項12〜14のいずれか一項に記載のヘテロ構造体(200、400、400’、500’)の製造の方法。
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