JP2022517537A - 集積化エピタキシャル金属電極 - Google Patents

集積化エピタキシャル金属電極 Download PDF

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Abstract

酸化希土類と半導体層との間にエピタキシャル金属層を含む、システム及び方法が本明細書に記載される。基材と、基材の上方でエピタキシャルに成長した第１の希土類酸化物層と、希土類酸化物層の上方でエピタキシャルに成長した第１の金属層と、第１の金属層の上方でエピタキシャルに成長した第１の半導体層とを含む層状構造を成長させる、システム及び方法が本明細書に記載される。特に、基材は、その間の希土類酸化物層の有無にかかわらず、通常金属層と一直線に並ぶ多孔質部分を含み得る。

Description

関連出願への相互参照
[0001] 本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で２０１６年９月２２日出願の米国仮特許出願第６２／３９８，４１６号の優先権を主張する（２０１８年１１月１３日に米国特許第１０，１２８，３５０号として発行された）米国非仮特許出願第１５／７１２，００２号の継続である、２０１８年１１月１日出願の同時係属中であり、且つ同一出願人による米国非仮特許出願第１６／１７８，４９５号の一部継続出願であり、且つそれに対する優先権を主張するものである。
使用の分野
[0002] 本出願は、半導体デザインに、より特に、エピタキシャル金属が下部エピタキシャル酸化物と上部エピタキシャル半導体との間に導入される集積化エピタキシャル金属電極のための層状構造に関する。
[0003] エピタキシー、エピタキシャル成長及びエピタキシャル堆積は、結晶質基材上での結晶質層の成長又は堆積を意味する。結晶質層は、エピタキシャル層と言われる。結晶質基材はテンプレートとして機能し、結晶質層の配向及び格子間隔を決定する。結晶質層は、いくつかの例において、格子整合又は格子一致（lattice coincident）であることが可能である。格子整合結晶質層は、結晶質基材の上部表面と同一又は非常に類似の格子間隔を有し得る。格子一致結晶質層は、結晶質基材の格子間隔の整数倍の格子間隔を有し得る。エピタキシーの品質は、一部において、結晶質層の結晶化度に基づく。実質的に、高品質のエピタキシャル層は、欠陥が最小であり、粒界をほとんど有さないか、粒界がない単一結晶である。因習的に、上流の処理のいくつかの点で、金属接触層がエピタキシャル構造に適用される。しばしば２つ以上のデバイス機能性を組み込む今日の複雑なエピタキシャル構造では、これは大量のトポグラフィによって、ウエハー上の金属の広範囲なエッチング及び堆積を必要とする可能性がある。
[0004] 金属と半導体との間の相互作用は、デバイス操作に対して、しばしば重大である。金属と半導体との間のそのような相互作用の一例は、全体的な音響性能が電極の音響インピーダンスとピエゾ電気材料の音響インピーダンスとの積によって定義されるＲＦフィルターなどの薄膜共鳴器で生じる。実際に、高共振周波数に接近するために、電極及びピエゾ電気材料の両方を非常に薄くする必要がある。これは、異なる厚さの金属電極に関するＡｌＮの厚さの関数としての共振周波数を示す図１７に要約される（S. Tanifuji et al, Proceedings 2009 IEEE International Ultrasonic Symposium, p. 2170から、全内容が参照によって組み込まれる）。ここで、結晶品質がない場合には、多結晶金属層中の欠陥及び粒界の増加効果により、厚さが減少すると抵抗が増加するため、結晶品質も重要である。
[0005] ＩｎＰの成長は、全内容が参照によって組み込まれる、Zheng et al, Journal of Applied Physics, vol. 111 p. 123112 (2012)に記載の通り、シリコン加工基材上方の金属上でも試みられた。しかしながら、Zhengは、エピタキシャルではなくて、多結晶である膜を記載する。
[0006] イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）上の金属のエピタキシャル成長は、全内容が参照によって組み込まれる、Gsell et al, Journal of Crystal Growth, vol. 311, p. 3731 (2009)に記載される。Gsellは、ＹＳＺが全てのエピタキシャル金属の望ましくないケイ化を防ぐことから、ＹＳＺを使用することによって下層のシリコン基材から金属を分離することを記載する。ＹＳＺは、ジルコニア及びイットリア標的を使用するスパッタリングされた（又はパルスレーザー堆積によって堆積された）材料である。それは単一結晶材料ではなく、粒界を有し、混合結晶化度（立方晶系及び正方晶系）であることが可能である。したがって、それは金属のエピタキシャル成長の最適以下のテンプレートである。加えて、ＹＳＺ／シリコン界面の制御は、技術的に難しい。
[0007] したがって、半導体材料以上に良好な結晶品質のエピタキシャル成長金属は、困難であることがわかった。
[0008] その上方で半導体層が成長し得る層状構造での集積化エピタキシャル金属電極の使用のためのシステム及び方法が本明細書に記載される。本明細書に記載されるシステム及び方法は、基材と、基材上方でエピタキシャル成長した第１の希土類酸化物層と、希土類酸化物（ＲＥＯ）層上方でエピタキシャル成長した第１の金属層と、第１の金属層上方でエピタキシャル成長した第１の半導体層とを含む、層状構造を含み得る。いくつかの実施形態において、基材は、限定されないが、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）、ＳｉＧｅを含む、１つ以上の第ＩＶ族元素を含む。いくつかの実施形態において、基材は、１０度までのミスカットで、＜１００＞又は＜１１１＞の結晶配向性を有する。いくつかの実施形態において、基材は、限定されないが、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮを含む、第ＩＩＩ族及び第Ｖ族からの元素を含む。いくつかの実施形態において、基材は、限定されないが、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３を含む、別の金属酸化物である。
[0009] いくつかの実施形態に、希土類酸化物層は、周期表のランタニド族、スカンジウム（Ｓｃ）及びイットリウム（Ｙ）から選択される希土類金属元素を含む。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層は、１～２の酸素対金属比を有するＲＥＯから構成される。いくつかの実施形態において、第１の金属層は、周期表の遷移金属族から選択される金属元素を含む。いくつかの実施形態において、第１の半導体層は、第ＩＩＩ族、第ＩＶ族、第Ｖ族から選択される元素を含む。いくつかの実施形態において、基材はシリコンから構成され、ＲＥＯ層は、１．５の酸素対金属比を有する酸化エルビウム（ＥｒＯ１．５）から構成され、そして第１の金属層はモリブデン（Ｍｏ）から構成される。いくつかの実施形態において、第１の半導体層は、ＡｌｘＳｃ１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）から構成される。いくつかの実施形態において、基材は、Ｓｉから構成される場合、＜１００＞の結晶配向性を有し、ＲＥＯ層は、ＥｒＯ１．５から構成される場合、＜１１０＞の結晶配向性を有し、そして第１の金属層は、Ｍｏから構成される場合、＜２１１＞の結晶配向性を有する。例えば、シリコンから構成される基材は＜１１１＞の配向性を有し得、ＲＥＯ層は、ＥｒＯ１．５から構成される場合、＜１１０＞の結晶配向性を有する。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層は複数のレアメタル（rare metal）酸化物成分から構成され、そして複数のレアメタル酸化物成分は異なる金属元素又は異なる酸素対金属比を有する。
[0010] いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層は、第１のＲＥＯから構成される第１の副層、及び第２のＲＥＯから構成される第２の副層を含む。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層は、第１のＲＥＯから構成される第１の領域、及び第２のＲＥＯから構成される第２の領域を含み、第１の領域は、段階的パターンで第２の領域に移行する。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層は、第１のＲＥＯから構成される第１の副層、及び第２のＲＥＯから構成される第２の副層を含み、第１の副層及び第２の副層は超格子構造で繰り返される。いくつかの実施形態において、第２の金属酸化物は、第ＩＩＩ族元素をさらに含む。いくつかの実施形態において、第１の金属層は、第１の金属から構成される第１の副層、及び第２の金属から構成される第２の副層を含む。いくつかの実施形態において、第１の金属層は、第１の金属から構成される第１の領域、及び第２の金属から構成される第２の領域を含み、第１の領域は、段階的パターンで第２の領域に移行する。いくつかの実施形態において、金属層は、第１の金属から構成される第１の副層、及び第２の金属から構成される第２の副層を含み、第１の副層及び第２の副層は超格子構造で繰り返される。いくつかの実施形態において、層状構造は、半導体層上方でエピタキシャルに成長した第２の金属層をさらに含む。
[0011] いくつかの実施形態において、層状構造は、第２の金属層上方でエピタキシャルに成長した第２の半導体層をさらに含む。いくつかの実施形態において、層状構造は、金属層と半導体層との組合せの最高２０までの繰り返しをさらに含む。いくつかの実施形態において、層状構造は、金属層とＲＥＯ層との組合せの繰り返しをさらに含む。いくつかの実施形態において、層状構造は、半導体層上方で成長した第２のＲＥＯ層をさらに含む。いくつかの実施形態において、第２の金属層は、第２のＲＥＯ層上方でエピタキシャルに成長する。いくつかの実施形態において、請求項１の層状構造は、第１の金属層から成長したエピタキシャル層をさらに含み、エピタキシャル層は、二次元（２Ｄ）材料、キャップ層及び絶縁体の群から選択される成分を含む。いくつかの実施形態において、２Ｄ材料は、グラフェン及び遷移金属ジスルフィドの群から選択される。いくつかの実施形態において、キャップ層は、金属酸化物及び金属ケイ化物の群から選択される材料から構成される。いくつかの実施形態において、絶縁体はＲＥＯから構成される。いくつかの実施形態において、中間層は、第１の金属層から第１の半導体層まで移行する。いくつかの実施形態において、中間層は、金属窒化物、金属プニクチド及びテンプレート２Ｄ電極の群から選択される１つ以上の成分から構成される。
[0012] いくつかの実施形態において、中間層は、第１のＲＥＯ層から第１の金属層に移行する。いくつかの実施形態において、中間層は、第１の金属層からの金属成分及び酸素によって成長する。いくつかの実施形態において、第１の金属層は、第１の金属層の第１の部分と第１の金属層の第２の部分との間に第１の間隙空間を有する非連続的なパターンを有し、第１の半導体層は、間隙及び金属領域の両方の上方で成長する。
[0013] 本開示のさらなる特徴、その性質及び種々の利点は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明を考察することで明らかになるであろう。
[0014]図１は、例示的な実施形態による、基材と半導体層との間でエピタキシャル金属層を成長させるための層状構造を示す。 [0015]図２は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造を成長させるための流れ図を示す。 [0016]図３は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図４は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図５は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図６は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図７は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図８は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図９は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１０は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１１は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１２は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１３は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１４は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１５は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0016]図１６は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の特定の例である層状構造の例を示す。 [0017]図１７は、従来技術の実施形態による、種々の厚さの金属電極に関するＡｌＮ厚さの関数としての共振周波数を示す。 [0018]図１８は、エピタキシャル金属電極を用いた場合と用いない場合の算出された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）反射率を示す。標準ＩＩＩ－窒化物ＤＢＲ下での結晶質ＲＥＯ及び金属の添加によってピークの反射率が２％増加する。 [0019]図１９は、例示的な実施形態による、ＡｌＮ及びＧａＮの１１のピリオドからＤＢＲがどのように構成されるかを示すグラフを示す。 [0020]図２０は、例示的な実施形態による、ＡｌＮ－ＧａＮ ＤＢＲ、及びＭｏ上方のＡｌＮの単一ペア上で構成されるＡｌＮ－ＧａＮ ＤＢＲの両方に関してプロットされる、４５０ｎｍにおける算出された反射率を示す。 [0021]図２１は、例示的な実施形態による、図１に示される層状構造の成長方法のフローチャートを示す。 [0022]図２２Ａは、本明細書に記載される実施形態による、多孔質シリコン部分を含有するシリコン基材上で構築された金属電極の層状構造を示す例図を提供する。 [0022]図２２Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、多孔質シリコン部分を含有するシリコン基材上で構築された金属電極の層状構造を示す例図を提供する。 [0022]図２２Ｃは、本明細書に記載される実施形態による、多孔質シリコン部分を含有するシリコン基材上で構築された金属電極の層状構造を示す例図を提供する。 [0023]図２３Ａは、本明細書に記載される実施形態による、金属層を支持するための希土類酸化物層を用いて、図２２Ａ～Ｃに示される層状構造上に構築された層状構造を示す例図を提供する。 [0023]図２３Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、金属層を支持するための希土類酸化物層を用いて、図２２Ａ～Ｃに示される層状構造上に構築された層状構造を示す例図を提供する。 [0024]図２４Ａは、本明細書に記載される実施形態による、基材中の多孔質部分の位置を画定するための、非連続的希土類酸化物領域を使用する層状構造を示す例図を提供する。 [0024]図２４Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、基材中の多孔質部分の位置を画定するための、非連続的希土類酸化物領域を使用する層状構造を示す例図を提供する。 [0024]図２５Ａは、本明細書に記載される実施形態による、基材中の多孔質部分の位置を画定するための、非連続的希土類酸化物領域を使用する層状構造を示す例図を提供する。 [0024]図２５Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、基材中の多孔質部分の位置を画定するための、非連続的希土類酸化物領域を使用する層状構造を示す例図を提供する。 [0025]図２６は、本明細書に記載される実施形態による、間に連続的希土類酸化物層を有する基材の多孔質部分の境界を画定する金属層を有する層状構造を示す例図を提供する。 [0026]図２７は、本明細書に記載される実施形態による、複数の半導体を有する層状構造を示す例図を提供する。例えば、複数の半導体は、本明細書に記載されるいずれかの層状構造で使用され得る。
[0027] 本明細書に記載される構造及び方法は、エピタキシャルスタック中にエピタキシャル金属を組み込み、それによって包埋された接触層を組み込む、集積化エピタキシャル金属電極を提供する。本明細書に開示される構造及び方法は、高品質エピタキシャル金属層、及びエピタキシャル金属層より上に半導体材料の成長を続ける能力を含む。一例において、結晶質ＲＥＯ層は、基材又は半導体上方でエピタキシャルに成長し得、そして金属層は結晶質ＲＥＯ層上方でエピタキシャルに成長し得る。半導体層は、エピタキシャル金属層上方で成長し得る。ＲＥＯ層は、１つ以上の希土類（ＲＥ）種及び酸素を含有する層である。希土類種は、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジミウム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（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）、ルチウム（Ｌｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びイットリウム（Ｙ）を含む。
[0028] ＲＥＯが蛍石型構造を示すということは既知である。これらの構造は、他のどの因子の中でも、酸化物中に存在する希土類カチオンの原子量の関数としてモルフォロジー差を示す。
[0029] 特に、より軽い希土類を含む酸化物は、＋２及び／又は＋３及び／又は＋４の可能なイオン化状態の結果として、立方晶系ＣａＦ２－型結晶構造を形成する。この結晶構造を有する酸化物は、（希土類酸化物に対する）多数の可能な酸化状態のため、有意な正味荷電欠陥を示す。
[0030] 他方、より重い希土類（例えば、ＲＥ２Ｏ３等）から形成される酸化物は、ＲＥ＜３＋＞のイオン化状態のため、陰イオン空格子点を含む、ひずみのあるＣａＦ２－型結晶構造を示す。より重い希土類の希土類酸化物と関連する結晶構造は、「ビクスバイト（Bixbyite）」としても知られている。
[0031] 式ＲＥ２Ｏ３を有する希土類酸化物の例証となる例は、Ｅｒ２Ｏ３である。Ｅｒ２Ｏ３の単位格子の結晶構造は、酸素空格子点誘導蛍石誘導体（すなわち、ビクスバイト（Bixbyite）構造）である。ＲＥＯ誘電層は、これらの単位格子の集合を含み得る。
[0032] 陰イオン空格子点の数及び位置は、ＲＥ２Ｏ３単位格子の結晶形状を決定する。この格子の結晶形状は、下層の半導体基板の格子定数に対する適切な一致を提供するために加工され得る。体対角線及び／又は面斜線に沿った酸素空格子点は、Ｃ－型立方晶系構造を導く。例えば、蛍石単位格子１つあたり２つの陰イオン空格子点があることによって、Ｅｒ２Ｏ３の単位格子はＳｉの単位格子サイズのほぼ２倍まで増加する。これによって、低歪みの単相Ｅｒ２Ｏ３がシリコン基材上で直接的にエピタキシャルに成長することが可能となる。
[0033] さらにまた、陰イオン空格子点の数及び位置は、誘電層及び／又は成長し過ぎた層において所望の歪み（張力又は圧縮）を誘導するために加工され得る。例えば、いくつかの実施形態において、半導体層中の歪みは、キャリア移動度に影響を及ぼすために望ましい。
[0034] 各蛍石単位格子は、体対角線に沿って存在する、２つの酸素空格子点を有する。これらの２つの酸素空格子点の存在のため、Ｅｒ２Ｏ３単位格子のサイズは２倍になり、それによって、その格子定数も２倍となり、それによって、＜１００＞シリコンの格子定数への適切な一致がもたらされる。
[0035] いくつかの例において、酸素空格子点は、面対角線の末端にある。いくつかの他の例において、酸素空格子点は、面対角線及び体対角線の末端の間に分布する。
[0036] 包埋された金属接触層は、半導体層上方での金属のエピタキシャル堆積を使用して成長し得る。エピタキシャル金属層は、半導体層上で直接及び／又は直接基材上で直接成長し得る。いくつかの例において、任意選択的な移行層は、エピタキシャル金属層と下層の半導体層との間に、及び／又はエピタキシャル金属層と下層の基材との間に存在し得る。包埋された接触層がもたらす電気的な利点と同様に、金属と上層の半導体との間の相互作用がしばしば存在し、これは利用され得る。金属と半導体との間の界面（及び任意の介在界面）が、欠陥が少なく、高品質である場合、これらの相互作用は、例えばＲＦフィルターにおいて、より有用である。加えて、エピタキシャル金属は、高い膜品質を維持しながら、スパッタリング金属よりも薄くされ得る。これは、一部において、エピタキシャル界面がより高品質であるためであり、そして層が薄くなると、界面は、材料全体のより大きい部分になる。したがって、厚い膜は不十分な品質の界面に影響を受けることは少なく、そしてその特性はバルク材料特性によって支配されるが、薄膜の特性は界面特性によって支配される。したがって、薄膜を堆積させる場合、高品質界面が重要である。
[0037] 加えて、エピタキシャル金属層は、層のエピタキシャルスタックの反射率を変更するために使用され得る。光放射が上部表面からであるデバイスに関しては、基材の方へ放射される光は、一般に、全出力に影響を受けないと考えられる。垂直キャビティ表面放射レーザー（ＶＣＳＥＬ）では、例えば、背後ミラーは、反射率＞９９．８％を有さなければならない。これを半導体材料のみによって達成することは困難である。
[0038] 図１８は、エピタキシャル金属電極を用いた場合と用いない場合の算出されたＤＢＲ反射率を示すグラフを示す。標準ＩＩＩ－窒化物ＤＢＲ下での結晶質希土類及び金属の添加によってピークの反射率が２％増加する。ＩＩＩ－窒化物材料は、第ＩＩＩ族種及び窒素を含む材料である。第ＩＩＩ族種は、周期表の第ＩＩＩ族の１つ以上の元素を含み得、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ及びＴｌが挙げられる。ＩＩＩ－窒化物層は、複数の第ＩＩＩ族元素を含む化合物であり得る。ＩＩＩ－窒化物層としては、ＧａＮなどの二元化合物、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）及びＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）などの三元化合物、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）などの四元化合物、及びＧａｘＩｎ１－ｘＡｓｙＳｂｚＮ１－ｙ－ｚ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）などの五元化合物を挙げることができる。ＩＩＩ－窒化物層は、ドナー又はアクセプタードーパントによって未ドープであるか、意図せずにドープされたか、又はドープされていてもよい。
[0039] 結晶質希土類酸化物（ＲＥＯ）エピタキシャル層は、シリコンなどの半導体基材上のエピタキシャル金属のテンプレートとして使用され得る。シリコン以外の基材も使用され得、例としては、ゲルマニウム、Ｓｉ－Ｇｅ合金、サファイヤ、二酸化ケイ素、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）及びシリコンオンセミコンダクター（ＳＯＳ）、上記の１つの上部層を有する基材、並びにいずれかの半導体基材が挙げられる。金属エピタキシーの目的に関して、結晶質ＲＥＯは、ＹＳＺに匹敵する優れた材料である。第一に、結晶質ＲＥＯと基材間との界面は、エピタキシャルプロセスの一部として設定される。希土類酸化物の適切な選択によって、結晶質ＲＥＯテンプレートはエピタキシャルに成長し得、二次相のない１００％（又はほぼ１００％）立方晶系である。全エピタキシャルスタックに有益である結晶質ＲＥＯの他のパラメーター及びプロセス特性は、いずれの寄生荷電も含まない酸化物－シリコン界面、ＹＳＺより高い密度（８．６～６．１ｇ／ｃｍ３）及びＹＳＺより５倍良好な熱伝導率である。エピタキシャル金属成長のテンプレートとして役立つことに加えて、結晶質ＲＥＯ層は、エピタキシャル金属層と下層の任意の基材との間の相互拡散を防ぎ得る。これは、例えば、望ましくない金属シリサイドの形成を防ぐ（基材がシリコンである場合）。
[0040] 図１は、例示的な実施形態による層状構造４００を示す例図を示す。構造１００は、基材１０２、基材１０２上方で成長したＲＥＯ層１０４、ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長した金属層１０６、及び金属層１０６上方でエピタキシャルに成長した半導体層１０８を含む。ＲＥＯ層１０４の厚さはｔｏｘとして定義される。典型的に酸化物の厚さは０≦ｔｏｘ≦５００ｎｍとして定義され得る。図１中に示される層構造１００は、単一エピタキシャルプロセス、いずれかの分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）又は他の周知のエピタキシャル堆積技術のいずれかで製造され得る。プロセスの必要に応じて、材料を堆積させる堆積ツールは単一チェンバーであり得るか、又はプロセスの特定の部分が異なる相互接続チェンバー中で実行される周知のクラスターツールフォーマットのいずれかが使用され得るか、或いは複数の堆積ツールが使用されてもよい。結晶質ＲＥＯ層１０４は、１つ以上の構成エピタキシャル金属層を含み得るエピタキシャル金属層１０６のテンプレートである。半導体層１０８は、ＩＩＩ－窒化物材料、ＩＩＩ－Ｖ材料及び第ＩＶ族材料の１つ以上を含み得る。ＩＩＩ－Ｖ材料は、周期表の第ＩＩＩ族からの１つ以上の種（例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ及びＴｌ）並びに周期表の第Ｖ族からの１つ以上の種（例えばＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ及びＢｉ）を含む。ＩＩＩ－窒化物はＩＩＩ－Ｖ材料であり、第ＩＩＩ族からの種及び窒素を含む。ＩＩＩ－窒化物材料の例としては、ＧａＮ、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）及び／又はＡｌＮが含まれる。他のＩＩＩ－Ｖ材料の例としては、１つ以上のＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどが含まれる。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層１０４の酸素対金属比は１～２の範囲である。いくつかの実施形態において、ＲＥＯ層１０４の酸素対金属比は１．４～１．６の間であり得る。
[0041] 図１の層構造１００は、シリコン基材などの基材１０２上方で成長し得る。フィルター中の半導体材料がエピタキシャルである場合、それは、フィルター上で成長し得る追加的な半導体元素（必ずしも直接フィルターに電気的に連結していなくてもよい）の集積化に向く。例えば、トランジスタ（その例としては、電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ及びヘテロ接合バイポーラトランジスタが含まれる）は、フィルター上方で成長し得、したがって、所与のシステムに関して必要とされるチップ領域は減少する。
[0042] 図２は、図１に示される構造を製造するための単一エピタキシャルプロセスを例示するプロセススキーム２００を示す。結晶質ＲＥＯ層１０４は、基材１０２上方でエピタキシャルに成長する。金属層１０６は、結晶質ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長する。半導体層１０８は、金属層１０６上方でエピタキシャルに成長する。いくつかの実施形態において、追加的な金属層２１０は、半導体層１０８上方でエピタキシャルに成長し得る。図２中に示される層のそれぞれは、１つ以上の副層を含み得る。各層の組成は、図３～１３中でより詳細に説明される。
[0043] 使用されるエピタキシャル金属は、希土類金属、或いはルテニウム又はモリブデンなどの金属、或いは以下の表１に列挙される他の代表的な金属であることが可能である。エピタキシャル金属層２１０のための金属元素を選択するために考慮される特性としては、抵抗、さらには層の光学及び音響特性を決定する密度、ヤング率及び屈折率が含まれる。表１に列挙されない他の金属も使用され得る。
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[0044] 例えば、基材１０２はシリコンから構成され得、ＲＥＯ層１０４は１．５の酸素対金属比を有する酸化エルビウム（ＥｒＯ１．５）から構成され得、そして第１の金属層１０６はモリブデン（Ｍｏ）から構成され得る。第１の半導体層は、ＡｌｘＳｃ１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）から構成され得る。基材１０２は、Ｓｉから構成される場合、＜１１１＞の結晶配向性を有し得、そして第１の金属層は、Ｍｏから構成される場合、＜１１０＞の結晶配向性を有し得る。この例において、ＲＥＯの酸素対金属比は１．４～１．６の範囲であり得る。
[0045] 別の例に関して、シリコンから構成される基材１０２は＜１００＞の配向性を有し得、ＥｒＯ１．５から構成されるＲＥＯ層１０４は＜１１０＞の結晶配向性を有し得、そして第１の金属層１０６は、Ｍｏから構成される場合、＜２１１＞の結晶配向性を有し得る。この例において、ＲＥＯの酸素対金属比は１．４～１．６の範囲であり得、そして半導体層１０８は様々な組成を有し得る。
[0046] 図３～５は、結晶質ＲＥＯ層１０４上方に複数のエピタキシャル金属層を含む構造を示す。図３～５中のエピタキシャル金属層は、複数の金属層を含み得る。複数の金属層は、例えば図３～４にあるように、１種の金属から別の種類の金属に段階的に変化する状態の積層体として、又は図５に示すような段階的変化として成長し得る。例証となる目的のためにのみ、２種類の金属層を図３～５中に示すが、２種より多くの金属層が、図３～５に示すものと同様の様式で、構造中に使用され得る。
[0047] 図３は、例示的な実施形態による層状構造３００を示す例図を示す。構造３００は、段階型構成で、ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長した第１の金属層３０２と、第１の金属層３０２上方でエピタキシャルに成長した第２の金属層３０４とを含む。いくつかの実施形態において、第１の金属層３０２及び第２の金属層３０４中の金属は同一であり得る。いくつかの実施形態において、第１の層３０２と第２の金属層３０４中の金属は異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、第１の金属層３０２及び第２の金属層３０４は同一の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１の金属層３０２は、第２の金属層３０４とは異なる厚さを有し得る。
[0048] 図４は、例示的な実施形態による層状構造４００を示す例図を示す。構造４００は、超格子型構成で、ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長した第１の金属（層４０２、４０６）及び第２の金属（層４０４、４０８）の複数の交互層を含む。いくつかの実施形態において、第１の金属層４０２、４０６及び第２の金属層４０４、４０８中の金属は同一であり得る。いくつかの実施形態において、第１の層４０２及び４０６中の金属並びに第２の層４０４及び４０６中の金属は異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、第１の金属層４０２、４０６及び第２の金属層４０４、４０８は同一の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１の金属層４０２、４０６は、第２の金属層４０４、４０８とは異なる厚さを有し得る。例証の目的のためだけに、２つの異なる種類の金属層の２つの繰り返しが図４に示されるが、異なる数の繰り返し（例えば、３、４、５など）が構造中に使用され得ることに留意されたい。
[0049] 図５は、例示的な実施形態による層状構造５００を示す例図を示す。構造５００は、ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長した金属層１０６を含み、金属層１０６は、第１の金属の第１の濃度及び第２の金属の第２の濃度が段階的構成で変更される第１の領域５０２及び第２の領域５０４を有する。図５中の第１及び第２の金属の第１及び第２の濃度のグレードは、線形（例えば、第１の金属から第２の金属への組成の線形変化）、及び超線形（例えば、より高い次数の多項式）、劣線形、又は段階的（例えば、材料組成の別々の変化）であり得る。いくつかの実施形態において、第１の濃度は、第１の領域５０２において第１の値、及び第２の領域５０４において第２の値を有し得る。第１の金属の濃度は、層１０６の厚さを横切って異なり得る。同様に、第２の金属の第２の濃度は、第１の領域５０２において第３の値、及び第２の領域５０４において第４の値を有し得る。第２の金属の濃度は、層１０６の厚さを横切って異なり得る。
[0050] 図３～５中に示される層構造３００～５００は、無線周波数（ＲＦ）フィルターに含まれ得る。エピタキシャル金属層１０６上方で成長した半導体層１０８は、結合電子機械共鳴器として作用するピエゾ電気材料であり得る。第１のエピタキシャル金属層（３０２、４０２）は、ＲＦフィルター用の第１の電極であり得、そして第２の金属層（３０４、４０４）は、ＲＦフィルター用の第２の電極であり得る。それらは、金属層上方での単結晶層（例えば半導体層）のその後の成長のテンプレートとして有用である単結晶構造を有する金属の高い伝導率を提供するので、エピタキシャル金属層は特にＲＦフィルター中の電極に関して有用である。それらは、より高いピエゾ電気係数、より狭い帯域幅及びより低い損失を提供するため、単結晶半導体層はＲＦフィルター中の半導体材料として有用である。部分的に、性能増加は、その後の膜のより高い品質をもたらす、エピタキシャル金属電極の品質及び結晶質レジストリによるものである。
[0051] 図３～５中に示される全ての構造は、光学デバイス中に含まれ得る。１つのそのような応用は、分布ブラッグ反射材（ＤＢＲ）におけるだろう。ＤＢＲに関して、１つの重大な考察されるべき点は、成分層の間の屈折率である。屈折率が異なるほど、必要とされるピリオドが少なくなり、そして停止帯域は広くなる。これは、全層スタックの厚さを減少して、それによって製造費用／複雑さを減少させる経路を提供する。例えば、半導体ＡｌＮ及びＧａＮを利用するＤＢＲにおいて、４２０ｎｍにおける屈折率のデルタは０．３４である。２つの材料がエピタキシャルＭｏ上方のＡｌＮに変更された場合、この差は０．８５まで増加するだろう。
[0052] 多くの光子デバイスにおいて、全ての光が、エピタキシャル表面に対して垂直に進行するわけではない。ＤＢＲが、屈折率のわずかな差のみを提供する半導体から構成される場合、入射角に対する反射率の強い依存がある。エピタキシャル金属層１０６のない層状構造１００と比較して、層状構造１００の反射率の性能の例を図１８～２０に示す。
[0053] 図６～８は、基材１０２上方に複数の結晶質のＲＥＯ層を含む構造を表す。図６及び７中のＲＥＯ層１０６は、複数のＲＥＯ層を含み得る。複数の希土類酸化物層は、例えば図６～７にあるように、１種のＲＥＯから別の種類のＲＥＯに段階的に変化する状態の積層体として、又は図８に示すような段階的変化として成長し得る。いくつかの実施形態において、基材１０２に隣接して配置される第１の最適のＲＥＯ、及び金属層１０６のエピタキシーを支持するために配置される第２の最適のＲＥＯがある例があり得る。例証となる目的のためにのみ、２種類のＲＥＯ層を図６～８中に示すが、２種より多くのＲＥＯ層が、図６～８に示すものと同様の様式で、構造中に使用され得る。
[0054] 図６は、段階型構成で、基材１０２上方でエピタキシャルに成長した第１のＲＥＯ層６０２と、第１の希土類酸化物層６０２上方でエピタキシャルに成長した希土類酸化物層６０４を含む、層構造６００を示す。いくつかの実施形態において、第１の希土類酸化物層６０２及び第２の希土類酸化物層６０４中の希土類金属は同一であり得る。いくつかの実施形態において、第１の希土類酸化物層６０２及び第２の希土類酸化物層６０４中の希土類金属は異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、第１のＲＥＯ層６０２と第２のＲＥＯ層６０４は、同一の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１のＲＥＯ層６０２は、第２のＲＥＯ層６０４とは異なる厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１の希土類金属は、第１の層６０２において第１の濃度、及び第２の層６０４において第２の濃度を有し得る。同様に、第２の希土類金属は、第１の層６０２において第３の濃度、及び第２の層６０４において第４の濃度を有し得る。いくつかの実施形態において、酸素の濃度は、第１の層６０２及び第２の層６０４中で異なっていてもよい。
[0055] 図７は、超格子型構成で、基材１０２上方でエピタキシャルに成長した第１のＲＥＯ（層７０２、７０６）及び第２のＲＥＯ（層７０４、７０８）の複数の交互層を含む層構造７００を示す。いくつかの実施形態において、第１のＲＥＯ層７０２、７０６及び第２の希土類金属酸化物層７０４、７０８中の希土類金属は同一であり得る。いくつかの実施形態において、第１の層７０２、７０６中の希土類金属及び第２の層７０４及び７０６中の希土類金属は異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、第１のＲＥＯ層７０２、７０６及び第２のＲＥＯ層７０４、７０８は、同一の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１のＲＥＯ層７０２、７０６は、第２のＲＥＯ層７０４及び７０８とは異なる厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第１の希土類金属は、層７０２において第１の濃度及び層７０４において第２の濃度を有し得る。同様に、第２の希土類金属は、層７０２において第３の濃度及び層７０４において第４の濃度を有し得る。いくつかの実施形態において、酸素の濃度は、層７０２及び層７０４において異なっていてもよい。例証の目的のためだけに、２つの異なる種類のＲＥＯ層の２つの繰り返しが図７に示されるが、異なる数の繰り返し（例えば、３、４、５など）が構造中に使用され得ることに留意されたい。
[0056] 図８は、例示的な実施形態による層状構造８００を示す例図を示す。構造８００は、基材１０２上方でエピタキシャルに成長したＲＥＯ層１０４を含み、ＲＥＯ層１０６は、第１の希土類金属の第１の濃度及び第２の希土類金属の第２の濃度が段階的構成で変更される第１の領域８０２及び第２の領域８０４を有する。図８中の第１及び第２の希土類金属の第１及び第２の濃度のグレードは、線形（例えば、第１の金属から第２の金属への組成の線形変化）、及び超線形（例えば、より高い次数の多項式）、劣線形、又は段階的（例えば、材料組成の別々の変化）であり得る。いくつかの実施形態において、第１の希土類金属の第１の濃度は、第１の領域８０２において第１の値、及び第２の領域８０４において第２の値を有し得る。第１の希土類金属の濃度は、層１０６の厚さを横切って異なり得る。同様に、第２の金属の第２の濃度は、第１の領域８０２において第３の値、及び第２の領域８０４において第４の値を有し得る。第２の金属の濃度は、層１０６の厚さを横切って異なり得る。
[0057] 図９は、例示的な実施形態による層状構造９００を示す例図を示す。構造８００は、半導体層１０８がＩＩＩ－窒化物層、特にＡｌ１－ｘＳｃｘＮ（０≦ｘ≦１）層であり、金属層１０６がＭｏ層であり、ＲＥＯ層１０４がＥｒ２Ｏ３層であり、そして基材１０２がＳｉ＜１１１＞基材である、図１に示される構造の一例を示す。図９に示される構造の他の例も可能であり、そして層のそれぞれが、図３～８に記載される１つ以上の副層を含み得る。
[0058] いくつかの実施形態において、図１に示す層状構造１００は、エピタキシャル金属層１０６と半導体１０８との間、又はＲＥＯ層１０４とエピタキシャル金属層１０６との間のいずれかに中間層を含むように変性され得る。そのような層の目的は、酸化物から金属、又は金属から半導体への移行の化学的又は結晶学的な工学技術を可能にすることである。化学工学は、半導体又は金属層の初期エピタキシャル堆積の間の半導体又は金属原子の核形成又は移動の奨励を含み得る。結晶工学は、金属と半導体層との間の結晶構造又は格子定数の移行の補助を含み得る。結晶構造の移行の例は、六方晶系型結晶構造から立方晶系型結晶構造への移行である。
[0059] 図１０は、例示的な実施形態による層状構造１０００を示す例図を示す。構造１０００は、結晶質ＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長した中間層１００２上方のエピタキシャル金属１０６を示す。いくつかの実施形態において、中間層１００２は、エピタキシャル金属層１０６中の金属と酸素との組合せによって製造された金属酸化物１００４であり得る。
[0060] 図１１は、例示的な実施形態による層状構造１１００を示す例図を示す。構造１１００は、ＲＥＯ層１０４上方のエピタキシャル金属層１０６、エピタキシャル金属層上方のエピタキシャル中間層１１０２及び中間層１１０２上方のエピタキシャル半導体層１０６を示す。いくつかの実施形態において、中間層は金属シリサイドから構成され得る。いくつかの実施形態において、中間層は金属窒化物１１０４から構成され得る。いくつかの実施形態において、中間層１１０２は、希土類窒化物、希土類ヒ化物及び希土類リン化物を一般に含む希土類プニクチド１１０６から構成され得る。いくつかの実施形態において、中間層１１０２は二次元（２Ｄ）電極１１０８から構成され得る。
[0061] いくつかの実施形態において、異なる組成／種類のより多くの半導体が他の半導体層１０８上方でエピタキシャルに成長し得る。いくつかの実施形態において、第２の金属は、半導体層上方で成長し得る。この実施形態に関して、最終エピタキシャルスタックの必要とされる特徴次第で、全体的なエピタキシャルプロセスの間に、上記された金属エピタキシースキームのいずれも利用され得、そして金属と半導体との間でエピタキシャルに成長した上記された中間層のいずれも使用可能である。半導体より上の層は、半導体より下の層と一致しなくてもよい。例えば、半導体より上の層は、半導体より下の層と同一であっても、又は異なってもよい。
[0062] いくつかの実施形態において、エピタキシャル金属層は半導体層１０８上方で成長し得る。いくつかの実施形態において、３つの可能なエピタキシャル中間層、金属シリサイド、金属窒化物及び希土類プニクチドは、半導体層１０８及びエピタキシャル金属層の間で成長し得る。半導体１０８上方でエピタキシャル金属層を成長させるという選択がなされた場合、上記の例の一部又は全部は、金属上方で別の半導体層をエピタキシャルに成長させる目的のために繰り返されてよい。
[0063] 図１２は、例示的な実施形態による層状構造１２０２及び１２０４のユニットから構成されるデバイスを示す例図を示す。構造１２００は、任意の中間層を伴って繰り返された金属／半導体構造の例を示す。図１２は、３つのユニットの層スタック１２０４を示す。層スタックは他の数のユニットを含み得るが、本明細書中、例証の目的のために３つが示される。各ユニットは同一であり得るか、又は層スタック中のユニットの１つ以上が異なってもよい。層状構造１２０２は、層スタック１２０４中の例示的ユニットを示す。この例示的ユニットは、第１のエピタキシャル金属層上方でエピタキシャルに成長した第１の中間層、第１の中間層上方でエピタキシャルに成長した半導体層１０８、半導体層上方でエピタキシャルに成長した第２の中間層、及び第２の中間層上方でエピタキシャルに成長した第２のエピタキシャル金属層を含有する。層スタック中のユニットのいずれも、第１及び第２の中間層を含まなくてもよく、又はその一方若しくは両方を含んでもよい。加えて、１つのユニット中の第２のエピタキシャル金属層は、上記ユニット中の第１のエピタキシャル金属層と同一であってもよい。ユニット中のエピタキシャル金属層の一方又は両方が、単一金属、段階的金属層、複数の副層を有する金属層及び／又は複数の金属層を有する超格子であってもよい。１２０４に示されるものなどの層スタックは、光子的応用において使用され得る。例えば、層スタックは、ＤＢＲなどの金属－半導体ミラーであり得る。
[0064] 図１３は、例示的な実施形態による層状構造１３０２、１３０４、１３０６を示す例図を示す。構造１３０２、１３０４及び１３０６は、実験施設内（ｅｘ－ｓｉｔｕ）処理及び／又はデバイス操作に下層を一致させるための最終エピタキシャル層の例を示す。これらには、限定されないが、１３０２に示されるように上層の金属層を酸化から保護するための金属シリサイドの使用、１３０４に示されるように伝導率を強化するためのグラフェン又は他の２Ｄ構造の添加、そして１３０６に示されるように下層のエピタキシャルスタックを電気的に絶縁するための誘電体又は絶縁体としての結晶質ＲＥＯ層の添加が含まれる。いくつかの実施形態において、第２のエピタキシャル金属層が、半導体１０８上方で成長した場合と同様にＲＥＯ層上方で成長し得る。これらの３つの最上層が単一層の実体として示されるが、そのような層の供給が本明細書中に示されない追加的な層を必要とし得ることが予想されることに留意されたい。
[0065] 図１４は、例示的な実施形態による層状構造１００への修正を示す例図を示す。構造１４０２は、半導体層１０８上方の第２のエピタキシャル金属層１４０４を示す。構造１４０６は、第２のエピタキシャル金属層１４０４上方で成長した第２の半導体層１４０８を示す。いくつかの実施形態において、第２のエピタキシャル金属層１４０４及び第２の半導体層１４０８の組合せは鏡であり得る。第２のエピタキシャル金属層１４０４より上の層は、追加的な機能性を供給するエピタキシーの次の相のテンプレートとして使用され得る。酸化物の成長は、部分１４０６を、その上方で部分１４０６が成長し得る層構造１００から電気的に単離し得る。
[0066] 図１５は、例示的な実施形態による層状構造１５００を示す例図を示す。構造１５００は、半導体１０８がスタック上方で成長する前にスタック１５０４を構築するためのＲＥＯ層１０４及びエピタキシャル金属層１０６の複数回の組合せ１５０２のための繰り返しパターンを示す。いくつかの実施形態において、部分１５０２は、スタック１５０４上方で半導体１０８が成長する前に１、２、３…２０…又は他のいずれの回数であってもよい。
[0067] 図１６は、例示的な実施形態による層状構造１６０２及び１６０６を示す例図を示す。構造１６０２は、成長が２Ｄではなく３Ｄであるように、反応器内にマスク、酸化物の表面上にパターン、又は金属化学作用の制御を組み込むことによって分割され得るエピタキシャル金属層１０６を示す。いくつかの実施形態において、半導体層１０８は、分割された金属層１０６上方で連続セグメントとして成長し得る。いくつかの実施形態において、半導体層１０８も、１６０６に示されるように、成長が２Ｄではなく３Ｄであるように、反応器内にマスク、酸化物の表面上にパターン、又は金属化学作用の制御を組み込むことによって分割され得る。いくつかの実施形態において、断片化した半導体層１０８上方で第２の金属層１６０４が成長し得、層１０８中の種々の半導体セグメントの間のキャビティ中で金属層１４０４が成長する。第２の金属層は、半導体層の種々のセグメント上方で成長し得る。いくつかの実施形態において、上流プロセスは第２の金属層金属に接近することが可能であり、追加プロセスステップ（例えば厚接触の電気メッキ）のためのテンプレート／種として使用することができる。いくつかの実施形態において、半導体層１０８は、金属上方で成長するか、又は酸化物上方で成長する場合、異なる機能を有し得る。
[0068] 図１７は、従来技術の実施形態による、種々の厚さの金属電極に関するＡｌＮ厚さの関数としての共振周波数を示す（全内容が参照によって組み込まれる、S. Tanifuji et al, Proceedings 2009 IEEE International Ultrasonic Symposium, p. 2170から）。ここで、結晶品質がない場合には、多結晶金属層中の欠陥及び粒界の増加効果により、厚さが減少すると抵抗が増加するため、結晶品質も重要である。
[0069] 図１９は、ＡｌＮ及びＧａＮの１１のピリオドからＤＢＲがどのように構成されるかを示すグラフを示す。入射角が増加すると、有効層厚は、より低い波長への停止帯域シフトをもたらし、このことは、いくつかの角度において、設計波長（本例において４５０ｎｍ）が中心停止帯域から外れることを意味する。
[0070] 金属（この場合、モリブデン）上方にＡｌＮを追加することによって、入射角に対するこの感受性はかなり減少する。
[0071] 図２０は、１１ピリオドのＡｌＮ－ＧａＮ ＤＢＲ、及びＭｏ上方のＡｌＮの単一ペア上で構成される１０ピリオドのＡｌＮ－ＧａＮ ＤＢＲの両方に関してプロットされる、４５０ｎｍにおける算出された反射率を示す。６０°の入射角において見られるように、エピタキシャル金属層の追加によって、３０％から６５％まで反射率が増加した。
[0072] エピタキシャル金属層は、より大きい粒径及びより少ない粒界をもたらし、これにより、粒界及び欠陥と関連する損失が有意になる前に、より薄い金属層が可能となる。追加的に、金属層と半導体との間の界面はクリーン且つ分離しており、その両方によって、多結晶／スパッタリングＤＢＲ構造物と比較して、半導体－金属ＤＢＲの損失が減少する。
[0073] 図２１は、例示的な実施形態による、層状構造１００を成長させるプロセス２１００のフローチャートである。このプロセスは、基材１０２が得られる２１０２から開始する。２１０４において、第１のＲＥＯ層１０４が基材１０２上方で成長する。２１０６において、第１の金属層１０６が第１のＲＥＯ層１０４上方でエピタキシャルに成長する。２１０８において、半導体層１０８が第１の金属層１０６上方でエピタキシャルに成長する。
[0074] ２１０２において、基材（例えば、図１中の基材１０２を参照のこと）が得られる。いくつかの実施形態において、基材は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）の群から選択される第ＩＶ族元素を含み、基材は、一例において、１０度までのミスカットで＜１００＞又は＜１１１＞の結晶配向性を有する。
[0075] ２１０４において、第１のＲＥＯ層（例えば、図１中のＲＥＯ層１０４を参照のこと）が第１の基材上方でエピタキシャルに成長する。
[0076] ２１０６において、第１の金属層（例えば、図１中の金属層１０６を参照のこと）が第１のＲＥＯ層上方でエピタキシャルに成長する。
[0077] ２１０８において、第１の半導体層（例えば、図１中の半導体層１０４を参照のこと）が第１の金属層上方でエピタキシャルに成長する。
[0078] 図２２Ａ～Ｃは、本明細書に記載される実施形態による、多孔質シリコン部分を含有するシリコン基材上で構築された金属電極の層状構造を示す例図を提供する。層状構造２２０１～２２０３に示されるように、基材１０２は多孔質部分１０２ａを有し得る。例えば、モノリシック基材であり得る基材１０２は、Ｓｉ、Ｇｅ、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）及びＳｉＧｅなどの１つ以上の第ＩＶ族元素を含み得る。多孔性部分１０２ａは、副層としての形態をとってもよい。２２０１～２２０３において、多孔性副層１０２ａの上面が層と直接接触するように、すなわち、基材１０２上方に多孔性副層１０２ａと他の層との間にいずれの移行層もないように、多孔性副層１０２ａは基材１０２の上部に位置してもよい。例えば、２２０１において、エピタキシャル金属層は多孔質副層１０２ａの直接上方にあり、半導体層１０８はエピタキシャル金属層１０６上方にある。２２０２において示される別の例において、任意の追加的な層、例えば半導体層１０８が多孔質副層１０２ａの直接上方にあってもよい。
[0079] ２２０３に示すように、基材１０２の多孔質部分は、例えば非連続的且つ非オーバーラップ多孔性部分１０２ａ及び１０２ｂによって、非連続的であり得る。例えば、多孔質部分の非連続性は全３つの寸法に延在し得、例えば、異なる多孔質部分が基材１０２中で２つの寸法で垂直に、又は水平に分布してもよい。別の例に関して、多孔質部分の異なる部分又は領域（例えば、１０２ａ／ｂ）は、異なる多孔性を有し得る。
[0080] 図２３Ａ～Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、エピタキシャル金属層を支持するための希土類酸化物層を用いて、図２２Ａ～Ｃに示される層状構造上に構築された層状構造を示す例図を提供する。２３０１及び２３０２に示すように、希土類酸化物層１０４は、基材１０２上方で成長又は堆積し得、その上方でエピタキシャル金属層１０６は成長又は堆積し得る。特に、２３０１において、例えば基材１０２の連続的副層の形態の移行層１０２ｃは、多孔性部分１０２ａと、多孔性シリコンを他の層に移行するために基材１０２上方で成長した又は堆積された任意の他の層（例えば、この例において、希土類酸化物層１０４）との間に位置する。移行層１０２ｃは５～１０ｎｍの厚さを有し得る。
[0081] 或いは、２３０２に示すように、移行層は多孔性副層１０２ａと希土類酸化物層１０４との間に存在しない。すなわち、希土類酸化物層１０４は、多孔質副層１０２ａ上方で直接的に成長するか、又は堆積される。
[0082] 図２４Ａ～Ｂ及び２５Ａ～Ｂは、本明細書に記載される実施形態による、基材中の多孔質部分の位置を画定するための、非連続的希土類酸化物領域を使用する層状構造を示す種々の例図を提供する。２４０１に示すように、希土類酸化物層は、例えば第１の領域１０４ａ及び第２の領域１０４ｂが互いに重ならない状態で非連続的パターンを有し得る。希土類酸化物層の非連続的領域１０４ａ～ｂは、格子、横列、縦列、点、環又は他の不規則な形状と類似の形状をとってよい。エピタキシャル金属層１０６は、非連続的領域１０４ａと１０４ｂとの間の空領域に位置し、囲まれている。或いは、エピタキシャル金属層１０６が位置する空領域は、希土類酸化物層の連続的部分によって包囲されることが可能である。
[0083] エピタキシャル金属層１０６は、基材１０２と直接接触する。第２の半導体層１０９は第１の半導体層１０８上方で成長するか、又は堆積され得、そして別の希土類酸化物層１１２は第２の半導体層１０８上方で成長するか、又は堆積される。
[0084] ２４０２に示すように、基材１０２は多孔質部分１０２ａを有し得る。多孔性部分１０２ａの境界線は、エピタキシャル金属層１０６の境界線と一直線に並ぶ。したがって、多孔性部分１０２ａのサイズも、希土類酸化物領域１０４ａと１０４ｂとの間の間隙又は空間に囲まれる。
[0085] ２５０１に示すように、非連続的希土類酸化物領域１０４ａ～ｂは、さらに第１の半導体層１０８を囲んでいてもよい。すなわち、第１の半導体層１０８はエピタキシャル金属層１０６上方で成長し得るか、又は堆積し得るが、非連続的希土類酸化物領域１０４ａ～ｂの間の空領域に囲まれていてもよい。
[0086] ２５０２に示すように、基材の多孔性部分１０２ａは、例えば、希土類酸化物領域１０４ａと１０４ｂとの間の空領域によって囲まれているエピタキシャル金属層１０６と一直線に並ぶ。
[0087] 多孔性部分１０２ａ、及び非連続的希土類酸化物領域１０４ａ～ｂの間の空領域が例証目的のためだけであることに注目する価値がある。いくつかの実施形態において、そのそれぞれが希土類酸化物層中のそれぞれの空領域と一直線に並ぶ、複数の非連続的多孔質部分が基材１０２中に存在することが可能である。希土類酸化物層中のそれぞれの空領域は、エピタキシャル金属層１０６（図２４Ａ～Ｂに示す通り）、又はエピタキシャル金属層１０６と半導体層１０８との組合せ（図２５Ａ～Ｂに示す通り）によって充填されてよい。層状構造が希土類酸化物層中に２つ以上の空領域を含む場合、空領域のサブセットはエピタキシャル金属層のみによって充填され得（図２４Ａ～Ｂに示す通り）、そして空領域の別のサブセットは金属と半導体の組合せによって充填され得る（図２５Ａ～Ｂに示す通り）。
[0088] 図２６は、本明細書に記載される実施形態による、間に連続的希土類酸化物層を有する基材の多孔質部分の境界を画定するエピタキシャル金属層を有する層状構造を示す例図を提供する。２６００において、連続的希土類酸化物層１０４は、基材１０２上方で成長するか、又は堆積される。エピタキシャル金属層１０６は、希土類酸化物層１０４上方で成長するか、又は堆積されるが、希土類酸化物層１０４より小さいサイズを有する。基材１０２の多孔質部分１０２ａは、間に連続的希土類酸化物層１０４が存在する状態で、エピタキシャル金属層１０６の境界線と一直線に並ぶ。
[0089] いくつかの実施形態において、第１の半導体層１０８はエピタキシャル金属層１０６上方で成長するか、又はその上方で堆積される。第１の半導体層１０８の一部分は、希土類酸化物層１０４と接触していてもよい。
[0090] いくつかの実施形態において、エピタキシャル金属層１０６は、希土類酸化物層１０４上方で分布する複数の非連続的領域を含み得る。複数の非連続的領域のそれぞれは、間に希土類酸化物層１０４が存在する状態で、基材１０２中のそれぞれの多孔質部分と一直線に並び得る。
[0091] 図２７は、本明細書に記載される実施形態による、複数の半導体を有する層状構造を示す例図を提供する。例えば、複数の半導体は、本明細書に記載されるいずれかの層状構造で使用され得る。図２７に示すように、半導体１０８、１０９及び１１０は互いの上方で成長し得るか、又は堆積し得るが、半導体１０８及び１０９はデバイス層を形成し得、そして半導体１０９及び１１０は別のデバイス層を形成し得る。例えば、デバイス層は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などであり得る。半導体１０８～１１０のいずれも、より安全な結合操作によって提供され得る。
[0092] 半導体の間の界面は、２層の半導体層１０８及び１０９又は１０９及び１１０を接続するための、追加の酸化物、金属又はその組合せを含み得る。例えば、図２７に示すように、希土類酸化物層１２４は、半導体１０９及び半導体１１０の間を接続し得る。別の例に関して、エピタキシャル金属層１２６は、半導体１０９及び半導体１１０の間を接続し得る。さらに別の例に関して、希土類酸化物層１２４及びエピタキシャル金属層１２６の組合せが半導体１０９及び半導体１１０の間を接続し得る。さらに別の例に関して、希土類酸化物層１２４ａ、エピタキシャル金属層１２６及び別の希土類酸化物層１２４ｂの組合せが半導体１０９及び半導体１１０の間を接続し得る。他の実施形態において、半導体１０９及び半導体１１０の間を接続するために、希土類酸化物層及びエピタキシャル金属層の組合せの繰り返しが使用されてもよい。上記の界面層のいずれも半導体１０８及び半導体１０９の間に同様に適用されてよい。
[0093] 本明細書に記載される成長及び／又は堆積は、化学気相成長（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハロゲン化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）及び／又は物理気相成長（ＰＶＤ）の１つ以上を使用して実行されてよい。
[0094] 本明細書に記載されるように、層は表面を被覆する材料の実質的に均一な厚さを意味する。層は連続であることが可能であるか、又は不連続であることが可能である（すなわち、材料の領域の間で間隙を有する）。例えば、層は完全に、又は部分的に表面を被覆することが可能であるか、或いは、層（すなわち、選択的領域エピタキシーを使用して形成される領域）を集合的に定義する、分離領域に分割されることが可能である。
[0095] モノリシックに集積化されたというのは、典型的に表面上に配置される層を堆積させることによって、基材の表面上に形成されることを意味する。
[0096] 配置とは、下層の材料又は層の「上に存在する」か、又は「上方にある」ことを意味する。この層は、適切な表面を確実にするために必要な、移行層などの中間層を含んでもよい。例えば、材料が「上に配置される」か、又は「基材の上方にある」と記載される場合、これは、（１）材料が基材と密接に接触していること；又は（２）材料が、基材上にある１つ以上の移行層と接触していることを意味する。
[0097] 単結晶は、単位格子の実質的に１種類のみを含む結晶質構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、積層欠陥、崩壊又は他の一般に生じる結晶質欠陥などのいくつかの結晶質欠陥を示すかもしれない。
[0098] 単一ドメインは、単位格子の実質的に１つのみの構造及び単位格子の実質的に１つのみの配向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、結合又は逆相領域を示さない。
[0099] 単相は、単結晶及び単一ドメインの両方である結晶質構造である。
[0100] 基材は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的な基材としては、限定されないが、ウエハーが単結晶シリコン又はゲルマニウムの均一な厚さを含むバルクゲルマニウムウエハー、バルクシリコンウエハー；バルクシリコンハンドルウエハー上に配置された二酸化ケイ素の層上に配置されたシリコンの層を含むシリコンオンインシュレーターウエハーなどの複合ウエハー；或いは多孔性ゲルマニウム、酸化物及びシリコン上方のゲルマニウム、シリコン上方のゲルマニウム、パターン化ゲルマニウム、ゲルマニウム上方のゲルマニウムスズなど；或いはその上又はその中にデバイスが形成される基層として機能するいずれかの他の材料が含まれる。基材層及びバルク基材として使用するために、応用機能として適切であるそのような他の材料の例としては、限定されないが、アルミナ、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、シリカ、二酸化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、パイレックス（pyrex：登録商標）及びサファイヤが含まれる。基材は、単一バルクウエハー又は複数の副層を有し得る。特に、基材（例えば、シリコン、ゲルマニウムなど）は複数の非連続的多孔質部分を含み得る。複数の非連続的多孔質部分は、異なる密度を有し得、そして水平に分布し得るか、又は垂直に層化し得る。
[0101] ミスカット基材は、基材の結晶構造に関連するものに対する角度で配向される表面結晶構造を含む基材を意味する。例えば、６°ミスカット＜１００＞シリコンウエハーは、＜１１０＞などの別の主要結晶配向性に向かって６°で、＜１００＞結晶配向性に対する角度で切断された＜１００＞シリコンウエハーを含む。典型的に、しかし必ずではないが、ミスカットは約２０°までである。特に示されない限り、「ミスカット基材」という句は、いずれかの主要結晶配向性を有するミスカットウエハーを含む。すなわち、＜１１１＞ウエハーは＜０１１＞方向に向かってミスカットし、＜１００＞ウエハーは＜１１０＞方向に向かってミスカットし、そして＜０１１＞ウエハーは＜００１＞方向に向かってミスカットする。
[0102] 半導体は、絶縁体とほとんどの金属との間の伝導性を有する任意の固体物質を指す。半導体層の例は、シリコンから構成される。半導体層は、単一バルクウエハー又は複数の副層を含み得る。特に、シリコン半導体層は、複数の非連続的多孔質部分を含み得る。複数の非連続的多孔質部分は、異なる密度を有し得、そして水平に分布し得るか、又は垂直に層化し得る。
[0103] セミコンダクターオンインシュレーターは、単結晶半導体層、単相誘電層及び基材を含み、誘電層は半導体層と基材との間に挿入される組成を意味する。この構造は、単結晶シリコン基材、非単相誘電層（例えば、非晶質二酸化ケイ素など）及び単結晶シリコン半導体層を典型的に含む、先行技術のシリコンオンインシュレーター（「ＳＯＩ」）組成を思い出させる。先行技術のＳＯＩウエハー及び本発明のセミコンダクターオンインシュレーター組成のいくつかの重要な相違点は、以下の通りである。
[0104] セミコンダクターオンインシュレーター組成は、単相モルフォロジーを有する誘電層を含むが、ＳＯＩウエハーは異なる。実際に、典型的なＳＯＩウエハーの絶縁体層は、単結晶でさえない。
[0105] セミコンダクターオンインシュレーター組成は、シリコン、ゲルマニウム又はシリコン－ゲルマニウム「活性」層を含むが、先行技術のＳＯＩウエハーはシリコン活性層を使用する。言い換えると、例示的なセミコンダクターオンインシュレーター組成は、限定されないが、以下：シリコンオンインシュレーター、ゲルマニウムオンインシュレーター及びシリコンゲルマニウムオンインシュレーターを含む。
[0106] 第２の層の「上に構成される」、「上」、又は「上方」と本明細書中に記載及び／又は示される第１の層は、第２の層に直接隣接していることが可能であるか、或いは１つ以上の介在層が第１及び第２の層の間に存在することが可能である。第２の層又は基材の「直接上」又は「直接上方」と本明細書中に記載及び／又は示される第１の層は、第１の層と第２の層又は基材との混合によって形成され得る可能な介在合金層以外の介在層が存在しない状態で、第２の層又は基材に直接隣接する。加えて、第２の層又は基材の「上」、「上方」、「直接上」、「直接上方」と本明細書中に記載及び／又は示される第１の層は、第２の層又は基材の全体を被覆し得るか、或いは第２の層又は基材の一部を被覆し得る。
[0107] 基材は、層成長の間、基材ホルダー上に配置され、そして上部表面又は上面が基材ホルダーから最も遠い基材又は層の表面であり、下部表面又は下面が基材ホルダーの最も近い基材又は層の表面である。本明細書に示され、且つ記載される構造のいずれも、示されるものの上及び／又は下に追加的な層を有する、より大きい構造の一部であることが可能である。明快さのために、本明細書の図は、これらの追加的な層を省略することができるが、これらの追加的な層は開示される構造の一部分であることが可能である。加えて、示される構造は、そのような繰り返しが図に示されないとしても、単位で繰り返されることが可能である。
[0108] 上記の説明から、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される概念を実施するために種々の技術が使用されてよいことは明らかである。記載された実施形態は、全ての点で、例証となるが制限的ではないものとして考慮される。本明細書に記載される技術及び構造は、本明細書に記載される特定の実施例に限定されないが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施例で実施されることが可能であることも理解されなければならない。同様に、図面中では操作が特定の順番で示されているが、所望の結果を達成するために、示される特定の順番で、又は連続した順番で、そのような操作が実行されること、或いは示された全ての操作が実行されることが必要であるとは理解されるべきではない。

Claims (20)

  1. 連続部分及び多孔質部分を有するモノリシック基材と、
    前記モノリシック基材の上方の第１のエピタキシャル金属層と、
    前記第１のエピタキシャル金属層の上方の第１の半導体層と
    を含む、層状構造。
  2. 前記モノリシック基材が、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）及びＳｉＧｅの群から選択される１つ以上の第ＩＶ族元素を含む、請求項１に記載の層状構造。
  3. 前記モノリシック基材が、前記多孔質部分と、前記モノリシック基材の直接上方にある第１の層との間の連続材料から構成される移行層を含む、請求項１に記載の層状構造。
  4. 前記多孔質部分が、間にいかなる移行層も含まないで前記モノリシック基材の直接上方にある層と隣接する、請求項１に記載の層状構造。
  5. 前記第１のエピタキシャル金属層が前記モノリシック基材の直接上方にあり、且つ前記第１のエピタキシャル金属層が前記モノリシック基材の前記多孔質部分と直接接触している、請求項１に記載の層状構造。
  6. 前記多孔質部分が、水平に、垂直に、又は別の次元で、異なる位置に分布される少なくとも第１の領域及び第２の領域を有し、且つ前記第１の領域及び前記第２の領域が異なる多孔性を有する、請求項１に記載の層状構造。
  7. 前記モノリシック基材と前記第１の金属層との間の第１の希土類酸化物層
    をさらに含む、請求項１に記載の層状構造。
  8. 前記第１の金属層が前記第１の希土類酸化物層の上面の一部分を被覆し、且つ前記第１の金属層が、間に前記第１の希土類酸化物層がある状態で、前記モノリシック基材の前記多孔質部分と一直線に並ぶ、請求項７に記載の層状構造。
  9. 前記第１の半導体層の上方の第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層の上方の第２の金属層と
    をさらに含む、請求項１に記載の層状構造。
  10. 前記モノリシック基材の上方にある非連続的希土類層をさらに含み、前記非連続的希土類酸化物層が、前記非連続的希土類酸化物層の他の部分の中で少なくとも空領域を有する、請求項１に記載の層状構造。
  11. 前記第１のエピタキシャル金属層が前記空領域中に充填される、請求項１０に記載の層状構造。
  12. 前記第１の半導体層が、前記第１のエピタキシャル金属層及び前記非連続的希土類酸化物層の前記他の部分によって充填される前記空領域の上方にあり、且つ前記層状構造が、前記第１の半導体層の上方にある第２の半導体層をさらに含む、請求項１１に記載の層状構造。
  13. 前記第１の半導体層が、前記空領域中、及び前記第１の金属エピタキシャル層の上方に位置し、且つ前記層状構造が、前記第１のエピタキシャル金属層の上部の前記第１の半導体層及び前記非連続的希土類酸化物層の前記他の部分によって充填される前記空領域の上方で第２の半導体層をさらに含む、請求項１０に記載の層状構造。
  14. 前記モノリシック基材の前記多孔質部分が、前記第１の金属層と一直線に並ぶ、請求項１１に記載の層状構造。
  15. 前記第１の半導体層の上方の第２の半導体層及び前記第２の半導体層の上方の第３の半導体層
    をさらに含む、請求項１に記載の層状構造。
  16. 前記第１の半導体と前記第２の半導体との間、又は前記第２の半導体層と第３の半導体層との間のインターフェースが、第１の希土類酸化物副層を含む、請求項１５に記載の層状構造。
  17. 前記インターフェースが、第１の希土類酸化物層の上方にエピタキシャル金属層をさらに含む、請求項１６に記載の層状構造。
  18. 前記インターフェースが、前記エピタキシャル金属層の上方に第２の希土類酸化物層をさらに含む、請求項１７に記載の層状構造。
  19. 前記第１の半導体と前記第２の半導体との間、又は前記第２の半導体層と第３の半導体層との間のインターフェースが、エピタキシャル金属層を含む、請求項１５に記載の層状構造。
  20. 前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層が第１のデバイス層を共同して形成し、且つ前記第２の半導体層及び前記第３の半導体層が第２のデバイス層を共同して形成する、請求項１５に記載の層状構造。
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