JP2023519262A - 高周波デバイスのための、圧電層を転写するのに使用できる圧電構造体を製造するための方法、及びそのような圧電層を転写するための方法 - Google Patents

Abstract

高周波デバイスのための圧電構造体（１０）を製造する方法であり、前記方法は、圧電材料からなる基板（２０）を準備するステップと、キャリア基板（１００）を準備するステップと、圧電材料からなる基板（２０）に誘電体接合層（１００１）を形成するステップと、圧電材料からなる基板（２０）をキャリア基板（１００）に誘電体接合層（１００１）を介して接合するステップ（１’）と、誘電体接合層（１００１）を介してキャリア基板（１００）に接合された圧電材料からなる層（２００）で構成される圧電構造体（１０）を形成する薄化ステップ（２’）と、を含むことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波デバイスのための、圧電層を転写するのに使用できる圧電構造体を製造するための方法、及びそのような圧電層を転写するための方法に関する。

共振器又はフィルタなどの高周波（ＲＦ）デバイスを、一般にシリコン又はサファイアなどの材料で作られたキャリア基板と、中間接合層と、圧電層とをそのベースから表面まで連続して含む基板上に製造することは、知られている手法である。

表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタは通常、圧電層と、前記圧電層の表面に堆積された２つのインターデジタル型金属コムの形の２つの電極とを備える。ＳＡＷフィルタの動作に応じて、圧電層の厚さは数十ナノメートルから数十μｍのオーダとすることができる。後者では、圧電層の厚さの中へ広がるとともに下のキャリア基板との界面で反射しやすい、寄生モードの伝搬がある。この現象は「ガタ」と呼ばれる。これらの寄生モードを回避するために、中間接合層との界面にある圧電層の表面を、寄生波を全方向に反射させるように十分に粗くする手法が知られている。共振器の企図される動作波長を考えると、圧電層の粗面の粗度は非常に大きく、動作波長（数μｍ）と同じ程度の大きさである。

圧電層は通常、圧電材料からなる厚い基板（例えばインゴットをスライスして得られる）をキャリア基板に転写することによって得られる。キャリア基板は、例えばシリコン基板である。

圧電層を転写することには、厚い圧電基板をキャリア基板に接合し、その後、ＲＦデバイスを製造するのに望ましい厚さの薄い圧電層だけをキャリア基板上に残すように、厚い圧電基板を薄くすることが必然的に伴う。

圧電基板とキャリア基板との良好な接着を得るために、酸化物（例えば、酸化ケイ素ＳｉＯ_２）からなる層が一般に、２つの基板のそれぞれに堆積され、前記基板同士が前記酸化物層を介して接合される。

一方、圧電材料及びキャリア基板の材料は熱膨張係数が非常に異なるので、このようなアニールを実施するとアセンブリが著しく変形することになる。

その一方で、厚い圧電基板に酸化膜を堆積させると前記圧電基板が大きくたわむが、こうしたことは、平坦な基板に対して設計されている後の工程の各ステップとは相容れない。

最後に、前述のように、ヘテロ構造体は、厚い圧電基板とハンドル基板との熱膨張係数が異なるために強化アニールを行うことができない。しかし、強化アニールがない状態では、２つの基板の酸化膜の結合エネルギーは、ドナー仮想基板の機械的強度が不十分であるような、非常に低いままである。その結果として、接合界面の破壊が、厚膜圧電基板を薄くするステップ中に発生することがある。

厚い圧電基板とキャリア基板との間の良好な接着を確保するには、厚い圧電基板が高レベルの粗度を有する場合に特に、現在の方法では、複数の酸化物層を堆積させた後に前記酸化物層を化学機械研磨（ＣＭＰ）するなどの、多数のステップを必要とし、前記酸化物層は、接合を不可能にする大幅なたわみを回避するために、厚い圧電基板の両面に交互に堆積される。

本発明は、高周波デバイスのための、圧電層を転写するためにも使用できる圧電構造体を製造するための方法、及びそのような圧電層を転写するための方法を提案することによって、従来技術のこれらの制約を克服することを目的とする。

本発明は、高周波デバイスのための圧電構造体を製造する方法に関し、前記方法は、圧電材料からなる基板を準備するステップと、キャリア基板を準備するステップと、圧電材料からなる基板に誘電体接合層を形成するステップと、圧電材料からなる基板をキャリア基板に誘電体接合層を介して接合するステップと、誘電体接合層を介してキャリア基板に接合された圧電材料からなる層で構成される圧電構造体を形成する薄化ステップとを含むことを特徴とする。

いくつかの実施形態において、誘電体接合層は、圧電材料からなる基板の上にプラズマ支援化学気相成長によって堆積された、酸化ケイ素からなる層を備える。

いくつかの実施形態において、接合ステップは、誘電体接合層とキャリア基板との間の分子接合を含む。

いくつかの実施形態において、圧電材料からなる基板は、高周波を反射するように設計された粗面を有する。

いくつかの実施形態において、誘電体接合層の厚さは２００ｎｍ～５００ｎｍの間にある。

いくつかの実施形態において、キャリア基板は、誘電体接合層に接合されることが意図されているトラップ層をさらに含む。

いくつかの実施形態において、トラップ層は多結晶シリコンである。

いくつかの実施形態において、トラップ層は、アルゴンなどの重い化学種を注入することによって得られる。

いくつかの実施形態において、薄化ステップ（２’）はエッチング及び／又は化学機械研磨を含む。

本発明はまた、圧電層を最終基板に転写する方法にも関し、この方法は、先の請求項のいずれか一項に記載の製造方法を実施することによって得られた圧電構造体を準備するステップと、圧電材料からなる層に弱化ゾーンを、転写されるべき圧電層の範囲を定めるように形成するステップと、最終基板を準備するステップと、圧電材料からなる層と最終基板とを接合するステップと、弱化ゾーンに沿って圧電構造体を破断及び分離することを含む脱離ステップとを含む。

いくつかの実施形態において、弱化ゾーンは、圧電材料からなる層に原子種を注入することによって形成される。

いくつかの実施形態において、最終基板及びキャリア基板は同一の膨張係数を有する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されよう。

本発明の１つの実施形態による製造工程と、本発明のこの実施形態による基板とを示す図である。 本発明の１つの実施形態による転写工程を示す図である。

図の見やすさを向上させるために、各層は必ずしも原寸に比例して示されていない。

図１は、好ましくはシリコン材料からなるキャリア基板１００を示し、この基板に、圧電材料からなる、好ましくは単結晶圧電材料からなる、さらに具体的にはタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウム材料からなる層２００が転写される。圧電材料２００からなる層に他の材料が想定されてもよい。転写される活性層２００はまた、強誘電体材料の、例えばＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＡｌＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＴｉＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３又はＫＴａＯ_３を含むこともできる。

この活性層を含むドナー基板は、標準サイズの、例えば直径が１５０ｍｍ又は２００ｍｍの円形ウェハの形を取ることができる。しかし、本発明は、これらの寸法又はこの形に何ら限定されない。ドナー基板は、強誘電体材料のインゴットから、ドナー基板が予め定められた結晶方位を有するようにして取られてもよく、又はドナー基板は、キャリア基板に接合された強誘電体材料からなる層を含んでもよい。転写される強誘電体材料からなる活性層の結晶方位は、意図された用途に応じて選ばれる。すなわち、材料のＬｉＴａＯ_３に関しては、特に、ＳＡＷフィルタを形成するために薄層の特性を利用したい場合には、３０°～６０°ＸＹ、又は４０°～５０°ＸＹの方位を選ぶのが慣例である。材料のＬｉＮｂＯ_３に関しては、約１２８°ＸＹの方位を選ぶのが慣例である。しかし、本発明は特定の結晶方位に決して限定されない。

ドナー基板の強誘電体材料がいかなる結晶方位であっても、この工程は、例えば、このドナー基板に水素及び／又はヘリウムの種（イオン及び／又は原子）を導入することを含む。この導入は、例えば、水素注入、すなわち、ドナー基板の平面の水素イオンボンバードメントに対応することができる。それ自体知られているように、注入されるイオンの目的は、転写されるべき強誘電体材料からなる、面側に位置する第１の層の範囲を定める弱化平面と、基板の残りの部分を形成する他の部分とを形成することである。注入される種の性質、量、及び注入されるイオンの種類、並びに注入エネルギーは、転写することが望まれる層の厚さと、ドナー基板の物理化学的性質とに応じて選ばれる。したがって、ＬｉＴａＯ_３で作られたドナー基板の場合では、約１０～２０００ｎｍの第１の層を画定するために、１×１０^１６～５×１０^１７原子／ｃｍ^２の水素量を３０～３００ｋｅＶのエネルギーで注入することを選ぶことが可能になる。

シリコン材料からなるキャリア基板１００はまた、圧電材料からなる層２００の圧電材料の熱膨張係数未満又は反対の熱膨張係数を有するサファイア材料、多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガラス、又は他の任意の材料からなるキャリア基板１００で置き換えられてもよい（本発明では、熱膨張係数は、対象の基板の主面と平行な平面における熱膨張係数である）。このようにして、キャリア基板１００は、圧電構造体１０がさらされる温度変化の間の圧電構造体の膨張を制限する補強材の役割を果たし、これにより、圧電材料からなる層２００の熱周波数係数、すなわち圧電材料からなる層２００中を伝播する波の周波数が温度によって変化する程度を低減することが可能になる。シリコンは、表面トラップ層の追加により生じるＲＦ印加に関して、電気的分離を可能にする機能を追加できるようにするので、特に好ましい。

シリコンを使用することには、３００ｍｍタイプの大規模設備に対して圧電材料膜の適用分野を開くというだけでなく、シリコン以外の外来材料、特にタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムを生産ラインで受け入れることに関する要求が高い、マイクロエレクトロニクス産業に適合もさせるという利点がある。したがって、ＳＡＷフィルタ及び／又はＢＡＷフィルタなどの、強誘電体からなる層さらには圧電材料からなる層で得られた、又は製造された構成要素を、トランジスタ、電力増幅器、さらにはネットワークスイッチなどの、シリコン基板で得られたか形成された部品と統合し、それによって、異なる種類の構成要素間の相互接続部の損失を低減し、複数の構成要素を統合しているそのようなシステムをより小型にすることを予見することもまた可能である。

図１は、圧電材料からなる基板２０を、好ましくはシリコン材料からなるキャリア基板１００に接合するための接合ステップ１’を概略的に示している。圧電材料からなる基板２０を好ましくはシリコン材料からなるキャリア基板１００に接合するための接合ステップ１’は、好ましくは分子接着ステップによって実施される。この分子接着ステップは、好ましくは室温における接着ステップを含み、接合界面の強化アニールが後に続いてもよい。

キャリア基板１００に接合されることが意図されている圧電材料基板２０の面に誘電体接合層１００１を形成することもまた、概略的に図示されている。非限定的に、このような誘電体接合層１００１を圧電材料２０の基板の単一の面に堆積することを想定することが可能である。すなわち、このような堆積は、３００℃以下の温度で実行することができる。一般に、誘電体接合層１００１の堆積温度は、圧電材料からなる基板２０と誘電体接合層１００１との熱膨張係数が異なることによって生じるたわみが、分子接合ステップとの適合が存続するように選ばれ、圧電材料からなる基板２０及び誘電体接合層１００１によって構成されるアセンブリが１００μｍ以下のたわみを有する。誘電体接合層１００１の厚さが考慮されなければならない。２００ｎｍ～５００ｎｍの想定された様々な厚さの範囲にわたって、３００℃以下の堆積温度で良好な結果が示される。たわみ（厚さが５００ｎｍの誘電体接合層１００１に対して８０～９０μｍ）が分子接合に適合する閾値（約１００μｍ）未満にとどまるだけでなく、誘電体接合層１００１の性質は、誘電体接合層１００１とキャリア基板１００との間に得られる結合エネルギーが改善されるようなものでもあることが判明した。別の実施形態では、誘電体材料からなる基板の２つの面に堆積させるべき誘電体接合層を、２つの誘電体層と圧電材料２０からなる基板とで構成されるアセンブリのたわみが上述の分子接合との適合が存続するように、同時に、又は連続して形成することができる。驚くべきことに、分子接合が誘電体接合層１００１とキャリア基板１００との間で、このキャリア基板１００に従来技術から知られているように存在する誘電体接合層が存在せずに、直接行われた場合には、接合エネルギーの値が高いことが判明した。したがって、結合エネルギーは、１Ｊ／ｍ^２を超える高い値に達し得る。これらのエネルギーは、薄化ステップ又は強化アニールステップなどの後続のステップ中に安定した機械的強度を与えるのに十分なだけ高い。

分子接着ステップは、好ましくは室温、すなわち約２０℃で実行される。しかし、この直接熱接合を２０℃～５０℃の温度で実行することも可能である。加えて、接合ステップは、有利には低圧で、すなわち５ミリトール以下の圧力で実行され（正確には１Ｔｏｒｒは１０１３２５／７６０パスカル、すなわち約１３３．３２２Ｐａ）、これにより接合界面を形成する面から水が脱離することが可能になる。真空下で接合ステップを実行すると、接合界面での水の脱離をさらに改善することが可能になる。

有利な実施形態では、圧電材料からなる基板２０は、高周波を反射するように設計された粗面を有する。本明細書では、「粗面」とは、粗度が、寄生波が全方向に反射できるようにするために、共振器又はフィルタの圧電層中を伝播することが意図されたＲＦ波の波長と同じ程度の大きさであり、それにより、寄生波が当の共振器又はフィルタの出力信号にもはや寄与しない表面のことを言う。本発明の文脈では、このような表面の粗度は、山から谷を測定して１．０～１．８μｍの間にある。この粗度を埋めるために、誘電体接合層１００１は、厚さが粗度を上回り、平坦性が化学的及び／又は機械的エッチングステップで得られる。

好ましくは、誘電体接合層１００１は、圧電材料からなる基板２０上に、好ましくはプラズマ支援化学的気相成長によって堆積された酸化ケイ素の層を含む。

別の実施形態によれば、誘電体接合層１００１は、酸化ケイ素からなる層、又は窒化ケイ素からなる層、又は窒化ケイ素と酸化ケイ素との組み合わせを含む層、又は酸化ケイ素からなる少なくとも１つの層と窒化ケイ素からなる１つの層との重ね合わせであり、好ましくはプラズマ支援化学的気相成長によって得られる。

有利な一実施形態では、圧電構造体の機械的強度を強化するために、接合界面強化アニールが実行される。強化アニールは通常、３００℃以下の温度で、数分から数時間までの様々な期間で行われる。誘電体接合層１００１が低い温度で堆積することによって形成される場合には、このアニールは、前記誘電体接合層１００１の堆積温度未満の温度で実行され、したがって、結合エネルギーを増大させることは、そのようなアニール中に何らかの不純物（水素など）が存在することと不純物の脱ガス及び結合界面に向けての移動とに起因する欠陥を結合界面で生じさせなくても可能になる。

図１に概略的に示されるように、圧電材料からなる基板２０を薄くする薄化ステップ２’が、この基板がキャリア基板１００に接合された後に続く。図１は、例えば化学的及び／又は機械的エッチング（研磨、研削、ミリングなど）によって実施されてもよい薄化ステップ２’を概略的に示している。このようにして、圧電材料からなる層２００を得ることができる。薄化ステップはまた、スマートカット（ＳｍａｒｔＣｕｔ）（商標）法を適用することから構成されてもよい。この方法は、図２に概略的に示されており、転写されるべき層に弱化ゾーンを、転写のために選ばれた基板の残りの層から転写されるべき層の範囲を定めるように形成すること、一般に分子接合によって、転写されるべき層が転写される先の受け基板を準備すること（転写されるべき層を受け基板に接合するステップ）、次に、弱化ゾーンに沿って破断及び分離し、それによって、受け基板に転写されるべき層を含むヘテロ構造体を形成することを含む脱離ステップ、を含む。薄化ステップは一般に３００℃未満の温度で、より詳細には室温で実施される。誘電体接合層１００１が低い温度で堆積することによって形成される場合には、薄化ステップは一般に、前記誘電体接合層１００１の堆積温度未満の温度で実施され、これにより、そのような薄化ステップ中に何らかの不純物（水素など）が存在することと不純物の脱ガス及び結合界面に向けての移動とに起因する、前述の欠陥が結合界面に存在しないようにすることが可能になる。

図２は、圧電層２００’を最終基板３００’に転写する工程の一実施形態を概略的に示し、この工程は、圧電構造体１０’（本発明がこの実施形態に限定されないことが理解されているとして、図１に概略的に示された工程を用いて得られる）を準備することと、圧電材料からなる層２００に弱化ゾーン０’’を、圧電材料からなる層２００の残りの層２０１から転写されるべき圧電層２００’の範囲を定めるように形成することと、最終基板３００’を準備することと、圧電材料からなる層２００を最終基板３００’に接合するステップと、弱化ゾーンに沿って圧電構造体１０’を破断及び分離し、それによって、圧電層２００’を最終基板３００’の上に含むヘテロ構造体３０’を形成することを含む、脱離ステップ２’’とを含む。脱離工程は３００℃未満の温度で、又は、誘電体接合層１００１が低い温度で堆積するによって形成される場合には、誘電体接合層１００１の堆積温度以下の温度で、好ましくは３００℃以下の温度で実施されることが好ましい。

圧電構造体１０’を好ましくはシリコン材料からなる最終基板３００’に接合するための接合ステップ１’’は、好ましくは分子接着ステップで実施される。この分子接着ステップは、好ましくは室温での接合ステップを含み、接合界面の強化アニールが後に続いてもよい。

図２に概略的に示された転写工程では、弱化ゾーン０’’は、圧電材料からなる層２００に原子種を注入することによって形成される。一般に、注入ステップ０’’は、水素イオンを用いて実施される。当業者によく知られている興味深い１つの代替形態には、水素イオンの全て又は一部をヘリウムイオンに置き換えることが含まれる。

タンタル酸リチウムの圧電材料からなる層２００の場合、水素注入量は通常、６×１０^１６ｃｍ^－２～１×１０^１７ｃｍ^－２になる。注入エネルギーは通常、５０～１７０ｋｅＶになる。したがって、脱離は通常、１５０℃～３００℃の温度で実施される。このようにして、１０ｎｍ～５００ｎｍ程度の厚さの圧電層２００’が得られる。

最終基板３００’及びキャリア基板１００は、有利なことに同一の、又は少なくとも非常に近接の熱膨張係数を有することができ、これにより、接合界面強化アニーリング中の機械的強度の向上及び変形の低減が可能になる。これら２つの基板は、場合によって存在することがある誘電体接合層又はトラップ層とは別に、実質的にシリコンで作られた同一の性質のものとしてもよい。後者には、同じ材料からなる最終基板３００’及びキャリア基板１００を有する「サンドイッチ」構造体の利点に著しく影響を及ぼすだけの十分な厚さがない。

脱離作業の直後に、追加の技術的ステップが、接合界面を強化すること、又は適切なレベルの粗度を回復すること、又は注入ステップ中に発生した欠陥がもしあれば修正すること（さもなければ、例えば、ＳＡＷ型デバイスの電極の形成などの他の工程ステップの再開のために表面を調製すること）を目的として、有利に追加される。これらのステップは、例えば、研磨、化学エッチング（ウェット又はドライ）、アニーリング、化学洗浄のステップである。これらのステップは、単独で、又は組み合わせて用いることができ、こうしたことは当業者であれば調整することが可能である。

有利な実施形態では、キャリア基板１００及び／又は最終基板３００’は、電気抵抗率が１ｋΩｃｍより大きいシリコン基板としてもよい。このキャリア基板１００及び／又は最終基板３００’はまた、接合されることが意図されているこのシリコン基板の表面に配置された電荷トラップ層を含むこともできる。このトラップ層は、ドープされていないポリシリコンを含んでもよい。いくつかの状況下では、特にトラップ層が十分な厚さ、例えば３０μｍを超える厚さを有する場合、シリコンベース基板は、１ｋΩｃｍ未満の標準抵抗率を有してもよい。一般に、転位、粒界、アモルファスゾーン、間隙、介在物、細孔などの構造上の欠陥があるのは非結晶層である。これらの構造欠陥は、材料中を流れやすい電荷のトラップを、例えば不完全な化学結合又はダングリング化学結合の部位に形成する。このようにして、伝導がトラップ層で妨げられ、その結果、高い抵抗率を示すことになる。有利なことに、実施を簡単にするという理由で、このトラップ層はポリシリコンからなる層によって形成される。その厚さは、特に、電気抵抗性のあるシリコンベース基板上に層が形成される場合には、０．３μｍ～３μｍとすることができる。しかし、この範囲を下回る、又は上回る他の厚さも、予期されるＲＦ性能のレベルに応じて、全く実施可能である。この層の多結晶特性を、キャリア基板１００又は最終基板３００’に施すことがある熱処理中に保持しようとするために、この基板上に、例えば二酸化ケイ素で作られた非晶質層を電荷トラップ層の堆積前に有利に設けることができる。或いは、トラップ層は、電気トラップを構成する構造欠陥を基板中に形成するために、ある表面厚さの基板にアルゴンなどの重い化学種を注入することによって形成することができる。この層はまた、ある表面厚さの基板を多孔化することによって形成することもできる。

Claims (12)

1. 高周波デバイスのための圧電構造体（１０）を製造する方法であって、前記方法が、圧電材料からなる基板（２０）を準備するステップと、キャリア基板（１００）を準備するステップと、圧電材料からなる前記基板（２０）に誘電体接合層（１００１）を形成するステップと、圧電材料からなる前記基板（２０）を前記キャリア基板（１００）に前記誘電体接合層（１００１）を介して接合するステップ（１’）と、前記誘電体接合層（１００１）を介してキャリア基板（１００）に接合された圧電材料からなる層（２００）で構成される前記圧電構造体（１０）を形成する薄化ステップ（２’）と、を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記誘電体接合層（１００１）が、圧電材料からなる前記基板（２０）の上にプラズマ支援化学気相成長によって堆積された、酸化ケイ素からなる層を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記接合ステップ（１’）が、前記誘電体接合層（１００１）と前記キャリア基板（１００）との間の分子接合ステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 圧電材料からなる前記基板（２０）が、高周波を反射するように設計された粗面を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記誘電体接合層（１００１）の厚さが２００ｎｍ～５００ｎｍの間にある、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記キャリア基板（１００）が、前記誘電体接合層（１００１）に接合されることが意図されているトラップ層をさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記トラップ層が多結晶シリコンである、請求項６に記載の方法。
8. 前記トラップ層が、アルゴンなどの重い化学種を注入することによって得られる、請求項６に記載の方法。
9. 前記薄化ステップ（２’）がエッチング及び／又は化学機械研磨を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 圧電層（２００’）を最終基板（３００’）に転写する方法であって、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法を実施することによって得られた圧電構造体（１０）を準備するステップと、圧電材料からなる前記層（２００）に弱化ゾーン（０’’）を、転写されるべき前記圧電層（２００’）の範囲を定めるように形成するステップと、最終基板（３００’）を準備するステップと、圧電材料からなる前記層（２００）及び前記最終基板（３００’）を接合するステップ（１’’）と、前記弱化ゾーンに沿って、前記圧電構造体（１０）を破断及び分離することを含む脱離ステップ（２’’）と、を含む、方法。
11. 前記弱化ゾーンが、圧電材料からなる層（２００）に原子種を注入することによって形成される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記最終基板（３００’）及び前記キャリア基板（１００）が同一の膨張係数を有する、請求項１０又は１１に記載の方法。

Images