TWI728130B - 用於射頻濾波器應用的磊晶 AlN/cREO 結構 - Google Patents

用於射頻濾波器應用的磊晶 AlN/cREO 結構 Download PDF

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Abstract

一種層結構，包括半導體層；在半導體層上的第一稀土氧化物層，其 中第一稀土氧化物層包括第一分立部分和第二分立部分；在第一稀土氧化物層上磊晶生長的金屬層，其中金屬層包括與第一分立部分的第一區域和第二分立部分的第二區域重疊的金屬部分；以及在金屬層上磊晶生長的III-N層，其中III-N層是晶體壓電層。

Description

用於射頻濾波器應用的磊晶AlN/cREO結構
本申請要求於2016年6月19日提交的美國臨時案申請號62/351,995的優先權，其全部內容透過引用合併於此。
對於行動通訊手持機應用來說，非常需要射頻(RF)濾波器來確保適當的頻率選擇性。隨著世界對更快、更高品質無線服務的愛好迅速增加，當前無線應用的頻譜變得非常擁擠。因此，濾波器的要求變得越來越嚴格。在某些情況下，RF濾波器必須能夠選擇緊鄰的頻率範圍。這對濾波技術提出了重大挑戰。
通常使用兩種一般類型的射頻濾波器：表面聲波(Surface Acoustic Wave,SAW)和體聲波(Bulk Acoustic Wave,BAW)。在體聲波濾波器中，通常有兩種類型：薄膜體聲波共振器(Film Bulk Acoustical Resonator,FBAR)和固嵌式共振器(Solidly Mounted Resonator,SMR)。表面聲波濾波器和體聲波濾波器都由耦合的機電共振器組成，這些共振器將電訊號轉換成所需共振頻率的聲波。選擇這些共振頻率以給出濾波器的期望的帶通頻率。
射頻濾波器的響應振幅以及濾波器的選擇性是射頻濾波器性能中的關鍵參數。因為射頻濾波器的共振頻率和共振響應取決於壓電材料的品質，所以在形成射頻濾波器的層中具有良好的晶體品質對於裝置性能是必要的。
這裡描述的系統和方法包括具有能夠提升射頻濾波器的性能的磊晶層的層結構。射頻濾波器疊層中的壓電層可以是結晶的以及磊晶的，所以，比起多晶的情況下，能夠更精確地控制它的厚度。
本案之系統和方法可以包括層結構，其包括半導體層，半導體層上的第一稀土氧化物層，其中第一稀土氧化物層包括第一分立部分和第二分立部分，金屬層磊晶生長在第一稀土氧化物層上，其中金屬層包括與第一分立部分的第一區域和第二分立部分的第二區域重疊的金屬部分，以及在金屬層上磊晶生長的III-N層，其中，III-N層是結晶壓電層。
較佳地，在一些示例中，III-N層和金屬部分可以在第一分立部分和第二分立部分之上形成一橋接結構。較佳地，在一些實施例中，半導體層和III-N層可以是覆蓋層。較佳地，在一些實例中，第一稀土氧化物層還可以包括第三分立部分，並且其中附加層被設置於第一稀土氧化物層的第三分立部分與III-N層之間。較佳地，在一些示例中，金屬層可以不包括生長在第三分立部分上的任何金屬。較佳地，在一些示例中，附加層可以是覆蓋層。較佳地，在一些實施例中，附加層可以包括第二稀土氧化物層。較佳地，在一些示例中，附加層可以包括稀土氮化物、稀土矽化物和III-O中的至少一種，並且其中附加層提高層結構的導電性。
較佳地，在一些實例中，III-N層的至少一部分可以使用磊晶側向生長(ELOG)來生長。較佳地，在一些示例中，氧化矽層可以位於半導體層和第一稀土氧化物層之間。較佳地，在一些示例中，III-N層可以包括AlN、Al、Ga和In中的一種或多種。較佳地，在一些示例中，III-N層可以包括AlN和稀土金屬的合金。較佳地，在一些實例中，額外的稀土氧化物層可以在III-N層上磊晶生長。較佳地，在一些示例中，可以在III-N層上生長一層ScN。較佳地，在一些示例中，可以在ScN層上生長一層III-V層。
100、1010、1020、1030:層結構
102、602、702、802、1002:基板
104、1008a、1008b:空隙
106、810a、810b、1006a、1006b、1108a、1108b、1408a、1408b:金屬層
108:壓電層
202:模板
204、304、404、408、504、506:AlN
206、306:柱體
302、502:cREO
604a:光罩材料部分
604b:光罩材料部分
606、610:間隙
608a、608b、608c、704a、704b、704c、808a、808b、808c、808d、808e、808f、1004a、1004b、1004c、1104a、1104b、1104c、1304a、1304b、1304c:cREO島狀區
612a、612b、612c:導電層
912:稀土氮化物層
1022a、1022b、1022c:III-N材料
1106:附加層
1110、1032、1208、1314:III-N層
1112:層體
1202、1302、1402:矽基板
1210、1310、1410:疊層
1206a、1206b、1206c、1404a、1404b、1404c:cREO層
1204a、1204b、1204c、1306a、1306b、1306c:氧化矽層
1212a、1212b、1312a、1312b:金屬沉積層部分
1308a:第二cREO層
1406:矽層
1412:分立磊晶層
1004:第一稀土氧化物層
結合所附圖式考量下面的詳細描述，本案的上述部分和其它特徵將更加容易明白，其中：第1圖係繪示根據習知技術的薄膜體聲波共振器(FBAR)技術的示意圖；第2圖係繪示根據習知技術在模板上的AlN的濺鍍生長的示意圖；第3圖係繪示根據習知技術在模板上的AlN的濺鍍生長的示意圖；第4圖係繪示根據習知技術在模板上的AlN的濺鍍生長的示意圖；第5圖係繪示根據說明性實施例在模板上的AlN的濺鍍生長的示意圖；第6圖係繪示根據說明性實施例在基板上的cREO島狀區的示意圖；第7圖係繪示根據說明性實施例具有cREO島狀區的基板的俯視圖； 第8圖係繪示根據說明性實施例在基板上生長的cREO島狀區上的金屬沉積的示意圖；第9圖係繪示根據說明性實施例在基板上生長的cREO的島狀區上的金屬沉積和稀土氮化物沉積的示意圖；第10圖係繪示根據說明性實施例在基板上生長的cREO的島狀區上的金屬沉積之上的III-N層的示意圖；第11圖係繪示根據示例性實施例在基板上生長的cREO的島狀區上的金屬沉積之上的III-N層上的附加層的示意圖；第12圖係繪示根據說明性實施例在基底矽基板上方的氧化矽附加層的示意圖；第13圖係繪示根據說明性實施例夾在兩個cREO層之間的氧化矽層的示意圖；第14圖係繪示根據說明性實施例在矽基板上生長的cREO島狀區上的矽附加層的示意圖；以及第15圖係繪示根據說明性實施例用於生長第10圖所示的層結構的方法的流程圖。
在下面的描述中，為了解釋的目的闡述了許多細節。然而，本領域的普通技術人員將理解到，可以在不使用這些具體細節的情況下實踐這裡描述的實施例。在其它情況下，眾所周知的結構和裝置以方塊圖形式繪示，以避免因為描述不必要的細節而難以理解。
這裡描述的系統、裝置和方法尤其指具有實現更好的射頻濾波器性能的磊晶層的層結構。
RF濾波器疊層中的壓電層可以是結晶的和磊晶的，所以它的厚度可以比多晶的情況下更精確地控制。具體而言，隨著層厚度的減小，與其他沉積方法相比，磊晶使得厚度的控制得到提升。RF濾波器可以使用某些效能指標(Figures of Merit,FOM)如品質因數(Q)或有效耦合係數(K2)進行評估。高品質界面可以為RF濾波器帶來高Q值。Q是材料的機械損耗的量度，並與濾波器插入損耗直接相關。K2是壓電耦合有效性的量度，對於決定濾波器的帶寬至關重要。高Q界面的特性包括低缺陷水平、急劇的轉變和低粗糙度。由於這裡描述的壓電層是磊晶的和結晶的，所以塊狀(bulk)壓電材料的品質也更高。Q是壓電材料的特性和品質以及壓電介質和基板之間的隔離有效性的函數。此外，製造RF濾波器疊層和接觸層晶體使得它們能夠被用作用於後續磊晶生長附加層的模板，例如可用於覆蓋裝置的III族氮化物層。
當前用於RF濾波器的最普遍的技術是結合III-N壓電濾波器介質的FBAR濾波器，其中最常見的是沉積在金屬膜上的濺鍍AlN膜。金屬膜在單獨的製程步驟中沉積在矽基板上。FBAR射頻濾波器結構的關鍵部分是薄膜區域的最終製造，其中AlN金屬在兩側透過空氣界定，如第1圖中示意性所示。本案提供了超越當前技術的多個優點，包括優異的厚度控制、優異的界面品質、優異的整體AlN品質、降低的接觸損耗以及增加的整合潛力。
第1圖繪示了根據現有技術包括用於RF濾波器的層的層結構100。層結構100包括基板102、在基板102之上的金屬層106以及在金屬層106上的磊晶壓電層108。層結構100包括空隙104。空隙104的一個功能是增加FBAR中的隔音。
磊晶壓電層108可以是呈現壓電響應的任何III-N材料，其中III-N材料包括Al、In和Ga的合金或這些元素的任何組合。在一些實施例中，壓電層可以包括摻雜的III-N合金或稀土III-N合金(IIIxRE1-xN)，其中稀土元素(RE)包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)。基板102可以是單晶、多孔或多孔和晶體的組合中的任何一種，並且可以是摻雜的或不摻雜的，並且具有包括在軸上或軸外的<111>、<110>或<100>的任何晶體取向。本文公開的任何基板可以是SOI型基板。磊晶壓電層108的厚度可以基於下面的式1來選擇，式1定義了頻率、穿過層的聲速和厚度之間的關係。
fr=vs/(2 * tf) [1]其中，fr是頻率，vs是通過壓電層的聲速，t是壓電層厚度。
頻率fr可以是大約2.4GHz、大約2.3-2.7GHz之間、大約2-3GHz之間、大約1-4GHz之間以及1-28GHz之間。厚度可以是大約1μm、大約0.5-1.5μm之間、大約1-10μm之間。在一些實施例中，壓電層的厚度可以適應高達28GHz的頻率。
由於磊晶壓電層108是晶體和磊晶的，所以可以比多晶的更精確地控制其厚度。具體而言，隨著層厚度的減小，與其他沉積方法相比，磊晶使得厚度控制得更好。
與壓電層為多晶的情況相比，磊晶壓電層108與相鄰層具有更高品質的界面。高品質的界面可能導致RF濾波器的高Q值。高品質界面的特點包括低缺陷水平、敏捷的轉換和低粗糙度。
由於壓電層108是磊晶和結晶的，所以塊狀壓電材料的品質更高。導致了Q和K2值的增加，使得RF濾波器的性能得到改善。
第2-4圖繪示了習知技術中描述AlN作為以濺鍍沉積生長AlN的模板在柱狀維度的變化。
第2圖繪示了在模板202上生長AlN 204的示意圖200。在一些實施例中，模板202包括如本文所述的矽和金屬。以濺鍍沉積在模板202上生長AlN 204得到了在模板202上單晶AlN的各個柱體206。
第3圖繪示了說明AlN 304在cREO 302上生長的示意圖300。術語cREO用於表示結晶稀土氧化物和結晶稀土氧氮化物。從模板202到cREO302的變化顯示在使用與第2圖中相同的濺鍍沉積方法時，在cREO302上生長AlN304時產生的柱狀尺寸306的增加。
第4圖繪示了沉積在cREO上以形成新模板的單晶AlN 404薄層的示意圖400。隨後在AlN 404上隨時(非原位沉積，離開沉積腔之後)沉積其他的AlN。與第2和3圖相比，在新的模板上生長的AlN 408的柱狀尺寸進一步增加了。
在第2-4圖中描述的模板上以濺鍍沉積生成AlN層無法在Si基板上沉積夠厚的磊晶連續塊狀AlN層，且由於AlN厚層中的應變鬆弛而產生嚴重的晶片彎曲/翹曲和隨後的破裂。透過本案排除了這些缺陷，這為在SEMI標準基板上利用磊晶沉積AlN的益處提供了實用、實際的途徑。此外，與現有技術相比，本案提供了多個優點，包括優異的厚度控制、優異的界面品質、優異的塊體AlN品質、降低的接觸損耗以及提高的整合度。
第5圖繪示了根據說明性實施例在模板上的連續塊狀AlN結晶層的示意圖500。示意圖500繪示了在cREO 502上生長的一層單晶AlN 504以形成模板。示意圖500繪示了額外的AlN層506，其特徵是在生長/沉積厚度(即位於單 晶AlN層上的AlN部分)內的一些材料性質變化。在一些實施例中，模板包括單晶成核區域和塊體AlN區域。因此，cREO/單晶III-N層形成用於額外生長/沉積用於RF濾波器的足夠厚的III-N材料層的模板。層體504和層體506可以包括相同或不同的材料，例如In、Al、Ga或稀土材料。在一些實施例中，層體504的材料可以與層體506的材料不同。相較於測量層體506的材料的半高寬(FWHM)，層體504的材料的半高寬量測將具有如同以X射線量測的窄半高寬。
第6圖繪示了根據說明性實施例在基板602上生長的cREO島狀區的示意圖。示意圖600的左側繪示了基板602的表面上的光罩材料部分604a和604b，以限定用於生長cREO的分立部分而期望的間隙606。為了本案的目的，cREO的分立部分或分立區域也可以被稱為cREO島狀區。在示意圖600的中間部分，在間隙606中生長一層cREO，並移除了光罩材料部分604a和604b，留下被間隙610分開的cREO島狀區608a，608b和608c。在一些實施例中，根據裝置的需要，光罩材料可以根據需要以特定方式設置以生長cREO島狀區。在示意圖600的右側中，導電層612a、612b和612c生長在cREO島狀區上，並且在不存在cREO島狀區(例如，在間隙610內)的情況下不生長。在一些實施例中，導電層包括III-O材料，例如In2O3或稀土氮化物或稀土矽化物。這在於2017年3月16日提交的PCT申請號PCT/US2017/22821和於2016年9月22日提交的美國臨時申請案62/398,416中描述，其全部內容通過引用結合於此。在一些實施例中，基板602是如上所描述的矽。
第7圖繪示了根據說明性實施例具有cREO島狀區的基板的俯視示意圖。示意圖700繪示了基板702上的cREO島狀區(例如，cREO島狀區704a，704b和704c，概括稱為cREO島狀區704)。cREO島狀區704的生長相對於第6圖有更詳細地描述。在第7圖中，繪示了十二個cREO島狀區704，其中幾個具有彼此不同的尺寸。通常，各種cREO島狀區704的尺寸可以彼此不同或彼此相同。 如第7圖所示，各個島狀區cREO 704a、704b和704c的尺寸是不同的，但是人們將會理解，cREO 704的島狀區可以具有相同或相似的形狀和尺寸，或不同的形狀和尺寸，而不偏離本案的範疇。在一些實施例中，取決於確切的裝置需求，具有不同形狀的cREO島狀區704或cREO島狀區704之間的不同間隙可以是較佳的。在一些實施方案中，基板上的cREO島狀區的層僅代表包括個別的材料分立部分的其他層下面的一層。一般來說，其他層可以包含在cREO島狀區之上的結構中。在這種情況下，cREO島狀區上面的層可能只包括沉積在cREO島狀區頂部上的材料的分立部分，而不是其他地方。跨越不同的cREO島狀區，沉積在cREO島狀區頂部上的材料的分立部分可以是相同的或不同的，其中相同或不同的材料可以位於結構的頂部表面。在一些實施例中，cREO島狀區的層上方的層體形成了連接不同的cREO島狀區的橋接結構。
第8圖繪示了根據說明性實施例在基板上生長的cREO島狀區上的金屬沉積的示意圖。示意圖800繪示了具有四個cREO島狀區808a、808b、808c和808d的基板802。金屬層810a沉積在cREO島狀區上，使得金屬層與分立的cREO島狀區(808a、808b、808c和808d)的部分相重疊。儘管在第8圖中繪示了金屬部分810a疊在四個不同的cREO島狀區上，金屬部分通常可以疊在任何適當數量的cREO島狀區上。如在第8圖的左側示意圖中所示，金屬層810a具有尺寸“p”和“q”。尺寸“p”表示金屬層810a與cREO島狀區808c之間重疊的量的尺寸(例如，第8圖的左側示意圖中的豎直維度)(其可以是物理尺寸、百分比或分數)。類似地，尺寸“q”表示金屬層810a與cREO島狀區808d重疊的量的尺寸(例如，第8圖的左側示意圖中的水平維度)(其可以是物理尺寸、百分比或分數)。在一些實施例中，cREO島狀區可具有多於一個金屬層的重疊沉積物。如第8圖所示，cREO島狀區808d具有重疊的沉積物金屬層810a和810b。金屬層810a和810b與cREO島狀區808d重疊的百分比可以不同。在一些實施例中，關於金屬層810a 和810b的沉積，“p”和“q”的值取決於磊晶材料是否有足夠的表面區域以支持沉積在金屬層810a和810b上的III-N層磊晶。在一些實施例中，根據金屬的機械特性，“p”和“q”的值代表充分的金屬層重疊以支持該金屬。
第9圖繪示了根據說明性實施例在基板上生長的cREO島狀區上的金屬沉積和稀土氮化物沉積的示意圖。第9圖類似於第8圖，除了第9圖還繪示了在cREO島狀區808f上的稀土氮化物層912。在一些實施方案中，可以在cREO島狀區上生長各種合金的層，這允許在基板上形成分立的濾波器元件，從而有可能整合多個基於磊晶的電路元件。在一些實施例中，稀土氮化物層可以是導電的。
在一些實施例中，具有如第8圖所示的覆蓋金屬模板810a和810b的cREO島狀區是用於額外的磊晶製程的起始模板。使用的磊晶類型可以包括側向磊晶生長技術(ELOG)。ELOG的一個關鍵方面是暴露的cREO表面提供了下一種材料生長的成核位置。在一些實施例中，ELOG被應用於在AlN的生長之後在cREO島狀區的暴露部分上額外生長cREO層。在一些實施例中，額外生長的cREO層不同於cREO島狀區808a、808b、808c、808d和808e。在一些實施例中，ELOG製程應用於為其導電性質而選擇的第二層的生長，例如稀土氮化物、稀土矽化物、III-氧化物或其任何合適的組合。
第10圖繪示了根據說明性實施例在基板上生長的cREO的島狀區上的金屬沉積之上的III-N層的示意圖。從第8圖的結構開始(複製為第10圖中的結構1010)，cREO島狀區1004a、1004b和1004c(通常為cREO島狀區1004)生長在基板1002之上，並且金屬部分1006a和1006b(通常為金屬部分1006)在cREO島狀區1004間形成橋接結構。空隙1008a和1008b(通常為空隙1008)增加了層結構1010中的隔音。在結構1020中，III-N材料1022a、1022b和1022c(通常為III-N材料1022)使用ELOG優先生長條件直接沉積在cREO島狀區1004的暴露表面 上。隨著III-N材料1022的生長，其初始優先沉積在cREO島狀區1004上方的分離部分中。隨著額外的III-N材料1022的生長，III-N材料1022a和1022b在金屬層1006a上延伸以接合在cREO島狀區1004a和1004b上形成III-N材料的單個接合層。類似地，III-N材料1022b和1022c在金屬層1006b上方延伸以在cREO島狀區1004b和1004c上接合並形成III-N材料的單個接合層。層結構1030繪示了使用ELOG優先生長條件在沉積在生長在基板1002上方的cREO島狀區1004a、1004b和1004c上的金屬沉積1006a和1006b上生長的III-N材料1032。在一些實施例中，基板1002可以是矽。
在一些實施例中，諸如AlN之類的III-N材料的壓電特性受到III-N材料的膜內的雙軸應力影響。由於第10圖中的層結構1032中的材料的熱膨脹係數的差異，在第10圖中的層結構1032的生長溫度下引入的應力可能影響最終的應力。在一些實施例中，透過在III-N層上生長一個或多個不同的層來平衡該應力。在一些實施例中，在III-N層上方生長一個或多個不同層以在矽基板上產生改良的III-N材料。在第11圖中更詳細地描述了可以在III-N層上生長的不同層。透過生長III-N層、裝置和製程的所述方法實現的較佳的厚度控制、界面品質和塊體品質可以透過在III-N層上生長不同的化合物來實現。
第11圖繪示了根據說明性實施例在基板上生長的cREO島狀區上的金屬沉積之上的III-N層上的附加層的示意圖。示意圖1100包括基板102，cREO島狀區1104a、1004b和1104c(通常為cREO島狀區1104)在基板102上生長。金屬層1108a和1108b(通常為金屬層1108)被沉積在cREO島狀區1104上方，使得金屬層1108形成連接cREO島狀區1104的橋接結構。使用如關於第10圖所描述的ELOG製程在cREO島狀區1104上生長附加層1106。在一些實施例中，附加層1106因其導電性質被選擇，例如稀土氮化物、稀土矽化物或III-氧化物。在附加層1106上方生長III-N層1110，並且在III-N層上方生長層體1112。在一些實施例中，層 體1112是分立的磊晶層。在一些實施例中，在用於形成壓電元件的III-N層1110的塊體內包含的分立的合金或具有摻雜的III-N的區域可以允許III-N層作為在適合於諸如開關、放大器、光電檢測器和發射器的其他裝置需求的III-N層1110上方生長層體1112的基礎。在一些實施例中，分立的磊晶層1112包括的材料諸如是單斜晶Gd2O3或ScN。在一些實施例中，ScN用於橋接在III-N層上的III-N層和III-V層之間的晶格常數以增強導電性。在2016年6月2日提交的PCT申請號PCT/US2017/035794中，提到了在N-N層和III-V層之間使用ScN作為緩衝層的詳細描述，其整體透過引用結合到本文中。
第12-14圖繪示了基板的變化的示意圖，第10圖中的層結構1030於其上可以生長。
第12圖繪示了根據說明性實施例在基礎矽基板上的附加氧化矽層的示意圖。疊層1210包括矽基板1202、cREO層1206a和位於矽基板1202和cREO層1206a之間的氧化矽層1204a。第12圖的右側繪示了疊層1210(分別由三個cREO島狀區1206a、1206b和1206c及其對應的氧化矽層1204a、1204b和1204c表示)的三個實施方式。通常，可以使用任何數量的cREO島狀區。III-N層1208生長在橋接cREO島狀區1206的金屬沉積層部分1212a和1212b之上。在一些實施例中，使用關於第10圖所描述的ELOG來生長III-N層1208。在一些實施例中，額外的氧化矽層可以向疊層1210提供額外的應力消除，而不損害支持ELOG製程的cREO層1206的晶體結構。在一些實施例中，氧化矽可用於濾波器下的RF開關(Enabler)。
第13圖繪示了根據說明性實施例夾在兩個cREO層之間的氧化矽層的示意圖。疊層1310包括矽基板1302、第一cREO層1304a、氧化矽層1306a和第二cREO層1308a。在一些實施例中，第一cREO層1304a和第二cREO層1308a可以由相同的材料構成。第13圖的右側繪示了疊層1310的三個實施方式(分別由三個cREO島狀區1304a、1304b和1304c及其對應的氧化矽層1306a、1306b和 1306c表示)。通常，可以使用任何數量的cREO島狀區。III-N層1314生長在橋接cREO島狀區1304的金屬沉積層部分1312a和1312b之上。在一些實施例中，III-N層1208以關於第10圖描述的ELOG來生長。
第14圖繪示了根據說明性實施例在矽基板上生長的cREO島狀區上的附加矽層的示意圖。疊層1410包括矽基板1402、cREO層1404a和矽層1406。第二矽層1406的存在對層結構提供了額外的功能及整合。第14圖的中間圖式繪示了疊層1410的三個實施方式(分別由三個cREO島狀區1404a、1404b和1404c及其對應的矽層1406來表示)。通常，可以使用任何數量的cREO島狀區。矽層1406接合在金屬層1408a和1408b上。第14圖的右側繪示了cREO島狀區1404a、1404b和1404c上的接合矽層1406。III-N層1412生長在橋接cREO島狀區1206的接合矽層1406上。在一些實施例中，層體1412可以是分立的磊晶層。在一些實施例中，分立磊晶層1412可以包括諸如單斜晶系Gd2O3或ScN之類的材料，其可以用作為其他層的基礎，以在該層上方生長得以創造其他裝置的層體。參見例如2016年11月2日提交的美國專利申請號15/342,045，在此透過引用將其全部內容併入本文。在一些實施例中，矽層1406可以為ELOG製程的開始提供更好的表面。在一些實施例中，矽層1406可以僅生長在cREO島狀區的一個子集上(例如，cREO島狀區1404a)。在這樣的實施例中，III-N層1412在矽上的生長可以是HEMT型結構。在一些實施例中，矽層1406可以是用於濾波器下的RF開關。
第15圖是根據說明性實施例生長層結構1030的製程1500的流程圖。當提供半導體層1002時，該過程開始於步驟1502。在步驟1504，該製程開始生長第一稀土氧化物層1004，其中第一稀土氧化物層包括第一分立部分1004a和第二分立部分1004b。在步驟1506，該製程磊晶生長金屬層1006，其中金屬層包括與第一分立部分1004a的第一區域和第二分立部分1004b的第二區域重疊的 金屬部分1006a。在步驟1508，該製程磊晶生長III-N層1032，其中III-N層是壓電層。
在步驟1502，提供半導體層1002。半導體1002層可以是在其上生長稀土氧化物層1004的矽基板。
在步驟1504，稀土氧化物層1004在第一半導體層1002上磊晶生長，其中第一稀土氧化物層1004包括第一分立部分1004a和第二分立部分1004b。在第6圖中詳細描述了在稀土氧化物層1004中生長分立部分1004a和1004b的過程。
在步驟1506，金屬層1006在稀土氧化物層1004上磊晶生長，其中金屬層1006包括與第一分立部分1004a的第一區域和第二分立部分1004b的第二區域重疊的金屬部分1006a。在一些實施例中，橋接第一分立部分1004a和1004b將最有可能在非原位處完成，並且使用標準沉積技術，例如搭配光阻劑進行光刻，以在金屬沉積初始時填充間隙。
在步驟1508，III-N層1032在金屬層1006上磊晶生長，其中III-N層1032是壓電層。在第10圖中詳細描述了III-N層1032的生長。
鑭系元素包括鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)。貫穿本案，應該理解，術語稀土元素或稀土金屬包括鈧和釔以及所有的鑭系元素。
可以使用化學氣相沉積(CVD)、有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、鹵化物氣相磊晶(HVPE)、脈衝雷射沉積(PLD)和/或物理氣相沉積(PVD)。
III族氮化物(III-N)材料是包含氮和一種或多種III族元素的半導體材料。用於形成III族氮化物材料的III族元素通常包括鋁、鎵和銦。III族氮化物材料具有大的直接能隙，使其得以用在高壓裝置、射頻裝置和光學裝置中。此外，因為多種III族元素可以在不同組成的單一III族氮化物膜中結合，所以III族氮化物膜的性質是高度可調的。
在一些實施例中，使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)來生長本文所述的層結構中使用的III-V族和III族氮化物材料。在MOCVD中，一種或多種III族前體與V族前體反應以在基板上沉積III族氮化物膜。一些III族前體包括作為鎵源的三甲基鎵(TMGa)、作為鋁源的三甲基鋁(TMA)和作為銦源的三甲基銦(TMI)。氨是可用作氮源的V族前體。叔丁基胂和胂是V族前體，可用作砷源。叔丁基膦和膦是V族前體，可用作磷源。
在一些實施例中，使用分子束磊晶(MBE)來生長本文所述層結構中使用的III-V族和III族氮化物材料。MBE是在高真空或超高真空中進行的單晶薄膜沉積的磊晶方法。在MBE中，精確的氣態原子或分子束在加熱的基板上被燒製。當分子落在基板表面時，它們會凝結並緩慢而系統地堆積在超薄層中。
如本文所述，層意味著具有基本上均勻厚度的表面覆蓋材料。層可以是連續的或不連續的(即，在材料的區域之間具有間隙)。例如，層可以完全覆蓋表面，或者被分割成共同限定該層(即，使用選擇性區域磊晶形成的區域)的分立區域、分立部分。一層也可以是一個覆蓋層，在一個指定的區域。層結構意味著一組層，並且可以是一個獨立結構或一個更大結構的一部分。
設置於上是指“存在於”下面的材料或層上。該層可以包括確保合適表面所必需的中間層，例如過渡層。例如，如果將材料描述為“設置在基板上”，則這可以意味著(1)材料與基板直接接觸；或(2)材料與位於基板上的一個或多個過渡層接觸。
單晶是指基本上僅包含一種類型的單元晶格的晶體結構。然而，單晶層可能表現出一些晶體缺陷，例如疊差、錯位或其他常見的晶體缺陷。
單域(或單晶)是指基本上僅包含一個單元晶格結構和基本上僅一個單元晶格取向的晶體結構。換句話說，單域晶體不具有孿晶或反相域。
單相意指既是單晶又是單域的晶體結構。
結晶是指基本上單晶和基本上單域的晶體結構。結晶度是指晶體結構是單晶和單域的程度。高度結晶的結構幾乎全部或完全是單晶和單域。
磊晶、磊晶生長和磊晶沉積是指晶體基板上晶體層的生長或沉積。結晶層被稱為磊晶層。
基板是指在其上形成沉積層的材料。示例性基板包括但不限於：體矽晶片，其中晶片包括均勻厚度的單晶矽；複合晶圓，諸如包括矽層的絕緣體上矽晶圓，在體矽操作晶圓上設置二氧化矽層，在二氧化矽層上設置上述矽層；或作為基底層且於其上或其中形成裝置的任何其他材料。適合作為應用的功能、用作基板層和體基板的這種其它材料的例子包括但不限於氮化鎵、碳化矽、氧化鎵、鍺、氧化鋁、砷化鎵、磷化銦、矽、二氧化矽、硼矽酸鹽玻璃、派熱克斯和藍寶石。
稀土磷酸鹽材料是含有一種或多種V族元素和一種、兩種或多種稀土(RE)元素的材料。稀土元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)、鈧(SC)和釔(Y)。
絕緣體上半導體是指包括單晶半導體層、單相介電層和基板的組合，其中介電層插入在半導體層和基板之間。該結構可以包括絕緣體上矽(“SOI”)組合物。
載體濃度是指每單位體積的主要載體的數量。
電荷載流子密度表示每個體積的電荷載流子的數量。
界面意指不同晶體半導體的兩個層或區域之間的表面。
絕緣體上半導體組合物包括但不限於矽、鍺或矽-鍺“主動”層。換句話說，示例性的絕緣體上半導體組合物包括但不限於：絕緣體上矽、絕緣體上鍺和絕緣體上矽鍺。在一些實施例中，可以使用的矽的各種結構例如是Si<100>、Si<110>、Si<111>。
本文描述和/或繪示為“在...上”或“在...之上”的第一層可緊鄰第二層，或者一個或多個中間層可位於第一層與第二層之間。描述和/或繪示為介於第一和第二層“之間”的中間層可以緊鄰第一和/或第二層，或者一個或多個另外的中間層可以介於中間層和第一和第二層之間。這裡描述和/或描述為“直接在”第二層或基板“上”或“直接在其上”的第一層緊鄰第二層或基板，不存在中間層，除了可能存在由第一層與第二層或基板的混合而形成的中間合金層。另外，本文中描述和/或繪示為在第二層或基板“上”、“之上”、“直接在......之上”或“直接在......之上”的第一層可覆蓋整個第二層或基板，或第二層或基底的一部分。
在層生長期間將基板放置在基板支架上，並且因此頂表面或上表面是距離基板支架最遠的基板或層的表面，而底表面或下表面是最靠近基板支架的基板或層。本文繪示和描述的任何結構可以是具有在所繪示的那些之上和/或之下的附加層的較大結構的一部分。為了清楚起見，這裡的圖可以省略這些附加層，儘管這些附加層可以是所公開的結構的一部分。此外，所繪示的結構可以以單元重複，即使未在所附圖式中繪示這些重複。
從以上描述中顯而易見的是，在不脫離本案的範圍的情況下，可以使用各種技術來實現這裡描述的概念。所描述的實施例在所有方面都被認為是說明性的而不是限制性的。還應該理解的是，本文描述的技術和結構不限於 在此描述的具體示例，而是可以在不脫離本案的範圍的情況下以其它示例來實現。類似地，儘管在所附圖式中以特定的順序描述了操作，但是這不應該被理解為要求以所示出的特定順序或順序執行這樣的操作，或者要執行所有示出的操作以實現期望的結果。另外，所描述的不同示例不是單個示例，並且來自一個示例的特徵可以被包括在其他公開示例中。因此，將理解，申請專利範圍不限於本文公開的示例，而是從上面提供的技術教導中理解，因為那些技術將教導本領域的技術人員。
802:基板
808a、808b、808c、808d、808e:cREO島狀區
810a、810b:金屬層

Claims (15)

  1. 一種層結構，其包括：一半導體層；一第一稀土氧化物層，係在該半導體層上，其中該第一稀土氧化物層包括一第一分立部分和一第二分立部分；一金屬層，係在該第一稀土氧化物層上磊晶生長，其中該金屬層包括與該第一分立部分的一第一區域和該第二分立部分的一第二區域重疊的一金屬部分；以及一III-N層，係磊晶生長在該金屬層上，其中該III-N層是結晶壓電層。
  2. 如請求項1所述之層結構，其中該III-N層和該金屬部分在該第一分立部分和該第二分立部分上形成一橋接結構。
  3. 如請求項1所述之層結構，其中，該半導體層和該III-N層是覆蓋層。
  4. 如請求項1所述之層結構，其中該第一稀土氧化物層還包括一第三分立部分，並且其中一附加層位於該第一稀土氧化物層的該第三分立部分與該III-N層之間。
  5. 如請求項4所述之層結構，其中該金屬層不包括在該第三分立部分上生長的任何金屬。
  6. 如請求項4至5中任一項所述之層結構，其中該附加層是覆蓋層。
  7. 如請求項4至5中任一項所述之層結構，其中該附加層包括一第二稀土氧化物層。
  8. 如請求項4至5中任一項所述之層結構，其中該附加層包括稀土氮化物、稀土矽化物和III-O中的至少一種，並且其中該附加層改善該層結構的導電性。
  9. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，其中該III-N層的至少一部分使用側向磊晶生長技術(ELOG)來生長。
  10. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，進一步包括位於該半導體層和該第一稀土氧化物層之間的一氧化矽層。
  11. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，其中該III-N層包括AlN、Al、Ga和In中的一種或多種。
  12. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，其中，該III-N層包括AlN和稀土金屬的合金。
  13. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，還包括在該III-N層上磊晶生長的一附加稀土氧化物層。
  14. 如請求項1至5中任一項所述之層結構，進一步包括在該III-N層上的一ScN層。
  15. 如請求項14所述之層結構，進一步包括該ScN層上的一III-V層。
TW106120330A 2016-06-19 2017-06-19 用於射頻濾波器應用的磊晶 AlN/cREO 結構 TWI728130B (zh)

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