TWI809653B - 應變補償稀土iii族氮化物異質結構 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種應變補償異質結構，該異質結構包括含有碳化矽材料之一基板；含有經形成於該基板之一頂部表面上之單晶氮化鋁材料之一第一磊晶層；經形成於與該基板之該頂部表面相對之該第一磊晶層上之一第二磊晶層，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；及經形成於與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上之一第三磊晶層，該第三層包括單晶氮化鋁材料。

Description

應變補償稀土III族氮化物異質結構
本發明係關於應變補償異質結構及併入該應變補償異質結構之聲波共振器。
由壓電材料製成之表面聲波共振器被廣泛應用於通信及定時應用。與諸如鈮酸鋰(LiNbO 3)等材料相比，歸因於氮化鋁(AlN)之高頻應用潛力，且歸因於其高表面相速度，氮化鋁(AlN)被用作器件材料。鈧合金氮化鋁(ScAlN) 可展現出高壓電係數，且適用於高機電耦合之聲表面波及體聲波(BAW)共振器。
然而，磊晶ScAlN BAW共振器之發展受到薄膜破裂困難之阻礙。歸因於應力/應變源之混合，諸如熱膨脹係數(CTE)差異；晶格參數失配(Δa)；及部分基板移除，理論上認為會發生破裂。
參考圖1，展示了一共振器堆疊之一示意圖及相關之晶格結構之一示意圖圖2。碳化矽(SiC)基板層A'塗覆有氮化鋁(AlN)層B'，氮化鋁(AlN)層B'塗覆有氮化鈧鋁(ScAlN)層C'。該示意圖繪示額外表面張力F T之存在，該表面張力F T明顯來自於在層A'、B'、C'中之晶格參數之差異，該等晶格參數分別與基板A'之部分移除有關，其中a SiC＜a AlN＜a ScAlN。如圖2中可看出，當在一單晶磊晶結構中成長時，晶格參數之差異導致在上部薄膜層B'及上部薄膜層C'上之額外壓縮力F C,1及F C,2。基板A具有一較小晶格常數。當在基板A'上形成上部薄膜層B'及上部薄膜層C'時，額外壓縮力F C,1及額外壓縮力F C,2作用在上部薄膜層B'及上部薄膜層C'上，因為該等上部薄膜層被下面的基板A'限制。歸因於來自成長之磊晶排列，上層B'、上層C'在形成期間壓縮。當基板A'材料在處理期間被移除時，限制力F C,1及限制力F C,2被部分地或完全地釋放。上部薄膜層B'、上部薄膜層C'膨脹，因為該等上部薄膜層不再受到基板限制力F C,1及基板限制力F C,2之限制。膨脹導致共振器薄膜之層B'、層C'之變形及/或破裂。當層B'及層C'之薄膜被彎曲時，上層C'表面在拉伸時變為應變的，下層B'表面在壓縮時變為應變的。若在層B'、層C'之間之應變梯度足夠大，則薄膜破裂。
所需要的係一個用於消除由在薄膜層之間之應變/應力而產生之問題之程序。
根據本發明，提供了一種應變補償異質結構，該異質結構包括含有碳化矽材料之一基板；含有經形成於該基板之一頂部表面上之單晶氮化鋁材料之一第一磊晶層；經形成於與該基板之該頂部表面相對之第一磊晶層上之一第二磊晶層，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；及經形成於與第一磊晶層相對之第二磊晶層上之一第三磊晶層，該第三層包括單晶氮化鋁材料。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含應變補償異質結構進一步包括獨立存在之應變補償異質結構，回應於自該基板之釋放。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含應變補償異質結構進一步包括獨立存在之應變補償異質結構，回應於自第一層蝕刻之基板。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含第一磊晶層及第二磊晶層包含一第一介面應變；且第三磊晶層及第二磊晶層包含等於第一介面應變之一第二介面應變。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含第一介面應變，其回應於在第一磊晶層與第二磊晶層之間之晶格參數值及/或熱膨脹系數值之一差異。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含第二介面應變，其回應於在第三磊晶層與第二磊晶層之間晶格參數值及/或熱膨脹系數值之一差異。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含第一磊晶層、經形成於第一磊晶層上之第二磊晶層及經形成於與第一磊晶層相對之第二磊晶層上之第三磊晶層包括一中性應力薄膜，回應於自基板之釋放。
根據本發明，提供了一種用於一體聲波共振器之多層薄膜結構，該多層薄膜結構包括具有一頂部表面之一可釋放基板；包括經形成於基板之頂部表面上之單晶氮化鋁材料之一第一磊晶層；經形成於與基板之頂部表面相對之第一磊晶層上之一第二磊晶層，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；及經形成於與第一磊晶層相對之第二磊晶層上之一第三磊晶層，該第三層包括單晶氮化鋁材料。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該薄膜結構進一步包括獨立存在之多層薄膜結構，回應於自第一磊晶層蝕刻之可釋放基板。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該多層薄膜結構包括一中性應力薄膜，回應於基板之釋放。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含第一磊晶層及第二磊晶層包括一第一介面應變；且第三磊晶層及第二磊晶層包括相對於第二磊晶層與第一介面應變相對之一第二介面應變。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該第一介面應變等於在第二磊晶層之相對側上之第二介面應變。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該多層薄膜結構包括具有一相等但相反的應變梯度之一懸浮薄膜，回應於基板之釋放。
根據本發明，提供了一種用於製造用於一體聲波共振器之一中性應力釋放之多層薄膜結構之程序，該程序包括提供具有一頂部表面之一可釋放基板；在該基板之頂部表面上形成包括單晶氮化鋁材料之一第一磊晶層；在與基板之頂部表面相對之第一磊晶層上形成一第二磊晶層，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；形成一第三磊晶層，該第三磊晶層形成於與第一磊晶層相對之第二磊晶層上，該第三層包括單晶氮化鋁材料；且自第一磊晶層移除基板。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該基板包括碳化矽材料。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該程序進一步包括平衡一第一介面應變與一第二介面應變。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含在第一磊晶層與第二磊晶層之間形成第一介面應變；且在第三磊晶層與第二磊晶層之間形成第二介面應變。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含自第一磊晶層移除基板包括蝕刻基板。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含該程序進一步包括鏡像在第一磊晶層與第二磊晶層之間之一介面及在第三磊晶層與第二磊晶層之間之一介面。
上文實施例之任一其他實施例可此外及/或替代地包含基板之一晶格參數小於第一磊晶層之一晶格參數，且第一磊晶層之晶格參數小於第二磊晶層之一晶格參數；且第三磊晶層之一晶格參數等於第一磊晶層之晶格參數。
應變補償異質結構及程序之其他細節在下文之詳細描述及隨附圖式中闡述，其中類似元件符號描繪類似元件。
現參考圖3，繪示包含具有經形成於一基板表面16上之一第一層14之一基板12之一堆疊10。基板12可具有材料特性，諸如一特定晶格常數a SiC。基板12可包含碳化矽(SiC)材料、矽、藍寶石、GaN或其他適合磊晶模板基板，可在該等磊晶模板基板上成核第一層14。基板12可為單晶材料。第一層14可以具有不同於基板12之材料特性，諸如一晶格常數a AlN或一熱膨脹係數CTE α AlN。第一層14可為氮化鋁(AlN)材料。第一層14可為一磊晶單晶薄膜。第一層14可為一成核層。可在與基板12相對之第一層14上形成一第二層18。第二層18可具有不同於基板12及第一層14之材料特性，諸如一晶格常數a ScAlN及/或CTE α ScAlN。第二層18可為一磊晶單晶薄膜。該第二層18可為一鈧氮化鋁(ScAlN)材料。可在與第一層14相對之第二層18上形成一第三層20。第三層20可具有第一層14之相同材料特性，諸如一晶格常數a AlN及/或CTE α AlN。第三層20可為一磊晶單晶薄膜。第三層20可為氮化鋁(AlN)材料。在一例示性實施例中，第三層20可為鈧氮化鋁(ScAlN)組合物，其包含具有比第二層更低鈧濃度之一組合物。例如，第二層18可包含Sc 0.30Al 0.70N之一組合物，且第三層20可為Sc 0.05Al 0.95N之一組合物。第三層20可包括一層，其係比使用AlN更厚之一Sc 0.05Al 0.95N 層，因為其具有比AlN更接近於Sc 0.30Al 0.70N 之一晶格匹配。目標係平衡第二層18(包括Sc 0.30Al 0.70N)之任一側上之應力。在層14、層18及層20中之組合物及厚度可經組態亦校正用於基於來自程序溫度之熱成長之CTE差異。
在基板12上形成第一層14及第二層18後，一合成壓縮力將作用在堆疊10上。如上文所解釋，基板12、第一層14及第二層18之材料特性之失配將在堆疊10上施加壓縮力。具體而言，在成長磊晶單晶薄膜時，歸因於在異質磊晶材料之間之晶格參數及熱膨脹係數之差異，會產生大的介面應變。若差異足夠小，且若薄膜低於弛豫臨界厚度，則可形成一同調(或半同調)介面22，其中在介面22處扭曲晶體結構以允許接合匹配。包括AlN之第一層14之晶格參數比包括ScAlN之第二層18之晶格參數更小。當基板12自第一層14被釋放時，AlN/ScAlN雙層24彎曲或扭曲以試圖釋放介面應變25。當彎曲雙層24時，第二層18上表面26在拉伸中變得應變的，且第一層14 AlN之下表面28在壓縮中變得應變的。
第三層20在第二層18上被形成後，具有與第一層14相同之材料特性，將在第二層18上施加反向彎曲力，與第一層14在第二層18上施加之力相反。若第三層20包含一類似材料，但在組合物中具有一不同厚度或一不同濃度之材料，則第三層20可在第二層18上施加反力，該反力與第一層14施加在第二層18上之力相反。當基板12自薄膜30被釋放時，由第一層12施加之彎曲力將等於由第三層20施加之彎曲力，導致在薄膜30上之一應變/應力平衡。所揭示之獨特分層利用在層14、層18、層20中之材料之成長之磊晶性質，且透過鏡像在ScAlN之第二層18之任一側上之應變，可消除在晶格參數(a AlN及a ScAlN)與CTE(α AlN及α ScAlN) 之間之差異之影響。第三層20在表面32上施加一相等但相反應變梯度，以匹配較低ScAlN/AlN介面22。因此，當移除基板12時，懸浮薄膜30保持中性應力且不破裂，從而實現進一步處理及器件製造。隨著在堆疊10上之額外第三層20平衡第一層14之改良，一旦釋放，共振器薄膜30將不會破裂或變形。經審慎考慮可獲得淨應力值之範圍，其中殘餘應力不會引起足夠變形以使薄膜30破裂。
亦參考圖4，展示一程序圖。程序100大體上描述用於在生產期間防止共振器薄膜30之變形之步驟。程序100包含提供一基板之步驟110。下一步驟112包含在基板上形成一第一層。第一層可為磊晶成長的。在一例示性實施例中，第一層可為AlN材料。下一步驟114包含在第一層上形成一第二層。第二層可為磊晶的。第二層可為一ScAlN材料。下一步驟116包含在第二層上形成一第三層。第三層可為磊晶的。第三層可為與第一層相同之材料。第三層可為AlN。合成的堆疊導致第一層及具有相對於在堆疊中之第二層相等但相反應變梯度之第三層。下一步驟包含自第一層移除基板。基板可被蝕刻以允許與電極電接觸。移除基板後，在堆疊中之薄膜係懸浮的，然而，歸因於在基板中之第一及第二層之磊晶成長形成之應變梯度，堆疊不會變形。第三層提供一平衡力，以匹配在層形成期間形成之第一及第二層力。
亦參考圖5，一示意圖繪示在層14、層18、層20之間之淨應力狀態關係。淨應力狀態可被理解為在層14、層18、層20之間之一力平衡集合。可平衡在層14、層18、層20上之力，使得在薄膜30中沒有破裂。圖5處之圖繪示在值為零之任一側上存在力平衡之一區域。該圖展示一接近零之區域，其小於破裂(在壓縮抑或拉伸方向)之臨界應變位準。具有在接近零之此區域內之力平衡之薄膜被稱為中性應力薄膜。力平衡越接近於零，處理公差及共振器耐久性就越高。此等力不必在淨力完全為零之情況下平衡，相反，在平衡值為零之任何一側都可能存在一些力。存在一超出平衡之值而導致破裂。平衡中之絕對數字取決於在層14、層18、層20中之材料組合物及厚度之組合。所揭示之程序包含操作在生產期間形成之應變/應力之概念，以避免在移除基板後薄膜之變形。經審慎考慮，可使用多種材料作為基板。然而，利用不同基板材料可改變在層14、層16、層18與基板12之間之初始應力條件。例如，對於SiC基板，磊晶層上將存在一初始壓縮力(因為SiC具有一較小晶格參數)。矽的情況正好相反(因為矽具有一較大晶格參數)。然而，在此兩種情況下，本文所描述之薄膜應力平衡問題及解決方案保持不變。薄膜堆疊可與共振器(例如,體聲波(BAW)共振器)一起使用。
例示性發明之一技術優勢包含一中性應力釋放薄膜，以用作一共振器。
例示性磊晶單晶AlN/ScAlN/AlN薄膜之另一技術優勢包含抑制釋放薄膜彎曲，且隨後防止破裂。
例示性磊晶單晶AlN/ScAlN/AlN薄膜之另一技術優勢包含引入一應變匹配表面層(第三層)，以補償在成核層(第一層)與第二層之間之介面處存在之應變。
例示性程序之另一技術優勢包含將所揭示之程序應用於有關稀土III氮化物(IIIA、IIIB、鑭系元素，例如：AlGaN、InGaN、ScAlN、YAlN等)多層薄膜結構之其他材料組合。
例示性程序之另一技術優勢包含一無變形之懸浮薄膜，允許一獨立存在之器件。
例示性程序之另一技術優勢包含鏡像在第一磊晶層與第二磊晶層之間之一介面及在第三磊晶層與第二磊晶層之間之一介面。
例示性程序之另一技術優勢導致該第一介面應變之量級等於在第二磊晶層之相對側上之第二介面應變之量級。
例示性程序之另一技術優勢導致多層薄膜結構，該多層薄膜結構包括一中性應力薄膜，回應於基板之釋放。
提供了一種應變補償異質結構及程序。雖然已在其特定實施例之上下文中描述了應變補償異質結構及程序，但是對於閱讀了上文之描述的熟悉此項技術者而言，其他不可預見之替代方案、修改及變化可能變得顯而易見。因此，其旨在包含落在隨附發明申請專利範圍之廣泛範疇內之該等替代方案、修改及變化。
10:堆疊 12:基板 14:第一層 16:基板表面/層 18:第二層 20:第三層 22:同調(或半同調)介面 24:AlN/ScAlN雙層 25:介面應變 26:上表面 28:第一層之下表面 30:薄膜/懸浮薄膜/共振器薄膜 32:表面 100:程序 110:步驟 112:步驟 114:步驟 116:步驟 118:步驟
圖1係一先前技術共振器堆疊之一示意圖。
圖2係相關晶格結構之一示意圖。
圖3係一例示性晶格結構之一示意圖。
圖4係用於例示性程序之一程序圖。
圖5係繪示例示性淨應力狀態之一示意圖。
10:堆疊/程序
12:基板
14:第一層
16:基板表面/層
18:第二層
20:第三層
22:同調(或半同調)介面
24:AlN/ScAlN雙層/彎曲雙層
25:介面應變
26:上表面
28:第一層之下表面
30:薄膜
32:表面

Claims (16)

  1. 一種應變補償異質結構，其包括：一基板，其包括碳化矽材料；一第一磊晶層，其包括經形成於該基板之一頂部表面上之單晶氮化鋁材料；一第二磊晶層，其經形成於與該基板之該頂部表面相對之該第一磊晶層上，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；及一第三磊晶層，其經形成於與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上，該第三層包括單晶氮化鋁材料，其中該第一磊晶層、經形成於該第一磊晶層上之該第二磊晶層及經形成於與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上之該第三磊晶層包含一中性應力薄膜，回應於該基板之釋放。
  2. 如請求項1之應變補償異質結構，其進一步包括該獨立存在之應變補償異質結構，回應於自該基板釋放。
  3. 如請求項1之應變補償異質結構，其進一步包括該獨立存在之應變補償異質結構，回應於自該第一層蝕刻之該基板。
  4. 如請求項1之應變補償異質結構，其中該第一磊晶層及該第二磊晶層包含一第一介面應變；且該第三磊晶層及該第二磊晶層包含等於該第一介面應變之一第二介面應變。
  5. 如請求項4之應變補償異質結構，其中該第一介面應變回應於在該第一磊晶層與該第二磊晶層之間之晶格參數值及熱膨脹系數值之一差異。
  6. 如請求項4之應變補償異質結構，其中該第二介面應變回應於在該第三磊晶層與該第二磊晶層之間之晶格參數值及熱膨脹系數值之一差異。
  7. 一種用於一體聲波共振器之多層薄膜結構，其包括：一可釋放基板，其具有一頂部表面；一第一磊晶層，其包括經形成於該基板之該頂部表面上之單晶氮化鋁材料；一第二磊晶層，其經形成於與該基板之該頂部表面相對之該第一磊晶層上，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；一第三磊晶層，其經形成於與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上，該第三層包括單晶氮化鋁材料；該獨立存在之多層薄膜結構，回應於自該第一磊晶層蝕刻之該可釋放基板；及其中該多層薄膜結構包括一中性應力薄膜，回應於自該基板之釋放。
  8. 如請求項7之薄膜結構，其中該第一磊晶層及該第二磊晶層包括一第一介面應變；且該第三磊晶層及該第二磊晶層包括一第二介面應變，該第二介面應變相對於該第二磊晶層等於該第一介面應變。
  9. 如請求項8之薄膜結構，其中該第一介面應變等於在該第二磊晶層之相對側上之該第二介面應變。
  10. 如請求項7之薄膜結構，其中該多層薄膜結構包括一懸浮薄膜，該懸浮薄膜具有一相等但相反之應變梯度，回應於該基板之釋放。
  11. 一種用於製造用於一體聲波共振器之一中性應力釋放之多層薄膜結構之程序，其包括：提供具有一頂部表面之一可釋放基板；在該基板之該頂部表面上形成包括單晶氮化鋁材料之一第一磊晶層；在與該基板之該頂部表面相對之該第一磊晶層上形成一第二磊晶層，該第二磊晶層包括單晶鈧氮化鋁材料；在與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上形成一第三磊晶層，該第三層包括一單晶氮化鋁材料抑或一單晶鈧氮化鋁材料中之一者；及自該第一磊晶層移除該基板；其中該第一磊晶層、經形成於該第一磊晶層上之該第二磊晶層及經形成於與該第一磊晶層相對之該第二磊晶層上之該第三磊晶層包含一中性應力薄膜，回應於該基板之釋放。
  12. 如請求項11之程序，其進一步包括：平衡一第一介面應變與一第二介面應變，其中相對於該第二磊晶層，在該第一磊晶層與該第二磊晶層之間形成該第一介面應變；且在該第 三磊晶層與該第二磊晶層之間形成該第二介面應變。
  13. 如請求項11之程序，其中自該第一磊晶層移除該基板包括蝕刻該基板。
  14. 如請求項11之程序，其進一步包括：鏡像在該第一磊晶層與該第二磊晶層之間之一介面及在該第三磊晶層與該第二磊晶層之間之一介面。
  15. 如請求項11之程序，其中該基板係選自由碳化矽、矽、藍寶石、氮化鎵等組成之群組。
  16. 如請求項15之程序，其中該基板之一晶格參數小於該第一磊晶層之一晶格參數且該第一磊晶層之該晶格參數小於該第二磊晶層之一晶格參數；且該第三磊晶層之一晶格參數等於該第一磊晶層之該晶格參數。
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