CN109478591B - 用于RF滤波器应用的外延AlN/稀土氧化物结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种层型结构(1100，1030)，其包含外延生长在金属层之上的结晶压电III‑N层(1110，1032)，所述金属层外延生长在半导体(1102，1002)上的稀土氧化物层之上。所述稀土氧化物层包括至少两个分立部分(1104，1004)，并且所述金属层包括至少一个金属部分(1108，1006)，所述金属部分与邻近的分立部分部分交叠，优选地在气隙(1008)上形成桥，所述层型结构特别适合用于RF滤波器。

Description

用于RF滤波器应用的外延AlN/稀土氧化物结构
与相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月19日提交的美国临时申请系列号62/351,995的优先权，所述美国临时申请在此通过引用以整体并入本文。
背景技术
对于移动通讯手机应用来说，为了确保适合的频率选择性，对射频(RF)滤波器存在显著需求。由于全世界对更快和更高品质的无线服务的需求快速增长，当前的无线应用的频谱已变得非常拥挤。因此，对滤波器的要求变得越来越严格。在某些情况下，RF滤波器必须能够选择紧邻的频率范围。这对滤波器技术提出了显著挑战。
通常使用两种通用类型的RF滤波器：表面声波(SAW)和体声波(BAW)。在BAW滤波器中，通常存在两种类型：薄膜本体声谐振器(FBAR)和固态装配型谐振器(SMR)。SAW和BAW滤波器两者都由耦合的电子-机械谐振器构成，其将电信号转变成所需谐振频率的声波。对这些谐振频率进行选择以给出所述滤波器的所需带通频率。
RF滤波器的响应幅度以及滤波器的选择性，是RF滤波器性能的关键因素。由于RF滤波器的谐振频率和谐振响应依赖于压电材料的质量，因此在形成RF滤波器的层中具有良好的晶体质量对于器件性能来说是必不可少的。
发明内容
本文中描述的***和方法包括具有外延层的层型结构，其为RF滤波器实现了改进的性能。RF滤波器堆叠物中的压电层可以是结晶的和外延的，使得它的厚度与如果它是多晶的情况相比可以被更精确地控制。
***和方法可以包括一种层型结构，其包含半导体层，所述半导体层之上的第一稀土氧化物层，其中所述第一稀土氧化物层包括第一分立部分和第二分立部分，外延生长在所述第一稀土氧化物层之上的金属层，其中所述金属层包括与所述第一分立部分的第一区域和所述第二分立部分的第二区域交叠的金属部分，以及外延生长在所述金属层之上的III-N层，其中所述III-N层是结晶压电层。
在某些实例中，所述III-N层和金属部分在所述第一分立部分和第二分立部分之上形成桥。在某些实施方式中，所述半导体层和III-N层是毯覆层(blanket layer)。在某些实例中，所述第一稀土氧化物层还包括第三分立部分，并且其中将另外的层放置在所述第一稀土氧化物层的第三分立部分与所述III-N层之间。在某些实例中，所述金属层不包括任何生长在所述第三分立部分之上的金属。在某些实例中，所述另外的层是毯覆层。在某些实施方式中，所述另外的层包括第二稀土氧化物层。在某些实例中，所述另外的层包括稀土氮化物、稀土硅化物和III-O中的至少一者，并且其中所述另外的层提高所述层型结构的导电性。
在某些实例中，使用外延横向过生长(ELOG)来生长所述III-N层的至少一部分。在某些实例中，可以将氧化硅层放置在所述半导体层与所述第一稀土氧化物层之间。在某些实例中，所述III-N层包括AlN、Al、Ga和In中的一者或多者。在某些实例中，所述III-N层包括AlN与稀土金属的合金。在某些实例中，在所述III-N层之上外延生长另外的稀土氧化物层。在某些实例中，将ScN层生长在所述III-N层之上。在某些实例中，III-V层在所述ScN层之上。
附图说明
在结合附图考虑下面的详细描述后，本公开的上述和其他特点将更加显而易见，在所述附图中：
图1是根据现有技术的FBAR技术的示意图；
图2描绘了根据现有技术的AlN在模板上的溅射生长的示意图；
图3描绘了根据现有技术的AlN在模板上的溅射生长的示意图；
图4描绘了根据现有技术的AlN在模板上的溅射生长的示意图；
图5描绘了根据说明性实施方式的AlN在模板上的溅射生长的示意图；
图6描绘了根据说明性实施方式的衬底上的cREO岛的示意图；
图7描绘了根据说明性实施方式的具有cREO岛的衬底的顶视图；
图8描绘了根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积的示意图；
图9是根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积和稀土氮化物沉积的示意图；
图10描绘了根据说明性实施方式在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积上的III-N层的示意图；
图11描绘了根据说明性实施方式在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积上的III-N层上的另外的层的示意图；
图12描绘了根据说明性实施方式在基础硅衬底之上的另外的氧化硅层的示意图；
图13描绘了根据说明性实施方式的夹在两个cREO层之间的氧化硅层的示意图；
图14描绘了根据说明性实施方式在生长在硅衬底之上的cREO岛之上的另外的硅层的示意图；以及
图15描绘了根据说明性实施方式的用于生长图10中示出的层型结构的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释的目的阐述了大量细节。然而，本领域普通技术人员将会认识到，本文描述的实施方式可以不使用这些具体细节来实践。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和器件，以便描述不因不必要的细节变得不清楚。
本文中描述的***、器件和方法包括尤其是具有外延层的层型结构，其为RF滤波器实现了改进的性能。RF滤波器堆叠物中的压电层可以是结晶的和外延的，使得它的厚度与如果它是多晶的情况相比可以被更精确地控制。具体来说，当层厚度降低时，外延与其他沉积方法相比引起改善的厚度控制。RF滤波器可以使用某些优质因数(FOM)来评估，例如品质因数(Q)或有效耦合系数(K2)。高品质界面可以为RF滤波器产生高Q值。Q是材料的机械损耗的度量，并且与滤波器***损耗直接相关。K2是压电耦合的有效性的度量，并且在确定滤波器的带宽中是关键的。高Q界面的特征包括低的缺陷水平、急剧的转变和低的粗糙度。由于本文描述的压电层是外延和结晶的，因此本体压电材料的品质也较高。Q是压电材料的特性(identity)和质量以及压电介质与衬底之间的绝缘有效性的函数。此外，使RF滤波器堆叠物和接触层为晶体使它们可用作模板，用于随后外延生长另外的层例如可用于覆盖器件的III-氮化物层。
用于当前的RF滤波器生产的最流行的技术是并入有III-N压电滤波器介质的FBAR滤波器，其中沉积在金属薄膜上的溅射AlN薄膜是最常见的。所述金属薄膜在分开的过程步骤中沉积在硅衬底上。FBAR RF滤波器结构的关键部分是膜区域的最终制造，在所述区域中AlN金属结合到空气的两个侧面上，如图1中示意说明的。本公开与当前技术相比提供了多种优点，包括优越的厚度控制、优越的界面质量、优越的本体AlN质量、降低的接触损耗和提高的整合潜力。
图1描绘了根据现有技术的层型结构100，其包括用于RF滤波器的层。层型结构100包括衬底102、衬底102之上的金属层106和金属层106之上的外延压电层108。层型结构100包括气隙104。气隙104的一个功能是提高所述FBAR中的声学隔离。
外延压电层108可以是表现出压电响应的任何III-N材料，其中所述III-N材料包括Al、In和Ga或这些元素的任何组合的合金。在某些实施方式中，所述压电层可以包括掺杂的III-N合金或RE-III-N合金(IIIxRE1-xN)，其中稀土元素(RE)包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。衬底102可以是任何单晶体、多孔或多孔与结晶的组合，并且可以是掺杂或未掺杂的，并具有任何晶体取向包括<111>、<110>或<100>，可以在轴或离轴。本文中公开的任何衬底可以是SOI类型的衬底。外延压电层108的厚度可以在下面的方程1的基础上选择，所述方程定义了频率、通过所述层的声速和厚度之间的关系：
fr＝vs/(2*tf) [1]
其中fr是频率，vs是声音通过压电层的速度，tf是所述压电层的厚度。
所述频率fr可以为大约2.4GHz、约2.3-2.7GHz之间、约2-3GHz之间、约1-4GHz之间、约1-28GHz之间。所述厚度可以为大约1μm、约0.5-1.5μm之间、约1-10μm之间。在某些实施方式中，所述压电层的厚度可以接纳高达28GHz的频率。
由于外延压电层108是结晶且外延的，因此它的厚度可以比如果它是多晶的情况下更精确地控制。具体来说，当层厚度减小时，外延与其他沉积方法相比引起改善的厚度控制。
与如果所述压电层是多晶的情况相比，外延压电层108与相邻层的界面具有更高的质量。高质量的界面可以为RF滤波器产生高的Q值。高质量界面的特征包括低的缺陷水平、急剧的转变和低的粗糙度。
由于压电层108是外延且结晶的，因此所述本体压电材料的质量较高。这导致Q和K2值的增加，其引起RF滤波器的性能改善。
图2-4描绘了如现有技术中所描述的当其之上使用溅射沉积生长有AlN的模板变化时，所述AlN的柱状尺寸的变化。
图2描绘了AlN 204在模板202上的生长的示意图200。在某些实施方式中，模板202包括硅和本文中所描述的金属。将溅射沉积用于AlN 204在模板202之上的生长，在模板202之上产生单独的单晶AlN的柱206。
图3描绘的示意图300说明了AlN 304在cREO 302之上的生长。术语cREO被用于表示结晶稀土氧化物和结晶稀土氮氧化物。使用与图2中相同的溅射沉积方法，从模板202改变成cREO 302显示出在cREO302之上生长的AlN 304中产生的柱状尺寸306增大。
图4描绘的示意图400说明了在所述cREO上沉积一薄层单晶AlN404以形成新的模板。然后在任何时间(非原位、在从沉积室取出之后)将另外的AlN沉积在AlN 404之上。在所述新的模板之上生长的AlN408的柱状尺寸与图2和图3相比甚至进一步增大。
图2-4中描述的使用溅射沉积在模板之上产生AlN层，不能在Si衬底上沉积足够厚的外延连续本体AlN层，并由于厚的AlN层的应变松弛而产生严重的晶圆弯曲/翘曲和随后的开裂。这些缺陷被本公开消除，本公开提供了一种实用的现实生活的途径来利用在SEMI标准衬底上外延沉积的AlN的益处。此外，本公开与当前的技术相比提供了多种优点，包括优越的厚度控制、优越的界面质量、优越的本体AlN质量、减少的接触损耗和提高的整合潜力。
图5描绘的示意图500说明了根据说明性实施方式的在模板之上的连续本体结晶AlN层。示意图500描绘了在cREO 502上生长的单晶AlN层504，以形成模板。示意图500描绘了另一个AlN层506，其特征在于在所述生长/沉积的厚度内(即位于单晶AlN层上的AlN的部分)材料性质的一些变化。在某些实施方式中，所述模板包括单晶成核区域和本体AlN区域。因此，cREO/单晶III-N层形成模板，用于另外生长/沉积足够厚的III-N材料层以用于RF滤波器。层504和506可以包括相同或不同的材料，例如In、Al、Ga或稀土材料。在某些实施方式中，层504的材料可以与层506的材料不同。当通过x-射线测量时，层504的材料的实测半峰全宽(FWHM)与层506的材料的实测FWHM相比将具有窄的FWHM。
图6描绘了根据说明性实施方式的在衬底602之上生长的cREO岛的示意图。示意图600的左图描绘了衬底602表面上的遮掩材料部分604a和604b，以便为cREO的分立部分的生长限定所需的间隙606。出于本公开的目的，cREO的分立部分或分立区域也被称为cREO岛。在示意图600的中图中，将一层cREO生长在间隙606中，并将遮掩材料部分604a和604b移除，留下被间隙610分隔开的cREO岛608a、608b和608c。在某些实施方式中，所述遮掩材料可以以所需的特定方式排列，以按照器件的要求生长cREO岛。在示意图600的右图中，将导电层612a、612b和612c生长在所述cREO岛之上，并且不生长在不存在cREO岛的情况下(例如在间隙610内)。在某些实施方式中，所述导电层包括III-O材料如In2O3或稀土氮化物或稀土硅化物。这被描述在2017年3月16日提交的PCT申请号PCT US2017/22821和2016年9月22日提交的美国临时申请62,398,416中，它们由此通过引用以整体并入本文。在某些实施方式中，衬底602是如上所述的硅。
图7描绘了根据说明性实施方式的具有cREO岛的衬底的示意顶视图。示意图700示出了衬底702之上的cREO岛(例如cREO岛704a、704b和704c，总的来说cREO岛704)。结合图6更详细地描述了cREO岛704的生长。在图7中，描绘了12个cREO岛704，有几个具有彼此不同的尺寸。总的来说，各个cREO岛704的尺寸可以彼此不同或彼此相同。如图7中所示，各个cREO岛704a、704b和704c的尺寸不同，尽管人们应该理解，cREO岛704可以具有相同或相近的形状和尺寸或不同的形状和尺寸而不背离本公开的范围。在某些实施方式中，取决于器件的具体要求，具有不同形状的cREO岛704或cREO岛704之间的不同间隙可以是优选的。在某些实施方式中，衬底之上的cREO岛层仅仅表示在包括材料的分开的分立部分的其他层下方的一个层。总的来说，其他层可以被包含在所述cREO岛之上的结构中。在这种情况下，所述在cREO岛层之上的层可以只包括沉积在所述cREO岛本身顶上而不在其他地方的材料的分立部分。沉积在所述cREO岛顶上的材料的分立部分在不同cREO岛之间可以相同或不同，其中所述相同或不同的材料可以在所述结构的顶表面处。在某些实施方式中，所述cREO岛层之上的层形成连接不同cREO岛的桥。
图8描绘了根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛之上的金属沉积的示意图。示意图800描绘了具有4个cREO岛808a、808b、808c和808d的衬底802。金属层810a被沉积在所述cREO岛之上，使得所述金属层与所述分立的cREO岛(808a、808b、808c和808d)的一部分重叠。尽管金属部分810a在图8中被描绘为在4个不同的cREO岛之上重叠，但金属部分通常可以在任何适合数目的cREO岛之上重叠。如图8的左侧示意图中所描绘的，金属层810a具有维度“p”和“q”。维度“p”表示金属层810a与cREO岛808c的尺寸(例如在图8的左侧示意图中的竖直尺寸)之间的重叠的量(其可以是物理尺寸、百分率或分数)。同样地，维度“q”表示金属层810a与cREO岛808d的尺寸(例如在图8的左侧示意图中的水平尺寸)之间的重叠的量(其可以是物理尺寸、百分率或分数)。在某些实施方式中，cREO岛可以具有超过一个金属层的重叠沉积物。如图8中所示，cREO岛808d具有金属层810a和810b的重叠沉积物。金属层810a和810b可以与cREO岛808d具有不同的重叠百分率。在某些实施方式中，关于金属层810a和810b的沉积的“p”和“q”值取决于所述外延材料是否存在足够的表面积用于支持沉积在金属层810a和810b之上的III-N层的外延。在某些实施方式中，所述“p”和“q”值应该指示在其机械性质的基础上足够的金属层重叠以支持所述金属。
图9描绘了根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积和稀土氮化物沉积的示意图。图9与图8相似，区别在于图9还描绘了在cREO岛808f之上的稀土氮化物层912。在某些实施方式中，可以在cREO岛之上生长各种不同合金的层，其允许形成横跨衬底的分立的滤波器元件，具有集成多个基于外延的电路元件的潜力。在某些实施方式中，所述稀土氮化物层可以是导电的。
在某些实施方式中，如图8中所示的具有覆盖金属模板810a和810b的cREO岛是用于另外的外延加工的起始模板。待使用的外延生长的类型可以包括外延横向过生长(ELOG)。ELOG的关键特点在于暴露出的cREO表面提供了成核位点，在所述成核位点上可以生长下一种材料。在某些实施方式中，将ELOG应用于所述cREO岛的暴露部分上的其他cREO层的生长，然后生长AlN。在某些实施方式中，所述生长的其他cREO层不同于cREO岛808a、808b、808c、808d和808e。在某些实施方式中，将所述ELOG过程应用于生长因其导电性质而被选择的第二个层，例如稀土氮化物、稀土硅化物、III-氧化物或其任何适合的组合。
图10描绘了根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积上的III-N层的示意图。从图8的结构(复制为图10中的结构1010)开始，在衬底1002之上生长cREO岛1004a、1004b和1004c(总的来说cREO岛1004)，并且金属部分1006a和1006b(总的来说金属部分1006)形成cREO岛1004之间的桥。气隙1008a和1008b(总的来说气隙1008)增加了层型结构1010中的声学隔离。在结构1020中，使用ELOG优先性生长条件将III-N材料1022a、1022b和1022c(总的来说III-N材料1022)直接沉积在cREO岛1004的暴露的表面上。当III-N材料1022生长时，它最初优先沉积在cREO岛1004之上的分开的部分中。随着其他III-N材料1022生长，III-N材料1022a和1022b在金属层1006a之上延伸，以联结并在cREO岛1004a和1004b之上形成III-N材料的单个聚结的层。同样地，III-N材料1022b和1022c在金属层1006b之上延伸，以联结并在cREO岛1004b和1004c之上形成III-N材料的单个聚结的层。层型结构1030描绘了使用ELOG优先性生长条件，在生长在衬底1002之上的cREO岛1004a、1004b和1004c上沉积的金属沉积1006a和1006b之上生长的III-N材料1032。在某些实施方式中，衬底1002可以是硅。
在某些实施方式中，III-N材料例如AlN的压电性质受到III-N材料薄膜内的双轴应力影响。由于图10中层型结构1032中材料的热膨胀系数的差异，在图10的层1032的生长温度下并入的应力可能影响最终应力。在某些实施方式中，这种应力通过在所述III-N层之上生长一个或多个不同的层来平衡。在某些实施方式中，所述一个或多个不同的层被生长在所述III-N层之上，以在硅衬底上产生改进的III-N材料。可以在所述III-N层上生长的不同的层更详细描述在图11中。通过所描述的生长III-N层的方法、器件和过程实现的优越的厚度控制、界面质量和本体质量，可以通过在所述III-N层之上生长不同的化合物来建立。
图11描绘了根据说明性实施方式的在生长在衬底之上的cREO岛上的金属沉积上的III-N层之上的另外的层的示意图。示意图1100包括衬底102，在其之上生长cREO岛1104a、1004b和1104c(总的来说cREO岛1104)。金属层1108a和1108b(总的来说金属层1108)被沉积在cREO岛1104之上，使得金属层1108形成连接cREO岛1104的桥。使用针对图10描述的ELOG过程在cREO岛1104之上生长另外的层1106。在某些实施方式中，另外的层1106因其导电性质而被选择，例如稀土氮化物、稀土硅化物或III-氧化物。在另外的层1106上生长III-N层1110，并在所述III-N层上生长层1112.在某些实施方式中，所述层1112是分立的外延层。在某些实施方式中，在用于形成压电元件的III-N层1110的本体内包含分立的合金或掺杂的III-N区域，可以允许所述III-N层成为基础用于在III-N层1110上生长层1112，以适合于其他器件如开关、放大器、光检测器和发射器的需求。在某些实施方式中，分立的外延层1112包括材料例如单斜Gd2O3或ScN。在某些实施方式中，所述ScN被用于桥接III-N层与所述III-N层之上的III-V层之间的晶格常数，以提高导电性。ScN作为III-N与III-V层之间的缓冲层的用途被详细描述在2016年6月2日提交的PCT申请号PCT US2017/035794中，所述申请由此通过引用以整体并入本文。
图12-14描绘了可以在其上生长图10中的层型结构1030的衬底的变化形式的示意图。
图12描绘了根据说明性实施方式在基础硅衬底之上的另外的氧化硅层的示意图。堆叠物1210包括硅衬底1202、cREO层1206a和放置在硅衬底1202与cREO层1206a之间的氧化硅层1204a。图12的右图描绘了堆叠物1210的三个实施物(分别由三个cREO岛1206a、1206b和1206c以及它们相应的氧化硅层1204a、1204b和1204c表示)。总的来说，可以使用任何数目的cREO岛。将III-N层1208生长在桥接cREO岛1206的金属沉积物层部分1212a和1212b之上。在某些实施方式中，III-N层1208使用结合图10描述的ELOG来生长。在某些实施方式中，所述另外的氧化硅层可以为堆叠物1210提供另外的应力消除，而不损害支持ELOG过程的cREO层1206的晶体结构。在某些实施方式中，所述氧化硅是所述滤波器下的RF开关的促成者(enabler)。
图13描绘了根据说明性实施方式的夹在两个cREO层之间的氧化硅层的示意图。堆叠物1310包括硅衬底1302、第一cREO层1304a、氧化硅层1306a和第二cREO层1308a。在某些实施方式中，第一cREO层1304a和第二cREO层1308a可以由相同材料构成。图13的右图描绘了堆叠物1310的三个实施物(分别由三个cREO岛1304a、1304b和1304c以及它们相应的氧化硅层1306a、1306b和1306c表示)。总的来说，可以使用任何数目的cREO岛。将III-N层1314生长在桥接cREO岛1304的金属沉积物层部分1312a和1312b之上。在某些实施方式中，III-N层1208使用结合图10描述的ELOG来生长。
图14描绘了根据说明性实施方式的在生长在硅衬底之上的cREO岛之上的另外的硅层的示意图。堆叠物1410包括硅衬底1402、cREO层1404a和硅层1406。第二个硅层1406的存在为所述层型结构提供了另外的功能和整体性。图14的中图描绘了堆叠物1410的三个实施物(分别由三个cREO岛1404a、1404b和1404c以及它们相应的硅层1406表示)。总的来说，可以使用任何数目的cREO岛。硅层1406在金属层1408a和1408b之上聚结。图14的右图描绘了在cREO岛1404a、1404b和1404c之上的聚结的硅层1406。将III-N层1412生长在桥接cREO岛1206的聚结的硅层1406之上。在某些实施方式中，III-N层1412使用结合图10描述的ELOG来生长。在某些实施方式中，层1412可以是分立的外延层。在某些实施方式中，分立的外延层1412可以包括材料例如单斜Gd2O3或ScN，其可以产生基础，用于在所述层之上生长其他层以产生其他器件。参见例如2016年11月2日提交的共同待决的美国专利申请号15/342,045，其通过引用以整体并入本文。在某些实施方式中，硅层1406可以提供在其上开始ELOG过程的更好的表面。在某些实施方式中，硅层1406可以被生长在仅仅一部分cREO岛(例如cREO岛1404a)之上。在这种实施方式中，III-N层1412在硅之上的生长可以是HEMT类型的结构。在某些实施方式中，硅层1406可以是所述滤波器下的RF开关的促成者。
图15是根据说明性实施方式的生长层型结构1030的过程1500的流程图。所述过程始于1502，此时提供半导体层1002。在1504，所述过程开始生长第一稀土氧化物层1004，其中所述第一稀土氧化物层包括第一分立部分1004a和第二分立部分1004b。在1506，所述过程外延生长金属层1006，其中所述金属层包括与第一分立部分1004a的第一区域和第二分立部分1004b的第二区域重叠的金属部分1006a。在1508，所述过程外延生长III-N层1032，其中所述III-N层是压电层。
在1502，提供半导体层1002。半导体层1002可以是硅衬底，在其之上生长稀土氧化物层1004。
在1504，将稀土氧化物层1004外延生长在第一半导体层1002之上，其中第一稀土氧化物层1004包括第一分立部分1004a和第二分立部分1004b。生长稀土氧化物层1004中的分立部分1004a和1004b的过程详细描述在图6中。
在1506，将金属层1006外延生长在稀土氧化物层1004之上，其中金属层1006包括与第一分立部分1004a的第一区域和第二分立部分1004b的第二区域重叠的金属部分1006a。在某些实施方式中，桥接第一分立部分1004a和1004b最可能非原位进行，并使用标准的沉积技术例如使用光刻胶的光刻法，以在沉积金属的时候首先填充在间隙中。
在1508，将III-N层1032外延生长在金属层1006之上，其中III-N1032层是压电层。III-N层1032的生长详细描述在图10中。
镧系元素包括金属铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。在整个本公开中应该理解，术语稀土元素或稀土金属包括钪和钇以及所有镧系元素。
本文中描述的生长和/或沉积可以使用化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、有机金属气相外延(OMVPE)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、卤化物气相外延(HVPE)、脉冲激光沉积(PLD)和/或物理气相沉积(PVD)中的一者或多者来进行。
III-氮化物(III-N)材料是包含氮和一种或多种III族元素的半导体材料。用于形成III-氮化物材料的常用III族元素包括铝、镓和铟。III-氮化物材料具有大的直接带隙，使它们可用于高压器件、射频器件和光学器件。此外，由于多种III族元素可以以可变的组成组合在单一III-氮化物薄膜中，因此III-氮化物薄膜的性质高度可调。
在某些实施方式中，在本文描述的层型结构中使用的III-V和III-氮化物材料使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长。在MOCVD中，一种或多种III族前体与V族前体反应，以在衬底上沉积III-氮化物薄膜。一些III族前体包括作为镓源的三甲基镓(TMGa)作为镓源、作为铝源的三甲基铝(TMA)和作为铟源的三甲基铟(TMI)。氨是可用作氮源的V族前体。叔丁基胂和胂是可用作砷源的V族前体。叔丁基膦和膦是可用作磷源的V族前体。
在某些实施方式中，在本文描述的层型结构中使用的III-V和III-氮化物材料使用分子束外延(MBE)来生长。MBE是在高或超高真空中发生的用于单晶体的薄膜沉积的外延方法。在MBE中，将气态原子或分子的精确束射向加热的衬底。当所述分子着陆在衬底表面上时，它们凝结并缓慢且***性地积累成超薄的层。
如本文中所述，层意味着覆盖表面的基本上均匀厚度的材料。层可以是连续或不连续的(即在材料的区域之间具有间隙)。例如，层可以完全覆盖表面，或者被分离成分立的区域、分立部分，其合在一起定义了所述层(即，使用选择性区域外延形成的区域)。层也可以是在特定区域之上的毯覆层。层型结构意味着一组层，并且可以是独立的结构或更大结构的一部分。
配置在……上意味着“存在于”下方的材料或层之上。这个层可以包含中间层例如确保适合的表面所必需的过渡层。例如，如果材料被描述为“配置在衬底上”，这可以意味着(1)所述材料与所述衬底直接接触；或者(2)所述材料与位于所述衬底上的一个或多个过渡层接触。
单晶体意味着基本上只包含一种类型的晶胞的晶体结构。然而，单晶体层可以表现出某些晶体缺陷例如堆叠错误、错位或其他通常发生的晶体缺陷。
单畴(或单晶)意味着基本上只包含一种晶胞结构并且基本上只包含该晶胞的一种取向的结晶结构。换句话说，单畴晶体不表现出孪晶形成或反相晶畴。
单相意味着既是单晶也是单畴的晶体结构。
结晶意味着基本上是单晶并且基本上是单畴的晶体结构。结晶度意味着晶体结构是单晶和单畴的程度。高度结晶的结构几乎完全或完全是单晶且单畴的。
外延、外延生长和外延沉积是指结晶层在结晶衬底上的生长或沉积。所述结晶层被称外延层。
衬底意味着在其上形成沉积层的材料。示例性的衬底包括但不限于：本体硅晶圆，其中晶圆包含均匀厚度的单晶硅；复合晶圆，例如绝缘体上硅晶圆，其包含配置在二氧化硅层上的硅层，所述二氧化硅层被配置在本体硅操作晶圆上；或充当在其上或其中形成器件的基础层的任何其他材料。适合的这些其他材料的实例随着用作衬底层和本体衬底的应用而变，包括但不限于氮化镓、碳化硅、氧化镓、锗、氧化铝、砷化镓、磷化铟、硅土、二氧化硅、硼硅酸盐玻璃、派莱克斯玻璃(pyrex)和蓝宝石。
稀土磷属元素化物材料是含有一种或多种V族元素和一种、两种或更多种稀土(RE)元素的材料。所述稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。
绝缘体上半导体意味着包含单晶半导体层、单相介电层和衬底的组合物，其中所述介电层被***在所述半导体层与衬底之间。这种结构可以包括绝缘体上硅(“SOI”)组合物。
载流子浓度意味着每单位体积的主要载流子的数目。
电荷载流子密度是指每体积的载流子数目。
界面意味着不同结晶半导体的两个层或区域之间的表面。
绝缘体上半导体组合物包括但不限于硅、锗或硅-锗“活性”层。换句话说，示例性的绝缘体上半导体组合物包括但不限于：绝缘体上硅，绝缘体上锗和绝缘体上硅-锗。在某些实施方式中，可以使用的各种不同的硅结构是例如Si<100>、Si<110>、Si<111>。
本文中描述和/或描绘为在第二层“上”或“之上”的第一层，可以与所述第二层直接相邻，或者在所述第一层与第二层之间可以存在一个或多个居间层。被描述和/或描绘为在第一与第二层“之间”的居间层可以与所述第一和/或第二层直接相邻，或者在所述居间层与所述第一和第二层之间可以有一个或多个其他居间层。在本文中被描述和/或描绘为“直接在第二层或衬底上”或“直接在第二层或衬底之上”的第一层，与所述第二层或衬底直接相邻，除了可以由所述第一层与所述第二层或衬底的混合形成的可能的居间合金层之外，不存在居间层。此外，在本文中被描述和/或描绘为在第二层或衬底“上”、“之上”、“直接在其上”或“直接在其之上”的第一层，可以覆盖整个第二层或衬底或覆盖所述第二层或衬底的一部分。
在层生长期间将衬底放置在衬底架上，因此顶表面或上表面是离衬底架最远的衬底或层的表面，而底表面或下表面是最接近衬底架的衬底或层的表面。本文中描绘和描述的任何结构可以是更大的结构的一部分，所述更大结构在那些描绘的结构之上和/或下方具有另外的层。为清楚起见，本文中的图可以省略这些另外的层，尽管这些另外的层可以是所公开的结构的一部分。此外，所描绘的结构可以以单元重复，尽管在图中没有描绘这种重复。
从上面的描述表明，各种不同的技术可用于实现本文中描述的概念而不背离本公开的范围。所描述的实施方式应该在所有情况下被当作是说明性而非限制性的。还应该理解，本文中描述的技术和结构不限于本文中描述的特定实例，而是可以在其他实例中实施而不背离本公开的范围。同样地，尽管操作在图中以特定顺序描绘，但这不应该被理解为，为了获得所需结果，需要这些操作以示出的特定次序或顺序进行，或者要进行所有示出的操作。此外，所描述的不同实例不是单个的实例，来自一个实例的特征可以被包括在其他公开的实例中。因此应该理解，权利要求项不应限于本文中公开的实例，而是应该从上面提供的技术教示进行理解，正如那些教示将会告知本领域技术人员的。

Claims (17)

1.一种层型结构，所述层型结构包含：
半导体层；
所述半导体层之上的第一稀土氧化物层，其中所述第一稀土氧化物层包括第一分立部分和第二分立部分；
外延生长在所述第一稀土氧化物层之上的金属层，其中所述金属层包括与所述第一分立部分的第一区域和所述第二分立部分的第二区域交叠的金属部分；以及
外延生长在所述金属层之上的III-N层，其中所述III-N层是结晶压电层。
2.权利要求1的层型结构，其中所述III-N层和所述金属部分在所述第一分立部分和所述第二分立部分之上形成桥。
3.权利要求1-2任一项的层型结构，其中所述半导体层和所述III-N层是毯覆层。
4.权利要求1的层型结构，其中所述第一稀土氧化物层还包括第三分立部分，并且其中将另外的层放置在所述第一稀土氧化物层的第三分立部分与所述III-N层之间。
5.权利要求4的层型结构，其中所述金属层不包括任何生长在所述第三分立部分之上的金属。
6.权利要求4的层型结构，其中所述另外的层是毯覆层。
7.权利要求4的层型结构，其中所述另外的层包括第二稀土氧化物层。
8.权利要求4的层型结构，其中所述另外的层包括稀土氮化物、稀土硅化物和III-O中的至少一者，并且其中所述另外的层提高所述层型结构的导电性。
9.权利要求1的层型结构，其中使用外延横向过生长(ELOG)来生长所述III-N层的至少一部分。
10.权利要求1的层型结构，其还包含放置在所述半导体层与所述第一稀土氧化物层之间的氧化硅层。
11.权利要求1的层型结构，其中所述III-N层包括Al、Ga和In中的一者或多者。
12.权利要求1的层型结构，其中所述III-N层包括AlN与稀土金属的合金。
13.权利要求1的层型结构，其还包含外延生长在所述III-N层之上的另外的稀土氧化物层。
14.权利要求1的层型结构，其还包含所述III-N层之上的ScN层。
15.权利要求14的层型结构，其还包含所述ScN层之上的III-V层。
16.权利要求1-2任一项的层型结构，其中所述第一稀土氧化物层是第一结晶稀土氧化物层。
17.权利要求7的层型结构，其中所述第二稀土氧化物层是第二结晶稀土氧化物层。
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