專利名稱：單片半導(dǎo)體壓電器件結(jié)構(gòu)和電－聲電荷傳送器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及單片半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，具體地說涉及包括由不同種類的材料形成的各個(gè)器件的單片半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。更加具體，本發(fā)明涉及也包括可以用來形成電-聲器件的壓電材料的單片半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
世界上，在90％以上的固態(tài)電子器件和集成電路都使用硅作為原材料。硅作為選擇的原材料的這種顯赫地位在很大程度上是由于使用硅制造器件和集成電路的良好經(jīng)濟(jì)性?？梢砸赃m當(dāng)?shù)某杀竞椭饾u提高適用于大體積制造的晶片直徑得到優(yōu)質(zhì)的單晶硅襯底晶片。
但是，硅不具有適用于各種固態(tài)器件的物理性能。一些器件在它們的操作中利用一些材料的物理性能，這些物理性能是獨(dú)特的或優(yōu)于硅。盡管這種使用相對不經(jīng)濟(jì)，但是這些器件必須使用除硅以外的材料。例如，硅具有不適于光電器件工作的間接帶隙。因此，由直接帶隙半導(dǎo)體如代替硅的III-V化合物半導(dǎo)體制成常規(guī)的光電器件。
而且，對于一些特定的電子器件如電-聲器件，可以優(yōu)選使用除元素或化合物半導(dǎo)體以外的材料。例如，電-聲器件如表面聲波(SAW)器件的性能特征取決于制造它們的材料的壓電性能。硅本身是非壓電的。一些化合物半導(dǎo)體，例如，砷化鎵表現(xiàn)出壓電現(xiàn)象，但是它們的壓電性能與例如結(jié)晶的鈮酸鋰或鉭酸鋰相比比較弱。商業(yè)上使用這些后者材料和其它如適當(dāng)晶體形式的石英、四硼酸鋰和氧化鍺鉍制成離散的表面聲波(SAW)器件。這些(SAW)波器件設(shè)計(jì)用作，例如脈沖壓縮濾波器、帶通濾器、延遲線、共振器、振蕩器、回轉(zhuǎn)器和用于擴(kuò)頻的匹配濾波器。
現(xiàn)在普遍在信號處理電路中使用SAW器件。發(fā)現(xiàn)SAW器件在信號處理電路中的應(yīng)用范圍從雷達(dá)和通信系統(tǒng)到包括接收器、傳呼機(jī)和蜂窩電話的消費(fèi)者電子設(shè)備。正如所看到的，一般技術(shù)朝著增加電子設(shè)備的微型化的方向發(fā)展，例如，在消費(fèi)者電子設(shè)備中，也導(dǎo)致SAW器件模塊越來越小。通過利用共振和半共振設(shè)計(jì)和新的襯底材料已經(jīng)部分地實(shí)現(xiàn)更小的SAW器件。但是，如果現(xiàn)在混合的SAW元件可以與信號處理電路中的半導(dǎo)體集成電路單片地集成，那么信號處理電路的更進(jìn)一步合乎需要的微型化也是可能的。
因此，需要在用于制造半導(dǎo)體集成電路的單片結(jié)構(gòu)中引入適于制造電-聲器件的壓電材料。
但是，用于制造器件的大多數(shù)材料希望的壓電性及其他物理性能是材料的結(jié)晶質(zhì)量的函數(shù)。因此，如果單片結(jié)構(gòu)將用于集成以根本不同的材料制造的器件，那么單片結(jié)構(gòu)中的壓電材料和半導(dǎo)體材料(例如硅)必須形成在一起，而不降低任何一種材料的結(jié)晶質(zhì)量。
因?yàn)閮煞N材料的不同晶體結(jié)構(gòu)，所以在硅襯底上生長或淀積優(yōu)質(zhì)的壓電材料是不尋常的。兩種材料的始終不同的晶格尺寸在至少一種材料中引起應(yīng)力和張力，足以降低它的晶體質(zhì)量，且因此降低器件工作必不可少的物理性能。
不同種類的材料結(jié)構(gòu)形成良好的晶體質(zhì)量的挑戰(zhàn)不是壓電材料和硅的結(jié)合所獨(dú)有的。通常試圖集成不同種類的半導(dǎo)體器件，已經(jīng)或正在尋找器件材料的其他結(jié)合。結(jié)合的一般尋找包括不同種類的半導(dǎo)體結(jié)合，如IV族元素半導(dǎo)體(例如硅)與III-V族或II-VI化合物半導(dǎo)體(例如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP))結(jié)合。受希望最大化兩種材料的利益驅(qū)動試圖形成根本不同種類的半導(dǎo)體與硅的合成結(jié)構(gòu)。例如，試圖在硅襯底上形成GaAs基化合物半導(dǎo)體薄膜，設(shè)法從硅的粗糙和它對器件和大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路的可控制性以及來自化合物半導(dǎo)體的特別的電性能獲益，化合物半導(dǎo)體的電性能例如使它們有用于高速器件和光-電器件如激光器。
化合物半導(dǎo)體與上述通常使用的壓電材料相比是不同種類的材料?？墒?，它可能對面對包括基本半導(dǎo)體襯底上的化合物半導(dǎo)體的任何根本不同的材料的不同種類生長的問題中形成優(yōu)質(zhì)的壓電硅單片結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)有用。
附圖簡述結(jié)合附圖，考慮以下的詳細(xì)描述將明白本發(fā)明的上述及其他目的和優(yōu)點(diǎn)。其中相同的參考標(biāo)記始終指相同的部分，其中

圖1-3以剖面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例能被使用的合成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)；圖4圖形地說明基質(zhì)晶體和生長的晶體覆層之間可獲到的最大膜厚和晶格失配的關(guān)系；圖5是根據(jù)在此所示制造的說明性半導(dǎo)體材料的高分辨率透射式電子顯微鏡照片(TEM)。
圖6是根據(jù)在此所示制造的說明性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的X射線衍射。
圖7說明包括非晶氧化層的結(jié)構(gòu)的高分辨率TEM；圖8說明包括非晶氧化層的結(jié)構(gòu)的X射線衍射譜；圖9-12以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的合成器件結(jié)構(gòu)的形成；圖13-16說明圖9-12中圖示的器件結(jié)構(gòu)可能的分子鍵結(jié)構(gòu)；圖17-20以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例合成器件結(jié)構(gòu)的形成；圖21-23以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例合成器件結(jié)構(gòu)的形成；圖24和25以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例能被使用的合成器件結(jié)構(gòu)；圖26-30包括集成電路的部分截面圖，集成電路包括在此所示的化合物半導(dǎo)體部分、雙極部分以及MOS部分；圖31-33以截面圖示意性說明包括根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例壓電材料的單片結(jié)構(gòu)的形成；圖34和36以截面圖示意地說明能被根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例使用的單片結(jié)構(gòu)；圖35以平面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在圖34的單片結(jié)構(gòu)中形成的SAW回轉(zhuǎn)器；圖37以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包括適用于制造電-聲器件的壓電材料的單片結(jié)構(gòu)的形成；圖38和39示意地說明根據(jù)本發(fā)明的聲音電荷傳送器件的實(shí)施例的截面。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白在某些附圖中的許多元件的圖示是為了簡單和清楚，沒有必要按比例繪制。例如，某些附圖中的一些元件尺寸可以相對于其他元件放大以有助于提高對所示內(nèi)容的理解。
發(fā)明的詳細(xì)說明形成具有不同的晶格間距的全異晶體材料的異類結(jié)構(gòu)的困難至少首先接近機(jī)械穩(wěn)定性的問題。晶體表面具有自然趨勢或偏向(preference)以維持它們的晶體習(xí)性，亦即，在體晶(bulk crystal)中生長保持原子或分子的晶格間距和晶體排列。在具有不同于第一晶體的晶格間距的第二晶體上直接生長第一晶體的薄膜，促使接近生長界面的兩種晶體中的原子或分子的晶格間距朝著共同值互相調(diào)整。晶格間距的這些相互展寬或壓縮引起兩種晶體中的機(jī)械應(yīng)力和/或張力。晶體的自然彈性可以允許晶格間距的一定展寬或壓縮，當(dāng)?shù)诙w薄膜或?qū)由L加厚時(shí)，晶格間距的繼續(xù)機(jī)械形變導(dǎo)致它的晶體結(jié)構(gòu)退化。該現(xiàn)象通常按照晶體的彈性來理解和描述。當(dāng)由于晶格失配超過晶體的彈性極限或兩種材料之間的界面的電子鍵強(qiáng)度時(shí)在它之中的機(jī)械應(yīng)力或張力變化，生長層(通俗術(shù)語)的晶體結(jié)構(gòu)開始崩潰。
在襯底上的異種材料的生長中，兩種材料中的原子或分子的詳細(xì)的準(zhǔn)確本性認(rèn)為是在機(jī)械晶格失配/彈性現(xiàn)象中的次要作用。跟隨這種觀點(diǎn)，將形成壓電-半導(dǎo)體單片結(jié)構(gòu)的問題認(rèn)為是形成包括不同種類的半導(dǎo)體材料以及壓電材料的異種材料的異類結(jié)構(gòu)中的晶格隔開不匹配(lattice-spacing mismatch)的一般問題。
本公開解決不同類型的半導(dǎo)體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和壓電-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成。
在此為了方便起見，半導(dǎo)體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有時(shí)稱為“合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”或“合成集成電路”，因?yàn)樵谝粋€(gè)集成的結(jié)構(gòu)或電路中它們包括兩種(或更多)顯著地不同類型的半導(dǎo)體器件。例如，這兩種器件的一個(gè)可以是硅基器件如CMOS器件，這兩種器件的另一種可以是化合物半導(dǎo)體器件，如砷化鎵器件。Ramdani等在2000年2月10日申請的美國專利申請?zhí)朥S09/502023中公開了說明性合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造這種結(jié)構(gòu)的方法，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。下面基本上重復(fù)來自參考文獻(xiàn)的某些材料，以保證支持參考文獻(xiàn)的合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和合成集成電路。
同樣，為了方便起見，除一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體之外包括壓電材料的壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在此指單片結(jié)構(gòu)。
圖1示意地說明與本發(fā)明的某些實(shí)施例有關(guān)或結(jié)合有用的部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20的截面。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20包括單晶襯底22、包含單晶材料的調(diào)節(jié)(accommodating)緩沖層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26。在本文中，術(shù)語“單晶”應(yīng)該具有在半導(dǎo)體工業(yè)中普遍使用的意義。該術(shù)語指在半導(dǎo)體工業(yè)中材料是單晶體或基本上是單晶體以及應(yīng)該包括那些具有相對小的缺陷數(shù)如位錯(cuò)等的材料，這些缺陷在硅或鍺或硅和鍺的混合物襯底中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)和在這種材料的外延層中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，結(jié)構(gòu)20也包括位于襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間的非晶中間層28。結(jié)構(gòu)20也可以包括調(diào)節(jié)緩沖層24和化合物半導(dǎo)體層26之間的模板(template)層30。如以下更完全地說明，模板層30有助于在調(diào)節(jié)緩沖層24上開始化合物半導(dǎo)體層26的生長。非晶中間層28有助于減輕調(diào)節(jié)緩沖層24中的張力，以及通過這樣做，有助于生長高結(jié)晶質(zhì)量的調(diào)節(jié)緩沖層24。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底22是單晶半導(dǎo)體晶片，優(yōu)選大直徑的半導(dǎo)體晶片。晶片可以是來自元素周期表的IV族材料。IV族半導(dǎo)體材料的例子包括硅、鍺、混合的硅和鍺、混合的硅和碳、混合的硅、鍺以及碳等。優(yōu)選襯底22是包含硅或鍺的晶片，最優(yōu)選是半導(dǎo)體工業(yè)中使用的優(yōu)質(zhì)單晶硅晶片。調(diào)節(jié)緩沖層24優(yōu)選是在下面的襯底22上外延地生長的單晶氧化物或氮化物材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間的界面的襯底22上生長非晶中間層28，在層24的生長過程中通過氧化襯底22生長調(diào)節(jié)緩沖層24。非晶中間層28用來減輕由于襯底22和緩沖層24的晶格常數(shù)差可能出現(xiàn)在單晶調(diào)節(jié)緩沖層24中的張力。如在此使用，晶格常數(shù)指在表面的平面中測量的單元原子之間的距離。如果不通過非晶中間層28減輕這種張力，那么該張力可能在調(diào)節(jié)緩沖層24的晶體結(jié)構(gòu)中引起缺陷。反過來，在調(diào)節(jié)緩沖層24的晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷將使之難以在單晶化合物半導(dǎo)體層26中實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。
調(diào)節(jié)緩沖層24優(yōu)選是它的結(jié)晶性與下面的襯底22和與覆蓋的化合物半導(dǎo)體材料26相容而選擇的單晶氧化物或氮化物材料。例如，該材料可以是具有與襯底22和隨后涂敷的半導(dǎo)體材料26相配的晶格結(jié)構(gòu)的氧化物或氮化物。適合于調(diào)節(jié)緩沖層24的材料包括金屬氧化物如堿土金屬鈦酸鹽、堿土金屬鋯酸鹽、堿土金屬鉿酸鹽、堿土金屬鉭酸鹽、堿土金屬釕酸鹽、堿土金屬鈮酸鹽、堿土金屬釩酸鹽、堿土金屬錫基鈣鈦礦、鋁酸鑭、氧化鈧鑭和氧化釓。此外，各種氮化物如氮化鎵、氮化鋁和氮化硼也可以用于調(diào)節(jié)緩沖層24。這些材料的大多數(shù)是絕緣體，盡管釕酸鍶(例如)是導(dǎo)體。一般，這些材料是金屬氧化物或金屬氮化物，更具體地，這些金屬氧化物或氮化物一般包括至少兩種不同的金屬元素。在一些特別的應(yīng)用中，金屬氧化物或氮化物可以包括三種或更多不同的金屬元素。
可以用于調(diào)節(jié)緩沖層24的這些氧化物和氮化物的幾種(例如，鈦酸鍶鋇和氮化鋁)也具有壓電性能，使它們適用于電-聲器件。
通過氧化襯底22的表面形成的非晶中間層28優(yōu)選是氧化物，更優(yōu)選由氧化硅組成。層28的厚度為足以減輕由于襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24的晶格常數(shù)之間不匹配引起的張力。一般，層28具有約0.5-5.0nm范圍內(nèi)的厚度。
如具體的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)需要，層26的化合物半導(dǎo)體材料可以選自IIIA族和VA族元素(III-V半導(dǎo)體化合物)、混合的III-V化合物、II族(A或B)和VIA族元素(II-VI半導(dǎo)體化合物)以及混合的II-VI化合物中的任意一種。例子包括砷化鎵(GaAs)、砷化銦鎵(GaInAs)、鎵鋁砷(鎵鋁砷)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、碲化鎘汞(CdHgTe)、硒化鋅(ZnSe)、硒化硫鋅(ZnSSe)等。適當(dāng)?shù)哪０?0材料在選擇的位置化學(xué)地鍵合到調(diào)節(jié)緩沖層24的表面，并提供用于隨后的化合物半導(dǎo)體層26的外延生長的晶核形成的位置。下面論述適于模板30的材料。
圖2說明根據(jù)在一實(shí)施例的部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)40的截面。結(jié)構(gòu)40類似于先前描述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20，除了附加的緩沖層32位于調(diào)節(jié)緩沖層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26之間外。具體地說，附加的緩沖層32位于模板層30和化合物半導(dǎo)體材料的覆蓋層26之間。當(dāng)調(diào)節(jié)緩沖層24的晶格常數(shù)不能充分地與覆蓋的單晶化合物半導(dǎo)體材料層26相配時(shí)，由半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體材料形成的附加緩沖層32用來提供晶格補(bǔ)償。
圖3示意地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34的截面。結(jié)構(gòu)34類似于結(jié)構(gòu)20，除了結(jié)構(gòu)34包括非晶形層36而不是調(diào)節(jié)緩沖層24和非晶的中間層28以及包括附加半導(dǎo)體層38之外。
如下面更詳細(xì)的描述，可以與如上所述類似的方式通過首先形成調(diào)節(jié)緩沖層和非晶中間層來形成非晶層36。然后形成(通過外延生長)覆蓋單晶調(diào)節(jié)緩沖層的單晶半導(dǎo)體層26。然后調(diào)節(jié)緩沖層暴露于退火處理，以將單晶調(diào)節(jié)緩沖層轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?。以此方式形成的非晶?6包括調(diào)節(jié)緩沖層和中間層的材料，非晶層可以或可以不合并(amalgamate)。因此，層36可以包括一個(gè)或兩個(gè)非晶層。在襯底22和半導(dǎo)體層38(之后形成的層38)之間形成非晶層36減輕層22和38之間的應(yīng)力，為后續(xù)工序例如形成化合物半導(dǎo)體層26提供真正的相容襯底。
如先前所述的工序與圖1和2結(jié)合適用于在單晶襯底上生長單晶化合物半導(dǎo)體層。但是，包括將單晶調(diào)節(jié)緩沖層轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷а趸瘜拥?、結(jié)合圖3描述的工序?qū)τ谏L單晶化合物半導(dǎo)體層更好，因?yàn)樗试S減輕緩和層26中的任意張力。
半導(dǎo)體層38可以包括本申請所描述與化合物半導(dǎo)體材料層26或附加的緩沖層32的任意一個(gè)相關(guān)的任意材料。例如，層38可以包括單晶的IV族或單晶化合物半導(dǎo)體材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體層38在層36形成過程中用作退火帽蓋層，且用作后續(xù)半導(dǎo)體層26形成的模板。由此，層38優(yōu)選足夠厚，以為層26生長(至少一個(gè)單層)提供合適的模板，以及層38優(yōu)選足夠薄以允許層38形成為基本上沒有缺陷的單晶半導(dǎo)體化合物。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體38包括足夠厚的化合物半導(dǎo)體材料(例如，與化合物半導(dǎo)體層26結(jié)合的上述材料)，以在層38內(nèi)形成器件。在此情況下，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不包括化合物半導(dǎo)體層26。換句話說，根據(jù)該實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)僅包括布置在非晶氧化層36上的一個(gè)化合物半導(dǎo)體層。
在襯底22上形成的層，無論它僅包括調(diào)節(jié)緩沖層24、具有非晶中間或界面層28的調(diào)節(jié)緩沖層24、非晶層例如通過如上所述退火與圖3有關(guān)的層24和28、或模板層30形成的層36一般都可以指作“調(diào)節(jié)層”。
以下非限制、說明性例子說明在根據(jù)各個(gè)選擇性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)20，40和34中有用的各種材料組合。這些例子僅僅是說明性的，并不打算讓本發(fā)明限于這些說明性的例子。
例1根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，單晶襯底22是以(100)取向的硅襯底。硅襯底22可以是，例如普遍用于制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路的硅襯底，具有約200-300mm的直徑。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，調(diào)節(jié)緩沖層24是SrzBa1-zTiO3的單晶層，z的范圍從0至1，非晶中間層28是在硅襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間的界面形成的氧化硅(SiOX)層。選擇z的值，以獲得與隨后形成的層26的晶格常數(shù)緊密地相配的一個(gè)或多個(gè)晶格常數(shù)。調(diào)節(jié)緩沖層24可以具有約2至約100納米(nm)的厚度，優(yōu)選具有約5nm的厚度。一般地，希望調(diào)節(jié)緩沖層24足以厚到將單晶材料層26與襯底22隔離，以便獲得想要的電性能和光性能。厚于100nm的層通常幾乎不提供額外的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不必要地增加成本；但是如果需要，可以制造厚層。氧化硅的非晶中間層28可以具有約0.5-5.0nm的厚度，優(yōu)選具有約1-2nm的厚度。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，化合物半導(dǎo)體材料層26是具有約1nm至約100μm厚度的砷化鎵層(GaAs)或砷化鎵鋁(AlGaAs)層，優(yōu)選具有約0.5μm至10μm的厚度。厚度一般取決于被制備的層的應(yīng)用。為了便于在單晶氧化物上外延生長砷化鎵或砷化鎵鋁，通過覆蓋氧化層形成模板層30。模板層30優(yōu)選是Ti-As、Sr-O-As、Sr-Ga-O或Sr-Al-O的1-10個(gè)單層。通過優(yōu)選實(shí)例，Ti-As或Sr-Ga-O的1-2個(gè)單層30已證明成功地生長GaAs層26。
實(shí)例2根據(jù)再一個(gè)實(shí)施例，單晶襯底22是如上所述的硅襯底。調(diào)節(jié)緩沖層24是立方體或與硅襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間的界面處形成的氧化硅的非晶中間層28正交的鍶或鋯酸鋇或鉿酸鹽的單晶氧化物。調(diào)節(jié)緩沖層24 以具有約2-100nm的厚度，優(yōu)選具有至少5nm的厚度，以確保適當(dāng)?shù)木w和表面質(zhì)量，且由單晶SrZrO3、BaZrO3、SrHfO3、BaSnO3或BaHfO3形成。例如，可以在約700℃的溫度下生長BaZrO3的單晶氧化層。所得結(jié)晶氧化物的晶格結(jié)構(gòu)顯示出相對于襯底22硅晶格結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45°由這些鋯酸鹽或鉿酸鹽材料形成的調(diào)節(jié)緩沖層24適于在磷化銦(InP)系中生長化合物半導(dǎo)體材料26?；衔锇雽?dǎo)體材料26可以是例如具有約1.0nm至10μm厚的磷化銦(InP)、砷化鎵銦(InGaAs)、砷化鋁銦(AlInAs)或鎵銦砷磷鋁(AlGaInAsP)。這種結(jié)構(gòu)的適合模板30是鋯-砷(Zr-As)、鋯-磷(Zr-P)、鉿-砷(Hf-As)、鉿-磷(Hf-P)、鍶-氧-砷(Sr-O-As)、鍶-氧-磷(Sr-O-P)、鋇-氧-砷(Ba-O-As)、銦-鍶-氧(In-Sr-O)、或鋇-氧-磷(Ba-O-P)的1-10個(gè)單層。優(yōu)選這些材料之一的1-2個(gè)單層。通過一個(gè)實(shí)例，對于鋯酸鋇調(diào)節(jié)緩沖層24，表面終止于1-2個(gè)鋯的單層，接著淀積砷的1-2個(gè)單層以形成Zr-As模板30。然后在模板層30上生長來自磷化銦系的化合物半導(dǎo)體材料的單晶層26。化合物半導(dǎo)體材料26的所得晶格結(jié)構(gòu)相對于調(diào)節(jié)緩沖層24晶格結(jié)構(gòu)顯示出旋轉(zhuǎn)45度以及與(100)InP的晶格失配小于2.5％，優(yōu)選小于約1.0％。
實(shí)例3根據(jù)再一個(gè)實(shí)施例，提供適合于覆蓋硅襯底22的II-VI材料的外延膜生長的結(jié)構(gòu)。襯底22優(yōu)選是如上所述的硅片。適合的調(diào)節(jié)緩沖層24材料是SrxBa1-xTiO3，x的范圍從0至1，具有約2-100nm的厚度，優(yōu)選約5-15nm的厚度。II-VI化合物半導(dǎo)體材料26可以是例如硒化鋅(ZnSe)或硒化鋅硫(ZnSSe)。這個(gè)材料系適合的模板30包括鋅-氧(Zn-O)的1-10個(gè)單層，接著在鋅表面上鋅過量的1-2個(gè)單層，含硒的鋅。另外，模板30可以是(例如)接著是ZnSeS的鍶-硫(Sr-S)的1-10個(gè)單層。
實(shí)例4本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例是圖2中說明的結(jié)構(gòu)40的實(shí)例。襯底22、單晶氧化層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26可以是類似于實(shí)例1中描述的那些層。此外，附加的緩沖層32用來減輕可能源于調(diào)節(jié)緩沖層的晶格和單晶半導(dǎo)體材料的晶格的不匹配引起的任意張力。附加的緩沖層32可以是鍺或GaAs、砷化鎵鋁(AlGaAs)、磷化鎵銦(InGaP)、磷化鎵鋁(AlGaP)、砷化鎵銦(InGaAs)、磷化銦鋁(AlInP)、磷砷化鎵(GaAsP)或磷化鎵銦(InGaP)張力補(bǔ)償?shù)某Ц駥印８鶕?jù)該實(shí)施例的一個(gè)方面，緩沖層32包括GaAsxP1-x超晶格，其中x的值從0至1。根據(jù)該實(shí)施例的另一個(gè)方面，緩沖層32包括InyGa1-yP超晶格，其中y的值從0至1。視情況而定，通過改變x或y的值，晶格常數(shù)自下至上改變與超晶格層交叉，以在下面的氧化物的晶格常數(shù)和覆蓋的化合物半導(dǎo)體材料之間產(chǎn)生匹配。其他的材料的合成，例如上列的那些，也可以以相同方式同樣改變，以操作(manipulate)層32的晶格常數(shù)。超晶格層可以具有約50-500nm的厚度，優(yōu)選具有約100-200nm的厚度。用于這個(gè)結(jié)構(gòu)的模板可以與實(shí)例1中描述的相同。另外地，緩沖層32可以是具有1-50nm厚度的單晶鍺層，優(yōu)選具有約2-20nm的厚度。在使用鍺緩沖層中，具有約一個(gè)單層厚度的鍺-鍶(Ge-Sr)或鍺-鈦(Ge-Ti)之一的模板層能被用于單晶化合物半導(dǎo)體材料的后續(xù)生長的成核位置。形成的氧化層覆蓋有鍶單層或鈦單層之一，以作為用于單晶鍺的后續(xù)淀積的成核位置。鍶單層或鈦單層提供鍺的第一單層可以鍵合的成核位置。
實(shí)例5該實(shí)施例也說明對圖2中說明的結(jié)構(gòu)40有用的材料。襯底材料22、調(diào)節(jié)緩沖層24、單晶化合物半導(dǎo)體材料層26和模板層30可以與如上所述的實(shí)例2中的那些層相同。此外，緩沖層32插入在調(diào)節(jié)緩沖層24和覆蓋的單晶化合物半導(dǎo)體材料層26之間。緩沖層32，進(jìn)一步單晶半導(dǎo)體材料，例如可以是砷化鎵銦(InGaAs)或砷化鋁銦(InAlAs)的過渡(graded)層。根據(jù)該實(shí)施例的一個(gè)方面，緩沖層32包括InGaAs，其中銦成分從0變到約50％。附加的緩沖層32優(yōu)選具有約10-30nm的厚度。從GaAs至InGaAs改變緩沖層32的成分，用來在下面的單晶氧化物材料24和單晶化合物半導(dǎo)體材料的覆蓋層26之間提供晶格匹配。如果在調(diào)節(jié)緩沖層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26之間有晶格失配，這種緩沖層32是特別有利的。
實(shí)例6這個(gè)實(shí)施例提供對圖3中說明的結(jié)構(gòu)34有用的示例性材料。襯底材料22、模板層30、單晶化合物半導(dǎo)體材料層26可與如上所述的實(shí)例1中的那些層相同。
非晶層36是適當(dāng)?shù)赜煞蔷е虚g層材料(例如如上所述的層28的材料)和調(diào)節(jié)緩沖層材料(例如如上所述的層24材料)形成的非晶氧化層。例如，非晶層36可以包括SiOX和SrzBa1-zTiO3(z的范圍從0至1)的組合，在退火工序過程中至少部分地結(jié)合或混合，以形成非晶氧化層36。
非晶層36的厚度根據(jù)應(yīng)用而變化且可以取決于如下因素，如層36想要的絕緣性能，包括26的半導(dǎo)體材料的種類等。根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)示例性方面，層36厚度約2nm至約100nm，優(yōu)選約2-10nm，更優(yōu)選約5-6nm。
層38包括可以在單晶氧化物材料上外延地生長的化合物半導(dǎo)體材料，例如用來形成調(diào)節(jié)緩沖層24的材料。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，層38包括與層26包括的那些相同的材料。例如，如果層26包括GaAs，層38也包括GaAs。但是，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，層38可以包括不同于用來形成層26的那些材料。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例，層38是約1單層至約100nm厚。
再參考圖1-3，襯底22是單晶襯底，例如單晶硅襯底。單晶襯底的晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于晶格常數(shù)和晶格取向。同樣，調(diào)節(jié)緩沖層24也是單晶材料，單晶材料的晶格特點(diǎn)在于晶格常數(shù)和晶體取向。調(diào)節(jié)緩沖層24和單晶襯底22的晶格常數(shù)必須緊密地匹配或，另外必須如此一個(gè)晶體取向相對于另一晶體取向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晶格常數(shù)的實(shí)質(zhì)性匹配。本文中的術(shù)語“基本上相等”和“基本上匹配”意味晶格常數(shù)之間有足夠的相似性，以允許下面的層上生長優(yōu)質(zhì)的晶體層。
圖4以圖形說明高晶體質(zhì)量的生長晶體層的可獲得的厚度的關(guān)系是基質(zhì)晶體和生長晶體的晶格常數(shù)之間的不匹配的函數(shù)。曲線42說明高晶體質(zhì)量材料的邊界。曲線42右邊的區(qū)域表示傾向多晶的層。沒有晶格失配，理論上可以在基質(zhì)晶體上生長無限厚度、優(yōu)質(zhì)的外延層。當(dāng)晶格常數(shù)的不匹配增加時(shí)，優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶層能達(dá)到的厚度迅速地減小。作為參考點(diǎn)，例如，如果基質(zhì)晶體和生長層之間的晶格常數(shù)不匹配超過約2％，不能實(shí)現(xiàn)超過約20nm單晶外延層。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底22是(100)或(111)取向的單晶硅晶片，調(diào)節(jié)緩沖層24是鈦酸鍶鋇層。通過相對于硅襯底晶片22晶體取向旋轉(zhuǎn)鈦酸鹽材料24的晶體取向45°實(shí)現(xiàn)這兩種材料之間的晶格常數(shù)的實(shí)質(zhì)性匹配。在該例中，包括在非晶中間層28的結(jié)構(gòu)中氧化硅層如果足夠厚，可用來減小鈦酸鹽單晶層24中可能源于基質(zhì)硅片22和生長的鈦酸鹽層24的晶格常數(shù)的任意不匹配引起的張力。結(jié)果，可獲得優(yōu)質(zhì)的、厚的單晶鈦酸鹽層24。
還參考圖1-3，層26是外延生長的單晶材料層，晶體材料也以晶格常數(shù)和晶體取向?yàn)樘卣鳌８鶕?jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，層26晶格常數(shù)不同于襯底22的晶格常數(shù)。為了在該外延生長的單晶層中的獲得優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶性，調(diào)節(jié)緩沖層24必須是高結(jié)晶質(zhì)量。此外，為了在層26中獲得優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶性，在此情況下，希望基質(zhì)晶體，單晶調(diào)節(jié)緩沖層24和生長的晶體26的晶格常數(shù)之間的實(shí)質(zhì)性匹配。利用適當(dāng)選擇的材料，獲得晶格常數(shù)的這些實(shí)質(zhì)性匹配，由于生長晶體26的晶體取向相對于基質(zhì)晶體24的取向旋轉(zhuǎn)。如果生長晶體26是砷化鎵、砷化鎵鋁、硒化鋅、或硒化硫鋅，而調(diào)節(jié)緩沖層24是單晶SrBa1-xTiO3，那么獲得兩種材料的晶格常數(shù)的實(shí)質(zhì)性匹配，其中生長層26的晶相相對于基質(zhì)單晶氧化物24的取向旋轉(zhuǎn)45℃。同樣，如果基質(zhì)材料24是鍶或鋯酸鋇或鍶或鉿酸鋇或氧化錫鋇，而化合物半導(dǎo)體層26是磷化銦或砷化鎵銦或砷化鋁銦，那么通過將生長晶體層26的取向相對于基質(zhì)氧化物晶體24旋轉(zhuǎn)45℃可以獲得晶格常數(shù)的實(shí)質(zhì)性匹配。在某些情況下，基質(zhì)氧化物24和生長化合物半導(dǎo)體層26之間的結(jié)晶半導(dǎo)體緩沖層32可用于減小生長單晶化合物半導(dǎo)體層26中的張力，該張力可能源于晶格常數(shù)的微小差異。由此在生長的單晶化合物半導(dǎo)體層26中可以獲得比較好的結(jié)晶質(zhì)量。
以下實(shí)例說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖1-3所描繪的結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝開始提供包括硅或鍺的單晶半導(dǎo)體襯底22。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，半導(dǎo)體襯底22是具有(100)取向的硅片。襯底22優(yōu)選取向在軸上或至多偏離軸約0.4℃。盡管如下所述，襯底的其他部分可以包含其他結(jié)構(gòu)，但至少半導(dǎo)體襯底22的一部分具有裸露面。本文中的術(shù)語“裸露”意味部分襯底22的表面已被清洗，以除去任意氧化物、雜質(zhì)或其他異物。眾所周知，裸硅是高反應(yīng)的以及容易形成自然氧化物。術(shù)語“裸”意圖包含這種自然氧化物。也可以有意地在半導(dǎo)體襯底上生長薄的氧化硅，盡管這種生長的氧化物對工藝來說不是必需的。為了外延地生長覆蓋單晶襯底22的單晶氧化層24，首先必須除去自然氧化層，露出下面的襯底22的晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選通過分子束外延(MBE)進(jìn)行以后的工序，盡管根據(jù)本發(fā)明也可以使用其他外延工藝。首先在MBE設(shè)備中通過熱淀積鍶、鋇、鍶和鋇的組合物、或其他堿土金屬或堿土金屬的組合物可以除去自然氧化物。在使用鍶的情況下，襯底22被加熱到約750℃的溫度，以促使鍶與自然氧化硅層起反應(yīng)。鍶用來減少氧化硅，以留下沒有氧化硅的表面。顯示出有序的2×1結(jié)構(gòu)的所得表面，包括鍶、氧、和硅。有序的2×1結(jié)構(gòu)形成用于單晶氧化物的覆蓋層24的有序生長的模板。模板提供必要的化學(xué)及物理性能以使覆蓋層24的晶體生長形成晶核。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，通過在低溫下通過MBE淀積堿土金屬氧化物如氧化鍶或氧化鋇到襯底表面上，且通過隨后加熱該結(jié)構(gòu)到約750℃的溫度，可以轉(zhuǎn)變自然的氧化硅和可以準(zhǔn)備襯底22的表面，用于單晶氧化層24的生長。在此溫度下，在氧化鍶和自然氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，導(dǎo)致自然氧化硅減少和在襯底22的表面上留下具有鍶、氧和硅殘留物的有序的2×1結(jié)構(gòu)。同樣，這形成用于有序的單晶氧化層24隨后生長的模板。
在從襯底22的表面除去氧化硅之后，襯底被冷卻到在約200-800℃的溫度范圍內(nèi)，通過分子束外延在模板層上生長鈦酸鍶層24。通過在分子束外延設(shè)備中打開閘門，露出鍶、鈦和氧源，開始MBE工序。鍶和鈦的比接近1∶1。氧分壓最初設(shè)為最小值，以每分鐘約0.3-0.5nm的生長速率生長理想(stoichiometric)的鈦酸鍶。在鈦酸鍶開始生長之后，氧分壓增至高于起始的最小值。氧的過壓促使下面的襯底22和生長的鈦酸鍶層24之間界面處的非晶硅氧化層28的生長。氧化硅層28的生長源于氧通過生長的鈦酸鍶層24到氧與下面的襯底22的表面起反應(yīng)的界面的氧擴(kuò)散。鈦酸鍶生長為具有相對于底下襯底旋轉(zhuǎn)45℃的(100)晶體取向的有序(100)單晶體。在非晶硅氧化中間層28中減輕了由于硅襯底22和生長晶體24之間的晶格常數(shù)的微小不匹配可能引起的存在于鈦酸鍶層24中的張力。
在鈦酸鍶層24已生長到想要的厚度之后，通過有助于想要的化合物半導(dǎo)體材料26的外延層的后續(xù)生長的模板層30覆蓋單晶鈦酸鍶。對于砷化鎵層26的后續(xù)生長，可以通過終止鈦的1-2個(gè)單層、鈦-氧的1-2個(gè)單層或鍶-氧的1-2個(gè)單層的生長完成鈦酸鍶單晶層24的MBE生長。接著形成該覆蓋層，淀積砷以形成Ti-As鍵、Ti-O-As鍵或Sr-O-As鍵。這些的任意一種形成適宜于淀積和形成砷化鎵單晶層26的模板30。形成模板30之后，隨后引入鎵，與砷反應(yīng)和形成砷化鎵26。另外地，可以在覆蓋層上淀積鎵，以形成Sr-O-Ga鍵，隨后引入砷，形成GaAs。
圖5是根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體材料的高分辨率透射式電子顯微鏡照片(TEM)。在硅襯底22上外延地生長單晶SrTiO3調(diào)節(jié)緩沖層24。在該生長工序過程中，形成非晶界面層28，減輕由于晶格失配的張力。然后使用模板層30外延地生長GaAs化合物半導(dǎo)體。
圖6說明拍攝包括使用調(diào)節(jié)緩沖層24在硅襯底22上生長的GaAs化合物半導(dǎo)體層26的結(jié)構(gòu)的X射線衍射譜。波譜的峰值表明調(diào)節(jié)緩沖層24和GaAs化合物半導(dǎo)體層26都是單晶體和(100)取向。
通過上述工序外加附加的緩沖層淀積步驟可以形成圖2所示的結(jié)構(gòu)。在淀積單晶化合物半導(dǎo)體層26之前形成覆蓋模板層的附加緩沖層32。如果附加緩沖層32是化合物半導(dǎo)體超晶格，那么可以通過MBE(例如)在如上所述的模板30上淀積這種超晶格。如果替代的附加緩沖層32是鍺層，那么修改上述工序，用鍶或鈦二者之一的最后層覆蓋鈦酸鍶單晶層24，然后通過淀積鍺，與鍶或鈦起反應(yīng)。然后可以在該模板30上直接淀積鍺緩沖層32。
可以如上所述通過生長調(diào)節(jié)緩沖層，在襯底22上形成非晶氧化層，在調(diào)節(jié)緩沖層上生長半導(dǎo)體層38，以形成圖3中說明的結(jié)構(gòu)34。然后暴露調(diào)節(jié)緩沖層和非晶氧化層，退火工序有效地將調(diào)節(jié)緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)從單晶變?yōu)榉蔷?，由此形成非晶層，以致非晶氧化層和現(xiàn)在的非晶調(diào)節(jié)緩沖層的組合形成單個(gè)非晶氧化層36。然后在層38上接著生長層26。另外，可以在層26的生長之后進(jìn)行退火工序。
根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)方面，通過將襯底22、調(diào)節(jié)緩沖層、非晶氧化層和半導(dǎo)體層38暴露于約700℃至約1000℃的峰值溫度和約5秒至約10分鐘的處理時(shí)間進(jìn)行快速熱退火工序，形成層36。但是，根據(jù)本發(fā)明，可以使用其他適合的退火工序使調(diào)節(jié)緩沖層變?yōu)榉蔷?。例如，可以使用激光退火或“常?guī)的”熱退火工序(在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下)形成層36。當(dāng)使用常規(guī)的熱退火形成層36時(shí)，可以要求層30的一種或多種組分的過壓，以防止退火工序過程中層38退化。例如，當(dāng)層38包括GaAs時(shí)，退火環(huán)境優(yōu)選包括過壓的砷，以減輕層38的退化。
如上所述，結(jié)構(gòu)34的層38可以包括適合于層32或26的任何一個(gè)的任意材料。由此，可以使用根據(jù)層32或26二者之一描述的任意淀積或生長方法淀積層38。
圖7是根據(jù)圖3說明的本發(fā)明的實(shí)施例制造的半導(dǎo)體材料的高分辨率透射式電子顯微鏡照片(TEM)。根據(jù)本實(shí)施例，在硅襯底22上外延地生長單結(jié)晶SrTiO3調(diào)節(jié)緩沖層24。在該生長工序過程中，如上所述形成非晶界面層。接著，在調(diào)節(jié)緩沖層上形成GaAs層38，調(diào)節(jié)緩沖層暴露于退火工序，以形成非晶氧化層36。
圖8說明拍攝包括硅襯底22上形成的GaAs化合物半導(dǎo)體層38和非晶氧化層36的結(jié)構(gòu)的X射線衍射譜。波譜的峰值表明GaAs化合物半導(dǎo)體層38是單晶體和(100)取向，以及40至50度周圍缺少峰值表明層36是非晶的。
如上所述的工序說明用于包括硅襯底22、覆蓋氧化層和通過分子束外延工序形成的單晶砷化鎵化合物半導(dǎo)體層26的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工序。還可以通過化學(xué)氣相淀積(CVD)工序、有機(jī)金屬化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、徒動增強(qiáng)外延(MEE)、原子層外延(ALE)、物理汽相淀積(PVD)、化學(xué)溶液淀積(CSD)、脈沖激光淀積(PLD)等的工序進(jìn)行該工藝。而且，通過類似的工序，也可以生長其他單晶調(diào)節(jié)緩沖層24，如堿土金屬、鈦酸鹽、鋯酸鹽、鉿酸鹽、鉭酸鹽、釩酸鹽、釕酸鹽以及鈮酸鹽堿土金屬錫基鈣鈦礦、鋁酸鑭、氧化鈧鑭、和氧化釓。而且，通過類似的工序，如MBE，可以淀積覆蓋單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層24的其他III-V和II-VI單晶化合物半導(dǎo)體層26。
化合物半導(dǎo)體材料26和單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層24的每一變化使用適宜的模板30用于開始生長化合物半導(dǎo)體層。例如，如果調(diào)節(jié)緩沖層24是堿土金屬鋯酸鹽，那么可以由鋯薄層覆蓋氧化物。隨后，通過淀積砷或磷可以淀積鋯，以與作為前體的鋯起反應(yīng)，以分別淀積砷化鎵銦、砷化鋁銦、或磷化銦。同樣，如果單晶氧化調(diào)節(jié)緩沖層24是堿土金屬鉿酸鹽，那么可以由鉿薄層覆蓋氧化層。隨后，通過淀積砷或磷可以淀積鉿，以與作為前體的鉿起反應(yīng)，以分別淀積砷化鎵銦、砷化鋁銦、或磷化銦層26。以類似方式，可以用鍶或鍶和氧層覆蓋鈦酸鍶24，以及可以用鋇、鋇和氧的層覆蓋鈦酸鋇24。隨后通過淀積砷或磷以與覆蓋材料起反應(yīng)，可以進(jìn)行這些淀積的每一種，以形成用于淀積化合物半導(dǎo)體材料層26的模板30，化合物半導(dǎo)體材料層26包括銦、砷化鎵、砷化銦鋁、或磷化銦。
在圖9-12中示意地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的形成截面。與先前參考圖1-3描述的實(shí)施例相同，本發(fā)明的該實(shí)施例包括形成相容襯底的工序和形成模板層的工序，利用單晶氧化物的外延生長形成相容的襯底，如先前參考圖1和2描述的形成調(diào)節(jié)緩沖層24和先前參考圖3描述的形成非晶層36。但是，圖9-12中說明的實(shí)施例利用包括表面活性劑以促進(jìn)層與層的單晶材料生長的模板。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9，通過在層54的生長過程中氧化襯底52，在襯底52和生長調(diào)節(jié)緩沖層54之間的界面的襯底52上生長非晶中間層58，優(yōu)選是單晶體氧化層。層54優(yōu)選是單晶氧化物材料，如SrzBa1-zTiO3的單晶層，z的范圍從0至1。但是，層54也可以包括參考圖1-2中的層24預(yù)先描述的那些化合物的任何一種和參考圖3中由層24和28組成的層36預(yù)先描述了那些化合物的任意一種，層24和28參考圖1和2。
生長層54，具有由圖9中的陰影線55表示的鍶(Sr)終止面，接著增加包括表面活性劑層61和帽蓋層63的模板層60，如圖10和11所示。表面活性劑層61可以包括但不局限于如鋁、銦、和鎵元素，但是將取決于層54和用于最優(yōu)結(jié)果的單晶材料的覆蓋層的成分。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，鋁(Al)用于表面活性劑層61，起改變層54的表面和表面力(surface energy)的作用。優(yōu)選，在圖10所示的層54上通過分子束外延(MBE)外延地生長表面活性劑層61至一至兩個(gè)單層的厚度，盡管其他外延工藝也可以執(zhí)行，包括化學(xué)氣相淀積(CVD)、有機(jī)金屬化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、徒動增強(qiáng)外延(MEE)、原子層外延(ALE)、物理汽相淀積(PVD)、化學(xué)溶液淀積(CSD)、脈沖激光淀積(PLD)等。
然后表面活性劑層61(例如)暴露于五族元素如砷，以形成如圖11所示的覆蓋層63。表面活性劑層61可以暴露于多種材料以產(chǎn)生覆蓋層63，如包括但是不局限于砷、磷、銻和氮。表面活性劑層61和覆蓋層結(jié)合形成模板層60。
然后通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等淀積單晶材料層66，以形成圖12所示的最終結(jié)構(gòu)，單晶材料層在本實(shí)例中是化合物半導(dǎo)體，如GaAs。
圖13-16說明根據(jù)圖9-12中說明的本發(fā)明的實(shí)施例形成的化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例的可能的分子鍵結(jié)構(gòu)。更具體地說，圖13-16說明使用包含模板(層60)的表面活性劑在鈦酸鍶單晶氧化物(層54)的鍶終止表面上生長GaAs(層66)。
在調(diào)節(jié)緩沖層54如在非晶中間層58和襯底層52上的氧化鈦鍶上生長單晶材料層66，例如GaAs，其中非晶中間層58和襯底層52都可以包括前面參考圖1和2中層28和22分別描述的材料，圖示了約1000埃的臨界厚度，因?yàn)樯婕暗谋砻媪Ω淖儍删S(2D)和三維(3D)生長。為了保持真正的一層接一層的生長(Frank Van der Mere生長)，必須滿足以下關(guān)系δSTO＞(δINT+δGaAs)單晶氧化層54的表面力必須大于加到GaAs層66表面力的非晶中間層58的表面力。由于它難以滿足該等式，因此使用包含模板的表面活性劑，如上參考圖10-12所述，以增加單晶氧化層54的表面力和還改變模板的晶體結(jié)構(gòu)為與初始GaAs層相容的類金剛石結(jié)構(gòu)。
圖13說明鈦酸鍶單晶氧化層的鍶終止表面的分子鍵結(jié)構(gòu)。在鍶終止表面頂上淀積鋁表面活性劑層并與如圖14所示的表面鍵合，反應(yīng)形成包括Al2Sr單層的帽蓋層，Al2Sr單層具有圖14所示的分子鍵結(jié)構(gòu)，形成具有與化合物半導(dǎo)體例如GaAs相容的sp3混合終止表面和類金剛石結(jié)構(gòu)。然后該結(jié)構(gòu)暴露于As，形成如圖15所示的AlAs層。然后淀積GaAs，以完成圖16所示的由二維生長獲得的分子鍵結(jié)構(gòu)。GaAs可以生長到任意厚度，用于形成其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件、或集成電路。優(yōu)選使用堿土金屬如IIA族中的那些元素形成單晶氧化層54的覆層表面，因?yàn)樗鼈兡苄纬删哂袖X的想要的分子結(jié)構(gòu)。
在該實(shí)施例中，包含模板層的表面活性劑有助于形成用于單片集成的各種材料層的相容襯底，各種材料層包括由III-V族化合物構(gòu)成的那些層，以形成優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路。例如，包含模板的表面活性劑可以用于單片集成單晶材料層如包括鍺(Ge)的層，以形成高效率的光電池。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖17-20，以截面圖說明根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的形成。該實(shí)施例利用相容襯底的形成，依靠在硅上外延生長單晶氧化物，接著在氧化物上外延生長單晶硅。
在襯底層72如硅上首先生長調(diào)節(jié)緩沖層74如單晶氧化層，具有如圖17所示的非晶中間層78。單晶氧化層74可以由前面參考圖1和2中的層24論述的任意一種材料構(gòu)成，同時(shí)非晶中間層78優(yōu)選由參考圖1和2所示的層28預(yù)先描述的任何一種材料構(gòu)成。襯底72盡管優(yōu)選硅，也可以包括前面參考圖1-3中的襯底22描述的任何一種材料。
接著，通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等在單晶氧化層74上淀積硅層81，如圖18所示，具有幾百埃的厚度，但是優(yōu)選具有約50埃的厚度。單晶氧化層74優(yōu)選具有約20至100埃的厚度。
然后在碳源如乙炔或甲烷存在的情況下，進(jìn)行快速熱退火，例如在約800℃至1000℃范圍內(nèi)的溫度下，以形成帽蓋層82和硅酸鹽非晶層86。但是，可以使用其他適合的碳源，只要快速熱退火步驟起將單晶氧化層74非晶化為硅酸鹽非晶層86和碳化頂硅層81以形成帽蓋層82的作用，在該實(shí)例中帽蓋層82是碳化硅(SiC)層，如圖19所示。非晶層86的形成類似于圖3中所示的層36的形成，且可以包括參考圖3中的層36描述的那些材料的任意材料，但是優(yōu)選材料將取決于用于硅層81的帽蓋層82。
最終，通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等在SiC表面上生長化合物半導(dǎo)體層96如氮化鎵(GaN)，如圖20所示，，以形成用于器件形成的優(yōu)質(zhì)化合物半導(dǎo)體材料。更具體地說，GaN和GaN基系如GaInN和AlGaN的淀積將導(dǎo)致在硅/非晶區(qū)限制的網(wǎng)點(diǎn)形成位錯(cuò)。所得的氮化物包含化合物半導(dǎo)體材料且沒有缺陷，化合物半導(dǎo)體材料可以包括元素周期表的III、IV、V族元素。
盡管過去已在SiC襯底上生長了GaN，但是本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行形成包含SiC頂面和硅表面上的非晶層的相容襯底的一個(gè)步驟。更具體地說，本發(fā)明的實(shí)施例使用非晶化以形成吸收層間張力的硅酸鹽層的中間單晶氧化層。而且，與過去使用的SiC襯底不同，本發(fā)明的該實(shí)施例不受晶片尺寸限制，現(xiàn)有技術(shù)的SiC襯底的晶片尺寸通常小于50mm的直徑。
包含半導(dǎo)體化合物的氮化物和硅器件的單片集成可以用于高溫RF應(yīng)用和光電子器件，半導(dǎo)體化合物包含III-V氮化物。GaN系特別用于用于藍(lán)/綠和W光源和探測的光電工業(yè)。也可以在GaN系統(tǒng)內(nèi)形成高亮度的發(fā)光二極管(LED)和激光器。
圖21-23以截面圖示意地說明形成根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例包括使用絡(luò)合物或Zintl型鍵合起過渡層作用的相容層。更具體地說，該實(shí)施例利用金屬間模板層以減小材料層之間的界面力，由此允許層接層的二維生長。
圖21所示的結(jié)構(gòu)包括單晶襯底102、非晶中間層108以及調(diào)節(jié)緩沖層104。如參考圖1和2的先前描述，在襯底102和調(diào)節(jié)緩沖層104之間界面的襯底102上形成非晶中間層108。非晶中間層108可以包括前面參考圖1和2的中間層28描述的那些材料的任意材料。襯底102優(yōu)選是硅，但是也可以包括參考圖1-3中的襯底22先前描述的那些材料的任意材料。
在調(diào)節(jié)緩沖層104上淀積如圖22所示的模板層130，優(yōu)選包括由具有大量的離子特性的金屬和準(zhǔn)金屬組成的Zintl型位相材料的薄層。如先前描述的實(shí)施例，通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等淀積模板層130，以獲得一個(gè)單層的厚度。模板層130起具有不定向鍵合的“軟”層作用但具有吸收晶格失配的層間積累的應(yīng)力的作用。用于模板130的材料可以包括，但是不局限于包含硅、鎵、銦和銻的材料，例如AlSr2、(MgCaYb)Ga2、(Ca、Sr、Eu、Yb)In2、BaGe2As以及SrSn2AS2。
在模板層130上外延地生長單晶材料層126，以獲得圖23說明的最終結(jié)構(gòu)。作為具體實(shí)例，SrAl2層可以用作模板層130，在SrAl2上生長適宜的單晶材料層126，例如化合物半導(dǎo)體材料GaAs。Al-Ti(來自SrzBa1-zTiO3的調(diào)節(jié)緩沖層，z范圍從0至1)鍵主要呈金屬性，同時(shí)Al-As(來自GaAs層)鍵是弱共價(jià)。Sr具有兩種類型鍵，一種其電荷進(jìn)入包括SrzBa1-zTiO3的調(diào)節(jié)緩沖層104的氧原子以具有離子鍵，另一種在用Zintl相材料一般進(jìn)行的方式中價(jià)電荷捐獻(xiàn)給鋁。電荷改變量取決于包括模板層130的元素的相關(guān)陰電性以及取決于原子間距。在該實(shí)例中，鋁假定sp3雜化且可以容易地與單晶材料層126形成鍵，在該實(shí)例中單晶材料層包括化合物半導(dǎo)體材料GaAs。
通過利用該實(shí)施例中使用的Zintl型模板層產(chǎn)生可以吸收大的張力而沒有顯著的能量損失的相容襯底。在上述實(shí)例中，通過改變SrAl2層的體積調(diào)整鋁的鍵強(qiáng)度，由此制成用于專門應(yīng)用可調(diào)的器件，包括III-V和硅器件的單片集成以及用于CMOS技術(shù)的高k介質(zhì)材料的單片集成。
清楚地，具體描述了具有化合物半導(dǎo)體部分和IV族半導(dǎo)體部分的那些實(shí)施例用于說明本發(fā)明的實(shí)施例且不限制本發(fā)明。存在許多其他組合和本發(fā)明的其他實(shí)施例。例如，本發(fā)明包括用于制造形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路的結(jié)構(gòu)和方法，集成電路包括其他層例如金屬和非金屬層。更具體地說，本發(fā)明包括用于形成相容襯底和材料層的結(jié)構(gòu)和方法，相容襯底用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路，材料層適合于制造那些結(jié)構(gòu)、器件和集成電路。通過使用本發(fā)明的實(shí)施例，現(xiàn)在簡化包括單晶層和其它材料層的集成器件，單晶層包括半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體，其它材料層用來形成具有其他元件的那些器件，其他元件工作更好或容易地和/或廉價(jià)地形成在半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體材料內(nèi)。這些允許器件縮小，減小制造成本和增加產(chǎn)量和可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，單晶半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體晶片可以用于在晶片上形成單晶材料層。以此方式，晶片本質(zhì)上是在覆蓋晶片的單晶層內(nèi)制造半導(dǎo)體電子元件的過程中使用的“處理”晶片。因此，電子元件可以形成在覆蓋至少約200毫米直徑和可能至少近似300毫米直徑的晶片上的半導(dǎo)體材料內(nèi)。
利用這種襯底，相對廉價(jià)的“處理”晶片克服放置化合物半導(dǎo)體或其他單晶材料晶片在相對更持久和便于制造的基材上易脆的自然性。因此，可以形成集成電路，以致可以在單晶材料層內(nèi)或使用單晶材料層形成所有電子元件特別所有的有源電子器件，即使襯底本身可能包括單晶半導(dǎo)體材料。使用非硅單晶材料的化合物半導(dǎo)體器件及其他器件的生產(chǎn)成本應(yīng)該減小，因?yàn)榕c相對較小和更易脆的襯底(例如，常規(guī)的化合物半導(dǎo)體晶片)相比大的襯底可以更經(jīng)濟(jì)和更容易處理。
圖24以截面圖示意地說明根據(jù)再一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)50。器件結(jié)構(gòu)50包括單晶半導(dǎo)體襯底52，優(yōu)選單晶硅晶片。單晶半導(dǎo)體襯底52包括兩個(gè)區(qū)53和57。在區(qū)53中至少部分地形成一般由虛線56表示的電子半導(dǎo)體元件。電子元件56可以是電阻器、電容器、有源半導(dǎo)體元件如二極管或晶體管，或集成電路如CMOS集成電路。例如，電子半導(dǎo)體元件56可以是配置來完成數(shù)字信號處理或硅集成電路也適合的其它功能的CMOS集成電路。可以通過常規(guī)的半導(dǎo)體工藝同時(shí)也是半導(dǎo)體工業(yè)公知的和廣泛使用的工藝形成區(qū)53中的電子半導(dǎo)體元件。絕緣材料層59例如二氧化硅層等可以覆蓋電子半導(dǎo)體元件56。
從區(qū)54的表面除去區(qū)53中的半導(dǎo)體元件56的處理過程中已形成或淀積的絕緣材料59和任意的其他層，以在區(qū)中提供裸硅表面區(qū)。眾所周知，裸硅表面高反應(yīng)性和可以在裸露面很快地形成氧化硅層。在區(qū)57的表面上的自然氧化層上淀積鋇或鋇和氧的層，并與氧化表面起反應(yīng)，形成第一模板層(未示出)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過分子束外延工序形成覆蓋模板層的單晶氧化層。在模板層上淀積包括鋇、鈦和氧的反應(yīng)劑以形成單晶氧化層。在最初淀積過程中，保持氧分壓接近與鋇和鈦完全反應(yīng)所必需的最小值，以形成單晶鈦酸鋇層。然后增加氧分壓，以提供氧過壓和允許氧擴(kuò)散通過生長的單晶氧化層。氧擴(kuò)散通過鈦酸鋇在區(qū)57的表面與硅反應(yīng)，在第二區(qū)57上和在硅襯底52和單晶氧化層65之間的界面形成氧化硅62的非晶層。層65和62可以經(jīng)受如上結(jié)合圖3所述的退火工藝，以形成單個(gè)非晶的調(diào)節(jié)層。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過淀積第二模板層64終止單晶氧化層65的淀積步驟，第二模板層64可以是鈦、鋇、鋇和氧或鈦和氧的1-10單層。然后通過分子束外延工藝淀積覆蓋第二模板層64的單晶材料層66。通過在模板上淀積砷層開始層66的淀積。該初始步驟之后淀積鎵和砷，以形成單晶砷化鎵66。另外地，鍶可以代替上述實(shí)例的鋇。
根據(jù)再一實(shí)施例，在化合物半導(dǎo)體層66中形成一般由虛線68表示的半導(dǎo)體元件?？梢酝ㄟ^通常用于制造砷化鎵或其他III-V化合物半導(dǎo)體材料器件的工藝步驟形成半導(dǎo)體元件68。半導(dǎo)體元件68可以是任意的有源或無源元件，優(yōu)選是利用和具有化合物半導(dǎo)體材料的物理性能優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、光探測器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高頻MESFET或其他元件?？梢孕纬捎删€70示意地表示的金屬導(dǎo)體以電耦接器件68和器件56，因此實(shí)現(xiàn)包括在硅襯底52中形成的至少一個(gè)元件和在單晶化合物半導(dǎo)體材料層66中形成的至少一個(gè)器件的集成器件。盡管說明性結(jié)構(gòu)50已描述為在硅襯底52上形成且具有鈦酸鋇(或鍶)層65和砷化鎵層66的結(jié)構(gòu)，但是使用本公開在別處描述的其他襯底、單晶氧化層和其他化合物半導(dǎo)體層可以制造類似的器件。
圖25說明根據(jù)再一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)71。結(jié)構(gòu)71包括單晶半導(dǎo)體襯底73例如單晶硅晶片，單晶半導(dǎo)體襯底73包括區(qū)75和區(qū)76。使用半導(dǎo)體工業(yè)中通常使用的常規(guī)硅器件處理技術(shù)在區(qū)75中形成由虛線79示意地圖示的電子元件。使用類似于如上所述的那些工藝步驟，形成覆蓋襯底73的區(qū)76的單晶氧化層80和中間非晶硅氧化層83。形成覆蓋單晶氧化層80的模板層84和隨后的單晶半導(dǎo)體87。根據(jù)再一實(shí)施例，通過類似于用來形成層80的工藝步驟形成覆蓋層86的附加單晶氧化層88，通過類似于用來形成層87的工藝步驟形成覆蓋單晶氧化層88的附加單晶半導(dǎo)體層90。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，層87和90的至少一個(gè)由化合物半導(dǎo)體材料組成。層80和83可以經(jīng)受如上結(jié)合圖3所述的退火工藝，以形成單個(gè)非晶的調(diào)節(jié)層。
在單晶半導(dǎo)體層87中至少部分地形成一般由虛線92表示的半導(dǎo)體元件。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體元件92可以包括具有部分由單晶氧化層88形成的柵介質(zhì)的場效應(yīng)晶體管。此外，單晶半導(dǎo)體90可用于實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)晶體管的柵電極。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，單晶半導(dǎo)體層87由III-V族化合物組成，半導(dǎo)體元件92是利用III-V族元件材料的高遷移率性能的射頻放大器。根據(jù)又一實(shí)施例，由線94示意地圖示的電互連電連接元件79和元件92。結(jié)構(gòu)71因此集成利用兩種單晶半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能的元件。
注意現(xiàn)在關(guān)注用于形成說明50或71的合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或合成集成電路的示例性部分的方法。具體而言，圖26-30中示出的說明性合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或集成電路103包括化合物半導(dǎo)體部分1022、雙極部分1024以及MOS部分1026。在圖26中，提供p型摻雜的單晶硅襯底110，具有化合物半導(dǎo)體部分1022、雙極部分1024、以及MOS部分1026。在雙極部分1024內(nèi)，摻雜單晶硅襯底110以形成N+掩埋區(qū)1102。然后在掩埋區(qū)1102和襯底110上形成輕p型摻雜的外延單晶硅層1104。然后執(zhí)行摻雜步驟，以在N+掩埋區(qū)1102上產(chǎn)生輕N型摻雜的漂移區(qū)1117。摻雜步驟將雙極區(qū)1024截面內(nèi)的輕p型外延層的摻雜劑類型轉(zhuǎn)變?yōu)檩pN型單晶硅區(qū)。然后在雙極部分1024和MOS部分1026之間和雙極1024和MOS部分1026周圍形成場隔離區(qū)1106。在MOS部分1026內(nèi)的部分外延層1104上形成柵介質(zhì)層1110，然后在柵介質(zhì)層1110上形成柵電極1112。沿柵電極1112和柵介質(zhì)層1110的垂直側(cè)面形成側(cè)壁隔片1115。
將p型摻雜劑引入漂移區(qū)1117以形成有源或本征基區(qū)1114。然后在雙極部分1024內(nèi)形成N型深集電區(qū)1108以允許電連接到掩埋區(qū)1102。執(zhí)行選擇性的N型摻雜以形成N+摻雜區(qū)1116和發(fā)射區(qū)1120。在沿柵電極1112的鄰邊的層1104內(nèi)形成N+摻雜區(qū)1116，其為MOS晶體管的源、漏區(qū)或源/漏區(qū)。N+摻雜區(qū)1116和發(fā)射區(qū)1120具有每立方厘米至少1E19原子的摻雜濃度，以允許形成歐姆接觸。形成p型摻雜區(qū)，以產(chǎn)生P+摻雜區(qū)的非有源區(qū)或外基區(qū)1118(每立方厘米至少1E19原子的摻雜濃度)。
在描述的實(shí)施例中，已經(jīng)執(zhí)行了幾個(gè)處理步驟，但是沒有說明或更進(jìn)一步描述，例如形成阱區(qū)、閾值調(diào)整注入、溝道穿通防止注入、場穿通防止注入以及各種掩模層。使用常規(guī)的步驟執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)這些工序。如所說明，在MOS區(qū)1026內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)的N溝道MOS晶體管，在雙極部分1024內(nèi)形成垂直的NPN雙極晶體管。盡管用NPN雙極晶體管和N溝道MOS晶體管來說明，但是根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)和電路可以附加地或另外地包括使用硅襯底形成的其他電子器件?；诖?，在化合物半導(dǎo)體部分1022內(nèi)不形成電路。
在區(qū)1024和1026中形成硅器件之后，形成覆蓋區(qū)1024和1026中的器件的保護(hù)層1122，以保護(hù)區(qū)1024和1026中的器件由于在區(qū)1022中形成器件潛在的損壞。例如，可以由例如絕緣材料如氧化硅或氮化硅形成層1122。
現(xiàn)在從化合物半導(dǎo)體部分1022的表面除去在集成電路的雙極和MOS部分的處理過程中已形成的所有層，除了外延層1104，但是包括保護(hù)層1122。因此提供用于這部分的后續(xù)處理的裸硅表面，例如以如上闡述的方式。
然后如圖27所示在襯底110上形成調(diào)節(jié)緩沖層124。調(diào)節(jié)緩沖層將形成為部分1022中適當(dāng)?shù)刂苽涞?亦即，具有適宜的模板層)裸硅表面上的單晶層。但是，在部分1024和1026上形成的部分層124可以是多晶的或非晶的，因?yàn)樗诓皇菃尉У牟牧仙闲纬傻模虼藳]有形成單晶生長的晶核。調(diào)節(jié)緩沖層124一般是單晶金屬氧化物或氮化物層和一般具有約2-100納米范圍的厚度。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)緩沖層約5-15nm厚。在形成調(diào)節(jié)緩沖層的過程中，沿集成電路103的最高硅表面形成非晶的中間層122。非晶中間層122一般包括硅氧化物和具有約1-5nm范圍的厚度。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)緩沖層約2nm厚。形成調(diào)節(jié)緩沖層124和非晶中間層122之后，然后形成模板層125，具有約一至十個(gè)材料單層的厚度范圍。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，該材料包括鈦-砷、鍶-氧-砷或如先前根據(jù)圖1-5所述的其他類似材料。
然后外延地生長覆蓋調(diào)節(jié)緩沖層124的單晶部分的單晶化合物半導(dǎo)體層132，如圖28所示。在不是單晶的層124的部分上生長的層132的部分可以是多晶的或非晶的?？梢酝ㄟ^許多方法形成單晶化合物半導(dǎo)體層，一般包括如砷化鎵、砷化鎵鋁、磷化銦或如前面提到的其他化合物半導(dǎo)體材料。層的厚度約1-5000nm的范圍，更優(yōu)選100-2000nm的范圍。而且，可以在層132上形成附加的單晶層，如下面結(jié)合圖31-32更詳細(xì)地論述。
在該具體的實(shí)施例中，模板層內(nèi)的每種元素也存在于調(diào)節(jié)緩沖層124、單晶化合物半導(dǎo)體材料132中或兩者中。因此，在處理過程中模板層125和它兩個(gè)直接鄰近的層之間的圖形消失。因此，當(dāng)拍攝透射電子顯微(TEM)圖片時(shí)，看到調(diào)節(jié)緩沖層124和單晶化合物半導(dǎo)體層132之間的界面。
在區(qū)1022中形成至少部分層132后，層122和124可以經(jīng)受如上結(jié)合圖3所述的退火工序，以形成單個(gè)非晶調(diào)節(jié)層。如果在退火工序之前僅形成層132的部分，那么在進(jìn)一步處理之前，可以在結(jié)構(gòu)103上淀積剩下的部分。
此時(shí)，從覆蓋雙極部分1024和MOS部分1026的部分除去化合物半導(dǎo)體層132和調(diào)節(jié)緩沖層124(或如果已進(jìn)行如上所述的退火工序，非晶的調(diào)節(jié)層)的部分，如圖29所示。在除去化合物半導(dǎo)體層和調(diào)節(jié)緩沖層124部分之后，在保護(hù)層1122之上形成絕緣層142。絕緣層142可以包括多種材料如氧化物、氮化物、氮氧化合物、低k電介質(zhì)等等。作為在此使用，低k是具有不高于約3.5的介電常數(shù)的材料。在淀積了絕緣層142之后，然后拋光或刻蝕它以除去覆蓋單晶化合物半導(dǎo)體層132的部分絕緣層142。
然后在單晶化合物半導(dǎo)體部分1022內(nèi)形成晶體管144。然后在單晶化合物半導(dǎo)體層132上形成柵電極148。然后在單晶化合物半導(dǎo)體層132內(nèi)形成摻雜區(qū)146。在該實(shí)施例中，晶體管144是金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。如果MESFET是N型MESFET，那么摻雜區(qū)146和至少部分單晶化合物半導(dǎo)體層132也是N型摻雜。如果準(zhǔn)備形成p型MESFET，那么摻雜區(qū)146和至少部分單晶化合物半導(dǎo)體層132將具有相反的摻雜類型。重?fù)诫s(N+)區(qū)146允許形成與單晶化合物半導(dǎo)體層132的歐姆接觸。此時(shí)，在集成電路內(nèi)已形成有源器件。盡管在圖中未圖示，但是根據(jù)本發(fā)明可以執(zhí)行附加處理步驟，如形成阱區(qū)、閾值調(diào)整注入、溝道穿通防止注入、場穿通防止注入等。這些具體的實(shí)施例包括N型MESFET、垂直的NPN雙極晶體管以及平坦的N溝道MOS晶體管。許多其他種類晶體管，包括P溝道MOS晶體管，p型垂直雙極晶體管、p型MESFET以及垂直的和平面晶體管的組合可以使用。此外，可以在一個(gè)或多個(gè)部分1022，1024和1026形成其他電子元件，如電阻、電容器、二極管等等。
處理繼續(xù)以基本上完成如圖30所示的集成電路103。在襯底110上形成絕緣層152。絕緣層152可以包括圖30中未示出的刻蝕停止或拋光停止區(qū)。然后在第一絕緣層152上形成第二絕緣層154。除去部分層154，152、142，124，以限定將連接器件的接觸開口。在絕緣層154內(nèi)形成互連溝槽，以在接觸之間提供橫向連接。如圖30所示，互連1562將部分1022內(nèi)的N型MESFET的源區(qū)或漏區(qū)連接到雙極部分1024內(nèi)的NPN晶體管的深集電極區(qū)108。NPN晶體管的發(fā)射區(qū)1120連接到MOS部分1026內(nèi)的N溝道MOS晶體管的一個(gè)摻雜區(qū)1116。另一摻雜區(qū)1116電連接到集成電路的其他部分，未示出。類似的電連接也形成，以將區(qū)1118和1112耦接到集成電路的其他區(qū)。
在互連1562、1564和1566以及絕緣層154上形成鈍化層156。為如圖所示的晶體管以及在集成電路103內(nèi)未圖示的其他電氣部分或電子元件制造電連接。而且，如需要可以形成附加的絕緣層和互連，以在集成電路102內(nèi)的各個(gè)元件之間形成合適的互連。
如從先前的實(shí)施例可以看出，化合物半導(dǎo)體和IV族半導(dǎo)體材料的有源器件可以集成到單個(gè)集成電路中。因?yàn)樵谕粋€(gè)集成電路內(nèi)引入雙極晶體管和MOS晶體管有一些困難，所以可以移動雙極部分1024內(nèi)的一些元件到化合物半導(dǎo)體部分1022或MOS部分1026中。因此，可以省去用于制造雙極晶體管需要的特別的制造步驟。因此，集成電路僅僅是化合物半導(dǎo)體部分和MOS部分。
清楚地，具有如上所述的化合物半導(dǎo)體部分和IV族半導(dǎo)體部分的集成電路的實(shí)施例用于說明什么可以做和并不打算窮舉所有的可能性或限制可以做什么。存在許多其他可能的組合和實(shí)施例。例如，化合物半導(dǎo)體部分可以包括發(fā)光二極管、光探測器、二極管等，IV族元素半導(dǎo)體部分可以包括數(shù)字邏輯、存儲器陣列以及可以在常規(guī)的MOS集成電路中形成的多種結(jié)構(gòu)。而且，例如，如下面將詳細(xì)描述，化合物半導(dǎo)體部分和元素半導(dǎo)體部分任意一種或兩者都可以包括傳統(tǒng)上用作混合增加到信號處理電路的AW器件及其他電-聲器件。通過使用所示的和在此描述的，現(xiàn)在簡化在化合物半導(dǎo)體材料中工作好的集成器件和/或在IV族半導(dǎo)體材料中工作好的其他壓電材料。這些允許器件尺寸縮小和單片集成度增加，伴隨增加產(chǎn)量和可靠性。制造成本也可以由規(guī)模經(jīng)濟(jì)而減小。
盡管未圖示，單晶IV族晶片僅可被用于在晶片上形成化合物半導(dǎo)體電子元件。以此方式，在覆蓋晶片的單晶化合物半導(dǎo)體內(nèi)制造化合物半導(dǎo)體電子元件的過程中使用的晶片實(shí)質(zhì)上是“處理”晶片。因此，可以在至少約200毫米直徑和可能至少約300毫米直徑的晶片上的III-V或II-VI半導(dǎo)體材料內(nèi)形成電子元件。
通過利用這種襯底，相對廉價(jià)的“處理”晶片克服放置化合物半導(dǎo)體晶片在相對更持久的和便于制造的基材上易脆的自然性。因此，即使襯底本身可能包括IV族半導(dǎo)體材料，也可以形成集成電路，以致可以在化合物半導(dǎo)體材料層內(nèi)形成所有電子元件，特別是所有有源電子器件。因?yàn)榕c相對小和更易脆的常規(guī)化合物半導(dǎo)體晶片相比大的襯底可以更經(jīng)濟(jì)和更容易地處理，所以將減小化合物半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)成本。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明的集成電路的附加實(shí)施例可以包括SAW器件及其他電-聲器件。電-聲器件利用用于信號處理的器件材料的壓電性能。壓電性指其中材料的電性能耦合材料的機(jī)械性能的現(xiàn)象。一般在具有極性分子結(jié)構(gòu)的各向異性材料中觀察壓電現(xiàn)象。普通壓電材料通常是結(jié)晶材料或陶瓷。壓電材料通過內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械(例如，聲音)波響應(yīng)施加的振蕩電場。相互地，施加到壓電材料的機(jī)械應(yīng)力或張力在它們中產(chǎn)生電場。電性能和機(jī)械性能之間耦合的力不同于材料與材料耦合。通常稱為壓電耦合系數(shù)K的這些耦合強(qiáng)度用作測量材料的壓電性能。材料的耦合系數(shù)K取決于它的極性分子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)以及常常也取決于它的晶體取向。電-聲器件的設(shè)計(jì)、尺寸、功能性和性能特征取決于使用的器件材料的壓電性能(例如由耦合系數(shù)K表征)。
圖31-33示意地說明，例如與用于集成電-聲器件與半導(dǎo)體器件的本發(fā)明的某些實(shí)施例有關(guān)或結(jié)合有用的單片結(jié)構(gòu)300，320和330。
圖31示意地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的單片結(jié)構(gòu)300的截面。結(jié)構(gòu)300包括單晶襯底302和壓電層304。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，結(jié)構(gòu)300也包括位于襯底302和壓電層304之間的非晶中間層308。非晶中間層308有助于減輕壓電層304中晶格失配引起的張力。通過這樣做，層308有助于生長具有用于高壓電耦合強(qiáng)度的適合晶體取向的良好結(jié)晶質(zhì)量壓電層304。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底302是單晶半導(dǎo)體晶片，優(yōu)選大直徑的半導(dǎo)體晶片，類似于早先參考圖1-3描述的襯底22。優(yōu)選襯底302是包含硅或鍺的晶片，最優(yōu)選是半導(dǎo)體工業(yè)中使用的優(yōu)質(zhì)單晶硅晶片。襯底302可以是未處理的裸晶片或可以是已經(jīng)部分地或完全地處理以構(gòu)造掩埋的器件元件如掩埋摻雜區(qū)到其表面內(nèi)的晶片。襯底302也可以是具有受限的裸露面部分的晶片，晶片的其他部分包含其他結(jié)構(gòu)。
壓電層304優(yōu)選由在下襯底302上外延地生長的壓電氧化物或氮化物材料形成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在層304的生長過程中通過氧化襯底302，在襯底302和壓電層304之間的界面的襯底302上生長非晶的中間層308。
壓電層304是選擇的具有適合于制造電-聲器件的壓電耦合強(qiáng)度系數(shù)K的壓電氧化物或氮化物材料。例如，該材料可以是壓電氧化物或氮化物。適合于壓電層304的材料包括具有高壓電強(qiáng)度的金屬氧化物如堿土金屬鈦酸鹽、堿土金屬鋯酸鹽、堿土金屬鉿酸鹽、堿土金屬鉭酸鹽、堿土金屬釕酸鹽、堿土金屬鈮酸鹽、堿土金屬釩酸鹽、堿土金屬錫基鈣鈦礦、鋁酸鑭、氧化鈧鑭、氧化鋅和氧化釓。此外，壓電氮化物如氮化鋁或其他氮化物也可以適合于壓電層304。只要這些壓電材料的大多數(shù)可能具有基本上不同于硅的晶體取向和/或晶格間距。這些差異引起這些材料的直接外延生長導(dǎo)致質(zhì)量差的壓電材料。根據(jù)本發(fā)明，如前所述，通過使用非晶中間層308完成在硅上生長優(yōu)質(zhì)的壓電層304，非晶中間層308吸收或減輕壓電/襯底外延結(jié)構(gòu)中晶格失配引起的張力。
氧化物或氮化物材料用來形成壓電層304，除考慮壓電強(qiáng)度之外，還要選擇性考慮它的晶格與可能在層304的頂上外延地生長的半導(dǎo)體材料的超晶格層的相容性。如果如此選擇壓電層304的材料(例如，鈦酸鍶鋇)，那么壓電層304可以與先前參考圖1-2、圖9-12以及圖21-23分別描述的制造合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)緩沖層24、調(diào)節(jié)緩沖層54、或調(diào)節(jié)緩沖層的用途相同。在此情況下，結(jié)構(gòu)300形成合成IV族、III-V族、II-VI族、或早先描述的本發(fā)明的實(shí)施例的絡(luò)合物型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的子集。
在單片結(jié)構(gòu)300的優(yōu)選實(shí)施例中，壓電層304是鈦酸鍶鋇層(即，SrzBa1-zTiO3，z可以具有從0至1之間選擇的值)。使用MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD技術(shù)等的任意適合的生長方法都可以使用。例如，可以使用先前描述的使用MBE生長調(diào)節(jié)層24(例如，圖1-3)的生長方法來生長鈦酸鍶鋇層304。壓電層304可以具有幾百納米至幾十微米的厚度范圍?？梢赃m當(dāng)?shù)剡x擇壓電層304的厚度使之用于電-聲器件。
圖32以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的單片結(jié)構(gòu)320的部分。結(jié)構(gòu)320不同于結(jié)構(gòu)300，其中壓電層304通過中間調(diào)節(jié)層306與襯底302隔開。壓電結(jié)構(gòu)320可以由壓電材料如氧化鋅和氮化鋁制成。調(diào)節(jié)層306可以由考慮用于生長優(yōu)質(zhì)的壓電層304需要的張力減輕和晶格匹配而選擇的結(jié)晶或非晶材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，非晶層306開始為結(jié)晶層。利用層306的結(jié)晶性在層306上首先生長薄的壓電層304至最初開始或建立壓電層304的晶體習(xí)性。然后，結(jié)構(gòu)300被加熱為軟化或熔融層306，使層306非結(jié)晶。非晶層306可以更適合于減輕在生長的薄壓電層306中晶格失配引起的機(jī)械應(yīng)力或張力。然后，厚壓電層304的進(jìn)一步生長可以繼續(xù)釋放應(yīng)力。調(diào)節(jié)層306可以(例如)由先前論述的任何氧化物制成，例如，參考圖1和2。調(diào)節(jié)層306優(yōu)選是非晶的硅化層20，厚度100埃。
例如，可以通過延續(xù)先前描述的用于在非晶硅化層86上形成碳化硅帽蓋層82的方法形成單片結(jié)構(gòu)320，參考圖17-20說明的合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。碳化硅帽蓋層可以用作一個(gè)基體，其上形成通常由使用壓電膜如氧化鋅或氮化鋁膜制成的厚壓電層304。在用于形成結(jié)構(gòu)320的工序中，在非晶的硅化層306上形成碳化硅帽蓋層之后可以(例如)生長附加的碳化硅以形成厚碳化硅層304。厚碳化硅對一些非常規(guī)的壓電材料可能有用。
至于層304的其它合乎需要的壓電材料，如鈮酸鋰或鉭酸鋰，不需要使用碳化硅或其它帽蓋層?？梢栽趯?06上形成由鈮酸鋰和鉭酸鋰制成的壓電層304，不需用插入的帽蓋層(如下面參考圖37將更詳細(xì)地描述)。
圖33以截面圖示意地說明根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示例性實(shí)施例的單片結(jié)構(gòu)330的部分。結(jié)構(gòu)330包括生長或淀積在半導(dǎo)體層332上的壓電層334。半導(dǎo)體層332可以是前面參考圖1-3、9、12以及17-21描述的合成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的最高單晶半導(dǎo)體層的任意一個(gè)。半導(dǎo)體層332例如可以是在上述實(shí)例1中描述的GaAs層26。壓電層334可以例如由氮化鋁、氧化鋅或其他任意適合的壓電材料組成。壓電層334可以使用任意適合的淀積或生長技術(shù)形成。如果對于形成優(yōu)質(zhì)的壓電層334適宜或有利，最初可以在層332的頂面形成適合的模板層或調(diào)節(jié)層(未示出)。壓電層334可以具有幾百納米到幾十微米的厚度范圍。如同先前提及的壓電層304的厚度一樣可以適當(dāng)?shù)剡x擇壓電層334的厚度，使之用于電-聲器件。
圖34和36示意地說明將基于壓電材料的電-聲器件與其他半導(dǎo)體器件集成中利用如上所述的實(shí)施例的單片結(jié)構(gòu)的截面。參考圖34，單片結(jié)構(gòu)400包括單晶半導(dǎo)體襯底402，優(yōu)選是單晶硅晶片。單晶半導(dǎo)體襯底402包括兩個(gè)區(qū)，半導(dǎo)體區(qū)403和壓電區(qū)404。在區(qū)403中至少部分地形成一般由虛線406表示的電子半導(dǎo)體元件。電子元件406可以是電阻器、電容器、有源半導(dǎo)體元件例如二極管或晶體管或集成電路，例如CMOS集成電路。例如，電子半導(dǎo)體元件406可以是CMOS集成電路配置來完成數(shù)字信號處理或硅集成電路也適合的其它功能。可以通過半導(dǎo)體工業(yè)公知和廣泛使用的常規(guī)的半導(dǎo)體處理技術(shù)形成區(qū)403中的電子半導(dǎo)體元件。絕緣材料層408例如二氧化硅層等可以覆蓋電子半導(dǎo)體元件406。
從區(qū)404的表面除去在區(qū)403中的半導(dǎo)體元件406的處理過程中可能形成或淀積的絕緣材料408和其他任何層，以在區(qū)404中提供裸硅表面區(qū)。在區(qū)404的表面上淀積鋇或鋇和氧的層，以減小在表面上形成的自然氧化物和形成第一模板層(未示出)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過MBE工序形成覆蓋模板層的壓電層?？梢栽谀０鍖由系矸e包括鍶、鋇、鈦和氧的反應(yīng)劑以形成壓電層460。在最初淀積過程中，保持氧分壓接近與淀積的鍶、鋇和鈦理想反應(yīng)所必需的最小值，以形成薄的壓電鈦酸鍶鋇層。然后，增加氧分壓，以提供允許氧擴(kuò)散通過生長的壓電氧化層460的氧過壓。氧擴(kuò)散通過生長的鈦酸鋇與區(qū)404界面的硅起反應(yīng)，在硅襯底402和壓電層460之間界面的第二區(qū)404上形成非晶硅。
在壓電層460中至少部分地形成一般由虛線468表示的電-聲元件?？梢孕纬捎删€470示意地表示的金屬導(dǎo)體，以電連接元件468和元件406，因此實(shí)現(xiàn)包括在硅襯底402中形成的至少一個(gè)元件和使用壓電層460形成的至少一個(gè)元件的集成器件。
電-聲元件468可以是任何適合的無源SAW元件。適合的SAW元件例如可以是換能器、波散濾波器、帶通濾波器、回轉(zhuǎn)器、延遲線和共振器?？梢杂赏ǔＪ褂玫墓ば虿襟E，例如在制造具有梳狀換能器(interdigitated transducers)的SAW器件中使用的工序步驟形成電-聲元件468。繼續(xù)參考圖34、圖36，示意地示出可以在壓電層460中形成的適時(shí)信號回轉(zhuǎn)器480的平面圖。常規(guī)的構(gòu)圖和金屬淀積工序可以用來形成梳狀輸入換能器481、梳狀基準(zhǔn)換能器482、和輸出換能器483。可以形成由線471、472和473示意地表示的金屬導(dǎo)體，用于分別連接輸入信號、基準(zhǔn)信號和輸出信號到和從半導(dǎo)體元件如元件406。在另一個(gè)實(shí)施例中，在形成壓電層460之前，可以在區(qū)404中的襯底402的表面上形成換能器481、482和483的一些或全部。常規(guī)的半導(dǎo)體處理如摻雜劑擴(kuò)散或離子注入可以用來提供用作SAW器件換能器481，482和483的掩埋導(dǎo)電區(qū)。
電-聲元件468也可以是有源元件如聲音電荷傳送(ACT)器件(例如，如下參考圖38和39分別描述的ACT器件600或700)。而且，元件468也可以是利用聲波和具有最接近半導(dǎo)體的電特性的壓電材料中它們的相關(guān)電磁場的交互作用的其他任何器件。
盡管說明性結(jié)構(gòu)400已經(jīng)描述為在硅襯底402上形成和具有鈦酸鍶鋇壓電層460的結(jié)構(gòu)，但是根據(jù)本發(fā)明使用襯底材料和壓電材料的其他結(jié)合可以制造類似的一對半導(dǎo)體壓電單片結(jié)構(gòu)。在本公開中別處提及的任何材料都可以使用。
圖36說明根據(jù)再一實(shí)施例的單片結(jié)構(gòu)500。單片結(jié)構(gòu)500使用單晶半導(dǎo)體襯底502，例如可以是單晶硅晶片。結(jié)構(gòu)500包括區(qū)505，506、507和508。
使用通常用于半導(dǎo)體工業(yè)的常規(guī)硅器件處理技術(shù)在區(qū)506中形成由虛線510示意地圖示的電子元件。也可以使用常規(guī)的硅器件處理技術(shù)在區(qū)505中形成由虛線509示意地圖示的電-聲元件509的半導(dǎo)體元件。元件509的半導(dǎo)體元件例如可以是能用作SAW器件中的換能器電極的重?fù)诫s掩埋區(qū)。使用類似于先前描述的外延材料生長方法，在區(qū)505中形成覆蓋電-聲元件509的半導(dǎo)體元件的壓電氧化層520和中間非晶硅氧化層522，以及在區(qū)507和508中形成壓電氧化層520和中間非晶硅氧化層522。形成具有高單晶質(zhì)量的壓電氧化層520，使之能用作化合物半導(dǎo)體超晶格層526的隨后生長的調(diào)節(jié)層。在襯底502的區(qū)507和508中形成覆蓋壓電(單晶)氧化層520的模板層524。超晶格層526例如可以是在模板層524上直接形成的單晶化合物半導(dǎo)體或例如可以是在中間緩沖層(未示出)上形成的單晶化合物半導(dǎo)體。在形成合成IV族、III-V族、II-VI族或絡(luò)合物型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(例如，圖1-3、9-12和17-25)的上下文中先前描述的工序可以使用適當(dāng)?shù)匦薷臑檫m合于形成模板層524和超晶格層526。在襯底502的區(qū)508中的超晶格層526頂上形成壓電530。層530例如可以是使用CVD或PVD技術(shù)形成的氮化鋁層或氧化鋅層。
在區(qū)507的超晶格層526中至少部分地形成一般由虛線511表示的半導(dǎo)體元件。而且，在區(qū)508的壓電層530中至少部分地形成一般由虛線512表示的電聲元件。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，超晶格層526由III-V族化合物半導(dǎo)體組成，半導(dǎo)體元件511是利用III-V族材料的高遷移率性能的射頻無線電收發(fā)機(jī)，電-聲元件512是無源SAW器件。
由線540示意地說明了電連接元件509、510、511和512的電互聯(lián)。因此單片結(jié)構(gòu)500集成利用單片結(jié)構(gòu)500中不同的半導(dǎo)體和壓電材料的獨(dú)特性能的不同的半導(dǎo)體和電-聲元件。
本發(fā)明的單片結(jié)構(gòu)能夠集成其一般設(shè)計(jì)可以優(yōu)化的常規(guī)器件，以說明傳統(tǒng)地制造的器件單個(gè)材料系的物理性能。例如，可以優(yōu)化單片結(jié)構(gòu)中DRAM器件以利用硅材料的性能，同時(shí)可以優(yōu)化單片結(jié)構(gòu)中的MESFET器件以利用例如砷化鎵材料的物理性能。此外，本發(fā)明的單片結(jié)構(gòu)能夠選擇器件設(shè)計(jì)，利用單片結(jié)構(gòu)中不止一個(gè)傳統(tǒng)物質(zhì)系的物理性能。這些替換器件與傳統(tǒng)器件相比可以具有優(yōu)越的功能性和/或性能。
例如，替換器件可以是利用硅和覆蓋的壓電層的物理性能的ACT器件。通過認(rèn)識由壓電耦合移動振蕩電場伴隨的在壓電材料中傳送聲波可以理解ACT器件中的電荷傳送。施加于半導(dǎo)體材料的電場可以產(chǎn)生能俘獲或保持電荷的電場電勢量子阱。這些電勢量子阱以與聲波相同的速度與聲波一起移動。移動電勢量子阱在聲波方向傳送俘獲的電荷穿過半導(dǎo)體材料。傳統(tǒng)的ACT器件在也是壓電的極性化合物半導(dǎo)體中形成，雖然壓電性弱，例如GaAs。在GaAs ACT器件材料中的聲波的壓電轉(zhuǎn)換也產(chǎn)生在與電荷傳送相同的砷化鎵器件材料中產(chǎn)生移動的電勢量子阱。
在ACT器件中使用具有壓電和半導(dǎo)電性能兩種性能的材料例如GaAs可以簡化器件處理，但是一般導(dǎo)致不能令人滿意的器件性能。該不能令人滿意的性能至少部分是由于這種材料的弱壓電耦合強(qiáng)度。例如，GaAs僅具有約0.06％的耦合強(qiáng)度K。因?yàn)榈蚄值，高輸入功率(100mW至1W)必須用于GaAs ACT器件，以將換能足夠強(qiáng)度的聲波，產(chǎn)生適合于電荷傳送的移動電勢量子阱。這種高輸入功率器件與電池供給電路用法越來越矛盾。GaAs ACT器件由于GaAs差的1/f噪聲特性，在低頻如低于1MHz時(shí)也有不希望的噪聲。
本發(fā)明的單片結(jié)構(gòu)的實(shí)施例提供一種ACT器件，例如將非壓電硅半導(dǎo)體的優(yōu)越的1/f噪聲性能與先前提及的某些金屬氧化物和氮化物的優(yōu)越的壓電耦合強(qiáng)度相結(jié)合。
圖37示出了用于制造ACT器件(或其他電-聲器件)的優(yōu)選單片結(jié)構(gòu)6000。結(jié)構(gòu)6000可以引入用于制造集成電路(圖34-36)的結(jié)構(gòu)400和500。先前已處理以構(gòu)造掩埋的器件元件的適當(dāng)?shù)負(fù)诫s或不摻雜的硅片用作用于制造結(jié)構(gòu)6000的開始襯底601。優(yōu)選，壓電層610由具有高壓電耦合強(qiáng)度K的壓電材料如鈮酸鋰或鉭酸鋰制成。這些材料與硅通常具有大的晶格失配。根據(jù)本發(fā)明，通過使用中間張力減輕層612以橋接硅和壓電層610之間的晶格失配，可以在硅上生長這種材料的優(yōu)質(zhì)結(jié)晶層。例如可以由SrzBa1-zTiO3制成張力減輕層612。例如使用先前描述的方法，如淀積和與鋇、鍶或金屬鈦反應(yīng)以減小硅片表面上的自然氧化物，襯底601的表面準(zhǔn)備外延生長。在襯底601的表面上生長圖示地結(jié)晶(crystallographically)取向的SrzBa1-zTiO3外延層612，z可以具有從0至1選擇的值。如先前描述的適宜模板可以用來結(jié)晶SrzBa1-zTiO3的生長籽晶。
結(jié)晶SrzBa1-zTiO3層612本身用作另一籽晶層，以開始生長薄壓電結(jié)晶層610。SrzBa1-zTiO3的晶格間距和晶體取向是它組分的函數(shù)。選擇適合的z值，以致SrzBa1-zTiO3層612具有接近想要的晶體材料壓電層610的晶格間距和晶體取向。層610想要的取向例如可以是與層610使用的壓電晶體的最大壓電耦合強(qiáng)度K有關(guān)的具體方向。由于通過氧從生長周圍擴(kuò)散氧化硅襯底表面，因此可以在SrzBa1-zTiO3層612和襯底610的界面形成非晶硅氧化層(先前所述，但圖37未示出)。
然后在層612上在它的想要的方向生長結(jié)晶壓電材料的薄層610。因?yàn)樵谒胍较蛑械慕Y(jié)晶壓電材料和結(jié)晶SrzBa1-zTiO3層612之間可能不精確晶格匹配，因此只有薄壓電層610可以基本上無缺陷地生長。當(dāng)層610的厚度仍然低于沒缺陷生長的臨界厚度(圖4)時(shí)，層610的生長被中斷。
壓電層612一般由具有比結(jié)晶SrzBa1-zTiO3層612的熔點(diǎn)高的材料(如鈮酸鋰或鉭酸鋰)制成。通過適合的處理，通過加熱襯底601到等于或低于SrzBa1-zTiO3的熔化溫度的適溫，軟化或非晶化層612。適當(dāng)?shù)剡x擇熱處理溫度，免得實(shí)質(zhì)上或顯著地影響薄壓電層610自身。層612的軟化或非晶化導(dǎo)致可以稱為在非晶層612頂上的薄壓電“漂浮晶體”層610。從襯底610晶格結(jié)構(gòu)去耦漂浮層610的晶格結(jié)構(gòu)。該去耦對層610的沒缺陷生長厚度除去晶格失配/彈性約束(圖4)。此后可以重新開始結(jié)晶壓電層610的生長。層610可以生長到想要的厚度，同時(shí)保持壓電耦合強(qiáng)度希望的合適晶體取向。在現(xiàn)在的非晶層612上生長的這些現(xiàn)在漂浮晶體的生長厚度可以基本上超過在以前的結(jié)晶SrzBa1-zTiO3層上生長的壓電材料的臨界厚度，不顯著地降低晶體質(zhì)量。
除去對生長優(yōu)質(zhì)壓電層的厚度約束對單片結(jié)構(gòu)6000的設(shè)計(jì)提供機(jī)動性和選擇性。可以在適合于具體電-聲器件應(yīng)用的厚度范圍內(nèi)制造器件可用的壓電層610。
圖38是使用示例性結(jié)構(gòu)6000(圖37)制造的示例性ACT器件600的示意性代表結(jié)構(gòu)。圖38示出了器件600的部分截面圖和也包括圖形地表示器件600中的勢場和電荷分布。器件600形成在摻雜硅襯底601上。襯底601，例如，可以是p摻雜的硅。
器件600具有半導(dǎo)體元件和壓電元件。器件600的半導(dǎo)體元件包括在襯底601的頂面上或附近形成的橫向隔開的輸入二極管603和輸出二極管604。器件600也可以選擇性地包括AC接地板602?？梢允褂贸Ｒ?guī)的硅處理技術(shù)形成器件600的半導(dǎo)體元件?？蛇x的AC接地板602例如可以是通過N+摻雜劑擴(kuò)散形成的重?fù)诫s掩埋區(qū)。二極管603和604例如可以通過適合的N型摻雜劑的離子注入和退火形成。
在如上所述的襯底601(圖39)的頂面上形成壓電材料層610和中間張力減輕層612，層610覆蓋器件600的半導(dǎo)體元件。適當(dāng)?shù)剡x擇壓電層610的材料以具有強(qiáng)的壓電耦合強(qiáng)度和具有與襯底601的晶體生長相容性。應(yīng)當(dāng)理解，生長相容性不僅指可以直接生長的少數(shù)情況而且指只有根據(jù)本發(fā)明通過利用中間張力減輕612或通過利用其他先前描述的調(diào)節(jié)層晶體可以生長到制造器件需要的厚度的情況。壓電層610例如可以是在本公開中先前提及的任何壓電材料，最優(yōu)選由強(qiáng)壓電材料如鈮酸鋰或鉭酸鋰制成。張力減輕層612例如可以是非晶化的鈦酸鍶鋇。壓電層610本身可以由結(jié)晶的鈦酸鍶鋇組成。在此情況下，張力減輕層612是生長鈦酸鋇層610的過程中形成的非晶硅層。
層610的厚度范圍可以從幾百納米到幾十微米。例如可以通過先前描述的任何方法生長良好結(jié)晶質(zhì)量和具有幾μm厚度的壓電層。層610的合乎需要的厚度取決于在器件600的工作過程中在層610中聲波傳播的波長λ。層610的厚度優(yōu)選在約0.3λ至約0.7λ的范圍內(nèi)。聲波長λ與時(shí)鐘或信號驅(qū)動裝置600的頻率成正比。對于約500MHz的時(shí)鐘頻率，約4μm的厚度可以是合乎需要的。
而且，器件600具有在壓電層610的頂面上形成的輸入SAW換能器620和柵電極622。輸入SAW換能器620可以是梳狀換能器，用于變換具有對應(yīng)于時(shí)鐘信號(未示出)驅(qū)動換能器620的頻率的聲波。輸入換能器620可以具有常規(guī)的SAW換能器設(shè)計(jì)，例如1-、2-或3-相換能器設(shè)計(jì)，適合于產(chǎn)生在方向690(例如，圖38左到右)中橫向地傳播的單向聲波。單向傳播的波對于器件工作是合乎需要的。器件600中的單向波電荷傳送發(fā)生在從輸入二極管603到輸出二極管604的單向中?？梢栽谄骷?00的右側(cè)設(shè)置可選的消音器628，以防止從器件600的右端反射回來的單向聲波不合需要的回反射?；胤瓷涫遣缓闲枰模?yàn)樗鼈兗訌?qiáng)單向左至右聲波形成不傳送電荷的穩(wěn)定駐波?？蛇x的輸出換能器630可以用來吸收傳送通過輸出二極管604的一小部分聲波，由此衰減任何反射聲波的強(qiáng)度。另外，輸入換能器620可以具有產(chǎn)生雙向聲波的更簡單常規(guī)設(shè)計(jì)(例如，在圖38中從左到右和從右到左)。在此情況下，其他公知的技術(shù)可以用來衰減在不合需要的方向(例如，圖38中從右到左)上傳送的換能聲波。已知技術(shù)包括在器件600的左側(cè)使用可選的消音器626和/或提供具有略微的軸外切邊方向的襯底602。
SAW換能器620和630可以是通過金屬淀積形成的傳統(tǒng)換能器。布置在換能器620和630之間的層610上柵電極622也可以由金屬淀積形成。線650示意地示出電連接到器件600的各個(gè)端子或部分?？梢允褂贸Ｒ?guī)的半導(dǎo)體處理技術(shù)在襯底601上形成這些電連接650。
在器件600的工作中，輸入和輸出二極管603和604是反向偏置，輸入時(shí)鐘或驅(qū)動信號施加到SAW換能器620。作為響應(yīng)，換能器620在壓電層620中激發(fā)聲波(未示出)。在沒有可選擇的接地板602的器件600中，這些聲波可能是所謂的Raleigh模式波，在沿層620的頂面的徑向面中出現(xiàn)顆粒運(yùn)動。Raleigh模式的峰值振幅(和相應(yīng)的壓電耦合電場波的峰值振幅)接近層620的頂面。波幅隨頂面下的深度而減小且在約聲波的深度處是微弱的。在具有可選的AC接地層602器件600中，如圖38所示，由換能器620激發(fā)的聲波可能是比較快高階聲模波，例如所謂的Sezawa模式波。Sezawa模式波優(yōu)選沿層620的底面(例如，沿層620和襯底601之間的界面)傳播。Sezawa模式聲波的峰值振幅和相應(yīng)的壓電耦合電場波也接近靠近半導(dǎo)體襯底601的層610的底面。Sezawa模式聲波與Raleigh模式波相比相同的時(shí)鐘信號功率施加到換能器620在硅襯底601中一般顯現(xiàn)更強(qiáng)的壓電耦合電場振幅。因此有助于產(chǎn)生Sezawa模式激發(fā)的可選擇接地板602對于提高器件效率是合乎需要的。
無論Raleigh還是Sezawa模式聲波激發(fā)的情況，偏壓Vg可以施加到柵電極622以靜電地轉(zhuǎn)移與壓電耦合電場波有關(guān)的電位，在硅襯底601中適當(dāng)?shù)匦纬呻妱葳濉Ｊ┘拥钠珘篤g可以是足夠的正極，以致對于傳送聲音/電場波的所有階段硅中的電場都是正極。轉(zhuǎn)移的勢場圖38為單位一般由正弦線660圖形地表示。正弦線660表示開始于輸入二極管603下面的矩形勢阱和終止于輸出二極管604下面的矩形勢阱662。應(yīng)當(dāng)理解轉(zhuǎn)移的電勢量子阱660不穩(wěn)定，但是具有與激發(fā)的聲波相同的速度從左至右移動。陰影區(qū)651，652和653示意地表示對應(yīng)于輸入二極管603的輸入電壓Vin的輸入二極管603下面的電荷能級，電荷包被俘獲和在電勢量子阱660中傳送，電荷分別傳送到輸出二極管604。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖38配置的器件600可以起采樣信號延遲線的作用。輸入信號Vin施加到輸入二極管602，將電荷注入勢阱661。注入電荷量與Vin成正比。通過以等于聲波頻率與施加到換能器600時(shí)鐘信號頻率相同的采樣頻率移動電勢量子阱660拾取注入電荷(或采樣)。這些電荷在電勢量子阱660中被俘獲(例如，電荷包652)以及通過移動的電勢量子阱660傳送到勢阱662。輸出與區(qū)653中的電荷能級成正比的信號Vout。
由于傳送的電荷包652到達(dá)勢阱662，輸出信號Vout成比例地響應(yīng)電荷能級653的改變。在勢阱661處拾取的在勢阱662傳送的電荷包652到達(dá)的時(shí)間延遲等于激發(fā)聲波移動相同的距離需要花費(fèi)的時(shí)間。由于聲波基本上以比電信號速度慢的速度移動，因此裝置600可以用于信號處理電路，作為具有大延遲時(shí)間值的延遲線。
可以配置根據(jù)本發(fā)明的ACT器件的其他實(shí)施例以提供其他信號處理功能。例如，圖39說明了配置用于與其他程序電路792結(jié)合的可編程延時(shí)線、具有可編程加權(quán)系數(shù)的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器、或也具有可編程加權(quán)系數(shù)的無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器的ACT器件700。
作為第一選擇，可以在用作互連混合的分立器件結(jié)構(gòu)上制造器件700和編程電路792。例如，器件700可以制造為在單片結(jié)構(gòu)如結(jié)構(gòu)6000(圖31)上的分立器件，而編程電路792制造在常規(guī)硅片上。作為第二選擇，根據(jù)本發(fā)明的先前描述的實(shí)施例，器件700和編程電路792可以集成在單個(gè)單片結(jié)構(gòu)上。例如，可以在單片結(jié)構(gòu)400的壓電區(qū)404上制造器件700，同時(shí)在相同的單片結(jié)構(gòu)400(圖34)的半導(dǎo)體區(qū)403上制造集成的編程電路792。以下描述可應(yīng)用于這些選擇的器件700和編程電路792。
器件700具有在p摻雜硅襯底601上形成的半導(dǎo)體元件和具有在壓電層610上形成的壓電元件。中間非晶層612用來調(diào)節(jié)由襯底601和層610之間晶格失配引起的任何張力。
器件700的壓電元件包括換能器620和柵電極622。時(shí)鐘信號(未示出)施加到激發(fā)聲波的換能器620，伴隨有壓電耦合的電場波(未示出)。通過執(zhí)行換能器620的適當(dāng)設(shè)計(jì)，使用可選擇的消音器626和628及先前提及的其他常規(guī)技術(shù)，激發(fā)的聲波方向790中可以適應(yīng)于從左至右移動。施加到柵電極622的偏壓Vg靜電地轉(zhuǎn)移對應(yīng)于由DC(恒量)值壓電耦合的電場波以在半導(dǎo)體襯底601中適當(dāng)?shù)匦纬呻娢悔?。在圖39中一般由正弦線750圖形地描繪轉(zhuǎn)移的勢場。
器件700的半導(dǎo)體元件包括可選擇的AC接地板602、輸入二極管603、以及任意適合數(shù)目的非干擾濾波器信號抽頭。濾波器信號抽頭的數(shù)目和相應(yīng)電荷包到達(dá)延遲決定器件700的頻率響應(yīng)的分辯率。這些數(shù)目可以在給定長度的器件結(jié)構(gòu)中實(shí)際適合的一樣大。器件長度例如可以是幾十μm至幾百μm的數(shù)量級。為了說明，如圖39所示的器件700配置有四個(gè)信號抽頭751、752、753和754。信號抽頭751-754彼此橫向隔開，且在方向790距輸入二極管603一定距離。信號抽頭751-754例如可以是垂直于方向790的N+摻雜掩埋線。信號抽頭751754通過金屬導(dǎo)體電連接到編程電路792，在圖38中由線755圖形地描繪金屬導(dǎo)體。
在器件700的操作中，在約時(shí)間t＝0時(shí)，輸入信號Vin施加到輸入二極管602，注入與Vin成正比的電荷量到勢阱661中。移動的電勢阱750拾取該注入電荷，例如，作為電荷包652。電荷包652中的電荷量與注入電荷成正比，因此也與約時(shí)間t＝0時(shí)采樣的輸入信號Vin成正比。電荷包652由電勢阱750以對應(yīng)于激發(fā)的聲波速度的速度朝著信號抽頭751-754的方向傳送。在連續(xù)地增加的延遲時(shí)間t＝t1、t＝t2、t＝t3、以及t＝t4，電荷包652分別通過信號抽頭751、752、753和754。時(shí)間t1、t2、t3和t4對應(yīng)于激發(fā)的聲波從輸入二極管622分別移動到信號抽頭751、752、753和754的距離所花費(fèi)的時(shí)間。
信號751-754檢測電荷包652中電荷量。與互連755和高阻抗放大器793結(jié)合的抽頭一般用來檢測電荷量，不干擾或顯著地改變電荷包652。信號抽頭751-754產(chǎn)生與在它們下面移動的電荷包652中的電荷量成正比的輸出檢測信號。在時(shí)間t由信號抽頭751-754產(chǎn)生的檢測信號分別與先前時(shí)間-t1、-t2、-t3和-t4的輸入信號Vin成正比。這些輸出檢測信號被送到在電連接755上的放大器/可編程組合電路792。移動通過信號抽頭751-754的電荷包652在器件700的主體損耗，并由適合的地端例如通過接地二極管770收集。
通過其輸出電壓與輸入電荷成正比的高阻抗放大器793將從每個(gè)抽頭751-754送到編程電路792的檢測信號耦合到可變增益放大器794。設(shè)計(jì)高阻抗放大器793以便它們不顯著的除去來自信號抽頭751-754的電荷信息。這些允許信號抽頭751-754檢測電荷包652而不耗盡或干擾電荷包652。高阻抗放大器793例如可以是高阻抗FET基放大器?？梢栽O(shè)置或編程具有可變增益G的可變增益放大器794以具有-1和1之間的任意標(biāo)定值。由放大器794放大的檢測信號在加法電路795加到一起。輸出加法電路795可以表示使用器件700的一定功能的器件700的處理輸出，如下所述?？勺冊鲆娣糯笃?94和加法電路795可以是任何適合的常規(guī)半導(dǎo)體器件電路。
編程電路792可以選擇性地包括用于提供反饋信號到輸入二極管603的反饋電路(未示出)。反饋電路可以包括類似于可變增益放大器794的另一組可變增益放大器，但是其輸出反饋到輸入二極管603。由抽頭751-754產(chǎn)生的部分輸出檢測信號可以轉(zhuǎn)移到反饋電路中的可變增益放大器，以產(chǎn)生用于反饋到輸入二極管603的反饋信號。器件700作為用于反饋信號的時(shí)間延遲線。在時(shí)間t＝0反饋到輸入二極管603的檢測信號分別在t1、t2、t3和t4的時(shí)間延遲之后在抽頭751754再出現(xiàn)。
如前述，器件700與可以編程的編程電路792結(jié)合起具有可選時(shí)間延遲值的可變延遲線作用。如圖38配置的器件700的時(shí)間延遲值可以從四個(gè)延遲時(shí)間t1、t2、t3和t4的組中選擇。具體值可以通過設(shè)置耦合到與時(shí)間延遲值有關(guān)信號抽頭的可變放大器793的增益為1和通過設(shè)置其他可變放大器794的增益等于零來選擇。例如，為了選擇t3的時(shí)間延遲值，耦合到信號抽頭753的可變放大器793的增益設(shè)為1，耦合到信號抽頭751，752和754的其他可變放大器793的增益設(shè)為零。
可選地，器件700可以編程以起具有可編程加權(quán)系數(shù)的FIR濾波器的作用。通過認(rèn)識FIR濾波器產(chǎn)生與過去或先前輸入的加權(quán)線性和成正比的輸出可以理解作為與編程電路792結(jié)合的FIR濾波器的器件700的功能。如上所述，由抽頭751-754產(chǎn)生的檢測信號與分別在先前的時(shí)間t-t1、t-t2、t-t3、以及t-t4的輸入信號Vin成正比。加法電路795產(chǎn)生輸出796，輸出796是放大器794的增益G加權(quán)的這些檢測信號的和。因此，提供具有其增益可編程的可變增益放大器793的編程電路792允許器件700起具有可編程加權(quán)系數(shù)的FIR濾波器的作用。
作為IIR濾波器的信號處理電路中的器件700的可選功能要求使用可選的反饋電路，圖38未示出，但是先前已描述。通過認(rèn)識IIR濾波器利用反饋，取決于器件700的初始化的所有先前的輸入而產(chǎn)生輸出，可以理解器件700作為IIR濾波器的功能。由于器件700以反饋模式操作，由信號抽頭751-754產(chǎn)生的檢測信號除與過去輸入信號Vin成正比的成分之外包括與過去輸出成正比的成分。因此，通過編程電路792加權(quán)和求和檢測信號產(chǎn)生過去輸入和過去輸出的加權(quán)和的輸出796，以及IIR濾波器輸出。
根據(jù)本發(fā)明配置的ACT器件，例如，如上所述的器件700與傳統(tǒng)的SAW器件基FIR和IIR濾波器相比可以期待具有優(yōu)越的頻率響應(yīng)特性。在傳統(tǒng)的SAW器件中，電輸入信號被壓電地變?yōu)槁暡ㄐ盘枺缓蠓謩e通過輸入和輸出換能器再轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娦盘?。但是，因?yàn)槲锢硇?yīng)如邊界效應(yīng)和有限尺寸效應(yīng)僅在有限范圍內(nèi)具有頻率的聲波可以通過壓電層從輸入到輸出引導(dǎo)，而不顯著的衰減。具體地，梳狀換能器意味著將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘柣旧舷抻陬l率的窄波段。因此，傳統(tǒng)的SAW器件使用這種裝置不響應(yīng)低頻輸入信號?；趥鹘y(tǒng)的SAW器件的濾波器至多可以具有通帶頻率響應(yīng)。
相反，本發(fā)明的ACT器件是基帶器件，響應(yīng)延續(xù)向下至零頻率(亦即，直流信號)的帶寬上的輸入信號。應(yīng)當(dāng)注意本發(fā)明的ACT器件(例如，上述的器件600和700)不將輸入電信號的物理形式轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?。通過固定頻率時(shí)鐘信號產(chǎn)生的ACT器件中的聲波與通過器件傳送的電信號無關(guān)。這些聲波僅用作采樣通過器件被傳送的電信號的機(jī)制。采樣頻率(亦即，時(shí)鐘信號頻率)決定ACT器件的頻率響應(yīng)的上帶限。通過眾所周知的尼奎斯特定理的抽樣理論該上帶限公知等于時(shí)鐘信號頻率的一半。
因此，提供包括半導(dǎo)體材料和壓電材料適合于制造和集成電-聲器件與半導(dǎo)體器件的單片器件結(jié)構(gòu)。也提供使用半導(dǎo)體-壓電單片器件可以形成的聲音電荷傳送器件。
在上述說明書中，已參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明。但是，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離如下述權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明范圍的條件下，可以進(jìn)行各種修改和改變。由此，說明書和附圖被認(rèn)為是說明性的而不是限制的，所有的這種修改確定為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
上面已參考具體實(shí)施例描述了利益、其他優(yōu)點(diǎn)和解決辦法。但是利益、優(yōu)點(diǎn)、解決問題的辦法以及可能引起任何利益、優(yōu)點(diǎn)、或產(chǎn)生解決辦法或變得更肯定(pronounced)的任何元件不被允許認(rèn)為是任何或所有權(quán)利要求的必要性能或必要特征或必要元件。
如在此使用的術(shù)語“包括”，“包括”或其任何其他可變術(shù)語的目的是覆蓋非排他性包含，以致包括一列元件的工序、方法、物品或設(shè)備不僅包括那些基本原理而且還可以包括未清楚地列出的其他元件或這種工序、方法、物品或設(shè)備固有的其他元件。而且如在此使用了術(shù)語如“張力”和“應(yīng)力”目的是適當(dāng)?shù)谋舜烁采w。所述技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白可以通過其他而不是描述的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，實(shí)施例存在是為了說明而不是限制，本發(fā)明僅由下面的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其包括第一單晶半導(dǎo)體材料的襯底；至少一個(gè)張力減輕材料層，每個(gè)所述的至少一個(gè)張力減輕材料層覆蓋所述的單晶半導(dǎo)體襯底的各個(gè)部分；壓電材料的至少一部分，每個(gè)所述的部分覆蓋所述至少一個(gè)張力減輕材料層的相應(yīng)層；以及至少部分地在壓電材料的至少一個(gè)所述部分中的電-聲器件。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的半導(dǎo)體材料是硅。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的壓電材料是金屬氧化物。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的壓電材料是鈮酸鋰。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的壓電材料是鉭酸鋰。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的張力減輕材料是SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的張力減輕材料包括非晶態(tài)材料。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的張力減輕材料包括結(jié)晶材料。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的張力減輕材料包括硅的氧化物。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的電-聲器件是無源表面聲波器件。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的電-聲器件是有源器件。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中所述的有源器件聲電荷傳送器件。權(quán)利要求12的器件，其中通過所述的聲電荷傳送器件的電荷傳改變的實(shí)質(zhì)性部分是通過最接近所述壓電層的半導(dǎo)體襯底區(qū)。
13.如權(quán)利要求12所述的器件，其中，在所述的器件中移動電位阱傳送電荷以及所述的電位阱是壓電地耦接到所述壓電層中的聲波換能器。
14.如權(quán)利要求1所述的單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，還包括在所述襯底的半導(dǎo)體部分中形成的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件；以及在所述的一個(gè)半導(dǎo)體器件和所述的電-聲器件間的至少一個(gè)電連接。
15.一種用于在電路中將集成電-聲器件與半導(dǎo)體器件集成的方法，所述方法包括提供單片結(jié)構(gòu)，其包括第一單晶半導(dǎo)體材料的襯底；至少一個(gè)張力減輕材料層，每個(gè)所述的至少一個(gè)張力減輕材料層覆蓋所述的單晶半導(dǎo)體襯底的各個(gè)部分；壓電材料的至少一部分，每個(gè)所述的部分覆蓋所述至少一個(gè)張力減輕材料層的相應(yīng)層；和在壓電材料的至少一個(gè)所述部分中至少部分地形成電-聲器件；在所述襯底的半導(dǎo)體區(qū)中至少部分地形成半導(dǎo)體器件；以及在所述半導(dǎo)體器件和所述電-聲器件之間提供電連接。
16.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的第一單晶半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體硅。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的壓電材料包括金屬氧化物。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的壓電材料是鈮酸鋰。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的壓電材料是鉭酸鋰。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的張力減輕材料包括SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的張力減輕材料包括結(jié)晶材料。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的張力減輕材料包括在制造所述的單片結(jié)構(gòu)過程中通過熱處理非晶化結(jié)晶材料形成的非晶材料。
23.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的張力減輕材料包括硅的氧化物。
24.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的電-聲器件包括無源表面聲波器件。
25.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的電-聲器件包括有源器件。
26.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述的有源器件包括聲電荷傳送器件。
27.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述的聲-電荷傳送器件中的電荷改變的實(shí)質(zhì)性部分通過最接近壓電層的半導(dǎo)體襯底區(qū)。
28.如權(quán)利要求26所述的器件，其中，所述的電荷改變利用移動電位阱，所述的電位阱壓電地耦接到所述壓電層中的聲波換能器。
29.一種用于形成具有電-聲器件的半導(dǎo)體壓電單片結(jié)構(gòu)的方法，包括在用于外延生長的第一單晶半導(dǎo)體材料上制備一個(gè)表面；在所述表面的至少一部分上制備張力減輕層；以及在所述的張力減輕層上外延地形成壓電材料層。
30.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的第一單晶半導(dǎo)體材料包括半導(dǎo)體硅。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的壓電材料包括金屬氧化物。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的壓電材料是鈮酸鋰。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的壓電材料是鉭酸鋰。
34.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的張力減輕層包括SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的張力減輕材料包括結(jié)晶材料。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的張力減輕材料包括非晶材料。
37.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，通過在所述外延地形成壓電材料層的過程中界面氧化所述襯底形成所述的非晶材料。
38.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的制備張力減輕層和所述的外延地形成壓電材料層包括形成初始結(jié)晶張力減輕層；在所述的初始張力減輕層上形成薄的壓電外延層；以及非晶化所述的初始結(jié)晶張力減輕層。
39.如權(quán)利要求30所述的方法，還包括在所述的壓電材料層中至少部分地形成所述的電-聲器件；
40.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的形成所述電-聲器件包括形成無源表面聲波器件。
41.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述的形成所述電-聲器件包括形成有源器件。
42.如權(quán)利要求42所述的方法，其中，所述的形成有源器件包括形成聲-電荷傳送器件。
43.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述的形成聲-電荷傳送器件包括形成一個(gè)器件，其中電荷改變的實(shí)質(zhì)性部分通過最接近所述壓電材料層的半導(dǎo)體襯底區(qū)。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述的形成器件包括形成所述的器件，其中所述的電荷改變利用移動電位阱，所述的電位阱壓電地耦接到所述壓電層中的聲波換能器。
45.一種單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其包括第一單晶半導(dǎo)體材料的襯底；至少一個(gè)調(diào)節(jié)層，每個(gè)所述的至少一個(gè)調(diào)節(jié)層覆蓋所述的單晶半導(dǎo)體襯底的各個(gè)部分，其中所述的調(diào)節(jié)層由壓電材料形成；至少部分地在至少一個(gè)所述的調(diào)節(jié)層中的電-聲器件；以及至少一個(gè)第二單晶半導(dǎo)體材料，每個(gè)所述的至少一個(gè)第二單晶半導(dǎo)體材料覆蓋所述的至少一個(gè)調(diào)節(jié)層的相應(yīng)層。
46.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的第一單晶半導(dǎo)體包括IV族半導(dǎo)體。
47.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的壓電材料包括金屬氧化物。
48.如權(quán)利要求48所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的金屬氧化物包括SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
49.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的壓電材料包括鈮酸鋰。
50.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的壓電材料包括鉭酸鋰。
51.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的電-聲器件包括無源表面聲波器件。
52.如權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的電-聲器件包括有源器件。
53.如權(quán)利要求53所述的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的有源器件聲-電荷傳送器件。
54.如權(quán)利要求53所述的器件，其中，通過所述的聲-電荷傳送器件的電荷改變的實(shí)質(zhì)性部分通過最接近壓電層的半導(dǎo)體襯底區(qū)。
55.如權(quán)利要求53的器件，其中，在所述器件中移動電位阱傳送電荷，所述的電位阱壓電地耦接到所述壓電層中的轉(zhuǎn)換的聲波。
56.如權(quán)利要求46所述的單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的第二半導(dǎo)體包括從IV族、III-V族、II-VI族半導(dǎo)體的組中選出來的半導(dǎo)體。
57.如權(quán)利要求46的單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，還包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件，以及在所述的一個(gè)半導(dǎo)體器件和所述的電聲器件間的至少一個(gè)電連接。
58.如權(quán)利要求58所述的單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件至少部分地形成在襯底中。
59.如權(quán)利要求58所述的單片半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件至少部分地形成在所述的第二單晶半導(dǎo)體材料中。
60.一種電-聲器件，其包括單晶半導(dǎo)體材料襯底；接近所述襯底的頂面布置的壓電材料層；接近所述的壓電材料層表面布置的換能器，所述的換能器響應(yīng)于時(shí)鐘信號在所述的壓電材料層產(chǎn)生聲波，所述的聲波具有相關(guān)的電場；用于施加偏壓以靜電地轉(zhuǎn)移所述的相關(guān)電場，以在所述的襯底中形成移動的電位阱的柵電極；用于接收輸入信號的輸入元件，所述的輸入元件將與所述的輸入信號成正比的電荷注入到所述的襯底，其中，所述的移動電位阱周期地采樣所述的注入電荷并且在每次采樣所述的注入電荷時(shí)遠(yuǎn)離輸入元件傳送采樣電荷包；以及在稍后的時(shí)間檢測所述采樣電荷包中的電荷量并產(chǎn)生與所述的采樣電荷包中的電荷量成正比的輸出信號的至少一個(gè)輸出元件。
61.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的單晶半導(dǎo)體材料襯底包括IV族半導(dǎo)體材料。
62.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料包括金屬氧化物。
63.如權(quán)利要求63所述的電-聲器件，其中，所述的金屬氧化物包括SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
64.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料是鈮酸鋰。
65.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料是鉭酸鋰。
66.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，通過所述器件的電荷改變的實(shí)質(zhì)性部分通過最接近所述壓電層的半導(dǎo)體襯底區(qū)。
67.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的輸入元件包括輸入二極管。
68.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的輸出元件的至少一個(gè)包括輸出二極管。
69.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，還包括用于促進(jìn)Sezawa模式聲波產(chǎn)生的AC接地層。
70.如權(quán)利要求61所述的電-聲器件，其中，所述的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件至少部分地形成在所述的單晶半導(dǎo)體材料中，所述的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件電連接到所述的換能器、所述的柵電極、所述的輸入元件和所述的輸出元件的至少一個(gè)。
71.一種電-聲器件，其包括單晶半導(dǎo)體材料襯底；接近說所述襯底的頂面布置的壓電材料層；接近所述的壓電材料層表面布置的換能器，所述的換能器響應(yīng)時(shí)鐘信號在所述的壓電材料層產(chǎn)生聲波，所述的聲波具有相關(guān)的電場；用于施加偏壓以靜電地轉(zhuǎn)移所述的相關(guān)電場以在所述的襯底中形成移動的電位阱的柵電極；用于接收輸入信號的輸入元件，所述的輸入元件將與所述的輸入信號成正比的電荷注入到所述的襯底，其中所述的移動電位阱周期地采樣所述的注入電荷，且每次采樣所述的注入電荷時(shí)遠(yuǎn)離輸入元件傳送采樣電荷包；以及檢測移動穿過所述輸出元件的所述采樣電荷包中的電荷量、并產(chǎn)生與所述的采樣電荷包中的所述電荷量成正比的檢測信號的多個(gè)橫向地隔開的輸出元件；在所述的單晶半導(dǎo)體中制造的、用于接收和處理所述的檢測信號以產(chǎn)生輸出信號的信號處理電路。
72.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的輸入元件包括輸入二極管。
73.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的信號處理電路包括接收和處理所述的檢測信號的可變增益放大器。
74.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的信號處理電路包括接收和處理所述的檢測信號的可變增益放大器。
75.如權(quán)利要求75所述的電-聲器件，其中，所述的信號處理電路還包括用于耦接所述的輸出元件到所述的可變增益放大器的高阻抗元件。
76.如權(quán)利要求75所述的電-聲器件，其中，所述的信號處理電路還包括用于將所述的可變增益放大器輸出相加的加法電路。
77.如權(quán)利要求75所述的電-聲器件，其中，所述的信號處理電路還包括反饋電路，所述的反饋電路包括接收和處理部分所述的檢測信號以產(chǎn)生反饋到所述的輸入元件的反饋信號的第二可變增益放大器。
78.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的單晶半導(dǎo)體材料襯底包括IV族半導(dǎo)體材料。
79.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料包括金屬氧化物。
80.如權(quán)利要求80所述的電-聲器件，其中，所述的金屬氧化物包括SrzBa1-zTiO3，z具有0和1之間選擇的值。
81.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料是鈮酸鋰。
82.如權(quán)利要求72所述的電-聲器件，其中，所述的壓電材料是鉭酸鋰。
83.如權(quán)利要求72的器件，其中，所述的電荷傳送利用移動電位阱，所述的電位阱壓電地耦接到所述壓電層中的轉(zhuǎn)換的聲波。
全文摘要
通過在硅片上首先生長中間張力減輕層可以生長覆蓋硅片的結(jié)晶壓電材料如鈮酸鋰和鉭酸鋰的外延層。在壓電層生長之前，張力減輕層是結(jié)晶的金屬氧化物，幫助橋接硅和壓電材料之間的晶格失配。在薄結(jié)晶壓電層生長之后，非晶化張力減輕層以去耦硅和壓電晶格。然后可以重新開始壓電層的生長，以獲得適合于電－聲器件制造的優(yōu)質(zhì)厚層?？梢允褂猛庋拥膲弘妼又圃鞜o源和有源電－聲器件。具體地，設(shè)計(jì)和制造利用硅和壓電外延覆蓋層的聲音電荷傳送器件。電－聲器件可以與在硅片上制造的半導(dǎo)體器件電路集成。
文檔編號H01L27/20GK1633715SQ02814687
公開日2005年6月29日 申請日期2002年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者羅伯特·J·希金斯, 肯尼斯·D·科尼特 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司