单片半导体压电器件结构和电-声电荷传送器件制造技术

通过在硅片上首先生长中间张力减轻层可以生长覆盖硅片的结晶压电材料如铌酸锂和钽酸锂的外延层。在压电层生长之前，张力减轻层是结晶的金属氧化物，帮助桥接硅和压电材料之间的晶格失配。在薄结晶压电层生长之后，非晶化张力减轻层以去耦硅和压电晶格。然后可以重新开始压电层的生长，以获得适合于电－声器件制造的优质厚层。可以使用外延的压电层制造无源和有源电－声器件。具体地，设计和制造利用硅和压电外延覆盖层的声音电荷传送器件。电－声器件可以与在硅片上制造的半导体器件电路集成。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及单片半导体器件结构，具体地说涉及包括由不同种类的材料形成的各个器件的单片半导体器件结构。更加具体，本专利技术涉及也包括可以用来形成电-声器件的压电材料的单片半导体器件结构。
技术介绍
世界上，在90％以上的固态电子器件和集成电路都使用硅作为原材料。硅作为选择的原材料的这种显赫地位在很大程度上是由于使用硅制造器件和集成电路的良好经济性。可以以适当的成本和逐渐提高适用于大体积制造的晶片直径得到优质的单晶硅衬底晶片。但是，硅不具有适用于各种固态器件的物理性能。一些器件在它们的操作中利用一些材料的物理性能，这些物理性能是独特的或优于硅。尽管这种使用相对不经济，但是这些器件必须使用除硅以外的材料。例如，硅具有不适于光电器件工作的间接带隙。因此，由直接带隙半导体如代替硅的III-V化合物半导体制成常规的光电器件。而且，对于一些特定的电子器件如电-声器件，可以优选使用除元素或化合物半导体以外的材料。例如，电-声器件如表面声波(SAW)器件的性能特征取决于制造它们的材料的压电性能。硅本身是非压电的。一些化合物半导体，例如，砷化镓表现出压电现象，但是它们的压电性能与例如结晶的铌酸锂或钽酸锂相比比较弱。商业上使用这些后者材料和其它如适当晶体形式的石英、四硼酸锂和氧化锗铋制成离散的表面声波(SAW)器件。这些(SAW)波器件设计用作，例如脉冲压缩滤波器、带通滤器、延迟线、共振器、振荡器、回转器和用于扩频的匹配滤波器。现在普遍在信号处理电路中使用SAW器件。发现SAW器件在信号处理电路中的应用范围从雷达和通信系统到包括接收器、传呼机和蜂窝电话的消费者电子设备。正如所看到的，一般技术朝着增加电子设备的微型化的方向发展，例如，在消费者电子设备中，也导致SAW器件模块越来越小。通过利用共振和半共振设计和新的衬底材料已经部分地实现更小的SAW器件。但是，如果现在混合的SAW元件可以与信号处理电路中的半导体集成电路单片地集成，那么信号处理电路的更进一步合乎需要的微型化也是可能的。因此，需要在用于制造半导体集成电路的单片结构中引入适于制造电-声器件的压电材料。但是，用于制造器件的大多数材料希望的压电性及其他物理性能是材料的结晶质量的函数。因此，如果单片结构将用于集成以根本不同的材料制造的器件，那么单片结构中的压电材料和半导体材料(例如硅)必须形成在一起，而不降低任何一种材料的结晶质量。因为两种材料的不同晶体结构，所以在硅衬底上生长或淀积优质的压电材料是不寻常的。两种材料的始终不同的晶格尺寸在至少一种材料中引起应力和张力，足以降低它的晶体质量，且因此降低器件工作必不可少的物理性能。不同种类的材料结构形成良好的晶体质量的挑战不是压电材料和硅的结合所独有的。通常试图集成不同种类的半导体器件，已经或正在寻找器件材料的其他结合。结合的一般寻找包括不同种类的半导体结合，如IV族元素半导体(例如硅)与III-V族或II-VI化合物半导体(例如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))结合。受希望最大化两种材料的利益驱动试图形成根本不同种类的半导体与硅的合成结构。例如，试图在硅衬底上形成GaAs基化合物半导体薄膜，设法从硅的粗糙和它对器件和大规模生产的集成电路的可控制性以及来自化合物半导体的特别的电性能获益，化合物半导体的电性能例如使它们有用于高速器件和光-电器件如激光器。化合物半导体与上述通常使用的压电材料相比是不同种类的材料。可是，它可能对面对包括基本半导体衬底上的化合物半导体的任何根本不同的材料的不同种类生长的问题中形成优质的压电硅单片结构的挑战有用。附图简述结合附图，考虑以下的详细描述将明白本专利技术的上述及其他目的和优点。其中相同的参考标记始终指相同的部分，其中附图说明图1-3以剖面图示意地说明根据本专利技术的各个实施例能被使用的合成半导体器件结构；图4图形地说明基质晶体和生长的晶体覆层之间可获到的最大膜厚和晶格失配的关系；图5是根据在此所示制造的说明性半导体材料的高分辨率透射式电子显微镜照片(TEM)。图6是根据在此所示制造的说明性半导体结构的X射线衍射。图7说明包括非晶氧化层的结构的高分辨率TEM；图8说明包括非晶氧化层的结构的X射线衍射谱；图9-12以截面图示意地说明根据本专利技术的另一个实施例的合成器件结构的形成；图13-16说明图9-12中图示的器件结构可能的分子键结构；图17-20以截面图示意地说明根据本专利技术的另一个实施例合成器件结构的形成；图21-23以截面图示意地说明根据本专利技术的又一个实施例合成器件结构的形成；图24和25以截面图示意地说明根据本专利技术的各个实施例能被使用的合成器件结构；图26-30包括集成电路的部分截面图，集成电路包括在此所示的化合物半导体部分、双极部分以及MOS部分；图31-33以截面图示意性说明包括根据本专利技术的各个实施例压电材料的单片结构的形成；图34和36以截面图示意地说明能被根据本专利技术的各个实施例使用的单片结构；图35以平面图示意地说明根据本专利技术的实施例在图34的单片结构中形成的SAW回转器；图37以截面图示意地说明根据本专利技术的实施例包括适用于制造电-声器件的压电材料的单片结构的形成；图38和39示意地说明根据本专利技术的声音电荷传送器件的实施例的截面。本领域普通技术人员将明白在某些附图中的许多元件的图示是为了简单和清楚，没有必要按比例绘制。例如，某些附图中的一些元件尺寸可以相对于其他元件放大以有助于提高对所示内容的理解。专利技术的详细说明形成具有不同的晶格间距的全异晶体材料的异类结构的困难至少首先接近机械稳定性的问题。晶体表面具有自然趋势或偏向(preference)以维持它们的晶体习性，亦即，在体晶(bulk crystal)中生长保持原子或分子的晶格间距和晶体排列。在具有不同于第一晶体的晶格间距的第二晶体上直接生长第一晶体的薄膜，促使接近生长界面的两种晶体中的原子或分子的晶格间距朝着共同值互相调整。晶格间距的这些相互展宽或压缩引起两种晶体中的机械应力和/或张力。晶体的自然弹性可以允许晶格间距的一定展宽或压缩，当第二晶体薄膜或层生长加厚时，晶格间距的继续机械形变导致它的晶体结构退化。该现象通常按照晶体的弹性来理解和描述。当由于晶格失配超过晶体的弹性极限或两种材料之间的界面的电子键强度时在它之中的机械应力或张力变化，生长层(通俗术语)的晶体结构开始崩溃。在衬底上的异种材料的生长中，两种材料中的原子或分子的详细的准确本性认为是在机械晶格失配/弹性现象中的次要作用。跟随这种观点，将形成压电-半导体单片结构的问题认为是形成包括不同种类的半导体材料以及压电材料的异种材料的异类结构中的晶格隔开不匹配(lattice-spacing mismatch)的一般问题。本公开解决不同类型的半导体-半导体结构和压电-半导体结构的形成。在此为了方便起见，半导体-半导体结构有时称为“合成半导体结构”或“合成集成电路”，因为在一个集成的结构或电路中它们包括两种(或更多)显著地不同类型的半导体器件。例如，这两种器件的一个可以是硅基器件如CMOS器件，这两种器件的另一种可以是化合物半导体器件，如砷化镓器件。Ramdani等在2000年2月10日申请的美国专利申请号US09/502023中公开了说明性合成半导体结构和制造这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片半导体压电结构，其包括：第一单晶半导体材料的衬底；至少一个张力减轻材料层，每个所述的至少一个张力减轻材料层覆盖所述的单晶半导体衬底的各个部分；压电材料的至少一部分，每个所述的部分覆盖所述至少一个张力减轻材料层 的相应层；以及至少部分地在压电材料的至少一个所述部分中的电－声器件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特J希金斯，肯尼斯D科尼特，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]