Brevet FR2616021A1 — publié le 19881202

La présente invention se rapporte à un perfectionnement d'un dispositif à ondes acoustiques de surface ayant une structure monolithique, o un film mince piézo-électrique est formé sur un substrat semi-conducteur. Jusqu'à maintenant, comme éléments à ondes acoustiques de surface, on connaît ceux ayant une structure, o un film mince piézo-électrique est formé sur un substrat semi-conducteur. Les éléments à ondes acoustiques de surface ayant cette structure sont très importants dans de nombreux domaines d'utilisation grâce à leur structure monolithique o un élément à ondes acoustiques de surface et son circuit actif périphérique peuvent être intégrés sur un substrat semi-conducteur commun. Comme pour les éléments à ondes acoustiques de surface constitués d'un monocristal piézo-électrique ou d'une céramique, il est également requis des éléments à ondes acoustiques de surface, comme un filtre, un résonateur, un oscillateur, etc., constitués au moyen d'une structure d'un film mince piézo-électrique/substrat semi-conducteur décrite ci- dessus, que la vitesse et la fréquence centrale de l'onde acoustique de surface ainsi que le retard etc., ne varient pas et soient stables par rapport aux variations de température. Pour les éléments à ondes acoustiques de surface constitués par un monocristal piézo-électrique ou une céramique piézo-électrique, il est possible de réaliser un élément à ondes acoustiques de surface ayant d'excellentes caractéristiques de température, par exemple, en choisissant un matériau du substrat tel qu'un quartz cristallisé à coupe ST, présentant de bonnes caractéristiques de température, une surface cristallographique et une direction de propagation. Contrairement aux éléments acoustiques de surface constitués d'un monocristal piézo-électrique ou d'une céramique piézo-électrique, pour la structure monolithique constituée d'un substrat semi-conducteur, comme le matériau du substrat est limité à des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), l'arseniure de gallium (GaAs), SOS (silicium sur saphir) , il est généralement impossible de réaliser des caractéristiques satisfaisantes de température uniquement en choisissant le matériau, la surface cristallographique et la direction. Pour cette raison, jusqu'à maintenant, les caractéristiques de température d'un élément ont été compensées en le formant de matériaux composites comprenant une couche de verre telle qu'un film d'oxyde de silicium relativement épais et le film piézo-électrique mince. C'est une technique pour compenser des variations de température pour réduire le coefficient résultant de température de l'élément du fait d'un effet d'annulation sur les coefficients de température que l'on obtient en utilisant un film mince ayant un coefficient de température, dont le signe est opposé à celui du matériau du substrat. Par la tecnnique pour compenser les variations de température décrite cidessus, l'on ne fait attention qu'à l'effet obtenu principalement par le coefficient de température du film mince et comme technique pour compenser les variations de température pour le substrat semi-conducteur, l'on n'effectue que le choix du matériau, de la surface cristallographique et de la direction de propagation afin d'obtenir des caractéristiques de température aussi bonnes que possible bien que ce choix ne soit pas satisfaisant et soit fait dans une région étroite. Par ailleurs, le choix du matériau du substrat est généralement basé sur le domaine d'utilisation, la fonction, etc., de préférence aux caractéristiques de température. La présente invention a pour objet un dispositif à ondes acoustiques de surface capable de présenter d'excellentes caractéristiques de température en réduisant le coefficient de température du matériau dont le substrat semi-conducteur est fait. Afin d'atteindre l'objectif ci-dessus, selon l'invention, le problème indiqué ci-dessus est résolu par l'introduction d'un dopant à une haute densité dans le substrat semi-conducteur. Grâce à l'introduction d'un dopant à une haute densité dans le substrat semi-conducteur, comme on l'a décrit ci-dessus,-son coefficient de température peut être réduit puis les caractéristiques de température, en tant que dispositif à ondes acoustiques de surface peuvent être améliorées. L'invention sera mieux comprise? et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexé donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale longitudinale d'un dispositif à ondes acoustiques de surface," selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale longitudinale d'un dispositif à ondesacoustiques de.' surface, selon un autre mode de réalisation de l'invention; et 2616021. - les figures 3 à 5 montrent des graphiques des caractéristiques de température de dispositifs à ondes - acoustiques de surface. Les figures 1 et 2 montrent deux modes de réalisation différents de la présente invention, dont chacun est constitué d'un substrat en silicium dopé à une haute densité. Sur la figure 1, le chiffre de référence 1 est un substrat en silicium monocristallin; 2 est une couche de silicium de faible résistivité, formée par dessus; 3 est une couche mince piézoélectrique comme - ZnO, AiN, etc., formée sur la couche de silicium de faible résistivité; et 4 et 5 sont des électrodes interdigitales (ayant ci-après pour abréviation IDT) qui sont formées sur la couche mince piézoélectrique pour produire et détecter les ondes acoustiques de surface. La couche de silicium 2 de faible résistivité indiquée ci-dessus est la couche de dopant de haute densité. Cette couche de silicium 2 de faible résistivité, qui est la couche de dopant de haute densité, peut être formée en soumettant la surface du substrat en silicium monocristallin 1 à une méthode de diffusion ou d'implantation d'ions ou en formant un film de silicium doDé à une haute densité sur le substrat en silicium monocristallin 1, grâce à lu'cilisation de la methode ce dép8t de vapeur chimique. Sur la figure 2, le chiffre de référence 6 est un substrat en silicium monocristallin de basse résistivité, sur lequel est formée une couche piézo-électrique mince 3 et des électrodes interdigitales 4 et 5 y sont de plus disposées. Le substrat en sillicium monocristallin de faible résistivité est la couche de dopant de haute densité. Les dopants décrits ci-dessus sont principalement du phosphore (P), de l'arsenic (As) et de l'antimoine (Sb), qui sont des dopants de conductivité du type N et du bore (B) qui est un dopant de conductivité du type P. Dans la structure des dispositifs à ondes acoustiques de surface indiqués aux figures i et 2, la couche de silicium 2 de faible résistivité dopée à une haute densité et le substrat en silicium monocristallin 6 de faible résistivité ont pour effet de réduire le coefficient de température des éléments à ondes acoustiques de surface. Comme autres modes de réalisation, dans l'attente à la fois de l'excès de passivation et de l'effet de réduction du coefficient de température, on peut disposer des couches de verre comme des films de bioxyde de silicium à l'interface entre la couche 2 de silicium de faible résistivité et la couche mince piézo-électrique 3 et sur la couche mince piézo-électrique 3 dans la stucture indiquée à la figure 1 et à l'interface entre le substrat en silicium monocristallin 6 de faible résistivité et la couche mince piézo-électrique 3 dans la structure indiquée à la figure 2. Les figures 3 et 4 sont des graphiques montrant les caractéristiques de température des dispositifs à ondes acoustiques de surface ayant la structure indiquée à la figure 1, o l'axe des abscisses représente la température T et l'axe des ordonnées indique les variations de fréquence F. Sur les graphiques, les lignes en pointillé indiquent les caractéristiques de température des dispositifs à ondes de surface selon l'art antérieur o des films minces piézo-électriques sont formés sur des substrats en silicium monocristallin de conductivité du type N (dopant: Sb) d'une faible résistivité de 18/1000-JL cm, les lignes en trait plein indiquant les caractéristiques de température des dispositifs à ondes acoustiques de surface selon l'invention, o les couches de faible résistivité sont disposées entre les couches minces piézo-électriques et les substrats en silicium monocristallin par diffusion de phosphore (P) en tant que dopant à travers la surface des substrats en silicium monocristallin décrits ci-dessus à une haute densité. Le film mince piézo-électrique dans la structure décrite ci-dessus est fait de Zn0 dans le dispositif à ondes acoustiques de surface pour la figure 3 tandis qu'il est fait de AlN dans le dispositif à ondes acoustiques de surface pour la figure 4, les deux n'atteignant que 500 nm. Les IDT pour produire et détecter l'onde acoustique de surface sont formées sur le film mince piézo-électrique et la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface est de 14 ym. La fréquence centrale de l'onde acoustique de surface est d'environ 350 MHz dans les deux cas. La densité de dopants dans la couche de silicium de faible résistivité et de 1,0 x 1020 cm-3 à la surface et la profondeur de la couche de diffusion est d'environ lO 10)m. Sur les graphiques indiqués aux figures 3 et 4, la différence de structure entre les éléments à-ondes acoustiques de surface, dont les caractéristiques sont indiquées par les lignes en trait plein et les lignes en pointillé ne concernent que la présence ou l'absence de la couche de faible résistivité dopée de phosphore (P) à une haute densité. Dans chaque cas, des éléments à ondes acoustiques de surface ayant les caractéristiques indiquées-aux figures 3 et 4, on peut comprendre que les caractéristiques de température d'un élément ayant une couche de faible résistivité sont améliorées d'environ 5 à 7ppm/ C et qu'ainsi la couche de faible résistivité améliore les caractéristiques de température de l'élément. La figure 5 est un graphique montrant les caractéristiques de température d'un élément acoustique de surface ayant la structure indiquée à la figure 2. Le substrat est un substrat en silicium monocristallin de conductivité du type P (dopant: B) ayant une résistivité de 18/1000 A cm. La couche mince piézo-électrique est faite en AIN et à 500 nm d'épaisseur. La longueur d'onde de l'onde acoustique de surface est de 14,>m et sa fréquence centrale est d'environ 350 MHz. La densité des dopants de silicium monocristallin de faible résistivité es de 5 x 1018 cm-3 et elle est uniforme dans toute la masse. Comme le montre le graphique de la figure 5, on peut comprendre que la présence du substrat en silicium monocristallin de faible résistivité a pour effet d'améliorer remarquablement les caractéristiques de. température de l'élément à ondes acoustiques de surface. D'autres résultats de mesure montrent que, comme dopant, le bore (B) a un effet extrêmement important pour améliorer les caractéristiques de température. Comme on l'a décrit ci-dessus, il est possible d'améliorer les caractéristiques de température de l'élément en construisant une couche de silicium de faible résistivité, o le dopant est introduit à une haute densité dans l'élément à ondes acoustiques de surface. L'effet de compensation du coefficient de température augmente avec l'augmentation de la densité du dopant et est particulièrement remarquable lorsque la densité dépasse 1018 cm-3. Par ailleurs, la technique de compensation de la variation de température selon l'invention peut s'appliquer également à des éléments électroacoustiques consistant en éléments à ondes acoustiques de surface et qui utilisent l'interaction entre les porteurs dans un semi-conducteur et l'onde de surface. Lorsqu'une couche épitaxiée de silicium de haute résistivité ayant une densité de dopants appropriée à un objectif spécifié est disposée sur la couche de silicium de faible resistivité ou le substrat en silicium monocristallin de faible résistivité précédemment décrit, il est possible d'améliorer les caractéristiques de température au moyen de la couche de faible résistivité et en même temps de réaliser les fonctions électriques nécessaires au moyen de la couche de haute résistivité. Comme on l'a expliqué ci-dessus, selon l'invention, il est possible de réaliser un dispositif à ondes acoustiques de surface ayant d'excellentes caractéristiques de température en introduisant des dopants dans le substrat semf-conducteur à une haute densité de manière que le coefficient de température au matériau lui-même du substrat semi- conducteur soit réduit ou que son signe soit inversé. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semi-conducteur (1) dopé de dopants à une haute densité; une couche mince piézo-électrique (3) disposée par dessus; et des électrodes (4,5) pour produire et détecter une onde acoustique de surface, qui sont disposées sur ladite couche mince piézo-électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est constitué d'un substrat en silicium monocristallin avec une couche en silicium de faible résistivité disposée par dessus o des dopants sont introduits à une haute densité. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est constitué d'un substrat en silicium monocristallin de faible résistivité (6) o des dopants sont introduits à une haute densité. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité des dopants du substrat semi-conducteur est suprieur à 18 cm-3 supérieur a 10 cm