JP7090753B2 - 強誘電体材料、強誘電体材料を含むmemsコンポーネント、第1のmemsコンポーネントを備えるmemsデバイス、memsコンポーネントを製造する方法、及びcmos対応memsコンポーネントを製造する方法 - Google Patents
強誘電体材料、強誘電体材料を含むmemsコンポーネント、第1のmemsコンポーネントを備えるmemsデバイス、memsコンポーネントを製造する方法、及びcmos対応memsコンポーネントを製造する方法 Download PDFInfo
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Description
・500℃を超える必要な堆積温度と、含まれる鉛が、材料をCMOS製造に不適応にする。
・絶縁破壊のリスクが、使用可能な最大電界強度、したがって、結果として生じる力を制限する。
・力と印加電界との間の関係性が、電界のゼロ点の周りで非常に非線形である。力又は歪みはまた、長い距離にわたって同じ符号を有する。駆動力の調和のとれた振動を概ね保証するためには、電圧オフセットが必要である。低い破壊電界強度と併せて、これは、駆動力の利用可能な最大振幅をさらに制限する。
・強誘電体層の固有の機械的応力が、限られた程度にしか影響を受け得ない。
・動作中に生じる誘電損失及び漏れ電流が、AlNなどのいくつかの他の誘電体よりも顕著により高い。
第1の電極、第1の強誘電体層、第2の電極、第2の圧電体層、及び第3の電極をスタックする前又はした後に基板でCMOSプロセスを用いて集積回路の1つ又は複数の回路コンポーネントを集積するステップ
をさらに含む。
[1] T. lkeda, “Fundamentals of Piezoelectricity”, Oxford University Press, 1990.
[2] R. G. Ballas, “Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators”, Springer, 2007.
[3] C. Randall, A. Kelnberger, G. Y. Yang, R. E. Eitel, and T. R. Shrout, “High Strain Piezoelectric Multilayer Actuators: A Material Science and Engineering Challenge”, J. Electroceramics, vol. 14, no. 3, pp. 177-191, 2005.
[4] L. M. Sanchez, A. D. Grobicki, G. L. Smith, J. S. Pulskamp, I. Takeuchi, and R. G. Polcawich, “Texture control in lead zirconate titanate multilayer thin films”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 61, no. 4, pp. 654-661, 2014.
[5] N. R. Harris et al., “A multilayer thick-film PZT actuator for MEMs applications”, Sensors Actuators, A Phys., vol. 132, no. 1 SPEC. ISS., pp. 311-316, 2006.
[6] Y. Lu, A. Heidari, and D. A. Horsley, “A High Fill-Factor Annular Array of High Frequency Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers”, J. Microelectromechanical Syst., vol. 24, no. 4, pp. 904-913, 2015.
[7] N. Sinha et al., “Piezoelectric aluminum nitride nanoelectromechanical actuators”, Appl. Phys. Lett., vol. 95, no. 5, 2009.
[8] E. Milyutin et al., “Sputtering of (001)AlN thin films: Control of polarity by a seed layer”, J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct., vol. 28, no. May, p. L61, 2010.
[9] M. Akiyama, T. Kamohara, K. Kano, A. Teshigahara, and N. Kawahara, “Influence of oxygen concentration in sputtering gas on piezoelectric response of aluminum nitride thin films”, Appl. Phys. Lett., vol. 93, no. 2, pp. 6-9, 2008.
[10] T. Mizuno et al., “Germanium Aluminium Nitride thin films for piezo-MEMSdevices”, Transducers, Taiwan, 2017.
[11] S. Fichtner, T. Reimer, S. Chemnitz, F. Lofink, and B. Wagner, “Stress controlled pulsed direct current co-sputtered Al1-xScxN as piezoelectric phase for micromechanical sensor applications”, APL Mater., vol. 3, no. 11, 2015.
[12] S. Fichtner et al., “Identifying and overcoming the interface originating c-axis instability in highly Sc enhanced AlN for piezoelectric micro-electromechanical systems”, J. Appl. Phys., vol. 122, no. 3, p. 35301, 2017.
[13] M. Akiyama, T. Kamohara, K. Kano, A. Teshigahara, Y. Takeuchi,and N. Kawahara, “Enhancement of piezoelectric response in scandium aluminum nitride alloy thin films prepared by dual reactive cosputtering”, Adv. Mater., vol. 21,no. 5, pp. 593-596, 2009.
[14] M. Akiyama et al., “Piezoelectric thin film, piezoelectric material, and fabrication method of piezoelectric thin film and piezoelectric material, and piezoelectric resonator, actuator element, and physical sensor using piezoelectric thin film”, US7758979B2, 2010.
[15] P. M. Mayrhofer et al., “Microstructure and piezoelectric response of YxAl1-xN thin films”, Acta Mater., vol. 100, pp. 81-89, 2015.
[16] A. Zukauskaite et al., “YxAl1-xN thin films”, J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 45, no. 42, p. 422001, 2012.
[17] V. V. Felmetsger and M. K. Mikhov, “Reactive sputtering of highly c-axis textured Ti-doped AlN thin films”, IEEE Int. Ultrason. Symp. /US, pp. 782-785, 2012.
[18] E. Iborra, J. Capilla, J. Olivares, M. Clement, and V. Felmetsger, “Piezoelectric and electroacoustic properties of Ti-doped AlN thin films as a function of Ti content”, IEEE Int. Ultrason. Symp. /US, pp. 2734-2737, 2012.
[19] S. Zhang,D. Holec, W. Y. Fu, C. J. Humphreys, and M. A. Moram, ’’Tunable optoelectronic and ferroelectric properties in Sc-based Ill-nitrides”, J. Appl. Phys., vol. 114, no. 13, 2013.
[20] F. Senger et al., “Mikromechanisches Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen mikromechanischen Bauteils”, DE102015213714A1, 2015.
[21] D. J. Meyer et al., “Method for Fabricating Suspended MEMS Structures”, US20160304340A1, 2015.
[22] A. R. Clerici et al., “MEMS-Leiterplattenmodul mit integrierter piezoelektrischer Struktur sowie Schallwandleranordnung”, DE102015116640A1, 2015.
[23] A. R. Clerici et al., “Mikro-elektromechanischer Schallwandler mit schallenergiereflektierender Zwischenschicht”, DE102013114826A1, 2013.
[24] N. Singh et al., “device arrangement”, WO2017/065691A1, 2015.
[25] M. Akiyama et al., “Piezoelektrischer dunner Film, piezoelektrisches Material und Herstellungsverfahren fur piezoelektrischen dunnen Film und piezoelektrisches Material, und piezoelektrischer Resonator, Schalterelement und physikalischer Fuhler, die piezoelektrischen dunnen Film verwenden”, DE102008025691A1, 2008.
Claims (19)
- 強誘電体材料(100)であって、
AlN(120)と少なくとも1つの遷移金属窒化物(130)とを含む混晶(110)、
を含み、
機械的応力が、-200MPa~200MPaの区間内にあり、負の値が、圧縮応力を表しかつ正の値が、引張応力を表し、
前記遷移金属窒化物(130)の比率が、前記強誘電体材料(100)の初期又は自発極性(140、142、260、640、740、740a、740b、780)の方向が切替電圧(150)を印加することにより切替可能であるように選択され、前記切替電圧(150)は前記強誘電体材料の降伏電圧(100)よりも低く、
遷移金属原子の数とアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属原子の数の比率が、0.3以上~0.36以下の範囲である、
強誘電体材料(100)。 - 前記強誘電体材料(100)の極性の方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が、前記印加された切替電圧(150)の除去後に維持される、請求項1に記載の強誘電体材料(100)。
- 前記遷移金属が、スカンジウム、イットリウム、チタン、ニオブ及び/又はクロムを含む、請求項1又は請求項2に記載の強誘電体材料(100)。
- 方法であって、
初期の又は自発的な極性を有する混晶(110)を提供することであって、混晶(110)が、AlN(120)と少なくとも1つの遷移金属窒化物(130)とを含む、提供することと、
前記遷移金属窒化物(130)の比率が、前記強誘電体材料(100)の初期の又は自発的な極性の方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が切替電圧(150)を印加することにより切替可能であるように選択することであって、前記切替電圧(150)は前記強誘電体材料の降伏電圧(100)よりも低く、かつ
前記混晶(110)の初期又は自発極性の方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が反転されるように、前記混晶に前記切替電圧(150)を印加することと、
を含む、方法。 - 前記提供することが、前記混晶を有する少なくとも1つの強誘電体層(210)を備え、かつそれらの間に配置される前記強誘電体層(210)を有する少なくとも2つの電極(230、232)を備えるMEMSコンポーネント(200)を提供することを含み、
前記混晶に切替電圧(150)を印加することが、前記電極に前記切替電圧を印加することを含む、
請求項4に記載の方法。 - 請求項1~請求項3のいずれかに記載の強誘電体材料(100)を含むMEMSコンポーネント(200)。
- 前記強誘電体材料(100)を含む第1の強誘電体層(210、730)と、
前記第1の強誘電体層(210、730)の第1の表面(220)上に配置された第1の電極(230、722)と、
前記第1の強誘電体層(210、730)の第2の表面(221)上に配置された第2の電極(232、720)であって、前記第2の表面(221)は前記第1の表面(220)とは反対側にある、第2の電極(232、720)と、
を備える、請求項6に記載のMEMSコンポーネント(200)。 - 前記第1の強誘電体層(210、730)とは反対側で前記第1の電極(230、722)上に配置され、前記強誘電体材料(100)を含む第2の強誘電体層(212、732)と、
前記第2の強誘電体層(212、732)の第1の表面(222)上に配置された第3の電極(234)であって、前記第2の強誘電体層(212、732)の前記第1の表面(222)は、前記第1の電極(230、722)から離れる方に配置される、第3の電極(234)と、
を備え、
前記第1の強誘電体層(210)の極性が、前記第2の強誘電体層(212)の極性とは反対の方向を向く、
請求項7に記載のMEMSコンポーネント(200)。 - 前記第1の電極(230、722)が、第1の電極層(231a、724)及び第2の電極層(231b、722)を備え、かつ
中立面が存在する絶縁層(231c、240、710)が、前記第1の電極層(231a、724)と前記第2の電極層(231b、722)との間に配置される、請求項8に記載のMEMSコンポーネント(200)。 - 前記第1の電極(230、722)が、第1の電極層(231a、724)及び第2の電極層(231b、722)を備え、かつ
中立面が存在する受動層(231c、240、710)が、前記第1の電極層(231a、724)と前記第2の電極層(231b、722)との間に配置される、請求項8に記載のMEMSコンポーネント(200)。 - 前記第2の強誘電体層(212、732)とは反対側で、前記第3の電極(234)に配置された第3の強誘電体層(214)と、
前記第3の強誘電体層(214)の第1の表面(223)上に配置された第4の電極(236)であって、前記第3の強誘電体層(214)の前記第1の表面(223)は前記第3の電極(234)から離れる方に面するように配置される、第4の電極(236)と、
前記第1の強誘電体層(210、730)とは反対側で、前記第2の電極(232、720)上に配置された第4の強誘電体層(216)と、
前記第2の電極(232、720)から離れる方に面する前記第4の強誘電体層(216)の第1の表面(224)上に配置された第5の電極(238)と、
を備える、請求項8~請求項10のいずれかに記載のMEMSコンポーネント(200)。 - 前記第2の電極(232、720)上に配置された受動層(231c、240、710)を備える、請求項7又は請求項8のいずれかに記載のMEMSコンポーネント(200)。
- 前記受動層(231c、240、710)が、少なくとも一方の側で基板(310)に接続される、請求項10~請求項12のいずれかに記載のMEMSコンポーネント(200)。
- 前記MEMSコンポーネント(200)が、多層MEMSアクチュエータ、多層MEMSセンサ又は多層MEMS発電機を含み、かつ
前記MEMSコンポーネントが、交番して整列された分極を有する一連の層を備える、
請求項6~請求項13のいずれかに記載のMEMSコンポーネント(200)。 - MEMSデバイス(300)であって、
基板(310)と、
請求項10~請求項12のいずれかに記載の第1のMEMSコンポーネント(200)であって、前記MEMSコンポーネント(200)の前記受動層(231c、240、710)が、前記基板(310)上に歪められるように配置される、第1のMEMSコンポーネント(200)と、
を備える、MEMSデバイス(300)。 - 請求項10~請求項12のいずれかに記載のMEMSコンポーネントを2つ備え、第1のMEMSコンポーネント(200)の受動層(231c、240、710)と第2のMEMSコンポーネント(201)の受動層(231c、240、710)とが共同であり、かつ前記第1のMEMSコンポーネント(200)及び第2のMEMSコンポーネント(201)の前記電極層及び前記強誘電体層が、並列に配置される、
請求項15に記載のMEMSデバイス(300)。 - MEMSコンポーネント(200)を製造する方法であって、
第1の電極(232、720)、第1の強誘電体層(210、730)、第2の電極(230、722)、第2の圧電体層(212、732)及び第3の電極(234)をこの順でスタックすることであって、前記第1の強誘電体層(210、730)と前記第2の圧電体層(212、732)が、同じ分極方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)を有しかつ少なくとも前記第1の強誘電体層(210、730)が、
AlN(120)と少なくとも1つの遷移金属窒化物(130)とを含む混晶(110)を含む強誘電体材料(100)を含む、スタックすること
を含み、
前記遷移金属窒化物(130)の比率が、前記強誘電体材料(100)の極性の方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が切替電圧(150)を印加することにより切替可能であるように選択され、前記切替電圧(150)は前記強誘電体材料の降伏電圧(100)よりも低く、かつ
前記第1の電極(232、720)に及び前記第2の電極(230、722)に切替電圧(150)を印加することであって、前記第1の強誘電体層(210、730)の分極方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が、前記第1の強誘電体層(210、730)の分極方向(140、142、260、640、740、740a、740b、780)が反転されるように、反転される、印加すること、
をさらに含む、
方法。 - 前記第1の電極(232、720)、前記第1の強誘電体層(210、730)、前記第2の電極(230、722)、前記第2の圧電体層(212、732)及び前記第3の電極(234)が、基板(310)上にスタックされ、かつ
前記第1の電極(232、720)、前記第1の強誘電体層(210、730)、前記第2の電極(230、722)、前記第2の圧電体層(212、732)及び前記第3の電極(234)をスタックする前又はスタックした後にCMOSプロセスを用いて集積回路の1つ又は複数の回路コンポーネントを前記基板(310)に集積することをさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 前記基板が、前記第1の電極又は前記第3の電極のいずれかに隣接する、請求項18に記載の方法。
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