JP2008545542A - Microelectromechanical system (MEMS) device having a superlattice and related methods - Google Patents
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Abstract
微小電気機械システム(MEMS)素子は、基板及び該基板によって支持されている少なくとも1の可動部を有して良い。前記少なくとも1の可動部は、各々が複数の層からなる複数の群を積層した状態で有する超格子を有して良い。その超格子の複数の層からなる群の各々は、基本となる半導体部分を画定する複数の積層した基本となる半導体分子層、及び隣接する基本となる半導体部分の結晶格子に内部に束縛された少なくとも1の非半導体分子層を有する。
A microelectromechanical system (MEMS) device may include a substrate and at least one movable portion supported by the substrate. The at least one movable portion may include a superlattice having a plurality of groups each including a plurality of layers. Each of the superlattice groups is internally constrained to a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and a crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. Having at least one non-semiconductor molecular layer;
Description
本発明は、半導体分野に関する。より詳細には本発明は、超格子を有する半導体素子、及びその関連方法に関する。 The present invention relates to the semiconductor field. More particularly, the present invention relates to a semiconductor device having a superlattice and related methods.
たとえば荷電キャリアの移動度の改善のような、半導体素子の性能を改善する構造及び方法が提案されてきた。たとえば特許文献1は、シリコン、シリコン-ゲルマニウム、及び緩和したシリコンからなる歪み材料層について開示している。それらの材料層は、性能の劣化を引き起こさないように不純物を含まない領域をも有する。上部のシリコン層に2軸歪みが発生した結果、キャリア移動度が変化する。それにより、より高速及び/又はより低消費電力の素子が可能となる。特許文献2は、同様の歪みシリコン技術に基づいたCMOSインバータについて開示している。
Structures and methods have been proposed for improving the performance of semiconductor devices, such as improving charge carrier mobility. For example,
特許文献3は、シリコン及びシリコン層間に挟まれた炭素層を有することで、第2シリコン層の伝導帯及び価電子帯が引っ張り歪みの影響を受ける、半導体素子について開示している。より小さな有効質量を有し、かつゲート電極に印加される電場によって誘起される電子が第2シリコン層に閉じこめられるので、n-チャネルMOSFETはより高い移動度を有すると考えられる。 Patent Document 3 discloses a semiconductor element in which a conduction layer and a valence band of a second silicon layer are affected by tensile strain by having silicon and a carbon layer sandwiched between silicon layers. It is believed that the n-channel MOSFET has a higher mobility because electrons having a smaller effective mass and electrons induced by the electric field applied to the gate electrode are confined to the second silicon layer.
特許文献4は、8層未満である複数の層であって、分数比又は2元の化合物半導体層を有する複数の層が、交互にエピタキシャル成長した、超格子について開示している。主として電流が流れる方向は、超格子層に対して垂直である。
特許文献5は、超格子中での合金散乱を減少させることで高移動度が実現されるSi-Ge短周期超格子について開示している。この方針に沿って、特許文献6は、シリコンと第2材料の合金を有するチャネル層を有するMOSFETであって、前記第2材料は、チャネル層が引っ張り歪みを受けた状態になるような割合で、前記シリコン格子中に置換された状態で存在することで、移動度が改善されたMOSFETについて開示している。 Patent Document 5 discloses a Si—Ge short period superlattice in which high mobility is realized by reducing alloy scattering in the superlattice. In accordance with this policy, Patent Document 6 is a MOSFET having a channel layer having an alloy of silicon and a second material, and the second material is in such a ratio that the channel layer is subjected to tensile strain. Discloses a MOSFET with improved mobility by being in a substituted state in the silicon lattice.
特許文献7は、2のバリヤ領域及び前記バリヤ層の間に挟まれたエピタキシャル成長した半導体薄膜を有する量子井戸について開示している。各バリヤ領域は、一般に2から6分子層の範囲の厚さを有するSiO2/Siの繰り返し層で構成される。かなり厚いシリコン部分は、バリヤ間に挟まれている。 Patent Document 7 discloses a quantum well having two barrier regions and an epitaxially grown semiconductor thin film sandwiched between the barrier layers. Each barrier region is typically composed of a repeating layer of SiO 2 / Si having a thickness in the range of 2 to 6 molecular layers. A fairly thick silicon part is sandwiched between barriers.
ツー(Tsu)による「シリコンナノ構造素子での現象(“Phenomena in silicon nanostructure device”)」という題名が付けられた非特許文献1は、シリコン及び酸素からなる半導体-原子超格子(SAS)について開示している。Si/O超格子は、シリコン量子素子及び発光素子として有用であるものとして開示されている。特に、緑色エレクトロルミネッセンスダイオード構造が、構築及びテストされた。ダイオード構造での電流は、垂直、つまりSASの層に垂直に流れる。開示されたSASは、たとえば酸素原子及びCO分子のような吸着種によって分離された半導体層を有して良い。吸着した酸素分子層上でのシリコンの成長は、かなりの低欠陥密度でのエピタキシャル成長と言える。一のSAS構造は、約8原子層のシリコンである厚さ1.1nmのシリコン部分を有し、他のSAS構造は、このシリコンの2倍の厚さを有する。ルオ(Luo)他による「直接遷移型発光シリコンの化学的設計(“Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”)」という題名が付けられた非特許文献2は、ツーが作製した発光SAS構造についてさらに論じている。
Non-patent
特許文献8は、薄いシリコン及び酸素、炭素、窒素、リン、アンチモン、ヒ素又は水素で構成されることで、格子を垂直に流れる電流を4桁よりも減少させるバリヤについて開示している。絶縁層/バリヤ層は、低欠陥のシリコンを、その絶縁層上にエピタキシャル成長させることを可能にする。 Patent Document 8 discloses a barrier that is composed of thin silicon and oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, antimony, arsenic, or hydrogen, thereby reducing the current flowing vertically through the lattice by less than four orders of magnitude. The insulating / barrier layer allows low defect silicon to be epitaxially grown on the insulating layer.
特許文献9は、非周期フォトニックバンドギャップ(APBG)構造の原理が、電子バンドギャップエンジニアリングに合致するということを開示している。特にその出願は、たとえばバンド最小値の位置、有効質量等の材料パラメータを調節することで、所望のバンド構造特性を有する新たな非周期材料が得られる、ということを開示している。たとえば伝導率、熱伝導率、誘電率、又は透磁率のような他のパラメータもまた、材料設計を可能にするものとして開示されている。
本発明は、半導体分野に関する。より詳細には本発明は、超格子を有する半導体素子、及びその関連方法に関する。 The present invention relates to the semiconductor field. More particularly, the present invention relates to a semiconductor device having a superlattice and related methods.
微小電気機械システム(MEMS)素子は、基板及び該基板によって支持されている少なくとも1の可動部を有して良い。前記少なくとも1の可動部は、各々が複数の層からなる複数の群を積層した状態で有する超格子を有して良い。その超格子の複数の層からなる群の各々は、基本となる半導体部分を画定する複数の積層した基本となる半導体分子層、及び隣接する基本となる半導体部分の結晶格子に内部に束縛された少なくとも1の非半導体分子層を有する。 A microelectromechanical system (MEMS) device may include a substrate and at least one movable portion supported by the substrate. The at least one movable portion may include a superlattice having a plurality of groups each including a plurality of layers. Each of the superlattice groups is internally constrained to a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and a crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. Having at least one non-semiconductor molecular layer;
より詳細には、超格子は圧電性超格子であって良い。MEMS素子はさらに、少なくとも1の可動部を駆動させる駆動装置を、基板によって支持された状態で有して良い。また、第1伝導性コンタクトが、前記少なくとも1の可動部によって支持されて良く、かつ第2伝導性コンタクトが、基板によって支持され、かつ第1伝導性コンタクトと位置合わせされて良い。 More particularly, the superlattice may be a piezoelectric superlattice. The MEMS element may further include a driving device that drives at least one movable part while being supported by the substrate. Further, the first conductive contact may be supported by the at least one movable part, and the second conductive contact may be supported by the substrate and aligned with the first conductive contact.
MEMS素子はさらに、第1伝導性コンタクトと接続する第1高周波(RF)信号、及び第2伝導性コンタクトと接続する第2RF信号を有して良い。それに加えて、前記少なくとも1の可動部を動かすため、超格子にバイアス電圧を印加する1対のバイアス電圧コンタクトが含まれて良い。さらに超格子部分は、基板から間隔を空けて設けられて良い。また、MEMS素子はさらに、基板によって支持されている誘電アンカーを有して良い。前記少なくとも1の可動部は、前記誘電アンカーによって支持されて良い。 The MEMS device may further include a first radio frequency (RF) signal connected to the first conductive contact and a second RF signal connected to the second conductive contact. In addition, a pair of bias voltage contacts for applying a bias voltage to the superlattice to move the at least one movable part may be included. Furthermore, the superlattice portion may be provided spaced from the substrate. The MEMS device may further include a dielectric anchor supported by the substrate. The at least one movable part may be supported by the dielectric anchor.
超格子については、たとえば、基本となる半導体はシリコンを有し、かつ前記少なくとも1の非半導体分子層は酸素を有して良い。より詳細には、前記少なくとも1の非半導体分子層は、基本的には酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素で構成される群から選択される非半導体を有して良い。さらに少なくとも1の非半導体分子層は、単分子層の厚さであって良い。基本となる半導体部分の全てが同一層数の分子層厚さであって良いし、又は、基本となる半導体部分の少なくとも一部が異なる層数の分子層厚さであっても良い。それに加えて、前記少なくとも1の超格子の複数の層からなる隣接する群に含まれる、対向する基本となる半導体部分は、共に化学結合して良い。 As for the superlattice, for example, the basic semiconductor may include silicon, and the at least one non-semiconductor molecular layer may include oxygen. More specifically, the at least one non-semiconductor molecular layer may comprise a non-semiconductor selected from the group consisting essentially of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen. Further, the at least one non-semiconductor molecular layer may be a monomolecular layer thickness. All of the basic semiconductor portions may have the same molecular layer thickness, or at least some of the basic semiconductor portions may have different molecular layer thicknesses. In addition, opposing basic semiconductor portions included in adjacent groups of a plurality of layers of the at least one superlattice may be chemically bonded together.
方法態様は、MEMS素子の製造方法であって、基板を供する工程、及び該基板によって支持されている少なくとも1の可動部を形成する工程を有して良い。前記少なくとも1の可動部は、各々が複数の層からなる複数の群を積層した状態で有する超格子を有して良い。その超格子の複数の層からなる群の各々は、基本となる半導体部分を画定する複数の積層した基本となる半導体分子層、及び隣接する基本となる半導体部分の結晶格子に内部に束縛された少なくとも1の非半導体分子層を有する。 The method aspect may be a method for manufacturing a MEMS device, which includes a step of providing a substrate and a step of forming at least one movable part supported by the substrate. The at least one movable portion may include a superlattice having a plurality of groups each including a plurality of layers. Each of the superlattice groups is internally constrained to a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and a crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. Having at least one non-semiconductor molecular layer;
ここで本発明について、好適実施例が図示されている添付の図を参照しながら十分に説明する。しかし本発明は、多くの異なる形態での実施が可能であり、本明細書で記載されている実施例に限定されるものと解してはならない。むしろこれらの実施例は、この開示が十分かつ完全となり、そして本発明の技術的範囲を当業者に十分伝えられるように、供されている。本明細書全体を通して、同一参照番号は同一素子を指すものとし、ダッシュ記号は、代替実施例中の同様な素子を指すのに用いられる。 The present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments are shown. However, the invention can be implemented in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Throughout this specification, the same reference numbers will refer to the same elements, and the dash will be used to refer to similar elements in alternative embodiments.
本発明は、原子又は分子レベルで半導体材料の特性を制御することによる、半導体素子の性能の改善に関する。さらに本発明は、半導体素子の伝導経路中に用いられる改善された材料の特定、作製、及び利用に関する。 The present invention relates to improving the performance of semiconductor devices by controlling the properties of semiconductor materials at the atomic or molecular level. The present invention further relates to the identification, fabrication, and utilization of improved materials used in the conduction paths of semiconductor devices.
出願人らは、本明細書に記載された特定の超格子が荷電キャリアの有効質量を減少させ、かつそれによって荷電キャリアの移動度が大きくなる、という仮説を立てる。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。有効質量は、参考文献中にある様々な定義によって記述される。有効質量が改善されたことを示す指標として、出願人らは、“伝導性逆有効質量テンソル(conductivity reciprocal effective mass tensor)”、Me -1及びMh -1を用いた。電子についての伝導性逆有効質量テンソルMe -1及び正孔についての伝導性逆有効質量テンソルMh -1は、それぞれ以下のように定義される。 Applicants hypothesize that certain superlattices described herein reduce the effective mass of charge carriers and thereby increase the mobility of charge carriers. However, applicants are not obsessed with that hypothesis. Effective mass is described by various definitions in the reference. Applicants used “conductivity reciprocal effective mass tensor”, M e −1 and M h −1 as an indicator that the effective mass was improved. The conductive inverse effective mass tensor M e −1 for electrons and the conductive inverse effective mass tensor M h −1 for holes are respectively defined as follows.
出願人らによる伝導性逆有効質量テンソルの定義は、材料の伝導性についてのテンソル成分が、伝導性逆有効質量テンソルの対応する成分が大きくなることで、大きくなるようなものである。繰り返しになるが、出願人らは、本明細書に記載されている超格子が、伝導性逆有効質量テンソルの値を、たとえば好適方向での荷電キャリア輸送が典型とする、材料の伝導特性が改善されるように設定する、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。適当なテンソル要素の逆数は、伝導性有効質量と呼ばれる。換言すれば、半導体材料の構造を評価するため、意図したキャリア輸送方向について計算された上述の電子/正孔についての伝導性有効質量を用いて、改善された材料が識別される。 Applicants' definition of a conductive inverse effective mass tensor is such that the tensor component for the conductivity of the material increases as the corresponding component of the conductive inverse effective mass tensor increases. To reiterate, Applicants have found that the superlattice described herein has a conductive inverse effective mass tensor value, for example, the conductivity properties of a material, typically charge carrier transport in a preferred direction. I hypothesized that it would be set to improve. However, applicants are not obsessed with that hypothesis. The reciprocal of the appropriate tensor element is called the conductive effective mass. In other words, to evaluate the structure of the semiconductor material, the improved material is identified using the above-described conductive effective mass for electrons / holes calculated for the intended carrier transport direction.
上述の指標を用いることで、特定目的のために改善されたバンド構造を有する材料を選択することができる。そのような例の1つが、微小電気機械システム(MEMS)素子に用いられる超格子材料25(これについては以降で詳述する)である。たとえば可変キャパシタ、スイッチなどのような比較的小さな素子の使用が望ましい用途が発展してきた。堆積、被覆、又は他の追加プロセス、並びに、選択エッチング及び/若しくは他のリフトオフプロセスを組み合わせたプロセスを用いて基板上に非常に小さな可動部を形成するMEMS製造プロセスを用いることによって、そのような素子を有利に作製することが可能である。 By using the above-mentioned index, a material having an improved band structure can be selected for a specific purpose. One such example is a superlattice material 25 (described in detail below) used in microelectromechanical system (MEMS) devices. Applications have developed where it is desirable to use relatively small devices such as variable capacitors, switches, and the like. By using a MEMS manufacturing process that forms very small moving parts on a substrate using a process that combines deposition, coating, or other additional processes, and selective etching and / or other lift-off processes. The element can be advantageously produced.
そのような方法は、究極的には、機械的運動を可能にするため、部分的に解放された、すなわち浮いた状態の構造を形成する。静電力は、互いに間隔を空けて設けられた導体に電場を印加することによって発生して良い。一の共通したMEMS構造は、一の端部で支持された導電性梁によって供されるスイッチである。また反対側の端部は、印加された静電力によって隣接するコンタクトと結合して良い。 Such a method ultimately forms a partially released or floating structure to allow mechanical movement. The electrostatic force may be generated by applying an electric field to conductors that are spaced apart from each other. One common MEMS structure is a switch provided by a conductive beam supported at one end. The opposite end may be coupled to an adjacent contact by an applied electrostatic force.
非特許文献3は、MEMS素子の様々な応用について論じている。非特許文献3は、RF MEMSが、たとえばスイッチ、スイッチング可能な(2状態の)キャパシタ、可変キャパシタ(バラクタ)、インダクタ、伝送回線、及び共振器のような受動素子を供することができるので、MEMS技術は高周波(RF)/マイクロ波システムに応用できると述べている。又はこれらの素子は、たとえば端末、基地局や衛星のような、家庭内/地上、移動体中、及び、宇宙圏内で動作させるワイヤレス用途に用いられて良い。 Non-Patent Document 3 discusses various applications of MEMS devices. Non-Patent Document 3 describes that MEMS can provide passive elements such as switches, switchable (two-state) capacitors, variable capacitors (varactors), inductors, transmission lines, and resonators, for example. The technology states that it can be applied to radio frequency (RF) / microwave systems. Alternatively, these elements may be used in wireless applications that operate in the home / ground, in mobile, and in space, such as terminals, base stations and satellites.
最初に図1及び図2を参照して、超格子25を有する典型的なMEMS素子20(つまりスイッチ)について説明する。本明細書ではMEMSスイッチの好適実施例が記載されているとはいえ、超格子25は、すでに挙げたようなものを含む多数の種類のMEMS素子への利用が可能であることに留意して欲しい。このことは、本明細書での開示に基づけば、当業者には明らかなことである。
First, a typical MEMS device 20 (ie, a switch) having a
非特許文献3で述べられているように、MEMSを動作させる上で基礎となっている物理学上の法則の1つは、逆圧電効果である。圧電層全体にわたって電圧が印加されるとき、その印加された電圧によって、その層が機械的に変形する。その結果として生じた変形は、閉じたリレーを開放すること、又は開放したリレーを閉じることができる。MEMSスイッチを作製する従来の方法は、カンチレバー構造を用いてリレーを作製することである。そのような構造は望ましい機能を供するかもしれないが、作製は難しいと思われる。 As described in Non-Patent Document 3, one of the physical laws underlying the operation of MEMS is the inverse piezoelectric effect. When a voltage is applied across the piezoelectric layer, the applied voltage causes the layer to mechanically deform. The resulting deformation can open a closed relay or close an open relay. A conventional method of making a MEMS switch is to make a relay using a cantilever structure. Such a structure may provide the desired function, but fabrication may be difficult.
MEMS素子20では、超格子25は電気的に極性を有することで圧電性となることで、前述したようにMEMS素子の可動部を供する。詳細には、図示されているように、MEMS素子20は、たとえば半導体基板(たとえばシリコン、SOI等)のような基板21をさらに有する。溝22が、超格子25の周囲及び直下に位置する基板21内に形成される。それにより図示されているように、超格子部分は基板(つまり基板の下面)から間隔を空けて設けられ、かつ、誘電アンカー23は超格子を、溝の底部の上で基板に固定させる。勿論他の構成が用いられても良い。このことは当業者には明らかなことである。
In the
図示されているように、MEMS素子20はさらに、超格子25つまり可動部を駆動させる駆動回路24を、基板21に指示された状態で有して良い。図示されたMEMSスイッチの実施例では、第1伝導性コンタクト26が可動部によって支持され、かつ第2伝導性コンタクト27は、基板21によって支持され、かつ第1伝導性コンタクトに対して位置合わせされている(図1)。それに加えて、図示されているように、たとえばRF信号線のような第1信号線28は第1伝導性コンタクト26と接続し、第2信号線29(これもまたRF信号線であって良い)は第2伝導性コンタクト27と接続する。
As shown in the figure, the
可動部を動かすため、超格子25にバイアス電圧を印加する1対のバイアス電圧コンタクト30,31は、超格子25と結合する。具体的には、バイアス電圧コンタクト30,31は、図示されているように超格子25内に形成される導電性ビアであって良い。とはいえ実施例によっては、表面コンタクト又はメタライゼーションが用いられても良い。導電性トレース/メタライゼーション32は、バイアス電圧コンタクト30を駆動回路24の正のコネクタと接続し、かつ導電性トレース/メタライゼーション33は、バイアス電圧コンタクト31を駆動回路24の負のコネクタと接続する。そのようなものとして、駆動回路24が、バイアス電圧コンタクト30,31を介して、バイアス電圧を超格子25に印加するとき、超格子の機械的変形が生じることで、図1の両頭矢印に示されているように、第1電気コンタクト26は、第2電気コンタクト27へ向かって変動する。これは、有利となるようにスイッチを閉じ、かつ第1信号線28と第2信号線29との間での信号(たとえばRF信号)の伝送を可能にする。しかもバイアス電圧が取り除かれるときには、可動部は、第1コンタクト26を、第2コンタクト27から遠ざかるように変動させる。それによりスイッチは開放される。このことは当業者には明らかなことである。
A pair of
酸化膜34(図2)が、超格子半導体領域全体にわたって形成される。また酸化膜34は、超格子材料とのコンタクトをとることが望ましい領域では、選択的に除去される。図示された実施例では、溝22及び可動部の側部/底部は、保護されていない状態で図示されている。しかし実施例によっては、所望の場合に、露出された半導体材料上にたとえばSiO2のような誘電層を形成することが可能である。このことは当業者には明らかなことである。
An oxide film 34 (FIG. 2) is formed over the entire superlattice semiconductor region. The
ここで加えて図3及び図4を参照すると、超格子25は、原子又は分子レベルで制御され、かつ既知の原子又は分子層堆積法を用いた作製が可能な構造を有する。図2の概略的断面図を詳細に参照することで理解できるように、超格子25は、積層した状態で配置されている複数の層からなる群45a-45nを有する。
Referring now also to FIGS. 3 and 4, the
超格子25の複数の層からなる群45a-45nの各々は、各対応する基本となる半導体部分46a-46nを画定する、複数の積層された基本となる半導体分子層46、及びその上にエネルギーバンド修正層50を有する。エネルギーバンド修正層50は、わかりやすくするため、図3では点刻されて図示されている。
Each of the plurality of layers 45a-45n of the
図示されているように、エネルギーバンド修正層50は、隣接する基本となる半導体部分の結晶格子内部に束縛された1層の非半導体分子層を有する。つまり、複数の層からなる隣接した群45a-45n内の対向する基本となる半導体分子層46は、共に化学結合している。たとえばシリコン分子層46の場合では、複数の分子層からなる群46aの上側に位置する半導体分子層中に含まれるシリコン原子の一部は、群46bの下側に位置する半導体分子層中に含まれるシリコン原子の一部と共有結合する。このため、結晶格子は、(複数の)非半導体分子層(たとえば(複数の)酸素分子層)が存在するにもかかわらず、複数の層からなる群を介して連続することができる。当然のことだが、隣接する群45a-45nの対向するシリコン層46同士での完全又は純粋な共有結合は存在しない。なぜならこれらの層の各々に含まれる複数のシリコン原子は非半導体原子(つまり本実施例では酸素)と結合するからである。このことは、当業者には明らかなことである。
As shown, the energy
他の実施例では、2層以上の非半導体層を用いることも可能である。例として、エネルギーバンド修正層50での非半導体分子層の数は、所望のエネルギーバンド修正特性を供するため、約5分子層未満であることが好ましいだろう。
In other embodiments, two or more non-semiconductor layers can be used. By way of example, the number of non-semiconductor molecular layers in the energy
非半導体分子又は半導体分子について言及する際には、分子層に用いられる材料が、バルクの状態で形成されたときの非半導体又は半導体である、ことを意味することに留意して欲しい。つまりたとえば半導体のような材料の1分子層は、必ずしもバルク又は比較的厚い状態で形成されたときの同じ特性を示さなくても良い。これは当業者には明らかなことである。 When referring to non-semiconductor molecules or semiconductor molecules, it should be noted that it means that the material used for the molecular layer is a non-semiconductor or semiconductor when formed in bulk. That is, a monomolecular layer of a material such as a semiconductor does not necessarily have to exhibit the same characteristics when formed in a bulk or relatively thick state. This will be apparent to those skilled in the art.
出願人らは、エネルギーバンド修正層50及び隣接する基本となる半導体部分46a-46nによって、超格子25は、それらが存在しなかった従来技術よりも、荷電キャリアの適切な伝導性有効質量が、平行な層の方向において小さくなる、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。別の考え方をすると、この平行方向は、積層方向に対して垂直である。バンド修正層50はまた、超格子25が共通のエネルギーバンド構造を有するようにして良い。その一方でバンド修正層50は、超格子の上及び下に位置する層又は領域間の絶縁体として有利に機能する。しかもこの構造はまた、超格子25を上下に挟む層の間でのドーパント及び/若しくは材料の流出又は拡散に対するバリヤを有利に供する。それに加えて、超格子25は、圧電性となるように電気的に極性を有することができる、という仮説を立てた。電気的に極性を有することで圧電性となる、というのは当業者には明らかなことである。ただし出願人らはこの仮説に固執するわけではない。
Applicants have found that due to the energy
また超格子25は、伝導性有効質量が小さくなることに基づいて、超格子が存在しない場合よりも、より高い荷電キャリアの移動を供する、という仮説をも立てた。当然のことだが、超格子25に係る上記特性の全てが、全ての用途において利用される必要があるわけではない。たとえば用途によっては、超格子25は、そのドーパントブロック/絶縁特性、又はその改善された移動度のみが利用されるだろう。あるいは別な用途では、そのドーパントブロック/絶縁特性とその改善された移動度の両方が利用されるだろう。このことは当業者には明らかなことである。
It was also hypothesized that the
キャップ層52は、超格子25の上側に位置する層の群45nの上に存在する。キャップ層52は、2から100層の基本となる半導体を有して良く、より好適には10から50分子層を有する。他の厚さの半導体が用いられても良い。
The cap layer 52 is present on the group of layers 45n located above the
各基本となる半導体部分46a-46nは、IV族半導体、III-V族半導体、及びII-VI族半導体からなる群から選択される基本となる半導体を有して良い。当然のこととして、IV族半導体という語は、IV-IV族半導体をも含む。これは当業者には明らかなことである。より具体的には、基本となる半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1を有して良い。 Each basic semiconductor portion 46a-46n may comprise a basic semiconductor selected from the group consisting of group IV semiconductors, group III-V semiconductors, and group II-VI semiconductors. Of course, the term group IV semiconductor also includes group IV-IV semiconductors. This will be apparent to those skilled in the art. More specifically, the basic semiconductor may include at least one of silicon and germanium, for example.
各エネルギーバンド修正層50は、たとえば酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有して良い。非半導体はまた、次の層を堆積している間も熱的に安定であるので、作製上の補助となる。他の実施例では、非半導体は、所与の半導体プロセスとの相性が良い別の無機元素若しくは有機元素又は化合物であって良い。これは当業者には明らかなことである。より詳細には、基本となる半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1を有して良い。
Each energy
“分子層”という語は、単原子層及び単分子層をも含むことを意味していることに留意すべきである。また単分子層によって供されるエネルギーバンド修正層50は、全ての可能なサイトが占められていない分子層をも含むことを意味していることに留意すべきである。たとえば図3の原子スケールの図を詳細に参照すると、基本となる半導体材料としてシリコンが、そしてエネルギーバンド修正材料として酸素が用いられている、4/1繰り返し構造が図示されている。酸素についての可能なサイトは、わずか半分しか占められていない。
It should be noted that the term “molecular layer” is meant to include monoatomic and monomolecular layers. It should also be noted that the energy
他の実施例及び/又は各異なる材料では、当業者には明らかなことであるように、このように1/2が占められるというのは、必ずしも問題となるわけではない。特にこの概略図中にさえも、所与の分子層中の個々の酸素原子が、平面に沿って厳密な位置に存在していないことが分かる。これは当業者にとっては明らかなことである。例として、好適な占有範囲は、可能な酸素の全サイトの約1/8から1/2である。とはいえ、実施例によっては他の数が用いられても良い。 In other embodiments and / or different materials, it is not necessarily a problem that this half is occupied, as will be apparent to those skilled in the art. In particular, even in this schematic, it can be seen that the individual oxygen atoms in a given molecular layer are not in precise positions along the plane. This is obvious to those skilled in the art. By way of example, a suitable occupation range is about 1/8 to 1/2 of all possible oxygen sites. Nevertheless, other numbers may be used in some embodiments.
シリコン及び酸素は、従来の半導体プロセスにおいて、現状で広範に用いられている。従って製造者らは、本明細書に記載されているこれらの材料をすぐに用いることができる。原子又は分子堆積もまた、現在広く用いられている。従って本発明に従った超格子25を含む半導体素子は、すぐに導入され、かつ実施可能である。これは当業者には明らかなことである。
Silicon and oxygen are widely used at present in conventional semiconductor processes. Thus, manufacturers can readily use these materials described herein. Atomic or molecular deposition is also widely used today. Accordingly, a semiconductor device comprising a
たとえばSi/O超格子のような超格子については、たとえばシリコン分子層数は、7層以下であることが望ましく、それにより超格子のエネルギーバンドは、全体的に共通又は比較的均一となることで所望の利点を実現する、という仮説を立てた。しかし実施例によっては8層以上の層が用いられて良い。図2及び図3に図示されている、Si/Oの4/1繰り返し構造は、X方向における電子及び正孔の移動度が改善されていることを示すようにモデル化された。たとえば電子についての計算された伝導性有効質量は0.26(バルクシリコンでは等方的である)、X方向における4/1SiO超格子では、電子の有効質量は0.12となるので、比は0.46となる。同様に、正孔について計算すると、バルクシリコンでは0.36の値が得られ、4/1のSi/O超格子では0.16の値が得られる。その結果、比は0.44となる。
For example, for a superlattice such as a Si / O superlattice, the number of silicon molecular layers is preferably 7 or less, so that the energy band of the superlattice is generally common or relatively uniform. Hypothesized that the desired benefits would be realized. However, depending on the embodiment, eight or more layers may be used. The Si /
そのような方向の選択性という特徴は、特定の半導体素子では望ましいが、他の素子は、複数の層からなる群に平行な如何なる方向での移動度が、より均一に増大することによる利点を享受するだろう。電子と正孔の両方の移動度を増大させることが有利なこともあれば、又はこれらの種類の荷電キャリアのうちの1種類だけの移動度を増大させることが有利な場合もある。これは当業者には明らかなことである。 Such a direction selectivity feature is desirable in certain semiconductor devices, but other devices have the advantage of more uniform mobility in any direction parallel to the group of layers. Will enjoy. It may be advantageous to increase the mobility of both electrons and holes, or it may be advantageous to increase the mobility of only one of these types of charge carriers. This will be apparent to those skilled in the art.
超格子25に係る4/1のSi/O実施例についての小さな伝導性有効質量は、従来技術に係る伝導性有効質量の2/3未満である。このことは、電子と正孔の両方に当てはまる。超格子25にドーピングを行うのが適切な場合もある。しかし実装されているMEMS素子の特定の種類、及びその素子内での超格子の位置に依存して、超格子25の複数の層45からなる1以上の群は、ドーピングされないままであっても良いことに留意すべきである。こんことは当業者には明らかなことである。
The small conductive effective mass for the 4/1 Si / O embodiment according to the
ここでさらに図5を参照すると、本発明の実施例に従った、様々な特性を有する超格子25’の別な実施例が記載されている。この実施例では、3/1/5/1の繰り返しパターンが図示されている。より詳細には、最底部の基本となる半導体部分46a’は3分子層を有し、最底部の次に位置する基本となる半導体部分46b’は5分子層を有する。このパターンは、超格子25’全体にわたって繰り返されている。エネルギーバンド修正層50’はそれぞれ、1分子層を有して良い。Si/Oを有するそのような超格子25’にとっては、荷電キャリア移動度の改善は、層の面内配向に独立している。具体的な言及のない図5の他の素子は、先に図3を参照して論じたものと同一であるため、ここでさらに論じる必要はない。
Still referring to FIG. 5, another embodiment of a superlattice 25 'having various properties is described in accordance with an embodiment of the present invention. In this embodiment, a repeating pattern of 3/1/5/1 is shown. More specifically, the basic semiconductor portion 46a 'at the bottommost portion has a trimolecular layer, and the
素子の実施例の中には、超格子25の基本となる半導体部分46a-46n全ては、同一の分子層数厚さであって良い。別な素子の実施例では、少なくとも一部の基本となる半導体部分46a-46nが異なる層数の分子層厚さであって良い。また別な素子の実施例では、超格子25の基本となる半導体部分46a-46n全てが、異なる層数の分子層厚さであって良い。
In the device embodiments, all of the semiconductor portions 46a-46n on which the
図5A-5Cでは、密度汎関数理論(DFT)を用いて計算されたバンド構造が与えられている。DFTがバンドギャップの絶対値を小さく見積もってしまうことは当業者にはよく知られている。従ってギャップより上のすべてのバンドは、適切な“シザーズ補正(scissors correction)”によってシフトされるだろう。しかしバンドの形状は、かなりの信頼性があることが知られている。縦軸のエネルギーは、この観点を考慮した上で解釈されなければならない。 In FIGS. 5A-5C, band structures calculated using density functional theory (DFT) are given. It is well known to those skilled in the art that DFT estimates the absolute value of the band gap small. All bands above the gap will therefore be shifted by an appropriate “scissors correction”. However, the shape of the band is known to be quite reliable. The energy on the vertical axis must be interpreted taking this viewpoint into account.
図6Aは、γ点(G)について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と図3に図示されている4/1のSi/O超格子25のバンド構造(破線で表されている)を表す。図中に示されている方向は、4/1のSi/O構造のユニットセルを意味しており、Siについて通常用いられるユニットセルを表しているわけではない。とはいえ、図中の(001)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(001)方向に対応するので、予想されるSiの伝導帯の最小値の位置を示す。図中の(100)及び(010)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(110)方向及び(-110)方向に対応する。図に記載されているシリコンのバンドは、4/1のSi/O構造についての適切な逆格子方向でのバンドを表すために折りたたまれていることは、当業者には明らかなことである。
6A shows the bulk silicon band structure calculated for the γ point (G) (represented by a continuous line) and the band structure of the 4/1 Si /
バルクシリコン(Si)とは対照的に、4/1のSi/O構造の伝導帯の最小値がγ点に位置する一方で、価電子帯の最大値は、我々がZ点と呼んでいる、(001)方向でのブリュアンゾーン端部に位置しているのが分かる。付加された酸素層によって導入される摂動によるバンド分裂のため、4/1のSi/O構造の伝導帯最小値の曲率は、Siの伝導帯最小値の曲率よりも大きくなっているのも分かるだろう。 In contrast to bulk silicon (Si), the minimum of the conduction band of the 4/1 Si / O structure is located at the γ point, while the maximum of the valence band is what we call the Z point. It can be seen that it is located at the end of the Brillouin zone in the (001) direction. It can also be seen that the curvature of the conduction band minimum of the 4/1 Si / O structure is larger than the curvature of the Si conduction band minimum due to the band splitting due to the perturbation introduced by the added oxygen layer. right.
図6Bは、Z点について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と4/1のSi/O超格子25のバンド構造(破線で表されている)を表す。この図は、(100)方向での価電子帯の曲率が改善されていることを示している。 FIG. 6B represents the band structure of the bulk silicon calculated for the Z point (represented by continuous lines) and the band structure of the 4/1 Si / O superlattice 25 (represented by broken lines). This figure shows that the curvature of the valence band in the (100) direction is improved.
図6Cは、γ点及びZ点について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と図5の超格子25’の5/1/3/1のSi/O構造のバンド構造(破線で表されている)を表す。5/1/3/1のSi/O構造が有する対称性のため、(100)方向について計算されたバンド構造と(010)方向について計算されたバンド構造とは等価である。よって伝導性有効質量及び移動度は、層に平行、つまり(001)積層方向に対して垂直な面内で等方的であることが予想される。5/1/3/1のSi/O構造の例では、伝導帯最小値と価電子帯最大値の両方が、Z点又はその付近に位置していることを明記しておく。
FIG. 6C shows the bulk silicon band structure calculated for the γ and Z points (represented by continuous lines) and the 5/1/3/1 Si / O band of the
たとえ曲率の増大が有効質量の減少を示すとはいえ、伝導性逆有効質量テンソルを介して、適切な比較及び区別を行って良い。これにより、出願人らは、5/1/3/1の超格子25’が実質的に直接遷移型のバンドギャップであるという仮説をさらに立てた。当業者には明らかな通り、光学遷移についての適切な行列要素は、直接遷移型バンドギャップと間接遷移型バンドギャップとの振る舞いを区別する別な指標である。 Even though an increase in curvature indicates a decrease in effective mass, an appropriate comparison and distinction may be made through a conductive inverse effective mass tensor. Thereby, Applicants have further hypothesized that the 5/1/3/1 superlattice 25 'is substantially a direct transition bandgap. As will be apparent to those skilled in the art, an appropriate matrix element for optical transitions is another indicator that distinguishes the behavior of direct and indirect transition band gaps.
出願人らは、上の段落で述べた格子変形によって、超格子半導体材料が、非圧電性であるシリコンとは異なり、圧電性となる、という仮説を立てた。ただし出願人らはこの仮説に固執するわけではない。 Applicants have hypothesized that the lattice deformation described in the above paragraph makes the superlattice semiconductor material piezoelectric, unlike silicon, which is non-piezoelectric. However, applicants do not stick to this hypothesis.
MEMS素子に用いる超格子25を作製する様々なプロセスフローについてここで説明する。一般的には、MEMS素子20は、超格子25を有する圧電性の領域又は膜を溝の側壁に沿って形成することによって作製される。膜が形成され、かつメタライズされた後、その膜はエッチングされることで、一端を除いては機械的に支持のない状態となる(つまりその膜の下には溝22が形成されている)。その一端とは、図1及び図2の実施例においては、一端だけは誘電アンカー23によって支持されている。
Various process flows for fabricating the
図7A-7Fに移ると、第1プロセスフローが記載されている。このプロセス手順は、絶縁体上のシリコン(SOI)基板中のエッチングされた溝70を埋める堆積工程を用いる。より詳細には、SOI基板は、誘電体(たとえばSiO2)層71及びその誘電層上に半導体(たとえばシリコン)層72を有する。パッドである酸化膜73が半導体層72上に形成される。その後、窒化物(たとえばシリコン窒化物)膜74が酸化膜73に堆積されて、フォトマスク工程及びエッチング工程が実行されることで、溝70が形成される。
Turning to FIGS. 7A-7F, the first process flow is described. This process procedure uses a deposition process that fills the etched
続いて超格子75(たとえば上述したようなもの)が、溝70の壁上に選択的に堆積される。続いて誘電体76、誘電体サンドイッチ、又は溝を埋める他の材料が、超格子75及び窒化膜74上にわたって堆積される。それに続いて、窒化膜上の全材料を除去する平坦化工程(図7D)が実行される。続いて窒化膜74及びパッドである酸化膜73が除去され、その後半導体層72が除去される。溝70を埋めるのに用いられる材料(つまり誘電体76)がエッチングされる。そのエッチングされた場所では、基板は、上述のMEMS素子(又は他のMEMS素子)を作製するための、酸化、コンタクト形成、及びリリースエッチングの準備が整う。
Subsequently, a superlattice 75 (eg, as described above) is selectively deposited on the walls of the
図8A-図8Fを参照すると、さらに、エッチングによって形成された溝を埋める工程を同じように用いる他のプロセスフローが記載されている。これらのプロセスフロー及び以降で述べる一連のフローダイヤグラムにおいては、同一構成要素は、10だけ増やした数で指定することに留意して欲しい(たとえば誘電体層71は誘電体層81,91等と同一である)。そのようなわけで、これらの構成要素は、その要素が最初に出てきた際にのみ説明が与えられる。
Referring to FIGS. 8A-8F, there is further described another process flow that similarly uses the process of filling trenches formed by etching. Note that in these process flows and in the series of flow diagrams described below, the same components are designated by a number increased by 10 (eg,
図8A-図8Fに図示されているプロセスは、先に図7A-図7Fに記載された方法と同一である。ただし超格子85の堆積中に、単結晶の超格子半導体材料が溝80の壁上に作製され、他方で多結晶の超格子半導体材料87(わかりやすく図示するために点刻して示されている)は、溝底部及び窒化膜84上に作製される点は異なる。溝を埋める工程及び平坦化工程(図8C及び図8D)後、多結晶シリコン87の一部がエッチングによって除去され、かつ残った多結晶シリコン87は、酸化されることで酸化膜88を形成する(図8E)。窒化膜84及びパッドである酸化膜83は除去(つまりエッチング)される。よって基板は、上述のように、酸化、コンタクト形成、及びリリースエッチングの準備が整う(図8F)。
The process illustrated in FIGS. 8A-8F is identical to the method previously described in FIGS. 7A-7F. However, during the deposition of the
図9-図12を参照すると、溝の各側壁に沿って作製されている、各々が独立した横方向の圧電性カンチレバー超格子構造4のプロセスフローが記載されている。より詳細には、図9A-図9Fに図示されているプロセスは、図7A-図7Fに図示されているプロセスと同一である。ただし溝全体を埋めるのとは対照的に、超格子95が、溝の壁90上に選択的に堆積されている点を除く。
Referring to FIGS. 9-12, the process flow of each independent lateral piezoelectric
図9A-図9Fに図示されているプロセスと同一である他のプロセスが、図10A-図10Fに図示されている。このプロセスは、SOI基板とは対照的である標準的な半導体基板102によって開始される。他の違いは、溝の側壁上に超格子105を選択的に堆積する(図10B)前に、溝100の底部に酸化膜が形成されることである。図11A-図11Fに図示されている他のプロセスは、図8A-図8Fに図示されているプロセスと同一である。ただし超格子115が、溝全体を埋めるのとは対照的に、溝110の側壁上に選択的に堆積される点を除く。さらに図12A-図12Gに図示されている他のプロセスは、図10A-図10Fに図示されているプロセスと同一である。ただし先の図8A-図8Fに記載されているような多結晶シリコンの堆積を含む点は異なる。図9-図12に図示された全プロセス手順では、コンタクト開口部が形成される前に、二酸化シリコン層が圧電性超格子の上部に存在する。
Another process that is identical to the process illustrated in FIGS. 9A-9F is illustrated in FIGS. 10A-10F. This process begins with a
上記説明及び関連する図に示される教示による利益を有する当業者には、本発明の修正型及び他の実施例が数多く思いつく。従って、本発明は開示された特定の実施例に限定されてはならず、かつ修正型及び変化型は「特許請求の範囲」の請求項の技術的範囲内に含まれることに留意して欲しい。 Many modifications and other embodiments of the invention may occur to those skilled in the art having the benefit of the teachings set forth in the foregoing description and related figures. Therefore, it should be noted that the invention should not be limited to the specific embodiments disclosed, and that modifications and variations are included within the scope of the claims. .
Claims (27)
該基板によって支持されている少なくとも1の可動部;
を有する微小電気機械システム(MEMS)素子であって、
前記少なくとも1の可動部は、各々が複数の層からなる複数の群を積層した状態で有する超格子を有し、
前記超格子の複数の層からなる群の各々は、基本となる半導体部分を画定する複数の積層した基本となる半導体分子層、及び隣接する基本となる半導体部分の結晶格子に内部に束縛された少なくとも1の非半導体分子層を有する、
MEMS素子。 A substrate; and at least one movable part supported by the substrate;
A microelectromechanical system (MEMS) device having
The at least one movable part has a superlattice having a plurality of groups each composed of a plurality of layers,
Each of the group of superlattice layers is internally constrained to a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and a crystal lattice of adjacent basic semiconductor portions. Having at least one non-semiconductor molecular layer,
MEMS element.
前記基板によって支持され、かつ前記第1伝導性コンタクトに対して位置合わせされている第2伝導性コンタクト;
をさらに有する、請求項1に記載のMEMS素子。 A first conductive contact supported by the at least one movable part; and a second conductive contact supported by the substrate and aligned with the first conductive contact;
The MEMS device according to claim 1, further comprising:
前記第2伝導性コンタクトと接続する第2RF信号;
をさらに有する、請求項1に記載のMEMS素子。 A first radio frequency (RF) signal connected to the first conductive contact; and a second RF signal connected to the second conductive contact;
The MEMS device according to claim 1, further comprising:
前記少なくとも1の可動部は、前記誘電アンカーによって支持されている、
請求項1に記載のMEMS素子。 A MEMS device having a dielectric anchor supported by a substrate,
The at least one movable part is supported by the dielectric anchor;
The MEMS device according to claim 1.
基板を供する工程;及び
該基板によって支持されている少なくとも1の可動部を形成する工程;
を有し、
前記少なくとも1の可動部は、各々が複数の層からなる複数の群を積層した状態で有する超格子を有し、
前記超格子の複数の層からなる群の各々は、基本となる半導体部分を画定する複数の積層した基本となる半導体分子層、及び隣接する基本となる半導体部分の結晶格子に内部に束縛された少なくとも1の非半導体分子層を有する、
方法。 A method of manufacturing a micro-electromechanical system (MEMS) device comprising:
Providing a substrate; and forming at least one movable part supported by the substrate;
Have
The at least one movable part has a superlattice having a plurality of groups each composed of a plurality of layers,
Each of the group of superlattice layers is internally constrained to a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and a crystal lattice of adjacent basic semiconductor portions. Having at least one non-semiconductor molecular layer,
Method.
前記基板によって支持され、かつ前記第1伝導性コンタクトに対して位置合わせされている第2伝導性コンタクトを形成する工程;
をさらに有する、請求項16に記載の方法。 Forming a first conductive contact supported by the at least one movable part; and forming a second conductive contact supported by the substrate and aligned with the first conductive contact. The step of:
17. The method of claim 16, further comprising:
前記第2伝導性コンタクトと接続する第2RF信号を形成する工程;
をさらに有する、請求項16に記載の方法。 Forming a first radio frequency (RF) signal connected to the first conductive contact; and forming a second RF signal connected to the second conductive contact;
17. The method of claim 16, further comprising:
前記少なくとも1の可動部は、前記誘電アンカーによって支持されている、
請求項16に記載の方法。 Forming a dielectric anchor supported by a substrate, further comprising:
The at least one movable part is supported by the dielectric anchor;
The method of claim 16.
前記少なくとも1の非半導体分子層が酸素を有する、
請求項16に記載の方法。 The basic semiconductor has silicon, and the at least one non-semiconductor molecular layer has oxygen,
The method of claim 16.
17. The method of claim 16, wherein opposing basic semiconductor portions included in adjacent groups of layers of the at least one superlattice are chemically bonded together.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110118 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110719 |