JP5563191B2

JP5563191B2 - 半導体微細機械素子及びその製造方法

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Publication number: JP5563191B2
Application number: JP2007310137A
Authority: JP
Inventors: 浩司山口; イムランマブーブ; 創岡本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2009135270A

Description

本発明は、化合物半導体で構成された微細な可動部を備える半導体微細機械素子及びその製造方法に関するものである。

近年、微細な可動部を備えるマイクロマシーンを利用した技術が重要となっている。このようなマイクロマシーンを実現するために、半導体集積回路の技術を利用して作製した半導体微細機械素子がある。半導体微細機械素子は、よく知られたリソグラフィーに代表される半導体微細加工技術を用い、シリコンなどの半導体薄膜を加工して梁構造を形成している。このように作製される半導体微細機械素子の例として、外部から加えられた力による運動を梁により高感度に検出することで、所定の機能を発現させるものがある。この代表的な例として、半導体力検出素子がある。

また、他の例においては、所定の機構を用いて梁に力を加えることにより梁に運動を発生させ、所定の機能を発現させるようにしている。この代表的な例として、光通信用交換機に用いられる光スイッチがある。

特に、圧電材料を用いて梁を構成し、材料による圧電効果で梁に所定の運動をさせ、また梁の運動を検出する微細機械素子は、外部に駆動や検出のための機構を必要としない自己駆動・検出型微細機構素子として広く用いられている。

図３は、上述した自己駆動・検出型微細機構素子の構成例を示す断面図である。この素子は、圧電材料であるＺｎＯを用いた自己駆動・検出型の原子間力顕微鏡用のカンチレバーである。この素子は、シリコン基板より形成した基部３０１の上に、熱酸化により形成した酸化シリコン層３０８の一部でカンチレバー３０９を構成している。また、酸化シリコン層３０８の上には、ＣｒＡｕ薄膜よりなる下部電極配線層３０２，下部電極配線層３０２の上に形成されたＺｎＯよりなる圧電層３０５，圧電層３０５の上に形成されたＣｒＡｕ薄膜よりなる上部電極３０４、上部電極３０４に接続するＣｒＡｕ薄膜よりなる配線層３０３，一部の下部電極配線層３０２と圧電層３０５と上部電極３０４とを覆う酸化シリコンよりなる保護層３０６，下部電極配線層３０２と配線層３０３とを絶縁分離するための層間絶縁層３０７とを備えている。

この素子では、下部電極配線層３０２と配線層３０３（上部電極３０４）との間に電圧を印加すると、圧電効果により圧電層３０５はカンチレバー３０９の長手方向（紙面左右方向）に歪みを受ける。この歪みにより、カンチレバー３０９は、基部３０１の方向（紙面上下方向）に曲げられる。このように、この素子では、下部電極配線層３０２と配線層３０３との間への電圧印加により、カンチレバー３０９を振動させることができる。

また、カンチレバー３０９に力が印加されてこれが曲がると、圧電層３０５の圧電効果により、下部電極配線層３０２と上部電極３０４との間に電圧が発生する。この電圧を検出することにより、カンチレバー３０９の振動を検出することができる。

上述したような圧電効果を利用した自己駆動・検出型微細機構素子は、例えば、原子間力顕微鏡などへ応用されている（非特許文献１参照）。

T.Itoh and T.Suga, Appl. Phys. Lett., Vol.64, pp.37- ,1994.

ところで、原子間力顕微鏡をはじめとしたカンチレバーの応用技術が発展するに伴い、これまでより各段に高速に応答するカンチレバーが必要とされてきている。原子間力顕微鏡などに応用するためには、微細化が必要となり、微細化したカンチレバーにおいても、高速に応答することが必要となる。ところが、カンチレバーの応答速度は、機械的共振周波数で決定されるが、前述した従来技術の構成では、電極として用いる金属薄膜や圧電材料は、蒸着やスパッタ法などにより形成されるために単結晶ではなく、微細化に伴い機械的特性が劣化するという問題があった。また、従来技術のカンチレバーでは、圧電材料におけるリーク電流の問題もあった。微細化に伴い圧電材料の膜厚が減少し、これに伴い電極間に印加できる電圧が小さくなる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子間力顕微鏡のカンチレバーなどに適用可能な微細な機械素子が、より高速に応答できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体微細機械素子は、基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、可動部は、第１化合物半導体からなる下部導電層と、この下部導電層の上に形成され、第１化合物半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有し、かつ圧電効果を有する絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、この圧電体層の上に形成された導電層およびこの導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部とを少なくとも備えるようにしたものである。

上記半導体微細機械素子において、下部導電層及び圧電体層は、変調ドープ構造とされていてもよい。また、電圧印加検出部は、第２化合物半導体より小さなバンドギャップを持つ第３化合物半導体からなる上部導電層及びこの上部導電層の上に形成された電極とを少なくとも備えるものであればよい。また、電圧印加検出部は、圧電体層の上にショットキー接続して形成されたショットキー電極を少なくとも備えるものであってもよい。

また、本発明に係る半導体微細機械素子は、基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、可動部は、第１化合物半導体からなる下部導電層と、この下部導電層の上に形成され、第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、この圧電体層の上に形成された導電層およびこの導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部とを少なくとも備え、下部導電層と電圧印加検出部との間に印加された電圧により可動部が変形するようにしたものである。

また、本発明に係る半導体微細機械素子は、基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、可動部は、第１化合物半導体からなる下部導電層と、この下部導電層の上に形成され、第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、この圧電体層の上に形成された導電層およびこの導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部とを少なくとも備え、可動部の変形により発生した電圧が、下部導電層及び電圧印加検出部を介して検出されるようにしたものである。

また、本発明に係る半導体微細機械素子の製造方法は、基板の上に支持部が形成された状態とする工程と、支持部の上に第１化合物半導体からなる下部導電層が形成された状態とする工程と、下部導電層の上に第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体をエピタキシャル成長することで、圧電体層が形成された状態とする工程と、圧電体層の上に導電層およびこの導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。

以上説明したように、本発明によれば、可動部が、第１化合物半導体からなる下部導電層と、この下部導電層の上に形成されて第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２化合物半導体からなる圧電体層とを備えるようにしたので、原子間力顕微鏡のカンチレバーなどに適用可能な微細な機械素子が、より高速に応答できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体微細機械素子の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態における半導体微細機械素子は、例えば面方位が（００１）のＧａＡｓからなる基板１０１の上に、まず、単結晶のＡｌＧａＡｓからなる犠牲層１０２，単結晶の絶縁性ＧａＡｓからなる絶縁層１０３を備えている。また、シリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓ（第１化合物半導体）からなる導電層１０４，単結晶の絶縁性Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ（第２化合物半導体）からなる圧電体層１０５，及びシリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓ（第３化合物半導体）からなる導電層１０６を備えている。

また、半導体微細機械素子は、上述した積層構造体により、支持部１１１及びこれに支持された可動部１１２が形成されているようにしたものである。可動部１１２は、この下面が基板１０１の表面より離間し、可動部１１２と基板１０１との対向面の間に空間を形成している。この構造は、後述に例示するように、犠牲層１０２を用いることで形成可能である。

また、支持部１１１の導電層１０６の上には、オーミック接続する電極１０７が形成されている。また、支持部１１１は、一部の導電層１０４の上が露出され、この露出面に、オーミック接続する電極１０８が形成されている。電極１０７及び電極１０８は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ合金から構成されている。また、電極１０７には、配線１０９が接続し、電極１０８には、配線１１０が接続している。

ここで、半導体微細機械素子の製造について簡単に説明する。例えば、基板１０１の上に、犠牲層１０２を結晶成長し、次いで、犠牲層１０２の上に絶縁性ＧａＡｓを結晶成長させる。引き続いて、この絶縁性ＧａＡｓ層の上にシリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓを結晶成長させ、導電性ＧａＡｓ層に上に絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓを結晶成長させ、続いて、絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの上に、シリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓを結晶成長させる。これらはヘテロエピタキシャル成長により作製すればよい。

この後、これらの積層膜を、公知のリソグラフィー技術とエッチング技術とにより、支持部１１１及び可動部１１２の平面形状に微細加工する。この状態で、他の層に対して犠牲層１０２を選択的に除去することで、可動部１１２の領域においては、可動部１１２と基板１０１との対向面の間に空間が形成された状態とする。例えば、他の層よりＡｌが多い比率の組成とした犠牲層１０２を用いることで、犠牲層１０２を例えばフッ酸水溶液により選択的にエッチング除去することができる。

ここで、可動部１１２以外の支持部においても、犠牲層１０２は側面よりエッチング除去される。しかしながら、可動部１１２となる部分は、支持部１１１となる領域に比較して、幅が狭く形成されているため、可動部１１２の領域の犠牲層１０２が除去された状態としても、他の領域の犠牲層１０２は残すことが可能である。例えば、可動部１１２の領域の犠牲層１０２が除去されたら、上記エッチングを停止することで、支持部１１１及び支持部１０６の領域の犠牲層１０２は残すことができる。この処理により、支持部１１１の領域においては、他の層に比較して犠牲層１０２が内側に入り込んだ形状となる。なお、上述した製造方法に限るものではなく、他の方法により、梁の部分を形成するようにしても良いことは、言うまでもない。

また、電極１０８を形成する領域においては、支持部１１１を構成している一部の導電層１０６及び圧電体層１０５を除去し、この箇所において、導電性ＧａＡｓ層（導電層１０４）が露出した状態とする。この後、よく知られたリフトオフ法などを用いることで、電極１０７及び電極１０８が形成された状態とすることができる。

上述したように構成した本実施の形態における半導体微細機械素子において、弾性体である可動部１１２が延在している方向を、ＧａＡｓの［１１０］方向にする。この場合、電極１０７と電極１０８との間（導電層１０６と導電層１０４との間）に電圧を印加することで、ＡｌＧａＡｓ（圧電体層１０５）が持つ圧電効果により、圧電体層１０５には、上記延在方向に、印加された電圧に比例した歪みが発生する。この歪みにより、可動部１１２は、屈曲（変形）することになる。

また、可動部１１２が外力により曲げられると、ＡｌＧａＡｓ（圧電体層１０５）が持つ圧電効果により、圧電体層１０５の両方の界面間に電圧が発生し、これが、電極１０７（導電層１０６）及び電極１０８（導電層１０４）の間に発生する電圧として、配線１０９及び配線１１０により検出される。

本実施の形態では、一例として、絶縁性ＡｌＧａＡｓの層を導電性ＧａＡｓの層で挟む積層構造より可動部１１２が構成されているようにした。従って、まず、可動部１１２が、単結晶で構成されたものとなり、優れた機械特性が得られるようになる。また、ＧａＡｓからなる導電層１０４及び導電層１０６に比較し、これらを構成している化合物半導体よりバンドギャップが大きい化合物半導体であるＡｌＧａＡｓから圧電体層１０５を構成したので、微細化に伴い可動部が薄くなっても、大きな耐圧を有している。

なお、本実施の形態では、導電層１０４及び導電層１０６を、同じ導電性ＧａＡｓから構成するようにしたが、これに限るものではない。導電層１０４及び導電層１０６は、圧電体層１０５を構成している化合物半導体に対し、小さなバンドギャップをもつ化合物半導体から構成されていればよく、例えば結晶成長が可能な範囲で、導電層１０４及び導電層１０６は、異なる化合物半導体から構成されていても良い。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態における半導体微細機械素子の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態における半導体微細機械素子は、例えば面方位が（００１）のＧａＡｓからなる基板２０１の上に、まず、単結晶のＡｌＧａＡｓからなる犠牲層２０２，単結晶の絶縁性ＧａＡｓからなる絶縁層２０３，シリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓからなる導電層２０４，及び単結晶の絶縁性Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなる圧電体層２０５を備えている。

また、圧電体層２０５の上には、シリコンがドープされた単結晶の導電性ＧａＡｓからなる導電層２０６及び導電層２０７が、互いに絶縁分離して配置されている。また、本実施の形態における半導体微細機械素子は、上述した積層構造体により、支持部２１４及びこれに支持された可動部２１５が形成されている。可動部２１５は、この下面が基板２０１の表面より離間し、可動部２１５と基板２０１との対向面の間に空間を形成している。また、導電層２０６及び導電層２０７は、支持部２１４の領域に配置された基部２０６ａ及び基部２０７ａと、可動部２１５の上にまで延在している延在部２０６ｂ及び延在部２０７ｂを備えている。

また、基部２０６ａ及び基部２０７ａの上には、オーミック接続する電極２０８及び電極２０９が形成されている。また、支持部２１４は、一部の導電層２０４の上が露出され、この露出面に、オーミック接続する電極２１０が形成されている。電極２０８，電極２０９，及び電極２１０は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ合金から構成されている。また、電極２０８には、配線２１１が接続し、電極２０９には、配線２１２が接続し、電極２１０には、配線２１３が接続している。

上述したように構成した本実施の形態における半導体微細機械素子において、弾性体である可動部２１５が延在している方向を、ＧａＡｓの［１１０］方向にする。この場合、電極２０９と電極２１０との間（導電層２０７と導電層２０４との間）に電圧を印加することで、ＡｌＧａＡｓ（圧電体層２０５）が持つ圧電効果により、圧電体層２０５には、上記延在方向に、印加された電圧に比例した歪みが発生する。この歪みにより、可動部２１５は、屈曲（変形）することになる。

また、可動部２１５が外力により曲げられると、ＡｌＧａＡｓ（圧電体層２０５）が持つ圧電効果により、圧電体層２０５の両方の界面間に電圧が発生し、これが、電極２０８（導電層２０６）及び電極２１０（導電層２０４）の間に発生する電圧として、配線１０９及び配線１１０により検出される。

このように、本実施の形態２における半導体微細機械素子では、圧電体層２０５の上に、２つの導電層２０６及び導電層２０７を形成し、各々に電極２０８及び電極２０９を形成し、励振と検出との電極を分離しているため、相互のクロストークによる検出感度の低下を抑制することができる。

本実施の形態では、一例として、絶縁性ＡｌＧａＡｓの層を導電性ＧａＡｓの層で挟む積層構造より可動部２１５が構成されているようにした。従って、まず、可動部２１５が、単結晶で構成されたものとなり、優れた機械特性が得られるようになる。また、ＧａＡｓからなる導電層２０４及び導電層２０６，２０７に比較してバンドギャップが大きいＡｌＧａＡｓから圧電体層２０５を構成したので、微細化に伴い可動部が薄くなっても、大きな耐圧を有している。

なお、上述した実施の形態１及び実施の形態２においては、圧電体層の上に、シリコンをドープした単結晶の導電性ＧａＡｓより構成した導電層を設け、これにオーミック接続する電極を形成し、電極及び導電層により圧電体層に電圧を印加するようにし、また、圧電体層で発生した電圧を検出するようにしている。これらの場合、導電層と電極とにより、電圧印加検出部が構成されていることになる。なお、導電層は、圧電体層を構成している化合物半導体よりバンドギャップが小さい化合物半導体から構成されていればよい。また、電極は、オーミック接続している必要はない。

しかしながら、これに限るものではなく、例えば、圧電体層にショットキー接続する金属材料からなるショットキー電極を設け、ショットキー電極により電圧印加検出部を構成しても良い。上述した本発明の半導体微細機械素子では、圧電体層の下層（一方の面）に、単結晶ヘテロ接合する導電層を備えているため、圧電体層の上層（他方の面）は、ショットキー電極が設けられている構成としても、十分な圧電効果が得られる。このように、本発明の半導体微細機械素子では、可動部が、ヘテロ接合して積層されたバンドギャップエネルギーの異なる２つの化合物半導体層より構成されている所に特徴がある。

また、上述では、圧電体層を絶縁性Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓから構成し、この下の導電層は、シリコンがドープされたＧａＡｓから構成したが、これに限るものではない。例えば、シリコンがドープされたＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓから圧電体層を構成し、この下の層にノンドープのＧａＡｓからなる層を用いるようにしても良い。このように構成した場合、圧電体層に発生した伝導電子が、圧電体層及びノンドープＧａＡｓ層の間のバンドギャップの差によりノンドープＧａＡｓ層に蓄積していわゆる２次元電子ガス層を形成するため、ノンドープＧａＡｓ層を導電層として機能させることができる。このような、いわゆる変調ドープ構造は、よく知られているように優れた電気的特性を示すので、半導体微細機械素子の性能をより向上させることができる。

なお、上述では、可動部を片持ちの梁構造（カンチレバー）としたが、これに限るものではない。可動部は、量持ち梁構造としてもよく、また、ねじり梁の構造，周辺が固定された薄膜（ダイヤフラム）など、変位可能な機械的構造となっていればよい。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＩｎＮ，ＧａＰ，ＧａＳｂ，ＧａＮ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，及びＡｌＮなどの他の化合物半導体を用いることができる。

本発明の実施の形態１における半導体微細機械素子の構成例を示す斜視図である。本発明の実施の形態２における半導体微細機械素子の構成例を示す斜視図である。従来よりある原子火力顕微鏡用のカンチレバーの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…犠牲層、１０３…絶縁層、１０４…導電層、１０５…圧電体層、１０６…導電層、１０７…電極、１０８…電極、１０９…配線、１１０…配線、１１１…支持部、１１２…可動部。

Claims

基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、
前記可動部は、
第１化合物半導体からなる下部導電層と、
この下部導電層の上に形成され、前記第１化合物半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有し、かつ圧電効果を有する絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、
この圧電体層の上に形成された導電層および前記導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体微細機械素子。
請求項１記載の半導体微細機械素子において、
前記下部導電層及び圧電体層は、変調ドープ構造とされている
ことを特徴とする半導体微細機械素子。
請求項１又は２記載の半導体微細機械素子において、
前記電圧印加検出部は、前記第２化合物半導体より小さなバンドギャップを持つ第３化合物半導体からなる上部導電層及びこの上部導電層の上に形成された電極と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体微細機械素子。
請求項１又は２記載の半導体微細機械素子において、
前記電圧印加検出部は、前記圧電体層の上にショットキー接続して形成されたショットキー電極を少なくとも備えることを特徴とする半導体微細機械素子。
基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、
前記可動部は、
第１化合物半導体からなる下部導電層と、
この下部導電層の上に形成され、前記第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、
この圧電体層の上に形成された導電層および前記導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部と
を少なくとも備え、
前記下部導電層と前記電圧印加検出部との間に印加された電圧により前記可動部が変形する
ことを特徴とする半導体微細機械素子。
基板の上に形成された支持部と、この支持部に支持された可動部とを備え、
前記可動部は、
第１化合物半導体からなる下部導電層と、
この下部導電層の上に形成され、前記第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体からなる圧電体層と、
この圧電体層の上に形成された導電層および前記導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部と
を少なくとも備え、
前記可動部の変形により発生した電圧が、前記下部導電層及び前記電圧印加検出部を介して検出される
ことを特徴とする半導体微細機械素子。
基板の上に支持部が形成された状態とする工程と、
前記支持部の上に第１化合物半導体からなる下部導電層が形成された状態とする工程と、
前記下部導電層の上に前記第１化合物半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい絶縁性の第２化合物半導体をエピタキシャル成長することで、圧電体層が形成された状態とする工程と、
前記圧電体層の上に導電層および前記導電層にオーミック接続する電極から構成された電圧印加検出部が形成された状態とする工程と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体微細機械素子の製造方法。