TWI755922B - 具有pmnpt層的壓電裝置之製造 - Google Patents
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Abstract
一種壓電裝置，包括：基板；位於所述基板上的熱氧化物層；位於所述熱氧化物層上的金屬或金屬氧化物黏附層；位於所述金屬氧化物黏附層上的下部電極；位於所述下部電極上的種晶層；位於所述種晶層上的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMNPT）壓電層；以及位於所述PMNPT壓電層上的上部電極。
Description
本發明涉及壓電裝置的製造，更特定地說，涉及包括PMNPT作為壓電層的壓電裝置。
壓電材料已經在例如噴墨印刷、醫學超聲和陀螺儀的各種技術中使用了幾十年。傳統上，壓電層是通過製造塊狀晶體形式的壓電材料，然後將該材料加工成所需厚度，或通過使用溶膠-凝膠技術來沉積層而製成的。鋯鈦酸鉛（PZT），通常為Pb[Zrx
Ti1−x
]O₃的形式，是常用的壓電材料。已經提出了PZT的濺射。
最近，弛豫-鈦酸鉛（弛豫-PT）材料，諸如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMNPT），通常是(1-x)[Pb(Mg1/3
Nb2/3
)O3
]-x[PbTiO3
]；以及鈮釔酸鉛-鈦酸鉛（PYN-PT），諸如(1-X)[Pb(Y1/3
Nb2/3
)O3
]-X[PbTiO3
]；鈮鋯酸鉛-鈦酸鉛（PZN-PT），諸如(1-X)[Pb(Zr1/3
Nb2/3
)O3
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]；和鈮銦酸鉛-鈦酸鉛（PIN-PT），諸如(1-X)[Pb(In1/3
Nb2/3
)O3
]-X[PbTiO3
] 已被提出用作壓電材料。與更常用的PZT材料相比，PMNPT能夠提供改進的壓電性能。然而，尚未實現商業可行方式的PMNPT層的大面積薄膜沉積。
在一個方面，一種壓電裝置，包括：基板；位於所述基板上的熱氧化物層；位於所述熱氧化物層上的金屬或金屬氧化物黏附層；位於所述金屬氧化物黏附層上的下部電極；位於所述下部電極上的種晶層；位於所述種晶層上的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMNPT）壓電層；以及位於所述PMNPT壓電層上的上部電極。
在另一方面，一種製造壓電裝置的方法，包括：在基板的熱層上形成黏附層；在所述黏附層上沉積下部電極；在所述下部電極上形成種晶層；通過物理氣相沉積在所述種晶層上沉積鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMNPT）壓電層；以及在所述PMNPT壓電層上沉積上部電極。
各實施方式可具有但不限於以下一項或多項優點。
包括PMNPT層的裝置能夠以商業可行的製程製造。其上製造有PMNPT層的層堆疊允許良好地黏附到下層的半導體晶圓。 PMNPT層能夠通過物理氣相沉積來沉積，這可以提供高純度、良好的生產量和低成本。層堆疊允許PMNPT材料以高度（001）取向的柱狀晶粒製造，這可以提供出色的d33係數。該製程還可以限制可能會損害壓電性能的寄生相（諸如PbOx和焦綠石）的存在。
一個或多個實施方式的細節在附圖和以下描述中闡明。其他特徵、目的和優點將從說明書和附圖以及從申請專利範圍而顯而易見。
由塊狀晶體加工壓電層以及使用溶膠-凝膠技術沉積壓電層是緩慢的製程，不利於在半導體製造工廠中進行。塊狀晶體需要在傳統的機械車間中進行加工。這不僅昂貴，而且限制了壓電層集成到裝置中的能力。溶膠-凝膠製程需要多輪沉積和固化，因而非常耗時。因此，希望通過物理氣相沉積製程（例如濺射）來沉積壓電材料。
如上所述，與傳統的基於PZT的解決方案相比，PMNPT可以提供改進的壓電性能。然而，通過物理氣相沉積在大面積半導體晶圓（例如矽晶圓）上製造PMNPT薄膜一直是具有挑戰性的。 PMNPT膜可能難以提供具有所需相和所需質地的均勻晶體結構。
可以解決這些問題的技術是在包括氧化矽、金屬氧化物、鉑層和薄種晶層的半導體晶圓上沉積層堆疊。 PMNPT層沉積在所述層堆疊上。所述層堆疊可以提供對矽晶圓的良好黏附，同時還促進PMNPT的適當晶體取向。
圖1描繪了適合於實施以下討論的物理氣相沉積製程的集成處理系統（例如ENDURA系統）的腔室100的示意表示圖。處理系統可包括多個腔室，其可適用於PVD製程或CVD製程。例如，處理系統可包括互連的處理腔室（例如CVD腔室及PVD腔室）的群集。
腔室100包括圍繞真空腔室102的腔室壁101、氣源104、泵送系統106及靶電源108。在真空腔室102內的是靶材110及用於支撐基板10的基座112。遮罩件可置於腔室內以包圍反應區域。基座可以垂直地移動，並且升降機構116可耦接至基座112以相對於靶材110定位基座112。加熱器或冷卻器136（例如電阻加熱器或熱電冷卻器）可嵌入基座112中，以將基板10保持在所需的處理溫度。
靶材110由待沉積的材料組成，例如用於PMNPT的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛。然而，相對於要沉積的層的所需化學計量，靶材可具有過量的PbOx，以解決在沉積或後處理（諸如退火步驟）過程中由於鉛的揮發性質而導致的鉛損失。例如，靶材可具有1-20 mol%的過量的PbO，以解決沉積材料中揮發性Pb和PbOx的損失。靶材本身應具有均勻的成分。靶材110可以是用於沉積其他層的鉑（Pt）或鈦（Ti）。
氣源104可將惰性氣體（例如氬（Ar）或氙（Xe））、或惰性氣體與處理氣體（例如氧）的混合物引入真空腔室102中。腔室壓力由泵送系統106控制。靶電源108可包括DC源、射頻（RF）源或DC脈衝源。
在操作中，基板10由基座112支撐在腔室102內，來自源104的氣體流入腔室102中，並且靶電源108以一頻率和電壓向靶材110施加功率以在腔室102中產生電漿。靶材料由電漿從靶材110濺射，並沉積在基板10上。
如果靶電源108是DC或DC脈衝源，則靶材110用作負偏壓陰極，並且遮罩件是接地陽極。例如，通過向濺射靶材210施加DC偏壓而由惰性氣體產生電漿，所述DC偏壓足以產生每平方英寸約1至350瓦的功率密度，例如對於直徑為13英寸的靶材為100-38,000 W，且更典型地為約100-10,000 W。如果靶電源108是射頻源，則遮罩件通常接地，並且靶材110處的電壓在射頻（通常為13.56 MHz）下相對於遮罩件而變化。在這種情況下，電漿中的電子在靶材110處累積，以產生使靶材110具有負偏壓的自偏壓。
腔室100可包括用於改進濺射沉積製程的附加部件。例如，電源124可耦接至基座112，用於對基板10施加偏壓，以便控制膜在基板10上的沉積。電源124通常是具有例如約350 kHz至約450 kHz之間的頻率的AC源。當電源124施加偏壓時，在基板10和基座112處（由於電子累積）產生負DC偏置。基板10處的負偏壓吸引離子化的濺射的靶材料。靶材料通常沿著實質上垂直於基板10的方向被吸引到基板10。這樣，與未加偏壓的基板10相比，偏壓電源124改善了沉積材料的階梯覆蓋。
腔室100還可以具有位於靶材110後面的磁體126或磁性子元件，用於在靶材110附近產生磁場。在一些實施方式中，磁體在沉積製程期間旋轉。
腔室的操作可以由控制器150（例如專用微處理器（例如ASIC）或執行存儲在非揮發性電腦可讀媒體中的電腦程式的常規電腦系統）控制。控制器150可包括中央處理器單元（CPU）及包含相關控制軟體的記憶體。
圖2示出了用於製造裝置的基板10的一部分的截面，該裝置包括形成在半導體晶圓12上的PMNPT的壓電層16。特別地，基板10包括位於半導體晶圓12與壓電層16之間的層堆疊14。層堆疊14既能夠提高壓電材料對半導體晶圓12的黏附，又能夠促進壓電層16中的PMNPT材料的適當晶體取向。
半導體晶圓可以是矽晶圓或諸如鍺（Ge）之類的另一種半導體。矽晶圓可以是單晶矽晶圓，並且可具有＜001＞晶體學取向，儘管其他取向也可以起作用。
層堆疊14依次包括氧化矽（SiOx）層20、黏附層22、第一導電層24及第一種晶層26，第一種晶層26提供用於PMNPT層的種晶層。黏附層22可以是金屬氧化物，例如氧化鈦，並且種晶層也可以是金屬氧化物，例如氧化鈦或氧化鈮。
氧化矽層20可包括SiO2
、SiO或其組合。氧化矽層20可以是熱氧化物，並且可具有約50nm-1000 nm的厚度。氧化矽層20可以是非晶層。
黏附層22可以是金屬氧化物層。金屬氧化物層的化學計量可以是MO2
、M2
O3
或MO（其中M表示金屬元素），或者是金屬和氧的另一合適的化學計量。特別地，黏附層22可由氧化鈦（例如TiO2
、Ti2
O3
、TiO）或者另一化學計量的鈦和氧形成。在一些實施方式中，黏附層是純金屬或金屬合金，而非金屬氧化物層。金屬（針對金屬氧化物的金屬、或者純金屬、或者金屬合金的成分）的示例包括鈦、鉻、鉻-鎳及鎳。黏附層22可比氧化矽層20薄。例如，氧化鈦黏附層22可具有25 nm-40 nm的厚度。黏附層22可具有用於促進導電層24的期望晶體學取向的晶體學取向。例如，TiO2
層可具有＜001＞取向以促進Pt ＜111＞取向。
第一導電層24由諸如鉑、金、銥、鉬、SrRuO3
之類的導電材料形成。第一導電層24可比黏附層22厚，並且可比氧化矽層20厚。例如，第一導電層24可具有50-300 nm的厚度。第一導電層24可具有用於促進種晶層26的期望晶體學取向的晶體學取向。例如，鉑層可具有＜111＞晶體學取向，以促進氧化鈦種晶層的＜001＞取向。
種晶層26可以是金屬氧化物。具體地，種晶層26可以是鈦或鈮的氧化物。例如，種晶層26可以是TiO2
、Ti2
O3
、TiO，或者是另一化學計量的鈦及氧。種晶層26應在基板10的整個表面上具有均勻的化學計量。種晶層26可具有用於促進壓電層16的期望晶體學取向的晶體學取向。例如，氧化鈦層可具有＜001＞晶體學取向，以促進PMNPT壓電層的＜001＞取向。種晶層26比黏附層22薄。例如，第一種晶層26可以是約1 nm-5 nm厚，例如2 nm。
壓電層16形成在種晶層26上。用於壓電層16的材料的示例包括PZT及弛豫-PT材料。特別地，所述材料可以是(1-x)[Pb(Mg(1-y)
Nby
)O3
]-x[PbTiO3
]，其中x為約0.2至0.8，y為約0.8至0.2，例如約2/3。由於金屬氧化物種晶層的存在，因此PMNPT材料可以主要是，例如基本上完全是＜001＞晶體學取向。壓電層可具有50 nm至10微米的厚度。
第二導電層30形成在壓電層16上。第二導電層30可以與第一導電層24具有相同的材料組成，並且可以與第一導電層24具有相同的厚度。例如，第二導電層30可以是鉑，並且可具有50 nm-300 nm的厚度。
可以在第一導電層24與第二導電層30之間施加電壓，以致動壓電層16。因此，第一導電層24提供下部電極，第二導電層30提供上部電極，壓電層16夾在二者之間。
為了製造層堆疊14，可以通過在含氧氣氛中進行熱處理而在Si ＜001＞單晶晶圓上生長SiO2
的氧化物。可以使熱氧化物生長至50 nm-1000 nm（例如100 nm）的厚度。可以在矽晶圓的兩側上形成熱氧化物。
之後，通過PVD沉積金屬層，所述金屬層將提供黏附層的金屬。例如，可以沉積鈦層。例如，可以使基板在室溫與600℃之間的溫度下、以施加至靶材的功率密度為每平方英寸1瓦至350瓦（例如每平方英寸約1.5瓦）來沉積金屬層。沉積金屬層之後，可以在氧氣或空氣存在下在快速熱處理腔室或爐中進行退火，以形成金屬氧化物層形式（例如TiOx）的黏附層。退火可於500℃-800℃的溫度進行例如2分鐘-30分鐘。所得的黏附層可具有5-400 nm的厚度。
然後，通過PVD將第一導電層（例如高度取向的鉑＜111＞膜）沉積在黏附層上，例如沉積在氧化鈦層上。例如，可以在室溫至500℃的基板溫度下、以施加至靶材的功率密度為每平方英寸0.5瓦至20瓦（例如每平方英寸4瓦-5瓦）來沉積鉑層。可以進行底部金屬層的沉積，直到該層的厚度為50 nm -300 nm。黏附層除了有助於金屬層的均勻紋理化之外，還在金屬電極與氧化矽之間提供改善的黏附。
接下來，通過PVD（例如DC濺射）或CVD（例如ALD）技術在下部電極（例如鉑層）上沉積薄金屬層（例如鈦）。特別地，可以例如通過DC濺射沉積鈦層。例如，可以使基板在室溫至500℃的溫度下、以施加至靶材的功率密度為每平方英寸0.5瓦至4瓦（例如每平方英寸1瓦）來沉積鈦種晶層。薄金屬層可具有1 nm-5 nm的厚度。然後可將薄金屬層氧化，例如在氧化氣氛中加熱，以將金屬層轉化為金屬氧化物，例如將Ti轉化為TiOx，以提供種晶層。另外，氧化的種晶層也可以通過PVD或CVD技術直接沉積，例如通過RF濺射或ALD的TiOx沉積。
然後通過PVD將PMNPT層沉積在種晶層上。例如，可以在高達800℃的基板溫度下、以功率密度為每平方英寸4瓦至40瓦來沉積PMNPT層。
最後，通過PVD將第二導電層（例如鉑膜）沉積在PMNPT層上。例如，可以在與第一鉑膜相同的條件下沉積第二鉑膜。
因此，最終裝置包括由以下各者組成的堆疊：1）晶圓，例如＜001＞晶體學取向的單晶矽晶圓；2）熱氧化物（例如氧化矽）層；3）黏附層，例如氧化鈦；4）第一導電層，例如Pt ＜111＞晶體學取向，其提供底部電極；5）種晶層，例如氧化鈦種晶層；6）＜001＞晶體學取向的PMNPT層；及7）第二導電層（例如鉑層），其提供頂部電極。
不受任何特定理論的限制，在黏附層（例如TiOx ＜001＞）與底部電極（例如Pt）之間的有利晶格匹配允許生長高度取向的底部金屬電極，例如Pt ＜111＞晶粒。並且高度取向的底部金屬電極（例如鉑＜111＞膜）允許形成具有高度取向的PMNPT ＜001＞晶粒的壓電層。該堆疊還可以限制損害壓電性能的寄生相（諸如PbOx和焦綠石）的存在。
已經描述了多個實施方式。然而，將理解的是，在不背離本公開內容的精神及範圍的情況下，可以做出各種修改。例如，
•圖1所示的系統100適合於處理平面基板10，諸如半導體基板，例如矽晶圓，但是下面討論的技術可適用於非平面基板。
•PVD製程可以使用自電離電漿（SIP）。在SIP製程中，最初使用惰性氣體（諸如氬氣）點燃電漿。在電漿點燃之後，惰性氣體流被終止，並且沉積電漿由濺射靶材所產生的離子保持。
•上部電極可以是與下部電極不同的導電材料，例如除鉑以外的導電材料。
因此，其他實施方式在隨附申請專利範圍的範圍內。
10:基板
12:半導體晶圓
14:層堆疊
16:壓電層
20:氧化矽層
22:黏附層
24:第一導電層
26:第一種晶層
30:第二導電層
100:腔室
101:腔室壁
102:真空腔室
104:氣源
106:泵送系統
108:靶電源
110:靶材
112:基座
116:升降機構
124:電源
126:磁體
136:加熱器/冷卻器
150:控制器
圖1是物理氣相沉積處理腔室的示意性截面圖。
圖2是包括PMNPT壓電層的裝置中的一部分的截面。
各個附圖中相似的參考符號表示相似的元件。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
10:基板
12:半導體晶圓
14:層堆疊
16:壓電層
20:氧化矽層
22:黏附層
24:第一導電層
26:第一種晶層
30:第二導電層
Claims (19)
- 一種壓電裝置，包括：具有<001>晶體學取向的一晶圓；位於該晶圓上的一熱氧化物層；位於該熱氧化物層上的具有25nm-40nm之一厚度的一金屬或金屬氧化物黏附層；位於該金屬氧化物黏附層上的具有<111>晶體學取向的一下部電極；位於該下部電極上的具有1nm-5nm之一厚度的一種晶層；位於該種晶層上的具有<001>晶體學取向的一鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNPT)壓電層；以及位於該PMNPT壓電層上的一上部電極。
- 如請求項1所述的裝置，其中該晶圓包括一矽基板，並且該熱氧化物是氧化矽。
- 如請求項2所述的裝置，其中該金屬或金屬氧化物黏附層包括鈦、鎳、鉻中的一種或多種。
- 如請求項3所述的裝置，其中該金屬或金屬氧化物黏附層由氧化鈦構成。
- 如請求項3所述的裝置，其中該金屬或金屬氧化物黏附層由金屬鉻、鎳或其合金構成。
- 如請求項3所述的裝置，其中該金屬氧化物黏附層包括氧化鈮或氧化鈦。
- 如請求項1所述的裝置，其中該下部電極由 鉑構成。
- 如請求項1所述的裝置，其中該PMNPT材料由(1-x)[Pb(Mg(1-y)Nby)O3]-x[PbTiO3]構成，其中x為約0.2至0.8，並且y為約0.8至0.2。
- 如請求項1所述的裝置，其中該上部電極具有與該鉑下部電極相同的組成。
- 一種製造一壓電裝置的方法，包括以下步驟：在具有<001>晶體學取向的一基板的一熱層上形成具有25nm-40nm之一厚度的一黏附層；在該黏附層上沉積具有<111>晶體學取向的一下部電極；在該下部電極上形成具有1nm-5nm之一厚度的一種晶層；通過物理氣相沉積在該種晶層上沉積具有<001>晶體學取向的一鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNPT)壓電層；以及在該PMNPT壓電層上沉積一上部電極。
- 如請求項10所述的方法，其中形成該黏附層包括沉積一第一金屬層並使該基板退火以將該第一金屬層的至少一部分轉化為一金屬氧化物黏附層。
- 如請求項11所述的方法，包括在該基板在20℃-25℃下沉積該第一金屬層。
- 如請求項12所述的方法，包括在700℃ -800℃的溫度下對該第一金屬層進行退火。
- 如請求項11所述的方法，其中形成該種晶層包括沉積一第二金屬層並使該基板退火以將該第二金屬的至少一部分轉化為一金屬氧化物種晶層。
- 如請求項14所述的方法，其中形成該黏附層、沉積該下部電極、以及形成該種晶層包括物理氣相沉積。
- 如請求項10所述的方法，其中形成該黏附層包括形成一金屬或金屬氧化物層。
- 如請求項14所述的方法，其中形成該黏附層包括沉積金屬鈦、鉻、鎳或其組合。
- 一種壓電裝置，包括：具有<001>晶體學取向的一單晶矽晶圓；位於該矽晶圓上的一氧化矽層；位於該氧化矽層上的一氧化鈦黏附層，該氧化鈦黏附層的一厚度為25nm-40nm；位於該氧化鈦黏附層上的具有<111>晶體學取向的一鉑下部電極；位於該鉑下部電極上的一氧化鈦種晶層，該氧化鈦種晶層的一厚度為1nm-5nm；位於該氧化鈦種晶層上的具有<001>晶體學取向的一鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNPT)壓電層；以及位於該PMNPT壓電層上的一鉑上部電極。
- 一種壓電裝置，包括： 具有<001>晶體學取向的一晶圓；位於該晶圓上的一熱氧化物層；位於該熱氧化物層上的一金屬或金屬氧化物黏附層；位於該金屬氧化物黏附層上的一下部電極；位於該下部電極上的一氧化鈦種晶層；直接沉積於該氧化鈦種晶層上的具有<001>晶體學取向的一鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNPT)壓電層；以及位於該PMNPT壓電層上的一上部電極。
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