WO2022180961A1 - 窒化物材料およびそれからなる圧電体並びにその圧電体を用いたｍｅｍｓデバイス、トランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ｓａｗデバイスおよび強誘電体メモリ - Google Patents
窒化物材料およびそれからなる圧電体並びにその圧電体を用いたｍｅｍｓデバイス、トランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ｓａｗデバイスおよび強誘電体メモリ Download PDFInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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- H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
- H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
Definitions
- the present invention provides a nitride material to which scandium and at least one of carbon, silicon, germanium, and tin are added, a piezoelectric body made of the nitride material, and a MEMS device, transistor, inverter, transducer, and SAW using the piezoelectric body. It relates to devices and ferroelectric memories.
- Aluminum nitride is used in high-frequency filters for mobile phones and the like because of its good acoustic wave propagation velocity, Q value (Quality factor), and frequency temperature characteristics.
- the frequency band allocated for 5G in each country is several GHz. Therefore, by thinning the film thickness of the AlN piezoelectric thin film that constitutes the high frequency filter, the high frequency filter can vibrate in this frequency band.
- this approach has already reached its limits.
- Patent Document 1 An aluminum nitride piezoelectric thin film to which germanium (Ge) is added at a predetermined concentration has been proposed as a nitride material with reversed polarity (see Patent Document 1).
- the aluminum nitride to which germanium is added has the problem that it does not have high piezoelectricity.
- germanium-doped aluminum nitride is used to construct the above-mentioned two-layered nitride piezoelectric material, it is not possible to ensure a wide passband width, and it also exhibits high performance in terms of insertion loss and guaranteed attenuation.
- a first aspect of the present invention for solving the above problems is a nitride material represented by the chemical formula ScXMYAl1 -X-YN , wherein M is C, Si, Ge and Sn.
- the first aspect it is possible to provide a nitride material having piezoelectricity in which the polarization direction is nitrogen polarity.
- a second aspect of the present invention resides in the nitride material according to the first aspect, wherein M is any one element of C, Si, Ge and Sn.
- the nitride material according to any one of the first to third aspects is provided on a substrate, and at least one layer is formed between the nitride material and the substrate.
- a nitride material characterized in that an intermediate layer is provided.
- the crystallinity (crystallinity) of the nitride material is improved, it is possible to provide a nitride material whose polarization direction is nitrogen polarity and which has higher piezoelectricity.
- the intermediate layer comprises aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, titanium nitride, scandium nitride, ytterbium nitride, molybdenum, tungsten, hafnium, titanium, ruthenium, ruthenium oxide, chromium, chromium nitride, and platinum. , gold, silver, copper, aluminum, tantalum, iridium, palladium and nickel.
- the crystallinity (degree of crystallinity) of the nitride material is further improved, so that it is possible to provide a nitride material whose polarization direction is nitrogen polarity and which has higher piezoelectricity.
- a sixth aspect of the present invention is a piezoelectric body made of the nitride material according to any one of the first to fifth aspects.
- the sixth aspect it is possible to provide a piezoelectric body having a piezoelectric property in which the polarization direction is nitrogen polarity.
- a seventh aspect of the present invention is any one of the first to fifth aspects on the surface of the scandium-containing nitride material represented by the chemical formula Sc Z Al 1-Z N (0 ⁇ Z ⁇ 0.4) 1.
- a piezoelectric body comprising the nitride material according to claim 1.
- the seventh aspect it is possible to provide a piezoelectric body that can vibrate at a high frequency and has high piezoelectricity.
- a ninth aspect of the present invention is a MEMS device using the piezoelectric body according to any one of the sixth to eighth aspects.
- MEMS device is not particularly limited as long as it is a micro-electromechanical system. mentioned.
- a MEMS device can be provided.
- a tenth aspect of the present invention resides in a transistor, inverter, transducer, SAW device or ferroelectric memory using the nitride material according to any one of the first to fifth aspects.
- transducer refers to an element or device that converts a physical quantity carrying a signal into another kind of physical quantity that is convenient for transmission, processing, storage, recording, display, manipulation, and the like.
- a “SAW device” refers to an electronic device to which a surface acoustic wave (SAW) is applied, such as an IDT-SAW device (Inter Digital Transducer-SAW device).
- the tenth aspect it is possible to provide a transistor that can be operated at a higher speed than conventional transistors, has a low loss, and has a high output.
- a transistor with a higher dielectric strength voltage and a lower loss than a conventional inverter it is possible to provide a ferroelectric memory with higher spontaneous polarization and higher storage performance than conventional ferroelectric memories.
- a high frequency broadband transducer using nitride materials with different polarities it is possible to provide a SAW device that vibrates at a frequency higher than that of a general IDT-SAW device.
- FIG. 13 is a table showing the composition and piezoelectric constant (d 33 ) of each piezoelectric thin film when Sn is used as the additive substance and the concentration of Sc is fixed at about 20 mol %.
- FIG. 14 is a table showing the composition and piezoelectric constant (d 33 ) of each piezoelectric thin film when Sn is used as an additive substance and the concentration of Sc is fixed at about 30 mol %.
- FIG. 15 is a graph showing the relationship between the Sn concentration and d33 in each piezoelectric thin film when Sn is used as the additive substance.
- FIG. 16 is a graph showing the relationship between the Sn concentration and the Sc concentration at which the piezoelectric polarity is reversed in each piezoelectric thin film when Sn is used as the additive substance.
- X is preferably greater than 0 and 0.35 or less, Y is greater than 0 and 0.2 or less, and X/Y is preferably 5 or less. is more preferably 0.03 or more.
- M is only Ge
- X is preferably greater than 0 and 0.35 or less
- Y is greater than 0 and 0.2 or less
- X/Y is preferably 5 or less.
- /Y is more preferably 4 or less, and more preferably Y is 0.05 or more.
- M is Sn only, X is preferably greater than 0 and 0.35 or less, Y is greater than 0 and 0.2 or less, and X/Y is preferably 5 or less. is more preferably 0.05 or more.
- Such a piezoelectric thin film has nitrogen polarity in the polarization direction and has more stable piezoelectricity.
- the nitride material having the structure described above since the main crystals constituting the nitride material are wurtzite crystals having nitrogen polarity, it is considered that the nitride material as a whole has nitrogen polarity. .
- a high-frequency filter using these piezoelectric thin films 1 has a lower loss and can operate in a wider band than conventional high-frequency filters. As a result, the portable device can be made more compatible with high frequencies, made smaller, and reduced in power consumption.
- the configuration of the high-frequency filter is not particularly limited, and can be manufactured with a known configuration, for example.
- Multi-source simultaneous sputtering deposition system manufactured by Eiko Engineering Co., Ltd.
- Scandium sputtering target material purity: 99.999%)
- Silicon sputtering target material purity: 99.999%)
- Aluminum sputtering target material purity: 99.999%)
- Substrate heating temperature 200°C
- a film formation experiment was performed after the pressure in the sputtering chamber was lowered to a high vacuum of 10 ⁇ 5 Pa or less by a vacuum pump.
- the surface of the target was cleaned immediately after mounting the target and immediately before each film formation experiment.
- FIG. 5 shows the relationship between the Si concentration and the piezoelectric constant (d 33 ) in each of the piezoelectric thin films shown in FIGS.
- d33 if the value of d33 is positive (plus), it indicates that the polarization direction of the piezoelectric thin film is the aluminum polarity, and if the value of d33 is negative (minus), the piezoelectric thin film indicates that the polarization direction of is nitrogen polarity.
- the Sc concentration (X) is greater than 0 and 0.35 (35 mol%) or less
- the Si concentration (Y) is greater than 0 and 0.2 (20 mol%) or less
- X/Y is 5 or less
- the manufacturing method was the same as that for the nitride material using Si as an additive except that the following Ge sputtering target was used instead of the Si sputtering target material.
- Ge sputtering target material purity: 99.999%)
- FIG. 7 to 9 show the composition and d33 of each piezoelectric thin film thus obtained.
- FIG. 7 shows the composition and d33 of each piezoelectric thin film when the Sc concentration is fixed at about 10 mol %
- FIG. 8 shows the composition and d of each piezoelectric thin film when the Sc concentration is fixed at about 20 mol %.
- 33 shows the composition and d 33 of each piezoelectric thin film when the concentration of Sc is fixed at about 30 mol %.
- FIG. 10 shows the relationship between the Ge concentration and d33 in each of the piezoelectric thin films shown in FIGS. Further, in the same manner as in FIG. 6, the concentration of Ge and the concentration of Sc when d33 is 0 are determined from the graph shown in FIG. 10 by interpolation, extrapolation, or the like. Those results are shown in FIG.
- FIG. 12 shows the composition and d 33 of each piezoelectric thin film when the Sc concentration is fixed at about 10 mol %
- FIG. 13 shows the composition and d 33 of each piezoelectric thin film when the Sc concentration is fixed at about 20 mol %.
- 33 shows the composition and d 33 of each piezoelectric thin film when the concentration of Sc is fixed at about 30 mol %.
- FIG. 15 shows the relationship between the Sn concentration and d33 in each of the piezoelectric thin films shown in FIGS. Further, similar to FIG. 6, the concentration of Sn and the concentration of Sc when d33 is 0 are obtained from the graph shown in FIG. 15 by interpolation, extrapolation, or the like. Those results are shown in FIG.
- the Sc concentration (X) is greater than 0 and 0.35 (35 mol%) or less, and the Sn concentration (Y) is greater than 0 and 0.2 (20 mol%) or less.
- the piezoelectric body is constructed using only the nitride material according to the present invention, but the present invention is not limited to this.
- a scandium-containing nitride material having aluminum polarity Sc Z Al 1-Z N (0 ⁇ Z ⁇ 0.4)
- the second layer 20 to form a piezoelectric thin film (piezoelectric body) 100 composed of these two layers.
- the second layer 20 may be formed below the first layer 1 .
- the thickness of the first layer 1 and the thickness of the second layer 20 may be the same or different.
- Such a piezoelectric thin film having a two-layer structure may be a piezoelectric thin film composed only of the piezoelectric thin film of Embodiment 1 or Sc Z Al 1-Z N (0 ⁇ Z ⁇ 0.4), it can vibrate at a higher frequency than a piezoelectric thin film. Needless to say, in order to vibrate the piezoelectric thin film, for example, it is necessary to attach an upper electrode to the upper surface of the piezoelectric thin film and a lower electrode to the lower surface of the piezoelectric thin film, and apply a voltage to these electrodes. (Embodiment 3)
- the present invention is not limited to this.
- two layers (third layer 30 and fourth layer 40) of similarly configured thin films are further formed on the thin film having the same configuration as that of the second embodiment to obtain a four-layer piezoelectric structure.
- a thin film (piezoelectric body) 100A may be configured.
- the first layer 1 is a nitride material with a polarization direction of nitrogen polarity
- the second layer 20 is a scandium-containing nitride material with a polarization direction of aluminum polarity
- the third layer 30 is a nitride material with a polarization direction of nitrogen polarity
- the third layer 30 is a nitride material with a polarization direction of nitrogen polarity.
- the four layers 40 may constitute a piezoelectric thin film 100A having a four-layer structure made of a scandium-containing nitride material whose polarization direction is aluminum polarity.
- the stacking order is not particularly limited as long as the polarization directions of the nitride materials in contact are different.
- the piezoelectric thin film 100A having such a four-layer structure is the same, the piezoelectric thin film, Sc Z Al 1-Z N (0 ⁇ Z ⁇ 0.4) or the piezoelectric thin film of the second embodiment, the frequency band that can be vibrated can be expanded to a wider range.
- the material and thickness of the intermediate layer are not particularly limited as long as a piezoelectric thin film can be formed on the intermediate layer.
- intermediate layers include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), titanium nitride (TiN), scandium nitride (ScN), ytterbium nitride (YbN), molybdenum (Mo), tungsten ( W), hafnium (Hf), titanium (Ti), ruthenium (Ru), ruthenium oxide ( RuO2 ), chromium (Cr), chromium nitride (CrN), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag) , copper (Cu), aluminum (Al), tantalum (Ta), iridium (Ir), palladium (Pd), nickel (Ni), etc., and have a thickness of 50 to 200 nm.
- the crystallinity (degree of crystallinity) of the piezoelectric thin film is improved.
- a piezoelectric thin film can be manufactured.
- a piezoelectric thin film may be formed by laminating a large number of layers made of a nitride material having a polarization direction different from that of the nitride material that is in contact therewith.
- Such a piezoelectric thin film can vibrate at a higher frequency than the piezoelectric thin film of the third embodiment, and can expand the frequency band of the vibrator to a wider range.
- the nitride material (piezoelectric material) according to the present invention described above can be used for MEMS.
- MEMS using a nitride material according to the present invention can vibrate at a high frequency, and by using a piezoelectric body with high piezoelectricity, portable equipment can be made more compatible with high frequencies, miniaturized, and power-saving. It is possible to provide a MEMS device that can contribute to For example, a known MEMS structure can be used.
- the piezoelectric thin film using the nitride material according to the present invention has been described as an example, but the present invention is not limited to this.
- nitride materials according to the present invention can also be applied in MEMS devices, transistors, inverters, transducers, SAW devices or ferroelectric memories.
- a transistor using a nitride material according to the present invention can operate at a higher speed, has a lower loss, and has a higher output than a conventional transistor.
- the inverter using the nitride material according to the present invention has a higher withstand voltage and a lower loss than conventional inverters.
- the ferroelectric memory using the nitride material according to the present invention has higher spontaneous polarization and higher storage performance than conventional ferroelectric memories. Furthermore, it is possible to provide a high frequency broadband transducer using nitride materials with different polarities. Also, by configuring the IDT using piezoelectric bodies made of nitride materials with different polarities, it is possible to provide a SAW device that vibrates at a frequency higher than that of a general IDT-SAW device. For the configuration of such transistors, inverters, transducers, SAW devices, and ferroelectric memories, for example, known configurations can be used.
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Abstract
【課題】窒素極性を有するスカンジウムを添加した窒化アルミニウムを提供することを目的とする。 【解決手段】化学式ＳｃＸＭＹＡｌ１-Ｘ-ＹＮで表される窒化物材料であって、Ｍは、Ｃ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎの少なくとも１つ以上の元素であり、Ｘは、０より大きく、０．４以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることを特徴とする。この窒化物材料は、薄膜成長方向と逆の分極方向を有する窒素極性の分極方向の圧電性を有する。
Description
本発明は、スカンジウムと、炭素、ケイ素、ゲルマニウムおよびスズの少なくとも何れか１つと、を添加した窒化物材料およびそれからなる圧電体並びにその圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス、トランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ＳＡＷデバイスおよび強誘電体メモリに関するものである。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、弾性波の伝搬速度、Ｑ値（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）および周波数温度特性（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）の特性が良好であることから、携帯電話等の高周波フィルタに利用されている。
しかし、第５世代移動通信システム（５Ｇ）の運用が始まり、徐々に５Ｇのシステムが導入されつつある中、高周波フィルタの広帯域化、低損化およびＱ値の向上が求められている。例えば、各国における５Ｇに割り当てられる周波数帯は数ＧＨｚである。そこで、高周波フィルタを構成するＡｌＮ圧電体薄膜の膜厚を薄くすることで、高周波フィルタがこの周波数帯で振動できるようにしていた。しかしながら、このような方法での対応は、すでに限界に達している。
一方、窒化物圧電体薄膜上に、極性を反転させた同窒化圧電体薄膜を積層した二層構造とすることで、同じ膜厚の窒化物圧電体薄膜と比較して、倍の周波数で振動可能な高周波フィルタが提案されている（非特許文献１参照）。
この極性を反転させた窒化物材料として、所定の濃度のゲルマニウム（Ｇｅ）を添加した窒化アルミニウム圧電体薄膜が提案されている（特許文献１参照）。
また、高周波フィルタに用いられる圧電体薄膜の圧電体材料としては、例えばスカンジウム（Ｓｃ）を添加した窒化アルミニウム（特許文献２参照）が提案されている。
Ｍｉｚｕｎｏ， ｔ． ｅｔ ａｌ． ｉｎ ２０１７ １９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ―Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ， Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ （ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ）. １８９１－１８９４
しかしながら、上述したゲルマニウムを添加した窒化アルミニウムでは、高い圧電性を有さないという問題点があった。その結果、ゲルマニウムを添加した窒化アルミニウムを用いて、上述した二層構造の窒化物圧電体を構成しても、広い通過帯域幅を確保できず、また挿入損失や保証減衰量でも高い性能を発揮できないことから５Ｇ用高周波フィルタとして使用することが難しいという問題点があった。
一方、スカンジウムを添加した窒化アルミニウムは、アルミニウム極性（Ａｌ ｐｏｌａｒｉｔｙ）を有するものしか得られていないという問題点があった。例えば、特許文献１の段落［０００６］には、薄膜成長方向と逆の分極方向を有する窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の圧電薄膜は得られていないと記載されており、アルミニウム極性とは逆の分極方向の極性（窒素極性）を有する、スカンジウムを添加した窒化アルミニウムは存在しないとされてきた。
その結果、スカンジウムを添加した窒化アルミニウムと、極性を反転させた同窒化圧電体薄膜を積層した二層構造の圧電体を作製できないという問題点があった。
本発明は上述した事情に鑑み、分極方向が窒素極性である、スカンジウムを添加した窒化アルミニウムおよびそれからなる圧電体、並びにその圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス、トランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ＳＡＷデバイスおよび強誘電体メモリを提供することを目的とする。
本発明の発明者は、上述した問題点に関して鋭意研究を続けた結果、以下のような画期的な窒化物材料およびそれからなる圧電体並びにその圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス等を見出した。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、化学式ＳｃＸＭＹＡｌ１-Ｘ-ＹＮで表される窒化物材料であって、Ｍは、Ｃ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎの少なくとも１つ以上の元素であり、Ｘは、０より大きく、０．４以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることを特徴とする窒化物材料にある。
かかる第１の態様では、分極方向が窒素極性の圧電性を有する窒化物材料を提供することができる。
本発明の第２の態様は、Ｍが、Ｃ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎの何れか１つの元素であることを特徴とする第１の態様に記載の窒化物材料にある。
かかる第２の態様では、分極方向が窒素極性で、より高い圧電性を有する窒化物材料を提供することができる。
本発明の第３の態様は、Ｘは、０より大きく、０．３５以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることを特徴とする第２の態様に記載の窒化物材料にある。
かかる第３の態様では、分極方向が窒素極性で、より高い圧電性を有する窒化物材料を提
本発明の第４の態様は、第１～第３の態様の何れか１つに記載の窒化物材料が基板上に設けられており、窒化物材料と基板との間に、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする窒化物材料にある。
かかる第４の態様では、窒化物材料の結晶性（結晶化度）が向上するので、分極方向が窒素極性で、より高い圧電性を有する窒化物材料を提供することができる。
本発明の第５の態様は、中間層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化スカンジウム、窒化イッテルビウム、モリブデン、タングステン、ハフニウム、チタン、ルテニウム、酸化ルテニウム、クロム、窒化クロム、白金、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、イリジウム、パラジウムおよびニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする第４の態様に記載の窒化物材料にある。
かかる第５の態様では、窒化物材料の結晶性（結晶化度）がより向上するので、分極方向が窒素極性で、さらに高い圧電性を有する窒化物材料を提供することができる。
本発明の第６の態様は、第１～第５の態様の何れか１つに記載の窒化物材料からなる圧電体にある。
かかる第６の態様では、分極方向が窒素極性の圧電性を有する圧電体を提供することができる。
本発明の第７の態様は、化学式ＳｃＺＡｌ１-ＺＮ（０＜Ｚ≦０．４）で表されるスカンジウム含有窒化物材料の表面上に、第１～第５の態様の何れか１つに記載の窒化物材料が設けられていることを特徴とする圧電体にある。
かかる第７の態様では、高い周波数で振動することができ、かつ高い圧電性を有する圧電体を提供することができる。
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の圧電体が、少なくとも２つ以上積層されていることを特徴とする圧電体にある。
かかる第８の態様では、より高い周波数で振動することができ、かつより高い圧電性を有する圧電体を提供することができる。
本発明の第９の態様は、第６～第８の態様の何れか１つに記載の圧電体を用いたＭＥＭＳデバイスにある。
ここで、「ＭＥＭＳデバイス」とは、微小電気機械システムであれば特に限定されず、例えば、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどの物理センサやアクチュエータ、マイクロフォン、指紋認証センサ、振動発電機等が挙げられる。
かかる第９の態様では、高い周波数で振動することができ、かつ高い圧電性を有する圧電体を用いることにより、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することができるＭＥＭＳデバイスを提供することができる。
本発明の第１０の態様は、第１～第５の態様の何れか１つに記載の窒化物材料を用いたトランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ＳＡＷデバイスまたは強誘電体メモリにある。
ここで、「トランスデューサー」とは、信号を担う物理量を、伝送、処理、記憶、記録、表示、操作等に都合のよい別種の物理量に変換する素子や装置をいい。また、「ＳＡＷデバイス」とは、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）を応用した電子デバイスをいい、例えばＩＤＴ－ＳＡＷデバイス（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ－ＳＡＷデバイス）等が挙げられる。
かかる第１０の態様では、従来のトランジスタと比較して高速で動作させることができ、かつ低損失、高出力なトランジスタを提供することができる。また、従来のインバーターに比べて絶縁耐圧が高く、低損失なトランジスタを提供することができる。さらに、従来の強誘電体メモリに比べて自発分極が高く、記憶性能が高い強誘電体メモリを提供することができる。また、極性が異なる窒化物材料を用いた高周波広帯域トランスデューサーを提供することができる。さらに、ＩＤＴを極性が異なる窒化物材料からなる圧電体を用いて構成することにより、一般的なＩＤＴ－ＳＡＷデバイスよりも高い周波数で振動するＳＡＷデバイスを提供することができる。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧電体の薄膜に関する実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、例えば、形状に制限はなく、薄膜状でなくてもよいのは言うまでもない。
（実施形態１）
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る圧電体薄膜の概略断面図である。この図に示すように、圧電体薄膜１は、基板１０上に形成されている。圧電体薄膜１の厚さは特に限定されないが、０．１～３０μｍの範囲が好ましく、０．１～２μｍの範囲が密着性に優れているので特に好ましい。
なお、基板１０は、その表面上に圧電体薄膜１を形成できるものであれば、厚さや材質等は特に限定されない。基板１０としては、例えば、シリコンおよびインコネル等の耐熱合金、ポリイミド等の樹脂フィルム等が挙げられる。
圧電体薄膜１は、化学式ＳｃＸＭＹＡｌ１-Ｘ-ＹＮで表され、Ｍは、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびスズ（Ｓｎ）の少なくとも１つ以上の元素を示し、Ｘは、０より大きく、０．４以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることを特徴とする窒化物材料で構成されている。なお、Ｍが複数の元素からなる場合には、それらの合計のモル濃度がＹとなるのは言うまでもなく、各元素の濃度は上記の範囲に含まれるのであれば特に限定されない。
このような圧電体薄膜１は、従来のスカンジウム（Ｓｃ）が添加（ドープ）された窒化アルミニウムとは異なり、分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の圧電性を有する。なお、Ｍは、炭素、ケイ素、ゲルマニウムまたはスズの何れか１種類の元素だけであってもよい。このような窒化物材料は、分極方向が窒素極性で、より高い圧電性を有する。
なお、ＭがＳｉのみの場合には、Ｘは、０より大きく、０．３５以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることが好ましく、Ｙが０．０３以上であることがより好ましい。また、ＭがＧｅのみの場合には、Ｘは、０より大きく、０．３５以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることが好ましく、Ｘ／Ｙが４以下であることがより好ましく、加えてＹが０．０５以上であることが特に好ましい。さらに、ＭがＳｎのみの場合には、Ｘは、０より大きく、０．３５以下で、Ｙは、０より大きく、０．２以下で、Ｘ／Ｙが５以下であることが好ましく、Ｙが０．０５以上であることがより好ましい。このような圧電体薄膜は、分極方向が窒素極性で、より安定した圧電性を有する。
上述したような構成の窒化物材料であれば、その窒化物材料を構成する主な結晶が、窒素極性を有するウルツ型の結晶となるので、全体として窒素極性を有する窒化物材料になると考えられる。
そして、これらの圧電体薄膜１を用いた高周波フィルタは、従来の高周波フィルタと比較して、低損失であり、かつ広帯域で動作することができる。その結果、携帯用機器を、より高周波対応、小型化および省電力化することができる。なお、高周波フィルタの構成は特に限定されず、例えば公知の構成で製造することができる。
次に、本実施形態に係る圧電体薄膜１の製造方法について説明する。圧電体薄膜１は、一般的な圧電体薄膜と同様に、スパッタ法や蒸着法等の製造方法を用いて製造することができる。具体的には、例えば、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下、または窒素ガス（Ｎ２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下（気体圧力１Ｐａ以下）において、基板１０（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）に、スカンジウムで構成されたターゲット、添加物質Ｍ（複数の元素からなる場合を含む）で構成されたターゲットおよびアルミニウム（Ａｌ）で構成されたターゲットを同時にスパッタ処理することにより製造することができる。なお、ターゲットとして、スカンジウム、Ｍおよびアルミニウムが所定の比率で含まれる合金を用いてもよい。
なお、基板と圧電体薄膜との間に、基板を構成する物質と圧電体薄膜を構成する物質とが含まれる層が形成されていてもよい。このような層は、例えば、基板上に圧電体薄膜を形成した後、それらに熱を加えることによって形成することができる。
＜添加物質としてＳｉを用いた場合＞
＜添加物質としてＳｉを用いた場合＞
添加物質ＭとしてＳｉを用いた場合の本実施形態に係る窒化物材料（圧電体薄膜）の実施例について説明する。
次の装置およびスパッタリングターゲット等を用いて、比抵抗が０．０２Ωｃｍのｎ型シリコン基板上に、厚さ０．４～１．５μｍのスカンジウムとシリコン（Ｍ＝Ｓｉ）が添加された窒化アルミニウムの圧電体薄膜（ＳｃＸＳｉＹＡｌ１-Ｘ-ＹＮ）を作製した。
多元同時スパッタ成膜装置（エイコーエンジニアリング社製）
スカンジウムのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
シリコンのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
アルミニウムのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
ガス：窒素（純度：９９．９９９９５％以上）とアルゴンガス（純度：９９．９９９９％以上）の混合ガス（混合比（窒素：アルゴン） ３０：７０）
基板加熱温度：２００℃
多元同時スパッタ成膜装置（エイコーエンジニアリング社製）
スカンジウムのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
シリコンのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
アルミニウムのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
ガス：窒素（純度：９９．９９９９５％以上）とアルゴンガス（純度：９９．９９９９％以上）の混合ガス（混合比（窒素：アルゴン） ３０：７０）
基板加熱温度：２００℃
成膜実験は、スパッタチャンバー内の気圧を１０－5Ｐａ以下の高真空になるように真空ポンプで下げた後に行った。また、酸素等の不純物の混入をさけるため、ターゲット装着直後や各成膜実験の直前にターゲット表面の清浄処理を行った。
そして、得られた各圧電体薄膜の組成を図２～図４に示す。図２はＳｃの濃度を約１０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成と圧電定数（ｄ３３）を示し、図３はＳｃの濃度を約２０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成と圧電定数（ｄ３３）を示し、図４はＳｃの濃度を約３０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成と圧電定数（ｄ３３）を示す。
そして、図５には図２～図４に示す各圧電体薄膜におけるＳｉ濃度と圧電定数（ｄ３３）との関係を示す。
なお、これらの図において、ｄ３３の値が正（プラス）であれば、圧電体薄膜の分極方向がアルミニウム極性であることを示し、ｄ３３の値が負（マイナス）であれば圧電体薄膜の分極方向が窒素極性であることを示す。
次に、図５のようなグラフから、ｄ３３が０となる場合のＳｉの濃度とＳｃの濃度とを、内挿や外挿等により求めた。それらの結果を図６に示す。
この図から分かるように、Ｓｃ濃度（Ｘ）が、０より大きく、０．３５（３５ｍｏｌ％）以下で、Ｓｉ濃度（Ｙ）が、０より大きく、０．２（２０ｍｏｌ％）以下で、かつＸ／Ｙが５以下である場合には、圧電体薄膜の分極方向が窒素極性になることが分かった。なお、この図における点線は、Ｘ／Ｙ＝５である。
＜添加物質としてＧｅを用いた場合＞
＜添加物質としてＧｅを用いた場合＞
添加物質ＭとしてＧｅを用いた場合の本実施形態に係る窒化物材料（圧電体薄膜）の実施例について説明する。
製造方法については、Ｓｉのスパッタリングターゲット材の代わりに、次のＧｅのスパッタリングターゲットを用いたこと以外は、添加物質としてＳｉを用いた窒化物材料と同様にして作製した。
Ｇｅのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
Ｇｅのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
そして、得られた各圧電体薄膜の組成とｄ３３を図７～図９に示す。図７はＳｃの濃度を約１０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示し、図８はＳｃの濃度を約２０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示し、図９はＳｃの濃度を約３０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示す。
そして、図１０に、図７～図９に示す各圧電体薄膜におけるＧｅ濃度とｄ３３との関係を示す。さらに、図６と同様にして、図１０のようなグラフから、ｄ３３が０となる場合のＧｅの濃度とＳｃの濃度とを、内挿や外挿等により求めた。それらの結果を図１１に示す。
この図から分かるように、Ｓｃの濃度（Ｘ）は、０より大きく、０．３５（３５ｍｏｌ％）以下で、Ｇｅの濃度（Ｙ）は、０より大きく、０．２（２０ｍｏｌ％）以下で、かつＸ／Ｙが５以下である場合には、圧電体薄膜の分極方向が窒素極性になることが分かった。なお、この図における点線は、Ｘ／Ｙ＝５である。
＜添加物質としてＳｎを用いた場合＞
＜添加物質としてＳｎを用いた場合＞
添加物質ＭとしてＳｎを用いた場合の本実施形態に係る窒化物材料（圧電体薄膜）の実施例について説明する。
製造方法については、Ｓｉのスパッタリングターゲット材の代わりに、次のＳｎのスパッタリングターゲットを用いたこと以外は、添加物質としてＳｉを用いた窒化物材料と同様にして作製した。
Ｓｎのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
Ｓｎのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
そして、得られた各圧電体薄膜の組成とｄ３３を図１２～図１４に示す。図１２はＳｃの濃度を約１０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示し、図１３はＳｃの濃度を約２０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示し、図１４はＳｃの濃度を約３０ｍｏｌ％に固定した場合における各圧電体薄膜の組成とｄ３３を示す。
そして、図１５に、図１２～図１４に示す各圧電体薄膜におけるＳｎ濃度とｄ３３との関係を示す。さらに、図６と同様にして、図１５のようなグラフから、ｄ３３が０となる場合のＳｎの濃度とＳｃの濃度とを、内挿や外挿等により求めた。それらの結果を図１６に示す。
この図から分かるように、Ｓｃの濃度（Ｘ）は、０より大きく、０．３５（３５ｍｏｌ％）以下で、Ｓｎの濃度（Ｙ）は、０より大きく、０．２（２０ｍｏｌ％）以下で、かつＸ／Ｙが５以下である場合には、圧電体薄膜の分極方向が窒素極性になることが分かった。なお、この図における点線は、Ｘ／Ｙ＝５である。
＜添加物質としてＣを用いる場合＞
＜添加物質としてＣを用いる場合＞
添加物質ＭとしてＣを用いる場合でも、Ｓｉのスパッタリングターゲット材の代わりに、Ｃのスパッタリングターゲットを用いたこと以外は、添加物質としてＳｉを用いた窒化物材料と同様にして作製することができる。
＜添加物質として２種類の元素を用いた場合＞
＜添加物質として２種類の元素を用いた場合＞
添加物質Ｍとして２種類の元素（ＳｉＣ、ＳｉＳｎ）を用いた場合の本実施形態に係る窒化物材料（圧電体薄膜）の実施例について説明する。
製造方法については、Ｓｉのスパッタリングターゲット材の代わりに、次のＳｉＣまたはＳｉＳｎのスパッタリングターゲットを用いたこと以外は、添加物質としてＳｉを用いた窒化物材料と同様にして作製した。
ＳｉＣのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
ＳｉＳｎのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
ＳｉＣのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
ＳｉＳｎのスパッタリングターゲット材（純度：９９．９９９％）
そして、得られた各圧電体薄膜の組成とｄ３３を図１７に示す。この図から明らかなように、添加物質Ｍとして２種類の元素を用いても、圧電体薄膜の分極方向が窒素極性になることが分かった。
（実施形態２）
（実施形態２）
実施形態１では、本発明に係る窒化物材料のみを用いて圧電体を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１８に示すように、実施形態１の窒化物材料（第１層）上に、アルミニウム極性を有するスカンジウム含有窒化物材料（ＳｃＺＡｌ１-ＺＮ（０＜Ｚ≦０．４）、第２層２０）を形成し、これら二層からなる圧電体薄膜（圧電体）１００を構成してもよい。なお、第２層２０は、第１層１の下側に形成されてもよい。また、第１層１の厚さと、第２層２０の厚さとは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
このような二層構造の圧電体薄膜は、厚さが同一であれば、上述した実施形態１の圧電体薄膜のみで構成された圧電体薄膜や、ＳｃＺＡｌ１-ＺＮ（０＜Ｚ≦０．４）のみで構成された圧電体薄膜と比較して、より高い周波数で振動することができる。なお、この圧電体薄膜を振動させるには、例えば、この圧電体薄膜の上面に上部電極を取り付けると共に下面に下部電極を取り付けて、これらの電極に電圧を印加する必要があることは言うまでもない。
（実施形態３）
（実施形態３）
実施形態２では、分極方向が窒素極性である窒化物材料（第１層１）上に、分極方向がアルミニウム極性であるスカンジウム含有窒化物材料（第２層２０）を形成して、二層構造の圧電体薄膜を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１９に示すように、実施形態２と同じ構成の薄膜上に、同様に構成された二層（第３層３０および第４層４０）の薄膜をさらに形成し、四層構造の圧電体薄膜（圧電体）１００Ａを構成してもよい。
すなわち、第１層１は分極方向が窒素極性の窒化物材料、第２層２０は分極方向がアルミニウム極性のスカンジウム含有窒化物材料、第３層３０は分極方向が窒素極性の窒化物材料、第４層４０は分極方向がアルミニウム極性のスカンジウム含有窒化物材料からなる四層構造の圧電体薄膜１００Ａを構成してもよい。なお、接している窒化物材料の分極方向が異なるのであれば、積層順序は特に限定されない。
このような四層構造の圧電体薄膜１００Ａは、厚さが同一であれば、上述した実施形態１の圧電体薄膜のみで構成された圧電体薄膜、ＳｃＺＡｌ１-ＺＮ（０＜Ｚ≦０．４）のみで構成された圧電体薄膜、または実施形態２の圧電体薄膜と比較して、振動させることができる周波数の帯域幅をより広範囲に拡張することができる。
なお、第１層と第２層との間に、第１層を構成する物質と第２層を構成する物質とが含まれる拡散層が形成されていてもよい。このような拡散層は、例えば、第１層上に第２層を形成した後、それらに熱を加えることによって形成することができる。
（実施形態４）
（実施形態４）
実施形態１では、基板上に直接圧電体薄膜を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、基板と、圧電体薄膜との間に中間層を設けてもよい。中間層は、スパッタ等で作製することができる。
ここで、中間層としては、中間層上に圧電体薄膜を形成することができるものであればその材料や厚さ等は特に限定されない。中間層としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、窒化イッテルビウム（ＹｂＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）等で構成された厚さ５０～２００ｎｍのものが挙げられる。
基板上に、このような中間層を設けることにより、圧電体薄膜の結晶性（結晶化度）が向上するので、実施形態１の圧電体薄膜と比較して、さらに高い圧電定数ｄ３３を有する圧電体薄膜を製造することができる。
（他の実施形態）
（他の実施形態）
実施形態３の圧電体は四層構造となっていたが、本発明はこれに限定されない。接している窒化物材料と分極方向が異なる窒化物材料からなる層を、さらに多数積層して圧電体薄膜を構成してもよい。
このような圧電体薄膜は、実施形態３の圧電体薄膜と比較して、より高い周波数で振動することができ、かつ振動させることができる周波数の帯域幅をより広範囲に拡張することができる。
なお、例えば接している窒化物材料と分極方向が異なる窒化物材料からなる層を偶数層積層したものだけなく、奇数層積層した圧電体薄膜（例えば三層構造の圧電体薄膜）を構成してもよい。
また、上述した本発明に係る窒化物材料（圧電体）は、ＭＥＭＳに用いることができる。本発明に係る窒化物材料を用いたＭＥＭＳは、高い周波数で振動することができ、かつ高い圧電性を有する圧電体を用いることにより、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することができるＭＥＭＳデバイスを提供することができる。なお、ＭＥＭＳの構成については、例えば公知のものを用いることができる。
さらに、実施形態１では、本発明に係る窒化物材料を用いた圧電体薄膜を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明に係る窒化物材料は、ＭＥＭＳデバイス、トランジスタ、インバーター、トランデューサー、ＳＡＷデバイスまたは強誘電体メモリにも適用することができる。本発明に係る窒化物材料を用いたトランジスタは、従来のトランジスタと比較して高速で動作させることができ、かつ低損失、高出力なものとなる。また、本発明に係る窒化物材料を用いたインバーターは従来のインバーターに比べて絶縁耐圧が高く、低損失なものとなる。さらに、本発明に係る窒化物材料を用いた強誘電体メモリは、従来の強誘電体メモリに比べて自発分極が高く、記憶性能が高いものとなる。さらに、極性が異なる窒化物材料を用いた高周波広帯域トランスデューサーを提供することができる。また、ＩＤＴを極性が異なる窒化物材料からなる圧電体を用いて構成することにより、一般的なＩＤＴ－ＳＡＷデバイスより高い周波数で振動するＳＡＷデバイスを提供することができる。なお、このようなトランジスタ、インバーター、トランデューサー、ＳＡＷデバイスや強誘電体メモリの構成は、例えば公知のものを用いることができる。
１ 圧電体薄膜（第１層）
１０ 基板
２０ 第２層
３０ 第３層
４０ 第４層
１００、１００Ａ 圧電体薄膜
１０ 基板
２０ 第２層
３０ 第３層
４０ 第４層
１００、１００Ａ 圧電体薄膜
Claims (10)
- 化学式ＳｃＸＭＹＡｌ１-Ｘ-ＹＮで表される窒化物材料であって、
Ｍは、Ｃ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎの少なくとも１つ以上の元素であり、
Ｘは、０より大きく、０．４以下で、
Ｙは、０より大きく、０．２以下で、
Ｘ／Ｙが５以下である
ことを特徴とする窒化物材料。 - Ｍが、Ｃ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎの何れか１つの元素であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物材料。
- Ｘは、０より大きく、０．３５以下で、
Ｙは、０より大きく、０．２以下で、
Ｘ／Ｙが５以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の窒化物材料。 - 請求項１～３の何れか１項に記載の窒化物材料が基板上に設けられており、
前記窒化物材料と前記基板との間に、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする窒化物材料。 - 前記中間層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化スカンジウム、窒化イッテルビウム、モリブデン、タングステン、ハフニウム、チタン、ルテニウム、酸化ルテニウム、クロム、窒化クロム、白金、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、イリジウム、パラジウムおよびニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の窒化物材料。
- 請求項１～５の何れか１項に記載の窒化物材料からなる圧電体。
- 化学式ＳｃＺＡｌ１-ＺＮ（０＜Ｚ≦０．４）で表されるスカンジウム含有窒化物材料の表面上に、請求項１～５の何れか１項に記載の窒化物材料が設けられていることを特徴とする圧電体。
- 請求項７に記載の圧電体が、少なくとも２つ以上積層されていることを特徴とする圧電体。
- 請求項６～８の何れか１項に記載の圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス。
- 請求項１～５の何れか１項に記載の窒化物材料を用いたトランジスタ、インバーター、トランスデューサー、ＳＡＷデバイスまたは強誘電体メモリ。
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