(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１の側のエリア上に配置された複数のトランスジューサ素子であって、該複数のトランスジューサ素子の各々は、基準電極及び信号電極を有し、前記複数のトランスジューサ素子の前記各々の基準電極は、互いに相互接続され、且つ、前記半導体基板から区別されている基準電位平面に各々結合され、前記基準電位平面は前記半導体基板から独立した導電路を介して前記各々の基準電極に直接基準電位を提供するように構成されているトランスジューサ素子と；
前記複数のトランスジューサ素子の各々の基準電極と前記半導体基板の第１の側との間に配置された誘電層であって、前記半導体基板の第１の側に延びる空所を形成する誘電層と、
前記半導体の前記第１の側において半導体層と共に前記複数のトランスジューサ素子の各々の基準電極の１つによって前記空所に形成された金属・半導体接触部と；
前記金属・半導体接触部を前記基準電位平面に接続する１つ以上の導電性トレースと、を備え、
前記半導体基板は前記金属・半導体接触部及び前記１つ以上の導電性トレースを介して前記基準電位平面に結合されている、超音波トランスジューサアレイ。
【請求項２】
前記基準電極は、各トランスジューサ素子のメンブレーンの上に配置され、前記信号電極は、前記半導体層の近くで前記メンブレーンの下に配置され、そして前記基板は、前記半導体層が絶縁体の上に配置されたセミコンダクタ・オン・インスレータ（ＳＯＩ）基板である、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記メンブレーンは、圧電材料であり、前記基準電極は、前記圧電材料に直接接触し、前記導電性トレースは、前記金属・半導体接触部と基準電極との間に延びる金属被覆を含む、請求項２に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記金属・半導体接触部は、前記複数の信号電極間の寄生容量性ループのインピーダンスより低い接触抵抗をもつオーミック接触部を含む、請求項３に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項５】
前記アレイは、前記素子の行を含み、前記金属・半導体接触部は、複数の金属・半導体接触部の１つであり、その各々は、前記複数のトランスジューサ素子各々に隣接して配置される、請求項４に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項６】
前記アレイは、前記トランスジューサ素子の行を含み、前記金属・半導体接触部は、前記行の第１の端に配置され、そしてトランスジューサ素子の前記メンブレーンの少なくとも２倍の接触面積を占有する、請求項４に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項７】
前記素子の行は、アレイにおける複数の行の１つであり、前記金属・半導体接触部は、その長さが前記複数の行を横切って延びる、請求項５に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項８】
前記行の信号電極は、他の行の信号電極とは独立してアドレス可能であり、前記行と前記他の行は、それら行の一端において単一の金属・半導体接触部を共有し、又は前記行と前記他の行の反対端の近くに第１及び第２の金属・半導体接触部が配置される、請求項５に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項９】
前記基準電極は、１つ以上の金属を含み、そして前記基準電極と金属・半導体接触部との間に延びる金属被覆は、同じ１つ以上の金属を含む、請求項４に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項１０】
前記基準電極は、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、及びインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の少なくとも１つを含み、そしてＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、又はＩＴＯの少なくとも１つがオーミック接触部の上に配置される、請求項９に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項１１】
前記オーミック接触部は、Ｐｔ及びＴｉの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項１２】
前記半導体層は、少なくとも１ｅ１９ｃｍ-3のドーパント種濃度でｎ型又はｐ型ドープされる、請求項１１に記載の超音波トランスジューサアレイ。
【請求項１３】
媒体に圧力波を発生し及び感知する装置において、
請求項１に記載の超音波トランスジューサアレイと；
前記超音波トランスジューサアレイに結合されて、少なくとも１つのドライブ／センス電極に電気的駆動信号を印加するための発生手段と；
前記超音波トランスジューサアレイに結合されて、少なくとも１つのドライブ／センス電極から電気的応
答信号を受信するための受信手段と；
前記受信手段に結合されて、前記複数のドライブ／センス電極から受信した電気的応答信号を処理するための信号処理手段と；
を備えた装置。
【請求項１４】
前記発生手段は、１ＭＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数において複合圧電トランスジューサ素子ポピュレーションの少なくとも１つを共振させるために電気的駆動信号を印加する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
超音波トランスジューサアレイを製造する方法において、
半導体基板上に誘電層を形成することであって、前記半導体基板の第１の側 に延びる空所を形成する、誘電層を形成し、
前記誘電層と前記半導体基板の前記第１の側の上に配置された複数のトランスジューサ素子を形成し；
各トランスジューサ素子の第１の電極の各々を、前記半導体基板から区別されている共通の接地平面に接続することであって、該共通の接地平面が前記半導体基板から独立した導通路を介して前記第１の電極の各々に直接基準電位を提供するようになっている、前記共通の接地平面に接続し；
前記半導体基板の前記第１の側において半導体層と前記第１の電極の各々の１つと接触することを含む、前記空所において金属・半導体接触部を形成する；ことを含み、
前記金属・半導体接触部は導電性相互接続トレースで前記共通の接地平面に接続されており、前記半導体基板は前記金属・半導体接触部及び導電性相互接続トレースを介して前記共通の接地平面に接続されている方法。
【請求項１６】
前記複数のトランスジューサ素子を形成することは、更に、
セミコンダクタ・オン・インスレータ（ＳＯＩ）基板の半導体層上に圧電材料層を堆積して、圧電材料層の底面が第２電極に接触するようにし；及び
前記圧電材料層を複数の個別圧電メンブレーンへとパターン化する；
ことを含み、そして
各トランスジューサ素子の第１電極及び金属・半導体接触部を共通の接地平面に接続することは、更に、
前記複数の個別の圧電メンブレーンの頂面の上及び前記金属・半導体接触部の上に少なくとも１つの金属層を堆積し；及び
前記少なくとも１つの金属層を前記導電性相互接続トレースへとパターン化する；
ことを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの金属層を堆積することは、更に、前記圧電メンブレーンの頂面の上、及び前記金属・半導体接触部を形成するオーミック金属の上に、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、及びインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の少なくとも１つを直接的に堆積することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記オーミック金属は、Ｐｔ及びＴｉの少なくとも１つを含み、そして前記少なくとも１つの金属層を堆積することは、更に、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、又はＩＴＯの上に第２の金属層を堆積することを含み、この第２の金属層は、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、又はＩＴＯの層より大きな厚みを有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属・半導体接触部を形成することは、更に、
半導体層の基板を露出する接触開口を、誘電体層を通してパターン化し、及び
各トランスジューサ素子の第１電極を共通の接地平面に接続する前に前記接触開口にオーミック金属を堆積する、
ことを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記半導体層は、少なくとも１ｅ１９ｃｍ-3にドープされ、前記圧電材料層を複数の個別の圧電メンブレーンへとパターン化することは、更に、前記メンブレーンを行へとパターン化することを含み、及び前記接触開口をパターン化することは、更に、前記行の端に配置される誘電体の単一領域を開けることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記圧電材料層を複数の個別の圧電メンブレーンへとパターン化することは、更に、前記メンブレーンを個別素子の行へとパターン化することを含み、及び
前記接触開口をパターン化することは、更に、前記行の長さに沿って前記誘電体に複数の領域を開けることを含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記金属・半導体接触部を形成することは、更に、オーミック金属を珪化することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、微細加工の超音波トランスジューサ（ＭＵＴ）アレイに関するもので、より詳細には、アレイのトランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスジューサ装置は、典型的に、経時変化の駆動電圧に応答して振動して、トランスジューサ素子の露出外面に接触する伝播媒体（例えば、空気、水又は体組織）に高周波の圧力波を発生することのできるメンブレーンを含む。この高周波の圧力波は、他の媒体へと伝播することができる。同じ圧電メンブレーンが、伝播媒体から反射した圧力波も受け取り、そしてその受け取った圧力波を電気信号へと変換することができる。電気信号は、駆動電圧信号に関連して処理されて、伝播媒体の密度又は弾性係数の変化に関する情報を得ることができる。
【０００３】
超音波トランスジューサ装置は、好都合にも、種々の微細加工技術（例えば、材料堆積、リソグラフィーパターン化、エッチングによる特徴部形成、等）を使用して、非常に高い寸法公差に対して安価で製造することができる。従って、ビーム成形アルゴリズムを経て駆動される個々のアレイと共にトランスジューサ素子の大きなアレイが使用される。そのようなアレイ状の装置は、微細加工の超音波トランスジューサ（ＭＵＴ）アレイとして知られており、例えば、容量性トランスジューサ（ｃＭＵＴ）又は圧電トランスジューサ（ｐＭＵＴ）を利用している。
【０００４】
トランスジューサ素子間のクロストークは、ＭＵＴの著しい性能低下を引き起こし、それ故、最小にされねばならない。クロストークの１つの原因は、容量性結合である。そのような容量性結合は、アレイ内の個別のトランスジューサチャンネルの信号ライン間に生じる。それ故、そのような容量性結合を減少するＭＵＴアレイアーキテクチャー及び構造が好都合である。
【０００５】
本発明の実施形態を図面に一例として示すが、これに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】ｐＭＵＴアレイを形成するのに使用される２つの隣接ｐＭＵＴ素子の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すアーキテクチャーを使用するｐＭＵＴアレイに存在するコンポーネントの電気的モデルを示す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したアレイを形成するのに使用される２つの隣接ｐＭＵＴ素子の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態により、図２Ａに示すアーキテクチャーを使用するｐＭＵＴアレイに存在するコンポーネントの電気的モデルを示す。
【図２Ｃ】本発明の珪化物接触部の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したアレイを形成するのに使用される２つの隣接ｐＭＵＴ素子の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態により、素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイを製造する方法のフローチャートである。
【図４Ｂ】本発明の実施形態により、ｐＭＵＴのトランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを製造する方法のフローチャートである。
【図４Ｃ】本発明の付加的な実施形態により、ｐＭＵＴのトランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを製造する方法のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態により、容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを使用する超音波トランスジューサ装置の機能的ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明において、多数の細部について述べるが、当業者であれば、本発明は、それら特定の細部がなくても実施できることが明らかであろう。ある場合には、本発明を不明瞭にしないために、良く知られた方法及び装置は、詳細に示すのではなく、ブロック図の形態で示す。本明細書全体にわたり「一実施形態」とは、その実施形態に関連して述べる特定の特徴、構造、機能又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体にわたり種々の場所に現れる「一実施形態において」又は「１つの実施形態において」という句は、必ずしも、本発明の同じ実施形態を指していない。更に、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、１つ以上の実施形態において適当な方法で結合することができる。例えば、２つの実施形態が相互に排他的であると特に示されなければどこでも、第１の実施形態が第２の実施形態と結合されてもよい。
【０００８】
「結合(coupled)」という語は、ここでは、コンポーネント間の機能的又は構造的関係を述べるのに使用される。「結合」は、２つ以上の素子が互いに直接的又は間接的に（それらの間に他の素子を介在して又は媒体を通して）機械的、音響的、光学的又は電気的に接触すること、及び／又は２つ以上の素子が互いに協働又は相互作用する（例えば、因果関係のように）こと、を指示するのに使用される。
【０００９】
ここで使用する「上(over)」「下(under)」「間(between)」及び「おける(on)」という語は、１つのコンポーネント又は材料層と他のコンポーネント又は層との相対的な位置を指すもので、そのような物理的関係を、アッセンブリの観点又は微細加工スタックの材料層の観点で機械的コンポーネントにとって注目すべきである場合に使用される。別の層（コンポーネント）の上又は下に配置された１つの層は、他の層（コンポーネント）に直接接触してもよいし、又は１つ以上の介在する層（コンポーネント）を有してもよい。更に、２つの層（コンポーネント）間に配置された１つの層（コンポーネント）は、２つの層（コンポーネント）に直接接触してもよいし、又は１つ以上の介在する層（コンポーネント）を有してもよい。対照的に、第２の層（コンポーネント）に「おける(on)」第１の層（コンポーネント）は、その第２の層（コンポーネント）と直接接触する。
【００１０】
ここに述べる実施形態は、金属−半導体接触部を導入し、そしてその接触部を、トランスジューサ素子に共通の基準電位平面（例えば、接地平面）に相互接続することにより、ＭＵＴアレイのトランスジューサ素子間の容量性クロストークを抑制する。金属−半導体接触部により充分に低い抵抗の経路を通して基板の半導体装置層を基準電位平面に結合すると、基板半導体を経ての信号ライン間の容量性結合を抑制して、トランスジューサ素子のクロストークを著しく減少することができる。
【００１１】
図１Ａは、ｐＭＵＴアレイ１０１の形成に使用される２つの隣接する圧電ｐＭＵＴ素子１１０Ａ及び１１０Ｂの断面図である。ｐＭＵＴ素子１１０Ａ及び１１０Ｂは、各々、トランスジューサアレイの２つの個別チャンネル（即ち、互いに独立して電気的にアドレス可能な）における１つのトランスジューサ素子を表している。この例では、個別チャンネルは、アレイの行に対応するが、チャンネルは、アレイ内で別の形態（例えば、トランスジューサの同心リンク、等）をとってもよい。ここに示す実施形態は、圧電トランスジューサ素子を使用しているが、容量性素子に限定されない他のトランスジューサ素子を使用する実施形態も考えられるが、明瞭化のためその詳細な説明は省く。
【００１２】
図１Ａに示すように、ｐＭＵＴ素子１１０Ａ及び１１０Ｂは、基板のエリア上に配置される。一般的に、基板は、半導体基板に限定されないが、微細電子／微細加工処理を受け易いものとして知られている。図１Ａに示す規範的な実施形態では、基板は、絶縁層１５０（例えば、二酸化シリコン）上に配置された半導体基板層１６０（例えば、結晶シリコン、シリコン・ゲルマニウム、又はゲルマニウム）と、取り扱い基板１０３（例えば、シリコンのようなバルク結晶半導体）とを含むセミコンダクタ・オン・インスレータ（ＳＩＯ）基板である。
【００１３】
半導体基板層１６０に形成された空所１４１Ａ及び１４１Ｂに広がっているのは、各々、個別の圧電メンブレーン１７０Ａ及び１７０Ｂである。規範的な実施形態では、圧電メンブレーン１７０Ａ及び１７０Ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であるが、従来の微細加工処理を受け易いと分かっている圧電材料、例えば、これに限定されないが、ポリビニリデンジフオライド（ＰＶＤＦ）ポリマー粒子、ＢａＴｉＯ3、単結晶ＰＭＴ−ＰＴ及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）も、使用することができる。圧電メンブレーン１７０Ａ及び１７０Ｂの底面に直接接触して配置されるのは、各々、底部電極１１３Ａ及び１１３Ｂである。底部電極１１３Ａ、１１３Ｂは、圧電メンブレーン材料、例えば、これに限定されないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｓｎ、等、その合金（例えば、ＡｕＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｕＴｉＷ、ＡｕＮｉ、等）、その酸化物（例えば、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、等）、又は２つ以上のそのような材料の複合スタック、の１つ以上に適合する（例えば、熱的に安定で、接着性が良く、ストレスが低い）導電性材料の薄膜層（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、等で堆積された）である。底部電極１１３Ａ、１１３Ｂに電気的に接続されるのは、各々、相互接続部１１２Ａ、１１２Ｂである。この相互接続部１１２Ａ、１１２Ｂは、低い抵抗を与えることができ、そして、これに限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ又はＣｕのパターン化を受け易い従来の組成の導電性材料の薄膜層（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、等で堆積された）である。
【００１４】
図１Ａに更に示されたように、底部電極１１３Ａ、１１３Ｂは、支持体、製造中のエッチング停止部、電気絶縁体、及び／又は拡散バリアとして働くことのできる二酸化シリコンのような薄膜誘電体層１２２上に配置される。更に、第２の薄膜誘電体層（例えば、二酸化シリコン）１２４が、圧電メンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂの部分の上に配置されると共に、それらメンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂ間の領域において半導体基板層１６０の上に配置される。誘電体層１２４は、底部電極１１３Ａ、１１３Ｂを、各上部電極金属被覆１１０から絶縁する。図示されたように、上部電極金属被覆１１０は、圧電メンブレーン１７０Ａ及び１７０Ｂの頂面に直接接触して配置され、そして両素子１１０Ａ及び１１０Ｂの端子を共通基準平面電位（例えば、接地）平面に接続するように働く。この規範的実施形態では、上部電極金属被覆１１０は、トランスジューサ素子１１０Ａ、１１０Ｂを動作中の周囲環境における電気・磁気干渉及び表面電荷からシールドするための基準（接地）平面として使用される。従って、底部電極１１３Ａ、１１３Ｂ及び相互接続部１１２Ａ、１１２Ｂは、ドライブ／センス信号端子として使用される。しかしながら、このアーキテクチャーでは、信号端子は、図１Ａに示した物理的構造体に対応する参照番号で回路素子が示された図１Ｂに示された回路素子で更にモデリングされるように、誘電体層１２２を通して半導体基板層１６０への寄生キャパシタンスを形成する。
【００１５】
図１Ｂに示すように、図１Ａに示された種々の薄膜は、トランスジューサ素子１１０Ａと１１０Ｂとの間の寄生の容量性結合を促進する。図１Ｂに示す矢印は、アレイ１０１の動作周波数（例えば、超音波用途に基づき１００ｋＨｚ−１ＧＨｚ）と共に変化する関連インピーダンスを有する寄生ループである。この寄生ループは、半導体基板層１６０への誘電体層１２２を通して第１の信号端子（例えば、相互接続部１１２Ａ／下部電極１１３Ａ）を第２の信号端子（例えば、相互接続部１１２Ｂ／下部電極１１３Ｂ）に結合する。金属被覆１１０への容量性結合（例えば、圧電メンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂを通しての容量性結合を経て）は、寄生ループを完成する。
【００１６】
これら実施形態では、ＭＵＴアレイは、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少するために基板の半導体層に結合された金属・半導体接触部を含む。図２Ａは、本発明の一実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイ２０１の２つの個別のチャンネルに使用される２つの隣接するｐＭＵＴ素子２１０Ａ、２１０Ｂの断面図である。図２Ａの参照番号は、リンク特徴部について図１Ａのものから持ち越され、それら特徴部の属性／特性は、図１Ａについて説明された。
【００１７】
図２Ａに示すように、装置半導体基板層１６０には、金属・半導体接触部２８０が形成される。この金属・半導体接触部２８０は、更に、半導体基板層１６０を、各トランスジューサ素子２１０Ａ、２１０Ｂの１つの電極と同じ基準電位に結合する金属被覆１１０により与えられる基準（接地）平面に接続される。図２Ｂは、ｐＭＵＴアレイ２０１に存在するコンポーネントの電気的モデルを示し、図２Ｂの参照番号は、図２Ａに示す対応する構造的素子を表すように働く。図示されたように、図１Ｂに示す寄生ループは、金属・半導体接触部２８０の整流（ショットキー）又はオーミック特性に対応する抵抗器と並列なダイオードとしてモデリングされた金属・半導体接触部２８０によってシャントされる。個別チャンネルのトランスジューサの容量性結合を抑制（減少）するため、半導体基板層１６０（例えば、シリコン）は、接地ラインのインピーダンスが、シャントされる寄生ループのインピーダンス（高い動作周波数では減少する）より著しく小さい、より静寂な接地を達成する実施形態では、接地に結び付けられる。そのような実施形態は、金属・半導体接触部２８０が好都合にもオーミックであり且つ抵抗が低い低抵抗性経路により、半導体基板層１６０を基準平面に接続する。これら実施形態では、金属・半導体接触部２８０は、半導体基板層１６０との金属間説接触部を含み、これは、半導体基板層１６０と同様の仕事関数を有する（例えば、０．３ｅＶ未満の差）。半導体基板層１６０は、ｐ型又はｎ型で種々のレベルにドープされるので、接触金属組成が変化し得る（例えば、ｐ金属又はｎ金属）。半導体基板層１６０が強くドープされる（例えば、硼素又は燐に限定されないがそのようなドーパント種でｌｅ１９−ｌｅ２０ｃｍ-3）実施形態では、トンネル接触接合を形成することができる。
【００１８】
更に別の実施形態では、半導体基板層１６０は、ｎ型かｐ型かに関わらず、ある接触金属を作用させて、例えば、半導体基板層１６０に珪化物を生成する。珪化物接触部は、広範囲の不純物濃度にわたりｎ型及びｐ型の両導電型に対して安定で且つ低抵抗のオーミック特性をもち、ＭＵＴアレイにおいて容量性クロストークを減少するのに効果的である。図２Ｃは、本発明の珪化物接触部の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したアレイ２０２を形成するのに使用される２つの隣接ｐＭＵＴ素子の断面図である。図示されたように、金属珪化物接触部２８１が半導体基板層１６０とその上に横たわる金属被覆２１０との間に配置され、これは、金属珪化物２８１をｐＭＵＴ端子（例えば、接地端子）に相互接続する。金属珪化物接触部２８１は、一般的に、半導体基板層１６０（例えば、シリコン基板）に存在するシリコンと相互作用する金属を含む。そのようなある実施形態では、オーミック金属珪化物接触部２８１は、これに限定されないが、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗのような金属を含む。
【００１９】
特に、金属・半導体接触部２８０に使用される金属は、圧電メンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂに使用される材料に対して適当なインターフェイスとならない。例えば、ある金属は、その後の製造プロセスを受け容れるに充分な高い温度で安定性を保つ圧電材料とのインターフェイスを形成しない。従って、ＩＴＯのような単一材料は、半導体層に接触するのに、及びある実施形態では圧電材料との電極インターフェイスとして、適当であるが、他の実施形態は、圧電適合材料が金属・半導体接触部の金属の上に配置される材料スタックを使用する。例えば、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2及びインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の少なくとも１つが圧電メンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂに直接配置される１つの実施形態では、その導電性材料が、金属・半導体接触部２８０に使用されるオーミック接触金属（例えば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ／Ｃｕ）の上に配置され、それらの間に任意の接着層（例えば、Ｔｉ）が配置される。
【００２０】
図２Ａに示す規範的な実施形態では、２つのトランスジューサ素子２１０Ａ及び２１０Ｂを基準平面に接続するのに使用される金属被覆１１０は、更に、金属・半導体接触部２８０を通して半導体基板層１６０を基準平面に接続するのにも使用される。そのような実施形態では、接触部２８０に存在する金属のスタックは、更に、相互接続部の抵抗率を下げるためにバルク金属層を含む。接触部２８０を含む金属スタックには、１つ以上の接着層及び／又は拡散バリア層も存在する。例えば、半導体基板層１６０の上に配置されるＰｔ／Ｔｉ／ＩｒＯ2／Ｔｉ／Ａｕスタックに対して、Ａｕの層がオーミック金属及び圧電インターフェイス金属の上に配置され、それらの間にＴｉ層が配置される。或いは又、圧電メンブレーン１７０Ａ、１７０Ｂ及び半導体基板層１６０に同じ金属が配置される場合に、接触部２８０の金属スタックは、ＩＴＯ／Ｔｉ／Ａｕである。これらの規範的な実施形態は、効果的な特徴があることが分かっているが、他の金属被覆も考えられる。
【００２１】
オーミック金属・半導体接触部の抵抗は、寄生容量性ループのインピーダンスより低くなければならないが、基準電位への抵抗性経路は、半導体基板層１６０の抵抗の関数でもあり、半導体抵抗が高いほど、接地シャント抵抗を増加する。それ故、抵抗の低いドープされた半導体基板層１６０は、好都合であり、及び／又はより多数の金属・半導体接触部を使用して、半導体抵抗の影響を減少することができる。
【００２２】
図３Ａ−３Ｆは、本発明の実施形態により素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイの平面図で、半導体層を基準（接地）平面に接続する金属・半導体接触部の配置を更に示す図である。
【００２３】
図３Ａは、第１チャンネル３１０に対するトランスジューサ素子３１０Ａ−３１０Ｎの１つ及び第２チャンネル３２０に対するトランスジューサ素子３２０Ａ−３２０Ｎの１つが図２Ａにより表されたところのｐＭＵＴアレイであるＭＵＴアレイ３０１を示す。チャンネル３１０、３２０の各々について、複数のトランスジューサ素子３１０Ａ−３１０Ｎ及び３２０Ａ−３２０Ｎが３つの行に配列されている。これらの行の一端に金属・半導体接触部２８０が配置される。単一の接触部を伴うこのような実施形態では、高いトランスジューサ素子充填ファクタに対してアクティブなダイエリアが予約されるが、半導体層の抵抗は、このような実施形態では、不純物ドーピングを通して低くしなければならず、ドーパント種の充分な密度は、数ミリメータを越える行の長さ（チャンネル３１０、３２０のｙ次元）に依存する。又、接触部２８０のエリアは、接触抵抗が寄生インピーダンスより低いことを保証するに充分でなければならない。図示されたように、金属・半導体接触部２８０は、巾（ｘ次元）が少なくともチャンネル３１０、３２０と同程度であり、且つ長さが１つのトランスジューサメンブレーンの面積の２倍以上の面積に対して２つのトランスジューサ素子より長い。
【００２４】
図３Ｂは、２つの行に配列されたトランスジューサ素子（３３０Ａ−３３０Ｎ及び３４０Ａ−３４０Ｎ）を各々有する個別のチャンネル３３０及び３４０を伴うＭＵＴアレイ３０２を示す。この実施形態では、金属・半導体接触部２８０Ａ及び２８０Ｂは、２つの隣接するチャンネル３３０、３４０に対して行の両端に配置される。このアーキテクチャーは、半導体基板層１６０が基準（接地）平面への経路を与えるところの長さを減少し、それ故、半導体基板層１６０の導電率要求を対応的に緩和する。図３Ｃに更に示すように、アレイチャンネル３５０、３６０が、各々、単一の素子行を含む場合には、金属・半導体接触部２８０Ａ、２８０Ｂが巾次元においてスケーリングされ（例えば、信号ライン接触部へのアクセスを許すために）、長さ次元は、低い接触抵抗のために充分な面積を維持する（例えば、トランスジューサメンブレーンの面積の２倍以上）。特に、アレイ３０１、３０２及び３０３は、図３Ａ−３Ｃに示す種々の金属・半導体接触部実施形態が単一基板内に全部存在するように、大きなアレイの一部分として単一のトランスジューサ装置チップへと結合することができる。
【００２５】
ある実施形態では、金属・半導体接触部２８０は、図３Ｄ及び３Ｅに更に示すように、所与のチャンネルの各トランスジューサ素子に隣接して設けられる。そのような実施形態は、半導体基板層１６０の導電率にほとんど依存しない優れたクロストーク抑制を与えるが、基板面積の多くの部分が犠牲となる。図３Ｄでは、アレイ３０４は、トランスジューサ素子３６０Ａ−３６０Ｎが２行に配列されたチャンネル３６０を備え、金属・半導体接触部２８０Ａ、２８０Ｂ、２８０Ｎは、基準（接地）平面とその下の半導体基板層１６０との間に複数の介在接触部を形成する。図３Ｅは、アレイ３０５がチャンネル３７０を有し、トランスジューサ素子３７０Ａ−３７０Ｎの単一行及び金属・半導体接触部２８０Ａ−２８０Ｎが隣接行として整列される。特に、金属・半導体接触部の数は、寄生ループに対するアレイの感度を含むファクタに基づいて広く変化し得る。従って、金属・半導体接触部２８０は、所与のチャンネルの各トランスジューサ素子に隣接して配置する必要がなく、むしろ、２つ以上の素子を含む各組のトランスジューサ素子に対して１つの接触部を有するように配置されてもよい。例えば、図３Ｆに示すアレイ３０６では、１組の４つの素子３７０が各金属・半導体接触部２８０Ａ、２８０Ｂ、２８０Ｎの間に配置される。
【００２６】
図４Ａは、本発明の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したＭＵＴアレイを製造する方法４０１のフローチャートである。この方法４０１は、図１Ａ及び２Ａに示したＳＯＩ基板のような基板を受け取ることで始まる。基板の上部半導体層、例えば、ＳＯＩ基板のシリコン層は、望ましい抵抗率まで不純物でドープされる。動作４１０において、図１Ａ、２Ａ及び３Ａ−３Ｅに示すような個別超音波トランスジューサ素子のアレイが従来技術（例えば、ＣＶＤ又はＰＶＤ堆積、リソグラフィーパターン化、乾式及び湿式エッチング、等）を使用して製造される。１つのｐＭＵＴ実施形態では、例えば、ＰＺＴのような圧電材料層は、その圧電材料層の底面が第１電極に接触するようにして堆積される。動作４３０において、個別トランスジューサ素子は、金属被覆と相互接続されて、各トランスジューサ素子の第１端子を共通の基準（接地）平面に接続し、そして更に、少なくとも基板の上部半導体層を基準（接地）平面に接続する。次いで、動作４４０において、ＭＵＴ装置は、これに限定されないが、不動態化誘電体の堆積、及び／又は付加的な金属被覆のパターン化のような従来の処理を行って、１つ以上のアレイの素子をさらに相互接続することで完成される。
【００２７】
図４Ｂは、本発明の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを製造するための技術を更に記載する方法４０２のフローチャートである。この方法４０１は、一般的に、方法４０１の一部分として遂行される。方法４０２は、ＰＺＴのような圧電膜を、動作４１１において、個別メンブレーンへ、例えば、素子の行へパターン化することで始まる。動作４１３において、基板の上部半導体層（例えば、図１Ａ、２Ａに示した誘電体層１２２及び／又は１２４）の上に配置された誘電体層を通して接触開口が画成され、半導体層（例えば、図１Ａ、２Ａの半導体基板層１６０）を露出させる。動作４１３では、従来のリソグラフィーマスキング、パターン化、及び薄膜エッチングが使用される。実施形態に基づき（例えば、半導体層の抵抗率の関数として）、動作４１３は、メンブレーン素子の行の長さに沿って誘電体の複数の領域を開けるか、又は行の端又は中間部に配置された誘電体の単一領域を開けることを含む。
【００２８】
動作４１５において、例えば、接触開口にオーミック金属を堆積することにより、接触開口に金属・半導体接触部が形成される。ここで使用する「オーミック金属」とは、半導体層との非整流接触部を形成する任意の金属である。ある実施形態では、動作４１５は、更に、動作４１５で堆積された非反応金属が珪化領域に対して選択的に剥離されるようにして金属・半導体接触部の開口に自己整列される珪化プロセスを伴う。動作４１７において、圧電素子の上、及び金属・半導体接触部に存在するオーミック金属の上にも、上部圧電電極の金属が堆積される（例えば、ＰＶＤにより）。例えば、動作４１７において、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、及びＩＴＯの１つ以上が堆積される。動作４１９において、動作４１７で堆積された金属被覆は、圧電メンブレーン及び金属・半導体接触部の１つの端子を同じ基準（接地）平面に結合する導電性相互接続部を画成するようにパターン化される。方法４０２は、次いで、方法４０１の動作４４０へ復帰して、ｐＭＵＴ装置の完成となる。
【００２９】
これら実施形態では、珪化物を含むオーミック接触部の形成には、高い処理温度が要求され、オーミック金属・半導体接触部は、ある実施形態では、ＭＵＴ装置を製造する前に形成されることに注意されたい。図４Ｃは、特定の珪化物接触部の実施形態により、トランスジューサ素子間の容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを製造する方法４０３のフローチャートである。この方法４０３は、動作４０５において、ＳＯＩ基板を受け取ることで始まる。次いで、動作４１６において、珪化物接触部が形成され、これは、例えば、シリコン半導体基板を露出するための誘電体のパターン化、反応性金属被覆の堆積、反応性金属被覆と露出されたシリコンとの間の反応を促進する高温熱処置を更に含む。別の選択肢として、非反応金属被覆が、例えば、湿式エッチング／処置で剥離される。珪化物接触部の動作４１６に続いて、動作４１０において、例えば、本書のどこかで述べた技術又は従来技術の１つ以上を使用して、基板上にＭＵＴ（例えば、ｐＭＵＴ）装置が製造される。動作４３１において、ＭＵＴ装置の端子（例えば、接地端子）が珪化物接触部に相互接続される。例えば、１つ以上の金属被覆層が珪化物接触部及び適当なＭＵＴ構造体に堆積される。次いで、従来のパターン化技術を使用して、オーミック接触部への素子相互接続を完了する。方法４０３は、次いで、動作４４０で終了し、ＭＵＴ装置の完成の後に従来の慣習へと続く。
【００３０】
図５は、本発明の一実施形態により、容量性クロストークを減少したｐＭＵＴアレイを使用する超音波トランスジューサ装置１２００の機能的ブロック図である。規範的な実施形態において、超音波トランスジューサ装置１２００は、水、組織体、等の媒体に圧力波を発生し及び感知するためのものである。超音波トランスジューサ装置１２００は、媒体又は複数の媒体内の内部構造変化の画像に関心がある多数の用途、例えば、医療診断、製品欠陥検出、等を有する。装置１２００は、少なくとも１つのｐＭＵＴアレイ１２１６を含み、これは、本書のどこかで述べたｐＭＵＴアレイのいずれかで、上述したトランスジューサ素子及び素子ポピュレーション属性のいずれかを有するものである。規範的な実施形態では、ｐＭＵＴアレイ１２１６は、ハンドル部分１２１４に収容され、このハンドル部分は、ｐＭＵＴアレイ１２１６の外面の直面方向及び位置を必要に応じて変更する（例えば、像形成すべきエリアに向ける）ようにマシン又は装置１２００のユーザにより操作される。電気的コネクタ１２２０は、ｐＭＵＴアレイ１２１６のチャンネルを、ハンドル部分１２１４の外部の通信インターフェイスに電気的に結合する。
【００３１】
これら実施形態において、装置１２００は、例えば、電気コネクタ１２２０によりｐＭＵＴアレイ１２１６に接続された既知の信号発生手段を備えている。この信号発生手段は、種々のドライブ／センス電極に電気的駆動信号を与える。１つの特定の実施形態では、信号発生手段は、１００ｋＨｚと１ＧＨｚとの間の周波数、例えば、１ＭＨｚ及び５０ＭＨｚにおいて圧電トランスジューサ素子ポピュレーションを共振させるために電気的駆動信号を印加する。一実施形態において、信号発生手段は、制御信号をデシリアライズするためのデシリアライザ１２０４を備え、制御信号は、次いで、デマルチプレクサ１２０６によりデマルチプレクスされる。規範的な信号発生手段は、更に、ｐＭＵＴアレイ１２１６の個々のトランスジューサ素子チャンネルに対してデジタル制御信号を駆動電圧信号に変換するためのデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）１２０８も備えている。ビーム操向、望ましいビーム形状、焦点及び方向の生成、等のために、プログラム可能な時間遅延コントローラ１２１０により、個々の駆動電圧信号に各時間遅延が付加される。ｐＭＵＴチャンネルコネクタ１２２０と信号発生手段との間に接続されているのは、ドライブモードとセンスモードとの間でｐＭＵＴアレイ１２１６を切り換えるためのスイッチネットワーク１２１２である。
【００３２】
これら実施形態において、装置１２００は、例えば、電気的コネクタ１２２０によりｐＭＵＴアレイ１２１６に結合された既知の信号収集手段を備えている。この信号収集手段は、ｐＭＵＴアレイ１２１６のドライブ／センス電極チャンネルから電気的センス信号を収集する。信号収集手段の１つの規範的な実施形態では、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１２１４は、電圧信号を受け取って、それをデジタル信号に変換する。デジタル信号は、次いで、メモリ（図示せず）に記憶されるか、又は信号処理手段に最初に通される。規範的な信号処理手段は、デジタル信号を圧縮するためのデータ圧縮ユニット１２２６を備えている。マルチプレクサ１２２８及びシリアライザ１２０２は、受信した信号を、メモリ、他のストレージ、又はダウンストリームプロセッサ、例えば、受信信号に基づいてグラフィックディスプレイを発生する画像プロセッサ、へ中継する前に、更に処理する。
【００３３】
前記説明は、例示であって、それに限定されるものではないことを理解されたい。例えば、図面のフローチャートは、本発明のある実施形態により遂行される動作の特定の順序を示すが、そのような順序は、構造の仕様を通して明確に記載されるか又は暗示的に要求されるのでない限り必要でないことを理解されたい。別の実施形態は、それら動作を異なる順序で遂行し、幾つかの動作を組み合わせ、幾つかの動作を重畳し、等々を行うことができる。更に、当業者であれば、前記説明を読んで理解したときに多数の他の実施形態が明らかとなるであろう。本発明は、特定の規範的実施形態を参照して説明したが、ここに述べる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び精神内の修正及び変更で具現化できることを理解されたい。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲並びにその等効物を参照して決定されねばならない。
【符号の説明】
【００３４】
１０１：ｐＭＵＴアレイ
１０３：取り扱い基板
１１０Ａ、１１０Ｂ：圧電ｐＭＵＴ素子
１１２Ａ、１１２Ｂ：相互接続部
１１３Ａ、１１３Ｂ：下部電極
１２２：誘電体層
１２４：誘電体層
１４１Ａ、１４１Ｂ：空所
１５０：絶縁層
１６０：半導体基板層
１７０Ａ、１７０Ｂ：個別の圧電メンブレーン
２０１：ｐＭＵＴアレイ
２１０Ａ、２１０Ｂ：ｐＭＵＴ素子
２８０：金属・半導体接触部
３０１：ｐＭＵＴアレイ
３０２：ＭＵＴアレイ
３１０：第１チャンネル
３１０Ａ−３１０Ｎ：トランスジューサ素子
３２０：第２チャンネル
３２０Ａ−３２０Ｎ：トランスジューサ素子
３３０、３４０：チャンネル
３５０、３６０：アレイチャンネル
１２００：超音波トランスジューサ装置
１２０２：シリアライザ
１２０４：デシリアライザ
１２０６：デマルチプレクサ
１２０８：デジタル／アナログコンバータ
１２１０：時間遅延コントローラ
１２１４：ハンドル部分
１２１６：ｐＭＵＴアレイ
１２２０：電気的コネクタ
１２２６：データ圧縮ユニット
１２２８：マルチプレクサ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0006273297.tif 000003
【図２Ａ】
0006273297.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0006273297.tif 000008
【図３Ｃ】
0006273297.tif 000009
【図３Ｄ】
0006273297.tif 000010
【図３Ｅ】
0006273297.tif 000011
【図３Ｆ】
0006273297.tif 000012
【図４Ａ】
0006273297.tif 000013
【図４Ｂ】
0006273297.tif 000014
【図４Ｃ】
0006273297.tif 000015
【図５】
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