(57)【要約】層配列には、下部電極（Ｕ）と、上部電極（Ｏ）と、その間に配された圧電層または焦電層（Ｓ）とが備えられている。この層（Ｓ）と下部電極（Ｕ）との間には、製造工程における圧電層または焦電層（Ｓ）の均質的な方向の成長に用いられる補助層（Ｈ）が配置されている。補助層（Ｈ）は、主として、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物または非晶質シリコン窒化物を含んでいることが好ましい。
2004505441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備え、
上記層配列は、下部電極（Ｕ）と、上部電極（Ｏ）と、その間に配置された層（Ｓ）とを有するとともに、上記層（Ｓ）は、圧電体または焦電体である、半導体素子であって、
上記下部電極（Ｕ）と上記層（Ｓ）との間に、製造過程における層（Ｓ）の均質的な方向の成長に用いられる、補助層（Ｈ）が配置されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
上記補助層（Ｈ）は、主として、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物または非晶質シリコン窒化物を含んでいる、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
上記の層（Ｓ）は主としてＡｌＮを含んでいる、請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
上記下部電極（Ｕ）および上記上部電極（Ｏ）は、主として、タングステン、モリブデン、プラチナ、アルミニウム合金、または、これらの金属の組み合わせを含んでいる、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項５】
上記補助層（Ｈ）の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍである、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項６】
層配列から生じた音響振動を反射するように設計されている土台（Ｔ）上に、上記層配列が、配置されることにより、
バルク音波共振器またはフィルターとして設計されている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項７】
上記補助層（Ｈ）に隣接している下部電極（Ｕ）の表面が研磨されている、請求項３〜６のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項８】
音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備え、層配列の部分として、下部電極（Ｕ）と、その上の圧電体または焦電体である層（Ｓ）と、その上の上部電極（Ｏ）とを形成する半導体素子の製造方法であって、
下部電極（Ｕ）上の層（Ｓ）を形成する前に、上記層（Ｓ）の均質的な方向の成長を促進させるように、補助層（Ｈ）を形成することを特徴とする方法。
【請求項９】
上記補助層（Ｈ）を、主として、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物、または、非晶質シリコン窒化物から形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
上記層（Ｓ）を主としてＡｌＮから形成する、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
上記下部電極（Ｕ）および上記上部電極（Ｏ）を、主として、タングステン、モリブデン、プラチナ、アルミニウム合金、または、これらの金属の組み合わせから形成する、請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
上記補助層（Ｈ）を５ｎｍ〜５０ｎｍの厚さにする、請求項８〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
タングステンをＣＶＤ法によって蒸着し、続いて化学的機械研磨によって平坦化することにより、下部電極（Ｕ）を形成する、請求項８〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
上記半導体素子をバルク音波共振器またはフィルターとして形成し、層配列から生じた音響振動を反射するように形成される土台（Ｔ）上に、上記層配列を形成する、請求項８〜１３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、音響信号または熱信号と電圧変化（ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅｎ Ｓｐａｎｎｕｎｇｓａｅｎｄｅｒｕｎｇｅｎ）との相互変換用の層配列を備えた半導体素子、および、その製造方法に関するものである。
【０００１】
このような半導体素子は、通常、下部電極と、上部電極と、それらの間に配された層とを備えている。また、この層は、音響振動が形成または検出される場合には圧電性であり、熱信号が形成または検出される場合は焦電性（ｐｙｒｏｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈ）である。いずれの場合も、圧電性または焦電性の結合係数を可能な限り高めるために、層の結晶構造の構成を明確にする必要がある。この結合係数が高いほど、測定可能な電圧変化は、所定の音響信号または熱信号に応じてますます明確になる。
【０００２】
電圧変化を受けた場合に音響振動を圧電効果によって生じさせる半導体素子については、例えば、Ｄｕｂｏｉｓ等の「圧電性の変換機械（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）およびマイクロ波フィルター形成（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）のためのアルミニウム窒化物薄膜の特性」『Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．』（７４巻２０号、３０３２〜３０３４ページ）に記載されている。音響振動が生じる層配列は、下部・上部電極およびその間に配されたＡｌＮからなる圧電層を含んでいる。そして、構成を改善するために、プラチナを含んだ下部電極の形成が提案されている。プラチナおよびＡｌＮの結晶特性が類似しているので、圧電層をプラチナ上で成長させることによって、層の構成を改善できる。
【０００３】
本発明の目的は、音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備えた半導体素子を提供することにある。なお、この層配列の（ｄｅｒｅｎ）圧電層または焦電層の構成は、従来の技術よりも改善されたものである。続いて、このような半導体素子の製造方法を提供する。
【０００４】
本目的を、音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備えた半導体素子によって達成する。層配列は、下部電極と、上部電極と、その間の圧電層または焦電層とを備えている。この層と下部電極との間には、製造中に圧電層または焦電層の均質的な方向の成長に用いられる補助層が配置されている。この補助層は、主として、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物、または、非晶質シリコン窒化物を含んでいる。
【０００５】
さらに、音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備えた半導体素子の製造方法によって、本目的を達成する。この半導体素子の層配列の一部に、下部電極と、その上に補助層と、その上に圧電層または焦電層と、その上に上部電極とを形成する。また、補助層を、圧電層または焦電層の均質的な方向に成長を促進するように形成する。
【０００６】
補助層は、主として、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物、または、非晶質シリコン窒化物を含んでいることが好ましい。特に、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物、または、非晶質シリコン窒化物を主として含んだ補助層であるがゆえに、圧電層または焦電層の構成ははるかに改善される。基本的な物理的効果として、本発明の補助層が化学的に正確に限定された表面を形成するということが挙げられる。これによって、補助層の全領域上では、圧電層または焦電層は、同一成分を用いて（ｍｉｔ ｄｅｍ ｓｅｌｂｅｎ Ｅｌｅｍｅｎｔ）成長する。この表面によって、層の晶子（Ｋｒｉｓｔａｌｌｉｔｅ）は限定された分極作用によって確実に堆積されるのである。
【０００７】
補助層の表面は、不溶性であってもよい。例えば、補助層の表面を厚さ約１〜２ｎｍに酸化するとよい。あるいは、補助層を例えば窒化するとよい。
【０００８】
補助層の導電率が低いために、補助層をパターン化する必要はない。電極間において短絡することなく、補助層は、半導体ウェハ上に位置する完全に平坦な層として残ることができる。
【０００９】
さらに補助層は、層を蒸着している間に下部電極の下に位置する層から拡散する不純物に対して、拡散障壁として作用する。このような補助層の特性は、酸素または水素に起因する最も小さな不純物までもが圧電層または焦電層の成長をはなはだしく妨げるということが判明しているので、特に有効である。
【００１０】
本発明は、半導体素子の製造方法を、特に簡単に実施できるものである。なぜなら、特に、非晶質シリコン、非晶質シリコン酸化物または非晶質シリコン窒化物の蒸着によって、ＣＭＯＳ型製造物を互いに相補できるからである。
【００１１】
この層は、例えば、主としてＡｌＮを含んでいる。しかし、圧電性または焦電性の他の材料を用いてもよい。
【００１２】
音響振動を形成または検出する半導体素子の場合、層の厚さによって音響振動の周波数が決まる。半導体素子が例えば２ＧＨｚで共振するとき、層の厚さは約２μｍである。
【００１３】
下部電極および／または上部電極は、主としてあるいは部分的に、例えばタングステン、モリブデン、プラチナまたはアルミニウム合金、またはこれらの金属の組み合わせを含んでいる。
【００１４】
上に層が蒸着される表面の化学的安定性と共に、表面の粗さも、層の構成の質に本質的に影響を与えるということが明らかになっている。結晶は、特定の場所で表面に対して垂直に成長する。晶子がその成長を相互に妨害する中で、ほぼ垂直方向を向いた晶子だけがさらに成長してゆくまで、ざらざらした表面上に、初めは振動する方向が定まらないままに（ｍｉｔ ｇｒｏｓｓｅｎ Ｒｉｃｈｔｕｎｇｓｓｃｈｗａｎｋｕｎｇｅｎ）晶子が成長する。この選択工程が実施される層のこの部分の厚さは、表面の粗さに強く左右される。層のこの部分の圧電特性または焦電特性が悪いので、層の結合係数は、ざらざらした表面上において著しく減少する。そこで、表面の粗さを減少させるために、適切な材料を蒸着し、続いて化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって平坦化することによって、下部電極を形成することが有効である。このプロセス工程が特に有効に機能するのは、ＣＶＤ法を用いてタングステンを蒸着することによって下部電極を形成する場合である。なぜなら、このような電極は、平坦にされない場合は特に粗いからである。化学的機械研磨は、平坦化するためにのみ用いられるので、１０〜１００ｎｍだけ取り除く短いＣＭＰ工程で十分である。
【００１５】
また、補助層はスパッタリングによって形成される。この工程は、原位置でも他の位置でも実施できる。第１の場合、層はスパッタリング直後に形成される。第２の場合、補助層は層の形成前に大気にさらされる。
【００１６】
半導体素子を、例えば、バルク音波共振器（Ｂｕｌｋ−Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）として、または、このようなバルク音波共振器を備えたフィルターとして、設計してもよい。さらに、層配列から生じた音響振動を反射するように設計されている土台上に、層配列を配置する。土台は、例えば、上下に配置された、高音響インピーダンスと低音響インピーダンスとを交互に有するいくつかの層を含んでいる。
【００１７】
補助層の厚さは、可能な限り薄い方が好ましい。これによって、土台の反射条件を可能な限りよくすることができる。補助層の厚さは、例えば５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００１８】
半導体素子を、表面波共振器または薄膜共振器としても設計できる。
【００１９】
次に、本発明の実施例を、図に基づいて詳述する。
【００２０】
図は、下部電極と、補助層と、層と、上部電極とからなる層配列、および、土台を備えた、バルク音波共振器を示す断面図である。
【００２１】
実施例では、初めにシリコンを含んだ基板１を形成し、次に、高音響インピーダンスと低音響インピーダンスとを交互に備えた層Ｓ１・Ｓ２の配列を蒸着することによって、土台Ｔを形成する。高音響インピーダンスを有する層Ｓ１はタングステンを含んでおり、その厚さは約８５０ｎｍである。低音響インピーダンスを有する層Ｓ２はＳｉＯ２を含んでおり、その厚さは約７５０ｎｍである。
【００２２】
続いて、土台Ｔ上に層配列を形成する。そのために、初めに下部電極Ｕを形成するために、約４００ｎｍの厚さのタングステンを蒸着する。続いて、化学的機械研磨によって下部電極Ｕを平坦化する。このとき、タングステンを約６０ｎｍの厚さまで取り除く。そして、下部電極Ｕの上には、非晶質シリコンをスパッタリングによって形成することによって、約２０ｎｍの厚さの補助層Ｈが形成される。続いて、基板１を空気にさらさずに、ＡｌＮを約２μｍの厚さに蒸着することによって、圧電層Ｓを形成する。その上に、約４００ｎｍの厚さのアルミニウムを蒸着することにより、上部電極Ｏが形成される。
【００２３】
この形成された素子が、バルク音波共振器である。土台Ｔは、層配列から生じる音波を反射するブラッグ反射器として機能する。バルク音波共振器の動作周波数（Ｂｅｔｒｉｅｂｓｆｒｅｑｕｅｎｚ）に関して、層Ｓ１・Ｓ２の厚さは、その時々の材料の音響波長（ａｋｕｓｔｉｓｃｈｅｎ Ｗｅｌｌｅｎｌａｅｎｇｅ）の１／４に相当するように設計されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、下部電極と、補助層と、層と、上部電極とからなる層配列、および、土台を備えた、バルク音波共振器を示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004505441.tif 000003
2004505441.tif 000004
2004505441.tif 000005
2004505441.tif 000006
2004505441.tif 000007
2004505441.tif 000008
2004505441.tif 000009
2004505441.tif 000010
2004505441.tif 000011
2004505441.tif 000012
2004505441.tif 000013
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004505441.tif 000014
2004505441.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月30日(2002.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備え、
上記層配列は、下部電極（Ｕ）と、上部電極（Ｏ）と、その間に配置された層（Ｓ）とを有するとともに、上記層（Ｓ）は、圧電体または焦電体である、半導体素子であって、
上記下部電極（Ｕ）と上記層（Ｓ）との間に、製造過程における層（Ｓ）の均質的な方向の成長に用いられる、主として非晶質シリコンまたは非晶質シリコン酸化物を含んだ補助層（Ｈ）が配置されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
上記の層（Ｓ）は主としてＡｌＮを含んでいる、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
上記下部電極（Ｕ）および上記上部電極（Ｏ）は、主として、タングステン、モリブデン、プラチナ、アルミニウム合金、または、これらの金属の組み合わせを含んでいる請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
上記補助層（Ｈ）の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍである、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項５】
層配列から生じた音響振動を反射するように設計されている土台（Ｔ）上に、上記層配列が、配置されることにより、
バルク音波共振器またはフィルターとして設計されている請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項６】
上記補助層（Ｈ）に隣接している下部電極（Ｕ）の表面が研磨されている、請求項２〜５のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項７】
音響信号または熱信号と電圧変化とを互いに変換するための層配列を備え、層配列の部分として、下部電極（Ｕ）と、その上の圧電体または焦電体である層（Ｓ）と、その上の上部電極（Ｏ）とを形成する半導体素子の製造方法であって、
下部電極（Ｕ）上の層（Ｓ）を形成する前に、主として非晶質シリコンまたは非晶質シリコン酸化物を含んだ補助層（Ｈ）を、上記層（Ｓ）の均質的な方向の成長を促進するように形成することを特徴とする方法。
【請求項８】
上記層（Ｓ）を主としてＡｌＮから形成する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記下部電極（Ｕ）および上記上部電極（Ｏ）を、主として、タングステン、モリブデン、プラチナ、アルミニウム合金、または、これらの金属の組み合わせから形成する、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
上記補助層（Ｈ）を５ｎｍ〜５０ｎｍの厚さに形成する、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
タングステンをＣＶＤ法によって蒸着し、続いて化学的機械研磨によって平坦化することにより、下部電極（Ｕ）を形成する、請求項７〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
上記半導体素子をバルク音波共振器またはフィルターとして形成し、層配列から生じた音響振動を反射するように形成される土台（Ｔ）上に、上記層配列を形成する、請求項７〜１１のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2004505441.tif 000016
2004505441.tif 000017
2004505441.tif 000018
2004505441.tif 000019
2004505441.tif 000020
2004505441.tif 000021