(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電状態で存在することができる第１の材料層、および集積回路を規定する第２の材料層を有する、集積強誘電性デバイス（１０）の製造方法であって、
第１の時間幅を有するエネルギーパルスを発生させる段階（１００）と、
前記パルスを時間延長手段（２００）を通過させることで、該パルスの時間幅を延長して、時間幅の長くなった処理パルスを発生させる段階と、
第１の材料層を前記処理パルスで照射して、前記第２の材料層の集積回路の温度収支を超えることなく、第１の材料層における材料の一部または全体を、非強誘電性状態から強誘電性を示すことができる相に変換する、あるいは第１の材料層の材料の品質を改良する段階と
を有する集積強誘電性デバイスの製造方法。
【請求項２】
多くの前記処理パルスを発生させる段階と、次に前記パルスで前記デバイス（１０）を照射する段階とをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の材料層の材料が、低品位の堆積されたペロブスカイトを含み、方法が該ペロブスカイト材料の品質を高める請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１の材料層が実質的に非ペロブスカイト相で堆積された材料を有し、方法によって該材料の一部または全体をペロブスカイト相に変換する請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
エネルギーのパルスが、レーザー（１００）を用いて発生させたエネルギーパルスを含む請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
レーザー（１００）によって発生されたパルスが、１０ｎｓから２５ｎｓの間の時間長さを有する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
時間延長手段が、パルスの時間長さを延長して、約３００ｎｓ、あるいは実質的に３００ｎｓから４００ｎｓの間の時間長さを有する処理パルスを発生させる請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
処理パルスが複数のサブパルスを有し、各サブパルスが延長手段（２００）のパルス作用に相当する請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
処理パルスが、第１の材料層の全体（または該第１の材料層の実質的な深さ全体にわたって）の温度が、所定のアニーリング温度を超え、一方第２の材料層の温度が集積回路の温度収支内となるように、前記第１の材料層の材料の特性と適合するフルエンスおよび時間幅を有する請求項１ないし８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
第１の材料層が、デバイス（１０）の最上層を有する請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
２種類の異なるエネルギー源が備えられ、各エネルギー源がそれぞれパルスを発生させ、該それぞれのパルスの少なくとも１つが、パルス延長手段（２００）によって延長されて処理パルスを発生し、第１の材料層が両方のパルスで照射される請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
第１の材料層が、実質的に同時に両方のパルスによって照射される請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の材料層と第２の材料層との間に金属層を設ける段階、ならびに第１の材料層を２種類の異なる処理パルスで照射する段階をさらに有する請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
デバイスの周囲温度を室温より高く維持しながら、第１の材料層に処理パルスを照射する請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
ペロブスカイト相として存在できる第１の材料層、および集積回路を規定する第２の材料層を少なくとも有する、集積強誘電性デバイス（１０）を製造する装置であって、
第１の時間幅を有するエネルギーのパルスを発生させるよう適合されたパルス発生手段（１００）と、
前記パルスの時間パルス幅を延長することで、より大きい時間幅の処理パルスを提供するよう適合されたパルス延長手段（２００）と、
前記第１の材料層上に前記エネルギーの処理パルスを誘導するように適合された誘導手段（２１０、２２０）と
を有する集積強誘電性デバイスを製造する装置。
【請求項１６】
前記第２の材料層の上方に前記第１の材料層を堆積する手段であって、前記第１の材料層の一部または全体が、非ペロブスカイト相となるようにする手段をさらに有する請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
堆積手段が、前記第２の材料層上に１つ以上の中間層を堆積した後に、第２の材料層の上方に前記第１の材料層を堆積する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
パルス発生手段がレーザー（１００）を有する請求項１５から１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
レーザー（１００）が紫外スペクトラムの波長を有する請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
パルス延長手段が、第１のパルスの時間パルス幅を、少なくとも２倍だけ、大きくするよう適合されている請求項１５ないし１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
パルス延長手段が、多くのサブパルスを含む処理パルスを生じるよう適合されている請求項１５ないし２０のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、アニーリングにおける改良に関し、詳細には強誘電性薄膜材料のアニーリングのための方法および装置に関するものである。
【０００２】
強誘電性材料の熱的特性を利用するデバイスの開発に向けてかなりの研究が行われてきている。１例を挙げると、ほぼ室温での動作のゆえに注目されている、強誘電性熱検出器の２次元配列に基づいた赤外線撮像カメラの開発がある。赤外線撮像に使用される熱検出器は、赤外線放射の吸収による感知材料の温度変化に基づいたものである。強誘電性材料を用いると、この放射によって材料の電気的分極に変化が生じ、それによって温度変化の大きさを検出することができる。
【０００３】
検出器のサイズを小さくするため、１個のデバイスで強誘電性材料を電子読み出し回路と組み合わせた、結合された集積強誘電性デバイスが開発されている。代表的にはそのデバイスは、１以上のベース層上またはその上方に、スパッタリングもしくはスピンコーティングその他の方法で強誘電体の薄層が堆積された層構造を有する。そのような集積強誘電性デバイスの他の例としては、薄膜圧電アクチュエータおよび強誘電性ランダムアクセスメモリー（ＦｅＲＡＭ）がある。
【０００４】
強誘電体材料と能動回路を一つのパッケージで組み合わせることで、別個の読み出し回路を提供する場合よりコンパクトなデバイスが得られ、歩留まりが向上し、コストが削減され、性能が改善される。しかしながら、そのようなデバイスにおける基本的問題は、集積回路を高温によって損傷したり破壊することなく、適合する熱収支の範囲内で強誘電性材料を堆積する必要があるという点である。４５０℃を超える温度に集積回路を曝露することが、ＩＣコンテントでチップ／材料を処理する上での制限となり、それが多くの強誘電体層の成長要件と矛盾することが広く認識されている。
【０００５】
ＩＲ検出器、アクチュエータまたはＦｅＲＡＭの分野での使用または検討されている、特に重要な種類の強誘電性材料はペロブスカイト類である。この種類には、タンタル酸鉛スカンジウム（ＰＳＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）その他などの材料がある。強誘電体として使用する場合に材料層は、ペロブスカイト相でなければならない。それは、高温下に直接堆積されてペロブスカイト相とするか、あるいは低温で堆積した後に、アニーリングして強誘電性ペロブスカイト相とすることができる。低温で堆積した相は概して、強誘電性を示すことができない非晶質のパイロクロールその他の相である。例えばＰＳＴの場合、材料は４５０℃を超える温度で堆積させて、ペロブスカイト相を導入しなければならない。従って、これら材料のペロブスカイト相での直接堆積は、集積回路の温度収支と適合しない。
【０００６】
ベース層上に設けられたＲＯＩＣに損傷を与えることなく、ペロブスカイト相で強誘電体材料層を得る知られている方法の一つは、低温（例えば４５０℃未満）にて非強誘電体状態で材料を堆積するというものである。次にその材料をレーザーを用いてアニーリングすることで、材料がそのペロブスカイト相に変換されるだけの層加熱を行うことができる。
【０００７】
レーザーアニーリングの作用を理解するため、代表的な非冷却マイクロブリッジ型ＩＲ検出器の構造について考えてみる。電極堆積前で最上層から下方に向けて、材料層は表１に示した通りである。
【表１】
0004909462.tif 000002
【０００８】
ＲＯＩＣ（読み出し集積回路）層に損傷を与えることなく、ＰＳＴ層を十分に加熱するには、レーザー波長を選択して、ＰＳＴ層で強い吸収が起こるようにしなければならない。誘導される熱波が各層を通過してＲＯＩＣ層に至るのを防ぐ程度に、熱拡散距離が短くなるように、パルスの時間幅も十分短いものに維持しなければならない。１０００Å以下という比較的薄い層に関しては、市販のエキシマレーザーがこれらの基準を満足する。これらのレーザーは紫外（ＵＶ）で動作し、２５ｎｓ程度の短いパルス長さを有する。パルスは、単回発射または１００Ｈｚ程度の遅い反復速度で層に照射される。２４８ｎｍという代表的な市販のエキシマレーザー波長での低温堆積（非ペロブスカイト）ＰＳＴについての測定反射率は２１％である。それは強い吸収を示しており、実験データから計算されたその波長での吸収長さは１９ｎｍであって、強い表面吸収を示している。
【０００９】
ＰＳＴの厚い層（１０００Å超）の底部で十分な温度を発生させるには、比較的高エネルギー密度のエキシマレーザーが必要である。パワーが上がると表面温度が上がる。それは、表面損傷、不十分な結晶化および結晶品質、不十分な薄膜の物理的完全性、および揮発成分蒸発による化学量論の喪失を引き起こし得る極端な表面加熱のため、アニーリング可能なＰＳＴの最大厚さを約１０００Åに限定するものである。その結果、そのようなレーザーの使用は、例えば２０００Åを超える層（それよりさらに厚い層についても）では満足できるものではなく、層表面に極端に高い温度が生じ、短いパルス幅によって生じる短い吸収および拡散距離のためにＰＳＴに高い温度勾配が生じる。
【００１０】
そこで本発明の目的は、市販のレーザーにおける制限によって生じる、強誘電体材料の比較的厚い層のレーザーアニーリングに関与する問題を克服または軽減することにある。
【００１１】
第１の態様によれば本発明は、強誘電状態で存在することができる第１の材料層、および集積回路を規定する第２の材料層を有する、集積強誘電性デバイスの製造方法であって、
第１の時間幅を有するエネルギーパルスを発生させる段階と、
前記パルスを時間延長手段を通過させることで、該パルスの時間幅を延長して、時間幅の長くなった処理パルスを発生させる段階と、
第１の材料層を前記処理パルスで照射して、前記第２の材料層の集積回路の温度収支を超えることなく、第１の材料層における材料の一部または全体を、非強誘電性状態から強誘電性を示すことができる相に変換する、あるいは第１の材料層の材料の品質を改良する段階とを有する方法を提供する。
【００１２】
前記方法はさらに、多くのそのような処理パルスを発生させる段階と、次に前記パルスでデバイスを照射する段階とを有することができる。
【００１３】
好ましくは第１の層の材料は、低品位の堆積されたペロブスカイトを含み、前記方法は、そのペロブスカイト材料の品質を高める（すなわち、結晶配列および／または結晶サイズの向上）。別法として、前記材料を実質的に非ペロブスカイト相で堆積することができ、前記方法によって、その材料の一部または全体をペロブスカイト相に変換する。
【００１４】
好ましくはエネルギーパルスは、レーザーを用いて発生させたエネルギーパルスを含む。２つ以上のそのようなパルスを発生させ、各パルスを時間的に延長することができる。次に第１の層に、多くのそのような処理パルスを照射することができる。
【００１５】
時間延長手段を提供することで、市販のレーザー源を用いた非延長レーザーパルスを用いて可能なものより遅い速度で、第１の層にレーザーエネルギーを送ることができる。それによって材料における拡散距離が大きくなり、層全体にわたってさらに均一な加熱が確保され、レーザー源に最も近い第１の層の面での表面温度が低下する。
【００１６】
レーザーパルスは、エキシマレーザーを用いて発生させることができる。それは、約２４８ｎｍの紫外に波長を有することができる（ＫｒＦエキシマレーザーの場合）。別法として、ＣＯ２レーザーを用いてパルスを発生させることができる。
【００１７】
レーザーによって発生されたパルスは、実質的に１０ｎｓ、２０ｎｓ程度、恐らくは実質的に２５ｎｓ、あるいは１つ以上の前記値を境界とする値の範囲を超えて、またはその範囲内のいずれかの値となる、時間長さを有することができる。それは、現在市販されているエキシマレーザーにおける限界を表すものである。
【００１８】
時間延長手段は、パルスの時間長さを延長して、約３００ｎｓ、実質的に３００ｎｓから４００ｎｓの間、あるいは恐らくはそれ以上の時間長さを有する処理パルスを発生させることができる。例えば処理パルスは、未処理パルスより大きい桁の時間長さを有することができる。
【００１９】
延長されたパルスは、複数のサブパルスを有することができ、各サブパルスは延長手段のパルス作用に相当する。それらを知られている時間間隔によって分離して、処理パルスを規定する一連の近接したサブパルスを得ることができる。各サブパルスの時間幅は、未処理パルスの時間幅に相当し得る。それらは、例えば実質的に２５ｎｓ、実質的に３０ｎｓ、実質的に５０ｎｓ程度、またはより短いあるいはより長い、あるいはこれらの値のいずれかを限界とする範囲によって分離することができる。１０個のサブパルスの場合、約４００ｎｓという時間幅を有する処理パルスが得られる。
【００２０】
従って処理パルスは、時間的に互いに近接して処理パルスを形成する、２個、３個、４個、または恐らくは１０個以上のサブパルスを含むことができる。近接しているとは、サブパルス間の間隔が、各サブパルスの幅未満であるか、あるいは恐らくはサブパルス幅に等しいか、あるいはサブパルス幅より大きいものであることができることを意味する。
【００２１】
各サブパルスは、時間延長手段内での未処理パルスの部分反射によって得ることができる。
【００２２】
前記方法は、第１の層の全体の温度（または第１の層の実質的な深さ全体にわたって）が、所定のアニーリング温度を超え、しかも第２の層の温度が回路の温度収支内となるように、第１の層の材料の特性と適合する、フルエンスおよび時間幅を有する処理パルスを発生させる段階を有することができる。
【００２３】
ある特に有用な実施態様では、処理パルス特性（フルエンス、時間幅、および波長など）を選択して、第１の層の全体が、材料を強誘電性ペロブスカイト相とするための転移温度を超えるようにすることができる。それは、４５０℃を超える温度であることができる。同時に、第２の層におけるピーク温度は４５０℃より低く維持することができる。
【００２４】
第１の層は、厚さが、実質０．１μｍ、恐らくは実質的に１μｍ、恐らくは実質的に０．８μｍ、実質的に１．２μｍ、あるいはそれらの間のいずれかの値である、ＰＳＴ（または他の材料）層を有することができる。
【００２５】
第１の層は、デバイスの最上層を有することができる。別の形態としてその層は、それの上下両方に設けられてサンドイッチ様の構造を規定する他の層を有することができる。集積回路は、第１の層の下に設けることができる。
【００２６】
前記方法を改良する上で、第１の層の上方に（すなわち、第２の層と反対側の上に）少なくとも１つの追加の層を設けることができる。
【００２７】
２種類の異なるエネルギー源を用いることができ、その各エネルギー源はそれぞれのパルスを発生させ、各それぞれのパルスはパルス延長手段によって延長されて処理パルスを発生する。次に、第１の層を、両方の処理パルスで照射することができる。それは、実質的に同時または順次にて行うことができる。
【００２８】
これらの異なるエネルギー源は、２種類の異なるレーザーを含むことができ、各レーザーは異なる波長のパルスを生成する。例えば、一方のエネルギー源が、ＫｒＦレーザーまたは他の種類のエキシマレーザーを含み、他方のエネルギー源が二酸化炭素（ＣＯ２）レーザーを含むようにすることができる。
【００２９】
ある形態において本方法は、第１の層と第２の層の間に金属層を設ける段階、ならびに第１の層を２種類の異なる処理パルスで照射する段階を有することができる。ＣＯ２レーザーとＫｒＦレーザーを用いることで、２つの効果を得ることができる。第１に、第１の層がＫｒＦレーザーパルスによって上部から下方に加熱される。第２に、ＣＯ２レーザーパルスによって励起された場合に金属層が加熱することから、第１の層が底部から上方に加熱される。それにより、両側から層の効果的な加熱が行われる。
【００３０】
パルスのフルエンスは、実質的に０．０５Ｊ／ｃｍ２、０．１Ｊ／ｃｍ２、０．２Ｊ／ｃｍ２、または恐らくはそれより高い値もしくは低い値であることができる。フルエンスについては、１つ以上の前記値によるその上限および／または下限を境界とする、範囲内のいずれかの値を選択することができる。例えばフルエンスは、０．０５〜０．１Ｊ／ｃｍ２、または０．１〜０．２Ｊ／ｃｍ２、または０．０５〜０．１Ｊ／ｃｍ２の範囲内であることができる。
【００３１】
処理パルスの時間幅およびフルエンスを選択して、第１の層の材料の厚さおよび特性に適合するようにすることで、第１の層の表面温度（すなわち、照射を受ける表面）が、所定の最高温度を超えないようにすることもできる。１μｍの層上に好適な処理パルス幅を用いることで、表面温度を、約１５００℃（使用する材料によって決まる）というペロブスカイト融点以下に維持することが可能である。
【００３２】
当然のことながら、第１の時間長さを有する短パルスで開始し、そのパルスを延長するのではなく、特注のレーザー装置を用いることで、比較的長い初期パルスを用いることが可能であると考えられることは、容易に理解できよう。しかしながらそれは、非常に高コストとなると考えられることから、好ましいものではない。本発明者らは、非延長パルスを用いるそのような方法に関して権利保護を求めるものである。
【００３３】
ある改良においては、装置の周囲温度を室温より高く維持しながら、第１の層に処理パルスを照射することができる。１００℃〜４５０℃、または２００〜４５０℃、あるいは限界１００℃と５００℃の間の他の範囲の周囲温度を用いることができると考えられる。３００℃という周囲温度が好ましい。それは、温度を相転移温度より高く上昇させる作用が低い、比較的低エネルギーのレーザーパルス源を用いることが可能であることを意味している。さらに別の改良においては、第１の層の堆積時に、レーザー光を基板に照射することができると考えられる。
【００３４】
デバイスを形成する層（または複数層）の堆積とアニーリング段階との間には、かなりの時間的遅れがあり得ることも明らかであろう。例えば、デバイスの層を、ある工場または工場の一室で堆積してから、別の部屋もしくは工場に移動してアニーリングを行う場合がある。実に本方法は、デバイスの寿命のあらゆる時点あるいは使用の前後での、第１の層および第２の層を有するデバイスのアニーリングにおいて使用可能である。
【００３５】
第１の材料層は、ペロブスカイトを形成するのに必要な温度以下の温度で堆積することができ、実質的に完全に非ペロブスカイト相として堆積することができる。例えばＰＳＴの場合、３００℃以下（非晶質材料を得るため）で堆積したり、あるいは３００℃の間または５００℃で堆積してパイロクロール材料を得ることで、非ペロブスカイト層が得られると考えられる。堆積に使用する温度が高いほど、アニーリング前に材料の一部が、ペロブスカイト相で存在する確率が高くなる。当然のことながら、材料の堆積に使用される温度は、第２の層の温度収支を超えるものであってはならない。
【００３６】
当然のことながら、温度収支によって、本発明者らが第２の層に対して許容できない損傷または劣化を起こすことなく、第２の層を加熱できる最高温度を意味していることを、当業者であれば理解できよう。
【００３７】
第２の態様によれば本発明は、ペロブスカイト相として存在できる第１の材料層、および集積回路を規定する第２の材料層を少なくとも有する、集積強誘電性デバイスを製造するための装置であって、
第１の時間幅を有するエネルギーのパルスを発生させるよう適合されたパルス発生手段と、
前記パルスの時間パルス幅を延長することで、より大きい時間幅の処理パルスを提供するよう適合されたパルス延長手段と、
前記第１の層上に前記エネルギーの処理パルスを誘導することで、前記第２の層の集積回路の温度収支を超えないようにしながら、前記第１の層における材料の一部または全体を、非強誘電状態から強誘電状態に変換する、あるいは第１の層の材料の特性における改良を行うよう適合された誘導手段とを有する装置を提供する。
【００３８】
前記装置はさらに、前記第２の層の上方に前記第１の材料層を堆積する手段であって、前記第１の層の一部または全体が、非ペロブスカイト相となるようにする手段を有することができる。
【００３９】
前記パルス発生手段は例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）レーザーなどのエキシマレーザーなどのレーザーを有することができる。別法として、その手段は二酸化炭素（ＣＯ２）レーザーを有することができる。レーザーは、例えば２４８ｎｍという紫外スペクトラムの波長を有することができる。好適なレーザーの例は、ラムダ・フィジック（Lambda Physik）ＬＰＸ２１０ｉ  Ｋｒｆエキシマレーザーである。
【００４０】
堆積手段は、第２の層上に１以上の中間層を堆積した後に、第２の層の上方に第１の材料層を堆積するよう適合することができる。これら中間層の一つに犠牲層を設け、その犠牲層を除去することで、第１の層と第２の層との間に空間を残してマイクロブリッジを形成することができる。第２の層の集積回路と第１の層との間で電気的接続を行うことで、デバイスは赤外線熱検出器として作用することができる。
【００４１】
従って、犠牲層を除去するための除去手段を提供することができる。犠牲層は、第１の層をアニーリングする前後に除去される。
【００４２】
前記デバイスは、焦電気または誘電性ボトメーター（botometer）型赤外線検出器などの熱検出器を有することができる。そのデバイスは、熱撮像カメラを規定するデバイス列、恐らくは非冷却列を有することができる。別の形態としてそのデバイスは、圧電アクチュエータ、または恐らくは強誘電性ランダムアクセスメモリーを有することができる。１個のウェハ上に多くのデバイスを配列することができる。当然のことながら、ある改良では、アニーリングすべき第１の層（恐らくは強誘電体ではない）、および過熱に対して感受性である第２の層を有するデバイスを、アニーリングするための装置を提供することは、求められる権利保護の範囲に含まれる。
【００４３】
デバイス列が提供される場合、列状のデバイスの複数個または好ましくは全てを、同時に処理パルスで照射することができる。別法として、多くの処理パルスから構成されるレーザー光をデバイス列全体に走査することで、デバイスに順次処理パルスを照射することができる。別の形態では、レーザーを固定しながら、１つ以上の並進ステージを用いて、デバイス列をレーザーに対して移動させることができる。
【００４４】
前記装置はさらに、アニーリング時に集積デバイスの周囲温度を上昇させる手段を有することができる。それは加熱要素を有することができ、その上にデバイスを乗せる。
【００４５】
前記装置はさらに、アニーリング時にデバイス周囲から空気を排出する手段を有することができる。例えば真空室を設け、その真空室内にデバイスを置くことができる。供給口を設けることで、アニーリング時に、真空室に酸素などの１種類以上のガスを充填することができる。
【００４６】
第１のパルスの時間パルス幅を、実質的に２倍、４倍、実質的に１０倍、それ以上、あるいはこれらの値間の範囲のいずれかの値で、大きくするようにパルス延長手段を適合させることができる。ある構成においては、各サブパルスが第１のパルスに相当する多くのサブパルスを含む処理パルスを得るように、パルス延長手段を適合させることができる。それは、第１のパルスの部分的多重反射を用いて行うことができる。好適なパルス延長手段は、エキシテク社（Exitech Limited, Hanborough Park, Long Hanborough, Oxford, OX8 8LH）から入手することができる。
【００４７】
第３の態様によると本発明は、強誘電体材料の第１の層、および集積回路を有する第２の層を少なくとも有する、集積強誘電性デバイスであって、前記第１の層が、時間的に延長されたレーザーからのエネルギーパルスを用いてペロブスカイト相に変換されたデバイスを提供する。
【００４８】
前記第１の層は、ＰＳＴ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）およびその他のものなどの、ペロブスカイト相で存在し得る種類の材料から選択される材料を含むことができる。
【００４９】
前記第２の層は、シリコン、酸化ケイ素、必要なメタライゼーション、および注入ドーピング層を有して、集積回路を規定することができる。当然のことながら、他の材料も可能である。
【００５０】
前記デバイスは、マイクロブリッジを有することができる。それは、撮像デバイスの一部を形成して、入射光を検出することができる。デバイス列を設けて、例えばシーンの２次元画像を得ることができる。その場合、第１の層を第２の層から隔てて設けることで、第２の層に重なるブリッジを規定することができる。
【００５１】
前記ブリッジの上側表面は、金属コーティングを有することができる。ブリッジの下側表面も、同様にあるいは上層に代えて金属コーティングを有することができる。ブリッジの下側表面上の金属コーティングは、チタン層と重なる白金層を有することができる。上側表面上の金属コーティングはチタン層を有することができる。
【００５２】
第２の層の集積回路は、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）を有することができる。それは、第１の層からの信号を増幅するよう適合された増幅器を有することができる。
【００５３】
二酸化ケイ素などの障壁層を、ブリッジの下側表面に設けることができる。それは、存在する金属層に重なっていても良い。第２の層にも障壁層を設けることができる。やはりその層も、例えば二酸化ケイ素であることができる。障壁層は、第１の層と第２の層との間の間隙を規定する犠牲材料が、デバイス製造時にそれらの層と反応するのを防止するものである。当然のことながら、最終的に製造されたデバイスでは、好適なエッチングを行って、犠牲材料を実質的に全て十分に除去しておくことができる。熱拡散性が低いＳｉＯ２層などの熱障壁層を、間隙において第１の層の下に設けることで、第１の層から出る熱の下方への流れを促進することができる。
【００５４】
当然のことながら、デバイスはマイクロブリッジを有する必要はない。例えばデバイスは、別の形態の赤外線感知デバイスを有することができる。そのデバイスは、薄膜圧電アクチュエータ、強誘電性ランダムアクセスメモリー（ＦｅＲＡＭ）、またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）であることができる。
【００５５】
最も好ましくは、強誘電体材料の第１の層の厚さは２０００Åを超え、５０００Åを超え、あるいは最大１μｍである。その層の厚さ全体にわたって実質的に全ての材料がペロブスカイト相で存在し、それを延長されたレーザーパルスを用いてアニーリングすることができる。
【００５６】
さらに別の態様によれば本発明は、レーザー源からの時間的に延長されたパルスの光を第１の材料層に照射することで、前記第１の層の下に設けられた第２の材料層を第１の温度まで加熱することなく、前記第１の層を前記第１の温度まで優先的に加熱する方法を提供する。
【００５７】
パルスの時間的延長によって、層全体を、第１の温度まで、あるいは第１の温度より高く加熱するのに十分なパルスエネルギーで照射を行った場合に、第１の層の表面温度は、エネルギーを相対的に短時間で供給する相当する未延長パルスの場合と比較して低い。
【００５８】
当然のことながら別の形態では、最上表面層がそれの融点を超えたり、あるいはその他の形で損傷を受ける程度まで、第１の層を加熱することができる。アニーリング後、その損傷を受けた（望ましくない）層は、ミリングによる除去、あるいはその他の方法で除去することができると考えられる。
【００５９】
第１の層は、強誘電性状態で存在することができる材料を含むことができる。第２の層は、集積回路が形成されたシリコン基板を有することができる。４５０℃を超えて加熱すると、そのような回路が損傷するが、ほとんどの強誘電体材料に関して、高品位の強誘電体材料を得るには４５０℃を超えて加熱する必要があることは一般に認められている。それは、厚さ少なくとも１μｍまでの強誘電体材料層について、本発明の方法を用いて達成することができる。
【００６０】
好ましくはパルス幅を選択して、表面温度を融点以下に維持するが、第２の層の表面温度が第１の温度を超えない程度に大きい速度で、第１の表面の熱を拡散するだけの長さになるようにする。それは、第１の層の特性およびパルスの波長によって決まる。
【００６１】
さらに別の態様によれば本発明は、処理層および１つ以上の別の層を有する、製造品の前記処理層を加熱する方法であって、時間延長手段によって時間延長されたレーザーパルスで製造品を照射する段階であって、パルスの時間幅およびフルエンスを選択して、１つ以上の別の層は実質的に処理温度Ｔ以下に維持しながら、処理層を処理温度Ｔまで昇温させるようにする段階を有することを特徴とする、方法を提供する。
【００６２】
好ましくは処理層は、製造品の表面から下方に延びており、１つ以上の別の層が処理層の下にある。
【００６３】
別形態として、処理層は１つ以上の他の層の間に設けることができる。
【００６４】
レーザーパルスは、レーザービームの部分反射によって時間的に延長することができる。
【００６５】
熱処理は、アニーリングプロセスを含むことができる。熱処理は、処理層の材料の一部または全体を、それの未処理状態から異なる処理状態に変換するように適合させることができる。例としては、強誘電体材料の非ペロブスカイト状態からペロブスカイト状態への変換、あるいは低品位ペロブスカイトから高品位ペロブスカイトへの変換がある。他の処理には、第１の層内のロックドインストレスを放出したり、あるいは単に、第１の層の材料にける化学的変化または状態の何らかの他の物理的変化を生じさせるための加熱などがある。
【００６６】
さらに別の態様によれば本発明は、処理層および１つ以上の別の層を有する、製造品の処理層を加熱処理するよう適合された装置であって、レーザーパルスを発生させるよう適合されたレーザーと、レーザーパルスの時間幅を延長するよう適合された時間延長手段と、製造品上に時間延長パルスを誘導する誘導手段とを有する装置であり、レーザーパルスが、１つ以上の別の層を実質的に処理温度Ｔ以下に維持しながら、処理層の温度を処理温度Ｔより高温まで昇温させるよう適合されることを特徴とする装置を提供する。
【００６７】
ある面において、少なくとも１つの構成における本発明の目的は、標準的な市販のレーザー装置を用いて達成できるものより、均一な第１の層における材料の加熱を行うことにある。別の形態においてそれは、延長されたパルスを用いて比較的低速で必要な熱エネルギーを提供することで、第１の層での表面温度を下げるための方法および装置と考えることができる。別の態様において本発明は、材料層のより制御されたしかもより正確な加熱を行う、好適な時間の延長されたパルスを提供することで、製造品の望ましくない領域で加熱が起こらないようにするものである。
【００６８】
以下、添付の図面を参照しながら、単に例示を目的として本発明のある実施態様について説明する。
【００６９】
本発明による方法および装置を用いて得ることができる改善を量的に表すため、代表的な赤外線感知装置全体にわたる温度プロファイルのモデルを作成し、従来技術の単一パルスレーザー、および本発明によるパルス延長されたレーザーの両方を用いて実験データを得た。
【００７０】
レーザー放射を用いた任意の材料の熱について拡散式が解かれている。層積層物および照射レーザービームが、ｘ−ｙ面において均一であり、照射レーザービームが、ビームホモジナイザーの使用によるものであると仮定すると、その式は一次元の形で以下のように表すことができる。
【数１】
0004909462.tif 000003
【００７１】
式中、Ｉ（ｚ，ｔ）は、深さｚおよび時間ｔでのレーザー光のパワー密度であり、Ｔは吸収性媒体での温度であり、Ｔａはアニーリング室の周囲温度であり、ε、ρ、Ｃｐ、ｋおよびαはそれぞれ、放射率、密度、比熱、熱伝導度および吸収係数である。ＰＳＴなどの強誘電性材料の熱特性、およびその材料に印加される時間の形でのレーザーパルスを入力することで、材料全体での温度分布を推定することができる。しかしながら留意すべき点として、ペロブスカイト相形成による潜熱の作用は考慮されていない。ただし、それは本発明に影響するものではない。
【００７２】
代表的なセンサーの構造は、添付の図面の図１０の断面図、および図１の平面図に示してある（ならびに表１）。
【００７３】
このセンサーは、図１に示したマイクロブリッジ１０を有し、そのマイクロブリッジは、撮像装置における画素列の１個の画素を形成する主検出器領域１２を有する。主検出器領域１２は、入射光に対して感受性である感知材料、代表的にはタンタル酸鉛スカンジウムなどの強誘電性材料のブリッジ１４を有する。そのマイクロブリッジ領域は代表的には、５０μｍ×５０μｍである。脚部の幅は約５μｍであり、脚部の長さは約３０μｍである。感知材料には、下側および上側の両面に導電性コーティングを設ける。上側面のコーティングはパターニングされて、上側ブリッジ体領域上のみのコーティングとする。下側面のコーティングは、感知材料と同じ形状にパターニングすることで、マイクロブリッジの脚部の下方に連続するようにする。下側コーティングの電気的不連続（不図示）により、ブリッジ１４は２つの領域に分かれている。シリコンの基板またはベース層（不図示）が設けられており、ブリッジ１４は、１対の脚部１８によってシリコンベース層から離れた状態で支持されており、その脚部は下方に傾斜していることで、対角線方向で向かい合う角部２０および２２で主検出器領域１２に接触している。これらの脚部の足２４および２６は、シリコンベース層と接触している。
【００７４】
図１０には、マイクロブリッジの２個の足を通るように切った、図２のマイクロブリッジの断面図を示してある（同じ比率で拡大していない）。図１０の構成では、代表的には深さ３００〜５００μｍのシリコンベース層または基板Ａ、前記シリコン層の上方に延びる深さ約０．５μｍの二酸化ケイ素絶縁層Ｂ、平均深さ１〜２μｍの空間Ｇ（デバイス製造時には犠牲材料で満たされている）、チタン層および白金層Ｄ（１００Åレベルのチタン、１０００Åレベルの白金層）、この例では深さ／厚さ約１μｍのタンタル酸鉛スカンジウムの強誘電体層Ｅ、ならびに深さ約１００〜２００Åのチタン層Ｆがある。
【００７５】
強誘電体材料の上側および下側の表面は、金属コーティングを有する。下側表面の金属コーティングは、チタン層に重なった白金層を有する。上側方面の金属コーティングはチタン層を有する。図２における導電層ＤとＦの間の距離（Ｈで示してある）は、感知材料の屈折率と組み合わせると、マイクロブリッジが感受性である放射の波長の１／４に等しい光学距離となる。そうしてマイクロブリッジは、熱感受性層の厚さによって、特定波長への吸収に対して調整される。波長１０μｍの放射の場合それは、ほとんどの強誘電性セラミック材料において、好ましくはタンタル酸鉛スカンジウムにおいて、約１μｍの物理的厚さであることを示すものである。吸収を最適とするためには、上側表面上のチタンコーティングは、自由空間に適合したシート抵抗、すなわち３７７オーム／平方を有しており、下側表面上の白金コーティングは高い赤外線反射率を有する。すなわち厚さが１００ｎｍを超える。下側コーティングは不連続部Ｉを有している（それによって、効果的にバックツーバックで直列に接続された、２個の平行板コンデンサーが得られる）。それによって、下側コーティングを用いて、感知材料に対して２個のコンタクトを得ることができ、上側コーティングを電気的にフローティングとすることができる。
【００７６】
導電性金属相互接続トラックＣが、シリコンベース層上に設けられていることで、マイクロブリッジからの信号が読み出し電極に接続されるようになっている。シリコンベース層は、絶縁層Ｂ（この場合は二酸化ケイ素）でコーティングされていて、相互接続トラックを電気的に絶縁している。感知材料の下側コーティングの両半分はそれぞれ、シリコンベース層上の別個の相互接続トラックに接続されている。読み出し電子装置がベースシリコン層にある撮像デバイスにおいては、相互接続トラックを読み出し電子装置とともに、すなわち二酸化ケイ素その他の類似のパッシベーション層Ｂの下でパターニングし、マイクロブリッジへのコンタクトが、パッシベーション層にあるバイアを介して行われる。
【００７７】
図３および４には、フルエンス０．１Ｊ／ｃｍ２のエキシマレーザーからの２５ｃｍ幅のレーザーパルスによる、図１０のデバイスの層全体にわたる温度分布を示してある。その温度分布は、厚さ０．１μｍの別個の１０層によるシミュレーションでモデル化したものであり、その平均温度を図４に深さの関数として示してある。表面温度は非常に高く、しかもＰＳＴ層の厚さ方向に温度勾配がある。図４には、照射表面からの距離に対しての温度分布を示してある。やはり、高い温度勾配と過剰な表面加熱が認められる。
【００７８】
高い表面温度の問題を解決するために、本発明の１つの態様による装置が提案されている。それを図１１に示してある。その装置は、コンピュータ１０１によって制御される市販のエキシマレーザー１００を有し、それが全半値幅（ｆｗｈｍ）２５ｎｓのパルス幅を有する光パルスを発生させる。レーザー１００からの出力は、可変減衰器１５０および時間延長手段２００を通過し、時間延長手段によって効果的にパルス幅が大きくなり、従って拡散距離が大きくなる。次に延長されたレーザーパルスは、アナモフィックテレスコープ２１０およびビームホモジナイザー２２０を通過して、真空室３００に至る。
【００７９】
真空室３００には加熱プレート３０１が組み込まれており、その上に未処理のセンサーを有するウェハ３０２を、ＵＶ透過窓３０３の後ろに置く。熱によってセンサーを規定するウェハの周囲温度が上昇し、パルス化レーザービームが、ＰＳＴ層をアニーリングしてペロブスカイト相の層とする。真空室内を排気しながら、導入口３０５から真空室に処理ガスが導入できるように、真空ポンプ３０４が設けられている。
【００８０】
この装置からの測定された温度プロファイルを図５に示してある。主パルス延長作用に相当する１０個のサブパルスと、それに続いて減衰する副次的パルスが認められ、後者は系における不完全な部分に相当する。パルス延長手段によって、パルス幅が全半値幅２５ｎｓから３５０ｎｓへと大きくなっている。
【００８１】
パルスが０．１Ｊ／ｃｍ２のフルエンスを有すると仮定して（未延長パルスに関して）、各層に対するパルスの作用を、平均層温度について図６に示し、各種時点での照射表面からの距離に対する温度分布について図７に示してある。やはり、０．１μｍの１０層であるとモデル化したＰＳＴの１μｍ層を仮定した。
【００８２】
パルス延長手段の作用は、表面に送られるエネルギーの速度を効果的に低下させることで、発生した熱が放散する時間を延長するというものである。それに応じて表面温度が、非延長パルスの場合より低くなり、ＰＳＴ層全体の中で温度勾配が低くなり、従って平均温度が上昇する。パルス幅はなお十分に短く、能動回路があるシリコンウェハの最上層の温度が、ウェハ全体の周囲温度より数度を超えて上昇するのが防止されることは明らかである。
【００８３】
ゾル−ゲル堆積ＰＺＴについて図１１に示した構成に基づいた装置を用いた初期試験によって、その方法が、下にあるＲＯＩＣに損傷を与えることなく、非晶質の堆積した状態の材料を、結晶化させて必要な強誘電性ペロブスカイト相とすることができるものであることが明らかになっている。
【００８４】
図８には、堆積した状態の材料のｘ線回折（ＸＲＤ）θ−２θ走査を示してある。図で存在することが認められる反射は、ＰＺＴの下にある白金、および基板における白金と堆積した状態のＰＺＴにおける鉛との間での反応によって生じる金属間化合物によるものである。
【００８５】
図９には、酸素を充填した反応室内で、３００℃の周囲温度まで加熱した基板を用い、フルエンス８０ｍＪ／ｃｍ２で１０４パルスによって、パルス延長されたエキシマレーザーアニーリングした材料の同様のＸＲＤ  θ−２θ走査を示してある。ペロブスカイトＰＺＴからの反射が明瞭に認められ、それは材料が結晶化して適切な相となっていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従ってアニーリングされた強誘電体層を有する集積非冷却ＩＲ検出器を示す図である。
【図２】  従来技術のラムダ・フィジックＬＰＸ２１０ｉエキシマレーザーについて測定された時間パルス形状のプロットである。
【図３】  幅２５ｎｍおよびフルエンス０．１Ｊ／ｃｍ２の非延長レーザーへの曝露による、１μｍのＰＳＴの厚さ方向における予想される従来技術の温度プロファイルのセットを示す図である。
【図４】  フルエンス０．１Ｊ／ｃｍ２の非延長レーザーパルスへの曝露中および曝露後における、ＰＳＴ層積層物の深さ方向での予想される従来技術の温度プロファイルを示す図である。
【図５】  本発明によるエキシマレーザーを用いた、３５ｎｍのパルス間遅延での１０倍パルス延長作用における測定された時間パルス形状を示す図である。
【図６】  フルエンス０．２Ｊ／ｃｍ２の延長されたレーザーパルスに曝露した場合の１μｍのＰＳＴ層における、予想される温度プロファイルを示す図である。
【図７】  フルエンス０．２Ｊ／ｃｍ２の延長されたレーザーパルスへの曝露中および曝露後における、ＰＳＴ層積層物の深さ方向での予想される温度プロファイルを示す図である。
【図８】  堆積した状態でアニーリングされていないゾル−ゲルＰＺＴ層のＸＲＤ  θ−２θ走査を示す図である。
【図９】  パルス延長されたレーザーでアニーリングしたゾル−ゲルＰＺＴ層のＸＲＤ  θ−２θ走査を示す図である。
【図１０】  本発明に従ってアニーリングされた代表的なマイクロブリッジデバイスを示す断面図である。
【図１１】  本発明のある実施態様の装置を示す図である。
【図１】
0004909462.tif 000004
【図２】
0004909462.tif 000005
【図３】
0004909462.tif 000006
【図４】
0004909462.tif 000007
【図５】
0004909462.tif 000008
【図６】
0004909462.tif 000009
【図７】
0004909462.tif 000010
【図８】
0004909462.tif 000011
【図９】
0004909462.tif 000012
【図１０】
0004909462.tif 000013
【図１１】
0004909462.tif 000014