(57)【要約】  本開示はモノリシック集積デバイスを説明する。このモノリシック集積デバイスは、デバイスの基部である基板層（１０１）；基板層（１０１）の上部かつ不活性化層（１０３）の下に配設された誘電性中間層（１０２）；誘電性中間層（１０２）内で形成され、かつ基板層（１０１）によって支持され、１つまたは複数の離隔された金属（２０４）によって形成された複数の金属層を備えた、電子回路部品；及び少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサ、を備える。各マイクロマシン超音波トランスデューサは、不活性化層（１０３）の上部に配設され、かつ電子回路部品に接続された、底部電極（３０１）；底部電極（３０１）の上部に配設された、圧電材料（３０２）；圧電材料の上部に配設された、上部電極（３０３）；及び上部電極（３０３）の上部に位置付けられた、弾性層（３０４）、を備える。不活性化層（１０３）から誘電性中間層（１０２）の一部に延び、底部電極（３０１）の下で形成された、空洞（３０６）が存在する。【選択図】図２
2020535776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック集積デバイスであって、
前記デバイスの基部である、基板層（１０１）と、
前記基板層（１０１）の上部、かつ不活性化層（１０３）の下に配設された、誘電性中間層（１０２）と、
前記誘電性中間層（１０２）内に形成され、かつ前記基板層（１０１）によって支持され、１つまたは複数の離隔された金属（２０４）によって形成された複数の金属層を備えた、電子回路部品と、
少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサであって、各々は、
前記不活性化層（１０３）の上部に配設され、かつ前記電気回路部品に接続された、底部電極（３０１）と、
前記底部電極（３０１）の上部に配設された、圧電材料（３０２）と、
前記圧電材料（３０２）の上部に位置付けられた、弾性層（３０４）と
を備えた、少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサと
を備え、
各マイクロマシン超音波トランスデューサの下で、前記不活性化層（１０３）から前記誘電性中間層（１０２）の一部に延びた空洞（３０６）を伴って形成される、モノリシック集積デバイス。
【請求項２】
前記底部電極は２つの半体に分割される、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項３】
前記弾性層（３０４）と前記圧電材料（３０２）との間に、上部電極（３０３）をさらに備える、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項４】
前記弾性層の一方または両方の端部の下に配設され、かつ前記電子回路部品に接続された電気接続部（３０５）をさらに備える、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項５】
前記電気接続部（３０５）は、隣接するマイクロマシン超音波トランスデューサの前記底部電極（３０１）に接続するための、ベース部を有する、請求項４に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項６】
前記電子回路部品は、前記基板層（１０１）において、少なくとも１つのソース及びドレイン要素（２０１）を含む、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項７】
前記電子回路部品は、誘電性中間層（１０２）において、各々が前記ソース及び前記ドレイン要素（２０１）に接続された、少なくとも１つのゲート（２０２）を含む、請求項６に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項８】
前記電子回路部品は、前記ソース及び前記ドレイン要素（２０１）、ならびに前記ゲート（２０２）のうちの任意の１つ、または任意の組み合わせを、前記金属（２０４）のうちの１つに接続させるための、少なくとも１つのコンタクト要素（２０３）を含む、請求項６に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項９】
異なる金属層を接続するための、１つまたは複数のビア（２０５）をさらに備える、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１０】
前記底部電極（３０１）を前記電子回路部品と接触させるための、ビアコンタクト（２０６）をさらに備える、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１１】
前記モノリシック集積デバイスは、少なくとも１つの接合パッド開口部（１０４）を伴って作り出され、前記接合パッド開口部（１０４）は、前記不活性化層（１０３）を貫通し、前記金属（２０４）のうちの１つに到達するまで、前記中間層（１０２）の中に部分的に延びる、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１２】
前記電子回路部品はＣＭＯＳデバイスである、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１３】
前記弾性層（３０４）は、アモルファスケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化金属、窒化バイメタル、または金属酸化物のうちの任意の１つである、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１４】
前記圧電材料（３０２）は、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムスカンジウム、鉛ジルコネートタイタネートのうちの任意の１つである、請求項１に記載のモノリシック集積デバイス。
【請求項１５】
モノリシック集積デバイスであって、
前記デバイスの基部である、基板層（１０１）と、
前記基板層（１０１）の上部、かつ不活性化層（１０３）の下に配設された、誘電性中間層（１０２）と、
前記誘電性中間層（１０２）内に形成され、かつ前記基板層（１０１）によって支持され、１つまたは複数の離隔された金属（２０４）によって形成された複数の金属層を備えた、電子回路部品と、
少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサであって、各々は、
前記不活性化層（１０３）の上部に配設され、かつ前記電気回路部品に接続された、底部電極（３０１）と、
前記底部電極（３０１）の上部に配設された、圧電材料（３０２）と、
前記圧電材料（３０２）の上部に配設された、上部電極（３０３）と、
前記上部電極（３０３）の上部に位置付けられた、弾性層（３０４）と
を備えた、少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサと
を備え、
前記底部電極（３０１）の下で、前記不活性化層（１０３）から前記誘電性中間層（１０２）の一部に延びる空洞（３０６）を伴って形成される、モノリシック集積デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モノリシック集積デバイスに関する。詳細にはこのデバイスは、相補型金属酸化膜半導体ＣＭＯＳを伴う、圧電型マイクロマシン超音波トランスデューサＰＭＵＴのモノリシック集積である。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシン超音波トランスデューサは、ＡＣ電圧信号を印加すると高圧波動を生成できる振動膜を備えた、電子デバイスである。生成された波動は、媒体を介して移動し、波動が対象物にぶつかると、反射してトランスデューサに戻る。伝えられ、反射された波動は電子的に処理され、距離、形状、及び他の物理的特性を含む対象物の情報を検出する。膜の振動は、静電容量変換または圧電変換のいずれかによって可能にされる。静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサは、ＣＭＵＴとして知られており、その一方で圧電型マイクロマシン超音波トランスデューサは、ＰＭＵＴとして知られている。
【０００３】
ウェハ接合は、マイクロマシン超音波トランスデューサを相補型金属酸化膜半導体ＣＭＯＳ基板と一体化させるための、従来の方法である。米国特許出願公開第２０１６／０００９５４４号明細書は、マイクロマシン超音波トランスデューサを、相補型金属酸化膜半導体ＣＭＯＳ基板と一体化させるための方法を開示している。このマイクロマシン超音波トランスデューサは、ＣＭＵＴまたはＰＭＵＴとすることができる。この方法は、ＰＭＵＴを基板に接合、ならびに１つの基板を別の基板に接続する、ウェハ接合技術を含む。国際公開第２０１６／０４０３３３号は、超音波トランスデューサＭＵＴ構造及び圧電材料によって形成されたＰＭＵＴを有する、微小電気システムＭＥＭＳデバイスを開示している。第１の金属導電層は圧電材料に配設され、複数の金属電極は、第１の金属導電層と、圧電材料と、ＣＭＯＳ構造との間に電気接続部を形成するよう構成される。ＰＭＵＴ構造及びＣＭＯＳ構造は、垂直方向に重ねられ、それによってＭＵＴ構造は、共晶接合及び圧縮接合などのウェハ接合技術を介して、離隔絶縁器においてＣＭＯＳに接合される。
【０００４】
この開示は、圧電によって作動される膜を利用する、マイクロマシン超音波トランスデューサに焦点を当てている。ＰＭＵＴは、薄い圧電性フィルムと連結された薄い膜の撓み運動に基づいて、動作する。ＰＭＵＴが与える様々な利点として、帯域を広げること、順応性のある外形を提供すること、必要とする電圧を最小限に抑えること、異なる共振振動数の混合を可能にすること、及び高振動数電子デバイスの小型化をサポートすること、が挙げられる。通常、ＰＭＵＴセルは、別個の基板上に組み立てられ、ＣＭＯＳ基板に配線接合するか、またはウェハ接合技術を使用してＣＭＯＳ基板に接合する。しかし、これらの接合方法は、低い充電率及び高い電気的寄生の量を生じさせる。
【０００５】
接続した２つのＰＭＵＴチップの機械的一体性を強めるために、通常は１０〜１５μｍである接合リングが、ＣＭＯＳ基板と圧電材料との間における有効ＰＭＵＴ領域の周りに適用される。加えて、電気的一体性を促進させるために、概ね５μｍの幅の追加の金属ラインが、隣接して位置付けられた２つのＰＭＵＴチップの圧電材料を接続するために、適用される。複数のＰＭＵＴセルが、特定の領域内に実装される場合、接合リング及び電気リングは大きい領域を占有し、それによって、一体化されたＰＭＵＴ−ＣＭＯＳデバイスの低い充電率を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０００９５４４号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１６／０４０３３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書で開示する本発明は、現行の一体化または接続されたＰＭＵＴ−ＣＭＯＳデバイスの上述の制限及び欠点に対するソリューションを提供するものである。本発明によって、ＰＭＵＴセルは互いに対して近くに配置することができ、充電率の向上を実現できる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、モノリシック集積デバイスに関する。このモノリシック集積デバイスは、デバイスの基部である基板層；基板層の上部かつ不活性化層の下に配設された誘電性中間層；誘電性中間層内に形成され、かつ基板層によって支持され、１つまたは複数の離隔された金属によって形成された金属層を備える、電子回路部品；各々が、不活性化層の上部に配設された底部電極を備え、かつ電子回路部品に接続された、少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサ；底部電極の上部に配設された圧電材料；及び圧電材料の上部に位置付けられた弾性層、を備える。モノリシック集積デバイスは、各マイクロマシン超音波トランスデューサの下で、不活性化層から誘電性中間層の一部に延びる空洞を伴って形成される。
【０００９】
底部電極は、好ましくは２つの半体に分割され、それによって第１の半体は底部電極の機能を実行し、第２の半体は上部電極の機能を実行する。
【００１０】
好ましい実施形態において、モノリシック集積デバイスは、弾性層と圧電材料との間に上部電極をさらに備える。
【００１１】
モノリシック集積デバイスは、好ましくは弾性層の一方または両方の端部の下に配設され、かつ電子回路部品に接続された、電気接続部を備える。
【００１２】
加えて、電気接続部は、隣接するマイクロマシン超音波トランスデューサの底部電極に接続するための、ベース部を有し得る。
【００１３】
好ましくは、電子回路部品は基板層において、少なくとも１つのソース及びドレイン要素を含む。
【００１４】
さらに好ましくは、電子回路部品は誘電性中間層において、各々がソース及びドレイン要素に接続された、少なくとも１つのゲートを含む。
【００１５】
さらに、電子回路部品は、ソース及びドレイン要素、ならびにゲートのうちの任意の１つ、または任意の組み合わせを、金属のうちの１つに接続するための、少なくとも１つのコンタクト要素を含み得る。
【００１６】
好ましくは、モノリシック集積デバイスは、異なる金属層に接続するための、１つまたは複数のビアをさらに備える。
【００１７】
加えて、好ましくは、モノリシック集積デバイスは、底部電極を電子回路部品に接触させるための、ビアコンタクトを備える。
【００１８】
１つの好ましい実施形態において、モノリシック集積デバイスは、少なくとも１つの接合パッド開口部を伴って形成される。この接合パッド開口部は、不活性化層を貫通し、金属のうちの１つに到達するまで、中間層の中に部分的に延びる。
【００１９】
好ましくは、電子回路部品はＣＭＯＳデバイスである。
【００２０】
弾性層の好ましい材料は、アモルファスケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化金属、窒化バイメタル、または金属酸化物のうちの任意の１つを含む。
【００２１】
圧電材料は、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムスカンジウム、鉛ジルコネートタイタネートのうちの１つとすることができる。
【００２２】
本発明のさらに別の好ましい実施形態は、モノリシック集積デバイスに関する。このモノリシック集積デバイスは、デバイスの基部である基板層；基板層の上部かつ不活性化層の下に配設された誘電性中間層；誘電性中間層内に形成され、かつ基板層に支持され、１つまたは複数の離隔された金属によって形成された複数の金属層を備えた、電子回路部品；各々が不活性化層の上部に配設された底部電極を備え、かつ電子回路部品に接続された、少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサ；底部電極の上部に配設された圧電材料；圧電材料の上部に配設された上部電極；及び上部電極の上部に位置付けられた弾性層、を備える。モノリシック集積デバイスは、底部電極の下で、不活性化層から誘電性中間層の一部に延びる空洞を伴って形成される。
【００２３】
本発明において、ＰＭＵＴセルはＣＭＯＳ基板と一体化され、単一のユニットを形成する。このような組み立て技術は、配線接合及びウェハ接合技術に取って代わる。加えて、別個の接合領域はもはや必要としないので、大きい空間を占有する接合リングのような構成要素を排除できる。隣接するＰＭＵＴセルを互いに電気接続させることが可能な電気接続部は、小さい寸法を有し、それによってこの電気接続部は、有効ＰＭＵＴ領域内に位置付けることができる。ＣＭＯＳ基板上のＰＭＵＴセルの構造及び構成は、充電率を増加させ、隣接するＰＭＵＴセル同士の間の距離を減少させ、かつ電気的寄生経路を減少させる。さらに、単一のＣＭＯＳ基板は、複数のＰＭＵＴセルを収容することのみが要求される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】上部電極のないＰＭＵＴセルを有するモノリシック集積デバイスの、第１の好ましい実施形態を示す図である。
【図２】上部電極を伴うＰＭＵＴセルを有するモノリシック集積デバイスの、第２の好ましい実施形態を示す図である。
【図３】複数のＰＭＵＴセルを伴うモノリシック集積デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明をより良好に理解するために、添付の図に例示された、本発明の好ましい実施形態の詳細を説明する。
【００２６】
相補型金属酸化膜半導体ＣＭＯＳを伴い、圧電型マイクロマシン超音波トランスデューサＰＭＵＴを一体化するモノリシック集積デバイスが、本開示で紹介される。本発明は、生成された波動を介して、対象物の距離、形状、または他の物理的特性を検出するための用途に使用される。この用途は、限定ではないが、医療用撮像、指紋センサ、衝突回避及び非破壊検査などのインダストリオートメーションを含む。
【００２７】
本発明の第１の好ましい実施形態を例示する、図１を参照すると、モノリシック集積デバイスは、デバイスの基部である基板層（１０１）；基板層（１０１）の上部かつ不活性化層（１０３）の下に配設された誘電性中間層（１０２）；誘電性中間層（１０２）内に形成され、基板層（１０１）によって支持された、電子回路部品；及び少なくとも１つのマイクロマシン超音波トランスデューサ、を備える。本明細書で使用される用語「電子回路部品」は、ＣＭＯＳデバイスなどの電気接続部によって接続された１つの電子要素、または複数の電子要素を備えた、能動回路部品を指す。本明細書で使用される用語「ＣＭＯＳ基板」は、電子回路部品、基板層（１０１）、誘導性中間層（１０２）、及び不活性化層（１０３）を指し、その一方で「マイクロマシン超音波トランスデューサ」は、ＰＭＵＴセルを指す。
【００２８】
各マイクロマシン超音波トランスデューサは、不活性化層（１０３）の上部に配設され、かつ電子回路部品に接続された、底部電極（３０１）；底部電極（３０１）の上部に配設された、圧電材料（３０２）；及び圧電材料（３０２）の上部に位置付けられた弾性層（３０４）、を備える。底部電極（３０１）は、好ましくは２つの半体に分割され、それによって第１の半体は底部電極（３０１）の機能を実行し、第２の半体は、圧電材料（３０２）の上部には位置付けられないが、上部電極の機能を実行する。マイクロマシン超音波トランスデューサは、電子回路部品による適切な電界によって励起されたとき、超音波を伝播する。マイクロマシン超音波トランスデューサの振動のための空間を提供するために、各マイクロマシン超音波トランスデューサの下に位置され、不活性化層（１０３）から誘電性中間層（１０２）の一部に延びた空洞（３０６）が形成される。空洞（３０６）は、真空状態とすることができる。
【００２９】
本発明の第２の好ましい実施形態は図２に示され、ここでは、モノリシック集積デバイスは、デバイスの基部である基板層（１０１）；基板層（１０１）と不活性層（１０３）の下との間に配設された誘電性中間層（１０２）；及び誘電性中間層（１０２）内に複数の金属層（２０４）を備え、かつ基板層（１０１）に支持された電子回路部品、を備える。第１の好ましい実施形態と第２の好ましい実施形態との間の違いは、マイクロマシン超音波トランスデューサにあり、第２の好ましい実施形態では、圧電材料（３０２）の上部かつ弾性層（３０４）の下に、上部電極（３０３）を備える。
【００３０】
本発明は、弾性層（３０４）の一方または両方の端部の下に配設され、電子回路部品に接続された、電気接続部（３０５）をさらに備える。電気接続部は、電気的一体性を促進させる役割を担い、隣接して位置付けられた２つのマイクロマシン超音波トランスデューサの間の電気接続を可能にする。好ましくは、電気接続部（３０５）は、隣接するマイクロマシン超音波トランスデューサの底部電極（３０１）に接続するための、ベース部を有し得る。電気接続部（３０５）を、上部電極（３０３）の一部とすることができ、それによって上部電極（３０３）は、電気接続部（３０５）としての役割を担うこともできる。
【００３１】
電子回路部品の要素は、基板層（１０１）における少なくとも１つのソース及びドレイン要素（２０１）と、誘電性中間層（１０２）において、ソース及びドレイン要素（２０１）に接続された、少なくとも１つのゲート（２０２）と、１つまたは複数の離隔された金属（２０４）によって形成された複数の金属層と、ゲート（２０２）を金属（２０４）のうちの１つに接続するための、少なくとも１つのコンタクト要素（２０３）と、異なる金属層を接続するためのビア（２０５）と、を含む。マイクロマシン超音波トランスデューサを作動させるために、電界が電子回路部品の中に作用する。ビアコンタクト（２０６）は、電界をマイクロマシン超音波トランスデューサに導くよう、底部電極（３０１）を電気回路備品に接触させるために使用される。
【００３２】
弾性層（３０４）は、印加された電圧信号を用いて高圧波動を生成する、振動膜である。弾性層として適用可能な材料として、限定ではないが、アモルファスケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化金属、窒化バイメタル、または金属酸化物が挙げられる。他方で、圧電材料（３０２）は、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムスカンジウム、鉛ジルコネートタイタネートのうちの任意の１つから作ることができる。
【００３３】
不活性化層（１０３）は、電子回路部品のための保護層として機能する。加えて、モノリシック集積デバイスは、少なくとも１つの接合パッド開口部（１０４）を伴い形成される。接合パッド開口部（１０４）は、不活性化層（１０３）を貫通し、モノリシック集積デバイスの接合パッドとして使用される金属（２０４）のうちの１つに到達するまで、誘電性中間層（１０２）の中に部分的に延びる。これらの接合パッド開口部（１０４）は、接合パッドを露出させるためにエッチングを介して形成することができる。
【００３４】
本明細書で説明したモノリシック集積デバイスは、ＣＭＯＳ基板内にマイクロマシン超音波トランスデューサの構成要素を組み込むことを特徴とし、それによって空洞（３０６）は誘電性中間層（１０２）内に形成され、マイクロマシン超音波トランスデューサの底部電極（３０１）及び上部電極（３０３）は、電子回路部品に接続するビアコンタクト（２０６）を使用して、ＣＭＯＳ基板に直接接続される。単一のＣＭＯＳ基板は、複数のＰＭＵＴセルと一体化することのみが要求される。図３を参照すると、誘電性中間層（１０２）内に形成された空洞を伴うＣＭＯＳ基板上に、複数のマイクロマシン超音波トランスデューサが実装される。ＣＭＯＳ基板を、マイクロマシン超音波トランスデューサに接続するための、別個の接合領域は必要とされない。なぜなら、本発明はモノリシック集積方法を採用するので、接合は必要としないからである。さらに、電気接続部（３０５）は小型サイズとされ、その幅は１μｍ未満とすることができ、それによって電気接続部（３０５）を、図３に示すように、有効ＰＭＵＴ領域（３０４ａ）内に位置させることができる。
【図１】
2020535776.tif 000003
【図２】
2020535776.tif 000004
【図３】
2020535776.tif 000005
【国際調査報告】
2020535776.tif 000006
2020535776.tif 000007
2020535776.tif 000008