專(zhuān)利名稱(chēng)：微電子壓電結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及微電子結(jié)構(gòu)和器件及其制造方法，尤其涉及包括壓電薄膜的結(jié)構(gòu)和器件及其制造和用途。
背景技術(shù)：
壓電材料對(duì)于多種應(yīng)用都是有用的。例如，壓電材料常用于構(gòu)成壓力計(jì)、傳感器、觸覺(jué)傳感器、機(jī)器人控制器、高頻聲音發(fā)生器、頻率控制電路以及振蕩器。
通常，所需的壓電材料特性，例如壓電效應(yīng)，隨著材料的結(jié)晶度的提高而提高。因此，常常需要高結(jié)晶質(zhì)量的壓電材料。
與用于構(gòu)成微電子器件比如微電子壓力傳感器、振蕩器等的其他材料相比，大體積(bulk form)的壓電材料比較貴。由于大體積壓電材料目前的總的來(lái)說(shuō)比較高的成本并且不易獲得，多年來(lái)試圖在外部襯底上生長(zhǎng)壓電材料薄膜。但是，為了獲得優(yōu)化的壓電材料特性，需要具有高結(jié)晶質(zhì)量的單晶膜。例如，已試圖在襯底比如硅上生長(zhǎng)壓電材料單晶層。這些努力通常都不成功，因?yàn)榛|(zhì)晶體和生長(zhǎng)晶體之間的晶格失配導(dǎo)致形成的壓電材料薄膜的結(jié)晶質(zhì)量低。
如果能夠低成本地獲得大面積、高質(zhì)量的單晶壓電材料薄膜，則可以有益地使用這種薄膜來(lái)制造許多半導(dǎo)體微電子器件，并且成本與在壓電材料大晶片(bulk wafer)上制造這樣的器件相比更低。另外，如果能夠在大晶片比如硅晶片上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的單晶壓電材料薄膜，則可以既利用硅、也利用壓電材料的最佳特性來(lái)實(shí)現(xiàn)集成器件結(jié)構(gòu)。
因此，需要一種在另一種單晶材料上提供高質(zhì)量的單晶壓電膜的微電子結(jié)構(gòu)，并需要一種制造這樣的結(jié)構(gòu)的方法。


下面結(jié)合附圖作為舉例而非限制對(duì)本發(fā)明加以說(shuō)明。本發(fā)明的附圖簡(jiǎn)要圖解了本發(fā)明的一種器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
附圖以剖面圖的方式簡(jiǎn)要圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微電子結(jié)構(gòu)100的一部分。該結(jié)構(gòu)100可以用來(lái)形成例如壓電致動(dòng)器、壓電傳感器以及鐵電存儲(chǔ)單元。
微電子結(jié)構(gòu)100包括一個(gè)單晶硅襯底102、一個(gè)單晶(Ba，Sr)TiO3層103、導(dǎo)電的單晶(La，Sr)CoO3層106和108、一個(gè)單晶Pb(Zr，Ti)O3或者說(shuō)PZT(鋯鈦酸鉛)層110、一個(gè)第一電極112和一個(gè)第二電極114。在本文件中，術(shù)語(yǔ)“單晶(的)”的含義應(yīng)當(dāng)是半導(dǎo)體工業(yè)中通用的含義。該術(shù)語(yǔ)指的是這樣的材料為單個(gè)晶體，或者基本上為單個(gè)晶體，應(yīng)當(dāng)包括那些具有較少數(shù)量的缺陷比如位錯(cuò)等的材料(這些缺陷通?？梢栽诠琛㈡N或者硅鍺混合襯底中發(fā)現(xiàn))，并包括在半導(dǎo)體工業(yè)中通常都有的這樣的材料的外延層。根據(jù)本發(fā)明，結(jié)構(gòu)100還包括位于襯底102和適應(yīng)緩沖層(accommodating buffer layer)之間的無(wú)定形中間層116。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，襯底102最好是半導(dǎo)體工業(yè)中所使用的高質(zhì)量單晶硅大晶片。單晶(Ba，Sr)TiO3層104最好是在下伏襯底上外延生長(zhǎng)的單晶鈦酸鍶材料。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)層104生長(zhǎng)過(guò)程中襯底102的氧化，無(wú)定形中間層116在襯底102和生長(zhǎng)的(Ba，Sr)TiO3層之間的界面上生長(zhǎng)于襯底102上。
無(wú)定形中間層116最好是通過(guò)氧化襯底102的表面而形成的氧化物，最好是由氧化硅組成。一般，層116的厚度約在0.5-5nm。
(La，Sr)CoO3層106和108通常構(gòu)造為允許生成跨過(guò)PZT層110的電場(chǎng)。另外，單晶層106允許在層106上形成單晶層110。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，層106和108的組成為L(zhǎng)a0.5Sr0.5CoO3，它們的厚度最好大于30nm，更好的是約30-100nm。
與相同或類(lèi)似材料的多晶膜相比，單晶壓電PZT層110具有更大的壓電效應(yīng)。因此，包括這種單晶膜的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)(按薄膜的每單位變形量)。反之，施加到薄膜上的單位電場(chǎng)可以產(chǎn)生更大的變形。為了提供理想的壓電效應(yīng)，層110的厚度最好為30-500nm，其組成為Pb0.4Zr0.6TiO3。
電極112和114便于分別到層108和106的電連接，同時(shí)提供比較惰性的電極。根據(jù)本發(fā)明，電極112和114的厚度約為100-200nm。
單晶襯底102的晶體結(jié)構(gòu)以晶格常數(shù)和晶格取向?yàn)楸碚鳌ｎ?lèi)似地，PZT層也是單晶材料，該單晶材料的晶格也以晶格常數(shù)和晶向?yàn)楸碚?。PZT層和單晶硅襯底的晶格常數(shù)必須緊密匹配，或者，通過(guò)將一個(gè)晶向相對(duì)于另一個(gè)晶向旋轉(zhuǎn)，能夠使晶格常數(shù)基本匹配。在這里，“基本相等”和“基本匹配”的含義是，晶格常數(shù)之間的相似性足以允許在下伏層上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的晶體層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，襯底102是(100)或者(111)取向的單晶硅大晶片，通過(guò)將所述鈦酸鹽材料的晶向相對(duì)于硅襯底大晶片的晶向旋轉(zhuǎn)45°，硅襯底和鈦酸鹽層104的晶格常數(shù)基本匹配。
層106-110是外延生長(zhǎng)單晶材料，這些晶體材料也以各自的晶格常數(shù)和晶向?yàn)楸碚?。為了在這些外延生長(zhǎng)單晶層中達(dá)到高的結(jié)晶質(zhì)量，所述適應(yīng)緩沖層必須具有高的結(jié)晶質(zhì)量。另外，為了在隨后淀積的薄膜106-110中獲得高的結(jié)晶質(zhì)量，也需要基質(zhì)晶體(在本例中是單晶(Ba，Sr)TiO3)和生長(zhǎng)晶體的晶格常數(shù)基本匹配。
下面的例子用于說(shuō)明本發(fā)明的一種用于制造微電子結(jié)構(gòu)比如附圖所示結(jié)構(gòu)的方法。該方法始于提供由硅組成的單晶半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該半導(dǎo)體襯底是(100)取向的硅晶片。襯底的取向最好是在晶軸(axis)上，至多離軸0.5°。該半導(dǎo)體襯底的至少一部分具有裸露的表面，該襯底的其他部分如下所述可能包含其他結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“裸露”在這里的意思是在該襯底的該部分中，表面已經(jīng)經(jīng)過(guò)清洗，除掉了氧化物、污染物以及其他外來(lái)物質(zhì)。眾所周知，裸露的硅活性很高，容易形成天然氧化物。術(shù)語(yǔ)“裸露”的意思包括這樣的天然氧化物。也可以在半導(dǎo)體襯底上有意地生長(zhǎng)薄層氧化硅，盡管這樣生長(zhǎng)的氧化物對(duì)于本發(fā)明的方法來(lái)說(shuō)并不是必需的。為了在單晶硅襯底上外延生長(zhǎng)單晶(Ba，Sr)TiO3層，天然氧化物層必須首先去除掉，以便露出下伏襯底的晶體結(jié)構(gòu)。接下來(lái)的工藝最好用分子束外延(MBE)法進(jìn)行，盡管根據(jù)本發(fā)明也可以用其他的外延工藝。天然氧化物可以這樣去除首先在MBE設(shè)備中熱淀積一薄層鍶、鋇或者鍶鋇組合物。在使用鍶的情況下，然后將襯底加熱到約750℃的溫度，使鍶與天然氧化硅層反應(yīng)。鍶用來(lái)去除氧化硅，露出無(wú)氧化硅的表面。得到的表面具有有序的2×1結(jié)構(gòu)，包括鍶、氧和硅。有序2×1結(jié)構(gòu)(ordered 2×1 structure)形成上覆鈦酸鹽層的有序生長(zhǎng)的一個(gè)模板(template)。該模板具有必要的化學(xué)和物理特性，對(duì)上覆層的晶體生長(zhǎng)起核的作用。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以通過(guò)下述手段轉(zhuǎn)化所述天然氧化硅，為單晶氧化物層的生長(zhǎng)準(zhǔn)備襯底表面用MBE在低溫下向襯底表面淀積氧化鍶、氧化鍶鋇或者氧化鋇，然后將該結(jié)構(gòu)加熱到約750℃的溫度。在此溫度，在氧化鍶和天然氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，去除天然氧化硅，留下一種有序2×1結(jié)構(gòu)，鍶、氧和硅留在襯底表面。同樣，這形成有序單晶鈦酸鹽層隨后的生長(zhǎng)的一個(gè)模板。
在從襯底表面去除氧化硅之后，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，將襯底冷卻到約200-800℃的溫度范圍，用分子束外延法在模板層上生長(zhǎng)一個(gè)鈦酸鍶層(例如約9-11nm)。MBE工藝始于打開(kāi)MBE設(shè)備中的閘板，暴露出鍶、鈦和氧源。鍶和鈦的比例大約為1∶1。氧的分壓初始設(shè)定在一個(gè)最小值，以以0.3-0.5nm每分鐘的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)化學(xué)計(jì)量的(stochiometric)鈦酸鍶。在啟動(dòng)鈦酸鍶的生長(zhǎng)后，氧的分壓增加到初始最小值以上。氧的過(guò)壓導(dǎo)致在下伏襯底和生長(zhǎng)的鈦酸鍶層之間的界面上生長(zhǎng)無(wú)定形氧化硅層。氧化硅層的生長(zhǎng)是由于氧透過(guò)生長(zhǎng)中的鈦酸鍶層擴(kuò)散到下伏襯底的表面。鈦酸鍶生長(zhǎng)為有序單晶，其晶向相對(duì)于下伏襯底的有序2×1晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45°。
在鈦酸鍶層生長(zhǎng)到所需厚度后，可以用一個(gè)模板層將單晶鈦酸鍶蓋住，該模板層有助于所需的壓電材料外延層的下一步生長(zhǎng)。例如，鈦酸鍶單晶層的MBE生長(zhǎng)可以被蓋住，用1-2個(gè)鈦單層、1-2個(gè)鈦-氧單層或者1-2個(gè)鍶-氧單層來(lái)終止生長(zhǎng)。
在形成所述模板之后(或者，如果沒(méi)有形成模板，在形成鈦酸鹽層之后)，用濺射淀積法生長(zhǎng)(La，Sr)CoO3材料。更具體地說(shuō)，通過(guò)RF磁控管濺射(面對(duì)面結(jié)構(gòu))從壓縮(La，Sr)CoO3靶生長(zhǎng)(La，Sr)CoO3層。進(jìn)行淀積時(shí)用氧作為濺射氣體，襯底溫度約為400-600℃。
下一步，用旋壓、溶膠-凝膠涂敷技術(shù)(spin-on，sol-gel coatingtechnique)在(La，Sr)CoO3層106上形成PZT層110，然后在450℃到800℃之間煅燒、結(jié)晶，形成單晶層。PZT層110也可用PVD或者CVD技術(shù)形成。
隨后，在單晶層106和108上形成電極112和114用濺射淀積技術(shù)淀積電極材料(例如鉑或者銥)，然后對(duì)材料進(jìn)行圖案形成(patterning)和蝕刻，從部分層106和108上去除所述材料。例如，可以利用惰性環(huán)境中的RF磁控管濺射將來(lái)自鉑靶的材料濺射到(La，Sr)CoO3層上，從而將鉑淀積到(La，Sr)CoO3層106和108上。在淀積鉑之后，利用合適的干法或者濕法蝕刻環(huán)境對(duì)鉑進(jìn)行光刻成圖(photolithographically patterned)和蝕刻，形成電極112和114。
在前述說(shuō)明中，參照具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的前提下，可以作出各種各樣的變化和改動(dòng)。因此，本說(shuō)明書(shū)和附圖只應(yīng)視為說(shuō)明性的，而非限制性的，所有所述變化和改動(dòng)都應(yīng)包括在本上面已經(jīng)針對(duì)具體實(shí)施例描述了益處、優(yōu)點(diǎn)和對(duì)問(wèn)題的解決方案。但是，這些益處、優(yōu)點(diǎn)、對(duì)問(wèn)題的解決方案，以及任何可能使所述益處、優(yōu)點(diǎn)或者解決方案產(chǎn)生或者變得更為明確的因素不應(yīng)被解釋為任何或者所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必需的或者本質(zhì)的特征或者因素。在本文件中，術(shù)語(yǔ)“包括”或者其變化形式的意思是非排他的包括。比如，一項(xiàng)包括一組元素的工藝、方法、物品或者設(shè)備不是僅僅包括所述一組元素，還包括其他未明確列舉的或者這樣的工藝、方法、物品或設(shè)備固有的元素。
權(quán)利要求
1.一種鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)單晶硅襯底；一個(gè)覆在所述硅襯底上的包含(Sr，Ba)TiO3的第一單晶氧化物層；一個(gè)覆在所述第一層上的包含(La，Sr)CoO3的第二單晶層；一個(gè)覆在所述第二單晶層上的包含Pb(Zr，Ti)O3的第三單晶層；和一個(gè)覆在所述第三單晶層上的包含(La，Sr)CoO3的第四單晶層。
2.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還包括一個(gè)在所述第一層下面的無(wú)定形層。
3.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還包括一個(gè)結(jié)合到所述第二單晶層的第一金屬電極，以及一個(gè)結(jié)合到所述第四單晶層的第二金屬電極。
4.如權(quán)利要求3所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第一金屬電極和所述第二金屬電極各包含一種選自鉑和銥的金屬。
5.如權(quán)利要求3所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第二單晶層、第三單晶層、第四單晶層和第一和第二金屬電極構(gòu)成下述器件中的一種壓電致動(dòng)器、壓電傳感器和鐵電存儲(chǔ)單元。
6.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一層的厚度為約9-11nm。
7.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第二單晶層和所述第四單晶層各自的厚度大于約100nm。
8.如權(quán)利要求7所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第三單晶層的厚度大于約200nm。
9.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第三單晶層的厚度大于約200nm。
10.如權(quán)利要求9所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第二單晶層的厚度大于約100nm。
11.如權(quán)利要求10所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還包括一個(gè)在所述第一層下面的無(wú)定形層。
12.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第二單晶層包括La0.5Sr0.5CoO3。
13.一種鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)單晶硅襯底；一個(gè)覆在所述硅襯底上的包含(Sr，Ba)TiO3的第一單晶層；一個(gè)形成在所述第一單晶層下面的氧化硅層；一個(gè)覆在所述第一層上的包含(La，Sr)CoO3的第二單晶層；一個(gè)與所述第二單晶層電接觸的第一電極；一個(gè)覆在所述第二單晶層上的包含Pb(Zr，Ti)O3的第三單晶層；一個(gè)覆在所述第三單晶層上的包含(La，Sr)CoO3的第四單晶層；和一個(gè)與所述第四單晶層電接觸的第二電極。
14.如權(quán)利要求13所述的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，所述第二單晶層和第四單晶層各包括La0.5Sr0.5CoO3。
15.一種制造鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括下列步驟提供一個(gè)硅襯底；在所述硅襯底上外延生長(zhǎng)包含(Ba，Sr)TiO3的第一單晶層；在所述第一單晶氧化物層的外延生長(zhǎng)步驟期間，在所述第一單晶氧化物層下面形成一個(gè)氧化硅無(wú)定形層；在所述第一單晶氧化物層上外延生長(zhǎng)包含(La，Sr)CoO3的第二單晶層；在所述第二單晶層上外延生長(zhǎng)包含Pb(Zr，Ti)O3的第三單晶層；以及在所述第三單晶層上外延生長(zhǎng)包含(La，Sr)CoO3的第四單晶層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第一單晶層的步驟包括用分子束外延法生長(zhǎng)該第一層的步驟。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第三單晶層的步驟包括用下述方法之一生長(zhǎng)該第三層溶膠-凝膠法、物理汽相淀積和化學(xué)汽相淀積。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括對(duì)所述第四單晶層和所述第三單晶層進(jìn)行圖案形成，以暴露出所述第二單晶層的一部分的步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括下列步驟在已形成圖案的第四單晶層和所述部分第二單晶層上淀積一個(gè)金屬層；以及對(duì)該金屬層進(jìn)行圖案形成，以形成到所述第四單晶層和所述部分第二單晶層的電接點(diǎn)。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第二單晶層的步驟包括生長(zhǎng)一個(gè)包含La0.5Sr0.5CoO3的層的步驟。
21.一種制造鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括下列步驟提供一個(gè)硅襯底；在所述硅襯底上外延生長(zhǎng)包含(Ba，Sr)TiO3的第一單晶層；在所述第一單晶氧化物層上外延生長(zhǎng)包含(La，Sr)CoO3的第二單晶層；在所述第二單晶層上外延生長(zhǎng)包含Pb(Zr，Ti)O3的第三單晶層；以及在所述第三單晶層上形成一個(gè)導(dǎo)電層。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第三單晶層的步驟包括用下述方法之一生長(zhǎng)一個(gè)層溶膠-凝膠法、物理汽相淀積和化學(xué)汽相淀積。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，形成導(dǎo)電層的步驟包括淀積一個(gè)包含一種金屬的層的步驟，該金屬選自鉑和銥。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第二單晶層的步驟包括生長(zhǎng)一個(gè)厚度大于約30nm的層的步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，外延生長(zhǎng)第二單晶層的步驟包括生長(zhǎng)一個(gè)包含La0.5Sr0.5CoO3的層的步驟。
全文摘要
通過(guò)首先在硅晶片上生長(zhǎng)一個(gè)鈦酸鍶層(104)，可以在大硅晶片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的單晶Pb(Zr，Ti)O
文檔編號(hào)H01L41/08GK1511350SQ01813280
公開(kāi)日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2001年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月24日
發(fā)明者拉馬默西·拉麥?zhǔn)? 拉馬默西 拉麥?zhǔn)? M 芬德, 王玉, 艾森比薩, 詹福瑞·M·芬德, 庫(kù)特·艾森比薩, 諾斯 卓柏德, 于志毅, 拉文卓諾斯·卓柏德 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司