特表 2024-518956 窒化アルミニウムスカンジウム膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-08

(54)【発明の名称】窒化アルミニウムスカンジウム膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 30/076 20230101AFI20240426BHJP

   H10N 30/07 20230101ALI20240426BHJP

   H10N 30/079 20230101ALI20240426BHJP

   H10N 30/853 20230101ALI20240426BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

H10N30/076

H10N30/07

H10N30/079

H10N30/853

C23C14/06 N

C23C14/06 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023569661

(86)(22)【出願日】2022-05-12

(85)【翻訳文提出日】2023-11-29

(86)【国際出願番号】 IL2022050498

(87)【国際公開番号】W WO2022239009

(87)【国際公開日】2022-11-17

(31)【優先権主張番号】283142

(32)【優先日】2021-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500018608

【氏名又は名称】イエダ リサーチ アンド ディベロップメント カンパニー リミテッド

【住所又は居所原語表記】ａｔ ｔｈｅ Ｗｅｉｚｍａｎｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ＰＯ Ｂｏｘ ９５，７６１０００２ Ｒｅｈｏｖｏｔ，Ｉｓｒａｅｌ

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ルボミルスキー、イゴール

(72)【発明者】

【氏名】エーレ・デイヴィッド

(72)【発明者】

【氏名】コーヘン・アサフ

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029AA06

4K029AA24

4K029BA17

4K029BA58

4K029BB02

4K029BB08

4K029CA05

4K029CA06

4K029DA08

4K029DC03

4K029DC04

4K029DC39

4K029EA01

4K029EA08

4K029FA04

4K029FA05

4K029GA01

4K029GA02

(57)【要約】

本発明は、窒化アルミニウムスカンジウム膜の製造方法を提供する。本発明はさらに、窒化アルミニウムスカンジウム膜及び窒化アルミニウムスカンジウム層、並びに、窒化アルミニウムスカンジウム膜を含むデバイス及びシステムを提供する。
【選択図】図１Ｄ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、
基板を提供するステップ（ａ）と、
前記基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップ（ｂ）と、
前記第１の層の上にＴｉＮ層を生成するステップ（ｃ）と、
前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップ（ｄ）とを有し、
前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は前記ＴｉＮ層と接触する、方法。

【請求項2】

前記ステップ（ｂ）～前記ステップ（ｄ）が、スパッタリングチャンバ内で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ステップ（ｂ）が、Ｔｉをスパッタリングすることによって行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記ステップ（ｃ）が、前記第１の層を窒素ガスに曝露することにより前記ＴｉＮ層を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成する前記ステップ（ｄ）が、窒素ガスの存在下で前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘをスパッタリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記ステップ（ｄ）が前記ステップ（ｃ）の後に行われる、
前記ステップ（ｃ）及び前記ステップ（ｄ）が同時に行われる、または
前記ステップ（ｃ）及び前記ステップ（ｄ）が少なくとも部分的に同時に行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記ステップ（ｃ）が、前記第１の層を２５℃～６００℃の範囲の温度及び窒素ガスに曝露するステップを含む、請求項４に記載の方法。

【請求項8】

前記第１の層を生成するとき（前記ステップ（ｂ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含まない、及び／または、
前記ＴｉＮ層及び前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するとき（前記ステップ（ｃ）及び前記ステップ（ｄ））、前記スパッタリングチャンバは窒素ガスを含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

０．５７≦ｘ≦１である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮが、Ａｌ_０．８０Ｓｃ_０．２０Ｎ、Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５ＮまたはＡｌ_０．７Ｓｃ_０．３Ｎである、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の厚さが０．８μｍより大きい、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記ステップ（ｂ）の前に、前記基板が洗浄される、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

前記洗浄が、
有機または無機溶媒、
有機酸または無機酸、及び／または
ガスプラズマ、の使用を含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ステップ（ｂ）は室温で行われ、
前記ステップ（ｃ）は２５℃～４００℃の範囲の温度で行われ、及び
前記ステップ（ｄ）は２５０℃～６００℃の範囲の温度で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記ステップ（ｂ）はアルゴン下で行われ、
前記ステップ（ｃ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われ、及び
前記ステップ（ｄ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

前記ステップ（ｂ）、前記ステップ（ｃ）、前記ステップ（ｄ）またはそれらの任意の組み合わせが、１ａｔｍ（約１．０１×１０^５Ｐａ）未満の圧力で行われる、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の上に導電性材料を含む最上層を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項18】

前記導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記最上層がＴｉを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記第１の層及び前記最上層が電極として使用される、請求項１８又は請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記電極が独立して電源に接続される、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

前記Ｔｉの層と前記ＴｉＮ層とを組み合わせた厚さが５０～３００ｎｍである、請求項１に記載の方法。

【請求項23】

請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法によって生成されたＴｉ／ＴｉＮの層であって、前記層の厚さが５０～３００ｎｍである、Ｔｉ／ＴｉＮの層。

【請求項24】

請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法によって生成されたＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層。

【請求項25】

内部応力が６０～３００ＭＰａの範囲である、
前記層は、前記基板に対して垂直なｃ軸（００１）を有する、または
それらの組み合わせである、請求項２４に記載のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層。

【請求項26】

多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、
前記膜の配向は００１／００２である、
前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、
前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、または
それらの任意の組み合わせである、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜。

【請求項27】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さが０．８μｍより大きい、請求項２６に記載の多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜。

【請求項28】

前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さが０．８μｍ～１０μｍの範囲である、請求項２７に記載の多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜。

【請求項29】

圧電デバイスであって、
基板と、
前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、
前記Ｔｉ層と接触するＴｉＮと、
前記ＴｉＮと接触するＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む層と、
前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイス。

【請求項30】

前記導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される、請求項２９に記載の圧電デバイス。

【請求項31】

１００Ｖｐｐまでの電界下で動作可能である、請求項２９に記載の圧電デバイス。

【請求項32】

請求項１に記載のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層または請求項２９に記載の圧電デバイスを備えるカンチレバー。

【請求項33】

請求項１に記載のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層または請求項２９に記載の圧電デバイスを備える微小電気機械システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、配向された窒化アルミニウムスカンジウム膜の製造方法を提供する。本発明はさらに、窒化アルミニウムスカンジウム膜及び窒化スカンジウムアルミニウム層、並びに、窒化アルミニウムスカンジウム膜を含むデバイス及びシステムを提供する。

【背景技術】

【0002】

圧電を利用して動作するデバイスは幅広い分野で一般的であり、その需要はますます高まっている。スカンジウムをドープした窒化アルミニウム（ＡｌＳｃ）Ｎは、鉛フリーの、生体適合性を有する、環境に優しい圧電誘電材料である。（ＡｌＳｃ）Ｎ薄膜は、圧電ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）の活物質として最も有望な候補の１つである。（ＡｌＳｃ）Ｎ薄膜は、化学的安定性、優れた熱伝導性、大きな弾性率、及びＳｉベースの微細加工との適合性を有している。圧電薄膜ベースのＳｉ集積ＭＥＭＳは、振動ジャイロスコープやスイッチから、バルク圧電共振器や調整可能なコンデンサに至るまで、多くの重要な技術に大きな期待を抱いている。圧電ＭＥＭＳの大量使用に対する主な障害は、最も一般的な圧電材料（Ｐｂベース、Ｂｉベースまたは［Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ］含有材料）とＳｉ微細加工との不適合性である。

【0003】

（ＡｌＳｃ）Ｎ膜は、Ｓｉ微細加工に容易に組み込まれ得る数少ない圧電材料の１つである。（ＡｌＳｃ）Ｎ膜は、最も一般的に使用される圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）よりも圧電係数がかなり低いが、（ＡｌＳｃ）Ｎ膜は高電界に耐えることができ、２０ＭＰａを超える応力を生成する。これは、１００ＭＰａを超える応力がかかることはほとんどないＰＺＴによく匹敵する。さらに、（ＡｌＳｃ）Ｎの誘電率は１０未満である（＜１０）が、ＰＺＴの誘電率は１０００を超える（＞１０００）。これは、（ＡｌＳｃ）Ｎベースのデバイスの電気インピーダンスが高く、駆動回路が大幅に簡素化されることを意味する。この観点から、（ＡｌＳｃ）Ｎは大規模圧電ＭＥＭＳの主な候補である。

【0004】

ＭＥＭＳ用の（ＡｌＳｃ）Ｎの実用化における主な問題は、１μｍを超える膜を成膜する信頼性の高い方法が存在しないことである。これにより、膜が生成できる力（応力と厚さとの積）が制限される。さらに、多くの場合、成膜膜の表面は滑らかではなく、偏析したＳｃＮナノ結晶を含み、物理的故障の起点となる。

【0005】

（ＡｌＳｃ）Ｎ薄膜の圧電ポテンシャルを確保するには、均一な（００１）膜組織が必要である。しかし、ＳｃＮ偏析を生じさせずに完全に配向した（００１）膜を成膜することは依然として困難である。これは、ＳｃＮとＡｌＮとがバルク形態では混ざらないためであり、このような非混和性は、薄膜成膜中のそれらの分離及び配向性の損失の原動力となる。（ＡｌＳｃ）Ｎ薄膜を成膜するための古典的なアプローチは、予備的な（１１１）テクスチャ化されたシード層、一般にＰｔ、Ａｕ、またはＭｏに基づいている。これらの金属は、標準的な成膜温度では、（ＡｌＳｃ）Ｎに対して化学的に不活性である。

【0006】

連続核生成層上で発達する密に配置された成長転位（growth dislocation）によって引き起こされる局所的な圧縮応力が避けられないと仮定すると、（ＡｌＳｃ）Ｎ薄膜の調製には別のアプローチが必要となる。

【0007】

ＡｌＮにＳｃをドープすると、ＡｌＮの圧電係数が増加するが、ＳｃＮ（岩塩）とＡｌＮ（ウルツ鉱）とは完全に異なる構造及びカチオン半径における大きな差異を有するバルク固体として完全に混和しないので、膜の調製にはかなりの困難が伴う。その結果、（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎ合金は本質的に熱力学的に不安定であり、相分離が起こりやすくなる。極性（００１）または（００１´）の面外テクスチャを成長させる（これはシード層を使用して実現される）必要があるため、膜の調製はさらに複雑になる。
上記の「００１´」は、下記の数１を表す。

【数1】

【0008】

テクスチャ化された（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎ膜の成長を誘導するには、シード層が以下の２つの重要なパラメータを満たさなければならない；（ａ）緊密なエピタキシャル整合、（ｂ）二次核生成を防ぐための低い表面粗さ。最も一般的な解決法は、Ａｕ、ＰｔまたはＭｏなどの（１１１）ＦＣＣまたは（１１０）ＢＣＣ金属のテクスチャ化されたシード層への反応性スパッタリングを使用する。これらの金属は、Ｎ_２及び（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎに対して化学的に不活性であり、（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎの（００１）面に対する格子不整合はそれぞれ７．５％、１０．８％及び１２．４％である。（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎ膜が強い［００１］テクスチャで成長し始めた場合でも、膜厚が数百ｎｍに近づくと配向が失われることが多いことが観察された。配向性の損失は、成膜中の格子不整合及び高い基板表面粗さによって引き起こされる局所的な応力／ひずみに起因すると考えられる。これらの事実は、（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎの固有の熱力学的不安定性と組み合わされて、結晶粒界へのＳｃ偏析を促進し、相偏析及び／または配向性の損失をさらに加速すると考えられている。（００１）配向のα－Ｔｉ及び（１１１）ＴｉＮは、（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎとのエピタキシャル適合性が優れているため、ＦＣＣ及びＢＣＣ金属よりも優れたシード層を提供するといわれている。しかし、従来のＴｉまたはＴｉＮシード層上への（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎ成膜では、満足のいく結果が得られなかった。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の調製方法を対象とする。一実施形態では、本開示の方法は、化学的に不活性なシード層を中間層で置き換えるステップを含む。一実施形態では、化学的に不活性なシード層はＴｉを含み、中間シード層はＴｉＮを含む。一実施形態では、ＴｉＮ層の窒化物は、窒素プラズマとＴｉシード層との反応によって形成される。一実施形態では、ＴｉＮシード層が存在する場合、Ｔｉの（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎに対する格子不整合が低減する。一実施形態では、ＴｉＮ層の存在により、特に圧電材料としての使用を考慮すると、特性が改善されたＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の成長が可能になる。本発明の実施形態は、新たな多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ材料及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む圧電デバイスを対象とする。

【0010】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、基板を提供するステップ（ａ）と、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を形成するステップ（ｂ）と、前記第１の層の上にＴｉＮ層を生成するステップ（ｃ）と、前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップ（ｄ）とを有し、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は前記ＴｉＮと接触する、方法を提供する。

【0011】

一実施形態では、ステップ（ｂ）～ステップ（ｄ）が、スパッタリングチャンバ内で行われる。一実施形態では、ステップ（ｂ）が、Ｔｉをスパッタリングすることによって行われる。一実施形態では、ステップ（ｃ）が、第１の層を窒素ガスに曝露することによりＴｉＮ層を形成するステップを含む。一実施形態では、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップ（ｄ）が、窒素ガスの存在下で前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘをスパッタリングするステップを含む。一実施形態では、ステップ（ｄ）がステップ（ｃ）の後に行われる、ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）が同時に行われる、またはステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）が少なくとも部分的に同時に行われる。

【0012】

一実施形態では、ステップ（ｃ）が、前記第１の層を２５℃～６００℃の範囲の温度及び窒素ガスに曝露するステップを含む。

【0013】

一実施形態では、第１の層を生成するとき（ステップ（ｂ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含まない。

【0014】

一実施形態では、ＴｉＮ層及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するとき（ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含む。

【0015】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮにおけるｘは０．５７≦ｘ≦１の範囲である。

【0016】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮが、Ａｌ_０．８０Ｓｃ_０．２０Ｎ、Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ、またはＡｌ_０．７Ｓｃ_０．３Ｎである。一実施形態では、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の厚さが０．８μｍより大きい。一実施形態では、ステップ（ｂ）の前に、前記基板が洗浄される。一実施形態では、洗浄が、有機または無機溶媒、有機酸または無機酸、及び／またはガスプラズマ、の使用を含む。

【0017】

一実施形態では、ステップ（ｂ）は室温で行われ、ステップ（ｃ）は２５℃～４００℃の範囲の温度で行われ、及びステップ（ｄ）は２５０℃～６００℃の範囲の温度で行われる。

【0018】

一実施形態では、ステップ（ｂ）はアルゴン下で行われ、ステップ（ｃ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われ、及びステップ（ｄ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われる。

【0019】

一実施形態では、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）、ステップ（ｄ）またはそれらの任意の組み合わせが、１ａｔｍ（約１．０１×１０^５Ｐａ）未満の圧力で行われる。

【0020】

一実施形態では、本開示の方法は、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の上に導電性材料を含む最上層を生成するステップをさらに含む。一実施形態では、導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される。一実施形態では、最上層がＴｉを含む。一実施形態では、第１の層及び最上層が電極として使用される。一実施形態では、電極が独立して電源に接続される。

【0021】

一実施形態では、Ｔｉの層とＴｉＮ層とを合わせた厚さが５０～３００ｎｍである。

【0022】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した方法によって生成されたＴｉ／ＴｉＮの層であって、Ｔｉ／ＴｉＮの層の厚さが５０～３００ｎｍである、Ｔｉ／ＴｉＮの層を提供する。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した方法によって生成されたＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を提供する。

【0023】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層について、内部応力が６０～３００ＭＰａの範囲である、層は基板に対して垂直なｃ軸（００１）を有する、またはそれらの組み合わせである。

【0024】

一実施形態では、本発明は、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの任意の組み合わせである、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜を提供する。

【0025】

一実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さが０．８μｍより大きい。

【0026】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さが０．８μｍ～１０μｍまたは０．５μｍ～４μｍの範囲である。

【0027】

一実施形態では、本発明は、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、前記Ｔｉ層と接触するＴｉＮと、前記ＴｉＮと接触するＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む層と、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを提供する。

【0028】

一実施形態では、導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される。

【0029】

一実施形態では、圧電デバイスは、１００Ｖｐｐまでの電界下で動作可能である。

【0030】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述したＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を含むカンチレバーを提供する。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した圧電デバイスを備えたカンチレバーを提供する。

【0031】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述したＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供する。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した圧電デバイスを備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供する。

【0032】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の調製方法であって、基板を提供するステップと、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を形成するステップと、前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップと、を含む方法を提供する。

【0033】

一実施形態では、本発明は、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを提供する。

【0034】

一態様では、圧電デバイスは、前記第１の層の上にＴｉＮをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0035】

本発明とみなされる主題は、明細書の結論部分で特に指摘され、明確に請求される。しかし、本発明は、その目的、特徴及び利点とともに、構成及び動作方法の両方に関して、添付の図面とともに読むとき、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解され得る。

【0036】

【図1A】ＴｉＮの立方晶構造（cubic structure）を示す図である。

【図1B】ＴｉＮ（１１１）面を示す図である。

【図1C】ＡｌＮの六方晶系ウルツ鉱型構造及び（００１）面を上から見た図である。

【図1D】小さなエピタキシャル不整合を示す３つの表面層を示す図である。

【図2A】成膜前のシリコン（１００）配向ウェハのＡＦＭトポグラフィーを表す図である。

【図2B】５０ｎｍのチタンの成膜後のＡＦＭトポグラフィーを表す図である。

【図2C】４００℃でＮ_２に３０分間曝露した後のＡＦＭトポグラフィーを示す図である。

【図2D】以下の表面のＡＦＭトポグラフィースキャンを示す図である；（ａ）（１００）シリコンウェハ、（ｂ）３００Ｋでウェハ上に成膜した厚さ５０ｎｍのＴｉ膜、（ｃ）６７３Ｋで３０分間Ｎ_２プラズマに曝露した後の同一の膜。

【図3A】４００℃（上から２番目の線）、３００℃（上から３番目の線）、２５０℃（下の線）でＴｉシード層上に成膜した２μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。すべてのサンプルにおいて、Ｓｉ（１００）を基板として使用し、第１層としての５０ｎｍのＴｉ及び（ＡｌＳｃ）Ｎ膜を使用した。最初の上の線は、リファレンス用のＡｌＮ粉末のＸ線である。

【図3B】（１００）シリコン上のＴｉシード層に４００℃、３００℃及び２５０℃で成膜した（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の表面及び断面のＳＥＭ画像である。

【図3C】２００℃での配向への影響を検査するための、様々な予備層上に成膜した３μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。ＡＳＮ４は（１００）Ｓｉ上に３００ｎｍのＴｉを有し、ＡＳＮ１０は（１００）Ｓｉ上に１００ｎｍのアルミニウム及び５０ｎｍのチタンを有し、ＡＳＮ８は（１００）Ｓｉ上に５０ｎｍのＴｉを有し、ＡＳＮ９はホウケイ酸（Ｓｃｈｏｔｔ社）ガラス上に５０ｎｍのＴｉを有する。

【図3D】Ｔｉシード層で覆われたＳｉ（１００）ウェハ上に作製されたＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜のＸＲＤパターンを示す図である。最終温度：６７３Ｋ（青い上のトレース）、５７３Ｋ（赤い中央のトレース）または５２３Ｋ（黒い下のトレース）では、徐々に狭くなる（００２）ピークが観察された。

【図4】（１００）シリコン基板上の５０ｎｍのＴｉシード上に成長した３μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の（００２）ピークの極点測定の結果を示す図である。

【図5A】ホウケイ酸（Ｓｃｈｏｔｔ社）ガラス上の５０ｎｍのＴｉシード上に成長した３μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の（００２）ピークの極点測定の結果を表す図である。

【図5B】（１００）シリコン上の予備の１００ｎｍのアルミニウム層上の５０ｎｍのＴｉシード上に成長した３μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の（００２）ピークの極点測定の結果を表す図である。

【図5C】（１００）シリコン上の３００ｎｍのＴｉシード上に成長した３μｍの（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の（００２）ピークの極点測定の結果を表す図である。

【図6A】０．１Ｈｚ、５０Ｖｐｐの駆動電圧下での（１００）シリコン上の（ＡｌＳｃ）Ｎベースのカンチレバーのひずみ測定の結果を示す図である。

【図6B】印加電圧の大きさとカンチレバーの変位の大きさとの間の線形関係を示すグラフである。

【図7】圧電膜の圧電応答を測定するために使用される曲率測定セットアップの概略図である。カンチレバーの垂直方向の曲がりは、ＣＣＤ上の動きに変換される。

【図8】（ＡｌＳｃ）Ｎの成膜前及び成膜後の（１００）Ｓｉ及びホウケイ酸ガラスウェハの曲率を示す図。上の曲線－Ｄ２６３、上の曲線の下の曲線－Ｓｉ（１００）、一番下の曲線の上の曲線－成膜後のＤ２６３、一番下の曲線－成膜後のＳｉ（１００）。

【図9】２つのチタン電極間の圧電（ＡｌＳｃ）Ｎによるカンチレバーの概略図。（ＡｌＳｃ）Ｎ層は、成膜中にその場で形成されるＴｉＮシード層から成長する。

【図10】（１００）シリコン上のＴｉシード層に２５０℃で成膜した（Ａｌ_７０、Ｓｃ_３０）Ｎ膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。

【図11】（１００）シリコン基板上の５０ｎｍのＴｉシード上に成長した（００２）ピーク（Ａｌ_７０、Ｓｃ_３０）Ｎ膜の極点測定の結果を表す図である。

【図12A】０．０５Ｈｚ、５０Ｖｐｐの駆動電圧下での（１００）シリコン上の（Ａｌ_７０、Ｓｃ_３０）Ｎベースのカンチレバーのひずみ測定の結果を示す図である。

【図12B】印加電圧の大きさとカンチレバーの変位の大きさとの間の線形関係を示す図である。

【図13A】（１００）Ｓｉウェハ上に３００Ｋで成膜した厚さ５０ｎｍのＴｉ層のＸＲＤパターンを表す図である。

【図13B】Ｄ２６３ホウケイ酸ガラス上に３００Ｋで成膜した厚さ５０ｎｍのＴｉ層のＸＲＤパターンを表す図であり、強い００２配向を示している。

【図13C】Ｔｉ（００２）の極点図である。

【図14A】窒素Ｎ １ｓのＸＰＳスペクトルを示す図である。

【図14B】チタンＴｉ ２ｐのＸＰＳスペクトルを示す図である。測定については、（１００）シリコン基板上の５０ｎｍのチタン層を４００Ｋで窒素プラズマに曝露した。秒単位の時間は、以下に説明するように、ＸＰＳチャンバ内でのスパッタリング時間を指す。

【図15】ＸＰＳにおけるスパッタリング時間（深さプロファイル）の関数としてのＮ、Ｔｉ及びＳｉの原子濃度を示す図である。スパッタリング速度は約２．５×１０^－１１ｍ／秒である。

【図16A】Ｓｉ（１００）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）膜の構造特性を、（００２）ブラッグピーク、２θ＝３５．５５°、ＦＷＨＭ＝０．３１±０．０１°のＸＲＤパターンで示す図である。

【図16B】Ｓｉ（１００）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）膜の構造特性を、（００２）ブラッグピーク、２θ＝３５．５５°、ＦＷＨＭ＝０．３１±０．０１°の極点図で示す図である。

【図16C】Ｓｉ（１００）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）膜の構造特性を、表面の小石状粒子（線形切片法により決定される平均横寸法８４ｎｍ）を示すサンプルの表面のＳＥＭ画像で示す図である。

【図16D】Ｓｉ（１００）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）膜の構造特性を、柱状成長を示すサンプルの断面のＳＥＭ画像で示す図である。

【図17A】Ｄ２６３－ガラス／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）の構造特性を、（００２）ブラッグピーク、２θ＝３５．５４°、ＦＷＨＭ＝０．２３±０．０１°のＸＲＤパターンで示す図である。

【図17B】Ｄ２６３－ガラス／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）の構造特性を、（００２）ブラッグピーク、２θ＝３５．５４°、ＦＷＨＭ＝０．２３±０．０１°の極点図で示す図である。

【図17C】Ｄ２６３－ガラス／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）の構造特性を、平均横寸法１０１ｎｍ（線形切片法により決定）の表面の小石状粒子を示すサンプルの表面のＳＥＭ画像で示す図である。

【図17D】Ｄ２６３－ガラス／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）の構造特性を、均一な柱状成長を示すサンプルの断面のＳＥＭ画像で示す図である。

【図18】Ｔｉシード層及び応力緩和Ａｌ層を備えたＳｉ（１００）／［１００ｎｍＡｌ＋５０ｎｍＴｉ］／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（２μｍ）サンプルのＸＲＤパターンを示す図である。

【図19A】Ｔｉシード層を備えたＳｉウェハ上に成膜したＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ薄膜のＳＥＭ画像である。取得中の電子ビームのエネルギーは８ｋｅＶであった。

【図19B】Ｔｉシード層を備えたＳｉウェハ上に成膜したＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ薄膜のＴｉの元素マッピングを示す図である。取得中の電子ビームのエネルギーは８ｋｅＶであった。

【図19C】Ｔｉシード層を備えたＳｉウェハ上に成膜したＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ薄膜のＳｃの元素マッピングを示す図である。取得中の電子ビームのエネルギーは８ｋｅＶであった。

【図19D】Ｔｉシード層を備えたＳｉウェハ上に成膜したＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ薄膜のＡｌの元素マッピングを示す図である。取得中の電子ビームのエネルギーは８ｋｅＶであった。

【図20】ＩＲレーザで定期的に加熱されるＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎサンプル中の焦電流のグラフである。挿入図は、誤差関数へのフィッティングに使用された電流減衰の加熱段階を示す。

【図21】直径２ｍｍ、黒色ペイントでコーティングされた上側Ｔｉ電極を使用した測定用に準備されたＤ２６３ガラス／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）サンプルの概略図である。

【図22A】２３３－２８０Ｋの温度における窒素のＸＰＳ結合エネルギーを示す図である。

【図22B】超高真空中で２３３Ｋから加熱されたＳｉ（１００）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ（３μｍ）膜の温度の関数としてのＮ_２ １ｓ電子ピークの最大強度を示す図である。加熱による結合エネルギーの低下は、サンプル表面がＡｌで終端していることを示す。誤差範囲は機器の精度から推定される。

【図23】上側と下側のＴｉ電気接点間のＳｉウェハ上に成膜したサンプル（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎサンプルについての準静的な（０．１Ｈｚ）、室温、応力対電界依存性を示す図。

【図24A】Ｓｉ（１００）上で、Ｎ_２プラズマを流しながら５７３－６７３Ｋで約２０分間成膜させた薄い（＜５０ｎｍ）ＴｉＮ膜上のサンプルのＸＲＤパターンを示す図である。

【図24B】Ｄ２６３ガラス上で、Ｎ_２プラズマを流しながら５７３－６７３Ｋで約２０分間成膜させた薄い（＜５０ｎｍ）ＴｉＮ膜上のサンプルのＸＲＤパターンを示す図である。

【図24C】Ｎ_２プラズマを流しながら５７３－６７３Ｋで約２０分間成膜させた薄い（＜５０ｎｍ）ＴｉＮ膜上のサンプルのＸＲＤパターンの、Ｔｉ（００２）の極点図である。

【図24D】Ｎ_２プラズマを流しながら５７３－６７３Ｋで約２０分間成膜させた薄い（＜５０ｎｍ）ＴｉＮ膜上のサンプルのＸＲＤパターンの、ＴｉＮ（１１１）の極点図である。

【0037】

説明を簡単かつ明瞭にするために、図面に示される要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが理解されるであろう。例えば、いくつかの要素の寸法は、明確化のために他の要素と比べて誇張されている場合がある。さらに、適切と考えられる場合、対応する要素または類似の要素を示すために図面間で参照番号を繰り返すことがある。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者であれば、本発明はこれらの特定の詳細がなくても実施できることが理解されよう。場合によっては、本発明を不明瞭にしないように、周知の方法、プロセス及び構成要素については詳細に説明していない。

【0039】

いくつかの実施形態では、窒化アルミニウムスカンジウム（Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ）の膜成膜方法が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、窒化アルミニウムの膜成膜方法が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、窒化アルミニウムの成膜を含む膜成膜方法が本明細書で提供される。

【0040】

本明細書に記載の方法及びデバイスは、スパッタリング中に（ＡｌＳｃ）Ｎと化学的に反応するシード層を含む（当技術分野で知られているエピタキシャル化学不活性層の代わりに）。化学的に反応性のシード層を使用すると、以下の３つの利点がある：（ａ）成膜方法が大幅に簡素化され、成膜温度に耐える任意の基板上で（ＡｌＳｃ）Ｎを利用できるようになる、（ｂ）Ｓｃ偏析を大幅に低減し、比較的厚い膜の成膜を可能にする、及び（ｃ）（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の面内応力が低いため、ＭＥＭＳ用途にとって特に魅力的である。

【0041】

本明細書に記載の方法によって調製された生成物は、（００１）テクスチャ化された（ＡｌＳｃ）Ｎの高度に配向されたナノ結晶を含む。配向された（００１）粒子の柱状成長によって面内応力が最小限に抑えられるため、スカンジウムの偏析が最小限に抑えられ、長時間の成膜期間でも均一な組成及び配向が保証される。したがって、結果として得られる（ＡｌＳｃ）Ｎの（００１）テクスチャ膜を任意の厚さで成膜することができ、任意のスカンジウムのドーピング割合（％）に対して最大の圧電応答を生成することができる。

【0042】

いくつかの実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、（ａ）基板を提供するステップと、（ｂ）前記基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップと、（ｃ）前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップと、を含む方法を提供する。

【0043】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、基板を提供するステップ（ａ）と、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップ（ｂ）と、前記第１の層の上にＴｉＮ層を生成するステップ（ｃ）と、前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップ（ｄ）とを有し、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は前記ＴｉＮ層と接触する、方法を提供する。

【0044】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層の生成（ステップ（ｄ））は、前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップ（ステップ（ｃ））の後に行われる。別の実施形態では、ステップ（ｃ）は、ステップ（ｄ）の前及びステップ（ｄ）中に行われる。別の実施形態では、ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）は同時に行われる。いくつかの実施形態では、ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）は、少なくとも部分的に並行して、少なくとも部分的に同時に、及び／または、同時に行われる。

【0045】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法は、第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップ（ステップ（ｃ））中及び／またはＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップ（ステップ（ｄ））中、あるいは、ステップ（ｃ）とステップ（ｄ）との両方が行われたときに、窒化チタン（ＴｉＮ）を生成する。

【0046】

別の実施形態では、ＴｉＮはＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層と同時に形成される。別の実施形態では、ＴｉＮはＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮの成膜が始まるとすぐに形成される。

【0047】

いくつかの実施形態では、第１の層を生成するステップは、基板と接触するＴｉを生成するステップを含む。

【0048】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、（ａ）基板を提供するステップと、（ｂ）スパッタリングチャンバ内でＴｉターゲットを用いて基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップと、（ｃ）スパッタリングチャンバ内でＴｉ層を窒素に曝露することによって第１の層上にＴｉＮ層を生成するステップと、（ｄ）スパッタリングチャンバを窒素に曝露しながらスパッタリングチャンバ内でＡｌＳｃターゲットからＡｌＳｃをスパッタリングすることにより、ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップと、を含む方法を提供する。一実施形態では、このような方法により、ＴｉＮ層と接触するＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層が得られる。

【0049】

いくつかの実施形態では、ＴｉＮは層の形態である。一実施形態では、ＴｉＮは均質な層の形態である。一実施形態では、ＴｉＮは不均質な層の形態である。一実施形態では、ＴｉＮ層は不連続層である。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは分離された粒子の形態である。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは結晶及び／または結晶形態である。別の実施形態では、ＴｉＮ結晶は表面全体に不均一に広がる。別の実施形態では、ＴｉＮ結晶は表面全体に均一に広がる。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは基板上に予め作成される。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは、他の材料が成膜される基板上に予め作成されている。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは基板上にスパッタリングされる。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは、Ｔｉ層を窒素ガスに曝露することによってＴｉ層上に形成される。この態様によれば、一実施形態では、窒素がＴｉと反応することによりＴｉ層上にＴｉＮが形成される。いくつかの実施形態では、このような方法はスパッタリングチャンバ内で行われる。一実施形態では、Ｔｉ層の上にＴｉＮを生成するプロセスは、窒素及び任意選択でアルゴンなどの他のガスの存在下で行われる。一実施形態では、ＴｉＮ層の厚さは１０ｎｍである。一実施形態では、ＴｉＮ層の厚さは１ｎｍから１００ｎｍの範囲である。一実施形態では、ＴｉＮ層の厚さは１ｎｍから２０ｎｍの間の範囲である。一実施形態では、ＴｉＮ層の厚さは、０．５ｎｍから５ｎｍの間、１ｎｍから１０ｎｍの間、５ｎｍから１５ｎｍの間、７．５ｎｍから１２．５ｎｍの間、９ｎｍから１１ｎｍの間または５ｎｍから５０ｎｍの間の範囲である。

【0050】

一実施形態では、Ｔｉ層の厚さは１０ｎｍである。一実施形態では、Ｔｉ層の厚さは５ｎｍから１００ｎｍの範囲である。一実施形態では、Ｔｉ層の厚さは１０ｎｍから２０ｎｍの間の範囲である。一実施形態では、Ｔｉ層の厚さは、５ｎｍから５０ｎｍの間、１０ｎｍから１００ｎｍの間、５ｎｍから２００ｎｍの間、５ｎｍから３００ｎｍの間、１０ｎｍから２７５ｎｍの間または５ｎｍから２５０ｎｍの間の範囲である。

【0051】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は、成膜中にその場で形成されるＴｉＮシード層から成長する。

【0052】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は、マグネトロン反応性スパッタリングによって製造される。

【0053】

いくつかの実施形態では、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップ、前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップ及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップ（ステップ（ｂ）～ステップ（ｄ））は、スパッタリングチャンバ内で行われる。別の実施形態では、基板の上にＴｉを含む第１の層を生成するステップ（ステップｂ）は、スパッタリングチャンバ内でスパッタリングすることにより行われる。別の実施形態では、第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップ（ステップｃ）は、スパッタリングチャンバ内で行われる。別の実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップ（ステップｄ）は、スパッタリングチャンバ内でスパッタリングすることにより行われる。

【0054】

一実施形態では、スパッタリングはスパッタリングチャンバ内で行われる。一実施形態では、スパッタリングはスパッタリングチャンバ内で行われ、スパッタリングチャンバは、スパッタリングされるべき材料を含むターゲットを有する。いくつかの実施形態では、スパッタリングチャンバは、サンプルまたは基板を配置するための場所、ガス用の入口などを有する。いくつかの実施形態では、スパッタリングチャンバは、真空にすることができ、かつ、その中に入っている特定のガスからプラズマを形成することができるように設計される。「スパッタリングチャンバ」は、その中でスパッタリングが行われるチャンバを表す当技術分野で知られた用語である。

【0055】

いくつかの実施形態では、スカンジウム／アルミニウムターゲットのスパッタリング電力密度は０．００１～２０Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。別の実施形態では、スパッタリング電力密度は０．０５～１０Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。別の実施形態では、スパッタリング電力密度は０．０５～５Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。別の実施形態では、スパッタリング電力密度は０．５～５Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。別の実施形態では、スパッタリング電力密度は１～１０Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。

【0056】

いくつかの実施形態では、第１の層を生成するとき（ステップｂ）、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含まない。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するとき（ステップｄ）、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含む。

【0057】

いくつかの実施形態では、様々なＡｒ／Ｎ_２比のアルゴンガスと窒素ガスとの混合物が成膜中に使用される。いくつかの実施形態では、様々なＡｒ／Ｎ_２比のアルゴンガスと窒素ガスとの混合物が、スパッタリングガス及び反応性ガスとしてそれぞれ使用される。

【0058】

別の実施形態では、アルゴンガスと窒素ガスとの混合物中の窒素の割合は、２０％～１００％である。いくつかの実施形態では、ステップｄ（Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップ）は、大気中の窒素を８０％、及びアルゴンを２０％使用するスパッタリングによって行われる。

【0059】

いくつかの実施形態では、ステップ（ｃ）及び／またはステップ（ｄ）のスパッタリングチャンバ圧力は、１～６０ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約８．００Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバ圧力は１～５ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約０．６７Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバの圧力は５～１０ｍＴｏｒｒ（約０．６７～約１．３３Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバ圧力は１～１０ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約１．３３Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバの圧力は１０～２０ｍＴｏｒｒ（約１．３３～約２．６７Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバ圧力は２０～６０ｍＴｏｒｒ（約２．６７～約８．００Ｐａ）の範囲である。別の実施形態では、スパッタリングチャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）である。

【0060】

いくつかの実施形態では、前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップ（ｃ）の継続時間は１０分～２時間の範囲である。別の実施形態では、ステップ継続時間の継続時間は約１時間である。

【0061】

一実施形態では、「ａ」、「１つの」または「ある」という用語は、少なくとも１つを指す。一実施形態では、「２つ以上」という語句は、特定の目的に適する任意の単位のものであってよい。一実施形態では、「約」または「およそ」は、１％、いくつかの実施形態では－１％、いくつかの実施形態では±２．５％、いくつかの実施形態では±５％、いくつかの実施形態では±７．５％、いくつかの実施形態では±１０％、いくつかの実施形態では±１５％、いくつかの実施形態では±２０％、またはいくつかの実施形態では±２５％の、示された用語からの逸脱を含み得る。

【0062】

いくつかの実施形態では、本発明のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮのｘは、０．５０≦ｘ≦１の範囲である。いくつかの実施形態では、本発明のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮのｘは、０．５７≦ｘ≦１の範囲である。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮのｘは、０．５７≦ｘ≦０．８の範囲である。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮのｘは、０．７≦ｘ≦０．８の範囲である。別の実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮはＡｌ_０．８０Ｓｃ_０．２０Ｎである。一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮはＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎである。別の実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮはＡｌ_０．７Ｓｃ_０．３０Ｎである。別の実施形態では、ｘが１である場合、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮはＡｌＮである。

【0063】

いくつかの実施形態では、本発明の方法は、任意の基板を使用して行うことができる。一実施形態では、基板は無機材料及び／または有機材料を含む。一実施形態では、基板は無機材料を含む。一実施形態では、基板は有機材料を含む。一実施形態では、基板はポリマーを含む。一実施形態では、基板は酸化シリコンを含む。一実施形態では、基板はガラスを含む。一実施形態では、基板はホウケイ酸ガラスを含む。一実施形態では、基板はシリコンを含む。一実施形態では、基板は金属を含む。別の実施形態では、基板は非金属を含む。一実施形態では、基板は、酸化スズ、酸化インジウムスズ及び酸化アルミニウムから選択される材料を含む。一実施形態では、基板は、単結晶、多結晶、アモルファス材料、またはそれらの任意の組み合わせから選択される材料を含む。一実施形態では、基材は木材を含む。いくつかの実施形態では、基板は、本明細書で上述した材料のいずれかの組み合わせを含む。

【0064】

いくつかの実施形態では、基板は（１００）Ｓｉである。一実施形態では、Ｓｉの厚さは２５０±２５μｍである。いくつかの実施形態では、基板は（１１１）Ｓｉを含む。いくつかの実施形態では、基板はｎ型ドーピングされたＳｉウェハを含むが、他の実施形態では、基板はｐ型ドーピングされたＳｉウェハを含む。いくつかの実施形態では、Ｓｉ基板上に自然酸化膜（ＳｉＯ_２）が存在する。他の実施形態では、酸化膜は存在しない。他の実施形態では、酸化シリコンは化学的に成長し、他の実施形態では、酸化シリコンは熱的に成長する。いくつかの実施形態では、ＳｉＯ_２はＳｉ基板上に連続層を形成し、他の実施形態では、ＳｉＯ_２は不連続である。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素はアモルファスであり、他の実施形態では、酸化ケイ素は任意の結晶多形である。いくつかの実施形態では、基板はＤ２６３ホウケイ酸（Ｓｃｈｏｔｔ社）ガラスである。別の実施形態では、ホウケイ酸塩の厚さは５００±５０μｍである。

【0065】

いくつかの実施形態では、基板は、その上に他の層が成膜される層の任意の組み合わせである。例えば、一実施形態では、基板は、第１の層であるＴｉ層の下に存在する任意の層を指す。いくつかの実施形態では、１または複数の任意の予備層が基板を形成し、その上にＴｉ層が適用される。例えば、一実施形態では、基板は、異なる材料の層によってコーティングされた１つの材料の層を含む。

【0066】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法のステップ（ｂ）の前及び／またはステップ（ｄ）の前に、基板が洗浄される。いくつかの実施形態では、基板の洗浄は、（ａ）有機または無機溶媒で洗浄するステップ、（ｂ）有機酸または無機酸で洗浄するステップ、（ｃ）ガスプラズマで処理するステップ、及び／または（ｄ）紫外線オゾン洗浄システム（例えば、ＵＶＯＣＳ）で洗浄するステップを含む。

【0067】

一実施形態では、基板の洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に行われ、硝酸、硫酸、過酸化水素、水、フッ化水素酸、ピラニア溶液、もしくはそれらの任意の組み合わせ、及び／または、それらの任意の順序によって行われる。一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に実行され、極性が増大する溶媒によって行われる。別の実施形態では、極性が増大する溶媒は、以下に限定しないが、例えばアセトン、エタノール、酢酸エチル、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、ＤＤＩ（蒸留脱イオン水）、またはそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、さらなる洗浄には、硝酸／硫酸／過酸化水素／水／フッ化水素酸もしくはそれらの任意の組み合わせ、及び／またはそれらの任意の順序が含まれる。

【0068】

一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に行われ、自然酸化層及び／または表面汚染物質を除去するために酸を用いて行われる。一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に行われ、自然酸化層及び／または表面汚染物質を除去するために希フッ化水素酸を用いて行われる。一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前（スパッタリング前）に行われ、洗浄ステップは、有機汚染物質を除去するためのアルゴンプラズマ処理を含む。一実施形態では、洗浄ステップは、有機汚染物質を除去するための酸素及びアルゴンプラズマ処理を含む。

【0069】

いくつかの実施形態では、基板の洗浄は、（ａ）有機または無機溶媒で洗浄するステップ、（ｂ）有機酸または無機酸で洗浄するステップ、（ｃ）ガスプラズマで処理するステップ、または（ｄ）それらの任意の組み合わせを含む。

【0070】

一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に実行され、１～１５ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約２．００Ｐａ）のチャンバ圧力のガス雰囲気下で行われる。一実施形態では、サンプルは、サンプル上にスパッタリングされる前に湿式洗浄処理を受ける。このような湿式洗浄は、溶媒、フッ化水素酸（ＨＦ）、及び上述した他の溶媒／酸を用いた洗浄を含み得る。

【0071】

一実施形態では、洗浄ステップは、Ｔｉの成膜前に行われ、１～３０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－３Ｐａ ｍ^３／秒～約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）のガス流下で行われる。一実施形態では、サンプルは、アルゴン及び酸素流下で、プラズマを用いて成膜チャンバ内で洗浄される。通常、アルゴン及び酸素の比率は約５０：５０である。一実施形態では、サンプルの乾式洗浄はスパッタリングチャンバ内で行われる。

【0072】

一実施形態では、サンプルは、任意の段階で、超音波処理によって洗浄することができる。一実施形態では、サンプルは、本明細書に記載の液体のいずれか、またはそれらの組み合わせの中で超音波処理される。

【0073】

一実施形態では、Ｔｉの成膜（第１の層の生成－ステップ（ｂ））は、１～１５ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約２．００Ｐａ）のチャンバ圧力及び１０～４０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒～約６．７６×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）のガス流量で行われる。いくつかの実施形態では、ステップ（ｂ）及びステップ（ｄ）の成膜処理中に使用されるスパッタリング電力は、５０～３５０ワットである。

【0074】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の生成は、Ｎ_２ガスの存在下でのＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘ（０．５７≦ｘ≦１）ターゲットの成膜によって行われる。一実施形態では、成膜は単一の金属合金ターゲットによって行われる。一実施形態では、成膜は、２５％のスカンジウムと７５％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットによって行われる。別の実施形態では、成膜は、３０％のスカンジウムと７０％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットによって行われる。一実施形態では、成膜は、２５％～３０％のスカンジウムと７０％～７５％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットによって行われる。一実施形態では、成膜は、２０％～３０％のスカンジウムと７０％～８０％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットによって行われる。一実施形態では、成膜は、１５％～３５％のスカンジウムと６５％～８５％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットによって行われる。

【0075】

一実施形態では、Ｎ_２ガスの存在下でのＡｌＳｃの成膜は、チャンバ圧力が１～１０ｍＴｏｒｒ（約０．１３～約１．３３Ｐａ）に設定され、かつ、ガス流量が１～３０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－３Ｐａ ｍ^３／秒～約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）である、条件下で行われる。

【0076】

一実施形態では、ガス流は、１０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）のアルゴン流及び２５ｓｃｃｍ（約４．２３×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）の窒素流を含む。一実施形態では、成膜高さ、すなわちターゲットとサンプルとの間の高さは、２０～３０ｃｍの範囲である。

【0077】

いくつかの実施形態では、前記基板上にＴｉを含む第１の層を生成するステップ（ステップｂ）は、室温で行われる。

【0078】

いくつかの実施形態では、ステップ（ｂ）のＴｉ膜（層）は、後続のステップ（ステップｃ）を含み、ステップ（ｃ）は、スパッタリングチャンバ内の高温及び窒素プラズマを含む。別の実施形態では、ステップｃの高温は１５０～５００℃の間である。別の実施形態では、高温は約４００℃である。別の実施形態では、ステップ（ｃ）の高温は１５０～３００℃の間である。別の実施形態では、ステップ（ｃ）は、２５℃～５００℃の範囲の温度で行われる。

【0079】

いくつかの実施形態では、ステップ（ｄ）は高温で行われる。別の実施形態では、高温は室温と５００℃との間の範囲の温度である。別の実施形態では、高温は、２５０℃と６００℃との間の範囲の温度である。別の実施形態では、高温は、１５０℃～４００℃の間の温度である。別の実施形態では、高温は、１５０℃～３００℃の間の温度である。別の実施形態では、高温は３００℃～５００℃の間である。別の実施形態では、高温は２５０℃～５００℃の間である。別の実施形態では、高温は２００℃～４００℃である。別の実施形態では、高温は１５０℃～４００℃である。別の実施形態では、高温は１５０℃～３５０℃である。別の実施形態では、高温は２００℃～４００℃である。別の実施形態では、ステップ（ｄ）は、２５０℃～６００℃の範囲の温度で行われる。

【0080】

いくつかの実施形態では、温度は、方法の１以上の個々のステップの全継続時間にわたって特定の値に維持される。別の実施形態では、温度は、１以上の個々のステップ中に変化する。一実施形態では、ステップが行われる温度は、低温で始まり、高温で終了する。別の実施形態では、ステップが行われる温度は高温で始まり、より低い温度で終了する。別の実施形態では、温度は一定期間にわたって特定の値まで上昇する。別の実施形態では、温度上昇は、成膜方法の少なくとも１つのステップにおけるステップ継続時間の少なくとも一部にわたって生じる。別の実施形態では、温度を上昇させることができ、別の実施形態では、温度を低下させることができる。さらなる実施形態では、温度上昇率は方法の各ステップで異なる。

【0081】

いくつかの実施形態では、ステップ（ｃ）で第１の層を高温及び窒素ガスに曝露することにより、ステップ（ｄ）の実際のシードであるＴｉＮを形成する反応が引き起こされる。

【0082】

いくつかの実施形態では、窒化アルミニウムスカンジウム膜は、２００℃～４００℃または２５０℃～６００℃の基板温度でスパッタ成膜される。ステップｄでは、成膜は、Ｔｉシード層上に行われる。

【0083】

いくつかの実施形態では、反応性シード層として機能する、基板上に成膜したチタン（Ｔｉ）の層（前記第１の層）を利用する方法が本明細書で提供される。

【0084】

一実施形態では、高温で窒素が豊富な環境に曝露されると、窒化チタン（ＴｉＮ）の相互作用層が（１１１）の好ましい成長配向で形成される。正三角形の（１１１）ＴｉＮ面と六方晶構造の（００１）（ＡｌＳｃ）Ｎとの間には、面比２：１のエピタキシャル整合が存在し、長期にわたる配向性の粒子成長を保証する。

【0085】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法は、前記上層の上に導電性材料を含む最上層を生成するステップ（ステップｄに続く）をさらに含む。一実施形態では、導電性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉまたはそれらの組み合わせから選択される。一実施形態では、最上層はＴｉを含む。一実施形態では、導電性材料は、導電性銅テープ、カーボンブラック、グラフェンベースのテープ、カーボンナノチューブテープ、または、任意の他の導電性テープ及び／またはペーストから選択され、上部電極を接続するために使用される。他の実施形態では、任意の層の生成及び／または成膜は、スパッタリング、電子ビーム成膜、熱成膜、原子層成膜、化学／物理蒸着、湿式プロセス、及び／またはそれらの任意の組み合わせによって行われる。

【0086】

別の実施形態では、最上層としての導電性材料の厚さは２０～５００ｎｍの間である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ２０～２００ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ５０～３００ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ５０～１５０ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ１５０～２５０ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ２５０～４００ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ２００～５００ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層は厚さ２５０～４００ｎｍの電極である。別の実施形態では、Ｔｉ最上層の厚さは５０ｎｍより大きい。一実施形態では、導電性電極材料は、電子ビーム蒸着、熱蒸着及び／またはスパッタリングによってサンプル上に成膜される。

【0087】

別の実施形態では、Ｔｉ、ＴｉＮ及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の成膜後、上部チタン電極が適用される。別の実施形態では、上部チタン電極の厚さは約１００ｎｍである。別の実施形態では、上部チタン電極の厚さは約５０～１５０ｎｍである。

【0088】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される第１の層及び最上層は、電極として使用される。一実施形態では、電極は独立して電源に接続される。

【0089】

いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層は本発明の方法によって生成される。いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法は、ＴｉとＴｉＮとを組み合わせた層（Ｔｉ／ＴｉＮ）を提供する。いくつかの実施形態では、ＴｉとＴｉＮとを組み合わせた層（Ｔｉ／ＴｉＮ）の厚さは５０～３００ｎｍである。いくつかの実施形態では、ＴｉとＴｉＮとを組み合わせた層（Ｔｉ／ＴｉＮ）の厚さは、２０～３００ｎｍの間、２０ｎｍ～１００ｎｍの間または１０ｎｍ～２００ｎｍの間である。

【0090】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるＴｉ／ＴｉＮ層は、基板上の下部電極として、応力緩和層として、及び／またはシード層として機能する。一実施形態では、Ｔｉ／ＴｉＮ層は基板上の下部電極として機能する。一実施形態では、Ｔｉ／ＴｉＮ層は応力緩和層として機能する。一実施形態では、Ｔｉ／ＴｉＮ層はシード層として機能する。

【0091】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は、本明細書で提供される方法によって生成される。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜は、本明細書で提供される方法によって生成される。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ薄膜は、本明細書で提供される方法によって生成される。

【0092】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の内部応力は６０～３００ＭＰａの範囲である。

【0093】

いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の厚さは０．１μｍ～１０μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の厚さは０．１μｍ～５μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は、基板に対して垂直なｃ軸（００１）でテクスチャ化される。いくつかの実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は、基板に対して垂直なｃ軸（００２）でテクスチャ化される。

【0094】

いくつかの実施形態では、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、チャンバ圧力は１～１０ｍＴ（約０．１３～約１．３３Ｐａ）である、ガス流量は１～３０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－３Ｐａ ｍ^３／秒～約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）である、膜の配向は００１／００２である、膜の厚さは１００ｎｍ～５μｍの範囲である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの組み合わせである、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜が本明細書で提供される。

【0095】

いくつかの実施形態では、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの組み合わせである、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜が本明細書で提供される。

【0096】

別の実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮの配向は００１／００２である。別の実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さは１００ｎｍ～５μｍの間の範囲である。別の実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の圧電係数は、１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の間の範囲である。別の実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の圧縮応力は、５ＭＰａ～５００ＭＰａの間の範囲である。

【0097】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した方法によって生成されたＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を提供する。

【0098】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層について、内部応力が６０～３００ＭＰａの範囲である、層は基板に対して垂直なｃ軸（００１）を有する、またはそれらの組み合わせである。

【0099】

一実施形態では、本発明は、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の間の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの間の範囲である、またはそれらの任意の組み合わせである、多結晶のＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜を提供する。

【0100】

一実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さは０．８μｍより大きい。

【0101】

一実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さは、０．８μｍ～１０μｍの間または０．５μｍ～４μｍの間の範囲である。

【0102】

いくつかの実施形態では、本明細書に開示される「層」という用語は、「膜」という用語と互換的に使用される。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される「（ＡｌＳｃ）Ｎ」は、「Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ」と互換的に使用される。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される「（ＡｌＳｃ）Ｎ」は、「Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ」と互換的に使用され、ｘが０．５７≦ｘ≦１またはｘ＝１である。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される「（ＡｌＳｃ）Ｎ」は、ＡｌＳｃＮと互換的に使用される。

【0103】

一実施形態では、本発明は、層状材料であって、基板と、Ｔｉ層と、ＴｉＮ層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層と、を含む層状材料を提供する。

【0104】

一実施形態では、本発明の層状材料において、Ｔｉ層は基板と接触し、ＴｉＮ層はＴｉ層と接触し、及び、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層はＴｉＮ層と接触する。

【0105】

一実施形態では、本発明は、層状材料であって、基板と、Ｔｉ層と、ＴｉＮ層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層と、からなる層状材料を提供する。

【0106】

一実施形態では、本発明の層状材料において、Ｔｉ層は基板と接触し、ＴｉＮ層はＴｉ層と接触し、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層はＴｉＮ層と接触する。

【0107】

一実施形態では、本発明は、層状材料であって、Ｔｉ層と、ＴｉＮ層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層と、を含む層状材料を提供する。

【0108】

一実施形態では、本発明の層状材料では、ＴｉＮ層はＴｉ層と接触し、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層はＴｉＮ層と接触している。

【0109】

一実施形態では、本発明は、層状材料であって、Ｔｉ層と、ＴｉＮ層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層と、からなる層状材料を提供する。

【0110】

一実施形態では、本発明の層状材料では、ＴｉＮ層はＴｉ層と接触し、かつ、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層はＴｉＮ層と接触している。

【0111】

いくつかの実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜は、極点図幅＜２°で（００１）配向している。別の実施形態では、多結晶Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜は、極点図幅＜２°で（００１）配向している。

【0112】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、含む圧電デバイスが提供される。

【0113】

一実施形態では、圧電デバイスは、前記第１の層上にＴｉＮをさらに含む。

【0114】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板上のＴｉを含む第１の層と、任意選択で、第１の層の上のＴｉＮと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスが提供される。

【0115】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板上のＴｉを含む第１の層と、第１の層の上のＴｉＮと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスが提供される。

【0116】

一実施形態では、圧電デバイスの導電性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される。

【0117】

一実施形態では、圧電デバイスは、最大１００Ｖｐｐの電界下で動作可能である。ピークツーピーク電圧（Ｖｐｐ）は通常、単一期間にわたる信号振幅の最大値とその最小値（負の場合もある）との間で測定されるパラメータとして定義される。

【0118】

いくつかの実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の厚さは１００ｎｍ～５μｍの間の範囲である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの組み合わせである、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜を有するカンチレバーが提供される。

【0119】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを備えたカンチレバーが提供される。

【0120】

別の実施形態では、カンチレバーは圧電デバイスを備え、圧電デバイスはさらに、前記第１の層の上にＴｉＮを含む。この態様によれば、及び一実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、第１の層のＴｉと接触するＴｉＮ層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを備えたカンチレバーが提供される。

【0121】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板上のＴｉを含む第１の層と、任意選択で、第１の層の上のＴｉＮと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを備えたカンチレバーが提供される。

【0122】

いくつかの実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの組み合わせである、多結晶ＡｌｘＳｃ１－ｘＮ膜を備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が提供される。

【0123】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が提供される。

【0124】

別の実施形態では、ＭＥＭＳは圧電デバイスを備え、圧電デバイスは前記第１の層上のＴｉＮをさらに含む。

【0125】

いくつかの実施形態では、圧電デバイスであって、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、任意選択で、第１の層の上のＴｉＮと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が提供される。

【0126】

いくつかの実施形態では、本発明の方法は、工業的、大規模及び／または半導体の製造に適している。

【0127】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法で生成される窒化チタンは、（１１１）選択的成長配向を有する岩塩構造を有する。

【0128】

いくつかの実施形態では、本発明の方法は、単一の合金Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘターゲットを利用する。いくつかの実施形態では、本発明の方法は、０％～５０％の間で変化するＳｃ％を有する単一の合金Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘターゲットを利用する。スカンジウム／アルミニウムターゲットのスパッタリング電力密度は、いくつかの実施形態では０．００１～２０Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。一実施形態では、スパッタリング電力密度は０．０５～１０Ｗ／ｍｍ^２の範囲である。

【0129】

いくつかの実施形態では、成膜中に様々な比率で使用するためのアルゴンガスと窒素ガスとの混合物が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、数ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力で、スパッタリングガス及び反応性ガスとして成膜中に様々な比率で使用するためのアルゴンガスと窒素ガスとの混合物が本明細書で提供される。

【0130】

いくつかの実施形態では、本明細書で提供される方法は、反応性シーディング層として機能する、基板上に成膜したチタン（Ｔｉ）の層を利用する。一実施形態では、基板上へのチタン（Ｔｉ）の層の成膜により、反応性シーディング層が提供される。一実施形態では、基板上のチタン（Ｔｉ）層は、反応性シード層として機能する。

【0131】

いくつかの実施形態では、高温かつ窒素が豊富な環境に曝露されると、窒化チタン（ＴｉＮ）の相互作用層は、（１１１）の好ましい成長配向を形成する。いくつかの実施形態では、本明細書に提供されるように、正三角形（１１１）ＴｉＮ面と六角形構造の（００１）（ＡｌＳｃ）Ｎとの間に２：１の面比が存在するエピタキシャル整合が提供され、これにより長期にわたる配向性粒子成長が保証される。

【0132】

いくつかの実施形態では、本発明の方法は、成膜を通じて室温（ＲＴ）から５００℃まで間の範囲の様々な基板温度を利用する。一実施形態では、成膜中の基板温度は室温から１００℃の間である。別の実施形態では、成膜中の基板温度は室温から２００℃の間である。別の実施形態では、成膜中の基板温度は室温から３００℃の間である。別の実施形態では、成膜中の基板温度は２５０℃から４００℃の間である。別の実施形態では、成膜中の基板温度は２００℃から４００℃の間、または室温から６００℃の間である。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層は温度勾配下で形成される。別の実施形態では、温度勾配は２００℃から４００℃の間である。

【0133】

いくつかの実施形態では、Ｔｉ層は、酸化性ガス及び／または不活性ガス、またはそれらの任意の組み合わせによって処理される。いくつかの実施形態では、Ｔｉ／ＴｉＮ層は、酸化性ガス及び／または不活性ガス、またはそれらの任意の組み合わせによって処理される。一実施形態では、ＴｉまたはＴｉ／ＴｉＮ層は酸化性ガスによって処理される。別の実施形態では、酸化性ガスは、酸素、窒素、水またはそれらの任意の組み合わせから選択される。一実施形態では、ＴｉまたはＴｉ／ＴｉＮ層は不活性ガスによって処理される。別の実施形態では、不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素またはそれらの任意の組み合わせから選択される。

【0134】

いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層は、基板に対して垂直なｃ軸（００１）でテクスチャ化される。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層は、基板に対して垂直なｃ軸（００１）で高度にテクスチャ化される。いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるＴｉまたはＴｉ／ＴｉＮ層の厚さは５０～３００ｎｍの間である。いくつかの実施形態では、Ｔｉ層は窒素と反応する。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層は表面を平滑化する。いくつかの実施形態では、表面平滑化をもたらすＴｉ／ＴｉＮ反応層は、（ＡｌＳｃ）Ｎ層のためのその場で生成されたシード層として機能する。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の内部応力は、６０～３００ＭＰａの範囲である。

【0135】

いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは０．１～１０μｍの間である。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは０．１～５μｍの間である。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは、０．７５～５μｍの間、０．８～５μｍの間、０．８～１０μｍの間、０．８～２０μｍの間、１．０～２０μｍの間または０．８～５０μｍの間である。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは０．８μｍより大きい。いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは、０．７５μｍよりも大きい、０．８μｍよりも大きい、または１．０μｍよりも大きい。一実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層の厚さは、０．７５μｍ未満または０．７０μｍ未満である。

【0136】

一実施形態では、Ｔｉシード層上に成膜した（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の結果に言及する図／結果の説明は、本開示の方法によって生成されたＡｌＳｃＮ層に言及する。この態様によれば、一実施形態では、そのような説明は、ＴｉＮ層がＴｉ層とＡｌＳｃＮ層との間に存在するサンプルに言及する。しかしながら、簡単にするために、本発明の実施形態ではＴｉＮ層について説明／記載していない。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層はＴｉ層とＡｌＳｃＮ層との間に存在するが、説明を簡単にするために言及されていない。

【0137】

いくつかの実施形態では、成膜した窒化アルミニウムスカンジウム圧電層は、均一かつ均質な化学組成を有する。

【0138】

一実施形態では、ＡｌＳｃＮ層はＴｉＮ層と接触している。一実施形態では、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間に他の材料は存在しない。一実施形態では、本開示の方法によって形成される層はＣｕ（銅）を含まない。一実施形態では、本開示の方法で形成される層はＡｌＣｕを含まない。

【0139】

一実施形態では、本開示の方法では、ＴｉＮ層の上にＡｌＣｕ層またはＡｌＣｕＮ層が成膜しない。一実施形態では、本開示の方法では、ＡｌＳｃＮ層の下にＡｌＣｕ層またはＡｌＣｕＮ層が成膜しない。一実施形態では、本開示の方法及びデバイス／システムでは、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間にＡｌＣｕ層またはＡｌＣｕＮ層は存在しない。

【0140】

一実施形態では、上記のＴｉ／ＴｉＮ／ＡｌＳｃＮ層を含む本発明の層状材料では、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間に他の材料が存在しない。一実施形態では、本発明の層状材料はＣｕ（銅）を含まない。一実施形態では、本発明の層状材料はＡｌＣｕを含まない。一実施形態では、本発明の圧電材料／デバイス／システム／カンチレバー／膜において、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間にＡｌＣｕ層またはＡｌＣｕＮ層は存在しない。

【0141】

一実施形態では、本開示のデバイス／システム／カンチレバーでは、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間にＣｕは存在しない。一実施形態では、本開示のデバイス／システム／カンチレバーでは、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間にＣｕ層は存在しない。一実施形態では、本開示のデバイス／システム／カンチレバーでは、ＴｉＮ層とＡｌＳｃＮ層との間に銅を含む層は存在しない。

【0142】

一実施形態では、本明細書で上述したように、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の生成は、Ｎ_２ガスの存在下でのＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘ（０．５７≦ｘ≦１）ターゲットからの成膜によって行われる。一実施形態では、成膜は単一の金属合金ターゲットから行われる。一実施形態では、成膜は、１３％～３０％のスカンジウムと７０％～８７％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットから行われる。一実施形態では、成膜は、１５％～３０％のスカンジウムと７０％～８５％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットから行われる。一実施形態では、成膜は、１５％～３５％のスカンジウムと６５％～８５％のアルミニウムとを含む単一の金属合金ターゲットから行われる。

【0143】

いくつかの実施形態では、本発明は、（００１）／（００２）配向を有し、かつストレスが少ない、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜を提供する。

【0144】

一実施形態では、低応力は１００ＭＰａ未満の応力であり、σ＜１００ＭＰａである。

【0145】

一実施形態では、本発明の材料、膜、デバイス及び層の圧電性能または圧電応答は、圧電係数によって評価される。

【0146】

一実施形態では、第１の層を製造するとき（ステップ（ｂ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含まない。

【0147】

一実施形態では、ＴｉＮ層及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するとき（ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含む。

【0148】

一実施形態では、膜の厚さは１μｍより大きい。

【0149】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、基板を提供するステップと、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を形成するステップと、前記第１の層の上にＴｉＮ層を生成するステップと、前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップと、を有し、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層は前記ＴｉＮと接触している、方法を提供する。

【0150】

一実施形態では、ステップ（ｂ）～ステップ（ｄ）はスパッタリングチャンバ内で行われる。一実施形態では、ステップ（ｂ）は、Ｔｉをスパッタリングすることによって行われる。一実施形態では、ステップ（ｃ）は、第１の層を窒素ガスに曝露して、ＴｉＮ層を形成するステップを含む。一実施形態では、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するステップ（ｄ）は、窒素ガスの存在下で前記ＴｉＮ層の上にＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘをスパッタリングするステップを含む。一実施形態では、ステップ（ｄ）がステップ（ｃ）の後に行われる、ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）が同時に行われる、または、ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ）が少なくとも部分的に同時に行われる。

【0151】

一実施形態では、ステップ（ｃ）は、前記第１の層を２５℃～６００℃の間の範囲の温度及び窒素ガスに曝露するステップを含む。

【0152】

一実施形態では、第１の層を製造するとき（ステップ（ｂ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含まない。

【0153】

一実施形態では、ＴｉＮ層及びＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を生成するとき（ステップ（ｃ）及びステップ（ｄ））、スパッタリングチャンバは窒素ガスを含む。

【0154】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮにおけるｘは０．５７≦ｘ≦１の範囲である。

【0155】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮは、Ａｌ_０．８０Ｓｃ_０．２０Ｎ、Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５ＮまたはＡｌ_０．７Ｓｃ_０．３Ｎである。一実施形態では、前記ＡｌｘＳｃ１－ｘＮ層の厚さは０．８μｍより大きい。一実施形態では、ステップ（ｂ）の前に前記基板が洗浄される。一実施形態では、洗浄は、有機または無機溶媒、有機酸または無機酸、及び／またはガスプラズマ、の使用を含む。

【0156】

一実施形態では、ステップ（ｂ）は室温で行われる、ステップ（ｃ）は２５℃～４００℃の間の範囲の温度で行われる、及び、ステップ（ｄ）は２５０℃～６００℃の間の範囲の温度で行われる。

【0157】

一実施形態では、ステップ（ｂ）はアルゴン下で行われる、ステップ（ｃ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われる、及び、ステップ（ｄ）は窒素及びアルゴンを含むガス下で行われる。

【0158】

一実施形態では、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）、ステップ（ｄ）、またはそれらの任意の組み合わせは、１ａｔｍ（約１．０１×１０^５Ｐａ）未満の圧力で行われる。

【0159】

一実施形態では、本開示の方法は、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層上に導電性材料を含む最上層を生成するステップをさらに含む。一実施形態では、導電性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉまたはそれらの組み合わせから選択される。一実施形態では、最上層はＴｉを含む。一実施形態では、第１の層及び最上層は電極として使用される。一実施形態では、電極は独立して電源に接続される。

【0160】

一実施形態では、Ｔｉ層とＴｉＮ層とを組み合わせた厚さは５０～３００ｎｍの間である。

【0161】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した方法によって生成されるＴｉ／ＴｉＮ層を提供し、Ｔｉ／ＴｉＮ層の厚さは５０～３００ｎｍの間の範囲である。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した方法によって生成されたＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を提供する。

【0162】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層について、内部応力が６０～３００ＭＰａの範囲である、層は基板に対して垂直なｃ軸（００１）を有する、またはそれらの組み合わせである。

【0163】

一実施形態では、本発明は多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜であって、前記膜の配向は００１／００２である、前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ^２～４．０Ｃ／ｍ^２の範囲である、前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、またはそれらの任意の組み合わせである、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜を提供する。

【0164】

一実施形態では、多結晶Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さは０．８μｍより大きい。

【0165】

一実施形態では、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の厚さは、０．８μｍ～１０μｍの間または０．５μｍ～４μｍの間の範囲である。

【0166】

一実施形態では、本発明は、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、前記Ｔｉ層と接触するＴｉＮと、前記ＴｉＮと接触するＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む層と、前記Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを提供する。

【0167】

一実施形態では、導電性材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉまたはそれらの組み合わせから選択される。

【0168】

一実施形態では、圧電デバイスは、１００Ｖｐｐまでの電界下で動作可能である。

【0169】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述したＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を含むカンチレバーを提供する。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した圧電デバイスを備えたカンチレバーを提供する。

【0170】

一実施形態では、本発明は、本明細書で上述したＡｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ層を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供する。一実施形態では、本発明は、本明細書で上述した圧電デバイスを備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供する。

【0171】

一実施形態では、本発明は、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の調製方法であって、基板を提供するステップと、前記基板の上にＴｉを含む第１の層を形成するステップと、前記第１の層を高温及び窒素ガスに曝露するステップと、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層を生成するステップと、を含む方法を提供する。

【0172】

一実施形態では、本発明は、基板と、前記基板の上のＴｉを含む第１の層と、Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮを含む上層と、前記上層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイスを提供する。

【0173】

一態様では、圧電デバイスは、前記第１の層上にＴｉＮをさらに含む。

【0174】

一実施形態では、スパッタリング時間を変更することにより、異なる厚さを有する層を得ることができる。実施例を本明細書で説明する。必要に応じて、他のスパッタリング時間を使用することもできる。

【0175】

本発明は、いくつかの実施形態において、膜厚が１μｍを超える場合でも、（００１）／（００２）配向及び低応力の、このような特性を得ることができる。

【0176】

実施例

【0177】

実施例１

【0178】

サンプル調製：チタンシード層

【0179】

厚さ約５０ｎｍのチタン膜を、基板温度２５℃で＜１００＞２''真性・Ｐ型シリコンウェハ及びＤ２６３ホウケイ酸ガラス［Ｔｉ－１－４、表１］上にスパッタ成膜した。成膜前のウェハの洗浄を、極性を増加させた溶媒（アセトン、ＩＰＡ、ＤＤＩ）によって行った。蒸着前に自然酸化層及び表面汚染物質を除去するために、希フッ化水素酸を使用した。スパッタリングの前に、基板をアルゴン及び酸素でプラズマ洗浄しすることにより、１０ｍＴｏｒｒ（約１．３３Ｐａ）のチャンバ圧力、１０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）のアルゴン及び酸素流量で、有機汚染物質を除去した。膜は、１５０ワットのＤＣマグネトロンスパッタリング（ＡＴＣ Ｏｒｉｏｎ Ｓｅｒｉｅｓ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＡＪＡ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ社）を使用して、２''５Ｎ Ｔｉ単一ターゲットから成膜した。成膜高さは２４ｃｍ、チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）、アルゴン流量は３０ｓｃｃｍ（約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）であった。１セットの成膜［Ｔｉ、３－４、表１］には後続のステップが含まれていた。ガス流量３０ｓｃｃｍ（約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）、５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）の窒素環境下、４００℃で１時間浸漬した。

【0180】

この実施例の別の実施形態では、使用されたすべてのガスは純度６Ｎであり、イスラエルのＧａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって供給された。基板の洗浄には、半導体グレード（ＣＭＯＳ、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社）のＨＦ（フッ化水素酸）、有機溶媒、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用した。さらに、基板を室温に保ち、厚さ５０ｎｍのチタン膜をスパッタリング法により成膜した。直径２インチ（５．０８ｃｍ）の２種類の基板を使用した：（１００）・ｐ型Ｓｉシリコンウェハ１０－３０ Ｏｈｍ・ｃｍ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｗａｆｅｒ社、厚さ２５０±２５μｍ及びＤ２６３ホウケイ酸ガラス（ＳＣＨＯＴＴ社、厚さ５００±５０μｍ）。最初に、基板を、アセトン、イソプロピルアルコール、脱イオン水という極性の高い順に溶媒で洗浄した。次に、希フッ化水素酸（４％）を使用して、自然酸化層及び表面汚染物質を除去した。スパッタリングチャンバ内の有機汚染物質を除去するために、アルゴンと酸素との比率５０％、１０ｍＴｏｒｒ（約１．３３Ｐａ）の圧力で、基板を、アルゴン及び酸素でプラズマ洗浄した。Ｔｉ膜は、電力レベル１５０ＷのＤＣマグネトロンスパッタリング（ＡＴＣ Ｏｒｉｏｎ Ｓｅｒｉｅｓ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＡＪＡ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ社）によって、直径２インチ（５．０８ｃｍ）、純度５ＮのＴｉターゲット（Ａｂｌｅｔａｒｇｅｔ社、中国）から成膜した。マグネトロンと基板との間の距離は２４ｃｍであり、成膜中のチャンバ内のＡｒ圧力は５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）であった。窒素プラズマ放電グローを利用するＡＪＡグロー放電オプションを使用して、５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）の圧力、６７３Ｋで、窒素プラズマに膜を３０分間曝露した。

【0181】

表１.（１００）シリコンウェハ及びＤ２６３ホウケイ酸ガラス上にスパッタリングされた５０ｎｍのチタンシード層の成膜条件及び処理を示す。層は、１５０ワット、５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）のチャンバ圧力、３０ｓｃｃｍ（約５．０７×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）のアルゴン流量、及び室温での２４ｃｍの成膜高さを使用して、５Ｎ ２''Ｔｉ金属ターゲットから成膜した。

【0182】

【表1】

【0183】

実施例２

【0184】

サンプル調製：Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ薄膜

【0185】

ダイスカットされた窒化アルミニウムスカンジウム膜が、基板温度２００～４００℃で、前述のＴｉシード層上にスパッタ成膜された［「ＡＳＮ」サンプル、表２］。膜は、２５０ワットで、単一の３''５Ｎ金属合金ターゲット、スカンジウム２５％、アルミニウム７５％から成膜した。成膜高さを２４ｃｍ、チャンバ圧力を５ｍＴ（約０．６７Ｐａ）に設定し、アルゴン流量は１０ｓｃｃｍ（約１．６９×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）、窒素流量は２５ｓｃｃｍ（約４．２３×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）であった。その後、厚さ１００ｎｍの上部チタン電極を成膜した。

【0186】

サンプルＡＳＮ１－３は、テクスチャ、異常配向結晶粒（ＡＯＧ）の形成、及びその後のピエゾ応答に対する温度の影響を示している。ＡＳＮ４については、出現したテクスチャに対する３００ｎｍの厚いチタンシード層の影響を調べた。ＡＳＮ１０のサンプルでは、テクスチャへの影響を調べるために、５０ｎｍチタンの前に１００ｎｍアルミニウムの追加層を成膜した。サンプルＡＳＮ８、９では、本方法の普遍性を実証するために、２つの異なる基板上で同一のプロセスを使用した。

【0187】

上部Ｔｉ接点を成膜し、パターン化し、サイズ１ｘ４ｃｍ^２のカンチレバーにダイシングした。カンチレバーを、下部電極への真鍮の延長部に取り付けた。上部電極を銅線で接続し、導電性銀塗料で接着した。ひずみ測定を行うために、カンチレバーを以下に説明する曲率測定装置に接続した。

【0188】

別の実施形態では、Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜が、調製したＴｉシード層上に金属合金ターゲットからＤＣ反応性スパッタリングによって成膜された。５Ｎ金属合金ターゲット（Ａｂｌｅｔａｒｇｅｔ社、中国）を載せた直径３インチのマグネトロンに２５０Ｗの電力を加えた。チャンバ内の圧力は５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）であり、アルゴンと窒素との比は１：４であった。

【0189】

表２は、（１００）シリコンウェハ及びＤ２６３ホウケイ酸ガラス上にスパッタリングされたＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜の成膜条件及び処理を示している。この層は、２００～４００℃で、２５ワット、５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）のチャンバ圧力、５ｓｃｃｍ（約８．４５×１０^－３Ｐａ ｍ^３／秒）のアルゴン、２０ｓｃｃｍ（約３．３８×１０^－２Ｐａ ｍ^３／秒）の窒素流及び２４ｃｍの成膜高さを使用して、３''２５％のＳｃ、７５％のＡｌ合金ターゲットから成膜された。表２に示したサンプルＡＳＮ８～ＡＳＮ１０の成膜温度プロファイルは以下の通りである：６７３Ｋ（４００℃）で３０分間スパッタリングした後、５２３Ｋ（２５０℃）で８～１３時間スパッタリングした。

【0190】

【表2】

【0191】

実施例３－微細構造の特性評価

【0192】

本実施例のいくつかの実施形態では、シリコン及びウィローガラス（Willowglass）上の微細構造層の特性評価を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｉｇｍａ社、Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社、及びＺｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ５５ＶＰ、４～８ｋｅＶ）によって行い、層の厚さ、粒径、表面及び断面形態を得た。ナノスケールトポグラフィー測定を、マルチモードＡＦＭ（Ｂｒｕｋｅｒ社）、ＰＮＰ－ＴＲＳプローブ（ＮａｎｏＷｏｒｌｄ社）によるＰｅａｋＦｏｒｃｅタッピングモード、またはＮＳＧ３０＿ＳＳプローブ（ＳｃａｎＳｅｎｓ社）によるタッピングモードを使用した原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で行った。

【0193】

元素分析を、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって行った。Ｂｒｕｋｅｒ社のＦｌａｔＱＵＡＤ（４象限）ＥＤＳは、Ｚｅｉｓｓ社のＵｌｔｒａ５５走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に取り付けられている。サンプルのハイパーマップ（Hypermap）を８ｋＶ、３０μｍのアパーチャで取得し、Ｂｒｕｋｅｒ社のＱｕａｎｔａｘソフトウェアを用いて完全なマップまたは様々な関心領域（ＲＯＩ）の定量化を行った。定量化は、化学量論比を評価するために使用されるＺＡＦマトリックス補正、バックグラウンド減算及びスペクトルのデコンボリューションによる、スタンダードレスの方法に基づいている。回転Ｃｕアノードを備え、５０ｋＶ／２００ｍＡで動作するＴＴＲＡＸ ＩＩＩ（リガク社、日本）回折計を使用して、反射幾何学的形状でＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実行した。グラファイトモノクロメータ及びシンチレーション検出器を回折ビーム内に配置した。膜の測定は、２つの反射モードで行った。最初に、膜面に対して平行な結晶面のみを調べる反射回折（θ／２θスキャン）を、ブラッグ・ブレンターノ（Ｂｒａｇｇ－Ｂｒｅｎｔａｎｏ）配置で行った。次に、多層膜ミラー（ＣＢＯアタッチメント、リガク社）により形成された準平行Ｘ線ビームを用いて、入射角を３度に固定した非対称２θスキャンを実行した。これらの走査条件下では、各回折面（ｈｋｌ）が膜面に対して（θｈｋｌ－３）度の角度であることに注意されたい。

【0194】

鏡面条件下で得られた回折パターンに現れる、（ＡｌＳｃ）Ｎ膜の結晶子のおそらく選択的な配向を確認するために、対応するブラッグ角で｛００２｝反射の極点図を記録した。この目的のために、入射／回折ビーム面に対して一定に増加するサンプル傾斜（Ψ角）で面内サンプル回転を行う多目的アタッチメントＩＩＩ（オイラークレードル）を使用した。Ｓｈｕｌｔｚスリットは、サンプルの傾斜により拡張されたＸ線照明の設置面積を制限した。定性的相分析を、Ｊａｄｅ Ｐｒｏソフトウェア（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄａｔａ，Ｉｎｃ．社）及びＰＤＦ－４＋２０２０データベース（ＩＣＤＤ）を使用して行った。極点図を、極点図データ処理ソフトウェア（リガク社）を使用して解析した。

【0195】

プログラム可能な２点レベリングソフトウェアにより、ダイヤモンド１２．５μｍスタイラスを使用したＤｅｋｔａｋ６Ｍ表面形状計を用いて、成膜の前後にウェハの裏面でウェハの曲率測定を行った。Ｏｒｉｇｉｎ ２０１８を使用して円形半径フィットを適用し、そこからストーニーの公式（Ｓｔｏｎｅｙ Ｆｏｒｍｕｌａ）を使用して面内応力を抽出した。

【0196】

実施例４

【0197】

電気機械的特性評価

【0198】

曲率測定装置（図７）を利用して、膜内の応力を測定し、それによって電気機械的応答を測定した。ファンクションジェネレータ（Ｒｉｇｏｌ社、４０６２）を使用して電圧を印加すると、（ＡｌＳｃ）Ｎ圧電層にひずみが誘発され、その結果カンチレバーが曲がった。レーザビームの変位ΔＸに変換係数（７．５μｍ／ピクセル）を乗ずると、方程式（１）を使用して曲率が抽出された実際のビーム変位が得られる。

【0199】

【数2】

【0200】

式中、Δｋは曲率の変化であり、ＬはサンプルからＣＣＤカメラまでの距離であり、ｌは反射点から固定点までの距離である。曲率変化Δｋから、ストーニーの公式である方程式（２）に従って膜内応力変化Δσを計算できる。

【0201】

【数3】

【0202】

式中、Ｙ_ｓは基板のヤング率であり、ν_ｓは基板のポアソン比である。ｔ_ｓ及びｔ_ｆはそれぞれ基板及び膜の厚さである。計算された応力を印加電界Ｅで割ることにより、電荷密度を表す圧電係数ｅ_３１［ｃ／ｍ^２］を抽出することができる（方程式（３））。

【0203】

【数4】

【0204】

実施例５

【0205】

成膜及び微細構造

【0206】

トポグラフィックＡＦＭ測定は、高温で窒素に曝露された結果として表面が滑らかになる明らかな傾向を示している［図２Ａ～２Ｄ］。このような表面の平滑化は、サンプル表面での反応を示しており、対応するＸＲＤスペクトルと相関している。窒化チタンは、（１１１）選択的成長配向を有する岩塩構造［図１Ａ］を有する［図１Ｂ］。この露出した（１１１）面は、約５．９オングストローム（約０．５９ｎｍ）の面を有する正三角形によって構成され、（ＡｌＳｃ）Ｎの３．１オングストローム（約０．３１ｎｍ）の面を有する六角形の粒子のための局所核生成点を提供する［図１Ｃ］。これらの局所的な低密度核生成点は、その後の（ＡｌＳｃ）Ｎ成膜のための、応力のない柱状の粒子成長を確実にする反応性エピタキシャル層としても機能する。図１Ｄは、小さなエピタキシャル不整合を示す３つの表面層を示している。１つ目はＴｉ（００１）面であり、一辺が２．９５１オングストローム（約０．２９５１ｎｍ）の正三角形を含む。２つ目はＴｉＮ（１１１）面であり、一辺が２．９９５オングストローム（約０．２９９５ｎｍ）の正三角形を含む。それぞれのＴｉＮ核生成部位は、一辺が３．１１１オングストローム（約０．３１１１ｎｍ）の正三角形を含む、重ねられたＡｌＮ（００１）面のためのその場でのエピタキシーを提供する。

【0207】

図３Ａは、表２の膜ＡＳＮ１～３のＸＲＤスペクトルを示しており、膜は４００℃、３００℃及び２５０℃で成長し、対応する表面及び断面の画像が図３Ｂに示されている。ＳＥＭ画像は、成膜温度の低下に伴ってサンプル表面上のＡＯＧが減少するという明確な傾向を示している。（００２）ＡｌＮピーク（３６．０４°）は膜内でシフトしており、より低い角度へのシフトは格子の拡大を示す。このような膨張は、ウルツ鉱格子へのスカンジウムの取り込み及び膜成膜応力に起因すると考えられる。

【0208】

（００２）ｃ軸テクスチャは、表２の膜サンプルＡＳＮ２、３において明らかな六角形の粒子及び柱状成長によって特徴付けられる。ＡＳＮ１（表２）に見られる（１００）ＡｌＮに起因するピーク（３２．０５°）は、成膜中に配向が失われたことを示唆している。これは、表面に見られる多量のＡＯＧ、及びピラミッド型の粒子によっても裏付けられている。この配向性の損失はＳｃの偏析に起因しており、ＡＳＮ１の表面上のＡＯＧと、断面画像に示されている脆い柱状成長によって明らかである。スカンジウムの偏析を軽減し、ウルツ鉱相に動力学的に固定するために、成膜温度を低下させた。３００℃及び２５０℃で成膜したサンプルＡＳＮ２～３（表２）は、サンプル表面及び断面でのＡＯＧ形成が明確に抑制された単一の（００２）ＸＲＤピークを示した。

【0209】

表２のサンプルＡＳＮ４、８、９、１０［図３Ｃ］の成膜を、基板、シード層の厚さ、予備アルミニウム層、温度及び（ＡｌＳｃ）Ｎ膜厚を変更して実施した。このような変更は、成長メカニズムを理解するために不可欠であった。サンプルＡＳＮ８～９（表２）を、２つの異なる基板（アモルファス材料であるＤ２６３ホウケイ酸塩及び（１００）シリコンウェハ）上の５０ｎｍＴｉシード層上に２００℃で成膜した。テクスチャを示す特異な（００２）ピークが、対応するＸＲＤスペクトルにおいて観察された［図３Ｃ、赤、紫］。テクスチャの度合いを調査するために、サンプルＡＳＮ８、９の（００２）ピークの極点図測定を実施した。図５Ａ及び図５Ｂは、厚さ３μｍのＡｌＳｃＮ層をＳｉ及びホウケイ酸ガラス上に高度なテクスチャで成膜できることを示している。他の配向の明らかな残留物のない単一のピークが観察される。このような絶対値は、高度なテクスチャを示す。同様の結果が２つの異なる基板から観察されたため、（ＡｌＳｃ）Ｎ成膜にチタンシードを利用する方法は基板に依存しないと推測できる。

【0210】

この仮説を調査するために、膜サンプルＡＳＮ４、１０のチタンシード層に変更を加えた（表２）。膜サンプルＡＳＮ４は３００ｎｍの厚いチタンシード層を利用したが、サンプルＡＳＮ１０は予備の１００ｎｍアルミニウム層を備えた５０ｎｍチタン上に成長した。サンプルＡＳＮ４ ＸＲＤスペクトルには、選択配向の喪失を示す複数のピークが表示された。これは、対応する極点図で観察された複数のピークによって裏付けられている［図５Ｃ］。これは、チタンシード層の厚さ及びトポグラフィーが、配向した（００１）（ＡｌＳｃ）Ｎの成長プロセスにおいて重要な役割を果たしていることを示唆している。サンプルＡＳＮ１０のＸＲＤスペクトルは、特異な（００２）ピークを示したが、（００２）ピークのわずかな広がりが極点図（図５Ｂ）で確認でき、平面に関するテクスチャのわずかな損失が発生したことを示している。

【0211】

ＥＤＳ化学マッピングは、４ｋＶ及び８ｋＶのサンプルＡＳＮ９を使用して［図１９］、サンプル全体にわたるアルミニウム及びスカンジウムの化学分布を調査するために行われた。得られた化学マッピングは、Ａｌ及びＳｃが均一に分布していることを示した。これは、膜内に材料の単一相が存在することを示唆している。

【0212】

実施例６

【0213】

電気機械的特性評価

【0214】

０．１Ｈｚで最大２０Ｖｐｐの正弦波交流バイアスを印加すると、圧電性を示す第１高調波応答、すなわち電圧が印加されたときのカンチレバーの垂直変位が生成された（図６Ａ）。この挙動は、反応を示さなかったサンプルＡＳＮ１を除いて、テストしたすべての膜で観察された。膜内の応力はカンチレバーの変位から計算された（方程式１）。応力を印加電界で割ると、圧電係数ｅ_３１が得られる。方程式（３）を参照されたい。

【0215】

得られた膜は、約２．５Ｃ／ｍ^２もの高い圧電応答を生成した。発明者らは、ＡＯＧの形成が、成膜温度、ひいては圧電応答に影響を与える膜の配向に大きく影響されることを実証した。

【0216】

（ＡｌＳｃ）Ｎは、（１００）配向シリコン及びアモルファスホウケイ酸ガラスという異なる結晶学的性質を有する２つの基板上に大きな厚み及び高度な配向で成膜された。１００ｎｍのアルミニウムなどの予備層が５０ｎｍのチタンシードの下に存在する場合にも、同一品質の膜が得られた。３００ｎｍのチタンシード層では配向が完全に失われることに注意されたい。これは、成長プロセスにはエピタキシーに加えてある程度のトポグラフィーの平滑化が必要であることを示唆している。

【0217】

成膜中のＴｉシード層の変化を調査するために、シリコン基板及びＤ２６３基板の両方について、４００℃で窒素に浸した５０ｎｍＴｉシード層に対しＸＲＤ測定を行った（表１）。ピークは高温で窒素に曝露された後に発生し、（３６．６５℃）で観察された。このピークは（１１１）ＴｉＮ（３６．８°）に起因すると考えられ、（００１）六方晶系（ＡｌＳｃ）Ｎとの良好なエピタキシャル整合を提供する。これは、ＡＯＧの抑制に関する説明も提供する。（ＡｌＳｃ）ＮとＴｉとの間のエピタキシャル整合が成膜中にその場で生成されると、成膜応力の低減に大きく寄与し、それによってスカンジウムの偏析が低減し、異常配向粒子（ＡＯＧ）の出現が防止される。

【0218】

実施例７

【0219】

圧電係数の測定

【0220】

表２のサンプルＡＳＮ８、ＡＳＮ９及びＡＳＮ１０に関して、得られた基板＼Ｔｉ＼Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜のスタックを、上部電極として機能する厚さ５０ｎｍの上部チタン層で覆った。基板／Ｔｉ／Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ／Ｔｉ膜のスタックを有するサンプルを、幅１ｃｍかつ長さ２～４ｃｍの長方形のプレートに切断した。後者を、上部Ｔｉ層と下部Ｔｉ層との間に印加される電圧及びひずみを監視する装置に、カンチレバーとして取り付けた。圧電係数を、電圧の印加によりカンチレバーに誘起される応力から計算した。純粋な円筒曲げ（ゼロ ガウス曲率）を仮定し、ストーニーの公式を用いて応力を推定した。ＡＳＮ８－１０サンプルの圧電係数は、平均してｅ_３１＝１．６５±０．１３Ｃ／ｍ^２であった（図２３を参照）。

【0221】

この実施例のいくつかの実施形態によれば、膜の特性評価は以下の通りである。

【0222】

スタック内の各膜の厚さを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｉｇｍａ社、Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社、及びＺｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ５５ＶＰ、４～８ｋｅＶ）によって取得したスタック断面の画像から推定した。ＳＥＭ画像を、表面及び断面の両方の粒子サイズ及び形態を推定するためにも使用した。ナノスケールのトポグラフィーマップは、ピークフォースタッピングモードの原子間力顕微鏡（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ＡＦＭ（Ｂｒｕｋｅｒ社））を使用して取得した。

【0223】

元素分析を、Ｚｅｉｓｓ社のＵｌｔｒａ ５５走査型電子顕微鏡に取り付けられたＢｒｕｋｅｒ社のＦｌａｔＱＵＡＤ（４象限）ＥＤＳ アタッチメントを備えたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって行った。ＥＤＳスペクトルを、８ｋＶ電子ビーム加速電圧で収集した。

【0224】

粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンを、ＴＴＲＡＸ ＩＩＩ回折計（リガク社、日本）を用いてブラッグ・ブレンターノ配置で収集した。膜のテクスチャを検出するために、リカク社のＴＴＲＡＸ回折計のオイラークレードルを使用して、対応するブラッグ角で回折ピークの極点図を記録した。Ｓｈｕｌｔｚスリットを用いて、サンプルの傾斜により拡張されたＸ線照射スポットの設置面積を制限した。相分析を、Ｊａｄｅ Ｐｒｏソフトウェア（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄａｔａ， Ｉｎｃ．社）を使用して行った。Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎの（００２）回折ピークに加えて、ｃ軸テクスチャを調べ、（１００）及び（０１１）方向の極点図データを収集した。ただし、これらのピークの回折強度は検出できないほど弱かったため、（００２）ピークより少なくとも５００倍弱いと推定される。

【0225】

膜内の応力を、成膜前後のウェハ曲率の変化から推定した。Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜はスタック内で最も厚いため、他の層を無視して応力を計算した。ウェハの曲率を、ＤｅｋｔａｋＸＴ ｓｔｙｌｕｓ ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ（Ｂｒｕｋｅｒ社、米国）を使用して測定した。

【0226】

焦電係数を、１７ｋＨｚで動作する変調ＩＲレーザ（波長１５６０ｎｍ、１２Ｗ／ｃｍ^２ ＯＳＴＥＣＨ社、ドイツ）を使用した周期温度変化法（Periodic Temperature Change method）（Ｃｈｙｎｏｗｅｔｈ）で測定した。１００％の放射線吸収を保証するため、これらの測定用に準備された直径２ｍｍのＴｉコンタクトを、当技術分野で知られているように、カーボンブラックで覆った。

【0227】

Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を、ＴｉＮ層の形成を検出するための膜表面の化学分析及び焦電係数の非接触プローブに使用した。Ｋｒａｔｏｓ ＡＸＩＳ－Ｕｌｔｒａ ＤＬＤ 分光計で、０．３～１５Ｗの低出力で、単色Ａｌ ｋ_α源を使用して測定を行った。サンプル温度を、ＸＰＳ装置内にサンプルに近接して配置された熱電対によって監視した。信頼できる結合エネルギーの値を得るために、各温度でスキャンを継続した。

【0228】

実施例８

【0229】

Ｔｉシード層上へのＴｉＮの形成

【0230】

スパッタされたＴｉは、選択的な（００１）配向を有するα相（ＨＣＰ）として成長することが知られている。したがって、上述のように両タイプの基板上に、シード層として、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜をＤＣマグネトロンスパッタリングによって成膜した。ＸＲＤによると、膜は実際に高い（００１）テクスチャを有するα－Ｔｉである。（００２）回折ピークがスペクトルを支配し、両方の基板についてＦＷＨＭ＝０．５５°を有する（図１３Ａ～１３Ｃ）。

【0231】

（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎの反応性スパッタリング中に発生するＴｉＮのその場での形成をシミュレートするために、膜を６７３Ｋで３０分間グロー放電窒素プラズマに曝露し、膜の表面をＸＰＳで調べた。スパッタリングシステムからＸＰＳチャンバへの膜の移動中に最上層が汚染または酸化する可能性があるため、ＸＰＳ測定中、サンプルをアルゴン（速度：約１オングストローム／秒（約０．１ｎｍ／秒））によってスパッタリングした。スパッタリング前に、酸化したＴｉＮに割り当てられ得る３９６ｅＶ、４００ｅＶ（Ｎ １ｓ）及び５５７ｅＶ（Ｔｉ ２ｐ）のピークが観察された。約１ｎｍの除去後、これらのピークは、ＴｉＮ、３９７ｅＶ（Ｎ １ｓ）及び４５５ｅＶ（Ｔｉ ２ｐ）に関連するピークによって置き換えられた（図１４Ａ及び図１４Ｂを参照）。スパッタリングが継続するにつれて、Ｎ １ｓピークの強度が減少し、ＴｉＮピークと金属Ｔｉピークとの間の緩やかな移行が観察された。シリコン信号が検出されるまでスパッタリングを継続した。スパッタリング時間に伴う計算された窒素の原子濃度の変化（図１５）から、Ｔｉを窒素プラズマに曝露することによって形成されるＴｉＮ層の厚さは約１０ｎｍであると推定された。このような薄い厚さは、工業用プラズマ窒化で見られるものと同様に、Ｔｉ金属中への窒素の拡散によって厚さが決定されることを示唆している。

【0232】

ＡＦＭマッピングにより、ＴｉＮの形成には検出可能な表面の平滑化が伴うことが明らかになった（図２Ｄ）。成膜したＴｉ膜の平均表面粗さは１．１ｎｍであったが、窒素プラズマとの反応により、粗さは（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎの成長に適した０．６８ｎｍまで減少した。

【0233】

実施例９

【0234】

ＡｌＳｃＮの反応性スパッタリング

【0235】

Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎの薄膜を、５０×１０ｎｍの（００１）でテクスチャ化されたＴｉによってコーティングされた両方のタイプの基板（Ｓｉ及びＤ２６３ガラス）上に成膜した。Ｔｉシード層の成膜後に真空を破壊することなく、基板をスパッタリングチャンバ内で６７３±１０Ｋに加熱し、金属合金ターゲットＡｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５からの反応性ＤＣスパッタリングを窒素／アルゴンプラズマ中で３０分間行った。その後、所望の膜厚２～３μｍ、成膜速度３．５～４ｎｍ／分に応じて、成膜プロセスを５２３Ｋで８～１３時間継続した（図３Ｄ、３Ｂ）。基板（１００）－ＳｉまたはＤ２６３ホウケイ酸ガラスに関係なく、最大３μｍの厚さの膜が生成された（表２、図１６Ａ～Ｄ及び図１７）。

【0236】

Ａｌ_０．７５Ｓｃ_０．２５Ｎ膜のＸＲＤパターンには、（００２）回折ピークのみが含まれていた。このピーク（２θ≒３５．５°）について収集された極点図の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、両方の基板に対し、すべての方位角方向についてΔ２θ≒０．３１±０．０２°である（図１６Ａ、１６Ｂ及び図１７Ａ、１７Ｂ）。

【0237】

膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像には、平均横径約８５～１００ｎｍの小石状粒子が示されている（図１６Ｃ、図１７Ｃ）。５枚のＳｉウェハの反復測定から測定されたように、表面の汚染及び誤って配向された粒子は面積の６％未満を占めている。膜品質は、スパッタリングされた（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎに対して典型的な圧縮応力の緩和を促進するために導入された１００ｎｍ厚のＡｌ層の存在による影響を受けないことがわかった（図１８）。Ａｌ応力緩和の有無にかかわらず、すべての膜の圧縮応力はウェハ曲率の変化から計算すると１００ＭＰａ未満であり、Ｔｉ＼ＴｉＮシード層が低い成膜応力をもたらすことを示している。ＥＤＳ元素マッピングは、Ａｌ及びＳｃの均一な分布を示している（図１９）。

【0238】

実施例１０

【0239】

焦電測定

【0240】

極軸が基板に向かって向いているか、基板から離れているかを判断するために、すなわち［００１］と［００１´］との配向を区別するために、ＰＴＣ及びＸＰＳベースの方法で焦電効果を測定した。ＰＴＣ測定により、焦電係数はα＝－１３．９±０．１［μＣ／ｍ^２Ｋ］（図２０）であり、この組成（２５％Ｓｃ）について既に報告されている値に近いことが明らかになった。直径２ｍｍの黒色ペイントでコーティングされた上部Ｔｉ電極を使用して焦電測定用に調製されたサンプルの概略図については、図２１も参照されたい。

【0241】

誤差関数フィッティングから焦電係数αｆを計算する場合、以下の点に注意されたい。誤差関数にフィットする焦電流ｊは、以下の数式によって与えられる。

【0242】

【数5】

【0243】

パラメータｊ_０＝（Ｆ_ｄα_ｆ）／（ｃ_ｖ（ｄ_ｓ＋δ））であり、式中、Ｆ_ｄ＝０．３７７８ワットはサンプルに適用される実効レーザ出力であり、α_ｆは焦電係数であり、ｃ_ｖはＳｉウェハの熱容量である１．６４ｘ１０６ジュール／Ｋ・ｍ^２であり、ウェハの厚さはｄ_ｓ＝２８０μｍであり、δ＝２μｍは（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎ層の厚さである。

【0244】

ただし、この場合におけるαは負である。ＸＰＳ測定では、加熱するとＮ １ｓピークがより低いエネルギーにシフトし、逆もまた同様であり（図２２）、焦電応答が負であることをさらに裏付けている。焦電応答の符号は、膜が［００１］配向していること、すなわち上面がＡｌ終端していることを示唆している。これは、すべてがＮ末端化した不活性金属シード層上で成長した膜に関する先の報告とは対照的である。本研究における、生成した膜がＡｌ終端しているという事実は、（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎウルツ鉱型構造の成長がＴｉＮのＮ終端面から始まるという提案された核形成機構と一致する。

【0245】

実施例１１

【0246】

圧電測定

【0247】

平均して、カンチレバーのひずみデータから推測される横方向の圧電係数はｅ_３１＝１．６５±０．１３Ｃ／ｍ^２であった。この値は、同一のＳｃ濃度（２５ｍｏｌ％のＳｃ）の、厚さ１μｍ未満の膜について文献で報告されている値と類似している（図２３参照）。平均して、カンチレバーのひずみデータから推測される横方向の圧電係数はｅ_３１＝２．３３±０．１６Ｃ／ｍ^２ Ｓｃ濃度（３０ｍｏｌ％ Ｓｃ）であった。したがって、厚みが増加しても圧電係数が劣化することはない。図２３は、上部と下部とのＴｉ電気接点間のＳｉウェハ上に成膜されたサンプルＡＳＮ１（表２参照）についての準静的な（０．１Ｈｚ）、室温での、応力対電界依存性を示している。面内応力は、ウェハ及び薄膜の機械的特性の知識に加え、カンチレバーの平面に対して垂直に印加された電界に応じたカンチレバー（基板）のひずみによって定量化された。０．５～１．５ＭＶ／ｍでは、非常に弱い１～２０ｎＡの電流が検出されることがわかる。

【0248】

実施例１２

【0249】

テクスチャ化された（００１）Ｔｉ及び立方晶系（１１１）ＴｉＮのＸＲＤスペクトル及び極点図

【0250】

（００１）配向したＴｉ上でのＴｉＮ形成の性質を検証するために、ＴｉＮ層をＳｉ及びＤ２６３上に成膜した。最初に、基板を同一のＴｉ層でコーティングした。次に、真空を破壊することなく、基板をスパッタリングチャンバ内で６７３±１０Ｋに加熱し、金属Ｔｉからの反応性ＤＣスパッタリングを８０／２０％の窒素／アルゴン中で１０分間行った。１０分間の核形成段階の後、成膜を５２３Ｋでさらに１０分間続けた。得られたＴｉＮ膜は、下層のＴｉ（００２）膜上で好ましい（１１１）テクスチャ（２θ＝３６．８°）を示した（図２４Ａ及び２４Ｂ）。対応するＴｉ（００２）及びＴｉＮ（１１１）ブラッグ角ピークの極点図は、この概念を裏付けるものである（図２４Ｃ及び２４Ｄ）。同一のＴｉＮ膜をＴｉシードなしで基板上に成膜した場合、得られたＴｉＮ膜は配向されておらず、Ｔｉの重要性が強調されていることに留意すべきである。

【0251】

実施例１３

【0252】

窒化チタンの成膜

【0253】

窒化チタン膜を、Ｓｉ及びＤ２６３ホウケイ酸ガラス上の５０ｎｍ厚のＴｉ上に成膜した。基板の洗浄プロセスは上記のプロセスと同じであった。膜は、２インチ（約５．０８ｃｍ）の（純度９９．９９９％）Ｔｉ金属ターゲット（Ａｂｌｅｔａｒｇｅｔ社、中国）に１５０Ｗの電力を加えた反応性ＤＣスパッタリングによって成膜されました。チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒ（約０．６７Ｐａ）、ガス流量はアルゴン５ｃｃ／分及び窒素２０ｃｃ／分であった。成膜温度を１０分間６２３Ｋに設定し、その後さらに１０分間５２３Ｋに下げた。

【0254】

実施例１４

【0255】

膜厚３μｍのＡｌＳｃＮの成膜

【0256】

以下では、完全に［００ｌ］テクスチャ化されたＡｌ_７５、Ｓｃ_２５Ｎの厚さ３μｍの膜を成膜するためのプロトコルについて説明する。このプロセスでは、スパッタリングされたＴｉ薄膜がほぼ１００％（００１）テクスチャ化されたα相（ＨＣＰ）であるという事実を利用する。（Ａｌ、Ｓｃ）Ｎの反応性スパッタリング中のＴｉと窒素プラズマとの間の反応により、厚さ１０ｎｍ未満のＴｉＮシード層が形成される。ＴｉＮは薄すぎてＸＲＤでは検出できないが、ＴｉＮの存在はＸＰＳによって確実に検出することができる。（００１）テクスチャ化されたα－ＴｉはＡｌ_７５、Ｓｃ_２５Ｎにとって良好な基板ではないがＴｉＮと同じ膜層であるという事実は、ＴｉＮが（１１１）配向であることを強く示唆している。その結果、シード層とＡｌ_７５、Ｓｃ_２５Ｎとの間の格子不整合が３．７％に減少する。この仮定は、他の報告とは対照的に、今回の研究で生成されたＡｌ_７５、Ｓｃ_２５Ｎ膜は［００１］ではなく［００１´］に配向しているという事実によって裏付けられており、これは成長がＮ－窒素層から始まることを意味している。

【0257】

提案された技術の重要な利点は、本明細書でＳｉウェハとＤ２６３ホウケイ酸ガラスとの両方について実証されているように、成膜条件に適合するアクチュエータやＭＥＭＳに対し、一般的に使用される様々な基板に適用できることである。

【0258】

本明細書では本発明の特定の特徴を図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正、置換、変更、及び均等物を想起するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の本来の趣旨に含まれるすべての修正及び変更を網羅するものであることを理解されたい。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図16D】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図17D】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図19C】

【図19D】

【図20】

【図21】

【図22A】

【図22B】

【図23】

【図24A】

【図24B】

【図24C】

【図24D】

【手続補正書】

【提出日】2024-01-11

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌ_ｘＳｃ_１－ｘＮ膜の製造方法であって、
基板を提供するステップ（ａ）と、
前記基板の上に第１のＴｉ層を生成するステップ（ｂ）と、
前記第１のＴｉ層の上にＡｌＳｃを成膜するステップ（ｃ）と、を有し、
成膜が窒素ガスの存在下で行われることにより（ＡｌＳｃ）Ｎ層が生成され、
前記第１のＴｉ層と前記（ＡｌＳｃ）Ｎ層との間にＴｉＮ層が形成される、方法。

【請求項2】

前記ステップ（ｂ）～前記ステップ（ｃ）が、スパッタリングチャンバ内でのスパッタリングによって行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ステップ（ｂ）が、前記第１のＴｉ層を窒素ガスに曝露することにより前記ＴｉＮ層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記ステップ（ｃ）が、２５℃～６００℃の範囲の温度で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

０．５７≦ｘ≦１である、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎが、Ａｌ _０．８０ Ｓｃ _０．２０ Ｎ、Ａｌ _０．７５ Ｓｃ _０．２５ ＮまたはＡｌ _０．７ Ｓｃ _０．３ Ｎである、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層の厚さが０．８μｍより大きい、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記ステップ（ｂ）の前に、前記基板が洗浄される、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記洗浄が、
有機または無機溶媒、
有機酸または無機酸、及び／または
ガスプラズマ、の使用を含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記ステップ（ｂ）は室温で行われる、
前記ステップ（ｃ）は２５℃～４００℃の範囲の温度で行われる、または
それらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記ステップ（ｂ）はアルゴン下で行われる、
前記ステップ（ｃ）はアルゴンをさらに含むガス下で行われる、または
それらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

前記ステップ（ｂ）、前記ステップ（ｃ）またはそれらの任意の組み合わせが、１ａｔｍ（約１．０１×１０ ^５ Ｐａ）未満の圧力で行われる、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層の上に導電性材料を含む最上層を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記最上層がＴｉを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記第１のＴｉ層及び前記最上層が電極として使用される、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項17】

前記電極が独立して電源に接続される、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

前記第１のＴｉ層と前記ＴｉＮ層とを組み合わせた厚さが５０～３００ｎｍである、請求項１に記載の方法。

【請求項19】

請求項１に記載の方法によって生成されたＴｉ／ＴｉＮの層であって、前記層の厚さが５０～３００ｎｍである、Ｔｉ／ＴｉＮの層。

【請求項20】

請求項１に記載の方法によって生成されたＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層。

【請求項21】

内部応力が６０～３００ＭＰａの範囲である、
前記層は、前記基板に対して垂直なｃ軸（００１）を有する、または
それらの組み合わせである、請求項２０に記載のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層。

【請求項22】

多結晶のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜であって、
前記膜の配向は００１／００２である、
前記膜の圧電係数は１．０Ｃ／ｍ ^２ ～４．０Ｃ／ｍ ^２ の範囲である、
前記膜の圧縮応力は５ＭＰａ～５００ＭＰａの範囲である、または
それらの任意の組み合わせである、多結晶のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜。

【請求項23】

前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜の厚さが０．８μｍより大きい、請求項２２に記載の多結晶のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜。

【請求項24】

前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜の厚さが０．８μｍ～１０μｍの範囲である、請求項２２に記載の多結晶のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ膜。

【請求項25】

圧電デバイスであって、
基板と、
前記基板の上の第１のＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と接触するＴｉＮ層と、
前記ＴｉＮと接触するＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎを含む層と、
前記Ａｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層の上の導電性材料を含む最上層と、を含む圧電デバイス。

【請求項26】

前記導電性材料が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、またはそれらの組み合わせから選択される、請求項２５に記載の圧電デバイス。

【請求項27】

１００Ｖｐｐまでの電界下で動作可能である、請求項２５に記載の圧電デバイス。

【請求項28】

請求項１に記載のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎ層または請求項２５に記載の圧電デバイスを備えるカンチレバー。

【請求項29】

請求項１に記載のＡｌ _ｘ Ｓｃ _１－ｘ Ｎまたは請求項２５に記載の圧電デバイスを備える微小電気機械システム。

【国際調査報告】