壓電元件用下部電極及具備它的壓電元件的製作方法
2023-07-10 15:06:16 2
壓電元件用下部電極及具備它的壓電元件的製作方法
【專利摘要】通過對構成用於壓電元件的下部電極的Pt層全部同時規定搖擺曲線的半寬度、表面的平均粗糙度、以及平均粒徑，從而將特性良好的Pt層穩定成膜，在該Pt層上將特性良好的壓電薄膜穩定成膜。
【專利說明】壓電元件用下部電極及具備它的壓電元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種形成於基板上的成為壓電薄膜的下部電極的壓電元件用下部電極和具備該下部電極的壓電元件。
【背景技術】
[0002]近年來，一直使用Pb (Zr, Ti) O3等壓電體作為應用於驅動元件、傳感器等的機電轉換元件。這樣的壓電體通過以薄膜的形式形成於Si等基板上，從而可期待應用於MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)兀件。
[0003]在MEMS元件的製造中，由於可以適用使用了光刻等半導體工藝技術的高精度的加工，所以能夠進行元件的小型化、高密度化。特別是，通過在直徑6英寸、直徑8英寸這樣的較大的Si晶片上以高密度一併製作元件，從而與分別製造元件的單片製造相比，能夠大幅度降低成本。
[0004]另外，通過壓電體的薄膜化、器件的MEMS化來提高機電的轉換效率，由此還可帶來器件的靈敏度、特性提高這樣的新的附加價值。例如，對於熱傳感器，通過基於MEMS化的熱傳導降低，從而能夠提高測定靈敏度，對於用於印表機的噴墨頭，能夠進行基於噴嘴的高密度化的高精細圖案化。
[0005]然而，在Si基板上成膜的壓電體的薄膜(以下，也稱為壓電薄膜)的晶體的晶格常數與Si不同，成為多個晶體聚集成柱狀的多晶(柱狀晶體)。已知在這些柱狀晶體中，沿膜厚方向在相同的晶體面生長的晶體越多(取向性越高)，另外，柱狀晶體越大，膜的壓電特性越聞。
[0006]另一方面，在應用壓電薄膜的器件中，採用在Si等基板上依次層疊下部電極、壓電薄膜、上部電極而成的構成。在這樣的構成中，由於各層是將其下層作為基底而形成的，所以受到很多下層的影響地生長。換言之，著眼於壓電薄膜時，其下層的下部電極的結晶性越良好，壓電薄膜的結晶性也越良好。另外，下部電極的構成金屬的粒徑越大，壓電薄膜的柱狀晶體越大，壓電薄膜的取向性也越高。並且，由於下部電極的表面粗糙度影響壓電薄膜的成膜初期的晶體生長，所以成為對壓電薄膜的取向性造成影響的重要的因素。
[0007]在這一點上，例如在專利文獻I中，在基板上依次層疊含有至少I種壓電薄膜的構成元素的籽晶層和下部電極，並且以下部電極的表面的算術平均粗糙度Ra為0.5?30.0nm的方式，使籽晶層所含的上述元素擴散，由此嘗試提高下部電極上的壓電薄膜的晶體取向性。可認為是因為通過上述元素的擴散，從而在下部電極的表面析出的析出物形成核，壓電薄膜生長。
[0008]另外，在專利文獻2中，在基板上形成電極膜時，首先，在基板上以島狀形成電極材料的初始結晶核(工序A)，接著，使上述初始結晶核生長，形成電極材料的生長層(工序B)。此時，通過使工序A中的基板溫度高於工序B中的基板溫度，從而形成結晶性良好的電極膜。應予說明，在專利文獻2中，對於電極膜，公開了搖擺曲線的半寬度為1.80°，證明了形成結晶性良好的電極膜。[0009]另外，在專利文獻3中，在用上下電極夾持具有鈣鈦礦型的晶體結構的電介質薄膜而成的電介質薄膜電容器中，通過使作為下部電極的Pt層的平均晶體粒徑為50nm以下，使X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度為5°以下，從而改善Pt層上部的電介質薄膜的結晶性、粗糙度，提高電介質薄膜的特性(例如相對介電常數)。
[0010]另外，在專利文獻4中，在基板上形成作為下部電極的Pt層並在其上形成有PZT薄膜的壓電元件中，使Pt層中的搖擺曲線的半寬度為5°以下，由此提高Pt層上部的PZT薄膜的晶體取向性，得到大的壓電位移量。
[0011]專利文獻1:日本特開2007-281238號公報(參照權利要求5，段落〔0037〕、〔0057〕、〔0062〕等)
[0012]專利文獻2:日本特開2004-311922號公報(參照權利要求1、段落〔0053〕、圖4等)
[0013]專利文獻3:日本特開2000-68454號公報(參照權利要求1、2，段落〔0011〕、〔0012〕、〔0014〕，圖1、圖 2 等)
[0014]專利文獻4:日本特開2003-17767號公報(參照權利要求1，段落〔0009〕、〔0040〕
等)
【發明內容】
[0015]然而，構成下部電極的Pt的結晶性和取向性被Pt的成膜條件(例如成膜時的基板溫度)影響。因此，為了將特性良好的Pt層穩定成膜，設想Pt的成膜條件的變化，對Pt層不僅要控制搖擺曲線的半寬度，還必須同時控制表面的平均粗糙度和平均粒徑。
[0016]但是，專利文獻I?4中，對Pt層沒有全部同時規定搖擺曲線的半寬度、表面的平均粗糙度、以及平均粒徑，因此，無法將特性良好的Pt層穩定成膜。其結果，無法在Pt層上將特性良好的壓電薄膜穩定成膜。
[0017]應予說明，下部電極的構成金屬的粒徑越大，其上層的壓電薄膜的柱狀晶體也越大，壓電薄膜的取向性越高這一點如上所述。但是，專利文獻I?4中，對於為了提高壓電薄膜的取向性而增大構成下部電極的Pt的平均粒徑這一點完全沒有公開。應予說明，專利文獻3中，Pt的平均粒徑最高為50nm，不能說足夠大，所以認為無法充分提高壓電薄膜的取向性。
[0018]具備壓電薄膜的壓電元件有時包括防止PZT中的原子(例如Pb)向基板側擴散的擴散防止層、取向控制層，但壓電薄膜與基板之間必須存在下部電極，所以下部電極的結晶性、表面粗糙度、粒徑對壓電薄膜的影響無法避免。因此，為了將特性良好的壓電薄膜穩定成膜，重要的是適當控制下部電極的特性。
[0019]本發明是為了解決上述問題點而進行的，其目的在於提供一種壓電元件用下部電極及具備該下部電極的壓電元件，對於上述壓電元件用下部電極，通過對作為下部電極的Pt層全部同時規定搖擺曲線的半寬度、表面的平均粗糙度、以及平均粒徑，從而能夠將特性良好的Pt層穩定成膜，在該Pt層上將特性良好的壓電薄膜穩定成膜。
[0020]在本發明的一個側面中，提供一種壓電元件用下部電極，是形成於基板上的成為壓電薄膜的下部電極的壓電元件用下部電極，該下部電極由Pt層構成，在上述Pt層中，X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度為2.2°以下，表面的均方根粗糙度RMS為1.0nm以下，Pt的平均粒徑為200nm以上。另外，在本發明的另一個側面中，提供一種壓電元件用下部電極，是形成於基板上的成為壓電薄膜的下部電極的壓電元件用下部電極，該下部電極由Pt層構成，在上述Pt層中，X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度為2.2°以下，表面的算術平均粗糙度Ra為0.8nm以下，Pt的平均粒徑為200nm以上。
[0021]根據上述構成，能夠在下部電極上將特性良好的壓電薄膜穩定成膜。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是表示本發明的一個實施方式的壓電元件的概略構成的剖視圖。
[0023]圖2是示意性地表示構成上述壓電元件的壓電薄膜的PZT的晶體結構的說明圖。
[0024]圖3的(a)?(e)是表示實施例1的壓電元件的製造工序的剖視圖。
[0025]圖4是表示將Pt作為上述壓電元件的下部電極成膜時的基板溫度與X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度的關係的圖表。
[0026]圖5是表示上述Pt成膜時的基板溫度與Pt層的表面的均方根粗糙度RMS的關係的圖表。
[0027]圖6是表示上述Pt成膜時的基板溫度與Pt層的表面的算術平均粗糙度Ra的關係的圖表。
[0028]圖7是表示上述Pt成膜時的基板溫度與Pt的平均粒徑的關係的圖表。
[0029]圖8是表示對實施例1的形成於下部電極上的壓電薄膜(PZT膜)進行基於XRD的2Θ/Θ測定的評價的結果的圖表。
[0030]圖9是表示對實施例2的形成於下部電極上的壓電薄膜(PZT膜)進行基於XRD的2Θ/Θ測定的評價的結果的圖表。
[0031]圖10是表示對比較例3的形成於下部電極上的壓電薄膜(PZT膜)進行基於XRD的2 Θ/Θ測定的評價的結果的圖表。
[0032]圖11是表示對比較例2的形成於下部電極上的壓電薄膜(PZT膜)進行基於XRD的2 Θ/Θ測定的評價的結果的圖表。
【具體實施方式】
[0033]對本發明的一個實施方式基於附圖進行說明，如下所述。
[0034](壓電元件的構成)
[0035]圖1是表示本實施方式的壓電元件I的概略構成的剖視圖。該壓電元件I是在基板11上依次形成熱氧化膜12、密合層13、下部電極14、壓電薄膜15和上部電極16而構成。
[0036]基板11例如由半導體基板或SOI (Silicon on Insulator)基板構成,上述半導體基板由單晶Si (矽)單體構成。熱氧化膜12例如由SiO2 (二氧化矽)構成，是出於基板11的保護和絕緣的目的而設置的。密合層13例如由TiO2 (二氧化鈦)之類的TiOx (氧化鈦)層構成，是出於使熱氧化膜12與下部電極14密合，防止它們在界面的剝離的目的而設置的。
[0037]下部電極14是位於壓電薄膜15下層的電極(壓電元件用下部電極)，由Pt (鉬)構成。上部電極16是位於壓電薄膜15上層的電極，例如由Pt構成。應予說明，上部電極16例如由Ti (鈦)層和Pt層構成，可將Ti層用作Pt層與壓電薄膜15的密合層。
[0038]壓電薄膜15由作為壓電材料的一種的PZT (鋯鈦酸鉛)的薄膜構成。此處，圖2示意性地表示PZT的晶體結構。該圖所示的晶體結構被稱為鈣鈦礦型結構。鈣鈦礦型結構是在Pb (Zr^Tih) O3的正方晶中，Pb (鉛)原子位於正方晶的各頂點，Ti原子或Zr (鋅)原子位於體心，O (氧)原子位於各面心的結構。已知壓電體在晶體結構採用鈣鈦礦型結構時呈現良好的壓電效應。因此，在本實施方式的壓電元件I中，通過由PZT，即，鈣鈦礦型結構的金屬氧化物構成壓電薄膜15，從而能夠得到良好的壓電效應 。
[0039]應予說明，壓電效應是指通過施加應力而產生極化(和電壓)，或者反過來通過施加電壓而產生應力和變形的壓電體的性質，壓電薄膜15可以由除了這樣的壓電效應外還發揮熱釋電效應的熱釋電體構成，也可以由具有存儲性的鐵電體構成。
[0040]應予說明，熱釋電體是指在壓電體中，即使不從外界賦予電場也具有自發極化的物質，具有根據微小的溫度變化而產生電介質極化(以及由其產生的電動勢)的性質。壓電薄膜15由熱釋電體構成時，可以將壓電元件I用作紅外線傳感器。
[0041](壓電元件的製造方法)
[0042]接著，對上述構成的壓電元件I的製造方法作為實施例1和2進行說明。另外，為了與實施例1和2進行比較，也一併對比較例I~3進行說明。圖3 (a)~圖3 (e)是表示實施例1的壓電元件I的製造工序的剖視圖。
[0043]〈實施例1>
[0044]首先，如圖3 (a)所示，在基板11上形成IOOnm左右的熱氧化膜12。此處，使用厚度400μπι左右的單晶Si晶片作為基板11。上述熱氧化膜12通過使用溼式氧化用熱爐，將上述Si晶片置於氧氣氛中、1200°C左右的高溫下而形成。
[0045]接著，如圖3 (b)所示，使用濺射裝置，在熱氧化膜12上形成厚度20nm左右的Ti層13』。應予說明，此時的Ti的濺射條件例如為Ar (氬)流量:27sCCm、壓力:0.27Pa、基板溫度:145°C、施加於靶的RF功率:150W。
[0046]接著，如圖3 (C)所示，在RTA (Rapid Thermal Annealing)爐中，在氧氣氛中對Ti層13』進行700°C左右的加熱，使Ti氧化，形成由TiOx層構成的密合層13。此時，如果調查TiOx層的表面的均方根粗糙度RMS (Root Mean Square),則為2.0nm以下。通過減小TiOx層的表面粗糙度來提高平坦性，從而能夠提高形成於TiOx層上的Pt的結晶性和取向性。應予說明，均方根粗糙度RMS由後述的數I式表示。
[0047]應予說明，如果在Ti層13』上將Pt成膜，則在後工序(例如在Pt上形成PZT薄膜等)中將其置於高溫時，Ti擴散至Pt膜內，在Pt層的表面形成突起(t 口 'y々)，可能產生PZT的驅動電流的洩漏、PZT的取向性劣化等。但是，通過如上述那樣使Ti氧化形成TiOx層，從而能夠防止這些不良情況。或者，只要在後工序中能夠形成難以產生這些現象的成膜條件，也可以由Ti層代替TiOx層形成密合層。
[0048]接著，如圖3 Cd)所示，在密合層13上利用濺射法將Pt成膜，形成例如厚度80nm的下部電極14。應予說明，此時的Pt的濺射條件為例如，Ar流量:20sCCm、壓力:0.27Pa、基板溫度:420°C、RF功率:150W。
[0049]接著，如圖3 (e)所示，在下部電極14上利用濺射法將PZT成膜，形成厚度4 μ m的壓電薄膜15。應予說明，此時的PZT的濺射條件為Ar流量:25sCCm、02流量:0.8sCCm、基板溫度:500。。、壓力:0.4Pa，RF 功率；400ffo
[0050]最後，通過在壓電薄膜15上濺射Pt而形成上部電極16，從而能夠得到圖1所示的壓電元件I。
[0051]
[0052]在實施例2中，使構成下部電極14的Pt的成膜時的基板溫度為520°C，除此之外，按照與實施例1相同的條件製作壓電元件I。
[0053]
[0054]在比較例I中，使構成下部電極的Pt的成膜時的基板溫度為220°C，除此之外，按照與實施例1相同的條件製作壓電元件。
[0055]
[0056]在比較例2中，使構成下部電極的Pt的成膜時的基板溫度為320°C，除此之外，按照與實施例1相同的條件製作壓電元件。
[0057]
[0058]在比較例3中，使構成下部電極的Pt的成膜時的基板溫度為565°C，除此之外，按照與實施例1相同的條件製作壓電元件。
[0059](下部電極的評價)
[0060]接著，對實施例1~2和比較例I~3中成膜的各下部電極，在其上形成壓電薄膜之前，進行基於XRD (X-ray Diffraction:X射線衍射)的評價和基於使用了 AFM (AtomicForce Microscope:原子力顯微鏡)的表面觀察的評價。將其結果示於以下。應予說明，以下，如果記載為Pt (或者Pt層)，則是指構成TiOx層上的下部電極的Pt (或者Pt層)。
[0061]圖4表示Pt成膜時的基板溫度與X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度的關係。應予說明，搖擺曲線是表示對於衍射條件的變化的強度分布的曲線，通常，晶體越完整，曲線的半寬度越窄。根據圖4可知，隨著Pt成膜時的基板溫度升高，搖擺曲線的半寬度變小。
[0062]另外，圖5和圖6分別表示Pt成膜時的基板溫度與使用AFM測定的Pt層的表面粗糙度的關係。特別是，圖5用均方根粗糙度RMS (或者Rq)表示表面粗糙度，圖6用算術平均粗糙度Ra表示表面粗糙度。並且，圖7表示Pt成膜時的基板溫度與使用AFM測定的Pt粒徑的平均值的關係。
[0063]應予說明，均方根粗糙度RMS和算術平均粗糙度Ra由以下式子表示。其中，將粗糙度曲線設為y = f (X)。此時，從粗糙度曲線沿其平均線的方向僅抽取基準長度L，將該抽取部分中的平均線的方向作為X軸，將縱倍率的方向作為I軸。應予說明，1、L、Rms, Ra的單位在此處均為nm。
【權利要求】
1.一種壓電元件用下部電極，其特徵在於，是形成於基板上的成為壓電薄膜的下部電極的壓電元件用下部電極， 該下部電極由Pt層構成， 在所述Pt層中， X射線衍射中的Pt的(111)面的搖擺曲線的半寬度為2.2°以下， 表面的粗糙度滿足均方根粗糙度RMS為1.0nm以下和算術平均粗糙度Ra為0.8nm以下中的至少一方， Pt的平均粒徑為200nm以上。
2.根據權利要求1所述的壓電元件用下部電極，其特徵在於，所述Pt層中的Pt的平均粒徑為250nm以上。
3.一種壓電元件，其特徵在於，是在基板上依次形成有下部電極、壓電薄膜和上部電極的壓電元件， 所述下部電極由權利要求1所述的壓電元件用下部電極構成。
4.根據權利要求3所述的壓電元件，其特徵在於，在所述基板與所述下部電極之間形成有作為密合層的TiOx層。
5.根據權利要求4所述的壓電元件，其特徵在於，作為所述密合層的TiOx層的表面的均方根粗糙度RMS為2.0nm以下。
【文檔編號】H01L41/047GK103548164SQ201280025098
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月9日 優先權日:2011年5月23日
【發明者】澀谷和樹 申請人:柯尼卡美能達株式會社