JP2000077740A

JP2000077740A - 圧電体薄膜素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000077740A
Application number: JP25013498A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tamura; 博明田村; Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】白金を下電極としてこの上に圧電体薄膜を形成
する場合、界面の整合性を得ることが困難であった。【解決手段】下電極として導電性酸化物を主体とした材
料をもちいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電性を利用した
薄膜素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に電子デバイスの構成要素としても
ちいられるセラミックス薄膜は、予め電極が形成された
基板上に結晶性膜として作製される。この電極としては
一般的に白金あるいは白金と他の金属より構成される金
属薄膜層がもちいられる。この上に形成される所望のセ
ラミックス薄膜は、大別して二種類の手法によって作製
される。ひとつはエピタキシャル成長によって所望の結
晶性薄膜を得る方法であり、もうひとつは所望の結晶膜
の前駆体である非晶質膜を形成した後、これを焼成もし
くは光照射などによって外部からエネルギーを与えるこ
とによって結晶性薄膜を得る方法である。後者はいわゆ
るポストアニール方式に代表される成膜法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の方法によって圧
電体薄膜を作製し、これを電子デバイスとして機能させ
る場合に、下電極として白金を主構成材料とした薄膜を
用いることは、これまでにさまざまな問題点が指摘され
てきた。薄膜と下電極との界面における反応はその代表
的な例であり、各種分析手法をもちいて精力的にしらべ
られている。たとえばTEM像による界面の観察では、局
所的なPtの隆起が報告されている。これは薄膜作製時の
高温熱処理に起因することが確かめられている。このよ
うな現象は薄膜素子のショートを誘発する可能性がある
ため、その制御が必要不可欠である。さらに、圧電体薄
膜と下電極もしくは基板との間で、それぞれの構成元素
が相互拡散する現象が確認されている。圧電体薄膜の側
に着目すると、このことは下電極との界面近傍では、本
来の化学量論的な組成からのずれが生じていることを意
味する。これと同時に、圧電体薄膜から散逸した元素間
で別の化合物が構成される可能性が生じる。これらのこ
とは本来意図した圧電体薄膜素子の層構造に異物層が組
み込まれることに相当する。その結果、作製された圧電
体薄膜の特性は著しく劣化することになる。圧電体薄膜
を電子デバイスとして組み込んだ時に、膜本来の性能、
特性を十分発揮させるためには圧電体薄膜と電極界面と
の良好な制御性を得る必要があった。

【０００４】電極／薄膜の界面と同時に、セラミックス
薄膜の結晶成長機構そのものは膜特性に重大な影響を与
える。優れた膜特性を得るためには結晶配向性を制御す
ることが重要課題である。前述のエピタキシャル成長に
よる成膜法では基板の選択によって所望の結晶方位に強
配向したセラミックス薄膜を得やすい。ところがこの方
法は一般に成膜速度が遅く、比較的厚さを要する膜には
成膜時間が長くなり、量産には不向きである。一方、ポ
ストアニール方式では、非晶質から結晶膜への移行過程
で結晶核が膜中のいたるところでランダムに発生してし
まうため、結晶配向性の制御が極めて困難であるが、そ
の製造プロセスの簡便さから量産に適している。

【０００５】本発明者らは、電極材料に着目し、従来の
欠点を克服すべく研究を進めた結果、上述の課題を解決
する方法を見出した。すなわち本発明は、電極材料とし
て導電性酸化物をもちいることによって圧電体薄膜との
良好な界面整合性を得ることを目的とする。また本発明
はこの界面整合性を利用して、下電極上に成長させる圧
電体薄膜の結晶配向性を制御し、優れた膜特性（圧電
性）を実現することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電体薄膜素子
は、基板と、前記基板上に下電極を配置し、前記下電極
上に圧電体薄膜を配置し、前記圧電体薄膜上に上電極を
配置した圧電体薄膜素子において、１．前記下電極が前記圧電体薄膜と前記下電極もしくは
前記基板との間における原子の相互拡散にたいしてバリ
ア層の役割を果たすこと２．前記バリア層が導電性酸化物を主成分として含んで
いること３．前記下電極がPtと、このPt上に形成された導電性酸
化物層より構成されていること４．前記導電性酸化物層が互いに異なる酸化物より構成
された多層膜構造を有すること５．前記導電性酸化物がABO3の化学式（A,Bは異なる金
属元素）で表記される化合物であること６．前記導電性酸化物の広角法をもちいたX線（Cu-K
α）回折パターンにおいてX線の入射角をθとし、０°
≦２θ≦80°の範囲でΣI(hkl)を全ての回折ピーク強度
の和、I(100)を(100)面の回折ピーク強度と定義すると
き、I(100)/ΣI(hkl)≧0.9であること７．前記圧電体薄膜が、下電極上に形成された非晶質状
前駆体膜を下電極側からのみ加熱焼成することによって
作製されることを特徴とする。

【０００７】上記構成によれば、圧電体薄膜と下電極と
の界面整合性が良好になり、下電極上で結晶化される圧
電体薄膜は安定した組成とともに、優れた結晶性を得る
という効果を有する。

【０００８】本発明の圧電体薄膜素子の製造方法は、
１）基板上に下電極を形成する工程と、２）前記下電極
上に非晶質状前駆体膜を形成する工程と、３）前記非晶
質状前駆体膜を加熱焼成し圧電体薄膜を形成する工程
と、４）前記圧電体薄膜上に上電極を形成する工程とか
らなる圧電体薄膜の製造方法において、前記２)工程で
は、１．下電極として導電性酸化物を主成分としてもちいる
こと２．前記下電極を、PtとこのPt上に形成される導電性酸
化物層より構成すること３．前記導電性酸化物層を、互いに異なる酸化物より構
成される多層膜構造とすることを特徴とし、また、前記3）工程の加熱焼成時に下電極
側からのみ加熱することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】上述のようにセラミックス薄膜の
下電極として酸化物をもちいることによって、基板上に
成長するセラミックス薄膜は下電極との良好な界面整合
性が得られる。これを利用して優れた結晶配向性が得ら
れる。

【００１０】酸化物下電極上に形成された非晶質前駆体
膜は前記酸化物下電極に接している部分から結晶成長が
始まる。結晶化させるための加熱が基板側からのみであ
る場合、結晶成長の初期段階では下電極上に結晶核が形
成される。Ptが下電極として用いられているとき、この
熱工程によって下電極／薄膜界面において膜特性の劣化
を誘発する反応が生じやすかった。

【００１１】たとえば一例として、圧電体薄膜と電極間
での原子の相互拡散が挙げられる。特に圧電体として広
い用途が期待されている鉛を含む材料ではPbとPtが低融
点の合金を形成しやすい。このことによって圧電薄膜中
には欠陥が導入されることになり、膜特性の劣化が引き
起こされる。ところが、 Ptの代わりに下電極として酸
化物電極をもちいることによってこうした問題は回避さ
れる。これは酸化物電極自身が熱的に安定であり、また
電極と薄膜間での原子の拡散にたいしてバリアー層の役
割を果たしているためである。このため組成、構造とも
に安定な結晶核が生成され得る。さらにセラミックス薄
膜と下電極との良好な界面整合性のため、結晶核は下電
極の表面構造を反映した成長をおこなう。この核から膜
表面に向かって一方向に結晶成長が進行し、得られた薄
膜は優れた結晶性を有する。この結果得られた結晶性薄
膜は下電極とともにデバイスとして用いられた場合、膜
自身の特性が最大限に発揮される。

【００１２】また、下電極としてPtが用いられていると
き、この素子をデバイス化する上で膜特性の劣化が生じ
ていた。これは主にPt自身が有する触媒作用を原因とし
て挙げることができる。下電極と圧電体薄膜で構成され
た素子は、しばしばデバイス化の時にプロセス中で還元
雰囲気にさらされる。たとえば雰囲気に水素が存在する
とき、これはPt電極に貯えられやすい。この水素が電極
を透過して圧電体薄膜に到達すると、その還元作用によ
って圧電体薄膜中の酸素が奪われ、膜特性の劣化が引き
起こされる。一方、下電極として酸化物を用いる場合は
Ptのような触媒作用が現れないため、同様な現象は回避
することができる。プロセスを通過した後も、安定した
膜特性を確保することが可能となる。

【００１３】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて
説明する。

【００１４】（実施例1）はじめに、2-n-ブトキシエタ
ノールに酢酸鉛、酢酸マグネシウム、チタニウムテトラ
イソプロポキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート
ならびにペンタエトキシニオブを適量溶解し、所望濃度
に調整した溶液を原料ゾル溶液とした。

【００１５】Ｓｉウエハーの表面１μｍを熱酸化し、こ
れを基板とした。この基板上にスハ゜ッタによりＲｕＯ２薄
膜を所望の厚さに形成した。この上に（１）前記原料ゾ
ル液をスピンコートによって塗布し、（２）これを基板
裏面がホットプレート面に接するように設置し、乾燥し
た。ここでホットプレートの温度は80℃、200℃、400℃
の３段階を設定し、基板裏面が各温度をこの順に５分間
−５分間−１０分間経験することによってゾルが乾燥さ
れる。（１）と（２）の工程を交互に多数回繰り返すこ
とによって所望の厚さの前駆体膜を得た（試料1）。ホ
ットプレートの温度を変えて前駆体膜を作成した。前記
工程のうち（２）工程におけるホットプレートの温度設
定のうち、４００℃を３００℃に変えてゾルの乾燥をお
こない、試料１と同じ厚さの前駆体膜を得た（試料
２）。ここで原料ゾル液は前記試料１の作製に使用した
ものと同じである。

【００１６】試料１、試料２ともにＸ線回折による測定
をおこなった。結果をそれぞれ図１、図２に示す。図２
では低角側（２２°〜３５°）にブロードなピークが現
れ、この中にさらに明瞭なピークが認められる。一方、
図１ではこのような現象は認められない。これらのこと
は、乾燥工程のホットプレートの温度によって前駆体膜
の様相が異なっていることを示す。

【００１７】図２で認められるブロードなピークは特定
の結晶構造を反映した回折結果ではないものの、試料２
では長距離秩序が形成され始めていることを示唆する。
また明瞭なピークはニオブ酸マグネシウム酸チタン酸ジ
ルコン酸鉛（以下PZTと表記)に由来するものであり、ペ
ロブスカイト相がすでに形成され始めていることがわか
った。一方、図１ではこれらのピークは認められず、試
料１は完全な非晶質状態の前駆体膜であることがわかっ
た。

【００１８】次に試料１を急速昇温ランプアニール装置
（RTA）に図３に示したとおり、基板303の裏面と非晶質
薄膜301の表面が、それぞれ赤外線ランプ311と赤外線ラ
ンプ312に照射される配置で設置した。ここで302は電極
であり、本実施例においては前述のようにＲｕＯ２がも
ちいられている。次に、赤外線ランプ311（図3）のみ照
射し、基板裏面を900℃に昇温した。この状態で酸素雰
囲気にて1分間の焼成、結晶化をおこなった（試料
３）。試料２についてもこれと同じ焼成、結晶化をおこ
なった（試料４）。その結果、試料３では焼成後にクラ
ックが発生したが、試料４は表面が鏡面状態である良好
な薄膜が得られた。加熱乾燥時のホットプレート温度に
よって前駆体膜の状態は異なり、このことがランプアニ
ール時の結晶化挙動に影響を与えることがわかった。

【００１９】以上をまとめると 1)ランプアニール時に前駆体膜は適当な温度の乾燥過程
を経験している必要があり、その乾燥温度が不適当な場
合、良質な膜が形成されない 2)ホットプレートによる乾燥過程では、その加熱温度が
比較的低温（〜400℃）であっても前駆体の結晶化が一
部始まっていることが明らかにされた。本実施例のよう
にゾルの乾燥が基板裏側からホットプレートによってお
こなわれる場合、１層目ではまず下電極とゾルとの界面
が先に乾燥温度に到達するためこの界面において初期の
結晶核が形成される。ゾル液のスピンコートとこの乾燥
は前駆体膜が所望の厚さに達するまで繰り返されるため
下電極と前駆体膜の界面は一番長時間の乾燥温度を経験
することになる。また加熱が基板裏側からのみであるた
め前駆体膜と下電極との界面がもっとも高い温度を経験
することになる。これらのことから乾燥過程における前
駆体膜の一部結晶化は特に前駆体膜と下電極との界面近
傍において顕著に現れる現象であり、その初期段階にお
ける結晶核の成長状態がその後の膜の結晶性に大きな影
響を与えることがわかる。下電極上に安定な結晶核が形
成されることが、薄膜の良好な結晶性を得るためには重
要な要因のひとつであり、下電極とセラミックス薄膜の
整合性ならびに膜成長時の加熱方法、すなわち本実施例
では基板側からのみの加熱によって結晶核の成長が制御
され得ることがわかった。

【００２０】（実施例２）はじめに、2-n-ブトキシエタ
ノールに酢酸鉛、酢酸マグネシウム、チタニウムテトラ
イソプロポキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート
ならびにペンタエトキシニオブを適量溶解し、所望濃度
に調整した溶液を原料ゾル溶液とした。

【００２１】Ｓｉウエハーの表面１μｍを熱酸化し、こ
れを基板とした。この基板上にスハ゜ッタによりＲｕＯ２薄
膜を所望の厚さに形成した。この上に（１）前記原料ゾ
ル液をスピンコートによって塗布し、（２）これを基板
裏面がホットプレート面に接するように設置し、乾燥し
た。ここでホットプレートの温度は80℃、200℃、400℃
の３段階を設定し、基板裏面が各温度をこの順に５分間
−５分間−１０分間経験することによってゾルが乾燥さ
れる。（１）と（２）の工程を交互に多数回繰り返すこ
とによって所望の厚さの前駆体膜を得た。次にこれを急
速昇温ランプアニール装置（RTA）に図３に示したとお
り、基板303の裏面と非晶質薄膜301の表面が、それぞれ
赤外線ランプ311と赤外線ランプ312に照射される配置で
設置した。ここで302は電極であり、本実施例において
は前述のようにＲｕＯ２がもちいられている。次に、赤
外線ランプ311（図3）のみ照射し、基板裏面を800℃に
昇温した。この状態で酸素雰囲気にて1分間の焼成、結
晶化をおこなった（試料５）。また同様に基板裏面温度
を700℃に昇温して結晶化した試料も作製した（試料
6）。一方、比較のため従来法による試料も作製した。
ここでは下電極として従来通りＰｔをもちいた。ランプ
アニール時に基板裏面の温度を800℃に設定して得られ
た薄膜を試料７、700℃に設定して得られた薄膜を試料
８とする。

【００２２】試料５、試料６、試料７および試料８のＸ
線回折パターンを得た。試料５と試料６に対する結果を
図４に同時に示す。また試料７と試料８に対する結果を
図５に同時に示す。

【００２３】図４から試料５、試料６ともにペロブスカ
イト型構造である単相のニオブ酸マグネシウム酸チタン
酸ジルコン酸鉛（以下PZTと表記)薄膜であり、(100)と
(101)方向に優先配向し結晶性に優れた薄膜であること
がわかった。一方、図５では試料７、試料８ともにペロ
ブスカイト型構造のPZT以外に由来するピークも認めら
れ、異相（パイロクロア相）の存在が明らかになった。

【００２４】試料６と試料８の表面モフォロジーを走査
型電子顕微鏡（以下SEMと表記）によって観察した。試
料８では一般にロゼッタと称せられる、マイクロメート
ル単位の不均質な結晶粒による微少構造が観察された。
一方、試料６ではこのような構造は認められず、稠密で
均質な薄膜であることがわかった。また、透過型電子顕
微鏡（以下TEMと表記）によって断面構造を観察したと
ころ試料６では下電極界面とPZT薄膜との境界が明瞭で
はなく連続的な柱状構造が認められた。一方、試料８で
はこのような下電極／PZT界面の良好な整合性は得られ
なかった。

【００２５】以上のことから下電極の違いが結晶成長機
構と膜構造に大きな影響を与えていることが示された。
本実施例では下電極としてＰｔをもちいてこの上に成膜
されたPZT薄膜にくらべ、ＲｕＯ２上に成膜されたPZT薄
膜は均質であるとともに下電極との界面整合性が良好で
あり、より優れた結晶性を有することが示された。

【００２６】（実施例３）はじめに、2-n-ブトキシエタ
ノールに酢酸鉛、酢酸マグネシウム、チタニウムテトラ
イソプロポキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート
ならびにペンタエトキシニオブを適量溶解し、所望濃度
に調整した溶液を原料ゾル溶液とした。

【００２７】SrTiO3を基板として、この上にSrRuO3薄膜
を所望の厚さにエピタキシャル成長させた。このSrRuO3
薄膜層にたいして、広角法をもちいたＸ線（Ｃｕ−Ｋ
α）回折パターンを得た（図）。Ｘ線入射角をθとし
て０°≦θ≦８０°の範囲におけるSrRuO3のすべての回
折ピーク強度をΣＩ(hkl)、 SrRuO3(100)面の回折ピー
ク強度をＩ(100)と定義するとき、Ｉ(100)／ΣＩ(hkl)
＝0.91であることがわかった。

【００２８】この下電極上に（１）前記原料ゾル液をス
ピンコートによって塗布し、（２）これを基板裏面がホ
ットプレート面に接するように設置して乾燥した。ここ
でホットプレートの温度は80℃、200℃、400℃の３段階
を設定し、基板裏面が各温度をこの順に５分間−５分間
−１０分間経験することによってゾルが乾燥される。
（１）と（２）の工程を交互に多数回繰り返すことによ
って所望の厚さの前駆体膜を得た。次にこれを急速昇温
ランプアニール装置（RTA）に図３に示したとおり、基
板303の裏面と非晶質薄膜301の表面が、それぞれ赤外線
ランプ311と赤外線ランプ312に照射される配置で設置し
た。ここで302は電極であり、本実施例においては前述
のようにSrRuO3がもちいられている。次に、赤外線ラン
プ311（図3）のみ照射し、基板裏面を800℃に昇温し
た。この状態で酸素雰囲気にて1分間の焼成、結晶化を
おこなった（試料９）。Ｘ線回折による結晶解析の結
果、基板上にPZT薄膜が得られていることがわかった。
さらに結晶配向性をしらべるため、PZT(100)面にたいし
てＸ線回折のロッキングカーブの測定をおこなった。試
料面にたいするＸ線入射角をθとし、θからのずれをΔ
ω（Δθ）と表記する。Δω（Δθ）＝±１０°の範囲
内で(100)面からの回折強度を測定したところ、Δω
（Δθ）＝０°を中心に半値幅が約１°の鋭いピークが
観察された（図6）。次に試料上部にアルミニウム電極
を蒸着によって形成し、これと基板上の電極との間の起
電力測定から圧電定数（d31）を求めた。実施例２に記
載の試料５についても同様に圧電定数（d31）を求め
た。結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記表１から明らかなように試料９の圧電
定数は試料５にくらべて非常に大きな値を示し、試料９
がより優れた圧電特性を有する薄膜PZTであることがわ
かった。

【００３１】基板上に塗布されたゾルの乾燥と、これに
よって得られた前駆体膜の焼成はともに基板裏側から加
熱することによっておこなわれる。このため基板上のゾ
ルまたは前駆体膜は下電極に接する部分が初めに最高温
に達する。したがって結晶化の初期段階で発生する結晶
核は下電極上に形成され、これをもとに膜表面に向かっ
て一方向に結晶化が進む。結晶核の状態はその後の結晶
成長機構に大きな影響を与えることから、組成、構造と
もに安定な結晶核が形成されることが望ましい。本実施
例では下電極であるSrRuO3がPZTと同じ酸化物であり、
同様なペロブスカイト型構造を有する。また両者の格子
定数も比較的近い値を有する。このためPZT はSrRuO3の
結晶方位を反映して安定に成長しやすい。特に本実施例
では下電極であるSrRuO3が上述のような強配向性を有す
るため、この上に形成されるPZTの結晶核も同様に強配
向する。この結晶核をもとに成長したPZT薄膜は優れた
結晶配向性を有し、上述のように膜特性（圧電特性）の
劇的な向上が実現された。

【００３２】（実施例4）シリコン基板を熱酸化し、こ
の上にRuO2をスパッタにより成膜した（試料10）。一
方、比較のためスパッタによって白金を成膜した試料
も用意した（試料11）。RuO2と白金の膜厚は共に2000オ
ングストロームである。これらの試料を酸素雰囲気にお
いて各温度で熱処理をおこなうことにした。

【００３３】まず試料10、試料11ともに400℃に加熱し
たホットプレート上に設置し、連続して1時間の加熱を
おこなった。所定時間経過後、試料をホットプレート上
から取り除き、空気中で自然冷却した。次に試料10、試
料11ともにオージェ電子分光（Auger electron spectro
scopy，以下AESと表記）によって基板にたいして垂直方
向の元素分布をしらべた。試料10にたいする測定結果を
図7に示す、また試料11にたいする測定結果を図8に示
す。

【００３４】図7から分かるように、Ru、酸素ともに膜
表面から深さ方向に均一な分布を示していることがわか
る。また図8から、白金も膜表面から深さ方向にたいし
て均一な分布を示していることがわかる。

【００３５】さらに試料10、試料11ともに急速昇温ラン
プアニール(以下RTAと表記)によって900℃で一分間の加
熱をおこなった。加熱終了後、試料は酸素雰囲気で徐冷
した。次に試料10、試料11ともにAESによって基板にた
いして垂直方向の元素分布をしらべた。試料10にたいす
る測定結果を図9に示す。また試料11にたいする測定結
果を図10に示す。

【００３６】図９から、Ruと酸素はともに膜表面から深
さ方向に均一な分布をしていることがわかる。酸素雰囲
気における900℃の加熱処理前後で、RuO2が安定である
ことがわかった。一方、図10からは白金層中に酸素が混
在していることがわかる。特に白金層表面近傍で酸素濃
度が高いことから、雰囲気中の酸素が白金層に取り込ま
れ、拡散したものと考えられる。またシリコン基板に相
当する深さ領域に白金が存在していることがわかる。こ
のことは白金自身もまた基板側に拡散していることを示
す。

【００３７】以上のことから、ゾルゲル法による圧電体
薄膜の作製には、下電極として導電性酸化物を用いる方
が白金を用いる場合にくらべて有利であることがわか
る。

【００３８】原料ゾルを基板上に形成された下電極上に
塗布し、これを脱脂する工程では、400℃前後の基板加
熱がおこなわれる。この温度領域では上述のように白金
とRuO2はともに安定であった。しかしながら、脱脂によ
って得られた非晶質状前駆体膜を焼成するには1000℃近
い高温加熱が必用とされる。この温度領域では白金層が
安定ではなく、また同時に酸素を透過させてしまう。こ
のことは、白金層上の非晶質状前駆体膜は焼成の際に白
金との界面において酸素の授受が発生することを意味す
る。焼成された圧電体薄膜は白金との界面近傍で酸素が
化学量論的な組成からずれる可能性が考えられる。一
方、RuO2は1000℃近い高温領域においても依然安定であ
り、上述の結果のとおり、白金で認められたような酸素
の移動が生じない。したがって、RuO2上に形成された非
晶質状前駆体膜は焼成時にRuO2との界面で酸素の授受が
生じない。得られた圧電体薄膜は、下電極との界面近傍
でも酸素量が安定であり、化学量論的な組成が保たれ
る。これらのことは、圧電特性に顕著に反映される。す
なわち白金上に成膜された圧電体薄膜にくらべて導電性
酸化物上に成膜された圧電体薄膜は格段に優れた圧電特
性を有する。

【００３９】（実施例５）はじめに、2-n-ブトキシエタ
ノールに酢酸鉛、チタニウムテトライソプロポキシドお
よびジルコニウムアセチルアセトナートを適量溶解し、
所望濃度に調整した溶液を原料ゾル溶液とした。

【００４０】Ｓｉウエハーの表面１μｍを熱酸化し、こ
れを基板とした。この基板上に下電極としてスパッタに
よりSrRuO3薄膜を所望の厚さに形成した。この上に
（１）前記原料ゾル液をスピンコートによって塗布し、
（２）これを基板裏面がホットプレート面に接するよう
に設置し、乾燥した。ここでホットプレートの温度は80
℃、200℃、400℃の３段階を設定し、基板裏面が各温度
をこの順に５分間−５分間−１０分間経験することによ
ってゾルが乾燥される。（１）と（２）の工程を交互に
多数回繰り返すことによって所望の厚さの前駆体膜を得
た。次にこれを急速昇温ランプアニール装置（RTA）に
図３に示したとおり、基板303の裏面と非晶質薄膜301の
表面が、それぞれ赤外線ランプ311と赤外線ランプ312に
照射される配置で設置した。ここで302は電極であり、
本実施例においては前述のようにSrRuO3がもちいられて
いる。赤外線ランプ311（図3）のみ照射し、基板裏面を
900℃に昇温した。この状態で酸素雰囲気にて1分間の焼
成、結晶化をおこなった（試料12）。また比較のため、
下電極としてPtをもちいた試料（試料13）も同様の方法
で作製した。

【００４１】得られたPZT薄膜と下電極との界面付近の
元素分布をしらべた。試料12にたいする結果を図11に示
す。また試料13にたいする結果を図12に示す。

【００４２】図11から、白金とPZT界面近傍では元素の
拡散が生じていることがわかる。特にPZT薄膜の構成元
素である鉛が白金層内部まで深く浸透している。またジ
ルコニウムとチタンも白金層側への拡散が認められる。
一方、図12ではこのような現象は認められない。PZTの
構成元素のうち酸素以外はSrRuO3側では存在していな
い。このことはPZT薄膜からSrRuO3側への元素拡散が生
じていないことを示す。SrRuO3がPZTの構成元素のうち
金属元素の拡散にたいして抑制効果をもっていることが
わかった。

【００４３】以上のことから、本実施例に記載のゾルゲ
ル法による圧電体薄膜の成膜には、下電極としてSrRuO3
に代表される導電性酸化物をもちいることが有効である
といえる。圧電体薄膜の焼成時に構成元素が下電極側に
拡散することは、本来ゾルの段階で制御されている化学
量論的な組成から、圧電体薄膜の組成がずれることを意
味する。この現象は特に圧電体薄膜と下電極との界面付
近で著しく現れる。本実施例では特に鉛の欠損が生じて
いることが明らかになった。導電性酸化物を下電極とし
て用いることによって、このような圧電体薄膜と下電極
との間における元素の拡散を抑制することが可能とな
る。その結果、得られる圧電体薄膜は基板にたいして垂
直方向の組成分布が一様となる。精確な組成制御性が得
られることによって圧電特性は飛躍的に向上する。

【００４４】

【発明の効果】以上に示したように、基板上に下電極と
して導電性酸化物をもちいることによって、圧電体薄膜
と下電極との界面は良好な整合性が得られる。この結
果、下電極上に成長する圧電体薄膜は優れた結晶性を有
し、薄膜の圧電性は最大限発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図1】広角法による試料１のX線回折パターン。

【図２】広角法による試料２のX線回折パターン。

【図３】急速昇温ランプアニール装置（ＲＴＡ）の断面
図。

【図４】広角法による試料５と試料６のＸ線回折パター
ンを示す図。

【図５】広角法による試料７と試料８のＸ線回折パター
ンを示す図。

【図６】試料９のPZT（100）面のロッキングカーブを示
す図。

【図7】試料10（400℃の熱処理後）の深さ方向の元素分
布を示す図。

【図8】試料11（400℃の熱処理後）の深さ方向の元素分
布を示す図。

【図9】試料10（900℃の熱処理後）の深さ方向の元素分
布を示す図。

【図10】試料11（400℃の熱処理後）の深さ方向の元素
分布を示す図。

【図11】試料12の深さ方向の組成を示す図。

【図12】試料13の深さ方向の組成を示す図。

【符号の説明】

301.非晶質前駆体膜 302.下電極層 303.基板 311.赤外線ランプ 312.赤外線ランプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に下電極を配置し、前
記下電極上に圧電体薄膜を配置し、前記圧電体薄膜上に
上電極を配置した圧電体薄膜素子において、前記下電極
が前記圧電体薄膜と前記下電極もしくは前記基板との間
における原子の相互拡散にたいしてバリア層の役割を果
たすことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】前記バリア層が導電性酸化物を主成分とし
て含んでいることを特徴とする請求項1記載の圧電体薄
膜素子。
【請求項３】基板と、前記基板上に下電極を配置し、前
記下電極上に圧電体薄膜を配置し、前記圧電体薄膜上に
上電極を配置した圧電体薄膜素子において、前記下電極
がPtと、このPt上に形成された導電性酸化物層より構成
されていることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項４】前記導電性酸化物層が互いに異なる酸化物
より構成された多層膜構造を有することを特徴とする請
求項3記載の圧電体薄膜素子。
【請求項５】前記導電性酸化物がABO3の化学式（A,Bは
異なる金属元素）で表記される化合物であることを特徴
とする請求項3または4記載の圧電体薄膜素子。
【請求項６】前記導電性酸化物の広角法をもちいたX線
（Cu-Kα）回折パターンにおいてX線の入射角をθと
し、０°≦２θ≦80°の範囲でΣI(hkl)を全ての回折ピ
ーク強度の和、I(100)を(100)面の回折ピーク強度と定
義するとき、I(100)/ΣI(hkl)≧0.9であることを特徴と
する請求項5記載の圧電体薄膜素子。
【請求項７】１）基板上に下電極を形成する工程と、
２）前記下電極上に非晶質状前駆体膜を形成する工程
と、３）前記非晶質状前駆体膜を加熱焼成し圧電体薄膜
を形成する工程と、４）前記圧電体薄膜上に上電極を形
成する工程よりなる圧電体薄膜素子の製造方法におい
て、１）工程の下電極として導電性酸化物を主成分とし
てもちいることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方
法。
【請求項８】前記下電極を、PtとこのPt上に形成される
導電性酸化物層より構成することを特徴とする請求項7
記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項９】前記導電性酸化物層を、互いに異なる酸化
物より構成される多層膜構造とすることを特徴とする請
求項7または8記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１０】前記導電性酸化物の広角法をもちいたX
線（Cu-Kα）回折パターンにおいてX線の入射角をθと
し、０°≦２θ≦80°の範囲でΣI(hkl)を全ての回折ピ
ーク強度の和、I(100)を(100)面の回折ピーク強度と定
義するとき、I(100)/ΣI(hkl)≧0.9であることを特徴と
する請求項9記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】１）基板上に下電極を形成する工程と、
２）前記下電極上に非晶質状前駆体膜を形成する工程
と、３）前記非晶質状前駆体膜を加熱焼成し圧電体薄膜
を形成する工程と、４）前記圧電体薄膜上に上電極を形
成する工程よりなる圧電体薄膜の製造方法において、
3）工程の加熱焼成時に下電極側からのみ加熱すること
を特徴とする請求項7から10記載の圧電体薄膜素子の製
造方法。
【請求項１２】請求項11記載の方法によって作製される
ことを特徴とする圧電体薄膜素子。