JP2000349362A

JP2000349362A - 圧電デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2000349362A
Application number: JP11155386A
Authority: JP
Inventors: Noriyoshi Shibata; 柴田　　典義; Kenji Nomura; 研二野村; Hidemitsu Sakamoto; 秀光坂元; Sumio Kamiya; 純生神谷; Takashi Yamamoto; 孝史山本; Toshiatsu Nagaya; 年厚長屋
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】基板（基層）や中間層に由来する欠陥の無い圧
電体薄膜およびその製造方法を提供する。【解決手段】基板２上に圧電体膜６を備える圧電デバイ
スにおいて、基板２と圧電体膜６との間に酸化アルミニ
ウム層４を形成する。酸化アルミニウム層４により、基
板２側からの圧電体膜６に対する影響が遮断される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜の圧電性を応
用した電子デバイスの製造に関し、特にメモリ素子、セ
ンサー、およびアクチュエータ等に用いられる圧電デバ
イスの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】薄膜型の圧電デバイスを製造する方法と
して、シリコンウェハを基板としてスパッタ法などの気
相蒸着法やゾルゲル法などの液相法で、チタン酸鉛やチ
タン酸ジルコン酸鉛などの鉛系ペロブスカイト構造薄膜
を形成する手法が広く用いられている。その際のシリコ
ン基板と圧電体薄膜との間を絶縁し、ケイ素との化学反
応を抑制する中間層としてシリコンウェハ表面を酸化処
理して得られるシリコン酸化膜が採用されている。従来
の積層構造の概略を図４に示す。図４において、シリコ
ンウェハ２２が酸素雰囲気中で約１０００℃程度の高温
に加熱されることにより、シリコン酸化膜２４が形成さ
れる。ついで、このシリコン酸化膜２４の表面に圧電体
膜２６が形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】シリコン酸化膜２４の
中間層を用いると、圧電体膜２６を構成する鉛成分がシ
リコン酸化膜２４中のケイ素と化学反応するため、膜形
成時および熱アニール時に圧電体膜２６に亀裂が入った
り剥離したりするという問題があった。また、圧電体膜
２６を形成した後に熱アニールしてペロブスカイト構造
を形成する際に、シリコン酸化膜２４と接触している領
域ではペロブスカイト構造化が困難であるという問題点
があった。そこで、本発明の課題は、上述した従来法の
欠点をなくし、基板（基層）や中間層に由来する欠陥の
無い圧電体薄膜およびその製造方法を提供することであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】従って上述の課題を達成
するため、本発明は、基板上に圧電体膜を備える圧電デ
バイスであって、基板と圧電体膜との間に酸化アルミニ
ウム層を有する圧電デバイスを提供する。また本発明
は、基板に、酸化アルミニウム膜を形成し、この酸化ア
ルミニウム層上に圧電体膜を形成する圧電デバイスの製
造方法を提供する。さらに、この圧電デバイスの製造方
法において、前記圧電体膜の直下に厚さ０．００５μｍ
以上０．０５μｍ以下のチタン層を形成する圧電デバイ
スの製造方法を提供する。

【０００５】これらの発明によると、圧電体膜と基板側
との間に酸化アルミニウム層を有するため、基板側から
の圧電体膜に対する影響が遮断される。この結果、圧電
体膜形成時およびアニール時等において、圧電体膜に欠
陥等が発生しにくく、良好な圧電体膜が得られる。圧電
体膜の直下にチタン層を有すると、良好なペロブスカイ
ト構造を備えた圧電体膜が得られる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。（圧電デバイス）本発明の圧電デバイスは、基板と圧電
体膜との間に酸化アルミニウム層を有している。本発明
の圧電デバイスを構成する基板は、特に限定しないが、
通常、シリコン基板である。シリコン基板と圧電体膜と
の間に酸化アルミニウム層を設けると、シリコン基板の
シリコン層、あるいは酸化シリコン層に起因する圧電体
膜への悪影響を有効に抑制できるため、好ましい。本発
明における圧電体膜の組成は、特に限定しないが、ペロ
ブスカイト構造や擬ペロブスカイト構造を取りうる化合
物を主成分とすることが好ましい。ペロブスカイト構造
を採りうる化合物としては、チタン酸鉛、各種チタン酸
ジルコン酸鉛等の鉛系ペロブスカイト化合物やバリウム
系ペロブスカイト化合物である。具体的には、ＰｂＴｉ
Ｏ_3、Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，
Ｚｒ）Ｏ₃、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、ＢａＴｉＯ₃等である。好ま
しくは、Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃である。また、擬ペロ
ブスカイト構造を採りうる化合物としては、ビスマス系
化合物である。具体的には、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₄Ｂ
ａＴｉ₄Ｏ₁₅、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂
Ｏ₉等である。好ましくは、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉である。

【０００７】この圧電体膜と基板との間には、酸化アル
ミニウム層が介在されている。酸化アルミニウム層は、
基板側と遮断するために形成されている。特に、シリコ
ン基板、特に、シリコン酸化膜と圧電体膜との間を遮断
するために形成される。したがって、酸化アルミニウム
層は、圧電体膜の直下でなく、シリコン基板、特にシリ
コン酸化膜と圧電体膜との間のいずれかの層に形成され
ていればよいが、圧電体膜の膜形成に悪影響を抑制する
という観点からは、基板に接して酸化アルミニウム層が
形成され、さらにこの酸化アルミニウム層の直上あるい
は、電極を介して圧電体膜を有していることが好まし
い。酸化アルミニウム層は、１層だけでなく、２層以上
であってもよい。

【０００８】酸化アルミニウム層は、アモルファス相で
あっても、結晶相であっても良いが、好ましくはアモル
ファス相である。アモルファス相は容易に形成されるか
らである。また、本発明の酸化アルミニウム層は、好ま
しくは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の範囲の厚さ
を有していることが好ましい。この範囲の厚さである
と、基板側からの影響を遮断して圧電体膜の亀裂や剥離
の発生を効果的に抑制できる。０．０５μｍ未満である
と遮断効果がなく、０．５μｍを超えると、熱歪みによ
る内部応力が高くなるからである。より好ましくは、
０．１μｍ以上０．２μｍ以下である。なお、２層以上
の酸化アルミニウム層を有する場合であっても、１層に
つき、上記各範囲の厚さを有していることが好ましい。
酸化アルミニウム層は、圧電体膜の基板側に形成されて
いればよい。したがって、シリコン基板であっても、ま
た、シリコン酸化膜を有していても、これらの上層側に
酸化アルミニウム層を有していればよい。また、シリコ
ンの自然酸化膜が残存していても上層に酸化アルミニウ
ム層を有していればよい。

【０００９】また、このように形成した酸化アルミニウ
ム層と圧電体膜との間において、圧電体膜の直下には、
チタン層を備えていることが好ましい。チタン層は、そ
の表面にペロブスカイト構造をとりうる組成の膜が形成
された状態で熱アニールすると、圧電体膜の下層に一体
化される。また、チタン層は、ペロブスカイト構造の結
晶核の発生を容易にする。好ましいチタン膜の厚さは、
０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下である。より好ま
しくは、０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下である。

【００１０】このように、酸化アルミニウム層を基板側
との間に中間層として有していると、圧電体膜に欠陥の
発生等を抑制等できるため、例えば、チタン酸ジルコン
酸鉛の場合には、比誘電率１３００以上および／または
残留分極２０μＣ／ｃｍ²以上の圧電特性が得られる圧
電デバイスとなっている。特に、中間層として酸化アル
ミニウム層とチタン層とを有する場合には、良好なペロ
ブスカイト構造と欠陥発生の抑制された中間層とを備
え、良好な圧電特性、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛の
場合には、比誘電率１５００以上および／または残留分
極２０μＣ／ｃｍ²以上を有する。

【００１１】なお、本発明の圧電デバイスは、上記した
構造を備えるとともに、メモリ素子、センサー、アクチ
ュエーター等の各種デバイスとして、通常必要な構造も
備えている。電極を備える場合には、特に、下層側電極
は、中間層として酸化アルミニウムをのみの場合には、
酸化アルミニウム層の直上に形成することができ、さら
に、チタン層を備える場合には、酸化アルミニウム層の
直上に形成することができる。

【００１２】（圧電デバイスの製造方法）次に、このよ
うな圧電デバイスを製造する方法について説明する。本
発明の圧電デバイスの製造方法は、通常の圧電デバイス
の製造工程において、基板上に酸化アルミニウム層を形
成し、その後、この酸化アルミニウム層の上方に圧電体
膜を形成することを特徴とする。

【００１３】基板の種類は問わない。シリコン基板ある
いはシリコン層の表面に形成されている自然酸化膜は除
去してもよいが、特に除去しないでもよい。酸化アルミ
ニウム層がシリコン酸化膜の影響を遮断できるからであ
る。酸化アルミニウム層を形成する方法は、特に限定し
ないで、従来公知の方法を使用できる。各種スパッタリ
ング法等の気相蒸着法、化学蒸着法、物理的蒸着法、エ
ピタキシャル法、ゾルゲル法等の液相法等である。な
お、本発明のデバイスの酸化アルミニウム層は、アモル
ファス相が好ましい。したがって、アモルファス相が得
られやすい方法が好ましい。また、アモルファス相でな
い場合には、アモルファス化するのが好ましい。酸化ア
ルミニウム層を形成するのに好ましい方法は、スパッタ
リング法、反応性スパッタリング等である。

【００１４】酸化アルミニウム層は、０．０５μｍ以上
０．５μｍ以下に形成する。圧電体膜の亀裂や剥離の発
生を効果的に抑制できる。より好ましくは、０．１μｍ
以上０．２μｍ以下である。酸化アルミニウム層は、複
数層形成してもよい。基板上において、シリコン層や酸
化シリコン層が存在する場合には、その上層に酸化アル
ミニウム層を形成することができる。このような酸化ア
ルミニウム層により、より上層側に形成する圧電体膜へ
のシリコン層や酸化シリコン層の影響が排除されうる。
なお、２層以上の酸化アルミニウム層を有する場合であ
っても、１層につき、上記各範囲の厚さを有することが
好ましい。

【００１５】この酸化アルミニウム層の上層側にさら
に、チタン層を設けることにより、良好なペロブスカイ
ト構造を備える圧電体膜が得られる。チタン層は、ペロ
ブスカイト構造の結晶核形成を容易にする。また、後に
ペロブスカイト構造の膜（圧電体膜）に一体化される。
チタン層を設けるには、従来公知の各種方法を使用する
ことができる。好ましくは、スパッタリング法によって
形成することが好ましい。チタン層の好ましい厚さは、
０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下である。なお、チ
タン層は、圧電体膜の直下に形成するのが好ましい。

【００１６】酸化アルミニウム層、あるいは酸化アルミ
ニウム層とチタン層とを備える中間層を形成したら、圧
電体膜を形成する。圧電体膜の組成は、圧電デバイスに
おいて説明したように、特に限定しないが、ペロブスカ
イト構造や擬ペロブスカイト構造を取りうる化合物を主
成分とすることが好ましい。ペロブスカイト構造を採り
うる化合物としては、チタン酸鉛、各種チタン酸ジルコ
ン酸鉛等の鉛系ペロブスカイト化合物やバリウム系ペロ
ブスカイト化合物である。具体的には、ＰｂＴｉＯ_3、Ｐ
ｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）
Ｏ₃、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、ＢａＴｉＯ₃等である。好ましく
は、Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃である。また、擬ペロブス
カイト構造を採りうる化合物としては、ビスマス系化合
物である。具体的には、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₄ＢａＴ
ｉ₄Ｏ₁₅、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉
等である。好ましくは、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉である。

【００１７】圧電体膜の形成方法は、各種スパッタリン
グ法等の気相蒸着法、化学蒸着法、物理的蒸着法、エピ
タキシャル法、ゾルゲル法等の液相法など、従来公知の
各種方法を使用できるが、好ましくは、スパッタリング
である。圧電体膜の厚さは、好ましくは、０．１μｍ以
上５μｍ以下である。得られた圧電体膜がアモルファス
相の場合には、さらに熱アニールする。アニールの方法
は特に問わないが、熱アニールの温度は、圧電体膜の構
成材料に適した温度とする。例えば、チタン酸ジルコン
酸鉛では、通常６００℃以上であり、好ましくは、６５
０℃以上７００℃以下の範囲である。特に、中間層とし
て酸化アルミニウム層とチタン層とを有する場合には、
比較的低いアニール温度、例えば、チタン酸ジルコン酸
鉛では、６００℃以下のアニール温度、具体的には、５
５０℃であっても良好なペロブスカイト構造が得られ
る。また、かかるアニール条件では、中間層である酸化
アルミニウム層においては、微細な空洞などの欠陥発生
が抑制される。したがって、得られた圧電デバイスは、
良好なペロブスカイト構造と欠陥発生の抑制された中間
層とを備え、良好な圧電特性、具体的には、チタン酸ジ
ルコン酸鉛の場合には、比誘電率１５００以上、残留分
極２０μＣ／ｃｍ²以上を有する。なお、アニール時の
雰囲気は、酸素雰囲気を利用できる。

【００１８】この方法によれば、欠陥や剥離の抑制され
た圧電体膜が形成できる。また、良好なペロブスカイト
構造も得られる。さらに、中間層として、チタン層も備
えている場合には、より一層良好なペロブスカイト構造
が得られ、また、中間層である酸化アルミニウム層自体
の欠陥も抑制できる。

【００１９】この方法を用いて各種圧電デバイスを形成
するには、デバイスに応じた構成部分を付与するのに必
要な工程が、常法に従って付加される。電極層は、この
方法において、適切な段階で付加することができる。

【００２０】以上説明した実施形態に基づいて、本発明
は、特に、以下の形態を採用することができる。（１）シリコン基板上に形成された圧電デバイスであっ
て、厚みが０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である酸化
アルミニウム層、電極層、圧電体膜の順の積層構造を備
える圧電デバイス。（２）前記圧電体膜は、鉛系ペロブスカイト化合物を主
成分とする前記（１）に記載の圧電デバイス。（３）圧電デバイスの製造方法であって、シリコン基板
上に、酸化アルミニウム層を形成し、その後、圧電体膜
を形成する、圧電デバイスの製造方法。（４）圧電デバイスの製造方法であって、シリコン基板
上に、酸化アルミニウム層を形成し、その後、チタン層
を形成し、このチタン層に接して圧電体膜を形成する、
圧電デバイスの製造方法。（５）前記チタン層の厚みが、０．００５μｍ以上０．
０５μｍ以下である前記（４）記載の方法。（６）前記酸化アルミニウム層の厚さが、０．０５μｍ
以上０．５μｍ以下である前記（３）から（５）のいず
れかに記載の方法。（７）前記圧電体膜は、鉛系ペロブスカイト化合物を主
成分とする前記（３）〜（６）のいずれかに記載の方
法。

【００２１】

【発明の効果】上述した本発明によれば、酸化アルミニ
ウム層に接して圧電体膜を有するため、酸化アルミニウ
ム層より下層側にある基板側層の圧電体膜への影響が排
除されており、構造欠陥の抑制された圧電デバイスを提
供できる。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を、図面を参照しな
がら説明する。（実施例１）本実施例は、図１に示す積層構造体８の製
造例及び圧電デバイスへの適用例である。本実施例で
は、シリコン基板２上に、中間層として酸化アルミニウ
ム層４を、圧電体膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）膜６をスパッタリング法で形成して、シリコン基板
２上に酸化アルミニウム層４とＰＺＴ膜６とが積層され
た積層構造体８を形成した。また、この積層構造体８に
おける構造欠陥や結晶構造を評価し、さらに、この積層
構造を圧電デバイスに適用した場合の圧電特性を評価し
た。

【００２３】まず、表面を洗浄処理したシリコン（１０
０）基板２をスパッタリング用真空槽に設置し、Ａ１タ
ーゲットを用いて、反応性スパッタリングにより酸化ア
ルミニウム薄膜４を形成した。励起ガスは酸素：アルゴ
ン＝１：１とし、ＤＣ電力２００Ｗで３０分間スパッタ
することで厚さ約１００ｎｍのアモルファス酸化アルミ
ニウム薄膜４が得られた。

【００２４】続いてこのシリコン基板２をＰＺＴターゲ
ット上に移動し、励起ガスを純アルゴンとしＲＦ電力１
００ｗで９０分間スパッタすることによりアモルファス
薄膜を形成した。次にこのシリコン基板２をスパッタリ
ング装置から取り出し、酸素雰囲気中７００℃で２時間
アニールし、ＰＺＴを結晶化して、圧電体膜６を形成し
て、図１に示す積層構造体８を得た。

【００２５】このようにして製造した構造体８の圧電体
膜６および酸化アルミニウム層４をＸ線回折により測定
したところ、完全なペロブスカイト構造であることがわ
かった。また、酸化アルミニウム層４は、アモルファス
構造を保っていることがわかった。また、走査電子顕微
鏡により観察したところ、酸化アルミニウム層４には、
微細な空洞が観察されたが、圧電体膜６には、剥離や亀
裂等は観察されなかった。

【００２６】次に圧電特性を評価するため、前記アルミ
ニウム中間層４を形成した直後にＰｔ電極層をスパッタ
リングにより形成する工程を付加した以外は、前記構造
体８の製造工程と同様にして、評価用試料を調製した。
この試料の比誘電率をＬＣＲメーターにより測定したと
ころ１３００であった。また、ソーヤータワー回路によ
り残留分極を測定したところ、１５μＣ／ｃｍ²であ
り、良好な特性が得られた。

【００２７】（実施例２）実施例２を、図２及び図３に
基づいて説明する。本実施例では、シリコン基板１２上
に、中間層として酸化アルミニウム層１４とチタン層１
５を形成し、さらに圧電体膜としてチタン酸ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ）膜１６をスパッタリング法で形成して、そ
の後、熱アニールして、積層構造体１８を形成し、た。
また、この積層構造における構造欠陥や結晶構造を評価
し、さらに、この積層構造を圧電デバイスに適用した場
合の圧電特性を評価した。

【００２８】表面を洗浄処理したシリコン（１００）基
板１２をスパッタリング用真空槽に設置し、Ａ１ターゲ
ットを用いて反応性スパッタリングにより酸化アルミニ
ウム層１４を形成した。励起ガスは酸素：アルゴン＝
１：１とし、ＤＣ電力２００Ｗで３０分間スパッタする
ことで厚さ約１００ｎｍのアモルファス酸化アルミニウ
ム薄膜１４を得た。続いてこの基板１２をＴｉターゲッ
ト上に移動し、励起ガスを純アルゴンとして厚さ約１０
ｎｍのＴｉ膜１５を形成した。続いて基板１２をＰＺＴ
ターゲット上に移動し、励起ガスを純アルゴンとしＲＦ
電力１００Ｗで９０分間スパッタすることによりＰＺＴ
アモルファス膜を形成し、図２に示す積層構造を得た。
次にこの基板１２をスパッタリング装置から取り出し、
酸素雰囲気中６００℃２時間アニールし、ＰＺＴ膜を結
晶化して、圧電体膜１６を形成して、図３に示す積層構
造体１８を得た。

【００２９】このようにして製造した構造体１８の圧電
体膜１６及び酸化アルミニウム層１４とをＸ線回折によ
り測定したところ、圧電体膜１６は、完全なペロブスカ
イト構造であり、（１１１）方向に配向していることが
わかった。なお、チタン層１４は、圧電体膜１６の下層
に一体化されていた。酸化アルミニウム層１４は、アモ
ルファス構造を維持していた。さらに、酸化アルミニウ
ム層１４の断面を走査電子顕微鏡で観察したところ、酸
化アルミニウム層１４は欠陥のない平坦な形状を維持し
ていた。また、圧電体膜１６の全体にわたって亀裂や剥
離は検出されなかった。

【００３０】次に圧電特性を評価するため、前記アルミ
ニウム中間層１４を形成した直後にＰｔ電極層をスパッ
タリングにより形成する工程を付加した以外は、前記構
造体１８の製造工程と同様にして、評価用試料を調製し
た。この試料の比誘電率をＬＣＲメーターにより測定し
たところ１５００であった。また、ソーヤータワー回路
により残留分極を測定したところ、２０μＣ／ｃｍ²で
あり、良好な特性が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で製造した圧電体膜の積層構造を示す
図である。

【図２】実施例２で製造した圧電体膜の積層構造（アニ
ール前）を示す図である。

【図３】実施例２で製造した圧電体膜の積層構造（アニ
ール後）を示す図である。

【図４】従来の圧電体膜の積層構造を示す図である。

【符号の説明】

２、１２、２２シリコン基板４、１４酸化アルミニウム層６、１６圧電体膜８、１８積層構造体１５チタン層

フロントページの続き (72)発明者柴田典義愛知県名古屋市熱田区六野二丁目４番１号財団法人ファインセラミックスセンター (72)発明者野村研二愛知県名古屋市熱田区六野二丁目４番１号財団法人ファインセラミックスセンター (72)発明者坂元秀光愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者神谷純生愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者山本孝史愛知県大府市若草町１−10 株式会社デンソー内 (72)発明者長屋年厚愛知県大府市若草町１−10 株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に圧電体膜を備える圧電デバイスで
あって、基板と圧電体膜との間に酸化アルミニウム層を
有する圧電デバイス。
【請求項２】基板に、酸化アルミニウム膜を形成し、こ
の酸化アルミニウム層上に圧電体膜を形成する圧電デバ
イスの製造方法。
【請求項３】前記圧電体膜の直下には、０．００５μｍ
以上０．０５μｍ以下の厚みのチタン層を形成する請求
項２記載の圧電デバイスの製造方法。