JP2002164586A

JP2002164586A - 電子デバイス用基板及びこれを用いた薄膜圧電体素子、並びに電子デバイス用基板の製造方法

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Publication number: JP2002164586A
Application number: JP2000357742A
Authority: JP
Inventors: Takao Noguchi; 隆男野口; Hisatoshi Saito; 久俊斉藤; Yoshihiko Yano; 義彦矢野; Shusuke Abe; 秀典阿部
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP5019247B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板から強誘電体薄膜にかかる引っ張
り応力が簡単な方法によって緩和された電子デバイス用
基板を提供する。【解決手段】半導体基板３上に形成されたエピタキシ
ャル膜である下部電極５と、下部電極５上に形成された
エピタキシャル膜である強誘電体層６と、強誘電体層６
上に形成された上部電極７とを備える電子デバイス用基
板であって、下部電極５の膜厚が２００〜１０００ｎｍ
に設定されている。これにより、半導体基板３から強誘
電体薄膜６にかかる引っ張り応力が緩和され、強誘電体
薄膜６のｃドメインの割合が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子デバイス用基
板及びこれを用いた薄膜バルク振動子、圧電アクチュエ
ータ、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ等の薄膜圧電体素子、
並びに電子デバイス用基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通信機器、テレビ等に使用されるキーコ
ンポーネントである、薄膜バルク振動子や圧電アクチュ
エータ等の薄膜圧電体素子は、圧電体及び圧電体に設け
られた複数の電極によって構成され、これら電極間に電
圧を印加することによって、これを機械的エネルギーに
変換する装置である。

【０００３】ここで、圧電体としては、ＰｂＴｉＯ_３、
ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ_３等のペロブスカイト型酸化物から
なる強誘電体材料が知られている。

【０００４】これらペロブスカイト型酸化物からなる強
誘電体材料を用いて、薄膜圧電体素子に用いられる電子
デバイス用基板を形成する場合、シリコン等の半導体基
板上にペロブスカイト型酸化物を単一配向だけでなく面
内での方位もそろえた３軸配向のエピタキシャル膜とし
て形成することが望まれる（特開平９−１１０５９２号
公報参照）。

【０００５】しかしながら、例えばＰｂＴｉＯ_３やＰＺ
Ｔなどの強誘電体材料をＳｉ基板上にエピタキシャル成
長させた場合、成膜中には単結晶膜として形成される
が、成膜後に室温まで冷却する過程において、シリコン
基板との熱膨張係数の大きな差により、形成された強誘
電体薄膜に強い引っ張り応力が働く。ここで、ＰｂＴｉ
Ｏ_３やＰＺＴ等のキュリー温度以上での結晶型は立方晶
である一方、キュリー温度以下での結晶型は、２つのａ
軸と分極軸である１つのｃ軸（ｃ＞ａ）を有する正方晶
である。このため、冷却過程において、膜の結晶型が立
方晶から正方晶に転移する際に、ａ軸配向からなるａド
メインとｃ軸配向からなるｃドメインの二つのドメイン
からなる９０°ドメイン構造をもつ膜になってしまう
が、このとき、シリコン基板との熱膨張係数の差に起因
する引っ張り応力により、ａ軸配向からなるａドメイン
の割合が増加する。この場合、ａドメインでは、分極軸
であるｃ軸が膜面に対して横に寝てしまうことから、膜
面に対して垂直方向の外部電界を印加しても十分な強誘
電性や圧電性が得られないという問題があった（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｆｔ．５９（２０），１１，２５２
４（１９９１）及びＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７６（１
２），１５，７８３３（１９９４）参照）。

【０００６】これを解決するには、Ｓｉ基板から強誘電
体薄膜にかかる引っ張り応力を低減し、ｃ軸配向からな
るｃドメインの割合が増加するように強誘電体膜を形成
することが重要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉ等の半導体基板か
ら強誘電体薄膜にかかる引っ張り応力を低減する手法と
しては、種々の手法が検討されている。しかしながら、
これら手法の多くは、電子デバイス用基板の製造工程を
複雑化させるため、電子デバイス用基板の製造コストを
増大させ、ひいてはこれを用いた薄膜圧電体素子の製造
コストを増大させてしまうという問題があった。

【０００８】このため、Ｓｉ等の半導体基板から強誘電
体薄膜にかかる引っ張り応力を、簡単な手法によって低
減することができる手法が望まれていた。

【０００９】したがって、本発明は、半導体基板から強
誘電体薄膜にかかる引っ張り応力が簡単な方法によって
緩和された電子デバイス用基板及びこれを用いた薄膜圧
電体素子、並びに電子デバイス用基板の製造方法を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らが精意研究を
重ねた結果、半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこ
の順に形成する場合、電極の膜厚と強誘電体薄膜のドメ
イン比との間に、所定の関係があることが判明した。

【００１１】すなわち、半導体基板上に電極及び強誘電
体薄膜をこの順に形成する場合、電極の膜厚を厚くする
につれてｃドメインの割合が増加することが判明した。
さらに、電極の膜厚が所定の厚み以下である領域におい
ては、電極の膜厚を厚くするにつれてｃドメインの割合
が急激に増大する一方、電極の膜厚が上記所定の厚み以
上である領域においては、電極の膜厚を厚くしてもｃド
メインの割合は僅かしか増大しないことが判明した。こ
の場合、「所定の厚み」とは、約２００〜３００ｎｍで
あった。また、電極の膜厚が約１０００ｎｍを超える領
域では、ｃドメインの割合がほとんど増大しないことも
判明した。

【００１２】本発明者らは、このような知見に基づき、
半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこの順に形成す
る場合、電極の膜厚を約２００〜１０００ｎｍに設定す
ることにより、ｃドメインの割合が高い強誘電体薄膜
を、簡単且つ効率よく成膜することができ、より簡単で
より効率よく、ｃドメインの割合が高い強誘電体薄膜を
成膜するためには電極の膜厚を約２００〜３００ｎｍに
設定すればよいという結論に至った。

【００１３】また、本発明者らがさらに精意研究を重ね
た結果、半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこの順
に形成する場合、電極の膜厚と強誘電体薄膜の共振特性
との間にも、所定の関係があることが判明した。

【００１４】すなわち、半導体基板上に電極及び強誘電
体薄膜をこの順に形成する場合、電極の膜厚が所定の厚
み以下である領域においては、電極の膜厚を厚くするに
つれて共振周波数におけるインピーダンスと反共振周波
数におけるインピーダンスとの差が急激に増大する一
方、電極の膜厚が上記所定の厚み以上である領域におい
ては、電極の膜厚を厚くするにつれて当該インピーダン
ス差が徐々に減少することが判明した。この場合、「所
定の厚み」とは、約２５０〜５００ｎｍであった。

【００１５】本発明者らは、このような知見に基づき、
半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこの順に形成す
る場合、電極の膜厚を約２５０〜５００ｎｍに設定する
ことにより、共振周波数におけるインピーダンスと反共
振周波数におけるインピーダンスとの差が最も大きい強
誘電体薄膜を、簡単且つ効率よく成膜することができ、
電極の膜厚を約２００〜１０００ｎｍに設定することに
より、当該インピーダンス差が十分に大きい強誘電体薄
膜を、簡単且つ効率よく成膜することができるという結
論に至った。

【００１６】また、本発明者らがさらに精意研究を重ね
た結果、半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこの順
に形成する場合、電極の膜厚及び強誘電体薄膜の膜厚の
比と強誘電体薄膜の共振特性との間にも、所定の関係が
あることが判明した。

【００１７】すなわち、半導体基板上に電極及び強誘電
体薄膜をこの順に形成する場合、電極の膜厚ｄ_ｅと強誘
電体薄膜の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが所定の値以下で
ある領域においては、当該比が大きくなるにつれて共振
周波数におけるインピーダンスと反共振周波数における
インピーダンスとの差が急激に増大する一方、当該比が
上記所定の値以上である領域においては、当該比が大き
くなるにつれて当該インピーダンス差が徐々に減少する
ことが判明した。この場合、「所定の値」とは、約０．
５〜１であった。

【００１８】本発明者らは、このような知見に基づき、
半導体基板上に電極及び強誘電体薄膜をこの順に形成す
る場合、電極の膜厚ｄ_ｅと誘電体薄膜の膜厚ｄ_ｐとの比
ｄ_ｅ／ｄ_ｐを約０．５〜１に設定することにより、共振
周波数におけるインピーダンスと反共振周波数における
インピーダンスとの差が最も大きい強誘電体薄膜を、簡
単且つ効率よく成膜することができ、電極の膜厚ｄ_ｅと
強誘電体薄膜の膜厚ｄ _ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐを約０．４〜
２に設定することにより、当該インピーダンス差が十分
に大きい強誘電体薄膜を、簡単且つ効率よく成膜するこ
とができるという結論に至った。

【００１９】本発明は、このような技術的知見に基づい
て創案されたものであり、本発明による電子デバイス用
基板は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル膜で
ある下部電極と、前記下部電極上に形成されたエピタキ
シャル膜である強誘電体層と、前記強誘電体層上に形成
された上部電極とを備える電子デバイス用基板であっ
て、前記下部電極の膜厚が２００〜１０００ｎｍである
ことを特徴とする。

【００２０】本発明によれば、下部電極の膜厚が２００
〜１０００ｎｍに設定されていることから、半導体基板
から強誘電体薄膜にかかる引っ張り応力が緩和され、強
誘電体薄膜のｃドメインの割合が高くなる。さらに、本
発明によれば、共振周波数におけるインピーダンスと反
共振周波数におけるインピーダンスとの差を十分大きく
することができる。

【００２１】本発明の好ましい実施態様においては、前
記下部電極の膜厚が２５０〜５００ｎｍであることを特
徴とする。

【００２２】本発明の好ましい実施態様によれば、共振
周波数におけるインピーダンスと反共振周波数における
インピーダンスとの差を一層大きくすることができる。

【００２３】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記下部電極の膜厚が２５０〜３００ｎｍであるこ
とを特徴とする。

【００２４】本発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、半導体基板から強誘電体薄膜にかかる引っ張り応力
を最も効率的に緩和することができるとともに、共振周
波数におけるインピーダンスと反共振周波数におけるイ
ンピーダンスとの差を大きくすることができる。

【００２５】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記下部電極が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、および
Ａｕの少なくとも１を含有する。

【００２６】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記強誘電体層が、少なくとも１層のペロブスカイ
ト型酸化物誘電体薄膜からなる。

【００２７】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記強誘電体層が、ＰｂＴｉＯ _３からなる第１のペ
ロブスカイト型酸化物誘電体薄膜と、ＰＺＴからなる第
２のペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜を含む。

【００２８】本発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、よりすぐれた特性の電子デバイス用基板を得ること
ができる。

【００２９】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体層の膜厚ｄ
_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．４〜２であることを特徴と
する。

【００３０】本発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、下部電極の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの比
ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．４〜２に設定されていることから、
共振周波数におけるインピーダンスと反共振周波数にお
けるインピーダンスとの差を十分大きくすることができ
る。

【００３１】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体層の膜厚ｄ
_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．５〜１であることを特徴と
する。

【００３２】本発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、下部電極の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの比
ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．５〜１に設定されていることから、
共振周波数におけるインピーダンスと反共振周波数にお
けるインピーダンスとの差を一層十分大きくすることが
できる。

【００３３】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記基板と前記下部電極との間に形成されたエピタ
キシャル膜であるバッファ層をさらに備える。

【００３４】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記バッファ層が、ＺｒＯ_２薄膜、安定化ジルコニ
ア薄膜、希土類元素酸化物薄膜、及びジルコニウムの一
部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換したＺ
ｒＯ_２薄膜の少なくとも一を含む。

【００３５】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記基板が、単結晶シリコン基板からなる。

【００３６】本発明の前記目的はまた、基板上に形成さ
れたエピタキシャル膜である下部電極と、前記下部電極
上に形成されたエピタキシャル膜である強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成された上部電極とを備える電子
デバイス用基板であって、前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前
記強誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．４〜
２であることを特徴とする電子デバイス用基板によって
達成される。

【００３７】本発明によれば、下部電極の膜厚ｄ_ｅと強
誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ _ｐが、０．４〜２に
設定されていることから、共振周波数におけるインピー
ダンスと反共振周波数におけるインピーダンスとの差を
十分大きくすることができる。

【００３８】本発明の好ましい実施態様においては、前
記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの
比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．５〜１であることを特徴とする。

【００３９】本発明の好ましい実施態様によれば、下部
電極の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ
_ｐが、０．５〜１に設定されていることから、共振周波
数におけるインピーダンスと反共振周波数におけるイン
ピーダンスとの差を一層十分大きくすることができる。

【００４０】本発明の前記目的はまた、上記各電子デバ
イス用基板を用いた薄膜圧電体素子によって達成され
る。

【００４１】本発明の前記目的はまた、基板上にバッフ
ァ層をエピタキシャル成長させる工程と、前記バッファ
層上に下部電極を２００〜１０００ｎｍの厚みでエピタ
キシャル成長させる工程と、前記下部電極上に強誘電体
層をエピタキシャル成長させる工程と、前記強誘電体層
上に上部電極を形成する工程とを備える電子デバイス用
基板の製造方法によって達成される。

【００４２】本発明の前記目的はまた、基板上にバッフ
ァ層をエピタキシャル成長させる工程と、前記バッファ
層上に下部電極をエピタキシャル成長させる工程と、前
記下部電極上に強誘電体層をエピタキシャル成長させる
工程と、前記強誘電体層上に上部電極を形成する工程と
を備え、前記下部電極の厚みが前記強誘電体層の厚みの
０．４〜２倍となるように形成することを特徴とする電
子デバイス用基板の製造方法によって達成される。

【００４３】尚、本発明において、「ａドメインに対す
るｃドメインの比率（Ｉｃ／Ｉａ）」におけるＩａと
は、θ−２θＸ線回折における（１００）ピークの強度
をいい、Ｉｃとは、θ−２θＸ線回折における（００
１）ピークの強度をいう。

【００４４】また、本発明において、薄膜が例えば（０
０１）配向であるとは、膜面とほぼ平行に（００１）面
が存在していることを意味する。

【００４５】また、本発明にいて「単一配向膜」とは、
基板表面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化
膜のことを意味する。具体的には、Ｘ線回折（ＸＲＤ）
による測定を行ったとき、目的とする面以外のものの反
射ピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％
以下、好ましくは５％以下である膜である。例えば、
（００Ｌ）単一配向膜、すなわちｃ面単一配向膜は、膜
の２θ−θＸ線回折で（００Ｌ）面以外の反射強度が、
（００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の１０％以下、好ま
しくは５％以下のものである。なお、本明細書において
（００Ｌ）は、（００１）系列の面、すなわち（００
１）や（００２）などの等価な面を総称する表示であ
る。

【００４６】また、本発明において「エピタキシャル
膜」とは、第一に、上述した単一配向膜である必要があ
る。エピタキシャル膜の第二の条件は、膜面内をｘ−ｙ
面とし、膜厚方向をｚ軸としたとき、結晶がｘ軸方向、
ｙ軸方向およびｚ軸方向に共に揃って配向していること
である。このような配向は、ＲＨＥＥＤ評価でスポット
状またはストリーク状のシャープなパターンを示すこと
で確認できる。例えば、表面に凸凹が存在するバッファ
層において結晶配向に乱れがある場合、ＲＨＥＥＤ像は
シャープなスポット状とはならず、リング状に伸びる傾
向を示す。上記した二つの条件を満足すれば、エピタキ
シャル膜といえる。

【００４７】また、本発明において「エピタキシャル成
長した膜」とは、エピタキシャル膜を含むが、その他に
成長時にエピタキシャル膜であって、室温でドメイン構
造膜である薄膜も含む。ＰＺＴ薄膜等の正方晶ペロブス
カイト型酸化物薄膜の場合、成長温度で正方晶の（１０
０）エピタキシャル膜として成長し、成長後、冷却する
間に正方晶に相転移して、（１００）配向と（００１）
配向とが混在する９０度ドメイン構造膜も含まれる。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の好ましい実施態様について詳細に説明する。

【００４９】図１は、本発明の好ましい実施例にかかる
薄膜バルク振動子１を概略的に示す断面図である。

【００５０】図１に示されるように、薄膜バルク振動子
１は、ビアホール２が形成されたＳｉ単結晶基板３と、
Ｓｉ単結晶基板３上に形成されたバッファ層４と、バッ
ファ層４上に形成された下部電極５と、下部電極５上に
形成された強誘電体層６と、強誘電体層６上に形成され
た上部電極７とからなる電子デバイス用基板を備え、下
部電極５及び上部電極７にはワイヤ８が接続されてい
る。また、Ｓｉ単結晶基板３の底面は、ダイボンド剤９
によりセラミックパッケージ１０の底面に接着されてお
り、セラミックパッケージ１０の上部は、ふた１１によ
り封止されている。

【００５１】次に、電子デバイス用基板を構成する各要
素について詳細に説明する。

【００５２】Ｓｉ単結晶基板３本実施態様における基板３は、単結晶シリコンである
が、Ｓｉ（１００）単結晶表面を有する基板が最も好ま
しい。Ｓｉ（１００）基板を用いることにより、薄膜バ
ルク振動子を作製する場合のビアホール２の形成が容易
になる。

【００５３】バッファ層４本実施態様におけるバッファ層４は、酸化物の単層ある
いは複数の酸化物をエピタキシャル成長することにより
形成される。バッファ層４は、Ｓｉ単結晶基板３と下部
電極５との間に設けられて、下部電極５を高品質にエピ
タキシャル成長させる役割を果たすとともに、絶縁体と
しての機能し、さらにビアホール２をエッチング加工す
る際のエッチングストッパ層としても機能する。また、
バッファ層４は、Ｓｉ単結晶基板３と下部電極５との間
に形成されているため、下部電極５を構成する金属とＳ
ｉ単結晶基板３とが反応し、シリサイドが形成されるの
を防止するバリア層としての役割も果たしている。

【００５４】バッファ層４上に形成される下部電極５及
び下部電極５上に形成される強誘電体層６を単結晶に近
いエピタキシャル膜として形成するためには、バッファ
層４として、（００１）配向のＺｒＯ_２薄膜、安定化ジ
ルコニア薄膜、希土類元素酸化物薄膜、ジルコニウムの
一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した
ＺｒＯ_２薄膜等を含む層と、この上に形成されたＢａＴ
ｉＯ_３等からなる（００１）配向のペロブスカイト層か
らなる積層体を用いることが好ましい。

【００５５】この場合、ペロブスカイト層を設けるの
は、（００１）配向のＺｒＯ_２薄膜、安定化ジルコニア
薄膜、希土類元素酸化物薄膜等を含む層上に下部電極５
を直接形成すると、下部電極５を構成する金属は（１１
１）配向または多結晶となり、下部電極５を（１００）
単一配向膜とすることができないからである。これは、
ＺｒＯ_２（００１）面と、下部電極５を構成する金属
（１００）面の格子不整合が大きいために、当該金属は
エピタキシャル成長するよりも、すなわち（１００）面
を成長面として成長するよりも、エネルギー的に安定な
（１１１）面を成長面として成長するからである。

【００５６】さらに、バッファ層４上に形成される下部
電極５及び下部電極５上に形成される強誘電体層６を単
結晶に近いエピタキシャル膜として形成するためには、
バッファ層４として、ＺｒＯ_２薄膜と、この上に形成さ
れ表面にファセットを有するＹ_２Ｏ_３等の希土類酸化物
薄膜からなる積層体を用いることも好ましい。ファセッ
トを有するバッファ層４上に下部電極５を成長させる
と、下部電極５を構成する金属は、膜面に垂直な方向に
（１００）配向したエピタキシャル膜となる。

【００５７】この方法では、ＢａＴｉＯ_３薄膜等の多元
組成のペロブスカイト型薄膜を形成する必要がないた
め、より容易にバッファ層４を形成することが可能とな
る。このような構造を有するバッファ層４は、下部電極
５との界面が{１１１}ファセット面を含むことが特徴で
ある。このバッファ層４は、立方晶（１００）配向、正
方晶（００１）配向または単斜晶（００１）配向のエピ
タキシャル膜なのでそのファセット面は、{１１１}ファ
セット面である。下部電極５は、バッファ層４の{１１
１}ファセット面上に{１１１}配向膜としてエピタキシ
ャル成長する。下部電極５を構成する金属の成長に伴っ
て、ファセット面により構成される凹部は埋められ、最
終的に、下部電極５の表面は平坦となり、かつ、この表
面はＳｉ単結晶基板３の表面に平行となる。下部電極５
の表面は、立方晶（１００）面となるが、結晶格子の歪
み等により正方晶（００１）面となることもある。

【００５８】なお、バッファ層４の形成過程において、
Ｓｉ単結晶基板３とバッファ層４との間にＳｉＯ_２層が
生じる場合があるが、このＳｉＯ_２層は、バッファ層４
がエピタキシャル成長し始めた後にＳｉ単結晶基板３の
表面が酸化されることにより形成されるものと見られ、
バッファ層４のエピタキシャル成長を阻害するものでは
無い。したがって、このＳｉＯ_２層は存在していても構
わない。

【００５９】下部電極５下部電極５は、バッファ層４上にエピタキシャル成長し
た金属薄膜を含む層である。下部電極５は、電極として
の機能のほかに、Ｓｉ単結晶基板３によって強誘電体層
６に作用する引っ張り応力を吸収する機能を持つ。

【００６０】下部電極５を構成する金属薄膜は、その上
に形成される強誘電体層６の成膜温度での耐熱性に優れ
たものであるとともに、応力を吸収するための可塑性に
優れた材料からなるものであることが好ましい。具体的
には、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕの少なくと
も１種を主成分とすることが好ましく、ＰｔおよびＡｕ
のいずれか１種を主成分とすることがさらに好ましい。
また、これらの金属を含む合金から構成されていても構
わない。さらに、下部電極５は、組成の異なる２種以上
の金属薄膜から構成されていても良い。

【００６１】なお、下部電極５を構成する金属薄膜の比
抵抗は、好ましくは１０^−７〜１０ ^３Ωｃｍ、より好ま
しくは１０^−７〜１０^−２Ωｃｍである。

【００６２】下部電極５は、上記金属薄膜とペロブスカ
イト型導電性酸化物薄膜との積層体であってもよい。こ
の場合、その金属薄膜はペロブスカイト型導電性酸化物
薄膜の下側、すなわちバッファ層４側に形成する必要が
ある。こうすることにより金属薄膜の上側から２次元的
な圧縮応力が働くことになり、Ｓｉ単結晶基板３からの
引っ張り応力をより一層効果的に緩和できる。ペロブス
カイト型導電性酸化物薄膜としては、例えば、ＳｒＲｕ
Ｏ_３、ＣａＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３等の材料が好まし
い。

【００６３】また、これら金属薄膜とペロブスカイト型
導電性酸化物薄膜との間には、他の組成からなる酸化物
層がさらに形成されていても良い。例えば、ペロブスカ
イト型導電性酸化物薄膜の製造過程、または形成後にそ
の下地の金属薄膜の一部が酸化されて、酸化物層が形成
されていても良い。また、ペロブスカイト型導電性酸化
物薄膜と金属薄膜の間に正方晶等からなる薄膜が形成さ
れていても良い。例えば、Ｐｔからなる金属薄膜上にＢ
ａＴｉＯ_３を形成し、その上にペロブスカイト型導電性
酸化物薄膜としてＳｒＲｕＯ_３を積層してもよい。

【００６４】下部電極５を構成する金属薄膜は、通常、
膜面と平行に（１００）面が配向した立方晶エピタキシ
ャル膜となっているが、応力によって結晶が変形して、
例えば正方晶（００１）配向のエピタキシャル膜となる
こともある。

【００６５】下部電極５を構成する金属薄膜の厚さにつ
いては、後述する。

【００６６】強誘電体層６強誘電体層６は、ペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜か
らなり、下部電極５上にエピタキシャル成長して形成さ
れる。その材料は、強誘電性、圧電性など、要求される
機能に応じて適宜選択すればよいが、例えば、希土類元
素含有チタン酸鉛、ＰＺＴ(ジルコンチタン酸鉛）、Ｐ
ＬＺＴ（ジルコンチタン酸ランタン鉛）等のＰｂ系ペロ
ブスカイト化合物や、Ｂｉ系ペロブスカイト化合物など
を用いることが好ましい。また、強誘電体層６は、上記
材料からなる層の単層により構成されていてもよく、複
数の層により構成されていてもよい。

【００６７】なお、本明細書では、ＰｂＴｉＯ_３などの
ようにＡＢＯｘにおけるＯの比率ｘをすべて３と表示し
てあるが、ｘは３に限定されるものではない。ペロブス
カイトの材料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で安
定したぺロブスカイト構造を組むものがあるので、ＡＢ
Ｏｘにおいてｘの値は、通常、２．７〜３．３程度であ
る。また、Ａ／Ｂは１に限定されるものではない。Ａ／
Ｂを変えることにより、強誘電特性や圧電特性などの電
気的特性や、表面平坦性、結晶性を変化させることがで
きる。したがって、Ａ／Ｂは、必要とされる強誘電体層
６の特性に応じて決定すればよい。通常、Ａ／Ｂは０．
８〜１．３程度である。尚、Ａ／Ｂは、蛍光Ｘ線分析法
によって求めることができる。

【００６８】なお、ＰＺＴは、ＰｂＺｒＯ_３―ＰｂＴｉ
Ｏ_３系の固溶体である。また、ＰＬＺＴは、ＰＺＴにＬ
ａがドープされた化合物であり、ＡＢＯ_３の表記に従え
ば、例えば（Ｐｂ：０．８９〜０．９１、Ｌａ：０．１
１〜０．０９）（Ｚｒ：０．６５、Ｔｉ：０．３５）Ｏ
_３のように表される。

【００６９】ペロブスカイト型強誘電体の中では、ＰＺ
Ｔが、強誘電特性の他に圧電特性にも優れるため、好ま
しい。ＰＺＴ薄膜の組成は、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）原子
比として、０．６０から０．９０の範囲が好ましく、
０．７０から０．８５の範囲がさらに好ましい。０．６
０よりＴｉの割合の少ない組成域では強誘電特性、ある
いは共振特性が悪化する。一方、Ｔｉの割合が多すぎる
と、絶縁性が悪化する。

【００７０】希土類元素含有チタン酸鉛としては、原子
比率が（Ｐｂ＋Ｒ）／Ｔｉ＝０．８〜１．３、Ｐｂ／（Ｐｂ＋Ｒ）＝０．５〜０．９９の範囲、特に、（Ｐｂ＋Ｒ）／Ｔｉ＝０．９〜１．２、Ｐｂ／（Ｐｂ＋Ｒ）＝０．７〜０．９７の範囲にある組成のものを用いることが好ましい。この
組成の希土類元素含有チタン酸鉛としては、特開平１０
−１７３９４号公報に開示されているように、Ｙ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの少なくとも１
種、特に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ
及びＥｒの少なくとも１種を含有する希土類酸化物から
実質的に構成されていることが好ましい。

【００７１】また、強誘電体層６を構成するペロブスカ
イト型酸化物誘電体薄膜の材料としては、ＳＢＮ（ニオ
ブ酸ストロンチウムバリウム）やＰＢＮ（ニオブ酸鉛バ
リウム）等のタングステンブロンズ型酸化物を用いるこ
とも好ましい。タングステンブロンズ型酸化物として
は、強誘電体材料集のLandoit-Borenstein Vol.16記載
のタングステンブロンズ型酸化物を用いることが好まし
い。具体的には、（Ｂａ，Ｓｒ）Ｎｂ_２Ｏ_６、（Ｂａ，
Ｐｂ）Ｎｂ_２Ｏ_６、ＰｂＮｂ_２Ｏ_６、ＰｂＴａ_２Ｏ_６、
ＢａＴａ_２Ｏ_６、ＰｂＮｂ_４Ｏ_１１、ＳｒＮｂ_２Ｏ_６、
ＢａＮｂ_２Ｏ_６等やこれらの固溶体が好ましく、特に、
ＳＢＮ［（Ｂａ，Ｓｒ）Ｎｂ_２Ｏ_６］やＰＢＮ［（Ｂ
ａ，Ｐｂ）Ｎｂ_２Ｏ_６］が好ましい。

【００７２】強誘電体層６を構成するぺロブスカイト型
酸化物誘電体薄膜とＳｉ単結晶基板３との好ましい結晶
軸方位関係は、以下の通りである。なお、Ｓｉは立方晶
である。強誘電体層６が（００１）単一配向である場
合、強誘電体[１００]//Ｓｉ[０１０]である。すなわ
ち、強誘電体層６とＳｉ単結晶基板３とは面内に存在す
る軸同士も平行であることが好ましい。

【００７３】強誘電体層６は、単層のぺロブスカイト型
酸化物誘電体薄膜であることに限定されず、多層のぺロ
ブスカイト型酸化物誘電体薄膜によって構成されていて
も構わない。強誘電体層６を多層のぺロブスカイト型酸
化物誘電体薄膜によって構成する場合、まず、下部電極
５に接してＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、希土類元素含
有チタン酸鉛等のぺロブスカイト型酸化物誘電体薄膜を
エピタキシャル成長させて下地を形成し、次いで、この
下地上に上述したＰＺＴ等のぺロブスカイト型酸化物誘
電体薄膜をエピタキシャル成長させればよい。このよう
に、ＰｂＴｉＯ _３等からなる下地の上にＰＺＴを形成し
た構造とすることにより、よりすぐれた特性の電子デバ
イスを得ることができる。また、下地としては、組成が
膜厚方向に変化した組成変調膜であってもよい。

【００７４】強誘電体層６の厚さについては、後述す
る。

【００７５】上部電極７上部電極７は、強誘電体層６上に形成される。上部電極
７は、必ずしもエピタキシャル成長した膜である必要は
ない。但し、上部電極７がエピタキシャル成長した膜で
はない場合、上部電極７と強誘電体層６との界面に生じ
る欠陥等に起因した界面準位が発生するなどの理由によ
り、強誘電特性を悪化させる場合があるため、上部電極
７もエピタキシャル成長した膜であることが好ましい。

【００７６】上部電極７を構成する金属は、強誘電体層
６との間で拡散が起こりにくく、且つ、耐マイグレーシ
ョン性に優れる金属を用いることが好ましい。具体的に
はＡｕ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属やこれらの金属とＣｕ等と
の合金、あるいはこれらの金属とＴｉ等の金属を積層し
た多層膜を用いることが好ましい。

【００７７】上部電極７の膜厚は、５０ｎｍ〜１μｍ程
度が好ましい。薄すぎると断線等の不良が起こりやすく
なり、厚すぎると上部電極７の加工性が悪化する。ま
た、薄膜バルク振動子に用いる場合、下部電極５と同
様、上部電極７の厚さによっても共振周波数が変化する
ため、目的とする共振周波数に応じて上部電極７層の膜
厚を変化させても良い。

【００７８】下部電極５の厚み図２は、下部電極５を構成する金属薄膜の膜厚と強誘電
体層６のドメイン比との関係を示すグラフである。

【００７９】測定条件としては、バッファ層４として７
ｎｍのエピタキシャルＺｒＯ_２膜及び４０ｎｍのエピタ
キシャルＹ_２Ｏ_３膜からなる積層体を用い、下部電極５
としてエピタキシャルＰｔを用い、強誘電体層６として
３０ｎｍのエピタキシャルＰｂＴｉＯ_３膜及び４７０ｎ
ｍのエピタキシャルＰＺＴ膜からなる積層体を用い、上
部電極７としてＡｌを用いた。ＰＺＴのＺｒとＴｉの比
率は、原子比で０．２５：０．７５である。

【００８０】図２に示されるように、下部電極５を構成
するＰｔ薄膜の膜厚が約２００〜３００ｎｍ以下である
領域においては、Ｐｔ薄膜の膜厚を厚くするにつれてＰ
ＺＴ膜のａドメインに対するｃドメインの比率（Ｉｃ／
Ｉａ）が急激に増大する一方、Ｐｔ薄膜の膜厚が約２０
０〜３００ｎｍ以上である領域においては、電極の膜厚
を厚くしてもＰＺＴ膜のａドメインに対するｃドメイン
の比率（Ｉｃ／Ｉａ）は僅かしか増大せず、Ｐｔ薄膜の
膜厚が約１０００ｎｍを超える領域では、ｃドメインの
比率（Ｉｃ／Ｉａ）はほとんど増大しない。

【００８１】したがって、ＰＺＴ膜のｃドメインの比率
（Ｉｃ／Ｉａ）を効果的に増大させるには、Ｐｔ薄膜の
膜厚を約２００〜１０００ｎｍに設定することが好まし
く、より効果的には、約２００〜３００ｎｍに設定する
ことが好ましいことが分かる。

【００８２】図３は、下部電極５を構成する金属薄膜の
膜厚と強誘電体層６の共振特性との関係を示すグラフで
ある。測定条件は上述のとおりである。

【００８３】図３において、縦軸は、共振周波数におけ
るインピーダンスと反共振周波数におけるインピーダン
スとの差（インピーダンス差）を示している。

【００８４】図３に示されるように、下部電極５を構成
するＰｔ薄膜の膜厚が約２５０〜５００ｎｍ以下である
領域においては、Ｐｔ薄膜の膜厚を厚くするにつれてイ
ンピーダンス差が急激に増大する一方、Ｐｔ薄膜の膜厚
が約２５０〜５００ｎｍ以上である領域においては、Ｐ
ｔ薄膜の膜厚を厚くするにつれて当該インピーダンス差
が徐々に減少している。

【００８５】したがって、最も高いインピーダンス差を
得るには、Ｐｔ薄膜の膜厚を約２５０〜５００ｎｍに設
定することが好ましく、所定値以上のインピーダンス
差、例えば、３０ｄＢ以上のインピーダンス差を得るに
は、図３に示されるようにＰｔ薄膜の膜厚を約２００〜
１０００ｎｍに設定することが好ましいことが分かる。

【００８６】図２に示されるように、Ｐｔ薄膜の膜厚が
増加するとともにＰＺＴ膜のｃドメインの比率が増加す
るにも関わらず、図３に示されるように、Ｐｔ薄膜の膜
厚が所定の膜厚以上となるとインピーダンス差が減少す
るのは、以下の理由によるものと考えられる。

【００８７】すなわち、強誘電体層６は、下部電極５に
密着した状態で共振しようとするが、その際に下部電極
５に強誘電体膜６からの振動が伝わり、下部電極５は強
誘電体膜６に引きずられるような状態で振動したり、強
誘電体膜６の共振を吸収したりして強誘電体膜６の負荷
となる。この負荷は、下部電極５の厚さが増すにしたが
って増大する。この場合、下部電極５の厚みが約２５０
ｎｍ〜５００ｎｍ程度までであれば、下部電極５の厚み
を増すことによる強誘電体膜６のｃドメイン増加効果
が、下部電極５の厚みを増すことによる共振負荷の増加
効果を上回り、結果として、薄膜バルク振動子１全体と
しての共振特性が向上しているものと考えられる。一
方、下部電極５の厚みが約５００ｎｍを超え、特に約１
０００ｎｍを超えると、下部電極５の厚みを増すことに
よる強誘電体膜６のｃドメイン増加効果がほとんど向上
しないため、結果として、薄膜バルク振動子１全体とし
ての共振特性が低下しているものと考えられる。

【００８８】かかる理由から、下部電極５を構成するＰ
ｔ薄膜の膜厚が約２５０〜５００ｎｍ以上である領域に
おいては、Ｐｔ薄膜の膜厚を厚くするにつれて当該イン
ピーダンス差が徐々に減少しているものと考えられる。

【００８９】以上を考慮すれば、下部電極５を構成する
Ｐｔ薄膜の膜厚としては、約２００〜１０００ｎｍ程度
に設定するのが好ましく、約２５０〜５００ｎｍ程度に
設定するのがさらに好ましく、約２５０〜３００ｎｍ程
度に設定するのが特に好ましいと言える。

【００９０】下部電極５の厚みと強誘電体層６の厚みとの関係図４は、下部電極５を構成する金属薄膜の膜厚及び強誘
電体層６の膜厚の比と共振特性との関係を示すグラフで
ある。測定条件は上述のとおりである。

【００９１】図４においても、縦軸は、共振周波数にお
けるインピーダンスと反共振周波数におけるインピーダ
ンスとの差（インピーダンス差）を示している。

【００９２】図４に示されるように、下部電極５を構成
するＰｔ薄膜の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層６の膜厚ｄ_ｐとの
比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが約０．５〜１以下である領域において
は、当該比が大きくなるにつれてインピーダンス差が急
激に増大する一方、当該比が約０．５〜１以上である領
域においては、当該比が大きくなるにつれて当該インピ
ーダンス差が徐々に減少している。

【００９３】したがって、最も高いインピーダンス差を
得るには、Ｐｔ薄膜の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層６の膜厚ｄ
_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐを約０．５〜１に設定することが好
ましく、所定値以上のインピーダンス差、例えば、３０
ｄＢ以上のインピーダンス差を得るには、図４に示され
るようにＰｔ薄膜の膜厚ｄ_ｅと強誘電体層６の膜厚ｄ _ｐ
との比ｄ_ｅ／ｄ_ｐを約０．４〜２に設定することが好ま
しいことが分かる。

【００９４】尚、下部電極５を構成するＰｔ薄膜の膜厚
ｄ_ｅと強誘電体層６の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが上記
値以上となるとインピーダンス差が徐々に減少するの
は、上述のとおり、下部電極５による負荷の増大が原因
であると考えられる。

【００９５】以上を考慮すれば、強誘電体膜６の膜厚と
しては、下部電極５の膜厚として好ましい範囲は上述の
とおりであるから、下部電極５の膜厚と強誘電体膜６の
膜厚とが約０．４〜２となるように設定することが好ま
しく、約０．５〜１となるように設定することがさらに
好ましいと言える。

【００９６】また、上記構造を有する薄膜バルク振動子
１は、下部電極５を厚くすると共振周波数が上がるた
め、目的とする共振周波数に応じて下部電極５の厚さを
変えても良い。

【００９７】結晶性バッファ層４、下部電極５、および強誘電体層６の結晶
性は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）における反射ピークのロッキ
ングカーブの半値幅や、ＲＨＥＥＤ像のパターンで評価
することができる。なお、ＲＨＥＥＤとは、反射高速電
子線回折（ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＨｉｇｈＥｎｅｒ
ｇｙＥｌｅｃｔｉｏｎＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）で
ある。

【００９８】具体的には、Ｘ線回折において、（１０
０）面または（００１）面の反射のブロッキングカーブ
の半値幅がいずれも１．５０°以下となる程度の結晶性
を有していることが好ましい。なお、ロッキングカーブ
の半値幅の下限値は特になく、小さいほど好ましいい
が、現在のところ、前記下限値は一般に０．７°程度、
特に０．４°程度である。また、ＲＨＥＥＤにおいて
は、像がスポット状である場合、表面に凹凸が存在して
いることになり、ストリ―ク状である場合、表面が平坦
であることになる。そして、いずれの場合でも、ＲＨＥ
ＥＤ像がシャープであれば、結晶性に優れていることに
なる。

【００９９】上述のとおり、本実施態様においては、バ
ッファ層４、下部電極５、および強誘電体層６は、いず
れもエピタキシャル成長した膜である。これら薄膜層
は、それぞれの面内に存在する軸同士も平行であること
が好ましい。

【０１００】製造方法本実施態様にかかる薄膜バルク振動子１を構成する電子
デバイス用基板の製造方法は特に限定されず、Ｓｉ単結
晶基板３上に各層をエピタキシャル成長させることので
きる方法から適宜選択すればよいが、蒸着法、ＭＢＥ
法、ＲＦマグネトロンスパッタ法などを用いることが好
ましい。また、特開平９−１１０５９２号公報や、特開
平１０−２８７４９４号公報に記載されている蒸着法を
用いることが特に好ましい。この方法は、従来の真空蒸
着法、スパッタリング法、レーザーアブレージョン法な
どとの比較において特に明確なように、不純物の介在の
余地のない、しかも制御しやすい操作条件下で実施しう
るため、再現性よく完全性が高い目的物を大面積で得る
のに好適である。

【０１０１】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【０１０２】Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、バッファ
層としてＺｒＯ_２薄膜およびＹ_２Ｏ _３薄膜がこの順で形
成されており、下部電極層としてＰｔ薄膜が形成されて
おり、強誘電体層として、ぺロブスカイト型酸化物誘電
体層であるＰｂＴｉＯ_３薄膜およびＰＺＴ薄膜がこの順
で形成されている電子デバイス用基板を以下の手順で形
成した。

【０１０３】まず表面が（１００）面となるように切断
して両面を鏡面研磨したＳｉ単結晶ウエハ（直径２イン
チ、厚さ２５０μｍの円板状）を用意した。このウエハ
の両面に熱酸化により酸化シリコンを１５００ｎｍの厚
さで形成した。熱酸化膜が形成されたシリコン基板の表
面のうち一方の酸化膜をバッファドフッ酸溶液でエッチ
ングして、シリコン表面を露出させ、その面をおもて面
とした。

【０１０４】次に、図５に示す蒸着装置１２を用い、真
空槽１３内に設置された回転手段１４及び加熱手段１５
を備えた基板ホルダ１６に上記Ｓｉ単結晶ウエハ１７を
おもて面が薄膜作製面となるように固定し、真空槽１３
を約１．３×１０^−４Ｐａまで油拡散ポンプＰにより排
気した後、Ｓｉ単結晶ウエハ１７の上記おもて面をＳｉ
酸化物により保護するため、Ｓｉ単結晶ウエハ１７を１
０ｒｐｍで回転させ、酸素ガス供給源１９より供給され
る酸素をＳｉ単結晶ウエハ１７付近にノズル２０から２
５ｃｃ／分の割合で導入しつつ、６００℃に加熱した。
これによりＳｉ単結晶ウエハ１７の表面が熱酸化され、
その表面に厚さ約１ｎｍのＳｉ酸化物膜が形成された。
以下、Ｓｉ単結晶ウエハ１７及びその表面に形成されて
いる各種の薄膜をまとめて「基板」と呼ぶことがある。

【０１０５】次いで、基板を９００℃に加熱し、回転さ
せた。回転数は１０ｒｐｍとした。このとき、酸素ガス
供給源１９より供給される酸素ガスをノズル２０から２
５ｃｃ／分の割合で導入すると共に、金属Ｚｒを蒸発源
２１から蒸発させてＳｉ単結晶ウエハ１７のおもて面に
供給し、前工程で形成されたＳｉ酸化物の還元とＺｒＯ
_２薄膜の形成とを行なった。なお、金属Ｚｒの供給量
は、ＺｒＯ_２の膜厚に換算して７ｎｍとした。この薄膜
は、Ｘ線回折においてＺｒＯ_２の（００２）ピークが明
瞭に観察され、（００１）単一配向で高結晶性のＺｒＯ
_２薄膜であることが確認された。また、このＺｒＯ_２薄
膜は、ＲＨＥＥＤにおいて完全なストリークパターンを
示し、表面が分子レベルで平坦であって、かつ高結晶性
のエピタキシャル膜であることが確認された。

【０１０６】次に、このＺｒＯ_２薄膜が形成されたＳｉ
単結晶ウエハ１５を９００℃に加熱し、基板回転数１０
ｒｐｍ、酸素ガス導入量１５ｃｃ／分の条件で、金属Ｙ
を蒸発源２２から蒸発させることによりＺｒＯ_２薄膜の
表面に金属Ｙを供給し、Ｙ_２Ｏ_３薄膜を形成した。金属
Ｙの供給量は、Ｙ_２Ｏ_３に換算して４０ｎｍとした。こ
のＹ_２Ｏ_３薄膜のＲＨＥＥＤ像はシャープなスポット状
であった。このことから、このＹ_２Ｏ_３薄膜は、結晶性
が良好なエピタキシャル膜であり、かつ、表面に凸凹が
存在することがわかる。このＹ_２Ｏ_３薄膜の断面を、透
過型電子顕微鏡により観察したところ、高さ１０ｎｍの
ファセット面が存在し、ファセット面の比率は９５％以
上であった。

【０１０７】次に、金属Ｐｔを蒸発源２３から蒸発させ
ることにより、Ｙ_２Ｏ_３薄膜上に、下部電極として厚さ
２５０ｎｍのＰｔ薄膜を形成した。基板温度は７００
℃、基板回転数は１０ｒｐｍとした。このＰｔ薄膜のＲ
ＨＥＥＤ像は、シャープなストリーク状であった。この
ことから、このＰｔ薄膜は、結晶性が良好なエピタキシ
ャル膜であり、かつ、表面が分子レベルで平坦であるこ
とがわかる。

【０１０８】Ｐｔ薄膜が形成された基板を、エッチング
によりＰｔ薄膜を部分的に除去してパターンニングし
た。これにより、基板表面はＰｔが露出している部分
と、バッファ層であるＹ_２Ｏ_３が露出している部分が形
成された。

【０１０９】こうしてＰｔ薄膜をパターンニングした基
板上に、厚さ３０ｎｍのＰｂＴｉＯ _３膜を形成した。具
体的には、基板を６００℃に加熱し、２０ｒｐｍで回転
させた。そして、ＥＣＲ酸素源２６より供給されるラジ
カル酸素ガスをＳｉ単結晶ウエハ１７付近にノズル２７
から１０ｃｃ／分の割合で導入し、基板上にＰｂＯ、Ｔ
ｉＯｘ（ｘ＝１．６７）をそれぞれの蒸発源２４、２５
から供給することによりＰｂＴｉＯ_３膜を形成した。蒸
発源からの供給量はＰｂＯ：ＴｉＯ_２モル比が２：１に
なるように制御しながら行なった。ＰｂＯはＴｉＯ_２に
比べ成膜中に再蒸発しやすいため、蒸発源からの供給量
を上記のような比でＰｂＯ過剰にすることで、形成した
ＰｂＴｉＯ_３中のＰｂ量不足を抑えることができ、格子
欠陥の極めて少ない膜が形成できる。形成されたＰｂＴ
ｉＯ_３膜は、ＲＨＥＥＤパターンがシャープなストリー
クを示し、表面が平坦で、結晶性が良好なエピタキシャ
ル成長した膜となっていた。蛍光Ｘ線分析法により、作
製したＰｂＴｉＯ_３膜のＰｂ／Ｔｉ比を調べたところ、
原子比でＰｂ／Ｔｉ比は１．００であった。また、基板
表面のうち、Ｐｔ薄膜上にはＰｂＴｉＯ_３はｃｕｂｅ
ｏｎｃｕｂｅでエピタキシャル成長し、Ｙ_２Ｏ_３上に
は、ＰｂＴｉＯ_３は４５°面内回転をしてエピタキシャ
ル成長をしていることが、ＲＨＥＥＤ、および透過電子
顕微鏡により確認された。

【０１１０】次に、ＰｂＴｉＯ_３薄膜上に、厚さ４７０
ｎｍのＰＺＴ膜を形成した。基板温度を６００℃、基板
回転を２０ｒｐｍとして、ＥＣＲ酸素源からラジカル酸
素ガスを１０ｃｃ／分の割合で導入した。基板上にＰｂ
Ｏ、ＴｉＯｘ（ｘ＝１．６７）およびＺｒをそれぞれの
蒸発源２４、２５から供給することによりＰＺＴ膜を形
成した。蒸発源からの供給量はＰｂＯ：ＺｒＯ_２：Ｔｉ
Ｏ_２のモル比が２：０．２５：０．７５になるように制
御しながら行った。

【０１１１】このＰＺＴ膜の組成（原子比）を蛍光Ｘ線
分光法により調べたところ、Ｐｂ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝１．００Ｚｒ／Ｔｉ＝０．３３０であった。

【０１１２】形成されたＰＺＴ膜のＲＨＥＥＤ像は、シ
ャープなストリーク状のパターンを示し、表面が平坦で
結晶性の良好なエピタキシャル膜であることが確認され
た。ここで、Ｐｔをパターンニング加工した基板上に形
成されたＰＺＴは、ＰｂＴｉＯ_３薄膜に対してエピタキ
シャルに成長しており、Ｐｔ薄膜上にはＰＺＴはＰｂＴ
ｉＯ_３と同様にｃｕｂｅｏｎｃｕｂｅでエピタキシ
ャル成長しており、Ｙ _２Ｏ₃上には、ＰＺＴも４５°面
内回転してエピタキシャル成長していた。

【０１１３】次に、ＰＺＴおよびＰｂＴｉＯ_３をエッチ
ングによりパターンニング加工した後、上部電極層とし
てＡｌをスパッタ形成し、ＰｂＴｉＯ_３およびＰＺＴ膜
が上部電極であるＡｌと下部電極であるＰｔで挟まれた
キャパシタ構造の部分の面積が３０μｍ×３０μｍ角と
なるように上部電極をパターンニング加工した。続い
て、Ｓｉ単結晶ウエハ１７を裏面からエッチングするこ
とによりビアホールを形成し、最後に、ダイシング装置
でチップに分割し、電子デバイス用基板を作製した。

【０１１４】こうして作製した基板に対してＸ線回折を
測定した結果を図６に示す。ＺｒＯ _２、Ｙ_２Ｏ₃、Ｐ
ｔ、ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴそれぞれの（１００）または
（００１）と等価なピークのみが観測され、これらの層
は高結晶性エピタキシャル成長した膜であることが確認
された。一方、上部電極として形成したＡｌのピークは
確認できず、上部電極のみは配向していない膜となって
いた。

【０１１５】こうして作製した電子デバイス用基板を用
いて、図１に示した構造の薄膜バルク振動子（ＦＢＡＲ
素子）を作製した。すなわち、電子デバイス用基板を、
ダイボンド剤を用いてパッケージに搭載した後、ワイヤ
ー配線、封止して素子を完成させた。

【０１１６】このＦＢＡＲ素子を測定した。なお、測定
は、ＰＺＴ膜に直流電圧を印加しない状態で行った。共
振周波数、反共振周波数は、それぞれ１．７６ＧＨｚ、
１．９２ＧＨｚであった。共振・反共振周波数でのイン
ピーダンス差は３１．７ｄＢと、優れた特性が得られ
た。これらの特性は、ＰＺＴ膜に直流電流を印加して
も、ほとんど変わらなかった。

【０１１７】本発明は、以上の実施態様及び実施例に限
定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の
範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範
囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【０１１８】例えば、上記実施態様及び実施例において
は、上記構造を有する電子デバイス用基板を用いて薄膜
バルク振動子を作製しているが、本発明による電子デバ
イス用基板は、薄膜バルク振動子のみならず、薄膜ＶＣ
Ｏ、薄膜フィルタ、液体噴射装置等、種々の薄膜圧電体
素子に適用することができる。

【０１１９】また、上記実施態様及び実施例において
は、下部電極５上に直接強誘電体層６を形成している
が、これらの間に、エピタキシャル成長させた導電性の
酸化物薄膜を介在させてもよい。下部電極５と強誘電体
層６との間に、エピタキシャル成長させた導電性の酸化
物薄膜を介在させれば、製造工程がやや複雑化するもの
の、Ｓｉ単結晶基板３からの引っ張り応力が一層緩和さ
れるため、強誘電体層６の特性を一層向上させることが
可能となる。

【０１２０】当該酸化物薄膜の材料としては、例えば、
ＣａＦ_２構造、希土類ｃ型構造、パイロクリア構造、Ｎ
ａＣｌ構造、ペロブスカイト型構造を有するものが好ま
しいが、強誘電体層６の材料として上記実施態様のよう
にペロブスカイト型構造を有する材料を用いた場合に
は、結晶整合性を考慮すれば、当該酸化物薄膜の材料も
ペロブスカイト型構造を有するもの、すなわち、導電性
ペロブスカイト型酸化物薄膜を用いることが好ましい。
導電性ペロブスカイト型酸化物薄膜としては、ＳｒＴｉ
Ｏ_３、希土類元素含有チタン酸鉛、ＳｒＲｕＯ_３等が挙
げられる。

【０１２１】当該酸化物薄膜の比抵抗は、１０^３Ω以下
であることが好ましく、１０^−２Ω以下であることが特
に好ましい。

【０１２２】当該酸化物薄膜の厚さは、約３０〜５００
ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであるこ
とが特に好ましい。

【０１２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板から強誘電体薄膜にかかる引っ張り応力を簡
単な方法によって緩和することが可能となる。また、半
導体基板から強誘電体薄膜にかかる引っ張り応力が簡単
な方法によって緩和されていることから、製造コストを
実質的に増大させることなく、良好な特性を有する電子
デバイス用基板及びこれを用いた薄膜圧電体素子を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例にかかる薄膜バルク振
動子１を概略的に示す断面図である。

【図２】下部電極５を構成する金属薄膜の膜厚と強誘電
体層６のドメイン比との関係を示すグラフである。

【図３】下部電極５を構成する金属薄膜の膜厚と強誘電
体層６の共振特性との関係を示すグラフである。

【図４】下部電極５を構成する金属薄膜の膜厚及び強誘
電体層６の膜厚の比と共振特性との関係を示すグラフで
ある。

【図５】基板上に各層を形成するための蒸着装置１２の
構造を概略的に示す図である。

【図６】実施例による方法で作製された電子デバイス用
基板の状態を、Ｘ線回折により測定した結果を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１薄膜バルク振動子２ビアホール３Ｓｉ単結晶基板４バッファ層５下部電極６強誘電体層７上部電極８ワイヤ９ダイボンド剤１０セラミックパッケージ１１ふた１２蒸着装置１３真空槽１４回転手段１５加熱手段１６基板ホルダ１７Ｓｉ単結晶ウエハ１９酸素ガス供給源２０ノズル２１〜２５蒸発源２６ＥＣＲ酸素源２７ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢野義彦東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者阿部秀典東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成されたエピタキシャ
ル膜である下部電極と、前記下部電極上に形成されたエ
ピタキシャル膜である強誘電体層と、前記強誘電体層上
に形成された上部電極とを備える電子デバイス用基板で
あって、前記下部電極の膜厚が２００〜１０００ｎｍで
あることを特徴とする電子デバイス用基板。
【請求項２】前記下部電極の膜厚が２５０〜５００ｎ
ｍであることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイ
ス用基板。
【請求項３】前記下部電極の膜厚が２５０〜３００ｎ
ｍであることを特徴とする請求項２に記載の電子デバイ
ス用基板。
【請求項４】前記下部電極が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒ
ｈ、およびＡｕの少なくとも１を含有することを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子デバイ
ス用基板。
【請求項５】前記強誘電体層が、少なくとも１層のペ
ロブスカイト型酸化物誘電体薄膜からなることを特徴と
する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子デバイ
ス用基板。
【請求項６】前記強誘電体層が、ＰｂＴｉＯ_３からな
る第１のペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜と、ＰＺＴ
からなる第２のペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜を含
むことを特徴とする請求項５に記載の電子デバイス用基
板。
【請求項７】前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体
層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．４〜２であるこ
とを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
電子デバイス用基板。
【請求項８】前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体
層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．５〜１であるこ
とを特徴とする請求項７に記載の電子デバイス用基板。
【請求項９】前記半導体基板と前記下部電極との間に
形成されたエピタキシャル膜であるバッファ層をさらに
備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項
に記載の電子デバイス用基板。
【請求項１０】前記バッファ層が、ＺｒＯ_２薄膜、安
定化ジルコニア薄膜、希土類元素酸化物薄膜、及びジル
コニウムの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素
で置換したＺｒＯ_２薄膜の少なくとも一を含むことを特
徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子デ
バイス用基板。
【請求項１１】前記半導体基板が、単結晶シリコン基
板からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれ
か１項に記載の電子デバイス用基板。
【請求項１２】半導体基板上に形成されたエピタキシ
ャル膜である下部電極と、前記下部電極上に形成された
エピタキシャル膜である強誘電体層と、前記強誘電体層
上に形成された上部電極とを備える電子デバイス用基板
であって、前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電体層の
膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．４〜２であることを
特徴とする電子デバイス用基板。
【請求項１３】前記下部電極の膜厚ｄ_ｅと前記強誘電
体層の膜厚ｄ_ｐとの比ｄ_ｅ／ｄ_ｐが、０．５〜１である
ことを特徴とする請求項１２に記載の電子デバイス用基
板。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれか１項に記
載の電子デバイス用基板を用いた薄膜圧電体素子。
【請求項１５】半導体基板上にバッファ層をエピタキ
シャル成長させる工程と、前記バッファ層上に下部電極
を２００〜１０００ｎｍの厚みでエピタキシャル成長さ
せる工程と、前記下部電極上に強誘電体層をエピタキシ
ャル成長させる工程と、前記強誘電体層上に上部電極を
形成する工程とを備える電子デバイス用基板の製造方
法。
【請求項１６】半導体基板上にバッファ層をエピタキ
シャル成長させる工程と、前記バッファ層上に下部電極
をエピタキシャル成長させる工程と、前記下部電極上に
強誘電体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記強
誘電体層上に上部電極を形成する工程とを備え、前記下
部電極の厚みが前記強誘電体層の厚みの０．４〜２倍と
なるように形成することを特徴とする電子デバイス用基
板の製造方法。