JP2004186575A

JP2004186575A - 強誘電体素子

Info

Publication number: JP2004186575A
Application number: JP2002354087A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kamata; 健鎌田; Toru Nakagawa; 徹中川; Hideo Torii; 秀雄鳥井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】素子性能を損なうことなく、素子を保護して信頼性を確保することのできる強誘電体素子を提供する。
【解決手段】第１の電極１１と、その上に形成された強誘電体膜１２と、その上に形成された第２の電極１３を有する強誘電体素子１０の少なくとも一方の電極上に、前記電極面積より大きく、樹脂膜１４とガスバリア膜１５が順次積層された構成を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体素子、特にその圧電性を用いたアクチュエータ、センサなどに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体メモリ、圧電素子、焦電素子などの強誘電体素子は、小型・軽量化のために、材料の薄膜化により微細加工がなされ、各種電子機器に搭載されるようになってきている。薄膜化の手法として、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などが用いられ、それぞれの大型量産設備が開発され、それらを用いた強誘電体薄膜素子が次々と実用化されている。一方、これらの素子は空気中の水蒸気や結露した水成分等に対し、長期的な信頼性を確保するために、通常ＳｉＮ膜などの無機材料あるいは、ガスバリア性の高いといわれるポリパラキシリレンあるいはその誘導体からなる樹脂被膜（特許文献１。参照）をコートするような対策がほどこされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２４２５３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極を形成後、信頼性を確保するためにコートする無機材料被膜あるいはポリパラキシリレン等の被膜を用いた場合、圧電素子など電気信号を機械的変位に変換するような素子においては、保護被膜自体の弾性定数が大きく、その機械的変位が低下するなど本来の素子としての性能を落とす恐れがあった。例えば、ＰＺＴ圧電薄膜３μｍ膜厚の圧電性強誘電体素子上に保護膜としてポリパラキシリレン被膜５μｍを形成した場合、保護膜を形成しない場合と比較して、その変位特性は２０％程度低下する。その理由としては、ポリパラキシリレンの弾性定数が約３ＧＰａと大きな値をもつためである。これに対し、保護膜の厚みを薄くする、あるいは他の弾性定数の小さな樹脂膜を用いることで機械的特性の低下を抑制することはできるものの、この場合は水蒸気成分などの空気中のガスに対するバリア性が低下し、その長期信頼性が低下する。この長期信頼性とは例えば耐電圧信頼性などをいい、素子内に水蒸気成分が存在する場合、電圧印加に伴い大きなリーク電流が流れ、素子としての性能低下だけでなく、発生するリーク電流のジュール熱による自己発熱で強誘電体膜部を溶融するとともに電極部においても蒸発・剥離等素子破壊が生じる。薄膜の強誘電体素子ではその成膜方法により、マイクロクラックや異常成長部にミクロな隙間が存在する、あるいは結晶粒界での組成ずれに伴う欠陥などにより、こうした部分を介して水蒸気などのガスが侵入することでリークパスとなり素子破壊に至る。
【０００５】
そこで本発明は上記課題を鑑みて、素子の性能を損なわずに、長期信頼性を確保する素子構成を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の強誘電体素子は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第２の電極を有する強誘電体素子において、前記した少なくとも一方の電極上に、前記電極面積より大きく、樹脂膜とガスバリア膜が順次積層されたことを特徴とする。
【０００７】
ここで樹脂膜として弾性定数が１０^８Ｐａ以下の材料を用いることが望ましい。
【０００８】
また、樹脂膜の厚みは１０〜１００μｍが望ましい。
【０００９】
また、ガスバリア膜として金属膜を用いることが望ましい。ここで、金属膜としてＡｌ、Ａｕの少なくとも一方より選ばれることが望ましい。
【００１０】
また、ガスバリア膜として無機材料膜を用いることもできる。この際、無機材料膜として窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜から選ばれる少なくとも一つを選択することが望ましい。
【００１１】
さらに本発明の別の強誘電体素子は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第２の電極を有する強誘電体素子において、前記した少なくとも一方の電極上に、前記電極面積より大きく不揮発性流動性絶縁材料が塗布されたことを特徴とする。ここで、不揮発性流動性絶縁材料として流動パラフィンを用いることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の強誘電体素子の断面図である。基体１６上に第１の電極１１と、強誘電体膜１２と、第２の電極１３が順次積層され、この場合、第２の電極１３上に引き続き、樹脂膜１４とガスバリア膜（金属膜）１５が順次形成されている。例えば、基体１６として（１００）面ＭｇＯ単結晶基板を用い、第１の電極１１としてＰｔ膜をスパッタリング法により、ガス圧１．０ＰａのＡｒガス雰囲気、基板温度６００℃にて膜厚０．２μｍ形成する。次に強誘電体膜１２としてＰＺＴ膜を（ＰｂＺｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７Ｏ_３）_０．８（ＰｂＯ）_０．２組成のターゲットを用いて、ｒｆマグネトロンスパッタ法により基板温度５５０℃、ガス圧０．５Ｐａ、Ａｒ／Ｏ_２＝９／１の条件で膜厚３μｍ形成する。引き続き、リーク電流特性評価用には、第２の電極１３にＩｒ膜を５×７ｍｍサイズの開口を有するメタルマスクを用いてスパッタリング法により、ガス圧１．０ＰａのＡｒガス雰囲気、基板加熱せずに膜厚０．１μｍ形成する。その後、樹脂膜１４としてメチルイソブチルケトンで希釈したポリイミドシリコーン（ＳＭＰ−４００１、信越化学）をスピンコーティングし、１５０℃でキュアする。これを計３回繰り返し、３０μｍ膜厚の樹脂膜１４を得る。この際、第２の電極１３を覆い被せるように形成する。該ポリイミドシリコーンの弾性定数は９．６ＭＰａである。さらにガスバリア膜１５としてＡｌ膜（弾性定数７０．３ＧＰａ）を樹脂膜１４上に基板回転しつつ、常温で３００ｎｍスパッタ成膜し、強誘電体素子１０を得る。また、変位特性評価用には以下のようにして形成したアクチュエータを用いる。ＰＺＴ膜を形成後、第２の電極としてＣｕ（５．５μｍ）、Ｃｒ（２μｍ）を連続してスパッタ法により基板加熱せずに形成する。引き続き、長手方向１ｍｍ、幅２００μｍサイズの孔の空いたセラミック基板に第２の電極側を電着樹脂にて転写接着する。その後、８０℃に加熱した２０％濃度の燐酸溶液を用いてＭｇＯ基板をエッチング除去し、縦長のダイヤフラム型のアクチュエータを形成する。続いて、ＭｇＯ基板が除去されて露出した第１の電極（パターニング加工）上に、前述と同様に樹脂膜／ガスバリア膜を形成する。（表１）に、本発明の強誘電体素子の温度２５℃、相対湿度８０％環境の恒温槽内に設置し、ＤＣ電圧３５Ｖ印加後２０秒経過時・１５０時間経過時のリーク電流特性および、２５℃、５０％ＲＨ環境下での正弦波（２０ｋＨｚ、−５Ｖ±５Ｖ）信号を印加した際の変位特性をレーザ変位計で計測した結果を示す。
【００１４】
比較例として樹脂膜／ガスバリア膜の積層構成を未形成の素子（未積層素子）の上記恒温槽内および大気圧乾燥窒素ガス（２５℃、露点−５０℃以下）環境下においた場合の結果も示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
（表１）より、樹脂膜／ガスバリア膜の積層構成素子において、変位特性は未積層構成のものに比べ若干低下するものの、未積層素子の乾燥ガス内のものとそれほど遜色ない結果が得られた。しかし、時間の経過とともにリーク電流特性は若干低下するものの、恒温槽内の未積層のものと比較して優位さは歴然である。従って、上記のような樹脂膜／ガスバリア膜（金属膜）構成を積層することで、長期信頼性が保持される。
【００１７】
（実施の形態２）
図２は本発明の別の強誘電体素子の断面図である。図１と構成はほとんど同様で、ガスバリア膜１７に無機材料膜が採用されている。実施の形態１と同様にして、基体１６上に第１の電極１１と、強誘電体膜１２と、第２の電極１３が順次積層され、この場合、第２の電極１３上に引き続き、樹脂膜１４とガスバリア膜（無機材料膜）１７が順次形成されている。例えば、実施の形態１と同様に、基体１６として（１００）面ＭｇＯ単結晶基板を用い、第１の電極１１としてＰｔ膜を膜厚０．２μｍ形成する。次に強誘電体膜１２としてＰＺＴ膜を膜厚３μｍ形成する。引き続き、リーク特性評価用として第２の電極１３にＩｒ膜を膜厚０．１μｍ形成する。その後、樹脂膜１４としてポリイミドシリコーン（ＳＭＰ−４００１）をスピンコーティングしと１５０℃キュアを３回繰り返し、３０μｍ膜厚の樹脂膜１４を得る。この際、第２の電極１３を覆い被せるように形成する。さらにガスバリア膜１７として窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を樹脂膜１４上に基板回転しつつ、基板加熱せずにでＳｉＨ_４ガスとＮ_２ガスの混合ガス０．２ＰａにてＥＣＲプラズマＣＶＤ法により膜厚３００ｎｍ成膜し、強誘電体素子２０を得る。変位特性評価用には、ガスバリア膜以外は実施の形態１と同様にして縦長のダイヤフラム型のアクチュエータを形成する。（表２）に、本発明の強誘電体素子の温度２５℃、相対湿度８０％環境の恒温槽内に設置し、ＤＣ電圧３５Ｖ印加後２０秒経過時・１５０時間経過時のリーク電流特性および、２５℃、５０％ＲＨ環境下での正弦波（２０ｋＨｚ、−５Ｖ±５Ｖ）信号を印加した際の変位特性をレーザ変位計で計測した結果を示す。比較として樹脂膜／ガスバリア膜の積層構成を未形成の素子（未積層素子）の結果も示す。
【００１８】
【表２】

【００１９】
（表２）より、樹脂膜／ガスバリア膜の積層構成素子において、初期状態において変位特性は未積層構成のものに比べ若干低下するものの、リーク電流特性は未積層素子の乾燥ガス内のものと遜色ない結果が得られた。しかし、時間の経過とともにリーク電流特性は若干低下するものの、恒温槽内の未積層のものと比較して優位さは歴然である。従って、上記のような樹脂膜／ガスバリア膜（金属膜）構成を積層することで、長期信頼性が保持される。
【００２０】
（実施の形態３）
図３は本発明のさらに別の強誘電体素子の断面図である。基体１６上に第１の電極１１と、強誘電体膜１２と、第２の電極１３が順次積層され、引き続き、前記積層された素子構成をケース１９に納め、第２の電極１３上が覆われるように不揮発性流動性絶縁材料１８を充填する。例えば、実施の形態１と同様に、基体１６として（１００）面ＭｇＯ単結晶基板を用い、第１の電極１１としてＰｔ膜を膜厚０．２μｍ形成する。次に強誘電体膜１２としてＰＺＴ膜を膜厚３μｍ形成する。引き続き、リーク特性評価用としては第２の電極１３にＩｒ膜を膜厚０．１μｍ形成する。この素子構成を例えば樹脂製のケース１９に納め、第２の電極１３が覆われるように不揮発性流動性絶縁材料１８として例えば流動パラフィンを充填する。変位特性評価用には、実施の形態１と同様にして縦長のダイヤフラム型のアクチュエータを形成する。この場合は、ＭｇＯ基板除去後に樹脂製のケース１９に納め、第１の電極（パターン加工）側に不揮発性流動性絶縁材料１８として例えば流動パラフィンを充填する。（表３）に、本発明の強誘電体素子の温度２５℃、相対湿度８０％環境の恒温槽内に設置し、ＤＣ電圧３５Ｖ印加後２０秒経過時・１５０時間経過時のリーク電流特性および、２５℃、５０％ＲＨ環境下での正弦波（２０ｋＨｚ、−５Ｖ±５Ｖ）信号を印加した際の変位特性をレーザ変位計で計測した結果を示す。比較として流動パラフィン充填の樹脂ケースには搭載しない素子（未充填素子）の結果も示す。
【００２１】
【表３】

【００２２】
（表３）より、流動パラフィン構成素子において、変位特性は未充填構成のものに比べ若干低下するものの、リーク電流特性は未充填素子の乾燥ガス内設置のものと遜色ない結果が得られた。しかし、時間の経過とともにリーク電流特性は若干低下するものの、恒温槽内の未積層のものと比較して優位さは歴然である。従って、上記のような不揮発性流動性絶縁材料充填構成をとることで、長期信頼性が保持される。
【００２３】
以上のとおり、本発明によれば、強誘電体素子と水蒸気などのガスの侵入を防ぐガスバリア膜の間に機械的変位特性にほとんど影響を及ぼさない程度の弾性定数をもつ樹脂膜を挿入した構成であるため、素子の性能を損なうことなく、長期信頼性に優れた強誘電体素子を得ることができる。
【００２４】
また、本発明の別の構成によれば、水蒸気などのガスの侵入を、強誘電体素子の機械的変位特性にほとんど影響を及ぼさない流動性のガスバリア材料を用いるため、同様に素子の性能を損なうことなく、長期信頼性に優れた強誘電体素子を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、強誘電体素子と水蒸気などのガスの侵入を防ぐガスバリア膜との間に樹脂膜を挿入した構成であるため、素子の性能を損なうことなく、長期信頼性に優れた強誘電体素子を得ることができる。
【００２６】
また、本発明の別の構成によれば、水蒸気などのガスの侵入を、流動性のガスバリア材料を用いるため、同様に素子の性能を損なうことなく、長期信頼性に優れた強誘電体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施の形態の強誘電体素子の断面図
【図２】本発明に係る別の実施の形態の強誘電体素子の断面図
【図３】本発明に係るさらに別の実施の形態の強誘電体素子の断面図
【符号の説明】
１０強誘電体素子
１１第１の電極（Ｐｔ膜）
１２強誘電体膜（ＰＺＴ膜）
１３第２の電極（Ｐｔ膜）
１４樹脂膜（ポリイミドシリコーン膜）
１５ガスバリア膜（Ａｌ膜）
１６基体（ＭｇＯ単結晶基板）
１７ガスバリア膜（ＳｉＮ膜）
１８不揮発性流動性絶縁材料（流動パラフィン）
１９ケース（樹脂ケース）
２０別の強誘電体素子
３０さらに別の強誘電体素子

Claims

第１の電極と、前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第２の電極を有する強誘電体素子において、前記した少なくとも一方の電極上に、この電極面積より大きく、樹脂膜とガスバリア膜が順次積層されたことを特徴とする強誘電体素子。
第１の電極と、前記第１の電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第２の電極を有する強誘電体素子において、前記した少なくとも一方の電極上に、この電極面積より大きく、不揮発性流動性絶縁材料が塗布されたことを特徴とする強誘電体素子。
樹脂膜として弾性定数が１０^８Ｐａ以下の材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子。
樹脂膜の厚みは１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または３に記載の強誘電体素子。
ガスバリア膜は金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子。
ガスバリア膜は無機材料膜であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子。
ガスバリア膜の厚みが２００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子。
金属膜は、Ａｌ、Ａｕの少なくとも一方であることを特徴とする請求項５に記載の強誘電体素子。
無機材料膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜の少なくとも一つであることを特徴とする請求項６に記載の強誘電体素子。
不揮発性流動性絶縁材料は流動パラフィンであることを特徴とする請求項２に記載の強誘電体素子。