JP2011228548A - 強誘電体デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れ、且つ、デバイス特性のより一層の向上を図れる強誘電体デバイスを提供する。
【解決手段】強誘電体デバイスは、シリコン基板１０の上記一表面側に形成された下部電極１４ａと、下部電極１４ａにおける第１の基板１０側とは反対側に形成された強誘電体膜１４ｂと、強誘電体膜１４ｂにおける下部電極１４ａ側とは反対側に形成された上部電極１４ｃとを備え、強誘電体膜１４ｂが、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成されている。下部電極１４ａの直下に、シリコンに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる緩衝層１４ｄが設けられ、第１の基板１０に、緩衝層１４ｄにおける下部電極１４ａ側とは反対の表面を露出させる空洞１０ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体膜の圧電効果や焦電効果を利用する強誘電体デバイスに関するものである。
従来から、強誘電体膜の圧電効果や焦電効果を利用する強誘電体デバイスが注目されている。
この種の強誘電体デバイスとしては、低コスト化、機械的強度などの観点から、シリコン基板の一表面側に強誘電体膜を含む機能部を備えたＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスが提案されている。この種のＭＥＭＳデバイスとしては、例えば、強誘電体膜の圧電効果を利用する発電デバイス（例えば、非特許文献１）やアクチュエータ、強誘電体膜の焦電効果を利用する焦電型赤外線センサなどの焦電デバイスが各所で研究開発されている。なお、圧電効果および焦電効果を示す強誘電体材料としては、例えば、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）などが広く知られている。
非特許文献１に開示された発電デバイスは、図６に示すように、シリコン基板１０’を用いて形成されたデバイス本体１’を備えている。このデバイス本体１’は、フレーム部１１’と、フレーム部１１’の内側に配置されフレーム部１１’に揺動自在に支持されたカンチレバー部（ビーム）１２’と、カンチレバー部１２’の先端部に設けられた錘部１３’とを備えている。また、デバイス本体１’は、カンチレバー部１２’に、カンチレバー部１２’の振動に応じて交流電圧を発生する発電部を構成する機能部１４’が形成されている。
機能部１４’は、Ｐｔ膜からなる下部電極１４ａ’と、下部電極１４ａ’におけるカンチレバー部１２’側とは反対側に形成されたＡｌＮ薄膜もしくはＰＺＴ薄膜からなる強誘電体膜（圧電膜）１４ｂ’と、強誘電体膜１４ｂ’における下部電極１４ａ’側とは反対側に形成されたＡｌ膜からなる上部電極１４ｃ’とで構成されている。
なお、非特許文献１では、発電デバイスの出力を高めるために、強誘電体膜１４ｂ’である圧電膜の材料として、比誘電率が小さく、かつ圧電定数ｅ３１が大きな圧電材料を採用することが提案されている。
また、上述の発電デバイスは、第１のガラス基板２０ａ’を用いて形成されデバイス本体１’の一表面側（図６の上面側）においてフレーム部１１’が固着された第１のカバー基板２’と、第２のガラス基板３０ａ’を用いて形成されデバイス本体１’の他表面側（図６の下面側）においてフレーム部１１’が固着された第２のカバー基板３’とを備えている。
なお、各カバー基板２’，３’と、デバイス本体１’のカンチレバー部１２’と錘部１３’とからなる可動部との間には、当該可動部の変位空間２６’，３６’が形成されている。
特開平８−３２１６４０号公報
R. van Schaijk,et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solutions」，IEEE SENSORS 2008 Conference,2008，p.45-48
ところで、図６に示した構成の発電デバイスのデバイス本体１’は、シリコン基板１０’の上記一表面側に下部電極１４ａ’と強誘電体膜１４ｂ’と上部電極１４ｃ’とからなる機能部１４’を反応性スパッタ法などにより形成している。
しかしながら、一般的に、シリコン基板の一表面側にスパッタ法などの各種の薄膜形成技術により成膜されるＰＺＴ薄膜は多結晶であり、シリコン基板に比べて非常に高価な単結晶ＭｇＯ基板の一表面側や単結晶ＳｒＴｉＯ3基板の一表面側に成膜される単結晶のＰＺＴ薄膜に比べて、結晶性が劣り、圧電定数ｅ３１も低い。なお、単結晶のシリコン基板の一表面側に結晶性の優れたＰＺＴ薄膜を形成する方法については各所で研究開発が行われているが、充分な結晶性を有するＰＺＴ薄膜は得られていないのが現状である。
そこで、シリコン基板の一表面側に強誘電体膜を含む機能部を備えた発電デバイスや焦電型赤外線センサなどの強誘電体デバイスにおいては、下部電極と強誘電体膜との間に緩衝層を設けることで特性の向上を図る研究が行われている。
しかしながら、一般的に、シリコン基板の一表面側に下部電極と強誘電体膜と上部電極とを具備する機能部を形成して、シリコン基板の他表面側から機能部に対応する部位を所定深さまでエッチングすることによってシリコン基板に空洞を形成することで製造される発電デバイスや焦電型赤外線センサなどの強誘電体デバイスでは、シリコン基板において機能部の直下の残す薄肉部（図６の例では、カンチレバー部１２’）の厚みの再現性が低く、シリコン基板のもととなるシリコンウェハでの薄肉部の面内ばらつきが大きいため、製造歩留まりが低くコストが高くなってしまう。また、強誘電体デバイスが焦電型赤外線センサである場合には、薄肉部の熱容量に起因してデバイス特性（応答速度など）が低下してしまう。
そこで、シリコン基板に代えてＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いる、つまり、製造時に、シリコンウェハに代えてＳＯＩウェハを用いることも考えられるが、ＳＯＩウェハはシリコンウェハに比べて非常に高価であり、コストが高くなってしまう。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れ、且つ、低コストでデバイス特性の向上を図れる強誘電体デバイスを提供することにある。
本発明の強誘電体デバイスは、シリコン基板の一表面側に形成された下部電極と、前記下部電極における前記基板側とは反対側に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜における前記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、前記強誘電体膜が、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスであって、前記下部電極の直下に、シリコンに比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い材料からなる緩衝層が設けられ、前記基板は、前記緩衝層における前記下部電極側とは反対の表面を露出させる空洞が形成されてなることを特徴とする。
この強誘電体デバイスにおいて、前記基板の前記一表面側に、前記緩衝層と前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極とを具備する積層構造の少なくとも一部に積層されて前記積層構造を補強する補強層を備えることが好ましい。
この強誘電体デバイスにおいて、前記緩衝層からなる第１の緩衝層とは別に、前記強誘電体膜と前記下部電極との間に、前記下部電極に比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い材料からなる第２の緩衝層を設けてなることが好ましい。
この強誘電体デバイスにおいて、前記緩衝層の前記材料が導電性材料であることが好ましい。
この強誘電体デバイスにおいて、前記強誘電体膜が焦電体膜であり、前記強誘電体膜との格子整合性の良い前記材料の熱伝導率がシリコンの熱伝導率よりも小さいことが好ましい。
本発明の強誘電体デバイスにおいては、強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れ、且つ、低コストでデバイス特性の向上を図れる。
実施形態１の強誘電体デバイスの要部を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 同上の強誘電体デバイスの概略断面図である。 同上の強誘電体デバイスの概略分解斜視図である。 実施形態２の強誘電体デバイスの概略断面図である。 実施形態３の強誘電体デバイスの概略断面図である。 従来例を示す強誘電体デバイスの概略断面図である。
（実施形態１）
まず、本実施形態の強誘電体デバイスについて図１〜図３を参照しながら説明する。
強誘電体デバイスのデバイス本体１は、シリコン基板（以下、第１のシリコン基板と称する）１０と、第１のシリコン基板１０の一表面側に形成された下部電極１４ａと、下部電極１４ａにおける第１のシリコン基板１０側とは反対側に形成された強誘電体膜１４ｂと、強誘電体膜１４ｂにおける下部電極１４ａ側とは反対側に形成された上部電極１４ｃとを備える。ここで、第１のシリコン基板１０としては、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いており、強誘電体膜１４ｂは、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成されている。
本実施形態の強誘電体デバイスは、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスであり、上述の強誘電体膜１４ｂが圧電膜を構成している。
また、デバイス本体１は、下部電極１４ａの直下に、シリコンに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる緩衝層１４ｄが設けられている。また、デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０に、緩衝層１４ｄにおける下部電極１４ａ側とは反対の表面を露出させる空洞１０ａが形成されている。
ここで、デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１９ａ，１９ｂ（以下、第１の絶縁膜１９ａ、第２の絶縁膜１９ｂと称する）が形成され、第１のシリコン基板１０の上記一表面側の第１の絶縁膜１９ａの表面側に緩衝層１４ｄが形成されている。そして、デバイス本体１は、マイクロマシンニング技術などを利用して形成されており、枠状のフレーム部１１と、フレーム部１１の内側に配置された錘部１３とを備え、錘部１３が第１のシリコン基板１０の上記一表面側のカンチレバー部１２を介してフレーム部１１に揺動自在に支持されている。また、デバイス本体１は、カンチレバー部１２に、上述の下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する機能部１４が形成されている。ここにおいて、本実施形態の強誘電体デバイスでは、機能部１４が、カンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部（圧電変換部）を構成している。
上述のフレーム部１１と錘部１３とは、第２の絶縁膜１９ｂ、第１のシリコン基板１０、第１の絶縁膜１９ａおよび緩衝層１４ｄそれぞれの一部により構成され、カンチレバー部１２は、緩衝層１４ｄにより構成されている。
デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に、下部電極１４ａおよび上部電極１４ｃそれぞれに金属配線１６ａ，１６ｃを介して電気的に接続されたパッド１７ａ，１７ｃが、フレーム部１１に対応する部位で形成されている。
また、デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に、上部電極１４ｃと強誘電体膜１４ｂとの接するエリアを規定し且つ上部電極１４ｃに電気的に接続される金属配線１６ｃと下部電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層１８が、下部電極１４ａおよび強誘電体膜１４ｂそれぞれの周部を覆うように形成されている。また、絶縁層１８は、フレーム部１１の広い範囲に亘って形成されており、上述の両パッド１７ａ，１７ｃが絶縁層１８上に形成されている。絶縁層１８は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、第１のシリコン基板１０と機能部１４とは、第１の絶縁膜１９ａにより電気的に絶縁されている。
また、デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に、緩衝層１４ｄと下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する積層構造に積層されて当該積層構造を補強する補強層１５を備えている（なお、図１（ａ）および図３では、補強層１５の図示を省略してある）。この補強層１５は、機能部１４の周部とフレーム部１１と錘部１３とに跨って形成されている。補強層１５は、いわゆる半導体プロセスとの整合性の良い材料を用いることが好ましく、例えば、ポリイミドやフッ素系樹脂などからなる絶縁材料により形成すればよい。
また、強誘電体デバイスは、デバイス本体１の一表面側においてフレーム部１１に固着された第１のカバー基板２を備えている。また、強誘電体デバイスは、デバイス本体１の他表面側においてフレーム部１１に固着された第２のカバー基板３を備えている。
第１のカバー基板２は、第２のシリコン基板２０を用いて形成されている。そして、第１のカバー基板２は、第２のシリコン基板２０におけるデバイス本体１側の一表面に、カンチレバー部１２と錘部１３とからなる可動部１２３の変位空間をデバイス本体１との間に形成するための凹所２０ｂが形成されている。
また、第１のカバー基板２は、第２のシリコン基板２０の他表面側に、機能部１４に電気的に接続される外部接続電極２５，２５が形成されている。ここで、外部接続電極２５，２５は、機能部１４である発電部で発生した交流電圧を外部へ供給するための出力用電極として機能する。
第１のカバー基板２は、各外部接続電極２５，２５と、第２のシリコン基板２０の上記一表面側に形成された連絡用電極２４，２４とが、第２のシリコン基板２０の厚み方向に貫設された貫通孔配線２３，２３を介して電気的に接続されている。ここで、第１のカバー基板２０は、各連絡用電極２４，２４が、デバイス本体１のパッド１７ａ，１７ｃと接合されて電気的に接続されている。なお、本実施形態では、各外部接続電極２５，２５および各連絡用電極２４，２４をＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、これらの材料は特に限定するものではない。また、各貫通孔配線２３，２３の材料としてはＣｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｎｉ、Ａｌなどを採用してもよい。
第１のカバー基板２は、２つの外部接続電極２５，２５同士の短絡を防止するためのシリコン酸化膜からなる絶縁膜２２が、第２のシリコン基板２０の上記一表面側および上記他表面側と、貫通孔配線２３，２３が内側に形成された貫通孔２１の内周面とに跨って形成されている。なお、第１のカバー基板２は、第２のシリコン基板２０に代えてガラス基板のような絶縁性基板を用いて形成してもよく、この場合は絶縁膜２２を設ける必要はない。
また、第２のカバー基板３は、第３のシリコン基板３０を用いて形成されている。第２のカバー基板３は、第３のシリコン基板３０におけるデバイス本体１側の一表面には、可動部１２３の変位空間をデバイス本体１との間に形成するための凹所３０ｂが形成されている。なお、第２のカバー基板３は、第３のシリコン基板３０に代えてガラス基板のような絶縁性基板を用いて形成してもよい。
また、デバイス本体１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に、第１のカバー基板２と接合するための第１の接合用金属層１１８が形成されており、第１のカバー基板２は、第２のシリコン基板２０の上記一表面側に、第１の接合用金属層１１８に接合される第２の接合用金属層１２８（図２参照）が形成されている。ここで、第１の接合用金属層１１８の材料としては、パッド１７ｃと同じ材料を採用しており、第１の接合用金属層１１８は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側においてパッド１７ｃと同じ厚さに形成されている。また、第１の接合用金属層１１８は、絶縁層１８上に形成されている。
デバイス本体１と各カバー基板２，３とは、常温接合法により接合してあるが、常温接合法に限らず、例えば、適宜の加熱を行う直接接合法でもよいし、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や、陽極接合法などにより接合してもよい。樹脂接合法では、常温硬化型の樹脂接着剤（例えば、２液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤、１液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤）を用いれば、熱硬化型の樹脂接着剤（例えば、熱硬化型のエポキシ樹脂系接着剤など）を用いる場合に比べて、接合温度の低温化を図れる。
以上説明した発電デバイスでは、機能部１４が下部電極１４ａと圧電膜である強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとで構成されているから、カンチレバー部１２の振動によって機能部１４の強誘電体膜１４ｂが応力を受け上部電極１４ｃと下部電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、機能部１４において交流電圧が発生する。
ところで、本実施形態の強誘電体デバイスは、強誘電体膜１４ｂの強誘電体材料として、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴを採用しており、第１のシリコン基板１０として、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いている。ここにおいて、鉛系の酸化物強誘電体は、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（:Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴなどを採用してもよい。いずれにしても、強誘電体膜１４ｂの強誘電体材料は、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料（ＰＺＴ、ＰＺＴ−ＰＭＮ、不純物を添加したＰＺＴなどの鉛系の酸化物強誘電体）である。
また、本実施形態では、下部電極１４ａの材料としてＰｔ、上部電極１４ｃの材料としてＡｕを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、下部電極１４ａの材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒを採用してもよく、上部電極１４ｃの材料としては、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔなどを採用してもよい。
また、緩衝層１４ｄの材料としては、ＳｒＲｕＯ3を採用しているが、これに限らず、例えば、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3やＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ３などを採用してもよい。また、緩衝層１４ｄは、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。
なお、本実施形態の強誘電体デバイス（発電デバイス）では、緩衝層１４ｄの厚みを２μｍ、下部電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、強誘電体膜１４ｂの厚みを６００ｎｍ、上部電極１４ｃの厚みを１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、強誘電体膜１４ｂの比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ３１ 2／εの関係が成り立ち、発電指数Ｐが大きいほど発電効率が大きくなる。ここで、ｅ３１は、強誘電体膜１４ｂの圧電定数ｅ３１である。
以下、本実施形態の強誘電体デバイスである発電デバイスの製造方法について簡単に説明する。
まず、第１のシリコン基板１０の上記一表面側および上記他表面側それぞれの全面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１９ａ，１９ｂを熱酸化法により形成する。その後、第１のシリコン基板１０の上記一表面側（ここでは、第１の絶縁膜１９ａ上）の全面に、緩衝層１４ｄをスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより成膜する。続いて、緩衝層１４ｄにおける第１のシリコン基板１０側とは反対側の全面に下部電極１４ａをスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより成膜し、下部電極１４ａにおける緩衝層１４ｄ側とは反対側の全面に強誘電体膜１４ｂをスパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などにより成膜する。
強誘電体膜１４ｂを成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜１４ｂをパターニングし、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極１４ａをパターニングすることで所定形状の下部電極１４ａとパターニング前の下部電極１４ａの一部からなる金属配線１６ａとを形成する。なお、パターニング後の下部電極１４ａと金属配線１６ａとで１つの下部電極１４ａとみなすこともできる。
金属配線１６ａを形成した後、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に所定形状の絶縁層１８を形成し、続いて、上部電極１４ｃ、金属配線１６ｃ、各パッド１７ａ，１７ｃおよび第１の接合用金属層１１８をスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する。その後、ポリイミド層からなる補強層１５を形成する。所定形状の絶縁層１８の形成にあたっては、第１のシリコン基板１０の上記一表面側の全面に絶縁層１８をＣＶＤ法などにより成膜してからフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングしているが、リフトオフ法を利用して絶縁層１８を形成するようにしてもよい。また、補強層１５の形成にあたっては、補強層１５の材料として例えば感光性のポリイミドを採用する場合、ポリイミドの塗布、露光、現像、キュアなどを順次行えばよい。なお、補強層１５の材料および形成方法は、一例であり、特に限定するものではない。
補強層１５を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して第１のシリコン基板１０および各絶縁膜１９ａ，１９ｂを加工してフレーム部１１、カンチレバー部１２および錘部１３を形成することによりデバイス本体１を形成する。この加工にあたっては、エッチングガスとしてＳＦ６ガスなどを用いた反応性イオンエッチングにより、第１のシリコン基板１０を上記他表面側からエッチングするようにし、第１の絶縁膜１９ａをエッチングストッパ層として利用した選択エッチングを行う。続いて、エッチングガスとしてフッ素系ガスもしくは塩素系ガスなどを用いた反応性異方性エッチングにより、第１の絶縁膜１９ａを第１のシリコン基板１０の上記他表面側からエッチングするようにし、緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層として利用した選択エッチングを行う。また、緩衝層１４ｄの不要部分のエッチングに際しては、エッチングガスとしてアルゴンガスのみを用いた物理的なエッチング（スパッタエッチング）により、緩衝層１４ｄをエッチングする。
デバイス本体１を形成した後、デバイス本体１に各カバー基板２，３を接合することによって、図２に示す構造の強誘電体デバイスを得る。ここにおいて、デバイス本体１に各カバー基板２，３を接合する工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから（つまり、各シリコン基板１０，２０，３０それぞれについてシリコンウェハを用いる）、ダイシング工程を行うことで個々の強誘電体デバイスに分割するようにしている。デバイス本体１に接合する各カバー基板２，３は、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、薄膜形成工程、めっき工程などの周知の工程を適宜適用して形成すればよい。なお、強誘電体デバイスは、必ずしも各カバー基板２，３を備えている必要はなく、両カバー基板２，３の一方のみを備えていてもよいし、両カバー基板２，３を備えていないものでもよい。
上述の強誘電体デバイスの製造方法では、空洞１０ａを形成する際のエッチングストッパ層として緩衝層１４ｄを利用することができるので、第１のシリコン基板１０に比べて非常に高価なＳＯＩ基板を用いることなく、下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する機能部１４の直下に形成される部位（ここでは、緩衝層１４ｄ）の厚みの再現性を高めることができるとともに、多数のデバイス本体１を形成した１枚のシリコンウェハの面内での機能部１４の直下の部位（ここでは、緩衝層１４ｄのみ）の厚みのばらつきを低減することができる。すなわち、空洞１０ａを形成する際に、最終的に緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層とした選択エッチングを行っているので、機能部１４の直下の部位の厚みの面内ばらつきは、ほぼ、緩衝層１４ｄの成膜時の厚みの面内ばらつきにより決まる。
以上説明した本実施形態の強誘電体デバイスは、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に形成された下部電極１４ａと、下部電極１４ａにおける第１のシリコン基板１０側とは反対側に形成された強誘電体膜１４ｂと、強誘電体膜１４ｂにおける下部電極１４ａ側とは反対側に形成された上部電極１４ｃとを備え、強誘電体膜１４ｂが、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスであって、下部電極１４ａの直下に、シリコンに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる緩衝層１４ｄが設けられ、第１のシリコン基板１０に、緩衝層１４ｄにおける下部電極１４ａ側とは反対の表面を露出させる空洞１０ａが形成されているので、強誘電体膜１４ｂの結晶性および性能（ここでは、圧電定数ｅ３１）の向上を図れ、且つ、低コストでデバイス特性である発電特性（発電効率など）の向上を図れる。
また、本実施形態の強誘電体デバイスは、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に、緩衝層１４ｄと下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する積層構造の少なくとも一部に積層されて当該積層構造を補強する補強層１５を備えているので、振動に起因して緩衝層１４ｄ、下部電極１４ａ、強誘電体膜１４ｂ、上部電極１４ｃの各薄膜が破損したり当該各薄膜に亀裂が入るのを防止することが可能となる。特に、本実施形態の強誘電体デバイスである発電デバイスにおいては、緩衝層１４ｄの一部により構成されるカンチレバー部１２が破損するのを防止することができ、信頼性を高めることが可能となる。
また、本実施形態の強誘電体デバイスでは、緩衝層１４ｄの材料として例えばＳｒＲｕＯ3などの導電性材料を採用しているので、カンチレバー部１２の振動時のひずみによって生じる電界を効率良く取り出すことができ、デバイス特性である発電特性が向上する。
また、緩衝層１４ｄの材料として絶縁材料を採用するような場合には、上述の第１の絶縁膜１９ａは必ずしも設ける必要はなく、この場合は、第１のシリコン基板１０を上記他表面側からエッチングする際に緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層として、第１のシリコン基板１０を選択エッチングすればよい。また、緩衝層１４ｄの材料として導電性材料を採用した場合でも、下部電極１４ａと第１のシリコン基板１０とが同電位でもよい場合には、第１の絶縁膜１９ａは設ける必要はない。また、複数の機能部１４を１つの第１のシリコン基板１０の上記一表面側に設けて、これら複数の機能部１４の下部電極１４ａ同士を共通電位とするような場合も、第１の絶縁膜１９ａを設けなくてもよい。
（実施形態２）
本実施形態の強誘電体デバイスの基本構成は実施形態１と略同じであり、図４に示すように、下部電極１４ａ直下の緩衝層（以下、第１の緩衝層と称する）１４ｄとは別に、強誘電体膜１４ｂと下部電極１４ａとの間に、下部電極１４ａに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる第２の緩衝層１４ｅを設けてある点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の強誘電体デバイスの製造方法は実施形態１において説明した製造方法と略同じであり、シリコン基板１０の上記一表面側の全面に下部電極１４ａを形成した後、シリコン基板１０の上記一表面側の全面に第２の緩衝層１４ｅを形成してから、シリコン基板１０の上記一表面側の全面に強誘電体膜１４ｂを形成するようにしている点などが相違する。第２の緩衝層１４ｅの材料は、第１の緩衝層１４ｄと同じ材料でもよいし、異なる材料でもよい。ただし、少なくとも第２の緩衝層１４ｅは、導電性材料であることが好ましい。
本実施形態の強誘電体デバイスでは、強誘電体膜１４ｂの直下に第２の緩衝層１４ｅを備えているので、実施形態１に比べて、強誘電体膜１４ｂの結晶性をより向上できる。
（実施形態３）
以下、本実施形態の強誘電体デバイスについて図５を参照しながら説明する。
本実施形態の強誘電体デバイスは、シリコン基板１０と、このシリコン基板１０の一表面側に形成された下部電極１４ａと、下部電極１４ａにおけるシリコン基板１０側とは反対側に形成された強誘電体膜１４ｂと、強誘電体膜１４ｂにおける下部電極１４ａ側とは反対側に形成された上部電極１４ｃとを備える。ここで、シリコン基板１０としては、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いており、強誘電体膜１４ｂは、Ｓｉとは格子定数差のある強誘電体材料により形成されている。なお、強誘電体デバイスとして実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付してある。
本実施形態における強誘電体デバイスは、焦電型赤外線センサであり、強誘電体膜１４ｂが焦電体膜を構成している。
また、強誘電体デバイスは、下部電極１４ａの直下に、シリコンに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる緩衝層１４ｄが設けられている。また、強誘電体デバイスは、シリコン基板１０に、緩衝層１４ｄにおける下部電極１４ａ側とは反対の表面を露出させる空洞１０ａが形成されている。
ここで、強誘電体デバイスは、シリコン基板１０の上記一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１９ａ，１９ｂ（以下、第１の絶縁膜１９ａ、第２の絶縁膜１９ｂと称する）が形成され、シリコン基板１０の上記一表面側の第１の絶縁膜１９ａの表面側に緩衝層１４ｄが形成されている。
本実施形態の強誘電体デバイスは、強誘電体膜１４ｂの強誘電体材料（焦電材料）として、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴを採用しているが、鉛系の酸化物強誘電体は、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＬＴ、ＰＬＴやＰＺＴ−ＰＭＮなどやその他の不純物を添加したＰＺＴ系強誘電体などを採用してもよい。いずれにしても、強誘電体膜１４ｂの焦電材料は、シリコン基板１０の材料であるシリコンとは格子定数差のある強誘電体材料（ＰＺＴ、ＰＺＴ−ＰＭＮ、不純物を添加したＰＺＴなどの鉛系の酸化物強誘電体）である。これに対して、緩衝層１４ｄの材料としては、ＳｒＲｕＯ3を採用しているが、これに限らず、例えば、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3やＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ３などを採用してもよい。また、緩衝層１４ｄは、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。
また、本実施形態では、下部電極１４ａの材料として、Ｐｔを採用し、上部電極１４ｃの材料として、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ、金黒などの導電性を有する赤外線吸収材料を採用しており、下部電極１４ａと焦電体薄膜１４ｂと上部電極１４ｃとでセンシングエレメントからなる機能部１４を構成しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、下部電極１４ａの材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどを採用してもよい。ここで、上部電極１４ｃの材料として、上述の導電性を有する赤外線吸収材料を採用した場合、上部電極１４ｃが赤外線吸収膜を兼ねることとなる。また、本実施形態では、空洞１０ａが、機能部１４とシリコン基板１０との熱絶縁用の空洞を構成する。
また、強誘電体デバイスは、シリコン基板１０の上記一表面側に、緩衝層１４ｄと下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する積層構造に積層されて当該積層構造を補強する補強層１５を備えている。この補強層１５は、機能部１４の周部とシリコン基板１０における空洞１０ａの周部とに跨って形成されている。補強層１５は、いわゆる半導体プロセスとの整合性の良い材料を用いることが好ましく、例えば、ポリイミドやフッ素系樹脂などからなる絶縁材料により形成すればよい。
ところで、本実施形態の強誘電体デバイスのような焦電型赤外線センサでは、センサ特性の向上を図るためには、機能部１４とシリコン基板１０との間の断熱性を高める必要があるので、緩衝層１４ｄの材料としては、シリコンよりも熱伝導率の小さな材料が好ましい。ここにおいて、シリコンの熱伝導率は、１４５〜１５６Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対して、ＳｒＲｕＯ3の熱伝導率は、５．９７Ｗ／ｍ・Ｋ程度であることが知られている。
なお、本実施形態の焦電デバイスでは、緩衝層１４ｄの厚みを１〜２μｍ、下部電極２４ａの厚みを１００ｎｍ、強誘電体膜２４ｂの厚みを１μｍ〜３μｍ、上部電極２４ｃの厚みを５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
本実施形態の強誘電体デバイスは、上述のように焦電型赤外線センサであり、強誘電体膜１４ｂの焦電係数をγ〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｋ）〕、誘電率をε、焦電型赤外線センサ（焦電デバイス）の性能指数をＦγ〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｊ）〕とすると、Ｆγ∝γ／εの関係が成り立ち、強誘電体膜１４ｂの焦電係数γが大きいほど、性能指数Ｆγが大きくなる。
以下、本実施形態の強誘電体デバイスである焦電型赤外線センサの製造方法について説明するが、実施形態１で説明した強誘電体デバイスの製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、シリコン基板１０の上記一表面側および上記他表面側それぞれの全面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１９ａ，１９ｂを熱酸化法により形成する。その後、シリコン基板１０の上記一表面側（ここでは、第１の絶縁膜１９ａ上）の全面に、緩衝層１４ｄをスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより成膜する。続いて、緩衝層１４ｄにおけるシリコン基板１０側とは反対側の全面に下部電極１４ａをスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより成膜し、下部電極１４ａにおける緩衝層１４ｄ側とは反対側の全面に強誘電体膜１４ｂをスパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などにより成膜する。
強誘電体膜１４ｂを成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜１４ｂをパターニングし、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極１４ａをパターニングする。
その後、シリコン基板１０の上記一表面側に所定形状の上部電極１４ｃをスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する。その後、ポリイミド層からなる補強層１５を形成する。補強層１５の形成にあたっては、補強層１５の材料として例えば感光性のポリイミドを採用する場合、ポリイミドの塗布、露光、現像、キュアなどを順次行えばよい。なお、補強層１５の材料および形成方法は、一例であり、特に限定するものではない。
補強層１５を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してシリコン基板１０および各絶縁膜１９ａ，１９ｂを加工して空洞１０ａを形成する。この加工にあたっては、エッチングガスとしてＳＦ６ガスなどを用いた反応性イオンエッチングにより、シリコン基板１０を上記他表面側からエッチングするようにし、第１の絶縁膜１９ａをエッチングストッパ層として利用した選択エッチングを行う。続いて、エッチングガスとしてフッ素系ガスもしくは塩素系ガスなどを用いた反応性異方性エッチングにより、第１の絶縁膜１９ａをシリコン基板１０の上記他表面側からエッチングするようにし、緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層として利用した選択エッチングを行う。
ここにおいて、空洞１０ａを形成する工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから（つまり、シリコンウェハに多数の強誘電体デバイスを形成してから）、ダイシング工程を行うことで個々の強誘電体デバイスに分割するようにしている。
上述の強誘電体デバイスの製造方法では、空洞１０ａを形成する際のエッチングストッパ層として緩衝層１４ｄを利用することができるので、シリコン基板１０に比べて非常に高価なＳＯＩ基板を用いることなく、下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する機能部１４の直下に形成される部位（ここでは、緩衝層１４ｄ）の厚みの再現性を高めることができるとともに、多数の焦電型赤外線センサを形成した１枚のシリコンウェハの面内での機能部１４の直下の部位（ここでは、緩衝層１４ｄのみ）の厚みのばらつきを低減することができる。すなわち、空洞１０ａを形成する際に、最終的に緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層とした選択エッチングを行っているので、機能部１４の直下の部位の厚みの面内ばらつきは、ほぼ、緩衝層１４ｄの成膜時の厚みの面内ばらつきにより決まる。
以上説明した本実施形態の強誘電体デバイスは、シリコン基板１０の上記一表面側に形成された下部電極１４ａと、下部電極１４ａにおけるシリコン基板１０側とは反対側に形成された強誘電体膜１４ｂと、強誘電体膜１４ｂにおける下部電極１４ａ側とは反対側に形成された上部電極１４ｃとを備え、強誘電体膜１４ｂが、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスであって、下部電極１４ａの直下に、シリコンに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる緩衝層１４ｄが設けられ、シリコン基板１０に、緩衝層１４ｄにおける下部電極１４ａ側とは反対の表面を露出させる空洞１０ａが形成されているので、強誘電体膜１４ｂの結晶性および性能（ここでは、焦電係数γ）の向上を図れ、且つ、低コストでデバイス特性（ここでは、性能指数や、応答速度など）の向上を図れる。
また、本実施形態の強誘電体デバイスは、シリコン基板１０の上記一表面側に、緩衝層１４ｄと下部電極１４ａと強誘電体膜１４ｂと上部電極１４ｃとを具備する積層構造の少なくとも一部に積層されて当該積層構造を補強する補強層１５を備えているので、振動などに起因して緩衝層１４ｄ、下部電極１４ａ、強誘電体膜１４ｂ、上部電極１４ｃの各薄膜が破損したり当該各薄膜に亀裂が入るのを防止することが可能となる。
また、本実施形態の強誘電体デバイスでは、緩衝層１４ｄの材料として例えばＳｒＲｕＯ3などの導電性材料を採用しているので、デバイス特性が向上する。
また、緩衝層１４ｄの材料として絶縁材料を採用するような場合には、上述の第１の絶縁膜１９ａは必ずしも設ける必要はなく、この場合は、シリコン基板１０を上記他表面側からエッチングする際に緩衝層１４ｄをエッチングストッパ層として、シリコン基板１０を選択エッチングすればよい。また、緩衝層１４ｄの材料として導電性材料を採用した場合でも、下部電極１４ａとシリコン基板１０とが同電位でもよい場合には、第１の絶縁膜１９ａは設ける必要はない。また、複数の機能部１４を１つのシリコン基板１０の上記一表面側に設けて、これら複数の機能部１４の下部電極１４ａ同士を共通電位とするような場合も、第１の絶縁膜１９ａを設けなくてもよい。
上述の図５に示した構成の強誘電体デバイスは、センシングエレメントである機能部１４を１つだけ備えた焦電型赤外線センサであるが、これに限らず、例えば、複数の機能部１４が２次元アレイ状に配列された焦電型赤外線アレイセンサでもよい。
また、本実施形態の強誘電体デバイスにおいても、実施形態２と同様、下部電極１４ａ直下の緩衝層（以下、第１の緩衝層と称する）１４ｄとは別に、強誘電体膜１４ｂと下部電極１４ａとの間に、下部電極１４ａに比べて強誘電体膜１４ｂとの格子整合性の良い材料からなる第２の緩衝層１４ｅを設けてもよい。
１０ シリコン基板
１０ａ 空洞
１４ａ 下部電極
１４ｂ 強誘電体膜
１４ｃ 上部電極
１４ｄ 緩衝層（第１の緩衝層）
１４ｅ 第２の緩衝層
１５ 補強層

Claims (5)

  1. シリコン基板の一表面側に形成された下部電極と、前記下部電極における前記基板側とは反対側に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜における前記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、前記強誘電体膜が、シリコンとは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスであって、前記下部電極の直下に、シリコンに比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い材料からなる緩衝層が設けられ、前記基板は、前記緩衝層における前記下部電極側とは反対の表面を露出させる空洞が形成されてなることを特徴とする強誘電体デバイス。
  2. 前記基板の前記一表面側に、前記緩衝層と前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極とを具備する積層構造の少なくとも一部に積層されて前記積層構造を補強する補強層を備えることを特徴とする請求項１記載の強誘電体デバイス。
  3. 前記緩衝層からなる第１の緩衝層とは別に、前記強誘電体膜と前記下部電極との間に、前記下部電極に比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い材料からなる第２の緩衝層を設けてなることを特徴とする請求項１記載の強誘電体デバイス。
  4. 前記緩衝層の前記材料が導電性材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の強誘電体デバイス。
  5. 前記強誘電体膜が焦電体膜であり、前記強誘電体膜との格子整合性の良い前記材料の熱伝導率がシリコンの熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の強誘電体デバイス。
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