JP6591005B2 - ニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法 - Google Patents
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Description
基板上に下部電極膜を形成する下部電極膜形成工程と、
前記下部電極膜上にニオブ酸系強誘電体薄膜を形成する強誘電体薄膜形成工程と、
前記ニオブ酸系強誘電体薄膜上に酸化シリコン(SiO2)膜からなるエッチングマスクを所望のパターンとなるように形成するエッチングマスクパターン形成工程と、
前記ニオブ酸系強誘電体薄膜に対してキレート剤のアルカリ水溶液と過酸化水素水(H2O2 aq.)とを含むエッチング液を用いたウェットエッチングを行うことによって、前記ニオブ酸系強誘電体薄膜に所望パターンの微細加工を行う強誘電体薄膜エッチング工程とを有し、
前記ニオブ酸系強誘電体がニオブ酸カリウムナトリウム((K1-xNax)NbO3、KNN)またはニオブ酸リチウム(LiNbO3、LN)であり、
前記キレート剤がエチレンジアミン四酢酸(EDTA)類またはジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法を提供する。
(i)前記アルカリ水溶液は、アンモニア水溶液(NH3 aq.)である。
(ii)前記エチレンジアミン四酢酸類は、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、エチレンジアミン四酢酸・二ナトリウム塩二水和物(EDTA・2Na)、エチレンジアミン四酢酸・三ナトリウム塩三水和物(EDTA・3Na)、エチレンジアミン四酢酸・四ナトリウム塩四水和物(EDTA・4Na)、エチレンジアミン四酢酸・二カリウム塩二水和物(EDTA・2K)、エチレンジアミン四酢酸・三カリウム塩二水和物(EDTA・3K)、およびエチレンジアミン四酢酸・二アンモニウム塩(EDTA・2NH3)から選ばれる少なくとも一つである。
(iii)前記強誘電体薄膜エッチング工程は、前記エッチング液の温度が45℃以上100℃未満である。
(iv)前記下部電極膜は、白金(Pt)である。
(v)前記ニオブ酸系強誘電体薄膜は、結晶系が擬立方晶または正方晶であり主表面が(0 0 1)面に優先配向するようにスパッタ法により形成される。
(vi)前記基板は、その表面に熱酸化膜を有するシリコン(Si)基板である。
(vii)前記製造方法は、所望パターンに微細加工された前記ニオブ酸系強誘電体薄膜上に上部電極を形成する上部電極形成工程と、前記上部電極が形成されたニオブ酸系強誘電体薄膜を具備する前記基板からチップ状のニオブ酸系強誘電体薄膜素子を切り出すダイシング工程とを更に有する。
本工程では、基板11上に下部電極膜12を形成する(図1(a)参照)。下部電極膜12の材料は、特に限定されないが、白金(Pt)又はPtを主成分とする合金を用いることが好ましい。Ptは、後述する強誘電体薄膜エッチング工程で用いるエッチング液に対して不活性であるため、エッチングストッパとして機能することができる。下部電極膜12の形成方法に特段の限定は無いが、例えば、スパッタ法を好適に用いることができる。なお、下部電極膜12は、ニオブ酸系強誘電体薄膜の焦電特性や圧電特性を十分に発揮させるため、算術平均表面粗さRaが0.86 nm以下であることが好ましい。
本工程では、下部電極膜12上にニオブ酸系強誘電体薄膜13を形成する(図1(a)参照)。ニオブ酸系強誘電体の材料としては、KNN((K1-xNax)NbO3、0.4≦ x ≦0.7)を用いることが好ましい。ニオブ酸系強誘電体薄膜13の形成方法としては、KNN焼結体ターゲットを用いたスパッタ法や電子ビーム蒸着法が好ましい。スパッタ法や電子ビーム蒸着法は、成膜再現性、成膜速度及びランニングコストの面で優れていることに加えて、KNN結晶の配向性を制御することが可能であるためである。形成するニオブ酸系強誘電体薄膜13は、KNN結晶の結晶系が擬立方晶または正方晶であり、薄膜の主表面が(0 0 1)面に優先配向されているものが、焦電特性・圧電特性上好ましい。
本工程では、成膜した圧電体薄膜13上に、後述するウェットエッチングに対するエッチングマスクを形成する。まず、フォトリソグラフィプロセスにより、圧電体薄膜13上にフォトレジストパターン14を形成する(図1(b)参照)。次に、フォトレジストパターン14上にエッチングマスク膜15を成膜する(図1(c)参照)。次に、リフトオフプロセスにより、所望のパターンを有するエッチングマスクパターン15’を形成する(図1(d)参照)。エッチングマスク膜15(エッチングマスクパターン15’)としては、エッチング液に対して十分な耐性を有する限り特段の限定は無く、例えば、スパッタ法による貴金属膜(例えば、Au膜、Pt膜、Pd膜)や酸化物膜(例えば、酸化シリコン膜)を好適に用いることができる。なかでも、取り扱いの容易性およびコストの観点から、酸化シリコン膜(例えば、SiO2膜)は特に好ましい。なお、フォトリソグラフィ/リフトオフ以外のプロセスによってエッチングマスクパターン15’を形成してもよい。
本工程では、ニオブ酸系強誘電体薄膜13に対してウェットエッチングを行い、エッチングマスクパターン15’によって規定されるパターンに微細加工を行う。エッチング液としては、キレート剤のアルカリ水溶液を含みフッ酸を含まないエッチング液を用いることが好ましい。これにより、従来のフッ酸系エッチング液に対して必要とされてきた安全対策コストを低減することができる。
図2は、本発明に係るニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造工程(強誘電体薄膜エッチング工程より後)を示す拡大断面模式図である。本工程では、先の工程によって得られた所望のパターンに微細加工されたニオブ酸系強誘電体薄膜(ニオブ酸系強誘電体薄膜パターン13’)上に上部電極を形成する。まず、フォトリソグラフィプロセスにより、上部電極の形成スペースを残してフォトレジストパターン21を形成し、フォトレジストパターン21上に上部電極膜22を成膜する(図2(a)参照)。次に、リフトオフプロセスにより、上部電極22’を残して他を除去する(図2(b)参照)。上部電極膜22(上部電極22’)の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)、金(Au)、ニッケル(Ni)、Pt等を好適に用いることができる。
本工程では、上部電極22’が形成されたニオブ酸系強誘電体薄膜パターン13’を具備する基板からチップ状のニオブ酸系強誘電体薄膜素子20を切り出す(図2(c)参照)。符号11’はチップ状基板を表し、符号12’は下部電極を表す。これにより、所望のパターンに微細加工されたニオブ酸系強誘電体薄膜を具備するニオブ酸系強誘電体薄膜素子20を得ることができる。
(KNN薄膜積層基板の作製)
図1に示した製造工程に沿って、KNN薄膜積層基板を作製した。基板11としては、熱酸化膜付きSi基板((1 0 0)面方位の4インチウェハ、ウェハ厚さ0.525 mm、熱酸化膜厚さ200 nm)を用いた。
ペロブスカイト構造を有するKNN結晶は、本来、c軸長がa軸長よりも長い(すなわちc/a > 1である)正方晶系に属する。言い換えると、「c/a > 1」の場合、正方晶としてより安定な結晶構造が形成されている(すなわち、結晶性が高い)ことを示す。また、ペロブスカイト構造を有する強誘電体は、一般的に、初期歪みが少ない結晶のc軸方向に電界を印加したときに、より大きい分極値(圧電性や強誘電性におけるより高い利得)が得られる。
次に、上記で成膜したKNN薄膜上に、フォトレジスト(東京応化工業株式会社製、OFPR-800)を塗布・露光・現像して、フォトレジストパターン14を形成した(図1(b)参照)。続いて、エッチングマスク膜15として厚さ600 nmのSiO2膜をRFマグネトロンスパッタ法により成膜した(図1(c)参照)。SiO2膜の成膜条件は、石英板ターゲットを用い、基板温度25℃、放電パワー400 W、酸素ガスとアルゴンガスの混合雰囲気(混合比:O2/Ar = 0.033)、圧力0.7 Paとした。その後、アセトン洗浄によりフォトレジストパターン14を除去し(リフトオフ)、エッチングマスクパターン15’をKNN薄膜上に形成した(図1(d)参照)。
(1)エッチング速度
各エッチング実験において、所定時間のエッチングを行った後、バッファードフッ酸(BHF 16、関東化学株式会社製、半導体用、含量22%)でSiO2マスクを除去した。その後、KNN薄膜の段差を計測することよってエッチング性(ここでは、KNN薄膜の段差をエッチング時間で除した平均エッチング速度)を評価した。結果を表1に併記する。
一部の試料を用いて、KNN薄膜/SiO2マスクのエッチング選択比を調査した。その結果、60以上のエッチング選択比が得られることが確認された。
一部の試料を用いて、下部電極膜12(ここではPt膜)が露出するまでエッチングを行い、下部電極等への影響を調査した。その結果、下部電極のエッチングや剥離などは起こらないことが確認された。言い換えると、下部電極膜12をエッチングストッパとして活用できることが確認された。
実施例5のエッチング条件を用いて、KNN薄膜に対してパッドパターンやライン&スペースパターンの微細加工を行い、走査型電子顕微鏡(SEM)による微細組織観察を行った。図5は、パッドパターン(50μm角、50μm間隔)の微細加工結果を示すSEM観察像である。図6は、ライン&スペースパターン(ライン幅50μm、50μm間隔)の微細加工結果を示すSEM観察像である。図5,6に示したように、いずれのパターンにおいても、非常にきれいに精度よく加工できていることが確認された。なお、サイドエッチング量は、膜厚程度であった。
本発明のウェットエッチングを施してパターン形成したKNN薄膜上に、図2に示した製造工程に沿って、フォトレジストパターン21を形成し、RFマグネトロンスパッタ法により上部電極膜22としてPt層(厚さ100 nm)を形成した(図2(a)参照)。上部電極膜の成膜条件は、下部電極膜12の場合と同様に、純Ptターゲットを用い、基板温度250℃、放電パワー200 W、Ar雰囲気、圧力2.5 Paとした。
得られたKNN薄膜素子に対して、強誘電体特性評価システムを用いて分極特性と誘電率とリーク電流密度とを測定した。
(LN基板の用意)
ここでは、実験の簡便化のため、ニオブ酸リチウム(LiNbO3、LN)の単結晶基板(10 mm×10 mm×0.5 mm)を用意した。該LN単結晶基板上にフォトレジストパターン14を形成し、続いて、エッチングマスク膜15として厚さ600 nmのSiO2膜をプラズマCVD法により成膜した。次に、リフトオフによりエッチングマスクパターン15’を形成した。
先のKNN薄膜素子と同様にエッチング実験およびエッチング性評価を行った。その結果、KNN薄膜素子と同様のエッチング性が得られることが確認された。図8は、LN単結晶基板に対する微細加工結果を示すSEM観察像である。図8に示したように、非常にきれいに精度よく加工できていることが確認された。
(エッチング実験およびエッチング性評価)
エッチング液におけるその他のキレート剤として、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA、和光純薬工業株式会社製、試薬研究用、純度99%以上)、エチレンジアミン四酢酸・三ナトリウム塩三水和物(EDTA・3Na、株式会社同仁化学研究所、純度98.0%以上)、エチレンジアミン四酢酸・四ナトリウム塩四水和物(EDTA・4Na、株式会社同仁化学研究所、純度98.0%以上)、エチレンジアミン四酢酸・二カリウム塩二水和物(EDTA・2K、株式会社同仁化学研究所、純度99.0%以上)、エチレンジアミン四酢酸・三カリウム塩二水和物(EDTA・3K、株式会社同仁化学研究所、純度99.0%以上)、およびエチレンジアミン四酢酸・二アンモニウム塩(EDTA・2NH3、株式会社同仁化学研究所、純度99.0%以上)を用いてエッチング液を調合した。その他は、先のエッチング液(キレート剤としてEDTAまたはEDTA・2Naを使用)の場合と同様にして、KNN薄膜素子に対してエッチング実験およびエッチング性評価を行った。その結果、EDTAまたはEDTA・2Naを使用したエッチング液と同様のエッチング性が得られることが確認された。
11…基板、11’…チップ状基板、12…下部電極膜、12’…下部電極、
13…圧電体薄膜、13’…圧電体薄膜パターン、14…フォトレジストパターン、
15…エッチングマスク膜、15’…エッチングマスクパターン、
20…圧電体薄膜素子、
21…フォトレジストパターン、22…上部電極膜、22’…上部電極。
Claims (8)
- ニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法であって、
基板上に下部電極膜を形成する下部電極膜形成工程と、
前記下部電極膜上にニオブ酸系強誘電体薄膜を形成する強誘電体薄膜形成工程と、
前記ニオブ酸系強誘電体薄膜上に酸化シリコン膜からなるエッチングマスクを所望のパターンとなるように形成するエッチングマスクパターン形成工程と、
前記ニオブ酸系強誘電体薄膜に対してキレート剤のアルカリ水溶液と過酸化水素水とを含むエッチング液を用いたウェットエッチングを行うことによって、前記ニオブ酸系強誘電体薄膜に所望パターンの微細加工を行う強誘電体薄膜エッチング工程とを有し、
前記ニオブ酸系強誘電体がニオブ酸カリウムナトリウムであり、
前記キレート剤がエチレンジアミン四酢酸類またはジエチレントリアミン五酢酸であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記アルカリ水溶液は、アンモニア水溶液であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記エチレンジアミン四酢酸類は、エチレンジアミン四酢酸、エチレンジアミン四酢酸・二ナトリウム塩二水和物、エチレンジアミン四酢酸・三ナトリウム塩三水和物、エチレンジアミン四酢酸・四ナトリウム塩四水和物、エチレンジアミン四酢酸・二カリウム塩二水和物、エチレンジアミン四酢酸・三カリウム塩二水和物、およびエチレンジアミン四酢酸・二アンモニウム塩から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記強誘電体薄膜エッチング工程は、前記エッチング液の温度が45℃以上100℃未満であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記下部電極膜は、白金であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記ニオブ酸系強誘電体薄膜は、結晶系が擬立方晶または正方晶であり主表面が(0 0 1)面に優先配向するようにスパッタ法により形成されることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
前記基板は、その表面に熱酸化膜を有するシリコン基板であることを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法において、
所望パターンに微細加工された前記ニオブ酸系強誘電体薄膜上に上部電極を形成する上部電極形成工程と、
前記上部電極が形成されたニオブ酸系強誘電体薄膜を具備する前記基板からチップ状のニオブ酸系強誘電体薄膜素子を切り出すダイシング工程とを更に有することを特徴とするニオブ酸系強誘電体薄膜素子の製造方法。
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