JP6720665B2 - 強誘電体素子及びその製造方法 - Google Patents

強誘電体素子及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6720665B2
JP6720665B2 JP2016083845A JP2016083845A JP6720665B2 JP 6720665 B2 JP6720665 B2 JP 6720665B2 JP 2016083845 A JP2016083845 A JP 2016083845A JP 2016083845 A JP2016083845 A JP 2016083845A JP 6720665 B2 JP6720665 B2 JP 6720665B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
metal
ferroelectric
metal substrate
insulating film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016083845A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017195249A (ja
Inventor
顕鋒 陳
顕鋒 陳
マイクスナー メラニー
マイクスナー メラニー
ヴェダー クリスティアン
ヴェダー クリスティアン
シュネラー テオドーア
シュネラー テオドーア
ブトガー ウルリッヒ
ブトガー ウルリッヒ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2016083845A priority Critical patent/JP6720665B2/ja
Priority to US15/487,563 priority patent/US10801113B2/en
Publication of JP2017195249A publication Critical patent/JP2017195249A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6720665B2 publication Critical patent/JP6720665B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • C23C14/081Oxides of aluminium, magnesium or beryllium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/36Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including layers graded in composition or physical properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/028Physical treatment to alter the texture of the substrate surface, e.g. grinding, polishing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C23C14/185Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221Ion beam deposition
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/28Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • C23C14/5806Thermal treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/1208Oxides, e.g. ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1254Sol or sol-gel processing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1291Process of deposition of the inorganic material by heating of the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1295Process of deposition of the inorganic material with after-treatment of the deposited inorganic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/322Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer only coatings of metal elements only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/005Electrodes
    • H01G4/008Selection of materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/018Dielectrics
    • H01G4/06Solid dielectrics
    • H01G4/08Inorganic dielectrics
    • H01G4/12Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1236Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on zirconium oxides or zirconates
    • H01G4/1245Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on zirconium oxides or zirconates containing also titanates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/33Thin- or thick-film capacitors 
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G7/00Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture
    • H01G7/06Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture having a dielectric selected for the variation of its permittivity with applied voltage, i.e. ferroelectric capacitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/55Capacitors with a dielectric comprising a perovskite structure material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/60Electrodes
    • H01L28/65Electrodes comprising a noble metal or a noble metal oxide, e.g. platinum (Pt), ruthenium (Ru), ruthenium dioxide (RuO2), iridium (Ir), iridium dioxide (IrO2)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

本発明は、強誘電体素子及びその製造方法に関する。
強誘電体素子は、例えば、強誘電メモリデバイス、センサ、アクチュエータ等の広い用途に使用可能な材料として関心が寄せられている。その中で世の中で一番広く使われている材料はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)である。現在、強誘電体素子を構成する強誘電体膜はシリコン基板上に形成されているが、埋め込み式キャパシタ装置または撓むことができるウェアラブル装置への適用が可能な他の構造が所望されている。
金属基板の上に強誘電体膜を形成することはこれまでにも行われており、文献で幾つか報告されているが、具体的に商品化することが困難である。商品化することが困難な主な理由としては、強誘電体膜を作製する時、特にPZTのような、蒸発しやすい元素(例えばPb)を含み、かつ、酸素雰囲気で加熱処理が必須な強誘電体膜を形成する場合、試料の撓みが発生して試料全体の平坦性が悪化したり、金属基板が酸化したりする問題が発生する点が挙げられる(例えば、非特許文献1参照)。
平坦性が悪化するとその上に成膜等を行う場合に精密なプロセスが実行できず、金属基板が酸化すると強誘電体膜の特性が悪くなる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、平坦性と良好な特性とを兼ね備えた強誘電体素子の製造方法を提供することを課題とする。
本強誘電体素子の製造方法は、金属基板の一方の面上にEB蒸着法またはスパッタ法により絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に、スパッタ法により金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記金属基板、前記絶縁膜、及び前記金属膜を含む構造体を300℃よりも高い温度で加熱処理する加熱工程と、前記加熱工程後に、前記金属膜上にゾルゲル法で強誘電体膜を形成する強誘電体膜形成工程と、を有し、前記金属基板として、FeとNiを含み、Niの含有量が30%以上40%以下である基板を用いることを要件とする。
開示の技術によれば、平坦性と良好な特性とを兼ね備えた強誘電体素子の製造方法を提供できる。
第1の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。 第1の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。 第1の実施の形態の変形例1に係る強誘電体素子を例示する断面図である。 第1の実施の形態の変形例2に係る強誘電体素子を例示する断面図である。 第2の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。 第2の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。 本実施例で作製した強誘電体素子の外観を示す写真である。 本実施例で作製した強誘電体素子のP−Eヒステリシス曲線を示すグラフである。 比較例3で作製した強誘電体素子の外観を示す写真である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図1を参照するに、第1の実施の形態に係る強誘電体素子1は、金属基板11と、絶縁膜12と、金属膜13と、強誘電体膜14と、上部電極15とを有している。
金属基板11の厚さは、例えば、10μm以上100μm以下とすることが好ましい。金属基板11の厚さを100μm以下とすることにより、フレキシブルな強誘電体素子1を実現できる。
金属基板11は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)の何れか1つ以上の金属を含む基板であることが好ましい。特に、金属基板11は、FeとNiを含み、Niの含有量が30%以上40%以下であることが好ましい。また、金属基板11の室温での熱膨張率が5×10−6/K以下であることが好ましい。
本実施の形態では、金属基板11として、室温での熱膨張率が、強誘電体膜14の室温での熱膨張率の50%以下である材料を用いる。ここで、室温とは、27℃±10℃を意味する(以降同様)。
例えば、強誘電体膜14としてPZT結晶膜を用いた場合には、金属基板11としては、Feに36%程度のNiを添加した合金であるインバー(以下、Ni36%−Feのインバーとする)を用いることができる。また、Feに31%程度のNiと5%程度のCoを添加した合金であるスーパーインバー(以下、Ni31%−Co5%−Feのインバーとする)を用いてもよい。但し、これらには限定されない。
PZT結晶膜の室温での熱膨張率は9×10−6/K程度である。また、Ni36%−Feのインバーの室温での熱膨張率は、1×10−6/K程度である。また、Ni31%−Co5%−Feのインバーの室温での熱膨張率は、0.1×10−6/K程度である。
なお、PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体であり、PbZrOとPbTiOの比率によって、PZTの特性が異なる。例えば、PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。
金属基板11の一方の面は、表面粗さRzが0.5μm以下(例えば、Rz=0.08μm程度)に研磨(鏡面研磨)されており、研磨された面上に、絶縁膜12、金属膜13、強誘電体膜14、及び上部電極15が順次積層されている。なお、金属基板11の一方の面に加え、他方の面(裏面)が研磨されていてもよい。すなわち、金属基板11として、片方研磨された基板を用いてもよいし、両面研磨された基板を用いてもよい。
絶縁膜12の材料は、金属基板11と金属膜13とを絶縁できれば特に限定されない。絶縁膜12の材料としては、例えば、アルミナ膜(Al膜)、シリコン窒化膜(Si膜)、シリコン酸化膜(SiO膜)等を用いることができる。或いは、Ti、Zr、Cr、Mg、Al、Siの元素を含む絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜12の膜厚は、特に限定されないが、例えば、10〜2000nm程度とすることができる。
金属膜13は、下部電極として機能する部分である。金属膜13の材料としては、特に限定されないが、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、チタン(Ti)、ロジウム(Rh)の何れか1つ以上の金属を含む金属膜が挙げられる。また、前記何れか1つ以上の金属の合金を含む金属合金膜、または、前記金属膜若しくは前記金属合金膜を任意に選択して複数層積層した積層膜等が挙られる。金属膜13の膜厚(積層膜の場合には総厚)は、100nm以上500nm以下とすることが好ましい。
ここで、金属膜13の膜厚を100nm以上とするのは、金属膜13の膜厚が100nm未満であると、後述のように、大きなリーク電流が発生するおそれがあるためである。また、金属膜13の膜厚を500nm以下とするのは、500nmより厚くしてもリーク電流の更なる抑制効果を得ることはできず、コストアップのマイナス効果が生じるためである。
強誘電体膜14としては、Pbを含有する強誘電体膜を用いてもよいし、Pbを含有しない強誘電体膜を用いてもよい。強誘電体膜14としては、ABO型の材料を用いることができる。ABO型の材料とは、一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物である。ABO型の材料としては、例えば、前述のPZTやチタン酸バリウム等が挙げられる。
上部電極15の材料は、特に限定されないが、例えば、金属膜13の材料として例示した材料を用いることができる。上部電極15の膜厚は、特に限定されないが、例えば、100〜300nm程度とすることができる。
次に、強誘電体素子1の製造方法について説明する。図2は、第1の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。
まず、図2(a)に示す工程では、支持体となる金属基板11を準備し、金属基板11の一方の面を研磨(鏡面研磨)する。研磨は、例えば、バフ研磨等により行うことができる。研磨前の金属基板11の表面粗さは例えばRz=0.6μm程度であり、研磨後の表面粗さはRzが0.5μm以下(例えば、Rz=0.08μm程度)となる。研磨後、アセトン等を用いて金属基板11の表面を超音波洗浄することが好ましい。なお、金属基板11としては、室温での熱膨張率が、後工程で形成する強誘電体膜14の室温での熱膨張率の50%以下である基板を用いる。金属基板11の材料や厚さの具体例は前述の通りである。
研磨後、例えばEB(Electron Beam)蒸着法より、金属基板11の一方の面(研磨面)上に、300℃以下の温度条件下(例えば、室温)で絶縁膜12を形成する。絶縁膜12の材料や膜厚は前述の通りである。
次に、図2(b)に示す工程では、例えばスパッタ法により、絶縁膜12上に、300℃以下の温度条件下(例えば、150℃)で金属膜13を形成する。金属膜13の材料や膜厚は前述の通りである。
このように300℃以下の温度条件下で、絶縁膜12の蒸着工程及び金属膜13の積層工程を行うことにより、金属基板11の酸化を避けることができる。その結果、金属基板11の組成物(例えば、Ni、Fe等)が金属膜13の表面へ拡散することを抑制できる。また、絶縁膜12を構成するアルミナ膜(Al膜)等は、金属基板11及び金属膜13との密着性が良いので、金属膜13の形成プロセス中に、金属膜13が絶縁膜12から剥離することを防止できる。
なお、金属基板11の酸化により、金属基板11の組成物が金属膜13の表面へ拡散すると、後述の比較例1で示すように絶縁膜12の膜剥がれに繋がり、最終的には強誘電体素子1の特性の悪化として表れる。
次に、金属基板11、絶縁膜12、及び金属膜13を含む構造体をホットプレート等により300℃よりも高い温度(例えば、300℃より高く500℃より低い温度)で加熱処理する。この加熱工程は必須の工程ではないが、加熱工程を設けることにより、結晶性がよい金属膜13を形成することができる。結晶性がよい金属膜13を形成することにより、後工程で、金属膜13上に結晶性がよい強誘電体膜14を形成することができる。
なお、金属基板11上に絶縁膜12及び金属膜13を積層後に、金属基板11、絶縁膜12、及び金属膜13を含む構造体を300℃よりも高い温度で加熱処理しても、上記の金属基板11の酸化の問題は生じない。これは、金属基板11上に形成された各膜が表面から金属基板11への酸素の侵入を遮断するためである。
次に、図2(c)に示す工程では、金属膜13上にゾルゲル法で強誘電体膜140を形成する。強誘電体膜140は、複数層積層して厚膜化することにより強誘電体膜14となる層である。強誘電体膜140は、酸素が存在する雰囲気中で形成することが好ましい。これは、強誘電体膜140中の酸素欠陥を低減するためである。
強誘電体膜140としてPZT膜を形成する場合には、例えば、出発材料である酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、及びチタンアルコキシド化合物を共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させて、均一溶媒であるPZT前駆体溶液(PZTゾルゲル液)を合成する。そして、例えば、スピンコート法により、金属膜13上にPZT前駆体溶液を塗布してPZT塗布膜を形成する。なお、合成したPZT前駆体溶液の複合酸化物固体分濃度は、例えば、0.5モル/リットル以下程度とすることができる。
次に、絶縁膜12、金属膜13、及びPZT塗布膜が形成された金属基板11を、例えばホットプレート(図示せず)上に載置し、例えば、220℃程度に加熱する。これにより、溶媒が蒸発し、PZT塗布膜は熱分解され、固体のPZTアモルファス膜(非晶質の酸化物膜)となる。次に、電気炉やRTA(Rapid Thermal Annealing)装置等で600〜700℃で3分程度加熱処理することにより、PZTアモルファス膜は強誘電体膜140であるPZT結晶膜となる。なお、一回の処理で形成できる強誘電体膜140の膜厚は30nm〜80nm程度である。
次に、図2(d)に示す工程では、図2(c)に示す工程を繰り返して膜厚30nm〜80nm程度の強誘電体膜140を順次積層して厚膜化し、所望の膜厚の強誘電体膜14(例えば、PZT結晶膜)を形成する。強誘電体膜14の膜厚は、例えば、600nm程度とすることができる。
次に、図2(e)に示す工程では、強誘電体膜14上に、上部電極15として、所定の電極パターンとされた膜厚200nm程度の白金膜(Pt膜)等を積層する。上部電極15は、例えば、メタルマスクを使ってスパッタ法により所定の電極パターンに形成できる。以上の工程により、図1に示す強誘電体素子1が完成する。
このように、強誘電体素子1において、金属基板11として室温での熱膨張率が強誘電体膜14の室温での熱膨張率の50%以下である材料を用いることにより、製造工程中での金属基板11の伸縮が抑制できる。そのため、作製された強誘電体素子1は、撓みが殆どない良好な平坦性と、良好な電気特性(例えば、P−E曲線)を得ることができる。なお、金属基板11の表面の平坦性が良好であるため、その上に積層する各膜の表面の平坦性も良好となる。
また、金属基板11の膜厚を100μm以下とすることにより、フレキシブルな強誘電体素子1を実現できる。平坦性及び電気特性が良好でフレキシブルな強誘電体素子1は、例えば、センサ、キャパシタ、アクチュエータ、エナジーハーベスト等の広い領域に応用できる。この場合、下部電極となる金属膜13と上部電極15から配線を引き出して外部回路と接続する。
〈第1の実施の形態の変形例1〉
図3は、第1の実施の形態の変形例1に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図3を参照するに、第1の実施の形態の変形例1に係る強誘電体素子2では、絶縁膜12と金属膜13との間に絶縁膜16が追加された点が、強誘電体素子1(図1参照)と相違する。つまり、金属基板11上に形成される絶縁膜が、絶縁膜12と絶縁膜16との積層構造とされている。
絶縁膜12及び16としては、例えば、アルミナ膜(Al膜)、シリコン窒化膜(Si膜)、シリコン酸化膜(SiO膜)等を適宜組み合わせることができる。絶縁膜12の膜厚は100nm程度が好ましく、絶縁膜16の膜厚は150nm程度が好ましい。
絶縁膜12及び16を形成するには、まず、金属基板11の一方の面上に絶縁膜12をスパッタ法等で形成し、更に絶縁膜12上に絶縁膜16をスパッタ法等で形成すればよい。絶縁膜12及び16は、300℃以下の温度条件下(例えば、室温)で形成することが好ましい。強誘電体素子2において、その他の製造工程は、図2に示した各工程と同様である。
このように、金属基板11上に形成される絶縁膜を絶縁膜12と絶縁膜16との積層構造とすることで、各層の材料や膜厚の選定により強誘電体素子2の内部の応力調整ができるので、平坦性がよりよい強誘電体素子を作製できる。その他の効果については、第1の実施の形態と同様である。
〈第1の実施の形態の変形例2〉
図4は、第1の実施の形態の変形例2に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図4を参照するに、第1の実施の形態の変形例2に係る強誘電体素子3では、金属膜13と強誘電体膜14との間にシード膜17が追加された点が、強誘電体素子1(図1参照)と相違する。
シード膜17としては、例えば、膜厚50nm程度のSrRuO膜等を用いることができる。シード膜17は、例えば、スパッタ法により形成できる。強誘電体素子3において、その他の製造工程は、図2に示した各工程と同様である。
このように、シード膜17としてSrRuO膜を用いることにより、シード膜17上に、強誘電体膜14として(111)配向があるPZT結晶膜を作製できる。その他の効果については、第1の実施の形態と同様である。なお、この場合、SrRuO膜とPZT結晶膜の積層構造が強誘電体膜として機能する。
シード膜17はSrRuO膜に限らず、要求される配向に応じて、他のシード膜、例えばIrO、LaNiO、PbTiO等の膜を用いても構わない。なお、シード膜17を設けない場合には、強誘電体膜14はランダムな配向となる。
〈第2の実施の形態〉
図5は、第2の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図5を参照するに、第2の実施の形態に係る強誘電体素子4では、金属膜13上に部分的に強誘電体膜14が形成され、強誘電体膜14の周囲にPZTアモルファス膜18が形成された点が、強誘電体素子1(図1参照)と相違する。
図6は、第2の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。まず、図2(a)及び図2(b)と同様の工程を実行する。その後、図6(a)に示す工程では、酸素が存在する雰囲気中で、金属膜13上にPZTアモルファス膜18を形成する。
具体的には、図2(c)と同様の工程と同様にしてPZT前駆体溶液(PZTゾルゲル液)を合成し、例えば、スピンコート法により、金属膜13上にPZT前駆体溶液を塗布してPZT塗布膜を形成する。なお、合成したPZT前駆体溶液の複合酸化物固体分濃度は、例えば、0.5モル/リットル以下程度とすることができる。
次に、絶縁膜12、金属膜13、及びPZT塗布膜が形成された金属基板11を、例えばホットプレート(図示せず)上に載置し、例えば、220℃程度に加熱する。これにより、溶媒が蒸発し、PZT塗布膜は熱分解され、固体のPZTアモルファス膜18(非晶質の酸化物膜)となる。
次に、図6(b)に示す工程では、金属基板11をレーザ照射によって部分的に加熱することにより、PZTアモルファス膜18を局部的に加熱し(レーザアニール処理し)、強誘電体膜140であるPZT結晶膜を形成する。具体的には、例えば、図6(a)に示す構造体をステージ上に載置し、ステージを移動しながらフラットトップを持つ連続発振のレーザ光L(例えば、波長980nm付近)を半導体レーザから局部的に照射して、PZTアモルファス膜18の結晶化を行う。なお、レーザ光Lを照射しない領域は、PZTアモルファス膜18のままである。また、一回の処理で形成できる強誘電体膜140の膜厚は30nm〜80nm程度である。
金属基板11に照射されるレーザ光Lのビーム形状は、例えば、略長方形とすることができる。レーザ光Lのビームサイズは、例えば、1mm×0.35mmとすることができる。レーザ光Lのエネルギー密度は、例えば、10〜1×10W/cm程度とすることができる。レーザ光Lの照射時間は、例えば、1ms〜1s程度とすることができる。
例えば、金属基板11がNi36%−Feのインバーである場合、波長980nm付近の吸収係数が非常に大きく、1×10cm−1程度である。従って、金属基板11に侵入したレーザ光Lは深さが100nm以内の領域に吸収されて、熱に変わる。熱はPZTアモルファス膜18側に拡散し、熱分解処理された膜を加熱して、結晶化させる。
ここで、金属基板11の厚みは100μm以下(例えば、50μm程度)で、絶縁膜12の膜厚は30nm程度しかないので、各層の裏面から表面へ拡散する熱はロスが少ない状態で表面側に到達できる。
次に、図6(c)に示す工程では、図6(b)に示す工程を繰り返して膜厚30nm〜80nm程度の強誘電体膜140を順次積層して厚膜化し、所望の膜厚の強誘電体膜14(ここでは、PZT結晶膜)を形成する。強誘電体膜14の膜厚は、例えば、600nm程度とすることができる。なお、レーザ光Lを照射しない領域は、PZTアモルファス膜18のままである。
金属基板11がNi36%−Feのインバーである場合、金属基板11の熱膨張率は、室温において僅か1×10−6/K程度であるので、レーザを用いて局部加熱しても、平坦性の良い強誘電体素子が得られる。また、局部加熱法を利用して、少ない消費電力で結晶化できるので、コストダウンにつながる。また、光の制御によって直接結晶パターンを形成できる点で好適である。更に、局部加熱により他の素子に影響を与えることなく結晶化できるので、強誘電体素子を他の素子と容易に集積できる。
なお、本実施の形態では、連続発振のレーザ光を用いる例を説明したが、パルス発振のレーザ光を用いてもよい。また、波長980nm付近のレーザ光に代えて、他の波長のレーザ光を用いてもよい。また、半導体レーザに代えて、レーザ媒質が異なる他のレーザを用いてもよい。
また、局部加熱用の光源として、レーザに代えて、例えば、赤外線、マイクロ波等の電磁波を用いてもよい。局部加熱用の光源は、金属基板11の裏面側から照射する必要はなく、強誘電体膜14側から照射しても構わない。
また、本実施の形態では、強誘電体膜14がPZTである場合について説明したが、強誘電体膜14は第1の実施の形態で例示した他の材料(チタン酸バリウム等)であってもよい。
〈実施例〉
実施例1では、図1に示す強誘電体素子1を作製した。具体的には、金属基板11として膜厚50μm程度のNi36%−Feのインバーの金属箔を準備し、金属基板11の一方の面を研磨(鏡面研磨)した。研磨前の金属基板11の表面粗さはRz=0.6μm程度であり、研磨後の表面粗さは例えばRz=0.08μm程度となった。研磨後、アセトンを用いて金属基板11の表面を超音波洗浄した。超音波洗浄後、室温で、EB蒸着法より、金属基板11の一方の面(研磨面)上に、絶縁膜12として、膜厚30nm程度のアルミナ膜(Al膜)を形成した(図2(a)参照)。
次に、150℃以下の温度条件下で、スパッタ法により、絶縁膜12上に、金属膜13として、膜厚200nm程度の白金膜(Pt膜)を積層した。そして、金属基板11上に絶縁膜12及び金属膜13が順次積層された構造体をホットプレートにより、300℃より高く500℃より低い温度で加熱処理した(図2(b)参照)。
次に、図2(c)を参照して説明したようにPZT前駆体溶液(PZTゾルゲル液)を合成し、スピンコート法により、金属膜13上にPZT前駆体溶液を塗布してPZT塗布膜を形成した。そして、絶縁膜12、金属膜13、及びPZT塗布膜が形成された金属基板11を、ホットプレート上に載置し、220℃程度に加熱して溶媒を蒸発させ、PZT塗布膜を熱分解して固体のPZTアモルファス膜を形成した。次に、RTA装置で600〜700℃で3分程度加熱処理し、PZTアモルファス膜を強誘電体膜140であるPZT結晶膜とした(図2(c)参照)。
次に、上記の工程を繰り返して強誘電体膜140を順次積層して厚膜化し、膜厚600nm程度の強誘電体膜14を形成した(図2(d)参照)。次に、強誘電体膜14上に、メタルマスクを使ってスパッタ法により、上部電極15として、所定の電極パターンとされた膜厚200nm程度の白金膜(Pt膜)を積層した。以上の工程により、図1に示す強誘電体素子1が完成した。
強誘電体素子1において、金属基板11(Ni36%−Feのインバー)の室温での熱膨張率は1×10−6/K程度である。これに対して、強誘電体膜14(PZT結晶膜)の室温での熱膨張率は9×10−6/K程度である。つまり、金属基板11(Ni36%−Feのインバー)の室温での熱膨張率は、強誘電体膜14(PZT結晶膜)の室温での熱膨張率の11%程度であり、第1の実施の形態で説明した『金属基板11の室温での熱膨張率が、強誘電体膜14の室温での熱膨張率の50%以下である』という条件を十分に満足している。
これにより、製造工程中での金属基板11の伸縮が抑制できるため、作製された強誘電体素子1は、図7に示すように撓みが殆どなく平坦であり、図8に示すように良好なP−E曲線を得ることができた。なお、発明者らに検討によれば、金属基板11の室温での熱膨張率が強誘電体膜14の室温での熱膨張率の50%以下であれば、上記と同様に、撓みが殆どなく平坦で、良好なP−E曲線を得られることが確認されている。
〈比較例1〉
比較例1では、実施例1に係る強誘電体素子1において、絶縁膜12として酸化チタン膜(TiO膜)を用いた。酸化チタン膜は、150℃の温度条件下でスパッタ法で蒸着したチタン膜(Ti膜)を700℃で酸化処理して得た。
このように作製した強誘電体素子の表面には大きな粒状構造が見え、膜剥離が発生している箇所もあった。これは、Ti膜を700℃で酸化処理する時に、金属基板11も酸化されてしまうことが原因である。金属基板11中のNiまたはFeは、拡散効果によって金属膜の表面に集まって大きな酸化物粒になる。この粒構造の存在は部分的に絶縁膜である酸化チタン膜(TiO膜)の密着性を壊して、膜剥がれを引き起こさせたと考えられる。
〈比較例2〉
比較例2では、実施例1に係る強誘電体素子1において、金属膜13として、膜厚が50nmの白金膜(Pt膜)を用いた。この場合、上下電極間でリーク電流が大きく、P−E曲線の評価をすることができなかった。
金属膜13である白金膜の膜厚が研磨後の金属基板11の表面粗さより小さい場合、金属膜13で金属基板11の表面粗さが露出しない程度に全面を覆うことができない。そのため、金属膜13から露出している部分の金属基板11上に絶縁膜12を介して強誘電体膜14が形成され、大きなリーク電流が生じたと考えられる。
〈比較例3〉
比較例3では、実施例1に係る強誘電体素子1において、金属基板11としてPZTの熱膨張率(室温での熱膨張率:9×10−6/K程度)に近いSUS430(室温での熱膨張率:10.5×10−6/K程度)を用いた。
この場合、製膜終了後に、図9に示すように、試料(金属基板及びその上に形成した各膜)が大きく曲がっている。曲がる方向の曲率半径はR=30cm程度である。このような大きな曲り(ベンディング)があると、強誘電体膜の特性が悪くなり、その上に成膜等を行う場合に精密なプロセスが実行できない。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、第2の実施の形態と、第1の実施の形態の変形例1や変形例2とを組み合わせてもよい。
1、2、3、4 強誘電体素子
11 金属基板
12、16 絶縁膜
13 金属膜
14、140 強誘電体膜
15 上部電極
17 シード膜
18 PZTアモルファス膜
J. Micromech. Microeng, 23, 125028(2013)

Claims (15)

  1. 金属基板の一方の面上にEB蒸着法またはスパッタ法により絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
    前記絶縁膜上に、スパッタ法により金属膜を形成する金属膜形成工程と、
    前記金属基板、前記絶縁膜、及び前記金属膜を含む構造体を300℃よりも高い温度で加熱処理する加熱工程と、
    前記加熱工程後に、前記金属膜上にゾルゲル法で強誘電体膜を形成する強誘電体膜形成工程と、を有し、
    前記金属基板として、FeとNiを含み、Niの含有量が30%以上40%以下である基板を用いることを特徴とする強誘電体素子の製造方法。
  2. 前記絶縁膜形成工程よりも前に、前記金属基板の一方の面を研磨する研磨工程を有することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体素子の製造方法。
  3. 前記金属基板の室温での熱膨張率が5×10−6/K以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の強誘電体素子の製造方法。
  4. 前記金属基板はFe、Ni、Co、Pt、Pdの何れか1つ以上の金属を含む基板であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
  5. 前記絶縁膜形成工程は、前記金属基板の一方の面上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
  6. 前記金属膜形成工程は、前記金属膜を100nm以上500nm以下の膜厚で形成することを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
  7. 前記強誘電体膜形成工程は、前記金属基板をレーザ照射により部分的に加熱して前記強誘電体膜を結晶化する工程を含むことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
  8. 前記強誘電体膜形成工程では、酸素雰囲気中で前記強誘電体膜を形成することを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
  9. 金属基板と、
    前記金属基板上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成された金属膜と、
    前記金属膜上に形成された強誘電体膜と、を有し、
    前記金属基板の強誘電体膜を備える側の表面粗さRzは0.5μm以下であり、
    前記金属基板はFeとNiを含み、Niの含有量が30%以上40%以下であることを特徴とする強誘電体素子。
  10. 前記金属基板の室温での熱膨張率が5×10−6/K以下であることを特徴とする請求項に記載の強誘電体素子。
  11. 前記金属基板はFe、Ni、Co、Pt、Pdの何れか1つ以上の金属を含む基板であることを特徴とする請求項または10に記載の強誘電体素子。
  12. 前記金属基板の厚さは100μm以下であることを特徴とする請求項乃至11の何れか一項に記載の強誘電体素子。
  13. 前記金属膜は、Pt、Pd、Ir、Ti、Rhの何れか1つ以上の金属を含む金属膜、前記何れか1つ以上の金属の合金を含む金属合金膜、または、前記金属膜若しくは前記金属合金膜の中から選択した2以上の膜を積層した積層膜であることを特徴とする請求項乃至12の何れか一項に記載の強誘電体素子。
  14. 前記金属膜の膜厚は100nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項乃至13の何れか一項に記載の強誘電体素子。
  15. 前記絶縁膜形成工程は、前記金属基板の一方の面上に前記EB蒸着法または前記スパッタ法により150℃以下の温度条件下で絶縁膜を形成し、
    前記金属膜形成工程は、前記絶縁膜上に、前記スパッタ法により150℃以下の温度条件下で金属膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体素子の製造方法。
JP2016083845A 2016-04-19 2016-04-19 強誘電体素子及びその製造方法 Active JP6720665B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016083845A JP6720665B2 (ja) 2016-04-19 2016-04-19 強誘電体素子及びその製造方法
US15/487,563 US10801113B2 (en) 2016-04-19 2017-04-14 Ferroelectric element and method of manufacturing ferroelectric element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016083845A JP6720665B2 (ja) 2016-04-19 2016-04-19 強誘電体素子及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017195249A JP2017195249A (ja) 2017-10-26
JP6720665B2 true JP6720665B2 (ja) 2020-07-08

Family

ID=60039427

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016083845A Active JP6720665B2 (ja) 2016-04-19 2016-04-19 強誘電体素子及びその製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10801113B2 (ja)
JP (1) JP6720665B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111886687B (zh) * 2018-01-30 2024-02-02 Rnr实验室公司 利用激光束来加热对象物质的加热装置及利用激光的间接加热方法
EP4202076A1 (fr) 2021-12-21 2023-06-28 Omega SA Procédé de dépôt d'un revêtement sur un substrat

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61177785A (ja) * 1985-02-04 1986-08-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> バイモルフ素子
JP3286002B2 (ja) * 1993-03-25 2002-05-27 オリンパス光学工業株式会社 薄膜形成装置
US5555486A (en) * 1994-12-29 1996-09-10 North Carolina State University Hybrid metal/metal oxide electrodes for ferroelectric capacitors
JPH09102587A (ja) 1995-10-05 1997-04-15 Olympus Optical Co Ltd 強誘電体薄膜素子
JP3193302B2 (ja) * 1996-06-26 2001-07-30 ティーディーケイ株式会社 膜構造体、電子デバイス、記録媒体および強誘電体薄膜の製造方法
KR100458084B1 (ko) * 1997-12-27 2005-06-07 주식회사 하이닉스반도체 누설전류가 감소된 하부전극을 갖는 강유전체 커패시터 형성 방법
JP4651138B2 (ja) * 1998-04-30 2011-03-16 旭化成株式会社 酸化亜鉛構造体の製造方法
US6810575B1 (en) * 1998-04-30 2004-11-02 Asahi Kasai Chemicals Corporation Functional element for electric, electronic or optical device and method for manufacturing the same
US7074640B2 (en) * 2000-06-06 2006-07-11 Simon Fraser University Method of making barrier layers
US7298018B2 (en) * 2004-12-02 2007-11-20 Agency For Science, Technology And Research PLT/PZT ferroelectric structure
JP5063892B2 (ja) * 2005-12-20 2012-10-31 富士フイルム株式会社 液体吐出ヘッドの製造方法
US20090110915A1 (en) * 2007-10-24 2009-04-30 Los Alamos National Security, Llc Universal nucleation layer/diffusion barrier for ion beam assisted deposition
JP2010118447A (ja) * 2008-11-12 2010-05-27 Nec Tokin Corp 圧電膜型素子
US8194387B2 (en) * 2009-03-20 2012-06-05 Paratek Microwave, Inc. Electrostrictive resonance suppression for tunable capacitors
JP5533622B2 (ja) 2010-04-14 2014-06-25 三菱マテリアル株式会社 強誘電体薄膜形成用組成物、強誘電体薄膜の形成方法並びに該方法により形成された強誘電体薄膜
JP6119231B2 (ja) 2011-12-29 2017-04-26 株式会社リコー 強誘電体膜の製造方法、液体吐出ヘッドの製造方法、強誘電体膜製造装置、液体吐出ヘッド製造装置
JP6015014B2 (ja) * 2012-01-31 2016-10-26 株式会社リコー 薄膜形成方法、薄膜形成装置、電気−機械変換素子の形成方法、および液体吐出ヘッドの製造方法
JP6357730B2 (ja) 2013-02-05 2018-07-18 株式会社リコー 加熱方法、圧電膜及び圧電素子の製造方法
JP2014177359A (ja) 2013-03-13 2014-09-25 Ricoh Co Ltd 複合酸化物、薄膜容量素子、液滴吐出ヘッド、複合酸化物の製造方法
JP6291755B2 (ja) 2013-09-12 2018-03-14 株式会社リコー パターン形成方法、圧電膜及び圧電素子の製造方法
JP2016032007A (ja) 2014-07-28 2016-03-07 株式会社リコー 圧電膜の製造方法、圧電素子の製造方法、液体吐出ヘッド及び画像形成装置
JP2017063138A (ja) 2015-09-25 2017-03-30 株式会社リコー 圧電体膜、圧電デバイス、圧電体膜の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20170298520A1 (en) 2017-10-19
US10801113B2 (en) 2020-10-13
JP2017195249A (ja) 2017-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4457587B2 (ja) 電子デバイス用基体の製造方法及び電子デバイスの製造方法
TWI293508B (en) Process for producing high quality pzt films for ferroelectric memory integrated circuits
JP4228569B2 (ja) 電子デバイス用基板の製造方法及び電子デバイスの製造方法
KR100671375B1 (ko) 박막 적층체, 그 박막 적층체를 이용한 전자 장치, 및액추에이터와, 액추에이터의 제조 방법
JP4164701B2 (ja) 強誘電体キャパシタ、強誘電体キャパシタの製造方法、強誘電体メモリおよび強誘電体メモリの製造方法
JP2013161896A (ja) 圧電アクチュエータ及びその製造方法
JP6720665B2 (ja) 強誘電体素子及びその製造方法
JP2001085624A (ja) 薄膜積層体、薄膜キャパシタ、およびその製造方法
JP3944917B2 (ja) 酸化物セラミックス薄膜の形成方法
JP5263817B2 (ja) ペロブスカイト構造酸化物の製造方法
JP2006295142A (ja) 圧電素子
JP3608459B2 (ja) 薄膜積層体、強誘電体薄膜素子およびそれらの製造方法
JP2017063138A (ja) 圧電体膜、圧電デバイス、圧電体膜の製造方法
JP3583638B2 (ja) 強誘電体キャパシタおよびその製造方法
JP2009239129A (ja) 強誘電体メモリ素子の製造方法
JP2003264320A (ja) 圧電素子の製造方法
JPH09181369A (ja) 酸化物薄膜構造物および薄膜の製造方法並びに圧電センサー・アクチュエータ
JP2002329844A (ja) 薄膜多層配線回路基板及びその製造方法
JP5699299B2 (ja) 強誘電体膜の製造方法、強誘電体膜及び圧電素子
JP2015146389A (ja) 酸化物結晶膜及びその製造方法
JPH1140869A (ja) 金属−セラミックス積層薄膜および同薄膜の形成方法
JP4245552B2 (ja) 複合酸化物の結晶性薄膜の製造方法
JP2002299576A (ja) 強誘電体薄膜素子の製造方法ならびに強誘電体薄膜素子
JP2004111789A (ja) 強誘電体キャパシタ及びその製造方法
JPH09139474A (ja) 誘電体薄膜素子およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160701

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190227

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20191127

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191203

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200519

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200601

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6720665

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151