JP6992239B2

JP6992239B2 - 車載用ｐｚｔ薄膜積層体の製造方法

Info

Publication number: JP6992239B2
Application number: JP2017176506A
Authority: JP
Inventors: 宏樹小林; 達朗露木; 武人神保
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: JP2019052348A

Description

本発明は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いたＰＺＴ薄膜積層体を製造する技術に関する。

優れた圧電性，強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）即ちＰＺＴからなる薄膜は、ＭＥＭＳ技術との融合により、圧電素子等の種々のデバイスが実用化されつつある。
このようなデバイスとして、近年、例えば車載用のセンサやミラーデバイスなどに応用が広がっている。

ＰＺＴ薄膜は、真空中でスパッタリングによって容易に形成することができるが、このようなＰＺＴ薄膜は、例えば車両に搭載した場合等において温度が１００～１５０℃の高温環境下となった場合に、室温環境下に比べて絶縁耐圧及び耐疲労特性が低下するという課題がある。
そこで、近年、例えば１００℃を超える温度下においてＰＺＴ薄膜の絶縁耐圧及び耐疲労特性を向上させることが要望されている。

国際公開第２０１５／１３７１９８号

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スパッタリングによって形成されるＰＺＴ薄膜層において、高温環境下における絶縁耐圧及び耐疲労特性を向上させる技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、ＰＺＴ薄膜積層体を製造する方法であって、半導体基体上に、白金密着層を介して設けられた白金電極層と、当該白金電極層上に設けられたバッファ層とを有する基板を用意し、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用い、前記バッファ層上にスパッタリングによってＰＺＴ薄膜層を形成する工程を有するＰＺＴ薄膜積層体の製造方法である。
本発明では、前記ＰＺＴターゲットにおける前記イットリウムのドープ量が、ＰＺＴ１００atm％に対して０．１atm％以上５atm％以下である場合にも効果的である。

本発明によれば、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用い、バッファ層上にスパッタリングによってＰＺＴ薄膜層を形成することにより、酸素空孔の抑制が可能となるため、高温環境下において絶縁耐圧及び耐疲労特性を向上させることができる。

（ａ）（ｂ）：本発明によって製造されるＰＺＴ薄膜積層体の例の概略構成を示す断面図（ａ）：室温環境下における実施例及び比較例の絶縁耐圧の測定結果を示すグラフ（ｂ）：１１０℃の環境下における実施例及び比較例の絶縁耐圧の測定結果を示すグラフ

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、本発明によって製造されるＰＺＴ薄膜積層体の例の概略構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、本例のＰＺＴ薄膜積層体１は、半導体基体であるＳｉ基板１０上に形成された酸化珪素（ＳiＯ₂）層３上に、チタン酸化物（ＴｉＯ_X）層４と、白金（Ｐｔ）電極層５と、バッファ層（シード層）６と、ＰＺＴ薄膜層７とが、この順序で形成されているものである。

ここで、ＴｉＯ_x層４は、白金電極層（以下「Ｐｔ電極層」という。）５に対して密着する白金密着層として機能するものである。
なお、Ｐｔ電極層５は、デバイスが構成された場合に下部電極層として機能するもので、その場合には、図１（ｂ）に示すように、ＰＺＴ薄膜層７上に上部電極層８が設けられる。

本例のＰＺＴ薄膜積層体１を製造するには、例えば、Ｓｉ基板１０上に、ＳｉＯ₂層３と、ＴｉＯ_x層４と、Ｐｔ電極層５がこの順序で形成された基板を用意する。
そして、この基板のＰｔ電極層５の表面に、例えばＬａＮｉＯ₃からなるバッファ層６を形成する。

このバッファ層６は、例えばＲＦスパッタリング法によって形成することができる。
この場合、スパッタリングターゲットとしてＬａＮｉＯ₃ターゲットを用い、スパッタガスである例えばアルゴンガス中において、高周波電力（例えば１３．５６ＭＨｚ）を印加してスパッタリングを行う。

スパッタリングの際の基板温度は、特に限定されることはないが、配向制御を確実に行う観点からは、５００℃より低い温度に設定することが好ましい。
例えば、３００℃以上４８５℃以下に設定することが好ましい。

さらに、ＰＺＴ薄膜層７は、ＲＦスパッタリング法によって形成することができる。
本発明では、スパッタリングターゲットとして、イットリウム（Ｙ）をドープしたＰＺＴターゲットを用いる。

本発明の場合、ＰＺＴターゲットにおけるイットリウムのドープ量は特に限定されることはないが、ＰＺＴ１００atm％に対して０．２atm％以上５atm％以下に設定することが好ましく、より好ましくはＰＺＴ１００atm％に対して１atm％以上５atm％以下である。

ＰＺＴターゲットにおけるイットリウムのドープ量がＰＺＴ１００atm％に対して０．２atm％未満であると、本発明の効果を十分に発揮することができず、５atm％を超えると、絶縁耐圧が下がる場合がある。

成膜条件は、スパッタガスである例えばアルゴンガス中において、高周波電力（例えば１３．５６ＭＨｚ）を印加してスパッタリングを行う。

スパッタリングの際の基板温度は、特に限定されることはないが、絶縁耐圧を向上させる観点からは、５００℃より低い温度に設定することが好ましい。
例えば、４３０℃以上４８５℃以下に設定することが好ましい。

また、ＰＺＴ薄膜層７の厚さは特に限定されることはないが、生産性を確保しつつ膜質を向上させる観点からは、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さに形成することが好ましい。

以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
〔実施例〕
＜バッファ層の形成＞
直径８インチのＳｉ基板上に、厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂層と、白金密着層である厚さ３５ｎｍのＴｉＯ_x層と、厚さ１００ｎｍのＰｔ電極層がこの順序で形成された評価用基板を用いた。

この評価用基板を用い、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、Ｐｔ電極層の表面に、膜厚１００ｎｍのＬａＮｉＯ₃からなるバッファ層を形成した。
この場合、スパッタリングターゲットとしてＬａＮｉＯ₃ターゲットを用い、スパッタガスとしてアルゴンガスを用いて圧力０．５Ｐａとした。
また、スパッタリングの際の基板温度は３５０℃となるように制御した。

＜ＰＺＴ薄膜層の形成＞
ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、上記評価用基板のＬａＮｉＯ₃からなるバッファ層の表面に、膜厚１μｍのＰＺＴ薄膜層を形成した。

この場合、スパッタリングターゲットとして、イットリウムのドープ量がＰＺＴ１００atm％に対して１atm％であるＰＺＴターゲットを用いた。
成膜条件は、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、圧力０．５Ｐａとした。
また、スパッタリングの際の基板温度は４８５℃となるように制御した。

〔比較例〕
スパッタリングターゲットとして、イットリウムをドープしないＰＺＴターゲットを用いた以外は実施例と同一の条件でＰＺＴ薄膜層を形成した。

［評価結果］
＜ＰＺＴ薄膜層の圧電特性の評価＞
実施例及び比較例によって形成したＰＺＴ薄膜層上に、上部電極層としてＰｔを用いたＭＩＭ（metal-insulator-metal）構造のサンプルを形成し、圧電特性の評価を行った。その結果を表１に示す。

表１に示すように、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用いた実施例は、イットリウムをドープしないＰＺＴターゲットを用いた比較例に比べて圧電定数の値が若干低下したが、実用上問題のない範囲であった。

＜ＰＺＴ薄膜層の高温絶縁耐圧の評価＞
実施例及び比較例によって形成したＰＺＴ薄膜層に対し、上部電極層としてＰｔを用いた上記ＭＩＭ構造のサンプル素子を形成し、このサンプル素子をヒータで温めながら、Ｉ－Ｖ測定を行うことにより、室温及び１１０℃の環境下における絶縁耐圧をそれぞれ測定した。その結果を図２（ａ）（ｂ）に示す。

図２（ａ）に示すように、室温環境下における絶縁耐圧について、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用いた実施例と、イットリウムをドープしないＰＺＴターゲットを用いた比較例とは、リーク電流密度の値の差が殆ど見られなかった。

これに対し、図２（ｂ）に示すように、１１０℃の環境下における絶縁耐圧については、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用いた実施例は、イットリウムをドープしないＰＺＴターゲットを用いた比較例に比べ、リーク電流密度の値が相当小さくなっていることが見てとれる。

以上より、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用いてＰＺＴのスパッタ成膜を行うことにより、高温環境下における絶縁耐圧が向上することが確認された。

＜ＰＺＴ薄膜層の高温耐疲労特性の評価＞
実施例及び比較例によって形成したＰＺＴ薄膜層に対し、上部電極層としてＰｔを用いた上記ＭＩＭ構造を形成し、耐疲労特性の評価を行った。

この場合、室温及び１１０℃の環境下においては、スイッチングサイクルの周波数１００ｋＨｚ、電圧＋２０Ｖの矩形波（疲労波形）を継続的に印加し続け、１０ⁿサイクル（ｎは自然数）あたり３回の割合で、周波数１００ｋＨｚ、電圧＋２０Ｖ～－１０Ｖの三角波（測定波形）を印加し、ヒステリシス測定における飽和分極値Ｐmaxの値（正規化値）をそれぞれ測定した。

そして、この飽和分極値Ｐmaxの値が急激に低下したスイッチングサイクル数を基準値として耐疲労特性の評価を行った。その結果を表１に示す。
表１に示すように、室温の環境下では、実施例及び比較例ともに、スイッチングサイクル数が１×１０¹¹サイクルより大きい場合であっても、飽和分極値Ｐmaxの値に変化は見られなかった。

一方、１１０℃の環境下では、比較例の場合、スイッチングサイクル数が１×１０⁹サイクル以上において、飽和分極値Ｐmaxの値が急激に低下した。
これに対し、実施例の場合、スイッチングサイクル数が４×１０¹⁰サイクル以上において、飽和分極値Ｐmaxの値が急激に低下した。

以上より、イットリウムをドープしたＰＺＴターゲットを用いてＰＺＴのスパッタ成膜を行うことにより、高温環境下における耐疲労特性が向上することが確認された。

以上の結果により、本発明によれば、良好な圧電定数を維持しつつ、ＰＺＴ薄膜層の高温環境下における絶縁耐圧及び耐疲労特性を向上させることができることを確認できた。

１…ＰＺＴ薄膜積層体
３…ＳiＯ₂層
４…ＴｉＯ_X層（白金密着層）
５…白金（Ｐｔ）電極層
６…バッファ層
７…ＰＺＴ薄膜層
８…上部電極層
１０…Ｓｉ基板（半導体基体）

Claims

車載用ＰＺＴ薄膜積層体を製造する方法であって、
半導体基体上に、白金密着層を介して設けられた白金電極層と、当該白金電極層上に設けられたバッファ層とを有する基板を用意し、
イットリウムをＰＺＴ１００atm％に対して０．２atm％以上５atm％以下の量ドープしたＰＺＴターゲットを用い、前記バッファ層上に４３０℃以上４８５℃以下に設定された基板温度でスパッタリングによってＰＺＴ薄膜層を形成する工程を有する車載用ＰＺＴ薄膜積層体の製造方法。