JPH0682841U

JPH0682841U - 強誘電体素子

Info

Publication number: JPH0682841U
Application number: JP2266093U
Authority: JP
Inventors: 潤恒吉; 節夫東海林
Original assignee: セイコー電子工業株式会社
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】ＰＺＴ系強誘電体素子のコスト低減。また、
素子の短絡ないし絶縁破壊の発生を抑制する。【構成】ＰＺＴ系強誘電体素子において、下部電極２
の材料として非化学量論組成を含めたチタンの窒化物ま
たは炭化物を用いた。【効果】コストダウンおよび絶縁性を改善した。さら
に、電極とＰＺＴ膜の連続形成による工程と、電極のパ
ターニングの簡素化が期待される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物材料を用いた不揮発性記憶素子、焦電型赤外センサー、電気光学素子、圧電素子等の強誘電体素子の電極材料に係わる。

【０００２】

【従来の技術】

ＰＺＴ系セラミックスを分極処理することで、強誘電性，焦電性，圧電性が発現することは周知の事実である。現在では、圧電体素子として超音波洗浄器やスピーカー、アクチュエータ、圧電トランス等へ広く利用されているが、いずれも焼結体を加工した圧電素子が利用されている。一方、圧電体の駆動電圧低減や、アクチュエータの小型化・微細化という市場のニーズに応えるためには、より薄い圧電体とそれをハンドリングできる微細加工技術が不可欠である。しかし、圧電体の加工を機械加工で行っている現状では限界があり、新しい製造プロセスの開発が望まれていた。

【０００３】ところが近年、ＰＺＴ系薄膜の形成法が精力的に研究され、サブ〜数μｍの膜厚の圧電体膜が、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法などで形成できるようになった。さらに、半導体プロセスとの整合により、焼結体から加工したバルクでは考えられなかった新しい分野への応用が模索されはじめている。たとえば、特開平４−９５７４２号公報に開示されているような圧力センサーなどが好例である。また、強誘電性を利用した不揮発メモリや、ＵＬＳＩ−ＤＲＡＭ用高誘電率薄膜としての開発が精力的に行われている。

【０００４】ところで、従来のＰＺＴ系強誘電体素子では、基体側に下部電極を形成した後、ゾルゲル法、スパッタ法やＣＶＤ法でＰＺＴ膜を形成しているが、その際基板は６００℃以上の高温かつ酸化雰囲気に曝される。従って、従来の強誘電体素子の下部電極には、特開平４−１５９６８０号公報に開示されている様に白金やパラジウム，ロジウム等の貴金属が用いられていた。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

前述の従来技術のように、電極材料として貴金属材料を用いた場合は、コストが高いという課題があった。また、粒界拡散により電極材料がＰＺＴ中に拡散して、絶縁性を劣化させる可能性があるという課題を有していた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するために、ＰＺＴの構成物質であるチタンの窒化物および炭化物を電極材料として用いた。

【０００７】

【作用】

耐酸化性と電気伝導性を具備し、かつＰＺＴの構成元素であるチタンの窒化物および炭化物をＰＺＴ系強誘電体素子の電極としたことで、コストの低減および絶縁性の劣化が防止される。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）ＴｉＮｘ（非化学量論組成を含む）を電極材料とした場合の実施例を説明する。

【０００９】図１は本考案の強誘電体素子の構成図である。基体１として熱酸化膜（ＳｉＯｘ）を１００ｎｍ形成したシリコンウエハを用いた。下部電極２として約２５０ｎｍのＴｉＮｘ層を、金属チタンを原料として、ホローカソード型のイオンプレーティング装置で形成した。

【００１０】成膜条件は以下の通りである。ＨＣＤ電流・電圧２００Ａ・２４Ｖ基板バイアス２０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ，ＤＣ成分約１０Ｖ）ガス流量Ａｒ２０ｃｃｍ（ＨＣ経由）Ｎ２１〜１５０ｃｃｍ析出圧力３×１０^-3Ｔｏｒｒ窒素流量を変化させて７種類の組成の下部電極形成試料ａ〜ｇ（表１参照）を作製した。なお、組成分析についてはオージェ電子分光分析法で、析出相についてはＸ線回折法により分析を行った。

【００１１】次に、約１μｍのＰＺＴ膜３（ＭＢＰ組成近傍のペロブスカイト相ＰＺＴ）を、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのメタルターゲットを有する多元スパッタ装置で形成した。成膜条件は以下の通りである。ＲＦ電力（13.56 ［MHz ］）Ｐｂ３．５Ｗ／ｃｍ² Ｚｒ７. ５Ｗ／ｃｍ² Ｔｉ１８Ｗ／ｃｍ² スパッタリングガスＡｒ４５ｃｃｍ，Ｏ₂５ｃｃｍ圧力０. １０Ｔｏｒｒ基板温度６１５℃ 続いて絶縁性を評価するために、試料ａ〜ｇのＰＺＴ膜上に上部電極４を各々１００個形成した。上部電極はメタルマスクを使用して、直径約１ｍｍの円形パッド（Ｃｒ＼Ａｕ）を真空蒸着法で形成した。下部電極（−ＣＯＭ）と上部電極（＋）の間に５００ｋＶ／ｃｍの電界を数秒間印加し、絶縁破壊したパッドの比率で絶縁性を比較した。結果は表１にまとめて示した。ＴｉＮｘでｘ＝１〜０．８１の範囲で良好な結果が得られた。

【００１２】（実施例２）ＴｉＣｘ（非化学量論組成も含む）を電極材料とした場合の実施例を説明する。強誘電体素子の構成は前述のＴｉＮｘと同様である。下部電極２のＴｉＣｘ層（膜厚約２５０ｎｍ）は、リアクティブ・イオンプレーティング法で形成している。この成膜法は、電子ビームで坩堝のＴｉを蒸発させながら反応ガスを導入し、坩堝近傍の電極（アノード）でＤＣプラズマを発生させ、イオン化ないし活性化して炭化物を基体に析出する蒸着法である。

【００１３】成膜条件を以下に示す。電子ビーム（主にＴｉ蒸発用）８ｋＶ，５００ｍＡ直流放電（主にイオン化用）３０Ａ（設定），電圧で調整約３０Ｖガス流量Ａｒ２０ｃｃｍ，Ｃ₂Ｈ₂ ０．１〜１５ｃｃｍ基板バイアス（１３．５６ＭＨｚ）１０Ｗ析出圧力１．５×１０^-3Ｔｏｒｒアセチレン量を加減してｈ〜ｌの５種類の組成の下部電極形成試料を作製した。続いて実施例１と同様にＰＺＴ膜３，上部電極４を形成し絶縁性の評価を実施した。結果は表１に示した。ＴｉＣｘでｘ＝１〜０．６１の範囲で良好な結果が得られることが判明した。

【００１４】（従来例）下部電極２として白金を約２５０ｎｍスパッタし、実施例１と同様にＰＺＴ膜３，上部電極４を形成した。絶縁性の評価結果を表１にまとめた。

【００１５】

【表１】

【００１６】本実施例１，２ともイオンプレーティング法で下部電極を形成しているが、窒素や炭化水素ガスを導入したリアクティブスパッタ法や、ＣＶＤ法等の如何なる成膜法を採用しても同様な結果が得られることは明かである。さらに、実施例においては、ＰＺＴの成膜方法としてスパッタ法のみを取り挙げているが、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等のいかなる成膜法においても、基板が加熱される場合は原理的に同様の効果が発揮されることは明かである。また、ＰＺＴの成分も、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）からなる２成分系ＰＺＴについてしか言及していないが、多成分の複合ペロブスカイト系酸化物（ＰＬＺＴ，ＰＭＮなど）や複数の添加物を含有するいわゆるＰＺＴ系セラミックスと総称される圧電体材料において、同様の効果が期待されることは自明である。則ち、ペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電材料において、本発明の構成を応用することで、同様の効果が期待される。

【００１７】焦電素子、ＵＬＳＩ−ＤＲＡＭ、強誘電体不揮発メモリ等の製造工程で、ＰＺＴ膜への上部電極形成後に温度上昇・加熱される工程がある場合においては、下部電極のみならず上部電極にもチタンの窒化物または炭化物を用いることで、絶縁性を低下させない高信頼性ディバイスの製造が可能となる。

【００１８】

【考案の効果】

以上述べて来たように、本考案によりＰＺＴの構成元素であるチタンの窒化物および炭化物を電極材料としたことで、貴金属を電極材料として用いた場合と比較して安価に強誘電体素子を製造することが可能となった。さらに、製造工程において高温アニールされる場合においても、電極構成物質の拡散が原因と考えられる絶縁性の劣化が防止可能となる。

【００１９】また、本実施例のようにメタルターゲットを用いたリアクティブスパッタ法でＰＺＴ膜を形成している場合には、反応ガスを変えるだけで電極形成工程とＰＺＴ成膜工程を連続処理することが可能となるため、生産性向上，コスト低減の効果も期待できる。

【００２０】さらに、貴金属電極と異なり本考案の電極材料は、ハロゲン含有ガスによりプラズマエッチングが可能で、電極のパターン形成が容易である。即ち、半導体プロセスとの整合性にすぐれている等の効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による強誘電体素子の構成図である。

【符号の説明】

１基体２下部電極（TiNxまたはTiCx）３ＰＺＴ膜４上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 37/02 41/08

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ＰＺＴ系強誘電体素子において、少なく
とも一方の電極が、窒化チタンないし非化学量論組成の
窒化チタンからなることを特徴とする強誘電体素子。
【請求項２】ＰＺＴ系強誘電体素子において、少なく
とも一方の電極が、炭化チタンないし非化学量論組成の
炭化チタンからなることを特徴とする強誘電体素子。