JPH10154834A

JPH10154834A - 強誘電体素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10154834A
Application number: JP31049196A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kamata; 健鎌田; Satoru Fujii; 覚藤井; Atsushi Tomosawa; 淳友澤; Isaku Jinno; 伊策神野; Ryoichi Takayama; 良一高山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電極膜剥離等の素子破損や特性不良を抑制す
るとともに、強誘電体膜形成時の組成ずれを抑制し、歩
留まりの向上した強誘電体素子を提供することを目的と
する。【解決手段】基板上に、密着層、下部電極、強誘電体
膜、および上部電極を順次配置した強誘電体素子におい
て、前記密着層として、下部電極を構成する材料と酸素
からなる層を設ける。アルゴンガス雰囲気中で酸化物を
ターゲットとしたスパッタリング法により強誘電体膜を
形成し、引き続き酸素を含むアルゴンガス雰囲気中で前
記酸化物をターゲットとしたスパッタリング法により強
誘電体膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦電型赤外線セン
サ、圧電力学量センサ、あるいは圧電アクチュエータ等
に使用される強誘電体薄膜を用いた各種強誘電体素子お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】強誘電体のエレクトロニクス分野におけ
る応用は、赤外線センサ、圧電素子、光変調素子、メモ
リ素子などさまざまなものがある。例えば、焦電型の赤
外線センサとして、高山らにより、ＭｇＯ基板上に、下
部電極として（１００）面に配向したＰｔ膜を形成し、
その上にｃ軸配向したペロブスカイト構造のランタンを
添加したチタン酸鉛系強誘電体（ＰＬＴ）薄膜を形成さ
せ、上部受光電極としてＮｉ−Ｃｒ膜を形成したデバイ
スが報告されている（Jounal of Applied Physics,63(1
2),1988 p5868-5872）。この場合、強誘電体である焦電
体は、分極処理を行わなくても、分極方向が一方向に揃
っており、赤外線の入射とともに焦電電流が検出され
る。さらに、分極処理したバルク焼結体と比較して、約
３倍の焦電特性が得られている。また、小谷らにより、
上記例とほぼ同様の構成を有する、ＭｇＯ基板の表面マ
イクロマシンニングを用いて形成したマイクロキャビテ
ィを有する赤外線センサの例が報告されている（Japane
se Jounal of Applied Physics,32,1993 p6297-630
0）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来例のような構成では、デバイス化プロセスにおける
エッチング工程、実装の際のワイヤボンディング工程な
どにおいて、Ｐｔ等の下部電極とＭｇＯ基板の間の密着
力が弱いために種々の不都合が生じていた。すなわち、
下部電極がＭｇＯ基板から剥離することによる不良を起
こしたり、前記密着力が弱いことが電気特性自体にも悪
影響を及ぼすために製造歩留まりが悪くなるなどであ
る。また、下部電極上に強誘電体膜を形成する際に、初
期堆積過程において組成ずれを起こし、その後の堆積過
程において組成は化学量論比となるものの全体的な素子
特性は低下するという問題があった。本発明は、上記の
ような下部電極膜の剥離や、強誘電体膜の組成ずれを解
決し、小型で高感度な強誘電体素子を提供することを目
的とする。また、本発明は、そのような強誘電体素子を
歩留まり良く製造する方法を提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の強誘電体素子
は、基板、並びに前記基板上に順次配置した密着層、下
部電極、強誘電体膜、および上部電極を具備し、前記密
着層が前記下部電極を構成する材料と酸素からなる。本
発明の第１の強誘電体素子の製造方法は、基板上に密着
層を形成する工程、前記密着層上に下部電極を形成する
工程、前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程、お
よび前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程を有
し、前記密着層を形成する工程が、分圧比２０％以上の
酸素を含むアルゴンガス雰囲気中において下部電極材料
をターゲットとしたスパッタリング法により行われ、前
記密着層上に下部電極を形成する工程が、前記密着層の
形成工程に引き続きアルゴンガスのみの雰囲気中におい
て下部電極材料をターゲットとしたスパッタリング法に
より行われる。

【０００５】本発明の第２の強誘電体素子の製造方法
は、基板上に下部電極を形成する工程、前記下部電極上
に強誘電体膜を形成する工程、および前記強誘電体膜上
に上部電極を形成する工程を有し、前記強誘電体膜を形
成する工程が、アルゴンガス雰囲気中において酸化物を
ターゲットとしたスパッタリング法により強誘電体膜を
形成する工程と、引き続き酸素を含むアルゴンガス雰囲
気中において前記酸化物をターゲットとしたスパッタリ
ング法により強誘電体膜を形成する工程からなる。第２
の製造方法において、アルゴンガス雰囲気中で形成する
強誘電体膜の厚みは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするの
が好ましい。また、第２の製造方法において、下部電極
を形成する工程に先だって、基板上に密着層を形成する
工程を有することが好ましい。

【０００６】上記において、密着層の厚みは、５ｎｍ以
上５０ｎｍ以下であることが好ましい。また、基板は、
ＭｇＯ単結晶基板または岩塩型結晶構造の酸化物膜を積
層した基板であることが好ましい。前記岩塩型結晶構造
の酸化物膜としては、ＭｇＯ、ＮｉＯ、およびＣｏＯか
らなる群より選ばれた少なくとも一種の膜が好ましい。
下部電極材料は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、およびＡｕからな
る群より選ばれた少なくとも一種であることが好まし
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の強誘電体素子は、上記の
ように、基板と下部電極との間に、下部電極を構成する
材料と酸素からなる密着層を有する。この密着層によ
り、基板と下部電極膜との密着性が向上する。一般に、
基板とその上に積層する薄膜の密着性は、それぞれの材
料のもつ熱膨張係数の違いと、積層する薄膜の成膜時の
真空度に基づく膜内残留応力が原因する。例えば、Ｍｇ
Ｏ基板とその上に形成する下部電極としてのＰｔ膜と
は、熱膨張係数に違いがある。さらに、Ｐｔ膜の成膜時
の真空度（ガス圧）によっては、Ｐｔ膜内は圧縮応力に
なったり、引張り応力になったりする。比較的高い基板
温度でスパッタ成膜する場合、基板とその上に形成され
る膜との界面には、熱拡散やスパッタリング効果による
基板元素と膜元素から構成される混合層が形成される。
混合層が緻密に形成されれば、基板と膜の密着性が向上
する。本発明では、この混合層として、下部電極材料と
酸素からなる層を利用する。この密着層は、前記第１の
製造方法で述べたように、分圧比２０％以上の酸素を含
むアルゴンガス雰囲気中において下部電極材料をターゲ
ットとしたスパッタリング法により行い、引き続きアル
ゴンガスのみの雰囲気中において下部電極材料をターゲ
ットとしたスパッタリング法により下部電極を形成する
のが好ましい。

【０００８】複合酸化物材料を結晶成長させるために、
比較的高い基板温度でスパッタ成膜する場合、その材料
を構成する各元素のスパッタ率の違いや蒸気圧の違いに
より、化学量論比の組成のものを得ることは非常に難し
い。組成が化学量論比からずれると、形成される複合酸
化物薄膜の結晶性や膜特性に悪い影響を及ぼす。そこ
で、本発明では、アルゴンガス雰囲気中において酸化物
をターゲットとしたスパッタリング法により強誘電体膜
を形成する工程と、引き続き酸素を含むアルゴンガス雰
囲気中において前記酸化物をターゲットとしたスパッタ
リング法により強誘電体膜を形成する工程により、強誘
電体膜を形成する。このように、強誘電体膜の成膜初期
過程において、酸素ガス未導入により特にＰｂ元素のス
パッタ率を上昇させて成膜する。酸素ガス未導入時は、
酸素が不足すると考えられるが、酸化物のターゲットを
用いていることと、その後の酸素ガスを含む雰囲気中の
成膜によるスパッタリング効果や熱拡散効果により、不
足分の酸素が補足されるのである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。《実施例１》図１は本実施例の強誘電体素子１０を示
す。基板１１は、（１００）面で劈開し、鏡面研磨処理
したＭｇＯ単結晶基板からできている。この基板１１上
には、密着層１２としての酸素とＰｔからなる膜、Ｐｔ
膜からなる下部電極１３、強誘電体膜１４としてのＰｂ
_0.9Ｌａ_0.1Ｔｉ_0.975Ｏ₃（ＰＬＴ）膜、およびＮｉ−Ｃ
ｒ膜からなる上部電極１５が順次配置されている。

【００１０】次に、この強誘電体素子１０の形成方法に
ついて説明する。まず、真空槽内にＭｇＯ単結晶基板１
１を設置し、槽内を真空に排気した後、基板１１を６０
０℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により４
インチのＰｔ板をターゲットとしてＡｒとＯ₂の混合ガ
ス、例えば混合比Ａｒ：Ｏ₂＝１：１をスパッタガスと
し、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて密着層１２を
厚み１５ｎｍ形成した。その密着層１２上に、引き続き
マグネトロンスパッタ法で同温度、同電力にて下部電極
としてのＰｔ膜１３をＡｒスパッタガスのみを用いて１
Ｐａのガス圧にて厚み２００ｎｍ形成した。さらに、そ
のＰｔ１３上にＲＦマグネトロンスパッタ法により６イ
ンチのＰＬＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯを化学量論比よ
り２０ｍｏｌ％過剰に添加）を用い、５８０℃にてＰＬ
Ｔ薄膜１４をガスの混合比Ａｒ：Ｏ₂＝２５：１、ガス
圧０．４Ｐａのスパッタガス雰囲気中、ＲＦ電力４００
Ｗにて厚み２μｍ形成した。その後、上部電極１５とし
てＮｉ−Ｃｒ膜をＤＣスパッタ法により４インチのＮｉ
−Ｃｒ合金のターゲットを用い、スパッタリングガスの
Ａｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力によ
り、基板を加熱せずにＡｒスパッタガスを用いて厚み１
０ｎｍ形成した。

【００１１】上記において、密着層１２を形成する際の
酸素ガスの分圧比を変えて密着層を形成し、その上に下
部電極を形成し、下部電極の剥離による不良率を調べ
た。その結果を図２に示す。酸素ガスの分圧比が０、す
なわち、密着層１２がない場合は、下部電極Ｐｔ膜１３
上にＡｌリード線をワイヤボンディングする際、２０〜
３０％程度の剥離不良が発生した。引張り試験時も含め
ると剥離不良は６０％強となる。一般に、基板とその上
に積層する薄膜の密着性は、それぞれの材料のもつ熱膨
張係数の違いと、積層する薄膜の成膜時の真空度に基づ
く膜内残留応力が原因する。この場合も、ＭｇＯ基板と
Ｐｔ膜とは熱膨張係数に違いがある。さらに、前記した
成膜時の真空度（ガス圧）においては、Ｐｔ膜内は圧縮
応力となる。比較的高い基板温度でスパッタ成膜する場
合、基板とその上に形成される膜との界面には、熱拡散
やスパッタリング効果による基板元素と膜元素から構成
される混合層が形成される。混合層が緻密に形成されれ
ば、基板と膜の密着性が向上する。本実施例において、
ＭｇＯ基板上にスパッタリング法でＰｔ電極膜を形成す
る場合に、Ｏ₂ガス分圧比２０％以上のＡｒとＯ₂の混合
ガス雰囲気で、その厚みを５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範
囲で形成すれば、酸素とＰｔからなる良好な密着層が形
成される。そして、その上に形成した下部電極膜１３上
にＡｌリード線をワイヤボンディングしても、下部電極
膜１３の剥離不良は５％以下に抑えることができる。

【００１２】ただし、密着層１２の厚みが５ｎｍより薄
い場合は、ＭｇＯ基板表面の凹凸自体がこの程度あるた
め、Ｐｔ膜とＭｇＯ基板の間に密着層が介在しない領域
が存在し、ボンディングの不良率が急に増大する。ま
た、密着層１２の厚みが５０ｎｍを越える場合は、密着
性は良好なものの、その上に形成する下部電極１３の表
面凹凸状態が粗くなり、さらにその上に形成するＰＬＴ
強誘電体薄膜１４の特性が低下するという現象が起き
る。強誘電体薄膜を形成する場合、下地基板表面の結晶
性や凹凸の程度が、強誘電体膜自体の結晶性および膜特
性に影響を与える。この場合、密着層１２の厚みが５０
ｎｍ以下であれば、下部電極上に形成するＰＬＴ膜はｃ
軸配向の強い膜特性の良好なものが得られた。

【００１３】ここで、基板１１としてＭｇＯ、ＮｉＯ、
ＣｏＯ等の岩塩型結晶構造の酸化物膜を積層した基板を
用いても、強誘電体薄膜の膜特性を損なうことなく、下
部電極と基板の密着性の良好な結果が得られた。また、
下部電極１３として、Ｐｄ、Ｉｒ、またはＡｕを用いて
も、強誘電体薄膜１４の特性を損なうことなく、同様に
下部電極と基板の密着性の良好な結果が得られた。

【００１４】《実施例２》本実施例の強誘電体素子の構
成を図３に示す。この強誘電体素子２０は、基板２１と
して（１００）面に配向したＭｇＯ単結晶基板を用いて
いる。この基板２１上に、Ｐｔ膜からなる下部電極２３
を配置し、その上に強誘電体膜２４としてＰｂ_0.9Ｌａ
_0.1Ｔｉ_0.975Ｏ₃（ＰＬＴ）膜を配置し、さらにその上
にＮｉ−Ｃｒ膜からなる上部電極２５が配置されてい
る。

【００１５】この強誘電体素子２０の形成方法について
以下に説明する。まず、真空槽内にＭｇＯ単結晶基板２
１を設置し、槽内を真空排気した後、基板２１を６００
℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により４イ
ンチのＰｔ板をターゲットとして、Ａｒスパッタガス圧
１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて下部電極としてＰｔ膜２
３を厚み２００ｎｍ形成した。さらに、そのＰｔ下部電
極膜２３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により６イ
ンチのＰＬＴ焼結体ターゲットを用いて、設定温度５８
０℃、ガス圧０．４ＰａのＡｒのみのスパッタガス雰囲
気中、ＲＦ電力４００Ｗにて第１のＰＬＴ薄膜２４を厚
み約１０ｎｍ形成した後、同温度、同電力、ガス比Ａ
ｒ：Ｏ₂＝２５：１、ガス圧０．４Ｐａのスパッタガス
雰囲気中にて第２のＰＬＴ薄膜２５を厚み２μｍ形成し
た。その後、上部電極２６としてＮｉ−Ｃｒ膜をＤＣス
パッタ法にて基板を加熱せずにＡｒスパッタガスを用い
て厚み１０ｎｍ形成した。

【００１６】複合酸化物材料を結晶成長させるために、
比較的高い基板温度でスパッタ成膜する場合、その材料
を構成する各元素のスパッタ率の違いや蒸気圧の違いに
より、化学量論比の組成のものを得ることは非常に難し
い。組成が化学量論比からずれると、形成される複合酸
化物薄膜の結晶性や膜特性に悪い影響を及ぼす。実際、
この複合酸化物の強誘電体素子を形成する場合も、Ｐｔ
下部電極上にＰＬＴ薄膜を形成する際に、最初からガス
混合比Ａｒ：Ｏ₂＝２５：１の酸素ガスを含む雰囲気で
成膜する時は、下部電極との界面から２０ｎｍ付近まで
はＰｂ元素の不足による組成ずれが観測された。しかし
ながら、本実施例により形成したＰＬＴ薄膜素子におい
ては、素子特性（焦電性能指数）に１０％程度の向上が
みられた。これはＰＬＴ成膜初期過程において、酸素ガ
ス未導入によりＰｂ元素のスパッタ率を上昇させて成膜
したために組成が合った結果と考えられる。酸素ガス未
導入時は、酸素が不足すると考えられるが、酸化物のタ
ーゲットを用いていることと、その後の酸素ガスを含む
雰囲気中の成膜によるスパッタリング効果や熱拡散効果
により、不足分の酸素が補足されると考えられる。この
ように本実施例のような構成の製造方法により、特性の
良好な強誘電体素子を実現することができる。

【００１７】ここで、基板２１として、ＭｇＯ、Ｎｉ
Ｏ、ＣｏＯ等の岩塩型結晶構造の酸化物膜を積層した基
板を用いても、全く同様に強誘電体薄膜の特性の良好な
素子を形成することできる。また、下部電極２３とし
て、Ｐｄ、Ｉｒ、またはＡｕを用いても、全く同様の結
果が得られる。また、基板上に下部電極を形成する前
に、Ｔｉ等の密着層、またはアルゴン、酸素の混合ガス
雰囲気で下部電極材料を用いて形成する混合密着層を形
成した場合も全く同様に強誘電体薄膜の特性の良好な素
子を形成することできる。この場合は、下部電極の密着
性も良好となり、素子製造の歩留まりが大幅に向上す
る。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、下部電極
膜の剥離や、強誘電体膜の組成ずれを解決し、小型で高
感度な強誘電体素子を得ることができる。また、本発明
の製造方法によれば、小型で高感度な強誘電体素子を従
来に比べて低価格で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における強誘電体素子の縦断
面図である。

【図２】下部電極成膜時のスパッタガスの酸素分圧比と
下部電極の密着性の関係を示す。

【図３】本発明の他の実施例における強誘電体素子の縦
断面図である。

【符号の説明】

１０強誘電体素子１１ＭｇＯ単結晶基板１２密着層（Ｐｔ酸素混合層）１３下部電極（Ｐｔ膜）１４強誘電体膜（ＰＬＴ膜）１５上部電極（Ｎｉ−Ｃｒ膜）２０強誘電体素子２１ＭｇＯ単結晶基板２３下部電極（Ｐｔ膜）２４第１の強誘電体膜（ＰＬＴ膜）２５第２の強誘電体膜（ＰＬＴ膜）２６上部電極（Ｎｉ−Ｃｒ膜）

フロントページの続き (72)発明者神野伊策大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者高山良一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板、並びに前記基板上に順次配置した
密着層、下部電極、強誘電体膜、および上部電極を具備
し、前記密着層が前記下部電極を構成する材料と酸素か
らなる強誘電体素子。
【請求項２】密着層の厚みが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下
である請求項１に記載の強誘電体素子。
【請求項３】基板が、ＭｇＯ単結晶基板または岩塩型
結晶構造の酸化物膜を積層した基板である請求項１に記
載の強誘電体素子。
【請求項４】前記岩塩型結晶構造の酸化物膜が、Ｍｇ
Ｏ、ＮｉＯ、およびＣｏＯからなる群より選ばれた少な
くとも一種の膜である請求項３に記載の強誘電体素子。
【請求項５】下部電極材料が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、お
よびＡｕからなる群より選ばれた少なくとも一種である
請求項１に記載の強誘電体素子。
【請求項６】基板上に密着層を形成する工程、前記密
着層上に下部電極を形成する工程、前記下部電極上に強
誘電体膜を形成する工程、および前記強誘電体膜上に上
部電極を形成する工程を有し、前記密着層を形成する工
程が、分圧比２０％以上の酸素を含むアルゴンガス雰囲
気中において下部電極材料をターゲットとしたスパッタ
リング法により行われ、前記密着層上に下部電極を形成
する工程が、前記密着層の形成工程に引き続きアルゴン
ガスのみの雰囲気中において下部電極材料をターゲット
としたスパッタリング法により行われる強誘電体素子の
製造方法。
【請求項７】密着層の厚みを５ｎｍ以上５０ｎｍ以下
とした請求項６に記載の強誘電体素子の製造方法。
【請求項８】基板上に下部電極を形成する工程、前記
下部電極上に強誘電体膜を形成する工程、および前記強
誘電体膜上に上部電極を形成する工程を有し、前記強誘
電体膜を形成する工程が、アルゴンガス雰囲気中におい
て酸化物をターゲットとしたスパッタリング法により強
誘電体膜を形成する工程と、引き続き酸素を含むアルゴ
ンガス雰囲気中において前記酸化物をターゲットとした
スパッタリング法により強誘電体膜を形成する工程から
なる強誘電体素子の製造方法。
【請求項９】アルゴンガス雰囲気中で形成する強誘電
体膜の厚みを５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とした請求項８に
記載の強誘電体素子の製造方法。
【請求項１０】基板が、ＭｇＯ単結晶基板、または岩
塩型結晶構造の酸化物膜を積層した基板である請求項６
または８に記載の強誘電体素子の製造方法。
【請求項１１】岩塩型結晶構造の酸化物膜が、Ｍｇ
Ｏ、ＮｉＯ、およびＣｏＯからなる群より選ばれた少な
くとも一種の膜である請求項１０に記載の強誘電体素子
の製造方法。
【請求項１２】下部電極材料が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、
およびＡｕからなる群より選ばれた少なくとも一種であ
る請求項６または８に記載の強誘電体素子の製造方法。
【請求項１３】下部電極を形成する工程に先だって、
基板上に密着層を形成する工程を有する請求項８に記載
の強誘電体素子の製造方法。