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JP2001313429A - 積層薄膜その製造方法および電子デバイス - Google Patents

積層薄膜その製造方法および電子デバイス

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JP2001313429A
JP2001313429A JP2000128230A JP2000128230A JP2001313429A JP 2001313429 A JP2001313429 A JP 2001313429A JP 2000128230 A JP2000128230 A JP 2000128230A JP 2000128230 A JP2000128230 A JP 2000128230A JP 2001313429 A JP2001313429 A JP 2001313429A
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thin film
film
substrate
ferroelectric
perovskite
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JP2000128230A
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Takao Noguchi
隆男 野口
Yoshihiko Yano
義彦 矢野
Hisatoshi Saito
久俊 斉藤
Shusuke Abe
秀典 阿部
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Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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Priority to US09/842,802 priority patent/US20020006733A1/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓｉ基板上で、より一層特性に優れた強誘電
体薄膜を含む積層薄膜、その製造方法、およびその積層
薄膜を有する電子デバイスを提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長した積
層薄膜で、酸化物薄膜を含むバッファ層を有し、前記バ
ッファ層上に（１００）または（００１）配向のペロブ
スカイト型酸化物薄膜を有し、前記ペロブスカイト型酸
化物薄膜上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を有
する構成の積層薄膜およびその製造方法、電子デバイス
とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜を含
む積層薄膜、その製造方法と、この積層薄膜を備えた電
子デバイスに関する。前記積層薄膜は、半導体記憶装
置、赤外線センサ等の薄膜強誘電体素子、あるいはＡＦ
Ｍ（原子間力顕微鏡）プローブ等により強誘電体を分極
反転させて情報を記録する記録媒体、移動体通信機等に
利用される薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、液
体噴射装置等に利用される薄膜圧電体素子、などに適用
されるものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体結晶基板であるＳｉ基板上
に、強誘電体膜を形成し、集積化した電子デバイスが考
案され、盛んに研究されている。例えば、不揮発性メモ
リー等の半導体記憶装置、薄膜バルク波共振子（Film B
ulk Acoustic Resonator : FBAR）、薄膜ＶＣＯ、薄膜
フィルタ等が挙げられる。これらの電子デバイスにおい
て、最適なデバイス特性およびその再現性を確保するた
めには、多結晶体では粒界による物理量の撹乱のため、
良好なデバイス特性を得ることが難しく、できるだけ完
全な単結晶に近いエピタキシャル膜が望まれる。また、
強誘電体の多くは分極軸が［００１］方向なので、優れ
た強誘電特性を得るためには、エピタキシャル成長した
強誘電体膜は（００１）配向であることが好ましい。
【０００３】強誘電体薄膜の代表的なものとして、Ｐｂ
ＴｉＯ3 、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ3 等のペロブスカイト型
酸化物が挙げられる。これらのペロブスカイト型酸化物
薄膜をＳｉ単結晶基板上に容易にエピタキシャル成長さ
せるために、本発明者らは、特開平９−１１０５９２号
等に開示されている方法を提案している。
【０００４】これらの強誘電体薄膜のうち、ＰＺＴは、
強誘電体として好ましい特性を示すだけでなく、優れた
圧電特性をも備える材料でもあるため、Ｓｉ上へエピタ
キシャル成長させることによって、様々な電子デバイス
への応用が最も期待される材料の一つとなっている。
【０００５】ＰＺＴをＳｉ基板上に形成する試みはこれ
までにいくつかなされているが、その多くは（１０１）
や（１１１）等の方位に配向した膜、あるいは多結晶膜
であり、ＰＺＴ膜をＳｉ基板上にエピタキシャル成長さ
せることは極めて難しい。
【０００６】そのような中で、本発明者らは、上述の特
開平９−１１０５９２号公報、および特開平１０−２２
３４７６号公報、特開平１１−２６２９６号公報等にお
いて、Ｓｉ（１００）基板上にＰＺＴ等の強誘電体薄膜
を（００１）配向でエピタキシャル成長する方法を示し
ている。
【０００７】本発明者らは、これらのエピタキシャル成
長したＰＺＴ等の強誘電体薄膜、およびその強誘電体薄
膜を用いた電子デバイスに対して検討を重ねた結果、Ｓ
ｉ（１００）基板上にまずＰｂＴｉＯ3 等のペロブスカ
イト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に
ＰＺＴ等の強誘電体膜をエピタキシャル成長させること
により、より一層特性に優れた強誘電体膜が得られるこ
とを見いだした。
【０００８】これまでに、ＰＺＴ等のペロブスカイト型
強誘電体の下地にＰｂＴｉＯ3 等の層を下地として、そ
の上にＰＺＴ等の強誘電体を形成した構造は知られてい
る。
【０００９】例えば、特開平６−５７４１１号公報で
は、Ｓｉ等の基板上にＴｉ等の緩衝層を介してＰｔ等の
導電性皮膜を形成し、その上に下地誘電体層をスパッタ
法で形成した後、ペロブスカイト型酸化物誘電体層をス
パッタ法で形成した構造が記載されており、これにより
結晶性の優れたピンホールの少ない誘電体薄膜が得られ
ることが記載されている。また、特開平６−２９０９８
３号公報では、Ｚｒを含まないペロブスカイト型誘電体
膜と、Ｚｒを含むペロブスカイト型誘電体薄膜との積層
構造を有する誘電体薄膜が記載されており、５００℃以
下の基板温度で誘電体薄膜を作製できることが記されて
いる。特開平７−９９２５２号公報には、基板上にチタ
ン酸鉛膜を形成し、その上にチタンジルコン酸鉛膜を形
成する製造方法、および半導体装置が記載されており、
ゾルーゲル法でＰＺＴ薄膜を形成する場合、パイロクロ
ア相からペロブスカイト相への相転移温度を１００℃低
下させる効果があることが記されている。特開平６−８
９９８６号公報では、ＰＺＴ等からなる主絶縁体層と、
ＰｂＴｉＯ3 等からなる副絶縁体層が接している構造が
記載されており、ＭＯＣＶＤ法を用いて多結晶の強誘電
体膜を作製する際に、結晶性に優れ、リークの少ない強
誘電体膜が形成できるとしている。
【００１０】以上の例は、いずれも多結晶膜であり、一
般に、多結晶の電極上に、強誘電体膜を形成させた場
合、結晶性の良好な膜を得ることは困難である。このよ
うな場合、ＰｂＴｉＯ3 等の下地層を形成してその上に
ＰＺＴ等の強誘電体膜を形成することで、ＰＺＴに比べ
ＰｂＴｉＯ3 の方がペロブスカイト型の核を形成しやす
いため、ＰＺＴの結晶化を促し結晶化温度や形成温度を
下げたり、結晶性を向上することができるとされてい
る。
【００１１】一方、基板上のエピタキシャル膜につい
て、ＰｂＴｉＯ3 等の下地層が検討されている例には、
次のようなものがある。特開平７−１７２９８４号公報
では、実施例において、ＭｇＯ上にＰｔを形成し、その
上にＰＬＴ薄膜の初期層とＰＺＴ薄膜の主堆積層を形成
している。このうち、ＰＬＴ初期層はほぼ完全なエピタ
キシャル膜であると記されていることから、その上のＰ
ＺＴ主堆積層はエピタキシャル膜またはそれに近い結晶
性の膜であると考えられる。同公報では、ＰＬＴ初期層
を形成することにより、初期層のない場合より５０℃低
い温度で、ＰＺＴを形成することができるとしている。
特開平７−１９３１３５号公報では、ＧａＡｓ基板上
で、基板上の第１層としてＰｂとＴｉを主成分とするペ
ロブスカイト型強誘電体薄膜、第２層としてＰｂ、Ｔｉ
およびＺｒを主成分とするペロブスカイト型強誘電体薄
膜を形成した構造が記載されている。同公報の実施例で
は、ＧａＡｓ（１００）基板上に第１層としてＰＬＴ、
第２層としてＰＺＴを形成しており、それにより、それ
までは結晶性の良い薄膜を形成することが困難であった
ＰＺＴまたはＰＬＺＴの、ｃ軸に配向した薄膜が得られ
たとしている。
【００１２】このように基板上のエピタキシャル膜につ
いて、ＰｂＴｉＯ3 等の下地層が検討されている例はあ
るが、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長した強誘電体膜
で、検討された例はない。また、本出願人による特開平
９−１１０５９２号公報、および特開平１０−２２３４
７６号公報、特開平１１−２６２９６号公報等に開示さ
れた方法でＳｉ基板上にエピタキシャル成長させた場
合、強誘電体膜は成長の最初からペロブスカイト構造の
結晶を基板表面の結晶の原子配列に一致させて堆積して
いくため、ＰｂＴｉＯ3 等の下地層を形成せずとも、ほ
ぼ完全な結晶性のエピタキシャル膜が得られる。Ｓｉ基
板上のエピタキシャル膜において、ＰｂＴｉＯ3 等のペ
ロブスカイト型酸化物の下地層を用いて形成した強誘電
体薄膜が、下地層を用いない場合に比べて優れた特性を
有することは、本発明によって初めて見いだされたもの
である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｓｉ
基板上で、より一層特性に優れた強誘電体薄膜を含む積
層薄膜、その製造方法、およびその積層薄膜を有する電
子デバイスを提供することである。
【００１４】また、半導体であるＳｉ単結晶基板上に形
成した本発明による優れた特性の強誘電体薄膜を含む積
層薄膜を用い、移動体通信機等に利用される薄膜振動
子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、液体噴射装置等に利用
される薄膜圧電体素子、半導体記憶装置、赤外線センサ
等の薄膜強誘電体素子、あるいはＡＦＭ（原子間力顕微
鏡）プローブ等により強誘電体を分極反転させて情報を
記録する記録媒体などを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（７）の本発明により達成される。 （１） Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長した積層薄膜
で、酸化物薄膜を含むバッファ層を有し、前記バッファ
層上に（１００）または（００１）配向のペロブスカイ
ト型酸化物薄膜を有し、前記ペロブスカイト型酸化物薄
膜上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を有する積
層薄膜。 （２） 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜が絶縁性を有
する上記（１）の積層薄膜。 （３） 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜とバッファ層
の酸化物薄膜との間に導電性薄膜を有する上記（１）ま
たは（２）の積層薄膜。 （４） 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜がＰｂＴｉＯ
3 からなる上記（１）〜（３）のいずれかの積層薄膜。 （５） 前記強誘電体薄膜がＰＺＴからなる上記（１）
〜（４）のいずれかの積層薄膜。 （６） 上記（１）〜（５）のいずれかの積層薄膜を有
する電子デバイス。 （７） Ｓｉ（１００）基板上に酸化物薄膜を含むバッ
ファ層を形成し、次いで（１００）または（００１）配
向のペロブスカイト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長
させ、その上に強誘電体膜をエピタキシャル成長させる
積層薄膜の製造方法。
【００１６】
【作用】本発明者らは、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成
長した強誘電体薄膜を有する積層薄膜において、強誘電
体薄膜、およびその強誘電体薄膜を用いた電子デバイス
に対して検討を重ねた結果、Ｓｉ（１００）基板上にま
ずＰｂＴｉＯ3 等のペロブスカイト型酸化物薄膜をエピ
タキシャル成長させ、その上にＰＺＴ等の強誘電体膜を
エピタキシャル成長させることにより、より一層特性に
優れた強誘電体膜が得られることを見いだした。
【００１７】そして、半導体であるＳｉ単結晶基板上に
形成した本発明による優れた特性の強誘電体薄膜を含む
積層薄膜を用いれば、移動体通信機等に利用される薄膜
振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、液体噴射装置等に
利用される薄膜圧電体素子、半導体記憶装置、赤外線セ
ンサ等の薄膜強誘電体素子、あるいはＡＦＭ（原子間力
顕微鏡）プローブ等により強誘電体を分極反転させて情
報を記録する記録媒体などの各種分野に適用する際に極
めて有用である。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の積層薄膜は、Ｓｉ基板上
に、バッファ層を介してエピタキシャル成長した（１０
０）または（００１）配向のペロブスカイト型酸化物薄
膜が形成されており、前記ペロブスカイト型酸化物薄膜
上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜が形成されて
いる。
【００１９】なお、本明細書において薄膜が例えば（０
０１）配向であるとは、膜面とほぼ平行に（００１）面
が存在していることを意味する。
【００２０】本明細書における単一配向膜とは、基板表
面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のこ
とを意味する。具体的には、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による
測定を行ったとき、目的とする面以外のものの反射ピー
ク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、
好ましくは５％以下である膜である。例えば、（００
Ｌ）単一配向膜、すなわちｃ面単一配向膜は、膜の２θ
−θＸ線回折で（００Ｌ）面以外の反射強度が、（００
Ｌ）面反射の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは
５％以下のものである。なお、本明細書において（００
Ｌ）は、（００１）系列の面、すなわち（００１）や
（００２）などの等価な面を総称する表示である。
【００２１】また、本明細書においてエピタキシャル膜
とは、第一に、上述した単一配向膜である必要がある。
本明細書におけるエピタキシャル膜の第二の条件は、膜
面内をｘ−ｙ面とし、膜厚方向をｚ軸としたとき、結晶
がｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向に共に揃って配向
していることである。このような配向は、ＲＨＥＥＤ評
価でスポット状またはストリーク状のシャープなパター
ンを示すことで確認できる。例えば、表面に凹凸が存在
するバッファ層において結晶配向に乱れがある場合、Ｒ
ＨＥＥＤ像はシャープなスポット状とはならず、リング
状に伸びる傾向を示す。上記した二つの条件を満足すれ
ば、エピタキシャル膜といえる。
【００２２】また、本明細書において、エピタキシャル
成長した膜とは、エピタキシャル膜を含むが、その他に
成長時にエピタキシャル膜であって、室温でドメイン構
造膜である薄膜も含む。ＰＺＴ薄膜等の正方晶ペロブス
カイト型酸化物薄膜の場合、成長温度で立方晶の（１０
０）エピタキシャル膜として成長し、成長後、冷却する
間に正方晶に相転移して、（１００）配向と（００１）
配向とが混在する９０度ドメイン構造膜も含まれる。
【００２３】以下、本発明の実施の形態について詳細に
説明する。 〔バッファ層〕本発明で用いられるバッファ層は酸化物
の単層あるいは複数の酸化物を積層したもの、またはそ
れらの酸化物上に導電性薄膜を積層したものである。バ
ッファ層は、ペロブスカイト型酸化物と基板との間に設
けられ、ペロブスカイト型酸化物をＳｉ基板上に高品質
にエピタキシャル成長させる役割を持つ。バッファ層
は、また、絶縁体としての機能、およびＦＢＡＲ素子等
のビアホールエッチング加工時のエッチングストッパ層
としても機能する。導電性薄膜を積層したバッファ層
は、電極としても機能する。導電性薄膜上に、強誘電体
薄膜を形成すれば、特性の良好な薄膜バルク共振器等の
各種電子デバイスが実現する。
【００２４】結晶性の良好な強誘電体薄膜を得るために
は、バッファ層を単結晶に近いエピタキシャル膜として
形成することが必要となる。このような要求に対し、本
出願人らの特開平９−１１０５９２号公報に示される方
法、すなわち、Ｓｉ単結晶基板上に（００１）配向のＺ
ｒＯ2 薄膜、安定化ジルコニア薄膜、希土類元素酸化物
薄膜等を含む層を設け、この上にＢａＴｉＯ3 等からな
る（００１）配向のペロブスカイト層を形成し、このペ
ロブスカイト層上にＰｔ等からなる導電性薄膜を形成す
る方法を用いることが好ましい。ペロブスカイト層を設
けるのは、ＺｒＯ2（００１）薄膜上にＰｔ薄膜を直接
形成すると、Ｐｔは（１１１）配向または多結晶とな
り、Ｐｔ（１００）単一配向膜を形成することができな
いからである。これは、ＺｒＯ2 （００１）面とＰｔ
（１００）面の格子不整合が大きいために、Ｐｔはエピ
タキシャル成長するよりも、すなわち（１００）面を成
長面として成長するよりも、エネルギー的に安定な（１
１１）面を成長面として成長するからである。
【００２５】バッファ層には、特開平１１−３１２８０
１号公報に記載された積層薄膜を用いてもよい。同公報
に記載された積層薄膜は、ファセットを有するバッファ
層上に導電性薄膜を形成しているため、ＢａＴｉＯ3 薄
膜等の多元組成のペロブスカイト型薄膜を形成する必要
がない。そのため、より容易に良好な結晶性のエピタキ
シャル導電性薄膜を作製することができる。同公報に記
載されたバッファ層は、導電性薄膜との界面が｛１１
１｝ファセット面を含むことが特徴である。このバッフ
ァ層は、立方晶（１００）配向、正方晶（００１）配向
または単斜晶（００１）配向のエピタキシャル膜なの
で、そのファセット面は、｛１１１｝ファセット面であ
る。導電性薄膜は、バッファ層の｛１１１｝ファセット
面上に｛１１１｝配向膜としてエピタキシャル成長す
る。導電性薄膜の成長に伴って、ファセット面により構
成される凹部は埋められ、最終的に、導電性薄膜の表面
は平坦となり、かつ、この表面は基板表面に平行とな
る。この表面は、立方晶（１００）面となるが、結晶格
子の歪み等により正方晶（００１）面となることもあ
る。
【００２６】バッファ層のファセット面が存在する表面
に設けられる導電性薄膜は、前述したように、ファセッ
ト面により構成される凹部を埋めながら成長し、最終的
に導電性薄膜表面は平坦となり、かつ、基板表面に平行
となる。
【００２７】導電性薄膜は、通常、膜面と平行に（１０
０）面が配向した立方晶エピタキシャル膜となっている
が、応力によって結晶が変形して、例えば正方晶（００
１）配向のエピタキシャル膜となることもある。
【００２８】導電性薄膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、
およびＡｕの少なくとも１種を主成分とすることが好ま
しく、これらの金属の単体またはこれらの金属を含む合
金から構成されることが好ましい。また、導電性薄膜
は、組成の異なる２種以上の薄膜から構成された積層薄
膜であってもよい。導電性薄膜は、金属薄膜と導電性酸
化物薄膜との積層薄膜であっても良い。積層薄膜の場
合、各導電性薄膜の層間に絶縁性の薄膜が形成されてい
ても良い。
【００２９】導電性薄膜は、その上に形成される強誘電
体薄膜などの機能性薄膜に効果的に電界などを印加する
ことができる。
【００３０】導電性薄膜の厚さは、好ましくは１０〜５
００nm、より好ましくは５０〜２００nmである。薄すぎ
ると、結晶性、表面性が損なわれる。厚すぎると、ＦＢ
ＡＲ等の圧電体素子に用いた場合に共振特性が損なわれ
る。バッファ層表面がファセット面により構成されるバ
ッファ層を用いた場合には、バッファ層の凹凸を埋める
ために厚さを３０nm以上とすることが好ましく、１００
nm以上の厚さとすれば、十分な表面平坦性が得られる。
また、電極として十分に機能させるためには、厚さを５
０〜５００nmとすることが好ましい。
【００３１】導電性薄膜の比抵抗は、好ましくは１０-7
〜１０3 Ωcm、より好ましくは１０-7 〜１０-2 Ωcm
である。なお、バッファ層とＳｉ基板との間に、バッフ
ァ層の形成過程においてＳｉＯ2 層が生じる場合がある
が、このＳｉＯ2 層はバッファ層がエピタキシャル成長
し始めた後にＳｉ表面が酸化されることにより形成され
るものと見られ、バッファ層のエピタキシャル成長を阻
害するものでは無い。したがって、このＳｉＯ2 層は存
在していても良い。
【００３２】〔ペロブスカイト型酸化物薄膜〕ペロブス
カイト型酸化物薄膜は、バッファ層上に接して形成され
ている。
【００３３】ペロブスカイト型酸化物薄膜は、その上に
形成される強誘電体膜の結晶性を良好なものとするため
に、バッファ層に対してエピタキシャル成長しているこ
とが必要となる。ペロブスカイト型酸化物薄膜が立方晶
の場合には（１００）単一配向したエピタキシャル膜で
あることが好ましい。正方晶である場合には（００１）
単一配向膜であることが好ましいが、Ｓｉ基板からの応
力によって（１００）配向と（００１）配向の９０度ド
メイン構造となっていても良い。
【００３４】ペロブスカイト型酸化物薄膜は、絶縁性を
有することが好ましい。ペロブスカイト型酸化物薄膜の
比抵抗は、好ましくは１０3 Ωcm以上、より好ましくは
１０ 6 〜１０12 Ωcm程度である。
【００３５】ペロブスカイト型酸化物薄膜の材料として
は、ＢａＴｉＯ3 、ＰｂＴｉＯ3 、希土類元素含有チタ
ン酸鉛が好ましく、ＰｂＴｉＯ3 がさらに好ましい。Ｐ
ｂＴｉＯ3 とすれば、その上にＰＺＴ等のＰｂ系強誘電
体薄膜が形成しやすくなる。
【００３６】ペロブスカイト型酸化物薄膜の厚さは、そ
の上に形成される強誘電体薄膜の機能の低下を引き起こ
さない程度に薄くするほうが好ましいが、薄すぎるとこ
の層を設ける効果が無くなる。具体的には、５〜１００
nmが好ましく、１０〜５０nmがさらに好ましい。
【００３７】〔強誘電体薄膜〕強誘電体薄膜は、ペロブ
スカイト型酸化物薄膜上に設けられる。強誘電性、圧電
性など、要求される機能に応じて適宜選択すればよい
が、例えば以下の材料が好適である。
【００３８】（Ａ）ペロブスカイト型材料：希土類元素
含有チタン酸鉛、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）、ＰＬ
ＺＴ（ジルコンチタン酸ランタン鉛）等のＰｂ系ペロブ
スカイト化合物；Ｂｉ系ペロブスカイト化合物など。以
上のような単純、複合、層状の各種ペロブスカイト化合
物。
【００３９】なお、本明細書では、ＰｂＴｉＯ3 などの
ようにＡＢＯxにおけるＯの比率ｘをすべて３として表
示してあるが、ｘは３に限定されるものではない。ペロ
ブスカイト材料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で
安定したペロブスカイト構造を組むものがあるので、Ａ
ＢＯxにおいて、ｘの値は、通常、２．７〜３．３程度
である。また、Ａ／Ｂは１に限定されるものではない。
Ａ／Ｂを変えることにより、強誘電特性や圧電特性など
の電気的特性、および表面平坦性や結晶性を変化させる
ことができる。従って、Ａ／Ｂは必要とされる強誘電体
薄膜の特性に応じて変化させてもよい。通常、Ａ／Ｂは
０．８〜１．３程度である。なお、Ａ／Ｂは、蛍光Ｘ線
分析法から求めることができる。
【００４０】なお、上記ＰＺＴは、ＰｂＺｒＯ3 −Ｐｂ
ＴｉＯ3 系の固溶体である。また、上記ＰＬＺＴは、Ｐ
ＺＴにＬａがドープされた化合物であり、ＡＢＯ3 の表
記に従えば、例えば（Ｐｂ：0.89〜0.91、Ｌａ：0.11〜
0.09）（Ｚｒ：0.65、Ｔｉ：0.35）Ｏ3 のように表され
る。
【００４１】ペロブスカイト型強誘電体の中では、ＰＺ
Ｔが、強誘電特性の他に圧電特性にも優れるため、好ま
しい。ＰＺＴ薄膜の組成は、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）原子
比として、０．６０から０．９０の範囲が好ましく、
０．７０から０．８５の範囲がさらに好ましい。０．６
０よりＴｉの割合の少ない組成域では強誘電特性、ある
いは共振特性が悪化する。一方、Ｔｉの割合が多すぎる
と、絶縁性が悪化する。
【００４２】希土類元素含有チタン酸鉛としては、原子
比率が （Ｐｂ＋Ｒ）／Ｔｉ＝０．８〜１．３、 Ｐｂ／（Ｐｂ＋Ｒ）＝０．５〜０．９９ の範囲、特に、 （Ｐｂ＋Ｒ）／Ｔｉ＝０．９〜１．２、 Ｐｂ／（Ｐｂ＋Ｒ）＝０．７〜０．９７ の範囲にある組成のものを用いることが好ましい。この
組成の希土類元素含有チタン酸鉛は、特開平１０−１７
３９４号公報に開示されている。
【００４３】（Ｂ）タングステンブロンズ型材料：SBN
（ニオブ酸ストロンチウムバリウム）、PBN（ニオブ酸
鉛バリウム）等のタングステンブロンズ型酸化物など。
【００４４】タングステンブロンズ型材料としては、強
誘電体材料集のLandoit-Borenstein.Vol.16記載のタン
グステンブロンズ型材料が好ましい。具体的には、（Ｂ
ａ，Ｓｒ）Ｎｂ2Ｏ6 、（Ｂａ，Ｐｂ）Ｎｂ2Ｏ6 、Ｐｂ
Ｎｂ2Ｏ6 、ＰｂＴａ2Ｏ6 、ＢａＴａ2Ｏ6 、ＰｂＮｂ4
Ｏ11 、ＰｂＮｂ2Ｏ6 、ＳｒＮｂ2Ｏ6 、ＢａＮｂ2Ｏ 6
等やこれらの固溶体が好ましく、特に、ＳＢＮ［（Ｂ
ａ，Ｓｒ）Ｎｂ2Ｏ6 ］やＰＢＮ［（Ｂａ，Ｐｂ）Ｎｂ2
Ｏ6 ］が好ましい。
【００４５】強誘電体薄膜は、下地のペロブスカイト型
酸化物薄膜上にエピタキシャル成長していることが必要
である。強誘電体薄膜が正方晶である場合には（００
１）単一配向膜であることが好ましいが、Ｓｉ基板から
の応力によって（１００）配向結晶と（００１）配向結
晶からなる９０度ドメイン構造となっていても良い。
【００４６】〔製造方法〕バッファ層、ペロブスカイト
型酸化物薄膜、および強誘電体薄膜の形成方法は特に限
定されず、Ｓｉ単結晶基板上にこれらをエピタキシャル
膜として形成可能な方法から適宜選択すればよいが、好
ましくは蒸着法、特に、前記特開平９−１１０５９２号
公報や、本出願人による特開平１０−２８７４９４号公
報等に開示されている蒸着法を用いることが好ましい。
【００４７】以下、製造方法の具体例として、安定化ジ
ルコニア薄膜、およびＰｔ薄膜の積層構造からなるバッ
ファ層、ＰｂＴｉＯ3 からなるペロブスカイト型酸化物
薄膜、ＰＺＴからなる強誘電体薄膜を用いた積層薄膜の
形成について説明する。
【００４８】この製造方法を実施するにあたっては、例
えば図１に示すような構成の蒸着装置１を用いることが
望ましい。
【００４９】この蒸着装置１は、真空ポンプＰが設けら
れた真空槽１ａを有し、この真空槽１ａ内には、下部に
基板２を保持するホルダ３が配置されている。このホル
ダ３は、回転軸４を介してモータ等の回転手段５に接続
されており、この回転手段５によって回転され、基板２
をその面内で回転させることができるようになってい
る。上記ホルダ３は、基板２を加熱するヒータ等の加熱
手段６を内蔵している。
【００５０】蒸着装置１は、酸化性ガス供給装置７を備
えており、この酸化性ガス供給装置７の酸化性ガス供給
口８は、上記ホルダ３の直ぐ下方に配置されている。こ
れによって、酸化性ガスは、基板２近傍でその分圧が高
くされるようになっている。ホルダ３のさらに下方に
は、Ｚｒ等を供給する第１蒸発部９、ＴｉＯｘ（ｘ＝
１．６７）等を供給する第２蒸発部１０、およびＰｂＯ
等を供給する第３蒸発部１１が配置されている。これら
各蒸発部には、それぞれの蒸発源の他に、蒸発のための
エネルギーを供給するエネルギー供給装置（電子線発生
装置、抵抗加熱装置等）が配置されている。
【００５１】まず、上記ホルダに基板をセットする。こ
の製造方法では、均質な薄膜を大面積基板、例えば１０
cm2 以上の面積を持つ基板上に形成することができる。
これにより、本発明の積層薄膜を有する電子デバイス
を、従来に比べて極めて安価なものとすることができ
る。なお、基板の面積の上限は特にないが、現状では４
００cm2 程度である。また、ウエハ全面ではなく、部分
的にマスク等で選択して積層薄膜を形成することも可能
である。
【００５２】バッファ層の形成前に、Ｓｉ基板に表面処
理を施すことが好ましい。基板の表面処理は、例えば前
記特開平９−１１０５９２号公報や、特開平１０−２８
７４９４号公報などに記載された処理方法を利用するこ
とが好ましい。
【００５３】このような表面処理後、基板表面のＳｉ結
晶はＳｉ酸化物層により被覆されて保護された状態とな
っている。そして、このＳｉ酸化物層は、バッファ層形
成の際に基板表面に供給されるＺｒ等の金属によって還
元され、除去される。
【００５４】次に、バッファ層を形成する。安定化ジル
コニアとＰｔとの積層構造からなるバッファ層の形成に
は、特開平１１−３１２８０１号公報に記載された製造
方法を用いるのが好ましい。その他の構造のバッファ層
を形成する場合にも、前記特開平１１−３１２８０１号
公報、特開平９−１１０５９２号公報等に記載される方
法を用いることが好ましい。
【００５５】ペロブスカイト型酸化物薄膜の形成は、前
記特開平９−１１０５９２号公報等に記載された方法を
用いて行うことが好ましい。ＰｂＴｉＯ3 の形成の際に
は、基板温度は５００〜７５０℃とすることが好まし
く、５５０〜６５０℃とすることがさらに好ましい。基
板温度が低すぎると結晶性の高い膜が得られにくく、基
板温度が高すぎると再蒸発による組成ずれを生じたり膜
の表面の凹凸が大きくなりやすい。なお、蒸着時に真空
槽内に微量の酸素ラジカルを導入することにより原料の
再蒸発を低減することができる。具体的には、例えばＰ
ｂＴｉＯ3 薄膜において、ＰｂまたはＰｂＯの再蒸発を
抑制する効果がある。
【００５６】ペロブスカイト型酸化物薄膜に用いる材料
のａ軸の格子定数が、その上に作製する強誘電体薄膜に
用いる材料のａ軸の格子定数より小さい場合には、ミス
フィットによる弾性歪みを利用して強誘電体膜をｃ軸方
向に伸長させることができ、ペロブスカイト型酸化物薄
膜と強誘電体薄膜の界面から数十ナノメートルの厚さま
で（００１）配向した強誘電体膜を得ることができる。
【００５７】次に強誘電体薄膜を形成する。Ｓｉ基板上
にエピタキシャル成長したＰｂＴｉＯ3 上に、さらにＰ
ＺＴ等の強誘電体薄膜をエピタキシャル成長させる方法
は知られておらず、本発明により新たに見いだされた。
以下、強誘電体薄膜としてＰＺＴを形成する場合につい
て詳細に説明する。
【００５８】ペロブスカイト型酸化物薄膜上へのＰＺＴ
薄膜の形成は、酸化性ガスを導入しながら、ＰｂＯ、Ｔ
ｉＯｘ（ｘ＝１．６７）、Ｚｒをそれぞれの蒸発源から
供給して行うのが好ましい。酸化性ガスには、酸素、オ
ゾン、原子状酸素、ＮＯ2 、ラジカル酸素等を用いるこ
とができるが、酸化性ガスの一部もしくは大部分をラジ
カル化した酸素を用いることが好ましい。これにより、
ＰＺＴ薄膜の形成時において、ＰｂまたはＰｂＯの再蒸
発を抑えることができる。鉛の蒸発源としてＰｂＯを用
いる理由は、ＰｂＯがＰｂに比べて高温の基板上で再蒸
発しにくく、付着率が高いためである。また、チタンの
蒸発源としてＴｉＯｘを用いる理由も、同様に付着率が
高いからである。ＴｉＯｘのかわりにＴｉを用いると、
ＰｂＯがＴｉに酸素を奪われＰｂとなり再蒸発してしま
うので、好ましくない。なお、ＴｉＯｘにおけるｘは、
好ましくは１≦ｘ＜１．９、より好ましくは１≦ｘ＜
１．８、さらに好ましくは１．５≦ｘ≦１．７５、特に
好ましくは１．６６≦ｘ≦１．１．７５である。このよ
うなＴｉＯｘは、熱エネルギーを加えると真空槽内で溶
融し、安定した蒸発速度が得られる。
【００５９】ＰＺＴ形成時の基板温度は５００〜６５０
℃とするのが好ましい。成膜速度は、好ましくは０．０
５０〜１．０００nm／ｓ、より好ましくは０．１００〜
０．５００nm／ｓである。成膜速度が遅すぎると成膜速
度を一定に保つのが難しく、膜が不均質になりやすい。
一方、成膜速度が速すぎると、膜の結晶性が悪化する。
【００６０】ＴｉＯxおよびＺｒは、供給したほぼ全量
が基板上に成長するＰＺＴ結晶に取り込まれるので、目
的とする組成比に対応した比率の蒸発速度で基板上に供
給すればよい。しかし、ＰｂＯは蒸気圧が高いので組成
ずれを起こしやすく、制御が難しい。この形成方法で
は、このＰｂＯの特性を逆に利用し、ＰｂＯ蒸発源から
の基板への供給量比を、形成されるＰＺＴ膜結晶におけ
る比率に対し過剰とする。過剰供給の度合いは、蒸発源
から供給されるＰｂと（Ｔｉ＋Ｚｒ）との原子比Ｐｂ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）をＥ[Pb/(Ti+Zr)]とし、そのとき形成さ
れる強誘電体薄膜中のＰｂと（Ｔｉ＋Ｚｒ）との原子比
Ｐｂ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）をＦ[Pb/(Ti+Zr)]としたとき、こ
れらの関係が、Ｅ[Pb/(Ti+Zr)]／Ｆ[Pb/(Ti+Zr)]＝１．
５〜３．５、好ましくはＥ[Pb/(Ti+Zr)]／Ｆ[Pb/(Ti+Z
r)]＝１．７〜２．５、より好ましくはＥ[Pb/(Ti+Zr)]
／Ｆ[Pb/(Ti+Zr)]＝１．９〜２．３となるものである。
過剰なＰｂＯあるいはペロブスカイト構造に組み込まれ
ないＰｂＯは基板表面で再蒸発し、基板上にはペロブス
カイト構造のＰＺＴ膜だけが成長することになる。Ｅ[P
b/(Ti+Zr)]／Ｆ[Pb/(Ti+Zr)]が小さすぎると、膜中にＰ
ｂを十分に供給することが困難となり、膜中のＰｂ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）の比率が低くなりすぎて結晶性の高いペ
ロブスカイト構造とならない。一方、Ｅ[Pb/(Ti+Zr)]／
Ｆ[Pb/(Ti+Zr)]が大きすぎると、膜中のＰｂ／（Ｔｉ＋
Ｚｒ）の比率が大きくなりすぎて、ペロブスカイト相の
他に他のＰｂリッチ相が出現し、ペロブスカイト単相構
造が得られなくなる。
【００６１】以上説明したように、ＰｂＯおよびＴｉＯ
xを蒸発源として用いて付着率を高め、ラジカル酸素に
より強力に酸化し、かつ基板温度を所定範囲に設定する
ことにより、Ｐｂの過不足のないほぼストイキオメトリ
のＰＺＴ結晶が基板上に自己整合的に成長する。この方
法は、ストイキオメトリの鉛系ペロブスカイト結晶薄膜
を製造する画期的な方法であり、結晶性の極めて高い強
誘電体薄膜が得られる方法である。
【００６２】成膜面積が１０cm2 程度以上である場合、
例えば直径２インチの基板の表面に成膜するときには、
図１に示すように基板を回転させ、酸化性ガスを基板表
面の全域に万遍なく供給することにより、成膜領域全域
で酸化反応を促進させることができる。これにより、大
面積でしかも均質な膜の形成が可能となる。このとき、
基板の回転数は１０rpm 以上であることが望ましい。回
転数が低いと、基板面内で膜厚の分布が生じやすい。基
板の回転数の上限は特にないが、通常は真空装置の機構
上１２０rpm 程度となる。
【００６３】以上、強誘電体薄膜の形成方法の詳細を説
明したが、この方法は、従来の真空蒸着法、スパッタリ
ング法、レーザーアブレージョン法などとの比較におい
て特に明確なように、不純物の介在の余地のない、しか
も制御しやすい操作条件下で実施しうるため、再現性よ
く完全性が高い目的物を大面積で得るのに好適である。
【００６４】さらに、この方法においてＭＢＥ装置を用
いても、全く同様にして目的とする薄膜を得ることがで
きる。
【００６５】以上ではＰＺＴ薄膜を形成する方法につい
て説明したが、この方法は、他のＰｂ系強誘電体材料か
らなる薄膜の形成にも適用でき、これらの場合でも同様
な効果が得られる。また、Ｂｉ系酸化物薄膜にも適用で
きる。Ｂｉ系酸化物薄膜においても、真空中でＢｉの蒸
気圧が高いために、これまで組成制御が不十分であった
が、この方法においてＰｂＯ蒸発源をＢｉ2Ｏ3 蒸発源
に替えることで同様に形成できることを確認している。
Ｂｉ系の場合も、Ｂｉが過不足無く自己整合的に結晶に
取り込まれ、ストイキオメトリの強誘電体薄膜結晶が得
られる。
【００６６】〔電子デバイス〕本発明の積層薄膜は、半
導体プロセスにより加工して、キャパシタおよびＦＥＴ
のゲートとして構成した半導体記憶装置、赤外線センサ
等の薄膜強誘電体素子、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）プロ
ーブ等により強誘電体を分極反転させて情報を記録する
記録媒体、あるいは、移動体通信機等に利用される、Ｆ
ＢＡＲ等の薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、液
体噴射装置等に利用される薄膜圧電体素子、などに適用
することができる。これらのなかでも特にＦＢＡＲ等の
薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタが好ましい。
【００６７】半導体プロセスによる加工は、積層薄膜の
形成後、あるいは形成の途中の過程のいずれで行っても
良い。例えば、導電性薄膜を含むバッファ層を形成した
後、導電性薄膜をエッチング等により部分的に除去した
バッファ層上に、ペロブスカイト型酸化物薄膜を形成し
ても良い。
【００６８】バッファ層の一部を除去した後にペロブス
カイト型酸化物薄膜を形成する場合、バッファ層が除去
された部分は、Ｓｉ基板が露出していたり、あるいはバ
ッファ層の一部が残っていてもその表面性が悪化してい
ることがあるため、その上に形成するペロブスカイト型
酸化物薄膜は、エピタキシャル成長しないことやパイロ
クロア相が形成されることがある。このような場合に
は、バッファ層を一切除去していない部分にはペロブス
カイト型酸化物薄膜がエピタキシャル成長していること
が必要である。
【００６９】ペロブスカイト型酸化物薄膜としてＰｂＴ
ｉＯ3 等の、ＰＺＴに比べてペロブスカイト型構造の結
晶を形成し易い材料を用いることにより、バッファ層が
除去された部分での強誘電体薄膜の結晶性を高めたり、
パイロクロア相の形成を抑えたりすることもできる。
【００７０】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。 〔実施例１〕Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、ＺｒＯ2
薄膜、Ｙ2Ｏ3 薄膜、Ｐｔ薄膜、ＰｂＴｉＯ3 薄膜、Ｐ
ＺＴ薄膜がこの順で積層された積層薄膜を、以下の手順
で形成した。
【００７１】まず、表面が（１００）面となるように切
断して鏡面研磨したＳｉ単結晶ウエハ（直径２インチ、
厚さ２５０μmの円板状）を用意した。このウエハ表面
を４０％フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング
洗浄した。
【００７２】次に、図１に示す蒸着装置１を用い、真空
槽１ａ内に設置された回転および加熱機構を備えた基板
ホルダ３に上記単結晶基板２を固定し、真空槽を１０-6
Torrまで油拡散ポンプにより排気した後、基板洗浄面
をＳｉ酸化物を用いて保護するため、基板を２０rpm で
回転させ、酸素を基板付近にノズル８から２５cc／分の
割合で導入しつつ、６００℃に加熱した。これにより基
板表面が熱酸化され、基板表面に厚さ約１nmのＳｉ酸化
物膜が形成された。
【００７３】次いで、基板を９００℃に加熱し、回転さ
せた。回転数は２０rpm とした。このとき、ノズルから
酸素ガスを２５cc／分の割合で導入すると共に、金属Ｚ
ｒを蒸発源から蒸発させて前記基板表面に供給し、前工
程で形成したＳｉ酸化物の還元と薄膜形成とを行った。
なお、金属Ｚｒの供給量は、ＺｒＯ2の膜厚に換算して
１０nmとした。この薄膜は、Ｘ線回折においてＺｒＯ2
の（００２）ピークが明瞭に観察され、（００１）単一
配向で高結晶性のＺｒＯ2薄膜であることが確認され
た。また、このＺｒＯ2 薄膜は、図２に示すように、Ｒ
ＨＥＥＤにおいて完全なストリークパターンを示し、表
面が分子レベルで平坦であって、かつ高結晶性のエピタ
キシャル膜であることが確認された。
【００７４】次に、このＺｒＯ2 薄膜を形成した単結晶
基板を基板とし、基板温度９００℃、基板回転数２０rp
m 、酸素ガス導入量１５cc／分の条件で、基板表面に金
属Ｙを供給することにより、Ｙ2Ｏ3 薄膜を形成した。
金属Ｙの供給量は、Ｙ2Ｏ3 に換算して４０nmとした。
このＹ2Ｏ3 薄膜のＲＨＥＥＤ像は、図３に示されるよ
うにシャープなスポット状であった。このことから、こ
のＹ2Ｏ3 薄膜は、結晶性が良好なエピタキシャル膜で
あり、かつ、表面に凹凸が存在することがわかる。この
Ｙ2Ｏ3 薄膜の断面を、透過型電子顕微鏡により観察し
たところ、高さ１０nmのファセット面が存在し、ファセ
ット面の比率は９５％以上であった。
【００７５】次に、Ｙ2Ｏ3薄膜上に、金属薄膜として、
厚さ１００nmのＰｔ薄膜を形成した。基板温度は７００
℃、基板回転数は２０rpm とした。このＰｔ薄膜のＲＨ
ＥＥＤ像は、図４に示されるようにシャープなストリー
ク状であった。このことから、このＰｔ薄膜は、結晶性
が良好なエピタキシャル膜であり、かつ、表面が分子レ
ベルで平坦であることがわかる。
【００７６】また、Ｐｔ薄膜表面について、JIS B 0610
による十点平均粗さＲｚ（基準長さ１０００nm）を測定
したところ、１．１〜１．８nmであり、平坦性に優れて
いることが直接確認できた。
【００７７】次に、Ｐｔ薄膜上に、厚さ３０nmのＰｂＴ
ｉＯ3 膜を形成した。具体的には、基板を６００℃に加
熱し、２０rpm で回転させた。そして、ＥＣＲ酸素源か
らラジカル酸素ガスを１０cc／分の割合で導入し、基板
上にＰｂＯ、ＴｉＯｘ（ｘ＝１．６７）をそれぞれの蒸
発源から供給することによりＰｂＴｉＯ3 膜を形成し
た。蒸発源からの供給量はＰｂＯ：ＴｉＯ2 のモル比が
２：１になるように制御しながら行った。形成されたＰ
ｂＴｉＯ3 膜は、図５に示されるようにシャープなスト
リークを示し、表面が平坦で、結晶性が良好なエピタキ
シャル成長した膜となっていた。形成されたＰｂＴｉＯ
3 膜の比抵抗は、２×１０10 Ωcmであった。
【００７８】ここで、電子デバイスの構造上、Ｐｔ薄膜
を部分的にエッチングして、所望の寸法に加工しても良
い。この場合、Ｐｔ薄膜上にはＰｂＴｉＯ3 はcube on
cubeでエピタキシャル成長し、Ｐｔ薄膜が存在しない場
所上には、ＰｂＴｉＯ3 は４５°面内回転してエピタキ
シャル成長することがある。この場合、ＰＺＴはＰｂＴ
ｉＯ3 薄膜に対してエピタキシャルに成長する。つま
り、Ｐｔ薄膜上にはＰＺＴはcube on cubeでエピタキシ
ャル成長し、Ｐｔ薄膜が存在しない場所上には、ＰＺＴ
も４５°面内回転してエピタキシャル成長する。
【００７９】次に、ＰｂＴｉＯ3 薄膜上に、厚さ４７０
nmのＰＺＴ膜を形成した。基板温度を６００℃、基板回
転を２０rpm として、ＥＣＲ酸素源からラジカル酸素ガ
スを１０cc／分の割合で導入した。基板上にＰｂＯ、Ｔ
ｉＯｘ（ｘ＝１．６７）およびＺｒをそれぞれの蒸発源
から供給することによりＰＺＴ膜を形成した。蒸発源か
らの供給量はＰｂＯ：ＺｒＯ2 ：ＴｉＯ2 のモル比が
２：０．２５：０．７５になるように制御しながら行っ
た。
【００８０】このＰＺＴ膜の組成（原子比）を蛍光Ｘ線
分光法より調べたところ、 Ｐｂ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝１．００ Ｚｒ／Ｔｉ＝０．３３０ であった。
【００８１】形成されたＰＺＴ膜のＲＨＥＥＤ像は、図
６に示されるようにシャープなストリーク状のパターン
を示した。また、上記の方法で作成した、ＰＺＴ／Ｐｂ
ＴｉＯ3 ／Ｐｔ／Ｙ2Ｏ3 ／ＺｒＯ2 ／Ｓｉ（１００）
構造の積層薄膜のＸ線回折を測定した結果、図７に示さ
れるように、各層の（１００）または（００１）と等価
なピークのみが観測され、この積層薄膜は、高結晶性の
エピタキシャル成長した膜であることが確認された。
【００８２】次に、この積層薄膜を用いて、図８に示し
た構造のＦＢＡＲ素子を作製した。
【００８３】図示するＦＢＡＲ素子は、ビアホール２１
が形成されたＳｉ（１００）単結晶基板（以下、単にＳ
ｉ基板という）２２を有し、Ｓｉ基板２２上に、酸化物
薄膜等からなるバッファ層２３、Ｐｔ等の導電性薄膜か
らなる下地電極２４、ＰｂＴｉＯ3 等のペロブスカイト
型酸化物薄膜２５、ＰＺＴ等の強誘電体薄膜２６および
Ａｕ等の導電薄膜からなる上部電極２７をこの順で設け
たものである。ビアホール２１は、図中下面側からＳｉ
を異方性エッチングすることにより形成したものであ
り、このビアホール２１により、その上に積層された薄
膜がダイヤフラムを構成している。Ｓｉ基板２２の下面
は、ダイボンド剤３０によりパッケージ３１の底面に接
着され、パッケージ３１の上部は蓋３３により封止され
ている。
【００８４】先ず、Ｓｉ（１００）基板２２上に、Ｚｒ
Ｏ2 、およびＹ2Ｏ3 のバッファ層２３、Ｐｔの下地電
極２４をこの順で形成した後、Ｐｔ層２４をエッチング
により部分的に除去してパターンニングし、その上にＰ
ｂＴｉＯ3 のペロブスカイト型酸化物薄膜２５、続いて
ＰＺＴ膜２６を蒸着により形成した。ここで、Ｐｔ電極
面積は２０μｍ×２０μｍである。このとき、ＰｂＴｉ
Ｏ3 及びＰＺＴ膜の一部はＹ2Ｏ3 上に形成されること
になるが、Ｐｔ上、Ｙ2Ｏ3 上ともにＰｂＴｉＯ 3 およ
びＰＺＴ膜はエピタキシャル成長していることが、ＲＨ
ＥＥＤにより確認された。ＰＺＴ薄膜の組成はＺｒ：Ｔ
ｉ原子比で０．２５：０．７５とし、膜厚は５００nmと
した。続いて、Ａｌからなる上部電極２７を形成、電極
面積が２０μｍ×２０μｍ角となるようにパターンニン
グ加工し、Ｓｉ基板２２をエッチングすることによりビ
アホール２１を形成した。最後に、ダイシング装置でチ
ップに分割し、ダイボンド剤３０を用いてパッケージ３
１に搭載した後、ワイヤー３２により配線し、蓋３３に
より封止して素子を完成させた。
【００８５】このＦＢＡＲ素子を測定した。最初に、Ｐ
ＺＴ膜に直流電圧を印加しない状態で測定した。共振周
波数、反共振周波数は、それぞれ２．２ＧHz、２．５６
ＧHzであった。共振・反共振周波数でのインピーダンス
差は３１ｄＢであった。また、電気機械結合係数を求め
るとｋ2 ＝３９％と、極めて優れた特性が得られた。こ
れらの特性は、ＰＺＴ膜に印加する直流電圧を変化させ
ても、ほとんど変わらなかった。
【００８６】比較のため、ＰｂＴｉＯ3 層を有していな
い、ＰＺＴ／Ｐｔ／Ｙ2Ｏ3 ／ＺｒＯ2 ／Ｓｉ（１０
０）構造の積層薄膜を用いたＦＢＡＲ素子を作製した。
積層薄膜の作製、および素子の作成方法は上記のＰｂＴ
ｉＯ3 層を有したものと同じである。
【００８７】このＦＢＡＲ素子を測定したところ、ＰＺ
Ｔ膜に直流電圧を印加しない場合にはほとんど共振およ
び反共振が見られず、直流９Ｖの電圧を印加してもイン
ピーダンス差、および電気機械結合係数は、最大でそれ
ぞれ２０ｄＢ、３３％と、ＰｂＴｉＯ3 を有する場合に
比べ、劣っていた。
【００８８】このことから、本発明の積層薄膜、および
それを用いた電子デバイスは極めて優れた特性を持つこ
とが分かった。
【００８９】
【発明の効果】本発明では、Ｓｉ（１００）基板上にま
ずＰｂＴｉＯ3 等のペロブスカイト型酸化物薄膜をエピ
タキシャル成長させ、その上にＰＺＴ等の強誘電体膜を
エピタキシャル成長させることにより、Ｓｉ（１００）
基板上で優れた特性を有する強誘電体膜、その製造方法
を得ることができる。
【００９０】また、バッファ層をエッチング等により加
工あるいは除去してパターンを形成した場合、ペロブス
カイト型酸化物薄膜としてＰｂＴｉＯ3 等の、ＰＺＴに
比べてペロブスカイト型構造の結晶を形成し易い材料を
用いることにより、バッファ層が除去された部分での強
誘電体薄膜の結晶性を高めたり、パイロクロア相の形成
を抑えたりすることもできる。
【００９１】本発明の積層薄膜は、各種電子デバイス、
例えば半導体プロセスにより加工して、キャパシタおよ
びＦＥＴのゲートとして構成した半導体記憶装置、赤外
線センサ等の薄膜強誘電体素子、ＡＦＭ（原子間力顕微
鏡）プローブ等により強誘電体を分極反転させて情報を
記録する記録媒体、あるいは、移動体通信機等に利用さ
れる、ＦＢＡＲ等の薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィ
ルタ、液体噴射装置等に利用される薄膜圧電体素子、な
どに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層薄膜の形成に用いられる蒸着装置
の一例を示す説明図である。
【図２】結晶構造を示す図面代用写真であって、Ｓｉ単
結晶基板上に形成されたＺｒＯ 2 薄膜のＲＨＥＥＤ像で
ある。
【図３】結晶構造を示す図面代用写真であって、図２に
ＲＨＥＥＤ像を示すＺｒＯ2 薄膜上に形成されたＹ2Ｏ3
薄膜のＲＨＥＥＤ像である。
【図４】結晶構造を示す図面代用写真であって、図３に
ＲＨＥＥＤ像を示すＹ２Ｏ３薄膜上に形成されたＰｔ薄
膜のＲＨＥＥＤ像である。
【図５】結晶構造を示す図面代用写真であって、図４に
ＲＨＥＥＤ像を示すＰｔ薄膜上に形成されたＰｂＴｉＯ
3 薄膜のＲＨＥＥＤ像である。
【図６】結晶構造を示す図面代用写真であって、図５に
ＲＨＥＥＤ像を示すＰｂＴｉＯ 3 薄膜上に形成されたＰ
ＺＴ薄膜のＲＨＥＥＤ像である。
【図７】ＰＺＴ／ＰｂＴｉＯ3 ／Ｐｔ／Ｙ2Ｏ3 ／Ｚｒ
Ｏ2 ／Ｓｉ（１００）構造で形成された積層薄膜のＸ線
回折チャートである。
【図８】本発明の積層薄膜を用いて作製したＦＢＡＲ素
子の構造図である。
【符号の説明】
１ 蒸着装置 １ａ 真空槽 ２ 基板 ３ ホルダ ４ 回転軸 ５ モータ ６ ヒータ ７ 酸化性ガス供給装置 ８ 酸化性ガス供給口 ９ 第１蒸発部 １０ 第２蒸発部 １１ 第３蒸発部 ２１ ビアホール ２２ Ｓｉ ２３ ＺｒＯ2 薄膜 ２３ Ｙ2Ｏ3 薄膜 ２４ Ｐｔ薄膜 ２５ ＰｂＴｉＯ3 薄膜 ２６ ＰＺＴ薄膜 ２７ Ａｌ電極 ３０ ダイボンド剤 ３１ パッケージ ３２ ワイヤー ３３ 蓋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/18 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｚ (72)発明者 斉藤 久俊 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 阿部 秀典 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BC11 DA02 ED06 EF02 HA06 HA11 5F058 BA11 BB04 BC03 BD02 BD05 BF17 BJ01 5F103 AA01 DD27 GG01 HH03 RR06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長した積
    層薄膜で、酸化物薄膜を含むバッファ層を有し、 前記バッファ層上に（１００）または（００１）配向の
    ペロブスカイト型酸化物薄膜を有し、前記ペロブスカイ
    ト型酸化物薄膜上にエピタキシャル成長した強誘電体薄
    膜を有する積層薄膜。
  2. 【請求項２】 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜が絶縁
    性を有する請求項１の積層薄膜。
  3. 【請求項３】 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜とバッ
    ファ層の酸化物薄膜との間に導電性薄膜を有する請求項
    １または２の積層薄膜。
  4. 【請求項４】 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜がＰｂ
    ＴｉＯ3 からなる請求項１〜３のいずれかの積層薄膜。
  5. 【請求項５】 前記強誘電体薄膜がＰＺＴからなる請求
    項１〜４のいずれかの積層薄膜。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかの積層薄膜を有
    する電子デバイス。
  7. 【請求項７】 Ｓｉ（１００）基板上に酸化物薄膜を含
    むバッファ層を形成し、 次いで（１００）または（００１）配向のペロブスカイ
    ト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させ、 その上に強誘電体膜をエピタキシャル成長させる積層薄
    膜の製造方法。
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