DE60032410T2

DE60032410T2 - Piezoelektrisches Dünnschicht-Bauelement für akustische Resonatoren

Info

Publication number: DE60032410T2
Application number: DE2000632410
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Yano; Takao Noguchi; Hidenori Abe; Hisatoshi Saitou
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2000332569A; CN1163982C; EP1054460B1; CN1274954A; EP1054460A2; EP1054460A3; US6198208B1; JP4327942B2; DE60032410D1

Description

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Dünnschichtvorrichtungen zur Konstruktion von Dünnschichtoszillatoren für mobile Kommunikationszwecke, spannungsgesteuerte Dünnschichtoszillatoren (VCO), Dünnschichtfilter und Flüssigkeitsinjektoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um der in letzter Zeit stattfindenden raschen Ausbreitung des mobilen Kommunikationsmarkts und der steigenden Nachfrage nach multifunktionellen Kommunikationsdiensten gerecht zu werden, werden ständig neue Kommunikationssysteme, wie durch IMT2000 typisiert, vorgeschlagen und eingeführt. Es besteht die Tendenz zu einem Anstieg der Nutzungsfrequenz auf mehrere Gigahertz und für einen Anstieg der Frequenzbandbreite von 5 MHz auf 20 MHz und höher. Während Größe und Stromverbrauch von tragbaren Geräten verringert werden, werden hauptsächlich akustische Oberflächenwellen-(SAW-)Vorrichtungen als RF und IF-Filter verwendet. Um dem neuen System zu gerecht zu werden, müssen die SAW-Vorrichtungen auch eine höhere Frequenz, ein breiteres Band und einen geringeren Verlust aufweisen und kostengünstiger sein. Bisher haben SAW-Vorrichtungen die rigorosen Spezifikationsforderungen der Benutzer durch Verbesserungen bezüglich der Gerätedesigntechnik und der Herstellungstechnik befriedigt. Diese Leistungsverbesserung stößt an ihre Grenzen. Daraus folgt, dass die SAW-Vorrichtung in Zukunft eine wesentliche technische Innovation braucht.
Abgesehen von der Entwicklung von SAW-Vorrichtungen sind Film Bulk Acoustic Resonators (FBARs), die aus piezoelektrischen Dünnschichten aufgebaut sind, zu einer Grundresonanz in einem Gigahertz-Band fähig. Jedoch wurden nur wenige nennenswerte Fortschritte mit FBAR erzielt, da es schwierig war, piezoelektrische Dünnschichten von guter Qualität herzustellen, und die Bearbeitungsgenauigkeit von piezoelektrischen Dünnschichten und Substraten, auf denen diese ausgebildet werden, nur wenig gesteigert werden konnte. Wenn Filter unter Verwendung von FBAR gebaut würden, würde dies jedoch eine Verkleinerung, einen niedrigeren Verlust, einen Breitbandbetrieb im Gigahertzband und eine monolithische Integration in integrierte Halbleiterschaltungen ermöglichen. Daher ist FBAR von potenziellem Nutzen in dem Bemühen, sehr kleine tragbare Geräte zu realisieren.
PZT ist eine feste Bleizirconattitanat-(PbZrO₃-PbTiO₃-)Lösung. Es ist ein ferroelektrisches Material mit hoher Piezoelektrizität. Die Verwendung von PZT könnte die Möglichkeit bieten, FBARs zu realisieren, die zum Breitbandbetrieb in einem Hochfrequenzband in der Lage sind. Zum Beispiel berichtet Jap. J. Appl Phys., Bd. 36 (1997), S. 6069–6072, von FBARs, die eine polykristalline PZT-Dünnschicht, die anhand des Sol/Gel-Verfahrens gebildet wurde, verwenden. Die in diesem Bericht beschriebene PZT-Dünnschicht hat die Zusammensetzung Pb(Zr_0,52Ti_0,48)O₃.
Jedoch kann der in diesem Artikel beschriebene FBAR keine Resonanzeigenschaften liefern, solange keine Vorspannung an die PZT-Dünnschicht angelegt wird, um eine Polarisierung zu induzieren. Die dadurch erreichten Resonanzeigenschaften reichen nicht aus, um einen niedrigen Verlust, einen Breitbandbetrieb in einem Hochfrequenzband der Gigahertz-Größenordung zu ermöglichen. Daher ist es notwendig, die elektromechanische Kopplungskonstante der PZT-Dünnschicht zu verbessern.
Aufgrund der Untersuchung des epitaktischen Wachstums von PZT-Dünnschichten auf Siliciumsubstraten schlugen die Erfinder in JP-A 9-110592 und 10-223476 ein Verfahren für die für die epitaktische Züchtung einer PZT-Dünnschicht auf einem Siliciumsubstrat vor. Die Konstruktion einer FBAR-Vorrichtung unter Verwendung einer PZT-Dünnschicht ist in diesen Patentveröffentlichungen nicht berücksichtigt.
Das japanische Patent Nr. 2,568,505 offenbart die Bildung von PbTiO₃ und PbTiO₃, dem La zugesetzt wurde, anstelle von PZT auf MgO-Einkristallsubstraten als stark orientierte Dünnschichten. In diesem Patent werden pyroelektrische Eigenschaften dieser orientierten Schichten betrachtet. Bei einem hohen Orientierungsgrad werden größere Leistungen erzielt, ohne dass man eine Polung durchführen müsste. Auf die Anwendung dieser orientierten Schichten für FBARs wird in diesem Patent kein Bezug genommen. Für den Aufbau von FBARs muss das Substrat mit großer Genauigkeit bearbeitet werden, und eine piezoelektrische Dünnschicht muss auf einem Siliciumsubstrat und nicht auf dem MgO-Substrat ausgebildet werden, das im oben genannten Patent verwendet wird, um eine monolithische Integration in Halbleiterschaltungen zu ermöglichen.
Wie oben erörtert, wurden keine Untersuchungen im Hinblick auf die Anwendung einer PZT-Dünnschicht für FBARs durchgeführt. Das heißt, ein FBAR aufgrund einer Kombination aus einer PZT-Dünnschicht und einem Siliciumsubstrat, der zufrieden stellende Resonanzeigenschaften für einen Breitbandbetrieb besitzt, ist unbekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung zu schaffen, mit der ein FBAR, der über einem im Vergleich zum Stand der Technik äußerst breiten Band arbeitet, realisiert wird.
Wir haben festgestellt, dass Resonanzeigenschaften eines FBAR, der eine epitaktisch gezüchtete PZT-Dünnschicht auf einem Siliciumsubstrat als piezoelektrische Dünnschicht aufweist, im Wesentlichen von der Zusammensetzung der PZT-Dünnschicht abhängen. Durch Einstellen des atomaren Verhältnisses Ti/(Ti + Zr), so dass dieses in einem bestimmten Bereich liegt, kann ein FBAR, der über einem äußerst breiten Band arbeitet, realisiert werden, ohne dass eine Polung der PZT-Dünnschicht notwendig wäre.
Die Erfindung schafft eine piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 1, die ein Siliciumsubstrat, eine Metalldünnschicht in Form eines epitaktischen Films auf dem Substrat, eine Pufferschicht und eine PZT-Dünnschicht auf der Metalldünnschicht umfasst. Die PZT-Dünnschicht hat ein Ti/(Ti + Zr)-Atomverhältnis von 0,65/1 bis 0,90/1. Vorzugsweise ist die PZT-Dünnschicht eine epitaktische Schicht mit 90 Grad-Domänenstruktur mit einer Mischung aus (100)-Orientierung (001)-Orientierung. In der Regel stellt die piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung einen Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) dar.
In der Offenbarung bezeichnet Ti/(Ti + Zr) immer ein Atomverhältnis.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines typischen FBAR.
2 ist ein Graph, der I(100)/I(001) einer epitaktisch gezüchteten PZT-Dünnschicht als Funktion von deren Zusammensetzung darstellt.
3 ist ein Graph, der eine c-Achsen-Gitterkonstante von (001)-orientiertem Kristall in einer epitaktisch gezüchteten PZT-Dünnschicht als Funktion von deren Zusammensetzung darstellt.
4 ist ein Graph, der Resonanzeigenschaften des FBAR zeigt, auf den die Erfindung angewendet wird.
5A stellt schematisch eine {111}-Facetten- bzw. -Kristalloberfläche einer Pufferschicht dar, 5B ist eine vergrößerte Darstellung davon und 5C zeigt schematisch eine Metalldünnschicht, die auf der facettierten Oberfläche ausgebildet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Allgemeinen hängen piezoelektrische Eigenschaften eines piezoelektrischen Materials vom Grad der Polarisierung von Kristallen, der Ausrichtung der Polarisationsachse und anderen Faktoren ab. Man nimmt an, dass die Piezoelektrizität der hierin verwendeten PZT-Dünnschicht auch von den kristallographischen Eigenschaften einschließlich der Domänenstruktur, der Orientierung und der Kristallinität von Kristallen abhängt, aus denen die Dünnschicht besteht. Bevor die kristallographischen Eigenschaften einer PZT-Dünnschicht erörtert werden, wird die in dieser Offenbarung verwendete Nomenklatur beschrieben.
Die „unidirektional orientierte Schicht" bezeichnet hierin eine kristallisierte Schicht, in der gewünschte Kristallflächen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Zum Beispiel ist eine unidirektional (001)-orientierte Schicht eine Schicht, in der (001)-Flächen im Wesentlichen parallel zur Schichtoberfläche verlaufen. Genauer beträgt laut Analyse durch Röntgenstrahlen-Diffraktometrie die Reflexionspeakstärke von anderen Flächen als der Objektfläche weniger als 10 % und vorzugsweise weniger als 5 % der maximalen Peakstärke der Objektfläche. Zum Beispiel liegt im Fall einer unidirektional (00L)-orientierten Schicht, d.h. einer unidirektional orientierten c-Flächenschicht, die Reflextionsstärke von anderen Flächen als der (00L)-Fläche unter 10 % und vorzugsweise unter 5 % der maximalen Peakstärke der Reflexion von der (00L)-Fläche, wie durch 2θ-θ-Röntgenstrahlen-Diffraktion analysiert. Es sei darauf hingewiesen, dass die (00L)-Fläche im Allgemeinen die Flächen der (001)-Familie bezeichnet, d.h. deren äquivalente Flächen, wie (001)- und (002)-Flächen. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die (H00)-Fläche im Allgemeinen diese äquivalenten Flächen bezeichnet, wie (100)- und (200)-Flächen.
Der hierin verwendete Ausdruck „epitaktische Schicht" ist eine unidirektional orientierte epitaktische Schicht. Die unidirektional orientierte epitaktische Schicht ist eine unidirektional orientierte Schicht (wie oben definiert), in der Kristalle in all den Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen fluchtend orientiert sind, vorausgesetzt, dass die Schichtoberfläche eine X-Y-Ebene ist und die Dickenrichtung der Schicht die Z-Achse ist. Zur Veranschaulichung – es muss zuerst laut einer Analyse durch Röntgenstrahlen-Diffraktometrie die Reflextionspeakstärke von anderen Flächen als der Objektfläche unter 10 % und vorzugsweise unter 5 % der maximalen Peakstärke der Objektfläche liegen. Zum Beispiel liegt im Fall einer epitaktischen (001)-Schicht, d.h. einer epitaktischen c-Flächenschicht, die Reflexionspeakstärke von anderen Flächen als der (00L)-Fläche unter 10 % und vorzugsweise unter 5 % der maximalen Peakstärke der Reflexion von der (00L)-Fläche, wie durch Röntgenstrahlen-Diffraktion analysiert. Zweitens muss die epitaktische Schicht laut RHEED-Analyse ein Punkt- oder Streifenmuster zeigen. Eine Schicht, die laut RHEED-Analyse ein Ring- oder Halomuster zeigt, wird nicht als epitaktisch angesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass RHEED eine Abkürzung für Reflexion High Energy Electron Diffraction (Reflexionselektronenbeugung) ist und dass die RHEED-Analyse ein Index für die Orientierung einer Kristallachse innerhalb einer Schichtebene ist.
Die „epitaktische Schicht mit 90 Grad-Domänenstruktur" wie hierin verwendet, muss die folgenden Anforderungen bei Raumtemperatur erfüllen. Erstens muss laut Analyse einer Schicht durch 2θ-θ-Röntgenstrahlen-Diffraction die Peakstärke von anderen Flächen als den (00L)- und (H00)-Flächen unter 10 % und vorzugsweise unter 5 % der maximalen Peakstärke einer (00L)- oder (H00)-Fläche liegen. Zweitens muss die Schicht laut RHEED-Analyse ein Punkt- oder Streifenmuster zeigen.
PZT weist eine Polarisationsachse in [001]-Richtung auf, wenn es aus tetragonalen Kristallen besteht, und in [111]-Richtung, wenn es aus rhomboedrischen Kristallen besteht. Bekanntlich nimmt PZT-Keramik bei Raumtemperatur im Allgemeinen tetragonale Kristalle nahe oder über Ti/(Ti + Zr) = 0,5, rhomboedrische Kristalle nahe oder unter Ti/(Ti + Zrs) = 0,4 und eine Mischung aus tetragonalen und rhomboedrischen Kristallen, die so genannte morphotrope Phasengrenzen-(MPB-)Zusammensetzung, bei Ti/(Ti + Zr) zwischen etwa 0,4 und etwa 0,5 ein. Nahe der MPB-Zusammensetzung ist die piezoelektrische Konstante am höchsten, und es werden ausgezeichnete Resonanzeigenschaften gezeigt. Zum Beispiel nutzt die polykristalline PZT-Dünnschicht, die in Jap. J. Appl Phys., Bd. 36 (1997), S. 6069–6072 beschrieben ist, die MPB-Zusammensetzung.
Jedoch sind für eine Dünnschicht aus PZT, die durch epitaktische Züchtung gebildet wird, kristallographische Parameter der Schicht, die eine zufrieden stellende Piezoelektrizität gewährleisten, unbekannt. Dann versuchten wir zuerst, eine PZT-Dünnschicht als Dünnschicht auszubilden, die in Richtung einer Polarisationsachse orientiert ist, und genauer als Dünnschicht mit mindestens tetragonalen (001)-orientierten Kristallen. Um eine tetragonale (001)-orientierte Schicht zu bilden, ist es wichtig, dass während des Wachstums einer Dünnschicht Kristalle in einer Richtung orientiert werden, die dieser Orientierung entspricht. PZT ist bei Raumtemperatur tetragonal, wird bei Temperaturen über 500°C jedoch kubisch, weil die Hochtemperaturphase kubisch ist. Dies legt nahe, dass, wenn eine PZT-Schicht als epitaktische Schicht mit kubischer (100)-Orientierung gezüchtet werden könnte, indem die Zuchttemperatur auf über 500°C eingestellt wird, die gezüchtete Schicht beim Abkühlen einen Übergang zu einem tetragonalen System vollziehen würde, was zu einer epitaktischen Schicht mit tetragonaler (001)-Orientierung oder einer epitaktischen Schicht mit 90°-Domänenstruktur mit einer Mischung aus (100)-Orientierung und (001)-Orientierung führt. Ob die PZT-Dünnschicht eine (001)-orientierte epitaktische Schicht oder eine epitaktische Schicht mit 90 Grad-Domänenstruktur wird, wird von einem Unterschied des Wärmeexpansionskoeffizienten zwischen der PZT-Dünnschicht und dem Substrat, einem Unterschied der Gitterkonstante zwischen der PZT-Dünnschicht und der darunter liegenden Schicht (wobei es sich in der vorliegenden Erfindung um die Metalldünnschicht handelt) und der Gitterkonstante der PZT-Dünnschicht an sich bestimmt.
Wir haben untersucht, wie die Resonanzeigenschaften eines FBAR des in 1 dargestellten Aufbaus von den kristallographischen Parametern einer PZT-Dünnschicht abhängen.
Der dargestellte FBAR schließt ein Silicium-(100)-Einkristallsubstrat 2 (im Folgenden einfach als Si-Substrat bezeichnet) mit einer darin ausgebildeten Durchkontak tierung 1, eine Pufferschicht 3 mit einer Dicke von 50 nm, die aus Siliciumoxid-, Zirconiumoxid- und Yttriumoxid-Schichten besteht, auf dem Si-Substrat 2, eine darunter liegende Elektrode 4 aus Platin, die 100 nm dick ist, eine PZT-Dünnschicht 5, die 0,5 μm dick ist, und eine obere Elektrode 6 aus Gold, die 100 nm dick ist, ein, welche in der beschriebenen Reihenfolge gestapelt sind. Die Durchkontaktierung 1 wird durch anisotrope Ätzung des Si-Substrats von der Unterseite in der Figur ausgebildet. Aufgrund des Vorhandenseins der Durchkontaktierung 1 bilden die auf dem Si-Substrat gestapelten Dünnschichten ein Diaphragma. Die untere Oberfläche des Si-Substrats 2 ist mit einem Kontaktstellen-Bondmaterial 10 mit dem Boden eine Packung 11 verbunden, während die Oberseite der Packung 11 von einem Deckel 13 verschlossen wird. Diese Struktur wurde durch Ausbildung von Dünnschichten und Elektroden auf einem Si-Substrat, Durchführung einer Ätzung und Trennung in Chips mittels eines Trennwerkzeugs und Befestigung des Chips in einem Paket erzeugt. Innerhalb des Pakets 11 sind äußere Verbindungsklemmen A und B zur Verbindung mit der Außenseite angeordnet, die durch Drähte 12 elektrisch mit den darunter liegenden bzw. oberen Elektroden 4 und 6 verbunden sind. In diesem FBAR bildet die PZT-Dünnschicht 5 über der Durchkontaktierung 1 einen piezoelektrischen Bulk Acoustic Resonator mit den darunter liegenden und oberen Elektroden 4 und 6, welche die PZT-Dünnschicht 5 sandwichartig umgeben.
Die darunter liegende Elektrode 4 wurde durch Evaporation gebildet. Die PZT-Dünnschicht 5 wurde durch Abscheiden einer Schicht über der gesamten oberen Fläche des Si-Substrats durch ein Mehrquellen-Bedampfungsverfahren und durch teilweises Wegätzen der Schicht in anderen Regionen als derjenigen oberhalb der Durchkontaktierung durch Photolithographie gebildet. Die Zusammensetzung der PZT-Dünnschicht 5 wurde auf einen Ti/(Ti + Zr)-Bereich zwischen 0,3 und 1,0 eingestellt. Die obere Elektrode 6 wurde über der Durchkontaktierung 1 gebildet. Die obere Elektrode 6 war rechteckig geformt und hatte eine plane Größe von 25 μm × 50 μm.
Während der FBAR-Herstellung wurde durch Röntgenstrahlen-Diffraktometrie und RHEED bestätigt, dass die darunter liegende Elektrode 4 eine (001)-orientierte epitaktische Schicht war. Genauer erschien bei der RHEED-Analyse ein Streifenmuster.
Bei der 2θ-θ-Röntgenstrahlbeugung liegt die Peakstärke von anderen Flächen als der (00L)-Fläche unter der Erfassungsgrenze, d.h. unter 0,1 % der maximalen Peakstärke von der (001)-Fläche.
Es wurde ebenso bestätigt, dass innerhalb des Ti/(Ti + Zr)-Bereichs zwischen 0,5 und 1,0 die PZT-Dünnschicht 5 eine (001)-orientierte epitaktische Schicht mit Perovskitstruktur oder eine epitaktische Schicht mit einer 90 Grad-Domänenstruktur mit gemischter (100)- und (001)-Orientierung war. Genauer erschien bei der RHEED-Analyse ein Streifenmuster in jeder Dünnschicht. Bei der 2θ-θ-Röntgenstrahlbeugung der (001)-orientierten Schicht liegt die Peakstärke von anderen Flächen als der (00L)-Fläche unter der Erfassungsgrenze, d.h. unterhalb von 0,1 % der maximalen Peakstärke der (001)-Fläche. Für die Schicht mit der 90 Grad-Domänenstruktur liegt die Peakstärke von anderen Flächen als den (00L)- und (H00)-Flächen unter der Erfassungsgrenze, d.h. unterhalb von 0,1 % der maximalen Peakstärke von der (001)-Fläche. Dagegen war für die PZT-Dünnschichten 5 mit einem Ti/(Ti + Zr) von weniger als 0,5 deren RHEED-Muster ringartig.
Mit Bezug auf die PZT-Dünnschicht 5 dieses FBAR wird die Beziehung der Zusammensetzung zu den kristallographischen Parametern auf Grundlage von experimentellen Ergebnissen beschrieben.
Aus Zusammensetzungen mit einen Ti/(Ti + Zr) von weniger als 0,4 konnten wegen einer erheblichen Nichtübereinstimmung der Gitterkonstante zwischen Pt und PZT keine hoch kristallinen PZT-Dünnschichten gebildet werden. Zum Beispiel weist PZT mit einen Ti/(Ti + Zr) von 0,4 bei der Wachstumstemperatur von 600°C eine Gitterkonstante von 0,409 nm auf, während eine Pt-Dünnschicht, die epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet wird, bei der Wachstumstemperatur eine Gitterkonstante von 0,394 nm hat. Da die Abweichung immerhin 3,8 % beträgt, wird keine gute Kristallinität erreicht. Bei einem Ti/(Ti + Zr) von weniger als 0,4 wird die Nichtübereinstimmung größer. Dagegen wird bei einem Ti/(Ti + Zr) über 0,4 die Nichtübereinstimmung geringer, was die epitaktische Züchtung einer zufrieden stellenden PZT-Dünnschicht ermög licht. Es sei darauf hingewiesen, dass PZT mit einem Ti/(Ti + Zr) von 1,0 eine Nichtübereinstimmung von 0,75 % gibt.
PZT-Dünnschichten mit einem Ti/(Ti + Zr) von mindestens 0,5 wurden durch Röntgenstrahlen-Diffraktometrie analysiert, um das Verhältnis der Reflexionsstärke I(100) der (100)-Fläche zur Reflexionsstärke I(001) der (001)-Fläche zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Schichten unidirektional (001)-orientiert sind, wenn Ti/(Ti + Zr) niedriger als 0,6 ist. Wenn Ti/(Ti + Zr) dagegen 0,6 oder höher ist, sind die Schichten solche mit 90 Grad-Domänenstruktur, was anzeigt, dass die „a"-Domäne umso mehr wächst, je höher das Ti-Verhältnis ist. In PZT-Kristallen nimmt das Verhältnis einer a-Achse zu einer c-Achse (die Tetragonalität) zu, wenn das Ti-Verhältnis höher wird. Es wird angenommen, dass Zusammensetzungen mit hoher Tetragonalität aufgrund eines großen Unterschieds der Gitterkonstante zwischen der a-Achse und der c-Achse eine drastische Zunahme der „a"-Domäne begünstigen.
Für PZT-Dünnschichten aus verschiedenen Zusammensetzungen wurde die c-Achsen-Gitterkonstante von (100)-orientierten Kristallen gemessen, mit den in 3 dargestellten Ergebnissen. In 3 stellt die gestrichelte Kurve die c-Achsen-Gitterkonstante von PZT-Keramik dar. Da Keramik, anders als Dünnschichten, keine Spannungen abhängig von der Gitterkonstante der darunter liegenden Schicht aufnimmt, stellt die gestrichelte Kurvenlinie eine im Wesentlichen intrinsische Gitterkonstante dar. Bei Ti/(Ti + Zr) von 0,6 oder darunter ist die c-Achse kurz, wie aus 3 ersichtlich, obwohl es sich bei der Schicht um eine unidirektional ausgerichtete (001)-Schicht handelt, wie in 2 dargestellt. In diesem Zusammensetzungsbereich wird die a-Achse während des Abkühlungsschritts, der sich an das epitaktische Wachstum anschließt, aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten vom Si-Substrat gestreckt, und infolgedessen wird die c-Achse kürzer als die a-Achse. Bei Ti/(Ti + Zr) von 0,65 oder höher wird eine starke Tetragonalität ausgeübt, wie in 2 gezeigt. Dann entwickelt sich eine große Menge an „a"-Domäne, so dass die Spannungen aufgrund des Unterschieds des Wärmeexpansionskoeffizienten vom Si-Substrat abgeschwächt werden. Infolge dessen nähert sich die c-Achse-Gitterkonstante der PZT-Dünnschicht der c-Achsen-Gitterkonstante von Keramik, wie in 3 dargestellt.
Dann wurden Resonanzeigenschaften zwischen den Verbindungsklemmen A und B des oben genannten FBAR aktuell gemessen. Wenn eine PZT-Dünnschicht einen Ti/(Ti + Zr) von 0,5 aufwies, d.h. eine starke (001)-Orientierung, aber eine niedrige c-Achsen-Gitterkonstante, wurden keine Resonanzeigenschaften beobachtet. Wenn eine PZT-Dünnschicht einen Ti/(Ti + Zr) von 1,0, d.h. eine hohe c-Achsen-Gitterkonstante aufwies, aber einer schwache (001)-Orientierung, konnten aufgrund des Leckstroms zwischen den Klemmen A und B keine Resonanzeigenschaften gemessen werden. Es sei klargestellt, dass ein Ti/(Ti + Zr) von 1,0 Bleititanat entspricht.
Eine Zusammensetzung mit einem Ti/(Ti + Zr) von etwa 0,5 ist im Zusammenhang mit der PZT-Bulkkeramik wie oben angegeben als MPB-Zusammensetzung bekannt. Nahe der MPB-Zusammensetzung sind die höchste piezoelektrische Konstante und ausgezeichnete Resonanzeigenschaften verfügbar. Jedoch werden nicht einmal Resonanzeigenschaften in einer epitaktisch gezüchteten PZT-Dünnschicht beobachtet.
Dann wurden Messungen mit FBAR mit einer PZT-Dünnschicht mit einem Ti/(Ti + Zr) von 0,75 durchgeführt, wobei eine deutliche Resonanz nahe 2 GHz gefunden wurde. Die Resonanzeigenschaften sind in 4 dargestellt. Aus der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz dieser Resonanzkurve wurden eine piezoelektrische Konstante e₃₃ und eine elastische Konstante C₃₃ bestimmt, wobei e₃₃ = 14,3 C/m² und C₃₃ 8,8 × 10¹⁰ N/m2 gefunden wurde, was einen sehr hohen Wert für e₃₃ anzeigt. Ferner wurde aus den Ergebnissen der Messung der Abhängigkeit einer Kapazitanz von einem Elektrodenbereich geschätzt, dass diese PZT-Dünnschicht eine dielektrische Konstante von etwa 300 hatte. Aus diesen Werten wurde das Quadrat einer elektromechanischen Kopplungskonstante k als k² = 47 % bestimmt, was mindestens das Zehnfache des Werts des Standes der Technik ist. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft kann ein FBAR, der über einem äußerst breiten Band arbeitet, eingerichtet werden.
Durch Untersuchen der Resonanzeigenschaften der PZT-Dünnschicht, während deren Zusammensetzung über einen breiten Bereich variiert wurde, wurde nach einem geeigneten Zusammensetzungsbereich der PZT-Dünnschicht gesucht. Es wurde gefunden, dass für eine epitaktische PZT-Schicht mit einer 90 Grad-Domänenstruktur, die ausgezeichnete Resonanzeigenschaften zeigen sollte, der Ti/(Ti + Zr) in einem Bereich zwischen 0,65 und 0,90 und vorzugsweise zwischen 0,70 und 0,85 liegen muss. Das heißt, es wurden PZT-Dünnschichten mit einen Ti/(Ti – Zr) von 0,65, 0,70, 0,75, 0,80, 0,85 und 0,90 aktuell auf Resonanzeigenschaften geprüft. Es wurde beobachtet, dass all diese FBARs Resonanzeigenschaften aufwiesen und gute Piezoelektrizität zeigten, wie von einer piezoelektrischen Konstante e₃₃ von mindestens 10 C/m² und einer elektromechanischen Kopplungskonstante k² von mindestens 30 % gezeigt. Genauer zeigten die FBARs mit einen Ti/(Ti + Zr) von 0,70, 0,75, 0,80 und 0,85 ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften, wie von einer piezoelektrischen Konstante e₃₃ von mindestens 14 C/m² und einer elektromechanischen Kopplungskonstante k² von mindestens 40 % gezeigt.
Aus den oben genannten Ergebnissen geht klar hervor, dass der Zusammensetzungsbereich, in dem eine epitaktisch gezüchtete PZT-Dünnschicht Piezoelektrizität zeigt, wenn sie als FBAR aufgebaut ist, nicht gleichbedeutend mit den bevorzugten Zusammensetzungsbereichen ist, die für Keramik (Bulkmaterialien) und polykristalline Dünnschichten bekannt sind. Mit FBARs, die eine epitaktisch gezüchtete PZT-Dünnschicht verwenden, werden bessere Eigenschaften, wie sie im Stand der Technik nie erreicht werden, durch Verschieben des Tis/(Ti + Zrs) der PZT-Dünnschicht von der optimalen Zusammensetzung für Bulkkeramiken erhalten.
Wir nehmen an, dass die Abhängigkeit der Piezoelektrizität von der Zusamensetzung einer PZT-Dünnschicht aus dem folgenden Grund ein völlig anderes Verhalten als PZT-Keramik zeigt. Man nimmt an, dass zwei Anforderungen erfüllt sein müssen, damit eine PZT-Dünnschicht ausgezeichnete Piezoelektrizität zeigt, nämlich:

(i) dass eine spontane Polarisation Ps in einer Richtung, d.h. die (001)-Orientierung, stark ist, und
(ii) dass diese spontane Polarisation Ps deutlich ist, d.h. dass die c-Achsen-Gitterkonstante hoch ist.

Jedoch deuten die in 2 und 3 gezeigten Ergebnisse darauf hin, dass es für eine epitaktisch gezüchtete PZT-Dünnschicht unmöglich ist, die beiden Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Es wird weiter angenommen, dass ein FBAR, der eine epitaktisch gezüchtete PZT-Dünnschicht auf einem Si-Substrat mit einer Pt-Dünnschicht (wobei es sich auch um eine epitaktische Schicht handelt), die dazwischen angeordnet ist, aufweist, ausgezeichnete Resonanzeigenschaften zeigt, wenn die Zusammensetzung der PZT-Dünnschicht so gewählt wird, dass die oben genannte Anforderung (i) in gewissem Umfang erfüllt ist und gleichzeitig die oben genannte Anforderung (ii) in gewissem Umfang erfüllt ist.
Ausgehend von diesem Verständnis wird der Grund für die Beschränkung von Ti/(Ti + Zr) durch die Erfindung wie folgt erklärt. Es wird angenommen, dass, wenn Ti/(Ti + Zr) niedriger als 0,65 ist, die PZT-Dünnschicht eine fast oder ungefähr unidirektionale (001)-Orientierung annimmt, aber die c-Achse kontrahiert ist, wodurch keine Piezoelektrizität geliefert wird. Wenn Ti/(Ti + Zr) niedriger als 0,4 ist, nimmt die Nichtübereinstimmung der Gitterkonstante zwischen der PZT-Dünnschicht und dem Substrat zu, was ein gutes epitaktisches Wachstum behindert. Es wird ferner angenommen, dass bei einem Ti/(Ti + Zr) über 0,90 die c-Achse von (001)-orientierten Kristallen vollständig gestreckt ist, aber das PZT dieser Zusammensetzung einen wesentlichen Unterschied der Gitterkonstante zwischen der a-Achse und der c-Achse aufweist, und dass infolgedessen Gitterdefekte entlang Domänengrenzen in der PZT-Dünnschicht auftreten, die nun zur Domänenstruktur umgewandelt ist, was zu einem Leckstrom zwischen den oberen und darunter liegenden Elektroden führt.
Aufbau der einzelnen Komponenten der piezoelektrischen Dünnschichtvorrichtung
Nun wird der Aufbau der einzelnen Komponenten der piezoelektrischen Dünnschichtvorrichtung gemäß der Erfindung ausführlicher beschrieben.
Substrat
Die Erfindung verwendet Silicium als Substrat. Es ist besonders bevorzugt, ein Si-Substrat so zu verwenden, dass die Substratsoberfläche von der (100)-Fläche des Si-Einkristalls definiert wird, da darauf eine epitaktische PZT-Schicht mit verbesserten Eigenschaften ausgebildet werden kann. Dies ist auch dahingehend von Vorteil, dass eine anisotrope Ätzung während des Durchkontaktierungs-Ausbildungsschritts des FBAR-Herstellungsverfahrens wirksam angewendet werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Ebenen vorzugsweise parallel zwischen dem Si-Substrat und der Metalldünnschicht (der darunter liegenden Elektrode), der PZT-Dünnschicht und der Pufferschicht sind, wie später beschrieben wird.
Pufferschicht
Die Pufferschicht 3 ist zwischen der Metalldünnschicht (der darunter liegenden Elektrode 4) und dem Substrat 2 in 1 angeordnet. Die Pufferschicht dient dazu, das epitaktische Wachstum einer Metalldünnschicht von guter Qualität auf dem Si-Substrat zu unterstützen, dient als Isolator und dient auch als Ätzstoppschicht bei der Ausbildung von Durchkontaktierungen durch Ätzung.
Bei der piezoelektrischen Dünnschichtvorrichtung der Erfindung wird eine Metalldünnschicht auf dem Si-Substrat als eine von zwei Elektroden, welche die PZT-Dünnschicht sandwichartig umgeben, und auch als die Schicht, die unter der PZT-Dünnschicht liegt, ausgebildet. Um eine PZT-Dünnschicht mit guter Kristallinität zu bilden, muss die Metalldünnschicht als epitaktische Schicht, die Einkristallen nahe kommt, ausgebildet werden. Um die Metalldünnschicht als epitaktische Schicht auszubilden, wird vorzugsweise das in JR A 9-110592 vom selben Inhaber wie die vorliegende Erfindung beschriebene Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren wird eine Pufferschicht, die eine (001)-orientierte ZrO₂-Dünnschicht, eine stabilisierte Zirconiumoxid-Dünnschicht und eine Seltenerdoxid-Dünnschicht einschließt, auf einem Si- Einkristallsubstrat bereitgestellt, eine (001)-orientierte Perovskitschicht aus BaTiO₃ oder dergleichen wird auf der Pufferschicht ausgebildet, und eine Metalldünnschicht aus Platin oder dergleichen wird auf der Perovskitschicht ausgebildet. Dieses Verfahren erlaubt die Ausbildung einer Metalldünnschicht als epitaktische Schicht. Der Grund dafür, dass dieses Verfahren die Perovskitschicht auf der Pufferschicht ausbildet, ist, dass, wenn eine Pt-Dünnschicht direkt auf der (001)-orientierten ZrO₂-Dünnschicht gebildet wird, das Platin eine (111)-Orientierung annimmt oder polykristallin wird, wodurch keine eindirektionale (100)-orientierte Pt-Schicht gebildet wird. Der Grund dafür, dass Platin auf der (001)-orientierten ZrO₂-Dünnschicht eine (111)-Orientierung annimmt, ist, dass aufgrund einer erheblichen Gitter-Nichtübereinstimmung zwischen der ZrO₂-(001)-Fläche und der Pt-(100)-Fläche Platin auf der energiestabilen (111)-Fläche als Zuchtfläche statt eines epitaktischen Wachstums, d.h. eines Wachstums auf der (100)-Fläche als Zuchtfläche wächst.
Jedoch ist die Bildung einer Perovskitschicht umständlich, und es ist schwierig, eine homogene Perovskitschicht mit der Entwurfs-Zusammensetzung zu bilden. Wenn eine BaTiO₃-Dünnschicht auf einer Zr enthaltenden Pufferschicht als die Perovskitschicht ausgebildet wird, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Material mit Tendenz zur Annahme einer (110)-Orientierung, wie BaZrO₃, ausgebildet wird. Ferner wird in der oben genannten JP A 9-110592 ein Bedampfungsverfahren, bei dem ein Metalldampf zu einer Substratoberfläche in einem oxidierenden Gas geliefert wird, als Verfahren verwendet, das in der Lage ist, eine homogene Dünnschicht über einem großen Bereich auszubilden. Wenn eine BaTiO₃-Dünnschicht anhand dieses Verfahrens ausgebildet wird, müssen die Verdampfungsmengen von Ba und Ti korrekt gesteuert werden, so dass Ba:Ti = 1:1 eingerichtet wird, wenn es als Oxid auf der Substratoberfläche abgeschieden wird.
Dann ist es bevorzugt, dass die folgende Pufferschicht als Pufferschicht verwendet wird, welche die Ausbildung einer Pt-Dünnschicht als epitaktische Schicht ermöglicht, ohne dass eine BaTiO₃-Dünnschicht gebildet werden müsste.
Diese Pufferschicht ist dadurch gekennzeichnet, dass die Grenze zur Metalldünnschicht eine {111}-Facettenfläche einschließt. Sie hat auch den Vorteil, dass, da das Vorhandensein einer Facettenoberfläche die Kontaktfläche zwischen der Pufferschicht und der Metalldünnschicht vergrößert, die Ablösung der Metalldünnschicht, die während des Mikrobearbeitungsschritts der FBAR-Herstellung auftreten kann, verhindert werden kann.
5A stellt schematisch eine Facettenoberfläche auf einer Pufferschicht-Oberfläche dar. 5B stellt die Facettenoberfläche in Vergrößerung dar. Da die Pufferschicht eine epitaktische Schicht mit kubischer (100)-Orientierung, tetragonaler (001)-Orientierung oder monokliner (001)-Orientierung ist, ist diese Facettenoberfläche eine {111}-Facettenoberfläche. Eine Metalldünnschicht wächst epitaktisch auf der {111}-Facettenoberfläche der Pufferschicht als {111}-orientierte Schicht. Während die Metalldünnschicht wächst, werden Eintiefungen, die durch die Facettenoberfläche definiert sind, begraben. Schließlich wird die Oberfläche der Metalldünnschicht flach, wie in 5C dargestellt, und parallel zur Substratsoberfläche. Diese Oberfläche ist eine kubische (100)-Fläche, kann wegen der Kristallgitterverzerrung aber zu einer tetragonalen (001)-Fläche werden.
Die Abmessungen der Facettenoberfläche sind nicht kritisch. Wenn die Höhe der Facettenoberfläche, das heißt, die Größe von der Facettenoberfläche, wenn sie auf einer Ebene orthogonal zur Ebene innerhalb der Pufferschicht projiziert wird, jedoch zu gering ist, wird die Wirkung der Facettenoberfläche, die auf der Pufferschicht bereitgestellt ist, reduziert. Weiter beträgt die Projektionsgröße vorzugsweise mindestens 5 nm. Wenn die Projektionsgröße hoch ist, wird andererseits die Oberfläche der Metalldünnschicht nicht flach, es sei denn, die Metalldünnschicht wird dementsprechend dick gestaltet. Jedoch wird die Metalldünnschicht umso zerbrechlicher, je dicker sie wird. Daher ist die Projektionsgröße vorzugsweise bis zu 30 nm. Es leuchtet ein, dass die Projektionsgröße anhand einer TEM-Mikrophotographie eines Pufferschicht-Querschnitts bestimmt wird.
Der Anteil der Facettenoberfläche an der Grenzfläche sollte vorzugsweise mindestens 80 % und vorzugsweise mindestens 90 % betragen. Wenn der Anteil der Facettenoberfläche zu niedrig ist, wird er schwierig, die Metalldünnschicht als epitaktische Schicht von guter Qualität zu züchten. Der Ausdruck „Anteil der Facettenoberfläche", wie hierin verwendet, ist ein Flächenverhältnis, das anhand einer TEM-Mikrophotographie eines Pufferschicht-Querschnitts durch das folgende Verfahren bestimmt wird. Vorausgesetzt, dass B die Länge einer Region der zu vermessenden Pufferschicht-Oberfläche (Länge in Binnenebenenrichtung) ist und H die Gesamtlänge der Oberflächen parallel zur Binnenebene ist (nicht die Facettenfläche), wird der Anteil der Facettenoberfläche durch [1 – (H/B)2] dargestellt. Die Länge B einer zu vermessenden Region ist mindestens 1 μm.
Um eine {111}-Facettenoberfläche auf der Oberfläche zu bilden, ist die Pufferschicht vorzugsweise hauptsächlich aus einem Seltenerdoxid oder Zirkoniumoxid oder einem Zirkoniumoxid, in dem Zirkonium teilweise durch ein Seltenerdelement oder ein Erdalkalielement ersetzt ist, zusammengesetzt. Der Ausdruck „Seltenerde", wie hierin verwendet, schließt Sc und Y ein. Solch eine Pufferschicht kann eine Facettenoberfläche an ihrer Oberfläche entwickeln, wenn sie eine kubische (100)-Orientierung oder eine monokline (001)-Orientierung aufweist.
Die Zusammensetzung der Pufferschicht wird von der Formel Zr_1-xR_xO_2-δ dargestellt, wobei R für ein Seltenerdelement oder ein Erdalkalielement steht. Während Zirconiumoxid (ZrO₂), das x = 0 entspricht, einen Phasenübergang von kubisch → tetragonal → monoklin mit einer Temperaturänderung von einer hohen Temperatur auf Raumtemperatur durchmacht, stabilisiert die Zugabe eines Seltenerdelements oder eines Erdalkalielements das kubische System. Ein Oxid, das durch die Zugabe eines Seltenerdelements oder eines Erdalkalielements zu ZrO₂ erhalten wird, wird allgemein als stabilisiertes Zirconiumoxid bezeichnet. Hierin wird vorzugsweise ein Seltenerdelement als das Element zum Stabilisieren von ZrO₂ verwendet.
Bei der Durchführung der Erfindung ist der Wert für x in der Formel: Zr_1-xR_xO_2-δ nicht kritisch, solange eine Facettenoberfläche gebildet werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass Jap. J. Appl Phys., 27(8), L1404–L1405 (1988) berichtet, dass Seltenerdstabilisiertes Zirconiumoxid in einer Zusammensetzungsregion, worin x unter 0,2 liegt, zu tetragonalen oder monoklinen Kristallen wird. Ebenso berichtet J. Appl. Phys., 58(6), 2407–2409 (1985), dass in einer Zusammensetzungsbereich, der zu einem tetragonalen oder monoklinen System führt, keine unidirektional orientierte epitaktische Schicht erhalten wird, weil orientierte Flächen außer der gewünschten in Beimischung mit der gewünschten eingeführt werden. Bei der Fortführung unserer Untersuchungen haben wir festgestellt, dass durch Anwenden eines Bedampfungsverfahrens, das nachstehend beschrieben wird, ein epitaktisches Wachstum möglich ist und eine gute Kristallinität sogar mit Zusammensetzungen erreicht werden kann, in denen x kleiner als 0,2 ist. Eine hochreine ZrO₂-Schicht weist einen hohen Isolierungswiderstand und einen minimierten Leckstrom auf und ist daher bevorzugt, wenn isolierende Eigenschaften erforderlich sind. Um die Bildung einer Facettenoberfläche zu erleichtern, ist x vorzugsweise mindestens 0,2.
Wenn dagegen eine Pufferschicht angrenzend an ein Si-Einkristallsubstrat gebildet wird, besteht die Schicht in einem Zusammensetzungsbereich, in dem x über 0,75 ausmacht, aus kubischen Kristallen, kann aber nur schwer eine unidirektionale (100)-Orientierung annehmen, erlaubt die zusätzliche Einführung von (111)-orientierten Kristallen oder nimmt statt dessen eine unidirektionale (111)-Orientierung an. Wenn eine Pufferschicht direkt auf einem Si-Einkristallsubstrat gebildet wird, ist es deshalb bevorzugt, dass x in der Formel Zr_1-xR_xO₂ Delta auf 0,75 oder kleiner gesetzt wird, vorzugsweise auf 0,50 oder weniger.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn eine Pufferschicht auf einer geeigneten darunter liegenden Schicht auf einem Si-Einkristallsubstrat gebildet wird, die Pufferschicht auch bei großen x-Werten eine unidirektionale (100)-Orientierung annehmen kann. Als darunter liegende Schicht ist eine Dünnschicht aus Zirconiumoxid oder stabilisiertem Zirconiumoxid und mit kubischer (100)-Orientierung oder monokliner (001)-Orientie rung bevorzugt. Für die zugrunde liegende Schicht sollte x kleiner gesetzt werden als in der Pufferschicht.
Das in der stabilisierten Zirconiumoxid-Dünnschicht enthaltene Seltenerdelement wird auf geeignete Weise gewählt, so dass die Gitterkonstante der stabilisierten Zirconiumoxid-Dünnschicht zur Gitterkonstante der Dünnschicht oder des Substrats, die bzw. das an die stabilisierte Zirconiumoxid-Dünnschicht angrenzt, passt. Obwohl die Gitterkonstante des stabilisierten Zirconiumoxids durch Ändern von x bei gleich bleibender Art des befestigten Seltenerdelements geändert werden kann, liefert die alleinige Änderung von x einen engen Bereich von Übereinstimmungsanpassung. Wenn jedoch das Seltenerdelement geändert wird, wird die Übereinstimmungsoptimierung leicht, weil die Gitterkonstante über einen relativ breiten Bereich geändert werden kann. Zum Beispiel ergibt die Verwendung von PR statt Y eine größere Gitterkonstante.
Man beachte, dass von Sauerstoffdefekten freies Zirconiumoxid durch die chemische Formel ZrO₂ dargestellt wird, während stabilisiertes Zirconiumoxid durch Zr_1-xR_xO_2-δ dargestellt wird, wobei θ normalerweise von 0 bis 1,0 ist, weil die Sauerstoffmenge mit der Art, der Menge und der Wertigkeit des zugesetzten stabilisierenden Elements variiert.
Die Pufferschicht kann eine abgestufte Zusammensetzungsstruktur aufweisen, deren Zusammensetzung sich kontinuierlich oder schrittweise verändert. Im Fall der abgestuften Zusammensetzungsstruktur ist es bevorzugt, dass x in Zr_1-xR_xO_2-δ von der hinteren Oberflächenseite zur vorderen Oberflächenseite (zur Metallschichtseite) der Pufferschicht zunimmt. In der oben genannten Ausführungsform, bei der eine darunter liegende Schicht bereitgestellt ist, wird, wenn die darunter liegende Schicht als Teil der Pufferschicht betrachtet wird, diese Pufferschicht als eine angesehen, die eine sich schrittweise ändernde Zusammensetzung aufweist.
Das in der Pufferschicht verwendete Seltenerdelement ist mindestens eins, das ausgewählt ist unter Sc, Y, Ce, PR Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu. Da einige Seltenerdoxide wahrscheinlich die Struktur einer a-Typ-Seltenerde annehmen, die hexagonal ist, wird vorzugsweise ein Seltenerdelement ausgewählt, das ein stabiles kubisches Oxid bildet. Genauer ist mindestens ein Element, das unter Sc, Y, Ce, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu ausgewählt ist, bevorzugt, und unter diesen Elementen kann eine Wahl getroffen werden, die von der Gitterkonstante ihres Oxids und anderen Bedingungen abhängt.
In die Pufferschicht kann ein Zusatz für die Zwecke der Verbesserung ihrer Eigenschaften eingeführt werden. Zum Beispiel sind Aluminium (Al) und Silicium (Si) wirksam, um die Beständigkeit der Schicht zu verbessern. Außerdem kann ein Übergangsmetallelement wie Mn, Fe, Co oder Ni einen Verunreinigungsgrad (Einfanggrad) in der Schicht bilden, der verwendet werden kann, um die Leitfähigkeit zu regeln.
In der ZrO₂-Dünnschicht, die als darunter liegende Schicht oder Pufferschicht verwendet wird, liegt die obere Grenze für den Zr-Anteil derzeit bei etwa 99,99 Mol %. Da die Trennung von ZrO₂ von HfO₂ mit der derzeit verfügbaren Ultrareinigungstechnik schwierig ist, zeigt die Reinheit von ZrO₂ im Allgemeinen die Reinheit von Zr + Hf an. Deshalb ist die Reinheit von ZrO₂ in der Patentschrift ein Wert, der aufgrund der Annahme berechnet wurde, dass Hf und Zr identisch sind. Dadurch entsteht jedoch kein Problem, da HfO₂ in der Zirconiumoxid-Dünnschicht genau dieselbe Funktion erfüllt wie ZrO₂. Dies gilt auch für das stabilisierte Zirconiumoxid.
Die Dicke der Pufferschicht ist nicht kritisch und kann geeignet eingestellt werden, so dass eine Facettenoberfläche geeigneter Größe gebildet werden kann. Vorzugsweise weist die Pufferschicht eine Dicke von 5 bis 1.000 nm und vorzugsweise von 25 bis 100 nm auf. Wenn die Pufferschicht zu dünn ist, ist es schwierig, eine gleichmäßige Facettenoberfläche zu bilden. Wenn sie zu dick ist, kann die Pufferschicht zerbrechen. Die Dicke der zugrunde liegenden Schicht wird auf geeignete Weise so bestimmt, dass die zugrunde liegende Schicht eine homogene epitaktische Schicht werden, eine flache Oberfläche haben und frei von Rissen sein kann. Oft ist eine Dicke von 2 bis 50 nm bevorzugt.
Metalldünnschicht
Die Metalldünnschicht, die als darunter liegende Elektrode verwendet wird, kann eine epitaktische Schicht und gleichzeitig eine (100)- oder (001)-orientierte Schicht sein. Wenn eine PZT-Dünnschicht auf einer Metalldünnschicht mit guter Kristallinität und Oberflächenglätte gebildet wird, kann eine Reihe von elektronischen Geräten realisiert werden, die zufrieden stellende Eigenschaften aufweisen, was Film Bulk Acoustic Resonators einschließt. Da die Metalldünnschicht die Aufgabe hat, Spannungen im Dünnschichtlaminat zu absorbieren, ist die Metalldünnschicht auch wirksam, zu verhindern, dass eine darauf gebildete Dünnschicht zerbricht.
Wenn eine Pufferschicht mit einer Facettenoberfläche verwendet wird, wächst eine Metalldünnschicht, die auf dieser Oberfläche gebildet wird, während sie die Eintiefungen, die durch die Facettenoberfläche definiert sind, begräbt. Die Metalldünnschicht hat schließlich eine Oberfläche, die flach und parallel zur Substratsoberfläche ist. An diesem Punkt ist die Metalldünnschicht eine kubische epitaktische Schicht, deren (100)-Fläche parallel zur Schichtoberfläche orientiert ist, kann aber manchmal aufgrund von Spannungen, welche die Verformung von Kristallen bewirken, eine epitaktische Schicht mit tetragonaler (001)-Orientierung werden.
Die Metalldünnschicht enthält vorzugsweise mindestens eins von Pt, Ir, Pd und Rh als Hauptbestandteil und vorzugsweise ein Metallelement oder eine Legierung, welche dieses enthält. Die Metalldünnschicht kann auch eine Dünnschicht sein, die aus zwei oder mehr Schichten von verschiedenen Zusammensetzungen besteht.
Die Dicke der Metalldünnschicht variiert mit der speziellen Anwendung, obwohl die Metalldünnschicht vorzugsweise 10 bis 500 nm und stärker bevorzugt 50 bis 150 nm dick und so dünn ist, dass sie die Kristallinität und Oberflächenglätte nicht beschädigt. Genauer sollte die Metalldünnschicht, um Vorsprünge und Eintiefungen zu begraben, welche von der Facettenoberfläche der Pufferschicht definiert sind, vorzugs weise eine Dicke von mindestens 30 nm haben. Eine Dicke von mindestens 100 nm gewährleistet eine ausreichende Oberflächenflachheit. Damit die Metalldünnschicht als Elektrode wirken kann, ist eine Dicke von 50 bis 500 nm bevorzugt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Metalldünnschicht vorzugsweise eine Resistivität von 10^–7 bis 10³ Ω-cm und vorzugsweise von 10^–7 bis 10² Ω-cm hat.
PZT-Dünnschicht
Die PZT-Dünnschicht ist eine epitaktisch gezüchtete, wie oben angegeben, und vorzugsweise eine epitaktische Schicht mit einer 90 Grad-Domänenstruktur mit einer Mischung aus (100)-Orientierung und (001)-Orientierung. Der Ti/(Ti + Zr) der PZT-Dünnschicht sollte im oben spezifizierten Bereich liegen. Die PZT-Dünnschicht wurde im obigen Beispiel anhand des Mehrquellen-Bedampfungsverfahrens ausgebildet, obwohl sie auch auf andere Weise ausgebildet werden kann, beispielsweise durch ein MBE- oder RF-Magnetronzerstäubungsverfahren. Die Dicke der PZT-Dünnschicht kann auf geeignete Weise entsprechend der notwendigen Resonanzfrequenz eingestellt werden, wird aber in der Regel so gewählt, dass sie im Bereich von 0,05 bis 5 μm liegt.
Im Allgemeinen bezeichnet PZT eine feste Lösung von PbZrO₃ und PbTiO₃, obwohl die Erfindung nicht verlangt, dass das Atomverhältnis Pb/(Ti + Zr) gleich 1 ist. Jedoch ist es bevorzugt, dass das Atomverhältnis Pb/(Ti + Zr) von 0,8 bis 1,3 und vorzugsweise von 0,9 bis 1,2 beträgt. Wenn Pb/(Ti + Zr) in diesem Bereich eingestellt wird, kann eine gute Kristallinität erhalten werden. Das Verhältnis von O zu Ti + Zr ist nicht auf 3 beschränkt. Da einige Perovskitmaterialien in einem sauerstoffarmen oder sauerstoffreichen Zustand eine stabile Perovskitstruktur darstellen, liegt das atomare Verhältnis O/(Ti + Zr) normalerweise bei etwa 2,7 bis etwa 3,3. Es leuchtet ein, dass die Zusammensetzung der PZT-Dünnschicht durch fluoreszierende Röntgenstrahlspektroskopie gemessen werden kann.
Bei der Durchführung der Erfindung wird die PZT-Dünnschicht vorzugsweise aus Pb, Zr und Ti zusammengesetzt, obwohl sie additive Elemente und Verunreinigungen enthalten kann. Zum Beispiel kann in der PZT-Dünnschicht HfO₂ als Verunreinigung enthalten sein, da eine Trennung von ZrO₂ von HfO₂ mit der derzeit verfügbaren Ultrareinigungstechnik schwierig ist. Man beachte, dass der Einschluss von HfO₂ nicht zu Problemen führt, da er keinen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der PZT-Dünnschicht hat. Die additiven Elemente und Verunreinigungselemente, die in der PZT-Dünnschicht eingeschlossen sein können, schließen zum Beispiel Seltenerdelemente (einschließlich von Sc und Y), Bi, Ba, Sr, Ca, Cd, K, Na, Mg, N.B. Ta, Hf, Fe, Sn, Al, Mn, Cr, W und Ru ein. In der Praxis der Erfindung können diese Substitutelemente und Verunreinigungselemente insoweit eingeschlossen sein, als der Wert von Ti/(Ti + Zr) im oben spezifizierten Bereich liegt, wobei der Wert Ti/(Ti + Zr) unter der Annahme berechnet wird, dass Seltenerdelemente, Bi, Ba, Sr, Ca, Cd, K, Na und Mg Zirconium substituieren und Nb, Ta, Hf, Fe, Sn, Al, Mn, Cr, W und Ru Titan substituieren. Die prozentuale Substitution durch Substitutelemente oder Verunreinigungselemente für Pb, Zr und Ti liegt vorzugsweise bei bis zu 10 % und stärker bevorzugt bei bis zu 5 %. In der PZT-Dünnschicht können auch andere Elemente, wie Ar, N, H, Cl, C, Cu, Ni und Pt, als Spurenzusätze oder zufällige Verunreinigungen enthalten sein.
Kristallinität und Oberflächenglätte
Die Kristallinität der Pufferschicht, der Metalldünnschicht und der darunter liegenden Schicht kann anhand der Halbwertsbreite einer Reflexionspeak-Rockingkurve bei der Röntgenstrahlbeugung oder einem RHEED-Abbildungsmuster bewertet werden. Die Oberflächenglätte kann anhand eines Musters einer RHEED-Abbildung oder einer TEM-Mikrophotographie beurteilt werden.
Genauer weist jede Schicht vorzugsweise eine solche Kristallinität auf, dass bei der Röntgenstrahlen-Diffraktometrie eine Rocking-Kurve der Reflexion von der (200)-Fläche oder der (002)-Fläche (oder der (400)-Fläche im Falle einer Pufferschicht mit einer Struktur einer c-Typ-Seltenerde) eine Halbwertsbreite von bis zu 150° aufweisen kann. Der untere Grenzwert für die Halbwertsbreite der Rocking-Kurve ist nicht kritisch, und je kleiner desto besser. Gegenwärtig ist der untere Grenzwert etwa 0,7° und insbesondere etwa 0,4°. Im Fall von RHEED zeigt eine gepunktete Abbildung eine unregelmäßige Oberfläche an, und eine gestreifte Abbildung zeigt eine flache Oberfläche an. In jedem Fall zeigt eine scharfe RHEED-Abbildung gute Kristallinität an.
Ausbildungsverfahren
Für die Ausbildung der Pufferschicht und der Metalldünnschicht wird vorzugsweise ein Bedampfungs-, ein MBE- oder RF-Magnetronzerstäubungsverfahren angewendet, wobei das in JP A 10-17394 beschriebene Verfahren besonders bevorzugt ist.
Obwohl die Erfindung am wirksamsten ist, wenn für sie für FBARs verwendet wird, kann sie auch auf piezoelektrische Geräte zum Gebrauch als Dünnschichtoszillatoren für mobile Kommunikationszwecke, für Dünnschichtfilter, für Hochgeschwindigkeits-Frequenzsynthesizer für das Frequenz-Hopping und für Flüssigkeitsinjektoren angewandt werden.
Es wurde eine piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung beschrieben, in der die Zusammensetzung und die Kristallanordnung der epitaktisch gezüchteten PZT-Dünnschicht optimiert sind, so dass eine piezoelektrische Hochleistungsvorrichtung, wie ein FBAR, der über einem äußerst breiten Band arbeitet, realisiert wird. Verbesserte piezoelektrische Eigenschaften sind ohne Polarisierung der PZT-Dünnschicht erreichbar.

Claims

Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung, die ein Siliciumsubstrat, eine Pufferschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine metallene Dünnschicht in Form einer epitaktischen Schicht auf der Pufferschicht und eine PZT-Dünnschicht auf der metallenen Dünnschicht einschließt, wobei die Pufferschicht eine facettierte Oberfläche aufweist, bei der es sich um die Oberfläche handelt, die mit der metallenen Dünnschicht in Oberflächenkontakt steht, und die PZT-Dünnschicht ein Ti/(Ti + Zr)-Atomverhältnis von 0,65 bis 0,90 aufweist.
Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die PZT-Dünnschicht eine epitaktische Schicht mit 90 Grad-Domänenstruktur mit gemischten (100)- und (001)-Ausrichtungen ist.
Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 1, bei der es sich um einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Dünnschichtresonator handelt.