[发明专利]压电元件用下部电极及具备它的压电元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成于基板上的成为压电薄膜的下部电极的压电元件用下部电极和具备该下部电极的压电元件。

背景技术

近年来，一直使用Pb（Zr，Ti）O₃等压电体作为应用于驱动元件、传感器等的机电转换元件。这样的压电体通过以薄膜的形式形成于Si等基板上，从而可期待应用于MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）元件。

在MEMS元件的制造中，由于可以适用使用了光刻等半导体工艺技术的高精度的加工，所以能够进行元件的小型化、高密度化。特别是，通过在直径6英寸、直径8英寸这样的较大的Si晶片上以高密度一并制作元件，从而与分别制造元件的单片制造相比，能够大幅度降低成本。

另外，通过压电体的薄膜化、器件的MEMS化来提高机电的转换效率，由此还可带来器件的灵敏度、特性提高这样的新的附加价值。例如，对于热传感器，通过基于MEMS化的热传导降低，从而能够提高测定灵敏度，对于用于打印机的喷墨头，能够进行基于喷嘴的高密度化的高精细图案化。

然而，在Si基板上成膜的压电体的薄膜（以下，也称为压电薄膜）的晶体的晶格常数与Si不同，成为多个晶体聚集成柱状的多晶（柱状晶体）。已知在这些柱状晶体中，沿膜厚方向在相同的晶体面生长的晶体越多（取向性越高），另外，柱状晶体越大，膜的压电特性越高。

另一方面，在应用压电薄膜的器件中，采用在Si等基板上依次层叠下部电极、压电薄膜、上部电极而成的构成。在这样的构成中，由于各层是将其下层作为基底而形成的，所以受到很多下层的影响地生长。换言之，着眼于压电薄膜时，其下层的下部电极的结晶性越良好，压电薄膜的结晶性也越良好。另外，下部电极的构成金属的粒径越大，压电薄膜的柱状晶体越大，压电薄膜的取向性也越高。并且，由于下部电极的表面粗糙度影响压电薄膜的成膜初期的晶体生长，所以成为对压电薄膜的取向性造成影响的重要的因素。

在这一点上，例如在专利文献1中，在基板上依次层叠含有至少1种压电薄膜的构成元素的籽晶层和下部电极，并且以下部电极的表面的算术平均粗糙度Ra为0.5～30.0nm的方式，使籽晶层所含的上述元素扩散，由此尝试提高下部电极上的压电薄膜的晶体取向性。可认为是因为通过上述元素的扩散，从而在下部电极的表面析出的析出物形成核，压电薄膜生长。

另外，在专利文献2中，在基板上形成电极膜时，首先，在基板上以岛状形成电极材料的初始结晶核（工序A），接着，使上述初始结晶核生长，形成电极材料的生长层（工序B）。此时，通过使工序A中的基板温度高于工序B中的基板温度，从而形成结晶性良好的电极膜。应予说明，在专利文献2中，对于电极膜，公开了摇摆曲线的半宽度为1.80°，证明了形成结晶性良好的电极膜。

另外，在专利文献3中，在用上下电极夹持具有钙钛矿型的晶体结构的电介质薄膜而成的电介质薄膜电容器中，通过使作为下部电极的Pt层的平均晶体粒径为50nm以下，使X射线衍射中的Pt的（111）面的摇摆曲线的半宽度为5°以下，从而改善Pt层上部的电介质薄膜的结晶性、粗糙度，提高电介质薄膜的特性（例如相对介电常数）。

另外，在专利文献4中，在基板上形成作为下部电极的Pt层并在其上形成有PZT薄膜的压电元件中，使Pt层中的摇摆曲线的半宽度为5°以下，由此提高Pt层上部的PZT薄膜的晶体取向性，得到大的压电位移量。

专利文献1:日本特开2007-281238号公报（参照权利要求5，段落〔0037〕、〔0057〕、〔0062〕等）

专利文献2:日本特开2004-311922号公报（参照权利要求1、段落〔0053〕、图4等）

专利文献3:日本特开2000-68454号公报（参照权利要求1、2，段落〔0011〕、〔0012〕、〔0014〕，图1、图2等）

专利文献4:日本特开2003-17767号公报（参照权利要求1，段落〔0009〕、〔0040〕等）

发明内容

然而，构成下部电极的Pt的结晶性和取向性被Pt的成膜条件（例如成膜时的基板温度）影响。因此，为了将特性良好的Pt层稳定成膜，设想Pt的成膜条件的变化，对Pt层不仅要控制摇摆曲线的半宽度，还必须同时控制表面的平均粗糙度和平均粒径。

但是，专利文献1～4中，对Pt层没有全部同时规定摇摆曲线的半宽度、表面的平均粗糙度、以及平均粒径，因此，无法将特性良好的Pt层稳定成膜。其结果，无法在Pt层上将特性良好的压电薄膜稳定成膜。