DE112013002782T5

DE112013002782T5 - Dielektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE112013002782T5
Application number: DE112013002782.8T
Authority: DE
Inventors: c/o TDK Corporation Kurachi Katsuyuki; c/o TDK Corporation Maejima Kazuhiko; c/o TDK Corporation Nakajima Mayumi; c/o TDK Corporation Sakuma Hitoshi; c/o TDK Corporation Aida Yasuhiro
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: CN104364923B; CN104364923A; DE112013002782B4; US20130320813A1; US20180076379A1; JP2015523705A; JP6065022B2; WO2013183428A1; US10964879B2

Abstract

Die dielektrische Vorrichtung ist mit einer ersten Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt, und einer auf der ersten Elektrodenschicht aufgebrachten dielektrischen Schicht, die eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung besitzt, sowie einer auf der dielektrischen Schicht aufgebrachten zweiten Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt, ausgerüstet.

Description

Stand der Technik
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Vorrichtung.
Technischer Hintergrund
Bislang sind, wie in den Patentdokumenten 1–5 offenbart ist, herkömmliche dielektrische Vorrichtungen bekannt, die eine dielektrische Schicht und ein Paar von Elektrodenschichten besitzen, die auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht aufgetragen sind.
[Patentliteratur 1] JP 2010-103194
[Patentliteratur 2] JP 2009-094449
[Patentliteratur 3] JP 2008-211385
[Patentliteratur 4] JP 2007-277606
[Patentliteratur 5] JP 2006-286911
[Zusammenfassung der Erfindung]
Es ist jedoch nicht einfach, im Fall der konventionellen dielektrischen Vorrichtungen die Kristalleigenschaften des Dielektrikums zu verbessern, außerdem sind auch die Produktionskosten davon hoch. In Anbetracht dieser Probleme stellt die vorliegende Erfindung dielektrische Vorrichtungen bereit, bei denen die Kristallinität des Dielektrikums auf einfache Weise verbessert werden kann und die zu niedrigeren Kosten herstellbar sind.
Die dielektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder eine amorphe Struktur besitzt, eine auf der oben genannten ersten Elektrodenschicht angeordnete dielektrische Schicht, die eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung besitzt, und eine auf der oben genannten dielektrischen Schicht aufgebrachte zweite Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder eine amorphe Struktur besitzt.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff ”Struktur mit einer Vorzugsorientierung”, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, nicht weniger als 50% der Summe der Intensität aller Peaks beträgt. Der Begriff ”nicht-orientierte Struktur” bedeutet, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer Kristallebene gehört, weniger als 50% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt. Der Begriff ”amorphe Struktur” bedeutet, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung kein zu einer Kristallgitterebene gehörender Peak beobachtet wird.
In der vorliegenden Erfindung besitzen die dielektrischen Schichten vorzugsweise eine (001), (101) oder (110)-Vorzugsorientierung.
Die 2 Elektrodenschichten in der vorliegenden Erfindung können aus einem natürlichen Metall oder einer Legierung von zwei oder mehr Metallen bestehen, und sie können außer Metallen auch ein anderes Element enthalten, ohne Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit zu hemmen. Die Zusammensetzung der 2 Elektrodenschichten kann jeweils verschieden sein, vorzugsweise ist sie aber gleich.
Das Dielektrikum der vorliegenden Erfindung kann nicht nur ein piezoelektrisches Material sondern auch ein paraelektrisches Material, ein pyroelektrisches Material, ein ferroelektrisches Material usw. sein. Bevorzugt sind unter anderen piezoelektrische Materialien.
In der vorliegenden Erfindung ist das Oxidations-Reduktions-Potential aller metallischen Elemente, die die erste und zweite Elektrodenschicht bilden, vorzugsweise größer als das Oxidation-Reduktion-Potential aller metallischen Elemente, die die dielektrische Schicht bilden. Das macht die dielektrische Schicht sowohl chemisch als auch elektrisch stabil, ohne durch die Elektrodenschicht reduziert zu werden, und die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der dielektrischen Vorrichtung werden weiter verbessert.
Weiterhin bestehen die erste und zweite Elektrodenschicht vorzugsweise aus einem der Metalle Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co, Ni oder einer Legierung, die Metalle ausgewählt aus diesen enthält. Besonders in dem Fall, dass die dielektrische Vorrichtung eine dielektrische Schicht besitzt, die nur aus einem metallischen Element oder aus metallischen Elementen mit einem ausreichend niedrigen Oxidation-Reduktion-Potential besteht, wird zwischen den Elektrodenschichten und der dielektrischen Schicht ein chemisch und elektrisch stabiler Zustand erreicht und die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der dielektrischen Vorrichtung weiter verbessert, wenn man die Bestandteile der zwei Elektrodenschichten aus den zuvor genannten metallischen Elementen auswählt.
Die eine Hauptoberfläche der dielektrischen Schicht berührt die erste Elektrodenschicht und die andere Hauptoberfläche der dielektrischen Schicht kann die zweite Elektrodenschicht berühren.
In der vorliegenden Erfindung umfasst die dielektrische Vorrichtung bevorzugt ferner eine Zwischenschicht, bestehend aus einem der Metalle Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co, Ni zwischen wenigstens einer Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht, um das Haftungsvermögen zwischen den zwei Schichten zu verbessern. Das Metall, aus dem diese Zwischenschicht besteht, besitzt vorzugsweise ein niedrigeres Oxidation-Reduktion-Potential als jedes der metallischen Elemente, die die dielektrische Schicht bilden.
Die Zwischenschicht kann die Elektrodenschicht und die dielektrische Schicht berühren.
Zwischen der Zwischenschicht und die dielektrische Schicht wird ein minimal erforderliches Maß an Redoxreaktion angenommen, so dass sich das Haftungsvermögen zwischen beiden verbessert. Wenn jedoch die Redoxreaktion zu sehr gefördert wird, wird das Gleichgewicht der Zusammensetzung der dielektrischen Schicht zerstört, so dass sich die piezoelektrischen Eigenschaften und in einigen Fällen andere Eigenschaften verschlechtern können; daher gibt es naturgemäß eine obere Grenze für die Schichtdicke der Zwischenschicht.
Wenn eine dielektrische Vorrichtung eine Zwischenschicht umfasst, kann auch zwischen der Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht, vorzugsweise zwischen der Zwischenschicht und der dielektrischen Schicht, eine aus einem elektrisch leitfähigen Oxid gebildete elektrisch leitende Oxidschicht angebracht werden, um die Verschlechterung der Eigenschaften der Vorrichtung zu begrenzen. Durch diese Anordnung wird die dielektrische Schicht noch weniger durch die Elektrodenschicht reduziert und so die Verschlechterung der Eigenschaften weiter verringert.
Die Zwischenschicht oder die elektrisch leitfähige Oxidschicht kann die dielektrische Schicht berühren.
Zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht kann die dielektrische Vorrichtung zusätzlich eine Metallschicht umfassen, die eine Struktur mit einer bevorzugten Orientierung besitzt, und die Metallschicht kann die zweite Elektrodenschicht und die dielektrische Schicht berühren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Kristallinität der dielektrischen Schicht in der dielektrischen Vorrichtung auf einfache Weise verbessert werden und es ist möglich, das Material der beiden Elektrodenschichten durch preiswerte Stoffe zu ersetzen und der Durchsatz des Schichtbildungsprozesses wird erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In sind (a) bis (d) schematische Querschnittsansichten der dielektrischen Vorrichtungen gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
ist eine Tabelle, die das Oxidations-Reduktions-Potential der Metalle zeigt.
In sind (a) bis (g) schematische Querschnittsansichten, die die Herstellungsmethode der dielektrischen Vorrichtungen der zeigen.
ist eine schematische Querschnittsansicht der dielektrischen Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 1.
zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der darunterliegenden Pt-Basisschicht und der Orientierungsgrad der dielektrischen Schicht. Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen im Detail beschrieben.
(Dielektrische Vorrichtung 100A)
Unter Bezugnahme auf (a) in wird die dielektrische Vorrichtung 100A gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die dielektrische Vorrichtung 100A besitzt eine auf einem Trägersubstrat 5 aufgebrachte Harzlage 7, auf der nacheinander die erste Elektrodenschicht 4, eine dielektrische Schicht 3, eine Metallschicht 2 und die zweite Elektrodenschicht 8 in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
(Dielektrische Schicht 3)
Die dielektrische Schicht 3 besitzt eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung. Der Begriff ”Struktur mit einer Vorzugsorientierung” bedeutet, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, 50% oder mehr der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt. Vorzugsweise beträgt bei der dielektrischen Schicht 3 bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität des Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, 80% oder mehr der Summe der Intensität aller Peaks.
Die dielektrische Schicht 3 besitzt vorzugsweise eine (001), (101) oder (110)-Vorzugsorientierung. Diese Anordnung lässt die dielektrische Schicht 3 zu einem Dielektrikum mit hervorragenden Eigenschaften werden.
Wenn eine piezoelektrische Schicht als dielektrische Schicht 3 verwendet wird, umfassen Beispiele einer piezoelektrischen Schicht vorzugsweise Schichten wie KNN, das bedeutet (K,Na)NbO₃, IN, das bedeutet Li NbO₃, AlN usw. Andere anwendbare Materialien für die dielektrische Schicht 3 umfassen MgO, STO, das bedeutet SrTiO₃, BTO, das bedeutet BaTiO₃ usw.
Für die Dicke der dielektrischen Schicht 3 gibt es keine besonderen Einschränkungen. Sie beträgt in der Regel etwa 1000 bis 4000 nm.
(Elektrodenschichten 4, 8)
Die erste Elektrodenschicht 4 ist auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 3 angeordnet und die zweite Elektrodenschicht 8 befindet sich auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 3. Die erste Elektrodenschicht 4 und die zweite Elektrodenschicht 8 besitzen jeweils eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur. Dabei können beide der 2 Elektrodenschichten eine amorphe Struktur besitzen, oder beide Elektrodenschichten können eine nicht-orientierte Struktur haben. Es ist auch möglich, dass die eine Elektrodenschicht eine nicht-orientierte Struktur und die andere Elektrodenschicht eine amorphe Struktur besitzt.
Der Begriff ”nicht-orientierte Struktur” bedeutet, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität jedes Peaks, der zu einer Kristallebene gehört, weniger als 50% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt. Vorzugsweise beträgt bei den Elektrodenschichten 4, 8 die Intensität jedes Peaks, der zu einer Kristallebene gehört, nicht mehr als 10% der Summe der Intensitäten aller Peaks. Der Begriff ”amorphe Struktur” bedeutet, dass bei der Röntgendiffraktionsmessung kein zu einer Kristallgitterebene gehörender Peak beobachtet wird.
Die Elektrodenschichten 4, 8 bestehen aus einem metallischen Element oder metallischen Elementen. Für diese(s) metallische(n) Element(e) gibt es keine besondere Einschränkung, welche(s) aus einer großen Vielzahl von einzelnen Metallen oder Legierungen ausgewählt werden können.
Unter dem Gesichtspunkt, eine durch den galvanischen Effekt hervorgerufene Verschlechterung der Eigenschaften zu verhindern und die Zuverlässigkeit zu verbessern, ist das Oxidations-Reduktions-Potential aller Metalle, die die Elektrodenschichten 4, 8 bilden, vorzugsweise höher als das Oxidations-Reduktions-Potential aller Metalle, die die dielektrische Schicht 3 bilden. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird eine Redoxreaktion zwischen der dielektrischen Schicht 3 und den Elektrodenschichten 4, 8 merklich unterdrückt und so die durch den galvanischen Effekt mit der Zeit hervorgerufene Verschlechterung der dielektrischen Schicht 3 verringert und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung vergrößert. Die Materialien für die Elektrodenschichten 4, 8 besitzen vorzugsweise einen Schmelzpunkt, der genügend Spielraum für die Wärmebelastung bietet, die bei den nachfolgenden Prozessen auftreten.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 aus Bariumtitanat besteht, werden für die Elektrodenschichten 4, 8 vorzugsweise Schichten verwendet, die aus einem aus Zr, Ta, Cr, Fe, Co, Ni, Cu ausgewählten Metall mit einem höheren Oxidations-Reduktions-Potential als Ti (Oxidations-Reduktions-Potential: –1,63 V oder mehr) oder aus Legierungen irgendeines dieser Metalle hergestellt sind.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 aus Kaliumnatriumniobat (KNN) besteht, werden für die Elektrodenschichten 4, 8 vorzugsweise Schichten verwendet, die aus einem aus Ta, Cr, Fe, Co, Ni und Cu ausgewählten Metall mit einem höheren Oxidations-Reduktions-Potential als Nb (Oxidations-Reduktions-Potential: –1,099 V) oder aus Legierungen irgendeines dieser Metalle hergestellt sind.
Wenn die dielektrische Schicht 3 aus Magnesiumoxid besteht, werden vorzugsweise Schichten verwendet, die aus einem aus Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Fe, Co, Ni und Cu ausgewählten Metall mit einem höheren Oxidations-Reduktions-Potential als Mg (Oxidations-Reduktions-Potential: –2,356 V) oder aus Legierungen irgendeines dieser Metalle hergestellt sind. Insbesondere können auch Al und Ti verwendet werden.
Wenn die dielektrische Schicht 3 aus PZT (Blei Zirkonat-Titanat) besteht, kann das ausgewählte Material ein Elektrodenmaterial sein, welches ein höheres Oxidations-Reduktions-Potential als Pb (Oxydations-Reduktions-Potential: –1,126 V) (zum Beispiel Cu usw.) hat.
Auf diese Weise kann man für die Elektrodenschichten 4, 8 außer Pt, Ir, Pd und Rh, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen, auch Materialien mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt verwenden.
Legierungsmaterialien, die für die Elektrodenschichten 4, 8 geeignet sind, sind zum Beispiel Al-Cu-Legierungen, Ti-Al-Cr-Legierungen und Ni-Cr-Legierungen. Besonders eignen sich eine von Al-Cu-Legierungen, weil sie einen niedrigen elektrischen Widerstand besitzen und ihr Stromverbrauch gering ist.
Die Elektrodenschichten 4, 8 bestehen beide vorzugsweise aus dem gleichen Elektrodenschicht-Material. Darüber hinaus können, weil die Auswahl an Metallen oder Legierungen für die Materialien der Elektrodenschichten 4, 8 groß ist, auch preiswerte Materialien verwendet werden, sofern sie die Bedingungen erfüllen, dass sie den Prozesstemperaturen standhalten.
Für die Dicke der Elektrodenschichten 4, 8 gibt es keine besonderen Einschränkungen. Sie kann 100 bis 200 nm betragen.
(Metallschicht 2)
Die Metallschicht 2 ist zwischen der zweiten Elektrodenschicht 8 und der dielektrischen Schicht 3 angebracht und die Metallschicht 2 berührt die dielektrische Schicht 3 und die zweite Elektrodenschicht 8. Die Metallschicht 2 besitzt eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung, das heißt, die Metallschicht 2 besitzt eine Struktur, bei der bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität des Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, nicht weniger als 50% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt. Vorzugsweise beträgt bei der Metallschicht bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität des Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, nicht weniger als 80% der Summe der Intensitäten aller Peaks. Die Dicke der Metallschicht 2 wird so gewählt, dass die Kristallinität der dielektrischen Schicht 3, der die Metallschicht 2 berührt und den man epitaktisch wachsen lässt, hoch wird.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 eine piezoelektrische Schicht ist, ist die Dicke der Metallschicht 2 von vorzugsweise im Bereich von 20 bis 70 nm (vgl. ). Bei dieser Dünnheit ist es schwierig, dass die Metallschicht 2 alleine als untere Elektrodenschicht der dielektrischen Vorrichtung 100A fungiert. Das Metall zur Herstellung der Metallschicht 2 kann aus Metallen (Legierungen eingeschlossen) ausgewählt werden, deren a-Achsen-Gitterkonstante klein ist im Vergleich zur a-Achsen-Gitterkonstante der piezoelektrischen Schicht 3, und die eine Beständigkeit gegenüber der bei der Ablagerung der piezoelektrischen Schicht auftretenden Wärme besitzen. Vorzugsweise ist dies Pt oder Rh.
Während zwischen der dielektrischen Schicht 3 und der Elektrodenschicht 8 die Metallschicht 2 verbleibt, befindet sich zwischen der dielektrischen Schicht 3 und der Elektrodenschicht 4 keine andere Schicht.
(Dielektrische Vorrichtung 100B)
Unter Bezugnahme auf (b) in wird die dielektrische Vorrichtung 100B gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Punkt, in dem sich die dielektrische Vorrichtung 100B von der dielektrischen Vorrichtung 100A unterscheidet, ist, dass sie keine Metallschicht 2 besitzt und dass sich die Elektrodenschicht 8 und die dielektrische Schicht 3 direkt berühren. Ferner befindet sich wie in der ersten Ausführungsform keine andere Schicht zwischen der dielektrischen Schicht 3 und der Elektrodenschicht 8.
(Dielektrische Vorrichtung 100C)
Unter Bezugnahme auf (c) in wird die dielektrische Vorrichtung 100C gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Punkt, in dem sich die dielektrische Vorrichtung 100C von der dielektrischen Vorrichtung 100B unterscheidet, ist, dass zwischen der Elektrodenschicht 8 und der dielektrischen Schicht 3 sowie zwischen der Elektrodenschicht 4 und der dielektrischen Schicht 3 jeweils eine Zwischenschicht 9 angebracht ist, die aus einem Metall besteht, das ein niedrigeres Oxidation-Reduktions-Potential hat als jedes irgendeines der metallischen Elemente, aus denen die dielektrische Schicht 3 angefertigt ist.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 aus Kaliumnatriumniobat: (K,Na)NbO₃, besteht, wird Nb (Oxidation-Reduktions-Potential: –1,099 V), das, von Sauerstoff abgesehen, von den 3 Elementen das höchste Oxydation-Reduktions-Potential besitzt, zum Standard. Wie oben erwähnt, verwendet man als Elektrodenschicht 8, 4 vorzugsweise Metallschichten, die aus Cr (Oxidation-Reduktions-Potential: –0,74 V) und/oder Ni (Oxidation-Reduktions-Potential: –0,257 V) bestehen, die ein höheres Oxidation-Reduktions-Potential als Nb besitzen. So können Metallschichten, die aus Ti (Oxidation-Reduktions-Potential: –1,63 V) bestehen, das ein niedrigeres Oxidation-Reduktions-Potential als Nb besitzt, als Zwischenschicht 9 verwendet werden.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 eine Magnesiumoxid-Schicht ist, wird Mg (Oxidation-Reduktions-Potential: –2,356 V) zum Standard. Daher, wie oben erwähnt, verwendet man als Elektrodenschicht 8, 4 vorzugsweise Metallschichten, die aus Al (Oxidation-Reduktions-Potential: –1,676 V) und/oder Ti (Oxidation-Reduktions-Potential: –1,63 V) bestehen. Ferner können Metallschichten, die aus Sr (Oxidation-Reduktions-Potential: –2,89 V), bestehen, als Zwischenschicht 9 verwendet werden.
Die Zwischenschicht 9 besteht vorzugsweise aus einem der Elemente Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co und Ni.
Unter dem Gesichtspunkt, die Haftfähigkeit zwischen der dielektrischen Schicht 3 und der Elektrodenschichten 4, 8 zu erhöhen und gleichzeitig die Redoxreaktion mit der dielektrischen Schicht 3 zu unterdrücken, ist es bevorzugt, dass die Zwischenschichten 9 Schichtdicken im Bereich von 2 bis 5 nm besitzen. Wenn die Schichtdicken 5 nm übersteigen, können sich die Eigenschaften der dielektrischen Schicht verschlechtern, sind die Dicken weniger als 2 nm, kann dies zu einer nicht genügenden Funktion als Haftlage führen. Die Zwischenschicht 9 kann eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung oder eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzen. Vorzugsweise besitzt sie eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur. Vorzugsorientierung, nicht-orientierte und amorphe Struktur sind wie jeweils oben beschrieben. Vorzugsweise beträgt bei der Zwischenschicht 9 bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität jedes Peaks, der zu einer Kristallebene gehört, nicht mehr als 10% der Summe der Intensitäten aller Peaks.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 3 aus Kaliumnatriumniobat (KNN) besteht und die Zwischenschicht 9 aus Ti, ist es möglich, dass die Oberflächen der dielektrischen Schicht 3 reduziert werden, weil das Oxidations-Reduktions-Potential von Ti: –1,63 V, niedriger ist als das von Nb: Oxidations-Reduktions-Potential: –1,099 V. Daher sind zur ausreichenden Verbesserung der Haftfähigkeit die Schichtdicken der Zwischenschicht 9 vorzugsweise nicht allzu groß.
Auch im Fall, dass die metallischen Elemente, aus denen die Elektrodenschichten 4, 8 bestehen, ein im Vergleich zu allen metallischen Elementen, die die dielektrische Schicht 3 bilden, hohes Oxidations-Reduktions-Potential besitzen, ist es durch das Vorhandensein der Zwischenschicht 9 leichter, die Haftfestigkeit zwischen beiden Elektrodenschichten 4, 8 und der dielektrischen Schicht 3 zu verbessern.
(Dielektrische Vorrichtung 100D)
Unter Bezugnahme auf (d) in wird die dielektrische Vorrichtung 100D gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Punkt, in dem sich die dielektrische Vorrichtung 100D von der dielektrischen Vorrichtung 100C unterscheidet, ist, dass zwischen der dielektrischen Schicht 3 und der Zwischenschicht 9 jeweils elektrisch leitfähige Oxidschichten 10 angebracht sind. Ferner kann sich die elektrisch leitfähige Oxidschicht 10 überall zwischen den Elektrodenschichten 4, 8 befinden, wobei eine Schicht auch ausreicht.
Die elektrisch leitfähige Oxidschicht 10 bewirkt den Effekt, dass die Redoxreaktion zwischen der Zwischenschicht 9 und der dielektrischen Schicht 3 unterdrückt wird. Das elektrisch leitfähige Oxid ist vorzugsweise ein Oxid welches ein Metallelement enthält, welches ein höheres Oxidations-Reduktions-Potential hat als alle metallischen Elemente, die die dielektrische Schicht 3 bilden und ein Metallelement umfasst, das ein niedrigeres Oxidations-Reduktions-Potential besitzt als das metallische Element, aus dem die Zwischenschicht 9 besteht. Beispiele für solche elektrisch leitfähigen Oxide sind SRO (SrRuO₃), ITO (In₂O₃-SnO₂) usw.
Die Dicken der elektrisch leitfähigen Oxidschichten 10 beträgt zum Beispiel ungefähr 5 bis 20 nm. Die elektrisch leitfähigen Oxidschichten 10 können zum Beispiel mit Hilfe des Sputter-Verfahrens gebildet werden.
Die elektrisch leitfähigen Oxidschichten 10 können eine Struktur mit Vorzugsorientierung, eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzen. Vorzugsweise besitzen sie eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur. Vorzugsorientierung, nicht-orientierte und amorphe Struktur sind wie jeweils oben beschrieben. Vorzugsweise beträgt bei den elektrisch leitfähigen Oxidschichten 10 bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer Kristallebene gehört, nicht mehr als 10% der Summe der Intensitäten aller Peaks.
Die 2 Hauptoberflächen der dielektrischen Schicht 3 in den dielektrischen Vorrichtungen 100B bis 100D berühren beide die Schicht mit einer nicht-orientierten oder amorphen Struktur, und wenn man die dielektrische Schicht 3 epitaktisch wachsen lässt, wird die darunter liegende Schicht entfernt.
(Herstellungsverfahren für die dielektrische Vorrichtung)
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf das Herstellungsverfahren für die oben beschriebenen dielektrischen Vorrichtungen 100A bis 100D erläutert.
Zunächst wird, wie in (a) von gezeigt, das Trägermaterial 1 vorbereitet. Beispiele für das Trägermaterial 1 sind einkristallines Si, Saphir, Magnesiumoxid usw. Vor allem wenn piezoelektrische Schichten aus PZT oder ähnlichem darauf gebildet werden, sind Trägermaterialien aus einkristallinem Si gut geeignet.
Danach wird, wie in (b) von gezeigt, auf dem Trägermaterial 1 die Metallschicht 2, die eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung besitzt, als eine darunter liegende Schicht für die dielektrische Schicht 3 aufgebracht. Die Metallschicht 2 wird erhalten, indem man zum Beispiel durch Aufdampfen oder Sputtern oder ähnlichem unter Bedingungen, bei denen das Trägermaterial 1 auf hohe Temperaturen erwärmt wird, das Metallmaterial auf dem Trägermaterial 1 epitaktisch wachsen lässt. Zum Beispiel kann man, nachdem man das Si-Trägermaterial 1 auf etwa 400 bis 600°C erwärmt hat, die Metallschicht 2 entsprechend der Flächenorientierung des Si-Trägermaterials 1 durch Sputtern des Metallmaterials erhalten.
Anschließend wird, wie in (c) von gezeigt, auf der Metallschicht 2 die dielektrische Schicht 3 aufgebracht, die eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung besitzt. Die dielektrische Schicht 3 kann erhalten werden, indem man die darunter liegende Lage, das heißt das Trägermaterial 1 und die Metallschicht 2, auf hohe Temperaturen erhitzt und auf dieser darunterliegenden Lage das dielektrische Material zum Beispiel mit Hilfe des Sputter-Verfahrens epitaktisch wachsen lässt. Das Si-Trägermaterial 1 und die Metallschicht 2 werden dabei vorzugsweise auf etwa 400 bis 600°C erhitzt.
Danach wird, wie in (d) von gezeigt, auf der dielektrischen Schicht 3 die Elektrodenschicht 4 aufgebracht, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt.
Die Elektrodenschicht 4 wird erhalten, indem man auf der dielektrischen Schicht 3 ein Metallmaterial ablagert, ohne das Metall-Material epitaktisch wachsen zu lassen. Genauer gesagt, die Schicht kann bei niedrigen Temperaturen durch Sputtern oder durch ein Dampfabscheidungsverfahren gebildet werden. Durch die hohe Geschwindigkeit der Schichtbildung kann die Schicht in kurzer Zeit erzeugt werden. Die Temperatur des Trägermaterials 1 und der dielektrischen Schicht 3 sollte vorzugsweise Raumtemperatur bis 200°C betragen.
Anschließend wird, wie in (e) von gezeigt, die Elektrodenschicht 4 nach dessen Ablagerung mit Hilfe der Harzlage 7 mit dem Trägersubstrat 5 verbunden.
Das Trägersubstrat 5 ist zum Beispiel ein Trägermaterial aus polykristallinem Silicium. Die Harzlage 7 besteht zum Beispiel aus Epoxidharz oder aus Siliconharz, Epoxidharz ist besonders in Bezug auf seine Festigkeit bevorzugt. Beim Bindungsprozess wird ein Klebstoff zum Beispiel durch Rotationsbeschichtung in einer Dicke von etwa 2000 bis 5000 nm auf dem Trägersubstrat 5 und der Elektrodenschicht 4 aufgebracht. Diese können im Vakuum aufeinandergelegt und verbunden werden.
Danach wird, wie in (f) von gezeigt, das Trägermaterial 1 von der Metallschicht 2 entfernt. Als Verfahren für die Entfernung des Trägermaterials 1 können CMP (chemisch mechanisches Polieren), RIE (reaktives Ionenätzen) usw. verwendet werden. Durch die Entfernung des Trägermaterials 1 wird die Metallschicht 2, die die darunter liegende Schicht der dielektrischen Schicht 3 war, an der äußeren Oberfläche exponiert.
Anschließend wird, wie in (g) von gezeigt, auf der Metallschicht 2 die Elektrodenschicht 8 gebildet, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt. Dabei können die gleichen Bildungsverfahren wie bei der Elektrodenschicht 4 verwendet werden. Auf diese Weise wird die dielektrische Vorrichtung 100A, die aus den Elektrodenschichten 4, 8 und der dielektrischen Schicht 3 besteht, fertiggestellt.
Falls erforderlich kann auf dem Trägersubstrat 5 die Strukturierung der dielektrischen Vorrichtung 100A vorgenommen werden. Außerdem kann, wenn es notwendig ist, eine Schutzschicht gebildet werden, die die dielektrische Vorrichtung 100A schützt. Zudem kann die dielektrische Vorrichtung 100A erforderlichenfalls in einzelne Teile zerlegt werden, dabei ist es möglich, die dielektrische Vorrichtung 100A nach dem Ablösen von dem Trägersubstrat 5 in einzelne Teile zu zerlegen oder die dielektrische Vorrichtung 100A zusammen mit dem Trägersubstrat 5 abzuschneiden und so in einzelne Teile zu zerlegen.
Die dielektrische Vorrichtung 100A, die auf der Ober- und Unterseite der dielektrischen Schicht 3 die Elektrodenschichten 4, 8 besitzt, kann auf die oben beschriebene Weise hergestellt werden.
Wenn man die dielektrische Vorrichtung 100B anfertigt, entfernt man in (f) von nicht nur das Trägermaterial 1 sondern auch die Metallschicht 2.
Wenn man die dielektrische Vorrichtung 100C anfertigt, bildet man anders als bei der oben beschriebenen dielektrischen Vorrichtung 100B erst die Zwischenschicht 9, bevor man jeweils die Elektrodenschichten 4, 8 bildet. Für die Bildung der Zwischenschicht kann das Sputter-Verfahren oder ähnliches verwendet werden. Es ist auch nicht erforderlich, die Zwischenschicht durch epitaktisches Wachstum zu bilden.
Wenn man die dielektrische Vorrichtung 100D anfertigt, bildet man anders als bei der oben beschriebenen dielektrischen Vorrichtung 100B erst die elektrisch leitfähige Oxidschicht 10 und dann die Zwischenschicht 9, bevor man die Elektrodenschichten 4, 8 bildet. Für die Bildung der elektrisch leitfähigen Oxidschicht kann man das Sputter-Verfahren oder ähnliches verwenden. Es ist auch nicht erforderlich, die elektrisch leitfähige Oxidschicht epitaktisch wachsen zu lassen.
Weil bei der Abscheidung der Elektrodenschichten 4, 8 der dielektrischen Vorrichtung 100A das Erwärmen des Substrats und Low-Rate-Sputtern nicht erforderliche Bedingungen sind, wird die Abscheidungszeit von 10–20 Minuten bei konventionellen Verfahren beträchtlich verkürzt. Durch die Synergie dieser Steigerung des Prozessdurchsatzes und der Senkung der Materialkosten für die Elektrodenschichten 4, 8 werden die Herstellungskosten für die dielektrischen Vorrichtungen erheblich verringert.
Das heißt, weil die dielektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann, kann sie die nachstehend beschriebenen Effekte besitzen. Weil man nämlich die dielektrische Schicht 3 auf der dünnen Metallschicht 2 epitaktisch wachsen lässt, ist es leicht, der dielektrischen Schicht 3 eine hohe Kristallinität zu verleihen. Ferner, weil danach auf der Ober- und Unterseite der dielektrischen Schicht 3 jeweils die Elektrodenschichten 4, 8 gebildet werden können, steigen die Freiheitsgrade für die Auswahl der Materialien für die Elektrodenschichten 4, 8 und gleichzeitig vergrößert sich die Bildungsgeschwindigkeit erheblich. Daher ist es möglich, die Zuverlässigkeit der dielektrischen Vorrichtung zu verbessern und die Herstellkosten zu senken. Die dünne Metallschicht 2 kann letztendlich in der dielektrischen Vorrichtung verbleiben, sie kann aber auch entfernt werden.
[Beispiele]
(Beispiel 1) Dielektrische Vorrichtung 100A
Das Si-Trägermaterial 1 wurde auf 400°C erwärmt, dann ließ man in diesem Zustand mit Hilfe des Sputter-Verfahrens eine Pt-Schicht von 50 nm in der Flächenorientierung des Si-Trägermaterials 1 epitaktisch wachsen und erhielt so eine Metallschicht 2 mit einer (100)-Vorzugsorientierung auf dem Si-Trägermaterial 1. Die Bildungsrate der Pt-Schicht betrug 0,2 nm/sec. Dann erhöhte man die Temperatur des Si-Trägermaterials 1 auf 550°C, ließ mit Hilfe des Sputter-Verfahrens eine Schicht aus Kaliumnatriumniobat (KNN) von 2000 nm als dielektrische Schicht 3 auf der Metallschicht 2 epitaktisch wachsen und erhielt so eine dielektrische Schicht 3 mit einer (110)-Vorzugsorientierung. Anschließend wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe des Sputter-Verfahrens auf der dielektrischen Schicht 3 eine Ni-Schicht von 200 nm aufgebracht und so die amorphe Elektrodenschicht 4 erhalten. Danach wurde die Elektrodenschicht 4 mittels einer Epoxidharzlage 7 mit dem Si-Trägersubstrat 5 verbunden und dann durch Ätzen. mittels RIE das Si-Trägermaterial 1 von der Metallschicht 2 entfernt. Im Anschluss daran wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe des Sputter-Verfahrens auf der Metallschicht 2 eine Ni-Schicht von 200 nm aufgebracht und so die amorphe Elektrodenschicht 8 erhalten. Die Abscheidungsrate der Elektrodenschicht 8 betrug 2 nm/sec.
(Beispiel 2) Dielektrische Vorrichtung 100E
Außer dass beim Entfernen des Si-Trägermaterials 1 zusätzlich zum Si-Trägermaterial 1 auch die Metallschicht 2 durch Ätzen entfernt wurde, wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 verfahren und so die dielektrische Vorrichtung 100B erhalten.
(Beispiel 3) Dielektrische Vorrichtung 100C
Außer dass zwischen der dielektrischen Schicht 3 und den beiden Elektrodenschichten 4, 8 mit Hilfe des Sputter-Verfahrens die aus Ti bestehenden Zwischenschichten 9 mit nicht-orientierter Struktur in einer Dicke von 5 nm eingefügt wurden, wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 2 verfahren und so die dielektrische Vorrichtung 100C erhalten. Das Ziel war, die Haftfähigkeit zwischen der Elektrodenschicht 4 sowie der Elektrodenschicht 8 und der dielektrischen Schicht 3 zu verbessern.
(Beispiel 4) Dielektrische Vorrichtung 100D
Mit der Ausnahme dass zwischen den Zwischenschichten 9 und der dielektrischen Schicht 3 mit Hilfe des Sputter-Verfahrens jeweils aus SrRuO₃ bestehende elektrisch leitfähige Oxidschichten 10 mit nicht-orientierter Struktur in einer Dicke von 20 nm eingefügt wurden, wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 3 verfahren und so die dielektrische Vorrichtung 100D erhalten. Da gemäß dieses Beispiels die Haftfähigkeit zwischen den Elektrodenschichten 4, 8 und der dielektrischen Schicht 3 verbessert und gleichzeitig die Redoxreaktion zwischen den Zwischenschichten 9 und der dielektrischen Schicht 3 unterdrückt wird, konnte durch die chemische Stabilität der dielektrischen Schicht 3 eine hohe Zuverlässigkeit der Vorrichtung erreicht werden.
(Beispiel 5) Dielektrische Vorrichtung 100A'
Außer dass als Material für die Elektrodenschichten 4, 8 eine (Al)₅₀ – (Cu)₅₀ – Legierung verwendet wurde, wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 verfahren.
(Vergleichsbeispiel 1) Dielektrische Vorrichtung
Das Si-Trägermaterial 1 wurde auf 400°C erwärmt, dann ließ man in diesem Zustand mit Hilfe des Sputter-Verfahrens eine Pt-Schicht von 200 nm in der Flächenorientierung des Si-Trägermaterials 1 epitaktisch wachsen und erhielt so eine Elektrodenschicht 8' mit einer (100)-Vorzugsorientierung auf dem Si-Trägermaterial 1. Dabei betrug die Wachstumsrate 0,2 nm/sec. Dann erhöhte man die Temperatur des Si-Trägermaterials 1 auf 550°C, ließ mit Hilfe des Sputter-Verfahrens eine Schicht aus Kaliumnatriumniobat (KNN) von 2000 nm als dielektrische Schicht 3 auf der Elektrodenschicht 8' epitaktisch wachsen und erhielt so eine dielektrische Schicht 3 mit einer (110)-Vorzugsorientierung. Anschließend wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe des Sputter-Verfahrens auf der dielektrischen Schicht 3 eine Pt-Schicht von 200 nm aufgebracht und so die nicht-orientierte Elektrodenschicht 4 erhalten. Danach wurde die Elektrodenschicht 4 mittels der Epoxidharzlage 7 mit dem Si-Trägermaterial 5 verbunden und dann durch Ätzen mittels RIE das Si-Trägermaterial 1 von der Elektrodenschicht 8' entfernt. Den Aufbau der so erhaltenen dielektrischen Vorrichtung zeigt .
Die Kristallinität der dielektrischen Schichten in den dielektrischen Vorrichtungen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurde verglichen. Als Messverfahren diente die Röntgendiffraktometrie, als Messgerät das Gerät ATX-E von Rigaku (AG) und als Messmethode die Out-of-Plane-Methode. Wenn unter diesen Bedingungen der Anteil der Peakintensität der (110)-Orientierung an der gesamten Peakintensität gemessen wurde, so betrug er 92% beim Beispiel 1, beim Vergleichsbeispiel 1 dagegen 61%.
Ferner dauert bei der Elektrodenschicht 8 der piezoelektrischen Vorrichtung von Beispiel 1 die Abscheidung 1 Minute 40 Sekunden, bei der Elektrodenschicht 8' von Vergleichsbeispiel 1 nimmt sie etwa 17 Minuten in Anspruch.
[Andere experimentelle Beispiele]
Die Schichtdicke der auf einem einkristallinen Si-Trägermaterial gebildeten Metallschicht 2 wurde geändert und jedes Mal mit dem oben erwähnten Diffraktometer die Orientierung der darauf gebildeten dielektrischen Schicht 3 mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD) gemessen. Hier wurde mit Hilfe des DC-Sputter-Verfahrens die epitaktische Metallschicht 2 unter folgenden Bedingungen gebildet: Orientierung des einkristallinen Si-Trägermaterials 1: (100), Zusammensetzung der Metallschicht 2: Pt-Schicht (20 bis 200 nm), Temperatur des Trägermaterials bei der Abscheidung: 400°C, Gasdruck: 0,10 Pa, Eingangsleitung: 150 W. Die Abscheidungsrate betrug 0,2 nm/sec.
Auf der Metallschicht 2 wurde mit Hilfe des DC-Sputter-Verfahrens unter folgenden Bedingungen die dielektrische Schicht 3 aufgebracht: Zusammensetzung der dielektrischen Schicht 3: Kaliumnatriumniobat, Temperatur des Trägermaterials bei der Schichtbildung: 550°C, Gasdruck: 0,15 Pa, Eingangsleistung: 700 W. Die Schichtdicke beträgt 2000 nm. Bei jeder Probe, die bis zu der dielektrischen Schicht 3 gebildet war, wurde mittels Röntgendiffraktometrie der Anteil der Peak-Intensität des zur (110)-Vorzugsorientierung des dielektrischen Materials gehörenden Peaks an der gesamten Peakintensität gemessen. Die Messergebnisse sind in zusammengefasst. Wie in gezeigt, ist die Kristallinität hoch, wenn die Metallschicht eine Dicke von 20 bis 70 nm besitzt.

Claims

Dielektrische Vorrichtung umfassend: eine erste Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt, eine auf der ersten Elektrodenschicht aufgebrachte dielektrische Schicht, die eine Struktur mit einer Vorzugsorientierung besitzt, und eine auf der dielektrischen Schicht aufgebrachte zweite Elektrodenschicht, die eine nicht-orientierte oder amorphe Struktur besitzt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht vorzugsweise eine (001), (101) oder (110)-Orientierung besitzt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht ein piezoelektrisches Material ist.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Oxidations-Reduktions-Potential aller metallischen Elemente, aus denen die erste und zweite Elektrodenschicht besteht, größer ist als das Oxidations-Reduktions-Potential aller metallischen Elemente, die die dielektrische Schicht bilden.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elektrodenschicht aus jeweils einem aus Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co, Ni ausgewählten Metall zusammengesetzt ist.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elektrodenschicht aus einer Legierung, die mindestens eines aus Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co, Ni ausgewähltes Metall enthält zusammengesetzt ist.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Hauptoberfläche der dielektrischen Schicht die erste Elektrodenschicht berührt und die andere Hauptoberfläche der dielektrischen Schicht die zweite Elektrodenschicht berührt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ferner umfassend: eine Zwischenschicht, zwischen der dielektrischen Schicht und mindestens einem der oben genannten Elektrodenschichten die aus einem der Elemente Al, Ti, Zr, Ta, Cr, Co, Ni zusammengesetzt ist.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht die Elektrodenschicht und die dielektrische Schicht berührt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, welche zwischen der dielektrischen Schicht und mindestens einem der genannten Elektrodenschichten zusätzlich eine elektrisch leitfähige Oxidschicht umfasst.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht oder die elektrisch leitfähige Oxidschicht die dielektrische Schicht berührt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht eine Metallschicht, die eine Struktur mit Vorzugsorientierung besitzt, umfasst, wobei die Metallschicht die zweite Elektrodenschicht und die dielektrische Schicht berührt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Schichtdicke der ersten und zweiten Elektrodenschicht 100 bis 200 nm beträgt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei bei der dielektrischen Schicht bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, nicht weniger als 50% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei bei der dielektrischen Schicht bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer bestimmten Kristallgitterebene gehört, nicht weniger als 80% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei bei der ersten und zweiten Elektrodenschicht bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer Kristallgitterebene gehört, weniger als 50% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt.
Dielektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei bei der ersten und zweiten Elektrodenschicht bei der Röntgendiffraktionsmessung die Intensität eines Peaks, der zu einer Kristallgitterebene gehört, nicht mehr als 10% der Summe der Intensitäten aller Peaks beträgt.