專利名稱：形成多層膜的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種形成多層膜的方法及裝置。 髓獄
鉛基鈣鈦礦復合氧化物(下文簡稱為鉛基復合氧化物)具有極優(yōu)的壓電特 性和介電特性，因此用于諸如傳感器和致動器等各種類型的電子器件中。在現(xiàn) 有技術(shù)中，各種類型的包括鉛基復合氧化物的元件通過對鉛基復合氧化物的燒 結(jié)體進行機械加工而形成。
近年，在電子設備制造領域，由于電子器件的小型化和MEMS (微電子機 械系統(tǒng))技術(shù)的進步，需要更薄的鉛基復合氧化物膜。用來獲得更薄的鉛基復 合氧化物膜的公知工藝包括濺射、溶膠一凝膠、CVD和激光磨削。然而，通過 這些工藝獲得的鉛基復合氧化物的薄膜與通過機械加工得到的鉛基復合氧化 物相比，都很難得到足夠的介電特性和壓電特性。
在鉛基復合氧化物薄膜的制造領域，已提出方案來改進現(xiàn)有技術(shù)中的壓電 特性和介電特性。專利文獻1公開了鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜的形成，該薄膜的 厚度大于預先想要的薄膜厚度。通過進行反向濺射蝕刻將鉛(Pb)多余層從PZT 薄膜的表面去除。這樣將PZT薄膜處理成想要的膜厚。在這種情況下，根據(jù) Pb多余層的去除量可以改進PZT薄膜的壓電特性和介電特性。專利文獻2公 開了一種通過將釩(V)、鈮(Nb)、碳(C)、氮(N)或氮化硼(BN)中 的至少一種添加到PZT薄膜的組成元素中來改進壓電特性和介電特性。
通常鉛基復合氧化物只有在鈣鈦礦相時才顯示想要的壓電特性和介電特 性。在準穩(wěn)定燒綠石相時，介電常數(shù)變得低于鈣鈦礦相并且?guī)缀醪伙@示壓電特 性。
如果鉛基復合氧化物沉積在電極層上，在鉛基復合氧化物層和電極層之間 的界面形成燒綠石相。 一旦形成燒綠石相，即使當進行高溫退火處理時，處于 燒綠式石相的鉛基復合氧化物也很難轉(zhuǎn)變成鈣鈦礦相。因此，當降低鉛基復合 氧化物層的厚度(例如降到5.0pm或以下)時，由于燒綠石相的影響，鉛基復 合氧化物薄膜使介電特性和壓電特性惡化。
圖7示出了與PZT層的厚度對應的相對介電常數(shù)和介電損失。圖8示出了 與PZT層的厚度對應的壓電常數(shù)。如圖7和8所示，因為隨著膜厚度變薄、燒 綠石相的影響變大，PZT層使相對介電常數(shù)降低，并且增加了介電損失。并且，隨著膜厚度變薄，PZT層使壓電常數(shù)降低。
從而，較薄的鉛基復合氧化物膜使介電特性和壓電特性惡化。這樣對電子 器件的電性帶來不利影響。
專利文獻1公開號為7—109562的日本專利申請公開專利文獻2公開號為2003 — 212545的日本專利申請公開

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種形成多層薄膜的方法和形成多層薄膜的裝置，其提高了 由鉛基鈣鈦礦復合氧化物組成的薄膜的介電特性和壓電特性。
本發(fā)明的第一方面是一種用于形成多層膜的多層膜形成方法，所述多層 膜包括電極層和鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。所述方法包括通過濺射包含貴重 金屬的第一靶材在基片上形成所述電極層，以及通過濺射包含鉛的第二耙材 在所述電極層上疊置所述鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。所述形成電極層包括形成 厚度為10到30nm的所述電極層。
本發(fā)明的第二方面是一種多層膜形成裝置，其具有第一成膜單元，所述第 一成膜單元包括包含貴重金屬的第一靶材，并濺射所述第一靶材以在基片上形 成電極層。第二成膜單元，其包括包含鉛的第二靶材，并濺射所述第二靶材以 在所述電極層上形成鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。搬送單元連接至所述第一成膜 單元和第二成膜單元，并將所述基片搬送到所述第一成膜單元和第二成膜單 元?？刂茊卧?qū)動所述搬送單元、第一成膜單元和第二成膜單元。所述控制單 元驅(qū)動所述第一成膜單元以在所述基片上形成厚度為10nm到30nm的所述電 極層。


圖1是示意性地示出成膜裝置的平面圖2是示出圖2的成膜裝置的電氣配置的電路方框圖3 (a)是示出制造多層膜的下部電極層的工序圖3 (b)是示出制造多層膜的鉛基復合氧化物層的工序圖3 (C)是示出制造多層膜的上部電極層的工序圖4示出了多層膜的X—射線衍射光譜；
圖5是示出多層膜的相對介電常數(shù)和介電損失的圖6是示出多層膜的壓電常數(shù)的圖7是示出現(xiàn)有技術(shù)例中多層膜的相對介電常數(shù)和介電損失的圖；及 圖8是示出現(xiàn)有技術(shù)慣用例的壓電常數(shù)的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在說明根據(jù)本發(fā)明的形成多層膜的裝置的一個實施方式。圖1是示意性 示出用作多層膜形成裝置的成膜裝置10的平面圖。
如圖1所示，成膜裝置IO包括加載互鎖真空室(下文簡稱為LL室)和連 接至LL室11并形成搬送單元的搬送室12。成膜裝置IO還包括全都連接至搬 送室12的用作第一成膜單元的下部電極層室13、用作第二成膜單元的氧化物 層室14以及上部電極層室15。
LL室11包括可降壓的內(nèi)部空間(下文簡稱為收容室lla)，用來收容多 個基片S使得基片能夠被搬送進出收容室lla。硅基片、陶瓷基片等可用作基 片S。當開始對基片S進行成膜處理時，LL室ll使收容室lla降壓，使得所 述多個基片S可被搬出搬送室12。在結(jié)束對基片S的成膜處理之后，LL室11 將收容室lla對大氣開放，使得被收容的基片S可被搬出成膜裝置10。
搬送室12包括可與收容室lla連通的內(nèi)部空間(下文簡稱為搬送腔12a)。 在搬送腔12a內(nèi)安裝有搬送自動機械12b，用來搬送基片S。當對基片S的成 膜處理開始時，搬送自動機械12b將還沒經(jīng)過成膜處理的基片S從LL室11裝 載到搬送室12。然后，搬送自動機械12b以如圖1所示的逆時針方向按順序， 即，以下部電極層室13、氧化物層室14以及上部電極層室15的順序搬送被裝 載的基片S。在對基片S的成膜處理結(jié)束之后，搬送自動機械12b將已經(jīng)過成 膜處理的基片S從處理室12裝載到LL室11。
下部電極層室13包括可與搬送腔12a連通的內(nèi)部空間(下文簡稱為成膜 腔13a)。成膜腔13a包括粘接層靶材TGl。在下部電極層室13內(nèi)進行濺射以 將粘接層靶材TG1濺射并在保持在預定溫度(例如500。C或以上)的基片S上 形成粘接層。鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鋯(Zr)或這些物 質(zhì)的氧化物(Ti02、 Ta20s等)可用來形成粘接層。下部電極層室13還包括裝 在成膜腔13a內(nèi)用作第一靶材的下部電極層耙材TG2。在下部電極層室13內(nèi) 進行濺射以將下部電極層靶材TG2濺射并在保持在預定溫度(例如500。C或以 上)的基片S的粘接層上形成下部電極層。下部電極層靶材TG2中，下部電極 層的主要成分的含量，艮卩，諸如鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)等貴重金屬的 含量為90%或以上，較佳為95%或以上。下部電極層靶材TG2的剩余部分包 含除了主要成分的金屬元素之外的其他金屬，諸如銅和硅等。在下部電極層室 13內(nèi)可以進行各種類型的濺射，諸如DC或AC濺射處理以及DC或AC磁控 處理等。
氧化物層室14包括可與搬送腔12a連通的內(nèi)部空間(下文稱為成膜腔 14a)。成膜腔14a包括用作第二耙材的氧化物層耙材TG3。在氧化物層室14 內(nèi)進行濺射以將氧化物層靶材TG3濺射并在保持在預定溫度(例如50(TC或以上)的基片S上形成鉛基復合氧化物(鉛基鈣鈦礦復合氧化物)層。諸如鉛基
復合氧化物的主要成分，即鋯鈦酸鉛(Pb (Zr， Ti) 03: PZT)、鍶鈦酸鉛(Pb (Sr， Ti) 03: PST)、鋯鈦酸鑭鉛((Pb， La) (Zr， Ti) 03: PLZT)等鉛
基鈣鈦礦復合氧化物的燒結(jié)體可用于氧化物層靶材TG3?；蛘?，形成鋯鈦酸鉛 (Pb(Zr， Ti)03: PZT)的鉛—鋯一鈦的合金靶材等可用于氧化物層靶材TG3。 即，氧化物層室14是用來通過進行濺射形成鉛基鈣鈦礦復合氧化物的腔室。 在氧化物層室14內(nèi)可以進行各種類型的濺射，諸如DC或AC濺射處理以及 DC或AC磁控處理等。
上部電極層室15包括可與搬送腔12a連通的內(nèi)部空間(下文簡稱為成膜 腔15a)。成膜腔15a包括上部電極層靶材TG4。在上部電極層室15內(nèi)進行濺 射以將上部電極層靶材濺射并在保持在預定溫度(例如500。C或以上)的基片 S上形成上部電極層。上部電極層靶材TG4中，上部電極層的主要成分的含量， 即，諸如鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)等貴重金屬的含量為90%或以上， 較佳為95%或以上。上部電極層靶材TG4的剩余部分包含除了主要成分的金 屬元素之外的其他金屬，諸如銅和硅等。
現(xiàn)在說明成膜裝置10的電氣結(jié)構(gòu)。圖2是示出成膜裝置10的電氣結(jié)構(gòu)的 電路方框圖。
如圖2所示，控制單元21對成膜裝置IO執(zhí)行各種處理(例如，基片S的 搬送處理、基片S的成膜處理等)?？刂茊卧?1包括執(zhí)行各種計算的CPU、 存儲各種類型數(shù)據(jù)的RAM、存儲各種控制程序的ROM、硬盤等。控制單元21 將成膜處理程序從硬盤讀出以按照成膜處理程序執(zhí)行成膜處理。
控制單元21連接至輸入/輸出單元22。輸入/輸出單元22包括諸如啟動開 關(guān)和停止開關(guān)等各種類型的操作開關(guān)，以及諸如液晶顯示器等各種類型的顯示 裝置。輸入/輸出單元22為控制單元21提供各個處理操作所用的數(shù)據(jù)并將與成 膜裝置IO的處理狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)輸出。輸入/輸出單元22為控制單元21提供 與成膜參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)(例如，濺射的氣體流量、成膜壓力、成膜溫度以及成 膜時間等)作為成膜條件數(shù)據(jù)Id。換句話說，輸入/輸出單元22將形成粘接層、 下部電極層、鉛基復合氧化物以及上部電極層的各種成膜參數(shù)作為成膜條件數(shù) 據(jù)Id提供給控制單元21 ?？刂茊卧?1在與輸入/輸出單元22提供的成膜條件 數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下執(zhí)行各層的成膜處理。
控制單元21連接至控制和驅(qū)動LL室11的LL室驅(qū)動電路23。 LL室驅(qū)動 電路23檢測LL室11的狀態(tài)并將檢測結(jié)果提供給控制單元21。例如，LL室驅(qū) 動電路23檢測到收容室lla的壓力值并將與該壓力值相關(guān)的檢測信號提供給控 制單元21。根據(jù)LL室驅(qū)動電路23提供的檢測信號，控制單元21將對應的驅(qū) 動控制信號提供給LL室驅(qū)動電路23。響應于控制單元21的驅(qū)動控制信號，LL室驅(qū)動電路23將收容室lla降壓或?qū)⑵鋵Υ髿忾_放，使得基片S可以被載 入收容室lla或從收容室lla卸出。
控制單元21連接至控制和驅(qū)動搬送室12的搬送室驅(qū)動電路24。搬送室驅(qū) 動電路24檢測搬送室12的狀態(tài)并將檢測結(jié)果提供給控制單元21。例如，搬送 室驅(qū)動電路24檢測到搬送自動機械12b的臂部位置并將與該臂部位置相關(guān)的 檢測信號提供給控制單元21。根據(jù)搬送室驅(qū)動電路24提供的檢測信號，控制 單元21將對應的驅(qū)動控制信號提供給搬送室驅(qū)動電路24。響應于控制單元21 的驅(qū)動控制信號，搬送室驅(qū)動電路24按照成膜處理程序以LL室11、搬送室 12、下部電極層室13、氧化物層室14以及上部電極層室15的順序搬送基片S。
控制單元21連接至控制和驅(qū)動下部電極層室13的下部電極層室驅(qū)動電路 25。下部電極層室驅(qū)動電路25檢測下部電極層室13的狀態(tài)并將檢測結(jié)果提供 給控制單元21。例如，下部電極層室驅(qū)動電路25檢測諸如成膜腔13a的實際 壓力、濺射氣體的實際流量、基片S的實際溫度、處理時間以及施加給靶材的 實際功率值等參數(shù)。然后下部電極層室驅(qū)動電路25將與這些參數(shù)相關(guān)的檢測 信號提供給控制單元21。根據(jù)下部電極層室驅(qū)動電路25提供的檢測信號，控 制單元21將與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的驅(qū)動控制信號提供給下部電極層室驅(qū)動 電路25。響應于控制單元21的驅(qū)動控制信號，下部電極層室驅(qū)動電路25在與 成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下執(zhí)行粘接層和下部電極層的成膜處理。
控制單元21連接至控制和驅(qū)動氧化物層室14的氧化物層室驅(qū)動電路26。 氧化物層室驅(qū)動電路26檢測氧化物層室14的狀態(tài)并將檢測結(jié)果提供給控制單 元21。例如，氧化物層室驅(qū)動電路26檢測諸如成膜腔14a的實際壓力、濺射 氣體的實際流量、基片S的實際溫度、處理時間以及施加給靶材的實際功率值 等參數(shù)。然后氧化物層室驅(qū)動電路26將與這些參數(shù)相關(guān)的檢測信號提供給控 制單元21。根據(jù)氧化物層室驅(qū)動電路26提供的檢測信號，控制單元21將與成 膜條件數(shù)據(jù)Id對應的驅(qū)動控制信號提供給氧化物層室驅(qū)動電路26。響應于控 制單元21的驅(qū)動控制信號，氧化物層室驅(qū)動電路26在與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應 的成膜條件下執(zhí)行鉛基復合氧化物層成膜處理。
控制單元21連接至控制和驅(qū)動上部電極層室15的上部電極層室驅(qū)動電路 27。上部電極層室驅(qū)動電路27檢測上部電極層室15的狀態(tài)并將檢測結(jié)果提供 給控制單元21。例如，上部電極層室驅(qū)動電路27檢測諸如成膜腔15a的實際 壓力、濺射氣體的實際流量、基片S的實際溫度、處理時間以及施加給靶材的 實際功率值等參數(shù)。然后上部電極層室驅(qū)動電路27將與這些參數(shù)相關(guān)的檢測 信號提供給控制單元21。根據(jù)上部電極層室驅(qū)動電路27提供的檢測信號，控 制單元21將與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的驅(qū)動控制信號提供給上部電極層室驅(qū)動 電路27。響應于控制單元21的驅(qū)動控制信號，上部電極層室驅(qū)動電路27在與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下執(zhí)行上部電極層成膜處理。
現(xiàn)在說明利用成膜裝置IO形成多層膜的方法。圖3 (a) _3 (c)示出了
形成多層膜的工序圖。
首先，將基片S設置在LL室11內(nèi)。在這種情況下，如圖3 (a)所示， 各基片S具有其上形成有底層31 (例如，硅氧化物膜)的表面。當從輸入/輸 出單元22接收到成膜條件數(shù)據(jù)Id，控制單元21利用LL室驅(qū)動電路23和搬送 室驅(qū)動電路24驅(qū)動LL室11和搬送室12，以將基片S從收容室lla搬移到下 部電極層室13。
當基片S被搬入下部電極層室13的成膜腔13a時，如圖3 (a)所示，控 制單元21將粘接層32a和下部電極層32b疊置在底層31的上側(cè)。換句話說， 控制單元21通過下部電極層室驅(qū)動電路25驅(qū)動下部電極層室13，以在與成膜 條件數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下疊置粘接層32a和下部電極層32b。
下部電極層32b具有稱為下部電極層厚度Tl的厚度。下部電極層室13根 據(jù)成膜條件數(shù)據(jù)Id形成下部電極層32b，使得下部電極層厚度Tl為10 — 30nm。 例如，控制單元21通過下部電極層室驅(qū)動電路25檢測形成下部電極層32b的 處理時間。然后，控制單元21在處理時間達到預定成膜時間的時刻結(jié)束成膜 處理，使得下部電極層厚度T1被調(diào)整到10 — 30nm。
通過形成為30nm或以下厚度的下部電極層32b，當鉛基復合氧化物層33 在后續(xù)工序中形成在下部電極層32b上時，降低了鉛基復合氧化物層33的鉛 擴散。這樣避免了鉛從鉛基復合氧化物損失的情況。
并且，通過形成為10nm或以上厚度的下部電極層32b，當在后續(xù)工序中 對鉛基復合氧化物層33進行蝕刻時，確保了鉛基復合氧化物層33和下部電極 層32b之間的蝕刻選擇比。例如，如果鉛基復合氧化物層33的厚度差(厚度 變化)為45nm并且下部電極層厚度Tl為10nm，鉛基復合氧化物層33和下部 電極層32b之間的蝕刻選擇比可為在大于4.5的范圍內(nèi)。因此，可以為鉛基復 合氧化物層33獲得足夠的加工性能。如果鉛基復合氧化物層33的膜厚差(膜 厚度變化)為45nm并且下部電極層厚度Tl為30nm，則鉛基復合氧化物層33 和下部電極層32b之間的蝕刻選擇比會降到1.5。
在形成下部電極層32b之后，如圖3 (b)所示，控制單元21將鉛基復合 氧化物層33疊置在下部電極層32b的上側(cè)。換句話說，控制單元21通過搬送 室驅(qū)動電路24驅(qū)動搬送室12，并將基片S從下部電極層室13搬送至氧化物層 室14。然后控制單元21通過氧化物層室驅(qū)動電路26驅(qū)動氧化物層室14，并 在與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下疊置鉛基復合氧化物層33。
鉛基復合氧化物層33的厚度稱為氧化物層厚度T2。氧化物層室14根據(jù)成 膜條件數(shù)據(jù)Id形成鉛基復合氧化物層33，使得氧化物層厚度T2為0.2 — 5.0pm。例如，控制單元21通過氧化物層室驅(qū)動電路26檢測形成鉛基復合氧化物層33
的處理時間，并且在處理時間達到預定成膜時間的時刻結(jié)束成膜處理，使得氧
化物層厚度T2被調(diào)整到0.2 — 5.(Him。
因此，鉛基復合氧化物層33的厚度被限制為比下部電極層32b的厚度足 夠大的值。這樣進一步確保了鉛基復合氧化物層的介電特性和壓電特性的改 進。
在形成鉛基復合氧化物層33之后，如圖3 (c)所示，控制單元21將上部 電極層34疊置在鉛基復合氧化物層33的上側(cè)。換句話說，控制單元21通過 搬送室驅(qū)動電路24驅(qū)動搬送室12，并將基片S從氧化物層室14搬送至上部電 極層室15。然后控制單元21通過上部電極層室驅(qū)動電路27驅(qū)動上部電極層室 15，以在與成膜條件數(shù)據(jù)Id對應的成膜條件下疊置上部電極層34。這就形成 了包括粘接層32a、下部電極層32b、鉛基復合氧化物層33和上部電極層34 的多層膜35。
在形成上部電極層34之后，控制單元21將基片S搬出成膜裝置10。換句 話說，控制單元21通過搬送室驅(qū)動電路24驅(qū)動搬送室12，以將基片S從上部 電極層室15搬送至LL室11。之后，以同樣的方式，控制單元21通過驅(qū)動電 路23_27驅(qū)動室11一15，以在各個基片S上疊置粘接層32a、下部電極層32b、 鉛基復合氧化物層33以及上部電極層34。然后，將基片S保持在LL室11內(nèi)。 在每個基片S都經(jīng)過成膜處理后，控制室21通過LL室驅(qū)動電路23將LL室 ll對大氣開放，并將所有基片S搬出成膜裝置IO。
現(xiàn)在利用實施例和對照例說明本發(fā)明。
圖4示出了利用成膜裝置10得到的多層膜35的X射線衍射光譜。圖5示 出了與下部電極層32b的膜厚度對應的相對介電常數(shù)和介電損失。圖6示出了 下部電極層32b的膜厚度對應的壓電常數(shù)。
實施例
利用直徑為150mm的硅基片作為基片S，膜厚為lpm的硅氧化物膜形成 為底層31。
作為粘接層32a和下部電極層32b的成膜條件，分別使用主要成分為Ti 和Pt的靶材。并且，使用氬(Ar)氣作為濺射氣體。在將基片S的溫度保持在 500。C的同時，主要成分為Ti、膜厚為20nm的粘接層32a以及主要成分為Pt、 膜厚為30nm的下部電極層32b依次疊置在下層31上。
作為鉛基復合氧化物層33的成膜條件，使用主要成分為鋯鈦酸鉛(Pb (Zfo.52Ti。.48) 03)的靶材。并且，分別使用氬氣和氧氣作為濺射氣體和反應氣 體。在將基片S的溫度保持在550°(:的同時，形成主要成分為鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti) 03: PZT)、膜厚為1.0pm的鉛基復合氧化物層33。
作為上部電極層34的成膜條件，使用主要成分為Pt的靶材。主要成分為 Pt、膜厚為100nm的上部電極層34疊置在鉛基復合氧化物層33上。通過進行 上述的處理，得到實施例的多層膜35。
對于上述實施例的多層膜35，利用X射線衍射設備測量了 X射線衍射光 譜。并且利用介電常數(shù)測量設備測量了相對介電常數(shù)和介電損失。并且，對于 上述實施例的多層膜35，還利用壓電常數(shù)測量設備來測量壓電常數(shù)。壓電常數(shù) 測量設備通過在形成為例如懸臂狀的多層膜35的下部電極層32b和上部電極 層34之間施加預定的交流電、并利用多普勒振動計測量多層膜35末端的偏移， 來測量壓電常數(shù)。
對照例
作為下部電極層32b的成膜條件，使用主要成分為Pt的靶材。并且，使用 氬氣作為濺射氣體。采用三個基片S，在每個基片S上形成主要成分為Pt的下 部電極層32b。三個下部電極層32b分別形成為具有100nm、 70nm以及50nm 的膜厚度。除了下部電極層32b的成膜條件之外，對照例1_3中，利用與實 施例相同的成膜條件來形成多層膜35。對照例1的多層膜35的下部電極層32b 具有100nm的膜厚度，對照例2的多層膜35的下部電極層32b具有70nm的 膜厚度，對照例3的多層膜35的下部電極層32b具有50nm的膜厚度。與上述 實施例相同的方式，對各個對照例1一3測量X —射線衍射光譜、相對介電常數(shù)、 介電損失以及壓電常數(shù)。
圖4是示出實施例和對照例1_3的X —射線衍射強度的圖。水平軸和垂 直軸分別表示X —射線的衍射角26和X —射線衍射強度。
在約40°的衍射角29對應的位置，實施例和對照例l一3中共同識別到形 成下部電極層32b的Pt的(111)面。并且，在與約22° 、約32° 、約38° 以及約44°的衍射角2e對應的位置，實施例和對照例l一3中共同識別到與鉛 基復合氧化物層33 (PZT)的鈣鈦礦相對應的(100)面、(110)面、(111) 面以及(200)面。
在與約29°的衍射角20對應的位置，只有在對照例l一3中共同識別到與 鉛基復合氧化物層33 (PZT)的燒綠石相對應的(111)面。具體地，在各個 對照例1一3中，燒綠石相的(111)面的強度相對鈣鈦礦相的各個面的強度降 低。降低的程度按照對照例1、對照例2以及對照例3的順序變大，即，按照 下部電極層32b膜厚的變薄順序變大。在實施例中，對照例l一3中識別到的 燒綠石相的(111)面消失了。
因此，可以認識到，通過形成膜厚度為30nm或更小的下部電極層32b，鉛基復合氧化物層33的燒綠石相消失了，或相對于鈣鈦礦相變得非常薄。
如圖5所示，隨著下部電極層厚度T1變得越小，相對介電常數(shù)增加。換 句話說，在對照例l一3和實施例中，下部電極層厚度T1為30nm的實施例的 相對介電常數(shù)的值最高。隨著下部電極層厚度Tl變小，介電損失降低。換句 話說，在對照例l一3和實施例中，實施例的介電損失最低。因此，可以認識 到，當下部電極層厚度T1為30nm或更小時，鉛基復合氧化物層33的介電特 性得到提高。
如圖6所示，隨著下部電極層厚度T1變小，壓電常數(shù)增加。換句話說， 在對照例l一3和實施例中，下部電極層厚度Tl為30nm的實施例的壓電常數(shù) 最高。因此，可以認識到當下部電極層厚度T1為30nm或更小時，鉛基復合氧 化物層33的壓電特性得到提高。
實施方式中形成多層膜的方法具有下述優(yōu)點。
(1) 實施方式中形成多層膜的方法包括通過濺射下部電極層耙材，在基 片S上形成來自貴重金屬的下部電極層32b的工序，以及濺射包含鉛的氧化物 層靶材，以在下部電極層32b上疊置鉛基復合氧化物層33的工序。在形成下 部電極層32b的工序中，下部電極層32b的厚度被限定在10到30nm。
由于鉛的損失導致鉛基鈣鈦礦復合氧化物33轉(zhuǎn)變成燒綠石相。發(fā)明人己 發(fā)現(xiàn)通過降低電極層32b或鉛基復合氧化物33基部的厚度，抑制了鉛基l丐鈦 礦復合氧化物33的鉛的擴散，從而避免了燒綠石相的生長。在現(xiàn)有技術(shù)中， 使用的鉛基鈣鈦礦復合氧化物的下部電極層的膜厚度一般大于100nm。發(fā)明人 已發(fā)現(xiàn)通過將下部電極層的膜厚度限制到30nm或更小，充分抑制了燒綠石相 的生長并且鉛基鈣鈦礦復合氧化物的介電特性和壓電特性得到提高。
在實施方式中，通過將下部電極層32b的膜厚度限制到10nm或更大，確 保了下部電極層32b和鉛基復合氧化物層33之間的蝕刻選擇比。這樣保證了 鉛基復合氧化物層33的加工性。因此，在不損害鉛基復合氧化物層33的加工 性的情況下，抑制了鉛的擴散。因此，將鉛基復合氧化物層33保持在鈣鈦礦 相。這樣提高了厚度降低的鉛基復合氧化物層33的介電特性和壓電特性。
(2) 鉛基復合氧化物層33的厚度被限制在0.2-5.0pm。這樣相對于厚度已 降低的下部電極層32b的厚度，形成足夠厚的鉛基復合氧化物層33。因此，進 一步保證了多層膜35的介電特性和壓電特性。
(3) 濺射主要成分為鉑的靶材，以在加熱到500。C或更高溫度的基片S上 形成主要成分為鉑的下部電極層32b。然后，濺射主要成分為鋯鈦酸鉛的靶材， 以在下部電極層32b上形成主要成分為鋯鈦酸鉛的鉛基復合氧化物層33。
因為下部電極層32b被加熱到500。C或更高溫度，鋯鈦酸鉛的定向被優(yōu)化。 因此，鈣鈦礦相的鋯鈦酸鉛的生長更穩(wěn)定。這樣提高了厚度已降低的鋯鈦酸鉛的介電特性和壓電特性。
上述實施方式可以以下述形式實施。
在上述實施方式中采用了單靶材濺射法，對于粘接層32a、下部電極層32b、 鉛基復合氧化物層33以及上部電極層34分別使用和濺射單靶材。但是本發(fā)明 不限于上述方式，也可以應用使用和濺射多個耙材的多耙材濺射法。
權(quán)利要求
1、一種形成多層膜的多層膜形成方法，所述多層膜包括電極層和鉛基鈣鈦礦復合氧化物層，所述方法包括通過濺射包含貴重金屬的第一靶材，在基片上形成所述電極層；通過濺射包含鉛的第二靶材，在所述電極層上疊置所述鉛基鈣鈦礦復合氧化物層；其中，所述形成電極層包括形成厚度為10nm到30nm的所述電極層。
2、 如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其中所述疊置鉛基鈣鈦礦復合 氧化物層包括疊置厚度為0.2)Lim到5.(Him的所述鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的多層膜形成方法，其中 所述形成電極層包括將所述基片加熱到500。C或更高；以及濺射主要成分為鉑的靶材，以在所述被加熱的基片上形成厚度為 10nm到30nm的所述電極層，并且 所述疊置鉛基鈣鈦礦復合氧化物層包括濺射主要成分為鋯鈦酸鉛的靶材，以在所述電極層上形成厚度為 0.2|im到5.(Him的所述鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。
4、 一種多層膜形成裝置，包括第一成膜單元，其包括包含貴重金屬的第一靶材，并濺射所述第一耙材以 在基片上形成電極層；第二成膜單元，其包括包含鉛的第二耙材，并濺射所述第二耙材以在所述 電極層上形成鉛基鈣鈦礦復合氧化物層；-連接至所述第一成膜單元和第二成膜單元的搬送單元，其將所述基片搬送 到所述第一成膜單元和第二成膜單元；以及驅(qū)動所述搬送單元、第一成膜單元和第二成膜單元的控制單元，其中所述 控制單元驅(qū)動所述第一成膜單元，以在所述基片上形成厚度為10nm到30nm 的所述電極層。
5、 如權(quán)利要求4所述的多層膜形成裝置，其中所述控制單元驅(qū)動所述第二 成膜單元，以在所述電極層上疊置厚度為0.2pm到5.0pm的所述鉛基鈣鈦礦復 合氧化物層。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的多層膜形成裝置，其特征在于 所述第一靶材的主要成分為鉑； 所述第二靶材的主要成分為鋯鈦酸鉛；以及所述控制單元驅(qū)動所述第一成膜單元，以在所述被加熱到500。C或更高溫度的基片上形成主要成分為鉑、厚度為10nm到30nm的所述電極層，并驅(qū)動 所述第二成膜單元，以在所述電極層上疊置主要成分為鋯鈦酸鉛、厚度為0.2pm 到5.(Him的所述鉛基鈣鈦礦復合氧化物層。
全文摘要
一種多層薄膜形成方法和多層薄膜形成裝置，其提高了由鉛基鈣鈦礦復合氧化物形成的薄膜的介電特性和壓電特性。所述多層薄膜形成方法包括通過濺射下部電極層靶材(TG2)，在基片(S)上形成包含貴重金屬的下部電極層(32b)；以及通過濺射包括鉛的氧化物層靶材(TG3)，在所述下部電極層(32b)上疊置鉛基復合氧化物層(33)。所述下部電極層(32b)的厚度限制為10到30nm，并且所述鉛基復合氧化物層(33)的厚度限制為0.2到5.0μm。
文檔編號H01L41/316GK101563478SQ20078004675
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者木村勳, 神保武人, 菊地真, 西岡浩, 鄒紅罡 申請人:株式會社愛發(fā)科