专利名称：薄膜压电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在用于移动通讯中的薄膜振荡器、薄膜电压控制振荡器(VCO)、薄膜滤波器及液体注射器中使用的薄膜压电装置。
为满足近年来移动通信市场的迅速发展及对多功能通信装置的需求，已提出并引入以IMT2000为代表的新型通讯装置。现在使用频率已达到数千兆，频带宽度从5MHz增加到20MHz或更高。当便携装置的尺寸及能量消耗降低时，表面声波(SAW)装置主要用作RF及IF滤波器。为适应新型系统，SAW装置也同样要求具有高频率、宽频带、低损耗及低成本。迄今为止，随着装置设计技术及制造技术的提高，SAW已基本满足了用户的苛刻的规格要求。这种性能提高已接近其极限。这表明SAW装置在将来需要大的技术革新。
除了SAW装置的发展，由压电薄膜构成的薄膜体声波谐振器(film bulkacoustic resonators)FBAR可以在千兆赫频带上进行简谐共振。但是，由于很难制作高质量的压电薄膜，并且压电薄膜及形成压电薄膜的基板的加工精度仅能增加很少，所以还没有对FBAR作出突出的改进。但是，如果滤波器用FBAR构成，就可以实现微型化、低消耗、在千兆赫的宽频带运行及使用半导体集成电路的单片集成技术。因此，FBAR对于推动实现极小尺寸的便携装置的方法具有潜在的价值。
PZT为锆酸铅钛酸铅(PbZrO3-PbTiO3)固溶体。它是具有高压电性能的铁电材料。使用PZT就可能实现在高频带上进行宽带运行的FBAR。例如，日本应用物理杂志第36卷(1997)第6069-6072页报导了对用溶胶-凝胶方法制作的多晶PZT薄膜的应用。该文献中的PZT薄膜的成分为Pb(Zr0.52Ti0.48.)O3。
但是，除非对PZT薄膜施加偏压以引起极化，在该文献中的FBAR不能提供共振特性。由此得到的共振特性不足以在千兆赫量级的高频带实现低损耗宽带运行。所以有必要提高PZT薄膜的机电耦合常数。
通过对在硅基板上PZT薄膜的外延生长进行研究，发明人在特开平9-110592和10-223476中提出在硅基板上PZT薄膜的外延生长的方法。在这些专利出版物中没有考虑应用PZT薄膜的FBAR装置结构。
日本专利第2568505号公开了在MgO单晶基板上形成不同于PZT的PbTiO3及添加La的LaPbTiO3作为高取向薄膜。在该专利中，对这些取向薄膜的焦热电性能(pyroelectric properties)进行了考虑。如果得到高度取向性，就会获得大的输出量而不需要极化(poling)。将这种取向薄膜应用到FBAR在该专利没有记载，对于FBAR的制作，为实现使用半导体集成电路的单片集成技术，压电薄膜必须在硅片上而不是上述专利中的MgO基板上形成。
因此，本发明的目的是为了提供薄膜压电装置，通过该薄膜压电装置，FBAR与先有技术相比可以在极宽频带上运行。
我们已发现，具有外延生长PZT薄膜的FBAR的共振特性取决于PZT薄膜的成分，该外延生长PZT薄膜作为压电薄膜位于硅基板上。通过将原子比Ti/(Ti+Zr)调整到特定范围，在不对PZT薄膜极化处理的情况下可以得到在极宽带上运行的FBAR。
本发明提供包含硅基板、在基板上外延生长的金属薄膜和位于金属薄膜上的PZT薄膜的薄膜压电装置。PZT薄膜的原子比Ti/(Ti+Zr)的范围为0.65/1-0.90/1。PZT薄膜最好为具有(100)取向和(001)取向相混合的90度畴结构外延生长膜。作为典型例子，薄膜压电装置可构成薄膜体声波谐振器FBAR。
在本发明的公开内容中，Ti/(Ti+Zr)是原子比。
图1为典型FBAR的断面示意图。
图2为外延生长PZT薄膜的I(100)/I(001)与其成分的关系图。
图3为外延生长PZT薄膜中(001)取向晶体c-轴晶格常数与其成分的关系图。
图4为应用本发明的FBAR的共振特性。
图5A为阻挡层的{111}小晶面的示意图。图5B为其放大图。图5C为形成于小晶面上的金属薄膜的示意图。
一般说来，压电材料的压电性能取决于晶体的极化作用的大小、极化轴的排列及其它因素。可以认为此处所用的PZT的压电性能还取决于构成薄膜的晶体的畴结构、取向、结晶度等晶体学性能。在讨论PZT薄膜的晶体学性能之前，先对本发明中使用的术语进行说明。
这里所用的“单向膜”是所需晶面与基板表面平行的晶体膜。例如，(001)单向膜为(001)面基本上与膜表面平行的膜。具体地说，通过x-射线衍射，从非目标面得到的反射峰强度小于目标面最大峰强度的10％，优选为小于5％。例如，通过2θ-θx-射线衍射进行分析时，对于(00L)单向膜，即c-面单向膜，从非(00L)面得到的衍射强度小于从(00L)面得到的最大峰强度的10％，并且优选为小于5％。注意，(00L)面指的是(001)族晶面，即，诸如(001)和(002)面的等价的面。还应注意，(H00)面指的是诸如(100)和(200)的等价的面。
这里所用“外延膜”为单向外延膜，该单向外延膜为单向膜(如上述定义)，如果膜表面为X-Y平面且膜厚度方向为Z轴方向，该单向膜中的晶体沿X，Y，Z轴方向取向。进一步说，首先要求，通过x-射线衍射，从非目标面得到的衍射峰强度小于目标面的衍射峰强度的5％。例如，在通过2θ-θx-射线衍射进行分析时，对于(001)外延膜，即c-面外延膜，从非(00L)面得到的衍射峰强度小于从(00L)面得到的最大峰强度的10％，优选为小于5％。其次要求，在通过RHEED进行分析时，外延膜表现出条状或斑点状花样。通过RHEED分析表现出圈状或环状花样的膜不能认为就是外延膜。RHEED为反射高能电子衍射的缩写，且RHEED分析为膜平面内的晶体轴取向的指标。
这里所用的“90度畴结构外延膜”必须在室温下满足下列要求。首先要求，对膜进行2θ-θx-射线衍射分析时，从非(00L)面和(H00)面得到的衍射峰强度小于从(00L)和(H00)面得到的衍射峰强度的10％，优选为小于5％。其次要求，通过RHEED分析时，外延膜表现出条状或斑点状花样。
当PZT由四方晶系晶体构成时，其极化轴为
方向，且当PZT由菱形晶系晶体构成时，其极化轴为[111]轴。在室温下，PZT陶瓷当Ti/(Ti+Zr)接近或高于0.5时一般为四方晶系晶体，当Ti/(Ti+Zr)接近或低于0.4时一般为菱形晶系晶体，当Ti/(Ti+Zr)在接近0.4和接近0.5之间时为四方晶系晶体和菱形晶系晶体的混合物，即所谓变晶相界(MPB)成分。在MPB成分附近，压电常数最高且可表现出优良的共鸣特性。例如，在日本应用物理杂志第36卷(1997)第6090-6072页中所述的多晶PZT应用了MPB成分。
但是，对于通过外延生长方法得到的PZT薄膜，还不了解其可以确保得到满意的压电性能的晶体学参数。我们首先尝试形成沿极化轴方向取向的PZT薄膜，尤其是，薄膜至少具有四方(001)取向的晶体。为形成四方(001)取向膜，在薄膜生长期间，晶体沿对应该取向的方向取向。PZT在室温下为四方晶系，但由于高温相为立方晶系，故其在高于500℃的温度下变为立方晶系。这表明如果将生长温度设置为高于500℃的温度，PZT膜可以作为立方(100)取向外延生成，在冷却过程中再转变为四方晶系，这会导致产生四方(001)取向的外延膜或具有(100)取向和(001)取向相混合的90度畴结构外延膜。PZT薄膜变为(001)取向外延膜还是变为90度畴结构外延膜取决于PZT薄膜和基板之间热扩散系数的差异、PZT薄膜和下面一层(本发明中为金属薄膜)之间晶格常数的差异及PZT自身的晶格常数。
我们研究了构造如图1所示的FBAR的共振特性与PZT薄膜的晶体参数之间的关系。
图1中所示的FBAR包含在其上有通孔1的硅(100)单晶基板2(以下简称为硅基板)；在硅基板之上的厚度为50nm、包含氧化硅、氧化锆、氧化钇层的阻挡层3；厚度为100nm的铂下电极4；厚度为0.5μm的PZT薄膜5；厚度为100nm的金的上电极6，它们按上述次序叠放。通孔1从图中较低的一边对硅基板进行各向异性腐蚀而得到。由于通孔1的存在，叠放于硅基板2上的薄膜构成横隔膜。硅基板的下表面通过模片键合剂10与外壳11结合在一起，外壳11的顶部用盖子13封住。该结构通过下列步骤形成在硅基板上形成薄膜和电极，进行腐蚀，用切割工具切割为小片(chip)，并将小片置于外壳11中。在外壳中布置与外部连接的外引线端子A和B，这些外引线端子通过引线12分别与下电极和上电极连接。在该FBAR中，位于通孔1上面的PZT薄膜5夹于上电极4和下电极6之间，从而构成压电体声波谐振器。
下电极4通过蒸发形成。通过多源蒸发工艺在硅基板2的整个上表面沉积一层膜，并通过光刻法腐蚀掉通孔1上方以外的部分，从而形成PZT薄膜5。将PZT薄膜5的成分设置为Ti/(Ti+Zr)的范围在0.3和1.0之间。上电极6在通孔1上方形成。上电极6形状为矩形，平面尺寸为25μm×50μm。
在FBAR的制造过程中，通过x-射线衍射和RHEED验证下电极4为(001)取向外延膜。具体地说，在RHEED分析中出现条状花样。在2θ-θx-射线衍射分析中，从非(00L)面得到的峰值强度小于检测极限，即，小于从(001)面得到的最大峰值强度的0.1％。
同样验证当Ti/(Ti+Zr)在0.5-1.0的范围内时，PZT薄膜5为钙钛矿结构(001)取向外延膜或具有(100)和(001)取向相混合的90度畴结构外延膜。具体地说，在RHEED分析中，在其中一薄膜中出现条状花样。在对(001)取向面的2θ-θx-射线衍射分析中，从非(00L)面产生的峰值强度小于检测极限，即，小于从(001)面得到的最大峰值强度的0.1％。对于90度畴结构膜，从非(00L)且非(H00)面产生的峰值强度小于检测极限，即，小于从(001)面得到的最大峰值强度的0.1％。另一方面，对于Ti/(Ti+Zr)小于0.5的PZT薄膜5，其RHEED花样为环状。
在实验基础上，对该FBAR中的PZT薄膜5的成分与晶体参数的关系进行说明。
对于Ti/(Ti+Zr)小于0.4的的成分，由于Pt与PZT之间存在较大的晶格常数错配度，故不能形成高度晶化的PZT薄膜。例如，Ti/(Ti+Zr)为0.4的PZT在生长温度为600℃时的晶格常数为0.409nm，而在硅基板上外延生长的Pt薄膜在该生长温度时的晶格常数为0.394nm。在Ti/(Ti+Zr)小于0.4的情况下，错配度变得更大。相反，在Ti/(Ti+Zr)大于0.4的情况下，错配度变得更小，使PZT薄膜可以满意地外延生长。注意，Ti/(Ti+Zr)为1.0的PZT薄膜的错配度为0.75％。
用x-射线衍射仪对Ti/(Ti+Zr)大于0.5的PZT薄膜进行分析，以检测(100)面的衍射强度I(100)与(001)面的衍射强度I(001)之间的比。结果如图2所示。从图2可以看出，当Ti/(Ti+Zr)小于0.6时，膜为单轴取向。另一方面，当Ti/(Ti+Zr)大于0.6时，膜为90度畴结构，表明钛的比越高，就越会增加“a”畴。在PZT晶体中，当钛的比变大时，a-轴与c-轴的比(四方性)就会增加。可以认为由于a-轴与c-轴在晶格常数之间有较大差异，高四方性的成分会引起“a”畴的急剧增加。
对于不同成分的PZT薄膜，测量了(001)取向晶体的c-轴晶格常数，结果如图3所示。在图3中，虚线代表PZT陶瓷的c-轴晶格常数。陶瓷不同于薄膜，它不接受取决于底层的晶格常数的应力，虚线代表固有晶格常数。从图3中可以看出，虽然膜为如图2所示的的(001)单向膜，当Ti/(Ti+Zr)小于0.6时，c-轴很短。在该成分区域，由于薄膜与硅基板中的热扩散系数不同，在外延生长之后的冷却过程中，a-轴会伸长，这样c-轴会比a-轴短些。当Ti/(Ti+Zr)大于0.65时，就会出现如图2所示的高四方性。此时会产生大量的“a”畴，从而就会减轻由于与硅基板的热扩散系数不同而产生的应力。这样，如图3所示，PZT薄膜的c-轴晶格常数就会接近陶瓷的c-轴晶格常数。
下面，在FBAR上的引线端子A和B之间测量共振特性。当PZT薄膜Ti/(Ti+Zr)为0.5时，即，高(001)取向、低c-轴晶格常数，没有观测到共振特性。当PZT薄膜Ti/(Ti+Zr)为1.0时，即，高c-轴晶格常数但低(001)取向，由于引线端子A和B之间的漏泄电流，可以测量出共振特性。可以认为Ti/(Ti+Zr)为1.0时对应钛酸铅。
Ti/(Ti+Zr)约为0.5时的成分为与上述PZT体陶瓷有关的MPB成分。接近MPB成分，可以得到高压电常数和优良的共振特性。但是在外延生长PZT薄膜中没有观测到共振特性。
然后，对含有Ti/(Ti+Zr)为0.75的PZT薄膜的FBAR进行测量，发现在2GHz附近的十分显著的共振现象。共振特性如图4所示。从该共振曲线中的共振频率和非共振频率可以看出，压电常数e33＝14.3C/m2，弹性常数C33＝8.8×1010N/m2，表明e33的值十分高。并且，从电容对电极面积的依赖关系的测量结果来看，该PZT薄膜估计介电常数约为300。从这些值可以看出，机电耦合常数k的平方k2＝47％，至少为先有技术值的10倍。使用这种方法，可以得到在极宽频带上运行的FBAR。
通过在很大范围内改变PZT薄膜的成分，对其共振特性进行测量，以寻找PZT薄膜的合适的成分范围。可以看出，为使90度畴结构外延膜具有优良的共振特性，Ti/(Ti+Zr)必须在0.65到0.90的范围内，最好在0.70到0.85的范围内。即，对Ti/(Ti+Zr)为0.65、0.70、0.75、0.80、0.85和0.90的PZT薄膜的共振特性进行测量。从其压电常数e33大于10C/m2、机电耦合常数大于30％可以看出，所有这些FBAR都具有共振特性及好的压电特性。特别地，对于Ti/(Ti+Zr)为0.70、0.75、0.80和0.85的PZT薄膜，从其压电常数e33至少为14C/m2、机电耦合常数至少为40％可以看出，这些FBAR具有优良的压电特性。
从上述结果可以看出，当构成FBAR时，具有压电特性的外延PZT薄膜的成分范围并没有通过陶瓷(大块材料)和多晶材料的优选成分范围进行类推而来。在使用外延生长PZT膜的FBAR中，通过使用不同于体陶瓷合适成分的PZT薄膜的Ti/(Ti+Zr)，可以获得在先有技术中没有达到的更好的性能。
我们设想，由于以下原因，PZT薄膜压电性能对成分的依赖关系与PZT陶瓷相比表现出完全不同的特点。可以相信，对于PZT薄膜要表现优良的压电性能，应具备(i)自发极化Ps在一个方向排列，即，(001)取向较高，并且(ii)自发极化Ps明显，即，c-轴晶格常数较高。
但是，图2和图3中的结果表明对于外延生长PZT薄膜，不可能同时满足这两种要求。那么可以相信，对于在硅基板上具有外延生长PZT薄膜且在这两者间叠放有Pt薄膜(该薄膜也是外延膜)的FBAR，当选择PZT薄膜在一定程度上满足要求(i)并同时在一定程度上满足要求(ii)，该FBAR会表现出优良的共振特性。
基于上述理解，对本发明中对Ti/(Ti+Zr)所作的限制解释如下。可以认为，如果Ti/(Ti+Zr)小于0.65，PZT薄膜只呈现或主要呈现(001)单轴取向，但c-轴受到限制，不能提供压电性能。如果Ti/(Ti+Zr)于0.4，PZT薄膜与基板之间的晶格常数的错配度就会增加，妨碍进行顺利外延生长。可以进一步认为，如果Ti/(Ti+Zr)大于0.9，(001)取向晶体的c-轴会变长，对于该成分的PZT，在a-轴与c-轴的晶格常数之间存在较大的差异，这样沿PZT薄膜中的畴界出现的晶格缺陷现在会转变为畴结构，使上电极和下电极之间产生漏泄电流。
薄膜压电装置中各元件的构成下面，对本发明中薄膜压电装置的各个元件进行详细说明。
基板本发明使用硅作为基板，特别优选硅单晶的(100)面为基板表面，因为在这种基板上可以形成具有良好性能的外延PZT膜。并且在FBAR制作过程的形成通孔的步骤中最好有效利用各向异性腐蚀。注意，存在于硅基板平面、金属薄膜(下电极)平面、PZT薄膜平面和下面将要说明的阻挡层平面上的轴相互之间最好平行。
阻挡层在图1中位于金属薄膜(下电极4)和基板2之间的阻挡层3不是必需的，但最好是有。阻挡层有助于高质量薄膜在基板上外延生长，并且阻挡层可以作为绝缘体，并可在通过腐蚀形成通孔的过程中作为腐蚀阻挡层。
在本发明的薄膜压电装置中，金属薄膜作为夹住PZT薄膜的一对电极中位于PZT薄膜下面的一层，形成于硅基板上。为形成具有良好结晶度的PZT薄膜，金属薄膜必须形成为接近于单晶的外延膜。为形成作为外延膜的金属薄膜，可以优选使用本专利申请人的JP-A9-110592中描述的方法。在该方法中，包含(001)取向ZrO2薄膜、稳定锆薄膜和稀土薄膜的阻挡层在硅单晶基板上形成，(001)取向的BaTiO3等的钙钛矿层在阻挡层上形成，铂等的金属薄膜形成于钙钛矿层上。该方法可以使金属薄膜作为外延膜形成。在这种方法中在阻挡层上形成钙钛矿层的原因是，如果铂薄膜直接在(001)取向ZrO2薄膜上形成，铂就会为(111)取向或为多晶，这样就不能形成铂(111)单取向薄膜。铂在(001)取向ZrO2薄膜上呈(111)取向的原因是由于在ZrO2(001)面和铂(100)面之间存在较大的晶格错配度。铂以能量稳定的(111)面作为生长面，而不是进行外延生长，即，以(100)面作为生长面进行生长。
但是，钙钛矿层的形成是很困难的，并且尤其很难形成具有设计成分的均匀钙钛矿层。特别地，当BaTiO3薄膜作为钙钛矿层在包含锆的阻挡层上形成时，将有可能形成诸如BaTiO3的趋向于呈(110)取向的材料。并且，在上面提到的JP-A9-110592中，采用在氧化性气氛中为基板表面提供金属蒸汽的蒸发过程作为可以在大面积上形成均匀薄膜的过程。当BaTiO3薄膜通过这种方法形成时，必须恰当地控制Ba和Ti的蒸发量，使得当其作为氧化物在基板表面沉积时Ba∶Ti＝1∶1。
优选利用下面的阻挡层作为阻挡层，该阻挡层可以使铂薄膜作为外延膜形成而不需要BaTiO3薄膜。
该阻挡层的特征为与金属薄膜之间的界面包含{111}小晶面。由于小晶面增加了阻挡层与金属薄膜之间的接触面积，就会防止在制作FBAR的显微加工步骤中金属薄膜的剥落。
图5A示意说明了阻挡层表面的小晶面。图5B示出了放大的小晶面。由于阻挡层为立方(100)取向、四方(001)取向或单斜(001)取向的外延膜，该小晶面为{111}小晶面。金属薄膜将会作为{111}取向膜在阻挡层的(111)小晶面上外延生长。当金属薄膜生长时，小晶面的凹陷会被掩盖住。最终，金属薄膜的表面变得十分平整，如图5C所示，并且该金属薄膜平行于基板表面。该金属薄膜的表面为立方(100)面，但由于晶格畸变可以变为四方(001)面。
对小晶面的尺寸不作严格要求。但如果小晶面的高度，即，投影到垂直于阻挡层的面上的小晶面尺寸太小，就会削弱小晶面对阻挡层表面产生的效果。所以，投影尺寸优选为至少5nm。另一方面，如果投影尺寸太大，金属薄膜的表面就会变得不平整，除非金属薄膜因此而作得厚些。但是，当金属薄膜变厚时，它就会更易于破裂。所以投影尺寸优选取为小于30nm。可以知道，投影尺寸从阻挡层断面的TEM照片中得到。
上述界面上的小晶面的比例优选为大于80％，特别优选为大于90％。如果小晶面的比例太低，就难于生长作为高质量外延膜的金属薄膜。这里所用的术语“小晶面的比例”通过下述过程由阻挡层断面的TEM照片得到的面积比确定。假定B为待测量的阻挡层表面的长度(沿平面方向的长度)，H为平行于平面方向的表面(小晶面除外)的总长，小晶面的比例由[1-(H/B)2]表示。待测量的长度至少为1nm。
为在表面上形成{111}小晶面，阻挡层优选为主要包含稀土氧化物、氧化锆、或锆被稀土元素或碱土金属元素部分取代的氧化锆。这里所用的术语“稀土”包含Sc和Y。当这种阻挡层为立方(100)取向或单斜(001)取向时，就可以在其表面形成小晶面。
阻挡层的成分由公式Zr1-xRxO2-δ表示，其中R代表稀土元素或碱土金属元素。由于在温度从高温转变为室温的过程中，对应于x＝0的氧化锆(ZrO2)会产生立方→四方→单斜的相变，而添加稀土元素或碱土元素可以稳定立方相。通过向ZrO2中添加稀土元素或碱土元素而得到的氧化物一般称作稳定氧化锆。这里，稀土元素优选为可以稳定ZrO2的稀土元素。
在本发明的实际操作中，只要可以形成小晶面，公式Zr1-xRxO2-δ中的x值可以不作严格要求，可以看到，日本应用物理杂志，27(8)，L1404-1405(1988)中报导，当x值小于0.2时，稀土元素稳定氧化锆变为四方或单斜晶格。在日本应用物理杂志，58(6)，2407-2409(1985)中还报导，在导致产生四方或单斜晶系的成分范围内，由于不希望得到的取向面会与希望得到的取向面混合在一起被引入，所以不能得到单轴取向外延膜。通过继续进行研究，我们发现，通过利用如下所述的蒸发过程，即使在x小于0.2的成分范围内，也可以进行外延生长并获得良好的结晶度。高纯ZrO2膜具有高的绝缘电阻及小的漏泄电流，所以当需要绝缘性能时，该高纯ZrO2膜为优选材料。为有利于小晶面的形成，x优选为小于0.2。
另一方面，当阻挡层与硅单晶基板邻近形成时，在x大于0.75的成分范围的阻挡层为立方晶体，但难于形成(100)单轴取向，就会附带引入(111)取向晶体或甚至完全呈(111)单轴取向。因此，当阻挡层直接在硅单晶基板上形成时，公式Zr1-xRxO2-δ中的x优选设置为小于0.75，最好小于0.5。
注意，当阻挡层在硅单晶基板上的合适的底层上形成时，即使x采用较大值，阻挡层也可呈立方(100)单轴取向。对于底层，优选采用氧化锆薄膜或稳定氧化锆及立方(100)取向，四方(001)取向或单斜(001)取向。对于底层，应采用小于阻挡层的x的x。
适当选择稳定氧化锆薄膜中包含的稀土元素，以使稳定氧化锆薄膜的晶格常数与邻近稳定氧化锆薄膜的薄膜或基板的晶格常数匹配。虽然可以通过确定稀土元素的类型而改变x值，改变稳定化氧化锆的晶格常数，但仅改变x值只能在很窄的范围内进行匹配调整。如果改变稀土元素，由于晶格常数可以在相对较宽的范围内进行调整，匹配优化就会变得很容易。例如，用Pr取代Y会得到较大的晶格常数。
应注意，不含氧缺陷的氧化锆的化学式为ZrO2，而稳定氧化锆的公式由Zr1-xRxO2-δ表示，其中，由于氧的量会随所添加的稳定化元素的类型、添加量及原子价的变化而变化，δ的值通常为0到1.0。
阻挡层可以具有成分连续或逐步变化的分级成分结构。在该分级成分结构中，Zr1-xRxO2-δ中的x优选为从阻挡层的背面到上表面连续或逐步增加。在提供底层的上述实施例中，如果认为底层为阻挡层的一部分，即可认为该阻挡层具有逐步变化成分。
在阻挡层中使用的稀土元素为从Sc、Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yg和Lu选出的至少一种。由于一些稀土元素氧化物可能为六方晶系的稀土a型结构，所以优选形成稳定立方晶系氧化物的稀土元素。具体地，在Sc、Y、Ce、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中至少有一种为优选元素，并且根据其氧化物的晶格常数及其它条件在这些元素中进行选择。
对于阻挡层，为提高其性能可以加入添加剂。例如，铝(Al)和硅(Si)可以有效提高膜的电阻系数。并且，诸如Mn、Fe、Co、Ni的过渡金属元素可以在膜中形成杂质能级(impurity level)(陷阱能级(trapping level))，可以利用该杂质能级控制电阻系数。
对于用作底层或阻挡层的ZrO2薄膜，本发明中Zr所占比例的上限约为99.99摩尔％。由于很难通过可得到的超纯技术将ZrO2与HfO2分离开，ZrO2的纯度通常指Zr+Hf的纯度。在本说明书中的ZrO2的纯度为在假定Hf和Zr相同时进行计算而得到的值。但是这样并不会出现问题，因为在氧化锆薄膜中HfO2发挥与ZrO2基本相同的功能。这对于稳定氧化锆也同样成立。
对阻挡层的厚度不作严格限制，可以进行适当设置以形成合适尺寸的小晶面。阻挡层的优选厚度为5到1000nm，并且特别优选用25到100nm。如果阻挡层太薄，就难于形成统一的小晶面。如果太厚，阻挡层可能会破裂。对底层选用适当的厚度以使底层可以形成均匀的、具有平整表面且没有裂纹的外延膜，其厚度经常优选为2到50nm。
金属薄膜用作下电极的金属薄膜可以为外延膜，且同时为(100)或(001)取向膜。如果PZT薄膜在具有良好结晶度及光洁度的金属薄膜上形成，就可以实现具有满意性能的包含薄膜体声波谐振器的多种电子装置。由于金属薄膜充当吸收薄膜片的应力的角色，金属薄膜还可以有效防止在该金属薄膜上形成的所有薄膜中产生裂纹。当使用具有小晶面的阻挡层时，金属薄膜在该表面上生长，同时掩盖由小晶面构成的凹陷。最终金属薄膜具有平整且平行与基板表面的表面。这里，金属薄膜为(100)面平行于膜表面的立方外延膜，但有时会由于晶体的变形变为四方(001)取向。
金属薄膜优选以Pt、Ir、Pd和Rh中的至少一种作为主要成分，并且特别优选为这些金属元素的单质或包含该金属元素的合金。金属薄膜也可以为包含两种以上不同成分的薄膜。
金属薄膜的厚度随实际应用情况而改变，但优选为10-500nm，且特别优选为50-150nm，这样的厚度不会破坏结晶度和表面光洁度。更特别地，为掩盖阻挡层上的由小晶面构成的凹陷和突出，金属薄膜应优选为大于30nm的厚度。大于100nm的厚度可以保证具有足够的表面平度。为使金属薄膜作为电极，该金属薄膜的厚度优选为50-500nm。
可以注意到，金属薄膜的优选电阻系数为10-7-103Ω·cm，并且特别优选为10-7-10-2Ω·cm。
PZT薄膜PZT薄膜为如上所述的外延生长膜，并且优选为具有(100)取向与(001)取向相混合的90度畴结构外延膜。PZT薄膜的Ti/(Ti+Zr)应在上述的特定范围内。PZT薄膜通过上述实施例中的多源蒸发工艺形成，但也可以通过诸如MBE或RF磁控管溅射法的其它方法形成。PZT薄膜的厚度可以根据所需谐振频率进行适当选择，但通常优选为0.05-5μm。
通常，PZT指的是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，但本发明不要求Pb/(Ti+Zr)等于1。但原子比Pb/(Ti+Zr)优选为0.8-1.3，特别优选为0.9-1.2。当Pb/(Ti+Zr)设置在此范围内时，就可得到良好的结晶度。O与Ti+Zr的比不限于为3。由于一些钙钛矿材料在缺氧或富氧状态下构成稳定钙钛矿，原子比O/(Ti+Zr)通常为约2.7到约3.3。可以理解，PZT薄膜的成分可以通过荧光x-射线光谱测定。
在本发明的实际操作中，PZT薄膜优选为包含Pb、Zr和Ti，但它也可以包含添加元素和杂质。例如，由于利用普通超纯技术很难把ZrO2从HfO2中分离，PZT薄膜可以含有作为杂质的HfO2。注意，由于杂质HfO2不会对PZT薄膜的性能产生实质性影响，所以杂质HfO2不会有什么问题。例如，PZT薄膜中可以包含的添加元素和杂质有稀土元素(包含Sc和Y)、Bi、Ba、Sr、Ca、Cd、K、Na、Mg、Nb、Ta、Hf、Fe、Sn、Al、Mn、Cr、W和Ru。在本发明中，如果Ti/(Ti+Zr)的值在上述特定范围内，这些置换元素和杂质元素可以被包含于PZT薄膜内，该Ti/(Ti+Zr)的值是在稀土元素、Bi、Ba、Sr、Ca、Cd、K、Na和Mg取代锆，且Nb、Ta、Hf、Fe、Sn、Al、Nm、Cr、W和Ru取代钛的情况下计算得到的。取代Pb、Zr和Ti的置换元素或杂质的置换比优选为小于10％，并且特别优选为小于5％。在PZT薄膜中也可以包含诸如Ar、N、H、Cl、C、Cu、Ni和Pt的作为微量添加元素或不可避免的杂质的其它元素。
结晶度和表面光洁度阻挡层、金属薄膜和底层的结晶度，可以按照x-射线衍射中的反射峰波动曲线的半值宽或RHEED像的花样进行估算。表面光洁度可以通过RHEED像的花样或TEM照片进行估算。
更具体地说，每个层优选为具有这样的结晶度在x-射线衍射中，从(200)面或(002)面(或在阻挡层为稀土c-型结构的情况下的(400)面)得到的反射的谱线可以具有小于1.50°的半值宽(或半高宽)。对谱线的半值宽的下限不作严格限制。在本发明中该下限通常约为0.7°，且尤其为0.4°。对于RHEED，多斑点花样表明为不规则表面，而条状花样表明为平整表面。在两种情况下，强的RHEED像都表明具有好的结晶度。
形成方法为形成阻挡层和金属薄膜，可以优选使用蒸发、MBE或RF磁控管溅射法，且特别优选使用特开平10-17394中所述的方法。
虽然将本发明应用于FBAR是最有效的，但它还可以应用于移动通讯中的薄膜振荡器、薄膜VCO，薄膜过滤器、用于频率跳跃的高频电子合成器及液体注射器的压电装置。
已对薄膜压电装置进行说明，对该薄膜压电装置中的外延生长膜的成分和晶体排列进行优化，这样就可以获得诸如在极宽频带上运行的FBAR的高性能压电装置。在不对PZT薄膜极化的情况下就可获得高的压电性能。
申请号为11-139997的日本专利在此引作参考。
在不背离权利要求中所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对上述公开进行合理的修改和变动。
权利要求
1.一种薄膜压电装置，包含硅基板、该硅基板上的外延膜形式的金属薄膜、和位于该金属薄膜上的PZT薄膜，该PZT薄膜中的Ti/(Ti+Zr)原子比为0.65到0.90。
2.根据权利要求1的薄膜压电装置，其中，所述PZT薄膜为具有(100)取向和(001)取向互相混合的90度畴结构外延膜。
3.根据权利要求1的薄膜压电装置，其中，该装置为薄膜体声波谐振器。
全文摘要
一种薄膜压电装置,具有在硅基板(2)上的外延金属薄膜(4)和在该金属薄膜上的PZT薄膜(5),该PZT薄膜(5)具有从0.65到0.90的Ti/(Ti+Zr)原子比。由此可以实现具有极宽带的薄膜体声波谐振器。
文档编号H03H9/00GK1274954SQ0010891
公开日2000年11月29日 申请日期2000年5月19日 优先权日1999年5月20日
发明者矢野义彦, 野口隆男, 阿部秀典, 斎藤久俊 申请人:Tdk株式会社