(57)【要約】【課題】良好な圧電特性を有するＡｌＮ薄膜を得るには、ＡｌＮ薄膜をＣ軸配向させるだけでなく、その極性も一定方向に揃える必要がある。しかし、ＡｌＮの極性は、下部電極である金属層の最表面における酸化の影響を大きく受けることが知られている。そのため、ＡｌＮの極性を揃えるには、下部電極が酸素に汚染される前に、ＡｌＮの堆積を開始させる必要があるが、一般的なスパッタリング法による薄膜作製技術では困難である。それゆえ、本発明の主たる目的は、下部電極堆積後、即座に、次のＡｌＮを堆積させることにより、下部電極の表面酸化を抑制し、下部電極上に極性をＡｌ極性に揃えているＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を製造する方法を提供することである。【解決手段】下部電極としてのＡｌ層上に形成されるＡｌＮ薄膜において、Ａｌ層を堆積中に矩形的に窒素の導入を始めることにより、成膜を中断することなくＡｌＮ薄膜の堆積を開始させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ層上に形成されるＡｌＮ薄膜であって、Ａｌ層を堆積している時に矩形的に窒素の導入を開始することにより、成膜を中断することなくＡｌＮ薄膜の堆積を開始させることを特徴とする、ＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項２】
ＡｌＮ薄膜上に形成されるＡｌ層であって、Ａｌターゲットを用いてＡｌＮ薄膜を堆積している時に矩形的に窒素の導入を取りやめることにより、成膜を中断することなくＡｌ薄膜の堆積を開始させることを特徴とする、ＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記のＡｌＮ薄膜が、ガス圧が０．５Ｐａ〜１．０Ｐａの範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記のＡｌＮ薄膜が、窒素ガスの流量比が２０％〜４０％の範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記のＡｌＮ薄膜が、Ｃ軸配向していることを特徴とする、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記のＡｌＮ薄膜が、極性が揃っていることを特徴とする、請求項５に記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記のＡｌＮ薄膜が、Ａｌ極性にて成長していることを特徴とする、請求項６に記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記のＡｌＮ薄膜の厚みが、１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載のＡｌＮ薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のＡｌＮ薄膜の製造方法と一般的なＡｌＮ薄膜の製造法を組み合わせることにより、同一多層薄膜内で、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とＮ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とが金属層を介して積層されていることを特徴とする、ＡｌＮと金属からなる多層薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ＡｌＮ薄膜の製造方法に関する。具体的には、圧電薄膜共振器や圧電素子として応用することが可能な、極性をＡｌ極性に揃えているＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  ウルツ鉱型物質であるＡｌＮは、Ｃ軸方向に圧電性・焦電性を有している。そのため、Ｃ軸配向したＡｌＮ薄膜（Ｃ軸配向性ＡｌＮ薄膜）は、その圧電性を活かして圧電薄膜共振器やＭＥＭＳの構成要素などとして、また、その焦電性を活かしてセンサなどとして応用されている。【０００３】  そこで、Ｃ軸配向性ＡｌＮ薄膜を得るべく、多くの研究がなされてきた。スパッタリング法によりＡｌＮ薄膜を形成する場合、成膜を低いガス圧で行うとＣ軸配向する傾向にあると知られている。具体的には、ガス圧が０．５Ｐａ程度であることが望ましいが、必ずしも容易に実現できるガス圧ではない。【０００４】  他方、ＡｌＮ薄膜を堆積させるときの下地層を配向させることによりＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を得る試みもなされてきた。下地層は、一般的には、金属薄膜である。なぜなら、下地層は、ＡｌＮ薄膜の圧電特性を利用する際の下部電極としても機能する必要があるからである。そして、下地層としての金属薄膜が、たとえば、面心立方構造を有する金属から構成され（１１１）配向している場合、ＡｌＮ薄膜はＣ軸配向する傾向にある。【０００５】  ところで、良好な圧電特性を有するＡｌＮ薄膜を得るには、薄膜中のＡｌＮ結晶粒が、Ｃ軸配向している事に加え、極性も一定方向に揃えている事が求められる。しかし、ＡｌＮ薄膜の極性を揃える事は困難であることが知られている。【０００６】  例えば、清浄なＲｕ（ルテニウム）上にＡｌＮを堆積させた場合と、酸素に汚染されたＲｕ上にＡｌＮを堆積させた場合とでは、成長するＡｌＮ結晶の極性が異なると指摘されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】  Ｊ．Ａ．Ｒｕｆｆｎｅｒ，Ｐ．Ｇ．Ｃｌｅｍ，Ｂ．Ａ．Ｔｕｔｔｌｅ，Ｄ．Ｄｉｍｏｓ，Ｄ．Ｍ．Ｇｏｎｚａｌｅｓ、“Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ｒｅａｃｔｉｖｅｌｙ  ｐｕｔｔｅｒｅｄ  ＡｌＮ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、オランダ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｂ．Ｖ．社、１９９９年１１月１０日、３５４巻、１−２号、２５６−２６１ページ
【０００８】  したがって、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を作製するためには、下部電極堆積後、表面が酸素に汚染される前に、ＡｌＮ薄膜を堆積させる必要がある。【０００９】  しかし、下部電極の最表面を酸素汚染から防ぐのは、一般的な多層薄膜作製技術では困難である。なぜならば、下部電極形成後、次のＡｌＮ薄膜を堆積させるまでの間には、成膜を中断している時間（以下、成膜中断時間と記す）が存在し、その間に下部電極の最表面が酸化する方向にあるからである。これは、一般に、下部電極である金属薄膜を形成する際はＡｒガス、ＡｌＮ薄膜を形成する際はＡｒと窒素の混合ガスを用いるため、形成しようとする薄膜を替えるごとに、真空容器に導入されているガスを入れ替えることが必要であり、更には、ガス入れ替え後はターゲット表面を安定させるためのプレスパッタリングが必要になることに起因する。したがって、酸化し難い金属を下地層として用いると良いと考えられるが、そのような金属は高価である。【００１０】  また、真空容器内の酸素分圧を変化させると、成長するＡｌＮ結晶の極性が変化し、さらに、酸素が過剰に導入された場合では、極性はばらばらとなってしまうとの報告もある（非特許文献２）。【００１１】
【非特許文献２】  Ｍｏｒｉｔｏ  Ａｋｉｙａｍａ，Ｔｏｓｈｉｈｉｒｏ  Ｋａｍｏｈａｒａ，Ｋａｚｕｈｉｋｏ  Ｋａｎｏ，Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｔｅｓｈｉｇａｈａｒａ，ａｎｄ  Ｎｏｂｕａｋｉ  Ｋａｗａｈａｒａ、“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｏｘｙｇｅｎ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｇａｓ  ｏｎ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”、ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、アメリカ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ社、２００８年７月１４日、９３巻、１号、０２１９０３ページ
【００１２】  特に、ＡｌＮの堆積を開始した時の酸素分圧が重要と知られており、酸素分圧が高い場合は、結晶を形成できずにアモルファスとして堆積を開始したりすることも報告されている（非特許文献３）。【００１３】
【非特許文献３】  Ｖ．Ｂｒｉｅｎ，Ｐ．Ｐｉｇｅａｔ、“Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｄｉａｇｒａｍ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ  ＡｌＮ  ｄｅｐｏｓｉｔｓ：Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ａｎｄ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｆｉｌｍｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、オランダ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｂ．Ｖ．社、２００７年１月５日、２９９巻、１号、１８９−１９４ページ
【００１４】  ところで、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜には、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とＮ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜の二通り存在する。一般には、Ｎ極性成長のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜は比較的容易に得られるのに対し、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を得るのは困難であると知られている（非特許文献４）。【００１５】
【非特許文献４】  Ｅ．Ｍｉｌｙｕｔｉｎ，Ｓ．Ｈａｒａｄａ，Ｄ．Ｍａｒｔｉｎ，Ｊ．Ｆ．Ｃａｒｌｉｎ，Ｎ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎ，Ｖ．Ｓａｖｕ，Ｏ．Ｖａｓｚｑｕｅｚ−Ｍｅｎａ，Ｊ．Ｂｒｕｇｇｅｒ，Ｐ．Ｍｕｒａｌｔ、“Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  （００１）ＡｌＮ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ：Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｂｙ  ａ  ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ、アメリカ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  ＶａｃｕｕｍＳｏｃｉｅｔｙ、２０１０年１１月３０日、２８巻、６号、Ｌ６１−Ｌ６３ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  よって、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を作製するためには、下部電極堆積後、成膜中断時間を限りなく短くすることにより、電極の最表面が酸素に汚染される前に、次のＡｌＮ薄膜を堆積させる必要がある。更に望ましくは、低い酸素分圧においてＡｌＮの堆積を開始する方法が求められている。また、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を成長させる方法が求められている。【００１７】  それゆえ、本発明の主たる目的は、下部電極堆積後、即座に、次のＡｌＮを堆積させることにより、下部電極上に極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を製造する方法を提供することである。
本発明の従たる目的は、低い酸素分圧においてＡｌＮの堆積を開始することにより、下部電極上に結晶性が良く、かつ、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を製造する方法を提供することである。
本研究のさらに別の従たる目的は、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を成長させる方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、下部電極上に極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を、短時間かつ容易に、更に安価な下部電極を用いて製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明にかかる極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜の製造方法は、下部電極としてのＡｌ層上に形成されるＡｌＮ薄膜において、Ａｌ層を堆積中に、矩形的に窒素の導入を始めることにより成膜を中断することなく、ＡｌＮ薄膜の堆積を開始させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】  本発明によれば、下部電極であるＡｌ層上に、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を安定的に製造できる。また、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を、短時間かつ容易に製造できる。更には、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を、成長させることができる。加えて、Ａｌという安価な下部電極であっても、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を製造できる。【００２０】  本発明の上述の目的、その他の目的、特徴および効果は、以降に示す実施例から具体的に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明と本発明の応用形態とにより、基板上に、ＡｌＮ層と、Ａｌ層と、ＡｌＮ層とを順に堆積させた時の成膜手順である。
【図２】図１の成膜手順により製造された試料について、透過型電子顕微鏡により断面を観察した結果である。
【図３】図１の成膜手順により製造された試料中のＡｌ層上に形成されたＡｌＮ薄膜について、ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦにより断面を観察した結果である。
【図４】図１の成膜手順により製造された試料の断面模式図である。矢印は、ＡｌＮ結晶粒の＋ｃ方向を指している。
【図５】本発明と本発明の応用形態と特許文献１に記載の成膜法を用い、同一多層薄膜中に、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とＮ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とを成長させたときの試料模式図である。矢印は、ＡｌＮ結晶粒の＋ｃ方向を指している。
【図６】図５の多層薄膜を用いることにより、従来の１／２の電圧であっても同じ変形量を得ることができることを示している回路図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２２】  本発明と本発明の応用形態とにより、基板上にバッファー層としてのＡｌＮ薄膜を形成し、前記ＡｌＮ薄膜上に下部電極としてのＡｌ層を形成し、更に、前記Ａｌ層上に圧電薄膜としての極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を形成した時の成膜手順を図１に示す。図中のｔ２において、本発明が適用されている。また、図中のｔ１では、本発明の応用形態として、ＡｌＮ堆積中に、窒素の導入を矩形的に取りやめることにより、成膜を中断することなく、次のＡｌ層の堆積を開始している。【００２３】  そのようにして製造した多層薄膜の断面を、透過型電子顕微鏡により観察した結果を図２に示す。また、Ａｌ層上のＡｌＮ薄膜におけるＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ観察結果を図３に示す。【００２４】  図２からわかるように、窒素の導入を矩形的に開始したり、取りやめたりするだけであっても、それに対応した構造の多層薄膜が作製できているとわかる。そして、図３より、Ａｌ層上のＡｌＮ薄膜は、Ｃ軸配向性を示し、かつ、極性をＡｌ極性に揃えていると判明した。なお、製造した薄膜のどの面内位置であっても、同じ配向性、並びに、同じ極性であった。また、Ａｌ層は（１１１）配向していた。更に、Ａｌ層上のＡｌＮは、アモルファスを形成することなく堆積していた。これらをまとめると、図４の通りであり、ＡｌＮ結晶の＋ｃ方向を矢印により記している。【００２５】  よって、図１のように、窒素ガスの導入を矩形的に開始することにより、成膜を中断することなく、Ａｌ層上にＡｌＮの堆積を開始させることが可能であり、そのようにして製造したＡｌＮ薄膜は、極性をＡｌ極性に揃えているＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜である。なお、本実施例では、窒素ガス導入量と共に、Ａｒガス導入量も変化させているが、これは、スパッタリングガス圧を一定に保つためであって、本発明の本質ではない。
【実施例２】
【００２６】  本発明と本発明の応用形態と特許文献１に記載の製造方法とを組み合わせることにより、図５のように、同一多層薄膜中に、Ａｌ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とＮ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜とを形成することができる。このことは、実際に、ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ像からも確認されている。そして、そのような薄膜は、図６のように電場をかけることにより、従来の１／２の電圧であっても、同じ変形量を得ることができる。なお、本実施例では、特許文献１に記載の製造方法を用いたが、Ｎ極性のＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜は比較的容易に得られることが知られているので、必ずしも、特許文献１に記載の製造方法を用いる必要はない。
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】  特開２０１１−１１７０５９号広報
【産業上の利用可能性】
【００２８】  本発明によれば、金属電極上に、極性の揃ったＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜を、アモルファス層を経ずに形成できるので、数１００ＧＨｚ帯の圧電薄膜共振器（その際、ＡｌＮ層厚みは数１０ｎｍとなる）も作製可能である。
【符号の説明】
【００２９】１０  極性をＡｌ極性に揃えているＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜
２１  基板
２２  バッファー層としてのＡｌＮ薄膜
２３  下部電極としての（１１１）配向したＡｌ層
２４  （１１１）配向したＰｔ層
２５  極性をＮ極性に揃えているＣ軸配向性ＡｌＮ薄膜
２６  上部電極
３１  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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