JP2012227415A - 圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体の構成金属の拡散による特性低下を回避するとともに、圧電体の形成時の膜のはがれを回避し、さらに、圧電体の結晶性および平坦性を向上させる圧電デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電デバイス１の基板１１上には、電極層２３を含む下地層１３を介して、圧電体１４が形成される。下地層１３は、第１の層２１と、第２の層２２とを含んでいる。第１の層２１は、金属酸化物または金属窒化物からなる。第２の層２２は、第１の層２１の金属酸化物の構成金属と同じ金属、または金属窒化物の構成金属と同じ金属からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に下地層を介して圧電体を形成した圧電デバイスと、その圧電デバイスの製造方法とに関するものである。

従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として圧電体が用いられている。中でも、ＰＺＴは、圧電定数、キュリー温度、結合係数が高く、圧電体として優れており、また、残留分極、抗電界特性が良好で、メモリとしても優れている。

一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッドをはじめとする種々の装置を実現することができる。

ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、（１）成膜やフォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現することができる、（２）大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる、などの利点が得られることによる。圧電体をメモリとして用いる場合も、上記の同様の理由で、圧電体を薄膜化することが望ましい。

圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。圧電体とＳｉとは、結晶の格子定数が異なるため、図９に示すように、Ｓｉ基板上に成膜された圧電体は、複数の結晶が柱状に寄り集まった多結晶状態となる。

一方、圧電体をＳｉ基板上に形成する際には、圧電体を駆動するための電圧が印加される電極の機能を備えた下地層を形成しておく必要がある。この下地層は、圧電体の結晶成長の際の基板との界面になるため、圧電体の特性に与える影響が大きい。そこで、下地層には、以下の特性が求められる。

第１に、下地層の電気抵抗が低いことである。これは、下地層は電極の機能を有しているため、電流を流れやすくして圧電体の駆動を良好に行うためである。第２に、下地層の格子定数が圧電体の格子定数に近いことである。これは、下地層と圧電体とで格子定数が離れすぎると、圧電体が下地層の上に結晶性よく成長しないからである。第３に、下地層の耐熱性が高いことである。これは、下地層の上に成膜される圧電体の成膜温度（例えば６００℃）を考慮したことによる。つまり、圧電体の成膜時の高温に耐えられる材料で下地層を形成しておく必要がある。第４に、下地層が基板または圧電体と反応性が低いことである。これは、下地層が基板や圧電体と反応して何らかの生成物が生じることにより、圧電体の圧電特性が低下するのを回避するためである。

以上の点を考慮すると、圧電体として例えばＰＺＴを用いる場合、ＰＺＴの下地層の電極材料としては、例えばＰｔが好適である。Ｐｔは、自己配向性が強く、絶縁膜としてのＳｉＯ_２のようなアモルファスの上に成膜しても、（１１１）方位に結晶性よく配向し、また、ＰＺＴと格子定数も近く、上記した第１〜第４の特性を備えているからである。

この点、例えば、特許文献１の圧電デバイスでは、図１０に示すように、Ｓｉからなる基板１０１上に、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１０２、Ｔｉからなる密着層１０３、Ｐｔからなる電極層１０４、ＰＺＴからなる圧電体１０５をこの順で形成している。つまり、ＰＺＴの下地層の電極材料として、Ｐｔを用いている。ただし、Ｐｔは、ＳｉＯ_２との密着性が低いため、ＰｔとＳｉＯ_２との間にＴｉの金属層（密着層１０３）を形成することで、両者の密着性を高めている。なお、図１０では、説明の理解がしやすいように、部材番号の層を構成する材料を、部材番号の後に括弧書きで示している。他の図面においても、必要に応じて同様の表記を行う。

ところが、Ｐｔは、配向性が強く、柱状に結晶が成長するため、その粒界に沿って元素が拡散する。この例では、図１０に示すように、ＰＺＴを構成するＰｂが、Ｐｔの粒界に沿ってＳｉ基板側に拡散する。この結果、ＰＺＴの圧電特性が低下する。

そこで、例えば特許文献２では、図１１に示すように、Ｓｉからなる基板２０１上にＳｉＯ_２層２０２を形成した後、このＳｉＯ_２層２０２の上に、ＴｉＯｘ層２０３、Ｐｔ層２０４、ＰＺＴ２０５をこの順で形成している。この構成では、ＰＺＴ２０５のＰｂの基板２０１側への拡散を、基板２０１とＰＺＴ２０５との間にＴｉＯｘ層２０３を形成することによって抑制している。

一方、非特許文献１には、ＴｉＯｘ層を形成するにあたり、Ｔｉの上にＰｔを成膜した後、このＴｉ／Ｐｔの層を酸素中で加熱することによってＴｉＯｘ層を形成すると、Ｐｔ層の表面粗さが大きくなることが開示されている。その理由は、以下のように考えることができる。

図１２に示すように、Ｓｉからなる基板３０１上に、ＳｉＯ_２層３０２、Ｔｉ層３０３’、Ｐｔ層３０４をこの順で積層した後、この基板を酸素雰囲気中で熱処理してＴｉＯｘ層３０３を形成すると、上記の熱処理によって、Ｔｉ層３０３’のＴｉがＰｔ層３０４に拡散し、Ｐｔ層３０４の表面にＴｉＯｘの突起３０４ａが形成される。この突起３０４ａにより、Ｐｔ層３０４の表面粗さが大きくなるものと考えられる。

Ｐｔ層３０４の表面粗さが大きくなると、Ｐｔ層３０４の上に圧電体として例えばＰＺＴ３０５を成膜する際に、Ｐｔ層３０４上にＰＺＴ３０５を結晶性よく成長することができず、ＰＺＴ３０５の表面の平坦性も損なわれる。このように、ＰＺＴ３０５の結晶性および平坦性が低下すると、ＰＺＴ３０５の良好な特性を得ることができなくなる。

そこで、非特許文献１では、Ｐｔ層の成膜前に、Ｔｉを酸化してＴｉＯｘ層を形成している。このように先にＴｉＯｘ層を形成した後にＰｔ層を形成することにより、上記したような熱処理によるＴｉのＰｔ層への拡散がなくなる。これにより、Ｐｔ層の結晶性がＴｉによって変化するということがなく、Ｐｔ層の結晶性が向上する。また、Ｐｔ層の表面にＴｉの拡散による突起が形成されることもないので、Ｐｔ層の表面の平坦性も向上する。その結果、Ｐｔ層の上に成膜されるＰＺＴの結晶性および平坦性を向上させることが可能となり、ＰＺＴの良好な特性を得ることが可能になる。

特開平１０−２５１０２２号公報（段落〔００１６〕参照） 特開平９−２２８２９号公報（段落〔０００５〕、〔００２３〕、〔００３５〕、〔００３６〕参照）

Soon Yong Kweon, et al, "Platinum Hillocks in Pt/Ti Film Stacks Deposited on Thermally Oxidized Si Substrate", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 40 (2001) pp. 5850-5855, Part 1, No. 10, October 2001

ところが、特許文献２および非特許文献１のように、ＴｉＯｘを形成後にＰｔを積層する構成では、ＴｉＯｘとＰｔとの密着性が低いため、高温でＰＺＴを形成するときに、ＴｉＯｘとＰｔとの界面で膜がはがれるという問題が生ずる。例えば特許文献２の構成では、図１３に示すように、ＴｉＯｘ層２０３とＰｔ層２０４との界面で膜がはがれる。

なお、このような膜のはがれの問題は、例えば金属酸化物を電極として、この金属酸化物上に圧電体を形成する場合でも同様に起こり得る。つまり、金属酸化物と圧電体との密着性が低いため、高温で圧電体を形成するときに、金属酸化物と圧電体との界面で膜がはがれる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電体の構成金属の拡散による特性の低下を回避できるとともに、圧電体形成時の膜のはがれを回避でき、さらに、圧電体の結晶性および平坦性を向上させることができる圧電デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の圧電デバイスは、基板上に、電極層を含む下地層を介して、圧電体を形成した圧電デバイスであって、前記下地層は、第１の層と、第２の層とを含んでおり、前記第１の層は、金属酸化物または金属窒化物からなり、前記第２の層は、前記第１の層の前記金属酸化物の構成金属と同じ金属、または前記金属窒化物の構成金属と同じ金属からなることを特徴としている。

上記の構成によれば、基板と圧電体（例えばＰＺＴ）との間の形成される下地層に、金属酸化物（例えばＴｉＯ_２）または金属窒化物（例えばＴｉＮ）からなる第１の層が含まれているので、圧電体の構成金属（例えばＰｂ）が基板側に拡散するのを第１の層で抑えることができる。つまり、第１の層を拡散バリア層として機能させることができ、圧電体の構成金属の拡散による特性の低下を回避することができる。

また、下地層は、第２の層を含んでいる。この第２の層は、第１の層の金属酸化物または金属窒化物の構成金属と同じ金属（例えばＴｉ）で形成されている。これにより、電極層と第１の層との密着性、または第１の層と圧電体との密着性を高めることができ、圧電体の高温形成時における膜のはがれを回避することができる。

また、下地層が第１の層と第２の層とを有していることにより、例えば、第１の層、第２の層および電極層をこの順で積層した構成、あるいは、第１の層および第２の層をこの順で積層し、かつ、第１の層に電極層の機能を持たせた構成を実現することができる。

前者の構成では、第１の層、第２の層、電極層を順に形成することにより、電極層の形成後に第１の層を形成するための熱処理を不要とすることができる。このため、第１の層と電極層との間に第２の層を設ける構成であっても、第２の層の構成金属（例えばＴｉ）が上記の熱処理によって電極層に拡散することがなく、それゆえ、電極層の表面に突起物（例えば第２の層の構成金属の酸化物）が形成されることもない。したがって、電極層の表面を平坦化して、電極層の上に形成される圧電体の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体の良好な特性を実現することができる。

また、後者の構成でも、例えば第１の層（電極層）の表面を還元する、または第１の層の上に第２の層を、厚さを制御しながら成膜することにより、第１の層の上に第２の層を結晶性よく均一な厚さで形成することができる。これにより、第２の層の上に形成される圧電体の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体の良好な特性を実現することができる。

本発明の圧電デバイスにおいて、前記第２の層は、前記第１の層の表面を還元することによって形成されていてもよい。

第１の層の表面を還元することにより、薄く、均一な厚さで第２の層を形成することができる。第２の層が薄いと、第２の層の構成金属の量自体が少ないため、仮に圧電体の形成時に第２の層の構成金属が電極層に拡散したとしても、電極層の表面に突起物が現れることがない。したがって、第２の層が薄いことと、均一な厚さで形成されることとから、電極層の表面を確実に平坦化することができ、その上に形成される圧電体の結晶性および平坦性を確実に向上させることができる。

本発明の圧電デバイスにおいて、前記第２の層は、前記第１の層の構成金属と同じ金属からなる層を、前記第１の層の表面に成膜することによって形成されていてもよい。

第１の層の表面に第２の層を成膜によって形成する場合でも、例えば成膜時に第２の層の厚さを制御することで、結晶性および平坦性の良好な第２の層を形成することができ、これによって、第２の層の上に、結晶性および平坦性の良好な電極層または圧電体を形成することができる。

本発明の圧電デバイスにおいて、前記第１の層は、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物で構成されていてもよい。

第１の層が、上記したいずれかの金属酸化物で構成されていれば、第１の層を拡散バリア層として確実に機能させることができるとともに、第１の層の金属酸化物の還元、または上記金属酸化物の構成金属の成膜によって、第２の層を容易に形成することができる。

本発明の圧電デバイスにおいて、前記第１の層、前記第２の層および前記電極層は、前記基板上にこの順で積層されていてもよい。

この場合、第１の層、第２の層、電極層が基板上に順に積層された構成において、上述した本発明の効果を得ることができる。

本発明の圧電デバイスにおいて、前記第１の層は、前記電極層を兼ねていてもよい。

この場合、第１の層が電極層を兼ねた構成において、上述した本発明の効果を得ることができる。

また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、以下のように表現することができ、これによって、上記と同様の作用効果を奏する。

本発明の圧電デバイスの製造方法は、基板上に、電極層を含む下地層を形成する下地層形成工程と、前記下地層の上に圧電体を形成する圧電体形成工程とを含む圧電デバイスの製造方法であって、前記下地層形成工程は、基板上に、金属酸化物または金属窒化物からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層の上に、前記第１の層の前記金属酸化物の構成金属と同じ金属、または前記金属窒化物の構成金属と同じ金属からなる第２の層を形成する工程とを含んでいることを特徴としている。

本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記第２の層を形成する工程では、前記第１の層の表面を還元することによって、前記第２の層を形成してもよい。

本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記第２の層を形成する工程では、前記第１の層の構成金属と同じ金属からなる層を、前記第１の層の表面に成膜することによって、前記第２の層を形成してもよい。

本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記第１の層を形成する工程では、前記第１の層として、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物からなる層を形成してもよい。

本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記下地層形成工程は、前記第２の層の上に前記電極層を形成する工程をさらに含んでおり、前記第１の層を形成する工程、前記第２の層を形成する工程、前記電極層を形成する工程は、この順で行われてもよい。

本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記第１の層は、前記電極層を兼ねており、前記第１の層を形成する工程、前記第２の層を形成する工程は、この順で行われてもよい。

本発明によれば、基板と圧電体との間の下地層に第１の層が含まれているので、圧電体の構成金属が電極層を介して基板側に拡散するのを第１の層で抑えることができ、上記拡散による圧電体の特性の低下を回避することができる。また、下地層の第２の層により、電極層と第１の層との密着性、または第１の層と圧電体との密着性を高めることができ、圧電体の高温形成時における膜のはがれを回避することができる。

また、拡散バリア層としての第１の層の上に、第２の層および電極層が順に形成される構成では、電極層の形成後に拡散バリア層を形成するための熱処理が不要なので、第２の層の構成金属が上記の熱処理によって電極層に拡散するといったことがなく、これによって電極層の表面に突起物が形成されることもない。したがって、電極層の表面を平坦化して、電極層の上に形成される圧電体の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体の良好な特性を実現することができる。また、第１の層が電極層を兼ねる構成では、第１の層（電極層）の上に第２の層を結晶性よく均一な厚さで形成することにより、第２の層の上に形成される圧電体の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体の良好な特性を実現することができる。

本発明の実施の一形態に係る圧電デバイスの概略の構成を示す断面図である。 上記圧電デバイスの圧電体を構成するＰＺＴの結晶構造を模式的に示す説明図である。 上記圧電デバイスの製造時に用いる還元装置の概略の構成を示す断面図である。 上記圧電デバイスの製造時の流れを、各製造工程での断面図とともに示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は、層が成膜によって形成される過程を模式的に示す説明図である。 上記圧電デバイスの他の構成を示す断面図である。 上記圧電デバイスの応用例の構成を示す平面図である。 図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 圧電体の結晶状態を示す説明図である。 従来の圧電デバイスの構成を示す断面図である。 従来の圧電デバイスの他の構成を示す断面図である。 従来の圧電デバイスのさらに他の構成を示す断面図である。 図１１の圧電デバイスにおける膜のはがれを示す断面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（圧電デバイスについて）
図１は、本実施形態の圧電デバイス１の概略の構成を示す断面図である。この圧電デバイス１は、基板１１上に、熱酸化膜１２と、下地層１３と、圧電体１４と、上部電極１５とをこの順で形成して構成されている。なお、以下での説明の理解がしやすいように、部材番号の後に、その部材番号の層を構成する材料の一例を括弧書きで示している。

基板１１は、例えば単結晶Ｓｉ単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜１２は、例えばＳｉＯ_２からなり、基板１１の保護および絶縁の目的で設けられている。

圧電体１４は、圧電材料の一種であるＰＺＴで構成されている。ここで、図２は、ＰＺＴの結晶構造を模式的に示している。同図で示した結晶構造は、ペロブスカイト型構造と呼ばれる。ペロブスカイト型構造とは、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１-ｘ）Ｏ_３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造である。圧電体は、結晶構造がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。したがって、本実施形態の圧電デバイス１において、圧電体１４をＰＺＴ、すなわち、ペロブスカイト型構造の金属酸化物で構成することにより、良好な圧電効果を得ることができる。

なお、圧電効果とは、応力を加えることによって分極（および電圧）が生じたり、逆に電圧を印加することで応力および変形が生じる圧電体の性質を言うが、圧電体１４は、このような圧電効果のほかに、焦電効果を発揮する焦電体で構成されてもよいし、メモリ性を有する強誘電体で構成されてもよい。

なお、焦電体とは、圧電体のうち、外から電界を与えなくても自発的な分極を有しているものを言い、微小な温度変化に応じて誘電分極（およびそれによる起電力）が生じる性質を持つ。圧電体１４が焦電体で構成された場合は、圧電デバイス１を赤外線センサとして利用することができる。

上部電極１５は、Ｔｉ層１５ａとＡｕ層１５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層１５ａは、圧電体１４とＡｕ層１５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。

下地層１３は、第１の層２１と、第２の層２２と、電極層２３とをこの順で積層して構成されている。電極層２３は、圧電体１４の下部電極として機能する層であり、例えばＰｔで形成されている。

第１の層２１は、金属酸化物または金属窒化物からなっている。上記の金属酸化物としては、例えば、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかを考えることができる。なお、化学式中のｘは、金属元素に対する酸素の組成比を示す。また、上記の金属窒化物としては、例えばＴｉＮを考えることができる。

第２の層２２は、第１の層２１の金属酸化物の構成金属と同じ金属、または第１の層２１の金属窒化物の構成金属と同じ金属からなる。例えば、第１の層２１がＴｉＯｘやＴｉＮで構成される場合、第２の層２２は、Ｔｉで構成されることになる。このような第２の層２２は、第１の層２１の表面を還元することによって形成することもできるし、第１の層２１の構成金属と同じ金属からなる層を、第１の層２１の表面に成膜することによっても形成することができる。

ここで、還元とは、狭義には、酸素を失う化学反応のことを指すが、広義には、対象とする物質が電子を受け取る化学反応のことを指す。したがって、ＴｉＯｘやＴｉＮがＴｉとなる化学反応は、いずれもＴｉの陽イオンが電子を受け取ってＴｉ原子となる化学反応であるため、還元反応となる。

（還元装置について）
次に、第１の層２１の表面を還元して第２の層２２を形成する際に用いる還元装置について説明する。

図３は、還元装置６０の概略の構成を示す断面図である。還元装置６０は、処理室３１と、加熱室４１と、隔離板５１とを有している。処理室３１と加熱室４１とは、隔離板５１によって隔離されている。処理室３１には、加熱対象となる被加熱体３２が収容され、加熱室４１には、被加熱体３２を加熱するためのヒータランプ４２が設けられている。また、処理室３１には、気体（例えば水素）の導入口３３および排気口３４が設けられており、加熱室４１には、気体（例えば窒素）の導入口４３および排気口４４が設けられている。

この構成において、処理室３１に被加熱体３２を収容し、処理室３１内に導入口３３から水素を導入した状態で、加熱室４１のヒータランプ４２をオンすると、被加熱体３２は、ヒータランプ４２の輻射線により、隔離板５１を介して輻射加熱され、処理室３１内の水素で還元される。したがって、被加熱体３２を、第１の層２１を形成した基板１１に置き換えて処理室３１内に収容し、第１の層２１の表面を水素で還元することにより、第１の層２１の表面に、第１の層２１の金属酸化物の構成金属と同じ金属からなる第２の層２２を形成することができる。

（圧電デバイスの製造方法について）
次に、上記構成の圧電デバイス１の製造方法について説明する。図４は、圧電デバイス１の製造時の流れを、各製造工程での断面図とともに示している。なお、半導体の製造に使用される基板の厚さは、国際規格（ＳＥＭＩ）でサイズ（直径）ごとに定められているため、上記基板を基板１１として用いる場合は、デバイスで必要となる厚さ（例えば４００〜６００μｍ程度）に予め研磨しておいてもよい。

まず、Ｓｉからなる基板１１を、加熱炉で１０００〜１３００℃程度に加熱し、基板１１上に、例えば厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２からなる熱酸化膜１２を形成する（Ｓ１）。なお、熱酸化膜１２の厚さは特に限定されず、デバイスに必要な厚さに調節されればよい。

続いて、熱酸化膜１２上に、Ｔｉをスパッタ法で成膜し、Ｔｉ層２１’を形成する（Ｓ２）。このとき、Ｔｉ層２１’の成膜温度は例えば３００〜６００℃であり、厚さは例えば１０〜５０ｎｍ程度である。なお、Ｔｉ層２１’の厚さが薄すぎると、その後Ｔｉ層２１’を加熱して形成される第１の層２１によって、圧電体１４のＰｂの拡散を有効に防止することができず、また、厚すぎても利点はない。このことを考慮すると、Ｔｉ層２１’の厚さは、２０〜３０ｎｍが好ましい。なお、Ｔｉ層２１’の代わりに、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ａｌのいずれかの層を熱酸化膜１２上に形成してもよい。

次に、酸素加熱炉で４００〜８００℃程度にＴｉ層２１’を加熱して、基板１１上にＴｉＯｘの金属酸化物からなる第１の層２１を形成する（Ｓ３）。なお、Ｓ２の工程を省略して（基板１１上にＴｉ層２１’を形成せずに）、ＴｉＯｘをスパッタ法または蒸着法によって直接成膜することで、金属酸化物からなる第１の層２１を形成してもよい。また、ＴｉＯｘの代わりにＴｉＮなどの金属窒化物を成膜し、これを第１の層２１としてもよい。さらに、Ｓ２にて、Ｔｉ層２１’の代わりに、上記したいずれかの金属からなる層を形成した場合は、この層を酸化することにより、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物を形成し、これを第１の層２１としてもよい。

その後、上述した還元装置６０を用い、水素雰囲気下で７００〜１０００度程度に加熱して、第１の層２１の表面を還元し、Ｔｉからなる第２の層２２を形成する（Ｓ４）。つまり、このＳ４では、第１の層２１の上に、第１の層２１の金属酸化物（例えばＴｉＯｘ）の構成金属と同じ金属（例えばＴｉ）からなる第２の層２２が形成される。なお、第１の層２１を金属窒化物（例えばＴｉＮ）で構成した場合は、第１の層２１の表面を還元することにより、第１の層２１の金属窒化物の構成金属と同じ金属（例えばＴｉ）からなる第２の層２２が形成される。

ここで、第２の層２２の膜厚が薄いと、第１の層２１と後述する電極層２３との密着性が不足し、膜厚が厚いと、電極層２３の表面にＴｉＯｘが露出して、電極層２３および圧電体１４の結晶性を低下させる。以上のことを考慮すると、第２の層２２の膜厚は、例えば１〜５ｎｍであることが望ましい。

なお、第１の層２１の表面を還元するにあたって、高温の水素ガスを第１の層２１の表面に吹き付けたり、低圧の反応槽内でプラズマを援用することにより、第１の層２１の表面を還元するようにしてもよい。また、水素の代わりに、アンモニア（ＮＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、５フッ化ジボラン（Ｂ_２ＨＦ_５）などの水素化合物を用いて、第１の層２１の表面を還元してもよい。

次に、第２の層２２の上に、Ｐｔをスパッタ法で成膜して電極層２３を形成する（Ｓ５）。なお。このときの成膜温度は、例えば４００〜８００℃であり、膜厚は例えば１００〜３００ｎｍである。なお、電極層２３は、上記のＰｔの代わりに、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｏｓなどで構成されてもよい。以上のＳ２〜Ｓ５の工程が、下地層１３を形成する工程に相当する。

続いて、電極層２３の上に、ＰＺＴをスパッタ法で成膜して圧電体１４を形成する（Ｓ６；圧電体形成工程）。このとき、ＰＺＴの成膜温度が低いと、ＰＺＴの結晶性が低下し、成膜温度が高いと、Ｐｂが揮発して組成が変動するおそれがあるため、ＰＺＴの成膜温度は６００℃程度であることが望ましい。また、圧電体１４の厚さは、例えば１００〜５０００ｎｍであるが、デバイスに必要になる厚さに調節されればよい。

なお、圧電体１４としてのＰＺＴは、ゾルゲル法やＣＶＤ法などの他の製造方法で作製されてもよい。また、ＰＺＴは、添加物を含んだＰＮＺＴ（チタン酸ジルコン酸ニオブ鉛）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＳＺＴ（チタン酸ジルコン酸ストロンチウム鉛）などであってもよく、さらには、リラクサ材料と呼ばれるＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛固溶体）などであってもよい。また、圧電体１４は、Ｐｂ以外の金属を含んだＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）やＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウムビスマス）などであってもよい。

その後、圧電体１４上に、上部電極１５を形成する（Ｓ７）。より具体的には、圧電体１４上に、Ｔｉをスパッタ法で成膜してＴｉ層１５ａを形成する。Ｔｉ層１５ａの成膜温度は、例えば３００〜６００℃であり、膜厚は例えば１０〜５０ｎｍである。そして、このＴｉ層１５ａ上に、Ａｕをスパッタ法で成膜してＡｕ層１５ｂを形成する。このときの
Ａｕ層１５ｂの成膜温度は例えば６００℃であり、膜厚は例えば１００〜３００ｎｍである。このようにして、Ｔｉ層１５ａとＡｕ層１５ｂとからなる上部電極１５が形成され、圧電デバイス１が完成する。

なお、Ａｕ層１５ｂの代わりに、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｏｓなどからなる金属層を形成して、上部電極１５を形成してもよい。また、上部電極１５の厚さは、デバイスに必要な厚さに調節されればよい。

ところで、第１の層２１の上に第２の層２２を形成するにあたり、第２の層２２を成膜によって直接形成してもよい点は、上述した通りである。このときの第２の層２２の成膜方法としては、一般的な気相成長法を用いることができるが、蒸着やスパッタなどの物理的方法、ＣＶＤなどの化学的方法のいずれにおいても、以下の工程（Ｓ４１〜Ｓ４４）を経る。

すなわち、図５（ａ）に示すように、基板７１上にいくつかの原子７２（例えばＴｉ原子）が付着する（Ｓ４１）。そして、図５（ｂ）に示すように、原子７２・７２同士が集合して島７３を形成する（Ｓ４２）。続いて、図５（ｃ）に示すように、島７３が成長して初期核７４を形成する（Ｓ４３）。その後、図５（ｄ）に示すように、初期核７４が成長して層７５（第２の層２２に相当）が形成される（Ｓ４４）。

ここで、Ｓ４２およびＳ４３の状態では、基板７１上に複数の島７３や初期核７４が存在するのみで、均一な厚さの層にはならない。また、初期核７４・７４同士は、配向性が異なるため、Ｓ４２、Ｓ４３およびＳ４４の初期では、層７５（Ｔｉ層）の結晶性が良好にはならない。しかし、これらの点については、Ｔｉ層の厚みを増大させることで解決することができる。つまり、Ｓ４４にて、層７５の厚さを、第１の層２１の還元によって形成される第２の層２２の厚さよりも増大させることで、層７５を構成するＴｉの結晶性を良好にすることができるとともに、層７５の厚さを均一にして表面を平坦化することができる。

（効果）
以上のように、本実施形態の圧電デバイス１およびその製造方法によれば、基板１１と圧電体１４との間に形成される下地層１３に、金属酸化物または金属窒化物からなる第１の層２１が含まれている。これにより、圧電体１４の構成金属（例えばＰｂ）が基板１１側に拡散するのを第１の層２１で抑えることができ、上記構成金属の拡散による圧電体１４の特性低下を回避することができる。

また、下地層１３は、第１の層２１の金属酸化物または金属窒化物の構成金属と同じ金属からなる第２の層２２を含んでいる。これにより、電極層２３と第１の層２１との密着性を高めることができ、電極層２３上に圧電体１４を高温で形成する際に、電極層２３と第１の層２１とがはがれてしまうのを回避することができる。

また、本実施形態では、電極層２３の形成後に、拡散バリア層としての第１の層２１を形成するための熱処理は一切行っていない。このため、第１の層２１と電極層２３との間に第２の層２２を設ける構成であっても、その第２の層２２の構成金属（例えばＴｉ）が上記の熱処理によって電極層２３に拡散するということがなく、それゆえ、電極層２３の表面に突起物（例えば第２の層２２の構成金属の酸化物）が形成されることもない。したがって、結晶性の良好な第２の層２２を形成して、その上に形成される電極層２３の結晶性および平坦性を良好にすることができる。これにより、電極層２３の上に形成される圧電体１４の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体１４の良好な特性を実現することができる。

ちなみに、本実施形態の圧電デバイス１において、第２の層２２を構成するＴｉの結晶性を、Ｘ線回折装置を用いて調べたところ、ロッキングカーブの半値幅で５度以下を実現できていることがわかった。なお、ロッキングカーブとは、回折条件の変化に対する強度分布を示す曲線のことであり、一般に、結晶が完全であるほど、曲線の半値幅は狭くなる。

つまり、本実施形態の圧電デバイス１では、ＰＺＴの下地層１３として、上述した第１〜第４の特性のほかに、さらに以下の第５〜第７の特性を持たせた下地層１３を実現することができる。すなわち、下地層１３において、圧電体１４を構成する金属の基板１１側への拡散を抑える拡散バリア性が高い特性（第５の特性）、下地層１３の結晶性および平坦性が高い特性（第６の特性）、下地層１３を構成する層同士の密着性が高い特性（第７の特性）を備えた下地層１３を実現することができる。

また、第１の層２１の表面を還元して第２の層２２を形成することにより、薄くて均一な厚さで第２の層２２を形成することができる。第２の層２２が薄いと、第２の層２２の構成金属（例えばＴｉ）の量自体が少ないため、仮に圧電体１４の形成時に第２の層２２のＴｉが電極層２３に拡散したとしても、電極層２３の表面に突起物（例えばＴｉＯｘ）が現れることがない。したがって、第２の層２２が薄いことと、均一な厚さで形成されることとから、電極層２３の表面を確実に平坦化することができ、その上に形成される圧電体１４の結晶性および平坦性を確実に向上させることができる。

また、第１の層２１の表面に第２の層２２を成膜によって形成する場合でも、成膜時に第２の層２２の厚さを制御することで、結晶性および平坦性の良好な第２の層２２を形成することができる。したがって、第２の層２２の上に形成される電極層２３および圧電体１４の結晶性および平坦性も向上させることができる。

また、第１の層２１は、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物で構成されているので、第１の層２１を拡散バリア層として確実に機能させることができる。また、第１の層２１の表面の還元、または第１の層２１上への成膜により、第１の層２１の構成金属と同じ金属からなる第２の層２２を容易に形成することができる。

また、第１の層２１、第２の層２２および電極層２３は、基板１１上にこの順で積層されているので、このような積層構造の圧電デバイス１において、上述した効果を得ることができる。

（圧電デバイスの他の構成例）
図６は、本実施形態の圧電デバイス１の他の構成を示す断面図である。図６に示した圧電デバイス１は、図１の圧電デバイス１において、下地層１３を下地層８０に置き換えたものである。下地層８０は、金属層８１と、第１の層８２と、第２の層８３とで構成されている。金属層８１、第１の層８２および第２の層８３は、この順で形成される。

第１の層８２は、例えばＩｒＯ_２のような導電性の金属酸化物で構成された層であり、拡散バリア層としての機能のみならず、下部電極（電極層）としての機能も有している。金属層８１は、例えばＴｉで構成されており、第１の層８２と熱酸化膜１２との密着性を向上させるための密着層として機能している。第２の層８３は、第１の層８２の構成金属と同じ金属（例えばＩｒ）で構成された層であり、第１の層８２と圧電体１４との密着性を向上させるための密着層として機能している。第２の層８３は、第１の層８２の表面を還元することによって形成されてもよいし、第１の層８２の上に成膜によって形成されてもよい。

このように、第１の層８２を電極層として用いる構成であっても、第１の層８２の構成金属と同じ金属からなる第２の層８３をその上に形成することにより、第１の層８２および第２の層８３を、上述した第１の層２１および第２の層２２と同じように機能させることができる。これにより、以下の効果を得ることができる。

すなわち、Ｐｂの拡散による圧電体１４の特性低下を回避することができるとともに、第１の層８２と圧電体１４との界面での膜のはがれを回避することができる。また、第１の層８２の表面を還元することによって第２の層８３を薄く均一に形成する、または、第１の層８２の上に、第２の層８３を厚さを制御しながら成膜することで、第１の層８２の上に第２の層８３を結晶性よく均一な厚さで形成することができる。これにより、第２の層８３の上に形成される圧電体１４の結晶性および平坦性を向上させることができ、圧電体１４の良好な特性を実現することができる。

（圧電デバイスの応用例について）
図７は、本実施形態で作製した圧電デバイス１をダイヤフラム（振動板）に応用したときの構成を示す平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電体１４は、基板１１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。基板１１において圧電体１４の形成領域に対応する領域は、厚さ方向の一部が断面円形で除去された凹部１１ａとなっており、基板１１における凹部１１ａの上部（凹部１１ａの底部側）には、薄い板状の領域１１ｂが残っている。電極層（例えば電極層２３）を含む下地層１３、および上部電極１５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。

制御回路から、所定の圧電体１４を挟む下地層１３（電極層）および上部電極１５に電気信号を印加することにより、所定の圧電体１４のみを駆動することができる。つまり、圧電体１４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電体１４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電体１４および基板１１の領域１１ｂが上下に湾曲する。したがって、基板１１の凹部１１ａに気体や液体を充填すると、圧電デバイス１をポンプとして用いることができ、例えばインクジェットヘッドに好適となる。

また、所定の圧電体１４の電荷量を下地層１３（電極層）および上部電極１５を介して検出することにより、圧電体１４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電体１４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電デバイス１をセンサ（超音波センサ）として用いることもできる。さらに、圧電体１４が焦電効果を発揮するものであれば、圧電デバイス１を焦電センサ（赤外線センサ）として利用することもできる。

その他、圧電体１４の圧電効果を利用することで、圧電デバイス１を周波数フィルタ（表面弾性波フィルタ）として利用することもでき、圧電体１４を強誘電体で構成すれば、圧電デバイス１を不揮発性メモリとして利用することもできる。

本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタ、不揮発性メモリなどの種々のデバイスに利用可能であり、特に、小型化、薄型化が要求されるデバイスに利用可能である。

１ 圧電デバイス
１１ 基板
１３ 下地層
１４ 圧電体
２１ 第１の層
２２ 第２の層
２３ 電極層
８０ 下地層
８２ 第１の層
８３ 第２の層

Claims (12)

1. 基板上に、電極層を含む下地層を介して、圧電体を形成した圧電デバイスであって、
   前記下地層は、第１の層と、第２の層とを含んでおり、
   前記第１の層は、金属酸化物または金属窒化物からなり、
   前記第２の層は、前記第１の層の前記金属酸化物の構成金属と同じ金属、または前記金属窒化物の構成金属と同じ金属からなることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記第２の層は、前記第１の層の表面を還元することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記第２の層は、前記第１の層の構成金属と同じ金属からなる層を、前記第１の層の表面に成膜することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
4. 前記第１の層は、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電デバイス。
5. 前記第１の層、前記第２の層および前記電極層は、前記基板上にこの順で積層されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電デバイス。
6. 前記第１の層は、前記電極層を兼ねていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電デバイス。
7. 基板上に、電極層を含む下地層を形成する下地層形成工程と、
   前記下地層の上に圧電体を形成する圧電体形成工程とを含む圧電デバイスの製造方法であって、
   前記下地層形成工程は、
   基板上に、金属酸化物または金属窒化物からなる第１の層を形成する工程と、
   前記第１の層の上に、前記第１の層の前記金属酸化物の構成金属と同じ金属、または前記金属窒化物の構成金属と同じ金属からなる第２の層を形成する工程とを含んでいることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
8. 前記第２の層を形成する工程では、前記第１の層の表面を還元することによって、前記第２の層を形成することを特徴とする請求項７に記載の圧電デバイスの製造方法。
9. 前記第２の層を形成する工程では、前記第１の層の構成金属と同じ金属からなる層を、前記第１の層の表面に成膜することによって、前記第２の層を形成することを特徴とする請求項７に記載の圧電デバイスの製造方法。
10. 前記第１の層を形成する工程では、前記第１の層として、ＷＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、ＰｄＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｒＯｘ、ＡｌＯｘのいずれかの金属酸化物からなる層を形成することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
11. 前記下地層形成工程は、前記第２の層の上に前記電極層を形成する工程をさらに含んでおり、
    前記第１の層を形成する工程、前記第２の層を形成する工程、前記電極層を形成する工程は、この順で行われることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の圧電デバイス。
12. 前記第１の層は、前記電極層を兼ねており、
    前記第１の層を形成する工程、前記第２の層を形成する工程は、この順で行われることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の圧電デバイス。

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