JP5126252B2 - キャパシタ、強誘電体メモリ装置、アクチュエータおよび液体噴射ヘッド - Google Patents
キャパシタ、強誘電体メモリ装置、アクチュエータおよび液体噴射ヘッド Download PDFInfo
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Description
本発明は、キャパシタおよびその製造方法、強誘電体メモリ装置、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドに関する。
強誘電体メモリは、不揮発性、高速書き込み／読出し、低消費電力といった特長を有し、次世代不揮発性メモリの有力な候補の一つである。
強誘電体メモリの構造として一般的なものの一つに１Ｔ１Ｃ型構造がある。１Ｔ１Ｃ型構造の強誘電体メモリは、当初、プレーナ型構造で開発が行なわれてきた。しかしながら、強誘電体メモリの高集積化が進むにつれて、よりセル面積が小さな構造が求められるようになり、スタック型構造で開発が行われるようになってきている（例えば特開平１０−２２３８４７号公報参照）。
本発明の目的は、結晶性の良好な誘電体膜を有し、良好なヒステリシス特性を有することができるキャパシタおよびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、強誘電体メモリ装置、アクチュエータ、および、液体噴射ヘッドを提供することにある。
本発明に係るキャパシタは、
下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、を含む。
下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、を含む。
このキャパシタは、前記第１誘電体膜と、前記第２誘電体膜と、を含む。これにより、誘電体膜（前記第１誘電体膜および前記第２誘電体膜）をより高配向化させることができ、かつ、残留分極量を大きくすることができる。即ち、このキャパシタは、結晶性の良好な前記誘電体膜を有し、良好なヒステリシス特性を有することができる。このことは、後述する実験例において確認されている。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係るキャパシタにおいて、
前記第２誘電体膜の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第３誘電体膜を有し、
前記第３誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記第２誘電体膜がニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる場合において、前記第２誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が大きいことができる。
前記第２誘電体膜の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第３誘電体膜を有し、
前記第３誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記第２誘電体膜がニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる場合において、前記第２誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が大きいことができる。
本発明に係るキャパシタの製造方法は、
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜を形成する工程と、
前記第１誘電体膜の上方に、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜を形成する工程と、
少なくとも前記第２誘電体膜に対して行う熱処理工程と、
前記第２誘電体膜の上方に、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第３誘電体膜を形成する工程と、
前記第３誘電体膜の上方に上部電極を形成する工程と、を含み、
前記第３誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記第２誘電体膜がニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる場合において、前記第２誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が大きく、
前記熱処理工程は、前記第３誘電体膜の形成工程よりも前に行われる。
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜を形成する工程と、
前記第１誘電体膜の上方に、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜を形成する工程と、
少なくとも前記第２誘電体膜に対して行う熱処理工程と、
前記第２誘電体膜の上方に、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第３誘電体膜を形成する工程と、
前記第３誘電体膜の上方に上部電極を形成する工程と、を含み、
前記第３誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記第２誘電体膜がニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる場合において、前記第２誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が大きく、
前記熱処理工程は、前記第３誘電体膜の形成工程よりも前に行われる。
本発明に係る強誘電体メモリ装置は、
下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記下部電極および前記上部電極のうちの少なくとも一方と電気的に接続された制御回路部と、を含む。
下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記下部電極および前記上部電極のうちの少なくとも一方と電気的に接続された制御回路部と、を含む。
本発明に係る強誘電体メモリ装置において、
基板と、
前記基板の上方に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールに埋め込まれたプラグ層と、を含み、
前記下部電極は、少なくとも前記プラグ層の上面に接して形成されていることができる。
基板と、
前記基板の上方に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールに埋め込まれたプラグ層と、を含み、
前記下部電極は、少なくとも前記プラグ層の上面に接して形成されていることができる。
本発明に係るアクチュエータは、
弾性板と、
前記弾性板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、を含む。
弾性板と、
前記弾性板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、を含む。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
基板と、
前記基板の上方に形成された弾性板と、
前記弾性板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記基板に形成された流路と、
前記基板の下方に形成され、前記流路に連続するノズル穴を有するノズルプレートと、を含む。
基板と、
前記基板の上方に形成された弾性板と、
前記弾性板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、
前記第１誘電体膜の上方に形成され、チタン酸ジルコン酸鉛、または、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりもＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、
前記第２誘電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記基板に形成された流路と、
前記基板の下方に形成され、前記流路に連続するノズル穴を有するノズルプレートと、を含む。
なお、本発明に係る記載では、「下方」という文言を、例えば、「Ａの「下方」に形成されたＢ」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａの下に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａの下に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「下方」という文言を用いている。
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１． 第１の実施形態
１．１． まず、第１の実施形態に係るキャパシタの製造方法およびその製造方法により得られるキャパシタ１００について説明する。図１は、本実施形態に係るキャパシタ１００を模式的に示す断面図である。
１．１． まず、第１の実施形態に係るキャパシタの製造方法およびその製造方法により得られるキャパシタ１００について説明する。図１は、本実施形態に係るキャパシタ１００を模式的に示す断面図である。
（Ａ）まず、基板１上に下部電極４を形成する。基板１としては、例えば、半導体基板、樹脂基板などを用途に応じて任意に用いることができ、特に限定されない。下部電極４としては、例えば、Ｐｔ、Ｉｒなどの高融点金属やその酸化物などを用いることができる。下部電極４は、単層膜構造でも積層膜構造でも良く、酸素拡散防止膜などの機能性膜を含んでも良い。下部電極４は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより形成されることができる。下部電極４の構造は、例えば、Ｐｔ（１００ｎｍ）／ＩｒＯｘ（３０ｎｍ）／Ｉｒ（１００ｎｍ）／ＴｉＡｌＮ（１００ｎｍ）とすることができる。
（Ｂ）次に、下部電極４上に第１誘電体膜１１を形成する。第１誘電体膜１１は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3）（以下「ＰＺＴＮ」ともいう）からなる。ＰＺＴＮは、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以下「ＰＺＴ」ともいう）にＮｂを添加した誘電体である。第１誘電体膜１１は、例えば、スピンコート法などを用いて、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂを含むゾルゲル溶液を下部電極４上に塗布することにより形成されることができる。第１誘電体膜１１の膜厚は、例えば５ｎｍとすることができる。
（Ｃ）次に、熱処理を行うことが好ましい。これにより、第１誘電体膜１１を含む誘電体膜５の結晶性を向上させることができる。このことは、後述する実験例において確認されている。熱処理は、ＲＴＡにて行われることができる。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中にて、６５０℃で３分間行われることができる。
（Ｄ）次に、第１誘電体膜１１上に第２誘電体膜１３を形成する。第２誘電体膜１３は、ＰＺＴ、または、第１誘電体膜１１を構成するＰＺＴＮよりもＮｂ組成が小さいＰＺＴＮからなる。第２誘電体膜１３は、例えば、スピンコート法などを用いて、構成元素（ＰＺＴの場合には、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＰＺＴＮの場合には、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ）を含むゾルゲル溶液を第１誘電体膜１１上に塗布することにより形成されることができる。第２誘電体膜１３の膜厚は、例えば１００ｎｍとすることができる。
（Ｅ）次に、熱処理を行うことが好ましい。これにより、第２誘電体膜１３を含む誘電体膜５の結晶性を向上させることができる。特に、第２誘電体膜１３上に後述する第３誘電体膜１５を形成する場合に、本工程の熱処理を行うことが有効である。このことは、後述する実験例において確認されている。熱処理は、ＲＴＡにて行われることができる。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中にて、６５０℃で３分間行われることができる。
（Ｆ）次に、第２誘電体膜１３上にＰＺＴＮからなる第３誘電体膜１５を形成し、熱処理を行うことが好ましい。これにより、第３誘電体膜１５を含む誘電体膜５の結晶性を向上させることができる。このことは、後述する実験例において確認されている。第３誘電体膜１５を構成するＰＺＴＮは、第２誘電体膜１３がＰＺＴＮからなる場合において、第２誘電体膜１３を構成するＰＺＴＮよりもＮｂ組成が大きいことが好ましい。第３誘電体膜１５は、例えば、スピンコート法などを用いて、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂを含むゾルゲル溶液を第２誘電体膜１３上に塗布することにより形成されることができる。第３誘電体膜１５の膜厚は、例えば５ｎｍとすることができる。熱処理は、ＲＴＡにて行われることができる。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中にて、６５０℃で３分間行われることができる。なお、本発明では、第３誘電体膜１５を形成しないこともできる。
以上の工程により、下部電極４上に、第１〜第３誘電体膜１１，１３，１５から構成される誘電体膜５が形成される。
（Ｇ）次に、熱処理を行うことができる。これにより、誘電体膜５の結晶性を向上させることができる。熱処理は、ＲＴＡにて行われることができる。熱処理は、例えば、６５０℃で５分間行われることができる。
（Ｈ）次に、誘電体膜５上に上部電極６を形成する。上部電極６としては、例えば、Ｐｔ、Ｉｒなどの高融点金属やその酸化物などを用いることができる。上部電極６は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより形成されることができる。上部電極６の膜厚は、例えば１００ｎｍとすることができる。
（Ｉ）次に、熱処理を行うことができる。熱処理は、ＲＴＡにて行われることができる。熱処理は、例えば、６５０℃で１０分間行われることができる。
（Ｊ）次に、図１に示すように、上部電極６、誘電体膜５、および下部電極４をエッチングして所望の形状に加工する。これにより、基板１上に、下部電極４、誘電体膜５、および上部電極６から構成される柱状の堆積体が形成される。この柱状の堆積体が本実施形態に係るキャパシタ１００である。即ち、以上の工程によって、図１に示すように、本実施形態に係るキャパシタ１００を形成することができる。
１．２． 次に、本実施形態に係るキャパシタ１００を強誘電体メモリ装置２００に適用する例について説明する。
図２は、本実施形態に係る強誘電体メモリ装置２００を模式的に示す断面図である。なお、図示の例は、１Ｔ１Ｃ型であって、スタック型の強誘電体メモリ装置である。
強誘電体メモリ装置２００は、図２に示すように、キャパシタ１００と、制御回路部３００と、を含む。
制御回路部３００は、キャパシタ１００に対して情報の書き込みまたは読出しを行うための各種回路を含む。制御回路部３００は、例えば、図２に示すように、基板１の表面近傍に形成されたＭＯＳトランジスタから構成されることができる。ＭＯＳトランジスタのゲート電極は、ワード線ＷＬとなっている。ＭＯＳトランジスタには、ビット線ＢＬが電気的に接続されている。ＭＯＳトランジスタは、他の素子（図示せず）と素子分離領域４１０によって分離されている。ＭＯＳトランジスタが形成された基板１上には、第１層間絶縁膜４２０が形成されている。第１層間絶縁膜４２０の上にキャパシタ１００が形成されている。また、第１層間絶縁膜４２０の上方には、キャパシタ１００を覆うようにして、第２層間絶縁膜４３０が形成されている。制御回路部（図示の例ではＭＯＳトランジスタ）３００とキャパシタ１００とは、第１層間絶縁膜４２０に形成されたコンタクトホールに埋め込まれたプラグ層４５１によって電気的に接続されている。制御回路部３００は、下部電極４および上部電極６のうちの少なくとも一方と電気的に接続されている。図示の例では、制御回路部３００は、プラグ層４５１を介して、下部電極４と電気的に接続されている。下部電極４は、少なくともプラグ層４５１の上面に接して形成されている。図示の例では、下部電極４の下面の一部が、プラグ層４５１の上面に接している。
なお、図２に示す例では、１Ｔ１Ｃ型であって、スタック型の強誘電体メモリ装置について説明したが、本実施形態に係るキャパシタ１００を、図３に示すような１Ｔ１Ｃ型であって、プレーナ型の強誘電体メモリ装置に適用することもできる。図３は、本実施形態に係るプレーナ型の強誘電体メモリ装置２００を模式的に示す断面図である。図示の例では、制御回路部３００は、配線層４５０を介して、上部電極６と電気的に接続されている。
また、上述した例では、１Ｔ１Ｃ型の強誘電体メモリ装置について説明したが、本実施形態の強誘電体メモリ装置は、例えば、２Ｔ２Ｃ型や単純マトリクス型（クロスポイント型）などの各種のセル方式を用いた強誘電体メモリ装置にも適用することができる。
１．３． 次に、実験例について説明する。
まず、上述した製造方法を用いてキャパシタ１００を形成した。キャパシタ１００の形成条件は、表１の条件ａ〜ｄに示す通りである。表１における「○」は表１に記載された工程を行ったことを示し、「×」は表１に記載された工程を行わなかったことを示している。表１に記載されていない工程については、すべての条件において行っている。第１誘電体膜１１および第３誘電体膜１５としては、ＰｂＺｒ0.16Ｔｉ0.60Ｎｂ0.24Ｏ3を用いた。第２誘電体膜１３としては、ＰｂＺｒ0.3Ｔｉ0.7Ｏ3を用いた。下部電極４としては、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）層、イリジウム（Ｉｒ）層、酸化イリジウム層（ＩｒＯｘ）層、白金（Ｐｔ）層をこの順に積層したものを用いた。
また、比較例として、第１誘電体膜１１および第３誘電体膜１５を形成せずにキャパシタを形成した。即ち、誘電体膜５は、ＰＺＴ単層である。比較例１では、下部電極４を形成した後の熱処理（上述した（Ｂ）工程）を行っておらず、比較例２では、該（Ｂ）工程を行っている。
図４〜図７は、それぞれ条件ａ〜ｄによりキャパシタ１００を形成した場合のＸ線回折測定の結果である。図８、図９は、それぞれ比較例１、２に係るキャパシタのＸ線回折測定の結果である。表２は、Ｘ線回折測定の結果をまとめたものである。表２には、誘電体膜５における（１００）、（１１０）、（１１１）のピーク強度、並びに、これらのピーク強度の総和における（１１１）のピーク強度の割合が記載されている。なお、例えば、誘電体膜５における（１１１）のピーク強度とは、条件ａ〜ｄにおいては、ＰＺＴＮ（１１１）のピーク強度とＰＺＴ（１１１）のピーク強度の和を示しており、比較例においては、ＰＺＴ（１１１）のピーク強度を示している。
表２に示すように、ＰＺＴ（１１１）のピーク強度の割合で比較すると、比較例１（８７％）や比較例２（９０％）に比べ、条件ａの場合（９５％）や条件ｂの場合（９６％）の方が、誘電体膜５はより（１１１）高配向していることが分かる。このことは、下部電極４上に第１誘電体膜１１を形成した後に、第２誘電体膜１３を形成することによって、誘電体膜５（第１、第２誘電体膜１１，１３）がより（１１１）高配向することを示している。
また、表２に示すように、さらに第３誘電体膜１５を形成した場合であって、第３誘電体膜１５を形成する前に熱処理工程を行わなかった場合（条件ｃ）では、誘電体膜５の（１１１）のピーク強度の割合は８９％であった。これに対し、第３誘電体膜１５を形成する前に熱処理工程を行った場合（条件ｄ）では、誘電体膜５の（１１１）のピーク強度の割合は９８％であった。条件ｄの場合は、全条件の中で最も誘電体膜５の（１１１）のピーク強度の割合が高くなっている。即ち、下部電極４上に、第１〜第３誘電体膜１１，１３，１５を形成し、第３誘電体膜１５を形成する前に熱処理工程を行うことによって、誘電体膜５（第１〜第３誘電体膜１１，１３，１５）をより一層（１１１）高配向させることができることが確認された。
次に、キャパシタ１００のヒステリシス特性を測定した。図１０、図１１、図１２は、それぞれ表１の条件ａ、ｂ、ｄによりキャパシタ１００を形成した場合のヒステリシス特性の測定結果である。図１３、図１４は、それぞれ表１の比較例１、２に係るキャパシタのヒステリシス特性の測定結果である。図１５は、表１の比較例１の条件により、第２誘電体膜１３としてＰＺＴＮを用いてキャパシタを形成した場合（即ち、誘電体膜５がＰＺＴＮ単層である場合）のヒステリシス特性の測定結果である。なお、図１０、図１１、図１４においては、上述したように、第１誘電体膜１１および第３誘電体膜１５として、ＰｂＺｒ0.16Ｔｉ0.60Ｎｂ0.24Ｏ3を用い、第２誘電体膜１３として、ＰｂＺｒ0.3Ｔｉ0.7Ｏ3を用いた。また、図１２、図１３においては、第１誘電体膜１１および第３誘電体膜１５として、ＰｂＺｒ0.24Ｔｉ0.56Ｎｂ0.20Ｏ3を用い、第２誘電体膜１３として、ＰｂＺｒ0.4Ｔｉ0.6Ｏ3を用いた。また、図１５の場合においては、第２誘電体膜１３として、ＰｂＺｒ0.24Ｔｉ0.56Ｎｂ0.20Ｏ3を用いた。
条件ａ、ｂ、ｄによりキャパシタ１００を形成した場合（図１０〜図１２）は、誘電体膜５としてＰＺＴＮ単層を用いてキャパシタを形成した場合（図１５）に比べ、残留分極量が大きなヒステリシス特性を示している。さらに、条件ｄによりキャパシタ１００を形成した場合（図１２）は、ヒステリシス曲線が電圧軸および分極軸に対して対称となり、良好なヒステリシス特性を示している。一方、比較例１、２の条件によりキャパシタを形成した場合（図１３、図１４）は、ヒステリシス曲線が電圧軸および分極軸に対して非対称となっており、ヒステリシス特性は良好ではない。
１．４． 本実施形態に係るキャパシタ１００は、下部電極４上に形成され、ＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１と、第１誘電体膜１１上に形成され、ＰＺＴ、または、第１誘電体膜１１を構成するＰＺＴＮよりもＮｂ組成が小さいＰＺＴＮからなる第２誘電体膜１３と、を含む。これにより、誘電体膜５（第１、第２誘電体膜１１，１３）をより（１１１）高配向させることができ、かつ、残留分極量を大きくすることができる。このことは、上述した実験例において確認されている。なお、この理由としては、以下のように考えられる。
例えば、第１誘電体膜１１を形成せずに、下部電極４上に直接ＰＺＴからなる第２誘電体膜１３を形成するような場合には、下部電極４および第２誘電体膜１３を構成する各成分が相互拡散する場合がある。このため、下部電極４と第２誘電体膜１３との界面に酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化鉛（ＰｂＯ）などの異相が形成され、それらに妨げられてＰＺＴの高配向化が妨げられるものと考えられる。これに対し、本実施形態のように、下部電極４上にＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１を形成すると、下部電極４および第２誘電体膜１３を構成する各成分の相互拡散を防ぐことができる。図１６は、このことを示すオージェ電子分光（ＡＥＳ）の分析結果である。図１６に示すように、下部電極４のうちの最上層を構成する白金（Ｐｔ）と、ＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１を構成する鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、酸素（Ｏ）との相互拡散がほとんど生じていないことが分かる。従って、本実施形態のように、下部電極４上にＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１を形成すると、下部電極４と第１誘電体膜１１との界面に上述した異相が形成されない。このため、下部電極４上に高配向したＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１を形成することができる。さらに、第１誘電体膜１１の上に形成される第２誘電体膜１３を構成するＰＺＴ、または、第１誘電体膜１１を構成するＰＺＴＮよりもＮｂ組成が小さいＰＺＴＮを高配向化させることができる。
そして、ＰＺＴまたはＮｂ組成の小さいＰＺＴＮは、Ｎｂ組成の大きいＰＺＴＮに比べ、残留分極量が（１１１）配向の量に依存されにくいため、第２誘電体膜１３として、ＰＺＴまたはＮｂ組成の小さいＰＺＴＮを用いると、ＰＺＴＮを用いる場合に比べ、残留分極量を大きくすることができる。
以上のことから、本実施形態に係るキャパシタ１００によれば、誘電体膜５（第１、第２誘電体膜１１，１３）をより（１１１）高配向させることができ、かつ、残留分極量を大きくすることができる。即ち、本実施形態に係るキャパシタ１００は、結晶性の良好な誘電体膜５を有し、良好なヒステリシス特性を有することができる。
また、本実施形態に係るキャパシタ１００は、第２誘電体膜１３上に、さらにＰＺＴＮからなる第３誘電体膜１５を有することができる。これにより、誘電体膜５（第１〜第３誘電体膜１１，１３，１５）をより一層（１１１）高配向させることができる。そして、ヒステリシス曲線を電圧軸および分極軸に対して対称とすることができ、良好なヒステリシス特性を得ることができる。これらのことは、上述した実験例において確認されている。なお、ヒステリシス曲線を電圧軸および分極軸に対して対称とすることができる理由としては、以下のように考えられる。
上述したように、ＰＺＴＮからなる第１誘電体膜１１と下部電極４との界面には、ＴｉＯ2、ＰｂＯなどの異相が形成されない。同様に、ＰＺＴＮからなる第３誘電体膜１５と上部電極６との界面にも、前記異相が形成されない。従って、第１誘電体膜１１と下部電極４との界面、および、第３誘電体膜１５と上部電極６との界面では、例えば、第１誘電体膜１１および第３誘電体膜１５を形成しないような場合に比べ、構成成分の組成が均一である。そして、第１誘電体膜１１と第３誘電体膜１５とが第２誘電体膜１３を挟むことにより、キャパシタ１００において、第２誘電体膜１３に関して、その上下の構成をほぼ対称にすることができる。即ち、キャパシタ１００の対称性を良くすることができる。以上のことから、本実施形態に係るキャパシタ１００によれば、ヒステリシス曲線を電圧軸および分極軸に対して対称とすることができ、延いては、キャパシタ１００の信頼性を高くすることができる。
また、本実施形態では、スタック型の強誘電体メモリ装置２００においては、例えばタングステン（Ｗ）などからなるプラグ層４５１上に、直接キャパシタ１００を形成する。従って、キャパシタ１００の形成プロセスにおいて、プラグ層４５１の酸化を防止することが望まれる。例えば、下部電極４として、窒化物層（例えばＴｉＡｌＮ層）、Ｉｒ層、ＩｒＯｘ層、Ｐｔ層をこの順に積層したもの（以下「スタック型電極」ともいう）を用いることにより、プラグ層４５１の酸化を防止することができる。ここで、窒化物層は、第１層間絶縁膜４２０と下部電極４との間の密着層である。Ｉｒ層は、前記窒化物層の酸化を防止することができる酸素バリア層である。ＩｒＯｘ層は、Ｐｔ層とＩｒ層との間の密着層である。Ｐｔ層は、その上に形成される誘電体膜５を（１１１）配向させやすくすることができる層であり、（１１１）配向している。スタック型の強誘電体メモリ装置２００に対し、プレーナ型の強誘電体メモリ装置２００では、プラグ層４５１の酸化を防止することは望まれないため、下部電極４としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯｘ）層、Ｐｔ層をこの順に積層したもの（以下「プレーナ型電極」ともいう）を用いることができる。
図１７は、スタック型電極およびプレーナ型電極におけるＰｔ（１１１）のＸ線回折測定の結果である。図１７において、グラフＳがスタック型電極の場合を示しており、グラフＰがプレーナ型電極の場合を示している。図１７に示すように、スタック型電極の最上層のＰｔ層の結晶性は、プレーナ型電極の最上層のＰｔ層よりも劣っていることが分かる。本実施形態に係るキャパシタ１００によれば、下部電極４としてスタック型電極を用いても、結晶性の良好な誘電体膜５を有することができ、良好なヒステリシス特性を有することができる。このことは、上述した実験例において確認されている。従って、本実施形態に係るキャパシタ１００は、プレーナ型の強誘電体メモリ装置２００よりもデバイスの小型化が可能なスタック型の強誘電体メモリ装置２００に適用される場合に極めて有効である。
また、本実施形態に係るキャパシタ１００によれば、図１６に示すように、スタック型電極（下部電極４）とＰＺＴＮ（第１誘電体膜１１）との間の酸素成分の拡散がほとんどない。このため、本実施形態に係るキャパシタ１００は、スタック型の強誘電体メモリ装置２００に適用される場合に有効である。
２． 第２の実施形態
２．１． 次に、第２の実施形態に係るアクチュエータおよび液体噴射ヘッドについて説明する。
２．１． 次に、第２の実施形態に係るアクチュエータおよび液体噴射ヘッドについて説明する。
図１８は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド５０を模式的に示す断面図であり、図１９は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド５０の分解斜視図である。なお、図１９は、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液体噴射ヘッド５０は、図１８に示すように、ノズルプレート５１と、基板５２と、アクチュエータ７０と、を含む。アクチュエータ７０は、基板５２の上に形成された弾性板５５と、弾性板５５の上に形成された圧電部（振動源）５４と、を含む。圧電部５４は、下部電極１０４と、誘電体膜１０５と、上部電極１０６と、を含む。圧電部５４は、さらに、下部電極１０４、誘電体膜１０５、および上部電極１０６を被覆する絶縁層１２０を有することができる。アクチュエータ７０および液体噴射ヘッド５０において、下部電極１０４、誘電体膜１０５、および上部電極１０６には、上述した第１の実施形態に係る下部電極４、誘電体膜５、および上部電極６を適用することができる。なお、図１９において、圧電部５４の各層の図示は省略されている。
液体噴射ヘッド５０は、図１９に示すように、さらに、基体５６を含む。基体５６に、ノズルプレート５１、基板５２、弾性板５５、および圧電部５４が収納される。基体５６は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いて形成される。
ノズルプレート５１は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたものである。ノズルプレート５１には、液滴を吐出するための多数のノズル穴５１１が一列に配置されている。ノズルプレート５１には、基板５２が固定されている。基板５２は、ノズルプレート５１と弾性板５５との間の空間を区画して、リザーバ５２３、供給口５２４、および複数の流路５２１を形成する。リザーバ５２３は、液体カートリッジ（図示せず）から供給される液体を一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各流路５２１へ液体が供給される。
流路５２１は、図１８および図１９に示すように、各ノズル穴５１１に対応して配設されている。ノズル穴５１１は、流路５２１と連続している。流路５２１は、弾性板５５の振動によってそれぞれ容積可変になっている。この容積変化によって、流路５２１から液体が吐出される。
弾性板５５の所定位置には、図１９に示すように、弾性板５５の厚さ方向に貫通した貫通孔５３１が形成されている。貫通孔５３１によって、液体カートリッジからリザーバ５２３へ液体が供給される。
圧電部５４は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）することができる。弾性板５５は、圧電部５４の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、流路５２１の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
２．２． 本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、結晶性の良好な誘電体膜１０５を得ることができる。これにより、アクチュエータ７０および液体噴射ヘッド５０の品質の向上を図ることができる。
３． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
１ 基板、４ 下部電極、５ 誘電体膜、６ 上部電極、１１ 第１誘電体膜、１３ 第２誘電体膜、１５ 第３誘電体膜、５０ 液体噴射ヘッド、５１ ノズルプレート、５２ 基板、５４ 圧電部、５５ 弾性板、５６ 基体、７０ アクチュエータ、１００ キャパシタ、１０４ 下部電極、１０５ 誘電体膜、１０６ 上部電極、１２０ 絶縁層、２００ 強誘電体メモリ装置、３００ 制御回路部、４１０ 素子分離領域、４２０ 第１層間絶縁膜、４３０ 第２層間絶縁膜、４５０ 配線層、４５１ プラグ層、５１１ ノズル穴、５２１ 流路、５２３ リザーバ、５２４ 供給口，５３１ 貫通孔。
Claims (10)
- 基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜の上方に形成された上部電極と、を備えたキャパシタであって、
前記誘電体膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第１誘電体膜と、前記第１誘電体膜上に形成され、前記第１誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛よりＮｂ組成が小さいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸鉛からなる第２誘電体膜と、を有し、
前記誘電体膜の（１１１）ピーク強度割合が、９５％以上であることを特徴とするキャパシタ。 - 前記第１誘電体膜の膜厚は、５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ。
- 前記第２誘電体膜の膜厚は、１００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタ。
- 前記第１誘電体膜は、ジルコニウム、チタンおよびニオブの合計に対し、ニオブが０．２０以上０．２４以下のモル比で含まれることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項に記載のキャパシタ。
- 前記誘電体膜は、前記第２誘電体膜上に形成され、前記第２誘電体膜を構成するニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸鉛よりＮｂ組成が大きいニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる第３誘電体膜をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載のキャパシタ。
- 前記第３誘電体膜の膜厚は、５ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載のキャパシタ。
- 前記第３誘電体膜は、ジルコニウム、チタンおよびニオブの合計に対し、ニオブが０．２０以上０．２４以下のモル比で含まれることを特徴とする請求項５又は６に記載のキャパシタ。
- 請求項１乃至７何れか一項に記載のキャパシタを備えることを特徴とする強誘電体メモリ装置。
- 請求項１乃至７何れか一項に記載のキャパシタを備えることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項９に記載のアクチュエータを備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
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