JP7167337B2 - 圧電素子及び圧電素子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

優れた圧電性及び強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O₃）、以下においてＰＺＴという。）からなる薄膜が知られている。ＰＺＴ膜はその強誘電性を生かし、不揮発性メモリである強誘電体メモリ（FeRAM：Ferroelectric Random Access Memory）に使用されている。さらには近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）技術との融合により、ＰＺＴ膜を用いたＭＥＭＳ圧電素子が実用化されつつある。ＰＺＴ膜は、インクジェットヘッド(アクチュエータ)やマイクロミラーデバイス、角速度センサ、ジャイロセンサ、及び振動発電デバイスなど様々なデバイスへと展開されている。

上記の各種デバイスに求められる優れた圧電性及び強誘電性を実現するためには、ＰＺＴ膜はペロブスカイト構造の結晶から構成される必要がある。しかし、ＰＺＴ膜は、成膜の際に、不純物相であるパイロクロア（pyrochlore）相が生成され易い。パイロクロア相は常誘電体であるため、ＰＺＴ膜の誘電率や圧電特性の悪化が起こる。そのため、パイロクロア相を抑制し、ペロブスカイト単相のＰＺＴ薄膜を得る技術が求められている。

鉛（Ｐｂ）が、揮発性が高く非常に不安定な元素であるために、安定にＰＺＴを組成形成するのが難しいと考えられている。安定にＰＺＴを形成させるためには、Ｐｂ成分を制御することが求められる。一般的には、Ｐｂの揮発性を考慮してＰｂ過剰な雰囲気で成長させることが多い。このようにすることで、良好なペロブスカイト構造のＰＺＴを得ることが可能であると言われているが、最も不安定である初期核が形成される界面領域（初期層）においては依然としてパイロクロア相が形成されてしまう。

他方、Ｐｂの不安定性を制御するために、成長制御層（シード層、バッファー層、あるいは配向制御層とも呼ばれる）の導入が検討されている。例えば、特許文献１では、白金（Ｐｔ）薄膜上にＢａＴｉＯ_３を配向制御層として形成し、その上にＰｂＴｉＯ_３をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成する方法が開示されている。また、特許文献２では、配向制御層として酸素八面体構造を有する材料を用いることで良好な結晶性のＰＺＴ膜を形成する方法が開示されている。

特開平７－１４２６００号公報 特開２００１－２２３４０３号公報

特許文献１では、Ｐｔ薄膜上にＢａＴｉＯ_３を備え、その上にＰｂＴｉＯ_３層を形成することによってＰｔ薄膜の配向性を受け継いだＰＺＴ層を形成することができると記載されている。そして、ＰＺＴと同じ酸化物であり、かつ、ＰＺＴに格子定数が比較的近い化合物であれば同様の効果が期待できるとして、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化セレン（ＣｅＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの化合物が配向制御層の例として挙げられている。

しかしながら、特許文献１では電極がＰｔ膜に限定されており、他の電極を用いた場合については検討されていない。

特許文献２では、配向制御層としてペロブスカイト構造などの酸素八面体構造を有する材料を用いることで、単相のＰＺＴ膜が得られる。しかしながら、特許文献２では配向制御層の結晶構造と格子マッチングをさせることで単相のＰＺＴ膜を成長させているため、配向制御層は特定の結晶構造に限られる。そのため大面積に成膜しようとした際に、ＰＺＴの組成制御のみならず、配向制御層の組成制御も必要となってくるため、より複雑な制御が必要となり、生産性が低下し、コスト高になってしまう。

パイロクロア相の形成によって、良好なペロブスカイト構造が得られなくなる問題はＰＺＴに限らず、Ｐｂを含むペロブスカイト型酸化物を含む圧電体層に共通する問題である。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、Ｐｂを含有する単相のペロブスカイト型酸化物を含む圧電体層を備えた圧電素子を低コストに提供することを目的とする。

＜１＞
基板上に、下部電極層、成長制御層、鉛をＡサイトの主成分として含有するペロブスカイト型酸化物を含む圧電体層、及び上部電極層をこの順に備えた圧電素子であって、
成長制御層が、下記一般式（１）で表される金属酸化物を主成分とし、
Ｍ_ｄＮ_１－ｄＯ_ｅ （１）
ここで、Ｍはペロブスカイト型酸化物のＡサイトに置換可能な１以上の金属元素からなり、かつ、電気陰性度が０．９５未満であり、
Ｎは、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｉｒ，Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＳｂからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とし、
Ｏは酸素元素であり、
ｄ、ｅは組成比を示し、０＜ｄ＜１であって、電気陰性度をＸとした場合、
１．４１Ｘ－１．０５≦ｄ≦Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０
Ａ１＝１．６８×１０^１２，ｔ１＝０．０３０６，ｙ０＝０．５９９５８である圧電素子。
＜２＞
一般式（１）のＭが、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｄ、及びＢｉからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とする＜１＞に記載の圧電素子。
＜３＞
一般式（１）のＭがＢａを主成分として含む、＜１＞に記載の圧電素子。
＜４＞
一般式（１）のＭがＢａである＜１＞に記載の圧電素子。
＜５＞
０．２≦ｄである＜１から＜４＞のいずれかに記載の圧電素子。
＜６＞
０．３≦ｄである＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の圧電素子。
＜７＞
０．４５≦ｄである＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の圧電素子。
＜８＞
成長制御層の膜厚が０．６３ｎｍ以上１７０ｎｍ以下である＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の圧電素子。
＜９＞
成長制御層の膜厚が０．６３ｎｍ以上４０ｎｍ以下である＜１＞から＜７＞のいずれか記載の圧電素子。
＜１０＞
一般式（１）のＮがＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、及びＮｂからなる群から選択される＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の圧電素子。

本開示によれば、Ｐｂを含有する単相のペロブスカイト構造の圧電体層を備えた圧電素子を低コストに提供することができる。

本開示の一実施形態の圧電素子の概略構成を示す断面図である。 成長制御層の組成比ｄとパイロクロア相のＸＲＤ強度との関係を示す図である。 電気陰性度と成長制御層の組成比ｄとの関係を示す図である。 電気陰性度と成長制御層の組成比ｄとの関係を示す図である。 成長制御層の膜厚とパイロクロア相のＸＲＤ強度の関係を示す図である。 成長制御層の膜厚とペロブスカイト構造の（１００）のＸＲＤ強度との関係を示す図である。 ＰＺＴ膜の成膜温度とパイロクロア相のＸＲＤ強度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施形態の圧電素子の断面模式図である。図１に示すように、圧電素子１は、基板１０上に、下部電極層１２、成長制御層１４、圧電体層１６及び上部電極層１８が、順に積層された素子である。圧電素子１は、圧電体層１６に対して、下部電極層１２と上部電極層１８とにより厚み方向に電界が印加されるように構成されている。

基板１０としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板１０としては、シリコン基板の表面にＳｉＯ_２酸化膜が形成されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

下部電極層１２は、圧電体層１６に電圧を加えるための電極である。下部電極層１２の主成分としては特に制限なく、金（Ａｕ）、Ｐｔ、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、ＬａＮｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３等の金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極層１２としては、Ｉｒを用いることが特に好ましい。

上部電極層１８は、上記下部電極層１２と対をなし、圧電体層１６に電圧を加えるための電極である。上部電極層１８の主成分としては特に制限なく、下部電極層１２で例示した材料の他、クロム（Ｃｒ）等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。

なお、本明細書において、上部、下部は天地を意味するものではなく、圧電体層１６挟んで設けられる一対の電極層のうち、基板側に配置される電極層を下部電極層、基板と反対側に設けられる電極層を上部電極層と称しているに過ぎない。

下部電極層１２と上部電極層１８の厚みは特に制限なく、５０ｎｍ～３００ｎｍ程度であることが好ましい。

圧電体層１６は、ＰｂをＡサイトの主成分として含有するペロブスカイト型酸化物（以下において、Ｐｂ含有ペロブスカイト型酸化物と称す。）を含む。圧電体層１６は、基本的にはＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物からなる。但し、圧電体層１６はＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物の他に不可避不純物を含んでいてもよい。なお、本明細書において、一般的に式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物のＡサイト元素を単にＡサイトといい、Ｂサイト元素を単にＢサイトということがある。また、本明細書において「主成分」とは５０ｍｏｌ％以上を占める成分であることを意味する。すなわち、「ＰｂをＡサイトの主成分として含有する」とは、Ａサイト元素中、５０ｍｏｌ％以上の成分がＰｂであることを意味する。Ａサイト中の他の元素及びＢサイトの元素は問わない。
例えば、下記一般式（２）で示されるペロブスカイト型酸化物が好ましい。
（Ｐｂ_ａ１α_ａ２）（Ｚｒ_ｂ１Ｔｉ_ｂ２β_ｂ３）Ｏ_ｃ （２）
式中、Ｐｂ及びαはＡサイト元素であり、αはＰｂ以外の少なくとも１種の元素である。Ｚｒ，Ｔｉ及びβはＢサイト元素である。ａ１≧０．５、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０、であり、（ａ１＋ａ２）：（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）：ｃ＝１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。

Ｐｂ含有ペロブスカイト型酸化物において、Ｐｂ以外のＡサイト元素としては、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、カドミウム（Ｃｄ）、及びビスマス（Ｂｉなどが挙げられる。αはこれらのうちの１つもしくは２以上の組み合わせである。

また、Ｔｉ、Ｚｒ以外のＢサイト元素としては、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びアンチモン（Ｓｂ）などが挙げられる。βはこれらのうちの１つもしくは２以上の組み合わせである。

圧電体層１６の膜厚は特に制限なく、通常２００ｎｍ以上であり、例えば０．２μｍ～５μｍである。圧電体層１６の膜厚は１μｍ以上が好ましい。

成長制御層１４は、一般式（１）で表される金属酸化物を含む。成長制御層１４は基本的には、一般式（１）で表される金属酸化物からなる。但し、成長制御層１４は、不可避不純物を含んでいてもよい。
Ｍ_ｄＮ_１－ｄＯ_ｅ （１）
ここで、Ｍは成長制御層１４の上層に備えられるＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物のＡサイトに置換可能な１以上の金属元素からなり、かつ、電気陰性度が０．９５未満である。Ｍは、電気陰性度が０．９５未満となる範囲で、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ，Ｂａ，Ｌａ、Ｃｄ、及びＢｉの群より選択される少なくとも１つを主成分とすることが好ましい。本明細書において「少なくとも１つを主成分とする」とは、１つの元素のみで主成分を構成するものとしてもよいし、２つ以上の元素の組み合わせを主成分としてもよいことを意味する。Ｍは上記金属元素以外のＡサイトに置換可能な金属元素を含んでいてもよい。Ｍが２以上の金属元素からなる場合、Ｍの電気陰性度は、それぞれの金属元素の電気陰性度×その金属元素のＭ中における含有割合の和、とする。

ＮはＳｃ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｂからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とする。ＮはＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物においてＢサイト元素として機能し得る金属種からなる。Ｎは上記金属元素以外のＢサイト元素を含んでいてもよい。
Ｏは酸素元素である。
また、ｄ、ｅは組成比を示し、０＜ｄ＜１であって、Ｍの電気陰性度をＸとした場合、１．４１Ｘ－１．０５≦ｄ≦Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０
Ａ１＝１．６８×１０^１２，ｔ１＝０．０３０６，ｙ０＝０．５９９５８である。
なお、組成比ｅはＭ、Ｎの価数によって変化する。

なお、Ｐｂ含有ペロブスカイト型酸化物のＡサイトに置換可能な金属元素、Ｂサイトに置換可能な元素であるか否かは、Ａ，Ｂ，Ｏ三種類の相対的イオンの大きさ、すなわちイオン半径によって定まる。Netsu Sokutei 26 (3) 64-75によれば、ペロブスカイト型酸化物ではＡサイトは１２配位、Ｂサイトは６配位をとるため、ペロブスカイト型構造をとるためには交互に積み重なったＡＯ、ＢＯ_２層のサイズに依存することになる。これを定量的な尺度として表したのがトレランスファクターｔであり、これは次式で表される。
ｔ＝（ｒＡ＋ｒＯ）／｛√２（ｒＢ＋ｒＯ）｝ここでｒＡ，ｒＢ，ｒＯはそれぞれＡ，Ｂ，Ｏイオンのそれぞれの位置でのイオン半径である。
通常ペロブスカイト型酸化物はｔ＝１．０５～０．９０前後で出現し、理想的なペロブスカイト型構造はｔ＝１で実現される。本明細書においては、Ａサイトに置換可能な元素、Ｂサイトに置換可能な元素は、トレランスファクターが１．０５～０．９０を満たすものと定義する。なお、イオン半径はＳｈａｎｎｏｎにより作成されたイオン半径表のものを用いる。シャノンのイオン半径については、R. D. Schannon, Acta Crystallogr. A32, 751 (1976)に記載されている。

上記の条件を満たす成長制御層を備えることによって、パイロクロア相がない単相のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層を形成することができることを、本発明者らは見出した（後記、試験１参照）。ここで、「パイロクロア相がない」とは、通常のＸＲＤ（X-ray diffraction）測定において、パイロクロア相の回折ピークが観察されないことをいう。

成長制御層中の、Ａサイトに置換可能な金属元素であるＭの電気陰性度Ｘをパラメータとして、Ｍの組成比を上記範囲とすることにより、パイロクロア相を出現させず、単層のＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物層を成膜できる。Ｍ_ｄＮ_１－ｄＯ_ｅの組成比ｄの許容範囲が広いため、成長制御層の成膜時において、大面積化した際の温度制御の複雑化を抑制することができ、高コスト化を避けることができる。

従来の成長制御層は、ペロブスカイト構造あるいは、酸素八面体構造を有するものに限られていた。しかしながら、電気陰性度を適切な範囲にすることで、成長制御層は、ペロブスカイト酸素構造などの八面体構造を有するものに限られることなく、さらには、アモルファス構造からなる層を用いることもできる。

従来は、成長制御層を種結晶として作用させ、その上に形成されるＰＺＴを微視的にエピタキシャル成長させることで、良好な結晶性のＰＺＴを得ていた。一方、本開示においては、格子マッチングは必ずしも必要とされない。成長制御層は、Ｐｂ含有ペロブスカイト酸化物のＡサイトに置換可能な元素を含んでいることから、Ｐｂ不足になりやすい界面近傍において、擬似的にＰｂ雰囲気を作ることができ、圧電体層の初期形成時からペロブスカイト構造を安定に形成することができると考えられる。圧電体層の成長制御層との界面においてペロブスカイト構造のＡサイトは一部成長制御層のＭにより構成されていると考えられるが、Ｐｂ含有ペロブスカイトの全域に亘ってＭがドープされるわけではないことから、圧電性への影響はない。また、界面においてＭの作用によってペロブスカイト構造が形成されるため、パイロクロア相の生成を抑制することができ、パイロクロア相を生じさせることなく、圧電体層を形成することができる。特に、電気陰性度が０．９５未満の非常に反応性の高い金属元素を含む酸化物を成長制御層として用いているので、成膜初期においてＰｂ抜けＡサイトを補完する効果が高く、ペロブスカイト構造の生成を促進させることができ、安定にＰｂ含有ペロブスカイト酸化物を成長させることが可能である。

上記条件を満たす成長制御層を備えることによって、成長制御層上に設ける圧電体層のＰｂ量の許容範囲を広げることができる。たとえば、圧電体層が、例えば、Ｐｂ_ａ（Ｚｒ_ｂ１Ｔｉ_ｂ２Ｘ_ｂ３）Ｏ_３である場合、０．９≦ａ≦１．５と極めて広い組成域においてペロブスカイト形成が可能である（後記実施例参照。）。

なお、成長制御層１４は、ＭがＢａを主成分とすることが好ましく、ＭがＢａであることが特に好ましい。ＭにおいてＢａを５０ｍｏｌ％以上含むことで、ｄの許容される範囲を格段広げることができ、好ましい。ＭがＢａであることが特に好ましい。
なお、ＭがＢａを含む場合、成長制御層がない場合及びＢａを含まない成長制御層を備えた場合と比較して、成長制御層上に設ける圧電体層の成膜温度を大幅に低くすることができる。

Ｍ_ｄＮ_１－ｄＯ_ｅにおいて、０．２≦ｄが好ましく、０．３≦ｄがより好ましく、０．４５≦ｄが特に好ましい。
ｄを０．２以上とすることで、Ｍとして用いることができる元素種の選択肢を増やすこができる。ｄを０．３以上、０．４５以上とすることによって、さらに、元素種の選択肢を増やすことができる。

成長制御層１４の膜厚は０．６３ｎｍ以上１７０ｎｍ以下であることが好ましく、０．６３ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましく、０．６３ｍ以上１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。成長制御層１４の膜厚は０．６３ｎｍ以上であれば、パイロクロア相を抑制する効果を十分得ることができる。また、４０ｎｍ以下であれば、良好なペロブスカイト相を得る効果が高い。

また、Ｎは、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｏ又はＮｂであることが好ましい。Ｎがこれらの金属である場合、異相が出にくいため、スパッタ成膜時に使用するターゲットを高密度に作製しやすい。特にＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎにおいては高い導電率の成長制御層とすることができるので、成長制御層を下部電極の一部としても機能させることができる。

［試験１］
上記成長制御層の条件は、異なる組成の成長制御層のサンプルを作製し、評価を行った結果に基づいて決定した。以下に、成長制御層の条件の決定に用いたサンプルの作製方法及び評価方法を説明する。

（サンプルの作製方法）
＜成膜基板＞
成膜基板として、熱酸化膜が１μｍ形成されている２５ｍｍ角のＳｉ基板上に１０ｎｍ厚のＴｉ密着層と１５０ｎｍ厚のＩｒ下部電極層が順次積層されている基板を用いた。

＜成長制御層の成膜＞
パスカル社製の複数のターゲットを独立に制御可能なスパッタリング装置を用いた。スパッタリング装置内に下部電極付きの基板を載置し、真空度０．８Ｐａになるようにアルゴン（Ａｒ）をフローし、基板温度が５００℃になるように設定した。組成比の異なる成長制御層の成膜のために、複数のターゲットを用いる共スパッタの手法を用いた。共スパッタ時のターゲット配置は、ターゲットが基板直下に来る配置ではなく、基板とターゲットが斜めに配置された構造にすることによって、複数のターゲットの成膜を同一環境下で同時に実現することが可能になる。成膜時に各ターゲットに投入するパワーを制御することで、異なる組成及び成長制御層を成膜した。

なお、組成比の異なる成長制御層を成膜する前に、予め成長制御層組成評価行い、所望の組成比の成長制御層を得るための条件出しを行った。具体的には、成長制御層組成評価用に別途基板を準備し、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ：X-ray Flourescence）にて組成評価を実施し、組成の条件を決定した。評価装置にはPANalytical社製蛍光X線装置アクシオスを用いた。条件出し過程においては、十分な蛍光X線強度を得るために、組成評価のための層の膜厚は３００ｎｍとした。膜厚測定には、アルバック社製触診式膜厚計デックタック6Mを用いた。条件出しに当たって、スパッタ成膜時の各ターゲットへの投入電力を調整することで組成を制御した。また、所望の膜厚になるように成膜時間を調整した。このようにして得られた条件を用い、後記表２に示す成長制御層を備えたサンプルを作製した。

＜圧電体層の成膜＞
成膜装置としてＲＦ（radio frequency）スパッタリング装置（アルバック社製スパッタリング装置ＭＰＳ型）を用いた。ターゲット材には直径１２０ｍｍのＰｂ_ｘ（Ｚｒ_{０．５２－ｄ／２}Ｔｉ_{０．４８－ｄ／２}Ｎｂ_ｄ）の焼結体を用いた。ここでは、ｄ＝０．１２のＮｂドープ量とし、Ｘ＝１．０、１．１５、１．２、１．３の４種のターゲット材を用意した。ターゲットと基板との間の距離は６０ｍｍとした。
ＲＦスパッタリング装置内に、成長制御層を備えた下部電極付き基板を載置し、真空度０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ_２混合雰囲気（Ｏ_２体積分率２．０％）の条件下で厚み１．０μｍＮｂドープＰＺＴ膜（以下、単にＰＺＴ膜という。）を圧電体層として成膜した。なお、成長制御層を備えていないサンプルを作製する場合には、成長制御層を備えていない下部電極付き基板をスパッタリング装置内に設置する以外は、上記と同様にして圧電体層を成膜した。
基板温度設定５００～７５０℃とし、ターゲットに５００Ｗの電力を投入した。
各組成の成長制御層について、５００～７５０℃の範囲で、パイロクロア相を備えない良好なペロブスカイト構造を有するＰＺＴ膜を成膜することができる最も低い温度を調べた。同一の組成の成長制御層上に、５００～７５０℃の範囲の異なる基板温度（成膜温度）でＰＺＴ膜を成膜し、サンプルＮｏ毎にＰＺＴ膜の成膜温度が異なる複数のサブサンプルを作製した。

ターゲット材料におけるＰｂ組成Ｘ、成膜温度、及び、成膜後のＰＺＴ膜におけるＰｂ組成α１の関係は表１に示す通りであった。なお、成膜後におけるＰＺＴ膜におけるＢサイトへのＮｂドープ量は成膜温度、Ｐｂ量にかかわらず１４．１ｍｏｌ％であった。

（評価方法）
＜ＰＺＴ成膜温度評価＞
ＲＩＧＡＫＵ製、ＲＩＮＴ－ＵＬＴＩＭＡIIIを用いてＸＲＤ（X-ray Diffraction)にてＰＺＴ結晶性評価を実施した。得られたデータから、異相であるパイロクロア相の強度を算出した。パイロクロアが検出される領域は、ＸＲＤ回折２９°近傍である。
各サブサンプルのＸＲＤ測定を行い、回折角度２９°近傍にパイロクロア相のピークが観察されない場合には、良好なペロブスカイト構造が形成されていると判断した。成膜温度とＰｂ組成Ｘが異なる複数のサブサンプル中に良好なペロブスカイト構造を得られたサンプルが複数ある場合には、そのうち最も低い成膜温度で得られたサブサンプルについての結果を表２に示した。他方、５００～７５０°の温度範囲において良好なペロブスカイト構造を得ることができなかったサンプルについてはＰＺＴ膜を成膜できた温度はないため、表２中に温度を示していない。

＜ＰＺＴ組成評価＞
得られたＰＺＴ膜について、ＸＲＦにて組成評価を実施し、組成を求めた。Ａ－サイトにおけるＰｂ量はその不安定さゆえに成膜温度に伴い変化する。そこで、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）と定義している。Ｂ－サイト元素は、成膜温度によらず一定のためＺｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＝１となるように組成比を算出した。

＜ＰＺＴ結晶性評価＞
ＲＩＧＡＫＵ製、ＲＩＮＴ－ＵＬＴＩＭＡIIIを用いてＸＲＤにてＰＺＴ結晶性評価を実施した。得られたデータから、異相であるパイロクロア相の強度を算出し、評価した。パイロクロア相が検出される領域は、ＸＲＤ回折２９°近傍の（２２２）面である。得られたＸＲＤ回折２９°近傍のパイロクロア相（２２２）面の回折強度について以下の基準で評価した。
Ａ：１００ｃｐｓ以下
Ｂ：１００ｃｐｓ超、１０００ｃｐｓ以下
Ｃ：１０００ｃｐｓ超
なお、１００ｃｐｓはノイズと同程度であり、２９°近傍において１００ｃｐｓを超えるピークがない場合には、パイロクロア相はＸＲＤでは検出されないレベルであることを意味する。評価Ｂの範囲であれば、パイロクロア相は従来と比較して十分に抑制されており、圧電性の低下は許容される範囲である。なお、表２中において、１００ｃｐｓ以下の場合は１×１０^２、１００００ｃｐｓ以上の場合は１×１０^５として表記した。

表２に各サンプルのＭの組成、電気陰性度、組成比ｄ、Ｎの組成、ＰＺＴの成膜温度下限値を示す。また、各サンプルについてのパイロクロア相の強度、判定結果を示す。

サンプルＮｏ．１～９は成長制御層として、Ｍ＝Ｂａ、Ｎ＝ＲｕとしたＢａ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用い、ｄを変化させたサンプルである。Ｍ、すなわちＢａの電気陰性度は０．８９である。

サンプルＮｏ．１０～１２は成長制御層として、Ｍ＝Ｂａ、Ｎ＝ＴａとしたＢａ_ｄＴａ_１－ｄＯ_ｅを用い、ｄを変化させたサンプルである。Ｂａの電気陰性度は０．８９である。

サンプルＮｏ．１３～１９は成長制御層として、Ｍ＝Ｂａ，Ｓｒ、Ｎ＝Ｒｕとした（Ｂａ，Ｓｒ）_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用い、ＢａとＳｒとの比を変化させることでＭの電気陰性度を０．９０～０．９４の範囲で変化させ、かつｄを変化させたサンプルである。

サンプルＮｏ．２０～２８は成長制御層として、Ｍ＝Ｓｒ、Ｎ＝ＲｕとしたＳｒ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用い、ｄを変化させたサンプルである。Ｓｒの電気陰性度は０．９５である。

サンプルＮｏ．２９～３６は成長制御層として、Ｍ＝Ｌａ、Ｎ＝ＲｕとしたＬａ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用い、ｄを変化させたサンプルである。Ｌａの電気陰性度は１．１である。

図２に、成長制御層として、Ｂａ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用いたサンプル１～９、成長制御層としてＳｒ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用いたサンプル２０～２８及び成長制御層としてＬａ_ｄＲｕ_１－ｄＯ_ｅを用いたサンプル２９～３０について、それぞれ成長制御層中Ｍの組成比ｄとパイロクロア相のＸＲＤ強度との関係を図２に示す。

図２に示すように、Ｂａを用いた場合、非常に広い組成範囲０．２≦ｄにおいてパイロクロア相が十分抑制されたＰＺＴ膜を得ることができた。

図２から、ＭがＬａ、Ｓｒ、Ｂａそれぞれの場合について、パイロクロア相のＸＲＤ強度が１０^３以下を満たす組成比ｄの範囲を表３の通り抽出した。

表３に示すＭの電気陰性度を横軸、組成比ｄを縦軸として、組成下限及び上限の値をそれぞれプロットしたグラフを図３に示す。図３において、組成下限値については直線で、組成上限については曲線でフィッティングを行った。組成下限Ｍ_ｍｉｎを示す直線、組成上限を示すＭ_ｍａｘは、それぞれ電気陰性度Ｘの関数として下記の式で表すことができた。
Ｍ_ｍｉｎ＝１．４１Ｘ－１．０５
Ｍ_ｍａｘ＝Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０
Ａ１＝１．６８×１０^１２，ｔ１＝０．０３０６，ｙ０＝０．５９９５８

組成下限、及び組成上限に挟まれる領域、すなわち、Ｍの組成ｄが、Ｍ_ｍｉｎ≦ｄ≦Ｍ_ｍａｘの範囲であれば、パイロクロア相を十分抑制できると推定される。
１．４１Ｘ－１．０５≦ｄ≦Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０

図３に示すように、電気陰性度Ｘが小さいほど組成比ｄの取り得る範囲が広がる。この組成比ｄの取り得る範囲は電気陰性度Ｘ＝０．９５を境に急激に広がることから、電気陰性度としては０．９５未満と規定した。組成比ｄの取り得る範囲が広ければ、大面積化を行った際に、面内における組成ばらつきを許容できる範囲が広がるため、温度制御などの成膜における制御を簡素化することができ、低コストな製造が可能となる。

図４に、表２に示した各サンプルを横軸電気陰性度、縦軸組成比ｄでプロットしたグラフを示す。図４中にＭ_ｍａｘ及びＭ_ｍｉｎを併せて示す。図４では、表２においてパイロクロア相に関する評価がＡもしくはＢであるサンプルを白抜き円マーカー（〇）で示し、評価Ｃであるサンプルを黒円マーカー（●）で示す。マーカーの近傍に付された番号はサンプルＮｏ．を示す。図４に示すように、関数Ｍ_ｍａｘ、Ｍ_ｍｉｎで挟まれた領域はすべてＡもしくＢ評価のサンプルであった。

以上の通り、上記試験結果に基づいて、本開示の成長制御層の取り得る電気陰性度及び組成比を、Ｍ_ｍａｘ≦ｄ≦Ｍ_ｍｉｎ、Ｘ＜０．９５と規定した。

ＭとしてＢａを用いた場合、０．２≦ｄでパイロクロア相のないＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層を得ることができる。０．３≦ｄとすることで取り得る電気陰性度の範囲を広げることができるので、Ｍの選択肢を増加することができる。
なお、ＭとしてＢａよりも電気陰性度の低いＫを含むものとすれば、電気陰性度を低くすることができるので、ｄの下限値を広げることができると考えられる。

［試験２]
Ｂａ_0.45Ｒｕ_0.55Ｏを成長制御層として、その膜厚を変化させたサンプルを作製し、ＰＺＴ膜の結晶性の成長制御層の膜厚依存性について調べた。作製方法は、上記サンプルの作製方法と同様とし、成長制御層の膜厚のみ、０．５ｎｍ～１７０ｎｍの間で変化させた。

各サンプルの圧電体層について、上記のＰＺＴ結晶性評価と同様にして、パイロクロア相のＸＲＤ強度を測定した。得られた結果を図５に示す。図５は、成長制御層の膜厚とパイロクロア相の反射強度との関係を示すグラフである。

図５に示すように、膜厚を０．６３ｎｍ以上とすることで、十分なパイロクロア相の抑制効果を得ることができることが分かった。

また、各サンプルの圧電体層について、ＰＺＴ結晶性評価と同様にしてＸＲＤ測定を行った。ここでは、取得したデータからペロブスカイト構造の（１００）によるＸＲＤ強度を算出した。ペロブスカイト構造の（１００）のピーク強度が高いほど、良好な結晶性のペロブスカイト型酸化物が得られていることを意味する。得られた結果を図６に示す。図６は、成長制御層の膜厚とペロブスカイト構造の（１００）のＸＲＤ強度との関係を示すグラフである。

図６に示すように、膜厚５ｎｍ程度で回折強度がピークとなり、最も結晶性が良好な圧電体層を得ることができることが分かった。膜厚が５ｎｍを超えて厚くなるにつれて回折強度が低下している。ＸＲＤ強度が１×１０^４ｃｐｓ以上のより結晶性の良いペロブスカイト型酸化物を得るには、膜厚４０ｎｍ以下とすることが好ましい。

以上の結果から、成長制御層の膜厚は０．６３ｎｍ以上、１７０ｎｍ以下が好ましく、さらには、０．６３ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることが好ましいことが明らかである。

［成膜温度についての考察］
上記試験１で作製したサンプルのうち、一例として、サンプルＮｏ．５のＢａ_0.45Ｒｕ_0.55Ｏ_ｅ、サンプルＮｏ．２５のＳｒ_0.46Ｒｕ_0.54Ｏ_ｅ、を成長制御層とした場合ついて、異なる成膜温度で成膜して得られたＰＺＴ膜の、成膜温度とパイロクロア相のＸＲＤ強度との関係を図６に示す。なお、図７中には、比較として、成長制御層を備えず、下部電極層上に直接ＰＺＴ膜を成膜した場合についても示している。

成長制御層を備えていない場合には、７５０℃でパイロクロア相を比較的抑えたＰＺＴ膜を得ることができたが、パイロクロア相をなくすことはできなかった。図７に示すように、サンプルＮｏ．５においてパイロクロア相のない良好なペロブスカイト構造を得られる最低温度（ＰＺＴ成膜温度）は５５０℃、サンプルＮｏ．２５では６００℃であった。成長制御層を備えることで、パイロクロア相を抑制すると同時に、成膜温度を低くすることができることが明らかである。また、電気陰性度が本開示の条件を満たすサンプルＮｏ．５は５２５℃の成膜温度においてもパイロクロア相を十分抑制したＰＺＴ膜を得ることが可能であった。本開示の技術によれば、このように、パイロクロア相を抑制する効果に加え、成膜温度を大幅に低下させることができるという効果が得られる。低い成膜温度で成膜できることにより、さらに温度制御が簡単になり、製造コストを抑制することが可能となる。

［検証実験１］
Ｂａ_0.45Ｒｕ_0.55Ｏを成長制御層として用いた場合、Ｓｒ_0.46Ｒｕ_0.54Ｏを成長制御層として用いた場合、及び成長制御層を備えなかった場合について、Ｐｂ量が異なるＰＺＴ膜を形成し、ペロブスカイト構造を得ることができる範囲について調べた。
作製方法は、上記サンプルの作製方法と同様とした。但し、Ｐｂ量の異なる複数のターゲットを用意し、様々なＰｂ量のＰＺＴ膜を成膜した。

表４において、Ｐｂ量が異なるＰＺＴ膜毎に、基板温度５２５～７５０℃の範囲でペロブスカイト構造のサンプルが複数得られた場合には、最も結晶性が良好なサンプルについて評価した。結晶性の評価は上記と同様の基準で行った。作製しなかった、あるいは評価していないものについては表４中「－」を示している。ペロブスカイトの結晶性は、上記と同様に、ＸＲＤを用いてパイロクロア相のＸＲＤ強度を算出して、評価した。

表４に示すように、電気陰性度＜０．９５を満たすＢａ_0.45Ｒｕ_0.55Ｏを成長制御層として用いた場合、Ｓｒ_0.46Ｒｕ_0.54Ｏの場合、あるいは、成長制御層がない場合と比較して、ＰＺＴ膜におけるＰｂ量の範囲を非常に広い範囲で設定可能であった。このようにパイロクロア相を抑えて良好なペロブスカイト構造のＰＺＴ膜を成膜可能なＰｂ量の範囲が広いため、本開示の圧電素子を適用するデバイス毎に適切な圧電性を有する圧電体膜を備えた圧電素子を提供することが可能となる。

１ 圧電素子
１０ 基板
１２ 下部電極層
１４ 成長制御層
１６ 圧電体層
１８ 上部電極層

Claims (12)

1. 基板上に、下部電極層、成長制御層、鉛を含有するペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電体層、及び上部電極層をこの順に備えた圧電素子であって、
   前記成長制御層が、下記一般式（１）で表される金属酸化物を含み、
   Ｍ_ｄＮ_１－ｄＯ_ｅ （１）
   Ｍは前記ペロブスカイト型酸化物に置換可能な１以上の金属元素からなり、かつ、電気陰性度が０．９５未満であり、
   Ｎは、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｉｒ，Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＳｂからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とし、
   Ｏは酸素元素であり、
   ｄ、ｅは組成比を示し、０＜ｄ＜１であって、前記電気陰性度をＸとした場合、
   １．４１Ｘ－１．０５≦ｄ≦Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０
   Ａ１＝１．６８×１０^１２，ｔ１＝０．０３０６，ｙ０＝０．５９９５８であり、
   前記成長制御層は、ペロブスカイト構造及び酸素八面体構造を有さず、前記圧電体層と格子マッチングしない構造を有する圧電素子。
2. 前記一般式（１）のＭが、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｄ、及びＢｉのからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記一般式（１）のＭがＢａを主成分として含む、請求項１に記載の圧電素子。
4. 前記一般式（１）のＭがＢａである請求項１に記載の圧電素子。
5. ０．２≦ｄ
   である請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電素子。
6. ０．３≦ｄ
   である請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電素子。
7. ０．４５≦ｄ
   である請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電素子。
8. 前記成長制御層の膜厚が０．６３ｎｍ以上１７０ｎｍ以下である請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子。
9. 前記成長制御層の膜厚が０．６３ｎｍ以上４０ｎｍ以下である請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子。
10. 前記一般式（１）のＮがＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、及びＮｂからなる群より選択される請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電素子。
11. 前記成長制御層はアモルファス構造である、請求項１から１０の何れか１項に記載の圧電素子。
12. 基板上に、下部電極層、成長制御層、鉛を含有するペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電体層、及び上部電極層をこの順に備えた圧電素子の作製方法であって、
    前記成長制御層を構成する金属酸化物として、下記一般式（１）で表される金属酸化物を決定する工程を含み、
    Ｍ _ｄ Ｎ _１－ｄ Ｏ _ｅ （１）
    Ｍは前記ペロブスカイト型酸化物のＡサイトに置換可能な１以上の金属元素からなり、かつ、電気陰性度が０．９５未満であり、
    Ｎは、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｉｒ，Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｂからなる群より選択される少なくとも１つを主成分とする金属元素であり、
    Ｏは酸素元素であり、
    ｄ及びｅはそれぞれ組成比を示し、０＜ｄ＜１であり、
    前記工程において、
    前記金属元素Ｍの前記電気陰性度をＸとした場合に、前記金属元素Ｍ及び前記組成比ｄを、
    １．４１Ｘ－１．０５≦ｄ≦Ａ１・ｅｘｐ（－Ｘ／ｔ１）＋ｙ０
    Ａ１＝１．６８×１０ ^１２ ，ｔ１＝０．０３０６，ｙ０＝０．５９９５８、
    の条件式に基づいて決定する、
    圧電素子の作製方法。

Images