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JP2018081975A - Membrane structure and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2018081975A JP2016222047A JP2016222047A JP2018081975A JP 2018081975 A JP2018081975 A JP 2018081975A JP 2016222047 A JP2016222047 A JP 2016222047A JP 2016222047 A JP2016222047 A JP 2016222047A JP 2018081975 A JP2018081975 A JP 2018081975A
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健 木島
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Abstract

【課題】シリコン基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体において、圧電膜の圧電定数を増加させることができる膜構造体を提供する。【解決手段】膜構造体の製造方法は、シリコン基板としての基板11上にジルコニウムを含む膜を形成する(b)工程と、(b)工程の後、基板11上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む配向膜12bを形成する(c)工程と、を有する。また、当該膜構造体の製造方法は、配向膜12b上にエピタキシャル成長した白金を含む導電膜13を形成する(d)工程と、導電膜13上にエピタキシャル成長した圧電膜15を形成する(e)工程と、を有する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film structure capable of increasing the piezoelectric constant of a piezoelectric film in a film structure having a conductive film formed on a silicon substrate and a piezoelectric film formed on the conductive film. A method for manufacturing a film structure includes a step (b) of forming a film containing zirconium on a substrate 11 as a silicon substrate, and a step (b) containing zirconium oxide epitaxially grown on the substrate 11 after the step (b). It has the step (c) of forming the alignment film 12b. Further, the method for producing the film structure includes a step (d) of forming a conductive film 13 containing platinum epitaxially grown on the alignment film 12b and a step (e) of forming an epitaxially grown piezoelectric film 15 on the conductive film 13. And have. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、膜構造体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane structure and a manufacturing method thereof.

基板と、基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体として、基板と、基板上に形成された白金を含む導電膜と、導電膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、即ちPb(Zr1−xTi)O(0<x<1)を含む圧電膜と、を有する膜構造体が知られている。このような膜構造体を加工して圧電素子が形成される。この膜構造体が有する基板として、シリコン基板を用いることができる。 As a film structure having a substrate, a conductive film formed on the substrate, and a piezoelectric film formed on the conductive film, the substrate, a conductive film containing platinum formed on the substrate, and the conductive film And a piezoelectric film containing lead zirconate titanate (PZT), that is, Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1), is known. A piezoelectric element is formed by processing such a film structure. A silicon substrate can be used as a substrate included in the film structure.

特開2015−154015号公報(特許文献1)には、強誘電体セラミックスにおいて、(200)に配向したZrO膜と、ZrO膜上に形成され、(200)に配向したPt膜と、Pt膜上に形成された圧電体膜と、を具備する技術が開示されている。 In JP-A-2015-154015 (Patent Document 1), in a ferroelectric ceramic, a ZrO 2 film oriented in (200), a Pt film formed on the ZrO 2 film and oriented in (200), A technology including a piezoelectric film formed on a Pt film is disclosed.

特開2015−154015号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2015-154015

シリコン基板上に酸化ジルコニウム(ZrO)膜を直接形成する場合、形成されたZrO膜の結晶性が低くなり、ZrO膜を良好にエピタキシャル成長できない場合がある。このような場合、ZrO膜上に導電膜を良好にエピタキシャル成長させることができず、導電膜上に圧電膜を良好にエピタキシャル成長させることができない。PZTを含む圧電膜では、例えば分極方向に平行な方向、又は、分極方向と一定の角度を有する方向に沿った電界が印加される場合に、圧電定数が大きい。そのため、圧電膜が良好にエピタキシャル成長していない場合、圧電膜全体で分極方向が揃わないため、圧電膜の圧電定数を増加させることができず、圧電素子の特性が低下する。 When a zirconium oxide (ZrO 2 ) film is directly formed on a silicon substrate, the crystallinity of the formed ZrO 2 film is lowered, and the ZrO 2 film may not be epitaxially grown satisfactorily. In such a case, the conductive film cannot be favorably epitaxially grown on the ZrO 2 film, and the piezoelectric film cannot be favorably epitaxially grown on the conductive film. In a piezoelectric film including PZT, for example, when an electric field is applied along a direction parallel to the polarization direction or a direction having a certain angle with the polarization direction, the piezoelectric constant is large. Therefore, if the piezoelectric film is not epitaxially grown well, the polarization direction is not uniform throughout the piezoelectric film, so that the piezoelectric constant of the piezoelectric film cannot be increased, and the characteristics of the piezoelectric element deteriorate.

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、シリコン基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体において、圧電膜の圧電定数を増加させることができる膜構造体を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and has a film structure including a conductive film formed on a silicon substrate and a piezoelectric film formed on the conductive film. An object of the present invention is to provide a film structure that can increase the piezoelectric constant of the piezoelectric film.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明の一態様としての膜構造体の製造方法は、シリコン基板を用意する(a)工程と、シリコン基板上にジルコニウムを含む第1膜を形成する(b)工程と、(b)工程の後、シリコン基板上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む第2膜を形成する(c)工程と、を有する。また、膜構造体の製造方法は、第2膜上にエピタキシャル成長した白金を含む第1導電膜を形成する(d)工程と、第1導電膜上にエピタキシャル成長した圧電膜を形成する(e)工程と、を有する。   The manufacturing method of the film structure as one aspect of the present invention includes a step (a) of preparing a silicon substrate, a step (b) of forming a first film containing zirconium on the silicon substrate, and a step (b). And (c) forming a second film containing zirconium oxide epitaxially grown on the silicon substrate. The method for manufacturing a film structure includes a step (d) of forming a first conductive film containing platinum epitaxially grown on the second film, and a step (e) of forming a piezoelectric film epitaxially grown on the first conductive film. And having.

また、他の一態様として、シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有してもよい。(c)工程では、主面上にエピタキシャル成長し、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第2膜を形成し、(d)工程では、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む第1導電膜を形成してもよい。   As another aspect, the silicon substrate may have a main surface made of a (100) plane. In the step (c), a second film is formed by epitaxial growth on the main surface and having a cubic crystal structure and containing (100) oriented zirconium oxide. In the step (d), a cubic crystal is formed. A first conductive film having platinum and containing (100) -oriented platinum may be formed.

また、他の一態様として、(b)工程では、第1膜を蒸着法により形成し、(c)工程では、第2膜を蒸着法により形成してもよい。   As another embodiment, in the step (b), the first film may be formed by a vapor deposition method, and in the step (c), the second film may be formed by a vapor deposition method.

また、他の一態様として、(b)工程では、5〜10nmの厚さを有する第1膜を、650〜700℃の温度で形成してもよい。   As another aspect, in the step (b), a first film having a thickness of 5 to 10 nm may be formed at a temperature of 650 to 700 ° C.

また、他の一態様として、(c)工程では、500〜600℃の温度で第2膜を形成してもよい。   As another aspect, in the step (c), the second film may be formed at a temperature of 500 to 600 ° C.

また、他の一態様として、(c)工程では、8〜12nmの厚さを有する第2膜を形成してもよい。   As another aspect, in the step (c), a second film having a thickness of 8 to 12 nm may be formed.

また、他の一態様として、(e)工程では、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電膜を形成してもよい。   As another embodiment, in the step (e), a piezoelectric film having a tetragonal crystal structure and containing (001) -oriented lead zirconate titanate may be formed.

また、他の一態様として、(e)工程では、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電膜を形成してもよい。   As another embodiment, in the step (e), a piezoelectric film having a rhombohedral crystal structure and containing (100) -oriented lead zirconate titanate may be formed.

また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、圧電膜上に第2導電膜を形成する(f)工程を有してもよい。   As another aspect, the method for manufacturing a film structure may include a step (f) of forming a second conductive film on the piezoelectric film.

本発明の一態様としての膜構造体は、シリコン基板と、シリコン基板上に形成されたジルコニウムを含む第1膜と、第1膜上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む第2膜と、第2膜上にエピタキシャル成長した白金を含む第1導電膜と、第1導電膜上にエピタキシャル成長した圧電膜と、を有する。   A film structure as one embodiment of the present invention includes a silicon substrate, a first film containing zirconium formed on the silicon substrate, a second film containing zirconium oxide epitaxially grown on the first film, and a second film A first conductive film containing platinum epitaxially grown thereon; and a piezoelectric film epitaxially grown on the first conductive film.

また、他の一態様として、シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有し、第2膜は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含み、第1導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含んでもよい。   As another aspect, the silicon substrate has a main surface made of a (100) plane, the second film has a cubic crystal structure and includes (100) -oriented zirconium oxide, The first conductive film may include platinum having a cubic crystal structure and (100) orientation.

また、他の一態様として、第1膜は、5〜10nmの厚さを有し、第2膜は、8〜12nmの厚さを有してもよい。   As another aspect, the first film may have a thickness of 5 to 10 nm, and the second film may have a thickness of 8 to 12 nm.

また、他の一態様として、圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含んでもよい。   As another embodiment, the piezoelectric film may have a tetragonal crystal structure and may contain (001) -oriented lead zirconate titanate.

また、他の一態様として、圧電膜は、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含んでもよい。   As another embodiment, the piezoelectric film may include rhombohedral crystal structure and (100) -oriented lead zirconate titanate.

また、他の一態様として、当該膜構造体は、圧電膜上に形成された第2導電膜を有してもよい。   As another aspect, the film structure may include a second conductive film formed on the piezoelectric film.

本発明の一態様を適用することで、シリコン基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体において、圧電膜の圧電定数を増加させることができる。   By applying one embodiment of the present invention, the piezoelectric constant of a piezoelectric film can be increased in a film structure including a conductive film formed over a silicon substrate and a piezoelectric film formed over the conductive film. it can.

実施の形態の膜構造体の断面図である。It is sectional drawing of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体が上部電極としての導電膜を有する場合の、膜構造体の断面図である。It is sectional drawing of a film structure in case the film structure of embodiment has the electrically conductive film as an upper electrode. 実施の形態の膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長した状態を説明する図である。It is a figure explaining the state which the orientation film contained in the film structure of an embodiment epitaxially grew. 膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長していない状態を説明する図である。It is a figure explaining the state where the orientation film contained in a film structure has not grown epitaxially. 実施の形態の膜構造体の配向膜が二層構造を有する場合の、膜構造体の断面図である。It is sectional drawing of a film | membrane structure in case the orientation film of the film | membrane structure of embodiment has a two-layer structure. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment. 実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。It is sectional drawing of the film | membrane structure of the modification of embodiment. ZrO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a theta-2 [Theta] spectrum by XRD Method membrane structure to the ZrO 2 film is formed. ZrO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a theta-2 [Theta] spectrum by XRD Method membrane structure to the ZrO 2 film is formed. 実施例1〜20のθ−2θスペクトルで観察されたピークを、Zr膜の厚さ、及び、Zr膜を形成する際の基板温度で分類して整理した表を示す。The table | surface which classified and arranged the peak observed by the (theta) -2 (theta) spectrum of Examples 1-20 according to the thickness of the Zr film | membrane and the substrate temperature at the time of forming a Zr film | membrane is shown. 実施例21〜40のθ−2θスペクトルで観察されたピークを、Zr膜の厚さ、及び、Zr膜を形成する際の基板温度で分類して整理した表を示す。The table | surface which classified and arranged the peak observed by the (theta) -2 (theta) spectrum of Examples 21-40 according to the thickness of Zr film | membrane and the substrate temperature at the time of forming Zr film | membrane is shown. 実施例41〜60のθ−2θスペクトルで観察されたピークを、Zr膜の厚さ、及び、Zr膜を形成する際の基板温度で分類して整理した表を示す。The table | surface which classified and arranged the peak observed by the (theta) -2 (theta) spectrum of Examples 41-60 according to the thickness of the Zr film | membrane and the substrate temperature at the time of forming a Zr film | membrane is shown. SRO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of theta-2theta spectrum by the XRD method of the film | membrane structure in which even the SRO film | membrane was formed. PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of (theta) -2 (theta) spectrum by the XRD method of the film | membrane structure in which even the PZT film | membrane was formed.

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。   It should be noted that the disclosure is merely an example, and those skilled in the art can easily conceive of appropriate modifications while maintaining the gist of the invention are naturally included in the scope of the present invention. In addition, the drawings may be schematically represented with respect to the width, thickness, shape, and the like of each part as compared with the embodiments for the sake of clarity of explanation, but are merely examples, and the interpretation of the present invention is not limited thereto. It is not limited.

また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。   In addition, in the present specification and each drawing, elements similar to those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description may be omitted as appropriate.

更に、実施の形態で用いる図面においては、構造物を区別するために付したハッチング(網掛け)を図面に応じて省略する場合もある。   Furthermore, in the drawings used in the embodiments, hatching (shading) added to distinguish structures may be omitted depending on the drawings.

(実施の形態)
<膜構造体>
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態の膜構造体について説明する。図1は、実施の形態の膜構造体の断面図である。図2は、実施の形態の膜構造体が上部電極としての導電膜を有する場合の、膜構造体の断面図である。
(Embodiment)
<Membrane structure>
First, a film structure according to an embodiment which is an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of the film structure according to the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the film structure when the film structure of the embodiment has a conductive film as an upper electrode.

図1に示すように、本実施の形態の膜構造体10は、基板11と、配向膜12と、導電膜13と、導電膜14と、圧電膜15と、を有する。配向膜12は、基板11上に形成されている。導電膜13は、配向膜12上に形成されている。導電膜14は、導電膜13上に形成されている。圧電膜15は、導電膜14上に形成されている。   As shown in FIG. 1, the film structure 10 of the present embodiment includes a substrate 11, an alignment film 12, a conductive film 13, a conductive film 14, and a piezoelectric film 15. The alignment film 12 is formed on the substrate 11. The conductive film 13 is formed on the alignment film 12. The conductive film 14 is formed on the conductive film 13. The piezoelectric film 15 is formed on the conductive film 14.

なお、図2に示すように、本実施の形態の膜構造体10は、導電膜16を有してもよい。導電膜16は、圧電膜15上に形成されている。このとき、導電膜13及び14は、下部電極としての導電膜であり、導電膜16は、上部電極としての導電膜である。これにより、圧電膜15に、厚さ方向に電界を印加することができる。   As shown in FIG. 2, the film structure 10 of the present embodiment may include a conductive film 16. The conductive film 16 is formed on the piezoelectric film 15. At this time, the conductive films 13 and 14 are conductive films as lower electrodes, and the conductive film 16 is a conductive film as upper electrodes. Thereby, an electric field can be applied to the piezoelectric film 15 in the thickness direction.

基板11は、例えばシリコン(Si)単結晶よりなるシリコン基板である。なお、基板11は、主面としての上面11aを有する。   The substrate 11 is a silicon substrate made of, for example, silicon (Si) single crystal. The substrate 11 has an upper surface 11a as a main surface.

配向膜12は、例えば基板11の上面11a上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウム(ZrO)を含む。導電膜13は、金属を含み、例えば配向膜12上にエピタキシャル成長した白金(Pt)を含む。導電膜14は、導電膜13上にエピタキシャル成長している。圧電膜15は、導電膜14上にエピタキシャル成長している。 The alignment film 12 includes, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ) epitaxially grown on the upper surface 11 a of the substrate 11. The conductive film 13 contains a metal, for example, platinum (Pt) epitaxially grown on the alignment film 12. The conductive film 14 is epitaxially grown on the conductive film 13. The piezoelectric film 15 is epitaxially grown on the conductive film 14.

ここで、基板11の主面としての上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向としたとき、ある膜がエピタキシャル成長しているとは、その膜が、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向のいずれの方向にも配向していることを意味する。   Here, when two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a as the main surface of the substrate 11 are an X-axis direction and a Y-axis direction, and a direction perpendicular to the upper surface 11a is a Z-axis direction, a film is epitaxially grown. The term “has” means that the film is oriented in any of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.

基板11上に配向膜12がエピタキシャル成長せず、配向膜12上に導電膜13がエピタキシャル成長していない場合、導電膜13上に導電膜14をエピタキシャル成長させることができず、導電膜14上に圧電膜15をエピタキシャル成長させることができない。圧電膜15では、例えば分極方向に平行な方向、又は、分極方向と一定の角度を有する方向に沿った電界が印加される場合に、圧電定数d33及びd31が大きい。そのため、圧電膜15がエピタキシャル成長していない場合、圧電膜15全体で分極方向が揃わないため、圧電膜15の圧電定数d33及びd31を増加させることができず、圧電素子の特性が低下する。   When the alignment film 12 is not epitaxially grown on the substrate 11 and the conductive film 13 is not epitaxially grown on the alignment film 12, the conductive film 14 cannot be epitaxially grown on the conductive film 13, and the piezoelectric film is formed on the conductive film 14. 15 cannot be epitaxially grown. In the piezoelectric film 15, for example, when an electric field is applied along a direction parallel to the polarization direction or a direction having a certain angle with the polarization direction, the piezoelectric constants d33 and d31 are large. Therefore, when the piezoelectric film 15 is not epitaxially grown, the polarization directions are not uniform throughout the piezoelectric film 15, so that the piezoelectric constants d33 and d31 of the piezoelectric film 15 cannot be increased, and the characteristics of the piezoelectric element deteriorate.

一方、本実施の形態では、基板11上に配向膜12がエピタキシャル成長し、配向膜12上に導電膜13がエピタキシャル成長しているので、導電膜13上に導電膜14をエピタキシャル成長させることができ、導電膜14上に圧電膜15をエピタキシャル成長させることができる。そのため、圧電膜15全体で分極方向を揃えることができ、圧電膜15の圧電定数d33及びd31を増加させることができ、圧電素子の特性を向上させることができる。   On the other hand, in this embodiment, since the alignment film 12 is epitaxially grown on the substrate 11 and the conductive film 13 is epitaxially grown on the alignment film 12, the conductive film 14 can be epitaxially grown on the conductive film 13. The piezoelectric film 15 can be epitaxially grown on the film 14. Therefore, the polarization direction can be made uniform throughout the piezoelectric film 15, the piezoelectric constants d33 and d31 of the piezoelectric film 15 can be increased, and the characteristics of the piezoelectric element can be improved.

好適には、導電膜14は、金属酸化物を含み、配向膜12上にエピタキシャル成長したルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO、以下、SROともいう。)を含む。また、圧電膜15は、導電膜13上に、導電膜14を介してエピタキシャル成長したチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1)、以下、PZTともいう。)を含む。 Preferably, the conductive film 14 includes a metal oxide and includes strontium ruthenate (SrRuO 3 , also referred to as SRO hereinafter) epitaxially grown on the alignment film 12. In addition, the piezoelectric film 15 is composed of lead zirconate titanate (Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1), hereinafter referred to as PZT) epitaxially grown on the conductive film 13 via the conductive film 14. Say).

圧電膜15がPZTを含むことにより、圧電膜15の圧電定数を、圧電膜15がPZTを含まない場合に比べ、大きくすることができる。   When the piezoelectric film 15 includes PZT, the piezoelectric constant of the piezoelectric film 15 can be increased as compared with the case where the piezoelectric film 15 does not include PZT.

また、導電膜14に含まれるSROが、圧電膜15に含まれるPZTの結晶構造であるペロブスカイト構造と同様の結晶構造を有する。そのため、圧電膜15に含まれるPZTが一定の方向に配向しやすくなる。また、圧電膜15に含まれるPZTが、正方晶の結晶構造、又は、菱面体晶の結晶構造を有するので、圧電膜15に含まれるPZTが一定の方向に配向しやすくなり、分極方向が一定の方向に揃いやすくなって、圧電特性が向上する。   Further, the SRO included in the conductive film 14 has a crystal structure similar to the perovskite structure that is the crystal structure of PZT included in the piezoelectric film 15. Therefore, PZT contained in the piezoelectric film 15 is easily oriented in a certain direction. In addition, since PZT included in the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure or a rhombohedral crystal structure, the PZT included in the piezoelectric film 15 is easily oriented in a certain direction, and the polarization direction is constant. It becomes easy to align in the direction, and the piezoelectric characteristics are improved.

なお、後述する図12を用いて説明するように、膜構造体10は、導電膜14を有さなくてもよく、圧電膜15は、導電膜13上に直接形成されていてもよい。この場合、圧電膜15は、SROを含む導電膜14上に形成されている場合に比べれば配向しにくくはなるものの、白金を含む導電膜13上でも一定の方向に配向することができる。   As will be described later with reference to FIG. 12, the film structure 10 may not have the conductive film 14, and the piezoelectric film 15 may be directly formed on the conductive film 13. In this case, the piezoelectric film 15 is not easily oriented as compared with the case where it is formed on the conductive film 14 containing SRO, but can be oriented in a certain direction even on the conductive film 13 containing platinum.

好適には、基板11に含まれるシリコン単結晶は、立方晶の結晶構造において(100)面よりなる主面としての上面11aを有する。配向膜12に含まれる酸化ジルコニウム(ZrO)は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向している。導電膜13に含まれる白金(Pt)は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向している。 Preferably, the silicon single crystal included in the substrate 11 has an upper surface 11a as a main surface made of a (100) plane in a cubic crystal structure. Zirconium oxide (ZrO 2 ) contained in the alignment film 12 has a cubic crystal structure and is (100) -oriented. Platinum (Pt) contained in the conductive film 13 has a cubic crystal structure and is (100) -oriented.

これにより、導電膜14に含まれるSROが疑立方晶の結晶構造を有する場合に、導電膜14を基板11上で(100)配向させることができる。また、圧電膜15に含まれるPZTが、正方晶の結晶構造を有する場合に、圧電膜15を基板11上で(001)配向させることができ、圧電膜15に含まれるPZTが、菱面体晶の結晶構造を有する場合に、圧電膜15を基板11上で(100)配向させることができる。   Thereby, when the SRO contained in the conductive film 14 has a pseudo-cubic crystal structure, the conductive film 14 can be (100) -oriented on the substrate 11. In addition, when the PZT included in the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure, the piezoelectric film 15 can be (001) -oriented on the substrate 11, and the PZT included in the piezoelectric film 15 is rhombohedral. The piezoelectric film 15 can be (100) oriented on the substrate 11 when having the crystal structure of

ここで、配向膜12が(100)配向している、とは、立方晶の結晶構造を有する配向膜12の(100)面が、シリコン単結晶よりなる基板11の、(100)面よりなる主面としての上面11aに沿っていることを意味する。また、配向膜12が(100)配向している、とは、好適には、配向膜12の(100)面が、シリコン単結晶よりなる基板11の、(100)面よりなる上面11aに平行であることを意味する。また、配向膜12の(100)面が基板11の(100)面よりなる上面11aに平行であるとは、配向膜12の(100)面が基板11の上面11aに完全に平行な場合のみならず、基板11の上面11aに完全に平行な面と配向膜12の(100)面とのなす角度が20°以下であるような場合を含む。   Here, the alignment film 12 is (100) -oriented. The (100) plane of the alignment film 12 having a cubic crystal structure is the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal. It means that it is along the upper surface 11a as a main surface. In addition, the alignment film 12 is preferably (100) -oriented. Preferably, the (100) plane of the alignment film 12 is parallel to the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal. It means that. In addition, the (100) plane of the alignment film 12 is parallel to the upper surface 11 a made of the (100) plane of the substrate 11 only when the (100) plane of the alignment film 12 is completely parallel to the upper surface 11 a of the substrate 11. In addition, the case where the angle formed by the plane completely parallel to the upper surface 11a of the substrate 11 and the (100) plane of the alignment film 12 is 20 ° or less is included.

なお、バルク材料としての酸化ジルコニウムは、室温では単斜晶の結晶構造を有し、室温から温度を上昇させると、約1170℃で相転移して正方晶の結晶構造を有するようになり、更に温度を上昇させると、約2370℃で相転移して立方晶の結晶構造を有するようになる。しかし、配向膜12に含まれる酸化ジルコニウムは、上下の膜又は基板から応力が印加されているため、配向膜12に含まれる酸化ジルコニウムの相転移の挙動は、バルク材料としての酸化ジルコニウムの相転移の挙動とは異なる。また、配向膜12の厚さが数10nm程度以下と薄いため、配向膜12に含まれる酸化ジルコニウムの結晶構造が、正方晶の結晶構造か、立方晶の結晶構造かを精度良く区別することは困難である。   Zirconium oxide as a bulk material has a monoclinic crystal structure at room temperature, and when the temperature is increased from room temperature, the phase transition occurs at about 1170 ° C. to have a tetragonal crystal structure. When the temperature is raised, a phase transition occurs at about 2370 ° C. and a cubic crystal structure is obtained. However, since the stress is applied to the zirconium oxide contained in the alignment film 12 from the upper and lower films or the substrate, the behavior of the phase transition of zirconium oxide contained in the alignment film 12 is the phase transition of zirconium oxide as a bulk material. The behavior is different. Further, since the alignment film 12 is as thin as several tens of nm or less, it is possible to accurately distinguish whether the crystal structure of zirconium oxide contained in the alignment film 12 is a tetragonal crystal structure or a cubic crystal structure. Have difficulty.

従って、以下では、配向膜12に含まれる酸化ジルコニウムが正方晶の結晶構造を有する場合を、当該酸化ジルコニウムが立方晶の結晶構造を有する場合とみなすことがある。即ち、本願明細書では、配向膜12に含まれる酸化ジルコニウムが立方晶の結晶構造を有する場合には、実際に立方晶の結晶構造を有する場合と、実際には立方晶の結晶構造ではなく正方晶の結晶構造を有する場合と、が含まれるものとする。   Therefore, hereinafter, the case where the zirconium oxide included in the alignment film 12 has a tetragonal crystal structure may be regarded as the case where the zirconium oxide has a cubic crystal structure. In other words, in the present specification, when the zirconium oxide contained in the alignment film 12 has a cubic crystal structure, the zirconium oxide actually has a cubic crystal structure, and actually has a square rather than a cubic crystal structure. And a crystal structure of a crystal.

また、同様に、以下では、導電膜14に含まれるSROが、斜方晶の結晶構造を有する場合を、当該SROが擬立方晶の結晶構造を有する場合とみなし、更に、当該SROが立方晶の結晶構造を有する場合とみなすことがある。即ち、本願明細書では、導電膜14に含まれるSROが立方晶の結晶構造を有する場合には、実際に立方晶の結晶構造を有する場合と、実際には立方晶の結晶構造ではなく斜方晶、即ち擬立方晶の結晶構造を有する場合と、が含まれるものとする。   Similarly, in the following, the case where the SRO included in the conductive film 14 has an orthorhombic crystal structure is regarded as the case where the SRO has a pseudo-cubic crystal structure. It may be considered that it has a crystal structure of That is, in the present specification, when the SRO included in the conductive film 14 has a cubic crystal structure, the SRO actually has a cubic crystal structure, and the actual SRO is not a cubic crystal structure. And a case of having a pseudo-cubic crystal structure.

好適には、圧電膜15は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向している。Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1)におけるxが0.48<x<1を満たすことにより、圧電膜15に含まれるPZTが、正方晶の結晶構造を有し、エピタキシャル成長しやすくなり、(001)配向しやすくなる。そして、正方晶の結晶構造を有するPZTが(001)配向している場合、[001]方向に平行な分極方向と、圧電膜15の厚さ方向に平行な電界方向とが互いに平行になるので、圧電特性が向上する。即ち、正方晶の結晶構造を有するPZTでは、[001]方向に沿った電界が印加される場合に、大きな圧電定数d33及びd31が得られる。そのため、圧電膜15の圧電定数を、更に大きくすることができる。 Preferably, the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure and is (001) -oriented. When P in Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1) satisfies 0.48 <x <1, the PZT included in the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure. Epitaxial growth becomes easier and (001) orientation becomes easier. When PZT having a tetragonal crystal structure is (001) oriented, the polarization direction parallel to the [001] direction and the electric field direction parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 15 are parallel to each other. The piezoelectric characteristics are improved. That is, in PZT having a tetragonal crystal structure, large piezoelectric constants d33 and d31 are obtained when an electric field along the [001] direction is applied. Therefore, the piezoelectric constant of the piezoelectric film 15 can be further increased.

或いは、好適には、圧電膜15は、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向している。Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1)におけるxが0.20<x≦0.48を満たすことにより、圧電膜15に含まれるPZTが、菱面体晶の結晶構造を有し、エピタキシャル成長しやすくなり、(100)配向しやすくなる。そして、菱面体晶の結晶構造を有するPZTが(100)配向している場合、当該PZTは、いわゆるエンジニアードドメイン構造を有し、[111]方向と等価な各方向に平行な分極方向と、圧電膜15の厚さ方向に平行な電界方向との角度が、いずれの分極ドメインでも互いに等しくなるので、圧電特性が向上する。即ち、菱面体晶の結晶構造を有するPZTでは、[100]方向に沿った電界が印加される場合に、大きな圧電定数d33及びd31が得られる。そのため、圧電膜15の圧電特性を、更に大きくすることができる。 Alternatively, the piezoelectric film 15 preferably has a rhombohedral crystal structure and is (100) -oriented. When P in Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1) satisfies 0.20 <x ≦ 0.48, the PZT contained in the piezoelectric film 15 has a rhombohedral crystal structure. It becomes easy to grow epitaxially and (100) orientation becomes easy. When PZT having a rhombohedral crystal structure is (100) oriented, the PZT has a so-called engineered domain structure, and a polarization direction parallel to each direction equivalent to the [111] direction, Since the angle with the electric field direction parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 15 becomes equal in any polarization domain, the piezoelectric characteristics are improved. That is, in PZT having a rhombohedral crystal structure, large piezoelectric constants d33 and d31 are obtained when an electric field along the [100] direction is applied. Therefore, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 15 can be further increased.

図3は、実施の形態の膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長した状態を説明する図である。一方、図4は、膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長していない状態を説明する図である。なお、図3では、基板11、配向膜12、導電膜13及び14、並びに、圧電膜15の各層を、模式的に示し、図4では、基板11及び配向膜12を、模式的に示している。   FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the alignment film included in the film structure according to the embodiment is epitaxially grown. On the other hand, FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the alignment film included in the film structure is not epitaxially grown. In FIG. 3, each layer of the substrate 11, the alignment film 12, the conductive films 13 and 14, and the piezoelectric film 15 is schematically shown. In FIG. 4, the substrate 11 and the alignment film 12 are schematically shown. Yes.

基板11に含まれるSiの格子定数、配向膜12に含まれるZrOの格子定数、導電膜13に含まれるPtの格子定数、導電膜14に含まれるSROの格子定数、圧電膜15に含まれるPZTの格子定数を、表1に示す。 The lattice constant of Si included in the substrate 11, the lattice constant of ZrO 2 included in the alignment film 12, the lattice constant of Pt included in the conductive film 13, the lattice constant of SRO included in the conductive film 14, and included in the piezoelectric film 15. Table 1 shows the lattice constant of PZT.

Figure 2018081975
Figure 2018081975

表1に示すように、Siの格子定数は、0.543nmであり、ZrOの格子定数は、0.514nmであり、Siの格子定数に対するZrOの格子定数の不整合は5.3%と小さいため、Siの格子定数に対するZrOの格子定数の整合性がよい。そのため、図3に示すように、ZrOを含む配向膜12を、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面よりなる主面上にエピタキシャル成長させることができる。従って、ZrOを含む配向膜12を、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、配向膜12の結晶性を向上させることができる。 As shown in Table 1, the lattice constant of Si is 0.543 nm, the lattice constant of ZrO 2 is 0.514 nm, and the mismatch of the lattice constant of ZrO 2 with respect to the lattice constant of Si is 5.3%. Therefore, the consistency of the lattice constant of ZrO 2 with respect to the lattice constant of Si is good. Therefore, as shown in FIG. 3, the alignment film 12 containing ZrO 2 can be epitaxially grown on the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal. Therefore, the alignment film 12 containing ZrO 2 can be (100) oriented in a cubic crystal structure on the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal, thereby improving the crystallinity of the orientation film 12. be able to.

また、表1に示すように、ZrOの格子定数は、0.514nmであり、Ptの格子定数は、0.392nmであるものの、Ptが平面内で45°回転すると、対角線の長さは、0.554nmとなり、ZrOの格子定数に対する当該対角線の長さの不整合は7.8%と小さいため、ZrOの格子定数に対するPtの格子定数の整合性がよい。そのため、図3に示すように、Ptを含む導電膜13を、ZrOを含む配向膜12の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、導電膜13の結晶性を向上させることができる。 As shown in Table 1, the lattice constant of ZrO 2 is 0.514 nm and the lattice constant of Pt is 0.392 nm, but when Pt rotates 45 ° in the plane, the length of the diagonal line is 0.554 nm, and the mismatch of the length of the diagonal line with respect to the lattice constant of ZrO 2 is as small as 7.8%. Therefore, the lattice constant of Pt with respect to the lattice constant of ZrO 2 is good. Therefore, as shown in FIG. 3, the conductive film 13 containing Pt can be (100) oriented with a cubic crystal structure on the (100) plane of the orientation film 12 containing ZrO 2. The crystallinity of can be improved.

また、表1に示すように、Ptの格子定数は、0.392nmであり、SROの格子定数は、0.390〜0.393nmであり、Ptの格子定数に対するSROの格子定数の不整合は0.51%以下と小さいため、Ptの格子定数に対するSROの格子定数の整合性がよい。そのため、SROを含む導電膜14を、Ptを含む導電膜13の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、導電膜14の結晶性を向上させることができる。   Further, as shown in Table 1, the lattice constant of Pt is 0.392 nm, the lattice constant of SRO is 0.390 to 0.393 nm, and the mismatch of the lattice constant of SRO with respect to the lattice constant of Pt is Since it is as small as 0.51% or less, the consistency of the lattice constant of SRO with the lattice constant of Pt is good. Therefore, the conductive film 14 containing SRO can be (100) oriented with a cubic crystal structure on the (100) plane of the conductive film 13 containing Pt, and the crystallinity of the conductive film 14 can be improved. it can.

また、表1に示すように、SROの格子定数は、0.390〜0.393nmであり、PZTの格子定数は、0.401nmであり、SROの格子定数に対するPZTの格子定数の不整合は2.0〜2.8%と小さいため、SROの格子定数に対するPZTの格子定数の整合性がよい。そのため、PZTを含む圧電膜15を、SROを含む導電膜14の(100)面上に、正方晶の結晶構造で(001)配向、又は、菱面体晶の結晶構造で(100)配向させることができ、圧電膜15の結晶性を向上させることができる。   Further, as shown in Table 1, the lattice constant of SRO is 0.390 to 0.393 nm, the lattice constant of PZT is 0.401 nm, and the mismatch of the lattice constant of PZT with respect to the lattice constant of SRO is Since it is as small as 2.0 to 2.8%, the consistency of the lattice constant of PZT with that of SRO is good. Therefore, the piezoelectric film 15 containing PZT is oriented on the (100) plane of the conductive film 14 containing SRO with a (001) orientation with a tetragonal crystal structure or a (100) orientation with a rhombohedral crystal structure. The crystallinity of the piezoelectric film 15 can be improved.

一方、図4に示すように、ZrOを含む配向膜12が、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面よりなる主面上にエピタキシャル成長していない状態では、例えばZrOを含む配向膜12は、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面上に、例えば立方晶の結晶構造で(111)配向している。そのため、配向膜12の結晶性を向上させることができない。 On the other hand, as shown in FIG. 4, in the state where the alignment film 12 containing ZrO 2 is not epitaxially grown on the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal, for example, the alignment film containing ZrO 2 12 is (111) -oriented in the crystal structure of, for example, a cubic crystal on the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal. Therefore, the crystallinity of the alignment film 12 cannot be improved.

また、図4に示すように、ZrOを含む配向膜12が、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面よりなる主面上にエピタキシャル成長していない状態では、図4では図示を省略するものの、Ptを含む導電膜13は、例えば立方晶の結晶構造で(111)配向している。そのため、導電膜13の結晶性を向上させることができない。そして、Ptを含む導電膜13が、例えば立方晶の結晶構造で(111)配向している状態では、SROを含む導電膜14を、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができず、PZTを含む圧電膜15を、正方晶の結晶構造で(001)配向、又は、菱面体晶の結晶構造で(100)配向させることができない。 Further, as shown in FIG. 4, in the state where the alignment film 12 containing ZrO 2 is not epitaxially grown on the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 containing silicon single crystal, the illustration is omitted in FIG. However, the conductive film 13 containing Pt has, for example, a cubic crystal structure and (111) orientation. Therefore, the crystallinity of the conductive film 13 cannot be improved. When the conductive film 13 containing Pt is in a (111) orientation with a cubic crystal structure, for example, the conductive film 14 containing SRO cannot be (100) oriented in a cubic crystal structure. The piezoelectric film 15 containing PZT cannot be (001) oriented with a tetragonal crystal structure or (100) oriented with a rhombohedral crystal structure.

好適には、配向膜12は、13〜22nmの厚さを有する。配向膜12の厚さが13nm未満の場合、配向膜12の厚さが薄すぎるため、基板11上に配向膜12がエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12の厚さが13nm未満の場合、配向膜12の一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, the alignment film 12 has a thickness of 13 to 22 nm. When the thickness of the alignment film 12 is less than 13 nm, since the thickness of the alignment film 12 is too thin, the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12 on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the thickness of the alignment film 12 is less than 13 nm, a part of the alignment film 12 is not (100) oriented but (111) oriented.

また、配向膜12の厚さが22nmを超える場合も、配向膜12の厚さが厚すぎるため、基板11上に配向膜12がエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12の厚さが22nmを超える場合も、配向膜12の一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Even when the thickness of the alignment film 12 exceeds 22 nm, since the alignment film 12 is too thick, the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12 on the substrate 11 is reduced. Therefore, even when the thickness of the alignment film 12 exceeds 22 nm, a part of the alignment film 12 is not (100) aligned but (111) aligned.

図5は、実施の形態の膜構造体の配向膜が二層構造を有する場合の、膜構造体の断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the film structure when the alignment film of the film structure of the embodiment has a two-layer structure.

配向膜12は、膜12aと、配向膜12bと、を含んでもよい。膜12aは、基板11上に形成されたジルコニウムを含むが、膜12aに含まれるジルコニウムは、酸化されておらず、金属ジルコニウムである。即ち、膜12aは、ジルコニウムを含む金属膜である。一方、配向膜12bは、膜12a上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む。従って、図1及び図2に示した配向膜12は、図5に示す配向膜12bに相当する。   The alignment film 12 may include a film 12a and an alignment film 12b. The film 12a contains zirconium formed on the substrate 11, but the zirconium contained in the film 12a is not oxidized and is metallic zirconium. That is, the film 12a is a metal film containing zirconium. On the other hand, the alignment film 12b contains zirconium oxide epitaxially grown on the film 12a. Therefore, the alignment film 12 shown in FIGS. 1 and 2 corresponds to the alignment film 12b shown in FIG.

配向膜12bが、膜12aを介して基板11上に形成される場合、配向膜12bが、膜12aを介さずに基板11上に形成される場合よりも、エピタキシャル成長しやすくなる。そのため、ZrOを含む配向膜12bを、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面よりなる主面としての上面11a上に、より安定してエピタキシャル成長させることができる。従って、ZrOを含む配向膜12を、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面上に、より安定して(100)配向させることができ、配向膜12の結晶性をより向上させることができる。 When the alignment film 12b is formed on the substrate 11 via the film 12a, the epitaxial growth is easier than when the alignment film 12b is formed on the substrate 11 without the film 12a. Therefore, the alignment film 12b containing ZrO 2 can be more stably epitaxially grown on the upper surface 11a as the main surface made of the (100) surface of the substrate 11 containing silicon single crystal. Therefore, the alignment film 12 containing ZrO 2 can be more stably (100) oriented on the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal, and the crystallinity of the alignment film 12 is further improved. Can do.

ただし、ZrOを含む配向膜12bが形成される際に、膜12aに含まれるZrが酸化されることにより、膜12aが消滅して配向膜12bになることがある。このような場合には、図1に示すように、基板11上に配向膜12bが直接形成され、基板11上に直接形成された配向膜12bのみを含む配向膜12が形成されることになる。 However, when the alignment film 12b containing ZrO 2 is formed, the film 12a may disappear and become the alignment film 12b due to oxidation of Zr contained in the film 12a. In such a case, as shown in FIG. 1, the alignment film 12b is formed directly on the substrate 11, and the alignment film 12 including only the alignment film 12b formed directly on the substrate 11 is formed. .

好適には、膜12aは、5〜10nmの厚さを有する。膜12aの厚さが5nm未満の場合、膜12aの厚さが薄すぎるため、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、膜12aの厚さが5nm未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, the film 12a has a thickness of 5 to 10 nm. When the thickness of the film 12a is less than 5 nm, since the thickness of the film 12a is too thin, the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the thickness of the film 12a is less than 5 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

また、膜12aの厚さが10nmを超える場合も、膜12aの厚さが厚すぎるため、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、膜12aの厚さが10nmを超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Even when the thickness of the film 12a exceeds 10 nm, the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced because the film 12a is too thick. Therefore, even when the thickness of the film 12a exceeds 10 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

好適には、配向膜12bは、8〜12nmの厚さを有する。配向膜12bの厚さが8nm未満の場合、配向膜12bの厚さが薄すぎるため、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12bの厚さが8nm未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, the alignment film 12b has a thickness of 8 to 12 nm. When the thickness of the alignment film 12b is less than 8 nm, the thickness of the alignment film 12b is too thin, so that the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the thickness of the alignment film 12b is less than 8 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) aligned but (111) aligned.

また、配向膜12bの厚さが12nmを超える場合も、配向膜12bの厚さが厚すぎるため、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12bの厚さが12nmを超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Also, when the thickness of the alignment film 12b exceeds 12 nm, the alignment film 12b is too thick, so that the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, even when the thickness of the alignment film 12b exceeds 12 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) aligned but (111) aligned.

なお、本実施の形態の膜構造体10は、導電膜14及び圧電膜15を有さず、基板11と、配向膜12と、導電膜13と、のみを有するものでもよい。このような場合でも、膜構造体10上に、圧電膜15と、上部電極としての導電膜16が形成されることにより、導電膜13と導電膜16とにより上下から挟まれた圧電膜15を有する圧電素子を容易に形成することができる。   Note that the film structure 10 of the present embodiment does not include the conductive film 14 and the piezoelectric film 15 but may include only the substrate 11, the alignment film 12, and the conductive film 13. Even in such a case, the piezoelectric film 15 sandwiched between the conductive film 13 and the conductive film 16 from above and below is formed by forming the piezoelectric film 15 and the conductive film 16 as the upper electrode on the film structure 10. The piezoelectric element which has can be formed easily.

<膜構造体の製造方法>
次に、本実施の形態の膜構造体の製造方法を説明する。図6〜図11は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
<Method for producing membrane structure>
Next, a method for manufacturing the film structure of the present embodiment will be described. 6-11 is sectional drawing in the manufacturing process of the film | membrane structure of embodiment.

まず、図6に示すように、シリコン基板としての基板11を用意する(ステップS1)。   First, as shown in FIG. 6, a substrate 11 as a silicon substrate is prepared (step S1).

好適には、基板11は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)面よりなる主面としての上面11aを有する。また、基板11の上面11a上には、自然酸化膜としてのSiO膜などの酸化膜が形成されていてもよい。 Preferably, the substrate 11 has a cubic crystal structure and has an upper surface 11a as a main surface made of a (100) plane. An oxide film such as a SiO 2 film as a natural oxide film may be formed on the upper surface 11 a of the substrate 11.

なお、基板11として、シリコン基板以外の各種の基板を用いることができ、例えばシリコン以外の各種の半導体単結晶よりなる基板などを用いることができる。   Note that various substrates other than a silicon substrate can be used as the substrate 11, and for example, a substrate made of various semiconductor single crystals other than silicon can be used.

図6に示すように、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向とする。   As shown in FIG. 6, two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction, and a direction perpendicular to the upper surface 11a is defined as Z Axial direction.

次に、図7に示すように、膜12aを形成する(ステップS2)。このステップS2では、基板11上に、ジルコニウムを含む膜12aを形成する。   Next, as shown in FIG. 7, a film 12a is formed (step S2). In step S <b> 2, a film 12 a containing zirconium is formed on the substrate 11.

ステップS2では、電子ビーム蒸着法を用いて配向膜12を形成する場合を例示して説明するが、例えばスパッタリング法など各種の方法を用いて形成することができる。   In step S2, the case where the alignment film 12 is formed by using an electron beam evaporation method will be described as an example. However, the alignment film 12 can be formed by using various methods such as a sputtering method.

ステップS2では、まず、基板11を、電子ビーム蒸着装置の真空チャンバー内に設置し、真空チャンバー内の圧力を、例えば2.1×10−5Paなどの一定の真空雰囲気下に調整した状態で、基板11を例えば600〜750℃に加熱する。 In step S2, first, the substrate 11 is placed in a vacuum chamber of an electron beam evaporation apparatus, and the pressure in the vacuum chamber is adjusted in a constant vacuum atmosphere such as 2.1 × 10 −5 Pa. The substrate 11 is heated to 600 to 750 ° C., for example.

ステップS2では、次に、ジルコニウム(Zr)単結晶の蒸着材料を用いた電子ビーム蒸着法によりZrを蒸発させる。このとき、蒸発したZrが、ジルコニウム(Zr)膜となって成膜される。そして、基板11上に、例えば20nm以下の厚さを有するジルコニウムを含む膜12aが形成される。なお、膜12aに含まれるジルコニウムは、酸化されておらず、金属ジルコニウムである。即ち、膜12aは、ジルコニウムを含む金属膜である。   Next, in step S2, Zr is evaporated by an electron beam vapor deposition method using a zirconium (Zr) single crystal vapor deposition material. At this time, the evaporated Zr is formed as a zirconium (Zr) film. Then, a film 12 a containing zirconium having a thickness of, for example, 20 nm or less is formed on the substrate 11. Note that zirconium contained in the film 12a is not oxidized and is metallic zirconium. That is, the film 12a is a metal film containing zirconium.

好適には、ステップS2では、5〜10nmの厚さを有する膜12aを形成する。膜12aの厚さが5nm未満の場合、膜12aの厚さが薄くなり、基板11上に配向膜12b(後述する図8参照)がエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、膜12aの厚さが5nm未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, in step S2, a film 12a having a thickness of 5 to 10 nm is formed. When the thickness of the film 12a is less than 5 nm, the thickness of the film 12a is reduced, and the effect of facilitating epitaxial growth of the alignment film 12b (see FIG. 8 described later) on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the thickness of the film 12a is less than 5 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

また、膜12aの厚さが10nmを超える場合も、膜12aの厚さが厚くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、膜12aの厚さが10nmを超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Even when the thickness of the film 12a exceeds 10 nm, the thickness of the film 12a is increased, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, even when the thickness of the film 12a exceeds 10 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

好適には、ステップS2では、膜12aを、650〜700℃の温度で形成する。基板11の温度が650℃未満の場合、基板11の温度が低くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、基板11の温度が650℃未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, in step S2, the film 12a is formed at a temperature of 650 to 700 ° C. When the temperature of the substrate 11 is lower than 650 ° C., the temperature of the substrate 11 is lowered, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the temperature of the substrate 11 is lower than 650 ° C., a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

また、基板11の温度が700℃を超える場合、基板11の温度が高くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、基板11の温度が700℃を超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Further, when the temperature of the substrate 11 exceeds 700 ° C., the temperature of the substrate 11 is increased, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Accordingly, even when the temperature of the substrate 11 exceeds 700 ° C., a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

次に、図8に示すように、配向膜12bを形成する(ステップS3)。このステップS3では、膜12a上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む配向膜12bを形成する。   Next, as shown in FIG. 8, an alignment film 12b is formed (step S3). In this step S3, an alignment film 12b containing zirconium oxide epitaxially grown on the film 12a is formed.

ステップS3においても、ステップS2と同様に、電子ビーム蒸着法を用いて配向膜12を形成する場合を例示して説明するが、例えばスパッタリング法など各種の方法を用いて形成することができる。   In step S3, as in step S2, the case where the alignment film 12 is formed using an electron beam evaporation method will be described as an example. However, the alignment film 12 can be formed using various methods such as a sputtering method.

ステップS3では、まず、基板11を、電子ビーム蒸着装置の真空チャンバー内に設置し、真空チャンバー内に、例えば10sccmの流量で酸素(O)ガスを流し、真空チャンバー内の圧力を例えば7.0×10−3Paに調整した状態で、基板11を例えば500〜600℃に加熱する。 In step S3, first, the substrate 11 is placed in a vacuum chamber of an electron beam vapor deposition apparatus, oxygen (O 2 ) gas is allowed to flow into the vacuum chamber at a flow rate of 10 sccm, for example, and the pressure in the vacuum chamber is set to 7. The substrate 11 is heated to, for example, 500 to 600 ° C. in a state adjusted to 0 × 10 −3 Pa.

ステップS3では、次に、ジルコニウム(Zr)単結晶の蒸着材料を用いた電子ビーム蒸着法によりZrを蒸発させる。このとき、蒸発したZrが膜12a上で酸素と反応することにより、酸化ジルコニウム(ZrO)膜となって成膜される。そして、単層膜としてのZrO膜よりなる配向膜12bが形成される。そして、ジルコニウムを含む膜12a上にエピタキシャル成長した、酸化ジルコニウムを含む配向膜12bが形成される。 Next, in step S3, Zr is evaporated by an electron beam vapor deposition method using a zirconium (Zr) single crystal vapor deposition material. At this time, evaporated Zr reacts with oxygen on the film 12a to form a zirconium oxide (ZrO 2 ) film. Then, an alignment film 12b made of a ZrO 2 film as a single layer film is formed. Then, an alignment film 12b containing zirconium oxide is formed by epitaxial growth on the film 12a containing zirconium.

配向膜12bは、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる主面としての上面11a上に、膜12aを介して、エピタキシャル成長する。配向膜12は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウム(ZrO)を含む。即ち、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる上面11a上に、膜12aを介して、(100)配向した酸化ジルコニウム(ZrO)を含む配向膜12が、形成される。 The alignment film 12b is epitaxially grown through the film 12a on the upper surface 11a as the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal. The alignment film 12 has a cubic crystal structure and includes (100) -oriented zirconium oxide (ZrO 2 ). In other words, the alignment film 12 containing (100) -oriented zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed on the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal through the film 12a.

前述した図6を用いて説明したように、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向とする。このとき、ある膜がエピタキシャル成長するとは、その膜が、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向のいずれの方向にも配向することを意味する。   As described with reference to FIG. 6 described above, the two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal are the X-axis direction and the Y-axis direction, and the upper surface 11a The vertical direction is taken as the Z-axis direction. At this time, that a certain film is epitaxially grown means that the film is oriented in any of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.

好適には、ステップS3では、8〜12nmの厚さを有する配向膜12bを形成する。配向膜12bの厚さが8nm未満の場合、配向膜12bの厚さが薄くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12bの厚さが8nm未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Preferably, in step S3, an alignment film 12b having a thickness of 8 to 12 nm is formed. When the thickness of the alignment film 12b is less than 8 nm, the thickness of the alignment film 12b is reduced, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, when the thickness of the alignment film 12b is less than 8 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) aligned but (111) aligned.

また、配向膜12bの厚さが12nmを超える場合も、配向膜12bの厚さが厚くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、配向膜12bの厚さが12nmを超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Also, when the thickness of the alignment film 12b exceeds 12 nm, the thickness of the alignment film 12b is increased, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 is reduced. Therefore, even when the thickness of the alignment film 12b exceeds 12 nm, a part of the alignment film 12b is not (100) aligned but (111) aligned.

前述したように、好適には、ステップS3では、配向膜12bを、500〜600℃の温度で形成する。基板11の温度が500℃未満の場合、基板11の温度が低くなり、例えば膜12a上でジルコニウム原子及び酸素原子が再配置されにくくなることなどにより、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、基板11の温度が500℃未満の場合、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   As described above, preferably, in step S3, the alignment film 12b is formed at a temperature of 500 to 600 ° C. When the temperature of the substrate 11 is less than 500 ° C., the temperature of the substrate 11 is lowered, and for example, it becomes difficult to rearrange zirconium atoms and oxygen atoms on the film 12 a, so that the alignment film 12 b easily grows epitaxially on the substrate 11. The effect becomes smaller. Accordingly, when the temperature of the substrate 11 is less than 500 ° C., a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

また、基板11の温度が600℃を超える場合、基板11の温度が高くなり、基板11上に配向膜12bがエピタキシャル成長しやすくなる効果が小さくなる。従って、基板11の温度が600℃を超える場合も、配向膜12bの一部が、(100)配向せず、(111)配向する。   Further, when the temperature of the substrate 11 exceeds 600 ° C., the temperature of the substrate 11 becomes high, and the effect of facilitating the epitaxial growth of the alignment film 12b on the substrate 11 becomes small. Therefore, even when the temperature of the substrate 11 exceeds 600 ° C., a part of the alignment film 12b is not (100) oriented but (111) oriented.

ZrOを含む配向膜12bが形成される際に、膜12aに含まれるZrが酸化されることにより、膜12aが消滅して配向膜12bになることがある。このような場合には、図9に示すように、基板11上に配向膜12bが直接形成され、基板11上に直接形成された配向膜12bのみを含む配向膜12が形成されることになる。そして、好適には、5〜10nmの厚さを有する膜12aと、8〜12nmの厚さを有する元々の配向膜12bとにより、合計13〜22nmの厚さを有する新たな配向膜12bを含む配向膜12が形成される。以後の説明では、図9に示すように、ステップS3において、基板11上に配向膜12bが直接形成された場合を例示して説明する。 When the alignment film 12b containing ZrO 2 is formed, the film 12a may disappear and become the alignment film 12b due to oxidation of Zr contained in the film 12a. In such a case, as shown in FIG. 9, the alignment film 12b is formed directly on the substrate 11, and the alignment film 12 including only the alignment film 12b formed directly on the substrate 11 is formed. . Preferably, a new alignment film 12b having a total thickness of 13 to 22 nm is included by the film 12a having a thickness of 5 to 10 nm and the original alignment film 12b having a thickness of 8 to 12 nm. An alignment film 12 is formed. In the following description, as shown in FIG. 9, the case where the alignment film 12b is directly formed on the substrate 11 in step S3 will be described as an example.

次に、図10に示すように、導電膜13を形成する(ステップS4)。このステップS4では、配向膜12b上にエピタキシャル成長した、下部電極の一部としての導電膜13を形成する。導電膜13は、金属よりなる。金属よりなる導電膜13として、例えば白金(Pt)を含む導電膜が用いられる。   Next, as shown in FIG. 10, a conductive film 13 is formed (step S4). In step S4, a conductive film 13 is formed as a part of the lower electrode, which is epitaxially grown on the alignment film 12b. The conductive film 13 is made of metal. For example, a conductive film containing platinum (Pt) is used as the conductive film 13 made of metal.

導電膜13として、Ptを含む導電膜を形成する場合、配向膜12上に、550℃以下の温度、好ましくは400℃の温度で、スパッタリング法により、エピタキシャル成長した導電膜13を、下部電極の一部として形成する。Ptを含む導電膜13は、配向膜12b上にエピタキシャル成長する。また、導電膜13に含まれる白金は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向する。   When a conductive film containing Pt is formed as the conductive film 13, the conductive film 13 epitaxially grown on the alignment film 12 by sputtering at a temperature of 550 ° C. or lower, preferably 400 ° C. Form as part. The conductive film 13 containing Pt is epitaxially grown on the alignment film 12b. Further, platinum contained in the conductive film 13 has a cubic crystal structure and is (100) -oriented.

なお、金属よりなる導電膜13として、白金(Pt)を含む導電膜に代えて、例えばイリジウム(Ir)を含む導電膜を用いることもできる。   For example, a conductive film containing iridium (Ir) can be used as the conductive film 13 made of metal instead of the conductive film containing platinum (Pt).

次に、図11に示すように、導電膜14を形成する(ステップS5)。このステップS5では、導電膜13上にエピタキシャル成長した、下部電極の一部としての導電膜14を形成する。導電膜14は、金属酸化物よりなる。金属酸化物よりなる導電膜14として、例えばルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:SRO)を含む導電膜が用いられる。 Next, as shown in FIG. 11, the conductive film 14 is formed (step S5). In this step S5, a conductive film 14 is formed as a part of the lower electrode, which is epitaxially grown on the conductive film 13. The conductive film 14 is made of a metal oxide. As the conductive film 14 made of a metal oxide, for example, a conductive film containing strontium ruthenate (SrRuO 3 : SRO) is used.

導電膜14として、SROを含む導電膜を形成する場合、導電膜13上に、600℃程度の温度で、スパッタリング法により、エピタキシャル成長した導電膜14を、下部電極の一部として形成する。SROを含む導電膜14は、導電膜13上にエピタキシャル成長する。また、導電膜14に含まれるSROは、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向する。   In the case where a conductive film containing SRO is formed as the conductive film 14, the conductive film 14 epitaxially grown on the conductive film 13 at a temperature of about 600 ° C. is formed as a part of the lower electrode. The conductive film 14 containing SRO is epitaxially grown on the conductive film 13. The SRO contained in the conductive film 14 has a cubic crystal structure and is (100) -oriented.

なお、金属酸化物よりなる導電膜14として、SROを含む導電膜に代えて、例えばチタン酸ルテニウム酸ストロンチウム(Sr(TiRu1−y)O(0≦y≦0.4))を含む導電膜を用いることもできる。 As the conductive film 14 made of metal oxide, for example, strontium titanate (Sr (Ti y Ru 1-y ) O 3 (0 ≦ y ≦ 0.4)) is used instead of the conductive film containing SRO. A conductive film including the conductive film can also be used.

次に、図1に示すように、圧電膜15を形成する(ステップS6)。このステップS6では、例えばゾルゲル法などの塗布法又はスパッタリング法により、導電膜14上に、エピタキシャル成長したチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1):PZT)を含む圧電膜15を形成する。 Next, as shown in FIG. 1, the piezoelectric film 15 is formed (step S6). In step S6, for example, by a coating method or a sputtering method such as a sol-gel method, on the conductive film 14, epitaxially grown lead zirconate titanate (Pb (Zr 1-x Ti x) O 3 (0 <x <1): A piezoelectric film 15 containing PZT) is formed.

また、ゾルゲル法により圧電膜15を形成する場合、ステップS6では、まず、導電膜14上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布することにより、PZTの前駆体を含む膜を形成する工程を、複数回繰り返す。これにより、互いに積層された複数の膜を含む膜を形成する。   When the piezoelectric film 15 is formed by the sol-gel method, in step S6, first, a film containing PZT precursor is formed on the conductive film 14 by applying a solution containing lead, zirconium, and titanium. The process is repeated multiple times. Thus, a film including a plurality of films stacked on each other is formed.

そして、ゾルゲル法により圧電膜15を形成する場合、ステップS6では、次に、膜を熱処理して前駆体を酸化して結晶化することにより、PZTを含む圧電膜15を形成する。   When the piezoelectric film 15 is formed by the sol-gel method, in step S6, the film is then heat-treated to oxidize and crystallize the precursor, thereby forming the piezoelectric film 15 containing PZT.

好適には、圧電膜15は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向する。Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1)におけるxが0.48<x<1を満たすことにより、圧電膜15に含まれるPZTが、正方晶の結晶構造を有し、エピタキシャル成長しやすくなり、(001)配向しやすくなる。そして、正方晶の結晶構造を有するPZTが(001)配向している場合、[001]方向に平行な分極方向と、圧電膜15の厚さ方向に平行な電界方向とが互いに平行になるので、圧電特性が向上する。即ち、正方晶の結晶構造を有するPZTでは、[001]方向に沿った電界が印加される場合に、大きな圧電定数d33及びd31が得られる。そのため、圧電膜15の圧電定数を、更に大きくすることができる。 Preferably, the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure and is (001) -oriented. When P in Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1) satisfies 0.48 <x <1, the PZT included in the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure. Epitaxial growth becomes easier and (001) orientation becomes easier. When PZT having a tetragonal crystal structure is (001) oriented, the polarization direction parallel to the [001] direction and the electric field direction parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 15 are parallel to each other. The piezoelectric characteristics are improved. That is, in PZT having a tetragonal crystal structure, large piezoelectric constants d33 and d31 are obtained when an electric field along the [001] direction is applied. Therefore, the piezoelectric constant of the piezoelectric film 15 can be further increased.

或いは、好適には、圧電膜15は、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向する。Pb(Zr1−xTi)O(0<x<1)におけるxが0.20<x≦0.48を満たすことにより、圧電膜15に含まれるPZTが、菱面体晶の結晶構造を有し、エピタキシャル成長しやすくなり、(100)配向しやすくなる。そして、菱面体晶の結晶構造を有するPZTが(100)配向している場合、当該PZTは、いわゆるエンジニアードドメイン構造を有し、[111]方向と等価な各方向に平行な分極方向と、圧電膜15の厚さ方向に平行な電界方向との角度が、いずれの分極ドメインでも互いに等しくなるので、圧電特性が向上する。即ち、菱面体晶の結晶構造を有するPZTでは、[100]方向に沿った電界が印加される場合に、大きな圧電定数d33及びd31が得られる。そのため、圧電膜15の圧電特性を、更に大きくすることができる。 Alternatively, the piezoelectric film 15 preferably has a rhombohedral crystal structure and is (100) -oriented. When P in Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1) satisfies 0.20 <x ≦ 0.48, the PZT contained in the piezoelectric film 15 has a rhombohedral crystal structure. It becomes easy to grow epitaxially and (100) orientation becomes easy. When PZT having a rhombohedral crystal structure is (100) oriented, the PZT has a so-called engineered domain structure, and a polarization direction parallel to each direction equivalent to the [111] direction, Since the angle with the electric field direction parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 15 becomes equal in any polarization domain, the piezoelectric characteristics are improved. That is, in PZT having a rhombohedral crystal structure, large piezoelectric constants d33 and d31 are obtained when an electric field along the [100] direction is applied. Therefore, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 15 can be further increased.

このようにして、図1に示す膜構造体10が形成される。なお、配向膜12bを形成する際に、膜12aが消滅せずに残る場合、図5に示す膜構造体10が形成される。   In this way, the film structure 10 shown in FIG. 1 is formed. When forming the alignment film 12b, if the film 12a remains without disappearing, the film structure 10 shown in FIG. 5 is formed.

シリコン基板としての基板11上に酸化ジルコニウム(ZrO)を含む配向膜12bを直接形成する場合、形成されたZrO膜の結晶性が低くなり、配向膜12bを良好にエピタキシャル成長できない場合がある。このような場合、配向膜12b上に導電膜13を良好にエピタキシャル成長させることができず、導電膜13上に圧電膜15を良好にエピタキシャル成長させることができない。圧電膜15では、例えば分極方向に平行な方向、又は、分極方向と一定の角度を有する方向に沿った電界が印加される場合に、圧電定数d33及びd31が大きい。そのため、圧電膜15が良好にエピタキシャル成長していない場合、圧電膜15全体で分極方向が揃わないため、圧電膜15の圧電定数d33及びd31を増加させることができず、圧電素子の特性が低下する。 When the alignment film 12b containing zirconium oxide (ZrO 2 ) is directly formed on the substrate 11 as a silicon substrate, the formed ZrO 2 film may have low crystallinity, and the alignment film 12b may not be satisfactorily epitaxially grown. In such a case, the conductive film 13 cannot be favorably epitaxially grown on the alignment film 12b, and the piezoelectric film 15 cannot be favorably epitaxially grown on the conductive film 13. In the piezoelectric film 15, for example, when an electric field is applied along a direction parallel to the polarization direction or a direction having a certain angle with the polarization direction, the piezoelectric constants d33 and d31 are large. Therefore, when the piezoelectric film 15 is not epitaxially grown well, the polarization direction is not uniform in the entire piezoelectric film 15, so that the piezoelectric constants d33 and d31 of the piezoelectric film 15 cannot be increased, and the characteristics of the piezoelectric element are deteriorated. .

一方、本実施の形態では、基板11上にジルコニウム(Zr)を含む膜12aを形成した後、基板11上にZrOを含む配向膜12bをエピタキシャル成長させる。膜12aに含まれるジルコニウムは、酸化されておらず、金属ジルコニウムである。このような場合、基板11上にZrOを含む配向膜12bを直接形成する場合に比べ、配向膜12を良好にエピタキシャル成長させることができる。そのため、配向膜12b上に導電膜13を良好にエピタキシャル成長させ、導電膜13上に圧電膜15を良好にエピタキシャル成長させることができる。従って、圧電膜15全体で分極方向を揃えることができ、圧電膜15の圧電定数d33及びd31を増加させることができ、圧電素子の特性を向上させることができる。 On the other hand, in this embodiment, after the film 12a containing zirconium (Zr) is formed on the substrate 11, the alignment film 12b containing ZrO 2 is epitaxially grown on the substrate 11. Zirconium contained in the film 12a is not oxidized and is metallic zirconium. In such a case, the alignment film 12 can be epitaxially grown better than when the alignment film 12b containing ZrO 2 is directly formed on the substrate 11. Therefore, the conductive film 13 can be favorably epitaxially grown on the alignment film 12b, and the piezoelectric film 15 can be favorably epitaxially grown on the conductive film 13. Therefore, the polarization direction can be made uniform throughout the piezoelectric film 15, the piezoelectric constants d33 and d31 of the piezoelectric film 15 can be increased, and the characteristics of the piezoelectric element can be improved.

なお、圧電膜15を形成した後、ステップS7として、圧電膜15上に、上部電極としての導電膜16(図2参照)を形成してもよい。これにより、圧電膜15上に厚さ方向に電界を印加することができる。   In addition, after forming the piezoelectric film 15, you may form the electrically conductive film 16 (refer FIG. 2) as an upper electrode on the piezoelectric film 15 as step S7. Thereby, an electric field can be applied on the piezoelectric film 15 in the thickness direction.

<実施の形態の変形例>
実施の形態では、図1に示したように、導電膜13上に導電膜14を介して圧電膜15が形成されていた。しかし、導電膜13上に、導電膜14を介さずに圧電膜15が直接形成されていてもよい。このような例を、実施の形態の変形例として説明する。
<Modification of Embodiment>
In the embodiment, as shown in FIG. 1, the piezoelectric film 15 is formed on the conductive film 13 via the conductive film 14. However, the piezoelectric film 15 may be directly formed on the conductive film 13 without using the conductive film 14. Such an example will be described as a modification of the embodiment.

図12は、実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a film structure according to a modification of the embodiment.

図12に示すように、本変形例の膜構造体10は、基板11と、配向膜12と、導電膜13と、圧電膜15と、を有する。配向膜12は、基板11上に形成されている。導電膜13は、配向膜12上に形成されている。圧電膜15は、導電膜13上に形成されている。   As shown in FIG. 12, the film structure 10 of the present modification includes a substrate 11, an alignment film 12, a conductive film 13, and a piezoelectric film 15. The alignment film 12 is formed on the substrate 11. The conductive film 13 is formed on the alignment film 12. The piezoelectric film 15 is formed on the conductive film 13.

即ち、本変形例の膜構造体10は、導電膜13上に、導電膜14(図1参照)を介さずに圧電膜15が直接形成されている点を除いて、実施の形態の膜構造体10と同様である。   That is, the film structure 10 of the present modification is the same as that of the embodiment except that the piezoelectric film 15 is directly formed on the conductive film 13 without the conductive film 14 (see FIG. 1). It is the same as the body 10.

Ptを含む導電膜13上に、SROを含む導電膜14(図1参照)を介さずにPZTを含む圧電膜15が形成されている場合、Ptを含む導電膜13上に、SROを含む導電膜14(図1参照)を介してPZTを含む圧電膜15が形成されている場合に比べ、圧電膜15の結晶性は低下する。しかし、Ptを含む導電膜13上に、SROを含む導電膜14(図1参照)を介さずにPZTを含む圧電膜15が形成されている場合も、配向膜12上に導電膜13が配向又はエピタキシャル成長しやすい。そのため、導電膜13上に形成される圧電膜15もある程度配向又はエピタキシャル成長しやすくなり、圧電膜15の結晶性をある程度向上させることができる。   When the piezoelectric film 15 containing PZT is formed on the conductive film 13 containing Pt without the conductive film 14 containing SRO (see FIG. 1), the conductive material containing SRO is formed on the conductive film 13 containing Pt. Compared with the case where the piezoelectric film 15 containing PZT is formed through the film 14 (see FIG. 1), the crystallinity of the piezoelectric film 15 is lowered. However, even when the piezoelectric film 15 containing PZT is formed on the conductive film 13 containing Pt without the conductive film 14 containing SRO (see FIG. 1), the conductive film 13 is oriented on the orientation film 12. Or it is easy to grow epitaxially. Therefore, the piezoelectric film 15 formed on the conductive film 13 is also easily oriented or epitaxially grown to some extent, and the crystallinity of the piezoelectric film 15 can be improved to some extent.

なお、本変形例の膜構造体10も、実施の形態の膜構造体10と同様に、導電膜16(図2参照)を有してもよい。   Note that the film structure 10 of the present modification may also include the conductive film 16 (see FIG. 2), similar to the film structure 10 of the embodiment.

以下、実施例に基づいて本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail based on examples. The present invention is not limited to the following examples.

(実施例1〜60)
以下では、実施の形態で図1を用いて説明した膜構造体10を、実施例1〜60の膜構造体として形成した。また、実施例1〜60の膜構造体は、膜12a(図7参照)の厚さ、膜12aを形成する際の基板温度、及び、配向膜12b(図8参照)を形成する際の基板温度の各々を変更しながら形成したものである。
(Examples 1 to 60)
Below, the film | membrane structure 10 demonstrated using Embodiment in FIG. 1 was formed as a film | membrane structure of Examples 1-60. The film structures of Examples 1 to 60 are the thickness of the film 12a (see FIG. 7), the substrate temperature when forming the film 12a, and the substrate when forming the alignment film 12b (see FIG. 8). It is formed while changing each of the temperatures.

まず、図6に示したように、基板11として、(100)面よりなる主面としての上面11aを有し、6インチのシリコン基板よりなるウェハを用意した。   First, as shown in FIG. 6, a wafer having a top surface 11 a as a main surface made of a (100) surface and made of a 6-inch silicon substrate was prepared as the substrate 11.

次に、図7に示したように、基板11上に、膜12aとして、ジルコニウム(Zr)膜を、電子ビーム蒸着法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 : 電子ビーム蒸着装置
圧力 : 2.10×10−5Pa
蒸着源 : Zr
加速電圧/エミッション電流 : 7.5kV/1.50mA
厚さ : 20nm以下
成膜速度 : 0.005nm/s
酸素流量 : 0sccm
基板温度 : 600〜750℃
Next, as shown in FIG. 7, a zirconium (Zr) film was formed as a film 12a on the substrate 11 by an electron beam evaporation method. The conditions at this time are shown below.
Apparatus: Electron beam deposition apparatus Pressure: 2.10 × 10 −5 Pa
Deposition source: Zr
Acceleration voltage / emission current: 7.5kV / 1.50mA
Thickness: 20 nm or less Deposition rate: 0.005 nm / s
Oxygen flow rate: 0 sccm
Substrate temperature: 600-750 ° C

次に、図8に示したように、配向膜12として、酸化ジルコニウム(ZrO)膜を、電子ビーム蒸着法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 : 電子ビーム蒸着装置
圧力 : 7.00×10−3Pa
蒸着源 : Zr+O
加速電圧/エミッション電流 : 7.5kV/1.80mA
厚さ : 10nm
成膜速度 : 0.005nm/s
酸素流量 : 10sccm
基板温度 : 500〜600℃
Next, as shown in FIG. 8, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film was formed as the alignment film 12 by an electron beam evaporation method. The conditions at this time are shown below.
Apparatus: Electron beam vapor deposition apparatus Pressure: 7.00 × 10 −3 Pa
Vapor deposition source: Zr + O 2
Acceleration voltage / emission current: 7.5kV / 1.80mA
Thickness: 10nm
Deposition rate: 0.005 nm / s
Oxygen flow rate: 10 sccm
Substrate temperature: 500-600 ° C

ここで、実施例1〜60の各実施例におけるZr膜の厚さ、Zr膜を形成する際の基板温度、及び、ZrO膜を形成する際の基板温度を、表2〜表4に示す。表2に示す実施例1〜20は、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合である。表3に示す実施例21〜40は、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合である。そして、表4に示す実施例41〜60は、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合である。なお、前述したように、実施例1〜60の各実施例におけるZrO膜の厚さは、10nmである。また、表2〜表4では、ZrO膜の結晶性の評価結果を、一重丸と二重丸とにより示す。二重丸の場合、一重丸の場合よりも、結晶性が高いことを示す。 Here, the thickness of the Zr film, the substrate temperature when forming the Zr film, and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film in each of Examples 1 to 60 are shown in Tables 2 to 4. . Examples 1 to 20 shown in Table 2 are cases in which the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 500 ° C. Examples 21 to 40 shown in Table 3 are cases in which the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C. The examples 41-60 in Table 4, the substrate temperature in forming the ZrO 2 film has a case 600 ° C.. As described above, the thickness of the ZrO 2 film in each of Examples 1 to 60 is 10 nm. In Tables 2 to 4, the evaluation results of the crystallinity of the ZrO 2 film are shown by single circles and double circles. The double circle indicates higher crystallinity than the single circle.

Figure 2018081975
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実施例1〜60について、ZrO膜までが形成された膜構造体のX線回折(X-ray Diffraction:XRD)法によるθ−2θスペクトルを測定した。図13及び図14は、ZrO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。図13及び図14の各々のグラフの横軸は、角度2θを示し、図13及び図14の各々のグラフの縦軸は、X線の強度を示す。 For example 1 to 60, X-ray diffraction of the film structure to the ZrO 2 film was formed was measured with theta-2 [Theta] spectrum by (X-ray Diffraction XRD) method. FIG. 13 and FIG. 14 are graphs showing examples of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure formed up to the ZrO 2 film. The horizontal axis of each graph in FIGS. 13 and 14 represents the angle 2θ, and the vertical axis of each graph in FIGS. 13 and 14 represents the intensity of X-rays.

なお、図13は、Zr膜の厚さが7nmであり、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃であり、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃である場合を例示する。また、図14は、Zr膜の厚さが7nmであり、Zr膜を形成する際の基板温度が750℃であり、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃である場合を例示する。また、図13及び図14において、T−ZrOは、正方晶のZrOを意味し、M−ZrOは、単斜晶のZrOを意味する。なお、前述したように、正方晶のZrOが立方晶のZrOに含まれるものとする。 FIG. 13 illustrates the case where the thickness of the Zr film is 7 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is 700 ° C., and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C. . FIG. 14 illustrates the case where the thickness of the Zr film is 7 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is 750 ° C., and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C. . 13 and 14, T-ZrO 2 means tetragonal ZrO 2 , and M-ZrO 2 means monoclinic ZrO 2 . As described above, it is assumed that the ZrO 2 in tetragonal contained in ZrO 2 cubic.

図13に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するZrOの(200)に相当するピークが観察された。そのため、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したZrOを含むことが分かった。 In the example shown in FIG. 13, a peak corresponding to (200) of ZrO 2 having a tetragonal crystal structure was observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, it was found that the alignment film 12b includes a tetragonal crystal structure and includes (100) -oriented ZrO 2 .

また、図13に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するZrOの(200)に相当するピーク以外のピークは観察されなかった。そのため、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)面以外の面で配向したZrO、又は、単斜晶の結晶構造を有するZrOを、少なくとも検出限界以上の含有比としては含まないことが分かった。 In the example shown in FIG. 13, no peaks other than the peak corresponding to (200) of ZrO 2 having a tetragonal crystal structure were observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, the alignment film 12b has a tetragonal crystal structure and ZrO 2 oriented in a plane other than the (100) plane, or ZrO 2 having a monoclinic crystal structure is at least above the detection limit. It was found that the content ratio was not included.

一方、図14に示す例でも、θ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するZrOの(200)に相当するピークが観察された。そのため、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したZrOを含むことが分かった。 On the other hand, in the example shown in FIG. 14, a peak corresponding to (200) of ZrO 2 having a tetragonal crystal structure was observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, it was found that the alignment film 12b includes a tetragonal crystal structure and includes (100) -oriented ZrO 2 .

ただし、図14に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するZrOの(200)に相当するピーク以外のピークとして、正方晶の結晶構造を有するZrOの(111)に相当するピーク、及び、単斜晶の結晶構造を有するZrOの(111)に相当するピークが観察された。そのため、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したZrOに比べれば含有比としては少ないものの、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(111)配向したZrO、及び、単斜晶の結晶構造を有し、且つ、(111)配向したZrOを、ある程度含むことが分かった。 However, in the example shown in FIG. 14, in the θ-2θ spectrum, as a peak other than the peak corresponding to (200) of ZrO 2 having a tetragonal crystal structure, (111) of ZrO 2 having a tetragonal crystal structure is used. And a peak corresponding to (111) of ZrO 2 having a monoclinic crystal structure were observed. Therefore, the alignment film 12b has a tetragonal crystal structure and has a tetragonal crystal structure and a (111) orientation, although the content ratio is small as compared with (100) -oriented ZrO 2. ZrO 2 and a monoclinic crystal structure and (111) -oriented ZrO 2 were included to some extent.

前述したように、実施例1〜60の膜構造体は、Zr膜の厚さ、Zr膜を形成する際の基板温度、及び、ZrO膜を形成する際の基板温度の各々を変更して形成したものである。このような実施例1〜60の膜構造体について測定したθ−2θスペクトルにおいて観察されたピークを、Zr膜の厚さ、Zr膜を形成する際の基板温度、及び、ZrO膜を形成する際の基板温度で分類して整理した。図15〜図17は、実施例1〜60のθ−2θスペクトルで観察されたピークを、Zr膜の厚さ、及び、Zr膜を形成する際の基板温度で分類して整理した表を示す。図15〜図17の各々は、ZrO膜を形成する際の基板温度が、500℃、550℃及び600℃のいずれかである場合を示す。また、図15〜図17の各々の各列は、互いに異なるZr膜の厚さに対応し、図15〜図17の各々の各行は、互いに異なるZr膜を形成する際の基板温度に対応している。 As described above, in the film structures of Examples 1 to 60, the thickness of the Zr film, the substrate temperature when forming the Zr film, and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film were changed. Formed. Such a membrane structure peaks observed in the measured theta-2 [Theta] spectra for examples 1 to 60, the thickness of the Zr layer, the substrate temperature during the formation of the Zr layer, and to form a ZrO 2 film Sorted according to the substrate temperature at the time. 15 to 17 show tables in which the peaks observed in the θ-2θ spectra of Examples 1 to 60 are classified and arranged according to the thickness of the Zr film and the substrate temperature when forming the Zr film. . Each of FIGS. 15 to 17 shows a case where the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is any one of 500 ° C., 550 ° C., and 600 ° C. Further, each column in FIGS. 15 to 17 corresponds to a different Zr film thickness, and each row in FIGS. 15 to 17 corresponds to a substrate temperature at the time of forming different Zr films. ing.

まず、図15に示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合には、Zr膜の厚さが20nm以下で、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が600〜750℃の場合、(100)配向したZrOのピーク(図15においてZrO(200)と記載)が観察された。一方、図15では図示を省略するが、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合には、Zr膜の厚さが20nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が600℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が750℃を超える場合に、(100)配向したZrOのピークが観察されなかった。 First, as shown in FIG. 15, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 500 ° C., the thickness of the Zr film is 20 nm or less and the substrate temperature when forming the Zr film is 600. for to 750 ° C., (100) oriented ZrO 2 peaks (described as ZrO 2 (200) in FIG. 15) was observed. On the other hand, although not shown in FIG. 15, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 500 ° C., when the thickness of the Zr film exceeds 20 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is When the temperature was lower than 600 ° C. or when the substrate temperature at the time of forming the Zr film exceeded 750 ° C., the peak of (100) -oriented ZrO 2 was not observed.

また、図16に示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合には、Zr膜の厚さが20nm以下で、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が600〜750℃の場合、(100)配向したZrOのピーク(図16においてZrO(200)と記載)が観察された。一方、図16では図示を省略するが、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合には、Zr膜の厚さが20nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が600℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が750℃を超える場合に、(100)配向したZrOのピークが観察されなかった。 As shown in FIG. 16, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C., the thickness of the Zr film is 20 nm or less, and the substrate temperature when forming the Zr film is 600. In the case of ˜750 ° C., a (100) -oriented ZrO 2 peak (denoted as ZrO 2 (200) in FIG. 16) was observed. On the other hand, although not shown in FIG. 16, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C., the thickness of the Zr film exceeds 20 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is When the temperature was lower than 600 ° C. or when the substrate temperature at the time of forming the Zr film exceeded 750 ° C., the peak of (100) -oriented ZrO 2 was not observed.

また、図17に示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合には、Zr膜の厚さが20nm以下で、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が600〜750℃の場合、(100)配向したZrOのピーク(図17においてZrO(200)と記載)が観察された。一方、図17では図示を省略するが、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合には、Zr膜の厚さが20nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が600℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が750℃を超える場合に、(100)配向したZrOのピークが観察されなかった。 As shown in FIG. 17, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 600 ° C., the thickness of the Zr film is 20 nm or less, and the substrate temperature when forming the Zr film is 600. for to 750 ° C., (100) oriented ZrO 2 peaks (described as ZrO 2 (200) in FIG. 17) was observed. On the other hand, although not shown in FIG. 17, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 600 ° C., when the thickness of the Zr film exceeds 20 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is When the temperature was lower than 600 ° C. or when the substrate temperature at the time of forming the Zr film exceeded 750 ° C., the peak of (100) -oriented ZrO 2 was not observed.

また、図15〜図17では図示を省略するが、図15〜図17に示す実施例1〜60以外の実施例として、他の条件は全て同じにし、5nm又は20nmの厚さを有するZrO膜を形成した場合についても、10nmの厚さを有するZrO膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。 Although not shown in FIGS. 15 to 17, as examples other than Examples 1 to 60 shown in FIGS. 15 to 17, all other conditions are the same, and ZrO 2 having a thickness of 5 nm or 20 nm. When the film was formed, the same result as that obtained when the ZrO 2 film having a thickness of 10 nm was formed was obtained.

以上の結果より、少なくとも、20nm以下の厚さを有する、ジルコニウムを含む膜12aを、600〜750℃の温度で形成し、且つ、5〜20nmの厚さを有する酸化ジルコニウムを含む配向膜12bを、500〜600℃の温度で形成する場合に、(100)配向したZrOのピークが観察されることが分かった。このような場合、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムをより多く含む。 From the above results, a film 12a containing zirconium having a thickness of 20 nm or less is formed at a temperature of 600 to 750 ° C., and an alignment film 12b containing zirconium oxide having a thickness of 5 to 20 nm is formed. When forming at a temperature of 500 to 600 ° C., it was found that a (100) -oriented ZrO 2 peak was observed. In such a case, the alignment film 12b has a tetragonal crystal structure and contains more (100) -oriented zirconium oxide.

また、図15にハッチングを付して示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合には、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合、(100)配向したZrOのピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合には、Zr膜の厚さが5nm未満の場合、Zr膜の厚さが10nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が650℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃を超える場合に、ZrO(100)以外のピークが観察された。観察されたピークは、例えば(111)配向したZrOのピーク(図15においてZrO(111)と記載)、(111)配向したZrOのピーク(図15においてZrO(111)と記載)、(101)配向したZrOのピーク(図15においてZrO(101)と記載)であった。 Further, as shown by hatching in FIG. 15, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 500 ° C., the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the Zr film is formed. When the substrate temperature was 650 to 700 ° C., no peaks other than the (100) -oriented ZrO 2 peak were observed. On the other hand, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 500 ° C., when the thickness of the Zr film is less than 5 nm, when the thickness of the Zr film exceeds 10 nm, the substrate when forming the Zr film When the temperature was less than 650 ° C., or when the substrate temperature when forming the Zr film exceeded 700 ° C., peaks other than ZrO 2 (100) were observed. The observed peaks are, for example, the (111) -oriented ZrO 2 peak (described as ZrO 2 (111) in FIG. 15), the (111) -oriented Zr 3 O peak (Zr 3 O (111) in FIG. 15), and the like. Description) and (101) oriented Zr 3 O peak (denoted as Zr 3 O (101) in FIG. 15).

なお、ZrO膜を形成する際の基板温度が500℃の場合の上記の結果については、表2の「ZrO膜の結晶性」の欄には、以下のように示されている。即ち、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合(実施例7〜9、12〜14)、結晶性の評価結果が一重丸よりも優れた二重丸で示されている。一方、それ以外の場合(実施例1〜6、10、11、15〜20)、結晶性の評価結果が一重丸で示されている。 The above results when the substrate temperature at the time of forming the ZrO 2 film is 500 ° C. are shown in the column “ZrO 2 film crystallinity” in Table 2 as follows. That is, when the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the substrate temperature when forming the Zr film is 650 to 700 ° C. (Examples 7 to 9 and 12 to 14), the evaluation result of the crystallinity is single. It is shown as a double circle, which is better than a circle. On the other hand, in other cases (Examples 1 to 6, 10, 11, 15 to 20), the crystallinity evaluation results are indicated by single circles.

また、図16にハッチングを付して示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合には、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合、(100)配向したZrOのピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合には、Zr膜の厚さが5nm未満の場合、Zr膜の厚さが10nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が650℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃を超える場合に、ZrO(100)以外のピークが観察された。観察されたピークは、例えば(111)配向したZrOのピーク(図16においてZrO(111)と記載)、(111)配向したZrOのピーク(図16においてZrO(111)と記載)、(101)配向したZrOのピーク(図16においてZrO(101)と記載)であった。 In addition, as shown by hatching in FIG. 16, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C., the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the Zr film is formed. When the substrate temperature was 650 to 700 ° C., no peaks other than the (100) -oriented ZrO 2 peak were observed. On the other hand, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C., when the thickness of the Zr film is less than 5 nm, when the thickness of the Zr film exceeds 10 nm, the substrate when forming the Zr film When the temperature was less than 650 ° C., or when the substrate temperature when forming the Zr film exceeded 700 ° C., peaks other than ZrO 2 (100) were observed. The observed peaks are, for example, the (111) -oriented ZrO 2 peak (described as ZrO 2 (111) in FIG. 16), the (111) -oriented Zr 3 O peak (Zr 3 O (111) in FIG. 16) Description) and (101) oriented Zr 3 O peak (denoted as Zr 3 O (101) in FIG. 16).

なお、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃の場合の上記の結果については、表3の「ZrO膜の結晶性」の欄には、以下のように示されている。即ち、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合(実施例27〜29、32〜34)、結晶性の評価結果が一重丸よりも優れた二重丸で示されている。一方、それ以外の場合(実施例21〜26、30、31、35〜40)、結晶性の評価結果が一重丸で示されている。 The above results when the substrate temperature at the time of forming the ZrO 2 film is 550 ° C. are shown in the “Crystallinity of ZrO 2 film” column of Table 3 as follows. That is, when the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the substrate temperature at the time of forming the Zr film is 650 to 700 ° C. (Examples 27 to 29, 32 to 34), the evaluation result of crystallinity is single. It is shown as a double circle, which is better than a circle. On the other hand, in other cases (Examples 21 to 26, 30, 31, 35 to 40), the crystallinity evaluation results are shown by single circles.

また、図17にハッチングを付して示すように、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合には、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合、(100)配向したZrOのピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合には、Zr膜の厚さが5nm未満の場合、Zr膜の厚さが10nmを超える場合、Zr膜を形成する際の基板温度が650℃未満の場合、又は、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃を超える場合に、ZrO(100)以外のピークが観察された。観察されたピークは、例えば(111)配向したZrOのピーク(図17においてZrO(111)と記載)、(111)配向したZrOのピーク(図17においてZrO(111)と記載)、(101)配向したZrOのピーク(図17においてZrO(101)と記載)であった。 Further, as shown in FIG. 17 with hatching, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 600 ° C., the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the Zr film is formed. When the substrate temperature was 650 to 700 ° C., no peaks other than the (100) -oriented ZrO 2 peak were observed. On the other hand, when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 600 ° C., when the thickness of the Zr film is less than 5 nm, when the thickness of the Zr film exceeds 10 nm, the substrate when forming the Zr film When the temperature was less than 650 ° C., or when the substrate temperature when forming the Zr film exceeded 700 ° C., peaks other than ZrO 2 (100) were observed. The observed peaks are, for example, the (111) -oriented ZrO 2 peak (described as ZrO 2 (111) in FIG. 17), the (111) -oriented Zr 3 O peak (Zr 3 O (111) in FIG. 17), and the like. Description) and (101) oriented Zr 3 O peak (denoted as Zr 3 O (101) in FIG. 17).

なお、ZrO膜を形成する際の基板温度が600℃の場合の上記の結果については、表4の「ZrO膜の結晶性」の欄には、以下のように示されている。即ち、Zr膜の厚さが5〜10nmで、且つ、Zr膜を形成する際の基板温度が650〜700℃の場合(実施例47〜49、52〜54)、結晶性の評価結果が一重丸よりも優れた二重丸で示されている。一方、それ以外の場合(実施例41〜46、50、51、55〜60)、結晶性の評価結果が一重丸で示されている。 The above results when the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 600 ° C. are shown in the column of “Crystallinity of ZrO 2 film” in Table 4 as follows. That is, when the thickness of the Zr film is 5 to 10 nm and the substrate temperature at the time of forming the Zr film is 650 to 700 ° C. (Examples 47 to 49, 52 to 54), the evaluation result of the crystallinity is single. It is shown as a double circle, which is better than a circle. On the other hand, in other cases (Examples 41 to 46, 50, 51, 55 to 60), the crystallinity evaluation results are indicated by single circles.

なお、図15〜図17において、「ZrO(200)弱」と記載されたピーク強度は、5.0×10cps未満であり、それ以外の「ZrO(200)」と記載されたピーク強度の1/2未満であることを意味する。 In FIGS. 15 to 17, the peak intensity described as “ZrO 2 (200) weak” is less than 5.0 × 10 3 cps, and other “ZrO 2 (200)” is described. It means less than half of the peak intensity.

また、図15〜図17では図示を省略するが、実施例1〜60以外の実施例として、8nm又は12nmの厚さを有するZrO膜を形成した場合についても、10nmの厚さを有するZrO膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。 Although not shown in FIGS. 15 to 17, ZrO 2 having a thickness of 10 nm is formed even when a ZrO 2 film having a thickness of 8 nm or 12 nm is formed as an example other than Examples 1 to 60. The same results as those obtained when two films were formed were obtained.

以上の結果より、5〜10nmの厚さを有する、ジルコニウムを含む膜12aを、650〜700℃の温度で形成し、且つ、8〜12nmの厚さを有する酸化ジルコニウムを含む配向膜12bを、500〜600℃の温度で形成することが好ましいことが分かった。このような条件の場合、配向膜12bが、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムをより多く含むことができる。   From the above results, a film 12a containing zirconium having a thickness of 5 to 10 nm is formed at a temperature of 650 to 700 ° C., and an alignment film 12b containing zirconium oxide having a thickness of 8 to 12 nm is obtained. It has been found that it is preferable to form at a temperature of 500 to 600 ° C. Under such conditions, the alignment film 12b has a tetragonal crystal structure and can contain more (100) -oriented zirconium oxide.

ジルコニウム(Zr)は、シリコン(Si)よりも酸化しやすく、イオン化しやすい。そのため、5〜10nmの厚さを有する、ジルコニウムを含む膜12aを、650〜700℃の温度で形成し、且つ、8〜12nmの厚さを有する酸化ジルコニウムを含む配向膜12bを、500〜600℃の温度で形成することにより、シリコン基板である基板11の上面11aに存在する自然酸化膜(SiO)をより完全に除去することができる。そのため、酸化ジルコニウム(Zr)を含む配向膜12bを、基板11の上面11a上に直接エピタキシャル成長させることができる。 Zirconium (Zr) is easier to oxidize and ionize than silicon (Si). Therefore, a film 12a containing zirconium having a thickness of 5 to 10 nm is formed at a temperature of 650 to 700 ° C., and an alignment film 12b containing zirconium oxide having a thickness of 8 to 12 nm is formed to 500 to 600. By forming at a temperature of ° C., the natural oxide film (SiO 2 ) present on the upper surface 11a of the substrate 11 which is a silicon substrate can be more completely removed. Therefore, the alignment film 12 b containing zirconium oxide (Zr) can be directly epitaxially grown on the upper surface 11 a of the substrate 11.

なお、実施例1〜60では、ZrOを含む配向膜12bが形成される際に、膜12aに含まれるZrが酸化されることにより、膜12aが消滅して配向膜12bになった。そのため、基板11上に配向膜12bが直接形成され、基板11上に直接形成された配向膜12bのみを含む配向膜12が形成された。 In Examples 1 to 60, when the alignment film 12b containing ZrO 2 was formed, Zr contained in the film 12a was oxidized, whereby the film 12a disappeared and became the alignment film 12b. Therefore, the alignment film 12b is formed directly on the substrate 11, and the alignment film 12 including only the alignment film 12b formed directly on the substrate 11 is formed.

次に、図10に示したように、配向膜12上に、導電膜13として、白金(Pt)膜を、スパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 : DCスパッタリング装置
圧力 : 3.20×10−2Pa
蒸着源 : Pt
電力 : 100W
厚さ : 100nm
成膜速度 : 0.14nm/s
Ar流量 : 16sccm
基板温度 : 400℃
Next, as shown in FIG. 10, a platinum (Pt) film was formed as the conductive film 13 on the alignment film 12 by a sputtering method. The conditions at this time are shown below.
Apparatus: DC sputtering apparatus Pressure: 3.20 × 10 −2 Pa
Deposition source: Pt
Power: 100W
Thickness: 100nm
Deposition rate: 0.14 nm / s
Ar flow rate: 16sccm
Substrate temperature: 400 ° C

ZrO膜のθ−2θスペクトルにおいて、ZrO(200)のピーク以外に、ZrO(111)、ZrO(111)及びZrO(101)のピークが観察された場合、Pt膜のθ−2θスペクトルにおいて、Pt(200)のピーク以外に、Pt(111)のピークが観察された。一方、ZrO膜のθ−2θスペクトルにおいて、ZrO(200)のピーク以外に、ZrO(111)、ZrO(111)及びZrO(101)のピークが観察されない場合、Pt膜のθ−2θスペクトルにおいて、Pt(200)のピーク以外に、Pt(111)のピークが観察されず、導電膜13の結晶性を向上させることができる。 In the θ-2θ spectrum of the ZrO 2 film, when peaks of ZrO 2 (111), Zr 3 O (111), and Zr 3 O (101) are observed in addition to the peak of ZrO 2 (200), In the θ-2θ spectrum, a peak of Pt (111) was observed in addition to the peak of Pt (200). On the other hand, in theta-2 [Theta] spectrum of the ZrO 2 film, if in addition to the peak of ZrO 2 (200), ZrO 2 (111), Zr 3 peak of O (111) and Zr 3 O (101) is not observed, Pt film In the θ-2θ spectrum, no Pt (111) peak is observed other than the Pt (200) peak, and the crystallinity of the conductive film 13 can be improved.

次に、図11に示したように、導電膜13上に、導電膜14として、SRO膜を、スパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 : RFマグネトロンスパッタリング装置
パワー : 300W
ガス : Ar
圧力 : 1.8Pa
基板温度 : 600℃
成膜速度 : 0.11nm/s
厚さ : 20nm
Next, as illustrated in FIG. 11, an SRO film was formed as the conductive film 14 on the conductive film 13 by a sputtering method. The conditions at this time are shown below.
Equipment: RF magnetron sputtering equipment Power: 300W
Gas: Ar
Pressure: 1.8Pa
Substrate temperature: 600 ° C
Deposition rate: 0.11 nm / s
Thickness: 20nm

実施例1〜60について、SRO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルを測定した。図18は、SRO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。図18のグラフの横軸は、角度2θを示し、図18のグラフの縦軸は、X線の強度を示す。   About Examples 1-60, (theta) -2 (theta) spectrum by the XRD method of the film | membrane structure in which even the SRO film | membrane was formed was measured. FIG. 18 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which up to the SRO film is formed. The horizontal axis of the graph of FIG. 18 indicates the angle 2θ, and the vertical axis of the graph of FIG. 18 indicates the intensity of X-rays.

なお、図18は、Zr膜の厚さが7nmであり、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃であり、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃である場合を例示する。 FIG. 18 illustrates a case where the thickness of the Zr film is 7 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is 700 ° C., and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C. .

図18に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、立方晶の結晶構造を有するPtの(200)に相当するピークが観察された。そのため、導電膜13が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したPtを含むことが分かった。   In the example shown in FIG. 18, a peak corresponding to (200) of Pt having a cubic crystal structure was observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, it was found that the conductive film 13 includes Pt having a cubic crystal structure and (100) orientation.

また、図18に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、立方晶の結晶構造を有するSROの(100)に相当するピークが観察された。そのため、導電膜13が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したSROを含むことが分かった。   In the example shown in FIG. 18, a peak corresponding to (100) of SRO having a cubic crystal structure was observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, it was found that the conductive film 13 includes SRO having a cubic crystal structure and (100) orientation.

次に、図1に示したように、導電膜14上に、圧電膜15として、Pb(Zr0.52Ti0.48)O膜(PZT膜)を積層した積層膜を、塗布法により形成した。この際の条件を、以下に示す。 Next, as shown in FIG. 1, a laminated film in which a Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 film (PZT film) is laminated as the piezoelectric film 15 on the conductive film 14 by a coating method. Formed. The conditions at this time are shown below.

Pb、Zr、及びTiの有機金属化合物をPb:Zr:Ti=100+δ:52:48の組成比になるように混合し、エタノールと2−n−ブトキシエタノールの混合溶媒に、Pb(Zr0.52Ti0.48)Oとしての濃度が0.35mol/lになるように溶解させた原料溶液を調整した。ここでδは、後の熱処理プロセスにおいてPb酸化物が揮発することを加味した余剰Pb量であり、本実施例においてδ=20である。そして、原料溶液には更に20gの重量の、K値が27〜33のポリピロリドンを溶解させた。 An organometallic compound of Pb, Zr, and Ti is mixed so as to have a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 100 + δ: 52: 48, and Pb (Zr 0. 2 is added to a mixed solvent of ethanol and 2-n-butoxyethanol . A raw material solution was prepared so that the concentration of 52 Ti 0.48 ) O 3 was 0.35 mol / l. Here, δ is a surplus Pb amount in consideration of volatilization of the Pb oxide in the subsequent heat treatment process, and in this example, δ = 20. Further, 20 g of polypyrrolidone having a K value of 27 to 33 was dissolved in the raw material solution.

次に、調製した原料溶液のうち3mlの原料溶液を、6インチのウェハよりなる基板11上に滴下し、3000rpmで10秒間回転させ、基板11上に原料溶液を塗布することにより、前駆体を含む膜を形成した。そして、200℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置し、更に450℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置することにより、溶媒を蒸発させて膜を乾燥させた。その後、0.2MPaの酸素(O)雰囲気中、600〜700℃で60秒間熱処理して前駆体を酸化して結晶化させることにより、100nmの膜厚を有する圧電膜を形成した。この原料溶液の塗布から結晶化までの工程を例えば5回繰り返すことにより、例えば500nmの膜厚を有するPZT膜を形成した。 Next, 3 ml of the prepared raw material solution is dropped onto the substrate 11 made of a 6-inch wafer, rotated at 3000 rpm for 10 seconds, and the precursor solution is applied onto the substrate 11 to thereby apply the precursor. A containing film was formed. Then, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 200 ° C. for 30 seconds, and further, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 450 ° C. for 30 seconds to evaporate the solvent and form a film. Dried. Thereafter, the precursor was oxidized and crystallized by heat treatment at 600 to 700 ° C. for 60 seconds in a 0.2 MPa oxygen (O 2 ) atmosphere to form a piezoelectric film having a thickness of 100 nm. By repeating the steps from application of the raw material solution to crystallization, for example, five times, a PZT film having a thickness of, for example, 500 nm was formed.

実施例1〜60について、PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルを測定した。図19は、PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。図19のグラフの横軸は、角度2θを示し、図19のグラフの縦軸は、X線の強度を示す。   About Examples 1-60, (theta) -2 (theta) spectrum by the XRD method of the film | membrane structure in which even the PZT film | membrane was formed was measured. FIG. 19 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which up to the PZT film is formed. The horizontal axis of the graph of FIG. 19 indicates the angle 2θ, and the vertical axis of the graph of FIG. 19 indicates the intensity of the X-ray.

なお、図19は、Zr膜の厚さが7nmであり、Zr膜を形成する際の基板温度が700℃であり、ZrO膜を形成する際の基板温度が550℃である場合を例示する。 FIG. 19 illustrates a case where the thickness of the Zr film is 7 nm, the substrate temperature when forming the Zr film is 700 ° C., and the substrate temperature when forming the ZrO 2 film is 550 ° C. .

また、図19に示す例では、θ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するPZTの(001)及び(002)に相当するピークが観察された。そのため、圧電膜15が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZTを含むことが分かった。   In the example shown in FIG. 19, peaks corresponding to (001) and (002) of PZT having a tetragonal crystal structure were observed in the θ-2θ spectrum. Therefore, it was found that the piezoelectric film 15 includes P001T having a tetragonal crystal structure and (001) orientation.

また、PZT膜を、塗布法により形成する場合、基板温度として、従来に比べて広い600〜700℃の温度範囲で形成した場合に、図19に示す例と同様に、圧電膜15が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZTを含むことが分かった。   Further, when the PZT film is formed by a coating method, when the substrate temperature is formed in a temperature range of 600 to 700 ° C. wider than that of the conventional substrate, the piezoelectric film 15 is square as in the example shown in FIG. It has been found that it has a crystal structure of crystals and contains (001) -oriented PZT.

なお、実施例1〜60とは別に、圧電膜15として、PZT膜を、塗布法に代えて、スパッタリング法により形成しても、全く同様の結果が得られた。圧電膜15として、PZT膜をスパッタリング法により形成する際の条件を、以下に示す。
装置 : RFマグネトロンスパッタリング装置
パワー : 2500W
ガス : Ar/O
圧力 : 0.14Pa
基板温度 : 425〜525℃
成膜速度 : 0.63nm/s
Apart from Examples 1 to 60, when the PZT film was formed by the sputtering method instead of the coating method as the piezoelectric film 15, the same result was obtained. Conditions for forming a PZT film as the piezoelectric film 15 by sputtering are shown below.
Equipment: RF magnetron sputtering equipment Power: 2500W
Gas: Ar / O 2
Pressure: 0.14 Pa
Substrate temperature: 425-525 ° C
Deposition rate: 0.63 nm / s

PZT膜を、塗布法に代えて、スパッタリング法により形成する場合も、基板温度として、従来に比べて広い425〜525℃の温度範囲で形成した場合に、図19に示した例と同様に、圧電膜15が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZTを含むことが分かった。   In the case of forming the PZT film by a sputtering method instead of the coating method, when the substrate temperature is formed in a wide temperature range of 425 to 525 ° C. as compared with the conventional case, as in the example shown in FIG. It was found that the piezoelectric film 15 has a tetragonal crystal structure and contains (001) -oriented PZT.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In the scope of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention.

例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。   For example, those in which the person skilled in the art appropriately added, deleted, or changed the design of the above-described embodiments, or those in which the process was added, omitted, or changed the conditions are also included in the present invention. As long as the gist is provided, it is included in the scope of the present invention.

10 膜構造体
11 基板
11a 上面
12、12b 配向膜
12a 膜
13、14、16 導電膜
15 圧電膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Film structure 11 Substrate 11a Upper surface 12, 12b Alignment film 12a Film 13, 14, 16 Conductive film 15 Piezoelectric film

Claims (15)

(a)シリコン基板を用意する工程、
(b)前記シリコン基板上にジルコニウムを含む第1膜を形成する工程、
(c)前記(b)工程の後、前記シリコン基板上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む第2膜を形成する工程、
(d)前記第2膜上にエピタキシャル成長した白金を含む第1導電膜を形成する工程、
(e)前記第1導電膜上にエピタキシャル成長した圧電膜を形成する工程、
を有する、膜構造体の製造方法。
(A) preparing a silicon substrate;
(B) forming a first film containing zirconium on the silicon substrate;
(C) after the step (b), forming a second film containing zirconium oxide epitaxially grown on the silicon substrate;
(D) forming a first conductive film containing platinum epitaxially grown on the second film;
(E) forming a epitaxially grown piezoelectric film on the first conductive film;
A method for producing a membrane structure, comprising:
請求項1に記載の膜構造体の製造方法において、
前記シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有し、
前記(c)工程では、前記主面上にエピタキシャル成長し、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む前記第2膜を形成し、
前記(d)工程では、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む前記第1導電膜を形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 1,
The silicon substrate has a main surface composed of (100) planes,
In the step (c), the second film containing zirconium oxide epitaxially grown on the main surface, having a cubic crystal structure, and containing (100) -oriented zirconium oxide is formed.
In the step (d), a method for manufacturing a film structure, wherein the first conductive film having a cubic crystal structure and containing (100) -oriented platinum is formed.
請求項1又は2に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(b)工程では、前記第1膜を蒸着法により形成し、
前記(c)工程では、前記第2膜を蒸着法により形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 1 or 2,
In the step (b), the first film is formed by vapor deposition,
In the step (c), the second structure is formed by a vapor deposition method.
請求項3に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(b)工程では、5〜10nmの厚さを有する前記第1膜を、650〜700℃の温度で形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 3,
In the step (b), the first structure having a thickness of 5 to 10 nm is formed at a temperature of 650 to 700 ° C.
請求項4に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(c)工程では、500〜600℃の温度で前記第2膜を形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 4,
In the step (c), the film structure is formed by forming the second film at a temperature of 500 to 600 ° C.
請求項5に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(c)工程では、8〜12nmの厚さを有する前記第2膜を形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 5,
In the step (c), the film structure manufacturing method, wherein the second film having a thickness of 8 to 12 nm is formed.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(e)工程では、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む前記圧電膜を形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the film | membrane structure as described in any one of Claims 1 thru | or 6,
In the step (e), the piezoelectric film having the tetragonal crystal structure and containing the (001) -oriented lead zirconate titanate is formed.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
前記(e)工程では、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む前記圧電膜を形成する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the film | membrane structure as described in any one of Claims 1 thru | or 6,
In the step (e), a method for manufacturing a film structure, wherein the piezoelectric film having a rhombohedral crystal structure and containing (100) -oriented lead zirconate titanate is formed.
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
(f)前記圧電膜上に第2導電膜を形成する工程、
を有する、膜構造体の製造方法。
In the manufacturing method of the membrane structure according to any one of claims 1 to 8,
(F) forming a second conductive film on the piezoelectric film;
A method for producing a membrane structure, comprising:
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたジルコニウムを含む第1膜と、
前記第1膜上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウムを含む第2膜と、
前記第2膜上にエピタキシャル成長した白金を含む第1導電膜と、
前記第1導電膜上にエピタキシャル成長した圧電膜と、
を有する、膜構造体。
A silicon substrate;
A first film containing zirconium formed on the silicon substrate;
A second film comprising zirconium oxide epitaxially grown on the first film;
A first conductive film containing platinum epitaxially grown on the second film;
A piezoelectric film epitaxially grown on the first conductive film;
A membrane structure.
請求項10に記載の膜構造体において、
前記シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有し、
前記第2膜は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含み、
前記第1導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む、膜構造体。
The membrane structure according to claim 10,
The silicon substrate has a main surface composed of (100) planes,
The second film has a cubic crystal structure and includes (100) -oriented zirconium oxide,
The first conductive film has a cubic crystal structure and includes (100) -oriented platinum.
請求項10又は11に記載の膜構造体において、
前記第1膜は、5〜10nmの厚さを有し、
前記第2膜は、8〜12nmの厚さを有する、膜構造体。
The membrane structure according to claim 10 or 11,
The first film has a thickness of 5 to 10 nm;
The second film is a film structure having a thickness of 8 to 12 nm.
請求項10乃至12のいずれか一項に記載の膜構造体において、
前記圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む、膜構造体。
The film structure according to any one of claims 10 to 12,
The piezoelectric film has a tetragonal crystal structure and includes (001) -oriented lead zirconate titanate.
請求項10乃至12のいずれか一項に記載の膜構造体において、
前記圧電膜は、菱面体晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む、膜構造体。
The film structure according to any one of claims 10 to 12,
The piezoelectric film has a rhombohedral crystal structure and includes (100) -oriented lead zirconate titanate.
請求項10乃至14のいずれか一項に記載の膜構造体において、
前記圧電膜上に形成された第2導電膜を有する、膜構造体。
The film structure according to any one of claims 10 to 14,
A film structure having a second conductive film formed on the piezoelectric film.
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