(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の上に設けられた圧電素子を含み、
前記圧電素子の少なくとも一部を覆うバリヤ層が設けられ、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とし、ＴｉＯX、ＺｒＯX、ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含む、圧電素子を有する装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記Ａｌの原子数に対するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和の比は、０．０５〜０．５０である、圧電素子を有する装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記バリヤ層は、前記圧電素子の上にのみ設けられている、圧電素子を有する装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記バリヤ層は、さらに、前記圧電素子の側方において設けられている、圧電素子を有する装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記圧電素子は、アクチュエータとして機能する、圧電素子を有する装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記圧電素子は、第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間において設けられた圧電体部とを有する、圧電素子を有する装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記圧電素子の下の基体において、貫通孔が設けられている、圧電素子を有する装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記基体の上に、前記圧電素子を制御または駆動するための半導体素子が設けられている、圧電素子を有する装置。
【請求項９】
（ａ）基体の上に、圧電素子を形成する工程、および
（ｂ）前記圧電素子の少なくとも一部を覆う、バリヤ層を形成する工程を含み、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とし、ＴｉＯX、ＺｒＯX、ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含む、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１０】
（ｈ）基体の上に第１の電極を形成する工程、
（ｉ）前記第１の電極の上に、圧電体膜を形成する工程、
（ｊ）前記圧電体膜の上に、第２の電極を形成する工程、
（ｋ）前記第２の電極の上に、バリヤ層を形成する工程、
（ｌ）前記バリヤ層、前記第２の電極、前記圧電体膜および前記第１の電極を選択的に除去して、圧電素子を形成する工程を含み、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とし、ＴｉＯX、ＺｒＯX、ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含む、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記Ａｌの原子数に対するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和の比は、０．０５〜０．５０である、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれかにおいて、
前記バリヤ層の形成は、スパッタ法、ＣＶＤ法またはレーザアブレーション法により行われる、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれかにおいて、
前記圧電素子の形成領域における基体において、貫通孔を形成する工程（ｓ）を含む、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかにおいて、
前記基体の上に、圧電素子を制御または駆動するための半導体素子を形成する工程（ｔ）を含む、圧電素子を有する装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれかにおいて、
前記圧電素子は、アクチュエータとして機能する、圧電素子を有する装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を有する装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
現在、圧電素子の圧電現象を利用した種々の装置が提案されている。圧電素子は、下部電極、圧電体部および上部電極の層構造を有する。圧電素子は、たとえば、インクジェットプリンタや、種々のセンサに適用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、圧電素子の特性の劣化が抑えられた、圧電素子を有する装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（圧電素子を有する装置）
本発明の圧電素子を有する装置は、
基体の上に設けられた圧電素子を含み、
前記圧電素子の少なくとも一部を覆うバリヤ層が設けられ、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とする。
【０００５】
ここで、「バリヤ層」とは、圧電素子を保護するための層をいう。また、「圧電素子を覆う」とは、圧電素子と接触して覆う態様、および、所定の層が介在して圧電素子を覆う態様も含む。これらは、以下においても同じである。
【０００６】
本発明においては、圧電素子の少なくとも一部を覆うバリヤ層が設けられている。このため、圧電素子は、バリヤ層によって、保護されている。その結果、本発明によれば、外部作用に起因する圧電素子の特性劣化を抑えることができる。
【０００７】
また、ＡｌＯXは、化学的に安定な物質である。このため、本発明によれば、バリヤ層は、化学的な作用から圧電素子を保護する能力に長けている。なお、前記バリヤ層は、ＡｌＯXのみからなることができる。
【０００８】
前記バリヤ層は、ＴｉＯX、ＺｒＯX、ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【０００９】
なお、上記の金属酸化物において、「ｘ」は、正数である。一般的に、酸化物は完全に化学量論組成になることは無く、少なからず酸素欠損を生じるため数値化せずにｘで表した。なお、「ｘ」は、種類が異なる金属酸化物同士において同一の数値であってもよいし、または、異なった数値であってもよい。これらは、以下においても同じである。
【００１０】
前記バリヤ層がＴｉＯX、ＺｒＯX、ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含むことにより、バリヤ層のエッチングの際、バリヤ層とエッチャントとの反応性が向上する。このため、バリヤ層のエッチングが容易になり、微細加工を行うことができるという利点がある。その結果、微細な加工を行う必要のある高集積化に適している。
【００１１】
また、上記の金属酸化物が添加されていることにより、バリヤ層がＡｌＯXのみからなる場合に比べて、バリヤ層の膜応力を低くすることができるという利点もある。バリヤ層の膜応力を低くなると、バリヤ層は剥離し難くなるという効果が奏される。
【００１２】
前記Ａｌの原子数に対するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和の比（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和／Ａｌの原子数）は、０．０５〜０．５０であることが好ましい。
【００１３】
前記バリヤ層は、前記圧電素子の上にのみ設けられていることができる。前記バリヤ層は、さらに、前記圧電素子の側方において設けられていることができる。
【００１４】
前記圧電素子は、アクチュエータとして機能することができる。前記圧電素子は、第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間において設けられた圧電体部とを有することができる。
【００１５】
前記圧電素子の下の基体において、貫通孔が設けられていることができる。
【００１６】
前記基体の上に、前記圧電素子を制御または駆動するための半導体素子が設けられていることができる。
【００１７】
（圧電素子を有する装置の製造方法）
（Ａ）本発明の第１の圧電素子を有する装置の製造方法は、
（ａ）基体の上に、圧電素子を形成する工程、および
（ｂ）前記圧電素子の少なくとも一部を覆う、バリヤ層を形成する工程を含み、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とする。
【００１８】
本発明の圧電素子を有する装置の製造方法によれば、バリヤ層を形成する工程（ｂ）を含む。このため、工程（ｂ）の後、圧電素子は、バリヤ層によって保護されることになる。その結果、特性の劣化が抑えられた圧電素子を有する装置を製造することができる。
【００１９】
（Ｂ）本発明の第２の圧電素子を有する装置の製造方法は、
（ｈ）基体の上に第１の電極を形成する工程、
（ｉ）前記第１の電極の上に、圧電体膜を形成する工程、
（ｊ）前記圧電体膜の上に、第２の電極を形成する工程、
（ｋ）前記第２の電極の上に、バリヤ層を形成する工程、
（ｌ）前記バリヤ層、前記第２の電極、前記圧電体膜および前記第１の電極を選択的に除去して、圧電素子を形成する工程を含み、
前記バリヤ層は、ＡｌＯXを主成分とする。
【００２０】
本発明の第２の圧電素子を有する装置の製造方法は、工程（ｋ）において第２の電極の上にバリヤ層を形成している。このため、本発明の第１の圧電素子を有する装置の製造方法と同様の作用効果を奏することができる。
【００２１】
また、本発明によれば、工程（ｌ）において、バリヤ層は、圧電素子を保護する機能を果たす。
【００２２】
前記バリヤ層は、圧電素子を有する装置の項で説明した態様をとることができる。前記バリヤ層の形成は、スパッタ法、ＣＶＤ法またはレーザアブレーション法により行われることができる。これらの方法によれば、緻密な膜を有するバリヤ層を形成し易い。また、これらの方法は、被覆性が良好である。
【００２３】
また、前記圧電素子の形成領域における基体において、貫通孔を形成する工程（ｓ）を含むことができる。
【００２４】
また、前記基体の上に、圧電素子を制御または駆動するための半導体素子を形成する工程（ｔ）を含むことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
［圧電素子を有する装置］
以下、実施の形態に係る圧電素子を有する装置を説明する。図１は、実施の形態に係る圧電素子を有する装置を模式的に示す断面図である。
【００２７】
半導体基板１０の表面領域は、圧電素子領域Ａ１００と、半導体素子領域Ａ２００とを有する。
【００２８】
圧電素子領域Ａ１００における半導体基板１０の上には、圧電素子１００が形成されている。圧電素子１００は、下部電極１０２、圧電体部１０４および上部電極１０６が積層した構造を有する。下部電極１０２は振動体としても機能する。圧電素子１００の下の半導体基板１０においては、貫通孔１２が形成されている。
【００２９】
上部電極１０４の上には、バリヤ層１３０が形成されている。バリヤ層１３０は、圧電素子１００を保護する機能を有する。具体的には、バリヤ層１３０は、物理的または化学的な作用から、圧電素子１００を保護する機能を有する。
【００３０】
半導体素子領域Ａ２００には、圧電素子１００を制御または駆動するための半導体素子（たとえば電界効果型トランジスタ）２００が形成されている。半導体素子領域Ａ２００の上には、窒化シリコン膜２１０が形成されている。窒化シリコン膜２１０は、半導体素子２００を保護する機能を有する。なお、ここでは半導体素子領域Ａ２００を簡単に説明したが、一般的には半導体素子２００上に配線や層間絶縁膜を形成する。
【００３１】
以下、バリヤ層１３０の具体的な構成を説明する。バリヤ層１３０は、ＡｌＯXを主体とする材質からなることができる。ＡｌＯXは、化学的に非常に安定な物質であるため、化学的な作用から圧電素子を保護するのに長けている。
【００３２】
また、バリヤ層１３０がＡｌＯXを主体とする材質からなる場合には、ＴｉＯX，ＺｒＯX，ＨｆＯX、ＳｉＯXおよびＶＯXの中から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。この少なくともいずれかの金属酸化物が添加されていることにより、エッチングの際、バリヤ層１３０がエッチャントと反応しやすくなる。バリヤ層１３０がエッチャントと反応しやすくなったことにより、バリヤ層１３０を容易にエッチングすることができる。その結果、このバリヤ層１３０は、微細な加工を行う必要がある微細化に好適である。また、バリヤ層１３０がエッチャントと反応しやすくなったため、エッチングによって生じた反応生成物が種々の層のサイドに堆積し難くなる。このため、パーティクルの発生、バリヤ層１３０の形状不良の発生を抑えることができる。また、上記の金属酸化物が添加されていることにより、バリヤ層がＡｌＯXのみからなる場合に比べて、バリヤ層１３０の膜応力を低くすることができるという利点もある。バリヤ層１３０の膜応力を低くなると、バリヤ層１３０が剥離し難くなるという効果が奏される。
【００３３】
バリヤ層１３０において、Ａｌの原子数に対するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和の比（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｉおよびＶの原子数の総和／Ａｌの原子数）は、好ましくは０．０５〜０．５０、さらに好ましくは０．０５〜０．２０である。その比が０．０５未満であると、バリヤ層１３０のエッチングを容易に行えない傾向にある。また、その比が０．５０を超えると、バリヤ層１３０の緻密性が劣るようになり、バリヤ層１３０が水素をブロックする機能を発揮し難い傾向にある。
【００３４】
ＴｉＯX，ＺｒＯX，ＨｆＯXは、ＡｌＯXのエッチング特性を向上させる効果の他に、バリヤ層１３０の密着性を高める効果を有する。一般に、金属酸化物を添加すると、バリヤ層１３０の緻密性は低下する。しかし、本願の金属酸化物を添加すると、大きく緻密性を低下させず、かつ、バリヤ層１３０の機能を損なうことなく、バリヤ層１３０のエッチング特性を向上させることができる。また、同時に、バリヤ層１３０の応力緩和を図ることができる。
【００３５】
（動作）
以下、圧電素子を有する装置の動作を説明する。
【００３６】
圧電素子１００に電圧を印加すると、圧電効果により、圧電体部１０４が歪む。圧電体部１０４が歪むことによって、下部電極１０２がたわむ。すなわち、圧電素子１００をアクチュエータとして機能させることができる。
【００３７】
上記の圧電素子を有する装置は、たとえば、インクジェットプリンタとして機能させることができる。具体的には、貫通孔１２にインクを収容させて、圧電素子１００に電圧を印加して下部電極１１０をたわませ、インクを噴射させることができる。
【００３８】
［圧電素子を有する装置の製造方法］
以下、圧電素子を有する装置の製造方法について説明する。図２および図３は、圧電素子を有する装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００３９】
まず、図２（ａ）に示すように、公知の方法により、半導体素子領域Ａ２００において、半導体素子２００を形成する。次に、ＣＶＤ法により、半導体素子領域Ａ２００において、半導体素子２００を保護するための窒化シリコン膜２１０を形成する。窒化シリコン膜２１０の厚さは、たとえば１００〜８００ｎｍである。次に、リソグラフィ技術を利用して、圧電素子領域Ａ１００における窒化シリコン膜２１０を選択的にエッチングする。
【００４０】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１０の上に、下部電極１０２のための、第１の導電層１０２ａを形成する。第１の導電層１０２ａの材質としては、たとえばＩｒ，ＩｒＯy，Ｐｔ，Ｒｕ，ＲｕＯy，ＳｒＲｕＯy，ＬａＳｒＣｏＯyを挙げることができる。第１の導電層１０２ａは、たとえばＣＶＤ法、スパッタ法により形成することができる。なお、酸化物を用いる場合は、たとえばＳｒＲｕＯｙ／Ｐｔのように酸化物と金属を積層した複合電極であることが好ましい。第１の導電層１０２ａの厚さは、たとえば５０〜２００ｎｍである。
【００４１】
次に、図３（ａ）に示すように、公知の方法により、圧電素子領域Ａ１００における半導体基板１０において、貫通孔１２を形成する。たとえば、半導体基板１０の裏面からエッチングすることにより、貫通孔１２を形成することができる。
【００４２】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の導電層１０２ａの上に、圧電体膜１０４ａを形成する。圧電体膜１０４ａの材質としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒZＴｉ1-ZＯ3）を挙げることができる。圧電体膜１０４ａの形成方法は、たとえば、ゾルゲル材料やＭＯＤ材料を用いたスピンコート法やディッピング法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、レーザアブレーション法を挙げることができる。圧電体膜１０４ａの厚さは、たとえば０．５〜５μｍである。
【００４３】
次に、圧電体膜１０４ａの上に、上部電極１０６のための、第２の導電層１０６ａを形成する。第２の導電層１０６ａの材質および形成方法は、第１の導電層１０２ａと同様のものを挙げることができる。第２の導電層１０６ａの厚さは、たとえば５０〜２００ｎｍである。
【００４４】
次に、第２の導電層１０６ａの上に、バリヤ層１３０を形成する。バリヤ層１３０の形成方法は、たとえばスパッタ法、ＣＶＤ法、レーザアブレーション法を挙げることができる。バリヤ層１３０の厚さは、たとえば１０〜１００ｎｍ、好ましくは２０〜５０ｎｍである。
【００４５】
なお、バリヤ層は、薄すぎるとバリヤ効果が少なく、厚すぎると圧電素子１００の動作、たとえばたわみを阻害する。
【００４６】
次に、図１に示すように、リソグラフィ技術を利用して、バリヤ層１３０、第２の導電層１０６ａ、圧電体膜１０４ａおよび第１の導電層１０２ａを選択的にエッチングする。こうして、上部電極１０６、圧電体部１０４および下部電極１０２からなる圧電素子１００が形成される。このエッチングの際、バリヤ層１３０は、圧電素子１００がダメージを受けるのを防ぐ機能を果たす。また、窒化シリコン膜２１０は、半導体素子２００がエッチングによるダメージを受けるのを防ぐ機能を果たす。
【００４７】
なお、貫通孔１３は、圧電素子１００を形成した後に形成しても差し支えない。
【００４８】
（作用効果）
以下、実施の形態に係る圧電素子を有する装置の製造プロセスの作用効果について説明する。
【００４９】
圧電素子１００の上に、バリヤ層１３０を形成している。このため、バリヤ層１３０を形成した後の工程における、物理的または化学的な作用から、圧電素子を保護することができる。その結果、本発明によれば、特性の劣化が抑えられた圧電素子を有する装置を製造することができる。
【００５０】
［実験例］
以下、実験例を説明する。
【００５１】
ＡｌＯXに所定の金属酸化物を添加した場合としない場合とで、膜応力においてどのような差が生じるか調べた。
【００５２】
図５は、バリヤ層の成膜温度と、バリヤ層の膜応力との関係を示すグラフである。ＡｌＯXにＺｒＯXを添加した場合における、Ａｌの原子数に対するＺｒの原子数の比（Ｚｒの原子数／Ａｌの原子数）は、０．１０であった。バリヤ層の形成は、ヘリコン型スパッタ法によりＡｒとＯ2との混合ガスを用い、真空度２×１０-3Ｔｏｒｒ（０．２６Ｐａ）で行った。なお、ＡｒにＯ2を加えた理由は、酸素欠損を抑制するためである。ヘリコン型スパッタ装置を用い、通常のスパッタ装置より低い圧力でバリヤ層を形成したのは、より緻密な膜を得るためである。膜応力は、薄膜ストレス評価装置（テンコール社製  ＦＬＸ２９０８）により測定した。
【００５３】
なお、図５において、◆，●は、ＡｌＯXにＺｒＯXが添加されていない場合におけるデータである。◇，〇は、ＡｌＯXにＺｒＯXが添加されている場合におけるデータである。◆，◇は、バリヤ層の厚さが２０ｎｍである場合におけるデータである。●，〇は、バリヤ層の厚さが５０ｎｍである場合におけるデータである。また、図５における膜応力においては、引っ張り方向の膜応力を正とした。
【００５４】
図５から、バリヤ層の厚さが２０ｎｍおよび５０ｎｍの双方において、ＡｌＯXにＺｒＯXを添加すると、膜応力が低減することがわかった。膜応力は、圧電素子１００の動作を阻害するため、これを極力抑えることが好ましい。
【００５５】
［変形例］
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を超えない範囲で種々の変更が可能である。圧電素子を有する装置は、たとえば、次の変更が可能である。
【００５６】
バリヤ層１３０は、図４に示すように、圧電素子１００の上のみならず、圧電素子１００のサイドにも形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る圧電素子を有する装置を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る圧電素子を有する装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る圧電素子を有する装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】変形例に係る圧電素子を有する装置を模式的に示す断面図である。
【図５】バリヤ層の成膜温度と、バリヤ層の膜応力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０      半導体基板
１２      貫通孔
１００    圧電素子
１０２    下部電極
１０２ａ  第１の導電層
１０４    圧電体部
１０４ａ  圧電体膜
１０６    下部電極
１０６ａ  第２の導電層
１３０    バリヤ層
２００    半導体素子
２１０    窒化シリコン膜
Ａ１００  圧電素子領域
Ａ２００  半導体素子領域
【図１】
0003705100.tif 000002
【図２】
0003705100.tif 000003
【図３】
0003705100.tif 000004
【図４】
0003705100.tif 000005
【図５】
0003705100.tif 000006