(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、ＴａＯXを主成分とし、ＡｌＯX、ＴｉＯX、ＺｒＯXおよびＨｆＯX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、
前記バリヤ層において、前記Ｔａの原子数に対するＡｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和の比は、０．０５〜０．２０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１〜３のいずれかにおいて、
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、ＴａＯXを主成分とし、ＡｌＯX、ＴｉＯX、ＺｒＯXおよびＨｆＯX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、ＴａＯXを主成分とし、ＡｌＯX、ＴｉＯX、ＺｒＯXおよびＨｆＯX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、
前記バリヤ層において、前記Ｔａの原子数に対するＡｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和の比は、０．０５〜０．２０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ている。
【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】
前記バリヤ層は、ＴａＯXを主成分とすることができる。バリヤ層の主成分がＴａＯXであると、バリヤ層のエッチングを容易に行うことができる。このため、微細な加工を行う必要のある高集積化に適している。さらに、バリヤ層の主成分がＴａＯXである場合には、水素をブロックして、圧電素子が還元されるのを抑えることができる。また、前記バリヤ層は、ＴａＯXのみからなることもできる。
【０００８】
また、バリヤ層がＴａＯXを主成分とする場合には、前記バリヤ層は、ＡｌＯX、ＴｉＯX、ＺｒＯXおよびＨｆＯX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】
バリヤ層は、ＡｌＯX、ＴｉＯX、ＺｒＯXおよびＨｆＯXの中から選択される少なくとも１種を含むことにより、水素によってＴａＯXの酸素欠損が生じるのを抑えることができる。その結果、上記の金属酸化物を含むことにより、水素によってＴａＯXが還元されるのを抑えることができる。したがって、水素をブロックするバリヤ層の能力を向上させることができる。
【００１１】
前記バリヤ層において、前記Ｔａの原子数に対するＡｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和の比（Ａｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和／Ｔａの原子数）は、０．０５〜０．２０である。
【００１２】
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。また、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。
【００１３】
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、圧電体部と、第２の電極とを有することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
（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む。
【００１７】
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。
【００１８】
（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む。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【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。
【００２５】
［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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、ＴａＯXを主体とする材質からなることができる。バリヤ層１３０がＴａＯXを主体とすることにより、バリヤ層１３０をエッチングし易いという利点がある。このため、微細な加工を行う必要のある高集積化に適している。また、バリヤ層１３０がＴａＯXを主体とすることにより、バリヤ層１３０は水素をブロックして、圧電体部１０４が水素と接触するのを防止する機能を有する。すなわち、バリヤ層１３０は、圧電体部１０４が水素によって還元されるのを防止する機能を有する。
【００３１】
また、バリヤ層１３０がＴａＯXを主体とする材質からなる場合には、バリヤ層１３０は、ＡｌＯX，ＴｉＯX，ＺｒＯXおよびＨｆＯX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。このような金属酸化物が添加されていることにより、ＴａＯXの酸素欠損が生じるのを抑えることができる。このため、バリヤ層１３０の形成後の水素が生じる工程において、ＴａＯXが還元されるのが抑えられている。したがって、バリヤ層１３０は、バリヤ層１３０がＴａＯxのみからなる場合に比べて、水素をブロックする能力が高い。
【００３２】
また、ＴｉＯX，ＺｒＯXおよびＨｆＯXは、ＴａＯXが還元されるのを抑える効果の他に、バリヤ層１３０の密着性を高める効果を有する。バリヤ層１３０において、Ｔａの原子数に対するＡｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和の比（Ａｌ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの原子数の総和／Ｔａの原子数）は、好ましくは０．０５〜０．２０、さらに好ましくは０．０５〜０．１０である。その比が０．０５未満であると、ＴａＯXの酸素欠損が生じるのを抑える効果を奏し難い傾向にある。また、その比が０．２０を超えると、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。
【００３３】
（動作）
以下、圧電素子を有する装置の動作を説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
［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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、バリヤ層１３０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。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、貫通孔１２は、圧電素子１００を形成した後に形成しても差し支えない。
【００４６】
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
［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。
【００４９】
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。
【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】
0003705099.tif 000002
【図２】
0003705099.tif 000003
【図３】
0003705099.tif 000004
【図４】
0003705099.tif 000005