(57)【要約】【課題】ＳＯＩ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１０は、基体１１ａと、基体１１ａ上の絶縁層１１ｂと、絶縁層１１ｂ上のシリコン層１１ｃと、を含む基板１１と、シリコン層１１ｃ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１２と、配向膜１２上にエピタキシャル成長した白金を含む導電膜１３と、導電膜１３上にエピタキシャル成長した圧電膜１５と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、前記基体上の絶縁層と、前記絶縁層上のシリコン層と、を含む基板と、
前記シリコン層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１膜と、
前記第１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。
【請求項２】
請求項１に記載の膜構造体において、
前記シリコン層は、（１００）面よりなる主面を有し、
前記第１膜は、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。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の膜構造体において、
前記第１膜は、１３〜２２ｎｍの厚さを有する、膜構造体。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の膜構造体において、
前記第１膜は、
前記シリコン層上に形成された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酸化ジルコニウムを含む第３膜と、
を含む、膜構造体。
【請求項５】
請求項４に記載の膜構造体において、
前記第２膜は、５〜１０ｎｍの厚さを有し、
前記第３膜は、８〜１２ｎｍの厚さを有する、膜構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５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。
【請求項７】
請求項１乃至５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。
【請求項８】
請求項１乃至７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。
【請求項９】
（ａ）基体と、前記基体上の絶縁層と、前記絶縁層上のシリコン層と、を含む基板を用意する工程、
（ｂ）前記シリコン層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１膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１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、
（ｄ）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。
【請求項１０】
請求項９に記載の膜構造体の製造方法において、
前記シリコン層は、（１００）面よりなる主面を有し、
前記（ｂ）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１膜を形成し、
前記（ｃ）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。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の膜構造体の製造方法において、
（ｅ）前記（ａ）工程の後、前記（ｂ）工程の前に、前記シリコン層上にジルコニウムを含む第２膜を形成する工程、
を有し、
前記（ｂ）工程では、前記シリコン層上にエピタキシャル成長した前記第１膜を形成する、膜構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の膜構造体の製造方法において、
前記（ｅ）工程では、前記第２膜を蒸着法により形成し、
前記（ｂ）工程では、前記第１膜を蒸着法により形成する、膜構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の膜構造体の製造方法において、
前記（ｅ）工程では、５〜１０ｎｍの厚さを有する前記第２膜を、６５０〜７００℃の温度で形成する、膜構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の膜構造体の製造方法において、
前記（ｂ）工程では、５００〜６００℃の温度で前記第１膜を形成する、膜構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の膜構造体の製造方法において、
前記（ｂ）工程では、８〜１２ｎｍの厚さを有する前記第１膜を形成する、膜構造体の製造方法。
【請求項１６】
請求項９乃至１５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（ｄ）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。
【請求項１７】
請求項９乃至１５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（ｄ）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。
【請求項１８】
請求項９乃至１７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（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。
【０００３】
一方、この膜構造体が有する基板として、シリコン基板に代えてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いることもできる。ＳＯＩ基板は、シリコン基板よりなる基体と、基体上に形成された埋め込み酸化膜であるＢＯＸ（Buried Oxide）層と、ＢＯＸ層上に形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）層と、を含む。このとき、導電膜は、ＳＯＩ層上に形成される。
【０００４】
特開２００２−２３４１５６号公報（特許文献１）には、振動板と圧電膜を有する圧電素子構造体の製造方法において、シリコン層上に酸化物層を介して単結晶シリコン層のあるシリコン基板上に第２の酸化物層を形成する工程、第２の酸化物層上に単一配向結晶あるいは単結晶である圧電膜を形成する工程、を含む技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３４１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＯＩ基板のＳＯＩ層上に導電膜を形成し、導電膜上に圧電膜を形成して膜構造体を形成する場合、その後、ＳＯＩ基板のうち基体の全部又は一部をエッチングして除去することができる。これにより、ＢＯＸ層と、ＳＯＩ層と、導電膜と、圧電膜と、を有する膜構造体よりなる圧電素子を形成することができる。
【０００７】
しかし、ＳＯＩ基板上に導電膜がエピタキシャル成長していない場合、導電膜上に圧電膜を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。
【０００８】
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、ＳＯＩ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の一態様としての膜構造体は、基体と、基体上の絶縁層と、絶縁層上のシリコン層と、を含む基板と、シリコン層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１膜と、第１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。
【００１１】
また、他の一態様として、シリコン層は、（１００）面よりなる主面を有し、第１膜は、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。
【００１２】
また、他の一態様として、第１膜は、１３〜２２ｎｍの厚さを有してもよい。
【００１３】
また、他の一態様として、第１膜は、シリコン層上に形成された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酸化ジルコニウムを含む第３膜と、を含んでもよい。
【００１４】
また、他の一態様として、第２膜は、５〜１０ｎｍの厚さを有し、第３膜は、８〜１２ｎｍの厚さを有してもよい。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明の一態様としての膜構造体の製造方法は、基体と、基体上の絶縁層と、絶縁層上のシリコン層と、を含む基板を用意する（ａ）工程を有する。また、当該膜構造体の製造方法は、シリコン層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１膜を形成する（ｂ）工程と、第１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（ｃ）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（ｄ）工程と、を有する。
【００１９】
また、他の一態様として、シリコン層は、（１００）面よりなる主面を有してもよい。（ｂ）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１膜を形成し、（ｃ）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。
【００２０】
また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、（ａ）工程の後、（ｂ）工程の前に、シリコン層上にジルコニウムを含む第２膜を形成する（ｅ）工程を有してもよい。（ｂ）工程では、シリコン層上にエピタキシャル成長した第１膜を形成してもよい。
【００２１】
また、他の一態様として、（ｅ）工程では、第２膜を蒸着法により形成し、（ｂ）工程では、第１膜を蒸着法により形成してもよい。
【００２２】
また、他の一態様として、（ｅ）工程では、５〜１０ｎｍの厚さを有する第２膜を、６５０〜７００℃の温度で形成してもよい。
【００２３】
また、他の一態様として、（ｂ）工程では、５００〜６００℃の温度で第１膜を形成してもよい。
【００２４】
また、他の一態様として、（ｂ）工程では、８〜１２ｎｍの厚さを有する第１膜を形成してもよい。
【００２５】
また、他の一態様として、（ｄ）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。
【００２６】
また、他の一態様として、（ｄ）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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の一態様を適用することで、ＳＯＩ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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態の膜構造体の断面図である。
【図２】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。
【図３】図１に示す膜構造体から基体の全部を除去した場合の、膜構造体の断面図である。
【図４】図２に示す膜構造体から基体の一部を除去した場合の、膜構造体の断面図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図９】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１０】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１１】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１２】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１３】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１４】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１５】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１６】実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【図１７】実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。
【図１８】ＺｒＯ２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】ＺｒＯ２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２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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２４】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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。図３は、図１に示す膜構造体から基体の全部を除去した場合の、膜構造体の断面図である。図４は、図２に示す膜構造体から基体の一部を除去した場合の、膜構造体の断面図である。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
基板１１は、基体１１ａと、絶縁層１１ｂと、シリコン（Ｓｉ）層１１ｃと、を含む。基体１１ａ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。絶縁層１１ｂは、基体１１ａの主面上、即ち基体１１ａの上面上に、形成されている絶縁層、即ち埋め込み酸化膜である、ＢＯＸ層である。シリコン層１１ｃは、絶縁層１１ｂ上に形成されたシリコン（Ｓｉ）単結晶よりなる半導体層であるＳＯＩ層である。そのため、基板１１は、シリコン基板上に、ＢＯＸ層とＳＯＩ層が順次形成された、ＳＯＩ基板である。なお、シリコン層１１ｃは、主面としての上面１１ｄを有する。
【００３８】
配向膜１２は、例えばシリコン層１１ｃの上面１１ｄ上にエピタキシャル成長した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）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。
【００３９】
ここで、シリコン層１１ｃの主面としての上面１１ｄ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１１ｄ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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（ＳｒＲｕＯ３、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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、以下、ＰＺＴともいう。）を含む。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、後述する図１７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。
【００４６】
図１に示すように、膜構造体１０がＳＯＩ基板としての基板１１を有する場合、例えばフォトリソグラフィ技術及びアルカリ性のエッチング液を用いたエッチング技術により、基板１１のうち基体１１ａの全部をエッチングして除去することができる。これにより、図３に示すように、絶縁層１１ｂと、シリコン層１１ｃと、配向膜１２と、導電膜１３と、導電膜１４と、圧電膜１５と、を有する膜構造体１０ａを形成することができる。そして、例えば複数の膜構造体１０ａを積層することにより、圧電特性に優れた圧電素子、即ち圧電アクチュエータを形成することができる。
【００４７】
或いは、図２に示すように、膜構造体１０がＳＯＩ基板としての基板１１を有する場合、例えばフォトリソグラフィ技術及びアルカリ性のエッチング液を用いたエッチング技術により、図４に示すように、基板１１のうち基体１１ａの一部をエッチングして開口部１１ｅを形成することができる。また、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、上部電極としての導電膜１６の一部をエッチングしてパターニングすることができる。
【００４８】
これにより、図４に示すように、基体１１ａの開口部１１ｅ内に、絶縁層１１ｂと、シリコン層１１ｃと、配向膜１２と、導電膜１３と、導電膜１４と、圧電膜１５と、導電膜１６と、を有する膜構造体１０ｂよりなる圧電素子を形成することができる。そして、基体１１ａに形状精度良く形成された複数の圧電素子を有する微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）よりなる圧電アクチュエータを容易に形成することができる。
【００４９】
好適には、シリコン層１１ｃ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１１ｄを有する。配向膜１２に含まれる酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）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。
【００５０】
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。
【００５１】
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シリコン層１１ｃの、（１００）面よりなる主面としての上面１１ｄ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シリコン層１１ｃの、（１００）面よりなる上面１１ｄに平行であることを意味する。また、配向膜１２の（１００）面がシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる上面１１ｄに平行であるとは、配向膜１２の（１００）面がシリコン層１１ｃの上面１１ｄに完全に平行な場合のみならず、シリコン層１１ｃの上面１１ｄ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（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。
【００５６】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（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。
【００５７】
図５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６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５では、シリコン層１１ｃ、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６では、シリコン層１１ｃ及び配向膜１２を、模式的に示している。
【００５８】
シリコン層１１ｃに含まれるＳｉの格子定数、配向膜１２に含まれるＺｒＯ２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。
【００５９】
【表１】
2018081974.tif 000003
【００６０】
表１に示すように、Ｓｉの格子定数は、０．５４３ｎｍであり、ＺｒＯ２の格子定数は、０．５１４ｎｍであり、Ｓｉの格子定数に対するＺｒＯ２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ＺｒＯ２の格子定数の整合性がよい。そのため、図５に示すように、ＺｒＯ２を含む配向膜１２を、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃ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、ＺｒＯ２を含む配向膜１２を、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃ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。
【００６１】
また、表１に示すように、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２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５に示すように、Ｐｔを含む導電膜１３を、ＺｒＯ２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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
一方、図６に示すように、ＺｒＯ２を含む配向膜１２が、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃ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ＺｒＯ２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。
【００６５】
また、図６に示すように、ＺｒＯ２を含む配向膜１２が、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃ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６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。
【００６６】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００６７】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００６８】
図７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。
【００６９】
配向膜１２は、膜１２ａと、配向膜１２ｂと、を含んでもよい。膜１２ａは、シリコン層１１ｃ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〜図４に示した配向膜１２は、図７に示す配向膜１２ｂに相当する。
【００７０】
配向膜１２ｂが、膜１２ａを介してシリコン層１１ｃ上に形成される場合、配向膜１２ｂが、膜１２ａを介さずにシリコン層１１ｃ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、ＺｒＯ２を含む配向膜１２ｂを、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる主面としての上面１１ｄ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、ＺｒＯ２を含む配向膜１２を、シリコン単結晶を含むシリコン層１１ｃ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。
【００７１】
ただし、ＺｒＯ２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、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂが直接形成され、シリコン層１１ｃ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。
【００７２】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００７３】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００７４】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００７５】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００７６】
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。
【００７７】
＜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８〜図１６は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
【００７８】
まず、図８〜図１１に示すように、ＳＯＩ基板としての基板１１を用意する（ステップＳ１）。
【００７９】
ステップＳ１では、まず、図８に示すように、基板１１（図１１参照）を形成するための半導体基板２１及び２２を用意する。半導体基板２１は、基体２３と、基体２３上に形成された絶縁層２４と、を有する。半導体基板２２は、基体２５と、基体２５上に形成された絶縁層２６と、を有する。基体２３及び２５の各々は、例えば単結晶シリコン基板である。絶縁層２４及び２６の各々は、例えば酸化シリコン膜であり、その膜厚は、例えば０．１〜１０μｍ程度である。なお、絶縁層２４及び２６を窒化処理してもよい。
【００８０】
ステップＳ１では、次に、図９に示すように、それぞれ絶縁層２４側及び絶縁層２６側で接するように、半導体基板２１と半導体基板２２とを圧着させる。
【００８１】
ステップＳ１では、次に、図１０に示すように、例えば１０００℃の高温に保持し、熱処理を施すことによって、半導体基板２１と、半導体基板２２とを貼り合わせる。このとき、絶縁層２４と絶縁層２６とを接合して一体化し、絶縁層２４及び２６よりなる絶縁層１１ｂを形成する。
【００８２】
ステップＳ１では、次に、図１１に示すように、貼り合わせられた半導体基板２１及び２２のうち、基体２５を研磨する。基体２５の厚さが例えば０．１〜１０μｍ程度になるように研磨して薄化し、薄化された基体２５よりなるシリコン層１１ｃを形成する。これにより、基体２３よりなる基体１１ａを支持基板とし、絶縁層１１ｂをＢＯＸ層とし、シリコン層１１ｃをＳＯＩ層とするＳＯＩ基板である基板１１を形成する。そして、基体１１ａと、基体１１ａ上の絶縁層１１ｂと、絶縁層１１ｂ上のシリコン層１１ｃと、を含む基板１１を用意することになる。
【００８３】
好適には、シリコン層１１ｃ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１１ｄを有する。また、シリコン層１１ｃの上面１１ｄ上には、自然酸化膜としてのＳｉＯ２膜などの酸化膜が形成されていてもよい。
【００８４】
なお、基体１１ａ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。
【００８５】
図１１に示すように、シリコン単結晶よりなるシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる上面１１ｄ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１１ｄに垂直な方向をＺ軸方向とする。
【００８６】
次に、図１２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のシリコン層１１ｃ上に、ジルコニウムを含む膜１２ａを形成する。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００９０】
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、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂ（後述する図１３参照）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。
【００９１】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００９２】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００９３】
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、シリコン層１１ｃ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。
【００９４】
次に、図１３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。
【００９５】
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。
【００９６】
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（Ｏ２）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。
【００９７】
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（ＺｒＯ２）膜となって成膜される。そして、単層膜としてのＺｒＯ２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。
【００９８】
配向膜１２ｂは、シリコン単結晶よりなるシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる主面としての上面１１ｄ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（ＺｒＯ２）を含む。即ち、シリコン単結晶よりなるシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる上面１１ｄ上に、膜１２ａを介して、（１００）配向した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を含む配向膜１２が、形成される。
【００９９】
前述した図１１を用いて説明したように、シリコン単結晶よりなるシリコン層１１ｃの（１００）面よりなる上面１１ｄ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１１ｄ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。
【０１００】
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、シリコン層１１ｃ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。
【０１０１】
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、シリコン層１１ｃ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。
【０１０２】
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、シリコン層１１ｃ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。
【０１０３】
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、シリコン層１１ｃ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。
【０１０４】
ＺｒＯ２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１４に示すように、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂが直接形成され、シリコン層１１ｃ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１４に示すように、ステップＳ３において、シリコン層１１ｃ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。
【０１０５】
なお、ステップＳ１を行った後、ステップＳ２を行わず、ステップＳ３を行って、図１４に示すように、膜１２ａを形成せず、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂを直接形成してもよい。シリコン層１１ｃ上に膜１２ａを介さずに配向膜１２ｂを形成する場合、シリコン層１１ｃ上に膜１２ａを介して配向膜１２ｂを形成する場合に比べて、配向膜１２ｂの結晶性は低下する。しかし、シリコン層１１ｃ上に膜１２ａも配向膜１２ｂも介さずに導電膜１３を形成する場合に比べれば、シリコン層１１ｃ上に膜１２ａは介さないが配向膜１２ｂを介して導電膜１３を形成する場合、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂが配向又はエピタキシャル成長しやすくなる。そのため、配向膜１２ｂ上に形成される導電膜１３もある程度配向又はエピタキシャル成長しやすくなり、導電膜１３の結晶性を向上させることができる。
【０１０６】
次に、図１５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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
次に、図１６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（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）を含む導電膜が用いられる。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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（ＴｉｙＲｕ１−ｙ）Ｏ３（０≦ｙ≦０．４））を含む導電膜を用いることもできる。
【０１１２】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）：ＰＺＴ）を含む圧電膜１５を形成する。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（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。
【０１１６】
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−ｘＴｉｘ）Ｏ３（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。
【０１１７】
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７に示す膜構造体１０が形成される。
【０１１８】
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。
【０１１９】
＜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。
【０１２０】
図１７は、実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。
【０１２１】
図１７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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【実施例】
【０１２５】
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。
【０１２６】
（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１２参照）の厚さ、膜１２ａを形成する際の基板温度、及び、配向膜１２ｂ（図１３参照）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。
【０１２７】
まず、図１１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１１ｄを有し、６インチのＳＯＩ基板よりなるウェハを用意した。
【０１２８】
次に、図１２に示したように、基板１１のシリコン層１１ｃ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℃
【０１２９】
次に、図１３に示したように、配向膜１２として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）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＋Ｏ２
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℃
【０１３０】
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、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２膜の厚さは、１０ｎｍである。また、表２〜表４では、ＺｒＯ２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。
【０１３１】
【表２】
2018081974.tif 000004
【０１３２】
【表３】
2018081974.tif 000005
【０１３３】
【表４】
2018081974.tif 000006
【０１３４】
実施例１〜６０について、ＺｒＯ２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１８及び図１９は、ＺｒＯ２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及び図１９の各々のグラフの横軸は、角度２θを示し、図１８及び図１９の各々のグラフの縦軸は、Ｘ線の強度を示す。
【０１３５】
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、ＺｒＯ２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７５０℃であり、ＺｒＯ２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１８及び図１９において、Ｔ−ＺｒＯ２は、正方晶のＺｒＯ２を意味し、Ｍ−ＺｒＯ２は、単斜晶のＺｒＯ２を意味する。なお、前述したように、正方晶のＺｒＯ２が立方晶のＺｒＯ２に含まれるものとする。
【０１３６】
図１８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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２を含むことが分かった。
【０１３７】
また、図１８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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２、又は、単斜晶の結晶構造を有するＺｒＯ２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。
【０１３８】
一方、図１９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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２を含むことが分かった。
【０１３９】
ただし、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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２の（１１１）に相当するピーク、及び、単斜晶の結晶構造を有するＺｒＯ２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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２、及び、単斜晶の結晶構造を有し、且つ、（１１１）配向したＺｒＯ２を、ある程度含むことが分かった。
【０１４０】
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、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２膜を形成する際の基板温度で分類して整理した。図２０〜図２２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２０〜図２２の各々は、ＺｒＯ２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２０〜図２２の各々の各列は、互いに異なるＺｒ膜の厚さに対応し、図２０〜図２２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。
【０１４１】
まず、図２０に示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク（図２０においてＺｒＯ２（２００）と記載）が観察された。一方、図２０では図示を省略するが、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピークが観察されなかった。
【０１４２】
また、図２１に示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク（図２１においてＺｒＯ２（２００）と記載）が観察された。一方、図２１では図示を省略するが、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピークが観察されなかった。
【０１４３】
また、図２２に示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク（図２２においてＺｒＯ２（２００）と記載）が観察された。一方、図２２では図示を省略するが、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピークが観察されなかった。
【０１４４】
また、図２０〜図２２では図示を省略するが、図２０〜図２２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ＺｒＯ２膜を形成した場合についても、１０ｎｍの厚さを有するＺｒＯ２膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。
【０１４５】
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ＺｒＯ２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。
【０１４６】
また、図２０にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２（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ＺｒＯ２のピーク（図２０においてＺｒＯ２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２０においてＺｒ３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２０においてＺｒ３Ｏ（１０１）と記載）であった。
【０１４７】
なお、ＺｒＯ２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「ＺｒＯ２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。
【０１４８】
また、図２１にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２（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ＺｒＯ２のピーク（図２１においてＺｒＯ２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２１においてＺｒ３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２１においてＺｒ３Ｏ（１０１）と記載）であった。
【０１４９】
なお、ＺｒＯ２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「ＺｒＯ２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。
【０１５０】
また、図２２にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ２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ＺｒＯ２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２（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ＺｒＯ２のピーク（図２２においてＺｒＯ２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２２においてＺｒ３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ３Ｏのピーク（図２２においてＺｒ３Ｏ（１０１）と記載）であった。
【０１５１】
なお、ＺｒＯ２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「ＺｒＯ２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。
【０１５２】
なお、図２０〜図２２において、「ＺｒＯ２（２００）弱」と記載されたピーク強度は、５．０×１０３ｃｐｓ未満であり、それ以外の「ＺｒＯ２（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。
【０１５３】
また、図２０〜図２２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ＺｒＯ２膜を形成した場合についても、１０ｎｍの厚さを有するＺｒＯ２膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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、シリコン層１１ｃの上面１１ｄに存在する自然酸化膜（ＳｉＯ２）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、シリコン層１１ｃの上面１１ｄ上に直接エピタキシャル成長させることができる。
【０１５６】
なお、実施例１〜６０では、ＺｒＯ２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、シリコン層１１ｃ上に配向膜１２ｂが直接形成され、シリコン層１１ｃ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。
【０１５７】
次に、図１５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℃
【０１５８】
ＺｒＯ２膜のθ−２θスペクトルにおいて、ＺｒＯ２（２００）のピーク以外に、ＺｒＯ２（１１１）、Ｚｒ３Ｏ（１１１）及びＺｒ３Ｏ（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、ＺｒＯ２膜のθ−２θスペクトルにおいて、ＺｒＯ２（２００）のピーク以外に、ＺｒＯ２（１１１）、Ｚｒ３Ｏ（１１１）及びＺｒ３Ｏ（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。
【０１５９】
次に、図１６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
【０１６０】
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２３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２３のグラフの横軸は、角度２θを示し、図２３のグラフの縦軸は、Ｘ線の強度を示す。
【０１６１】
なお、図２３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、ＺｒＯ２膜を形成する際の基板温度が５５０℃である場合を例示する。
【０１６２】
図２３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。
【０１６３】
また、図２３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。
【０１６４】
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）Ｏ３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。
【０１６５】
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）Ｏ３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。
【０１６６】
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（Ｏ２）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。
【０１６７】
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２４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２４のグラフの横軸は、角度２θを示し、図２４のグラフの縦軸は、Ｘ線の強度を示す。
【０１６８】
なお、図２４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、ＺｒＯ２膜を形成する際の基板温度が５５０℃である場合を例示する。
【０１６９】
また、図２４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。
【０１７０】
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２４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。
【０１７１】
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／Ｏ２
圧力  ：  ０．１４Ｐａ
基板温度  ：  ４２５〜５２５℃
成膜速度  ：  ０．６３ｎｍ／ｓ
【０１７２】
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２４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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【符号の説明】
【０１７６】
１０、１０ａ、１０ｂ  膜構造体
１１  基板
１１ａ  基体
１１ｂ  絶縁層
１１ｃ  シリコン層
１１ｄ  上面
１１ｅ  開口部
１２、１２ｂ  配向膜
１２ａ  膜
１３、１４、１６  導電膜
１５  圧電膜
２１、２２  半導体基板
２３、２５  基体
２４、２６  絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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