(57)【要約】      （修正有）【課題】基板／酸化シリコン層／Ti密着層／Pt下部電極層／PZT圧電体層／Pt上部電極層よりなる圧電アクチュエータとその製造方法を提供する。【解決手段】単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、TiOx密着層３１及びTi密着層３２よりなる密着層３、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５及びPt上部電極層６を積層して圧電アクチュエータを構成する。TiOx密着層３１のTiOxの組成比xは0<x≦2；好ましくは0<x<2であり、つまり、TiOx密着層３１はTiを不完全に酸化させて成膜したものである。Ti密着層３２の厚さは十分に薄く、約10〜20nmである。【選択図】図１
2013161896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられた酸化物よりなる絶縁層と、
該絶縁層上に設けられたTiOx（0<x≦2）よりなる第１の密着層と、
該第１の密着層上に設けられたTiよりなる第２の密着層と、
該第２の密着層上に設けられたPtよりなる下部電極層と、
該下部電極層上に設けられたPZTよりなる圧電体層と
を具備する圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の密着層のTiOxの組成比xは0<x<2である請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第２の密着層は厚さ10〜20nmのTiよりなる請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
絶縁層を有する基板上にTiOx（0<x≦2）よりなる第１の密着層を形成する第１の密着層形成工程と、
該第１の密着層上にTiよりなる第２の密着層を形成する第２の密着層形成工程と、
該第２の密着層上にPtよりなる下部電極層を形成する下部電極層形成工程と、
前記下部電極層上にPZT圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
を具備し、前記第１の密着層形成工程は一定量の不活性ガス流量及び一定量の酸素流量で行われるスパッタリング工程であり、前記第２の密着層形成工程は一定量の不活性ガス流量で行われるスパッタリング工程である圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
さらに、前記圧電体層形成工程の前に、前記基板、前記絶縁層、前記第１、第２の密着層及び前記下部電極層を真空雰囲気で加熱する真空雰囲気下加熱処理工程を具備する請求項４に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を含む圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Pb、Zr、Tiの各元素を含む酸化化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛PbZrxTi1-xO3（PZT）は図７に示す立方晶系ペロブスカイト型の結晶構造を有する。尚、図７においては、斜線球は単純立方配列のPb、黒球はZrもしくはTi、白球はOを示す。図８に示すごとく、PZTは<１００>方向あるいは<１１１>方向に歪んだ場合に分極を発生し、これにより、（１００）面配向もしくは（１１１）面配向のときに優れた圧電性を発揮する（参照：特許文献１の図５、図１０）。つまり、PZTの結晶構造には正方晶系及び菱面体晶系があり、正方晶系PZTの場合には、<１００>方向（ａ軸方向）（あるいは<００１>方向（ｃ軸方向））に最も大きな圧電変位が得られ、また、菱面体晶系PZTの場合には、<１１１>方向に最も大きな圧電変位が得られると言われている。また、圧電アクチュエータとしての重要な特性である耐電圧特性についてはチタン（Ti）リッチ（x<0.5）な正方晶系PZTの方が菱面体晶系PZTより良いとされている。これを利用したPZT圧電体層は、アクチュエータとして用いたMEMS素子、センサとして用いたMEMS素子、発電素子、ジャイロ素子等に用いられる。
【０００３】
図９は第１の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。図９の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、厚さ約５００nmの酸化シリコン層２、厚さ約５０nmのTi密着層３A、厚さ約１５０nmのPt下部電極層４、厚さ約３μmのPZT圧電体層５及び厚さ約３００nmのPt上部電極層６を積層して構成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、Ti密着層３は酸化シリコン層２とPt下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間の密着性を改善すると共に応力を緩和するものである。
【０００４】
図９においては、正方晶系のPZT圧電体層５の矢印方向が結晶の<１００>方向あるいは<００１>方向に向いていると、Pt下部電極層４とPt上部電極層６との間に直流電圧を印加したときに、歪みが効率よく発生する。
【０００５】
図１０は第２の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。図１０においては、図９のTi密着層３Aの代わりにTiO２密着層３Bを設けてある。
【０００６】
図１１は第３の従来のアクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献２）。図１１においては、図９のTi密着層３Aの代わりにTiOｘ（０≦ｘ≦２）密着層３Cを設けてある。TiOｘ密着層５Cにおいては、組成ｘを膜厚方向で酸化シリコン層２側からPt下部電極層４に向かって連続的に増加させ、酸化シリコン層２との接する界面でｘ＝０（Ti）とし、Pｔ下部電極層４との接する界面でｘ＝２（TiO２）とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−８１６９４号公報
【特許文献２】特開２００２−１８５２８５号公報
【特許文献３】特開２００１−８８２９４号公報
【特許文献４】特開２００１−２２３４０３号公報
【特許文献５】特開２０００−０９４６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の図９に示す第１の従来の圧電アクチュエータにおいては、PZT圧電体層５がアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）処理、スパッタリング処理、ゾル・ゲル処理等によって行われた場合、ウェハが約500℃まで加熱されるので、図１２に示すごとく、Ti密着層３AのTiがPt下部電極層４等へ上方拡散され、また、PZT圧電体層５のPb成分がPt下部電極層４と反応して合金化したり、Ptの粒界に沿ってPt下部電極層４はおろかTi密着層３及び酸化シリコン層２中まで下方拡散してしまう。
【０００９】
上述の拡散により、Pt下部電極層４とPZT圧電体層５のPbもしくはTi密着層３のTiが拡散、反応するために、図１３の（Ａ）に示すごとく、Pt下部電極層４の結晶構造が乱れ、従って、表面ラフネスが大きくなり、また、図１３の（Ｂ）に示すごとく、Pt下部電極層４の面内方向の結晶構造も大きくばらついてしまう。この結果、この上に形成するPZT圧電体層も図１４の（Ａ）に示すごとく、PZT圧電体層５の柱状結晶性もばらつき、また、図１４の（Ｂ）に示すごとく、PZT圧電体層５の圧電定数（-d31）もばらつく。さらに、図１５に示すごとく、Pt上部電極層６の表面ラフネスも大きくなり、Pt上部電極層６とPt下部電極層４との間に電圧を印加すると、電場が局所的に集中し、耐電圧特性も低下する。これにより、製造歩留りの低下を招くことになる。
【００１０】
また、図９に示す第１の従来の圧電アクチュエータにおいては、Ti密着層５AとPt下部電極層４との密着は金属同士の結合によって行われるので強い。しかしながら、Ti密着層３Aと酸化シリコン層２との密着は金属と酸化物との結合たとえば分子間力、電気的引力によって行われるので弱いという課題がある。圧電アクチュエータ５が横効果型の場合には、図１６に示すごとく、圧電アクチュエータ５は横方向に縮小し、各層は圧電アクチュエータ５の圧縮力を受けて縮小しようとする。従って、図１６に示すごとくTi密着層３Aと酸化シリコン層２との弱い結合がその影響を受けて剥離を起こし易い。
【００１１】
たとえば、図９の圧電アクチュエータに電場Eの交流電圧を印加した場合の圧電定数（-d31）に相当する誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cを図１７の（A）、（B）に示すと、E≦26V/μm（以下、耐電圧相当電場EBDとする）以下では、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cは共に変化しなかったが、E＝26V/μmを超えると、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cは変化し始め、図１８の（A）に示すごとく、図９の圧電アクチュエータ５の表面、つまりPt上部電極層６の周囲に亀裂が入り始める。さらに、大きい電場Eの交流電圧を印加すると、図１８の（B）に示すごとく、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５と共にPt上部電極層６の全体が剥離し、絶縁破壊を招く。尚、誘電損失係数tanδは交流電圧を印加した場合、実際に熱として喪失されるエネルギーの尺度を表わす。
【００１２】
また、上述の図１０に示す第２の従来の圧電アクチュエータにおいては、TiO２密着層３Bが金属Tiを含まないので、上述のTiのPt下部電極層４等への上方拡散はなく、また、TiO２密着層３Bの酸素成分によってPZT圧電体層５のPb成分のTiO２密着層３Bから下方への拡散もない。しかしながら、TiO２密着層３Bと酸化シリコン層２との密着は酸化物同士の結合たとえば共有結合、イオン結合によって行われるので強いが、TiO２密着層３BとPt下部電極層４との密着は金属/絶縁層間結合たとえば分子間力、電気的引力によって行われるので弱いという課題がある。この結果、上述の場合と同様に、密着が弱いTiO２密着層３BとPt下部電極層４との密着がその影響を受けて剥離を起こし易く、従って、電場Eが耐電圧相当値EBD（この場合、53V/μm）を超えると、Pt上部電極層６の周囲に亀裂が入り、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５と共に上部電極層６の全体が剥離され、絶縁破壊を招く。
【００１３】
さらに、上述の図１１に示す第３の従来の圧電アクチュエータにおいても、TiOｘ密着層３CのPt下部電極層４側の界面が金属Tiを含まないので、上述のTiのPt下部電極層４等への上方拡散はなく、また、酸化物であるTiOx密着層３CによってPZT圧電体層５のPb成分のTiOx密着層３から下方への拡散もない。しかしながら、TiOx密着層３Cの酸化シリコン層２側のTiと酸化シリコン層２との密着及びTiOx密着層３CのPt下部電極層４側のTiO２とPt下部電極層４との密着は金属/絶縁層間密着たとえば分子間力、弱い電気的引力によって行われるので弱いという課題がある。この結果、上述の場合と同様に、密着が弱いTiOx密着層３Cと酸化シリコン層２及びPt下部電極層４との密着がその影響を受けて剥離を起こし易く、従って、Pt上部電極層６の周囲に亀裂が入り、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５と共にPt上部電極層６の全体が剥離され、絶縁破壊を招く。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の課題を解決するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、基板と、基板上に設けられた酸化物よりなる絶縁層と、絶縁層上に設けられたTiOx（0<x≦2）よりなる第１の密着層と、第１の密着層上に設けられたTiよりなる第２の密着層と、第２の密着層上に設けられたPtよりなる下部電極層と、下部電極層上に設けられたPZTよりなる圧電体層とを具備するものである。これにより、第１の密着層と絶縁層との密着は酸化物同士の結合によって強くなり、第２の密着層と下部電極層との密着は金属同士の結合によって強くなる。また、第１の密着層のTiOxの存在によりPZTのPb成分の絶縁層等への下方拡散が抑制される。
【００１５】
第１の密着層のTiOxの組成比xは0<x≦2である。つまり、第１の密着層はTiO2を除き、Tiの不完全な酸化物よりなる。これにより、第１の密着層のTiOxの組成比ｘが0<x<2の不完全な酸化物の場合、第２の密着層のTiが第１の密着層のTiOxと反応し、TiOx中に拡散する。従って、密着層内の第１、第２の密着層間の密着は強くなる。
【００１６】
さらに、第２の密着層は厚さ10〜20nmのTiよりなる。このような範囲の厚さであればTiの下部電極層等への上方への拡散は問題とならない。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、絶縁層を有する基板上にTiOx（0<x≦2）よりなる第１の密着層を形成する第１の密着層形成工程と、第１の密着層上にTiよりなる第２の密着層を形成する第２の密着層形成工程と、第２の密着層上にPtよりなる下部電極層を形成する下部電極層形成工程と、下部電極層上にPZT圧電体層を形成する圧電体層形成工程とを具備し、第１の密着層形成工程は一定量の不活性ガス流量及び一定量の酸素流量で行われるスパッタリング工程であり、第２の密着層形成工程は一定量の不活性ガス流量で行われるスパッタリング工程である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、密着層と絶縁層及び下部電極層との密着を確保できると共に、Pb成分の拡散が抑制されるので、PZTの結晶特性、配向特性を向上できかつ耐電圧特性を向上させることができ、引いては、製造歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１のPZTの特性を示すグラフであって、（Ａ）はPZTのＸ線回折パターンを示し、（Ｂ）はPZT圧電体層の（１００）回折強度I（１００）と（１１１）回折強度I（１００）との比I（１００）/I（１１１）を配向度と定義し、その特性変化をグラフにしたものである。
【図３】図１の圧電アクチュエータの特性を示すグラフであって、（Ａ）は誘電損失係数を示し、（Ｂ）は容量変化率を示す。
【図４】図１の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４のADRIP前処理ステップ及びADRIP処理ステップに用いられるADRIP装置を示す図である。
【図６】比較例として圧電アクチュエータのTiOx密着層、Ti密着層、Pt下部電極層及びPZT圧電体層の断面を示すSEM写真である。
【図７】PZTの結晶構造を示す図である。
【図８】PZTのＸ線解析パターンを示すグラフである。
【図９】第１の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図１０】第２の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図１１】第３の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図１２】図９の圧電アクチュエータの課題を説明するための断面図である。
【図１３】（Ａ）は図９のTi密着層、Pt下部電極層及びPZT圧電体層の断面を示すSEM写真、（Ｂ）は図９のPt下部電極層の平面写真である。
【図１４】（Ａ）は図９のPZT圧電体層の断面を示すSEM写真、（Ｂ）は図９のPZT圧電体層の平面写真である。
【図１５】図９のTi密着層、Pt下部電極層、PZT圧電体層及びPt上部電極層の断面を示すSEM写真である。
【図１６】図９の圧電アクチュエータの密着不良を説明するための断面図である。
【図１７】図９の圧電アクチュエータの特性を示すグラフであって、（Ａ）は誘電損失係数を示し、（Ｂ）は容量変化率を示す。
【図１８】図９のPt上部電極層の不良状態を示す平面写真であって、（Ａ）は周囲の亀裂を示し、（Ｂ）は全体の絶縁破壊を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。図１においては、図９のTi密着層３Ａの代りに、厚さ約50nmのTiOx（0<x≦2）密着層３１及び厚さ約10〜20nmのTi密着層３２よりなる密着層３を設けてある。従って、密着層３のTiOx密着層３１と酸化シリコン層２との密着は酸化物同士の結合たとえば共有結合あるいはイオン結合によって行われているので強く、また、密着層３のTi密着層３２とPt下部電極層４との密着は金属同士の結合によって行われているので強い。また、密着層３のTiOx密着層３１によってPZT圧電体層５のPb成分のTi密着層３２等のTiの下方への拡散もない。
【００２１】
また、好ましくは、TiOx密着層３１の組成比xはx=2を含まず、0<x<2であり、Tiを不完全に酸化させて成膜したものである。従って、この場合、Ti密着層３２のTiがTiOx密着層３１のTiOxと反応して拡散し、密着層３内のTiOx密着層３１とTi密着層３２との密着は強くなる。
【００２２】
図１においては、密着層３のTi密着層３２は薄く、従って、Tiは少ないので、TiのPt下部電極層４等への上方拡散が少ない。
【００２３】
図２にPZT圧電体層５の結晶性（圧電定数）に表わすＸ線回折パターン及び配向度特性I（１００）/I（１１１）を示すように、密着層３のTi密着層３２の厚さt=10〜20nmの範囲で圧電特性及び配向度を確保でき、TiのPt下部電極層４への拡散が少ないのでPt下部電極層４の結晶性の低下が抑制されていることが分かる。尚、Ti密着層３２の厚さtが5nm以下では、Ti密着層３２とPt下部電極層４との密着を確保できないので、PZTの圧電特性及び配向度も低下し、他方、Ti密着層３２の厚さtが30nm以上では、Tiの上方拡散量が大きくなり、やはり、PZTの圧電特性及び配向度が低下する。
【００２４】
たとえば、図１の圧電アクチュエータに電場Ｅの交流電圧を印加した場合の圧電定数（-d31）の値に影響を及ぼす誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃを図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、密着層３のTi密着層３２の厚さt=10nm以上であれば、Ｅ≦91V/μm（耐電圧相当電場）以下では、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃはほとんど変化しなかった。Ｅ=91V/μmを超えると、圧電定数（-d31）に相当する誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃは変化し始め、圧電アクチュエータ５の表面、つまり、Pt上部電極層６の周囲に無数の亀裂が入り始め、さらに大きな電場Ｅの交流電圧を印加すると、Pt上部電極層６の全体が剥離し、絶縁破壊を招くものと考えられる。
【００２５】
図１の圧電アクチュエータの製造方法を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２６】
始めに、ステップ４０１を参照すると、単結晶シリコン基板１を熱酸化して酸化シリコン層２を形成する。尚、熱酸化処理の代りに化学的気相成長（CVD）法を用いてもよい。
【００２７】
次に、ステップ４０２を参照すると、酸化シリコン層２上にArガス及びO2ガスを用いたスパッタリング法によってTiOx密着層３１及びTi密着層３２よりなる密着層３を形成する。すなわち、Tiターゲットを用いてArガス及びO2ガスをスパッタリング装置に導入して厚さ約50nmのTiOx（0<x≦2.0）密着層３１を形成する。このとき、好ましくは、O2ガス流量はTiOxのシート抵抗が2×102Ω/□程度になるように導入してTiを不完全に酸化する。つまり、この場合、TiOxは完全な絶縁体（TiO2）とはならず、不完全な絶縁体となる（0<x<2.0）。しかし、TiOx密着層３１と酸化シリコン層２との密着は酸化物同士の合たとえば共有結合あるいはイオン結合となるので強固となる。次いで、導入O2ガスを停止してArガスのみをスパッタリング装置に導入して厚さ約10〜20nmのTi密着層３２を形成する。
【００２８】
次に、ステップ４０３を参照すると、密着層３のTi密着層３２上にArガスを用いたスパッタリング法によってPt下部電極層４を形成する。これにより、Ti密着層３２とPt下部電極層４との密着は金属同士の結合となり、強固となる。
【００２９】
次に、ステップ４０４を参照すると、次のステップ４０５のアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）本処理であるPZT圧電体膜形成工程の前工程としてADRIP装置に投入して真空雰囲気において単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、密着層３及びPt下部電極層４よりなるウェハを約500℃になるように加熱する。このADRIP前処理のためのADRIP装置については後述する。
【００３０】
次に、ステップ４０５を参照すると、引き続いてADRIP装置において上述したウェハのPt下部電極層４上にADRIP法を用いてPZT圧電体層５を形成する。このPZT圧電体層５を形成するADRIP装置については、後述する。
【００３１】
最後に、ステップ４０６を参照すると、PZT圧電体層５上にArガスを用いたスパッタリング法によってPt上部電極層６を形成する。
【００３２】
図４のステップ４０５におけるADRIP法は、スパッタリング法に比較してPZT圧電体層の堆積速度が大きいという利点を有し、また、有機金属化学的気相成長（MOCVD）法に比較して基板温度が低く、製造コストが低く、有毒な有機金属ガスを用いないので、対環境性がよく、また、原料の利用効率がよいという利点を有する。このADRIP法に用いられるADRIP装置を図５を参照して説明する（参照：特許文献３の図１）。
【００３３】
図５において、真空チャンバ５０１内の下方側に、Pb、Zr、Tiを独立に蒸発させるためのPb蒸発源５０２−１、Zr蒸発源５０２−２、Ti蒸発源５０２−３が設けられる。Pb蒸発源５０２−１、Zr蒸発源５０２−２、Ti蒸発源５０２−３上には、蒸気量センサ５０２−１Ｓ、５０２−２Ｓ、５０２−３Ｓが設けられている。真空チャンバ５０１内の上方側に、ウェハ５０３ａを載置するためのヒータ付ウェハ回転ホルダ５０３が設けられる。
【００３４】
また、真空チャンバ５０１の上流側には、アーク放電を維持するために不活性ガスたとえばArガス及びHeガスを導入する圧力勾配型プラズマガン５０４及びPZT圧電体層５の酸素原料となる酸素（O2）ガスを導入するO2ガス導入口５０５が設けられる。この場合、酸素ガス流量は調整弁５０５ａによって調整される。他方、真空チャンバ５０１の下流側には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口５０６が設けられる。
【００３５】
制御回路５０７はたとえばCPU、ROM、RAM、I/O等よりなるマイクロコンピュータによって構成され、ADRIP装置全体を制御する。特に、蒸気量センサ５０２−１Ｓ、５０２−２Ｓ、５０２−３Ｓからの信号を受信して圧力勾配型プラズマガン５０４、調整弁５０５ａと共に蒸発源５０２−１、５０２−２、５０２−３を制御する。
【００３６】
図５のADRIP装置において図４のADRIP本処理ステップ４０５を行う場合、制御回路５０７は圧力勾配型プラズマガン５０４にを制御して導入されたArガス及びHeガスによって高密度、低電子温度のアーク放電プラズマ５０８が発生し、調整弁５０５ａを制御してO2ガス導入口５０５からO2ガスが導入されることによって真空チャンバ５０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源５０２−１、Zr蒸発源５０２−２及びTi蒸発源５０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ５０３ａ上に付着し、この結果、組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。尚、Pb蒸気、Zr蒸気、Ti蒸気は蒸気量センサ５０２−１Ｓ、５０２−２Ｓ、５０２−３Ｓによって検出される。
【００３７】
尚、ADRIP処理ステップ４０４、４０５の代りに、スパッタリング法（参照：特許文献４）、ゾル・ゲル法（参照：特許文献５）、蒸着法等を用いることもできる。スパッタリング法においても、基板温度を600℃程度にし、また、ゾル・ゲル法においても、１度に厚いPZT圧電体層５を形成できないので、薄い圧電体前駆体を形成して一定温度での焼成することを複数回繰返す。
【００３８】
上述のごとく、酸化シリコン層２とTiOx密着層３１との密着は酸化物同士の結合により密着性を確保し、また、Ti密着層３２とPt下部電極層４との結合は金属同士の結合により密着性を確保する。さらに、密着層３内のTiOx密着層３１とTi密着層３２との密着はTiOx密着層３１のTiOxが不完全な酸化物（x<2.0）であれば、TiがTi/ TiOx界面からTiOxと反応してTiOx側に熱拡散することによりTi/ TiOx界面の密着性が向上し、密着層３内の２つの密着層３１、３２間の密着を確保する。
【００３９】
上述の構成によれば、Ti密着層３２のTi成分のPt下部電極層４への上方拡散はTi密着層３２の薄膜化によって抑制され、さらに、PZT圧電体層５のPb成分の密着層３、酸化シリコン層２への下方拡散は酸化物であるTiOx密着層３１によって抑制される。この結果、Pt下部電極層４の結晶性のばらつきがなくなって表面ラフネスが小さくなり、また、PZT圧電体層５の柱状結晶性のばらつき、従って、圧電定数（-d31）のばらつきもなくなる。さらに、Pt上部電極層６の表面ラフネスも小さくなり、Pt上部電極層６とPt下部電極層４との間に電圧を印加しても、電場の局所的集中が緩和され、耐電圧特性も向上する。これにより、製造歩留りが向上することになる。
【００４０】
尚、ステップ４０２において、Ti密着層３２を非常に厚くすると、図６に示すごとく、Ti密着層３２のTiがPt下部電極層４に拡散、反応するために、Pt下部電極層４の結晶構造が乱れ、従って、表面ラフネスが大きくなる。
【００４１】
また、図９に示す第１の従来のアクチュエータにおける耐電圧相当電場EBDは26V/μmであり、図１０に示す第２の従来のアクチュエータにおける耐電圧相当電場EBDは53V/μmであるのに対し、本発明の実施の形態における耐電圧相当電場EBDは91V/μmであり、耐電圧特性が著しく向上したことが分かる。
【符号の説明】
【００４２】
１：単結晶シリコン基板 
２：酸化シリコン層 
３Ａ：Ti密着層 
３Ｂ：TiO2密着層
３Ｃ：TiOx密着層
３：密着層
３１：TiOx密着層 
３２：Ti密着層
４：Pt下部電極層
５：PZT圧電体層
６：Pt上部電極層 
５０１：真空チャンバ
５０２−１：Pb蒸発源
５０２−２：Zr蒸発源
５０２−３：Ti蒸発源
５０２−１Ｓ、５０２−２Ｓ、５０２−３Ｓ：蒸気量センサ
５０３：ヒータ付ウェハ回転ホルダ 
５０３ａ：ウェハ
５０４：圧力勾配型プラズマガン 
５０５：O2ガス導入口 
５０６：排気口 
５０７：制御回路
５０８：アーク放電プラズマ
【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１６】
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【図１７】
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【図６】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月4日(2012.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
図９は第１の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。図９の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、厚さ約５００nmの酸化シリコン層２、厚さ約５０nmのTi密着層３A、厚さ約１５０nmのPt下部電極層４、厚さ約３μmのPZT圧電体層５及び厚さ約３００nmのPt上部電極層６を積層して構成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、Ti密着層３Aは酸化シリコン層２とPt下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間の密着性を改善すると共に応力を緩和するものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
しかしながら、上述の図９に示す第１の従来の圧電アクチュエータにおいては、PZT圧電体層５がアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）処理、スパッタリング処理、ゾル・ゲル処理等によって行われた場合、ウェハが約500℃まで加熱されるので、図１２に示すごとく、Ti密着層３AのTiがPt下部電極層４等へ上方拡散され、また、PZT圧電体層５のPb成分がPt下部電極層４と反応して合金化したり、Ptの粒界に沿ってPt下部電極層４はおろかTi密着層３A及び酸化シリコン層２中まで下方拡散してしまう。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上述の拡散により、Pt下部電極層４にPZT圧電体層５のPbもしくはTi密着層３AのTiが拡散、反応するために、図１３の（Ａ）に示すごとく、Pt下部電極層４の結晶構造が乱れ、従って、表面ラフネスが大きくなり、また、図１３の（Ｂ）に示すごとく、Pt下部電極層４の面内方向の結晶構造も大きくばらついてしまう。この結果、この上に形成するPZT圧電体層も図１４の（Ａ）に示すごとく、PZT圧電体層５の柱状結晶性もばらつき、また、図１４の（Ｂ）に示すごとく、PZT圧電体層５の圧電定数（-d31）もばらつく。さらに、図１５に示すごとく、Pt上部電極層６の表面ラフネスも大きくなり、Pt上部電極層６とPt下部電極層４との間に電圧を印加すると、電場が局所的に集中し、耐電圧特性も低下する。これにより、製造歩留りの低下を招くことになる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、図９に示す第１の従来の圧電アクチュエータにおいては、Ti密着層３AとPt下部電極層４との密着は金属同士の結合によって行われるので強い。しかしながら、Ti密着層３Aと酸化シリコン層２との密着は金属と酸化物との結合たとえば分子間力、電気的引力によって行われるので弱いという課題がある。圧電アクチュエータが横効果型の場合には、図１６に示すごとく、PZT圧電体層５は横方向に縮小し、各層はPZT圧電体層５の圧縮力を受けて縮小しようとする。従って、図１６に示すごとくTi密着層３Aと酸化シリコン層２との弱い結合がその影響を受けて剥離を起こし易い。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
たとえば、図９の圧電アクチュエータに電場Eの交流電圧を印加した場合の圧電定数（-d31）に相当する誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cを図１７の（A）、（B）に示すと、E≦26V/μm（以下、耐電圧相当電場EBDとする）以下では、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cは共に変化しなかったが、E＝26V/μmを超えると、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔC/Cは変化し始め、図１８の（A）に示すごとく、図９の圧電アクチュエータの表面、つまりPt上部電極層６の周囲に亀裂が入り始める。さらに、大きい電場Eの交流電圧を印加すると、図１８の（B）に示すごとく、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５と共にPt上部電極層６の全体が剥離し、絶縁破壊を招く。尚、誘電損失係数tanδは交流電圧を印加した場合、実際に熱として喪失されるエネルギーの尺度を表わす。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
さらに、上述の図１１に示す第３の従来の圧電アクチュエータにおいても、TiOｘ密着層３CのPt下部電極層４側の界面が金属Tiを含まないので、上述のTiのPt下部電極層４等への上方拡散はなく、また、酸化物であるTiOx密着層３CによってPZT圧電体層５のPb成分のTiOx密着層３Cから下方への拡散もない。しかしながら、TiOx密着層３Cの酸化シリコン層２側のTiと酸化シリコン層２との密着及びTiOx密着層３CのPt下部電極層４側のTiO２とPt下部電極層４との密着は金属/絶縁層間密着たとえば分子間力、弱い電気的引力によって行われるので弱いという課題がある。この結果、上述の場合と同様に、密着が弱いTiOx密着層３Cと酸化シリコン層２及びPt下部電極層４との密着がその影響を受けて剥離を起こし易く、従って、Pt上部電極層６の周囲に亀裂が入り、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５と共にPt上部電極層６の全体が剥離され、絶縁破壊を招く。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
第１の密着層のTiOxの組成比xは0<x<2である。つまり、第１の密着層はTiO2を除き、Tiの不完全な酸化物よりなる。これにより、第１の密着層のTiOxの組成比ｘが0<x<2の不完全な酸化物の場合、第２の密着層のTiが第１の密着層のTiOxと反応し、TiOx中に拡散する。従って、密着層内の第１、第２の密着層間の密着は強くなる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
たとえば、図１の圧電アクチュエータに電場Ｅの交流電圧を印加した場合の圧電定数（-d31）の値に影響を及ぼす誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃを図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、密着層３のTi密着層３２の厚さt=10nm以上であれば、Ｅ≦91V/μm（耐電圧相当電場）以下では、誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃはほとんど変化しなかった。Ｅ=91V/μmを超えると、圧電定数（-d31）に相当する誘電損失係数tanδ及び容量変化率ΔＣ/Ｃは変化し始め、圧電アクチュエータの表面、つまり、Pt上部電極層６の周囲に無数の亀裂が入り始め、さらに大きな電場Ｅの交流電圧を印加すると、Pt上部電極層６の全体が剥離し、絶縁破壊を招くものと考えられる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
次に、ステップ４０２を参照すると、酸化シリコン層２上にArガス及びO2ガスを用いたスパッタリング法によってTiOx密着層３１及びTi密着層３２よりなる密着層３を形成する。すなわち、Tiターゲットを用いてArガス及びO2ガスをスパッタリング装置に導入して厚さ約50nmのTiOx（0<x≦2.0）密着層３１を形成する。このとき、好ましくは、O2ガス流量はTiOxのシート抵抗が2×102Ω/□程度になるように導入してTiを不完全に酸化する。つまり、この場合、TiOxは完全な絶縁体（TiO2）とはならず、不完全な絶縁体となる（0<x<2.0）。しかし、TiOx密着層３１と酸化シリコン層２との密着は酸化物同士のたとえば共有結合あるいはイオン結合となるので強固となる。次いで、導入O2ガスを停止してArガスのみをスパッタリング装置に導入して厚さ約10〜20nmのTi密着層３２を形成する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
次に、ステップ４０４を参照すると、次のステップ４０５のアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）本処理であるPZT圧電体層形成工程の前工程としてADRIP装置に投入して真空雰囲気において単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、密着層３及びPt下部電極層４よりなるウェハを約500℃になるように加熱する。このADRIP前処理のためのADRIP装置については後述する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図５のADRIP装置において図４のADRIP本処理ステップ４０５を行う場合、制御回路５０７は圧力勾配型プラズマガン５０４を制御して導入されたArガス及びHeガスによって高密度、低電子温度のアーク放電プラズマ５０８が発生し、調整弁５０５ａを制御してO2ガス導入口５０５からO2ガスが導入されることによって真空チャンバ５０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源５０２−１、Zr蒸発源５０２−２及びTi蒸発源５０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ５０３ａ上に付着し、この結果、組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。尚、Pb蒸気、Zr蒸気、Ti蒸気は蒸気量センサ５０２−１Ｓ、５０２−２Ｓ、５０２−３Ｓによって検出される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2013161896.tif 000022
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１６】
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