JP7011760B2 - 膜構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜構造体及びその製造方法に関する。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（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。

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_２膜と、ＺｒＯ_２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。

特開２０１５－１５４０１５号公報

シリコン基板上に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜を直接形成する場合、形成されたＺｒＯ_２膜の結晶性が低くなり、ＺｒＯ_２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_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施の形態の膜構造体の断面図である。 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。 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。 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。 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。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。 実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。 ＺｒＯ_２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。 ＺｒＯ_２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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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_２）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。

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。

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。

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。

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_３、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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、以下、ＰＺＴともいう。）を含む。

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。

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。

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。

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_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（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。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（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。

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。

基板１１に含まれるＳｉの格子定数、配向膜１２に含まれるＺｒＯ_２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。

表１に示すように、Ｓｉの格子定数は、０．５４３ｎｍであり、ＺｒＯ_２の格子定数は、０．５１４ｎｍであり、Ｓｉの格子定数に対するＺｒＯ_２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_２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_２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_２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。

また、表１に示すように、ＺｒＯ_２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_２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_２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_２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。

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。

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。

一方、図４に示すように、ＺｒＯ_２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_２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。

また、図４に示すように、ＺｒＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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_２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_２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。

ただし、ＺｒＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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）。

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_２膜などの酸化膜が形成されていてもよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２）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。

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_２）膜となって成膜される。そして、単層膜としてのＺｒＯ_２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。

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_２）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_２）を含む配向膜１２が、形成される。

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。

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。

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。

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。

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。

ＺｒＯ_２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。

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。

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。

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。

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_３：ＳＲＯ）を含む導電膜が用いられる。

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。

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（Ｔｉ_ｙＲｕ_１－ｙ）Ｏ_３（０≦ｙ≦０．４））を含む導電膜を用いることもできる。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０＜ｘ＜１）：ＰＺＴ）を含む圧電膜１５を形成する。

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。

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。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（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。

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（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（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。

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。

シリコン基板としての基板１１上に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含む配向膜１２ｂを直接形成する場合、形成されたＺｒＯ_２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。

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_２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_２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。

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。

＜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。

図１２は、実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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℃

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_２）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_２
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℃

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_２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_２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_２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_２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_２膜の厚さは、１０ｎｍである。また、表２～表４では、ＺｒＯ_２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。

実施例１～６０について、ＺｒＯ_２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_２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。

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_２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_２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_２は、正方晶のＺｒＯ_２を意味し、Ｍ－ＺｒＯ_２は、単斜晶のＺｒＯ_２を意味する。なお、前述したように、正方晶のＺｒＯ_２が立方晶のＺｒＯ_２に含まれるものとする。

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_２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_２を含むことが分かった。

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_２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_２、又は、単斜晶の結晶構造を有するＺｒＯ_２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。

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_２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_２を含むことが分かった。

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_２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_２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_２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_２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_２、及び、単斜晶の結晶構造を有し、且つ、（１１１）配向したＺｒＯ_２を、ある程度含むことが分かった。

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_２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_２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_２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。

まず、図１５に示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク（図１５においてＺｒＯ_２（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_２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_２のピークが観察されなかった。

また、図１６に示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク（図１６においてＺｒＯ_２（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_２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_２のピークが観察されなかった。

また、図１７に示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク（図１７においてＺｒＯ_２（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_２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_２のピークが観察されなかった。

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_２膜を形成した場合についても、１０ｎｍの厚さを有するＺｒＯ_２膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。

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_２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。

また、図１５にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ_２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_２（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_２のピーク（図１５においてＺｒＯ_２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１５においてＺｒ_３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１５においてＺｒ_３Ｏ（１０１）と記載）であった。

なお、ＺｒＯ_２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_２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。

また、図１６にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ_２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_２（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_２のピーク（図１６においてＺｒＯ_２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１６においてＺｒ_３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１６においてＺｒ_３Ｏ（１０１）と記載）であった。

なお、ＺｒＯ_２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_２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。

また、図１７にハッチングを付して示すように、ＺｒＯ_２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_２のピーク以外のピークは観察されなかった。一方、ＺｒＯ_２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_２（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_２のピーク（図１７においてＺｒＯ_２（１１１）と記載）、（１１１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１７においてＺｒ_３Ｏ（１１１）と記載）、（１０１）配向したＺｒ_３Ｏのピーク（図１７においてＺｒ_３Ｏ（１０１）と記載）であった。

なお、ＺｒＯ_２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_２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。

なお、図１５～図１７において、「ＺｒＯ_２（２００）弱」と記載されたピーク強度は、５．０×１０^３ｃｐｓ未満であり、それ以外の「ＺｒＯ_２（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。

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_２膜を形成した場合についても、１０ｎｍの厚さを有するＺｒＯ_２膜を形成した場合と全く同様の結果が得られた。

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。

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_２）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。

なお、実施例１～６０では、ＺｒＯ_２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。

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℃

ＺｒＯ_２膜のθ－２θスペクトルにおいて、ＺｒＯ_２（２００）のピーク以外に、ＺｒＯ_２（１１１）、Ｚｒ_３Ｏ（１１１）及びＺｒ_３Ｏ（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_２膜のθ－２θスペクトルにおいて、ＺｒＯ_２（２００）のピーク以外に、ＺｒＯ_２（１１１）、Ｚｒ_３Ｏ（１１１）及びＺｒ_３Ｏ（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。

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

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。

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_２膜を形成する際の基板温度が５５０℃である場合を例示する。

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。

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。

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（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３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。

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（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３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。

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_２）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。

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。

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_２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。

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。

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_２
圧力 ： ０．１４Ｐａ
基板温度 ： ４２５～５２５℃
成膜速度 ： ０．６３ｎｍ／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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

1. （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、
   を有し、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 請求項３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。
5. 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、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。
6. 請求項１乃至５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。
7. 請求項１乃至５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。
8. 請求項１乃至７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。

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