JP2000067650A - 強誘電体薄膜素子およびその製造方法 - Google Patents

強誘電体薄膜素子およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 配向性の優れたペロブスカイト酸化物の強誘
電体薄膜を有する強誘電体薄膜素子と、その製造方法を
得る。 【解決手段】 強誘電体薄膜素子１０は単結晶基板１２
を含み、単結晶基板１２上に、スパッタリングなどによ
って導電性薄膜１４を形成する。導電性薄膜１４上に、
ＭＯＣＶＤ法などによって、強誘電体薄膜１６を形成す
る。強誘電体薄膜１６は、導電性薄膜１４から膜厚方向
に向かって組成が変化した第１の層１８を含み、第１の
層１８上に組成が一定の第２の層２０を形成する。第１
の層１８と第２の層２０との境界部においては、第１の
層１８の組成と第２の層２０の組成とがほぼ同じとなる
ようにする。第１の層１８を形成するときには、組成比
率を変化させながら誘電体原料を導電性薄膜１４上に供
給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は強誘電体薄膜素子
およびその製造方法に関し、特にたとえば、ＤＲＡＭや
強誘電性ＲＡＭ（Ferroelectric RAM ）用キャパシタの
みならず、焦電素子、マイクロアクチュエータ、薄膜コ
ンデンサ、小型圧電素子などとしても応用可能な強誘電
体薄膜素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、単結晶基板上へのＰｂＴｉＯ3 ，
（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3 〔以下、ＰＬＴと略す〕，Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 〔以下、ＰＺＴと略す〕，（Ｐｂ，
Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 〔以下、ＰＬＺＴと略す〕，
Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3 〔以下、ＰＭＮと略す〕などの
鉛系ペロブスカイト化合物のエピタキシャル薄膜形成が
盛んに研究されている。これは、残留分極の大きいＰＺ
ＴやＰＬＺＴなどのＰｂ系ペロブスカイト化合物をエピ
タキシャル成長させることができれば、自発分極を１方
向に揃えることができ、より大きな分極値とスイッチン
グ特性を得ることが可能となり、高密度記録媒体として
の応用も飛躍的に広まるからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな自発分極を膜厚方向の１方向に揃える用途では、基
板上に強誘電体薄膜を導電層（電極層）で挟み込む、い
わゆる金属−強誘電体−金属（ＭＦＭ）構造が必要であ
り、次のような理由から、結晶性のよい３軸配向した強
誘電体酸化物薄膜を得ることが困難であった。
【０００４】一般に、Ｐｂ系のペロブスカイト化合物の
薄膜を形成する場合、Ｐｂの再蒸発による組成ずれが生
じやすい。この組成ずれを防ぐために、原料中のＰｂ量
を化学量論比よりも多く供給する方法がある。ここで、
余剰のＰｂは酸化されて、ＰｂＯが形成される。ＰｂＯ
の格子定数はＰｂ系ペロブスカイト化合物の格子定数と
ほぼ等しいため、Ｐｂ系ペロブスカイト化合物がエピタ
キシャル成長する条件では、同時にＰｂＯがエピタキシ
ャル成長してしまう。そのため、Ｐｂ系ペロブスカイト
化合物のエピタキシャル成長が良好に進行しなくなり、
結晶性の劣化や表面形状の劣化を引き起こす。
【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、配
向性の優れたペロブスカイト酸化物の強誘電体薄膜を有
する強誘電体薄膜素子を提供することであり、また、そ
のような強誘電体薄膜素子の製造方法を提供することで
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、単結晶基板
と、単結晶基板上に形成される導電性薄膜と、導電性薄
膜上に形成されるペロブスカイト構造を有する酸化物の
配向性強誘電体薄膜とを含み、配向性強誘電体薄膜は、
導電性薄膜界面から膜厚方向に向かって組成が漸次変化
する第１の層と、第１の層の上に形成される組成が一定
の第２の層とで形成され、第１の層と第２の層との境界
部において第１の層の組成と第２の層の組成とがほぼ等
しい、強誘電体薄膜素子である。このような強誘電体薄
膜素子において、配向性強誘電体薄膜はＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ3 系薄膜であって、第１の層は導電性薄膜界面か
ら膜厚方向に向かって漸次Ｚｒ成分が増加し、第２の層
のＺｒ成分が一定となるようにすることが好ましい。ま
た、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜としては、一般式
（Ｐｂ1-x Ｍx ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で表され、Ｍ
はＬｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢｉのう
ちの少なくとも１種であって、ｘおよびｙが、０≦ｘ≦
０．２、０．０５≦ｙ≦０．６の範囲にあるものを使用
することができる。さらに、導電性薄膜境界面から膜厚
方向に向かって、膜厚１ｎｍあたりｙが０．００１〜
０．１の範囲で増加することが好ましい。また、第１の
層の厚みが５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが好ま
しい。さらに、単結晶基板としては、Ｓｉ，ＭｇＯ，Ｓ
ｒＴｉＯ3 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ3，Ａｌ2 Ｏ3 およびＬａＡ
ｌＯ3 のうちのいずれかを使用することができる。ま
た、導電性薄膜としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉ
ｒおよびＴｉＮのうちのいずれかを主成分とするものを
使用することができる。さらに、配向性強誘電体薄膜
は、単結晶基板に対してｃ軸が垂直に立つように配向し
てエピタキシャル成長したものであることが好ましい。
また、配向性強誘電体薄膜は、化学気相蒸着法によって
形成することができる。さらに、この発明は、単結晶基
板上に導電性薄膜を形成する工程と、導電性薄膜上にペ
ロブスカイト構造を有する酸化物の強誘電体薄膜を形成
する工程とを含む強誘電体薄膜素子の製造方法であっ
て、強誘電体薄膜を形成する工程は、導電性薄膜上に強
誘電体薄膜原料を組成比率を漸次変化させながら供給し
て導電性薄膜界面から膜厚方向に向かって組成が漸次変
化する第１の層を形成する工程と、第１の層の上に強誘
電体薄膜原料を組成比率が一定となるように供給して第
２の層を形成する工程とからなり、第１の層と第２の層
との境界部において第１の層の組成と第２の層の組成と
がほぼ等しくなるようにした、強誘電体薄膜素子の製造
方法である。この強誘電体薄膜素子の製造方法におい
て、強誘電体薄膜はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜であ
って、第１の層は導電性薄膜界面から膜厚方向に向かっ
て漸次Ｚｒ成分が増加するように形成され、第２の層は
Ｚｒ成分が一定となるように形成することができる。こ
こで、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜としては、一般式
（Ｐｂ1-x Ｍx ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で表され、Ｍ
はＬｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢｉのう
ちの少なくとも１種であって、ｘおよびｙが、０≦ｘ≦
０．２、０．０５≦ｙ≦０．６の範囲にあることが好ま
しい。また、たとえば化学気相蒸着法によって、強誘電
体薄膜が形成される。
【０００７】配向性強誘電体薄膜の第１の層を成長させ
る際に、まず導電性薄膜との間の格子ミスフィットが小
さい組成の誘電体材料を用いることにより、その誘電体
材料の組成を有する薄膜を成長させることができる。そ
ののち、最終的に必要とする組成の強誘電体薄膜の組成
に近づくように徐々に材料の組成を変化させ、その上に
一定の組成を有する誘電体材料を与えることにより、第
１の層の上に所望の組成を有する第２の層を成長させる
ことができる。第１の層の組成が徐々に変化しているこ
とにより、第２の層には一定の圧縮応力が加わり、９０
°ドメインが発生しにくい。このとき、第１の層の組成
が徐々に変化しているため、応力が過大にならず、ミス
フィット転移の発生による応力の緩和を防ぐことがで
き、効率よく応力を伝えることができる。強誘電体薄膜
として、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜を用い、第１の
層は導電性薄膜界面から膜厚方向に向かって漸次Ｚｒ成
分が増加し、第２の層のＺｒ成分が一定となるようにす
れば、導電性薄膜上にＰｂＯの成長を抑制してＰＺＴを
成長させることができ、９０°ドメインが生じにくくな
るため、ｃ軸配向性が向上する。このようなＰｂ系ペロ
ブスカイト化合物として、特に、一般式（Ｐｂ
1-x Ｍx）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で表され、ＭはＬ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢｉのうちの
少なくとも１種であって、ｘおよびｙが、０≦ｘ≦０．
２、０．０５≦ｙ≦０．６の範囲にあるものが好まし
い。ここで、ｙの値を０．０５以上としたのは、０．０
５未満では、Ｐｂ系ペロブスカイト化合物の格子定数の
変化が大きすぎて、エピタキシャル成長が良好に進行し
ないためである。また、ｙの値を０．６以下としたの
は、０．６を超えると、相転移が生じ結晶性が劣化する
からである。また、一般式（Ｐｂ1-x Ｍx ）（Ｚｒy Ｔ
ｉ1-y ）Ｏ3 で表される強誘電体薄膜材料において、第
１の相におけるｙの変化が、膜厚１ｎｍあたり０．００
１〜０．１の範囲としたのは、その変化が０．００１未
満であると、変化が小さすぎて実用的でないからであ
る。また、ｙの変化が０．ｌを超えると、変化が大きす
ぎて、エピタキシャル成長が良好に進行しないからであ
る。さらに、第１の層の厚みを５ｎｍ〜１００ｎｍとし
たのは、厚みが５ｎｍ未満では、第２の層に十分な応力
を加えることができないからである。また、第１の層の
厚みが１００ｎｍを超えると、厚すぎて実用的ではない
からである。単結晶基板はＳｉ，ＭｇＯ，ＳｒＴｉ
Ｏ3 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ3 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬａＡｌＯ3 のい
ずれかであることが好ましいが、これは、Ｐｂ系ペロブ
スカイト酸化物と格子定数がほぼ等しいため、Ｐｂ系ペ
ロブスカイト酸化物のエピタキシャル成長が容易に起こ
るからである。また、導電性薄膜はＡｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，
Ｒｈ，Ｉｒ，ＴｉＮのうちのいずれかを主成分とするも
のであることが好ましいが、これは、Ｐｂ系ペロブスカ
イト酸化物と格子定数がほぼ等しいため、エピタキシャ
ル成長が起こりやすく、かつＰｂ系ペロブスカイト酸化
物を成膜する高温・高酸素分圧の成膜条件下において安
定なためである。
【０００８】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、この発明の強誘電体薄膜
素子を示す断面図解図である。強誘電体薄膜素子１０
は、単結晶基板１２を含む。単結晶基板１２としては、
たとえばＭｇＯ（１００）などの単結晶基板が用いられ
る。しかし、単結晶基板１２は、これに限らず、ＭｇＯ
（１１１）やＭｇＯ（１１０）なども使用可能である。
これらの単結晶基板のミスカット角度は５％以下であれ
ば、使用可能である。さらに、単結晶基板１２として
は、Ｓｉ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ3 ，Ａｌ
2 Ｏ3 ，ＬａＡｌＯ3 などを用いることができる。
【００１０】さらに、単結晶基板１２の上に、導電性薄
膜１４が形成される。導電性薄膜１４としては、たとえ
ばＰｔなどが用いられるが、その作製方法としては、ｒ
ｆスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、イオンビ
ームスパッタリング法、ＥＣＲスパッタリング法などで
作製することができる。また、導電性薄膜１４の材料と
しては、Ａｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，ＴｉＮなどを用いる
ことができる。
【００１１】また、導電性薄膜１４上には、ペロブスカ
イト構造を有する酸化物の高配向性の強誘電体薄膜１６
が形成される。強誘電体薄膜１６は、第１の層１８と第
２の層２０とを含む。第１の層１８は、導電性薄膜１４
の上に形成され、その組成が徐々に変化するように形成
される。さらに、第１の層１８上に第２の層２０が形成
され、第２の層２０の組成は一定となるように形成され
る。強誘電体薄膜１６の材料としては、たとえばＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 〔ＰＺＴ〕などが用いられる。この
場合、第１の層１８は、導電性薄膜１４の界面から膜厚
方向に向かって徐々にＺｒ成分が増加するように形成さ
れる。そして、第１の層１８の最上部の組成と第２の層
２０の組成とが、ほぼ同じとなるように形成される。こ
の強誘電体薄膜１６は、たとえば図２に示すように、Ｍ
ＯＣＶＤ法などの化学気相蒸着法によって形成される。
【００１２】ＭＯＣＶＤ装置３０は、固体気化器３２お
よび液体気化器３４，３６を含む。固体気化器３２に
は、固体のＰｂ原料が貯留され、液体気化器３４，３６
には、それぞれ液体のＺｒ原料およびＴｉ原料が貯留さ
れる。これらの固体気化器３２および液体気化器３４，
３６には、マスフローコントローラ〔ＭＦＣ〕３８，４
０，４２が接続され、これらのＭＦＣ３８，４０，４２
から、キャリアガスとしてＡｒガスが供給される。さら
に、固体気化器３２および液体気化器３４，３６は、混
合器４４に接続される。この混合器４４には、別のＭＦ
Ｃ４６からＯ2 ガスが供給される。混合器４４は、真空
容器４８内に設けられた吹き出しノズル５０に接続され
る。真空容器４８内には、加熱ヒータ５２が形成され、
加熱ヒータ５２上に導電性薄膜１４を形成した単結晶基
板１２が載置される。さらに、真空容器４８には、真空
ポンプ５４が取り付けられる。
【００１３】このＭＯＣＶＤ装置３０では、固体気化器
３２および液体気化器３４，３６が加熱され、各原料が
加熱された状態で、ＭＦＣ３８，４０，４２からＡｒガ
スが供給される。それによって、各原料が気化し、気化
した原料が混合器４４に導かれる。混合器４４では、気
化した各原料が混合され、ＭＦＣ４６から供給されるＯ
2 ガスとともに、吹き出しノズル５０から単結晶基板１
２に吹きつけられる。真空容器４８の内部は真空ポンプ
５４によって減圧され、加熱ヒータ５２によって単結晶
基板１２が加熱される。この状態で、混合された気化原
料が単結晶基板１２上に形成された導電性薄膜１４上に
吹きつけられ、導電性薄膜１４上に強誘電体薄膜１６が
形成される。
【００１４】このとき、たとえば各気化器３２，３４，
３６に供給されるＡｒガスの流量を調整することによっ
て、真空容器４８内に供給される気化原料の組成が調整
される。したがって、導電性薄膜１４上に強誘電体薄膜
１６を成長させるときに、Ａｒガスの流量を変えること
によって、第１の層１８の組成をその膜厚方向に向かっ
て変化するように形成することができる。さらに、気化
原料の組成が一定となるように調整することにより、第
２の層２０が形成される。強誘電体薄膜１６としてＰＺ
Ｔを形成する場合、第１の層１８では、導電性薄膜１４
の界面においてはＺｒ成分が少なく、膜厚方向に向かっ
て徐々にＺｒ成分が多くなるように形成される。このと
き、第１の層１８は、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚みとるよ
うに形成される。そして、第２の層２０は、そのＺｒ成
分が一定で、第１の層１８の界面部の成分とほぼ等しく
なるように形成される。
【００１５】なお、強誘電体薄膜１６の組成をＡｒガス
の流量で調整するだけでなく、原料の気化温度や気化圧
力で制御することも可能である。また、Ａｒガスの流量
で組成を変化させる場合においても、Ｐｂ原料とＺｒ原
料のＡｒガス流量を変化させてもよいし、Ｚｒ原料とＴ
ｉ原料のＡｒガス流量を変化させてもよいし、Ｐｂ原料
とＴｉ原料のＡｒガス流量を変化させてもよい。さら
に、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの各原料を別の気化器から供給す
る方式に限らず、Ｐｂ原料とＺｒ原料とを混合した原料
あるいはＰｂ原料とＴｉ原料とを混合した原料を用いて
もよい。また、各原料を適当な溶液に溶解させて溶液と
して供給しても、同様の効果を得ることが可能である。
【００１６】さらに、第１の層１８の組成の変化につい
て、階段状に組成を変化させてもよいし、連続的に組成
を変化させてもよい。ここで、一般式（Ｐｂ1-x Ｍx ）
（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で表される組成で強誘電体薄膜
１６を形成する場合、第１の層１８におけるｙの変化
は、膜厚１ｎｍあたり０．００１〜０．１の範囲にある
ことが好ましく、その値を徐々に変化させてもよい。な
お、強誘電体薄膜１６を形成するには、ＭＯＣＶＤに限
らず、プラズマＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、レーザーアブ
レーション法、多元スパッタリング法、多元蒸着法、Ｍ
ＢＥ法などの方法によっても形成可能である。
【００１７】この強誘電体薄膜素子１０では、単結晶基
板１２，導電性薄膜１４および強誘電体薄膜１６の材料
として、互いに格子定数のほぼ等しい材料を選ぶことに
より、化学気相蒸着法などによってエピタキシャル成長
をさせることができる。しかも、第１の層１８の組成が
徐々に変化するように形成すれば、導電性薄膜１４と第
１の層１８とのミスフィットを小さくすることができる
とともに、第１の層１８と第２の層２０とのミスフィッ
トも小さくすることができる。そのため、不要な組成の
膜が成長することを防ぐことができ、所望の組成の膜を
成長させることができる。
【００１８】導電性薄膜１４としてＰｔ薄膜を形成し、
強誘電体薄膜１６としてＰＺＴ薄膜を成長させる場合、
強誘電体薄膜１６の成長初期には、ＰＺＴ薄膜中のＺｒ
濃度を低くしておくことにより、格子定数が小さくなり
基板や電極と強誘電体との格子ミスフィットが低減する
だけでなく、ＰｂＯと基板とのミスフィットよりもＰＺ
ＴとＰｔとのミスフィットのほうが小さくなり、ＰＺＴ
が優先的にエピタキシャル成長するようになり、結果的
にＰｂＯの成長を抑制することができる。同時に、組成
を変化させた第１の層１８上に、第１の層１８の界面の
組成に近く、かつ組成が一定の第２の層２０を形成する
ことにより、第２の層２０に対して圧縮応力が加わるた
め、９０°ドメインが生じにくくなり、ｃ軸配向性が向
上する。また、第１の層１８の組成が徐々に変化してい
るため、応力が大きくなりすぎてミスフィット転移の発
生による応力の緩和が生じることがなく、効率よく応力
を第２の層２０に伝えることができる。
【００１９】さらに、導電性薄膜１４との界面において
はＺｒＯ2 の境界層が形成されやすいが、その境界層に
おいてはＺｒ組成が少ないため、ＺｒＯ2 の成長が抑制
される。また、ＰｂＯが成長することによる強誘電体薄
膜の表面粗さの増大を防ぐことができ、微細加工性が向
上する。また、全てエピタキシャル膜で構成されるの
で、薄膜間の界面における相互拡散がほとんど発生せ
ず、熱的にも極めて安定である。
【００２０】この発明の強誘電体薄膜素子１０の製造方
法を用いることにより、高品位のエピタキシャル薄膜を
形成することができ、結晶欠陥が極めて少ないため、材
料自身がもつ本来の特性を発揮することができる。ま
た、従来極めて困難であった配向性に優れたＰｂ系ペロ
ブスカイト型の酸化物強誘電体薄膜１６を、単結晶基板
１２上にエピタキシャル成長させることができるように
なった。このことにより、ＤＲＡＭやＦｅＲＡＭ等のみ
ならず、他の焦電素子やマイクロアクチュエータ、薄膜
コンデンサ、小型圧電素子などへの応用が広がるものと
予想される。
【００２１】
【実施例】（実施例１）単結晶基板１２として、直径２
インチ（５．０８ｃｍ）のＭｇＯ（１００）を使用し
た。このＭｇＯ（１００）基板を、アセトン，エタノー
ルなどの有機溶媒中で超音波洗浄した。そののち、この
ＭｇＯ基板上に、ｒｆマグネトロンスパッタリング装置
により、全圧２ｍＴｏｒｒ（酸素分圧０．２ｍＴｏｒ
ｒ）、基板温度６００℃で、膜厚１００ｎｍのＰｔ薄膜
を形成した。さらに、図２に示すＭＯＣＶＤ装置によっ
て、全圧１０Ｔｏｒｒ（酸素分圧５Ｔｏｒｒ）、基板温
度７００℃で、４００〜６００ｎｍの厚みのＰｂ（Ｚｒ
0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 〔ＰＺＴ〕薄膜をエピタキシャル成
長させた。Ｐｂ，ＺｒおよびＴｉのプリカーサとして
は、それぞれＰｂ（ＤＰＭ）2 、Ｚｒ（Ｏ−Ｔ−Ｃ4 Ｈ
9 ）4 およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ3 Ｈ7 ）4 を用いた。Ｐ
ＺＴ薄膜の詳細な作製条件については、表１に示す。こ
こで、図３に示すように、第１の層の組成を、Ｐｔ電極
側から膜厚方向に向かって、Ｚｒ成分が徐々に多くなる
ように階段状に調整した。
【００２２】
【表１】
【００２３】（比較例１）実施例１と同様にして、Ｍｇ
Ｏ（１００）基板上に、ｒｆマグネトロンスパッタリン
グ法により、全圧２ｍＴｏｒｒ（酸素分圧０．２ｍＴｏ
ｒｒ）、基板温度６００℃で、膜厚１００ｎｍのＰｔ薄
膜をエピタキシャル成長させた。そして、Ｐｔ薄膜上に
全圧ＭＯＣＶＤ法により、全圧１０Ｔｏｒｒ（酸素分圧
５Ｔｏｒｒ）、基板温度６００℃で、４００ｎｍ〜５０
０ｎｍの厚みのＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ 0.48）Ｏ3 （ＰＺ
Ｔ）薄膜を成長させた。この比較例１では、成分の変化
した第１の層を形成せず、図４に示すように、Ｐｔ薄膜
１４上に、組成が一定の誘電体薄膜２２を形成した。
【００２４】実施例１に関して、形成したＰＺＴ膜表面
の状態を図５に示した。この図５から、ＰＺＴ膜表面は
平滑であることがわかる。また、図６に実施例１におい
て形成したＰＺＴ／Ｐｔ／ＭｇＯ薄膜のＸ線回折パター
ンを示す。図６から、ペロブスカイト構造のＰＺＴだけ
が成長しており、ＰＺＴは（００１）配向していること
がわかる。また、ＰＺＴ（１００）のピークも見られな
いことから、９０°ドメインはほとんど形成されていな
いことがわかる。さらに、ＰｂＯのピークは認められな
い。
【００２５】また、図７に、ＰＺＴ（０２２）の極点図
解析の結果を示す。図７から、４回対称のＰｔピークお
よびＰＺＴピークがそれぞれ得られており、Ｐｔ薄膜お
よびＰＺＴ薄膜がきれいにエピタキシャル成長している
ことがわかる。さらに、図８に、ＰＺＴ／Ｐｔ／ＭｇＯ
薄膜のφスキャンを示した。この図８から、Ｐｔおよび
ＰＺＴがＭｇＯ基板に対して一定の方位関係で成長して
いることから、エピタキシャル成長していることがわか
る。ここで、ＰＺＴ（００１）のロッキングカーブの半
値幅は０．０５°であった。
【００２６】一方、図９に、比較例１で得られたＰＺＴ
薄膜の表面の状態を示した。図９から、表面には規則的
な形状がみられ、凹凸が大きく、ＰＺＴ以外の物質がエ
ピタキシャル成長していることがわかる。また、図１０
にＸ線回折パターンを示す。図１０からわかるように、
ＰＺＴ薄膜はペロブスカイト相にはなるものの、ＰＺＴ
（１００）のピークより９０°ドメインが生じており、
完全に特定軸に配向していない。また、ＰｂＯ（２０
０）のピークが見られることからも、不完全なエピタキ
シャル成長であることがわかる。ここで、ＰＺＴ（００
１）のロッキングカーブの半値幅は０．３°であった。
【００２７】実施例１および比較例１で得られたＰＺＴ
薄膜素子について、電気的特性を評価した結果を表２に
示す。なお、表２において、ｔａｎδおよび比誘電率
は、１ｋＨｚ，０．１Ｖでの測定値を示す。また、実施
例１で得られたエピタキシャルＰＺＴ薄膜を用いて描か
せたＰ−Ｅヒステリシスループを図１１に示す。これら
の結果から、実施例１において得られたエピタキシャル
ＰＺＴ薄膜は、良好な電気的特性を有することがわか
る。
【００２８】
【表２】
【００２９】（実施例２）ＭｇＡｌ2 Ｏ4 （１００）単
結晶基板６０上をアセトン，エタノールなどの有機溶媒
中で超音波洗浄したのち、ｒｆスパッタリング法によっ
て膜厚１００ｎｍのＰｔ薄膜６２をエピタキシャル成長
させた。さらに、ｒｆスパッタリング法によって、全圧
２ｍＴｏｒｒ（酸素分圧０．５ｍＴｏｒｒ）、基板温度
６００℃で、膜厚２．５μｍのＰｂ0.8 Ｌａ0.2 Ｚｒ
0.52Ｔｉ0.48Ｏ3 〔ＰＬＺＴ〕薄膜６４を形成した。な
お、実施例２においては、図１２に示すように、組成を
変化させた第１の層６６と、組成が一定の第２の層６８
とを４層積み重ねた構造であり、５００ｎｍごとに組成
を変化させた層を形成しており、連続的に成膜を行った
ものである。
【００３０】図１３に、実施例２において形成したＰＬ
ＺＴ／Ｐｔ／ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜のＸ線回折パターンを
示す。この図１３から、ペロブスカイト構造のＰＬＺＴ
が（００１）配向成長しており、それ以外の結晶の成長
は認められない。なお、実施例２では、成膜膜厚を２．
５μｍとしたが、組成を変化させた層と組成が一定の層
の組み合わせを積み重ねることで、成膜膜厚２０μｍま
ではその効果があることを確認している。
【００３１】
【発明の効果】この発明によれば、格子定数の近い導電
性材料および強誘電体材料を用い、単結晶基板上に導電
性薄膜を形成し、その上に組成の変化した第１の層と一
定の組成を有する第２の層とからなる強誘電体薄膜を形
成することにより、配向性が良好で、結晶欠陥が極めて
少ない強誘電体薄膜を形成させることができる。そのた
め、材料自身が持つ本来の特性を発揮することができ
る。このことにより、強誘電体薄膜素子の用途として、
ＤＲＡＭやＦｅＲＡＭ等のみならず、他の焦電素子やマ
イクロアクチュエータ、薄膜コンデンサ、小型圧電素子
への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の強誘電体薄膜素子の一例を示す断面
図解図である。
【図２】この発明の強誘電体薄膜素子を製造するために
用いられるＭＯＣＶＤ装置を示す図解図である。
【図３】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子の強誘電
体薄膜の組成変化を示すグラフである。
【図４】比較例１で作製した強誘電体薄膜素子の断面図
解図である。
【図５】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子の表面を
示す図である。
【図６】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子のＸ線回
折パターンを示す図である。
【図７】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子のＰＺＴ
薄膜の極点図を示す図である。
【図８】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子のＰＺＴ
薄膜のφスキャン図である。
【図９】比較例１で作製した強誘電体薄膜素子の表面を
示す図である。
【図１０】比較例１で作製した強誘電体薄膜素子のＸ線
回折パターンを示す図である。
【図１１】実施例１で作製した強誘電体薄膜素子のＰＺ
Ｔ薄膜のＰ−Ｅヒステリシスループを示す図である。
【図１２】実施例２で作製した強誘電体薄膜素子の断面
図解図である。
【図１３】実施例２で作製した強誘電体薄膜素子のＸ線
回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
１０ 強誘電性薄膜素子 １２ 単結晶基板 １４ 導電性薄膜 １６ 強誘電体薄膜 １８ 第１の層 ２０ 第２の層 ２２ 誘電体薄膜 ３０ ＭＯＣＶＤ装置 ６０ 単結晶基板 ６２ 導電性薄膜 ６４ 強誘電体薄膜 ６６ 第１の層 ６８ 第２の層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/108 Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ 21/8242 41/18 １０１Ｄ 37/02 41/187 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BC43 DB01 ED06 EF01 5F038 AC06 AC15 AC16 AC18 DF05 EZ14 EZ20 5F083 GA21 JA15 PR21 PR22 5G303 AA01 AA03 AA10 AB20 BA03 CA01 CB03 CB05 CB06 CB16 CB17 CB20 CB25 CB32 CB35 CB39 DA01

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単結晶基板、 前記単結晶基板上に形成される導電性薄膜、および前記
    導電性薄膜上に形成されるペロブスカイト構造を有する
    酸化物の配向性強誘電体薄膜を含み、 前記配向性強誘電体薄膜は、前記導電性薄膜界面から膜
    厚方向に向かって組成が漸次変化する第１の層と、前記
    第１の層の上に形成される組成が一定の第２の層とで形
    成され、前記第１の層と前記第２の層との境界部におい
    て前記第１の層の組成と前記第２の層の組成とがほぼ等
    しい、強誘電体薄膜素子。
  2. 【請求項２】 前記配向性強誘電体薄膜はＰｂ（Ｚｒ，
    Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜であって、前記第１の層は前記導電性
    薄膜界面から膜厚方向に向かって漸次Ｚｒ成分が増加
    し、前記第２の層のＺｒ成分が一定である、請求項１に
    記載の強誘電体薄膜素子。
  3. 【請求項３】 前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜は、
    一般式（Ｐｂ1-x Ｍ x ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で表さ
    れ、ＭはＬｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢ
    ｉのうちの少なくとも１種であって、ｘおよびｙが、０
    ≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．６の範囲にある、請
    求項２に記載の強誘電体薄膜素子。
  4. 【請求項４】 前記導電性薄膜境界面から膜厚方向に向
    かって、膜厚１ｎｍあたりｙが０．００１〜０．１の範
    囲で増加する、請求項３に記載の強誘電体薄膜素子。
  5. 【請求項５】 前記第１の層の厚みが５ｎｍ〜１００ｎ
    ｍの範囲にある、請求項２ないし請求項４のいずれかに
    記載の強誘電体薄膜素子。
  6. 【請求項６】 前記単結晶基板は、Ｓｉ，ＭｇＯ，Ｓｒ
    ＴｉＯ3 ，ＭｇＡｌ 2 Ｏ3 ，Ａｌ2 Ｏ3 およびＬａＡｌ
    Ｏ3 のうちのいずれかである、請求項１ないし請求項５
    のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
  7. 【請求項７】 前記導電性薄膜は、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，
    Ｒｈ，ＩｒおよびＴｉＮのうちのいずれかを主成分とす
    るものである、請求項１ないし請求項６のいずれかに記
    載の強誘電体薄膜素子。
  8. 【請求項８】 前記配向性強誘電体薄膜は、前記単結晶
    基板に対してｃ軸が垂直に立つように配向してエピタキ
    シャル成長したものである、請求項１ないし請求項７の
    いずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
  9. 【請求項９】 前記配向性強誘電体薄膜は、化学気相蒸
    着法によって形成されたものである、請求項１ないし請
    求項８のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
  10. 【請求項１０】 単結晶基板上に導電性薄膜を形成する
    工程と、前記導電性薄膜上にペロブスカイト構造を有す
    る酸化物の強誘電体薄膜を形成する工程とを含む強誘電
    体薄膜素子の製造方法であって、 前記強誘電体薄膜を形成する工程は、前記導電性薄膜上
    に前記強誘電体薄膜原料を組成比率を漸次変化させなが
    ら供給して前記導電性薄膜界面から膜厚方向に向かって
    組成が漸次変化する第１の層を形成する工程と、前記第
    １の層の上に前記強誘電体薄膜原料を組成比率が一定と
    なるように供給して第２の層を形成する工程とからな
    り、前記第１の層と前記第２の層との境界部において前
    記第１の層の組成と前記第２の層の組成とがほぼ等しく
    なるようにした、強誘電体薄膜素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記強誘電体薄膜はＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
    ｉ）Ｏ3 系薄膜であって、前記第１の層は前記導電性薄
    膜界面から膜厚方向に向かって漸次Ｚｒ成分が増加する
    ように形成され、前記第２の層はＺｒ成分が一定となる
    ように形成される、請求項１０に記載の強誘電体薄膜素
    子の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系薄膜
    は、一般式（Ｐｂ1-xＭx ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ3 で
    表され、ＭはＬｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａおよ
    びＢｉのうちの少なくとも１種であって、ｘおよびｙ
    が、０≦ｘ≦０．２、０．０５≦ｙ≦０．６の範囲にあ
    る、請求項１１に記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
  13. 【請求項１３】 化学気相蒸着法によって前記強誘電体
    薄膜が形成される、請求項１０ないし請求項１２のいず
    れかに記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
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