JP2000188377A - Ferroelectric thin-film element and its manufacture - Google Patents

Ferroelectric thin-film element and its manufacture

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JP2000188377A JP25796998A JP25796998A JP2000188377A JP 2000188377 A JP2000188377 A JP 2000188377A JP 25796998 A JP25796998 A JP 25796998A JP 25796998 A JP25796998 A JP 25796998A JP 2000188377 A JP2000188377 A JP 2000188377A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric thin-film element, having an oxide ferroelectric thin film which is constituted of a simple thin film stack as much as possible and which is highly aligned, especially the oxide ferroelectric thin film of a Pb system perovskite on a Si single-crystal substrate and to provide the manufacture method. SOLUTION: A ferroelectric thin-film element contains a Si substrate 66, a TiN thin film 64, which is formed on the Si substrate and in which a part of Ti is substituted for Al, and the ferroelectric thin film 62 of an oxide, which is formed on the TiN thin film and has perovskite structure. The Al substitution quantity of a Ti site in the TiN thin film is 1%-30%, when it is converted into Al atoms and oxygen content in the TiN thin film is not more than 5%, when it is converted into oxygen atoms.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、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
FerroelectricRAM(以下、FeRAM
と略す)用キャパシタ、焦電素子、マイクロアクチュエ
ータ、薄膜コンデンサおよび小型圧電素子等に応用可能
な強誘電体薄膜素子およびその製造方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric thin film element and a method of manufacturing the same, and more particularly, for example, to a DRAM or a Ferroelectric RAM (hereinafter referred to as FeRAM).
The present invention relates to a ferroelectric thin film element applicable to a capacitor, a pyroelectric element, a microactuator, a thin film capacitor, a small piezoelectric element, and the like, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、Si基板上へのBaTiO3 、S
rTiO3 、(Ba,Sr)TiO3、PbTiO3
(Pb,La)TiO3 、PZT、PLZT、およびP
b(Mg,Nb)O3 等の鉛系、非鉛系ペロブスカイト
化合物の薄膜形成が盛んに研究されつつある。とりわ
け、残留分極の大きなPZT、PLZT等の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こと
から、このような技術の開発が切望されている。
2. Description of the Related Art In recent years, BaTiO 3 , S
rTiO 3 , (Ba, Sr) TiO 3 , PbTiO 3 ,
(Pb, La) TiO 3 , PZT, PLZT, and P
The formation of thin films of lead-based and lead-free perovskite compounds such as b (Mg, Nb) O 3 has been actively studied. In particular, if a Pb-based perovskite compound such as PZT or PLZT having a large remanent polarization can be epitaxially grown, spontaneous polarization can be aligned in one direction, and a larger polarization value and switching characteristics can be obtained. Since the application as a medium is dramatically expanding, the development of such a technology is eagerly desired.

【0003】しかし、上記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、Si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)構造が必要である。ところが従来
は、以下に列記する理由から、結晶性のよい3軸配向し
た強誘電体酸化物薄膜を得るのが困難であった。
However, in applications where the spontaneous polarization is aligned in one direction in the film thickness direction as described above, a ferroelectric thin film is sandwiched between conductive layers (electrode layers) on a Si substrate, that is, a so-called metal-ferroelectric-metal ( MFM) structure is required. However, conventionally, it has been difficult to obtain a triaxially oriented ferroelectric oxide thin film having good crystallinity for the following reasons.

【0004】第1に、Si基板上に導電体としてAg,
Au等の金属膜を使用すると、強誘電体酸化物薄膜の成
長時に強誘電体と金属膜の界面が酸化されたり、下地と
なるSiとの間で相互拡散を生じたりする。
[0004] First, as a conductor, Ag,
When a metal film such as Au is used, the interface between the ferroelectric and the metal film is oxidized during the growth of the ferroelectric oxide thin film, or interdiffusion occurs with the underlying Si.

【0005】第2に、金属膜として、Ptを使用する方
法も考えられるが、PtはMgOやSrTiO3 等の酸
化物単結晶基板上にはエピタキシャル成長するが、Si
基板上での直接のエピタキシャル成長は実現できていな
い。
Secondly, a method using Pt as a metal film can be considered. Pt is epitaxially grown on an oxide single crystal substrate such as MgO or SrTiO 3.
Direct epitaxial growth on the substrate has not been realized.

【0006】第3に、導電性薄膜として(La,Sr)
CoO3 〔以下、LSCOと略す〕のような酸化物を使
用する方法もあるが、その場合例えば、PLZT/LS
CO/BiTO/YSZ/SiというようにSi基板と
LSCO層の間に別の層を挿入することが必要で、最上
層である強誘電体層のエピタキシャル性を高めることが
困難であった。〔ここで、BiTOはBi4 Ti312
の略号であり、YSZはY(イットリウム)添加のZr
2 の略号である。〕
Third, (La, Sr) as a conductive thin film
There is also a method using an oxide such as CoO 3 (hereinafter abbreviated as LSCO). In this case, for example, PLZT / LS
It was necessary to insert another layer between the Si substrate and the LSCO layer, such as CO / BiTO / YSZ / Si, and it was difficult to enhance the epitaxial property of the uppermost ferroelectric layer. [Here, BiTO is Bi 4 Ti 3 O 12
YSZ is Zr with Y (yttrium) added.
O is a two abbreviations. ]

【0007】第4に、鯉沼等は、Si上にPb系ペロブ
スカイト型の酸化物強誘電体であるPZT薄膜をエピタ
キシャル成長させることに唯一成功している〔Jpn.
J.Appl.Phys.Vol35(1996),L
574〕。鯉沼等は、レーザー蒸着〔Pulsed L
aser Deposition(以下、PLDと略
す)〕法により、Si基板上に低圧力(10-7Torr
以下)でTiNをエピタキシャル成長させ、その上にS
rTiO3 (以下、STOと略す)をバッファ層として
形成し、さらにその上にPZT薄膜をエピタキシャル成
長させている。この際、TiN膜上のSTO層は、10
-5Torr(at 550℃)の真空中で作製されてお
り、PZT層の作製雰囲気である0.1Torr/O2
フロー中(at 450℃)とは極端に異なる圧力で作
製されている。これは、上記のような低酸素分圧下でも
STOはペロブスカイト相を生成することを利用して、
TiN層の酸化を防ぐためである。しかし、この技術で
は、Si基板上にTiN薄膜をエピタキシャル成長させ
るために10-7Torr以下の圧力(高真空)が必要で
あり、成膜チャンバ等真空系のコストが非常に高くなる
という問題や、TiNとPZTの間に、常温では常誘電
体であるSTOをバッファ層として挿入しなければ、P
ZTを高度に配向させることができないといった問題が
ある。
Fourth, Koinuma et al. Have only succeeded in epitaxially growing a PZT thin film which is a Pb-based perovskite oxide ferroelectric on Si [Jpn.
J. Appl. Phys. Vol 35 (1996), L
574]. Koinuma et al. Use laser deposition [Pulsed L
[Assembly Deposition (hereinafter abbreviated to PLD)]] method on a Si substrate at a low pressure (10 −7 Torr).
In the following), TiN is epitaxially grown, and S
rTiO 3 (hereinafter abbreviated as STO) is formed as a buffer layer, and a PZT thin film is epitaxially grown thereon. At this time, the STO layer on the TiN film is
-5 Torr (at 550 ° C.) in a vacuum, and 0.1 Torr / O 2 which is a PZT layer production atmosphere
It is produced at a pressure extremely different from that during the flow (at 450 ° C.). This is based on the fact that the STO generates a perovskite phase even under a low oxygen partial pressure as described above,
This is to prevent oxidation of the TiN layer. However, in this technique, a pressure (high vacuum) of 10 −7 Torr or less is required for epitaxially growing a TiN thin film on a Si substrate, and the cost of a vacuum system such as a film forming chamber becomes extremely high. If STO, which is a paraelectric substance at normal temperature, is not inserted as a buffer layer between TiN and PZT, P
There is a problem that ZT cannot be highly oriented.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように、Si単結
晶基板上に下地となる電極層をエピタキシャル成長さ
せ、その直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、特にPb系ペロブスカイト酸化物の強誘電
体を高配向(1軸以上の配向)した状態で形成すること
は、従来の技術では容易に実現することができなかっ
た。
As described above, an electrode layer serving as a base is epitaxially grown on a Si single crystal substrate, and a ferroelectric thin film of an oxide having a perovskite structure, especially a Pb-based perovskite oxide, is formed immediately above the electrode layer. Forming a ferroelectric in a highly oriented (one or more axis) state could not be easily realized by conventional techniques.

【0009】それゆえに、本発明の目的は、Si単結晶
基板上にできる限り単純な薄膜積層構成で、高度に配向
した酸化物強誘電体薄膜、特にPb系ペロブスカイトの
酸化物強誘電体薄膜を有する強誘電体薄膜素子およびそ
の製造方法を提供することである。
[0009] Therefore, an object of the present invention is to provide a highly oriented oxide ferroelectric thin film, particularly a Pb-based perovskite oxide ferroelectric thin film, with the simplest possible thin film lamination structure on a Si single crystal substrate. It is an object of the present invention to provide a ferroelectric thin film element having the same and a method for manufacturing the same.

【0010】また、上記目的を達成するため、結晶性の
良いPb系ペロブスカイト化合物を形成するためには、
高酸素分圧の条件下で作製することにより、酸素欠損を
生じさせないことが重要である。しかし、高酸素分圧下
において、Tiの1〜3%をAlで置換したTiN(以
下、TANと略記する)の耐酸化性は十分でなく、TA
N表面の酸化が生じてしまう。この場合には、エピタキ
シャル成長のバッファ層としての機能を失ってしまいP
b系ペロブスカイト化合物がエピタキシャル成長できな
くなる。さらに、TiNが酸化されて形成されるTiO
2 層はPZTに比べて低誘電率であるので、素子を形成
した場合、PZT層に電圧がかからなくなるといった問
題が生じる。
In order to achieve the above object, to form a Pb-based perovskite compound having good crystallinity,
It is important that oxygen deficiency is not caused by producing under high oxygen partial pressure conditions. However, under a high oxygen partial pressure, TiN in which 1 to 3% of Ti is replaced by Al (hereinafter abbreviated as TAN) has insufficient oxidation resistance.
Oxidation of the N surface occurs. In this case, the function as a buffer layer for epitaxial growth is lost, and P
The b-type perovskite compound cannot be epitaxially grown. Furthermore, TiO formed by oxidizing TiN
Since the two layers have a lower dielectric constant than PZT, there is a problem that no voltage is applied to the PZT layer when an element is formed.

【0011】それゆえに、本発明の他の目的は、単結晶
基板上に簡易な薄膜構造および作製プロセスにより高配
向なPb系ペロブスカイトの酸化物強誘電体薄膜を形成
可能な下地電極層を備える強誘電体薄膜素子を提供する
ことである。
[0011] Therefore, another object of the present invention is to provide a ferroelectric element having a base electrode layer capable of forming a highly oriented Pb-based perovskite oxide ferroelectric thin film on a single crystal substrate by a simple thin film structure and a manufacturing process. An object of the present invention is to provide a dielectric thin film element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる強誘電体
薄膜素子は、Si基板と、Si基板上に形成されTiの
一部をAlで置換したTiN薄膜と、TiN薄膜の上に
形成されペロブスカイト構造を有する酸化物の強誘電体
薄膜とを含む強誘電体薄膜素子であって、TiN薄膜中
のTiサイトのAl置換量がAl原子に換算して1%以
上30%以下であり、かつTiN薄膜中の酸素含有量が
酸素原子に換算して5%以下であることを特徴とする、
強誘電体薄膜素子である。また、本発明にかかる強誘電
体薄膜素子は、Tiの一部をAlで置換したTiN薄膜
はエピタキシャル成長しており、強誘電体薄膜は配向成
長しているものである。さらに、本発明にかかる強誘電
体薄膜素子は、強誘電体薄膜が、Pb系ペロブスカイト
化合物の薄膜であることが好ましく、たとえば、一般式
ABO3 (但し、Aの構成元素としてPb又はPb以外
に少なくともLaを含み、Bの構成元素としてTi,Z
r,Mg,Nbのうち少なくとも1種を含む)で表され
るPb系ペロブスカイト化合物の薄膜であることが好ま
しい。また、本発明にかかる強誘電体薄膜素子におい
て、強誘電体薄膜は、エピタキシャル成長することによ
り配向成長していることが好ましく、さらに、強誘電体
薄膜としてのPb系ペロブスカイト化合物薄膜がSi基
板に対してc軸が垂直に配向してエピタキシャル成長し
ていることが、薄膜の厚み方向の特性を素子特性として
利用するためには望ましい。また、本発明にかかる強誘
電体薄膜素子において、Tiの一部をAlで置換したT
iN薄膜は、スパッタリング法や反応性蒸着法などでも
作成は可能であるが、真空度を独立して制御できる等の
理由からレーザー蒸着法で形成されるのが好ましい。ま
た、強誘電体薄膜は、化学気相蒸着法(CVD法)で形
成されるのが好ましい。
According to the present invention, there is provided a ferroelectric thin film element formed on a Si substrate, a TiN thin film formed on the Si substrate and partially replacing Ti with Al, and a TiN thin film. A ferroelectric thin film element including a ferroelectric thin film of an oxide having a perovskite structure, wherein an Al substitution amount of Ti sites in the TiN thin film is 1% or more and 30% or less in terms of Al atoms, and The oxygen content in the TiN thin film is not more than 5% in terms of oxygen atoms,
This is a ferroelectric thin film element. In the ferroelectric thin film element according to the present invention, the TiN thin film in which a part of Ti is replaced by Al is epitaxially grown, and the ferroelectric thin film is oriented and grown. Further, in the ferroelectric thin film element according to the present invention, the ferroelectric thin film is preferably a thin film of a Pb-based perovskite compound, for example, a general formula ABO 3 (where A is a constituent element other than Pb or Pb other than Pb or Pb) Containing at least La and containing B, Ti, Z
It is preferably a thin film of a Pb-based perovskite compound represented by at least one of r, Mg, and Nb). In the ferroelectric thin film element according to the present invention, the ferroelectric thin film is preferably oriented and grown by epitaxial growth. Further, a Pb-based perovskite compound thin film as a ferroelectric thin film is formed on a Si substrate. It is desirable that the epitaxial growth is performed with the c-axis oriented vertically in order to utilize the characteristics in the thickness direction of the thin film as device characteristics. Further, in the ferroelectric thin-film element according to the present invention, T
The iN thin film can be formed by a sputtering method, a reactive evaporation method, or the like, but is preferably formed by a laser evaporation method because the degree of vacuum can be independently controlled. Further, the ferroelectric thin film is preferably formed by a chemical vapor deposition method (CVD method).

【0013】さらに、本発明にかかる強誘電体薄膜素子
の製造方法は、Si基板上にTiの一部をAlで置換し
たTiN薄膜をエピタキシャル成長させるステップと、
TiN薄膜の上にペロブスカイト構造を有する酸化物の
強誘電体薄膜を配向成長させるステップとを含む強誘電
体薄膜素子の製造方法であって、TiN薄膜中のTiサ
イトのAl置換量がAl原子に換算して1%以上30%
以下であり、かつTiN薄膜中の酸素含有量が酸素原子
に換算して5%以下である、強誘電体薄膜素子の製造方
法である。また、本発明にかかる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系ペロブスカイ
ト化合物の薄膜であることが好ましく、たとえば、一般
式ABO3 (但し、Aの構成元素としてPb又はPb以
外に少なくともLaを含み、Bの構成元素としてTi,
Zr,Mg,Nbのうち少なくとも1種を含む)で表さ
れるPb系ペロブスカイト化合物の薄膜であることが好
ましい。また、本発明にかかる強誘電体薄膜素子の製造
方法において、強誘電体薄膜をエピタキシャル成長させ
ることにより高配向させることが好ましい。さらに、強
誘電体薄膜としてのPb系ペロブスカイト化合物薄膜が
Si基板に対してc軸が垂直に配向してエピタキシャル
成長していることが、薄膜の厚み方向の特性を素子特性
として利用するためには望ましい。また、本発明にかか
る強誘電体薄膜素子の製造方法において、Tiの一部を
Alで置換したTiN薄膜は、Tiの一部がAlで置換
されているターゲット物質を用いてレーザー蒸着法によ
り、10-6Torr以下の圧力で形成されることが好ま
しい。また、ターゲットについてはTiNとAlNとを
別々のターゲットを用いて所定比となるような割合で切
替えながらレーザー蒸着することも可能である。また、
本発明にかかる強誘電体薄膜素子の製造方法において、
強誘電体薄膜は化学気相蒸着法により形成されることが
好ましい。特に、結晶性の良いPb系ペロブスカイト構
造を有する強誘電体薄膜の成長を容易にするために、M
OCVDにより形成するのが望ましい。さらに、本発明
にかかる強誘電体薄膜素子の製造方法において、TiN
薄膜が前記Si基板上に形成された後、その上に前記強
誘電体薄膜が形成されるまでの期間において、前記Ti
N薄膜が300℃以上の温度に加熱される場合には、真
空槽内の少なくとも前記TiN薄膜近傍における酸素分
圧が1×10-5Torr以下の圧力で、かつ水の分圧が
5×10-5Torr以下の圧力という条件で、前記Ti
N薄膜を放置することが好ましい。これは、酸素分圧が
1×10-5Torrより大きく、かつ水の分圧が5×1
-5Torrより大きい条件では、TANの酸化反応が
速く進行してしまうという不都合があるからである。ま
た、本発明にかかる強誘電体薄膜素子の製造方法におい
て、酸素欠損を生じさせずにPb系ペロブスカイト化合
物の薄膜を形成するのに必要な量を除いた酸素分圧が、
真空槽内の少なくとも前記TiN薄膜近傍において1×
10-5Torr以下の圧力で、かつ水の分圧が5×10
-5Torr以下の圧力という条件で、前記TiN薄膜の
上に第1のPb系ペロブスカイト化合物薄膜を化学気相
蒸着法で形成し、その上に、酸素欠損を生じさせないよ
うにPb系ペロブスカイト化合物の薄膜を形成するのに
必要な量を除いた酸素分圧が、真空槽内の少なくとも前
記TiN薄膜近傍において1×10-1Torr以上の圧
力という条件で、第2のPb系ペロブスカイト化合物薄
膜を化学気相蒸着法で形成することが好ましい。これ
は、1×10-1Torr以上の圧力では酸素欠損が生じ
難いからである。さらに、本発明にかかる強誘電体薄膜
素子の製造方法において、第1のPb系ペロブスカイト
化合物薄膜を膜厚5nm〜50nmの範囲で形成するこ
とが好ましい。これは5nmより小さいとTANが酸化
されてPb系ペロブスカイト化合物がエピタキシャル成
長せず、50nmより大きいとPb系ペロブスカイト化
合物の酸素欠損が生じやすくなるためである。
Further, the method of manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention includes the steps of epitaxially growing a TiN thin film in which a part of Ti is replaced by Al on a Si substrate;
Orientating and growing a ferroelectric thin film of an oxide having a perovskite structure on a TiN thin film, wherein the Al substitution amount of Ti sites in the TiN thin film is changed to Al atoms. Converted from 1% to 30%
Or less, and wherein the oxygen content in the TiN thin film is 5% or less in terms of oxygen atoms. Further, in the method for manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, the ferroelectric thin film is preferably a thin film of a Pb-based perovskite compound, for example, a general formula ABO 3 (where Pb or Ab is a constituent element of A). At least La is contained in addition to Pb, and Ti,
It is preferably a thin film of a Pb-based perovskite compound represented by at least one of Zr, Mg, and Nb). Further, in the method for manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, it is preferable that the ferroelectric thin film is highly oriented by epitaxial growth. Further, it is desirable that the Pb-based perovskite compound thin film as the ferroelectric thin film is epitaxially grown with the c-axis oriented perpendicular to the Si substrate in order to utilize the characteristics in the thickness direction of the thin film as device characteristics. . In the method for manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, the TiN thin film in which part of Ti is replaced by Al is formed by a laser deposition method using a target material in which part of Ti is replaced by Al. It is preferably formed at a pressure of 10 −6 Torr or less. Further, as for the target, it is also possible to perform laser deposition while switching between TiN and AlN at a predetermined ratio by using different targets. Also,
In the method of manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention,
The ferroelectric thin film is preferably formed by a chemical vapor deposition method. In particular, in order to facilitate the growth of a ferroelectric thin film having a Pb-based perovskite structure with good crystallinity, M
It is desirable to form by OCVD. Further, in the method of manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, the method of manufacturing
After the thin film is formed on the Si substrate, until the ferroelectric thin film is formed thereon, the Ti
When the N thin film is heated to a temperature of 300 ° C. or higher, the partial pressure of oxygen in the vacuum chamber at least in the vicinity of the TiN thin film is 1 × 10 −5 Torr or less, and the partial pressure of water is 5 × 10 5 Torr. Under the condition of a pressure of -5 Torr or less, the Ti
It is preferable to leave the N thin film. This means that the oxygen partial pressure is greater than 1 × 10 −5 Torr and the water partial pressure is 5 × 1 Torr.
This is because, under conditions greater than 0 -5 Torr, there is a disadvantage that the oxidation reaction of TAN proceeds rapidly. Further, in the method for manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, the oxygen partial pressure excluding an amount necessary for forming a thin film of a Pb-based perovskite compound without causing oxygen deficiency is:
1 × at least in the vicinity of the TiN thin film in a vacuum chamber.
Pressure of 10 −5 Torr or less and partial pressure of water of 5 × 10
Under a condition of a pressure of -5 Torr or less, a first Pb-based perovskite compound thin film is formed on the TiN thin film by a chemical vapor deposition method, and a Pb-based perovskite compound thin film is formed thereon so as not to cause oxygen deficiency. The second Pb-based perovskite compound thin film is chemically treated under the condition that the oxygen partial pressure excluding the amount necessary for forming the thin film is at least 1 × 10 −1 Torr near the TiN thin film in the vacuum chamber. It is preferably formed by a vapor deposition method. This is because oxygen deficiency hardly occurs at a pressure of 1 × 10 −1 Torr or more. Further, in the method for manufacturing a ferroelectric thin film element according to the present invention, it is preferable that the first Pb-based perovskite compound thin film is formed in a thickness of 5 nm to 50 nm. This is because if it is smaller than 5 nm, the TAN is oxidized and the Pb-based perovskite compound does not grow epitaxially, and if it is larger than 50 nm, oxygen deficiency of the Pb-based perovskite compound tends to occur.

【0014】本発明者らは、TiNのTiサイトの一部
をAlで置換すれば、絶対圧10-7Torr以下のよう
な低圧(高真空)下でなくとも、Si基板上にTANが
良好にエピタキシャル成長することを見出した。Tiサ
イトの一部をAlで置換する置換量としては、Al原子
に換算して1%未満では、耐酸化性向上の効果が乏し
く、30%を超えるとTANの導電率が著しく低下する
ため、1%以上、30%以下の置換範囲が適当である。
ただし、TAN薄膜中の酸素含有量が5%を超えると、
たとえTiNのTiサイトの一部をAlで置換しても、
Si基板上で期待するような耐酸化性や良好なエピタキ
シャル成長性が得られない。そこで、TAN薄膜中の酸
素含有量は、酸素原子に置換して5%以下にすることが
好ましく、より望ましくは1%未満にすることが好まし
い。TAN膜中の酸素含有量を5%以下に抑え込むため
には、TAN作製時に10 -6Torr以下の低い圧力
(真空度)が必要であるが、これは、Tiサイトの一部
をAlで置換していないTiNの場合には、10-7To
rr以下の圧力を必要としていたのに対して一桁高い圧
力である。つまり、本発明によれば、従来よりも高い圧
力でも、Si単結晶基板上にバリアメタル層としての電
極層(TAN)をエピタキシャル成長させることができ
る。このTAN膜の厚みについては特に限定されるわけ
ではないが、一般的な金属よりも比抵抗が1〜2桁程度
大きいことから、100nm〜10μm程度の範囲の厚
みにすることが望ましい。そして、そのTANを電極層
として用いることにより、TANの直上に容易に強誘電
体薄膜を高配向(1軸以上の配向)させることが可能と
なる。それゆえに、本発明によれば、Si単結晶基板上
に比較的単純な薄膜積層構成で、高度に配向した酸化物
強誘電体薄膜、特にPb系ペロブスカイト酸化物強誘電
体薄膜を有する強誘電体薄膜素子を得ることができる。
The present inventors have developed a part of TiN site of TiN.
Is replaced by Al, an absolute pressure of 10-7Torr
TAN on Si substrate even under low pressure (high vacuum)
It has been found that the epitaxial growth is good. Tisa
The substitution amount for replacing part of the site with Al
If it is less than 1%, the effect of improving oxidation resistance is poor.
If it exceeds 30%, the conductivity of TAN is significantly reduced.
Therefore, a substitution range of 1% or more and 30% or less is appropriate.
However, when the oxygen content in the TAN thin film exceeds 5%,
Even if part of the Ti site of TiN is replaced by Al
Oxidation resistance and good epitaxy as expected on Si substrates
Char growth is not obtained. Therefore, the acid in the TAN thin film
The oxygen content can be reduced to 5% or less by substituting oxygen atoms.
Preferably, more preferably less than 1%
No. To keep the oxygen content in the TAN film below 5%
, At the time of TAN production -6Low pressure below Torr
(Degree of vacuum) is required, but this is part of the Ti site
In the case of TiN in which is not replaced by Al-7To
One order of magnitude higher pressure than required pressure below rr
Power. That is, according to the present invention, the pressure
Power as a barrier metal layer on the Si single crystal substrate.
Extreme layer (TAN) can be epitaxially grown
You. The thickness of the TAN film is not particularly limited
It is not, but the specific resistance is about 1 or 2 digits
Since it is large, the thickness is in the range of about 100 nm to 10 μm.
Is desirable. Then, the TAN is used as an electrode layer
Easily used just above the TAN
It is possible to make the body thin film highly oriented (more than one axis orientation)
Become. Therefore, according to the present invention, on a Si single crystal substrate
Highly oriented oxides with relatively simple thin film lamination structure
Ferroelectric thin film, especially Pb-based perovskite oxide ferroelectric
A ferroelectric thin-film element having a body thin film can be obtained.

【0015】本発明の目的、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発明の実施形態の説
明から一層明らかになろう。
The objects, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments of the present invention with reference to the drawings.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

【実施例】自然酸化膜を除去したSi単結晶基板上に、
以下に詳細に示す各実施例および比較例に従い、TAN
薄膜、酸化物強誘電体薄膜をこの順に形成し、配向性強
誘電体薄膜素子を作製した。その後、真空蒸着法により
酸化物強誘電体薄膜上にマスクを用いてφ0.5のAu
上部電極を形成し、強誘電体薄膜素子としての電気特性
を評価した。
EXAMPLE On a Si single crystal substrate from which a natural oxide film was removed,
According to each Example and Comparative Example shown in detail below, TAN
A thin film and an oxide ferroelectric thin film were formed in this order to produce an oriented ferroelectric thin film element. Thereafter, a 0.5 μm Au layer was formed on the oxide ferroelectric thin film by a vacuum evaporation method using a mask.
An upper electrode was formed, and electrical characteristics as a ferroelectric thin film element were evaluated.

【0017】図1は、以下に示す実施例および比較例で
TAN薄膜、PLT薄膜、またはBSTO薄膜を形成す
るために用いたPLD装置の一例を示す図解図である。
ここでこの従来公知のPLD(Pulsed Lase
r Deposition)装置10の概略について説
明する。このPLD装置10は、真空容器12を含む。
真空容器12には、ガス導入管14からガスが導入さ
れ、排気管16から不要なガスが排気される。真空容器
12内には、基板加熱ヒータ18の上にSi単結晶基板
(以下、単に基板という)Sが載置される。基板Sの斜
め上方には、ターゲット保持具20によってターゲット
Tが保持される。ターゲット保持具20は、ターゲット
Tの位置を調整するための駆動用マニュピュレータ22
に支持されている。エキシマレーザ光Lは、真空容器1
2外からレーザ集光レンズ24で集光された後、合成石
英窓26を通過してターゲットTに照射される。そし
て、基板S上にTiN薄膜が形成される。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of a PLD device used for forming a TAN thin film, a PLT thin film, or a BSTO thin film in the following Examples and Comparative Examples.
Here, this conventionally known PLD (Pulsed Laser)
An outline of the (r Deposition) apparatus 10 will be described. This PLD device 10 includes a vacuum container 12.
Gas is introduced into the vacuum vessel 12 from a gas introduction pipe 14, and unnecessary gas is exhausted from an exhaust pipe 16. In the vacuum vessel 12, a Si single crystal substrate (hereinafter, simply referred to as a substrate) S is placed on a substrate heater 18. The target T is held by the target holder 20 obliquely above the substrate S. The target holder 20 includes a driving manipulator 22 for adjusting the position of the target T.
It is supported by. Excimer laser beam L is applied to vacuum vessel 1
After being condensed from outside by a laser condensing lens 24, the light passes through a synthetic quartz window 26 and irradiates the target T. Then, a TiN thin film is formed on the substrate S.

【0018】また、図2は、以下に示す実施例および比
較例でPZT薄膜を形成するために用いたMOCVD装
置の一例を示す図解図である。ここでこの従来公知のM
OCVD装置30の概略について説明する。このMOC
VD装置30は、真空容器32を含む。真空容器32内
には、基板加熱ヒータ34の上に基板Sが載置される。
真空容器32には、バルブ311を介してターボ分子ポ
ンプ364が接続され、さらにターボ分子ポンプ364
はロータリーポンプ363に接続される。また、真空容
器32には、可変バルブ312を介してメカニカルブー
スターポンプ362が接続され、さらにメカニカルブー
スターポンプ362はロータリーポンプ361に接続さ
れる。また、真空容器32内には、ガス吹き出しノズル
38から原料ガスが導入される。ガス吹き出しノズル3
8には、ガス混合器40が接続される。PZT薄膜を形
成する場合には、ガス混合器40には、それぞれ可変バ
ルブを介して4つの経路が接続される。第1の経路から
はO2 ガスがマスフローコントローラ(以下、MFCと
略す)42を介して導入される。第2の経路からは、固
体気化器50で気化されたPbが、MFC44を介して
送入されたキャリアガスとしてのArガスによって導入
される。第3の経路からは、液体気化器52で気化され
たZrが、MFC46を介して送入されたキャリアガス
としてのArガスによって導入される。第4の経路から
は、液体気化器54で気化されたTiが、MFC48を
介して送入されたキャリアガスとしてのArガスによっ
て導入される。これら4つの経路から導入されたガス
は、ガス混合器40で混合され、基板S上で熱分解およ
び燃焼反応を起こしてPZT薄膜が成長する。
FIG. 2 is an illustrative view showing one example of an MOCVD apparatus used for forming a PZT thin film in the following Examples and Comparative Examples. Here, the conventionally known M
The outline of the OCVD apparatus 30 will be described. This MOC
The VD device 30 includes a vacuum container 32. The substrate S is placed on the substrate heater 34 in the vacuum vessel 32.
A turbo molecular pump 364 is connected to the vacuum vessel 32 via a valve 311.
Is connected to a rotary pump 363. Further, a mechanical booster pump 362 is connected to the vacuum vessel 32 via a variable valve 312, and the mechanical booster pump 362 is connected to a rotary pump 361. Further, a raw material gas is introduced into the vacuum vessel 32 from a gas blowing nozzle 38. Gas blowing nozzle 3
A gas mixer 40 is connected to 8. When forming a PZT thin film, four paths are connected to the gas mixer 40 via variable valves, respectively. O 2 gas is introduced from the first path via a mass flow controller (hereinafter abbreviated as MFC) 42. From the second path, Pb vaporized in the solid vaporizer 50 is introduced by Ar gas as a carrier gas sent through the MFC 44. From the third path, Zr vaporized by the liquid vaporizer 52 is introduced by Ar gas as a carrier gas sent through the MFC 46. From the fourth path, Ti vaporized by the liquid vaporizer 54 is introduced by Ar gas as a carrier gas sent through the MFC 48. The gases introduced from these four paths are mixed by the gas mixer 40, and cause a thermal decomposition and a combustion reaction on the substrate S to grow a PZT thin film.

【0019】(実施例1)Si基板として2インチのS
i(100)を使用した。このSi(100)基板をア
セトン、エタノール等の有機溶媒中で超音波洗浄した
後、10%HF溶液中に浸漬してSi基板表面の酸化膜
を除去した後、実験に供した。その後、図1に示すPL
D装置10により、真空中(約10-6Torr)、基板
温度:550℃〜650℃、レーザー繰り返し周波数:
5〜10Hz、レーザーエネルギ密度:4.5J/cm2
(KrF)の条件下で、約500nmのTiサイトの一
部をAlでAl原子に換算して10%置換したTAN薄
膜(Ti0.9 Al0.1 N)をSi単結晶基板上にレーザ
ー蒸着法によってエピタキシャル成長させた。TAN薄
膜を得るために用いたターゲットは、(Ti0.9 Al
0.1 )Nの組成式で表されるTAN焼結体を用いた。こ
の焼結体の相対密度は90%以上であるが、望ましくは
95%以上が良好である。得られたTAN薄膜中の酸素
含有量をオージェ電子分光法(Auger elect
ron spectroscopy:AES)で測定し
たところ、酸素原子に換算して1%以下であった。さら
にこのTAN薄膜上に、図2に示すMOCVD装置30
により全圧:10Torr、基板温度:700℃で、4
00〜600nmの厚みのPb(Zr0.52Ti0.48)O
3 〔PZT〕薄膜を化学気相蒸着法によってエピタキシ
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
94 、Ti(O-i- C374 を用いた。PZT
薄膜の詳細な作製条件については表1に示す。
(Embodiment 1) 2 inches of S as a Si substrate
i (100) was used. This Si (100) substrate was subjected to ultrasonic cleaning in an organic solvent such as acetone and ethanol, and then immersed in a 10% HF solution to remove an oxide film on the surface of the Si substrate, and then subjected to an experiment. Thereafter, the PL shown in FIG.
In a vacuum (about 10 −6 Torr), substrate temperature: 550 ° C. to 650 ° C., laser repetition frequency:
5 to 10 Hz, laser energy density: 4.5 J / cm 2
Under the condition of (KrF), a TAN thin film (Ti 0.9 Al 0.1 N) in which a part of a Ti site of about 500 nm is substituted with Al by 10% in terms of Al atoms is epitaxially grown on a Si single crystal substrate by a laser vapor deposition method. I let it. The target used to obtain the TAN thin film was (Ti 0.9 Al
0.1 ) A TAN sintered body represented by a composition formula of N was used. The relative density of the sintered body is at least 90%, and preferably at least 95%. The oxygen content in the obtained TAN thin film was measured by Auger electron spectroscopy (Auger elect).
RON spectroscopy (AES) was 1% or less in terms of oxygen atoms. Further, the MOCVD apparatus 30 shown in FIG.
At a total pressure of 10 Torr and a substrate temperature of 700 ° C.
Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O with a thickness of 00 to 600 nm
3 [PZT] thin films were grown epitaxially by chemical vapor deposition. The precursors of Pb, Zr and Ti are Pb (DPM) 2 , Zr (O-t-C 4
H 9) 4, was used Ti (O-i- C 3 H 7) 4. PZT
Table 1 shows detailed conditions for forming the thin film.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】図3にPZT成膜プロセスにおける「見掛
けの酸素の分圧」を示す。MOCVDによる成膜プロセ
スでは、成膜に寄与するプリカーサを完全に酸化させ、
かつ酸素欠陥を生じさせずにPZTを形成するために多
量の酸素が消費される。それらの消費される酸素を除い
た酸素(以下、「過剰酸素の分圧」という)の分圧と水
の分圧の変化を図4に示す。昇温工程において、真空容
器はターボ分子ポンプ364により排気され、酸素分圧
は2×10-7Torr、水の分圧は1×10-6Torr
に保たれている。昇温工程においては、真空容器へのプ
リカーサおよび酸素の供給は行われていない。基板温度
が700℃に達した後、各供給経路の可変バルブを開け
てプリカーサの供給を開始すると同時にブースターポン
プ362による排気に切り替えられる。そして、マスフ
ローコントローラ42により酸素流量が真空容器の「過
剰酸素の分圧」が5×10-6Torrになるように制御
供給された状態でPZTの成膜が1分間行われる。この
間に成長する第1のPZT薄膜の膜厚は約40nmであ
る。1分後に「過剰酸素の分圧」が1Torrになるよ
うにマスフローコントローラ42により酸素流量が調整
される。このとき真空容器32内の圧力は可変バルブ3
12により10Torrに調整される。
FIG. 3 shows "apparent oxygen partial pressure" in the PZT film forming process. In the film formation process by MOCVD, a precursor that contributes to film formation is completely oxidized,
In addition, a large amount of oxygen is consumed to form PZT without causing oxygen defects. FIG. 4 shows changes in the partial pressure of oxygen excluding the consumed oxygen (hereinafter, referred to as “partial pressure of excess oxygen”) and the partial pressure of water. In the temperature raising step, the vacuum vessel is evacuated by the turbo molecular pump 364, the oxygen partial pressure is 2 × 10 −7 Torr, and the water partial pressure is 1 × 10 −6 Torr.
It is kept in. In the heating step, the precursor and oxygen are not supplied to the vacuum vessel. After the substrate temperature reaches 700 ° C., the supply of the precursor is started by opening the variable valves of the respective supply paths, and at the same time, the exhaust is switched to the exhaust by the booster pump 362. Then, the PZT film is formed for one minute while the oxygen flow rate is controlled and supplied by the mass flow controller 42 so that the “partial pressure of excess oxygen” in the vacuum vessel becomes 5 × 10 −6 Torr. The thickness of the first PZT thin film grown during this time is about 40 nm. After one minute, the mass flow controller 42 adjusts the oxygen flow rate such that the “partial pressure of excess oxygen” becomes 1 Torr. At this time, the pressure in the vacuum vessel 32 is
12 adjusts to 10 Torr.

【0022】図5は、この実施例1で作製された強誘電
体薄膜素子の断面構造である。この強誘電体薄膜素子
は、Si基板66の上にTAN膜64が形成され、その
上に第1のPZT薄膜62が形成され、さらにその上に
第2のPZT薄膜60が形成される。第1のPZT薄膜
62は、低い酸素分圧で作製されたPZT薄膜であり、
第2のPZT薄膜60は、高い酸素分圧で作製されたP
ZT薄膜である。図6は、このPZT薄膜のXRDパタ
ーンである。なお、図中においてa.u.とは、任意単
位を示す。図6から、ペロブスカイトのPZTがc軸配
向していることがわかる。図7は、PZT薄膜の極点図
形である。図7に示すように、4回対称の図形であるこ
とから、PZT薄膜がエピタキシャル成長して高配向し
ていることがわかる。図8は、PZT薄膜のP−Eヒス
テリシス特性である。さらに、表2にPZT薄膜の電気
特性の評価結果を示すように、実施例1のPZT薄膜は
優れた電気的特性を有する。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of the ferroelectric thin film element manufactured in the first embodiment. In this ferroelectric thin film element, a TAN film 64 is formed on a Si substrate 66, a first PZT thin film 62 is formed thereon, and a second PZT thin film 60 is further formed thereon. The first PZT thin film 62 is a PZT thin film formed at a low oxygen partial pressure,
The second PZT thin film 60 is made of a P film formed at a high oxygen partial pressure.
It is a ZT thin film. FIG. 6 is an XRD pattern of the PZT thin film. In the figures, a. u. Indicates an arbitrary unit. FIG. 6 shows that the perovskite PZT is c-axis oriented. FIG. 7 is a pole figure of the PZT thin film. As shown in FIG. 7, it is understood that the PZT thin film is epitaxially grown and highly oriented because of the four-fold symmetry. FIG. 8 shows the PE hysteresis characteristics of the PZT thin film. Furthermore, as shown in Table 2, the evaluation results of the electrical characteristics of the PZT thin film show that the PZT thin film of Example 1 has excellent electrical characteristics.

【0023】[0023]

【表2】 なお、表2において、Tan δ、εr は、1kHz,0.
1Vでの測定値である。
[Table 2] In Table 2, Tan δ and ε r are 1 kHz, 0.
It is a measured value at 1V.

【0024】なお、基板としてはSi(100)を使用
することに限らず、Si(111)やSi(110)等
を使用してもよい。また、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、MgO,
SrTiO3 ,MgAl2 3 等の単結晶を基板として
使用してもよい。また、TAN薄膜はPLD法でKrF
エキシマレーザーを用いて作製しているがArFエキシ
マレーザーでも可能であり、その他電子ビーム蒸着法、
rf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
で作製することも可能であり、さらにイオンビ−ム、レ
−ザ−ビ−ムなどでアシストすることによりその結晶性
を向上させることも可能である。さらに、PZTの成膜
方法としては、熱MOCVDに限らず、プラズマCV
D、レーザーCVD、レ−ザ−アブレ−ション法、スパ
ッタリング法、蒸着法、MBE法などを用いてもよい。
Note that Si (100) is used as the substrate.
Without limitation, Si (111), Si (110), etc.
May be used. Also, the miscut angle of the single crystal substrate
Can be used if it is 5% or less. Furthermore, MgO,
SrTiOThree, MgAlTwoO ThreeSingle crystal such as
May be used. The TAN thin film is made of KrF by PLD method.
ArF excimer is manufactured using excimer laser.
It is also possible with a laser, other electron beam evaporation methods,
rf sputtering method, DC sputtering method, ion
Beam sputtering, ECR sputtering, etc.
It is also possible to produce with ion beam, laser
-Crystallinity by assisting with the beam
Can also be improved. Furthermore, PZT film formation
The method is not limited to the thermal MOCVD, and the plasma CV
D, laser CVD, laser abrasion method, spa
A sputtering method, a vapor deposition method, an MBE method, or the like may be used.

【0025】(比較例1)実施例1と同様に、Si(1
00)基板上にPLD装置10によりTAN薄膜をエピ
タキシャル成長させた。そして、TAN薄膜上にMOC
VD法により、基板温度700℃、400〜600nm
の厚みのPZT薄膜をエピタキシャル成長させた。PZ
T薄膜作製工程における見掛けの酸素の分圧と水の分圧
の変化を図9に示す。また、過剰酸素の分圧と水の分圧
の変化を図10に示す。昇温工程および成膜工程におい
ては、真空容器32は、ブースターポンプ362により
排気されている。昇温工程における「過剰酸素の分圧」
は1×10-3Torrである。基板温度が700℃に達
した後、酸素とプリカーサとの供給を開始する。「過剰
酸素の分圧」が5×10-6Torrになるように、酸素
供給量がマスフローコントローラ42で制御される。
Comparative Example 1 As in Example 1, Si (1
00) A TAN thin film was epitaxially grown on the substrate by the PLD device 10. And MOC on TAN thin film
By the VD method, the substrate temperature is 700 ° C., 400 to 600 nm
A PZT thin film having a thickness of 1 was epitaxially grown. PZ
FIG. 9 shows changes in the apparent partial pressure of oxygen and the partial pressure of water in the T thin film production process. FIG. 10 shows changes in the partial pressure of excess oxygen and the partial pressure of water. In the temperature raising step and the film forming step, the vacuum vessel 32 is evacuated by the booster pump 362. "Partial pressure of excess oxygen" in the heating process
Is 1 × 10 −3 Torr. After the substrate temperature reaches 700 ° C., supply of oxygen and a precursor is started. The oxygen supply amount is controlled by the mass flow controller 42 so that the “partial pressure of excess oxygen” becomes 5 × 10 −6 Torr.

【0026】(比較例2)比較例1と同様に、Si(1
00)基板上にPLD装置10によりTAN薄膜をエピ
タキシャル成長させた。そして、TAN薄膜上にMOC
VD法により、基板温度700℃、400〜600nm
の厚みのPZT薄膜をエピタキシャル成長させた。PZ
T薄膜作製工程における見掛けの酸素の分圧と水の分圧
の変化を図11に示す。また、過剰酸素の分圧と水の分
圧の変化を図12に示す。昇温工程においては、真空容
器32をターボ分子ポンプ364により排気しており、
「過剰酸素の分圧」は2×10-7Torr、水の分圧は
1×10-6Torrである。成膜工程においてはブース
タ−ポンプ362で真空容器32が排気され、「過剰酸
素の分圧」が6Torrになるように、酸素供給量がマ
スフローコントローラ42で制御される。
Comparative Example 2 As in Comparative Example 1, Si (1
00) A TAN thin film was epitaxially grown on the substrate by the PLD device 10. And MOC on TAN thin film
By the VD method, the substrate temperature is 700 ° C., 400 to 600 nm
A PZT thin film having a thickness of 1 was epitaxially grown. PZ
FIG. 11 shows changes in the apparent partial pressure of oxygen and the partial pressure of water in the T thin film production process. FIG. 12 shows changes in the partial pressure of excess oxygen and the partial pressure of water. In the temperature raising step, the vacuum vessel 32 is evacuated by the turbo molecular pump 364,
The “partial pressure of excess oxygen” is 2 × 10 −7 Torr, and the partial pressure of water is 1 × 10 −6 Torr. In the film forming process, the vacuum chamber 32 is evacuated by the booster pump 362, and the oxygen supply amount is controlled by the mass flow controller 42 so that the "partial pressure of excess oxygen" becomes 6 Torr.

【0027】図13は比較例1および2により作製した
強誘電体薄膜素子の断面構造を示す図解図である。この
強誘電体素子は、Si基板66の上のTAN膜64とP
ZT薄膜60との界面に酸化したTAN膜68が形成さ
れている。図14は、比較例1により作製したPZT薄
膜のXRDパターンである。図14からわかるように、
PZT薄膜は配向成長しているが回折強度は非常に弱
い。同様に、図15は、比較例2により作製したPZT
薄膜のXRDパターンである。図15からわかるよう
に、このPZT薄膜はペロブスカイト構造であるが、配
向成長していない。図16は比較例1により作製したP
ZT薄膜のP−Eヒステリシス特性である。結晶性が悪
いので残留分極Prが小さく、TANの酸化層があるの
で抗電圧が大きい。また、表2に、比較例1により得ら
れたPZT薄膜素子について、電気特性を評価した結果
をあわせて示す。表2に示すように、比較例1は実施例
1に比べて電気特性が劣っている。
FIG. 13 is an illustrative view showing a cross-sectional structure of a ferroelectric thin film element manufactured according to Comparative Examples 1 and 2. The TAN film 64 on the Si substrate 66 and the P
An oxidized TAN film 68 is formed at the interface with the ZT thin film 60. FIG. 14 is an XRD pattern of the PZT thin film manufactured in Comparative Example 1. As can be seen from FIG.
Although the PZT thin film grows in an oriented manner, the diffraction intensity is very weak. Similarly, FIG. 15 shows the PZT prepared in Comparative Example 2.
It is an XRD pattern of a thin film. As can be seen from FIG. 15, this PZT thin film has a perovskite structure, but has not been oriented and grown. FIG. 16 shows the P produced by Comparative Example 1.
It is a PE hysteresis characteristic of a ZT thin film. Since the crystallinity is poor, the remanent polarization Pr is small, and the coercive voltage is large due to the presence of an oxide layer of TAN. Table 2 also shows the results of evaluating the electrical characteristics of the PZT thin film element obtained in Comparative Example 1. As shown in Table 2, Comparative Example 1 is inferior in electrical characteristics to Example 1.

【0028】(実施例2)実施例1と同様に、Si基板
上にPLD法によりTiサイトの一部をAlでAl原子
に換算して30%置換したTAN薄膜(Ti0.7 Al
0.3 N)をエピタキシャル成長させた。このTAN薄膜
上に、PLD法により、5Torr(O2 雰囲気)、基
板温度:500℃、レーザー繰り返し周波数:5Hz、
レーザーエネルギ密度:4.5J/cm2 (KrF)の条
件下で約500〜800nmのPLT薄膜(Pb0.9
0.1 TiO3 )をエピタキシャル成長させた。PLT
薄膜を得るために用いたターゲットは、Pb0.9 La
0.1 TiO3 組成のセラミックスの焼結体ターゲットを
用いた。図17は、得られたエピタキシャルPLT薄膜
のXRDパターンを示す図である。この結果から、本発
明による強誘電体薄膜の製造方法を用いることにより、
PLT薄膜についてもSi基板上にエピタキシャル成長
による配向成長が可能であることがわかる。
(Example 2) In the same manner as in Example 1, a TAN thin film (Ti 0.7 Al
0.3N ) was epitaxially grown. On this TAN thin film, 5 Torr (O 2 atmosphere), substrate temperature: 500 ° C., laser repetition frequency: 5 Hz, by PLD method
Laser energy density: PLT thin film (Pb 0.9 L) of about 500 to 800 nm under the condition of 4.5 J / cm 2 (KrF)
a 0.1 TiO 3 ) was epitaxially grown. PLT
The target used to obtain the thin film was Pb 0.9 La
A ceramic sintered body target having a composition of 0.1 TiO 3 was used. FIG. 17 is a diagram showing an XRD pattern of the obtained epitaxial PLT thin film. From these results, by using the method of manufacturing a ferroelectric thin film according to the present invention,
It can be seen that the PLT thin film can also be oriented and grown on a Si substrate by epitaxial growth.

【0029】(実施例3)実施例1と同様に、Si基板
上にPLD法によりTiサイトの一部をAlでAl原子
に換算して1%置換したTAN薄膜(Ti0.99Al0.01
N)をエピタキシャル成長させた。このTAN薄膜上
に、PLD法により、10-4Torr、基板温度:60
0℃、レーザー繰り返し周波数:5Hz、レーザーエネ
ルギ密度:4.5J/cm2 (KrF)の条件下で約50
0〜800nmのBSTO薄膜(Ba 0.7 Sr0.3 Ti
3 )をエピタキシャル成長させた。BSTO薄膜を得
るために用いたターゲットは、Ba0.7 Sr0.3 TiO
3 組成のセラミックスの焼結体ターゲットを用いた。図
18は、得られたエピタキシャルBSTO薄膜のXRD
パターンを示す図である。この結果から、本発明による
強誘電体薄膜の製造方法を用いることにより、BSTO
薄膜についてもSi基板上にエピタキシャル成長による
配向成長が可能であることがわかる。
(Embodiment 3) As in Embodiment 1, a Si substrate
Part of Ti site is Al atom by PLD method.
TAN thin film (Ti0.99Al0.01
N) was epitaxially grown. On this TAN thin film
And 10% by the PLD method.-FourTorr, substrate temperature: 60
0 ° C, laser repetition frequency: 5Hz, laser energy
Lugi density: 4.5 J / cmTwo (KrF) about 50
BSTO thin film of 0 to 800 nm (Ba 0.7 Sr0.3 Ti
OThree ) Was epitaxially grown. Obtain BSTO thin film
The target used for this was Ba0.7 Sr0.3 TiO
Three A ceramic sintered body target of the composition was used. Figure
18 is the XRD of the obtained epitaxial BSTO thin film.
It is a figure showing a pattern. From this result, according to the present invention
By using the method of manufacturing a ferroelectric thin film, BSTO
Epitaxial growth on Si substrate for thin films
It can be seen that oriented growth is possible.

【0030】(比較例3)実施例1と同様に、Si(1
00)基板上にPLD法により、実施例1の場合よりも
高い圧力の約10-5Torr、基板温度:550〜65
0℃、レーザー繰り返し周波数:5Hz、レーザーエネ
ルギ密度:4.5J/cm2 (KrF)の条件下で約10
0〜500nmのTAN薄膜(Ti0.9 Al0.1 N)をエ
ピタキシャル成長させた。これによって得られたTAN
薄膜中の酸素含有量をAESで測定したところ、酸素原
子に換算して約10%であった。このTAN薄膜上に、
MOCVD法により、表1に示したものと同様の条件
で、全圧:10Torr、基板温度:600℃で、30
0〜600nmの厚みのPb(Zr0.52Ti0.48)O3
〔PZT〕薄膜を成長させた。
Comparative Example 3 In the same manner as in Example 1, Si (1
00) On the substrate by PLD method, about 10 −5 Torr at a higher pressure than in Example 1, substrate temperature: 550 to 65
0 ° C., laser repetition frequency: 5 Hz, laser energy density: about 10 J / cm 2 (KrF)
A TAN thin film (Ti 0.9 Al 0.1 N) of 0 to 500 nm was epitaxially grown. TAN obtained by this
When the oxygen content in the thin film was measured by AES, it was about 10% in terms of oxygen atoms. On this TAN thin film,
By MOCVD, under the same conditions as those shown in Table 1, total pressure: 10 Torr, substrate temperature: 600 ° C., 30
Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 having a thickness of 0 to 600 nm
[PZT] A thin film was grown.

【0031】図19に比較例3で得られたPZT薄膜の
XRDパターン図を示す。図19から、PZT薄膜はペ
ロブスカイト相にはなるものの特定軸に配向する傾向が
見られず、エピタキシャル成長していないことがわか
る。また、表2に、比較例3により得られたPZT薄膜
素子について、電気特性を評価した結果をあわせて示
す。表2に示すように、比較例3は実施例1に比べて電
気的特性が劣っている。
FIG. 19 shows an XRD pattern of the PZT thin film obtained in Comparative Example 3. From FIG. 19, it can be seen that although the PZT thin film becomes a perovskite phase, it does not tend to be oriented in a specific axis, and is not epitaxially grown. Table 2 also shows the results of evaluating the electrical characteristics of the PZT thin film element obtained in Comparative Example 3. As shown in Table 2, Comparative Example 3 is inferior in electrical characteristics to Example 1.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば、従来に比べて高い圧力
で単結晶Si上にバリアメタル層としてのTiN(TA
N)薄膜をエピタキシャル成長させることができ、従来
まで極めて困難とされていた単結晶Si上におけるペロ
ブスカイト型の酸化物強誘電体のエピタキシャル成長が
比較的容易にできる。したがって、単結晶Si上のTi
N薄膜直上にペロブスカイト型の酸化物強誘電体薄膜、
特にPb系ペロブスカイト酸化物の強誘電体薄膜を高配
向させつつ成長させた強誘電体薄膜素子を得ることがで
きる。また、本発明によれば、多層化などの薄膜構造の
変更をすることなく、かつ簡単なプロセスの変更だけで
従来の装置をそのまま用いることにより、従来極めて困
難であったSi基板上の高品位のエピタキシャル強誘電
体を得ることができる。そのため、工業的に極めて有用
である。また、このような高品位のエピタキシャル強誘
電体薄膜は、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。本発明により得
られた強誘電体薄膜素子は、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
膜コンデンサや小型圧電素子への応用が期待される。
According to the present invention, TiN (TA) as a barrier metal layer is formed on single-crystal Si at a higher pressure than in the prior art.
N) The thin film can be epitaxially grown, and the epitaxial growth of the perovskite oxide ferroelectric on single crystal Si, which has been extremely difficult until now, can be relatively easily performed. Therefore, Ti on single crystal Si
A perovskite oxide ferroelectric thin film directly above the N thin film,
In particular, it is possible to obtain a ferroelectric thin film element in which a ferroelectric thin film of a Pb-based perovskite oxide is grown while being highly oriented. Further, according to the present invention, the conventional apparatus can be used as it is without changing the thin film structure such as multi-layering and simply changing the process. Can be obtained. Therefore, it is extremely useful industrially. Further, such a high-quality epitaxial ferroelectric thin film has very few crystal defects, and can exhibit the original characteristics of the material itself. The ferroelectric thin film device obtained by the present invention is expected to be applied not only to DRAMs and FeRAMs, but also to other pyroelectric devices, microactuators, thin film capacitors, and small piezoelectric devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例および比較例でTAN薄膜の作
成に用いたPLD装置の一例を示す図解図である。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of a PLD device used for forming a TAN thin film in Examples and Comparative Examples of the present invention.

【図2】本発明の実施例および比較例でPZT薄膜の作
製に用いたMOCVD装置の一例を示す図解図である。
FIG. 2 is an illustrative view showing one example of an MOCVD apparatus used for producing a PZT thin film in Examples and Comparative Examples of the present invention.

【図3】実施例1におけるPZT成膜工程中の見掛けの
酸素の分圧と水の分圧とを示した図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an apparent partial pressure of oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Example 1.

【図4】実施例1におけるPZT成膜工程中の過剰酸素
の分圧と水の分圧とを示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a partial pressure of excess oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Example 1.

【図5】実施例1において作製した強誘電体薄膜素子の
断面構造を示す図解図である。
FIG. 5 is an illustrative view showing a cross-sectional structure of a ferroelectric thin-film element manufactured in Example 1;

【図6】実施例1において作製した強誘電体薄膜素子の
PZT薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 6 is an XRD pattern diagram of a PZT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Example 1.

【図7】実施例1において作製した強誘電体薄膜素子の
PZT薄膜の極点図である。
FIG. 7 is a pole figure of a PZT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Example 1.

【図8】実施例1において作製した強誘電体薄膜素子の
PZT薄膜のP−Eヒステリシス・ループ図である。
FIG. 8 is a PE hysteresis loop diagram of a PZT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Example 1.

【図9】比較例1におけるPZT成膜工程中の見掛けの
酸素の分圧と水の分圧とを示した図である。
FIG. 9 is a diagram showing an apparent partial pressure of oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Comparative Example 1.

【図10】比較例1におけるPZT成膜工程中の過剰酸
素の分圧と水の分圧とを示した図である。
FIG. 10 is a diagram showing a partial pressure of excess oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Comparative Example 1.

【図11】比較例2におけるPZT成膜工程中の見掛け
の酸素の分圧と水の分圧とを示した図である。
11 is a diagram showing an apparent partial pressure of oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Comparative Example 2. FIG.

【図12】比較例2におけるPZT成膜工程中の過剰酸
素の分圧と水の分圧とを示した図である。
FIG. 12 is a diagram showing a partial pressure of excess oxygen and a partial pressure of water during a PZT film forming process in Comparative Example 2.

【図13】比較例1および比較例2において作製した強
誘電体薄膜素子の断面構造の図解図である。
FIG. 13 is an illustrative view of a cross-sectional structure of a ferroelectric thin-film element manufactured in Comparative Examples 1 and 2.

【図14】比較例1において作製した強誘電体薄膜素子
のPZT薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 14 is an XRD pattern diagram of a PZT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Comparative Example 1.

【図15】比較例2において作製した強誘電体薄膜素子
のPZT薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 15 is an XRD pattern diagram of a PZT thin film of a ferroelectric thin film element manufactured in Comparative Example 2.

【図16】比較例1において作製した強誘電体薄膜素子
のPZT薄膜のP−Eヒステリシス・ループ図である。
FIG. 16 is a PE hysteresis loop diagram of a PZT thin film of a ferroelectric thin film element manufactured in Comparative Example 1.

【図17】実施例2において作製した強誘電体薄膜素子
のPLT薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 17 is an XRD pattern diagram of a PLT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Example 2.

【図18】実施例3において作製した強誘電体薄膜素子
のBSTO薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 18 is an XRD pattern diagram of the BSTO thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Example 3.

【図19】比較例3において作製した強誘電体薄膜素子
のPZT薄膜のXRDパターン図である。
FIG. 19 is an XRD pattern diagram of a PZT thin film of the ferroelectric thin film element manufactured in Comparative Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 PLD装置 12 真空容器 14 ガス導入管 16 排気口 18 基板加熱ヒータ 20 ターゲット保持具 22 駆動用マニュピュレータ 24 レーザ集光レンズ 26 合成石英窓 28 プルーム 30 MOCVD装置 311 バルブ 312 可変バルブ 32 真空容器 34 基板加熱ヒーター 361,363 真空ポンプ(ロータリーポンプ) 362 真空ポンプ(メカニカルブ−スタ−ポンプ) 364 真空ポンプ(ターボ分子ポンプ) 38 ガス吹き出しノズル 40 ガス混合器 42,44,46,48 マスフローコントローラー 50 固体気化器 52,54 液体気化器 S 基板 T ターゲット L エキシマレーザー光(ビームライン) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 PLD apparatus 12 Vacuum container 14 Gas introduction pipe 16 Exhaust port 18 Substrate heater 20 Target holder 22 Driving manipulator 24 Laser focusing lens 26 Synthetic quartz window 28 Plume 30 MOCVD apparatus 311 Valve 312 Variable valve 32 Vacuum container 34 Substrate Heater 361, 363 Vacuum pump (rotary pump) 362 Vacuum pump (mechanical booster pump) 364 Vacuum pump (turbo molecular pump) 38 Gas blowing nozzle 40 Gas mixer 42, 44, 46, 48 Mass flow controller 50 Solid vaporization 52,54 Liquid vaporizer S Substrate T Target L Excimer laser beam (beam line)

───────────────────────────────────────────────────── 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 27/10 451 H01L 37/02 21/8247 29/78 371 29/788 41/08 L 29/792 41/22 Z 37/02 41/09 41/22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 27/10 451 H01L 37/02 21/8247 29/78 371 29/29/788 41/08 L 29/792 41 / 22 Z 37/02 41/09 41/22

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Si基板、 前記Si基板上に形成されTiの一部をAlで置換した
TiN薄膜、および前記TiN薄膜の上に形成されペロ
ブスカイト構造を有する酸化物の強誘電体薄膜を含む強
誘電体薄膜素子であって、 前記TiN薄膜中のTiサイトのAl置換量がAl原子
に換算して1%以上30%以下であり、かつ前記TiN
薄膜中の酸素含有量が酸素原子に換算して5%以下であ
ることを特徴とする、強誘電体薄膜素子。
1. A ferroelectric material comprising: a Si substrate; a TiN thin film formed on the Si substrate in which a part of Ti is replaced with Al; and a ferroelectric thin film of an oxide having a perovskite structure formed on the TiN thin film. A dielectric thin film element, wherein an Al substitution amount of a Ti site in the TiN thin film is 1% or more and 30% or less in terms of Al atoms, and the TiN
A ferroelectric thin film element, characterized in that the oxygen content in the thin film is 5% or less in terms of oxygen atoms.
【請求項2】 前記Tiの一部をAlで置換したTiN
薄膜はエピタキシャル成長しており、前記強誘電体薄膜
は配向成長していることを特徴とする、請求項1に記載
の強誘電体薄膜素子。
2. TiN in which part of the Ti is replaced by Al
2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the thin film is grown epitaxially, and the ferroelectric thin film is grown by orientation.
【請求項3】 前記強誘電体薄膜は、Pb系ペロブスカ
イト化合物の薄膜である、請求項1または請求項2に記
載の強誘電体薄膜素子。
3. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the ferroelectric thin film is a thin film of a Pb-based perovskite compound.
【請求項4】 前記強誘電体薄膜は、一般式ABO3
(但し、Aの構成元素としてPb又はPb以外に少なく
ともLaを含み、Bの構成元素としてTi,Zr,M
g,Nbのうち少なくとも1種を含む)で表されるPb
系ペロブスカイト化合物の薄膜である、請求項1または
請求項2に記載の強誘電体薄膜素子。
4. The ferroelectric thin film has a general formula of ABO 3
(However, A contains at least La in addition to Pb or Pb as a constituent element of A, and Ti, Zr, M as a constituent element of B.
g and Nb).
3. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the ferroelectric thin film element is a thin film of a perovskite compound.
【請求項5】 前記強誘電体薄膜は、エピタキシャル成
長している、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載
の強誘電体薄膜素子。
5. The ferroelectric thin film device according to claim 1, wherein said ferroelectric thin film is grown epitaxially.
【請求項6】 前記Tiの一部をAlで置換したTiN
薄膜は、レーザー蒸着法で形成された、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。
6. TiN in which part of the Ti is replaced by Al
The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the thin film is formed by a laser deposition method.
【請求項7】 前記強誘電体薄膜は、化学気相蒸着法で
形成された、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。
7. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein said ferroelectric thin film is formed by a chemical vapor deposition method.
【請求項8】 Si基板上にTiの一部をAlで置換し
たTiN薄膜をエピタキシャル成長させるステップ、お
よび前記TiN薄膜の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配向成長させるステップを含む
強誘電体薄膜素子の製造方法であって、 前記TiN薄膜中のTiサイトのAl置換量がAl原子
に換算して1%以上30%以下であり、かつ前記TiN
薄膜中の酸素含有量が酸素原子に換算して5%以下であ
る、強誘電体薄膜素子の製造方法。
8. A step of epitaxially growing a TiN thin film in which a part of Ti is replaced by Al on a Si substrate, and a step of aligning and growing a ferroelectric thin film of an oxide having a perovskite structure on the TiN thin film. A method for manufacturing a ferroelectric thin film element, wherein an Al substitution amount of a Ti site in the TiN thin film is 1% or more and 30% or less in terms of Al atoms, and the TiN
A method for manufacturing a ferroelectric thin film element, wherein the oxygen content in the thin film is 5% or less in terms of oxygen atoms.
【請求項9】 前記強誘電体薄膜は、Pb系ペロブスカ
イト化合物の薄膜である、請求項8に記載の強誘電体薄
膜素子の製造方法。
9. The method according to claim 8, wherein the ferroelectric thin film is a Pb-based perovskite compound thin film.
【請求項10】 前記強誘電体薄膜は、一般式ABO3
(但し、Aの構成元素としてPb又はPb以外に少なく
ともLaを含み、Bの構成元素としてTi,Zr,M
g,Nbのうち少なくとも1種を含む)で表されるPb
系ペロブスカイト化合物の薄膜である、請求項8に記載
の強誘電体薄膜素子の製造方法。
10. The ferroelectric thin film has a general formula of ABO 3
(However, A contains at least La in addition to Pb or Pb as a constituent element of A, and Ti, Zr, M as a constituent element of B.
g and Nb).
The method for producing a ferroelectric thin film element according to claim 8, wherein the ferroelectric thin film element is a thin film of a perovskite compound.
【請求項11】 前記強誘電体薄膜をエピタキシャル成
長させる、請求項8ないし請求項10のいずれかに記載
の強誘電体薄膜素子の製造方法。
11. The method for manufacturing a ferroelectric thin film device according to claim 8, wherein said ferroelectric thin film is epitaxially grown.
【請求項12】 前記Tiの一部をAlで置換したTi
N薄膜は、Tiの一部がAlで置換されているターゲッ
ト物質を用いてレーザー蒸着法により10-6Torr以
下の圧力で形成される、請求項8ないし請求項11のい
ずれかに記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
12. Ti obtained by substituting a part of the Ti with Al.
The N thin film according to claim 8, wherein the N thin film is formed at a pressure of 10 −6 Torr or less by a laser deposition method using a target material in which a part of Ti is replaced by Al. A method for manufacturing a dielectric thin film element.
【請求項13】 前記強誘電体薄膜は化学気相蒸着法に
より形成される、請求項8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。
13. The method according to claim 8, wherein the ferroelectric thin film is formed by a chemical vapor deposition method.
【請求項14】 前記TiN薄膜が前記Si基板上に形
成された後、その上に前記強誘電体薄膜が形成されるま
での期間において、前記TiN薄膜が300℃以上の温
度に加熱される場合には、真空槽内の少なくとも前記T
iN薄膜近傍における酸素分圧が1×10-5Torr以
下の圧力で、かつ水の分圧が5×10 -5Torr以下の
圧力という条件で前記TiN薄膜を放置する、請求項8
ないし請求項13のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子
の製造方法。
14. The TiN thin film is formed on the Si substrate.
After the formation, the ferroelectric thin film is formed thereon.
The TiN thin film has a temperature of 300 ° C. or more during
When heated to at least the above T
Oxygen partial pressure in the vicinity of the iN thin film is 1 × 10-FiveTorr or less
At a lower pressure and a partial pressure of water of 5 × 10 -FiveTorr or less
9. The TiN thin film is left under a condition of pressure.
14. The ferroelectric thin-film element according to claim 13
Manufacturing method.
【請求項15】 酸素欠損を生じさせずにPb系ペロブ
スカイト化合物の薄膜を形成するのに必要な量を除いた
酸素分圧が、真空槽内の少なくとも前記TiN薄膜近傍
において1×10-5Torr以下の圧力で、かつ水の分
圧が5×10 -5Torr以下の圧力という条件で、前記
TiN薄膜の上に第1のPb系ペロブスカイト化合物薄
膜を化学気相蒸着法で形成し、その上に、 酸素欠損を生じさせないようにPb系ペロブスカイト化
合物の薄膜を形成するのに必要な量を除いた酸素分圧
が、真空槽内の少なくとも前記TiN薄膜近傍において
1×10-1Torr以上の圧力という条件で、第2のP
b系ペロブスカイト化合物薄膜を化学気相蒸着法で形成
したことを特徴とする、請求項9ないし請求項14のい
ずれかに記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
15. A Pb-based perov without causing oxygen deficiency.
Excluding the amount required to form a thin film of the skyte compound
Oxygen partial pressure at least near the TiN thin film in the vacuum chamber
At 1 × 10-FiveAt a pressure of less than Torr and water
Pressure is 5 × 10 -FiveUnder the condition of a pressure of Torr or less,
First Pb-based perovskite compound thin film on TiN thin film
A film is formed by chemical vapor deposition, and a Pb-based perovskite is formed on it so as not to cause oxygen deficiency.
Oxygen partial pressure excluding the amount required to form the compound thin film
At least in the vicinity of the TiN thin film in a vacuum chamber.
1 × 10-1Under the condition that the pressure is equal to or higher than Torr, the second P
b-type perovskite compound thin film formed by chemical vapor deposition
15. The method according to claim 9, wherein:
A method for manufacturing a ferroelectric thin-film element according to any of the preceding claims.
【請求項16】 前記第1のPb系ペロブスカイト化合
物薄膜を膜厚5nm〜50nmの範囲で形成する、請求
項15に記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
16. The method according to claim 15, wherein the first Pb-based perovskite compound thin film is formed in a thickness range of 5 nm to 50 nm.
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