JP2001222913A - Dielectric thin film, its manufacturing method, and its electronic product - Google Patents

Dielectric thin film, its manufacturing method, and its electronic product

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JP2001222913A JP2000341439A JP2000341439A JP2001222913A JP 2001222913 A JP2001222913 A JP 2001222913A JP 2000341439 A JP2000341439 A JP 2000341439A JP 2000341439 A JP2000341439 A JP 2000341439A JP 2001222913 A JP2001222913 A JP 2001222913A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow an effective use of grating distortion due to misfit grating and reduce leak current, and improve fatigue characteristics. SOLUTION: Substantially one layer of X3}O corresponding to one atom layer of X3}O is inserted into a substrate 10 similar to a thin film in crystalline construction at an appropriate interval while perovskite oxide X1} X2}O3 layer 12 is caused to grow epitaxially. X1} and X3} are Ca or the like, X2}, Ti or the like, and 'O', oxygen. An X3}O layer 14 introduced so that the perovskite structure of the X1} X2}O3 layer 12 is divided, but in a state of extremely high structural fitness with the perovskite structure to form a laminar perovskite structure. The X3}O layer 14 acts as a blocking layer against misfit (grating misfit) dislocation introduction, thus resulting in ferroelectric thin film holding a high grating distortion.

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、ペロブスカイト構
造を有する誘電体薄膜,その製造方法,その電子部品に
関する。
The present invention relates to a dielectric thin film having a perovskite structure, a method of manufacturing the same, and an electronic component thereof.

【0002】[0002]

【背景技術】ペロブスカイト構造をもつ酸化物薄膜材料
は、強誘電性,高誘電率,電気光学効果,圧電効果,焦
電効果,あるいは超伝導などの極めて多岐にわたる機能
を有することから、コンデンサ素子,強誘電体メモリ素
子,光学センサなどの広範な電子デバイスに応用されて
いる。例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memo
ry),MMIC(Microwave Monolithic Integrated Ci
rcuit),MCM(Multi Chip Module)のキャパシタが
好適な適用例の一つである。
BACKGROUND ART An oxide thin film material having a perovskite structure has a very wide variety of functions such as ferroelectricity, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, pyroelectric effect, and superconductivity. It has been applied to a wide range of electronic devices such as ferroelectric memory devices and optical sensors. For example, DRAM (Dynamic Random Access Memory)
ry), MMIC (Microwave Monolithic Integrated Ci)
rcuit) and a capacitor of an MCM (Multi Chip Module) are one of suitable applications.

【0003】特に最近では、ペロブスカイト酸化物薄膜
の高誘電率特性や強誘電特性に着目したメモリ素子の開
発が脚光を浴びており、キャパシタ面積の低減による高
集積化を狙ったDRAM用キャパシタとしての応用,あ
るいは強誘電性によるヒステリシス特性を利用した高速
動作可能な不揮発性強誘電体メモリとしての応用が検討
されている。
[0003] In recent years, in particular, the development of a memory element focusing on the high dielectric constant and ferroelectric characteristics of a perovskite oxide thin film has been spotlighted, and as a DRAM capacitor aimed at high integration by reducing the capacitor area. Applications or high-speed non-volatile ferroelectric memories utilizing hysteresis characteristics by ferroelectricity are being studied.

【0004】しかしながら、このペロブスカイト構造の
酸化物薄膜材料は、従来のSiOやSiなどの
アモルファス系材料とは異なり、結晶材料である。この
ため、所望の特性発現には、高度な薄膜結晶成長技術及
び欠陥制御技術が必要とされる。例えば、Pb(Zr
Ti1−m)O系材料は、大きな自発分極値をもち、
キュリー温度が300℃以上と比較的高いことから、不
揮発性強誘電体メモリ材料として用いられている。
However, this oxide thin film material having a perovskite structure is a crystalline material, unlike conventional amorphous materials such as SiO 2 and Si 3 N 4 . For this reason, advanced thin-film crystal growth technology and defect control technology are required to express desired characteristics. For example, Pb (Zr m
Ti 1-m ) O 3 material has a large spontaneous polarization value,
Because of its relatively high Curie temperature of 300 ° C. or higher, it is used as a nonvolatile ferroelectric memory material.

【0005】しかし、Pbの揮発性に伴う陽イオン空孔
の生成,Pt電極界面近傍での酸素欠陥の生成,パッシ
ベーション膜形成などの半導体プロセスによる欠陥の導
入等によって、特性が著しく劣化することが知られてい
る。特に、分極反転サイクルに伴う自発分極の劣化,い
わゆる疲労特性は、上記欠陥に深く起因するものであ
り、実用上大きな課題となっている。また、Pb系ペロ
ブスカイトは、薄膜低温プロセスでは強誘電性を大きく
低減させるパイロクロア型構造を持つ異相が形成されや
すく、この点も実用化の大きな課題となっている。
However, due to the formation of cation vacancies due to the volatility of Pb, the generation of oxygen defects near the interface of the Pt electrode, the introduction of defects due to semiconductor processes such as the formation of a passivation film, etc., the characteristics may be significantly deteriorated. Are known. In particular, the deterioration of spontaneous polarization due to the polarization inversion cycle, so-called fatigue characteristics, is deeply caused by the above-mentioned defects, and is a serious problem in practical use. Further, in a Pb-based perovskite, a heterophase having a pyrochlore structure that greatly reduces ferroelectricity is easily formed in a thin film low-temperature process, and this point is also a major problem in practical use.

【0006】一方、Pbを持たない強誘電性ペロブスカ
イト構造酸化物としては、BaTiOがよく知られて
おり,Pb系ペロブスカイトと比べて構造が極めて安定
である。しかしながら、このBaTiO系の材料は自
発分極が小さく、キュリー点が120℃と室温に近い。
このため、分極量の温度依存性が極めて大きく、結果的
に強誘電体メモリ素子用の不揮発性キャパシタとして不
適とされている。
On the other hand, BaTiO 3 is well known as a ferroelectric perovskite structure oxide having no Pb, and its structure is extremely stable as compared with a Pb-based perovskite. However, this BaTiO 3 -based material has a small spontaneous polarization and a Curie point of 120 ° C., which is close to room temperature.
For this reason, the temperature dependence of the polarization amount is extremely large, and as a result, it is unsuitable as a nonvolatile capacitor for a ferroelectric memory element.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
着目したもので、熱力学的に安定で、格子不整合に起因
した格子歪を有効に利用することができ、更にはリーク
電流の低減や疲労特性の改善を図ることができる誘電体
薄膜,その製造方法,その電子部品を提供することを、
その目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention focuses on the above points, and is thermodynamically stable, can effectively utilize lattice distortion caused by lattice mismatch, and further has a leak current. To provide a dielectric thin film, a method of manufacturing the same, and an electronic component capable of reducing the fatigue and improving the fatigue characteristics.
That is the purpose.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、酸素12配位構造を持つ{X1}と、{X1}
とは配位構造が異なる{X3}とを、Ca,Mg,Sr,
Ba,Pbから選択した少なくとも1種の元素で構成
し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、Ti及びZrから
選択した少なくとも1種の元素で構成し、「O」を酸素
としたとき、結晶構造が類似する基板上に形成された
{X1}{X2}O3の組成を有するペロブスカイト層に、{X
3}Oを挿入して、前記基板との格子不整合性に起因した
格子歪みを形成したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides {X1} having an oxygen 12 coordination structure and {X1}
And {X3} having a different coordination structure from Ca, Mg, Sr,
When {X2} composed of at least one element selected from Ba and Pb and having a six-coordinate oxygen structure is composed of at least one element selected from Ti and Zr, and “O” is oxygen Formed on substrates with similar crystal structures
In the perovskite layer having a composition of {X1} {X2} O 3 , {X1
3} O is inserted to form a lattice distortion due to lattice mismatch with the substrate.

【0009】他の発明は、酸素12配位構造を持つ{X
1}と、{X1}とは配位構造が異なる{X3}とを、Ca,M
g,Sr,Ba,Pbから選択した少なくとも1種の元
素で構成し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、Ti及び
Zrから選択した少なくとも1種の元素で構成し、{X}
を{X1}と{X3}の構成元素の総和とし、「O」を酸素と
したとき、{X}{X2}O2+m(ただしm>1)の組
成を有する誘電体薄膜であって、結晶構造が類似する基
板上に形成された{X1}{X2}Oの組成を有するペロブ
スカイト層と、該ペロブスカイト層に挿入された{X3}
Oとを含み、前記基板との格子不整合性に起因した格子
歪みを有することを特徴とする。
Another invention relates to {X having an oxygen 12 coordination structure.
1} and {X3} having a different coordination structure from {X1} are represented by Ca, M
{X2} composed of at least one element selected from g, Sr, Ba, and Pb and having an oxygen six-coordinate structure is composed of at least one element selected from Ti and Zr, and {X}
Is the sum of the constituent elements of {X1} and {X3}, and when “O” is oxygen, a dielectric thin film having a composition of {X} m {X2} O 2 + m (where m> 1), A perovskite layer having a composition of {X1} {X2} O 3 formed on a substrate having a similar crystal structure, and {X3} inserted into the perovskite layer
O and has lattice distortion due to lattice mismatch with the substrate.

【0010】更に他の発明は、酸素12配位構造を持つ
{X1}と、{X1}とは配位構造が異なる{X3}とを、C
a,Mg,Sr,Ba,Pbから選択した少なくとも1
種の元素で構成し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、T
i及びZrから選択した少なくとも1種の元素で構成
し、「O」を酸素としたとき、{X1}{X2}O3の組成を
有するペロブスカイト層に、二次元的もしくは三次元的
に{X3}Oを挿入したことを特徴とする。
[0010] Still another invention has an oxygen 12 coordination structure.
{X1} and {X3} having a different coordination structure from {X1} are represented by C
at least one selected from a, Mg, Sr, Ba, Pb
{X2} composed of various kinds of elements and having an oxygen 6 coordination structure is represented by T
When at least one element selected from i and Zr is used and “O” is oxygen, a perovskite layer having a composition of {X1} {X2} O 3 is added two-dimensionally or three-dimensionally to {X3 } O is inserted.

【0011】本発明の前記及び他の目的,特徴,利点
は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
The above and other objects, features, and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】<実施形態1>……最初に、本発
明の実施形態1ついて詳細に説明する。図1(A)に示
すように、形成しようとする薄膜と結晶構造が類似する
SrRuOや、Nbをドープ(添加)したSrTiO
(以下「Nb−SrTiO」と表現する)などの単
結晶基板(下部電極)10を用意する。そして、この単
結晶基板10上に、ペロブスカイト酸化物である{X1}
{X2}O層12をエピタキシャル成長させつつ、適宜
の間隔で実質1原子層ないし実質1分子層の{X3}O1
4を挿入する。従って、{X3}Oは、必ずしも層と呼べ
る状態とは限らないが、以下の説明では便宜上「層」と
称する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment First, a first embodiment of the present invention will be described in detail. As shown in FIG. 1A, SrRuO 3 having a similar crystal structure to a thin film to be formed, or SrTiO doped (added) with Nb.
3 (hereinafter referred to as “Nb—SrTiO 3 ”) or other single crystal substrate (lower electrode) 10 is prepared. Then, on this single crystal substrate 10, perovskite oxide {X1}
{X2} while the O 3 layer 12 is epitaxially grown, {X3} of substantially one atomic layer to substantially one molecule layer at appropriate intervals O1
Insert 4. Therefore, {X3} O is not always in a state that can be called a layer, but is referred to as a “layer” in the following description for convenience.

【0013】ここで、{X1}は、酸素12配位構造を持
ち、Ca,Mg,Sr,Ba,Pbからなる群より選ば
れた少なくとも1種の元素である。{X2}は、酸素6配
位構造を持ち、Ti及びZrからなる群より選ばれた少
なくとも1種の元素である。{X3}は、{X1}と異なる配
位構造を持ち、Ca,Mg,Sr,Ba,Pbからなる
群から選ばれた少なくとも1種の元素である。「O」は
酸素である。
Here, {X1} is at least one element selected from the group consisting of Ca, Mg, Sr, Ba and Pb, having an oxygen 12 coordination structure. {X2} is at least one element selected from the group consisting of Ti and Zr having a six-coordinate oxygen structure. {X3} has a coordination structure different from that of {X1} and is at least one element selected from the group consisting of Ca, Mg, Sr, Ba, and Pb. “O” is oxygen.

【0014】図1(B)あるいは(C)に示すように、
前記{X3}O層14は、{X1}{X2}O層12のペロブ
スカイト構造を分断する形で導入される。同図中、八面
体12Aは{X2}O酸素八面体によるペロブスカイト
構造を表し、黒丸12Bは元素{X1}を表し、白丸12
Cは元素{X3}を表す。ただし、元素{X3}12Cは、隣
接する元素{X1}12Bと容易に位置置換をする。すな
わち、{X3}Oがペロブスカイト層12にランダムに挿
入された状態になる。
As shown in FIG. 1 (B) or (C),
The {X3} O layer 14 is introduced in the form of dividing the perovskite structure of {X1} {X2} O 3 layer 12. In the figure, an octahedron 12A represents a perovskite structure of {X2} O 6 octahedra, a black circle 12B represents an element {X1}, and a white circle 12B.
C represents the element {X3}. However, the element {X3} 12C easily replaces the position of the adjacent element {X1} 12B. That is, {X3} O is randomly inserted into the perovskite layer 12.

【0015】同図(B)の例は、{X3}O層14が、ペ
ロブスカイト構造と極めて構造整合性の高い岩塩型構造
の状態で存在し、いわゆるKNiF構造に類似した
層状ペロブスカイト構造を形成した例である。これに対
し、同図(C)に示すような必ずしも岩塩型構造とはい
えないものも観察されている。いずれにしても、岩塩型
構造をもつ{X3}O層14は、ミスフィット(格子不整
合)転位導入に対するブロッキング層として作用する。
その結果、高い格子歪を保持した強誘電体薄膜が得られ
る。
In the example shown in FIG. 1B, the {X3} O layer 14 has a rock salt type structure having a very high structural consistency with the perovskite structure, and has a layered perovskite structure similar to the so-called K 2 NiF 4 structure. This is an example in which is formed. On the other hand, a structure which is not necessarily a rock salt type structure as shown in FIG. In any case, the {X3} O layer 14 having a rock salt type structure acts as a blocking layer against the introduction of misfit (lattice mismatch) dislocations.
As a result, a ferroelectric thin film having high lattice strain can be obtained.

【0016】また、岩塩型構造をもつ{X3}O層14
は、強誘電性発現の主要因でもあり、かつ電子の導電経
路ともなるTi−O結合の3次元ネットワークを分断す
る。このため、{X3}O層14の導入は、リーク電流の
低減及び疲労特性の向上に効果がある。なお、{X1}{X
2}O層12に対する{X3}O層14の存在比率をあま
り高くすると、ペロブスカイト構造をもつユニット間の
協調作用が低下し、強誘電性が著しく低下する現象が現
れるようになる。
The {X3} O layer 14 having a rock salt type structure
Divides a three-dimensional network of Ti—O bonds, which is also a main factor in the development of ferroelectricity and also serves as an electron conduction path. Therefore, the introduction of the {X3} O layer 14 is effective in reducing the leak current and improving the fatigue characteristics. Note that {X1} {X
When the 2} existence ratio of {X3} O layer 14 to the O 3 layer 12 is too high, cooperative action between units having the perovskite structure is lowered, so that the phenomenon occurs that ferroelectricity is remarkably lowered.

【0017】また、{X3}O層14の導入は、超格子構
造を作らないように不規則的に行ってもよいし、超格子
構造となるようにしてもよい。例えば、超格子構造を作
らないように不規則に{X3}O層14を導入すると、膜
厚方向(図1(A)に矢印F1で示す上下方向)に並進
対称性を持たせないことにより、実効的な臨界膜厚を増
大させ、ミスフィット転位の導入を効果的に抑制するこ
とができる。逆に、超格子構造となるように{X3}O層
14を導入すると、後述するように、良好な絶縁性が得
られるようになる。
The {X3} O layer 14 may be introduced irregularly so as not to form a superlattice structure, or may have a superlattice structure. For example, if the {X3} O layer 14 is introduced irregularly so as not to form a superlattice structure, the translational symmetry is not given in the film thickness direction (vertical direction indicated by arrow F1 in FIG. 1A). Thus, the effective critical film thickness can be increased, and the introduction of misfit dislocations can be effectively suppressed. Conversely, when the {X3} O layer 14 is introduced so as to have a superlattice structure, as described later, good insulating properties can be obtained.

【0018】以上のような積層構造を有する誘電体薄膜
16を、該誘電体薄膜と結晶構造が類似する基板10上
にエピタキシャル成長させると、格子が歪んだ状態で成
膜される。これによって形成される格子歪は、新たな誘
電特性を生み出す要因になる。加えて、本形態では、上
述したように{X3}O層14による歪も導入される。こ
のため、これら2種類の歪が本形態にかかる誘電体素子
の誘電特性に寄与することになる。また、図1(B)に
示したように、{X1}{X2}O層12と{X3}O層14
を交互に積層することで、岩塩構造層である{X3}O層
14の挿入数だけ誘電膜に歪みを導入することができ、
この点からも誘電特性に寄与することになる。
When the dielectric thin film 16 having the above-described laminated structure is epitaxially grown on the substrate 10 having a similar crystal structure to the dielectric thin film, the dielectric thin film is formed in a state where the lattice is distorted. The lattice strain formed by this causes a new dielectric characteristic. In addition, in the present embodiment, the strain due to the {X3} O layer 14 is also introduced as described above. Therefore, these two types of strains contribute to the dielectric characteristics of the dielectric element according to the present embodiment. As shown in FIG. 1B, the {X1} {X2} O 3 layer 12 and the {X3} O layer 14
Can be introduced into the dielectric film by the number of insertions of the {X3} O layer 14, which is a rock salt structure layer,
This also contributes to the dielectric properties.

【0019】また、酸素12配位構造を持つ{X4}をC
a,Mg,Sr,Ba,Pbから選択した少なくとも1
種の元素で構成し、{X5}を{X4}とは異なる陽イオンで
構成したとき、前記{X1}が、{X4}1−m{X5}(た
だしm>0)で表される構成としてもよい。このように
すると、{X5}が不純物として作用し、ペロブスカイト
層内に歪みを発生させる。なお、不純物{X5}が少ない
ほうが、すなわちm<0.5としたほうが、ペロブスカ
イト構造としては一般的に安定である。
{X4} having an oxygen 12-coordination structure is represented by C
at least one selected from a, Mg, Sr, Ba, Pb
When {X5} is composed of a cation different from {X4}, {X1} is represented by {X4} 1−m {X5} m (where m> 0) It may be configured. In this case, {X5} acts as an impurity, causing distortion in the perovskite layer. The perovskite structure is generally more stable when the amount of impurities {X5} is small, that is, when m <0.5.

【0020】次に、製造プロセスについて更に詳細に説
明する。下部電極として作用する基板10としては、第
1に、NbあるいはLaを添加した導電性SrTiO
ペロブスカイト酸化物基板が挙げられる。第2に、Mg
O,SrTiO,LaAlOなどの絶縁性ペロブス
カイト単結晶基板上に、導電性酸化物であるCa{X91}
(ただし{X91}=V,Cr,Fe,又はRu)、S
r{X92}O(ただし{X92}=V,Cr,Fe,又はR
u)、La{X93}O(ただし{X93}=Ti,Co,N
i,又はCu)、La1−mSr{X94}O(ただし
{X94}=V,Mn,又はCoで、m>0.23)、Ba
PbO、SrRuO、SrlrO、SrRuO
、SrIrO、あるいは(La1−mSr
CuO(ただしm<0.3)のいずれかをエピタキシ
ャル成長したものが挙げられる。
Next, the manufacturing process will be described in more detail. First, the substrate 10 acting as a lower electrode is made of conductive SrTiO 3 doped with Nb or La.
Perovskite oxide substrates. Second, Mg
Ca {X91} which is a conductive oxide is placed on an insulating perovskite single crystal substrate such as O, SrTiO 3 , LaAlO 3 or the like.
O 3 (where {X91} = V, Cr, Fe, or Ru), S
r {X92} O 3 (where {X92} = V, Cr, Fe, or R
u), La {X93} O 3 (where {X93} = Ti, Co, N
i, or Cu), La 1-m Sr m {X94} O 3 ( provided that
{X94} = V, Mn, or Co, m> 0.23), Ba
PbO 3 , SrRuO 3 , SrlrO 3 , Sr 2 RuO
4, Sr 2 IrO 4, or (La 1-m Sr m) 2
One obtained by epitaxial growth of any one of CuO 4 (where m <0.3) can be used.

【0021】更に、第3に、半導体Si基板上のバリア
層、MgAl、MgO、CeO、α−Al
、YSZ(イットリウム安定化ジルコニウム)などの
エピタキシャル酸化物上に、導電性酸化物であるCa
{X95}O(ただし{X95}=V,Cr,Fe,又はR
u)、Sr{X96}O(ただし{X96}=V,Cr,F
e,又はRu)、La{X97}O(ただし{X97}=T
i,Co,Ni,又はCu)、La1−mSr{X98}
(ただし{X98}=V,Mn,又はCoで、m>0.
23)、BaPbO、SrRuO、SrIrO
SrRuO、SrIrO、あるいは(La
1−mSrCuO(ただしm<0.3)のいず
れかをエピタキシャル成長させたものが挙げられる。
Third, a barrier layer on a semiconductor Si substrate, MgAl 2 O 4 , MgO, CeO 2 , α-Al 2 O
3 , a conductive oxide, Ca, on an epitaxial oxide such as YSZ (yttrium-stabilized zirconium).
{X95} O 3 (where {X95} = V, Cr, Fe, or R
u), Sr {X96} O 3 (where {X96} = V, Cr, F
e, or Ru), La {X97} O 3 (where {X97} = T
i, Co, Ni, or Cu), La 1-m Sr m {X98}
O 3 (where {X98} = V, Mn, or Co and m> 0.
23), BaPbO 3 , SrRuO 3 , SrIrO 3 ,
Sr 2 RuO 4 , Sr 2 IrO 4 , or (La
1-m Sr m) 2 CuO 4 ( proviso that m any of <0.3) is epitaxially grown and the like.

【0022】このような基板10上に、例えばレーザア
ブレーション法,MBE(MolecularBeam Epitaxy)法,
スパッタリング法などの薄膜作製手法によって誘電体薄
膜16を形成する。すなわち、{X1}{X2}O層12と
{X3}O層14の積層薄膜を形成する。{X3}O層14
は、公知の原子層制御を利用して形成する。例えば、レ
ーザアブレーション法であれば、レーザの出力とパルス
数を調節して実質1原子層程度形成する。同様に、スパ
ッタの場合にはプラズマの出力とスパッタ時間を調節
し、CVDの場合にはガス量を調節して、それぞれ実質
1原子層程度形成する。この場合、{X3}O層14の成
膜制御が技術的に困難であるが、若干量の{X3}Oの供
給量の相違は、膜厚方向に{X3}O層14を形成するこ
とにより許容されることが確認されている。また、後述
するように、成膜時の{X1}{X2}O層12の組成を
{X1}O過剰とすることによって、3次元的に成長した
{X3}O層(図2参照)を容易に形成できる。
On such a substrate 10, for example, a laser ablation method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method,
The dielectric thin film 16 is formed by a thin film manufacturing technique such as a sputtering method. That is, {X1} {X2} O 3 layer 12
A laminated thin film of the {X3} O layer 14 is formed. {X3} O layer 14
Is formed using known atomic layer control. For example, in the case of the laser ablation method, the laser output and the number of pulses are adjusted to form substantially one atomic layer. Similarly, in the case of sputtering, the output of the plasma and the sputtering time are adjusted, and in the case of CVD, the gas amount is adjusted to substantially form about one atomic layer. In this case, it is technically difficult to control the film formation of the {X3} O layer 14, but a slight difference in the supply amount of the {X3} O is caused by the formation of the {X3} O layer 14 in the film thickness direction. Has been confirmed to be acceptable. As described later, the composition of {X1} {X2} O 3 layer 12 at the time of film formation
By growing {X1} O excess, it grew three-dimensionally
The {X3} O layer (see FIG. 2) can be easily formed.

【0023】図3には、本形態にかかる誘電体薄膜の製
造装置の一例が示されている。この装置は、レーザアブ
レーション法によってペロブスカイト化合物を成膜用基
板上に堆積させ、層状ペロブスカイト構造による誘電体
薄膜を作製するものである。同図において、真空チャン
バ100内にターゲット102を配置するとともに、こ
のターゲット102に対して所定距離だけ離間して成膜
用基板10を配置する。真空チャンバ100には、必要
に応じて酸素ガスあるいはオゾンを導入してもよい。レ
ーザ光源104としては、例えば波長λ=193nmのA
rFエキシマレーザが用いられる。レーザ光源104か
ら射出されたレーザビーム106は、ミラーやレンズな
どの光学系108を介して前記ターゲット102に照射
される構成となっている。
FIG. 3 shows an example of an apparatus for producing a dielectric thin film according to the present embodiment. In this apparatus, a perovskite compound is deposited on a substrate for film formation by a laser ablation method to produce a dielectric thin film having a layered perovskite structure. In FIG. 1, a target 102 is placed in a vacuum chamber 100, and a deposition substrate 10 is placed at a predetermined distance from the target 102. Oxygen gas or ozone may be introduced into the vacuum chamber 100 as needed. As the laser light source 104, for example, A having a wavelength λ = 193 nm
An rF excimer laser is used. A laser beam 106 emitted from a laser light source 104 is configured to irradiate the target 102 via an optical system 108 such as a mirror or a lens.

【0024】真空チャンバ100は、TMP(ターボ分
子ポンプ)などの排気装置110によって真空排気され
ており、成膜用基板10の加熱用として赤外線ヒータ1
12が設けられている。また、成膜用基板10の表面近
傍には膜厚モニタ114が設けられている。更に、分析
用機器として、RHEED(反射高速電子線回折)ガン
120,RHEEDスクリーン122,高感度カメラ1
24が設けられており、RHEEDガン120は排気装
置126によって排気されている。
The vacuum chamber 100 is evacuated by an exhaust device 110 such as a TMP (turbo molecular pump).
12 are provided. A film thickness monitor 114 is provided near the surface of the film formation substrate 10. Further, RHEED (reflection high-energy electron diffraction) gun 120, RHEED screen 122, high-sensitivity camera 1
The RHEED gun 120 is evacuated by the exhaust device 126.

【0025】ターゲット102としては、例えば、通常
の粉末冶金手法によって作製したセラミックス焼結体や
粉末プレス体を使用する。焼結体は、所望の組成になる
よう原料粉末を混合し、その後、仮焼成,成形,及び焼
成を行うことによって得られる。粉末プレス体は、焼結
を行うことなくプレス形成したものである。
As the target 102, for example, a ceramic sintered body or a powder pressed body manufactured by a usual powder metallurgy technique is used. The sintered body is obtained by mixing raw material powders to have a desired composition, and then performing preliminary firing, molding, and firing. The pressed powder body is formed by pressing without sintering.

【0026】レーザビーム106をターゲット102に
照射すると、プルーム116で示すようにターゲット1
02からその蒸気が酸素雰囲気中に飛散し、対向する成
膜用基板10にターゲット102とほぼ同一組成を有す
る薄膜が形成される。
When the target 102 is irradiated with the laser beam 106, the target 1
From 02, the vapor is scattered into the oxygen atmosphere, and a thin film having substantially the same composition as the target 102 is formed on the opposing film forming substrate 10.

【0027】ターゲット102として、例えばペロブス
カイト酸化物SrTiOの焼結体と、SrOの焼結体
(もしくは粉末プレス体)とをそれぞれ用意し、これら
を交互に使用して基板10上に積層成膜することで、S
rO層を2次元的に内包した層状ペロブスカイト酸化物
薄膜が得られる。具体例については、実施例として後述
する。
As the target 102, for example, a sintered body of a perovskite oxide SrTiO 3 and a sintered body of SrO (or a pressed powder body) are prepared, and these are alternately used to form a laminated film on the substrate 10. By doing, S
A layered perovskite oxide thin film containing the rO layer two-dimensionally is obtained. A specific example will be described later as an embodiment.

【0028】<実施形態2>……次に、本発明の実施形
態2について説明する。本形態では、上述した層状ペロ
ブスカイト酸化物において、挿入層である{X3}O層1
4の{X3}イオンを、母相である{X1}{X2}O層12
の{X1}イオンとは異なるイオン半径をもつ{X1}’元素
で置き換える。ここで、{X1}’は、Ca,Mg,S
r,Ba,及びPbからなる群より選ばれた少なくとも
1種の元素である。このようにすることで、基板10と
薄膜16との間の格子不整合起因以外の格子歪,すなわ
ちイオン半径の差による歪が効果的に導入される。
<Second Embodiment> Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in the above-mentioned layered perovskite oxide, the {X3} O layer 1
{X1} {X2} O 3 layer 12
{X1} 'element having an ionic radius different from that of the {X1} ion. Here, {X1} ′ is Ca, Mg, S
At least one element selected from the group consisting of r, Ba, and Pb. By doing so, lattice distortion other than that caused by lattice mismatch between the substrate 10 and the thin film 16, that is, distortion due to the difference in ionic radius is effectively introduced.

【0029】{X1}’イオンのイオン半径としては、母
相である{X1}{X2}O層12の{X1}のイオン半径よ
りも大きくてもよいし、小さくてもよい。しかし、母相
である{X1}{X2}O層12の{X1}イオンよりもイオ
ン半径の小さなイオンを選択することで、結晶構造の安
定化を図ることができる。
The ionic radius of the {X1} ′ ion may be larger or smaller than the ionic radius of {X1} in the {X1} {X2} O 3 layer 12 which is the parent phase. However, by selecting an ion having a smaller ion radius than the {X1} ion of the {X1} {X2} O 3 layer 12, which is the parent phase, the crystal structure can be stabilized.

【0030】一般に、単純な幾何学的観点からすれば、
イオン結晶の構造安定性は、各構成元素のイオン半径か
ら類推され、イオン半径の大きな元素ほど高い配位数を
とることにより安定となる。一方、上述した構造の誘電
体薄膜では、挿入する{X3}O層14の{X3}イオンの配
位数は、ペロブスカイト構造である{X1}{X2}O層1
2の{X1}イオンの配位数よりも小さい。このため、よ
り小さなイオン半径をもつ{X1}’元素のほうが、{X3}
O層14の陽イオンサイトを優先的に占有することによ
り、結晶構造が安定化することとなる。この現象を利用
することで、本形態の層状ペロブスカイト酸化物をより
安定的に生成することが可能である。また、{X1}イオ
ンと{X1}’イオンのイオン半径比を、構造安定性が保
持できる範囲内で変化させることにより、効果的に格子
歪を制御できる。
In general, from a simple geometric point of view,
The structural stability of the ionic crystal is inferred from the ionic radius of each constituent element. The larger the ionic radius, the higher the coordination number, and the more stable the structure. On the other hand, in the dielectric thin film of the above-mentioned structure, the coordination number of the {X3} ions insert {X3} O layer 14 is a perovskite structure {X1} {X2} O 3 layer 1
2 is smaller than the coordination number of the {X1} ion. For this reason, the {X1} ′ element having a smaller ionic radius is more likely to be {X3}
By preferentially occupying the cation sites of the O layer 14, the crystal structure is stabilized. By utilizing this phenomenon, the layered perovskite oxide of this embodiment can be more stably generated. Also, by changing the ion radius ratio between the {X1} ion and the {X1} ′ ion within a range where the structural stability can be maintained, the lattice strain can be effectively controlled.

【0031】更に、格子歪を効果的に導入するため、
{X1}{X2}O層12における{X1}イオン元素の一部
を、イオン半径の異なる「R」イオンで置換してもよ
い。「R」イオンとしては、希土類元素,例えばLa,
Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,及びHo
からなる群から選ばれた少なくとも1種の元素が好適で
ある。このような構成の誘電体薄膜では、{X3}O層1
4による格子歪と、{X1}イオンと異なるイオン半径を
もつ「R」イオンの部分導入による格子歪の相乗作用に
よって、より大きな格子歪が誘起され、高い自発分極な
どの優れた特性が得られる。更に、異なる価数をもつ
「R」イオンを部分導入することにより、酸素欠損など
によるキャリアの生成を抑制することが可能となる。
Further, in order to effectively introduce lattice distortion,
Part of the {X1} ion element in the {X1} {X2} O 3 layer 12 may be replaced with “R” ions having different ionic radii. As the “R” ion, rare earth elements such as La,
Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, and Ho
At least one element selected from the group consisting of is preferred. In the dielectric thin film having such a configuration, the {X3} O layer 1
The larger lattice strain is induced by the synergistic effect of the lattice distortion caused by partial introduction of "R" ion having a different ion radius from that of the {X1} ion, and excellent characteristics such as high spontaneous polarization are obtained. . Further, by partially introducing “R” ions having different valences, it is possible to suppress generation of carriers due to oxygen vacancy or the like.

【0032】加えて、イオン半径の小さな元素が優先的
に入り込んで多く含まれる方が、結晶構造としては安定
になる。例えば、ペロブスカイト層がBaTiOの場
合にCaOを導入するという具合である。
In addition, when the element having a small ionic radius enters preferentially and contains a large amount, the crystal structure becomes more stable. For example, when the perovskite layer is BaTiO 3 , CaO is introduced.

【0033】<実施形態3>……次に、本発明の実施形
態3について説明する。前記実施形態は、{X3}O層1
4を2次元的に{X1}{X2}O層12に導入したが、単
に成膜する{X}{X2}Oで示される薄膜の組成を{X}
O過剰にすることによっても、{X3}O層を内包する結
晶性薄膜が得られる。ただし、この場合、図2に示すよ
うに、{X3}O層14は、ペロブスカイト構造の母相で
ある{X1}{X2}O層12に対して3次元無秩序的に導
入されることになる。本形態においても、{X3}O層1
4がミスフィット転位導入のブロッキング層として作用
することは上記形態と同様である。なお、この3次元構
造は、薄膜全体の組成が{X3}サイト過剰である。
Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the above embodiment, the {X3} O layer 1
4 is introduced two-dimensionally into the {X1} {X2} O 3 layer 12, but the composition of the thin film represented by {X} {X2} O 3 which is simply formed is {X}
By making O excessive, a crystalline thin film containing the {X3} O layer can be obtained. In this case, however, as shown in FIG. 2, the {X3} O layer 14 is introduced into the {X1} {X2} O 3 layer 12 which is the parent phase of the perovskite structure in a three-dimensional disorder. Become. Also in the present embodiment, the {X3} O layer 1
The fact that No. 4 acts as a blocking layer for introducing misfit dislocations is the same as in the above embodiment. In this three-dimensional structure, the composition of the entire thin film is excessive in {X3} sites.

【0034】また、本実施形態において、{X1}イオン
がイオン半径の異なる2種以上の元素の組み合わせで構
成されている場合、すなわち({X1}’{X
1}”m−n){X2}O2+mで表される場合、イオン半
径の小さな{X1}’元素を選択的に{X3}O層14の{X
3}陽イオン位置に析出させれば、結晶構造を安定化させ
ることができる。ただし、{X1}’,{X1}”はCa,M
g,Sr,Ba,及びPbからなる群より選ばれた少な
くとも1種の元素であり、m>1,n>0である。な
お、{X1}’元素のイオン半径は{X1}”のイオン半径よ
り小さいものとする。
In this embodiment, when the {X1} ion is composed of a combination of two or more elements having different ionic radii, ie, ({X1} ′ n {X
1} ” mn ) {X2} O 2 + m , the {X1} ′ element having a small ionic radius is selectively selected from the {X3} O layer
3} The crystal structure can be stabilized by precipitation at the cation position. Where {X1} ′ and {X1} ″ are Ca, M
At least one element selected from the group consisting of g, Sr, Ba, and Pb, where m> 1, n> 0. Note that the ionic radius of the {X1} ′ element is smaller than the ionic radius of {X1} ″.

【0035】本実施形態においても、{X3}O層にイオ
ン半径の小さな元素が優先的に入り込んで多く含まれる
方が、結晶構造としては安定になる。例えば、ペロブス
カイト層を(Srm1Cas1)TiO(ただしm1
+s1=1),{X3}O層を(Srm2Cas2)O
(ただしm2<s2)とするという具合である。
Also in this embodiment, the crystal structure becomes more stable when the element having a small ionic radius preferentially enters the {X3} O layer and contains a large amount. For example, a perovskite layer (Sr m1 Ca s1) TiO 3 ( provided that m1
+ S1 = 1), the {X3} O layers (Sr m2 Ca s2) O
(Where m2 <s2).

【0036】<実施例>……以下、本発明の実施例につ
いて説明する。 (1)実施例1……この実施例1では、前記図3に示し
たレーザ光源104として、波長193nmのArFエキ
シマレーザが用いられる。薄膜形成を行う際の雰囲気酸
素圧は1.3Pa,基板10の温度は600℃とした。
基板10としては、(100)面を表面(膜形成面)と
するNb−SrTiO単結晶基板を使用し、ターゲッ
ト102として、ペロブスカイト酸化物SrTiO
焼結体と、SrOの粉末プレス体の2つを用意した。こ
れらを交互に用いてレーザアブレーションを行い、基板
10上に、SrO層を2次元的に内包した超格子構造の
層状ペロブスカイト誘電体薄膜を形成した。
<Example> An example of the present invention will be described below. (1) First Embodiment In this first embodiment, an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm is used as the laser light source 104 shown in FIG. The atmosphere oxygen pressure when forming the thin film was 1.3 Pa, and the temperature of the substrate 10 was 600 ° C.
As the substrate 10, an Nb—SrTiO 3 single crystal substrate having a (100) plane as a surface (film formation surface) is used, and as a target 102, a sintered body of a perovskite oxide SrTiO 3 and a pressed SrO powder body Two were prepared. Laser ablation was performed by using these alternately, and a layered perovskite dielectric thin film having a superlattice structure in which a SrO layer was included two-dimensionally was formed on the substrate 10.

【0037】具体的には、SrTiOを5層形成し、
SrO層を実質1層形成するという具合で誘電体薄膜を
形成する。図4(A)には、膜形成中におけるRHEE
D強度の経時変化の様子を示したもので、強度の変化パ
ターンからSrOが実質1層形成され、その上に、Sr
TiOが実質5層形成されていることが判る。
Specifically, five layers of SrTiO 3 are formed,
A dielectric thin film is formed by forming substantially one SrO layer. FIG. 4A shows RHEE during film formation.
This shows how the D intensity changes with time. From the intensity change pattern, substantially one layer of SrO is formed, and SrO is formed thereon.
It can be seen that substantially five layers of TiO 3 are formed.

【0038】更に、得られた誘電体薄膜の断面の高分解
能透過型電子顕微鏡(TEM)像を検討したところ、ペ
ロブスカイト構造をもつSrTiO結晶内に岩塩型構
造を有するSrO挿入層が2次元的に形成されているこ
とが原子層レベルで確認された。また、この誘電体薄膜
中には、SrO層とSrTiO層を交互に単純に一方
向に積層した構造だけではなく、熱的に誘起された3次
元的に垂直な関係にあるSrO層の形成も見られた。
Further, when a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of a cross section of the obtained dielectric thin film was examined, it was found that a SrO 3 insertion layer having a rock salt type structure in a SrTiO 3 crystal having a perovskite structure had a two-dimensional structure. At the atomic layer level. In this dielectric thin film, not only a structure in which SrO layers and SrTiO 3 layers are alternately and simply laminated in one direction, but also a thermally induced SrO layer having a three-dimensionally perpendicular relationship is formed. Was also seen.

【0039】一方、ターゲット102として、Sr
16+mを用いて、同様の条件で比較例の誘電体
薄膜を形成した。このようにすることで、SrO過剰の
3次元ペロブスカイト膜が得られる。
On the other hand, Sr 6 T
with i 5 O 16 + m, thereby forming a dielectric thin film of the comparative example under the same conditions. In this way, a SrO-excess three-dimensional perovskite film is obtained.

【0040】次に、上述したSrTiO/SrOによ
る超格子ペロブスカイト膜と、SrO過剰のペロブスカ
イト膜を比較する。X線回折の結果を示すと、図4
(B)に示すようになった。同図中、グラフGAは超格
子ペロブスカイト膜の回折結果であり,グラフGBはS
rO過剰ペロブスカイト膜の回折結果である。両者を比
較すると明らかなように、超格子ペロブスカイト膜には
矢印F4で示すピークが存在し、超格子の周期が存在し
ている。
Next, the superlattice perovskite film of SrTiO 3 / SrO described above and a perovskite film in excess of SrO will be compared. FIG. 4 shows the results of X-ray diffraction.
(B) was obtained. In the figure, the graph GA shows the diffraction result of the superlattice perovskite film, and the graph GB shows the S
It is a diffraction result of a rO excess perovskite film. As is apparent from comparison between the two, a peak indicated by an arrow F4 exists in the superlattice perovskite film, and a period of the superlattice exists.

【0041】次に、両者の電気特性の一例を比較して示
すと、図5に示すようになる。なお、同図の電気特性
は、両者の各ペロブスカイト膜上に白金による電極を形
成して測定したものである。同図中、実線のグラフGA
は超格子ペロブスカイト膜の特性であり(比誘電率εr
=244)、点線のグラフGBはSrO過剰ペロブスカ
イト膜の特性であり(比誘電率εr=302)、一点鎖
線のグラフGCは化学量論組成SrTiOペロブスカ
イト単結晶の特性である(比誘電率εr=298)。
Next, FIG. 5 shows an example of a comparison between the two electrical characteristics. The electric characteristics shown in the figure were measured by forming an electrode of platinum on each of the perovskite films. In the figure, the solid line graph GA
Is the characteristic of the superlattice perovskite film (relative permittivity εr
= 244), the dotted line graph GB is the characteristic of the SrO-rich perovskite film (relative permittivity εr = 302), and the dashed line graph GC is the characteristic of the stoichiometric SrTiO 3 perovskite single crystal (relative dielectric constant εr). = 298).

【0042】まず、図5を参照して電圧印加時のリーク
電流量から検討すると、超格子ペロブスカイト膜が最も
リーク電流が少ない結果となっている。これに対し、静
電容量は、SrO過剰ペロブスカイト膜が最も高く、次
に超格子ペロブスカイト膜が高い。このように、超格子
構造とすることで、静電容量は若干低下するものの、耐
圧性を大幅に改善することができる。
First, referring to FIG. 5, when examining the amount of leakage current when a voltage is applied, the superlattice perovskite film has the lowest leakage current. On the other hand, the SrO-excess perovskite film has the highest capacitance, followed by the superlattice perovskite film. As described above, by adopting the super lattice structure, although the capacitance is slightly reduced, the withstand voltage can be significantly improved.

【0043】(2)実施例2……本実施例では、ペロブ
スカイト層が({Ba0.8Ca .2}0.98{La}
0.02)TiOによって形成されており、これにS
rOが導入される。具体的には、ターゲットとして、
({Ba0.8Ca0.2} .98{La}0.02)T
iOの焼結体と、SrOの焼結体を用意し、前記実施
例と同様に、それらを交互に用いてレーザアブレーショ
ンを行い、SrO岩塩型構造層を2次元的に内包した層
状ペロブスカイト誘電体薄膜を基板上に形成した。これ
によれば、{La}0.02が不純物として作用し、ペロ
ブスカイト層内に歪みを発生させる。
[0043] (2) In Example 2 ...... present embodiment, the perovskite layer is ({Ba 0.8 Ca 0 .2} 0.98 {La}
0.02 ) TiO 3 , which contains S
rO is introduced. Specifically, as a target,
({Ba 0.8 Ca 0.2} 0 .98 {La} 0.02) T
A sintered body of iO 3 and a sintered body of SrO were prepared, and laser ablation was performed by using them alternately in the same manner as in the above-described embodiment to obtain a layered perovskite dielectric material including a SrO rock salt type structure layer two-dimensionally. A body thin film was formed on the substrate. According to this, {La} 0.02 acts as an impurity, causing distortion in the perovskite layer.

【0044】(3)実施例3……本実施例では、ターゲ
ット102として、{X1}イオン過剰組成をもつSr
1.5TiO3.5焼結体を用いて誘電体薄膜を作製し
た。なお、本実施例においても、基板10は前記実施例
と同様にNb−SrTiO単結晶基板であり、基板温
度は600℃とした。
(3) Embodiment 3 In this embodiment, the target 102 is made of Sr having an {X1} ion excess composition.
A dielectric thin film was prepared using a 1.5 TiO 3.5 sintered body. In this embodiment, the substrate 10 is also an Nb-SrTiO 3 single crystal substrate as in the above embodiment, and the substrate temperature is 600 ° C.

【0045】得られた誘電体薄膜の断面の透過型電子顕
微鏡像を検討したところ、ペロブスカイト構造内に3次
元的であって、かつ極めて構造整合性のよいSrO層の
形成を原子層レベルで確認することができた。また、制
限視野電子線回折像を検討したところ、層状ペロブスカ
イト構造の形成を示唆する十字型のストリークスポット
の存在が確認できた。
When a transmission electron microscope image of a cross section of the obtained dielectric thin film was examined, it was confirmed that a three-dimensional and extremely structurally conformable SrO layer was formed in the perovskite structure at an atomic layer level. We were able to. Examination of the selected area electron beam diffraction image confirmed the presence of a cross streak spot suggesting the formation of a layered perovskite structure.

【0046】本実施例の誘電体薄膜は、SrO層の導入
によって3次元等方的に格子定数が増大するが、SrO
層のブロッキング効果によりミスフィット転位は導入さ
れない。また、薄膜格子は基板10の格子に2次元的に
完全に制約され、およそ1GPaの面内圧縮応力が薄膜
中に生じている。
The dielectric constant of the dielectric thin film of this embodiment increases three-dimensionally and isotropically by introducing the SrO layer.
Misfit dislocations are not introduced due to the blocking effect of the layer. Further, the thin film lattice is completely two-dimensionally restricted by the lattice of the substrate 10, and an in-plane compressive stress of about 1 GPa is generated in the thin film.

【0047】(4)実施例4……本実施例では、ターゲ
ット102として、BaTiO焼結体及びSrO焼結
体の2つを用いて、BaTiO層内にSrO層を不規
則に導入した誘電体薄膜を作製した。基板10の下地と
して、下部電極として機能するSrTiO単結晶基板
を使用した。これに導電性ペロブスカイトであるSrR
uOをエピタキシャル成長させたものを基板10とし
て用い、基板温度は600℃とした。
(4) Fourth Embodiment In this embodiment, two BaTiO 3 sintered bodies and two SrO sintered bodies were used as the targets 102, and the SrO layer was irregularly introduced into the BaTiO 3 layer. A dielectric thin film was prepared. As a base of the substrate 10, a SrTiO 3 single crystal substrate functioning as a lower electrode was used. The conductive perovskite SrR
A substrate obtained by epitaxially growing uO 3 was used as the substrate 10, and the substrate temperature was set at 600 ° C.

【0048】以上のようにして得た誘電体薄膜は、Sr
O層の導入により、ミスフィット転位は導入されず、薄
膜格子は基板10の格子に2次元的に完全に制約され、
高い強誘電性を示した。
The dielectric thin film obtained as described above is made of Sr
With the introduction of the O layer, no misfit dislocations are introduced and the thin film lattice is completely constrained two-dimensionally to the lattice of the substrate 10,
It showed high ferroelectricity.

【0049】(5)実施例5……本実施例では、ターゲ
ット102として、{Sr0.8Ca0.2}1.1Ti
3.1を用いた。このようにすることで、{Sr
0.8Ca0.2}が過剰の3次元ペロブスカイト膜が
形成される。
(5) Embodiment 5 In this embodiment, {Sr 0.8 Ca 0.2 } 1.1 Ti is used as the target 102.
O 3.1 was used. By doing so, {Sr
A three-dimensional perovskite film with an excess of 0.8 Ca 0.2 } is formed.

【0050】(6)実施例6……次に、本発明の誘電体
薄膜を強誘電体不揮発性メモリに用した実施例について
説明する。本不揮発性メモリは、図6に示すように、S
i基板50上に酸化物であるMgAl膜52,導
電性酸化物であるSrRuO 膜54,本発明による層
状ペロブスカイト膜56,及び導電性酸化物であるSr
RuO膜58が積層された構造となっている。ここ
で、2つのSrRuO薄膜54,58は、それぞれ上
部及び下部電極として機能し、MgAl膜52
は、Si基板50上に成膜するためのバッファ層として
機能する。
(6) Embodiment 6 Next, the dielectric of the present invention
Example of using thin film for ferroelectric nonvolatile memory
explain. As shown in FIG.
MgAl oxide on the i-substrate 502O4Membrane 52, conductive
SrRuO which is an electrically conductive oxide 3Membrane 54, layer according to the invention
Perovskite film 56 and conductive oxide Sr
RuO3It has a structure in which films 58 are stacked. here
And two SrRuO3The thin films 54 and 58 are respectively
Function as the upper and lower electrodes,2O4Membrane 52
Is used as a buffer layer for forming a film on the Si substrate 50.
Function.

【0051】このような構成の誘電体メモリ素子におい
ては、MgAl膜52がSi基板50上に完全な
面方位関係を持ってエピタキシャル成長し、その上に更
にSrRuO膜54が成長している。このSrRuO
膜54は、ペロブスカイト構造をもつ導電性酸化物電
極として作用する。この電極上に、強誘電体酸化物層で
ある{Ba0.3Sr0.7}TiO及びSrOを層状形
成するため,ペロブスカイト膜56は容易にエピタキシ
ャル成長することとなる。
In the dielectric memory device having such a configuration, the MgAl 2 O 4 film 52 is epitaxially grown on the Si substrate 50 with a perfect plane orientation, and the SrRuO 3 film 54 is further grown thereon. I have. This SrRuO
The three film 54 functions as a conductive oxide electrode having a perovskite structure. Since {Ba 0.3 Sr 0.7 } TiO 3 and SrO, which are ferroelectric oxide layers, are formed on this electrode in a layered manner, the perovskite film 56 is easily epitaxially grown.

【0052】従って、本実施例の強誘電体メモリ素子で
は、本発明による層状ペロブスカイト構造をもつ優れた
リーク特性や歪誘起の強誘電体特性のみならず、完全に
格子整合した強誘電体薄膜−酸化物電極界面の実現によ
り、Pt電極を用いた場合に見られる強誘電体薄膜−電
極間の密着性の問題や、疲労特性劣化を誘発する構成元
素,特に酸素の拡散を回避できる。
Therefore, in the ferroelectric memory device of the present embodiment, not only the excellent leak characteristics and the strain-induced ferroelectric characteristics having the layered perovskite structure according to the present invention, but also the ferroelectric thin film perfectly lattice-matched By realizing the oxide electrode interface, it is possible to avoid the problem of adhesion between the ferroelectric thin film and the electrode and the diffusion of constituent elements that cause deterioration of fatigue characteristics, particularly, diffusion of oxygen, which are observed when a Pt electrode is used.

【0053】<他の実施形態>……本発明には数多くの
実施形態があり、以上の開示に基づいて多様に改変する
ことが可能である。例えば、次のようなものも含まれ
る。 (1)前記実施例では、主としてレーザアブレーション
法について説明したが、原子・分子層オーダーで所望組
成をもった2次元周期構造を成膜する人工超格子の手法
を適用しても、同様の層状ペロブスカイト構造を実現可
能である。この場合、SrO分子層及びTiO分子層
を交互に積層することによりペロブスカイト構造をもつ
SrTiO薄膜が形成されるが、SrO分子層を実質
1層過剰に加えることによって、本発明の層状ペロブス
カイト構造を得ることができる。
<Other Embodiments> The present invention has many embodiments, and various modifications can be made based on the above disclosure. For example, the following is also included. (1) Although the laser ablation method has been mainly described in the above embodiment, the same layered structure can be obtained by applying the technique of the artificial superlattice for forming a two-dimensional periodic structure having a desired composition in the order of an atomic layer and a molecular layer. A perovskite structure is feasible. In this case, an SrTiO 3 thin film having a perovskite structure is formed by alternately laminating the SrO molecular layers and the TiO 2 molecular layers. Can be obtained.

【0054】(2)前記実施例4においては、Si基板
50上にエピタキシャル成長するとともに、上部にペロ
ブスカイト構造をもつ導電性酸化物がエピタキシャル成
長するバッファ層として、MgAl膜52を用い
た。しかし、バッファ層としては、何らそれに限らず、
使用する導電性基板の格子整合性に応じて、Si基板に
エピタキシャル成長する各種の酸化物が使用可能であ
る。例えば、MgO,CeO,α−Al,YS
Z(イットリウム安定化ジルコニウム)が使用可能であ
る。
(2) In Example 4, the MgAl 2 O 4 film 52 was used as a buffer layer on which a conductive oxide having a perovskite structure was epitaxially grown on the Si substrate 50 and epitaxially grown. However, the buffer layer is not limited to this.
Various oxides epitaxially grown on the Si substrate can be used depending on the lattice matching of the conductive substrate to be used. For example, MgO, CeO 2 , α-Al 2 O 3 , YS
Z (yttrium stabilized zirconium) can be used.

【0055】このバッファ層52上にエピタキシャル形
成される導電性酸化物54に関しても、上部の層状ペロ
ブスカイト膜56及び下部バッファ層52との格子整合
性を考慮して、ペロブスカイト構造をもつ各種の酸化物
を用いてよい。例えば、Ca{X81}O(ただし{X81}
=V,Cr,Fe,Ru)、Sr{X82}O(ただし
{X82}=V,Cr,Fe,Ru)、La{X83}O(た
だし{X83}=Ti,Co,Ni,Cu)、La1−m
{X84}O(ただし{X84}=V,Mn,Co、m>
0.23)、BaPbO、SrRuO、SrIrO
、SrRuO 、SrIrO、(La1−m
CuO(ただしm<0.3)などの導電性ペ
ロブスカイト酸化物が適用可能である。
An epitaxial type is formed on the buffer layer 52.
Regarding the conductive oxide 54 to be formed, the upper layered
Lattice matching with buskite film 56 and lower buffer layer 52
Various oxides with perovskite structure in consideration of performance
May be used. For example, Ca {X81} O3(However, {X81}
= V, Cr, Fe, Ru), Sr {X82} O3(However,
{X82} = V, Cr, Fe, Ru), La {X83} O3(T
Dashi {X83} = Ti, Co, Ni, Cu), La1-mS
rm{X84} O3(However, {X84} = V, Mn, Co, m>
0.23), BaPbO3, SrRuO3, SrIrO
3, Sr2RuO 4, Sr2IrO4, (La1-mS
rm)2CuO4(Where m <0.3)
A lobskite oxide is applicable.

【0056】(3)前記実施例4は、誘電体メモリ素子
の適用例について述べたが、本発明はこれに限らず、各
種の電子部品の誘電体簿膜に適用することができる。例
えば、DRAM用キャパシタあるいはMCM用デカップ
リングキャパシタとして適用することにより、これらの
部品の高機能化を図ることができる。
(3) In the fourth embodiment, the application example of the dielectric memory element has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to dielectric films of various electronic components. For example, by applying the present invention as a DRAM capacitor or an MCM decoupling capacitor, the functions of these components can be enhanced.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果を得ることができる。 (1){X3}Oを{X1}{X2}O3の組成を有するペロブス
カイト層に挿入形成することとしたので、基板及びペロ
ブスカイト層間の格子不整合に起因した格子歪を有効に
利用することができ、更にはリーク電流の低減や疲労特
性の改善を図ることができる。 (2)イオン半径を考慮したイオン置換を行うことによ
り、格子歪を効果的に導入して自発分極の向上を図るこ
とができる。 (3)前記{X3}Oと前記ペロブスカイト層を超格子構
造としたので、耐圧の向上を図ることができる。
As described above, according to the present invention,
The following effects can be obtained. (1) Since {X3} O is inserted and formed in the perovskite layer having the composition of {X1} {X2} O 3 , the lattice strain caused by the lattice mismatch between the substrate and the perovskite layer is effectively used. In addition, the leakage current can be reduced and the fatigue characteristics can be improved. (2) By performing ionic substitution in consideration of the ionic radius, lattice distortion can be effectively introduced and spontaneous polarization can be improved. (3) Since the {X3} O and the perovskite layer have a superlattice structure, the withstand voltage can be improved.

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

【図1】本発明の2次元型層状ペロブスカイト構造を模
式的に示す図である。
FIG. 1 is a view schematically showing a two-dimensional layered perovskite structure of the present invention.

【図2】3次元型層状ペロブスカイト構造を模式的に示
す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a three-dimensional layered perovskite structure.

【図3】ペロブスカイト構造の誘電体薄膜の製造装置の
一例を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an example of an apparatus for manufacturing a dielectric thin film having a perovskite structure.

【図4】超格子構造の実施例におけるRHEED強度及
びX線回折強度の測定例を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a measurement example of RHEED intensity and X-ray diffraction intensity in an example having a superlattice structure.

【図5】超格子ペロブスカイト膜とSrO過剰ペロブス
カイト膜の電気特性を比較して示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a comparison between electrical characteristics of a superlattice perovskite film and a SrO-excess perovskite film.

【図6】本発明を適用した誘電体メモリ素子の主要構成
を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a main configuration of a dielectric memory element to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,50…基板 12…ペロブスカイト層 14…{X3}O層 16…誘電体薄膜 52…酸化物(バッファ層) 54…導電性酸化物(下部電極) 56…ペロブスカイト膜 58…導電性酸化物(上部電極) 100…真空チャンバ 102…ターゲット 104…レーザ光源 106…レーザビーム 108…光学系 110…排気装置 112…赤外線ヒータ 114…膜厚モニタ 116…プルーム 120…ガン 122…スクリーン 124…高感度カメラ 126…排気装置 10, 50: substrate 12: perovskite layer 14: {X3} O layer 16: dielectric thin film 52: oxide (buffer layer) 54: conductive oxide (lower electrode) 56: perovskite film 58: conductive oxide ( Upper electrode) 100 vacuum chamber 102 target 104 laser light source 106 laser beam 108 optical system 110 exhaust device 112 infrared heater 114 film thickness monitor 116 plume 120 gun 122 screen 124 high-sensitivity camera 126 … Exhaust device

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/203 H01L 21/203 Z S 21/316 Y 21/316 X H01G 4/06 102 27/04 H01L 27/04 C 21/822 27/10 444C 27/105 651 27/108 41/18 101B 21/8242 41/22 A 41/187 41/24 (72)発明者 森戸 健太郎 東京都台東区上野6丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 (72)発明者 関口 象一 東京都台東区上野6丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 (72)発明者 藤本 正之 東京都台東区上野6丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/203 H01L 21/203 Z S 21/316 Y 21/316 X H01G 4/06 102 27/04 H01L 27/04 C 21/822 27/10 444C 27/105 651 27/108 41/18 101B 21/8242 41/22 A 41/187 41/24 (72) Inventor Kentaro Morito 6-16 Ueno, Taito-ku, Tokyo No. 20 Taiyo Denki Co., Ltd. (72) Inventor Shoichi Sekiguchi 6-16-20 Ueno, Taito-ku, Tokyo Taiyo Denki Co., Ltd. (72) Inventor Masayuki Fujimoto 6-16 Ueno, Taito-ku, Tokyo No. 20 Taiyo Denki Co., Ltd.

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素12配位構造を持つ{X1}と、{X1}
とは配位構造が異なる{X3}とを、Ca,Mg,Sr,
Ba,Pbから選択した少なくとも1種の元素で構成
し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、Ti及びZrから
選択した少なくとも1種の元素で構成し、「O」を酸素
としたとき、 結晶構造が類似する基板上に形成された{X1}{X2}O3
の組成を有するペロブスカイト層に、{X3}Oを挿入し
て、前記基板との格子不整合性に起因した格子歪みを形
成したことを特徴とする誘電体薄膜。
1. A method according to claim 1, wherein {X1} has an oxygen 12 coordination structure and {X1}.
And {X3} having a different coordination structure from Ca, Mg, Sr,
When {X2} composed of at least one element selected from Ba and Pb and having a six-coordinate oxygen structure is composed of at least one element selected from Ti and Zr, and “O” is oxygen {X1} {X2} O 3 formed on a substrate having a similar crystal structure
(X3) O is inserted into a perovskite layer having the following composition to form a lattice strain due to lattice mismatch with the substrate.
【請求項2】 前記{X3}Oの挿入によって、前記ペロ
ブスカイト層が複数の層に分断されたことを特徴とする
誘電体薄膜。
2. The dielectric thin film according to claim 1, wherein the perovskite layer is divided into a plurality of layers by inserting the {X3} O.
【請求項3】 前記{X3}Oを実質1層挿入したことを
特徴とする請求項1又は2記載の誘電体薄膜。
3. The dielectric thin film according to claim 1, wherein substantially one layer of said {X3} O is inserted.
【請求項4】 前記{X3}Oの挿入によって岩塩構造層
が形成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか
に記載の誘電体薄膜。
4. The dielectric thin film according to claim 1, wherein a rock salt structure layer is formed by inserting the {X3} O.
【請求項5】 前記ペロブスカイト層と前記{X3}Oと
を交互に積層して超格子構造を形成したことを特徴とす
る請求項1〜4のいずれかに記載の誘電体薄膜。
5. The dielectric thin film according to claim 1, wherein said perovskite layer and said {X3} O are alternately laminated to form a superlattice structure.
【請求項6】 酸素12配位構造を持つ{X4}をCa,
Mg,Sr,Ba,Pbから選択した少なくとも1種の
元素で構成し、{X5}を{X4}とは異なる元素で構成した
とき、前記{X1}が、{X4}1−m{X5}(ただしm>
0)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれ
かに記載の誘電体薄膜。
6. The method according to claim 6, wherein {X4} having an oxygen 12 coordination structure is Ca,
When {X5} is composed of at least one element selected from Mg, Sr, Ba and Pb, and {X5} is composed of an element different from {X4}, {X1} is represented by {X4} 1-m {X5} m (however, m>
The dielectric thin film according to claim 1, wherein the dielectric thin film is represented by the following formula:
【請求項7】 前記mを、m<0.5としたことを特徴
とする請求項6記載の誘電体薄膜。
7. The dielectric thin film according to claim 6, wherein m is smaller than 0.5.
【請求項8】 前記{X3}は、前記{X1}よりイオン半径
の小さな元素を多く含む組成を有することを特徴とする
請求項1〜7のいずれかに記載の誘電体薄膜。
8. The dielectric thin film according to claim 1, wherein said {X3} has a composition containing more elements having a smaller ionic radius than said {X1}.
【請求項9】 前記ペロブスカイト層及び前記{X3}O
を、第1及び第2のターゲットを交互に用いて、結晶構
造が類似する基板上にエピタキシャル成長させることを
特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の誘電体薄膜
の製造方法。
9. The method according to claim 1, wherein the perovskite layer and the {X3} O
9. The method of manufacturing a dielectric thin film according to claim 1, wherein the first and second targets are alternately grown on substrates having similar crystal structures.
【請求項10】 酸素12配位構造を持つ{X1}と、{X
1}とは配位構造が異なる{X3}とを、Ca,Mg,S
r,Ba,Pbから選択した少なくとも1種の元素で構
成し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、Ti及びZrか
ら選択した少なくとも1種の元素で構成し、{X}を{X
1}と{X3}の構成元素の総和とし、「O」を酸素とした
とき、{X}{X2}O2+m(ただしm>1)の組成を
有する誘電体薄膜であって、 結晶構造が類似する基板上に形成された{X1}{X2}O
の組成を有するペロブスカイト層と、該ペロブスカイト
層に挿入された{X3}Oとを含み、前記基板との格子不
整合性に起因した格子歪みを有することを特徴とする誘
電体薄膜。
10. {X1} having an oxygen 12 coordination structure, and {X1
{X3} having a different coordination structure from Ca, Mg, S
{X2} composed of at least one element selected from r, Ba and Pb and having an oxygen six-coordinate structure is composed of at least one element selected from Ti and Zr, and {X} is represented by {X
A dielectric thin film having a composition of {X} m {X2} O 2 + m (where m> 1), where “O” is oxygen, as the sum of the constituent elements of {1} and {X3}, {X1} {X2} O 3 formed on a substrate similar to
A dielectric thin film comprising: a perovskite layer having the following composition; and {X3} O inserted into the perovskite layer, and having a lattice distortion due to lattice mismatch with the substrate.
【請求項11】 前記{X3}Oの挿入によって岩塩構造
層が形成されたことを特徴とする請求項10記載の誘電
体薄膜。
11. The dielectric thin film according to claim 10, wherein a rock salt structure layer is formed by inserting the {X3} O.
【請求項12】 酸素12配位構造を持つ{X4}をC
a,Mg,Sr,Ba,Pbから選択した少なくとも1
種の元素で構成し、{X5}を{X4}とは異なる元素で構成
したとき、前記{X1}が、{X4}1−m{X5}(ただし
m>0)で表されることを特徴とする請求項10又は1
1記載の誘電体薄膜。
12. XC having an oxygen 12 coordination structure is represented by C
at least one selected from a, Mg, Sr, Ba, Pb
When {X5} is composed of an element different from {X4}, {X1} is represented by {X4} 1−m {X5} m (where m> 0) 10. The method according to claim 10, wherein
2. The dielectric thin film according to 1.
【請求項13】 前記mを、m<0.5としたことを特
徴とする請求項12記載の誘電体薄膜。
13. The dielectric thin film according to claim 12, wherein m is less than 0.5.
【請求項14】 前記{X3}は、前記{X1}よりイオン半
径の小さな元素を多く含む組成を有することを特徴とす
る請求項10〜13のいずれかに記載の誘電体薄膜。
14. The dielectric thin film according to claim 10, wherein the {X3} has a composition containing a larger number of elements having a smaller ionic radius than the {X1}.
【請求項15】 前記ペロブスカイト層及び{X3}O
を、{X}{X2}O2+ (ただしm>1)の組成を有
するターゲットを用いて、結晶構造が類似する基板上に
エピタキシャル成長させて形成することを特徴とする請
求項10〜14のいずれかに記載の誘電体薄膜の製造方
法。
15. The perovskite layer and {X3} O
Is formed on a substrate having a similar crystal structure by using a target having a composition of {X} m {X2} O 2+ m (where m> 1). The method for producing a dielectric thin film according to any one of the above.
【請求項16】 酸素12配位構造を持つ{X1}と、{X
1}とは配位構造が異なる{X3}とを、Ca,Mg,S
r,Ba,Pbから選択した少なくとも1種の元素で構
成し、酸素6配位構造を持つ{X2}を、Ti及びZrか
ら選択した少なくとも1種の元素で構成し、「O」を酸
素としたとき、 {X1}{X2}O3の組成を有するペロブスカイト層に、二
次元的もしくは三次元的に{X3}Oを挿入したことを特
徴とする誘電体薄膜。
16. {X1} having an oxygen 12 coordination structure, {X1
{X3} having a different coordination structure from Ca, Mg, S
{X2} composed of at least one element selected from r, Ba, and Pb and having a six-coordinate oxygen structure is composed of at least one element selected from Ti and Zr, and “O” is replaced with oxygen. A dielectric thin film characterized in that {X3} O is inserted two-dimensionally or three-dimensionally into a perovskite layer having a composition of {X1} {X2} O 3 .
【請求項17】 請求項1〜8,請求項10〜14,請
求項16のいずれかに記載の誘電体薄膜を使用したこと
を特徴とする電子部品。
17. An electronic component using the dielectric thin film according to any one of claims 1 to 8, 10 to 14, and 16.
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