JP2003176176A - Bismuth layer structure ferroelectric, method of producing the same, memory element and dielectric/ electrostrictive element using the ferroelectric - Google Patents
Bismuth layer structure ferroelectric, method of producing the same, memory element and dielectric/ electrostrictive element using the ferroelectricInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性強誘電体
メモリ等の強誘電体素子に使用される強誘電体、特にビ
スマス層状構造強誘電体材料と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 material used in a ferroelectric element such as a non-volatile ferroelectric memory, particularly a bismuth layer structure ferroelectric material and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】不揮発性強誘電体メモリ(以下FeRA
Mという。)には、強誘電体としてチタン酸ジルコン酸
鉛(以下PZTという。)、ビスマス層状構造強誘電体
(以下BLSFという。)が使われている。2. Description of the Related Art Nonvolatile ferroelectric memory (hereinafter referred to as FeRA)
It is called M. ), Lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) and bismuth layered structure ferroelectric (hereinafter referred to as BLSF) are used as the ferroelectric.
【0003】PZTは残留分極は大きいが抗電界も大き
く、また繰り返し使用による劣化が生じ、耐疲労特性に
劣るため、電極には白金を使用できずイリジウム等の高
価な材料を必要とする。さらに、鉛を含むため、環境問
題対策には適していない。Since PZT has a large remanent polarization but a large coercive electric field, deterioration due to repeated use and poor fatigue resistance, platinum cannot be used for the electrode and an expensive material such as iridium is required. Furthermore, since it contains lead, it is not suitable for environmental problems.
【0004】他方BLSFは、残留分極はPZTよりも
小さいが耐疲労特性に優れている。その中でもSrBi
2Ta2O9(SBT)は、組成制御(Bi過剰)によ
り残留分極を増大させ実用に用いられつつある。On the other hand, BLSF has a smaller remanent polarization than PZT, but is excellent in fatigue resistance. Among them, SrBi
2 Ta 2 O 9 (SBT) is being practically used because it increases the remanent polarization by controlling the composition (excessive Bi).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のS
BTにおいては、抗電界は他の強誘電体例えば、PZTや
BLSFの1種であるBi4Ti3O12に比べて小さ
いもののまだ十分でなく、作動電圧の低下が望まれてい
る。However, the conventional S
In BT, the coercive electric field is smaller than other ferroelectrics, for example, Bi 4 Ti 3 O 12 which is one of PZT and BLSF, but it is still insufficient and a reduction in operating voltage is desired.
【0006】作動電圧低下は、ICカードや携帯機器な
どFeRAM混載CMOS論理回路(FeRAM混載L
SI)を用いる応用分野に特に強く望まれている。すな
わち、FeRAM混載LSIでは、FeRAM部とCM
OSトランジスタ部が同じ電源電圧で作動することが望
ましい。しかしながらCMOSトランジスタ部は3Vあ
るいは1.8Vの電源で作動できるが、現状ではFeR
AMの動作電圧が高いためFeRAM混載LSIの作動
に1.8V電源を使用することができない。このためP
ZTを強誘電体として用いるFeRAM混載LSIでは
FeRAM作動に5Vが必要なため、3Vと5V対応の
2種のトランジスタを組み込んでいる。The decrease in operating voltage is caused by the FeRAM mixed CMOS logic circuit (FeRAM mixed L
It is especially strongly desired in the application field using SI). That is, in the FeRAM mixed LSI, the FeRAM section and the CM
It is desirable that the OS transistor sections operate at the same power supply voltage. However, the CMOS transistor part can operate with a power supply of 3V or 1.8V, but at present, FeR
Since the operating voltage of AM is high, the 1.8V power supply cannot be used to operate the FeRAM embedded LSI. Therefore, P
FeRAM mixed LSI using ZT as a ferroelectric requires 5V for FeRAM operation, so it is compatible with 3V and 5V.
It incorporates two types of transistors.
【0007】また、絶縁ゲート部に強誘電体薄膜を用い
る強誘電体ゲートFETメモリでは、適度に大きな抗電
界(50−100kV/cm)及び矩形性が良好な分極
特性が要求されるが、SiやSiO2膜上に両特性を満
たす強誘電体薄膜を形成することはまだ実現されていな
い。したがって矩形性が良好な分極特性を示すSBT系
で抗電界を広い範囲で制御できる技術が望まれている。Further, in a ferroelectric gate FET memory using a ferroelectric thin film for an insulated gate portion, an appropriately large coercive electric field (50-100 kV / cm) and a polarization characteristic with good rectangularity are required. It has not yet been realized to form a ferroelectric thin film that satisfies both characteristics on the SiO 2 film. Therefore, there is a demand for a technique capable of controlling the coercive electric field in a wide range with an SBT system having good rectangularity and polarization characteristics.
【0008】さらに、強誘電体はその圧電性を利用し
て、電界による機械的変位を使用するアクチュエータな
どとしても用いられる。BLSFは比誘電率、誘電損失およ
び特性の温度依存性がともに小さいが、特性の異方性が
大きい等の特徴をもち、高温用、高周波用、高安定性の
超音波発信用圧電セラミックス、また高速応答用アクチ
ュエータとして研究が進められている。しかし、作動電
圧が高いため、これらの応用には高出力電源が必要であ
り、実用化が難航している。Further, the ferroelectric substance is used as an actuator or the like which utilizes mechanical displacement due to an electric field by utilizing its piezoelectricity. BLSF has small relative permittivity, dielectric loss, and temperature dependence of characteristics, but has characteristics such as large anisotropy of characteristics, and is a high temperature, high frequency, and highly stable piezoelectric ceramic for ultrasonic transmission, and Research is progressing as a high-speed response actuator. However, due to the high operating voltage, a high output power source is required for these applications, making practical implementation difficult.
【0009】従って本発明は抗電界を所望の値に制御す
ることができ、用途に応じた作動電圧で動作し得るビス
マス層状構造強誘電体(BLSF)、その製造方法およ
びこれを用いたメモリ素子およびアクチュエータ素子な
どの圧電・電歪素子を提供することを目的とするもので
ある。Therefore, according to the present invention, the coercive electric field can be controlled to a desired value, and the bismuth layered structure ferroelectric (BLSF) capable of operating at an operating voltage according to the application, its manufacturing method, and a memory device using the same. And to provide a piezoelectric / electrostrictive element such as an actuator element.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明のビスマス層状構
造強誘電体は、タンタル酸ストロンチウムビスマス(S
rBi2Ta2O9)のSrの一部を希土類元素Aで置
換するとともに、Srの位置に空孔□が導入され、化学組
成が一般式Sr1−xA2x/3□x/3Bi2Ta2
O9(0.01≦x≦0.7)で表される化学組成を有
することを特徴とするものである。The bismuth layered structure ferroelectric material of the present invention comprises strontium bismuth tantalate (S).
A part of Sr of rBi 2 Ta 2 O 9 ) is replaced with a rare earth element A, and a void □ is introduced at the position of Sr, and the chemical composition is represented by the general formula Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2
It is characterized by having a chemical composition represented by O 9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7).
【0011】また、本発明のビスマス層状構造強誘電体
においては、前記希土類元素Aは、ランタンLa、ネオジ
ウムNd、プラセオジウムPrおよびサマリウムSmか
らなる群から選ばれた1つまたは複数の元素であること
を特徴とするものである。In the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention, the rare earth element A is one or more elements selected from the group consisting of lanthanum La, neodymium Nd, praseodymium Pr and samarium Sm. It is characterized by.
【0012】さらに、本発明のビスマス層状構造強誘電
体においては、前記希土類元素Aは、ランタンLaおよび
ネオジウムNdであることを特徴とするものである。Further, in the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention, the rare earth element A is lanthanum La and neodymium Nd.
【0013】さらに、本発明のビスマス層状構造強誘電
体においては、タンタル酸ストロンチウムビスマス(S
rBi2Ta2O9)のSrの一部を希土類元素Aおよ
びビスマスBiで置換するとともに、Srの位置に空孔
□が導入され、化学組成が一般式Sr1−x(A+B
i)2x/3□x/3Bi2Ta2O9(0.01≦x
≦0.7)で表される化学組成を有することを特徴とす
るものである。Further, in the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention, strontium bismuth tantalate (S
A part of Sr of rBi 2 Ta 2 O 9 ) is replaced by the rare earth element A and bismuth Bi, and a hole □ is introduced at the position of Sr, and the chemical composition is represented by the general formula Sr 1-x (A + B
i) 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2 O 9 (0.01 ≦ x
It has a chemical composition represented by ≦ 0.7).
【0014】さらに、本発明のビスマス層状構造強誘電
体においては、前記希土類元素Aは、ランタンLa、ネオ
ジウムNd、プラセオジウムPrおよびサマリウムSm
からなる群から選ばれた1つまたは複数の元素であるこ
とを特徴とするものである。Further, in the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention, the rare earth element A is lanthanum La, neodymium Nd, praseodymium Pr and samarium Sm.
It is characterized by being one or more elements selected from the group consisting of
【0015】さらに、本発明のビスマス層状構造強誘電
体においては、前記希土類元素Aは、ランタンLaおよび
ネオジウムNdであることを特徴とするものである。Further, the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention is characterized in that the rare earth element A is lanthanum La and neodymium Nd.
【0016】さらに、本発明のビスマス層状構造強誘電
体においては、前記一般式におけるTaはその全部又は
一部がニオブNbで置換されることを特徴とするもので
ある。Furthermore, in the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention, Ta in the above general formula is characterized in that all or part of Ta is substituted with niobium Nb.
【0017】また、本発明のビスマス層状構造強誘電体
を用いたメモリ素子は、上記のいずれかのビスマス層状
構造強誘電体を利用することを特徴とするものである。A memory element using the bismuth layered structure ferroelectric material of the present invention is characterized by using any one of the above bismuth layered structure ferroelectric materials.
【0018】また、本発明のビスマス層状構造強誘電体
を用いた圧電・電歪素子は、上記ビスマス層状構造強誘
電体においてTaの全部又は一部をニオブNbで置換し
た強誘電体を利用することを特徴とするものである。Further, the piezoelectric / electrostrictive element using the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention uses a ferroelectric substance in which all or part of Ta in the bismuth layered structure ferroelectric substance is replaced with niobium Nb. It is characterized by that.
【0019】次に、上記本発明のビスマス層状構造強誘
電体Sr1−xA2x/3□x/3Bi2Ta2O
9(0.01≦x≦0.7)の製造方法は、炭酸ストロ
ンチウムSrCO3、酸化ビスマスBi2O3、酸化タ
ンタルTa2O5および希土類元素の酸化物を含む原料
粉末を混合する工程と、混合された原料粉末を仮焼処理
する工程と、仮焼された原料粉末を粉砕して粉末化する
工程と、この粉末化された原料粉末を冷間等方加圧成型
によりペレット状に成型する工程と、成形されたペレッ
トを本焼処理する工程と、焼成されたペレットを焼き鈍
しするアニール工程とを備えたことを特徴とするもので
ある。Next, the bismuth layered structure ferroelectric Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2 O of the present invention described above.
9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7) includes a step of mixing raw material powders containing strontium carbonate SrCO 3 , bismuth oxide Bi 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 and an oxide of a rare earth element. , A step of calcining the mixed raw material powder, a step of crushing the calcined raw material powder into a powder, and molding the powdered raw material powder into pellets by cold isostatic pressing And a step of subjecting the formed pellets to a main firing treatment, and an annealing step of annealing the fired pellets.
【0020】また、上記本発明のビスマス層状構造強誘
電体Sr1−xA2x/3□x/3Bi2Ta2O
9(0.01≦x≦0.7)の製造方法においては、前
記希土類元素の酸化物は、酸化ランタンLa2O3、酸
化ネオジウムNd2O3、酸化プラセオジウムPr6O
11および酸化サマリウムSm2O3からなる群から選
ばれた1つまたは複数の原料粉末であることを特徴とす
るものである。Further, the bismuth layered structure ferroelectric Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2 O of the present invention.
9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7), the oxide of the rare earth element may be lanthanum oxide La 2 O 3 , neodymium oxide Nd 2 O 3 , praseodymium oxide Pr 6 O.
11 and one or more raw material powders selected from the group consisting of samarium oxide Sm 2 O 3 .
【0021】さらに、上記本発明のビスマス層状構造強
誘電体Sr1−x(A+Bi)2x /3□x/3Bi2
Ta2O9(0.01≦x≦0.7)の製造方法は、炭
酸ストロンチウムSrCO3、酸化ビスマスBi
2O3、酸化タンタルTa2O5、酸化ニオブNb2O
5および希土類元素の酸化物を含む原料粉末を混合する
工程と、混合された原料粉末を仮焼処理する工程と、仮
焼された原料粉末を粉砕して粉末化する工程と、この粉
末化された原料粉末を冷間等方加圧成型によりペレット
状に成型する工程と、成形されたペレットを本焼処理す
る工程と、焼成されたペレットを焼き鈍しするアニール
工程とを備えたことを特徴とするものである。Further, the bismuth layered structure ferroelectric Sr 1-x (A + Bi) 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 of the present invention.
The manufacturing method of Ta 2 O 9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7) is performed by using strontium carbonate SrCO 3 and bismuth oxide Bi.
2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 , niobium oxide Nb 2 O
5 and the step of mixing the raw material powder containing the oxide of the rare earth element, the step of calcining the mixed raw material powder, the step of crushing the calcined raw material powder into powder, and Characterized by comprising a step of forming the raw material powder into pellets by cold isostatic pressing, a step of subjecting the formed pellets to a main firing treatment, and an annealing step of annealing the fired pellets. It is a thing.
【0022】さらに、上記本発明のビスマス層状構造強
誘電体Sr1−x(A+Bi)2x /3□x/3Bi2
Ta2O9(0.01≦x≦0.7)の製造方法におい
ては、前記希土類元素の酸化物は、酸化ランタンLa2
O3、酸化ネオジウムNd2O3、酸化プラセオジウム
Pr6O11および酸化サマリウムSm2O3からなる
群から選ばれた1つまたは複数の原料粉末であることを
特徴とするものである。Furthermore, the bismuth layered structure ferroelectric Sr 1-x (A + Bi) 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 of the present invention.
In the method for producing Ta 2 O 9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7), the oxide of the rare earth element is lanthanum oxide La 2
One or a plurality of raw material powders selected from the group consisting of O 3 , neodymium oxide Nd 2 O 3 , praseodymium oxide Pr 6 O 11 and samarium oxide Sm 2 O 3 .
【0023】次に、上記本発明のビスマス層状構造強誘
電体Sr1−xA2x/3□x/3Bi2Ta2O
9(0.01≦x≦0.7)であって薄膜状の強誘電体
の製造方法は、ストロンチウムアルコキシドSr(Oi
Pr)2、ビスマスアルコキシドBi(OnBu)3、タ
ンタルアルコキシドTa(OEt)5、ランタンアルコ
キシドLa(OnBu)3を所定の割合で溶媒に溶解
し、金属アルコキシド溶液を得る工程と、この金属アル
コキシド溶液に加水分解および重縮合反応を起こさせ、
ストック溶液を得る工程と、このストック溶液を半導体
基板上にスピンコートする工程と、スピンコートした薄
膜を乾燥する工程と、乾燥した薄膜を焼成する工程とを
備えたことを特徴とするものである。Next, the bismuth layered structure ferroelectric Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2 O of the present invention described above.
9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7), and a method for manufacturing a thin film ferroelectric is as follows: Strontium alkoxide Sr (Oi
Pr) 2 , bismuth alkoxide Bi (OnBu) 3 , tantalum alkoxide Ta (OEt) 5 , and lanthanum alkoxide La (OnBu) 3 are dissolved in a solvent at a predetermined ratio to obtain a metal alkoxide solution, and the metal alkoxide solution is added to the solution. Cause hydrolysis and polycondensation reaction,
It is characterized by comprising a step of obtaining a stock solution, a step of spin-coating the stock solution on a semiconductor substrate, a step of drying the spin-coated thin film, and a step of baking the dried thin film. .
【0024】[0024]
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を実施例に
より詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to examples.
【0025】本発明のビスマス層状構造強誘電体(BL
SF)はタンタル酸ストロンチウムビスマス(SrBi
2Ta2O9)のSrの一部を希土類元素で置換すると
ともに、Srの位置に空孔(欠陥)が導入された組成、す
なわち、(Sr1−xA2x/ 3□x/3)Bi2Ta2
O9なる組成を有するものである。ここで式中のAは希
土類元素を表し、□は空孔を表し、xは0.5以下であ
る。以下では希土類元素としてランタンLaの場合、す
なわち、(Sr1−xLa2x/3□x/3)Bi2Ta
2O9についてその製造方法を説明する。The bismuth layered structure ferroelectric substance (BL of the present invention
SF) is strontium bismuth tantalate (SrBi
2 Ta 2 O 9 ) has a composition in which a part of Sr is replaced with a rare earth element and a hole (defect) is introduced at the position of Sr, that is, (Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 ) Bi 2 Ta 2
It has a composition of O 9 . Here, A in the formula represents a rare earth element, □ represents a hole, and x is 0.5 or less. In the following, in the case of lanthanum La as a rare earth element, that is, (Sr 1-x La 2x / 3 □ x / 3 ) Bi 2 Ta
The manufacturing method of 2 O 9 will be described.
【0026】原料粉末としてそれぞれ純度99.99%
の炭酸ストロンチウムSrCO3、酸化ビスマスBi2
O3、酸化タンタルTa2O5および酸化ランタンLa
2O 3を用意し、これらの酸化物、炭酸塩を以下の手順
で処理して試料を作製する。Raw material powders each having a purity of 99.99%
Strontium carbonate SrCOThree, Bismuth oxide BiTwo
OThree, Tantalum oxide TaTwoO5And lanthanum oxide La
TwoO ThreePrepare these oxides and carbonates by the following procedure
To prepare a sample.
【0027】上記の原料粉末を、所定の割合すなわち、
望みの金属モル比になるように秤量した後混合する。こ
の混合は、入れ物(ポリ瓶)に、秤量した原料粉末とジ
ルコニア(ZrO2)ボール(直径5mmと10mmの玉)
を入れ、エタノールを加え、蓋をして、ポリ瓶を回転さ
せることにより、6-12時間混合する。この回転混合中、
重量のあるジルコニアボールがランダムな運動をするこ
とにより原料粉末が均一に混合される。次に乾燥を行
う。この工程では、ロータリーエバポレーターにより混
合した原料粉末を回転させながらエタノールを蒸発させ
る。エタノールの蒸発は、原料粉末の比重の差による沈
降を防ぐためである。The above raw material powder is added in a predetermined ratio, that is,
Weigh to the desired metal molar ratio and mix. This mixing is done by weighing the raw material powder and zirconia (ZrO 2 ) balls (balls with a diameter of 5 mm and 10 mm) in a container (poly bottle).
Mix for 6-12 hours by placing, adding ethanol, capping and rotating the plastic bottle. During this rotary mixing,
The raw material powder is uniformly mixed by randomly moving heavy zirconia balls. Next, it is dried. In this step, ethanol is evaporated while rotating the raw material powders mixed by a rotary evaporator. The evaporation of ethanol is to prevent sedimentation due to the difference in specific gravity of the raw material powder.
【0028】乾燥した混合原料粉末は仮焼処理される。
この工程では、混合原料粉末を空気中もしくは酸素中10
00℃で4-7時間熱処理する。このようにして仮焼した粉
末を、上記の混合工程と同様に、ジルコニアボールとと
もにポリ瓶に入れ、エタノールを加え、6-12時間混合す
る。この工程により、仮焼した粉末はジルコニアボール
により細かく粉砕され粉末化される。その後、この仮焼
粉末は上記の乾燥工程と同様に乾燥処理される。The dried mixed raw material powder is calcined.
In this step, the mixed raw material powder is mixed in air or in oxygen 10
Heat treatment at 00 ℃ for 4-7 hours. The powder thus calcined is placed in a plastic bottle together with zirconia balls in the same manner as in the above mixing step, ethanol is added, and the mixture is mixed for 6-12 hours. By this step, the calcined powder is finely pulverized by the zirconia balls to be pulverized. After that, the calcined powder is dried in the same manner as the above-mentioned drying step.
【0029】乾燥粉末は成型工程により、ペレット状
(直径10mm、厚さ3-5mm)に成形される。この工程で
は、成型器に1-2gの粉末を充填し、50-200MPaの圧力を
かけ、圧粉体(ペレット)を作製する。具体的には一軸
加圧成型で上から粉末試料を100MPa程度の圧力で加圧処
理後、冷間等方加圧成型により200MPaの圧力を加える。
この冷間等方加圧成型はオイルの中に試料ペレットを入
れ、これに等方的に圧力を加える。The dry powder is molded into pellets (diameter 10 mm, thickness 3-5 mm) by a molding process. In this step, a compactor is filled with 1-2 g of powder, and a pressure of 50-200 MPa is applied to produce a compact (pellet). Specifically, a powder sample is pressure-treated from above with a pressure of about 100 MPa by uniaxial pressure molding, and then a pressure of 200 MPa is applied by cold isotropic pressure molding.
In this cold isostatic pressing, a sample pellet is put in oil and isotropically pressurized.
【0030】成形されたペレットは本焼処理される。こ
の工程では、ペレットを空気中もしくは酸素中1200-125
0℃で熱処理され、緻密な焼結体が作製される。得られ
た焼結体の密度は、空気穴のない単結晶の95-99%に達
し、空気穴の率すなわち気孔率は1-5%程度である。上記
熱処理は具体的には、アルミナるつぼの中でペレットを
焼成する。ペレットがるつぼと接触するのを防ぐため、
ペレットと同じ組成の粉末を厚さ数mm程度に敷き詰め、
その上にペレットを置く。さらに、そのペレットの上に
もペレットと同じ組成の粉末をかけ、ペレットを粉末で
包んだ状態で熱処理することにより、ペレット原料の揮
発を防ぐ。The formed pellets are subjected to a main baking treatment. In this step, the pellets are 1200-125 in air or oxygen.
Heat treatment is performed at 0 ° C. to produce a dense sintered body. The density of the obtained sintered body reaches 95-99% of that of a single crystal without air holes, and the air hole ratio, that is, the porosity is about 1-5%. The heat treatment specifically fires the pellets in an alumina crucible. To prevent the pellets from coming into contact with the crucible,
Spread a powder of the same composition as the pellet to a thickness of about several mm,
Put pellets on it. Further, a powder having the same composition as that of the pellet is applied onto the pellet, and the pellet is wrapped with the powder and heat-treated to prevent volatilization of the pellet raw material.
【0031】焼成されたペレットはアニール(焼き鈍
し)工程において、空気中もしくは酸素中において1000
-700℃まで5-10時間かけてゆっくりと冷却される。この
工程によりペレットに含まれる酸素の欠損である酸素空
孔が減少される。The fired pellets are annealed in the air or oxygen in the annealing step.
It is slowly cooled to -700 ℃ over 5-10 hours. This step reduces oxygen vacancies, which are oxygen vacancies contained in the pellet.
【0032】アニールされたペレットは研磨工程におい
て、カーボン粉末を使用して、研磨され、0.1-0.3mmの
厚さにされる。すなわち、ガラスの上にカーボン粉末を
まぶし、水を加え、この上でペレットをこすることによ
り、表面が削られる。The annealed pellets are polished in a polishing process using carbon powder to a thickness of 0.1-0.3 mm. That is, the surface of the glass is scraped by sprinkling carbon powder on glass, adding water, and rubbing the pellets on this.
【0033】研磨されたペレット表裏面に、スパッタ法
により白金もしくは金を100-200nm厚にスパッタし、電
極を形成し、強誘電体素子が完成される。Platinum or gold is sputtered to a thickness of 100-200 nm on the front and back surfaces of the polished pellets to form electrodes to complete a ferroelectric element.
【0034】このように構成された強誘電体素子の電極
間に電界を印加し、その分極特性を測定した結果、図1
に実線で示すようなヒステリシス曲線が得られた。同図
にはまた、比較のために従来のSBT系強誘電体のヒス
テリシス特性を点線で示す。測定した強誘電体は、組成
は、(Sr1−xLa2x/3□x/3)Bi2Ta2O
9において、置換量xが0.5の場合、すなわち、Sr
0.5La0.33Bi2Ta2O9であり、抗電界E
c=20kV/cm、残留分極Pr=8μC/cm2が
得られた。この値は従来のSBT系誘電体、すなわち、
xが0である無置換時のEc(33kV/cm)とPr
(7μC/cm2)の、それぞれ62%、115%に相
当する。すなわち、残留分極をやや増大させると同時
に、抗電界を2/3以下にすることができた。なお、従
来のSBT系強誘電体については、残留分極を大きくす
るため、ビスマスBiを過剰にした組成も研究開発され
ているが、この組成Sr0.73Bi.2.18Ta2
O9での値Ec=45kV/cm、Pr=12μC/c
m2と比較しても、Prは2/3であるが、Ecは45
%と半分以下になっている。An electric field was applied between the electrodes of the ferroelectric element thus constructed and the polarization characteristics were measured.
A hysteresis curve as shown by the solid line was obtained. In the same figure, for comparison, the hysteresis characteristic of the conventional SBT type ferroelectric is shown by a dotted line. The composition of the measured ferroelectric was (Sr 1-x La 2x / 3 □ x / 3 ) Bi 2 Ta 2 O.
9 , the substitution amount x is 0.5, that is, Sr
0.5 La 0.33 Bi 2 Ta 2 O 9 and coercive electric field E
c = 20 kV / cm and remanent polarization Pr = 8 μC / cm 2 were obtained. This value is the value of the conventional SBT dielectric, that is,
Ec (33 kV / cm) and Pr when x is 0 and not substituted
This corresponds to 62% and 115% of (7 μC / cm 2 ), respectively. That is, the coercive electric field could be reduced to ⅔ or less while the residual polarization was slightly increased. Regarding the conventional SBT type ferroelectric, a composition in which bismuth Bi is excessive is researched and developed in order to increase the remanent polarization, but this composition Sr 0.73 Bi . 2.18 Ta 2
Value at O 9 Ec = 45 kV / cm, Pr = 12 μC / c
Compared with m 2 , Pr is 2/3, but Ec is 45.
% And less than half.
【0035】強誘電体では、通常、抗電界を小さくする
と残留分極も小さくなる。上記のように製作した本発明
の強誘電体の結晶構造を解析した結果、強誘電性を発現
する結晶格子の歪には、残留分極に強く関係するものと
抗電界に強く関係するものの2種類があることがわかっ
た。La置換と空孔導入とにより、後者の歪が小さくな
るため、抗電界が減少することが明らかとなった。In a ferroelectric substance, generally, when the coercive electric field is made small, the remanent polarization also becomes small. As a result of analyzing the crystal structure of the ferroelectric substance of the present invention manufactured as described above, there are two types of strain of the crystal lattice that exhibits ferroelectricity, one that is strongly related to the remanent polarization and one that is strongly related to the coercive electric field. I found out that there is. It has been clarified that the coercive electric field is reduced because the latter strain is reduced by the La substitution and the introduction of the holes.
【0036】上記の本発明の強誘電体によれば、抗電界
Ec=20kV/cmが達成できたことにより、この材
料を厚さ100nmの薄膜にすると0.2〜0.3Vでの
分極反転が可能となる。この薄膜をキャパシタ型強誘電
体メモリに用いると1V以下の電源電圧で作動させるこ
とができる。According to the above ferroelectric substance of the present invention, the coercive electric field Ec = 20 kV / cm could be achieved. Therefore, when this material is formed into a thin film having a thickness of 100 nm, polarization reversal at 0.2 to 0.3 V is achieved. Is possible. When this thin film is used in a capacitor type ferroelectric memory, it can be operated with a power supply voltage of 1 V or less.
【0037】また、ICカードや携帯機器用のFeRA
M混載LSIでは、1V以下での低電圧使用により素子
の小型化および低消費電力化が実現できるため、これら
の応用分野でのFeRAMの実用化が進展する。FeRA for IC cards and portable equipment
In the M-embedded LSI, downsizing of the element and reduction of power consumption can be realized by using a low voltage of 1 V or less, so that FeRAM is put into practical use in these application fields.
【0038】なお、上記の実施例における強誘電体の製
造方法は、実験室的に適用できる少量生産に適するもの
であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、大量
生産に適した製造方法も利用できることは言うまでもな
い。The manufacturing method of the ferroelectric substance in the above-mentioned embodiment is suitable for small-scale production which can be applied in the laboratory, but the present invention is not limited to this, and is suitable for mass production. It goes without saying that manufacturing methods can also be used.
【0039】また、上記の実施例においては、(Sr
1−xA2x/3□x/3)Bi2Ta 2O9なる組成
を有する強誘電体について説明したが、Taの一部また
は全部をNbで置換した(Sr1−xA2x/3□
x/3)Bi2(Ta2−yNby)O9なる組成の強誘
電体も同様なヒステリシス特性を有する。Further, in the above embodiment, (Sr
1-xA2x / 3□x / 3) BiTwoTa TwoO9Composition
The ferroelectric substance having is explained, but a part of Ta
Replaced all with Nb (Sr1-xA2x / 3□
x / 3) BiTwo(Ta2-yNby) O9The composition of
The electric body also has a similar hysteresis characteristic.
【0040】この強誘電体は、原料物質として上記実施
例の原料物質に酸化ニオブNb2O 5を加え、上記実施
例と同様に製作することができる。This ferroelectric substance is used as a raw material as described above.
Niobium oxide Nb is used as an example raw material.TwoO 5And add the above
It can be manufactured similarly to the example.
【0041】なお、(Sr1−xA2x/3□x/3)B
i2Ta2O9なる組成を有する強誘電体はメモリ素子
としての用途に適しているが、Taの一部または全部を
Nbで置換した強誘電体は圧電素子としての用途に適し
ている。すなわち、タンタル酸ストロンチウムビスマス
(SrBi2Ta2O9)のTaをNbで置換したSr
Bi2Nb2O9は従来から圧電材料として期待されて
いる。しかしながらこの材料を圧電体へ応用する際の問
題点としては、抗電界Ecが大きいために、ポーリング
(試料内の分極反転)が困難で、この系が持つ圧電性の
能力を引き出せていない。そこで本発明の上記実施例に
おけるように、空孔を伴うLaによりSrを置換すること
によりEcを低下させ、これによってポーリングを容易
とし、圧電特性を向上することができる。この材料はま
た、有害な鉛を含まない非鉛圧電材料として有用であり、
電子機器における鉛の使用を減らすことができるため、
地球環境向上に大きく貢献するという波及効果も得られ
る。It should be noted that (Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 ) B
A ferroelectric having a composition of i 2 Ta 2 O 9 is suitable for use as a memory element, while a ferroelectric in which Ta is partially or wholly replaced with Nb is suitable for use as a piezoelectric element. That is, Sr in which Ta of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) was replaced with Nb
Bi 2 Nb 2 O 9 has been conventionally expected as a piezoelectric material. However, as a problem in applying this material to a piezoelectric body, poling (polarization reversal in the sample) is difficult because the coercive electric field Ec is large, and the piezoelectric ability of this system cannot be derived. Therefore, as in the above-described embodiment of the present invention, by replacing Sr with La accompanied by holes, Ec can be lowered, which can facilitate poling and improve piezoelectric characteristics. This material is also useful as a lead-free piezoelectric material that does not contain harmful lead,
Because it can reduce the use of lead in electronic devices,
The ripple effect of making a large contribution to the improvement of the global environment can also be obtained.
【0042】上記の実施例では、タンタル酸ストロンチ
ウムビスマス(SrBi2Ta2O 9)のSrの一部を
ランタンLaで置換した場合について説明したが、ラン
タンLa以外の希土類元素で置換することにより、種々
のヒステリシス特性、特に、抗電界の値を種々の値に制
御することができる。これらの強誘電体としては、Sr
の一部をネオジウムNd、プラセオジウムPrおよびサ
マリウムSmで置換した強誘電体が得られる。これらの
強誘電体は出発原料が異なるがそれらの製造方法はLa
置換強誘電体の場合とほぼ同じである。従って出発原料
についてのみ以下に説明する。In the above example, strontium tantalate.
Umbismuth (SrBiTwoTaTwoO 9) Sr part of
The case of replacing with the lantern La has been described.
By substituting a rare earth element other than tan La, various
Hysteresis characteristics, especially, the coercive electric field value is controlled to various values.
Can be controlled. These ferroelectrics include Sr
Of neodymium Nd, praseodymium Pr and
A ferroelectric substance obtained by substituting it with malium Sm is obtained. these
Although the starting materials for ferroelectrics are different, the manufacturing method for them is La
It is almost the same as the case of the substitutional ferroelectric. Therefore starting material
Only will be described below.
【0043】先ず、ネオジウムNdで置換する場合に
は、原料粉末として純度99.99%の炭酸ストロンチ
ウムSrCO3、酸化ビスマスBi2O3、酸化タンタ
ルTa 2O5および酸化ネオジウムNd2O3を用い
る。また、これに酸化ニオブNb 2O5を追加してもよ
い。First, when substituting with neodymium Nd
Is 99.99% pure strontium carbonate as raw material powder.
Um SrCOThree, Bismuth oxide BiTwoOThree, Tantalum oxide
Le Ta TwoO5And neodymium oxide NdTwoOThreeUsing
It In addition, niobium oxide Nb TwoO5You can add
Yes.
【0044】次に、プラセオジウムPrで置換する場合
には、原料粉末として純度99.99%の炭酸ストロン
チウムSrCO3、酸化ビスマスBi2O3、酸化タン
タルTa2O5および酸化プラセオジウムPr6O11
を用いる。また、これに酸化ニオブNb2O5を追加し
てもよい。Next, when substituting with praseodymium Pr, as raw material powder, strontium carbonate SrCO 3 having a purity of 99.99%, bismuth oxide Bi 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 and praseodymium Pr 6 O 11 are used.
To use. Further, niobium oxide Nb 2 O 5 may be added thereto.
【0045】さらに、サマリウムSmで置換する場合に
は、原料粉末として純度99.99%の炭酸ストロンチ
ウムSrCO3、酸化ビスマスBi2O3、酸化タンタ
ルTa2O5および酸化サマリウムSm2O3を用い
る。また、これに酸化ニオブNb2O5を追加してもよ
い。Further, when replacing with samarium Sm, strontium carbonate SrCO 3 , bismuth oxide Bi 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 and samarium oxide Sm 2 O 3 having a purity of 99.99% are used as raw material powders. . Further, niobium oxide Nb 2 O 5 may be added thereto.
【0046】これらの原料粉末を用い、前述した実施例
とほぼ同じ手順で製造された強誘電体のヒステリシス特
性を図2に示す。同図および図1から、抗電界の値はラ
ンタンLa、ネオジウムNd(2Ec=58kV/c
m)、サマリウムSm(2Ec=63kV/cm)、プ
ラセオジウムPr(2Ec=74kV/cm)およびセ
リウムCe(2Ec=92kV/cm)の順に大きくな
っている。このようにこれらの誘電体においては、抗電
界の値を28.5〜46kV/cmまで制御することが
できる。FIG. 2 shows the hysteresis characteristic of the ferroelectric substance produced by using these raw material powders in the substantially same procedure as in the above-mentioned embodiment. From the figure and FIG. 1, the values of the coercive electric field are lanthanum La and neodymium Nd (2Ec = 58 kV / c).
m), samarium Sm (2Ec = 63 kV / cm), praseodymium Pr (2Ec = 74 kV / cm), and cerium Ce (2Ec = 92 kV / cm). Thus, in these dielectrics, the value of the coercive electric field can be controlled to 28.5 to 46 kV / cm.
【0047】なお、この実施例においても、組成(Sr
1−xA2x/3□x/3)Bi2Ta2O9における
Taの一部または全部をNbで置換した組成(Sr
1−xA2 x/3□x/3)Bi2(Ta2−yNby)
O9の強誘電体も同様なヒステリシス特性を有する。Also in this embodiment, the composition (Sr
1-x A 2x / 3 □ x / 3 ) Bi 2 Ta 2 O 9 A composition in which part or all of Ta is replaced with Nb (Sr
1-x A 2 x / 3 □ x / 3) Bi 2 (Ta 2-y Nb y)
The ferroelectric substance of O 9 also has similar hysteresis characteristics.
【0048】以上の実施例ではタンタル酸ストロンチウ
ムビスマス(SrBi2Ta2O9)のSrの一部を1
種類の希土類元素で置換した場合について説明したが、
2種類の元素で置換することも可能である。以下ではラ
ンタンLaとNd系の固溶体で置換する実施例について
説明する。In the above embodiment, part of Sr of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) is 1 part.
I explained about the case of replacing with rare earth elements of
It is also possible to substitute with two kinds of elements. An example in which lanthanum La and Nd-based solid solution are substituted will be described below.
【0049】使用する原料粉末はそれぞれ純度99.9
9%の炭酸ストロンチウムSrCO 3、酸化ビスマスB
i2O3、酸化タンタルTa2O5、酸化ランタンLa
2O 3および酸化ネオジウムNd2O3を用意し、これ
らを上記の実施例と同様に、所定の割合に秤量混合、乾
燥、仮焼、混合・粉砕による粉末化、乾燥、成型、本
焼、アニール、研磨、電極形成の各処理を行う。このよ
うにして組成Sr1−x(Lay、Nd1−y)
2x/3□x/3Bi2Ta2O9(xは組成で0.7
以下、yは0〜1、□は空孔)を有する強誘電体が製造
される。The raw material powders used each have a purity of 99.9.
9% strontium carbonate SrCO Three, Bismuth oxide B
iTwoOThree, Tantalum oxide TaTwoO5, Lanthanum oxide La
TwoO ThreeAnd neodymium oxide NdTwoOThreePrepare this
In the same manner as in the above example, weigh and mix them at a predetermined ratio and dry.
Drying, calcination, powdering by mixing and crushing, drying, molding, book
Each process of baking, annealing, polishing, and electrode formation is performed. This
So composition Sr1-x(Lay, Nd1-y)
2x / 3□x / 3BiTwoTaTwoO9(X is the composition of 0.7
Hereinafter, a ferroelectric having y = 0 to 1 and □ is a hole is manufactured.
To be done.
【0050】図3はランタンLaとネオジウムNdとの
組成比yを0〜1の間で変化した場合のヒステリシス特
性を示す。同図から明らかなように、yの値が増加する
とともに抗電界の値が増加している。FIG. 3 shows hysteresis characteristics when the composition ratio y of lanthanum La and neodymium Nd is changed between 0 and 1. As is clear from the figure, the value of the coercive electric field increases as the value of y increases.
【0051】なお、この実施例においても、組成Sr
1−x(Lay、Nd1−y)2x/ 3□x/3Bi2
Ta2O9におけるTaの一部または全部をNbで置換
した組成Sr1−x(Lay、Nd1−y)2x/3□
x/3Bi2(Ta2−yNb y)O9の強誘電体も同様
なヒステリシス特性を有する。In this embodiment also, the composition Sr
1-x(Lay, Nd1-y)2x / Three□x / 3BiTwo
TaTwoO9Substitute all or part of Ta in Nb with Nb
Composition Sr1-x(Lay, Nd1-y)2x / 3□
x / 3BiTwo(Ta2-yNb y) O9The same for ferroelectrics
It has excellent hysteresis characteristics.
【0052】なお、以上の実施例においては、タンタル
酸ストロンチウムビスマス(SrBi2Ta2O9)の
Srの一部を希土類元素AおよびビスマスBiで置換
し、化学組成が一般式Sr1−x(A+Bi)2x/3
□x/3Bi2Ta2O9(0.01≦x≦0.7)で
表される化学組成を有するビスマス層状構造強誘電体と
してもよい。このような強誘電体は、図4に1例を示す
ように、大きな残留分極Prを維持しながら抗電界を種
々の値に制御することができる。同図の強誘電体の組成
はSr0.5La0.15Bi0.18Bi2Ta2O
9で表される。In the above examples, a part of Sr of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) is replaced with the rare earth element A and bismuth Bi, and the chemical composition is represented by the general formula Sr 1-x ( A + Bi) 2x / 3
□ A bismuth layer structure ferroelectric having a chemical composition represented by x / 3 Bi 2 Ta 2 O 9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7) may be used. Such a ferroelectric material can control the coercive electric field to various values while maintaining a large remanent polarization Pr, as shown in FIG. The composition of the ferroelectric substance in the figure is Sr 0.5 La 0.15 Bi 0.18 Bi 2 Ta 2 O.
Represented by 9 .
【0053】さらに以上の実施例においては、タンタル
酸ストロンチウムビスマス(SrBi2Ta2O9)の
Srの一部を希土類元素Aで置換するとともに、Taを
Nbで置換してもよい。Further, in the above embodiments, part of Sr of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) may be replaced with the rare earth element A and Ta may be replaced with Nb.
【0054】さらに以上の実施例においては、本発明の
ビスマス層状構造強誘電体は、バルク状に成型する実施
形態について説明したが、本発明はこのような形態に限
定されるものではなく、メモリ素子に応用する場合には、
半導体基板上に薄膜状に形成することもできる。以下ゾ
ルゲル法による薄膜製造方法について簡単に説明する。Further, in the above embodiments, the bismuth layered structure ferroelectric substance of the present invention is described as an embodiment in which it is molded in a bulk shape, but the present invention is not limited to such a form, and a memory When applied to devices,
It can also be formed as a thin film on a semiconductor substrate. The thin film manufacturing method by the sol-gel method will be briefly described below.
【0055】原料として次の金属アルコキシドである、
ストロンチウムアルコキシドSr(OiPr)2、ビス
マスアルコキシドBi(OnBu)3、タンタルアルコ
キシドTa(OEt)5、ランタンアルコキシドLa
(OnBu)3を所定の割合でメトキシプロパノール溶
媒に溶解し、0.1から1mol/Kgの金属アルコキ
シド溶液を作製する。また、溶液を安定化させるため
に、含有金属1モルに対し、アセチルアセトンを0から
2モル程度加える。The following metal alkoxides are used as raw materials,
Strontium alkoxide Sr (OiPr) 2 , bismuth alkoxide Bi (OnBu) 3 , tantalum alkoxide Ta (OEt) 5 , lanthanum alkoxide La
(OnBu) 3 is dissolved in a methoxypropanol solvent at a predetermined ratio to prepare a metal alkoxide solution of 0.1 to 1 mol / Kg. Further, in order to stabilize the solution, about 0 to 2 mol of acetylacetone is added to 1 mol of the contained metal.
【0056】次に、上記溶液に、含有金属1モルに対
し、水を0から2モル程度加え、部分的に加水分解およ
び重縮合反応を起こさせ、ストック溶液(ゾル)を得
る。なお、ここで水を加えない場合は、次のスピンコー
ト工程の後、空気中の水分により加水分解および重縮合
反応を起こさせる。Then, about 0 to 2 mol of water is added to the above solution with respect to 1 mol of the contained metal to cause partial hydrolysis and polycondensation reaction to obtain a stock solution (sol). When water is not added here, hydrolysis and polycondensation reactions are caused by water in the air after the next spin coating step.
【0057】上記ストック溶液はSi単結晶基板上にス
ピンコートにより膜状に付着されゲル化される。すなわ
ちこのスピンコートは、Pt電極をコートしたSi基板
(Si単結晶基板の上にSiO2層が約500nm、そ
の上にTi薄膜を約500nm、その上にPt薄膜を約
200nm堆積させたもの)を、毎分回転数200〜4
000rpm(一分間の回転数)で回転させた状態で、
ストック溶液を滴下しゲル化させる。The above stock solution is spin-coated on a Si single crystal substrate to form a film, which is gelled. That is, this spin coating was carried out on a Si substrate coated with a Pt electrode (a SiO 2 layer having a thickness of about 500 nm, a Ti thin film having a thickness of about 500 nm, and a Pt thin film having a thickness of about 200 nm deposited thereon). Rotation speed per minute 200-4
While rotating at 000 rpm (the number of rotations per minute),
The stock solution is dropped and gelled.
【0058】スピンコートした薄膜は、乾燥工程におい
て、ホットプレート上にて50〜400℃まで徐々に温
度を上げながら乾燥させる。具体的には、60℃で2分
間相互、80℃で2分、120℃で2分、250℃で2
分、400度で2分乾燥する。In the drying step, the spin-coated thin film is dried while gradually raising the temperature to 50 to 400 ° C. on a hot plate. Specifically, 2 minutes at 60 ° C, 2 minutes at 80 ° C, 2 minutes at 120 ° C, 2 minutes at 250 ° C.
Min., Dry at 400 degrees for 2 minutes.
【0059】乾燥した薄膜は、あらかじめ温度600〜
800℃に保たれた電気炉に挿入し、酸素中にて1〜6
0分程度保持し、焼成(急速熱アニール)する。この焼
成は、室温から約10秒程度で熱処理温度まで上昇させ
る。また、急速熱アニール装置により、赤外線を照射す
ることで同様な焼成を行う場合もある。The dried thin film has a temperature of 600-
Insert in an electric furnace kept at 800 ℃, and in oxygen 1-6
Hold for about 0 minutes and perform firing (rapid thermal annealing). This firing raises the temperature from room temperature to the heat treatment temperature in about 10 seconds. Further, similar firing may be performed by irradiating infrared rays with a rapid thermal annealing device.
【0060】目的の厚さ(10から300nm程度)の
薄膜を得るためには、上記のスピンコートから焼成まで
の工程を繰り返す。In order to obtain a thin film having a target thickness (about 10 to 300 nm), the above steps from spin coating to firing are repeated.
【0061】焼成後の薄膜表面に、スパッタ法により白
金もしくは金を100−200nm厚の薄膜を試料上に
スパッタし、電極とする。On the surface of the thin film after firing, platinum or gold is sputtered on the sample to form a thin film having a thickness of 100 to 200 nm as an electrode.
【0062】電極を付けた薄膜を、焼成と同様にして酸
素中600〜800℃にて5〜30分程度アニールし薄
膜を得る。The thin film to which the electrode is attached is annealed in oxygen at 600 to 800 ° C. for about 5 to 30 minutes in the same manner as firing to obtain a thin film.
【0063】以上のように、タンタル酸ストロンチウム
ビスマス(SrBi2Ta2O9)のSrの一部を希土
類元素で置換するに際して、希土類元素を選択して製造
することにより、矩形性が良好な分極特性とともに適度
に大きい抗電界が達成できる。このため、このような強
誘電体を選択することにより、強誘電体ゲートFETメ
モリの実現が可能となる。As described above, when substituting a part of Sr of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) with a rare earth element, the rare earth element is selected and manufactured, and thereby polarization with good rectangularity is obtained. A moderately large coercive electric field can be achieved together with the characteristics. Therefore, by selecting such a ferroelectric substance, a ferroelectric gate FET memory can be realized.
【0064】また、幅広い範囲で抗電界を制御できるた
め、アクチュエータ素子などの圧電・電歪素子の分野で
も、低電圧駆動型から高電圧駆動高出力型まで特性を広
い範囲で選択することが可能となる。これによりこれま
で実現されていなかったBLSFの特徴を生かした種々
の応用が実用化できる。Since the coercive electric field can be controlled in a wide range, the characteristics can be selected in a wide range from low voltage drive type to high voltage drive high output type even in the field of piezoelectric / electrostrictive elements such as actuator elements. Becomes As a result, various applications can be put to practical use by making use of the features of BLSF that have not been realized so far.
【0065】[0065]
【発明の効果】以上説明した本発明のビスマス層状構造
強誘電体は、希土類元素を選択して製造することによ
り、矩形性が良好な分極特性とともに適度に大きい抗電
界が達成できるため、強誘電体ゲートFETメモリの実現
が可能となる。EFFECTS OF THE INVENTION The bismuth layered structure ferroelectric material of the present invention described above can be manufactured by selecting rare earth elements, and can achieve a moderately large coercive electric field with good rectangular polarization characteristics. Realization of body gate FET memory becomes possible.
【0066】また、幅広い範囲で抗電界を制御できるた
め、アクチュエータ素子などの圧電・電歪素子の分野で
も、低電圧駆動型から高電圧駆動高出力型まで特性を広
い範囲で選択することが可能となる。これによりこれま
で実現されていなかったBLSFの特徴を生かした応用
が実用化される。Since the coercive electric field can be controlled in a wide range, the characteristics can be selected in a wide range from low voltage drive type to high voltage drive high output type even in the field of piezoelectric / electrostrictive elements such as actuator elements. Becomes As a result, applications that make the most of the features of BLSF that have not been realized so far are put to practical use.
【図1】本発明の強誘電体素子の分極特性を従来のSB
T系強誘電体の特性と対比して示すヒステリシス曲線で
ある。FIG. 1 shows the polarization characteristics of the ferroelectric element of the present invention as compared with the conventional SB.
It is a hysteresis curve shown in comparison with the characteristics of a T-based ferroelectric.
【図2】本発明の他の実施形態である強誘電体素子の分
極特性を従来のSBT系強誘電体の特性と対比して示す
ヒステリシス曲線である。FIG. 2 is a hysteresis curve showing polarization characteristics of a ferroelectric element according to another embodiment of the present invention in comparison with characteristics of a conventional SBT type ferroelectric.
【図3】本発明のさらに他の実施形態である強誘電体素
子の分極特性を示すヒステリシス曲線である。FIG. 3 is a hysteresis curve showing polarization characteristics of a ferroelectric element that is still another embodiment of the present invention.
【図4】本発明のさらに他の実施形態である強誘電体素
子の分極特性を従来のSBT系強誘電体の特性と対比し
て示すヒステリシス曲線である。FIG. 4 is a hysteresis curve showing polarization characteristics of a ferroelectric element according to still another embodiment of the present invention in comparison with characteristics of a conventional SBT type ferroelectric.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G030 AA09 AA11 AA13 AA20 AA21 AA43 BA10 CA01 CA08 GA03 GA04 GA08 GA10 GA20 GA22 GA25 GA27 GA33 5F083 FR01 GA05 JA17 JA38 JA39 PR33 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 4G030 AA09 AA11 AA13 AA20 AA21 AA43 BA10 CA01 CA08 GA03 GA04 GA08 GA10 GA20 GA22 GA25 GA27 GA33 5F083 FR01 GA05 JA17 JA38 JA39 PR33
Claims (14)
rBi2Ta2O9)のSrの一部を希土類元素Aで置
換するとともに、Srの位置に空孔□が導入され、化学組
成が一般式Sr1−xA2x/3□x/3Bi2Ta2
O9(0.01≦x≦0.7)で表される化学組成を有
することを特徴とするビスマス層状構造強誘電体。1. Strontium bismuth tantalate (S
A part of Sr of rBi 2 Ta 2 O 9 ) is replaced with a rare earth element A, and a void □ is introduced at the position of Sr, and the chemical composition is represented by the general formula Sr 1-x A 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2
A bismuth layered structure ferroelectric having a chemical composition represented by O 9 (0.01 ≦ x ≦ 0.7).
オジウムNd、プラセオジウムPrおよびサマリウムS
mからなる群から選ばれた1つまたは複数の元素である
ことを特徴とする請求項1記載のビスマス層状構造強誘
電体。2. The rare earth element A is lanthanum La, neodymium Nd, praseodymium Pr and samarium S.
2. The bismuth layered structure ferroelectric substance according to claim 1, which is one or more elements selected from the group consisting of m.
びネオジウムNdであることを特徴とする請求項2記載
のビスマス層状構造強誘電体。3. The bismuth layered structure ferroelectric substance according to claim 2, wherein the rare earth element A is lanthanum La and neodymium Nd.
rBi2Ta2O9)のSrの一部を希土類元素Aおよ
びビスマスBiで置換するとともに、Srの位置に空孔
□が導入され、化学組成が一般式Sr1−x(A+B
i)2x/3□x /3Bi2Ta2O9(0.01≦x
≦0.7)で表される化学組成を有することを特徴とす
るビスマス層状構造強誘電体。4. Strontium bismuth tantalate (S
A part of Sr of rBi 2 Ta 2 O 9 ) is replaced by the rare earth element A and bismuth Bi, and a hole □ is introduced at the position of Sr, and the chemical composition is represented by the general formula Sr 1-x (A + B
i) 2x / 3 □ x / 3 Bi 2 Ta 2 O 9 (0.01 ≦ x
A bismuth layered structure ferroelectric having a chemical composition represented by ≦ 0.7).
オジウムNd、プラセオジウムPrおよびサマリウムS
mからなる群から選ばれた1つまたは複数の元素である
ことを特徴とする請求項4記載のビスマス層状構造強誘
電体。5. The rare earth element A is lanthanum La, neodymium Nd, praseodymium Pr and samarium S.
The bismuth layered structure ferroelectric substance according to claim 4, which is one or more elements selected from the group consisting of m.
びネオジウムNdであることを特徴とする請求項5記載
のビスマス層状構造強誘電体。6. The bismuth layered structure ferroelectric substance according to claim 5, wherein the rare earth element A is lanthanum La and neodymium Nd.
一部がニオブNbで置換されることを特徴とする請求項
1乃至6のいずれかに記載のビスマス層状構造強誘電
体。7. The bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 1, wherein Ta in the general formula is wholly or partially substituted with niobium Nb.
たビスマス層状構造強誘電体を用いたメモリ素子。8. A memory device using the bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 1. Description:
構造強誘電体を用いた圧電・電歪素子。9. A piezoelectric / electrostrictive element using the bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 7. Description:
ビスマスBi2O3、酸化タンタルTa2O5および希
土類元素の酸化物を含む原料粉末を混合する工程と、混
合された原料粉末を仮焼処理する工程と、仮焼された原
料粉末を粉砕して粉末化する工程と、この粉末化された
原料粉末を冷間等方加圧成型によりペレット状に成型す
る工程と、成形されたペレットを本焼処理する工程と、
焼成されたペレットを焼き鈍しするアニール工程とを備
えたことを特徴とする請求項1記載のビスマス層状構造
強誘電体の製造方法。10. A step of mixing a raw material powder containing strontium carbonate SrCO 3 , bismuth oxide Bi 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 and an oxide of a rare earth element, and a step of calcining the mixed raw material powder. And a step of crushing the calcined raw material powder into powder, a step of molding the powdered raw material powder into pellets by cold isostatic pressing, and a main-baking treatment of the formed pellets. And the process of
The method for manufacturing a bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 1, further comprising an annealing step of annealing the fired pellets.
タンLa2O3、酸化ネオジウムNd2O3、酸化プラ
セオジウムPr6O11および酸化サマリウムSm2O
3からなる群から選ばれた1つまたは複数の原料粉末で
あることを特徴とする請求項10記載のビスマス層状構
造強誘電体の製造方法。11. The rare earth oxide includes lanthanum oxide La 2 O 3 , neodymium oxide Nd 2 O 3 , praseodymium oxide Pr 6 O 11 and samarium oxide Sm 2 O.
11. The method for producing a bismuth layered structure ferroelectric substance according to claim 10, which is one or a plurality of raw material powders selected from the group consisting of 3 .
ビスマスBi2O3、酸化タンタルTa2O5、酸化ニ
オブNb2O5および希土類元素の酸化物を含む原料粉
末を混合する工程と、混合された原料粉末を仮焼処理す
る工程と、仮焼された原料粉末を粉砕して粉末化する工
程と、この粉末化された原料粉末を冷間等方加圧成型に
よりペレット状に成型する工程と、成形されたペレット
を本焼処理する工程と、焼成されたペレットを焼き鈍し
するアニール工程とを備えたことを特徴とする請求項4
記載のビスマス層状構造強誘電体の製造方法。12. A step of mixing raw material powders containing strontium carbonate SrCO 3 , bismuth oxide Bi 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 , niobium oxide Nb 2 O 5 and an oxide of a rare earth element, and the mixed raw materials. A step of calcining the powder, a step of crushing the calcined raw material powder into a powder, a step of molding the powdered raw material powder into a pellet by cold isostatic pressing, 5. The method according to claim 4, further comprising a step of subjecting the fired pellets to a main firing treatment and an annealing step of annealing the fired pellets.
A method for producing the bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 1.
タンLa2O3、酸化ネオジウムNd2O3、酸化プラ
セオジウムPr6O11および酸化サマリウムSm2O
3からなる群から選ばれた1つまたは複数の原料粉末で
あることを特徴とする請求項12記載のビスマス層状構
造強誘電体の製造方法。13. The rare earth oxide is lanthanum oxide La 2 O 3 , neodymium oxide Nd 2 O 3 , praseodymium oxide Pr 6 O 11 and samarium oxide Sm 2 O.
13. The method for producing a bismuth layered structure ferroelectric material according to claim 12, wherein the raw material powder is one or more raw material powders selected from the group consisting of 3 .
iPr)2、ビスマスアルコキシドBi(OnBu)3、
タンタルアルコキシドTa(OEt)5、ランタンアル
コキシドLa(OnBu)3を所定の割合で溶媒に溶解
し、金属アルコキシド溶液を得る工程と、この金属アル
コキシド溶液に加水分解および重縮合反応を起こさせ、
ストック溶液を得る工程と、このストック溶液を半導体
基板上にスピンコートする工程と、スピンコートした薄
膜を乾燥する工程と、乾燥した薄膜を焼成する工程とを
備えたことを特徴とするビスマス層状構造強誘電体の製
造方法。14. A strontium alkoxide Sr (O
iPr) 2 , bismuth alkoxide Bi (OnBu) 3 ,
A step of dissolving tantalum alkoxide Ta (OEt) 5 and lanthanum alkoxide La (OnBu) 3 in a solvent at a predetermined ratio to obtain a metal alkoxide solution, and causing the metal alkoxide solution to undergo a hydrolysis and polycondensation reaction,
A bismuth layered structure comprising a step of obtaining a stock solution, a step of spin-coating the stock solution on a semiconductor substrate, a step of drying the spin-coated thin film, and a step of baking the dried thin film. Ferroelectric manufacturing method.
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