JP3275448B2 - Preparation method of lead-based ferroelectric thin film - Google Patents

Preparation method of lead-based ferroelectric thin film

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JP3275448B2
JP3275448B2 JP11968393A JP11968393A JP3275448B2 JP 3275448 B2 JP3275448 B2 JP 3275448B2 JP 11968393 A JP11968393 A JP 11968393A JP 11968393 A JP11968393 A JP 11968393A JP 3275448 B2 JP3275448 B2 JP 3275448B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、チタン酸鉛(PT)、
チタンジルコン酸鉛(PZT)、ランタン含有チタンジ
ルコン酸鉛(PLZT)、或いは他の第三成分を含むチ
タンジルコン酸鉛などの、鉛とチタンを含有し、ペロブ
スカイト型結晶構造をとる、鉛系強誘電体薄膜とその作
製方法に関する。
The present invention relates to lead titanate (PT),
A lead-based alloy containing lead and titanium and having a perovskite crystal structure, such as lead titanium zirconate (PZT), lanthanum-containing lead zirconate titanium (PLZT), or lead titanium zirconate containing another third component. The present invention relates to a dielectric thin film and a method for manufacturing the same.

【0002】より具体的には、結晶粒が微細で均一であ
り、従って、薄膜全体にわたって特性や表面性状 (表面
モフォロジー) が均質化された、均質性に優れた鉛系強
誘電体薄膜とその作製方法に関する。本発明はまた、こ
の鉛系強誘電体薄膜作製に用いる基板にも関する。
More specifically, a lead-based ferroelectric thin film having excellent homogeneity, in which crystal grains are fine and uniform, so that properties and surface properties (surface morphology) are homogenized throughout the thin film, and It relates to a manufacturing method. The present invention also relates to a substrate used for producing the lead-based ferroelectric thin film.

【0003】[0003]

【従来の技術】鉛系強誘電体薄膜は、その電気的・光学
的物性により、メモリー素子、キャパシター膜、光導波
路、光学素子などの種々の機能を果たすことができ、デ
バイス構造に欠かすことができない構成要素となってき
ている。このための鉛系強誘電体薄膜に必須の特性とし
て、表面が平坦であり、各種の特性が薄膜全体にわたっ
て均一であることが、マイクロデバイスの構造上不可欠
である。
2. Description of the Related Art Lead-based ferroelectric thin films can perform various functions such as memory elements, capacitor films, optical waveguides, and optical elements due to their electrical and optical properties, and are indispensable for device structures. It is becoming a component that cannot be done. As the essential characteristics of the lead-based ferroelectric thin film for this purpose, it is essential for the structure of the micro device that the surface is flat and various characteristics are uniform throughout the thin film.

【0004】鉛系強誘電体薄膜は、CVD (化学蒸着)
、スパッタリング、ゾルゲル法などの適当な薄膜形成
方法を用いて、目的とする組成となるように基板上に成
膜し、この成膜中 (CVD、スパッタリングの場合)
か、成膜後 (ゾルゲル法の場合)に基板を加熱して薄膜
を結晶化させることにより一般に作製される。基板の加
熱による結晶化は、薄膜を完全にペロブスカイト型結晶
構造に転移させるのに必要であり、この加熱を行わない
と所定の強誘電特性を発揮することができない。
[0004] Lead-based ferroelectric thin films are formed by CVD (chemical vapor deposition).
Using a suitable thin film forming method such as sputtering, sol-gel method, etc., a film is formed on a substrate so as to have a desired composition, and during this film formation (in the case of CVD or sputtering)
Alternatively, it is generally produced by heating a substrate after film formation (in the case of a sol-gel method) to crystallize a thin film. Crystallization by heating the substrate is necessary for completely transforming the thin film into a perovskite-type crystal structure, and without this heating, it is not possible to exhibit predetermined ferroelectric properties.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】この基板の加熱中に、
比較的融点が低い酸化鉛 (PbO)が薄膜から揮発したり、
下地の基板中に拡散する傾向があり、そのために加熱に
よる結晶化後の薄膜に鉛欠損を生ずることが知られてい
る。この鉛欠損を回避するために、従来は過剰のPb成分
を添加して成膜していた。
During the heating of the substrate,
Lead oxide (PbO) with a relatively low melting point volatilizes from the thin film,
It is known that it tends to diffuse into the underlying substrate, which causes lead deficiency in the thin film after crystallization by heating. In order to avoid this lead deficiency, conventionally, an excessive Pb component was added to form a film.

【0006】しかし、鉛欠損を避けるために過剰のPb成
分を添加するという対症療法的な対策では、局部的な鉛
過剰領域や鉛欠損領域が生ずることが避けられない。そ
のため、局部的に結晶化が阻害され、結晶化が不完全な
部分が共存するために、表面に凹凸が形成されたり、或
いは結晶系や結晶性の差異によって特性が異なる部分が
形成され、表面性状の劣化と膜特性の不均一化を生じて
いた。また、従来の鉛系強誘電体薄膜は、一般に結晶粒
の平均粒子径が3000Å以上と大きく、この点でも薄膜表
面の均質性が劣っていた。
However, in the symptomatic treatment of adding an excessive Pb component to avoid lead deficiency, it is inevitable that a local lead excess region or a lead deficiency region occurs. For this reason, crystallization is locally inhibited, and incompletely crystallized portions coexist, so that irregularities are formed on the surface, or portions with different characteristics due to differences in crystal system and crystallinity are formed, and Deterioration of properties and non-uniformity of film characteristics were caused. In addition, the conventional lead-based ferroelectric thin film generally has a large average crystal grain size of 3,000 mm or more, and also in this respect, the uniformity of the thin film surface is poor.

【0007】本発明の目的は、結晶が微細で均一であ
り、表面が平坦で表面性状に優れ、薄膜全体にわたって
特性が均一な、均質性に優れた鉛系強誘電体薄膜の作製
方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for producing a lead-based ferroelectric thin film having fine and uniform crystals, a flat surface, excellent surface properties, uniform properties over the entire thin film, and excellent homogeneity. It is to be.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のために
は、表面性状の劣化や膜特性の不均一化を引き起こす原
因である、成膜中または成膜後の加熱による薄膜中のPb
O の損失を防止することが根本的な解決策となる。本発
明者らは、この観点から研究を進めた結果、成膜前の基
板の表面に結晶核としてTiを含有する物質を存在させて
おくと、結晶化のための加熱において、PbO の拡散があ
る程度防止でき、揮発が起こる前に目的とするペロブス
カイト型構造への結晶化を生じさせて、凹凸がなく表面
性状に優れ、全体に特性が均一で、微細結晶からなる鉛
系強誘電体薄膜を作製できることを見出した。
In order to achieve the above object, it is necessary to reduce Pb in a thin film by heating during or after film formation, which is a cause of deterioration of surface properties and unevenness of film characteristics.
Preventing O loss is the fundamental solution. The present inventors have conducted research from this point of view.As a result, if a substance containing Ti as a crystal nucleus is present on the surface of the substrate before film formation, diffusion of PbO 2 during heating for crystallization will occur. It can prevent to some extent, and crystallizes into the target perovskite type structure before volatilization occurs, forming a lead-based ferroelectric thin film composed of fine crystals with excellent surface properties without unevenness, uniform properties throughout, and fine crystals. It was found that it can be produced.

【0009】ここに、本発明は、基板上に外部からの原
料供給によって成膜し、成膜中または成膜後に薄膜結晶
化のための基板の加熱を行う鉛系強誘電体薄膜の作製方
法において、Pbを含有せず、Tiを金属または酸化物とし
て含有する厚み30Å以下のTi含有層を基板表面に形成し
てから成膜を行うことを特徴とする、鉛系強誘電体薄膜
の作製方法を要旨とする。
Here, the present invention provides a method for producing a lead-based ferroelectric thin film in which a film is formed on a substrate by supplying a raw material from the outside, and the substrate is heated during or after the film formation for thin film crystallization. Forming a Ti-containing layer having a thickness of 30 mm or less that does not contain Pb and contains Ti as a metal or oxide on a substrate surface, and then deposits the film, characterized in that: The method is summarized.

【0010】別の側面では、本発明は、最上層にPt層、
その下にTi層を有する多層基板上に外部からの原料供給
によって成膜し、成膜中または成膜後に薄膜結晶化のた
めの基板の加熱を行う鉛系強誘電体薄膜の作製方法にお
いて、成膜前に該多層基板を焼成して、Pt層中にTiを拡
散させることにより、Pt層表面にTiまたは TiO x を出現
させることを特徴とする、鉛系強誘電体薄膜の作製方法
である。本発明によればさらに、Pbを含有せず、Tiを金
属または酸化物として含有する厚み30Å以下のTi含有層
を表面に有している、鉛系強誘電体薄膜作製用の基板も
提供される。
[0010] In another aspect , the invention provides a Pt layer on top,
Raw material supply from outside onto a multilayer substrate with a Ti layer underneath
During or after film formation.
Method for producing a lead-based ferroelectric thin film by heating the substrate
Then, the multilayer substrate is baked before film formation to spread Ti in the Pt layer.
Ti or TiO x on the surface of Pt layer
Method for producing lead-based ferroelectric thin film
It is. According to the present invention, there is further provided a substrate for producing a lead-based ferroelectric thin film, which has a Ti-containing layer having a thickness of 30 mm or less that does not contain Pb and contains Ti as a metal or oxide. You.

【0011】本発明において「基板」とは、その表面に
鉛系強誘電体薄膜が形成される物体を意味する。基板は
単一構造 (1層型) のものであっても、或いは基板上に
各種の層が形成された多層構造物であってもよい。基板
の種類は特に制限されず、その強誘電体薄膜の用途に応
じて選択される。
In the present invention, "substrate" means an object on which a lead-based ferroelectric thin film is formed. The substrate may have a single structure (single-layer type) or a multilayer structure in which various layers are formed on the substrate. The type of the substrate is not particularly limited, and is selected according to the use of the ferroelectric thin film.

【0012】例えば、用途が強誘電体の自発分極を利用
した不揮発性RAM (ランダムアクセスメモリー) であ
る場合、強誘電体薄膜が形成される基板として、シリコ
ン基体上にバッファー層としてシリカ(SiO2)層とTi層を
有し、その上にさらに白金電極層が形成された、Pt/Ti/
SiO2/Si という構成の多層構造物が例示される。SiO2
とTi層との間にさらにTa層が介在する場合もある。
For example, when the application is a non-volatile RAM (random access memory) utilizing spontaneous polarization of a ferroelectric, a silica (SiO 2) is used as a buffer layer on a silicon substrate as a substrate on which a ferroelectric thin film is formed. ) Layer and a Ti layer, on which a platinum electrode layer is further formed, Pt / Ti /
A multilayer structure having a structure of SiO 2 / Si is exemplified. In some cases, a Ta layer is further interposed between the SiO 2 layer and the Ti layer.

【0013】従来は、この基板の白金電極層の上に直
接、CVD、スパッタリング、ゾルゲル法などの方法に
より外部より原料を供給して、鉛系強誘電体薄膜を作製
していた。
Conventionally, a lead-based ferroelectric thin film has been manufactured by directly supplying a raw material from the outside onto the platinum electrode layer of this substrate by a method such as CVD, sputtering, or a sol-gel method.

【0014】本発明によれば、結晶核として作用させる
ために、成膜前に基板の表面にTi含有層を形成する。こ
こで、基板表面とは、鉛系強誘電体薄膜を作製する側の
基板の表面 (成膜側表面) を意味する。
According to the present invention, a Ti-containing layer is formed on the surface of a substrate before film formation in order to function as a crystal nucleus. Here, the substrate surface means the surface of the substrate on which the lead-based ferroelectric thin film is to be prepared (the surface on the film formation side).

【0015】基板表面に形成するTi含有層は、Pbを含有
せず、Tiを金属チタンまたはチタン酸化物として含有す
るものであれば、その組成は特に制限されない。チタン
酸化物は、酸化チタンでも、或いは酸化チタンを含む複
合酸化物でもよい。Ti含有層の組成としては、Ti、 TiO
x (xは 1〜6)、SrTiO3、BaTiO3、 (BaySr1-y)TiO3(yは
1〜9) などが例示される。
The composition of the Ti-containing layer formed on the substrate surface is not particularly limited as long as it does not contain Pb and contains Ti as titanium metal or titanium oxide. The titanium oxide may be titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide. The composition of the Ti-containing layer is Ti, TiO
x (x is 1 to 6), SrTiO 3 , BaTiO 3 , (Ba y Sr 1-y ) TiO 3 (y is 1 to 9) and the like are exemplified.

【0016】Ti含有層の形成方法も特に制限されず、数
Å以上の厚みでTiまたはTi酸化物層を形成できる任意の
方法を採用することができる。このTi含有層の厚みの上
限は特に制限されないが、一般には30Å以下で十分であ
る。厚くしすぎるのは不経済であるばかりでなく、Tiや
TiOx の場合には強誘電体薄膜の特性を変化させる恐れ
もあるので好ましくない。但し、Ti含有層自体が鉛系強
誘電体座と同一の結晶構造を持つ高誘電率材料 (例、Sr
TiO3など) 或いは強誘電体材料である場合には、Ti含有
層が厚くなっても (例、数百Å) 、誘電特性への影響は
あまりない。Ti含有層は結晶核として作用させるための
ものであるので、基板を完全に被覆する必要はなく、均
一に基板表面に分布していれば不連続であってもよい。
The method for forming the Ti-containing layer is not particularly limited, and any method capable of forming a Ti or Ti oxide layer with a thickness of several mm or more can be adopted. The upper limit of the thickness of the Ti-containing layer is not particularly limited, but generally 30 ° or less is sufficient. Too thick is not only uneconomical, but also
TiO x is not preferred because it may change the characteristics of the ferroelectric thin film. However, a high dielectric constant material in which the Ti-containing layer itself has the same crystal structure as the lead-based ferroelectric seat (e.g., Sr
In the case of TiO 3 or a ferroelectric material, even if the thickness of the Ti-containing layer is large (eg, several hundred square meters), there is little effect on the dielectric properties. Since the Ti-containing layer serves to act as a crystal nucleus, it is not necessary to completely cover the substrate, and the Ti-containing layer may be discontinuous as long as it is uniformly distributed on the substrate surface.

【0017】基板表面へのTi含有層の形成は、例えば、
次の方法によって実施できる。 Pt/Ti/SiO2/Si 、Pt/Ti/Ta/SiO2/Siといった、Pt/Ti
層を表層側に有する多層構造の基板を焼成して、Pt層中
にTiを拡散させ、Pt層表面にTiまたは TiOx を出現させ
たもの。焼成温度は 550〜650 ℃の範囲内が好ましい。
焼成時間は温度によっても異なるが15〜60分程度であ
る。具体的な焼成条件は基板の構造によっても異なるの
で、焼成→薄膜形成→熱処理の実験を繰り返して最適条
件を決定すればよい。焼成を空気中 (または他の酸化性
雰囲気中) で行えば表面に TiOx が出現し、還元性雰囲
気または不活性雰囲気で焼成すれば表面にTiが出現す
る。
The formation of the Ti-containing layer on the substrate surface is performed, for example, by
It can be performed by the following method. Pt / Ti such as Pt / Ti / SiO 2 / Si and Pt / Ti / Ta / SiO 2 / Si
A substrate with a multilayer structure having a layer on the surface side, which is baked to diffuse Ti into the Pt layer and allow Ti or TiO x to appear on the surface of the Pt layer. The firing temperature is preferably in the range of 550 to 650 ° C.
The firing time varies depending on the temperature, but is about 15 to 60 minutes. Since the specific firing conditions vary depending on the structure of the substrate, the optimum conditions may be determined by repeating experiments of firing → thin film formation → heat treatment. If calcination is performed in air (or in other oxidizing atmospheres), TiO x will appear on the surface, and if calcination is performed in a reducing or inert atmosphere, Ti will appear on the surface.

【0018】真空蒸着法、電子ビーム蒸着法等により
基板表面にTi層を形成したもの。 CVD法、スパッタリング法、ゾルゲル法等によりチ
タン酸化物層を基板表面に形成したもの。このチタン酸
化物層は、非晶質であっても、或いは加熱により結晶化
させたものであってもよい。
A device in which a Ti layer is formed on a substrate surface by a vacuum evaporation method, an electron beam evaporation method, or the like. A titanium oxide layer formed on a substrate surface by a CVD method, a sputtering method, a sol-gel method, or the like. This titanium oxide layer may be amorphous or crystallized by heating.

【0019】との方法によるTi含有層の形成はいず
れも公知手法により実施できるが、上述したようにTi含
有層は極薄でよいので、条件をそのように選定する。例
えば、蒸着、CVD、スパッタリングでは処理時間を短
くし、ゾルゲル法では塗布に使用する溶液を低濃度とす
ればよい。
The formation of the Ti-containing layer by the above method can be carried out by any known method. However, as described above, since the Ti-containing layer may be extremely thin, the conditions are selected as such. For example, the processing time may be shortened in vapor deposition, CVD, and sputtering, and the concentration of the solution used for coating may be low in the sol-gel method.

【0020】このようにしてTi含有層を基板上に形成し
た後、このTi含有層の上に所望の鉛系強誘電体薄膜を公
知の手法により、外部から原料を供給して成膜させる。
鉛系強誘電体薄膜は、PbとTiを含有するペロブスカイト
型構造の複合酸化物からなり、具体例としては、チタン
酸鉛(PT)、チタンジルコン酸鉛(PZT)、ランタ
ン含有チタンジルコン酸鉛(PLZT)、および他の第
三成分を含むチタンジルコン酸鉛が挙げられる。これら
の薄膜の成膜は、例えば、ゾルゲル法、CVD法、スパ
ッタリング法などの公知の成膜法により行うことができ
る。
After the Ti-containing layer is thus formed on the substrate, a desired lead-based ferroelectric thin film is formed on the Ti-containing layer by supplying a raw material from the outside by a known method.
The lead-based ferroelectric thin film is composed of a composite oxide having a perovskite structure containing Pb and Ti, and specific examples thereof include lead titanate (PT), lead titanium zirconate (PZT), and lanthanum-containing lead titanium zirconate. (PLZT), and lead titanium zirconate containing other third components. These thin films can be formed by a known film forming method such as a sol-gel method, a CVD method, and a sputtering method.

【0021】ゾルゲル法による鉛系強誘電体薄膜の作製
は、例えば、特開昭60−236404号公報に記載の方法に従
って実施できる。即ち、各金属の加水分解性もしくは熱
分解性有機金属化合物を有機溶媒に溶解した溶液を調製
し、この溶液を基板のTi含有層の上に塗布した後、加熱
して (通常500 ℃以下) 溶媒を除去すると共に有機金属
化合物を分解して複合酸化物に転化させる。この加熱
は、溶媒の除去のための低温加熱と、有機化合物の分解
のための高温加熱の2段階で実施してもよい。必要によ
り、所望の膜厚になるまで塗布と加熱を繰り返して成膜
を完了させる。
The production of a lead-based ferroelectric thin film by the sol-gel method can be performed, for example, according to the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-236404. That is, a solution in which a hydrolyzable or thermally decomposable organometallic compound of each metal is dissolved in an organic solvent is prepared, and this solution is applied on the Ti-containing layer of the substrate, and then heated (usually 500 ° C. or lower). The solvent is removed and the organometallic compound is decomposed to be converted into a composite oxide. This heating may be performed in two stages: low-temperature heating for removing the solvent and high-temperature heating for decomposing the organic compound. If necessary, coating and heating are repeated until a desired film thickness is obtained, thereby completing the film formation.

【0022】原料の有機金属化合物としては、金属アル
コキシド、カルボン酸金属塩などが使用できる。原料と
して好ましい化合物を例示すると、鉛化合物およびラン
タン化合物としては酢酸塩 (酢酸鉛、酢酸ランタン) な
どのカルボン酸塩ならびにジイソプロポキシ鉛などのア
ルコキシドが挙げられる。チタン化合物としては、テト
ラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テト
ラブトキシチタン、ジメトキシジイソプロポキシチタン
などのアルコキシドが挙げられる。ジルコニウムの供給
源は上記チタン化合物と同様なアルコキシド類が好まし
い。金属アルコキシドはそのまま使用してもよいが、分
解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても
よい。
As the organometallic compound as a raw material, a metal alkoxide, a metal carboxylate and the like can be used. Preferred examples of the raw material include carboxylic acid salts such as acetates (lead acetate and lanthanum acetate) and alkoxides such as diisopropoxy lead. Examples of the titanium compound include alkoxides such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetrabutoxytitanium, and dimethoxydiisopropoxytitanium. The source of zirconium is preferably an alkoxide similar to the titanium compound. The metal alkoxide may be used as it is, or its partial hydrolyzate may be used to accelerate the decomposition.

【0023】CVD法は、揮発性の原料を気化させ、反
応炉内で熱、プラズマ、光などで反応させて基板に成膜
させる方法である。CVD法による鉛系強誘電体薄膜の
作製に用いる原料としては、揮発性の無機化合物(例、
塩化物)ならびに有機化合物(例、有機金属錯体、金属
アルコシキド、カルボン酸塩など)のいずれも使用でき
る。使用可能な有機金属錯体としては、アセチルアセト
ン(AcAc)、ヘプタフルロブタノイルピバロイルメタン
(FOD)、ジピバロイルメタン (DPM)、トリフルオロアセ
チルアセトン (TFA)などのβ−ジケトンを配位子とする
錯体がある。
The CVD method is a method in which a volatile raw material is vaporized and reacted in a reaction furnace by heat, plasma, light or the like to form a film on a substrate. As a raw material used for producing a lead-based ferroelectric thin film by the CVD method, a volatile inorganic compound (eg,
Chloride) and organic compounds (eg, organometallic complexes, metal alkoxides, carboxylate, etc.) can be used. Usable organometallic complexes include acetylacetone (AcAc), heptafluorobutanoyl pivaloylmethane
(FOD), dipivaloylmethane (DPM), trifluoroacetylacetone (TFA), and other complexes having a β-diketone as a ligand.

【0024】スパッタリング法による鉛系強誘電体薄膜
の作製は、一般に成膜する薄膜と同一組成(鉛を過剰に
添加する場合もある)の焼結体からなるターゲット材に
高速粒子(例、酸素を含有するアルゴンガス)を衝突さ
せて行うことが多い。粉末を使用したり、或いは各金属
源を別個に用いることも可能である。
In the production of a lead-based ferroelectric thin film by sputtering, high-speed particles (eg, oxygen) are generally applied to a target material consisting of a sintered body having the same composition as the thin film to be formed (lead may be added in some cases). (Argon gas containing). It is also possible to use a powder or to use each metal source separately.

【0025】別の方法として、レーザーアブレーション
法も本発明の鉛系強誘電体薄膜の成膜に採用できる。こ
の方法は、スパッタリング法と同様のターゲット材にAr
F 、KrF 、YAG などのレーザー光をパルス照射し、蒸発
した活性な粒子を基板に付着させる方法である。
As another method, a laser ablation method can be employed for forming the lead-based ferroelectric thin film of the present invention. This method uses a target material similar to the sputtering
This is a method in which laser light such as F 2, KrF 2, or YAG is irradiated with a pulse to adhere the evaporated active particles to the substrate.

【0026】上記のように、基板に外部から鉛その他の
原料金属を供給して鉛を含有する所望組成の複合金属酸
化物の薄膜を成膜する。得られた薄膜は、そのままでは
完全または部分的に非晶質であるので、成膜中または成
膜後に薄膜をその複合酸化物の結晶化温度以上の温度で
加熱して結晶化させる。この加熱により薄膜を完全にペ
ロブスカイト型構造の結晶にしておかないと、デバイス
において強誘電体の自発分極を利用した所望の機能を発
揮させることができない。この加熱 (以下、熱処理とも
いう) は、強誘電体組成によっても異なるが、一般に約
450 ℃を超える温度で行なわれる。具体的な熱処理温度
は、PTでは 450〜700 ℃、PZTでは500〜750 ℃、
PLZTでは 600〜800 ℃程度である。
As described above, lead and other raw material metals are supplied to the substrate from the outside to form a thin film of a composite metal oxide having a desired composition containing lead. Since the obtained thin film is completely or partially amorphous as it is, the thin film is heated and crystallized at a temperature higher than the crystallization temperature of the composite oxide during or after film formation. Unless the thin film is completely transformed into a crystal having a perovskite structure by this heating, a device cannot exhibit a desired function utilizing spontaneous polarization of a ferroelectric substance. This heating (hereinafter also referred to as heat treatment) varies depending on the ferroelectric composition, but is generally about
Performed at temperatures above 450 ° C. Specific heat treatment temperature is 450-700 ° C for PT, 500-750 ° C for PZT,
In PLZT, the temperature is about 600 to 800 ° C.

【0027】CVD、スパッタリング、レーザーアブレ
ーションなどのように、基板を加熱しながら成膜を行う
方法では、成膜後に別途の熱処理工程を実施しなくて
も、成膜中の加熱により結晶化を達成することができ
る。しかし、結晶化が不十分な場合には、成膜後にさら
に熱処理して結晶化を完結させてもよい。ゾルゲル法で
の成膜工程 (塗布、乾燥、仮焼) は一般に結晶化温度よ
り低温で行われるので、成膜後に結晶化温度以上で熱処
理して、薄膜を結晶化させることが必要である。
In a method of forming a film while heating the substrate, such as CVD, sputtering, or laser ablation, crystallization is achieved by heating during the film formation without performing a separate heat treatment step after the film formation. can do. However, when the crystallization is insufficient, a further heat treatment may be performed after the film formation to complete the crystallization. Since the film forming process (coating, drying, and calcining) by the sol-gel method is generally performed at a temperature lower than the crystallization temperature, it is necessary to heat-treat the film at a temperature higher than the crystallization temperature after film formation to crystallize the thin film.

【0028】前述したように、従来の鉛系強誘電体薄膜
の作製においては、この加熱または熱処理中に鉛欠損が
起こる。これは、TiO2やZrO2の融点がそれぞれ1640℃お
よび2700℃と非常に高いのに対し、PbO の融点が888 ℃
と熱処理温度に近く、熱処理中にPbO の一部が揮発し、
或いは基板中に拡散するためである。また、結晶化が均
一に起こらないため、熱処理中に薄膜に凹凸が生じ、非
常に粗大な結晶 (平均粒子径が少なくとも3000Å、通常
は1〜2μm程度) が生成する。
As described above, in the preparation of a conventional lead-based ferroelectric thin film, lead deficiency occurs during this heating or heat treatment. This is because the melting points of TiO 2 and ZrO 2 are very high, 1640 ° C and 2700 ° C, respectively, while the melting point of PbO is 888 ° C.
And near the heat treatment temperature, part of PbO volatilizes during heat treatment,
Alternatively, it is to diffuse into the substrate. In addition, since the crystallization does not occur uniformly, irregularities occur in the thin film during the heat treatment, and very coarse crystals (average particle diameter of at least 3000 mm, usually about 1 to 2 μm) are generated.

【0029】本発明では、成膜前に表面に形成したTi含
有層が結晶核の機能を果たすため、結晶化が非常に加速
され、鉛の揮発・拡散が顕著になる前に結晶化を進行さ
せることができる。その結果、鉛損失が著しく抑制され
るので、従来法のように鉛損失を見越して、成膜原料に
鉛を過剰に存在させる必要がなくなる。
In the present invention, since the Ti-containing layer formed on the surface before film formation functions as a crystal nucleus, crystallization is greatly accelerated, and crystallization proceeds before lead volatilization and diffusion become remarkable. Can be done. As a result, lead loss is remarkably suppressed, so that it is not necessary to allow lead to be excessively present in the film forming material in anticipation of lead loss as in the conventional method.

【0030】さらに、本発明の方法では、Ti含有層が結
晶核となって結晶化が迅速に進行するため、熱処理後に
得られた強誘電体薄膜の表面性状が非常に良好である。
具体的には、表面が平坦で凹凸がなく、かつ結晶粒が平
均粒子径で1000Å以下と非常に微細で均一である。
Furthermore, in the method of the present invention, the Ti-containing layer becomes a crystal nucleus and crystallization proceeds rapidly, so that the surface properties of the ferroelectric thin film obtained after the heat treatment are very good.
Specifically, the surface is flat and has no irregularities, and the crystal grains are very fine and uniform with an average particle diameter of 1000 ° or less.

【0031】[0031]

【実施例】実施例1 Pt/Ti/SiO2/Si 型の多層基板を焼成炉中で空気中にて60
0 ℃で30分間焼成し、Pt層 (白金電極層) 中にTiを拡散
させてその表面に TiOx 層を出現させた。焼成により基
板のPt層表面の外観の目に見える変化はなかった。この
焼成後の基板のPt層表面の走査型電子顕微鏡写真を図2
(a) に、その元素分析 (オージェ電子分光法) の結果を
図3に示す。この図からわかるように、Ptと共にTiと酸
素も検出され、表面に TiOx が不連続に析出したことが
わかる。なお、炭素も検出されているが、これは測定時
の不純物として検出されたものである。
EXAMPLE 1 A Pt / Ti / SiO 2 / Si type multilayer substrate was placed in a firing furnace in air for 60 hours.
It was baked at 0 ° C. for 30 minutes to diffuse Ti into the Pt layer (platinum electrode layer) to form a TiO x layer on its surface. There was no visible change in the appearance of the Pt layer surface of the substrate due to the firing. FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of the surface of the Pt layer of the fired substrate.
FIG. 3A shows the result of the elemental analysis (Auger electron spectroscopy). As can be seen from this figure, Ti and oxygen were detected together with Pt, and it was found that TiO x was discontinuously deposited on the surface. Although carbon was also detected, this was detected as an impurity at the time of measurement.

【0032】このように焼成した基板のPt層の表面に、
ゾルゲル法により鉛系強誘電体薄膜としてチタンジルコ
ン酸鉛 (PZT) の薄膜を次の手順で作製した。酢酸鉛
3水和物 11.65gを2−メトキシエタノールに溶解し、
溶媒との共沸蒸留により水を除去した後、テトライソプ
ロポキシチタン4.19gとテトラt−ブトキシジルコニウ
ム6.12gを加え、還流し、さらにアセチルアセトン (安
定化剤)9.11gを加えて十分に攪拌した。その後、水1.6
6gを加え、最後に2−メトキシエタノールで全体を100
gとし、酸化物換算で10重量%濃度の溶液とした。こ
の溶液中のTi/Zrの原子比は52/48であった。
On the surface of the Pt layer of the substrate fired in this way,
A thin film of lead titanium zirconate (PZT) was formed as a lead-based ferroelectric thin film by a sol-gel method according to the following procedure. Dissolve 11.65 g of lead acetate trihydrate in 2-methoxyethanol,
After removing water by azeotropic distillation with a solvent, 4.19 g of tetraisopropoxytitanium and 6.12 g of tetra-t-butoxyzirconium were added, the mixture was refluxed, and 9.11 g of acetylacetone (stabilizer) was further added, followed by sufficient stirring. Then water 1.6
Add 6 g, and finally add 100 parts with 2-methoxyethanol.
g and a solution having a concentration of 10% by weight in terms of oxide. The atomic ratio of Ti / Zr in this solution was 52/48.

【0033】この有機金属化合物の溶液をスピンコータ
ーを用いて3000 rpmで上記基板に塗布し、150 ℃で10分
間乾燥して溶媒を除去し、次いで400 ℃で30分間仮焼し
て有機化合物を分解させた。この塗布、乾燥、仮焼を5
回繰り返して0.2 μmに成膜してから、最後に基板全体
を600 ℃で1時間熱処理して結晶化させることにより、
PZT(52/48) の薄膜を得た。
This organic metal compound solution was applied to the above substrate at 3,000 rpm using a spin coater, dried at 150 ° C. for 10 minutes to remove the solvent, and then calcined at 400 ° C. for 30 minutes to remove the organic compound. Disassembled. This coating, drying and calcining are performed in 5
By repeating the process twice to form a film with a thickness of 0.2 μm, finally, the entire substrate is heat-treated at 600 ° C. for 1 hour to crystallize.
A thin film of PZT (52/48) was obtained.

【0034】得られたPZT薄膜の表面の電子顕微鏡写
真を図2(b) に示す。また、さらに倍率を上げた電子顕
微鏡写真を図1(a) および(b) に示す。これらの電子顕
微鏡写真からわかるように、表面は全体にわたって均一
であり、結晶粒の大きさ (平均粒子径) は約100 Åであ
った。また、X線回折の結果から、このPZT薄膜は、
強誘電相であるペロブスカイトの単一相からなるもので
あることが確認された。
FIG. 2B shows an electron micrograph of the surface of the obtained PZT thin film. 1 (a) and 1 (b) show electron micrographs at further increased magnifications. As can be seen from these electron micrographs, the surface was uniform throughout and the size of the crystal grains (average particle size) was about 100 mm. Also, from the result of X-ray diffraction, this PZT thin film
It was confirmed that the ferroelectric phase was composed of a single phase of perovskite.

【0035】比較例1 実施例1で使用したのと同じPt/Ti/SiO2/Si 型の多層基
板を、焼成せずに、そのPt層の表面に実施例1と同じ操
作でゾルゲル法による成膜および熱処理を行って、PZ
T(52/48) の薄膜を作製した。成膜および熱処理の条件
は実施例1と全く同じであった。
Comparative Example 1 The same Pt / Ti / SiO 2 / Si type multi-layer substrate as used in Example 1 was applied to the surface of the Pt layer by the sol-gel method by the same operation as in Example 1 without firing. After performing film formation and heat treatment, PZ
A thin film of T (52/48) was prepared. The conditions for film formation and heat treatment were exactly the same as in Example 1.

【0036】使用した未焼成の基板のPt層の表面の電子
顕微鏡写真を図4(a) に、得られたPZT薄膜の表面の
電子顕微鏡写真を図4(b) にそれぞれ示す。成膜前の基
板表面は平坦な表面をもっていた。作製されたPZT薄
膜の表面は、上から見て図4(b) に示すような表面とな
ったが、これはPbO の揮発あるいは拡散に伴って組成ず
れが生じたため、結晶系の異なる部分が形成されたので
はないかと推測される。また、さらに拡大された電子顕
微鏡写真から結晶粒の大きさを判定したところ、平均粒
子径が約5000Åであった。X線回折の結果から、このP
ZT薄膜では強誘電相であるペロブスカイト相とパイロ
クロア相の2相が確認された。
FIG. 4A shows an electron micrograph of the surface of the Pt layer of the unfired substrate used, and FIG. 4B shows an electron micrograph of the surface of the obtained PZT thin film. The substrate surface before film formation had a flat surface. The surface of the prepared PZT thin film had a surface as shown in FIG. 4 (b) when viewed from above. However, this was because the compositional deviation occurred due to volatilization or diffusion of PbO, so that different parts of the crystal system were It is presumed that it was formed. Further, when the size of the crystal grains was determined from a further enlarged electron micrograph, the average particle size was about 5000 °. From the result of X-ray diffraction, this P
In the ZT thin film, two phases, a perovskite phase and a pyrochlore phase, which are ferroelectric phases, were confirmed.

【0037】実施例2 実施例1で用いたのと同じPt/Ti/SiO2/Si 型の多層基板
のPt層表面に、電子ビーム蒸着法により、真空度1×10
-6 Torr 、加速電圧10 kV 、エミッション電流70 mA の
条件下、蒸着時間を10秒間として極薄のTi膜を形成し
た。このTi膜の膜厚は20Å程度と推定される。
Example 2 The same Pt / Ti / SiO 2 / Si type multi-layer substrate as used in Example 1 was applied to the surface of the Pt layer by electron beam evaporation to a degree of vacuum of 1 × 10
Under conditions of -6 Torr, acceleration voltage of 10 kV, and emission current of 70 mA, an extremely thin Ti film was formed with a deposition time of 10 seconds. The thickness of this Ti film is estimated to be about 20 °.

【0038】この基板のTi膜の上に、実施例1に記載の
方法と同様にしてゾルゲル法によりPZT膜を成膜し、
成膜後に700 ℃で1時間熱処理を行って結晶化させるこ
とにより、PZT(52/48) の薄膜を得た。このPZT薄
膜は、X線回折の結果から強誘電相であるペロブスカイ
トの単一相からなり、表面の電子顕微鏡による観察から
表面性状が均一で、結晶粒の平均粒子径は約200 Åであ
った。
On the Ti film of this substrate, a PZT film was formed by a sol-gel method in the same manner as described in Example 1.
After the film formation, a heat treatment was performed at 700 ° C. for 1 hour to crystallize, thereby obtaining a PZT (52/48) thin film. This PZT thin film was composed of a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase, as a result of X-ray diffraction. The surface properties were uniform by observation of the surface with an electron microscope, and the average grain size of crystal grains was about 200 mm. .

【0039】実施例3 実施例1で用いたのと同じPt/Ti/SiO2/Si 型の多層基板
のPt層表面に、ゾルゲル法によりTiO2膜を成膜した。使
用した塗布溶液は、テトライソプロポキシチタン0.36g
を2−メトキシエタノール 99.64gに溶解させることに
より調製した、酸化物換算で0.1 重量%濃度の溶液であ
った。この溶液をスピンコーターにより3000 rpmで上記
基板のPt層上に塗布し、塗膜を150 ℃で10分間乾燥し、
400 ℃で30分間仮焼した後、600 ℃で15分間熱処理し
て、TiO2膜を形成した。この膜の厚みは数Å程度と推定
される。
Example 3 On the surface of a Pt layer of the same Pt / Ti / SiO 2 / Si type multilayer substrate used in Example 1, a TiO 2 film was formed by a sol-gel method. The coating solution used was 0.36 g of tetraisopropoxy titanium
Was dissolved in 99.64 g of 2-methoxyethanol to obtain a 0.1% by weight oxide solution. This solution was applied on the Pt layer of the above substrate at 3000 rpm by a spin coater, and the coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes.
After calcining at 400 ° C. for 30 minutes, a heat treatment was performed at 600 ° C. for 15 minutes to form a TiO 2 film. The thickness of this film is estimated to be several Å.

【0040】このようにして形成した基板のTiO2膜の上
に、実施例1に記載の方法と同様にしてゾルゲル法によ
りPZT膜を成膜し、成膜後に600 ℃で1時間熱処理を
行って結晶化させることにより、PZT(52/48) の薄膜
を得た。この薄膜の表面には凹凸がなく、表面性状が均
一で、結晶粒の平均粒子径は約100 Åであった。X線回
折の結果から、このPZT薄膜は強誘電相であるペロブ
スカイトの単一相からなるものであることが確認され
た。
On the TiO 2 film of the substrate thus formed, a PZT film was formed by a sol-gel method in the same manner as described in Example 1, and after the film formation, a heat treatment was performed at 600 ° C. for 1 hour. By crystallization, a PZT (52/48) thin film was obtained. The surface of this thin film had no irregularities, the surface properties were uniform, and the average grain size of the crystal grains was about 100 mm. From the results of X-ray diffraction, it was confirmed that this PZT thin film was composed of a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase.

【0041】比較例2 実施例1で用いたのと同じPt/Ti/SiO2/Si 型の多層基板
のPt層表面に、ゾルゲル法によりSrTiO3膜を成膜した。
使用した塗布溶液は、テトライソプロポキシチタン7.74
gとストロンチウムエトキシド4.84gを2−メトキシエ
タノール 87.42gに溶解させることにより調製した、酸
化物換算で5.0 重量%濃度の溶液であった。この溶液を
スピンコーターにより3000 rpmで上記基板のPt層上に塗
布した後、塗膜を150 ℃で10分間乾燥し、400 ℃で仮焼
した後、700 ℃で30分間熱処理して、SrTiO3膜を形成し
た。この膜の厚みは500 Å程度と推定される。
Comparative Example 2 An SrTiO 3 film was formed on the Pt layer surface of the same Pt / Ti / SiO 2 / Si type multilayer substrate used in Example 1 by a sol-gel method.
The coating solution used was tetraisopropoxy titanium 7.74
g of strontium ethoxide and 4.84 g of strontium ethoxide were dissolved in 87.42 g of 2-methoxyethanol to obtain a solution having a concentration of 5.0% by weight in terms of oxide. This solution was applied on the Pt layer of the substrate at 3000 rpm by a spin coater, the coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, calcined at 400 ° C., and heat-treated at 700 ° C. for 30 minutes to obtain SrTiO 3 A film was formed. The thickness of this film is estimated to be about 500 mm.

【0042】このようにして形成した基板のSrTiO3膜の
上に、実施例1に記載の方法と同様にしてゾルゲル法に
よりPZT膜を成膜し、成膜後に600 ℃で1時間熱処理
を行って結晶化させることにより、PZT(52/48) の薄
膜を得た。このPZT薄膜は、X線回折の結果から強誘
電相であるペロブスカイトの単一相からなり、表面の電
子顕微鏡による観察から表面性状が均一で、結晶粒の平
均粒子径は約100 Åであった。
On the SrTiO 3 film on the substrate thus formed, a PZT film was formed by a sol-gel method in the same manner as described in Example 1, and after the film formation, heat treatment was performed at 600 ° C. for 1 hour. By crystallization, a PZT (52/48) thin film was obtained. This PZT thin film was composed of a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase, as a result of X-ray diffraction. The surface properties were uniform by observation of the surface with an electron microscope, and the average grain size of the crystal grains was about 100 mm. .

【0043】比較例3 実施例1で用いたのと同じPt/Ti/SiO2/Si 型の多層基板
のPt層表面に、ゾルゲル法により(Ba0.5Sr0.5)TiO3膜を
成膜した。使用した塗布溶液は、テトライソプロポキシ
チタン6.82gとストロンチウムエトキシド2.13gとバリ
ウムエトキシド3.06gとを2−メトキシエタノール 87.
99gに溶解させることにより調製した、酸化物換算で5.
0 重量%濃度の溶液であった。この溶液をスピンコータ
ーにより3000 rpmで上記基板のPt層上に塗布した後、塗
膜を150 ℃で10分間乾燥し、400℃で30分間仮焼した
後、700 ℃で30分間熱処理して、(Ba0.5Sr0.5)TiO3膜を
形成した。この膜の厚みは500 Å程度と推定される。
Comparative Example 3 A (Ba 0.5 Sr 0.5 ) TiO 3 film was formed on the Pt layer surface of the same Pt / Ti / SiO 2 / Si type multilayer substrate used in Example 1 by a sol-gel method. The coating solution used was 2-methoxyethanol 87.82 g of tetraisopropoxy titanium, 2.13 g of strontium ethoxide and 3.06 g of barium ethoxide.
Prepared by dissolving in 99 g, converted to oxide 5.
The solution had a concentration of 0% by weight. After applying this solution on the Pt layer of the above substrate at 3000 rpm by a spin coater, the coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, calcined at 400 ° C. for 30 minutes, and then heat-treated at 700 ° C. for 30 minutes, A (Ba 0.5 Sr 0.5 ) TiO 3 film was formed. The thickness of this film is estimated to be about 500 mm.

【0044】このようにして形成した基板の(Ba0.5Sr
0.5)TiO3膜の上に、実施例1に記載の方法と同様にして
ゾルゲル法によりPZT膜を成膜し、成膜後に700 ℃で
1時間熱処理を行って結晶化させることにより、PZT
(52/48) の薄膜を得た。このPZT薄膜は、X線回折の
結果から強誘電相であるペロブスカイトの単一相からな
り、表面の電子顕微鏡による観察から表面性状が均一
で、結晶粒の平均粒子径は約300 Åであった。
The substrate (Ba 0.5 Sr
0.5 ) A PZT film is formed on the TiO 3 film by a sol-gel method in the same manner as described in Example 1, and after the film is formed, a heat treatment is performed at 700 ° C. for 1 hour to crystallize the PZT film.
A thin film of (52/48) was obtained. The PZT thin film was composed of a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase, as a result of X-ray diffraction. The surface properties were uniform by observation of the surface with an electron microscope, and the average grain size of the crystal grains was about 300 mm. .

【0045】実施例4 実施例1に記載したのと同じ方法でPt/Ti/SiO2/Si 型の
多層基板を焼成 (600℃×30分) してPt層中にTiを拡散
させることにより、Pt層表面に TiOx 層を出現させた。
この焼成した基板のPt層上に、スパッタリング法により
鉛系強誘電体薄膜を成膜した。
Example 4 A Pt / Ti / SiO 2 / Si type multilayer substrate was fired (600 ° C. × 30 minutes) in the same manner as described in Example 1 to diffuse Ti into the Pt layer. Then, a TiO x layer appeared on the surface of the Pt layer.
A lead-based ferroelectric thin film was formed by sputtering on the Pt layer of the fired substrate.

【0046】スパッタリングのターゲット材にはPZT
の焼結体を用いた。この焼結体中のZrとTiの組成比は52
/48であり、PbO を15モル%過剰に含有していた。成膜
はrfスパッタで、下記条件下において行った。
The target material for sputtering is PZT.
Was used. The composition ratio of Zr and Ti in this sintered body was 52
/ 48 and contained a 15 mol% excess of PbO 2. The film was formed by rf sputtering under the following conditions.

【0047】 プレート電圧 2.6 kV 入力 1.6 W/cm2 スパッタガス Ar/O2 (90/10) ガス圧 5×10-3 Torr 基板温度 600 ℃ 成膜速度 50〜100 Å/min この方法では基板を600 ℃に加熱しながら成膜したた
め、成膜中にPZTは結晶化した。従って、得られたP
ZT薄膜の熱処理は行わなかった。X線回折の結果で
は、このPZT薄膜は強誘電相であるペロブスカイトの
単一相が得られ、また走査型電子顕微鏡による表面観察
から、表面は全体にわたり均一で、結晶粒の平均粒子径
は約200 Åであった。
Plate voltage 2.6 kV Input 1.6 W / cm 2 Sputter gas Ar / O 2 (90/10) Gas pressure 5 × 10 −3 Torr Substrate temperature 600 ° C. Film formation rate 50-100 μm / min Since the film was formed while heating to 600 ° C., PZT crystallized during the film formation. Therefore, the obtained P
No heat treatment of the ZT thin film was performed. According to the result of X-ray diffraction, this PZT thin film was obtained as a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase, and from observation of the surface with a scanning electron microscope, the entire surface was uniform and the average grain size of the crystal grains was about 200 Å.

【0048】実施例5 実施例1に記載したのと同じ方法でPt/Ti/SiO2/Si 型の
多層基板を焼成 (600℃×30分) してPt層中にTiを拡散
させることにより、Pt層表面に TiOx 層を出現させた。
この焼成した基板のPt層上に、MOCVD法で鉛系強誘
電体 (PZT)薄膜を成膜した。
Example 5 A multilayer substrate of Pt / Ti / SiO 2 / Si type was fired (600 ° C. × 30 minutes) in the same manner as described in Example 1 to diffuse Ti into the Pt layer. Then, a TiO x layer appeared on the surface of the Pt layer.
A lead-based ferroelectric (PZT) thin film was formed on the baked Pt layer by MOCVD.

【0049】使用した原料は、ジピバロイルメタナト鉛
100〜200 sccm (135 ℃) 、テトラt−ブトキシジルコ
ニウム50〜100 sccm (30℃) 、テトライソプロポキシチ
タン50〜100 sccm (30℃) 、および酸素700 sccmであ
り、金属化合物はいずれも窒素をキャリアーとして括弧
内の温度で気化させた。基板の加熱温度は600 ℃、圧力
は1〜2Torr、成膜速度は5〜20 nm/min であった。
The raw material used was lead dipivaloyl methanate
100-200 sccm (135 ° C.), tetra-t-butoxyzirconium 50-100 sccm (30 ° C.), tetraisopropoxytitanium 50-100 sccm (30 ° C.), and oxygen 700 sccm. The carrier was evaporated at the temperature in parentheses. The heating temperature of the substrate was 600 ° C., the pressure was 1 to 2 Torr, and the deposition rate was 5 to 20 nm / min.

【0050】この方法でも基板を600 ℃に加熱しながら
成膜したため、成膜中にPZTは結晶化した。従って、
得られたPZT薄膜の熱処理は行わなかった。X線回折
の結果では、このPZT薄膜は強誘電相であるペロブス
カイトの単一相が得られ、また走査型電子顕微鏡による
表面観察から、表面は全体にわたり均一で、結晶粒の平
均粒子径は約100 Åであった。
Also in this method, the film was formed while the substrate was heated to 600 ° C., so that PZT crystallized during the film formation. Therefore,
The heat treatment of the obtained PZT thin film was not performed. According to the result of X-ray diffraction, this PZT thin film was obtained as a single phase of perovskite, which is a ferroelectric phase, and from observation of the surface with a scanning electron microscope, the entire surface was uniform and the average grain size of the crystal grains was about It was 100Å.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、基板表面に結晶核として作用するTi含有層を析出さ
せてから、その上に鉛系強誘電体を従来と同様にゾルゲ
ル法、スパッタリング法、CVD法などにより成膜し、
熱処理して結晶化させることにより、従来法で認められ
た熱処理中の表面性状の劣化 (凹凸の形成) が防止さ
れ、しかも平均粒子径が1000Å以下と従来より非常に微
細で均一な結晶粒からなる薄膜を作製することができ
る。その結果、結晶粒のサイズはデバイスサイズに十分
に対応し、強誘電体としての特性が薄膜全体にわたって
均質化され、マイクロデバイスに応用した場合のデバイ
スの信頼性が向上する。
As described above, according to the present invention, a Ti-containing layer acting as a crystal nucleus is deposited on the surface of a substrate, and then a lead-based ferroelectric substance is formed thereon by a sol-gel method as in the prior art. , Formed by sputtering, CVD, etc.
Crystallization by heat treatment prevents the deterioration of surface properties (formation of irregularities) during heat treatment, which has been recognized by the conventional method, and has a very fine and uniform crystal grain with an average particle diameter of 1000 mm or less. A thin film can be produced. As a result, the size of the crystal grains sufficiently corresponds to the device size, the characteristics as a ferroelectric are homogenized throughout the thin film, and the reliability of the device when applied to a micro device is improved.

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

【図1】図1(a) および(b) は、本発明の実施例で作製
したPZT薄膜表面の結晶構造を示す異なる倍率での走
査型電子顕微鏡写真である。
FIGS. 1 (a) and 1 (b) are scanning electron micrographs at different magnifications showing the crystal structure of the surface of a PZT thin film produced in an example of the present invention.

【図2】図2(a) は、Pt/Ti/SiO2/Si 型基板を焼成して
表面に TiOx 層を析出させた、本発明の実施例で用いた
基板の1例の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡写真であ
り、図2(b) はこの基板を用いて作製した実施例のPZ
T薄膜の表面の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡写真で
ある。
FIG. 2 (a) shows a crystal structure of one example of a substrate used in an embodiment of the present invention, in which a Pt / Ti / SiO 2 / Si type substrate is fired to deposit a TiO x layer on the surface. FIG. 2 (b) is a scanning electron micrograph showing the PZ of the example fabricated using this substrate.
5 is a scanning electron micrograph showing the crystal structure of the surface of a T thin film.

【図3】図3は、図2と同様に焼成により表面に TiOx
層を析出させたPt/Ti/SiO/Si型基板の表
面の元素分析結果を示すオージェスペクトルである。
Figure 3, TiO x on the surface by baking in the same manner as FIG. 2
5 is an Auger spectrum showing a result of elemental analysis of a surface of a Pt / Ti / SiO 2 / Si type substrate on which a layer is deposited.

【図4】図4(a) は、未焼成のPt/Ti/SiO2/Si 型基板の
Pt層の表面の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡写真、図
4(b) はこの未焼成基板上に作製された比較例のPZT
薄膜の表面の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。
FIG. 4 (a) shows an unfired Pt / Ti / SiO 2 / Si type substrate.
FIG. 4B is a scanning electron micrograph showing the crystal structure of the surface of the Pt layer, and FIG. 4B is a PZT of a comparative example fabricated on this unfired substrate.
5 is a scanning electron micrograph showing the crystal structure of the surface of a thin film.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−133369(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 3/00 C23C 14/08 C23C 14/14 C30B 5/00 Continuation of the front page (56) References JP-A-4-133369 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01B 3/00 C23C 14/08 C23C 14/14 C30B 5 / 00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に外部からの原料供給によって成
膜し、成膜中または成膜後に薄膜結晶化のための基板の
加熱を行う鉛系強誘電体薄膜の作製方法において、Pbを
含有せず、Tiを金属または酸化物として含有する厚み30
Å以下のTi含有層を基板表面に形成してから成膜を行う
ことを特徴とする、鉛系強誘電体薄膜の作製方法。
In a method for producing a lead-based ferroelectric thin film, a film is formed on a substrate by supplying a raw material from the outside, and the substrate is heated for film crystallization during or after the film is formed. Not containing, thickness 30 containing Ti as metal or oxide
(4) A method for producing a lead-based ferroelectric thin film, comprising forming the following Ti-containing layer on the substrate surface and then forming the film.
【請求項2】 最上層にPt層、その下にTi層を有する多
層基板上に外部からの原料供給によって成膜し、成膜中
または成膜後に薄膜結晶化のための基板の加熱を行う鉛
系強誘電体薄膜の作製方法において、成膜前に該多層基
板を焼成して、Pt層中にTiを拡散させることにより、Pt
層表面にTiまたは TiOx を出現させることを特徴とす
る、鉛系強誘電体薄膜の作製方法。
2. A film is formed on a multilayer substrate having a Pt layer as an uppermost layer and a Ti layer therebelow by supplying a raw material from the outside, and the substrate is heated for thin film crystallization during or after the film formation. In the method for producing a lead-based ferroelectric thin film, the multilayer substrate is baked before film formation to diffuse Ti into the Pt layer, whereby Pt
A method for producing a lead-based ferroelectric thin film, characterized by allowing Ti or TiO x to appear on a layer surface.
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