JPH04331708A - Amorphous ferroelectric oxide material and its production - Google Patents

Amorphous ferroelectric oxide material and its production

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JPH04331708A
JPH04331708A JP12651991A JP12651991A JPH04331708A JP H04331708 A JPH04331708 A JP H04331708A JP 12651991 A JP12651991 A JP 12651991A JP 12651991 A JP12651991 A JP 12651991A JP H04331708 A JPH04331708 A JP H04331708A
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JP
Japan
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thin film
amorphous
oxide
composition
ferroelectric
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Application number
JP12651991A
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Japanese (ja)
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Hisataka Fujii
藤井 壽崇
Atsushi Kashima
加島 篤
Kazuhiro Fujii
一宏 藤井
Iwao Okamoto
巌 岡本
Hiroyuki Futai
裕之 二井
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Ube Corp
Original Assignee
Ube Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a noncrystalline (amorphous) ferroelectric oxide material applicable to thin-film type capacitor elements, ferroelectric memories, electrooptical devices, etc., and a method for producing the aforementioned material. CONSTITUTION:An amorphous ferroelectric oxide material is characterized in that the above-mentioned material is composed of a ternary oxide consisting essentially of a transition metallic oxide (M2O3)-bismuth oxide (Bi2O3)-perovskite type compound (ABO3) and the aforementioned ternary oxide has an amorphous structure (M2O3 is at least one selected from the group composed of oxides of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Hf, Ta, W, In and lanthanum- series elements; ABO3 is the perovskite type compound capable of exhibiting ferroelectricity, antiferroelectricity or paraelectricity).

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、薄膜型のコンデンサー
素子、強誘電体メモリー、電気光学デバイス等が構成出
来る非晶質強誘電体酸化物材料及びその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an amorphous ferroelectric oxide material that can be used to construct thin-film capacitor elements, ferroelectric memories, electro-optical devices, etc., and a method for manufacturing the same.

【0002】0002

【従来の技術およびその問題点】従来、ペロブスカイト
誘電体材料に代表される無機系強誘電体材料においては
、その強誘電特性が結晶対称性に於ける一定の規則に基
づいて発現している。このために強誘電性を顕著にする
ためには材料の結晶性を高めることが強誘電的性質を顕
著にすることになる。実際に、ペロブスカイト結晶構造
を有する材料では結晶性を高めるために焼成温度の調整
、あるいは焼結密度の向上など上述した事項に関連して
多くの努力がなされてきた。一方、このような強誘電体
を応用したコンデンサー、強誘電体メモリー等では材料
が多結晶体の場合、粒界の存在によって耐電圧の低下が
生じたり、粒界に添ってリーク電流が発生し、コンデン
サーにおいてはロスの原因となり、またメモリーにおい
ては情報の保持性が損なわれるという問題があった。 また、結晶粒界の存在によって各種デバイスの微細化が
困難となるということも、材料の誘電性を応用した種々
デバイスが小型化に向かっている今日、大きな問題とな
っている。また、誘電体材料を電気光学素子として展開
する場合にも結晶粒界の存在は光の散乱を招き、光デバ
イスを機能させるうえで光信号強度の減少、ノイズの増
大など重大な問題を伴う。これらの問題に対して、強誘
電体材料を薄膜で構成し、マイクロデバイス化されたコ
ンデンサーや強誘電体メモリー、あるいは電気光学デバ
イスを構成しようとする試みがある。薄膜に於いては、
結晶粒界の発生を回避するために、単結晶誘電体薄膜の
作製やアモルファス誘電体薄膜の作製などが試みられて
いる。単結晶誘電体薄膜については、例えば、西原、春
名、栖原著:光集積回路(オーム社、昭和62年)17
4 頁によれば、強誘電性材料として良く知られている
PLZTの単結晶薄膜を作製した例が記述されている。 同書によれば、単結晶のPLZT薄膜を得るために、サ
ファイヤの単結晶基板にスパッタリング製膜法によって
エピタキシャル成長を行なわせている。このほかに、同
書には液相エピタキシャル成長法(LPE法)によって
強誘電性のLiNbO3薄膜などをGd3Ga5O12
(GGG)単結晶基板上に成長させた例などが有る。し
かしながら、何れの方法も基板に高価な単結晶基板を使
用し、エピタキシャル成長のために、種々の条件コント
ロールを厳しく制御しなければならず、また結晶の成長
する結晶軸が単結晶の方位に規制され、さらに単結晶基
板の格子定数と薄膜の格子定数の差があまり大きくなる
と単結晶薄膜の成長が困難になるなど、実際の薄膜作製
は容易なものではない。さらに、これまで述べてきたよ
うなエピタキシャル成長法では、薄膜の単結晶化に、お
よそ600℃以上の高い熱処理温度を必要とするために
、膜の熱処理によって膜の表面性が損なわれるという問
題もあり、強誘電体材料のマイクロデバイス化を図る場
合の大きな障壁になっていた。
BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, inorganic ferroelectric materials such as perovskite dielectric materials exhibit their ferroelectric properties based on certain rules in crystal symmetry. Therefore, in order to make the ferroelectric property noticeable, increasing the crystallinity of the material makes the ferroelectric property noticeable. In fact, many efforts have been made to improve the crystallinity of materials having a perovskite crystal structure in connection with the above-mentioned matters, such as adjusting the firing temperature or improving the sintered density. On the other hand, in capacitors, ferroelectric memories, etc. that use ferroelectric materials, if the material is polycrystalline, the presence of grain boundaries may cause a drop in withstand voltage, and leakage current may occur along the grain boundaries. In capacitors, this causes loss, and in memory, there is a problem in that information retention is impaired. Furthermore, the presence of grain boundaries makes it difficult to miniaturize various devices, which has become a major problem as various devices that utilize the dielectric properties of materials are becoming smaller. Further, even when a dielectric material is used as an electro-optical element, the presence of crystal grain boundaries causes light scattering, which causes serious problems such as a decrease in optical signal intensity and an increase in noise in making the optical device function. To address these problems, attempts have been made to construct microdevices such as capacitors, ferroelectric memories, or electro-optical devices by constructing thin films of ferroelectric materials. In thin films,
In order to avoid the occurrence of grain boundaries, attempts have been made to fabricate single-crystal dielectric thin films and amorphous dielectric thin films. Regarding single-crystal dielectric thin films, see, for example, Nishihara, Haruna, and Suhara: Photonic Integrated Circuits (Ohmsha, 1988) 17
Page 4 describes an example in which a single crystal thin film of PLZT, which is well known as a ferroelectric material, was fabricated. According to the same book, in order to obtain a single-crystal PLZT thin film, epitaxial growth is performed on a sapphire single-crystal substrate by a sputtering film forming method. In addition, the book also describes the growth of ferroelectric LiNbO3 thin films using liquid phase epitaxial growth (LPE).
(GGG) There are examples of growth on single crystal substrates. However, both methods use expensive single crystal substrates, require strict control of various conditions for epitaxial growth, and require that the crystal axis on which the crystal grows is regulated by the orientation of the single crystal. Furthermore, if the difference between the lattice constant of the single crystal substrate and the lattice constant of the thin film becomes too large, it becomes difficult to grow the single crystal thin film, so the actual production of the thin film is not easy. Furthermore, the epitaxial growth method described above requires a high heat treatment temperature of approximately 600°C or higher to single-crystallize a thin film, so there is the problem that the surface properties of the film are impaired by the heat treatment of the film. This has been a major barrier to the development of microdevices from ferroelectric materials.

【0003】アモルファス薄膜は単結晶薄膜と同様に、
結晶粒界が存在しないため、前述した強誘電体多結晶材
料に於いて発生する種々の問題解決のためにその実用化
が期待されている。文献Japanese Journ
al Applied Physics, Vol.2
4 (1985) Supplement 24−2,
 pp 404−406 や応用物理  第54巻第6
号(1985) pp 568−575 に述べられて
いるように、スパッタリング法によってPbTiO3の
アモルファス薄膜化が試みられている。しかしながら、
製膜中の基板温度を200℃から液体窒素温度の種々温
度に調整しながら作製されたスパッタリング薄膜はアモ
ルファス構造を有するものの、強誘電性を生じていない
。さらに、同薄膜においてはPbやPbO の微細結晶
の析出も同時に発生することが報告されている。同薄膜
はPbの析出により、薄膜が導電性となるために誘電体
膜として機能しないことも問題である。さらに、同報告
では、この導電性の薄膜を強誘電体化するために、薄膜
に600℃以上の温度で熱処理を施しペロブスカイト結
晶構造を有するPbTiO3薄膜を得ている。しかしな
がらこれによって得られる薄膜は多結晶体であり、強誘
電体材料を応用した種々デバイスのマイクロ化を図る場
合にすでに述べた問題に遭遇すると考えられる。一方、
先に述べた2件の文献並びに、特開昭61−10223
号公報ではLiNbO3材料を100℃程度の基板温度
においてスパッタリング法により薄膜化し、アモルファ
ス薄膜を得ている。この薄膜はアモルファス構造ゆえに
アモルファス結晶格子中に空格子点を多く持ち、空格子
点に隣接した軽元素のLiが電界の印加により、Li原
子の存在する格子点と空格子点の間を電界の印加方向に
応じて、行き来する。この機構により、本材料が結晶性
の同系材料よりも大きな比誘電率を有し、これにより、
Liなどの軽元素を含むアモルファス薄膜においては強
誘電性が発現するらしいことが報告されている。しかし
ながら、重元素を含むPbTiO3, PbZrO3,
 BaTiO3等の典型的なペロブスカイト誘電材料に
ついては、これまでのところアモルファス強誘電体は得
られていない。
[0003]Amorphous thin films, like single crystal thin films,
Since there are no grain boundaries, it is expected that it will be put into practical use to solve the various problems that occur in the aforementioned ferroelectric polycrystalline materials. LiteratureJapanese Journal
al Applied Physics, Vol. 2
4 (1985) Supplement 24-2,
pp 404-406 and Applied Physics Volume 54 No. 6
No. (1985) pp. 568-575, attempts have been made to make PbTiO3 into an amorphous thin film by sputtering. however,
Although the sputtered thin films produced while adjusting the substrate temperature during film formation at various temperatures from 200° C. to the liquid nitrogen temperature have an amorphous structure, they do not exhibit ferroelectricity. Furthermore, it has been reported that fine crystals of Pb and PbO 2 also precipitate in the same thin film. Another problem is that the thin film does not function as a dielectric film because it becomes conductive due to the precipitation of Pb. Furthermore, in the same report, in order to convert this conductive thin film into a ferroelectric material, the thin film is heat-treated at a temperature of 600° C. or higher to obtain a PbTiO3 thin film having a perovskite crystal structure. However, the thin film obtained by this method is polycrystalline, and it is thought that the above-mentioned problems will be encountered when attempting to miniaturize various devices using ferroelectric materials. on the other hand,
The two documents mentioned above and JP-A-61-10223
In the publication, an amorphous thin film is obtained by thinning LiNbO3 material by sputtering at a substrate temperature of about 100°C. This thin film has many vacancies in the amorphous crystal lattice due to its amorphous structure, and when an electric field is applied to the light element Li adjacent to the vacancies, an electric field is created between the lattice points where Li atoms exist and the vacancies. It goes back and forth depending on the direction of application. This mechanism allows this material to have a larger relative dielectric constant than its crystalline cousin, which results in
It has been reported that ferroelectricity appears to occur in amorphous thin films containing light elements such as Li. However, PbTiO3, PbZrO3,
For typical perovskite dielectric materials such as BaTiO3, amorphous ferroelectrics have not been obtained so far.

【0004】0004

【発明の目的】本発明は、アモルファス構造を有し、こ
のために結晶粒界や焼結体に見られるようなポアー等が
無く、損失の小さいコンデンサーや情報保持性の高い強
誘電体メモリー、あるいは電気光学デバイスなどに応用
できる強誘電体酸化物材料及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
OBJECTS OF THE INVENTION The present invention provides capacitors with an amorphous structure, which have no grain boundaries or pores found in sintered bodies, and which have low loss and ferroelectric memories with high information retention. Another object of the present invention is to provide a ferroelectric oxide material that can be applied to electro-optical devices and a method for manufacturing the same.

【0005】[0005]

【問題点を解決するための手段】本発明は、遷移金属酸
化物(M2O3)−酸化ビスマス(Bi2O3) −ペ
ロブスカイト型化合物(ABO3)を主成分とした三元
酸化物を、真空蒸着、スパッタリング法などの非晶質膜
形成手段を用いて基板上に、基板温度を300℃以下に
保持しながら非晶質の薄膜として作製し、これに熱処理
等を施すことなく、作製したそのままの状態で強誘電体
酸化物材料を得る方法を採用することにより、上記問題
の解決を図ったものである。即ち、本発明は、遷移金属
酸化物(M2O3)−酸化ビスマス(Bi2O3) −
ペロブスカイト型化合物(ABO3)を主成分とした三
元酸化物からなり、かつ該三元酸化物がアモルファス構
造を有することを特徴とするアモルファス強誘電体酸化
物材料(ただし、M2O3は、Sc,Ti,V,Cr,
Mn,Co,Ni,Y,Zr,Nb,Mo,Pd,Hf
,Ta,W,In及びランタン系列元素の酸化物からな
る群から選ばれる少なくとも一種であり、ABO3は強
誘電性、反強誘電性または常誘電性を示すペロブスカイ
ト型化合物である。)を提供するものである。さらに、
本発明は、上記三元酸化物を製膜手段を用いて基板上に
、基板温度を300℃以下に保持しながら非晶質の薄膜
として作製し、作製したそのままの状態で強誘電体酸化
物材料を得ることを特徴とするアモルファス強誘電体酸
化物材料の製造方法を提供するものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides a ternary oxide mainly composed of transition metal oxide (M2O3)-bismuth oxide (Bi2O3)-perovskite compound (ABO3) by vacuum deposition and sputtering methods. An amorphous thin film is formed on a substrate using an amorphous film forming method such as , while maintaining the substrate temperature below 300°C, and it is strengthened as it is without heat treatment. The above problem is solved by adopting a method for obtaining a dielectric oxide material. That is, the present invention provides transition metal oxide (M2O3)-bismuth oxide (Bi2O3)-
An amorphous ferroelectric oxide material consisting of a ternary oxide mainly composed of a perovskite compound (ABO3), and characterized in that the ternary oxide has an amorphous structure (however, M2O3 is Sc, Ti ,V,Cr,
Mn, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Hf
, Ta, W, In, and oxides of lanthanum series elements, and ABO3 is a perovskite compound exhibiting ferroelectricity, antiferroelectricity, or paraelectricity. ). moreover,
In the present invention, the above ternary oxide is produced as an amorphous thin film on a substrate using a film forming method while maintaining the substrate temperature at 300°C or less, and the ferroelectric oxide is formed as it is in the produced state. The present invention provides a method for producing an amorphous ferroelectric oxide material.

【0006】本発明のアモルファス強誘電体酸化物材料
は、遷移金属酸化物(M2O3)−酸化ビスマス(Bi
2O3) −ペロブスカイト型化合物(ABO3)を主
成分とした三元酸化物からなる。ここに、M2O3は、
Sc,Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Y,Zr,
Nb,Mo,Pd,Hf,Ta,W,In、及びLa,
Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er,Tm,Yb及びLuのランタン系列元素の酸
化物からなる群から選ばれる少なくとも一種であり、A
BO3は強誘電性、反強誘電性または常誘電性を示すペ
ロブスカイト型化合物である。本発明のアモルファス強
誘電体酸化物材料は、上記三元酸化物をアモルファス構
造の薄膜の形態に形成してなる。前記薄膜がアモルファ
ス構造を取りながら、強誘電性を示す組成領域を図1に
示す。同組成領域は図1中においてα、β、γ、δ、ε
、φで囲まれた領域である。ここに於いて、直線αβは
aM2O3−(1−a)Bi2O3で表される直線であ
り、直線βγは0.90Bi2O3−0.10(bM2
O3−(1−b)ABO3) で表される直線であり、
直線γδはcBi2O3−(1−c)ABO3で表され
る直線であり、直線δεは0.20(dBi2O3−(
1−d)M2O3)−0.80ABO3 で表される直
線であり、直線εφはeABO3−(1−e)M2O3
 で表される直線であり、直線φαは0.90M2O3
−0.10(fABO3−(1−f)Bi2O3) で
表される直線であり、夫々の組成線において、0.10
≦a≦0.90かつ0.00≦b≦1.00かつ0.2
0≦c≦0.90かつ0.00≦d≦1.00かつ0.
20≦e≦0.90かつ0.00≦f≦1.00なる範
囲に規定された組成線である。同図中においてABO3
はペロブスカイト型の種々誘電材料(PbTiO3, 
BaTiO3等の強誘電体材料、PbZrO3等の反強
誘電体材料)を表す。図1中、並びに後出の三角組成図
に於いて、三辺の刻みは1目盛0.1 (mol比)を
表す。この図から解かるようにペロブスカイト型の誘電
材料の濃度の高い領域ではアモルファス膜は作製できて
いない。しかしながら、これにM2O3あるいはBi2
O3 を過剰に添加することにより、材料がアモルファ
ス化し、しかも強誘電性を呈するようになる。
The amorphous ferroelectric oxide material of the present invention is a transition metal oxide (M2O3)-bismuth oxide (Bi
2O3) - It consists of a ternary oxide whose main component is a perovskite type compound (ABO3). Here, M2O3 is
Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr,
Nb, Mo, Pd, Hf, Ta, W, In, and La,
Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H
At least one selected from the group consisting of oxides of lanthanum series elements such as o, Er, Tm, Yb and Lu
BO3 is a perovskite compound exhibiting ferroelectricity, antiferroelectricity, or paraelectricity. The amorphous ferroelectric oxide material of the present invention is formed by forming the above-mentioned ternary oxide in the form of a thin film having an amorphous structure. FIG. 1 shows the composition range in which the thin film exhibits ferroelectricity while having an amorphous structure. The same compositional regions are α, β, γ, δ, ε in Figure 1.
, φ. Here, the straight line αβ is a straight line represented by aM2O3-(1-a)Bi2O3, and the straight line βγ is represented by 0.90Bi2O3-0.10(bM2
O3-(1-b)ABO3) is a straight line represented by
The straight line γδ is a straight line expressed as cBi2O3-(1-c)ABO3, and the straight line δε is 0.20(dBi2O3-(
1-d) M2O3)-0.80ABO3, and the straight line εφ is eABO3-(1-e)M2O3
The straight line φα is 0.90M2O3
-0.10(fABO3-(1-f)Bi2O3), and in each composition line, 0.10
≦a≦0.90 and 0.00≦b≦1.00 and 0.2
0≦c≦0.90 and 0.00≦d≦1.00 and 0.
The composition line is defined in the range of 20≦e≦0.90 and 0.00≦f≦1.00. In the same figure, ABO3
are various perovskite-type dielectric materials (PbTiO3,
Ferroelectric materials such as BaTiO3, antiferroelectric materials such as PbZrO3). In FIG. 1 and in the triangular composition diagram to be described later, the increments on the three sides represent 1 scale of 0.1 (mol ratio). As can be seen from this figure, an amorphous film cannot be formed in a region with a high concentration of perovskite dielectric material. However, M2O3 or Bi2
By adding too much O3, the material becomes amorphous and becomes ferroelectric.

【0007】本発明のアモルファス強誘電体薄膜の作製
方法によれば、上記三元酸化物を製膜手段を用いて基板
上に、基板温度を300℃以下に保持しながら非晶質の
薄膜として作製することにより、作製したそのままの状
態で強誘電体酸化物材料が得られる。製膜手段としては
、真空蒸着法、スパッタリング法など一般に用いられて
いる薄膜形成プロセスが用いられる。製膜中、基板温度
をアモルファス複合酸化物の結晶化温度(500〜60
0℃) 以下、好ましくは300℃以下の基板温度に於
いて酸素雰囲気中で製膜することにより、強誘電性を有
するアモルファス酸化物薄膜が得られる。本発明に於い
ては、製膜時に単結晶基板などを用いて行なうエピタキ
シャル成長や製膜後、薄膜結晶化のための熱処理を施す
ことなく簡単に強誘電特性を呈する薄膜が得られる。こ
のために強誘電性薄膜作製に掛かる手間を大幅に軽減す
ると共に、非常に表面性の良い結晶粒界のない膜が作製
できるために強誘電体材料を応用した高密度強誘電体メ
モリー、超微細コンデンサーなどのマイクロデバイス、
電気光学デバイス等への展開が期待される。
According to the method for producing an amorphous ferroelectric thin film of the present invention, the above ternary oxide is deposited as an amorphous thin film on a substrate using a film forming method while maintaining the substrate temperature at 300° C. or less. By producing the ferroelectric oxide material, the ferroelectric oxide material can be obtained in the state in which it is produced. As a film forming means, a commonly used thin film forming process such as a vacuum evaporation method or a sputtering method is used. During film formation, the substrate temperature was adjusted to the crystallization temperature of the amorphous composite oxide (500 to 60
(0°C) Hereinafter, an amorphous oxide thin film having ferroelectricity can be obtained by forming the film in an oxygen atmosphere at a substrate temperature of preferably 300°C or lower. In the present invention, a thin film exhibiting ferroelectric properties can be easily obtained without epitaxial growth performed using a single crystal substrate or the like during film formation, or without heat treatment for thin film crystallization after film formation. This greatly reduces the time and effort required to produce ferroelectric thin films, and allows the production of films with very good surface properties and no grain boundaries. micro devices such as minute capacitors,
It is expected to be applied to electro-optical devices, etc.

【0008】[0008]

【実施例】【Example】

実施例1 薄膜作製にはRFマグネトロンスパッタリング装置を用
い、カソード板上に直径76mm、深さ4mmのステン
レス製シャーレを置き、その中に、Bi2O3,Co2
O3,PbTiO3及びPbO の混合粉末を充填した
ものをターゲットとして用いた。なお、PbO はスパ
ッタ中、鉛の蒸発による損失を補填する目的でPbTi
O3に対し、5mol% 過剰に加えた。Bi2O3,
Co2O3,PbTiO3及びPbO の各粉末はステ
ンレス製のシャーレに充填するに先立ち、各酸化物材料
の粉末を調合したものをエタノールを溶媒として30分
間ペイントシェーカーにより、湿式混合を行なった。そ
の後、さらに、脱媒、乾燥後、ステンレス製シャーレに
充填し、スパッタリングターゲットとして使用した。ス
パッタガスはAr:O2=7:3 の混合ガスで、Ar
, O2それぞれのガスの純度は99.995% 以上
のものを使用した。基板には(111) 方位のSiウ
エハーを使用した。Siウエハーはn型であり、抵抗率
はおよそ1(Ωcm) の物を使用した。Siウエハー
上には予め酸化処理により、膜厚 200±20nmの
SiO2層を設けている。この層を設けた目的は主とし
て誘電性の評価時における電気絶縁性の確保のためであ
る。製膜に先だって基板温度を200℃まで上昇させ、
主に基板表面に吸着している水分の脱離処理を行なった
。さらに、製膜前に約30分ほどプリスパッタリングを
行ない、ターゲット表面の清浄化を図り、スパッタリン
グ製膜時における膜質と薄膜組成の安定化を図った。ス
パッタリングガス導入前、真空度が2×10−7Tor
r以下に到達していることを確認した。スパッタ製膜中
、全ガス圧は25mTorr と一定にした。スパッタ
リング中は基板を固定している銅製のアノードを水冷し
、製膜中の基板温度を20〜25℃に維持した。高周波
投入電力は110Wとし、30〜60分のスパッタリン
グ製膜を行なった。このようにして得られた薄膜はター
ゲットの組成によりスパッタリング速度が変動するため
に膜厚に変動が見られたが、およそ夫々の薄膜において
 500〜1000nmの膜厚を示した。
Example 1 A stainless steel Petri dish with a diameter of 76 mm and a depth of 4 mm was placed on the cathode plate, and Bi2O3, Co2
A target filled with a mixed powder of O3, PbTiO3 and PbO2 was used. Note that PbO is replaced with PbTi during sputtering to compensate for loss due to lead evaporation.
It was added in an excess of 5 mol% relative to O3. Bi2O3,
Before each powder of Co2O3, PbTiO3, and PbO2 was filled into a stainless steel petri dish, a mixture of powders of each oxide material was wet-mixed using ethanol as a solvent for 30 minutes in a paint shaker. Thereafter, the mixture was further desolventized and dried, then filled into a stainless steel petri dish and used as a sputtering target. The sputtering gas is a mixed gas of Ar:O2=7:3.
, O2 gases with a purity of 99.995% or higher were used. A Si wafer with (111) orientation was used as the substrate. The Si wafer used was an n-type one with a resistivity of approximately 1 (Ωcm). A SiO2 layer with a thickness of 200±20 nm is provided on the Si wafer by oxidation treatment in advance. The purpose of providing this layer is mainly to ensure electrical insulation during dielectric evaluation. Prior to film formation, the substrate temperature was raised to 200°C,
Mainly, the water adsorbed on the substrate surface was desorbed. Furthermore, pre-sputtering was performed for about 30 minutes before film formation to clean the target surface and stabilize the film quality and thin film composition during sputtering film formation. Before introducing the sputtering gas, the vacuum level is 2 x 10-7 Tor.
It was confirmed that the value was below r. During sputter film formation, the total gas pressure was kept constant at 25 mTorr. During sputtering, the copper anode fixing the substrate was cooled with water, and the substrate temperature during film formation was maintained at 20 to 25°C. The high frequency input power was 110 W, and sputtering film formation was performed for 30 to 60 minutes. Although the thickness of the thin films obtained in this way varied because the sputtering rate varied depending on the composition of the target, each thin film exhibited a film thickness of about 500 to 1000 nm.

【0009】以上のような薄膜形成プロセスにより、B
i2O3,Co2O3,PbTiO3を3元とするスパ
ッタ薄膜を作製した。図2にNo.1〜25までの番号
で示した組成について作製し、夫々について膜構造の評
価ならびに誘電特性について測定した。尚、得られた薄
膜について誘導プラズマ発光分析法によりターゲット組
成と薄膜組成の対応を調べたところ、およそ3%の誤差
で、両者の組成が対応していることが解かった。従って
、以下では薄膜の組成としてターゲットの仕込み組成を
用いて説明する。誘電特性は同特性評価において一般的
に使用されるソヤ・タワー回路によって評価した。この
回路により、電束密度(D) の電界依存性を評価し自
発分極(Ps)の値を求めた。 なお、誘電性の評価に於いては図3に示したような電極
構成とし、薄膜1に電界を印加するための電極を酸化物
薄膜2側から出すことにより等価的に2つのコンデンサ
ーC1、C2を直列に接続したような構成とし、Si3
側から金属電極を出したときに金属電極とSiの界面に
発生するショットキー特性を防止し、正確な誘電性評価
を行なった。尚、金属電極は薄膜表面におよそ膜厚10
0nm 、直径4mmのAu電極をスパッタリング法に
よって形成した。
[0009] Through the thin film forming process as described above, B
A sputtered thin film containing i2O3, Co2O3, and PbTiO3 as ternary elements was produced. In Figure 2, No. The compositions shown in numbers 1 to 25 were prepared, and the film structure and dielectric properties of each were measured. When the obtained thin film was examined for correspondence between the target composition and the thin film composition by induced plasma emission spectrometry, it was found that the two compositions corresponded with each other with an error of about 3%. Therefore, in the following description, the composition of the target will be used as the composition of the thin film. The dielectric properties were evaluated using a Soyer-Tower circuit, which is commonly used in the same property evaluation. Using this circuit, the electric field dependence of electric flux density (D) was evaluated and the value of spontaneous polarization (Ps) was determined. In the evaluation of dielectric properties, the electrode configuration shown in FIG. 3 was used, and the electrode for applying an electric field to the thin film 1 was brought out from the oxide thin film 2 side, so that two capacitors C1 and C2 were equivalently formed. are connected in series, and Si3
The Schottky characteristic that occurs at the interface between the metal electrode and Si when the metal electrode is exposed from the side was prevented, and dielectric properties were accurately evaluated. Note that the metal electrode has a film thickness of approximately 10 mm on the thin film surface.
An Au electrode with a thickness of 0 nm and a diameter of 4 mm was formed by sputtering.

【0010】上記の薄膜形成法によって作製したスパッ
タリング薄膜について作製したままの状態(As−de
posit 状態) の構造、誘電特性の評価を行なっ
た。まず、薄膜の構造について評価した結果について述
べる。図2の点線A上において作製された種々組成のス
パッタ製膜後の膜のXRD回折結果を図4に示す。同図
中に示したNo.7, No.10, No.15, 
No.18 は図2中の番号に相当し、薄膜試料の組成
を表している。XRDの線源にはCuのターゲットを使
用し、さらにモノクロメーターを装着した。 図4に示したXRDの結果には基板として用いたSiの
(111) 面に相当する回折線も薄膜の回折結果に重
畳して見られている。同図より明らかなように、PbT
iO3薄膜No.7ではAs−deposit状態でも
薄膜は結晶化を生じていることが解かる。しかしながら
、Bi2O3 ならびにCo2O3 が過剰になる組成
(No.10, No.15, No.18) では薄
膜の結晶化によるX線の回折線が全く認められず、薄膜
がアモルファス状態であることが解かる。また、図2の
点線B上において作製された種々組成のスパッタ製膜後
の膜のXRD回折結果を図5に示す。同図中に示したN
o.3, No.16, No.22は図2中の番号に
相当し、薄膜試料の組成を表している。図5から明らか
なように、XRDの結果にはSiの(111) 面に相
当する回折線の他には明瞭な回折線もなく、これらの組
成の薄膜は全てアモルファス構造を有していることが解
かる。さらに、図2に示したNo.1〜No.25 の
全ての膜についてXRD分析を行なった結果、同図中に
おいて黒丸で示した薄膜においては、Siの(111)
 面に相当する回折線の他には明瞭な回折線もなく、図
2に於いてα、β、γ、δ、ε、φで囲まれた領域は薄
膜を作製した状態(As−deposit状態)で薄膜
がアモルファス構造を有することが解かった。
[0010] The sputtering thin film produced by the above thin film forming method is in the as-produced state (As-de
We evaluated the structure and dielectric properties of the (posit state). First, we will discuss the results of evaluating the structure of the thin film. FIG. 4 shows the XRD diffraction results of sputter-formed films of various compositions prepared along the dotted line A in FIG. 2. No. shown in the same figure. 7, No. 10, No. 15,
No. 18 corresponds to the number in FIG. 2 and represents the composition of the thin film sample. A Cu target was used as the XRD radiation source, and a monochromator was further attached. In the XRD results shown in FIG. 4, a diffraction line corresponding to the (111) plane of Si used as a substrate is also seen superimposed on the diffraction result of the thin film. As is clear from the figure, PbT
iO3 thin film No. In No. 7, it can be seen that the thin film undergoes crystallization even in the as-deposit state. However, in compositions where Bi2O3 and Co2O3 are excessive (No. 10, No. 15, No. 18), no X-ray diffraction lines due to crystallization of the thin film are observed, indicating that the thin film is in an amorphous state. . Further, FIG. 5 shows the XRD diffraction results of sputter-formed films of various compositions prepared along the dotted line B in FIG. N shown in the figure
o. 3. No. 16, No. 22 corresponds to the number in FIG. 2 and represents the composition of the thin film sample. As is clear from Figure 5, there are no clear diffraction lines in the XRD results other than the diffraction line corresponding to the (111) plane of Si, indicating that all thin films with these compositions have an amorphous structure. is understood. Furthermore, No. shown in FIG. 1~No. As a result of XRD analysis of all 25 films, it was found that the thin films indicated by black circles in the same figure had Si (111)
There are no clear diffraction lines other than the diffraction lines corresponding to the surface, and the regions surrounded by α, β, γ, δ, ε, and φ in Fig. 2 are in the state where the thin film was prepared (As-deposit state). It was found that the thin film had an amorphous structure.

【0011】次いで、アモルファス構造の微細組織を観
察するために、図2におけるNo.15の組成の膜につ
いて高分解能のTEM観察を行なった。TEM観察にお
いては薄膜の表面側ならびに基板側よりエッチングを行
ない、薄膜の厚さ方向に対してほぼ中点付近の組織を観
察している。これによれば、0.3nm の分解能に於
いても、格子像を認めることが出来なかった。同薄膜試
料について、直径約200nm の領域において制限視
野電子線回折を行い、観測された回折リングは非常に幅
の広いハローパターンを示し、薄膜のアモルファス性が
非常に高いことを示している。
Next, in order to observe the microstructure of the amorphous structure, No. 1 in FIG. High-resolution TEM observation was performed on films with 15 compositions. In TEM observation, etching is performed from the surface side of the thin film and the substrate side, and the structure approximately at the midpoint in the thickness direction of the thin film is observed. According to this, no lattice image could be recognized even at a resolution of 0.3 nm. Selected area electron diffraction was performed on the thin film sample in a region approximately 200 nm in diameter, and the observed diffraction rings showed a very wide halo pattern, indicating that the thin film was highly amorphous.

【0012】次に、誘電特性について説明する。まず、
図2の点線A上に於ける誘電性ヒステリシスループの変
化を図6に示す。同線上においてNo.7の膜は薄膜が
導電性となり、誘電特性を評価することが出来なかった
。図6のヒステリシスループの左肩に示した番号は、図
2中の組成を示す番号に対応している。この結果、なら
びに図4の構造解析の結果から明らかなように、No.
10, No.15, No.18 の薄膜ではアモル
ファス構造を取りながら強誘電性を示していることが解
かった。また、図2に於ける直線A上の薄膜組成をy(
0.5Co2O3−0.5Bi2O3)−(1−y)P
bTiO3と表したときに、y に対する薄膜の飽和電
界密(Ps)の依存性を図7に示す。飽和電界密度は図
6に示した誘電特性のヒステリシスループから電界 3
00〜500kV/cmに於ける電束密度(D) の電
界依存性をE=0 軸に外挿し、同軸と交わった点に於
ける電束密度を飽和電荷密度と定義し求めた。図7より
広い組成範囲に亘って、Psが存在し、薄膜が強誘電性
を示していることが解かるが、同線上においてはPbT
iO3に近い組成領域で強誘電性が消失していることが
解かる。この組成領域において析出している相は強誘電
相ではなく、常誘電相であると考えている。また、図2
に於ける直線B上においても各組成についてヒステリシ
スループの組成依存性を図8に示す。図8のヒステリシ
スループの左肩に示した番号は、図2中の組成を示す番
号に対応している。これからも明らかなように全ての組
成に薄膜において強誘電性が観測されていることが解か
る。このヒステリシスループより先に述べた方法で、飽
和電荷密度(Ps)を求めた。直線Bの組成変化は0.
80(xBi2O3−(1−x)Co2O3)−0.2
0PbTiO3なる表記で表される。x に対するPs
の依存性を図9に示す。同図からも解かるように全ての
x 値に対してPsが存在し強誘電性を示していること
が解かる。さらに、前出の図2中に示した全ての薄膜の
組成について誘電特性とX線による構造の評価を行なっ
た。これらの結果をまとめて同図中に示した。即ち、同
図中において黒丸はアモルファス強誘電性を示した薄膜
の組成を示し、斜線を施した丸はアモルファス構造を取
りながら常誘電性をしめした組成を示している。さらに
白丸は結晶質の薄膜であり、同薄膜は導電性を示してい
た。同組成図上で検討した種々組成の薄膜について構造
と誘電特性についてまとめた。この図から明らかなよう
に、アモルファス構造を有しながら強誘電性を示す薄膜
材料の組成は同図中に広く分布しており、同図に於いて
、α、β、γ、δ、ε、φにて囲まれた領域をアモルフ
ァス構造を取りながら、強誘電性の発現する組成領域と
定義することが出来る。また、図2に示した全ての組成
について、薄膜組成と飽和電荷密度Psの対応を表1に
示す。強誘電性を示す薄膜では、およそ60(nC/c
m2)以上の飽和電荷密度を有し、この電荷密度は最大
400 (nC/cm2)程度まで達していることが解
かり、強誘電体として十分な実用特性を有していると考
えられる。
Next, the dielectric characteristics will be explained. first,
FIG. 6 shows the change in the dielectric hysteresis loop on the dotted line A in FIG. On the same line, No. The thin film of No. 7 became conductive, and the dielectric properties could not be evaluated. The numbers shown on the left shoulder of the hysteresis loop in FIG. 6 correspond to the numbers showing the composition in FIG. As is clear from this result and the structural analysis results shown in FIG.
10, No. 15, No. It was found that the thin film of No. 18 exhibits ferroelectricity while having an amorphous structure. In addition, the thin film composition on the straight line A in FIG. 2 is expressed as y(
0.5Co2O3-0.5Bi2O3)-(1-y)P
FIG. 7 shows the dependence of the saturation electric field density (Ps) of the thin film on y when expressed as bTiO3. The saturation electric field density is calculated from the hysteresis loop of the dielectric characteristics shown in Figure 6.
The electric field dependence of the electric flux density (D) at 00 to 500 kV/cm was extrapolated to the E=0 axis, and the electric flux density at the point where it intersects with the same axis was defined as the saturated charge density. It can be seen from Figure 7 that Ps exists over a wider composition range and the thin film exhibits ferroelectricity, but on the same line, PbT
It can be seen that ferroelectricity disappears in a composition region close to iO3. We believe that the phase precipitated in this composition range is not a ferroelectric phase but a paraelectric phase. Also, Figure 2
FIG. 8 shows the composition dependence of the hysteresis loop for each composition on the straight line B at . The numbers shown on the left shoulder of the hysteresis loop in FIG. 8 correspond to the numbers showing the composition in FIG. As is clear from this, ferroelectricity is observed in the thin film for all compositions. From this hysteresis loop, the saturation charge density (Ps) was determined using the method described above. The composition change of straight line B is 0.
80(xBi2O3-(1-x)Co2O3)-0.2
It is expressed as 0PbTiO3. Ps for x
Figure 9 shows the dependence of . As can be seen from the figure, Ps exists for all x values, indicating ferroelectricity. Furthermore, the dielectric properties and structures of all the thin films shown in FIG. 2 were evaluated using X-rays. These results are summarized in the same figure. That is, in the figure, black circles indicate the composition of a thin film that exhibits amorphous ferroelectricity, and hatched circles indicate a composition that exhibits paraelectricity while having an amorphous structure. Furthermore, the white circles are crystalline thin films, and the thin films exhibited electrical conductivity. The structure and dielectric properties of thin films of various compositions examined on the same composition diagram are summarized. As is clear from this figure, the composition of the thin film material that exhibits ferroelectricity while having an amorphous structure is widely distributed in the figure, with α, β, γ, δ, ε, The region surrounded by φ can be defined as a composition region in which ferroelectricity is exhibited while maintaining an amorphous structure. Further, for all the compositions shown in FIG. 2, Table 1 shows the correspondence between the thin film composition and the saturation charge density Ps. For thin films exhibiting ferroelectricity, it is approximately 60 (nC/c
It has been found that it has a saturation charge density of more than m2), and this charge density reaches a maximum of about 400 (nC/cm2), and is considered to have sufficient practical characteristics as a ferroelectric material.

【0013】[0013]

【表1】[Table 1]

【0014】実施例2 実施例1において説明した製膜法により基板をガラス基
板にかえて、薄膜を作製した。ガラス基板にはコーニン
グのNo.7059 を使用した。図2に示したNo.
15ならびにNo.20 の組成の薄膜を作製した。ス
パッタ製膜された薄膜の膜厚はおよそ1mmであった。 作製された薄膜は琥珀色を呈していた。何れの薄膜も近
赤外領域では、反射防止膜を施し、光透過率の測定を行
なった。透過率の光波長依存性を図10に示す。この結
果から解かるようにアモルファス強誘電体薄膜は近赤外
領域に於いて90%以上の光透過率を有し、同薄膜の電
気光学素子への応用が考えられることが解かる。
Example 2 A thin film was manufactured using the film forming method described in Example 1, except that the substrate was replaced with a glass substrate. The glass substrate is Corning's No. 7059 was used. No. shown in FIG.
15 and no. A thin film having a composition of 20% was prepared. The thickness of the thin film formed by sputtering was approximately 1 mm. The produced thin film had an amber color. Each thin film was coated with an antireflection coating in the near-infrared region, and the light transmittance was measured. FIG. 10 shows the dependence of transmittance on light wavelength. As can be seen from this result, the amorphous ferroelectric thin film has a light transmittance of 90% or more in the near-infrared region, and it can be seen that the thin film can be applied to electro-optical devices.

【0015】実施例3 実施例1と同様の製膜法により、ペロブスカイト誘電体
材料として強誘電性のPbTiO3に変え、反強誘電性
のPbZrO3を用いて薄膜を作製した。作製した薄膜
の組成は図11の三角組成図にNo.1ならびに、No
.25 〜No.48 までの番号を付記した点として
表した。As−deposit薄膜について誘電性とX
線による構造解析を行なった。その結果をまとめて図1
1に示す。同図中において黒丸はアモルファス強誘電性
を示した薄膜の組成を示し、斜線を施した丸はアモルフ
ァス構造を取りながら常誘電性を示した薄膜の組成を示
している。さらに白丸は結晶質の薄膜であり、導電性を
示した薄膜の組成を示している。この結果より、三角組
成図に於いて、α、β、γ、δ、ε、φにて囲まれた領
域でアモルファスの強誘電性が発現していることを見い
出した。ここに於いて、単体では反強誘電性を示すPb
ZrO3材料もCo2O3 またはBi2O3 を過剰
に添加することにより、顕著な強誘電性を示すことが解
かった。また、図11上に示した各組成に対する飽和電
荷密度の一覧を表2に示す。同表によると、Bi2O3
−Co2O3−PbZrO3系アモルファス強誘電体薄
膜では、最大で 500(nC/cm2)程度の飽和電
荷密度を観測した。
Example 3 A thin film was fabricated using the same film forming method as in Example 1, using antiferroelectric PbZrO3 instead of ferroelectric PbTiO3 as the perovskite dielectric material. The composition of the produced thin film is shown in the triangular composition diagram of FIG. 1 and No.
.. 25 ~No. It is represented as a dot with numbers up to 48 added. Dielectric properties and X for As-deposited thin films
A structural analysis using lines was performed. Figure 1 summarizes the results.
Shown in 1. In the figure, black circles indicate the composition of a thin film that exhibits amorphous ferroelectricity, and hatched circles indicate the composition of a thin film that exhibits paraelectricity while having an amorphous structure. Furthermore, the white circles are crystalline thin films and indicate the composition of the thin film that exhibited conductivity. From this result, it was found that amorphous ferroelectricity was expressed in the region surrounded by α, β, γ, δ, ε, and φ in the triangular composition diagram. Here, Pb, which exhibits antiferroelectricity when used alone,
It has been found that ZrO3 material also exhibits significant ferroelectricity by adding an excessive amount of Co2O3 or Bi2O3. Further, Table 2 shows a list of saturation charge densities for each composition shown in FIG. According to the same table, Bi2O3
In the -Co2O3-PbZrO3-based amorphous ferroelectric thin film, a maximum saturation charge density of about 500 (nC/cm2) was observed.

【0016】[0016]

【表2】[Table 2]

【0017】実施例4 実施例1と同様の製膜法により、ペロブスカイト誘電体
材料として強誘電性のBaTiO3を用いて薄膜を作製
した。 作製した薄膜の組成は図12の三角組成図にNo.1,
 No.25 ならびに、No.49 〜No.71 
までの番号を付記した点として表した。同図中において
黒丸はアモルファス強誘電性を示した薄膜の組成を示し
、斜線を施した丸はアモルファス構造を取りながら常誘
電性を示した薄膜の組成を示している。さらに白丸は結
晶質の薄膜であり、常誘電性を示した薄膜の組成を示し
ている。この結果より、三角組成図に於いて、α、β、
γ、δ、ε、φにて囲まれた領域でアモルファスの強誘
電性が発現していることを見い出した。薄膜構造の同定
は実施例1に於いてのべたX線回折手法を用いた。また
、図12上に示した各組成に対する飽和電荷密度の一覧
を表3に示す。この誘電性評価においては最大で200
(nC/cm2) 程度の飽和電気分極密度を観測した
Example 4 A thin film was fabricated using ferroelectric BaTiO3 as a perovskite dielectric material using the same film forming method as in Example 1. The composition of the produced thin film is shown in the triangular composition diagram of FIG. 1,
No. 25 and No. 49 ~No. 71
It is expressed as a dot with the number up to. In the figure, black circles indicate the composition of a thin film that exhibits amorphous ferroelectricity, and hatched circles indicate the composition of a thin film that exhibits paraelectricity while having an amorphous structure. Furthermore, the white circles are crystalline thin films, indicating the composition of the thin film that exhibits paraelectricity. From this result, in the triangular composition diagram, α, β,
It has been found that amorphous ferroelectricity is expressed in the region surrounded by γ, δ, ε, and φ. The thin film structure was identified using the X-ray diffraction method described in Example 1. Further, Table 3 shows a list of saturation charge densities for each composition shown in FIG. In this dielectric evaluation, the maximum
(nC/cm2) was observed.

【0018】[0018]

【表3】[Table 3]

【0019】実施例5 M2O3−Bi2O3−PbTiO3 系において、M
に表4に示す元素を用いて、夫々の薄膜を作製した。薄
膜の作製は実施例1に説明した方法により行なった。ま
た、薄膜の構造評価は、X線回折法により、その条件は
実施例1に述べたとおりであった。さらに、薄膜の誘電
性評価法についても実施例1と同様である。ただし、ス
パッタリング製膜においてMがZr,Mo,Pd,Hf
,Ta,Wの場合には、ターゲットとしてM2O3の替
わりに、各元素の金属微粉を使用した。その他のSc,
Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Y,Nb,In,
La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,D
y,Ho,Er,Tm,Yb,Lu についてはM2O
3型の酸化物材料をターゲットに用いた。また、Ni2
O3 については結晶水を含むためにターゲットとして
使用する前に、 200℃程度まで加熱し、結晶水をと
ばし、無水物化した。全てのM元素に対応して、図13
に丸点で示した組成の膜を作製し、As−deposi
t状態で膜の構造ならびに誘電特性を評価した。同図中
において黒丸はアモルファス強誘電性を示した薄膜の組
成を示し、斜線を施した丸はアモルファス構造を取りな
がら常誘電性を示した薄膜の組成を示している。さらに
白丸は結晶質の薄膜であり、導電性になった薄膜の組成
を示している。この結果より、三角組成図に於いて、α
、β、γ、δ、ε、φにて囲まれた領域でアモルファス
の強誘電性が発現していることを見い出した。また、同
組成図中にNo.72と付記した組成の膜について種々
のMにおいて測定された飽和電荷密度(Ps)を表4に
示す。これからも、同表に示した全ての薄膜に於いてP
sが観測され、夫々の薄膜において強誘電性が発現して
いることが解かる。
Example 5 In the M2O3-Bi2O3-PbTiO3 system, M
Each thin film was produced using the elements shown in Table 4. The thin film was prepared by the method described in Example 1. The structure of the thin film was evaluated by X-ray diffraction under the same conditions as described in Example 1. Furthermore, the method for evaluating the dielectric properties of the thin film is also the same as in Example 1. However, in sputtering film formation, M is Zr, Mo, Pd, Hf.
, Ta, and W, metal fine powder of each element was used instead of M2O3 as the target. Other Sc,
Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Nb, In,
La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, D
M2O for y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
A type 3 oxide material was used as a target. Also, Ni2
Since O3 contains water of crystallization, it was heated to about 200°C to drive off the water of crystallization and become anhydrous before being used as a target. Corresponding to all M elements, Figure 13
A film with the composition indicated by the circle dots was prepared, and As-deposited
The structure and dielectric properties of the film were evaluated in the t state. In the figure, black circles indicate the composition of a thin film that exhibits amorphous ferroelectricity, and hatched circles indicate the composition of a thin film that exhibits paraelectricity while having an amorphous structure. Furthermore, the white circles are crystalline thin films, indicating the composition of the thin film that has become conductive. From this result, in the triangular composition diagram, α
, β, γ, δ, ε, and φ have been found to exhibit amorphous ferroelectricity. Also, in the same composition diagram, No. Table 4 shows the saturation charge densities (Ps) measured at various M values for the film having the composition indicated as 72. From now on, P
s was observed, and it can be seen that ferroelectricity is expressed in each thin film.

【0020】[0020]

【表4】[Table 4]

【0021】[0021]

【発明の効果】以上の様に、M2O3−Bi2O3−A
BO3 (ABO3 はペロブスカイト型誘電体) 系
の薄膜をRFスパッタリング法などにより低い基板温度
、例えば25℃程度の基板温度により薄膜化することに
より、アモルファス構造を有する透光性の高い強誘電性
薄膜が得られ、強誘電性を応用したセンサ、メモリ、電
気光学素子に応用できるようになる。
[Effect of the invention] As described above, M2O3-Bi2O3-A
By thinning a BO3 (ABO3 is a perovskite dielectric)-based thin film at a low substrate temperature, for example around 25°C, using RF sputtering, a highly transparent ferroelectric thin film with an amorphous structure can be created. This makes it possible to apply ferroelectricity to sensors, memories, and electro-optical devices.

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

【図1】図1は、本発明を説明するための組成系図であ
る。
FIG. 1 is a compositional diagram for explaining the present invention.

【図2】図2は、本発明の一実施例を説明するための組
成系図、ならびに誘電特性、薄膜構造の説明図である。
FIG. 2 is a compositional diagram for explaining one embodiment of the present invention, as well as an explanatory diagram of dielectric properties and thin film structure.

【図3】図3は、本発明の誘電特性評価法を説明するた
めの薄膜の構造図である。
FIG. 3 is a structural diagram of a thin film for explaining the dielectric property evaluation method of the present invention.

【図4】図4は、本発明の一実施例を説明するためのX
線回折図形である。
FIG. 4 shows an X-ray diagram for explaining one embodiment of the present invention.
This is a line diffraction pattern.

【図5】図5は、同実施例を説明するためのX線回折図
形である。
FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern for explaining the same example.

【図6】図6は、同実施例を説明するための誘電特性の
電界依存性を表した図である。
FIG. 6 is a diagram showing the electric field dependence of dielectric characteristics for explaining the same example.

【図7】図7は、同実施例を説明するための飽和電荷密
度の組成依存性を表した図である。
FIG. 7 is a diagram showing composition dependence of saturation charge density for explaining the same example.

【図8】図8は、同実施例を説明するための誘電特性の
電界依存性を表した図である。
FIG. 8 is a diagram showing the electric field dependence of dielectric characteristics for explaining the same example.

【図9】図9は、同実施例を説明するための飽和電荷密
度の組成依存性を表した図である。
FIG. 9 is a diagram showing composition dependence of saturation charge density for explaining the same example.

【図10】図10は、本発明の他の実施例を説明するた
めの光透過率の波長異存特性を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing wavelength-dependent characteristics of light transmittance for explaining another embodiment of the present invention.

【図11】図11は、本発明の他の実施例を説明するた
めの組成系図、ならびに誘電特性、薄膜構造の説明図で
ある。
FIG. 11 is a compositional diagram for explaining another example of the present invention, as well as an explanatory diagram of dielectric properties and thin film structure.

【図12】図12は、本発明の他の実施例を説明するた
めの組成系図、ならびに誘電特性、薄膜構造の説明図で
ある。
FIG. 12 is a compositional diagram for explaining another example of the present invention, as well as an explanatory diagram of dielectric properties and thin film structure.

【図13】図13は、本発明の他の実施例を説明するた
めの組成系図、ならびに誘電特性、薄膜構造の説明図で
ある。
FIG. 13 is a compositional diagram for explaining another example of the present invention, as well as an explanatory diagram of dielectric properties and thin film structure.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  遷移金属酸化物(M2O3)−酸化ビ
スマス(Bi2O3) −ペロブスカイト型化合物(A
BO3)を主成分とした三元酸化物からなり、かつ該三
元酸化物がアモルファス構造を有することを特徴とする
アモルファス強誘電体酸化物材料。(ただし、M2O3
は、Sc,Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Y,Z
r,Nb,Mo,Pd,Hf,Ta,W,In及びラン
タン系列元素の酸化物からなる群から選ばれる少なくと
も一種であり、ABO3は強誘電性、反強誘電性または
常誘電性を示すペロブスカイト型化合物である。)
Claim 1: Transition metal oxide (M2O3)-bismuth oxide (Bi2O3)-perovskite compound (A
An amorphous ferroelectric oxide material comprising a ternary oxide containing BO3 as a main component, and the ternary oxide having an amorphous structure. (However, M2O3
are Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Z
ABO3 is at least one selected from the group consisting of oxides of r, Nb, Mo, Pd, Hf, Ta, W, In, and lanthanum series elements, and ABO3 is a perovskite exhibiting ferroelectricity, antiferroelectricity, or paraelectricity. It is a type compound. )
【請求項2】  三元酸化物がM2O3,Bi2O3,
ABO3 の3成分の組成図において、aM2O3−(
1−a)Bi2O3ならびに、0.90Bi2O3−0
.10(bM2O3−(1−b)ABO3) ならびに
、cBi2O3−(1−c)ABO3ならびに、0.2
0(dBi2O3−(1−d)M2O3)−0.80A
BO3 ならびに、eABO3−(1−e)M2O3 
ならびに、0.90M2O3−0.10(fABO3−
(1−f)Bi2O3) で表される夫々の組成線にお
いて、0.10≦a≦0.90かつ0.00≦b≦1.
00かつ0.20≦c≦0.90かつ0.00≦d≦1
.00かつ0.20≦e≦0.90かつ0.00≦f≦
1.00なる範囲に規定された6本の組成線で囲まれた
組成を有することを特徴とする請求項1のアモルファス
強誘電体酸化物材料。
[Claim 2] The ternary oxide is M2O3, Bi2O3,
In the composition diagram of the three components of ABO3, aM2O3-(
1-a) Bi2O3 and 0.90Bi2O3-0
.. 10(bM2O3-(1-b)ABO3) and cBi2O3-(1-c)ABO3 and 0.2
0(dBi2O3-(1-d)M2O3)-0.80A
BO3 and eABO3-(1-e)M2O3
and 0.90M2O3-0.10(fABO3-
(1-f) Bi2O3) In each composition line represented by 0.10≦a≦0.90 and 0.00≦b≦1.
00 and 0.20≦c≦0.90 and 0.00≦d≦1
.. 00 and 0.20≦e≦0.90 and 0.00≦f≦
2. The amorphous ferroelectric oxide material according to claim 1, wherein the amorphous ferroelectric oxide material has a composition surrounded by six composition lines defined in a range of 1.00.
【請求項3】  三元酸化物が、薄膜の形態に形成され
ていることを特徴とする請求項1又は請求項2のアモル
ファス強誘電体酸化物材料。
3. The amorphous ferroelectric oxide material according to claim 1, wherein the ternary oxide is formed in the form of a thin film.
【請求項4】  三元酸化物を製膜手段を用いて基板上
に、基板温度を300℃以下に保持しながら非晶質の薄
膜として作製し、作製したそのままの状態で強誘電体酸
化物材料を得ることを特徴とする請求項3のアモルファ
ス強誘電体酸化物材料の製造方法。
4. A ternary oxide is produced as an amorphous thin film on a substrate using a film forming method while maintaining the substrate temperature at 300° C. or less, and the ferroelectric oxide is formed as it is in the produced state. 4. The method of manufacturing an amorphous ferroelectric oxide material according to claim 3, further comprising obtaining the material.
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