JPH045874A - 強誘電体薄膜およびその製造方法 - Google Patents
強誘電体薄膜およびその製造方法Info
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- JPH045874A JPH045874A JP2105932A JP10593290A JPH045874A JP H045874 A JPH045874 A JP H045874A JP 2105932 A JP2105932 A JP 2105932A JP 10593290 A JP10593290 A JP 10593290A JP H045874 A JPH045874 A JP H045874A
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は焦電形赤外線センサ、圧電素子、電気光学素子
、メモリ素子、キャパシタなどに用いられる強誘電体薄
膜に関するものである。
、メモリ素子、キャパシタなどに用いられる強誘電体薄
膜に関するものである。
(従来の技術)
強誘電体のエレク1〜ロニクス分野における応用は、焦
電形赤外線センサ、圧電素子、電気光学素子、メモリ素
子、キャパシタなどさまざまなものがある。
電形赤外線センサ、圧電素子、電気光学素子、メモリ素
子、キャパシタなどさまざまなものがある。
近年の半導体技術の進歩による電子部品の小型化、集積
化にともない、強誘電体素子も小型化、′M薄膜が進み
つつある。
化にともない、強誘電体素子も小型化、′M薄膜が進み
つつある。
p b T j 1−8ZrXO3(チタン酸ジルコン
酸鉛)は他の強誘電体に比べて誘電率が大きい他、自発
分極が大きく、キュリー温度が高く、圧電効果、電気光
学効果が大きい。また抗電場が比較的小さく分極の反転
が容易である。P b T j−1−x Z rx○、
の結晶形はX≦0.50では正方品、X≧0.50では
菱面体晶である。正方品の強誘電分極軸は[:001]
、菱面体晶の強誘電分極軸は[1,11,]方向に向い
ている。種々の応用を考えると分極軸が基板に垂直に揃
っている(配向している)ことが望ましい。
酸鉛)は他の強誘電体に比べて誘電率が大きい他、自発
分極が大きく、キュリー温度が高く、圧電効果、電気光
学効果が大きい。また抗電場が比較的小さく分極の反転
が容易である。P b T j−1−x Z rx○、
の結晶形はX≦0.50では正方品、X≧0.50では
菱面体晶である。正方品の強誘電分極軸は[:001]
、菱面体晶の強誘電分極軸は[1,11,]方向に向い
ている。種々の応用を考えると分極軸が基板に垂直に揃
っている(配向している)ことが望ましい。
薄膜を作製する基板には、セラミクス、単結晶、アモル
ファス物質、金属等が用いられるが、酸化物の薄膜を作
成した場合、基板の種類と作成条件によって、結晶の方
位が変わり易い。石英やSjは基板として安価であり、
加工性に優れている。
ファス物質、金属等が用いられるが、酸化物の薄膜を作
成した場合、基板の種類と作成条件によって、結晶の方
位が変わり易い。石英やSjは基板として安価であり、
加工性に優れている。
石英(Si○、)は、耐熱性に優れ熱膨張係数が非常に
小さいが、アモルファス型であり、結晶性酸化物をその
」−に結晶化あるいは配向させることは、一般に困難で
ある。またSjは集積回路作製の基板として大量に使用
されているが、非酸化物で共有結合性の結晶であり、こ
の種の酸化物、特に鉛を含んだ化合物をSj−にで単結
晶化させ、あるいは配向させて作製することは困難であ
る。今までに、P b T il −x Z rx O
3について正方品の[001]軸および菱面体晶の[]
、 11. ]軸が石英やSi基板上に垂直に配向した
薄膜を作成した実施例は見当たらない。
小さいが、アモルファス型であり、結晶性酸化物をその
」−に結晶化あるいは配向させることは、一般に困難で
ある。またSjは集積回路作製の基板として大量に使用
されているが、非酸化物で共有結合性の結晶であり、こ
の種の酸化物、特に鉛を含んだ化合物をSj−にで単結
晶化させ、あるいは配向させて作製することは困難であ
る。今までに、P b T il −x Z rx O
3について正方品の[001]軸および菱面体晶の[]
、 11. ]軸が石英やSi基板上に垂直に配向した
薄膜を作成した実施例は見当たらない。
(発明が解決しようとする課題)
一般には、PbTi1.、、XZrxO3の[001,
:]軸あるいは[1,l ]、]軸が確実に基板に垂直
に配向することはない。
:]軸あるいは[1,l ]、]軸が確実に基板に垂直
に配向することはない。
本発明の目的は、石英あるいはSi基板上に設けた電極
面に垂直に[001]軸あるいは[111]軸が配=3 向したPbTjl−XZr、03薄膜を得ることである
。
面に垂直に[001]軸あるいは[111]軸が配=3 向したPbTjl−XZr、03薄膜を得ることである
。
(課題を解決するための手段)
基板として、石英およびSj板を用い、その上に電極と
して[100]軸あるいは[1,1t ]軸が基板に垂
直に配向したpt薄膜を作成し、一定の条件でスパッタ
リングを行うことによって、基板に垂直に[00]−:
]軸あるいは[11月軸が配向したPbTL−xZrX
O3強誘電体薄膜を形成させるものである。
して[100]軸あるいは[1,1t ]軸が基板に垂
直に配向したpt薄膜を作成し、一定の条件でスパッタ
リングを行うことによって、基板に垂直に[00]−:
]軸あるいは[11月軸が配向したPbTL−xZrX
O3強誘電体薄膜を形成させるものである。
(作 用)
基板として、石英およびSj上にpt薄膜を作成したも
のを選ぶ。基板温度が低すぎるか高すぎるか、あるいは
、ガス圧力が高すぎるか低すぎるとできた薄膜は多結晶
体あるいはアモルファスである。しかし、適当なガス圧
力および基板温度では、PbT1.−xZrXO,薄膜
の[001コ軸あるいは[111コ軸が基板に垂直に揃
って、薄膜はエピタキシャル的に配向成長する。
のを選ぶ。基板温度が低すぎるか高すぎるか、あるいは
、ガス圧力が高すぎるか低すぎるとできた薄膜は多結晶
体あるいはアモルファスである。しかし、適当なガス圧
力および基板温度では、PbT1.−xZrXO,薄膜
の[001コ軸あるいは[111コ軸が基板に垂直に揃
って、薄膜はエピタキシャル的に配向成長する。
(実施例)
電極のP・tおよび強誘電体薄膜は、RF−マグネトロ
ンスパッタリング法により作成した。強誘電体ターゲッ
トの組成はPbTjl−XZrxO:lr、X=0.9
0−0.1.O(チタン酸ジルコン酸鉛)粉末に20m
o1%のPboを加えたものである。原料のpbo。
ンスパッタリング法により作成した。強誘電体ターゲッ
トの組成はPbTjl−XZrxO:lr、X=0.9
0−0.1.O(チタン酸ジルコン酸鉛)粉末に20m
o1%のPboを加えたものである。原料のpbo。
TiO2,ZrO2を所定量、配合、混合し、850℃
で4時間、空気中で焼成した。焼成後、粉砕、混合し、
過剰のPbQを加えてターゲットとした。
で4時間、空気中で焼成した。焼成後、粉砕、混合し、
過剰のPbQを加えてターゲットとした。
ターゲット粉末は銅皿に入れ、200kg/1fflの
圧力でプレスした。
圧力でプレスした。
電極のptは、強誘電体の組成に応じて、基板面に垂直
に[100]軸が配向したものと[1,]、 ]、]軸
が配向したものを用いた。基板面に垂直に[1001軸
が配向したptは基板温度が600°C、スパッタガス
がA、r(アルゴン)102(酸素)が50/10の混
合ガスで得られた。一方、[111]軸に配向したpt
は基板温度が400℃、Arが100%で得られた。強
誘電体のスパッタリング条件は基板温度が550〜75
0℃、ガス圧力が5〜40mTの範囲で変化させた。基
板とターゲットの距離は8Gである。入力は160Wで
ターゲットの直径は5インチ(12,7an)である。
に[100]軸が配向したものと[1,]、 ]、]軸
が配向したものを用いた。基板面に垂直に[1001軸
が配向したptは基板温度が600°C、スパッタガス
がA、r(アルゴン)102(酸素)が50/10の混
合ガスで得られた。一方、[111]軸に配向したpt
は基板温度が400℃、Arが100%で得られた。強
誘電体のスパッタリング条件は基板温度が550〜75
0℃、ガス圧力が5〜40mTの範囲で変化させた。基
板とターゲットの距離は8Gである。入力は160Wで
ターゲットの直径は5インチ(12,7an)である。
基板には、10 X 15 X 0.5nm3の石英、
Si板を用いた。基板表面に垂直に[100]軸あるい
は[111]軸が配向した約1000人の厚さのpt薄
膜をスパッタリングでつけ電極とした。PbTi1−x
ZrXOaの成膜は8時間行なった。
Si板を用いた。基板表面に垂直に[100]軸あるい
は[111]軸が配向した約1000人の厚さのpt薄
膜をスパッタリングでつけ電極とした。PbTi1−x
ZrXOaの成膜は8時間行なった。
P b T 11−x Z rx O3はペロブスカイ
ト構造でX=0.5付近にモルフォトロピック転移をも
つ、キュリー温度はXが大きい方が低く、X≦0.5で
は正方品の強誘電体で350〜490℃の範囲にあり、
X≧0.5では菱面体晶の強誘電体で350〜240℃
の範囲にある。キュリー温度はBaTiO2等に比べる
とかなり高い。自発分極は正方晶領域では[001]方
向、菱面体晶領域では[:111]方向を向いている。
ト構造でX=0.5付近にモルフォトロピック転移をも
つ、キュリー温度はXが大きい方が低く、X≦0.5で
は正方品の強誘電体で350〜490℃の範囲にあり、
X≧0.5では菱面体晶の強誘電体で350〜240℃
の範囲にある。キュリー温度はBaTiO2等に比べる
とかなり高い。自発分極は正方晶領域では[001]方
向、菱面体晶領域では[:111]方向を向いている。
これらの強誘電体をメモリー、圧電素子あるいは焦電形
赤外線センサ等に用いるには、基板に垂直に[001]
軸あるいは[111]軸が配向していることが望ましい
。
赤外線センサ等に用いるには、基板に垂直に[001]
軸あるいは[111]軸が配向していることが望ましい
。
PbTio、s Zro、sOa粉末のX線回折パター
ンを標準として測定し、薄膜の結果と比較した。粉末の
場合のX線回折パターンの面指数、2θ、相対反射強度
を第1表に示す。ここで薄膜の[0(HE軸が配向して
いる度合を表すために配向率α1をCI (001))
/[I (001) + I (101) +I (1
11))で定義する。また[111F軸が配向している
度合を表わすために配向率α2をCI (111))
/ CI (001) + I (101)+I (1
11))で定義する。
ンを標準として測定し、薄膜の結果と比較した。粉末の
場合のX線回折パターンの面指数、2θ、相対反射強度
を第1表に示す。ここで薄膜の[0(HE軸が配向して
いる度合を表すために配向率α1をCI (001))
/[I (001) + I (101) +I (1
11))で定義する。また[111F軸が配向している
度合を表わすために配向率α2をCI (111))
/ CI (001) + I (101)+I (1
11))で定義する。
第1表 PbTio、5ZrO0,03粉末のX線回折
パターン I (001)は(001)面のX線反射強度を意味す
る。もしも薄膜が全く配向していなくて粉末と同じ状態
ならば、α、 =0.042.α2=0.125になる
。完全に[001]軸あるいは[]、 11 ]軸が基
板に垂直に配向しているならばα□、α2は1になる。
パターン I (001)は(001)面のX線反射強度を意味す
る。もしも薄膜が全く配向していなくて粉末と同じ状態
ならば、α、 =0.042.α2=0.125になる
。完全に[001]軸あるいは[]、 11 ]軸が基
板に垂直に配向しているならばα□、α2は1になる。
ターゲットの組成がX >0.5の組成の場合にはpt
が(111)に配向した基板を、組成がX≦0.5の組
成の場合にはptが(100)配向した基板を用いた。
が(111)に配向した基板を、組成がX≦0.5の組
成の場合にはptが(100)配向した基板を用いた。
基板温度とガス圧を変えて作成した薄膜について、まず
α1.α2を求めた。次に表面に直径約1mmのpt電
極を設けて、D−Eヒステレシス曲線を測定した。
α1.α2を求めた。次に表面に直径約1mmのpt電
極を設けて、D−Eヒステレシス曲線を測定した。
第2表、第3表に、P t (100)上に作製したP
b T l □−x Z r X Os (X≦0.
501の組成、基板温度、ガス圧力と配向率α1.α、
の関係を示す。結晶形はいづれも正方品である。はとん
どの試料でα□はα、よりも太きい。配向率特にα、は
基板温度、ガス圧力に大きく依存する。基板が石英の場
合、600、700℃では、α、は0.6以下であるが
、650℃ではα□が非常に大きい薄膜が得られる。
b T l □−x Z r X Os (X≦0.
501の組成、基板温度、ガス圧力と配向率α1.α、
の関係を示す。結晶形はいづれも正方品である。はとん
どの試料でα□はα、よりも太きい。配向率特にα、は
基板温度、ガス圧力に大きく依存する。基板が石英の場
合、600、700℃では、α、は0.6以下であるが
、650℃ではα□が非常に大きい薄膜が得られる。
しかし、ガス圧力が20mT以上ではα1は小さいが、
5〜10mTではα□が非常に大きく0.7以上になる
。
5〜10mTではα□が非常に大きく0.7以上になる
。
Si基板の場合、基板温度が600〜650℃、ガス圧
力が5〜10mTでα1の非常に大きい0.7以上の薄
膜が得られる。
力が5〜10mTでα1の非常に大きい0.7以上の薄
膜が得られる。
第2表 Pt(100)/石英を用いた場合の組成、ス
パッタリング条件と配向率 αII α2 第3表 Pt(100)/S]を用いた場合の組成、スパッタリ
ング条件と配向率 α11 a2 第4表、第5表に、pt(]、]、1.)十に作製した
PbTユ、−xZrxo:+(X≧0.501の組成、
ガス圧力と配向率α4.α2の関係を示す。結晶形は菱
面体晶である。はとんどの試料では、α、はα1より大
きい。基板が石英の場合、基板温度が700°Cでα2
が大きい。そしてガス圧力が5〜]OmTにすると、α
、が非常に太きく0.6以」―になる。
パッタリング条件と配向率 αII α2 第3表 Pt(100)/S]を用いた場合の組成、スパッタリ
ング条件と配向率 α11 a2 第4表、第5表に、pt(]、]、1.)十に作製した
PbTユ、−xZrxo:+(X≧0.501の組成、
ガス圧力と配向率α4.α2の関係を示す。結晶形は菱
面体晶である。はとんどの試料では、α、はα1より大
きい。基板が石英の場合、基板温度が700°Cでα2
が大きい。そしてガス圧力が5〜]OmTにすると、α
、が非常に太きく0.6以」―になる。
Siの場合、基板温度は650〜700℃、ガス圧力5
〜1.0mTでα2の非常に大きい0.6以にの薄膜が
得られる。このように適当なスパッタリング条件では、
基板が石英でもSj−でもpt上にはα1が、Pt(+
、1.1.)J−にはα2が非常に大きいPbTj□−
XZrX○3薄膜が得られる。
〜1.0mTでα2の非常に大きい0.6以にの薄膜が
得られる。このように適当なスパッタリング条件では、
基板が石英でもSj−でもpt上にはα1が、Pt(+
、1.1.)J−にはα2が非常に大きいPbTj□−
XZrX○3薄膜が得られる。
強誘電体薄膜を焦電形赤外線センサ、圧電素子、メモリ
ー等に応用する場合、残留分極が大きいことが必要にな
る。D−Eヒステレシス曲線から残留分極と抗電場を求
めた。
ー等に応用する場合、残留分極が大きいことが必要にな
る。D−Eヒステレシス曲線から残留分極と抗電場を求
めた。
第4表
Pt(1,11)/石英を用いた場合の組成、第5表
Pt(1,11)/Sコを用いた場合の組成、スパッタ
リング条件と配向率 スパッタリング条件と配向率 α1.1 α2 α1 l α2 第6表に石英、Si上に作製したPbTi、−xZrX
○、[X≦0.50)の残留分極と抗電場と配向率α、
の関係を示す。残留分極はα□に大きく依存し、α1が
大きい、すなわち基板に垂直にPbTi1−xZr工0
3[001]軸が配向しているほど、残留分極が大きい
。抗電場はXが小さい組成はど大きい。第7表には石英
、Si上のPt(111)上に作製したPbTi、−x
ZrXO3(X≧0.50)の残留分極と抗電場と配向
率α2の関係を示す。この場合も残留分極はα2に大き
く依存し、α2が大きいほど、すなわち基板に垂直にP
bTi1−XZrxO3の[111F軸が配向している
ほど残留分極が大きい。抗電場はXが大きい組成はど小
さくなる。また、正方品より菱面体晶の方が抗電場は小
さいが残留分極も小さい。
リング条件と配向率 スパッタリング条件と配向率 α1.1 α2 α1 l α2 第6表に石英、Si上に作製したPbTi、−xZrX
○、[X≦0.50)の残留分極と抗電場と配向率α、
の関係を示す。残留分極はα□に大きく依存し、α1が
大きい、すなわち基板に垂直にPbTi1−xZr工0
3[001]軸が配向しているほど、残留分極が大きい
。抗電場はXが小さい組成はど大きい。第7表には石英
、Si上のPt(111)上に作製したPbTi、−x
ZrXO3(X≧0.50)の残留分極と抗電場と配向
率α2の関係を示す。この場合も残留分極はα2に大き
く依存し、α2が大きいほど、すなわち基板に垂直にP
bTi1−XZrxO3の[111F軸が配向している
ほど残留分極が大きい。抗電場はXが大きい組成はど小
さくなる。また、正方品より菱面体晶の方が抗電場は小
さいが残留分極も小さい。
こうして適当なスパッタリング条件下で石英。
Si上に成膜した(100)配向したpt上には、高度
に(001)配向したPbTjl−xZrxo3[X≦
0.50]が、また(111)配向したpt上には高度
に(111)に配向したPb7Ti1−xZrXO3[
X≧0.50]が作製できる。
に(001)配向したPbTjl−xZrxo3[X≦
0.50]が、また(111)配向したpt上には高度
に(111)に配向したPb7Ti1−xZrXO3[
X≧0.50]が作製できる。
これらは大きい残留分極をもち、上記の応用には最適で
ある。
ある。
第6表
Pt(1,00)/石英/Siを用いた場合の配向率α
1と残留分極および抗電場 第7表 Pt(111)/石英/Siを用いた場合の配向率α2
と残留分極および抗電場 (発明の効果) 本発明によれば、石英およびSi上に電極を成膜と、そ
の上にスパッタリング法で、適当な基板温度、ガス圧力
で作成したPbTix−xZrxO3(チタン酸ジルコ
ン酸鉛)強誘電体薄膜は、基板面に垂直に[001F軸
あるいは[111]軸が揃っていて、すなわち[:00
1]軸あるいは[111]軸が優勢に配向していて、非
常に大きい残留分極をもち、また抗電場も比較的小さい
。PbTi1−XZrxO3Zr型体薄膜はメモリーや
焦電形赤外線センサ等に応用でき、その実用上の効果は
大である。
1と残留分極および抗電場 第7表 Pt(111)/石英/Siを用いた場合の配向率α2
と残留分極および抗電場 (発明の効果) 本発明によれば、石英およびSi上に電極を成膜と、そ
の上にスパッタリング法で、適当な基板温度、ガス圧力
で作成したPbTix−xZrxO3(チタン酸ジルコ
ン酸鉛)強誘電体薄膜は、基板面に垂直に[001F軸
あるいは[111]軸が揃っていて、すなわち[:00
1]軸あるいは[111]軸が優勢に配向していて、非
常に大きい残留分極をもち、また抗電場も比較的小さい
。PbTi1−XZrxO3Zr型体薄膜はメモリーや
焦電形赤外線センサ等に応用でき、その実用上の効果は
大である。
特許出願人 松下電器産業株式会社
Claims (5)
- (1)Siあるいは石英(SiO_2)基板と、前記基
板上に設けた電極上に形成された、電極面に垂直に[0
01]軸が配向したPbTi_1_−_XZr_XO_
3〔X=0.10〜0.50〕あるいは、前記電極面に
垂直に[111]軸が配向したPbTi_1_−_XZ
r_XO_3〔X=0.50〜0.90〕からなること
を特徴とする強誘電体薄膜。 - (2)電極が基板に垂直に[100]軸が配向したPt
で、Pt上に形成された面に垂直に[001]軸が配向
したPbTi_1_−_XZr_XO_3〔X=0.1
0〜0.50〕からなることを特徴とする請求項(1)
記載の強誘電体薄膜。 - (3)電極が基板に垂直に[111]軸が配向したpt
で、pt上に形成された面に垂直に[111]軸が配向
したPbTi_1_−_XZr_XO_3〔X=0.5
0〜0.90〕からなることを特徴とする請求項(1)
記載の強誘電体薄膜。 - (4)Siあるいは石英(SiO_2)基板上に、基板
温度が600℃で、酸素を含むアルゴンガス中で、スパ
ッタリング法により基板面に垂直に[100]軸が配向
したPt電極を設け、前記Pt電極上にPbTi_1_
−_XZr_XOa_3〔X=0.10〜0.50〕薄
膜を形成させることにより、前記基板面に垂直に[00
1]軸を配向させることを特徴とする強誘電体薄膜の製
造方法。 - (5)Siあるいは石英(SiO_2)基板上に、基板
温度が400℃で、アルゴンガス中で、スパッタリング
法により基板面に垂直に[111]軸が配向したPt電
極を設け、前記Pt電極上にPbTi_1_−_XZr
_XO_3〔X=0.50〜0.90〕薄膜を形成させ
ることにより、前記基板面に垂直に[111]軸を配向
させることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2105932A JPH045874A (ja) | 1990-04-21 | 1990-04-21 | 強誘電体薄膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2105932A JPH045874A (ja) | 1990-04-21 | 1990-04-21 | 強誘電体薄膜およびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH045874A true JPH045874A (ja) | 1992-01-09 |
Family
ID=14420628
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2105932A Pending JPH045874A (ja) | 1990-04-21 | 1990-04-21 | 強誘電体薄膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH045874A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2006287255A (ja) * | 1995-09-19 | 2006-10-19 | Seiko Epson Corp | 圧電体薄膜素子及びインクジェット式記録ヘッド |
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-
1990
- 1990-04-21 JP JP2105932A patent/JPH045874A/ja active Pending
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