JPH07169996A

JPH07169996A - 強誘電体薄膜素子

Info

Publication number: JPH07169996A
Application number: JP5316192A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nagao; 宣明長尾; Takayuki Takeuchi; 孝之竹内; Kenji Iijima; 賢二飯島; Tatsuro Kawamura; 達朗河村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックス薄膜を用いた各種薄膜デバイス
素子に使用される強誘電体薄膜において、結晶中の格子
欠陥が極めて少なく、結晶性、強誘電特性に優れた強誘
電体薄膜素子を提供する。【構成】（１００）で劈開し鏡面研磨したＭｇＯ単結
晶基板１の上に、スパッタリング法によって膜厚０．２
μｍのＰｔ薄膜を堆積し、下部電極２を形成する。下部
電極２の上に、高周波マグネトロンスパッタリング法に
よって強誘電体薄膜３を３μｍだけ成長させる。強誘電
体薄膜３としては、Ａサイト金属とＢサイト金属のモル
比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であるＡＢＯ₃型ペロ
ブスカイト構造を有する強誘電体薄膜を用いる。強誘電
体薄膜３の上に、スパッタリング法によって膜厚０．２
μｍのＰｔ薄膜を堆積し、上部電極４を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体薄膜を用いた
赤外線検出素子、電気光学効果素子、不揮発性メモリ、
圧電素子などの誘電体薄膜素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、強誘電体の焦電性、圧電性、分極
反転等の物性を用いたセンサー素子や不揮発性メモリ等
のデバイスが各種提案されている。

【０００３】鉛系酸化物強誘電体であるＰＬＴやＰＺＴ
は、焦電効果、圧電効果、電気光学効果が大きく、ま
た、残留分極が大きく抗電界が小さいために、優れた材
料として薄膜素子への応用が期待されている。

【０００４】通常、これらの材料を薄膜化する場合に
は、基板上に形成した電極上にスパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ゾル−ゲル法等によって作製している。尚、この
場合には、強誘電性を発現するペロブスカイト相を得る
ために、６００℃以上の基板温度が必要である。

【０００５】しかし、酸化鉛（ＰｂＯ）は蒸気圧が高い
ので、このような高い基板温度では、一度基板上に付着
したＰｂＯが再蒸発して薄膜の組成ズレが生じ、薄膜の
結晶中の格子欠陥が多数生成するために緻密な膜とはな
らず、自発分極が小さくリークの多い薄膜となってしま
う。

【０００６】このように従来の鉛系酸化物を用いた強誘
電体薄膜素子はＡサイト金属が不足した欠陥の多い薄膜
を使用しているため、本来の強誘電性特性が得られてい
ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の強
誘電体薄膜素子では、薄膜の結晶中の格子欠陥が多数存
在し、緻密な膜とはならず、このため自発分極が小さ
く、また、リークが増加し薄膜の強誘電特性を著しく劣
化させるという問題点を有していた。

【０００８】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
ため、結晶性、強誘電特性に優れた強誘電体薄膜素子を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る強誘電体薄膜素子の構成は、基板上に
形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成され
た強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜上に形成された第
２の電極とを少なくとも備えた強誘電体薄膜素子であっ
て、前記強誘電体薄膜がＡＢＯ₃型ペロブスカイト構造
を有する酸化物強誘電体であり、前記強誘電体薄膜中の
Ａサイト金属とＢサイト金属のモル比（Ａ／Ｂ）が１．
０以上の組成であることを特徴とする。

【００１０】また、前記構成においては、強誘電体薄膜
が鉛、チタンを主成分とするのが好ましい。また、前記
構成においては、強誘電体薄膜が少なくとも鉛、ランタ
ン、チタンを主成分とするのが好ましい。

【００１１】また、前記構成においては、強誘電体薄膜
が少なくとも鉛、チタン、ジルコニウムを主成分とする
のが好ましい。また、前記構成においては、強誘電体薄
膜がバリウム、ストロンチウム、チタンのうち少なくと
もいずれか２つ、又は３つ全てを主成分とするのが好ま
しい。

【００１２】また、前記構成においては、強誘電体薄膜
中のＡサイト金属の一部をアルカリ土類金属で置換した
ものであるのが好ましい。また、前記構成においては、
強誘電体薄膜中のＢサイト金属の一部をマンガンで置換
したものであるのが好ましい。

【００１３】

【作用】前記本発明の構成によれば、上部電極と下部電
極との間に、Ｂサイト金属に対するＡサイト金属の組成
比が化学量論比よりも過剰に含まれる強誘電体薄膜を使
用するものであるため、Ａサイト金属がＢサイト金属に
対して化学量論組成比以下の薄膜を使用した場合と異な
り、強誘電体薄膜が格子欠陥の極めて少ないペロブスカ
イト型の結晶構造を有することとなり、その結果、薄膜
が緻密化するために自発分極が大きくなり、また同時
に、リークが減少することにより焦電特性に優れた強誘
電体薄膜素子を実現することができる。

【００１４】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。（実施例１）図１は本発明に係る強誘電体薄膜素子の一
実施例を示す断面図である。

【００１５】（１００）で劈開し鏡面研磨したＭｇＯ単
結晶を基板１とし、まず、基板１の上に、スパッタリン
グ法によって膜厚０．２μｍのＰｔ薄膜を堆積し、下部
電極２を形成した。次いで、下部電極２の上に、高周波
マグネトロンスパッタリング法によって強誘電体薄膜３
を３μｍ成長させた。尚、スパッタリングターゲットと
しては、下記（数１）で表記される酸化物の粉末を用い
た。

【００１６】

【数１】

【００１７】次いで、強誘電体薄膜３の上に、スパッタ
リング法によって膜厚０．２μｍのＰｔ薄膜を堆積し、
上部電極４を形成した。以上のようにして作製した強誘
電体薄膜素子の焦電特性を測定したところ、下記（表
１）のような結果を得た。尚、強誘電体薄膜には分極処
理を施していない。

【００１８】

【表１】

【００１９】この（表１）から明らかなように、本実施
例１による強誘電体薄膜素子は、焦電係数が７．５倍に
向上しリークが少ないために、ｔａｎδが小さいという
点で優れた焦電効果を発揮することができる。

【００２０】以上のように本実施例１によれば、下部電
極２と上部電極４との間に、Ａサイト金属とＢサイト金
属のモル比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であるＡＢＯ
₃型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層を設け
たことにより、リークが少なく焦電特性に優れた強誘電
体薄膜素子を実現することができた。

【００２１】尚、本実施例１においては、強誘電体薄膜
３のＡサイト金属として鉛を用いているが、必ずしもこ
の構成に限定されるものではなく、その一部をアルカリ
土類金属であるマグネシウム、カルシウム等に置換した
ものであっても同様の効果を得ることができる。

【００２２】また、本実施例１においては、強誘電体薄
膜３のＢサイト金属としてチタンを用いているが、必ず
しもこの構成に限定されるものではなく、その一部をマ
ンガンに置換したものであっても同様の効果を得ること
ができる。

【００２３】（実施例２）本実施例２で作製した強誘電
体薄膜素子の構成は図１と同様である。本実施例２が実
施例１と異なる点は、強誘電体薄膜３に（Ｐｂ、Ｌａ）
ＴｉＯ₃薄膜を用いた点である。尚、スパッタリングタ
ーゲットとしては、下記（数２）で表記される酸化物の
粉末を用いた。

【００２４】

【数２】

【００２５】以上のように構成された強誘電体薄膜素子
の焦電特性を測定したところ、下記（表２）のような結
果を得た。尚、本実施例２においても、実施例１と同様
に強誘電体薄膜には分極処理を施していない。

【００２６】

【表２】

【００２７】この（表２）から明らかなように、本実施
例２による強誘電体薄膜素子は、焦電係数が４．９倍に
向上しリークが少ないために、ｔａｎδが小さいという
点で優れた焦電効果を発揮することができる。

【００２８】以上のように本実施例２によれば、下部電
極２と上部電極４との間に、Ａサイト金属とＢサイト金
属のモル比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であるＡＢＯ
₃型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層を設け
たことにより、リークが少なく焦電特性に優れた強誘電
体薄膜素子を実現することができた。

【００２９】尚、本実施例２においては、強誘電体薄膜
３のＡサイト金属として鉛、ランタンを用いているが、
必ずしもこの構成に限定されるものではなく、その一部
をアルカリ土類金属であるマグネシウム、カルシウム等
に置換したものであっても同様の効果を得ることができ
る。

【００３０】また、本実施例２においては、強誘電体薄
膜３のＢサイト金属としてチタンを用いているが、必ず
しもこの構成に限定されるものではなく、その一部をマ
ンガンに置換したものであっても同様の効果を得ること
ができる。

【００３１】（実施例３）本実施例３で作製した強誘電
体薄膜素子の構成は図１と同様である。本実施例３が実
施例１と異なる点は、強誘電体薄膜３にＰｂ（Ｚｒ、Ｔ
ｉ）Ｏ₃薄膜を用いた点である。尚、スパッタリングタ
ーゲットとしては、下記（数３）で表記される酸化物の
粉末を用いた。

【００３２】

【数３】

【００３３】以上のように構成された強誘電体薄膜素子
の焦電特性を測定したところ、下記（表３）のような結
果を得た。尚、本実施例３においても、実施例１と同様
に強誘電体薄膜には分極処理を施していない。

【００３４】

【表３】

【００３５】この（表３）から明らかなように、本実施
例３による強誘電体薄膜素子は、焦電係数が３．６倍に
向上しリークが少ないために、ｔａｎδが小さいという
点で優れた焦電効果を発揮することができる。

【００３６】以上のように本実施例３によれば、下部電
極２と上部電極４との間に、Ａサイト金属とＢサイト金
属のモル比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であるＡＢＯ
₃型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層を設け
たことにより、リークが少なく焦電特性に優れた強誘電
体薄膜素子を実現することができた。

【００３７】尚、本実施例３においては、強誘電体薄膜
３のＡサイト金属として鉛を用いているが、必ずしもこ
の構成に限定されるものではなく、その一部をアルカリ
土類金属であるマグネシウム、カルシウム等に置換した
ものであっても同様の効果を得ることができる。

【００３８】また、本実施例３においては、強誘電体薄
膜３のＢサイト金属としてジルコニウム、チタンを用い
ているが、必ずしもこの構成に限定されるものではな
く、その一部をマンガンに置換したものであっても同様
の効果を得ることができる。

【００３９】（実施例４）本実施例４で作製した強誘電
体薄膜素子の構成は図１と同様である。本実施例４が実
施例１と異なる点は、強誘電体薄膜３に（Ｂａ、Ｓｒ）
ＴｉＯ₃薄膜を用いた点である。尚、スパッタリングタ
ーゲットとしては、下記（数４）で表記される酸化物の
粉末を用いた。

【００４０】

【数４】

【００４１】以上のように構成された強誘電体薄膜素子
の焦電特性を測定したところ、下記（表４）のような結
果を得た。尚、本実施例４においても、実施例１と同様
に強誘電体薄膜には分極処理を施していない。

【００４２】

【表４】

【００４３】この（表４）から明らかなように、本実施
例４による強誘電体薄膜素子は、焦電係数が１．８倍に
向上しリークが少ないために、ｔａｎδが小さいという
点で優れた焦電効果を発揮することができる。

【００４４】以上のように本実施例４によれば、下部電
極２と上部電極４との間に、Ａサイト金属とＢサイト金
属のモル比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であるＡＢＯ
₃型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層を設け
たことにより、リークが少なく焦電特性に優れた強誘電
体薄膜素子を実現することができた。

【００４５】尚、本実施例４においては、強誘電体薄膜
３のＡサイト金属としてバリウム、ストロンチウムを用
いているが、必ずしもこの構成に限定されるものではな
く、その一部をアルカリ土類金属であるマグネシウム、
カルシウム等に置換したものであっても同様の効果を得
ることができる。

【００４６】また、本実施例４においては、強誘電体薄
膜３のＢサイト金属としてチタンを用いているが、必ず
しもこの構成に限定されるものではなく、その一部をマ
ンガンに置換したものであっても同様の効果を得ること
ができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る強誘
電体薄膜素子によれば、上部電極と下部電極との間に、
Ｂサイト金属に対するＡサイト金属の組成比が化学量論
比よりも過剰に含まれる強誘電体薄膜を使用するもので
あるため、Ａサイト金属がＢサイト金属に対して化学量
論組成比以下の薄膜を使用した場合と異なり、強誘電体
薄膜が格子欠陥の極めて少ないペロブスカイト型の結晶
構造を有することとなり、その結果、薄膜が緻密化する
ために自発分極が大きくなり、また同時に、リークが減
少することにより焦電特性に優れた強誘電体薄膜素子を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る強誘電体薄膜素子の一実施例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ＭｇＯ基板２白金下部電極３強誘電体薄膜４白金上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河村達朗大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された第１の電極と、前記
第１の電極上に形成された強誘電体薄膜と、前記強誘電
体薄膜上に形成された第２の電極とを少なくとも備えた
強誘電体薄膜素子であって、前記強誘電体薄膜がＡＢＯ
₃型ペロブスカイト構造を有する酸化物強誘電体であ
り、前記強誘電体薄膜中のＡサイト金属とＢサイト金属
のモル比（Ａ／Ｂ）が１．０以上の組成であることを特
徴とする強誘電体薄膜素子。
【請求項２】強誘電体薄膜が鉛、チタンを主成分とす
る請求項１に記載の強誘電体薄膜素子。
【請求項３】強誘電体薄膜が少なくとも鉛、ランタ
ン、チタンを主成分とする請求項１に記載の強誘電体薄
膜素子。
【請求項４】強誘電体薄膜が少なくとも鉛、チタン、
ジルコニウムを主成分とする請求項１に記載の強誘電体
薄膜素子。
【請求項５】強誘電体薄膜がバリウム、ストロンチウ
ム、チタンのうち少なくともいずれか２つ、又は３つ全
てを主成分とする請求項１に記載の強誘電体薄膜素子。
【請求項６】強誘電体薄膜中のＡサイト金属の一部を
アルカリ土類金属で置換した請求項１から５のいずれか
に記載の強誘電体薄膜素子。
【請求項７】強誘電体薄膜中のＢサイト金属の一部を
マンガンで置換した請求項１から６のいずれかに記載の
強誘電体薄膜素子。