JPH07183397A - 誘電体薄膜素子及びその製造方法 - Google Patents

誘電体薄膜素子及びその製造方法

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JPH07183397A
JPH07183397A JP6108628A JP10862894A JPH07183397A JP H07183397 A JPH07183397 A JP H07183397A JP 6108628 A JP6108628 A JP 6108628A JP 10862894 A JP10862894 A JP 10862894A JP H07183397 A JPH07183397 A JP H07183397A
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film
dielectric thin
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dielectric
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JP6108628A
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Maho Ushikubo
真帆 牛久保
Yasuyuki Ito
康幸 伊藤
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜化が容易であると共にリーク電流密度が
小さく、絶縁耐圧が向上した誘電体薄膜素子の提供。 【構成】 少なくとも電極と誘電体薄膜からなる誘電体
薄膜素子であって、前記誘電体薄膜が複数の層からなる
積層体であり、該積層体が揮発性元素を含む同一種類の
元素からなり、前記複数の誘電体薄膜層のうちの少なく
とも1層に含まれる揮発性元素の含有量が他の誘電体薄
膜層に含まれる揮発性元素の含有量と異なることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体薄膜素子及びその
製造方法に関する。さらに詳しくは、不揮発性メモリ素
子、キャパシタ、光変調素子、圧電素子、焦電型赤外線
センサ等に用いられる誘電体薄膜素子及びその製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にDRAM等において電荷を蓄積す
るのは、誘電体薄膜からなるキャパシタである。そのキ
ャパシタ用の誘電体薄膜材料にはSiO2(酸化シリコ
ン) が主に使用されている。更に近年、高集積化が要求
されていることからSrTiO3(チタン酸ストロンチ
ウム)、(Ba,Sr)TiO3(チタン酸バリウムスト
ロンチウム)等を用いた高誘電率薄膜も研究されてい
る。
【0003】また、誘電体の中でも自発分極をもつ強誘
電体を利用した不揮発性メモリが、近年盛んに研究され
ている。このような強誘電体に使用される材料として、
PZT〔Pb(Zr,Ti)O3、チタン酸ジルコン酸
鉛〕、PbTiO3(チタン酸鉛)、BaTiO3(チタン
酸バリウム)等の酸化物が主に使用されている。このう
ち有望な不揮発性メモリ用材料としてPZTが精力的に
研究されている。
【0004】この誘電体薄膜素子は、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、小型化、
薄膜化が進みつつあり、更に欠陥のない膜が求められて
いる。従来提案されている強誘電体薄膜素子として、例
えば、特開平第3−108192号及び特開平3−10
8770号に記載の素子が挙げられる。これらの素子
は、互いに直交するストライプ状の上下電極間に、抗電
界の異なる複数の強誘電体膜が挟まれてなる構成を有し
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来提案
されている誘電体薄膜の製造方法として、真空蒸着法、
スパッタ法、ゾル・ゲル法、有機金属化学気相成長法
(MOCVD法)などが検討されている。これらの方法
は、成膜時の基板温度を上げるなどして成膜中に結晶化
を行う方法と、成膜後に熱処理を施して結晶化する方法
の2通りの方法からなる。しかし、どちらの方法でも、
誘電体薄膜中に比較的蒸発しやすい元素を含んでいる
と、結晶化の最中の揮発性元素の再蒸発等により強誘電
体薄膜中に多数のピンホールが形成されたり、表面の凹
凸が大きくなったりする。そして、リーク電流が増大し
たり、セル間の特性がばらつくなどの問題があった。こ
のため、高集積化に伴う誘電体膜の薄膜化が困難であっ
た。
【0006】例えば、上記2通りの方法によって、強誘
電体薄膜を製造した場合、前者の方法では、成膜時の基
板温度を500℃〜700℃の高温に保持して成膜速度
も遅くしなければならないため生産性の点で問題があっ
た。また、後者の方法では、強誘電体材料がPbなどの
比較的蒸発しやすい元素を含んでいると、熱処理後の膜
の組成が化学量論上の組成比からずれてPbが不足した
状態になってしまうため、これを補償するために熱処理
前の膜をPbの多い組成にしておかなければならない。
ところが、熱処理時のPbの再蒸発等により強誘電体薄
膜中に多数のピンホールが形成され、表面の凹凸も大き
くなるため、リーク電流が増大したり、セル間の特性が
ばらつくなどの問題があった。このため、高集積化に伴
う強誘電体膜の薄膜化が困難であった。
【0007】また、上記特開平第3−108192号及
び特開平3−108770号に記載された強誘電体素子
は、素子を構成する強誘電体薄膜が、種類の異なる強誘
電体材料を複数積層した構造或いは第三の元素を添加す
ることにより組成を変えた構造を有している。その構造
により抗電界を異ならせ、残留分極値の減少を防止して
いるのみであり、ピンホール等の薄膜表面に生じる凹凸
を防止することはできなかった。
【0008】そこで本発明者らは、鋭意検討の結果、誘
電体薄膜に含まれる揮発性元素に着目し、この揮発性元
素の含有量を調節することによって、ピンホール等が生
じず凹凸の少ない平坦な誘電体薄膜が得られることを見
いだし本発明に至った。
【0009】
【課題を解決するための手段】かくして、少なくとも電
極と誘電体薄膜からなる誘電体薄膜素子であって、前記
誘電体薄膜が複数の層からなる積層体であり、該積層体
が揮発性元素を含む同一種類の元素からなり、前記複数
の誘電体薄膜層のうちの少なくとも1層に含まれる揮発
性元素の含有量が他の誘電体薄膜層に含まれる揮発性元
素の含有量と異なることを特徴とする誘電体薄膜素子及
びその製造方法が提供される。
【0010】本発明の揮発性元素とは、誘電体薄膜素子
の製造工程における薄膜の成膜時や成膜後の熱処理等の
高温プロセスで揮発する元素を意味する。一般に高温プ
ロセスは400℃(673K)以上で行われ、この温度
で蒸気圧が10-6Pa以上の元素は揮発する傾向があ
る。本発明において特に好ましい揮発性元素は、鉛、ビ
スマス、ストロンチウム、バリウム、リチウム、カルシ
ウム、カリウム、ナトリウム等である。これらの蒸気圧
曲線を図18に示す。図18からわかるように、上記元
素は400℃でいずれも10-6Pa以上の蒸気圧を有し
ている。本発明の誘電体薄膜素子は、強誘電効果、圧電
効果、焦電効果、電気光学効果等を利用する少なくとも
電極と誘電体薄膜を有するものであればどのような装置
にも適用することができる。そのような装置として、キ
ャパシタ構造を有する半導体装置、光変調器、超音波セ
ンサ、赤外線リニアアレイセンサ等を挙げることができ
る。
【0011】本発明に使用できる誘電体材料には、鉛、
ビスマス、ストロンチウム、バリウム、リチウム、カル
シウム、カリウム、ナトリウム等の揮発性元素を少なく
とも1種含む材料を使用でき、例えば、SrTiO3,
(BaXSr1-X)TiO3,BaMgF4,LiNbO3,L
iTaO3,CaBi4Ti415,KNbO3,NaNbO
3,等の高誘電率材料、あるいはPZT,(PbX
1-X)TiO3,PLZT〔(PbXLa1-X)(ZrYTi
1-Y)O3〕、Bi4Ti312,BaTiO3 等の強誘電
体材料が挙げられる。
【0012】この内、好ましい材料は、高誘電率材料
は、SrTiO3,(BaXSr1-X)TiO3であり、強
誘電体材料は、PZT,PLZT,Bi4Ti312であ
る。以上に示した材料からなる誘電体薄膜は、同一の元
素からなり、かつ、その内に含まれる揮発性元素の組成
が異なる複数の層からなる。本発明の誘電体薄膜は少な
くとも3層以上からなることが好ましい。3層構造とし
た場合には、中間層が、他の2層に比べて揮発性元素が
少ないことが望ましく、その含有量は、揮発性元素の種
類によって異なる。尚、3層以上であっても、本発明は
適用可能であり、その場合は揮発性元素の含有量を中間
層が少なく、中間層を挟む上下層を多くすることにより
目的を達成することができる。
【0013】誘電体薄膜の製造方法は、公知のRFマグ
ネトロンスパッタ法、有機金属化学気相成長法(MOC
VD法)、イオンビームスパッタ法、真空蒸着法、ゾル
・ゲル法等が挙げられる。これら各種の方法のうち、R
Fマグネトロンスパッタ法、MOCVD法、イオンビー
ムスパッタ法が好ましい。例えばRFマグネトロンスパ
ッタ法により成膜し、その後熱処理を施して結晶化を行
う場合、基板温度は室温〜450℃、スパッタパワー1
00〜1000W、スパッタガス圧力0.1〜1Paを
共通成膜条件として、スパッタガス流量比を変えること
によって、組成の異なる薄膜を形成することができる。
スパッタガスとしては、Ar/O2等の公知のものが使
用できる。この方法により成膜した誘電体薄膜は、結晶
化させるために、更にアニール等の熱処理を施す必要が
ある。その条件は、用いる材料、組成比等により適宜設
定されるものである。
【0014】次にMOCVD法により成膜する場合、基
板温度は500〜800℃であり、誘電体薄膜を成膜す
るための原料ガスには公知のものが使用できる。また、
MOCVD法において、誘電体薄膜の組成を調整するに
は、各原料ガスを流通させるキャリアガスの流量を変え
ることによって実行することができる。使用できるキャ
リアガスには、N2等の公知のものが使用できる。
【0015】更にイオンビームスパッタ法により成膜す
る場合は、基板温度400〜700℃、イオンビームの
加速電圧800〜1200Vを共通成膜条件として、上
記RFマグネトロンスパッタ法と同じように操作して、
薄膜を形成することができる。尚、上記成膜条件は、形
成される誘電体薄膜の違いによって若干相違するのは言
うまでもない。
【0016】次に、本発明に使用できる上部及び下部電
極膜には、Pt,Al,Cu,RuO2等の公知の材料
を使用することができ、その膜厚は50〜5000Åが
好ましい。更に、本発明の誘電体薄膜素子は、基板上に
形成することが好ましい。基板には公知のものが使用で
き、例えばシリコン,GaAs等がある。また、基板と
下部電極膜との間に、基板を絶縁するためのSi熱酸化
膜、下部電極膜とSi熱酸化膜との密着性を向上させる
ためのTi膜等を所望により形成することもできる。そ
れぞれの膜の膜厚は50〜5000Å,50〜2000
Åが好ましい。
【0017】
【作用】上記構造を採用することにより、ピンホールが
発生せず、表面の凹凸も減少するので、薄膜化が容易に
なると共にリーク電流密度が小さくなり、絶縁耐圧も向
上する。
【0018】
【実施例】
実施例1 図1は、本発明の強誘電体薄膜素子から構成され、後述
するような電気特性を評価するために作製した素子構造
を示す断面構造概略図である。1はn型シリコン基板、
2は前記n型シリコン基板1の表面に形成されたSi熱
酸化膜、3は前記Si熱酸化膜2上に形成されたTi
膜、4は前記Ti膜3上に形成されたPt下部電極、5
はPt下部電極4上に形成された強誘電体PZT膜の第
一層、6は前記強誘電体PZT膜の第一層5上に作製さ
れた強誘電体PZT膜の第二層、7は前記強誘電体PZ
T膜の第二層6上に作製された強誘電体PZT膜の第三
層、8は前記強誘電体PZT膜の第三層7上に形成され
たPt上部電極である。
【0019】n型シリコン基板1の表面に膜厚2000
ÅのSi熱酸化膜2を形成し、このSi熱酸化膜2上に
膜厚300ÅのTi膜3を、このTi膜3上に膜厚20
00ÅのPt膜4を、このPt膜4上に強誘電体膜とし
てPZT膜5、6、7を、それぞれRFマグネトロンス
パッタ法により形成した。なお、PZT膜5、6、7
は、基板温度250℃、スパッタパワー700W、スパ
ッタガス圧力0.4Paを共通成膜条件とし、PZT膜
5、7はスパッタガス流量比Ar/O2=3/1、PZ
T膜6はスパッタガス流量比Ar/O2=2/1で、そ
れぞれ膜厚700Åずつ、計2100Åになるよう形成
した。PZT膜5あるいは7と同様の性膜条件で単独に
成膜した膜の組成比は、Pb:Ti:Zr=0.57:
0.22:0.21であり、PZT膜6と同様の成膜条
件で単独に成膜した膜の組成比は、Pb:Ti:Zr=
0.53:0.24:0.23であった。
【0020】このPZT膜5、6、7に、赤外線ランプ
を用いた高速アニーリング装置を用いて熱処理を施して
結晶化を行った。熱処理条件は、大気圧の100%酸素
雰囲気中で、昇温および降温速度は35℃/sec.、
アニーリング温度は600℃、アニーリング時間は15
sec.であった。熱処理後の膜の組成比は、PZT膜
5あるいは7と同様の成膜条件で単独に成膜した場合、
Pb:Ti:Zr=0.55:0.23:0.22であ
り、PZT膜6と同様の成膜条件で単独に成膜した場
合、Pb:Ti:Zr=0.49:0.26:0.25
であった。熱処理後の膜のX線回折分析の結果、ペロブ
スカイト構造のPZT単一層のピークのみが現われ、結
晶化が行われていることが確認された。また、膜断面の
SEM観察の結果、PZT膜中にはピンホールが観察さ
れなかった。
【0021】熱処理による結晶化の後、PZT膜7の表
面に真空蒸着法でPt上部電極8を形成した。Pt上部
電極8の大きさは、60μm×60μmの矩形で膜厚は
2000Åであった。上記の様な方法で作製した強誘電
体薄膜素子のPt上部電極8とPt下部電極4の間に電
界9を印加することにより得られたヒステリシスループ
を図3に示す。印加した電界9は、強度150kV/c
mの三角波で周波数は75Hzであった。強誘電体記憶
素子として用いるのに十分な大きさの強誘電特性が得ら
れていることが分かる。
【0022】実施例2 本発明の誘電体薄膜素子を評価するための構造は、実施
例1と同様である。但し、誘電体薄膜の製造方法と組成
比は異ならせた。以下、図1を参照して本発明の実施例
を説明する。PZT膜5、6、7は、基板温度250
℃、スパッタパワー700W、スパッタガス圧力0.4
Paを共通成膜条件とし、PZT膜5、7はスパッタガ
ス流量比Ar/O2=3/1、PZT膜6はスパッタガ
ス流量比Ar/O2=1/1、それぞれ膜厚700Åず
つ、計2100Åになるよう形成した。PZT膜5ある
いは7と同様の成膜条件で単独に成膜した膜の組成比
は、Pb:Ti:Zr=0.57:0.22:0.21
であり、PZT膜6と同様の成膜条件で単独に成膜した
膜の組成比は、Pb:Ti:Zr=0.51:0.2
5:0.24であった。
【0023】このPZT膜5、6、7に、赤外線ランプ
を用いた高速アニーリング装置を用いて熱処理を施して
結晶化を行った。熱処理条件は、大気圧の100%酸素
雰囲気中で、昇温および降温速度は35℃/sec.、
アニーリング温度は600℃、アニーリング時間は15
sec.であった。熱処理後の膜の組成比は、PZT膜
5あるいは7と同様の成膜条件で単独に成膜した場合、
Pb:Ti:Zr=0.55:0.23:0.22であ
り、PZT膜6と同様の成膜条件で単独に成膜した場
合、Pb:Ti:Zr=0.47:0.27:0.26
であった。熱処理後の膜のX線回折分析の結果、ペロブ
スカイト構造のPZT単一層のピークのみが現われ、結
晶化が行われていることが確認された。また、膜断面の
SEM観察の結果、PZT膜中にはピンホールが観察さ
れなかった。Pt上部電極8とPt下部電極4の間に電
界9を印加することにより、実施例1と同様に強誘電体
記憶素子として用いるのに十分な大きさの強誘電特性が
得られた。
【0024】比較例1 図2は、従来の誘電体薄膜素子を説明するための一断面
構造概略図である。10はn型シリコン基板、11は前
記n型シリコン基板10の表面に形成されたSi熱酸化
膜、12は前記Si熱酸化膜11上に形成されたTi
膜、13は前記Ti膜12上に形成されたPt下部電
極、14はPt下部電極13上に形成された強誘電体P
ZT膜、15は強誘電体PZT膜14上に形成されたP
t上部電極である。PZT膜14以外の膜の成膜方法及
び熱処理方法は上記実施例1及び2の場合と同じとし
た。PZT膜14の成膜条件は、基板温度250℃、ス
パッタパワー700W、スパッタガス圧力0.4Pa、
スパッタガス流量比Ar/O2=3/1で、熱処理条件
は、大気圧の100%酸素雰囲気中で、昇温および降温
速度は35℃/sec.、アニーリング温度は600
℃、アニーリング時間は15sec.であった。熱処理
後の膜のX線回折分析の結果、ペロブスカイト構造のP
ZT単一層のピークのみが現われ、結晶化が行われてい
ることが確認された。また、膜断面のSEM観察の結
果、PZT膜中に500〜1000Åのピンホールが多
数観察された。
【0025】図4〜6は、実施例1及び2の本発明によ
る誘電体薄膜素子と比較例1の従来の誘電体薄膜素子の
I−V特性を比較するためのグラフをそれぞれ示してい
る。本発明による誘電体薄膜素子は、リーク電流、絶縁
耐圧ともに改善されており、誘電体薄膜素子として良好
な特性を有していることが分かる。
【0026】実施例3 以下、図1を参照して本発明の実施例を説明する。本発
明の誘電体薄膜素子を評価するための構造は、実施例1
と同様である。但し、誘電体薄膜の製造方法と組成比は
異ならせた。n型シリコン基板1の表面に膜厚2000
ÅのSi熱酸化膜2を形成し、このSi熱酸化膜2上に
膜厚300ÅのTi膜3を、このTi膜3上に膜厚20
00ÅのPt膜4を、このPt膜4上に強誘電体膜とし
てPZT膜5、6、7を、それぞれ有機化学気相成長法
(MOCVD法)により形成した。Pb、Zr、および
Tiの原料には、それぞれ、Pb(DPM)2(DPM:
ジピバロイルメタン,C11202)、Zr(O−t−C
49)4、Ti(O−i−C37)4を用い、温度700℃
で成膜を行った。PZT膜5、7においては、Pb(D
PM)2に対するN2 キャリアガス流量FPb=150sc
cm、Zr(O−t−C49)4 に対するN2 キャリア
ガスFZr=50sccm、Ti(O−i−C37)4に対
するN2キャリアガス流量FTi=100sccm、O2
釈ガス流量はFo2=700sccm、N2希釈ガス流量
N2=300sccmとし、PZT膜6ではFPb=10
0sccm、FZr=50sccm、FTi=100scc
m、Fo2=700sccm、FN2=350sccmとし
た。そして、それぞれの膜は厚さ700Åずつ、計21
00Åになるよう形成した。PZT膜5あるいは7と同
様の成膜条件で単独に成膜した膜の組成比は、Pb:T
i:Zr=0.50:0.21:0.29であり、PZ
T膜22と同様の成膜条件で単独に成膜した膜の組成比
は、Pb:Ti:Zr=0.47:0.22:0.31
であった。PZT膜5、6、7を成膜後、PZT膜7の
表面に真空蒸着法でPt上部電極8を形成した。Pt上
部電極8の大きさは、60μm×60μmの矩形で膜厚
は2000Åであった。
【0027】上記の様な方法で作製した強誘電体薄膜素
子のPt上部電極8とPt下部電極4の間に電界9を印
加することにより得られたヒステリシスループを図7に
示す。印加した電界9は、強度150kV/cmの三角
波で周波数は75Hzであった。強誘電体記憶素子とし
て用いるのに十分な大きさの強誘電特性が得られている
ことが分かる。また、SEMによりPZT膜5、6、7
の断面および表面状態を観察したところ、ピンホールは
なく、表面は平滑であった。
【0028】比較例2 従来の誘電体薄膜素子を評価するための構造は、比較例
1と同じである。但し、誘電体薄膜の製造方法と組成比
は異ならせた。PZT膜14の成膜条件は、基板温度7
00℃、キャリアガス流量と希釈ガス流量は、FPb=1
50sccm、FZr=50sccm、FTi=100sc
cm、Fo2=700sccm、FN2=300sccmで
あった。成膜後の膜のX線回分析の結果、ペロブスカイ
ト構造のPZT単一層のピークのみが現われ、結晶化が
行われていることが確認された。
【0029】図8は、実施例2の本発明による強誘電体
記憶素子と比較例2の従来の強誘電体記憶素子のI−V
特性を比較したグラフである。本発明による強誘電体記
憶素子は、リーク電流、絶縁耐圧ともに改善されてお
り、強誘電体記憶素子として良好な特性を有しているこ
とが分かる。なお、実施例3のPZT膜の組成をPb:
Ti:Zr=0.49:0.21:0.30として素子
作製を行ったところ、実施例3と同様、優れた特性が得
られた。
【0030】実施例4 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図9
は、本発明の誘電体記憶素子の一断面構造概略図であ
る。17はn型シリコン基板、18は前記n型シリコン
基板17の表面に形成されたSi熱酸化膜、19は前記
Si熱酸化膜18上に形成されたTi膜、20は前記T
i膜19上に形成されたPt下部電極、21はPt下部
電極20上に形成されたSrTiO3膜の第一層、22
は前記SrTiO3膜の第一層21上に作製されたSr
TiO3膜の第二層、23は前記SrTiO3膜の第二層
22上に作製されたSrTiO3膜の第三層、24は第
三層23上に形成されたPt上部電極である。
【0031】n型シリコン基板17の表面に膜厚200
0ÅのSi熱酸化膜18を形成し、このSi熱酸化膜1
8上に膜厚300ÅのTi膜19を、このTi膜19上
に膜厚2000ÅのPt膜20を、このPt膜20上に
高誘電率膜としてSrTiO 3膜21、22、23は、
基板温度550℃、イオンビームの加速電圧1000V
で、それぞれの膜は厚さ700Åずつ、計2100Åに
なるよう成膜した。SrTiO3膜21あるいは23と
同様の成膜条件で単独に成膜した膜の組成比は、Sr/
Ti=1であり、PZT膜33と同様の成膜条件で単独
に成膜した膜の組成比は、Sr/Ti=0.8であっ
た。
【0032】SrTiO3膜21、22、23を成膜
後、SrTiO3膜23の表面に真空着法でPt上部電
極24を形成した。Pt上部電極24の大きさは、60
μm×60μmの矩形で膜厚は2000Åであった。上
記の様な方法で作製した誘電体薄膜の誘電率は220で
あった。また、SEMによりSrTiO3膜21、2
2、23の断面および表面状態を観察したところ、ピン
ホールはなく、表面は平滑であった。
【0033】比較例3 図10は、従来の誘電体薄膜を評価するための一断面構
造概略図である。26はn型シリコン基板、27は前記
n型シリコン基板26の表面に形成されたSi熱酸化
膜、28は前記Si熱酸化膜27上に形成されたTi
膜、29は前記Ti膜28上に形成されたPt下部電
極、30はPt下部電極29上に形成されたSrTiO
3膜、31はSrTiO3膜30上に形成されたPt上部
電極である。SrTiO3膜30以外の膜の成膜方法は
上記の場合と同じであった。SrTiO3 膜30の成膜
条件は、基板温度550℃、イオンビームの加速電圧1
000Vであった。成膜後の膜のX線回析分析の結果、
ペロブスカイト構造のSrTiO 3単一層のピークのみ
が現われ、結晶化が行われていることが確認された。
【0034】図11は、実施例4の本発明による誘電体
記憶素子と比較例3の従来の誘電体記憶素子のI−V特
性を比較したグラフである。本発明による誘電体記憶素
子は、リーク電流、絶縁耐圧ともに改善されており、誘
電体記憶素子として良好な特性を有していることが分か
る。なお、実施例4のSrTiO3膜23の組成をSr
/Ti=0.88として素子作製を行ったところ、実施
例4と同様、優れた特性が得られた。
【0035】実施例5 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図12に示し
たようにキャパシタ構造の不揮発性メモリを作製した。
このメモリは、基板の表面層に設けられたビットライン
41間の基板上にワードライン43が設けられ、このワ
ードライン43上に絶縁膜44を介して、キャパシタ構
造である電極に挟まれた強誘電体薄膜42が配設されて
いる。更に強誘電体薄膜42は、一方のビットライン4
3とAl配線層45によって接続されてなる構造を有し
ている。
【0036】このメモリにおいて、強誘電体薄膜42に
電圧を印加したとき、キャパシタの分極の向きが反転す
るか否かでビット線41に発生する電位差が変化する。
これより「0」と「1」と定義することができる。強誘
電体薄膜42は残留分極を持つので、電源をOFFにし
ても「0」或いは「1」の状態が保持される。この保持
により不揮発性記憶動作が実現される。この構造では、
普段は強誘電体の高誘電率特性のみを利用してDRAM
を動作させ、電源OFF時のみ不揮発性メモリとして動
作させることも可能となる。
【0037】実施例6 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図13に示し
たように強誘電体ゲート不揮発性メモリFETを作製し
た。このFETは、基板の表面層にソース・ドレイン領
域53が設けられており、ソース・ドレイン領域53間
の基板上に強誘電体薄膜51が設けられており、更にA
lからなるゲート電極52及びソース・ドレイン電極5
5が絶縁膜54により絶縁されてそれぞれ配設されてな
る構造を有している。
【0038】このFETでは、ゲート電極52に電圧を
印加し、強誘電体薄膜51の分極方向を変えることによ
り、半導体表面のチャネルの形成が制御できるので、ド
レイン電流のON−OFFにより「0」と「1」と定義
することができる。なお、強誘電体は残留分極を持つの
で、電源をOFFにしても「0」或いは「1」の状態を
保持することができ、不揮発性の記憶動作を実現するこ
とができる。
【0039】実施例7 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図14に示し
たように導波路型光変調器を作製した。この変換器は、
サファイア基板上に誘電体薄膜61が積層され、この誘
電体薄膜61上にポートA62及びポートB63なる導
波路が設けられており、この2つの導波路は緩衝層64
によって分離されるとともに、両導波路の上部表面の一
部分以外が緩衝層64によって覆われている。また、ポ
ートA62及びポートB63の上には緩衝層64を介し
てAl電極65が配設されている。
【0040】この変調器は誘電体の電気光学効果、すな
わち印加電界によって屈折率が変化する現象を使用した
ものである。変換器の構造は、図に示したように、2つ
の導波路62及び63を交差させ、その交差部中央に微
小なギャップをもつ電極64を設けてなる構造をしてい
る。この変換器に電圧が印加されると、ギャップに集中
する電界により局部的に屈折率が変化することとなり、
そこで光が全反射し全反射型導波路光スイッチとなる。
【0041】実施例8 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図15に示し
たように焦電薄膜型赤外線リニアセンサを作製した。こ
のセンサは、Ni−Cr受光面電極71とアレイ電極7
3間に誘電体薄膜72が挟まれた構造を有している。こ
のセンサは誘電体の焦電効果、すなわち温度変化に対応
して表面に電荷を発生させる現象を用いたものである。
このセンサでは、誘電体薄膜72の表面に赤外線を照射
し、吸収されると温度変化が生じるので、この時発生す
る電圧又は焦電電流を検出することによって赤外線を検
出することができる。
【0042】実施例9 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図16に示し
たように超音波センサを作製した。このセンサは、共鳴
用の溝81が設けられた基板上に、この溝81の一部を
覆うようにSiO2からなる片持ち梁82が設けられて
おり、さらにこの片持ち梁82上に、Pt/Ti電極8
3、誘電体薄膜84及びAl電極85がこの順で設けら
れてなる構造を有している。
【0043】このセンサは、誘電体の圧電効果、すなわ
ち機械的応力を加えると応力に比例した電気分極を生じ
る現象を用いたものである。超音波をセンサが受波する
と、その音圧により片持ち梁82が共振し、誘電体薄膜
84がたわむことにより圧電効果が生じ電極間に電圧が
発生する。よって、この電圧、片持ち梁82の大きさや
膜厚を変化させることにより共振周波数特性を容易に制
御することができる。
【0044】実施例10 実施例1に示した誘電体薄膜を使用して、図17に示し
たようにDRAMを作製した。このDRAMは、基板の
表面層に設けられたビットライン91と基板上に設けら
れたワードライン92と誘電体薄膜とプレート電極から
なるキャパシタとから構成されている。
【0045】このメモリにおいて、誘電体薄膜に電圧を
印加するか否かでキャパシタの電荷量が変化する。その
際、ビット線に発生する電位差より「0」と「1」を定
義することができる。なお上記実施例5〜10では実施
例1の誘電体薄膜を使用する場合について述べたが、実
施例2〜3の誘電体薄膜でも同様に用いることができ
る。また、実施例4の誘電体薄膜は、実施例8〜10に
用いることが好ましい。
【0046】また、その他の揮発性元素を含む誘電体薄
膜においても、強誘電効果、圧電効果、焦電効果或いは
電気光学のいずれかを持つものであれば上記実施例5〜
10に適用できるのは言うまでもない。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、結晶化の最中の揮発性
元素の再蒸発等によるピンホールが発生せず、表面の凹
凸も減少するので薄膜化が容易であると共にリーク電流
密度が小さく、絶縁耐圧も向上させた誘電体薄膜素子を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の誘電体薄膜素子の概略断面
図である。
【図2】比較例1の従来の誘電体薄膜素子の概略断面図
である。
【図3】本発明の実施例1の誘電体薄膜素子によって得
られたヒステリシスループである。
【図4】実施例1の誘電体薄膜素子により得られたI−
V特性を示す図である。
【図5】実施例2の誘電体薄膜素子により得られたI−
V特性を示す図である。
【図6】比較例1の誘電体薄膜素子により得られたI−
V特性を示す図である。
【図7】本発明の実施例2の誘電体薄膜素子によって得
られたヒステリシスループである。
【図8】実施例2と比較例2の誘電体薄膜素子により得
られたI−V特性の比較図である。
【図9】本発明の実施例4の誘電体薄膜素子の概略断面
図である。
【図10】比較例3の誘電体薄膜素子の概略断面図であ
る。
【図11】実施例4と比較例3の誘電体薄膜素子により
得られたI−V特性の比較図である。
【図12】本発明の誘電体薄膜素子を用いたキャパシタ
構造を有する不揮発性メモリである。
【図13】本発明の誘電体薄膜素子を用いたゲート不揮
発性メモリFETである。
【図14】本発明の誘電体薄膜素子を用いた導波路型光
変調器である。
【図15】本発明の誘電体薄膜素子を用いた焦電薄膜型
赤外線リニアセンサである。
【図16】本発明の誘電体薄膜素子を用いた超音波セン
サである。
【図17】本発明の誘電体薄膜素子を用いたDRAMで
ある。
【図18】揮発性元素の蒸気圧曲線である。
【符号の説明】
1、10、17、26 n型シリコン基板 2、11、18、27 シリコン熱酸化膜 3、12、19、28 Ti膜 4、13、20、29 Pt下部電極膜 5、21 第一層PZT強誘電体膜 6、22 第二層PZT強誘電体膜 7、23 第三層PZT強誘電体膜 8、15、24、31 Pt上部電極膜 9、16、25、32 印加電界 14、30 PZT強誘電体膜 41、91 ビットライン 42、51 強誘電体薄膜 43、92 ワードライン 44、54 絶縁膜 45 配線層 52 ゲート電極 53 ソース・ドレイン領域 55 ソース・ドレイン電極 61 誘電体薄膜 62 ポートA 63 ポートB 64 緩衝層 65、85 Al電極 71 Ni−Cr受光電極 72、84 誘電体薄膜 73 アレイ電極 81 溝 82 片持ち梁 83 Pt/Ti電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/822 27/10 451 7210−4M 21/8247 29/788 29/792 37/02 41/08 H01L 29/78 371 41/08 Z

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも電極と誘電体薄膜からなる誘
    電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜が複数の層から
    なる積層体であり、該積層体が揮発性元素を含む同一種
    類の元素からなり、前記複数の誘電体薄膜層のうちの少
    なくとも1層に含まれる揮発性元素の含有量が他の誘電
    体薄膜層に含まれる揮発性元素の含有量と異なることを
    特徴とする誘電体薄膜素子。
  2. 【請求項2】 誘電体薄膜が強誘電体薄膜であることを
    特徴とする請求項1記載の誘電体薄膜素子。
  3. 【請求項3】 誘電体薄膜が3層からなり、該3層のう
    ち中間層が他の2層に含まれる含有量より少ない量の揮
    発性元素を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の
    誘電体薄膜素子。
  4. 【請求項4】 揮発性元素が、鉛、ビスマス、ストロン
    チウム、バリウム、リチウム、カルシウム、カリウム、
    ナトリウムであることを特徴とする請求項1〜3いずれ
    か1つに記載の誘電体薄膜素子。
  5. 【請求項5】 少なくとも電極と誘電体薄膜からなる誘
    電体薄膜素子の製造方法であって、前記誘電体薄膜が複
    数の層からなる積層体であり、該積層体が揮発性元素を
    含む同一種類の元素からなり、前記複数の誘電体薄膜層
    のうちの少なくとも1層を、他の誘電体薄膜層に含まれ
    る揮発性元素の含有量と異なる揮発性元素の含有量で形
    成することを特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
  6. 【請求項6】 誘電体薄膜が3層からなり、該3層のう
    ち中間層が他の2層に含まれる含有量より少ない量の揮
    発性元素を含むことを特徴とする請求項5記載の誘電体
    薄膜素子の製造方法。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999025014A1 (fr) * 1997-11-10 1999-05-20 Hitachi, Ltd. Element dielectrique et mode de fabrication
US5976946A (en) * 1996-06-19 1999-11-02 Nec Corporation Thin film formation method for ferroelectric materials
JP2006066901A (ja) * 2004-07-27 2006-03-09 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 圧電素子
US7692257B2 (en) 2003-03-17 2010-04-06 National University Corporation Toyohashi University Of Technology Ultrasonic sensor comprising a metal/ferroelectric/metal/insulator/semiconductor structure
JP2011205064A (ja) * 2010-03-02 2011-10-13 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子
JP2011205063A (ja) * 2010-03-02 2011-10-13 Seiko Epson Corp 圧電体膜の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
US9144975B2 (en) 2010-03-02 2015-09-29 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, liquid ejection head, and liquid ejection device

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5976946A (en) * 1996-06-19 1999-11-02 Nec Corporation Thin film formation method for ferroelectric materials
WO1999025014A1 (fr) * 1997-11-10 1999-05-20 Hitachi, Ltd. Element dielectrique et mode de fabrication
US7692257B2 (en) 2003-03-17 2010-04-06 National University Corporation Toyohashi University Of Technology Ultrasonic sensor comprising a metal/ferroelectric/metal/insulator/semiconductor structure
JP2006066901A (ja) * 2004-07-27 2006-03-09 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 圧電素子
JP4736599B2 (ja) * 2004-07-27 2011-07-27 独立行政法人産業技術総合研究所 圧電素子
JP2011205064A (ja) * 2010-03-02 2011-10-13 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子
JP2011205063A (ja) * 2010-03-02 2011-10-13 Seiko Epson Corp 圧電体膜の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
US9034418B2 (en) 2010-03-02 2015-05-19 Seiko Epson Corporation Method for manufacturing piezoelectric film
US9144975B2 (en) 2010-03-02 2015-09-29 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, liquid ejection head, and liquid ejection device
US9211710B2 (en) 2010-03-02 2015-12-15 Seiko Epson Corporation Liquid ejection head, liquid ejection device

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