JPH08172224A - 強誘電体薄膜素子 - Google Patents

強誘電体薄膜素子

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JPH08172224A
JPH08172224A JP6314484A JP31448494A JPH08172224A JP H08172224 A JPH08172224 A JP H08172224A JP 6314484 A JP6314484 A JP 6314484A JP 31448494 A JP31448494 A JP 31448494A JP H08172224 A JPH08172224 A JP H08172224A
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JP
Japan
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thin film
ferroelectric thin
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metal
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Withdrawn
Application number
JP6314484A
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English (en)
Inventor
Nobuaki Nagao
宣明 長尾
Takayuki Takeuchi
孝之 竹内
Kenji Iijima
賢二 飯島
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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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、電気特性を向上することによって
小型で優れた特性を持つ強誘電体薄膜素子を提供する。 【構成】 (100)でへき開し鏡面研磨したMgO単
結晶基板上1に形成された白金下部電極2と白金上部電
極4との間に、Aサイト金属の一部がLa等の他の金属
で置換されたことによって格子欠陥を有するABO3
ペロブスカイト構造をなし、かつその欠陥を補償するM
nイオン等の金属イオンを含有する強誘電体薄膜を設け
ることによりtanδが小さく、大きな焦電係数と比較的
小さな比誘電率を持つ優れた強誘電体薄膜素子が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体を用いた薄膜
素子に関するものである。
【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PbTiO3
PZTあるいはPLTは焦電効果、圧電効果、電気光学
効果が大きく優れた材料として薄膜素子への応用が期待
されている。通常これらの材料を薄膜化する場合には、
基板上に作成した電極上にスパッタリング法、CVD
法、ゾル−ゲル法等によって作製している。
【0004】焦電センサは、その出力が、焦電係数γと
比誘電率εrの比(γ/εr)に比例することから、その材
料としては大きなγ、小さいεrを持つことが重要であ
る。また大きなγを得るためには、分極軸が電極に対し
て垂直に配向していることが重要である。
【0005】従来強誘電体薄膜として使用されてきたP
LTは、PbTiO3のペロブスカイト構造のAサイト
の一部をLaで置換し、キュリー温度(Tc)を低下させ
ることによってγを向上させてきた。Aサイトの一部が
Pb2+よりイオン半径の小さいLa3+で置換されること
によってLa3+付近では電荷のバランスが崩れ格子の歪
みが生じる。このため、微視的な領域での格子のバネ定
数すなわち格子力にゆらぎが生じ格子がソフト化され、
Tcが低下し、その結果γが向上するのである。
【0006】しかしLaの置換量が増加すると格子力の
ゆらぎが増大し、同時に系の電荷のバランスが崩れるた
め、この電荷のアンバランスを補償するために結晶中の
格子欠陥が増加する。これらの要因によりLa含量の多
い組成域では緩和型強誘電体的な挙動を示すようになる
と考えられている。このため過度にLa含有量の多い組
成域では、室温の比誘電率(εr)および損失正接tanδが
増大し焦電特性が低下してしまう。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このように従来のPb
TiO3系固溶体を用いた強誘電体薄膜素子は、材料の
Tcの低下に伴って緩和型強誘電体的な挙動を示すよう
になり、εrおよびtanδが増大する。また同時に電荷の
バランスが崩れるため、このアンバランスを補償するた
めに結晶中の格子欠陥が増加し、自発分極ならびに残留
分極が低下し、強誘電特性が低下する。これらの要因に
より赤外線センサとしての感度が著しく低下する。
【0008】本発明は上記従来の問題点を解決するた
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、Aサイト金属の一部が他の金
属で置換されたことによって格子欠陥を有するABO3
型ペロブスカイト構造を成し、かつその欠陥を補償する
Mn等の金属のイオンを含有することを特徴とする。
【0010】
【作用】前記本発明の構成によれば、欠陥を補償する金
属のイオンが結晶中の欠陥を補償することにより、緩和
型強誘電体的挙動が抑制され比誘電率が低下し、その周
波数分散も抑制される。Mnイオンは、薄膜中で多種類
の価数をとりうるので、欠陥の原因となる電荷のアンバ
ランスに柔軟に対応し、欠陥を補償しやすい。また欠陥
が補償されることによって材料本来の強誘電性が発現す
るため、自発分極および残留分極が増加し焦電係数が向
上し焦電特性に優れた強誘電体薄膜素子が得られる。
【0011】
【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。
【0012】(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。
【0013】(100)面でへき開し鏡面研磨したMg
O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、下記化学式で表記される酸化物の粉末を用
いた。
【0014】{(1−X−Y)Pb(1-x)LaxZryTi
(1-y)O3+XPbO+YMnO2} ただし、xとyの組成比は、x−y平面上でA点(x=
0.00,y=0.00)、B点(x=0.00,y=
0.26)、C点(x=0.53,y=0.00)、D
点(x=0.65,y=0.09)の四点を頂点とする
四角形の範囲内にある。
【0015】X線回折図形によって、これらの薄膜が全
て正方晶系のABO3型ペロブスカイト構造を成し、し
かもその分極軸であるc軸方向に配向した膜であること
を確認した。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。
【0016】以上のようにして構成された強誘電体薄膜
素子の焦電特性測定、ソーヤタワー回路を用いたヒステ
リシス曲線観察および誘電測定をしたところ、下記(表
1)のような結果を得た。尚、強誘電体薄膜に分極処理
は行っていない。
【0017】
【表1】
【0018】この(表1)から明らかなように、Mnイ
オンを含有する本実施例による強誘電体薄膜素子は、M
nイオンを含有しない薄膜素子に比べて焦電係数が2倍
に向上し、比誘電率が30%低下したことによって性能
評価指数Fv=γ/(εr・CV)が約3倍に向上し優れ
た焦電効果を発揮することができる。また、本実施例に
よる強誘電体薄膜素子は、分極処理を行っていなくても
既に残留分極が向上し、抗電界が低下している。
【0019】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との間に少量のマンガンを含有するA
BO3型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層を
設けることにより、誘電率の周波数分散が少なく焦電特
性および強誘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。
【0020】(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の組成が、実施例
1で示した化学式においてx−y平面上でE点(x=
0.55,y=0.00)、F点(x=0.67,y=
0.10)、G点(x=0.93,y=0.00)の三
点を頂点とする三角形の範囲内にあるとした点である。
【0021】X線回折図形によって、これらの薄膜が、
全て菱面体晶系のABO3型ペロブスカイト構造を成
し、しかもその分極軸である[111]軸方向に配向し
た膜であることを確認した。
【0022】以上のようにして構成された強誘電体薄膜
素子の焦電特性測定、ソーヤタワー回路を用いたヒステ
リシス曲線観察および誘電測定をしたところ、下記(表
2)のような結果を得た。尚、強誘電体薄膜に分極処理
は行っていない。
【0023】
【表2】
【0024】この(表2)から明らかなように、Mnイ
オンを含有する本実施例による強誘電体薄膜素子は、M
nイオンを含有しない薄膜素子に比べて焦電係数が1.
7倍に向上し、比誘電率が20%低下したことによって
性能評価指数Fvが2倍に向上した。また、本実施例に
よる強誘電体薄膜素子は、分極処理を行っていなくても
既に残留分極が1.5倍に向上し、抗電界が20kV/
cm程度に低下しているため、不揮発性メモリ用強誘電
体材料として優れた効果を発揮することができる。
【0025】以上のように本実施例2によっても、下部
電極2と上部電極4との間に少量のマンガンを含有する
ABO3型ペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜層
を設けることにより、誘電率の周波数分散が少なく焦電
特性および強誘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。
【0026】(その他の例)上記各実施例においては、
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。
【0027】また、上記各実施例においては、強誘電体
薄膜3としてPLZTを主成分とする薄膜を用いている
が、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、チタ
ン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムを主成分とする
強誘電体薄膜を用いたものであっても同様の効果を得る
ことができる。
【0028】また、上記各実施例においては、強誘電体
薄膜3のBサイト金属としてチタンおよびジルコニウム
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、その一部をニオブ、タンタル、ハフニウム、
鉄、のうち少なくともいずれか1つで置換したものであ
っても同様の効果を得ることができる。
【0029】また、上記各実施例においては、前記構成
において基板としてマグネシア単結晶を用いているが、
必ずしもこの構成に限定されるものではなく、基板とし
てアルミナ単結晶、チタン酸ストロンチウム単結晶、シ
リコン単結晶、石英ガラスを用い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、上記各実施例においては、前記構成
において第1の電極として白金を用いているが、必ずし
もこの構成に限定されるものではなく、第1の電極とし
て白金、ロジウム、ニッケルのうち少なくとも2つを主
成分とする合金、金または酸化ルテニウムを用いたもの
であっても同様の効果を得ることができる。
【0031】また、上記各実施例においては、前記構成
において第2の電極として白金を用いているが、必ずし
もこの構成に限定されるものではなく、第2の電極とし
てニッケル、クロムのうち少なくとも何れか1つを主成
分とする合金、金又はアルミニウムを用いたものであっ
ても同様の効果を得ることができる。
【0032】また、上記各実施例においては、前記構成
において強誘電体薄膜としてスパッタリング法によって
作製した薄膜を用いているが、必ずしもこの構成に限定
されるものではなく、CVD法、ゾルーゲル法、電子ビ
ーム加熱真空蒸着法によって作製した薄膜を用いたもの
であっても同様の効果を得ることができる。
【0033】
【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、欠陥を補償する金属イオンの存
在により、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薄膜を使用するもの
となり、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
現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例における強誘電体薄膜素子を示す断面図
【符号の説明】
1 MgO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 (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/8247 29/788 29/792 // G01J 1/02 Y 9309−2G 5/02 P

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、Aサイ
    ト金属の一部が他の金属で置換されたことによって格子
    欠陥を有するABO3型ペロブスカイト構造を成し、か
    つその欠陥を補償する金属のイオンを含有することを特
    徴とする強誘電体薄膜素子。
  2. 【請求項2】欠陥を補償する金属のイオンが、2種類以
    上の価数をもつ金属のイオンである請求項1に記載の強
    誘電体薄膜素子。
  3. 【請求項3】欠陥を補償する金属のイオンが、Mnイオ
    ンである請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。
  4. 【請求項4】強誘電体薄膜の組成が、組成式 Pb(1-x)LaxZryTi(1-y)O3 におけるx−y平面上でA点(x=0.00,y=0.
    00)、B点(x=0.00,y=0.26)、C点
    (x=0.53,y=0.00)、D点(x=0.6
    5,y=0.09)の四点を頂点とする四角形の範囲内
    にあることを特徴とする請求項1記載の強誘電体薄膜素
    子。
  5. 【請求項5】強誘電体薄膜の組成が、組成式 Pb(1-x)LaxZryTi(1-y)O3 におけるx−y平面上でE点(x=0.55,y=0.
    00)、F点(x=0.67,y=0.10)、G点
    (x=0.93,y=0.00)の三点を頂点とする三
    角形の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の強
    誘電体薄膜素子。
  6. 【請求項6】Aサイト金属の一部と置換される他の金属
    が、少なくとも一種類以上のアルカリ土類金属である請
    求項1から5のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
  7. 【請求項7】Aサイト金属の主成分がバリウム及びスト
    ロンチウムのうちから選ばれる1種以上であり、Bサイ
    ト金属の主成分がチタンである請求項1から6のいずれ
    かに記載の強誘電体薄膜素子。
  8. 【請求項8】Bサイト金属の一部をニオブ、タンタル、
    ハフニウム、鉄のうち少なくともいずれか1つで置換し
    た請求項1から7のいずれかに記載の強誘電体薄膜素
    子。
  9. 【請求項9】強誘電体薄膜中の結晶の分極軸が基板面に
    対し垂直に配向している請求項1から8のいずれかに記
    載の強誘電体薄膜素子。
  10. 【請求項10】基板としてマグネシア単結晶を用いるこ
    とを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の強誘
    電体薄膜素子。
  11. 【請求項11】基板としてアルミナ単結晶、チタン酸ス
    トロンチウム単結晶、シリコン単結晶、石英ガラスのう
    ちから選ばれる1種以上を用いることを特徴とする請求
    項1から9のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
  12. 【請求項12】第1の電極として白金を用いることを特
    徴とする請求項1から11のいずれかに記載の強誘電体
    薄膜素子。
  13. 【請求項13】第1の電極として白金、ロジウム、ニッ
    ケルのうち少なくとも2つを主成分とする合金、酸化ル
    テニウム又は金を用いる請求項1から11のいずれかに
    記載の強誘電体薄膜素子。
  14. 【請求項14】第2の電極として白金を用いることを特
    徴とする請求項1から13のいずれかに記載の強誘電体
    薄膜素子。
  15. 【請求項15】第2の電極としてニッケル、クロムのう
    ち少なくとも何れか1つを主成分とする合金、金又はア
    ルミニウムを用いることを特徴とする請求項1から13
    のいずれかに記載の強誘電体薄膜素子。
JP6314484A 1994-12-19 1994-12-19 強誘電体薄膜素子 Withdrawn JPH08172224A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10150157A (ja) * 1996-11-21 1998-06-02 Rohm Co Ltd 半導体記憶装置およびそのインプリント状態制御方法
WO2004051760A1 (ja) * 2002-12-05 2004-06-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 焦電体素子及びその製造方法並びに赤外線センサ
EP2784459A1 (en) * 2013-03-25 2014-10-01 Seiko Epson Corporation Infrared sensor and heat sensing element

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