JPH08186182A - 強誘電体薄膜素子 - Google Patents

強誘電体薄膜素子

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JPH08186182A
JPH08186182A JP6327954A JP32795494A JPH08186182A JP H08186182 A JPH08186182 A JP H08186182A JP 6327954 A JP6327954 A JP 6327954A JP 32795494 A JP32795494 A JP 32795494A JP H08186182 A JPH08186182 A JP H08186182A
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JP
Japan
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thin film
ferroelectric thin
ferroelectric
composition
film
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Application number
JP6327954A
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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】 赤外線検出素子、電気光学効果素子、不揮発
性メモリ、圧電素子などの薄膜素子に使用される強誘電
体薄膜において、膜厚方向の組成の分布を制御すること
により、分極処理を必要としない小型で優れた特性を持
つ強誘電体薄膜素子を実現することを目的とする。 【構成】 (100)でへき開し鏡面研磨したMgO単
結晶基板上1に白金下部電極2を形成し、前記白金下部
電極2上にABO3型ペロブスカイト構造を有する強誘
電体薄膜3を積層し、前記強誘電体薄膜3上に白金上部
電極4を積層した強誘電体薄膜素子において、前記強誘
電体薄膜3として組成が膜厚方向に変化している構造を
有する強誘電体薄膜を設けることにより分極処理を行わ
なくても素子を作製した段階で既に分極を持ち、大きな
焦電係数を示す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、酸化物強誘電体薄膜を
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】酸化物強誘電体であるPLTやPZT、
(Ba,Sr)TiO3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、基板上に作製された電極上にスパ
ッタリング法、CVD法、ゾル−ゲル法等によって作製
しており、強誘電性を発現するペロブスカイト相を得る
ためには、基板温度を600℃程度に加熱することが必
要である。また、これらの方法で作製された強誘電体薄
膜は、通常、作製直後には分極を持っていないためデバ
イスとして使用するためには、高温で高電界を薄膜に印
加し分極処理を行わなければならない。
【0004】また、高度に配向した薄膜を得るために
は、薄膜を基板に堆積した直後の降温過程において、基
板と薄膜の熱膨張率の差に起因する内部応力が重要な働
きを担っており、ペロブスカイト型正方晶のc軸方向に
配向した薄膜を得るためには、薄膜を圧縮する方向に応
力が働くように制御することが必要である。しかし、P
LTやPZT等の多成分系強誘電体の、膜中のランタン
やジルコニウム等の含有量が高い組成の薄膜を作製する
際には、薄膜の成長初期過程において、酸化ランタンや
酸化ジルコニウム等の高融点酸化物が基板上に析出し、
ペロブスカイト型結晶のエピタキシャル成長を阻害する
ために高度に配向した薄膜を得ることが困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の強誘
電体薄膜素子では、焦電型赤外線センサーや圧電素子と
して使用する場合分極処理を必要としており、同一基板
上に複数の素子を配置したアレイ型デバイスでは各素子
ごとに分極する必要がある。しかし素子密度の高いアレ
イ型デバイスにおいては全ての素子を同一状態に分極す
ることは極めて困難である。
【0006】また、薄膜の結晶成長初期段階で強誘電体
薄膜層と下部電極界面に高融点酸化物などによる低誘電
層が形成されるため、半導体メモリ等で使用される薄膜
キャパシタの誘電率が低下するという問題点を有してい
た。また、下部電極との界面に析出する高融点酸化物に
よって、エピタキシャル成長が阻害されるため、リーク
電流が増加しtanδが増加するため、電気特性が著し
く低下するという問題点を有していた。さらに、PLT
やPZT等の多成分系強誘電体の、膜中のランタンやジ
ルコニウム等の含有量が高い組成の薄膜を作製する際に
は、常誘電−強誘電相転移温度(キュリー温度,Tc)
の低下に伴って、基板と薄膜との熱膨張係数の差が減少
し、薄膜に働く圧縮応力が低下するために、高度にc軸
配向した薄膜が得られず、焦電特性が低下するという問
題点を有していた。
【0007】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、結晶性、配向性、誘電特性、焦電特性、強誘電特性
に優れた強誘電体薄膜素子を実現することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の薄膜素子は、上部電極と下部電極の間に、強
誘電体薄膜として、薄膜の組成が下部電極から上部電極
へ膜厚方向にいくに従って傾斜していることによってペ
ロブスカイト型正方晶の格子定数が下部電極から上部電
極へ膜厚方向にいくに従って増加或いは減少している強
誘電体膜を使用する構成を有する。
【0009】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、ジルコニウムを主
成分とするのが好ましい。
【0010】また、前記構成においては、強誘電体薄膜
が少なくともバリウム、ストロンチウム、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
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。
【0012】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】一般に、スッパタリング等によって薄膜を形成
した場合、薄膜の結晶中に格子欠陥が生じやすい。結晶
中に格子欠陥が生じると微視的な領域では電荷のアンバ
ランスが生じ、正または負の余剰電荷が生じる。強誘電
体薄膜の組成が上部電極から下部電極へ膜厚方向に沿っ
て変化するように形成することによって、格子欠陥およ
び余剰電荷が膜厚方向に濃度分布を持つために膜厚方向
に電界が生じる。このように成膜直後の降温過程におい
て膜厚方向に電界が存在する状態で、結晶は常誘電相か
ら強誘電相に相転移するため、その自発分極は組成変化
により生じた電界を打ち消す方向に発生する。本発明は
上記構成によって、素子を作製した段階で既に分極を持
つという非常に優れた特性を実現できる。また、強誘電
体薄膜の上部電極界面付近と下部電極界面付近の熱膨張
率に差が生じ基板と垂直方向に内部応力分布が生じるた
め、高度にc軸配向した薄膜が得られる。
【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。
【0015】(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。
【0016】(100)でへき開した後に鏡面研磨した
MgO単結晶を基板1とし、下部電極2として、膜厚
0.2μmのPt薄膜をRFスパッタリングにより形成
した。次いで、強誘電体薄膜3を多元ECRスパッタリ
ングによって、3μm成長させた。スパッタリングター
ゲットは、鉛、ランタン、チタン、ジルコニウム金属で
ある。薄膜の組成は、事前に各ターゲットに投入する電
力と作製した薄膜の組成の相関を求め、その電力を変化
させることによって制御した。次にこの薄膜上に上部電
極4として膜厚0.2μmのPt薄膜をRFスパッタリ
ングにより作製した。強誘電体薄膜の組成式を式1に示
す。
【0017】
【数1】
【0018】以上のように構成された強誘電体薄膜素子
の誘電測定、焦電測定を行った。焦電測定において使用
した強誘電体薄膜は、分極処理を行っていな。測定の結
果得られた、比誘電率εr、tanδ、焦電係数γ、焦
電体としての性能指数Fm(=γ・(εr・tan
δ)-1/2)を表1に示す。薄膜のX線回折スペクトル
は、(001)面からの回折ピークのみであり、すべて
の試料がc軸配向膜であることを確認した。結果を表1
に示す。
【0019】
【表1】
【0020】この(表1)から明らかなように、本実施
例による強誘電体薄膜素子は、組成が傾斜した材料を使
用することによって分極処理を行っていないにもかかわ
らず焦電効果が発生し大きな焦電係数を示した。
【0021】以上のように本実施例によれば、薄膜の組
成比が膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とす
る強誘電体薄膜層を設けることによって優れた強誘電体
薄膜素子を実現することができる。
【0022】尚、本実施例において強誘電体薄膜3のA
サイト金属として鉛および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カルシウム、ストロンチウム、
バリ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。
【0023】また、本実施例において強誘電体薄膜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、
その一部をマンガン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。
【0024】(実施例2)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。
【0025】本発明に従って作製した強誘電体薄膜素子
の構成は図1と同様なものである。第2の実施例が第1
の実施例と異なるのは、強誘電体薄膜3を(Ba,S
r)TiO3薄膜とした点で、スパッタリングターゲッ
トは、バリウム、ストロンチウム、チタン金属である。
薄膜の組成は、実施例1と同様に事前に各ターゲットに
投入する電力と作製した薄膜の組成の相関を求め、その
電力を変化させることによって制御した。強誘電体薄膜
の組成を式2に示す。
【0026】
【数2】
【0027】以上のように構成された強誘電体薄膜素子
の誘電測定、焦電測定を行った。第1の実施例と同様に
強誘電体薄膜に分極処理は行っていない。また、第1の
実施例と同様にX線回折スペクトルよってすべての試料
がc軸配向膜であることを確認した。結果を表2に示
す。
【0028】
【表2】
【0029】この(表2)から明らかなように、本実施
例による強誘電体薄膜素子は、組成が傾斜した材料を使
用することによって、分極処理を行っていないにもかか
わらず焦電効果が発生し、大きな焦電係数を示した。
【0030】以上のように本実施例によれば、薄膜の組
成比が膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とす
る強誘電体薄膜層を設けることによって優れた強誘電体
薄膜素子を実現することができる。
【0031】尚、本実施例において強誘電体薄膜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。
【0032】また、本実施例において強誘電体薄膜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、
その一部をマンガン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。
【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、ABO3型ペロブスカイト構造
を有する酸化物強誘電体の組成が、膜厚方向に変化して
いることを特徴とする強誘電体薄膜層を設けることによ
り、分極処理を行っていないにもかかわらず焦電効果が
発生し、大きな焦電係数を示す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】本発明の実施例における強誘電体薄膜素子の断
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 21/316 Y 27/04 21/822 27/10 451 37/02 41/18 // G01J 1/02 Y 5/02 P H01L 41/18 101 Z

Claims (6)

    【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有する強
    誘電体薄膜素子において、前記強誘電体薄膜が、その組
    成比が膜厚方向に傾斜してなる構造を有することを特徴
    とする強誘電体薄膜素子。
  2. 【請求項2】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有する強
    誘電体薄膜素子において、強誘電体薄膜としてABO3
    型ペロブスカイト構造を有する酸化物強誘電体を用いる
    ことを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。
  3. 【請求項3】強誘電体薄膜が少なくとも鉛、ランタン、
    チタン、ジルコニウムを主成分とする請求項1又は2に
    記載の強誘電体薄膜素子。
  4. 【請求項4】強誘電体薄膜が少なくともバリウム、スト
    ロンチウム、チタンを主成分とする請求項1又は2に記
    載の強誘電体薄膜素子。
  5. 【請求項5】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4のいずれかに
    記載の強誘電体薄膜素子。
  6. 【請求項6】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5いずれかに記載の強誘
    電体薄膜素子。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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