JPS63266705A - 強誘電体薄膜素子の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素
子に用いられる強誘電体薄膜素子の製造方法に関するも
のである。

従来の技術 強誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、赤外
線検出素子、圧電素子、光変調素子、メモリー素子等さ
まざまなものがある。近年の半導体技術の進歩による電
子部品の小型化に伴い、強誘電体素子も薄膜化が進みつ
つある。

ところで、強誘電体の自発分極Ｐｓの変化を出力として
取り出す、例えば焦電型赤外線検出素子や圧電素子等で
は、強誘電体材料のＰｓが一方向に揃っているとき最も
大きい出力が得られる。

発明が解決しようとする問題点 現在、赤外線検出素子や圧電素子等に用いられている強
誘電体磁器は多結晶体であり、結晶軸の配列に方向性は
無い。従って自発分極Ｐｓも、でたらめに配列している
。エピタキシャル強誘電体薄膜、配向性強誘電体薄膜は
結晶の分極軸は揃っているが、電気的な自発分極Ｐｓは
１８０°ドメインを作り交互に配列している。そこで、
これら材料を上述のようなエレクトロニクス素子として
用いる場合、材料に高電界（〜１００ｋＶ／ｃｗ　）を
印加してＰｓの方向を揃える分極処理が必要である。

また、Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ３やＰＬＺＴ等の薄膜の作製
に関しては多くの報告があるが、それらの強誘電相の領
域の薄膜について、その分極軸であるＣ軸に配向した薄
膜、自発分極までも一方向に配列した薄膜の製造方法に
ついては全（解明されていない。

強誘電体材料に高電界を印加してＰｓを揃える方法では
次のような問題が生じる。

（１）　　分極処理により絶縁破壊が生ずる場合があり
、歩留まりが下がる。

■　高分解能アレイ素子のように多くの微小素子が高密
度に配列しているものでは、それらを均一に分極するこ
とが困難である。

（３）半導体デバイス上に強誘電体薄膜を形成した集積
化デバイスでは、分極処理そのものが不可能な場合があ
る。

また、ＰｂＴｉＯｓ系薄膜をスパッタリング蒸着により
成膜する場合、基板が導電性であると結晶性が悪（なり
、Ｃ軸への配向も悪くなる。これは自発分極が揃わなく
なることを意味し、分極処理を行わな（ではならなくな
る。

問題点を解決するための手段 化学式がＰｂｘＬａＺｒｗＴｉ２０３で表され、ａ）　
０．７≦×≦Ｌ０．９≦ｘ＋ｙ≦１，０．９５≦Ｚ≦Ｌ
ｗ＝０ｂ）　ｘ＝１、　ｙ−０，０，４５≦ｚ　＜　ｌ
　、　ｚ＋ｗ−１、又はｃ）０．８３≦ｘ≦Ｌｘ＋ｙ−
１０，５≦ｚくＬｏ、９６≦ｚ＋ｗ≦１のいずれかの組
成のを有する強誘電体薄膜をスパッタリング蒸着により
作製するに際して、蒸着室の壁に対して基板を正の電位
に保ちながら前記強誘電体薄膜を成膜する。

作用 上記のような製造方法によれば、基板が導電性であって
もＰｓがすでに揃って自然分極した強誘電体薄膜が得ら
れ、分極処理を行う必要が無（、歩留まり良（、高性能
の強誘電体薄膜素子が実現できる。

実施例 （１００）でへき開し鏡面研摩したＭｇＯ単結晶上に膜
厚０．２μＩの白金薄膜をスパッタリング蒸着により形
成し、これを基板とした。この上に強誘電体薄膜Ｐｂ、
９Ｌａ。、、Ｔｉｏ、、７５０３（ＰＬＴ）を２ｕｍ成
膜した。方法は高周波マグネトロンスパッタリング法で
、スパッタリングターゲットは０．８　Ｐｂ　　Ｌａ　
　Ｔｉ　　　　Ｏ＋０．２　ＰｂＯ０，９Ｇ、１　　　
　０．９７５　　　３の粉末である。表１に成膜条件を
示す。

（以下余白） 表　　　１ 次いでこの強誘電体薄膜上に、上部電極としてＮｉＣｒ
電極を蒸着し、強誘電体薄膜素子とした。

さらに、強誘電体薄膜の下部における基板には開口部を
設けた。

第１図に代表的な薄膜のＸ線回折パターンを示す。ペロ
ブスカイト構造の（００１）と（１００）反射、および
その高次の反射のみ観測される。また（００１）反射の
強度が（１００）反射の強度に比べて著しく太き（、ｃ
軸配向薄膜であることがわがる。Ｃ軸配向率αを次の式
で定義する。

α＝　１（００＋）／　ｌ　Ｉ（００１）＋　１＜＋ｏ
ｏ＋）ここで１（ｏｏ＋）と１（＋００１は、それぞれ
（００１）と＜　１００　＞反射の回折強度を表す。

強誘電体薄膜を成膜するさいに蒸着室をアースとして、
基板ホルダーに電圧をかけ下部電極にも電圧がかかるよ
うにした。この結果、基板にかける電圧により１（００
１１およびＣ軸配向率が変化することが明確になった。

基板にかけたバイアス電圧に対するＩ　（００口とＣ軸
配向率との変化を、それぞれ第２図と第３図に示す。基
板がアースされている状態（Ｏｖ）では鋭いＸ線ピーク
は現れず、Ｃ軸配向率を見積もることが不可能であった
。バイアスとして正の電圧をかけていくと１（００＋）
が増加し、結晶性が良（なって行（のがわかる。Ｃ軸配
向率においても、バイアス電圧を太き（していくにつれ
て太き（なっていることがわかる。

アースされている状態では、プラズマ中のアルゴンイオ
ン等が基板へ衝突し強誘電一体薄膜の結晶成長を妨げて
いる。そこで、基板を正電位としてイオン衝撃をな（し
、結晶成長への妨害をなくしてやることによってＣ軸配
向率が向上する。

第４図にＣ軸配向率αに対するＰＬＴ薄膜の焦電係数：
γの変化、第５図に誘電率：εの変化を示す。焦電係数
は自発分極Ｐｓの配向に比例して大きくなる。焦電係数
は配向率の増加とともに大きくなり、誘電率は小さくな
る。第４図および第５図は分極処理（２００℃テ１００
ｋＶ／ｃｍ　１０分印加）、　ヲ行った場合の結果につ
いても示しである。配向率が小さい場合、分極処理前後
で焦電係数および誘電率の値は太き（変化する。一方、
配向率が７５％になると焦電係数は５．０×１０−”　
Ｃ／ｃｊＫとなり、この値は分極処理（２００℃で１０
０ｋＶ／ｃｍ印加）を行ったＰｂＴｉＯ３セラミック（
ｒ　＝１．８ｘｌＯ−ｅＣ／ｃＪＫ）と比べてかなり大
きい。さらに、配向率９０％の場合焦電係数は６．８×
１０−８　Ｃ／ｃｄＫである。この値は分極処理後の値
と変わらないばかりでなく、配向率が小さい場合の分極
処理後の値より大きい。誘電率は、配向率９０％の場合
、セラミックとほぼ同等の値で約２００である。

以上述べたとおり、ＰＬＴＭ膜では成膜時に十分にＣ軸
配向しておれば分極処理を行わな（でも自発分極が揃っ
ており、特に配向率７５％以上の薄膜でその効果が大き
いことが明らかになった。

本実施例で作製した強誘電体薄膜素子を赤外線センサと
して利用する場合、焦電材料としての性能指数である［
焦電係数／誘電率］の値は大きなものとなる。Ｐ　ｂ　
Ｔ　ｉ　Ｏｓセラミックに比べて３倍強の値を示す。つ
まり、本発明による強誘電体薄膜を用いると、全（分極
処理を行わな（でも優れた特性の赤外線センサが作製さ
れることがわかる。また、第３図によれば、例えばバイ
アス電圧が＋５０ＶのときＣ軸配向率が７０％で分極処
理を行わなくてもセラミックに比べて高い性能指数を示
す焦電材料が得られる。

上記の例でもわかるように本発明の強誘電体薄膜を用い
た素子では分極処理を行わな（でも大きな出力が取り出
せる。これは赤外線センサばかりでな（圧電素子、光ス
ィッチなど電気光学素子等においても同様である。

実施例は代表的なＰＬＴ薄膜を用いた強誘電体薄膜素子
についてのものであるが、化学式がＰｂｘＬａ、Ｚｒ二
Ｔｉ２０．で表され、ａ）０．７≦ｘ≦１，０．９≦）
（＋ｙ≦１１０．９５≦２≦ｌ　１ｗ−０ｂ）　ｘ”ｌ
　ｓ　ｙ−０，０，４５≦ｚ＜ｌ　１ｚ”ｗ−１ｃ）　
０．８３≦ｘ≦Ｌｘ＋ｙ＝１、ｏ、　５≦ｚ＜１１０．
９６≦２十−≦１のいずれかの組成を有する強誘電体薄
膜においても同様の効果が得られる。

発明の効果 本発明の製造方法によって作製した強誘電体薄膜素子は
、分極処理が不要であり、また特性も優れていて、作製
も容易であるため、実用的にきわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の一実施例における強誘電体薄膜のＸ線回
折パターンを示す図、第２図および第３図は本発明の一
実施例における強誘電体薄膜のＣ軸配向率および（００
１）強度とバイアス電圧との関係を示す図、第４図およ
び第５図はＣ軸配向率に対する焦電係数および誘電率の
関係を示す図である。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ばか１名第１図 ｚｅ 第２図 バイアス電圧　（ＶＪ 第３図 Ｏｇ）　　　　　１００ バイアヌ電圧　（ＶＪ 第４図 Ｃ袖配向牟：メ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）化学式が　Ｐｂ＿ｘＬａ＿ｙＺｒ＿ｗＴｉ＿ｚＯ
   ＿３で表され、ａ）０．７≦ｘ≦１、０．９≦ｘ＋ｙ≦
   １、０．９５≦ｚ≦１、ｗ＝０ｂ）ｘ＝１、ｙ＝０、０
   ．４５≦ｚ＜１、ｚ＋ｗ＝１、又はｃ）０．８３≦ｘ≦
   １、ｘ＋ｙ＝１、０．５≦ｚ＜１、０．９６≦ｚ＋ｗ≦
   １のいずれかの組成を有する強誘電体薄膜を導電性の基
   板上にスパッタリング蒸着により作製するに際して、蒸
   着室の壁に対して基板を正の電位に保ちながら前記強誘
   電体薄膜を成膜することを特徴とする強誘電体薄膜素子
   の製造方法。
2. （２）基板の電位を３０Ｖ以上に保つことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の強誘電体薄膜素子の製造方
   法。
3. （３）基板として、ＭｇＯ単結晶の（１００）面上に白
   金電極を成膜したものを用いることを特徴する特許請求
   の範囲第１項記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。