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JP4324796B2 - Ferroelectric film, ferroelectric film manufacturing method, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory - Google Patents

Ferroelectric film, ferroelectric film manufacturing method, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory Download PDF

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JP4324796B2 JP2004376701A JP2004376701A JP4324796B2 JP 4324796 B2 JP4324796 B2 JP 4324796B2 JP 2004376701 A JP2004376701 A JP 2004376701A JP 2004376701 A JP2004376701 A JP 2004376701A JP 4324796 B2 JP4324796 B2 JP 4324796B2
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Description

本発明は、強誘電体膜、強誘電体膜の製造方法、強誘電体キャパシタおよび強誘電体メモリに関する。   The present invention relates to a ferroelectric film, a method for manufacturing a ferroelectric film, a ferroelectric capacitor, and a ferroelectric memory.

近年、Pb(Zr、Ti)O(PZT)やSrBiTa(SBT)などの強誘電体膜や、これを用いた強誘電体キャパシタ、強誘電体メモリ装置などの研究開発が盛んに行われている。強誘電体メモリ装置の構造は1T、1T1C、2T2C、単純マトリクス型に大別できる。これらの中で、1T型は構造上キャパシタに内部電界が発生するためリテンション(データ保持)が1ヶ月と短く、半導体一般で要求される10年保証は不可能といわれている。1T1C型、2T2C型は、DRAMとほとんど同じ構成であり、かつ選択用トランジスタを有するために、DRAMの製造技術を活かすことができ、かつSRAM並みの書き込み速度が実現されるため、現在までに256kbit以下の小容量品が商品化されている。 In recent years, research and development of ferroelectric films such as Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) and SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), ferroelectric capacitors and ferroelectric memory devices using the same have been conducted. It is actively done. The structure of the ferroelectric memory device can be roughly classified into 1T, 1T1C, 2T2C, and a simple matrix type. Among them, the 1T type has an internal electric field in the capacitor because of its structure, so that the retention (data retention) is as short as one month, and it is said that the 10-year guarantee required in general semiconductors is impossible. Since the 1T1C type and 2T2C type have almost the same configuration as the DRAM and have a selection transistor, the manufacturing technology of the DRAM can be utilized and the writing speed equivalent to that of the SRAM can be realized. The following small-capacity products have been commercialized.

これまで1T1C型、あるいは2T2C型の強誘電体メモリ装置に用いられる強誘電体材料としては、主にPZTが用いられているが、同材料の場合、Zr/Ti比が52/48あるいは40/60といった、稜面体晶および正方晶の混在領域、あるいはその近傍の組成が用いられ、かつLa、Sr、Caといった元素をドーピングされて用いられている。この領域が用いられているのは、メモリ素子に最も必要な信頼性を確保するためである。   Up to now, PZT has been mainly used as a ferroelectric material used in 1T1C type or 2T2C type ferroelectric memory devices. In the case of the same material, the Zr / Ti ratio is 52/48 or 40 /. A mixed region of a rhombohedral crystal and a tetragonal crystal, such as 60, or a composition in the vicinity thereof is used, and an element such as La, Sr, or Ca is doped. This region is used in order to ensure the most necessary reliability of the memory element.

すなわち、ヒステリシス形状はTiをリッチに含む正方晶領域が良好であるのだが、正方晶領域ではイオン性結晶構造に起因するショットキー欠陥が発生する。その結果、リーク電流特性、あるいはインプリント特性(いわゆるヒステリシスの変形の度合い)不良が発生してしまい、信頼性を確保することが困難である。そこで、上述のような稜面体晶および正方晶の混在領域、あるいはその近傍の組成が用いられている。   In other words, the tetragonal region containing Ti is rich in the hysteresis shape, but a Schottky defect due to the ionic crystal structure occurs in the tetragonal region. As a result, a leakage current characteristic or imprint characteristic (so-called hysteresis deformation degree) failure occurs, and it is difficult to ensure reliability. Therefore, the composition of the mixed region of the rhombohedral crystal and the tetragonal crystal as described above or the vicinity thereof is used.

一方、単純マトリクス型は、1T1C型、2T2C型に比べセルサイズが小さく、またキャパシタの多層化が可能であるため、高集積化、低コスト化が期待されている。従来の単純マトリクス型強誘電体メモリ装置に関しては、特開平9−116107号公報などに開示されている。前記公報においては、メモリセルへのデータ書き込み時に、非選択メモリセルへ書き込み電圧の1/3の電圧を印加する駆動方法が開示されている。   On the other hand, the simple matrix type has a smaller cell size than the 1T1C type and the 2T2C type, and can be multi-layered with capacitors, so that high integration and low cost are expected. A conventional simple matrix ferroelectric memory device is disclosed in JP-A-9-116107. The publication discloses a driving method in which a voltage of 1/3 of a write voltage is applied to an unselected memory cell when data is written to a memory cell.

単純マトリクス型強誘電体メモリ装置を得るには、角型性の良好なヒステリシスループが必要不可欠である。これに対応可能な強誘電体材料としては、Tiリッチな正方晶のPZTが候補として考えられるが、既述の1T1Cおよび2T2C型強誘電体メモリと同様に、信頼性の確保が困難である。
特開平9−116107号公報
In order to obtain a simple matrix ferroelectric memory device, a hysteresis loop with good squareness is indispensable. As a ferroelectric material that can cope with this, Ti-rich tetragonal PZT is considered as a candidate, but it is difficult to ensure reliability as in the above-described 1T1C and 2T2C ferroelectric memories.
JP-A-9-116107

本発明の目的は、良好なヒステリシス特性を持つ強誘電体キャパシタ、および誘電体メモリを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記強誘電体メモリおよび強誘電体キャパシタに好適な強誘電体膜およびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a ferroelectric capacitor and a dielectric memory having good hysteresis characteristics. Another object of the present invention is to provide a ferroelectric film suitable for the above ferroelectric memory and ferroelectric capacitor, and a method for manufacturing the same.

本発明にかかる強誘電体膜は、
(Pb1−dBi)(B1−a)Oの一般式で示される強誘電体からなり、
Bは、ZrおよびTiの少なくとも一方からなり、
Xは、NbおよびTaの少なくとも一方からなり、
aは、0.05≦a≦0.4の範囲であり、
dは、0<d<1の範囲である。
The ferroelectric film according to the present invention is:
(Pb 1-d Bi d ) (B 1-a X a ) O 3 A ferroelectric material represented by the general formula,
B consists of at least one of Zr and Ti,
X consists of at least one of Nb and Ta,
a is in the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.4,
d is in the range of 0 <d <1.

本発明によれば、Pbより価数の高い上述のBiを、PZTのAサイトのPbと置換させることで、結晶構造全体としての中性を保持することができ、その結果、酸素の欠損を防止することができる。これにより強誘電体膜の電流リークを防止することができる。また、強誘電体膜のインプリント、リテンション、ファティーグなどの諸特性を良好なものとすることができる。   According to the present invention, the above-described Bi having a higher valence than Pb can be replaced with Pb at the A site of PZT, so that the neutrality of the entire crystal structure can be maintained. Can be prevented. Thereby, current leakage of the ferroelectric film can be prevented. In addition, various characteristics such as imprint, retention, and fatigue of the ferroelectric film can be improved.

また、Biは酸素との共有結合性がPbに比べて強いため、結晶から抜け難くなっていると考えられる。共有結合性の強度は、結合する原子同士の軌道準位の相対値によって定まる。ペロブスカイト型構造では、Aサイトに入る原子の6p軌道準位が酸素の2p軌道準位に近づくにつれて、Aサイト原子と、当該Aサイトと最近接する酸素原子との軌道が混成しやすくなるため、BiはPbに比べて結晶から抜け難い。このことによっても、強誘電体膜の電流リークを防止することができる。   In addition, since Bi has a stronger covalent bond with oxygen than Pb, it is considered difficult to escape from the crystal. The strength of the covalent bond is determined by the relative value of the orbital level between the atoms to be bonded. In the perovskite structure, as the 6p orbital level of the atom entering the A site approaches the 2p orbital level of oxygen, the orbital between the A site atom and the oxygen atom closest to the A site is likely to be mixed. Is more difficult to escape from the crystal than Pb. This can also prevent current leakage of the ferroelectric film.

本発明にかかる強誘電体膜において、前記Xは、ペロブスカイト型構造のBサイトに存在することができる。   In the ferroelectric film according to the present invention, the X may exist at a B site having a perovskite structure.

本発明にかかる強誘電体膜において、PbおよびBiは、ペロブスカイト型構造のAサイトに存在することができる。   In the ferroelectric film according to the present invention, Pb and Bi can exist at the A site of the perovskite structure.

本発明にかかる強誘電体膜において、
前記dは、0<d≦0.2の範囲であることができる。
In the ferroelectric film according to the present invention,
The d may be in a range of 0 <d ≦ 0.2.

本発明にかかる強誘電体膜は、テトラゴナル構造であり、かつ、擬立方晶(111)配向することができる。   The ferroelectric film according to the present invention has a tetragonal structure and can be pseudocubic (111) oriented.

本発明にかかる強誘電体膜において、前記Xは、Nbであることができる。   In the ferroelectric film according to the present invention, the X may be Nb.

本発明にかかる強誘電体膜において、
前記一般式(Pb1−dBi)(B1−a)Oで示される強誘電体と、BiNbOからなる強誘電体との共晶体を含むことができる。
In the ferroelectric film according to the present invention,
A ferroelectric represented by the general formula (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3, can include a eutectic of the ferroelectric consisting BiNbO 4.

本発明にかかる強誘電体膜において、
前記共晶体に含まれるBi元素のPb元素に対するモル数の比率は、3/7以上であることができる。
In the ferroelectric film according to the present invention,
The molar ratio of Bi element to Pb element contained in the eutectic may be 3/7 or more.

本発明にかかる強誘電体膜において、
前記一般式(Pb1−dBi)(B1−a)Oで示される結晶は、ペロブスカイト型構造を有し、
前記BiNbOからなる結晶は、ビスマス層状ペロブスカイト型構造を有することができる。
In the ferroelectric film according to the present invention,
Crystals have a perovskite structure represented by the general formula (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3,
The crystal made of BiNbO 4 may have a bismuth layered perovskite structure.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法は、
(Pb1−dBi)(B1−a)Oの一般式で示される強誘電体を含む強誘電体膜の製造方法であって、
Bは、ZrおよびTiの少なくとも一方からなり、
Xは、NbおよびTaの少なくとも一方からなり、
aは、0.05≦a≦0.4の範囲であり、
dは、0<d<1の範囲であり、
少なくともZr元素およびTi元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合し、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と金属アルコキシドとのエステル化によるエステル結合を有する強誘電体の前駆体溶液を形成することを含む。
A method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention includes:
A method of manufacturing a ferroelectric film including a ferroelectric represented by a general formula of (Pb 1-d B i d ) (B 1-a X a ) O 3 ,
B consists of at least one of Zr and Ti,
X consists of at least one of Nb and Ta,
a is in the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.4,
d is in the range of 0 <d <1;
A sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide containing at least Zr element and Ti element, polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and organic solvent are mixed,
Forming a ferroelectric precursor solution having an ester bond by esterification of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid ester with a metal alkoxide.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法は、
強誘電体膜を形成するための前駆体を含む強誘電体膜の製造方法であって、
前記強誘電体膜は、BiNbOからなる結晶をさらに含み、
少なくともZr元素およびTi元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合し、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸に由来するポリカルボン酸と金属アルコキシドとのエステル化によるエステル結合を有する強誘電体の前駆体溶液を形成することを含む。
A method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention includes:
A method of manufacturing a ferroelectric film including a precursor for forming a ferroelectric film,
The ferroelectric film further includes a crystal made of BiNbO 4 ,
A sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide containing at least Zr element and Ti element, polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and organic solvent are mixed,
Forming a precursor solution of a ferroelectric having ester bonds by esterification of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid and a metal alkoxide.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法は、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらに、ビスマスのカルボン酸塩を用いたゾルゲル原料を含むことができる。
A method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention includes:
When mixing the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent, a sol-gel raw material using a bismuth carboxylate can be further included.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらに、鉛のカルボン酸塩を用いたゾルゲル原料を含むことができる。
In the method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention,
When mixing the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent, a sol-gel raw material using a lead carboxylate can be further included.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルは、2価のカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであることができる。
In the method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention,
The polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester may be a divalent carboxylic acid or a polycarboxylic acid ester.

本発明に用いるポリカルボン酸としては、以下のものを例示できる。3価のカルボン酸としては、Trans−アコニット酸、トリメシン酸、4価のカルボン酸としては、ピロメリット酸、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸等が挙げられる。また、アルコール中で解離してポリカルボン酸として働くポリカルボン酸エステルとしては、2価のコハク酸ジメチル、コハク酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、アジピン酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル、3価のクエン酸トリブチル、1,1,2−エタントリカルボン酸トリエチル、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸トリメチル、4価の1,1,2,2−エタンテトラカルボン酸テトラエチル等が挙げられる。これらのポリカルボン酸エステルは、アルコール存在下で解離してポリカルボン酸としての働きを示す。また、本発明は、ポリカルボン酸を用いて、ネットワークをエステル化で繋げていくことに特徴があり、例えば酢酸や酢酸メチルといった、シングルカルボン酸およびそのエステルでは、エステルネットワークが成長しないため、本発明には含まれない。   The following can be illustrated as polycarboxylic acid used for this invention. Examples of the trivalent carboxylic acid include Trans-aconitic acid, trimesic acid, and examples of the tetravalent carboxylic acid include pyromellitic acid and 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid. Polycarboxylic acid esters that dissociate in alcohol and act as polycarboxylic acids include divalent dimethyl succinate, diethyl succinate, dibutyl oxalate, dimethyl malonate, dimethyl adipate, dimethyl maleate, and diethyl fumarate. Examples include tributyl tributyl citrate, triethyl 1,1,2-ethanetricarboxylate, trimethyl 1,2,4-benzenetricarboxylate, tetraethyl tetravalent 1,1,2,2-ethanetetracarboxylate, and the like. . These polycarboxylic acid esters are dissociated in the presence of an alcohol and function as a polycarboxylic acid. In addition, the present invention is characterized in that the network is connected by esterification using a polycarboxylic acid. For example, in a single carboxylic acid such as acetic acid or methyl acetate and its ester, the ester network does not grow. It is not included in the invention.

本発明の前駆体組成物の製造方法において、2価のカルボン酸エステルとしては、好ましくは、コハク酸エステル、マレイン酸エステルおよびマロン酸エステルから選択される少なくとも1種であることができる。これらのエステルの具体例としては、コハク酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マロン酸ジメチルをあげることができる。   In the method for producing a precursor composition of the present invention, the divalent carboxylic acid ester is preferably at least one selected from succinic acid esters, maleic acid esters, and malonic acid esters. Specific examples of these esters include dimethyl succinate, dimethyl maleate, and dimethyl malonate.

本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を用いることができる。
In the method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention,
In mixing the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent, a sol-gel raw material further containing Si or Si and Ge can be used.

本発明にかかる強誘電体キャパシタは、上述した強誘電体膜を有する。   The ferroelectric capacitor according to the present invention has the above-described ferroelectric film.

本発明にかかる強誘電体キャパシタは、ペロブスカイト型構造を有する電極をさらに有し、前記強誘電体膜は、前記電極の上に形成されることができる。   The ferroelectric capacitor according to the present invention may further include an electrode having a perovskite structure, and the ferroelectric film may be formed on the electrode.

本発明にかかる強誘電体メモリは、上述した強誘電体キャパシタを有する。   A ferroelectric memory according to the present invention has the above-described ferroelectric capacitor.

以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

1.強誘電体膜および強誘電体キャパシタ
図1は、本実施の形態にかかる強誘電体膜101を用いた強誘電体キャパシタ100を模式的に示す断面図である。
1. Ferroelectric Film and Ferroelectric Capacitor FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric capacitor 100 using a ferroelectric film 101 according to the present embodiment.

図1に示すように、強誘電体キャパシタ100は、基板10と、第1電極102と、第1電極102の上に形成された強誘電体膜101と、強誘電体膜101の上に形成された第2電極103と、から構成されている。   As shown in FIG. 1, the ferroelectric capacitor 100 is formed on the substrate 10, the first electrode 102, the ferroelectric film 101 formed on the first electrode 102, and the ferroelectric film 101. The second electrode 103 is formed.

第1電極102および第2電極103の厚さは、たとえば50〜150nm程度である。   The thicknesses of the first electrode 102 and the second electrode 103 are, for example, about 50 to 150 nm.

強誘電体膜101は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する下記一般式(1)で示されるものからなる。
(Pb1−dBi)(B1−a)O・・・(1)
一般式(1)において、
Bは、ZrおよびTiの少なくとも一方からなり、
Xは、NbおよびTaの少なくとも一方からなり、
aは、0.05≦a≦0.4の範囲であり、
dは、0<d<1の範囲である。
The ferroelectric film 101 is made of the following general formula (1) having a perovskite crystal structure.
(Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3 ··· (1)
In general formula (1),
B consists of at least one of Zr and Ti,
X consists of at least one of Nb and Ta,
a is in the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.4,
d is in the range of 0 <d <1.

ペロブスカイト型とは、図2(a)、(b)に示すような結晶構造を有するもので、図2(a)、(b)においてAで示す位置をAサイト、Bに示す位置をBサイトという。   The perovskite type has a crystal structure as shown in FIGS. 2A and 2B. In FIGS. 2A and 2B, the position indicated by A is the A site, and the position indicated by B is the B site. That's it.

一般式(1)において、PbおよびBiは、Aサイトに位置し、BおよびXは、Bサイトに位置する。また、O(酸素)は図2(a)、(b)中においてOで示したところに位置する。 Xは、Zr,Tiより価数の高い金属元素を用いることができる。Zr,Ti(+4価)より価数の高い金属元素としては、たとえばNb(+5価)、Ta(+5価)である。   In the general formula (1), Pb and Bi are located at the A site, and B and X are located at the B site. Further, O (oxygen) is located at a position indicated by O in FIGS. 2 (a) and 2 (b). X may be a metal element having a higher valence than Zr and Ti. Examples of metal elements having higher valences than Zr and Ti (+4 valences) are Nb (+5 valences) and Ta (+5 valences).

Pb系のペロブスカイト型構造を有するもの、たとえばPZTなどは、Pbの蒸気圧が高いために、ペロブスカイト型構造のAサイトに位置するPbが蒸発しやすい。PbがAサイトから抜けると、電荷中性の原理によって同時に酸素が欠損する。この現象は、Schottoky欠陥と呼ばれる。たとえば、PZTにおいて酸素が欠損すると、PZTのバンドギャップが低下する。このバンドギャップの低下によって、金属電極界面でのバンドオフセットが減少し、たとえばPZTからなる強誘電体膜のリーク電流特性は悪化する。また、酸素欠損の存在は、酸素イオン電流を生じ、このイオン電流に伴う電極界面での電荷の蓄積が、インプリント、リテンション、ファティーグなどの諸特性の劣化を引き起こす。   A Pb-based perovskite structure such as PZT has a high vapor pressure of Pb, so that Pb located at the A site of the perovskite structure is likely to evaporate. When Pb escapes from the A site, oxygen is simultaneously lost due to the principle of charge neutrality. This phenomenon is called a Schottky defect. For example, when oxygen is deficient in PZT, the band gap of PZT decreases. Due to the decrease in the band gap, the band offset at the metal electrode interface decreases, and the leakage current characteristics of a ferroelectric film made of, for example, PZT deteriorate. The presence of oxygen vacancies generates an oxygen ion current, and charge accumulation at the electrode interface accompanying this ion current causes deterioration of various characteristics such as imprint, retention, and fatigue.

しかし、本発明によれば、Pbより価数の高い上述のBiを、PZTのAサイトのPbと置換させることで、結晶構造全体としての中性を保持することができ、その結果、酸素の欠損を防止することができる。これにより強誘電体膜101の電流リークを防止することができる。また、強誘電体膜101のインプリント、リテンション、ファティーグなどの諸特性を良好なものとすることができる。   However, according to the present invention, the above-described Bi having a higher valence than Pb can be replaced with Pb at the A site of PZT, whereby the neutrality of the entire crystal structure can be maintained. Defects can be prevented. Thereby, current leakage of the ferroelectric film 101 can be prevented. In addition, various characteristics such as imprint, retention, and fatigue of the ferroelectric film 101 can be improved.

また、Biは酸素との共有結合性がPbに比べて強いため、結晶から抜け難くなっていると考えられる。共有結合性の強度は、結合する原子同士の軌道準位の相対値によって定まる。ペロブスカイト型構造では、Aサイトに入る原子の6p軌道準位が酸素の2p軌道準位に近づくにつれて、Aサイト原子と、当該Aサイトと最近接する酸素原子との軌道が混成しやすくなるため、BiはPbに比べて結晶から抜け難い。このことによっても、強誘電体膜101の電流リークを防止することができる。なおBiの6p軌道は、ペロブスカイト型構造のAサイトにおいて非占有軌道であるため、6p軌道は共有結合度の増大に寄与することができる。   In addition, since Bi has a stronger covalent bond with oxygen than Pb, it is considered difficult to escape from the crystal. The strength of the covalent bond is determined by the relative value of the orbital level between the atoms to be bonded. In the perovskite structure, as the 6p orbital level of the atom entering the A site approaches the 2p orbital level of oxygen, the orbital between the A site atom and the oxygen atom closest to the A site is likely to be mixed. Is more difficult to escape from the crystal than Pb. This can also prevent current leakage of the ferroelectric film 101. Since the 6p orbit of Bi is an unoccupied orbit at the A site of the perovskite structure, the 6p orbital can contribute to an increase in the degree of covalent bonding.

図3は、酸素原子の2p軌道準位を基準としたときの、BiとPbの6p軌道準位の相対値を示す。BiとPbの6p軌道準位の相対値は、密度汎関数法にもとづく第一原理計算により求めた各原子の軌道エネルギー準位に基づいた値である。Biの6p軌道準位は、Pbの6p軌道準位より、酸素の2p軌道準位に近い。このように、Aサイトに入る原子の6p軌道準位が酸素の2p軌道準位に近づくことによって酸素との共有結合性が高まる。Aサイト原子と酸素原子間の共有結合性が増大すると、強誘電体膜101のキュリー温度や分極モーメントなどの強誘電性を高めることができる。なお、BiおよびPbの6s軌道は、Aサイトにおいては占有軌道になるため、共有結合度に対して有効な寄与をすることはなく、強誘電性を高めることもない。   FIG. 3 shows the relative values of the 6p orbital levels of Bi and Pb when the 2p orbital level of the oxygen atom is used as a reference. The relative value of the 6p orbital level of Bi and Pb is a value based on the orbital energy level of each atom obtained by the first principle calculation based on the density functional method. The 6p orbital level of Bi is closer to the 2p orbital level of oxygen than the 6p orbital level of Pb. Thus, the 6p orbital level of the atoms entering the A site approaches the 2p orbital level of oxygen, so that the covalent bond with oxygen is enhanced. When the covalent bond between the A site atom and the oxygen atom is increased, the ferroelectricity such as the Curie temperature and the polarization moment of the ferroelectric film 101 can be enhanced. Note that the 6s orbitals of Bi and Pb are occupied orbitals at the A site, and therefore do not contribute effectively to the degree of covalent bonding and do not increase the ferroelectricity.

Xの添加量aは、
0.10≦a≦0.30
の範囲であることが好ましく、
0.20≦a≦0.25
であることがより好ましい。
The added amount a of X is
0.10 ≦ a ≦ 0.30
Is preferably in the range of
0.20 ≦ a ≦ 0.25
It is more preferable that

Xが+5価の元素の場合とは、たとえばNb、Taの場合であるが、好ましい元素は、Nbである。   The case where X is a +5 valent element is, for example, Nb or Ta, but a preferable element is Nb.

Nbの添加量aが、0<a≦0.2の範囲である場合には、強誘電体膜101は、ペロブスカイト型の単相膜からなり、Nbは、ペロブスカイト構造のBサイトに存在する。   When the addition amount N of Nb is in the range of 0 <a ≦ 0.2, the ferroelectric film 101 is made of a perovskite type single phase film, and Nb exists at the B site of the perovskite structure.

Biの添加量dは、0<d≦0.5、特に0.05≦d≦0.30が好ましい。   The additive amount d of Bi is preferably 0 <d ≦ 0.5, particularly 0.05 ≦ d ≦ 0.30.

Biの添加量dが、0<d≦0.2の範囲である場合には、強誘電体膜101は、ペロブスカイト型の単相膜からなり、Biは、ペロブスカイト構造のAサイトに存在する。   When the additive amount d of Bi is in the range of 0 <d ≦ 0.2, the ferroelectric film 101 is made of a perovskite type single phase film, and Bi is present at the A site of the perovskite structure.

一方、Biの添加量dが、0.3≦d<1の範囲である場合には、強誘電体膜101は、上記一般式(1)で示される結晶だけでなく、BiNbOからなる結晶も含む。これは、NbおよびBiの添加量が増加すると、固溶限の範囲を超えて、添加されたNbおよびBiの一部がペロブスカイト構造のBサイトまたはAサイトに入らずに、余ってしまうからである。その結果、強誘電体膜101は、上記一般式(1)からなる結晶と、BiNbOからなる結晶とを有する共晶体を含むことになる。BiNbOからなる結晶は、図4に示すようにビスマス層状ペロブスカイト構造を有する。 On the other hand, when the additive amount d of Bi is in the range of 0.3 ≦ d <1, the ferroelectric film 101 is not only a crystal represented by the general formula (1) but also a crystal made of BiNbO 4. Including. This is because when the addition amount of Nb and Bi increases, the added Nb and Bi exceed the range of the solid solubility limit, and some of the added Nb and Bi do not enter the B site or A site of the perovskite structure. is there. As a result, the ferroelectric film 101 includes a eutectic having a crystal composed of the general formula (1) and a crystal composed of BiNbO 4 . A crystal made of BiNbO 4 has a bismuth layered perovskite structure as shown in FIG.

強誘電体膜101の厚さは、たとえば50〜150nm程度である。   The thickness of the ferroelectric film 101 is, for example, about 50 to 150 nm.

上記一般式(1)で示されるものの具体例としては、たとえば(Pb1−dBi)(Zr,Ti)1−aNbからなるものである。これは、ペロブスカイト型の結晶構造を有するPb(Zr1−pTi)O(以下、「PZT」ともいう。)において、NbおよびBiを添加したものである。 Specific examples of those represented by the general formula (1), for example, (Pb 1-d Bi d) (Zr, Ti) is made of a 1-a Nb a O 3. This, Pb having a perovskite crystal structure (Zr 1-p Ti p) O 3 ( hereinafter, also referred to as "PZT".) In, is obtained by adding Nb and Bi.

Nbの添加量は、上述の式のaで示される。Biの添加量は、上述の式のdで示される。ZrとTiの組成比を示すpは、
0.3≦p≦1.0
の範囲であることが好ましく、
0.5≦p≦0.8
の範囲であることがより好ましい。
The amount of Nb added is indicated by a in the above formula. The amount of Bi added is indicated by d in the above formula. P indicating the composition ratio of Zr and Ti is
0.3 ≦ p ≦ 1.0
Is preferably in the range of
0.5 ≦ p ≦ 0.8
More preferably, it is the range.

なお、上述した一般式(1)は、(Pb1−dBi)(B1−a)Oで示され、Aサイトの原子は欠損していないが、Aサイトの原子を欠損させることもできる。すなわちこの場合の組成式は、
(Pb1−dBi1−b(B1−a)O
の一般式で示される。この場合、Aサイトの欠損量b、a、およびdは、
b=(a+d)/(2+d)
の関係式を満たす。
また、aは、
0.05≦a≦0.4
の範囲であり、dは、
0<d<1
の範囲である。
The general formula (1) described above is represented by (Pb 1-d Bi d ) (B 1-a X a ) O 3 , and the atoms at the A site are not lost, but the atoms at the A site are missing. It can also be made. In other words, the composition formula in this case is
(Pb 1-d Bi d) 1-b (B 1-a X a) O 3
It is shown by the general formula of In this case, the deficiencies b, a, and d of the A site are
b = (a + d) / (2 + d)
Is satisfied.
A is
0.05 ≦ a ≦ 0.4
Where d is
0 <d <1
Range.

さらに、Oを欠損させることもできる。すなわち、その場合の組成式は、
(Pb1−dBi1−b(B1−a)O3−c
で示され、a、b、c、およびdは、
b=(a+d+2c)/(2+d)
の関係式を満たし、酸素の欠損量cは、
0≦c≦0.05
の範囲であり、好ましくは、
0<c≦0.03
の範囲である。また、aは、
0.05≦a≦0.4
の範囲であり、dは、
0<d<1
の範囲である。
Furthermore, O can be lost. That is, the composition formula in that case is
(Pb 1-d Bi d) 1-b (B 1-a X a) O 3-c
Where a, b, c, and d are
b = (a + d + 2c) / (2 + d)
The oxygen deficiency c is
0 ≦ c ≦ 0.05
Preferably,
0 <c ≦ 0.03
Range. A is
0.05 ≦ a ≦ 0.4
Where d is
0 <d <1
Range.

2.強誘電体膜および強誘電体キャパシタの製造方法
次に、本実施の形態における強誘電体膜および強誘電体キャパシタの製造方法について説明する。
2. Method for Manufacturing Ferroelectric Film and Ferroelectric Capacitor Next, a method for manufacturing a ferroelectric film and a ferroelectric capacitor in the present embodiment will be described.

(1)まず、基板10を用意する。基板10としては、たとえばシリコンなどを用いることができる。   (1) First, the substrate 10 is prepared. As the substrate 10, for example, silicon can be used.

(2)次に、基板10上に第1電極102を形成する。第1電極102は、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物からなることが好ましい。強誘電体膜101は、ペロブスカイト型構造を有する第1電極102の上に形成されることにより、良質な結晶が成長しやすい。これにより強誘電体膜101の電流リークを防止することができる。   (2) Next, the first electrode 102 is formed on the substrate 10. The first electrode 102 is preferably made of a metal oxide having a perovskite structure. Since the ferroelectric film 101 is formed on the first electrode 102 having a perovskite structure, a high-quality crystal is likely to grow. Thereby, current leakage of the ferroelectric film 101 can be prevented.

第1電極102は、たとえばレーザーアブレーション法によって形成することができる。すなわち、所望の電極材料を含むターゲットを用意する。そして、ターゲットにレーザー光を照射し、ターゲットから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出し、プルームを発生させる。そして、このプルームを基板10上に向けて出射させ接触させる。その結果、第1電極102は、基板10上にエピタキシャル成長して形成される。   The first electrode 102 can be formed by, for example, a laser ablation method. That is, a target including a desired electrode material is prepared. Then, the target is irradiated with laser light, and atoms including oxygen atoms and metal atoms are knocked out of the target to generate plumes. Then, the plume is emitted toward the substrate 10 and brought into contact therewith. As a result, the first electrode 102 is formed by epitaxial growth on the substrate 10.

ペロブスカイト型構造を有する第1電極102の材料としては、SrRuO、Nb−SrTiO、La−SrTiO、Nb−(La,Sr)CoO、LaNiO、あるいはPbBaOなどを用いることができる。ここで、Nb−SrTiOはSrTiOにNbをドープしたものであり、La−SrTiOはSrTiOにLaをドープしたものであり、Nb−(La,Sr)CoOは(La,Sr)CoOにNbをドープしたものである。なお、第1電極102は、ペロブスカイト型構造を有するものに限定されることなく、たとえばPt、Ir、IrOを用いて形成されてもよい。 As the material of the first electrode 102 having a perovskite structure, SrRuO 3, Nb-SrTiO 3 , La-SrTiO 3, Nb- (La, Sr) CoO 3, LaNiO 3, or PbBaO 3 or the like can be used. Here, Nb-SrTiO 3 is obtained by doping SrTiO 3 with Nb, La-SrTiO 3 is obtained by doping SrTiO 3 with La, and Nb- (La, Sr) CoO 3 is represented by (La, Sr). CoO 3 is doped with Nb. The first electrode 102 is not limited to one having a perovskite structure, and may be formed using, for example, Pt, Ir, or IrO 2 X.

また、第1電極102の形成方法としては、レーザーアブレーション法にかえて、イオンビームアシスト、スパッタ法あるいは真空蒸着法などを用いてもよい。   Further, as a method for forming the first electrode 102, an ion beam assist method, a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like may be used instead of the laser ablation method.

(3)次に、第1電極102上に強誘電体膜101を形成する。   (3) Next, the ferroelectric film 101 is formed on the first electrode 102.

まず、少なくともZr元素およびTi元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合し、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と金属アルコキシドとのエステル化によるエステル結合を有する強誘電体の前駆体溶液を形成する。   First, a sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide containing at least Zr element and Ti element, a polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and an organic solvent are mixed to form a polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester. A ferroelectric precursor solution having an ester bond by esterification of the derived polycarboxylic acid and a metal alkoxide is formed.

前駆体溶液の生成反応は、大別すると、図5に示すような第1段目のアルコキシ基の置換反応と、図6に示すような第2段目のエステル化による高分子ネットワークの形成反応とを含む。図5および図6では、便宜的に、ポリカルボン酸エステルとしてコハク酸ジメチルを用い、有機溶媒としてn−ブタノールを用いた例を示す。コハク酸ジメチルは非極性であるがアルコール中で解離してジカルボン酸となる。   The formation reaction of the precursor solution can be roughly divided into a first-stage alkoxy group substitution reaction as shown in FIG. 5 and a second-stage esterification reaction as shown in FIG. 6 to form a polymer network. Including. 5 and 6 show an example in which dimethyl succinate is used as a polycarboxylic acid ester and n-butanol is used as an organic solvent for convenience. Dimethyl succinate is nonpolar but dissociates in alcohol to form dicarboxylic acid.

第1段目の反応においては、図5に示すように、コハク酸ジメチルとゾルゲル原料の金属アルコキシドとのエステル化によって両者はエステル結合される。すなわち、コハク酸ジメチルはn−ブタノール中で解離し、一方のカルボニル基(第1カルボニル基)にプロトンが付加した状態となる。この第1カルボニル基と、金属アルコキシドのアルコキシ基との置換反応が起き、第1カルボキシル基がエステル化された反応生成物とアルコールが生成する。ここで、「エステル結合」とは、カルボニル基と酸素原子との結合(−COO−)を意味する。   In the first-stage reaction, as shown in FIG. 5, both are ester-bonded by esterification of dimethyl succinate and a metal alkoxide of the sol-gel raw material. That is, dimethyl succinate dissociates in n-butanol, and a proton is added to one carbonyl group (first carbonyl group). A substitution reaction of the first carbonyl group and the alkoxy group of the metal alkoxide occurs, and a reaction product in which the first carboxyl group is esterified and an alcohol are generated. Here, the “ester bond” means a bond (—COO—) between a carbonyl group and an oxygen atom.

第2段目の反応においては、図6に示すように、第1段目の反応で残った他方のカルボキシル基(第2カルボキシル基)と金属アルコキシドのアルコキシ基との置換反応が起き、第2カルボキシル基がエステル化された反応生成物とアルコールが生成する。   In the second stage reaction, as shown in FIG. 6, a substitution reaction between the other carboxyl group (second carboxyl group) remaining in the first stage reaction and the alkoxy group of the metal alkoxide occurs, A reaction product in which the carboxyl group is esterified and an alcohol are produced.

このように、2段階の反応によって、ゾルゲル原料に含まれる、金属アルコキシドの加水分解・縮合物同士がエステル結合した高分子ネットワークが得られる。したがって、この高分子ネットワークは、該ネットワーク内に適度に秩序よくエステル結合を有する。なお、コハク酸ジメチルは2段階解離し、第1カルボキシル基は第2カルボキシル基より酸解離定数が大きいため、第1段目の反応は第2段目の反応より反応速度が大きい。したがって、第2段目の反応は第1段目の反応よりゆっくり進むことになる。   Thus, a polymer network in which the hydrolysis / condensation products of metal alkoxide contained in the sol-gel raw material are ester-bonded is obtained by the two-stage reaction. Therefore, this polymer network has ester bonds in a moderately orderly manner in the network. In addition, since dimethyl succinate dissociates in two steps and the first carboxyl group has a larger acid dissociation constant than the second carboxyl group, the first stage reaction has a higher reaction rate than the second stage reaction. Therefore, the second stage reaction proceeds more slowly than the first stage reaction.

本実施形態において、上述したエステル化反応を促進するためには、以下の方法を採用できる。   In the present embodiment, the following method can be employed to promote the esterification reaction described above.

(a)反応物の濃度あるいは反応性を大きくする。具体的には、反応系の温度を上げることにより、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの解離度を大きくすることによって反応性を高める。反応系の温度は、有機溶媒の沸点などに依存するが、室温より高く有機溶媒の沸点より低い温度であることが望ましい。反応系の温度としては、例えば100℃以下、好ましくは50〜100℃であることができる。   (A) Increase the concentration or reactivity of the reactants. Specifically, the reactivity is increased by increasing the degree of dissociation of the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester by increasing the temperature of the reaction system. The temperature of the reaction system depends on the boiling point of the organic solvent, but is preferably higher than room temperature and lower than the boiling point of the organic solvent. As temperature of a reaction system, it can be 100 degrees C or less, for example, Preferably it is 50-100 degreeC.

(b)反応副生成物を除去する。具体的には、エステル化と共に生成する水、アルコールを除去することでエステル化がさらに進行する。   (B) The reaction by-product is removed. Specifically, esterification further proceeds by removing water and alcohol generated together with esterification.

(c)物理的に反応物の分子運動を加速する。具体的には、例えば紫外線などのエネルギー線を照射して反応物の反応性を高める。   (C) Physically accelerate the molecular motion of the reactants. Specifically, the reactivity of the reactant is enhanced by irradiating energy rays such as ultraviolet rays.

本実施形態の前駆体組成物の製造方法に用いられる有機溶媒は、アルコールであることができる。溶媒としてアルコールを用いると、ゾルゲル原料とポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの両者を良好に溶解することができる。
アルコールとしては、特に限定されないが、ブタノール、メタノール、エタノール、プロパノールなどの1価のアルコール、または多価アルコールを例示できる。かかるアルコールとしては、例えば以下のものをあげることができる。
The organic solvent used in the method for producing the precursor composition of the present embodiment can be an alcohol. When alcohol is used as the solvent, both the sol-gel raw material and the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can be dissolved well.
Although it does not specifically limit as alcohol, Monovalent alcohols, such as butanol, methanol, ethanol, and propanol, or a polyhydric alcohol can be illustrated. Examples of such alcohols include the following.

1価のアルコール類;
プロパノール(プロピルアルコール)として、1−プロパノール(沸点97.4℃)、2−プロパノール(沸点82.7℃)、
ブタノール(ブチルアルコール)として、1−ブタノール(沸点117℃)、2−ブタノール(沸点100℃)、2−メチル−1−プロパノール(沸点108℃)、2−メチル−2−プロパノール(融点25.4℃,沸点83℃)、
ペンタノール(アミルアルコール)として、1−ペンタノール(沸点137℃)、3−メチル−1−ブタノール(沸点131℃)、2−メチル−1−ブタノール(沸点128℃)、2,2ジメチル−1−プロパノール(沸点113℃)、2−ペンタノール(沸点119℃)、3−メチル−2−ブタノール(沸点112.5℃)、3−ペンタノール(沸点117℃)、2−メチル−2−ブタノール(沸点102℃)、
多価アルコール類;
エチレングリコール(融点−11.5℃,沸点197.5℃)、グリセリン(融点17℃,沸点290℃)。
Monohydric alcohols;
As propanol (propyl alcohol), 1-propanol (boiling point 97.4 ° C), 2-propanol (boiling point 82.7 ° C),
As butanol (butyl alcohol), 1-butanol (boiling point 117 ° C.), 2-butanol (boiling point 100 ° C.), 2-methyl-1-propanol (boiling point 108 ° C.), 2-methyl-2-propanol (melting point 25.4) ℃, boiling point 83 ℃),
As pentanol (amyl alcohol), 1-pentanol (boiling point 137 ° C.), 3-methyl-1-butanol (boiling point 131 ° C.), 2-methyl-1-butanol (boiling point 128 ° C.), 2,2 dimethyl-1 -Propanol (boiling point 113 ° C), 2-pentanol (boiling point 119 ° C), 3-methyl-2-butanol (boiling point 112.5 ° C), 3-pentanol (boiling point 117 ° C), 2-methyl-2-butanol (Boiling point 102 ° C.),
Polyhydric alcohols;
Ethylene glycol (melting point −11.5 ° C., boiling point 197.5 ° C.), glycerin (melting point 17 ° C., boiling point 290 ° C.).

ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルは、2価のカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであることが好ましい。   The polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is preferably a divalent carboxylic acid or a polycarboxylic acid ester.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの使用量は、ゾルゲル原料および強誘電体の組成比に依存するが、ポリカルボン酸が結合する、例えばPZTゾルゲル原料、PbNbゾルゲル原料、PbSiゾルゲル原料の合計モルイオン濃度とポリカルボン酸のモルイオン濃度は、好ましくは1≧(ポリカルボン酸のモルイオン濃度)/(原料溶液の総モルイオン濃度)、より好ましくは1:1とすることができる。ポリカルボン酸の添加量は、例えば0.35molとすることができる。   The amount of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester used depends on the composition ratio of the sol-gel raw material and the ferroelectric, but the total molar ion concentration of the polycarboxylic acid, for example, PZT sol-gel raw material, PbNb sol-gel raw material, and PbSi sol-gel raw material The polyionic acid molar ion concentration is preferably 1 ≧ (polycarboxylic acid molar ion concentration) / (total molar ion concentration of raw material solution), more preferably 1: 1. The addition amount of polycarboxylic acid can be 0.35 mol, for example.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの添加量は、結合させたい原料溶液の総モル数と等しいかそれ以上であることが望ましい。両者のモルイオン濃度の比が1:1で、原料すべてが結合するが、エステルは、酸性溶液中で安定に存在するので、エステルを安定に存在させるために、原料溶液の総モル数よりも、ポリカルボン酸を多く入れることが好ましい。また、ここで、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルのモル数とは、価数のことである。つまり、2価のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであれば、1分子のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルが、2分子の原料分子を結合することができるので、2価のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであれば、原料溶液1モルに対して、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステル0.5モルで1:1ということになる。加えて、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルも、初めから酸ではなく、ポリカルボン酸のエステルをアルコール中で解離させて、ポリカルボン酸となる。この場合、添加するアルコールのモル数は、1≧(アルコールのモル数/ポリカルボン酸エステルのモル数)であることが望ましい。全てのポリカルボン酸エステルが十分に解離するには、アルコールのモル数が多いほうが、安定して解離するからである。ここで、アルコールのモル数というのも、アルコールの価数で割った、いわゆる、モルイオン濃度を意味する。   The amount of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester added is desirably equal to or greater than the total number of moles of raw material solutions to be combined. The ratio of the molar ion concentration of the two is 1: 1, and all the raw materials are bonded, but since the ester exists stably in the acidic solution, in order to make the ester exist stably, the total number of moles of the raw material solution It is preferable to add a large amount of polycarboxylic acid. Here, the number of moles of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester is a valence. That is, in the case of a divalent polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, one molecule of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can bind two molecules of raw material molecules. If it is polycarboxylic acid ester, it will be 1: 1 with 0.5 mol of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester with respect to 1 mol of raw material solutions. In addition, the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is not an acid from the beginning, but dissociates the ester of the polycarboxylic acid in the alcohol to form a polycarboxylic acid. In this case, the number of moles of alcohol to be added is preferably 1 ≧ (number of moles of alcohol / number of moles of polycarboxylic acid ester). This is because, in order to sufficiently dissociate all the polycarboxylic acid esters, the larger the number of moles of alcohol, the more stable dissociation. Here, the number of moles of alcohol also means the so-called molar ion concentration divided by the valence of alcohol.

本実施形態の前駆体組成物の製造方法において、さらに、金属カルボン酸塩からなる原料を含むことができる。かかる金属カルボン酸塩としては、代表的に、前述した鉛のカルボン酸塩である酢酸鉛、オクチル酸鉛等を挙げることができる。   In the manufacturing method of the precursor composition of this embodiment, the raw material which consists of metal carboxylates can further be included. Typical examples of such metal carboxylates include lead acetate and lead octylate, which are the lead carboxylates described above.

また、本実施形態の前駆体組成物の製造方法においては、前記ゾルゲル原料とともに有機金属化合物(MOD原料)を用いることができる。かかる有機金属化合物としては、例えばオクチル酸ニオブを用いることができる。オクチル酸ニオブは、図7に示したように、Nbが2原子共有結合して、その他の部分にオクチル基が存在する構造である。この場合、Nb−Nbは2原子が結合しているが、それ以上のネットワークは存在しないため、これをMOD原料として扱っている。   In the method for producing a precursor composition of the present embodiment, an organometallic compound (MOD raw material) can be used together with the sol-gel raw material. As such an organometallic compound, for example, niobium octylate can be used. As shown in FIG. 7, niobium octylate has a structure in which Nb is covalently bonded by two atoms and an octyl group is present in the other part. In this case, Nb—Nb has two atoms bonded to each other, but since no more networks exist, it is treated as a MOD raw material.

カルボン酸とMOD原料のネットワーク形成は、主にアルコール交換反応で進行する。例えば、オクチル酸ニオブの場合、カルボン酸とオクチル基の間で反応し(アルコール交換反応)、R−COO−Nbという、エステル化が進行する。このように、本実施形態では、MOD原料をエステル化することにより、MOD原料とアルコキシドとの縮合によってMOD原料の分子を前駆体のネットワークに結合することができる。   Formation of a network of carboxylic acid and MOD raw material proceeds mainly by an alcohol exchange reaction. For example, in the case of niobium octylate, it reacts between a carboxylic acid and an octyl group (alcohol exchange reaction), and esterification of R—COO—Nb proceeds. Thus, in this embodiment, by esterifying the MOD raw material, the molecules of the MOD raw material can be bonded to the precursor network by condensation of the MOD raw material and the alkoxide.

さらに、本実施形態の前駆体組成物の製造方法においては、金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料として、Si、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を用いることができる。このようなゾルゲル溶液としては、PbSiO用ゾルゲル溶液を単独で、もしくはPbSiO用ゾルゲル溶液とPbGeO用ゾルゲル溶液の両者を用いることができる。このようなSiやGeを含むゾルゲル原料を用いることにより、成膜時の温度を低くすることができ、450℃程度から強誘電体の結晶化が可能である。 Furthermore, in the method for producing a precursor composition of the present embodiment, a sol-gel raw material containing Si or Si and Ge can be used as a sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide. As such a sol-gel solution may be used alone sol-gel solution for PbSiO 3, or both the sol-gel solution and PbGeO 3 sol-gel solution for PbSiO 3. By using such a sol-gel raw material containing Si or Ge, the temperature during film formation can be lowered, and the ferroelectric can be crystallized from about 450 ° C.

本実施形態の前駆体組成物の製造方法においては、PZTNを得るためには、ゾルゲル溶液として、少なくともPbZrO用ゾルゲル溶液、PbTiO用ゾルゲル溶液、およびPbNbO用ゾルゲル溶液を混合したものを用いることができる。この場合にも、上述したSi、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料をさらに混合することができる。 In the method for producing a precursor composition of the present embodiment, in order to obtain PZTN, a sol-gel solution in which at least a sol-gel solution for PbZrO 3 , a sol-gel solution for PbTiO 3 , and a sol-gel solution for PbNbO 3 is used is used. be able to. Also in this case, the above-described sol-gel raw material containing Si or Si and Ge can be further mixed.

また、Nbの代わりにTaを導入する場合には、ゾルゲル原料として、PbTaO用ゾルゲル溶液を用いることができる。 When Ta is introduced instead of Nb, a sol-gel solution for PbTaO 3 can be used as the sol-gel raw material.

本実施形態で得られた前駆体組成物の前駆体は、複数の分子ネットワークの間に適度にエステル結合を有しているので、可逆的反応が可能である。そのため、前駆体において、図5に示す左方向の反応を進行させることで、高分子化された前駆体(高分子ネットワーク)を分解して金属アルコキシドの縮合物とすることができる。   Since the precursor of the precursor composition obtained in this embodiment has an appropriate ester bond between a plurality of molecular networks, a reversible reaction is possible. Therefore, in the precursor, the polymerized precursor (polymer network) can be decomposed into a metal alkoxide condensate by proceeding the reaction in the left direction shown in FIG.

本実施形態の強誘電体膜101の製造方法によれば、有機溶媒中で、ポリカルボン酸によって、ゾルゲル原料の金属アルコキシドの加水分解・縮合物(複数の分子ネットワーク)同士がエステル結合によって縮重合した高分子ネットワークが得られる。したがって、この高分子ネットワークには、上記加水分解・縮合物に由来する複数の分子ネットワークの間に適度にエステル結合を有する。そして、エステル化反応は、温度制御などで容易に行うことができる。   According to the manufacturing method of the ferroelectric film 101 of the present embodiment, the hydrolysis / condensation products (plural molecular networks) of the metal alkoxide of the sol-gel raw material are condensed by an ester bond in an organic solvent with polycarboxylic acid. A polymer network is obtained. Therefore, this polymer network has moderate ester bonds between a plurality of molecular networks derived from the hydrolysis / condensation product. The esterification reaction can be easily performed by temperature control or the like.

また、このように本実施形態の前駆体組成物は、複数の分子ネットワークの間に適度にエステル結合を有しているので、可逆的反応が可能である。そのため、強誘電体膜の成膜後に残った組成物において、高分子化された前駆体(高分子ネットワーク)を分解して金属アルコキシド(もしくはその縮合物からなる分子ネットワーク)とすることができる。このような金属アルコキシド(もしくはその縮合物からなる分子ネットワーク)は、前駆体原料として再利用することができるので、鉛などの有害とされる物質を再利用でき、環境の面からもメリットが大きい。   In addition, as described above, the precursor composition of the present embodiment has an appropriate ester bond between a plurality of molecular networks, so that a reversible reaction is possible. Therefore, in the composition remaining after the formation of the ferroelectric film, the polymerized precursor (polymer network) can be decomposed into a metal alkoxide (or a molecular network composed of a condensate thereof). Such metal alkoxides (or molecular networks composed of condensates thereof) can be reused as precursor raw materials, so that harmful substances such as lead can be reused, and there are great advantages from the environmental viewpoint. .

なお、強誘電体キャパシタにおいて、テトラゴナル構造で、且つ、擬立方晶(111)配向していることが、ヒステリシスループの角型性を維持する上で好ましい。この配置をとるのであれば強誘電体膜101内の90度ドメインをなくすことができるからである。   In the ferroelectric capacitor, a tetragonal structure and pseudo-cubic (111) orientation are preferable for maintaining the squareness of the hysteresis loop. This is because the 90-degree domain in the ferroelectric film 101 can be eliminated if this arrangement is adopted.

また、擬立方晶(111)配向の強誘電体キャパシタを形成するためには、第1電極102として、(111)配向を有するPtを用いればよい。あるいは第1電極102として、(111)配向を有するペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物を用いても良い。それら遷移金属酸化物の例としてSrRuO、NbドープのSrTiOがあげられる。これら(111)配向の第1電極102上では、強誘電体膜101は容易に下地の(111)配向方向をひきずって結晶成長することが可能である。 Further, in order to form a pseudo-cubic (111) oriented ferroelectric capacitor, Pt having a (111) orientation may be used as the first electrode 102. Alternatively, a transition metal oxide having a perovskite structure having a (111) orientation may be used as the first electrode 102. Examples of these transition metal oxides are SrRuO 3 and Nb-doped SrTiO 3 . On the (111) -oriented first electrode 102, the ferroelectric film 101 can be easily grown by pulling the underlying (111) -oriented direction.

上記前駆体溶液に熱処理等を加えて結晶化させることにより、強誘電体膜101を形成することができる。   The ferroelectric film 101 can be formed by crystallizing the precursor solution by applying heat treatment or the like.

具体的には、混合溶液塗布工程、アルコール除去工程〜乾燥熱処理工程〜脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行い、その後に結晶化アニールにより焼成して強誘電体膜101を形成する。各工程における条件は、たとえば以下のとおりである。   Specifically, a series of steps including a mixed solution coating step, an alcohol removal step, a drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are performed a desired number of times, and then baked by crystallization annealing to form the ferroelectric film 101. The conditions in each process are as follows, for example.

混合溶液塗布工程は、混合液の塗布をスピンコートなどの塗布法で行う。まず、第1電極102上に混合溶液を滴下する。滴下された溶液を基板全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、たとえば500rpm程度である。次に、回転数を低下させて所望の時間、スピンを行うことによって、混合溶液が第1電極102上に塗布される。このときの回転数は、たとえば50rpm以下である。乾燥熱処理工程は150℃〜180℃で行う。乾燥熱処理は大気雰囲気下でホットプレート等を用いて行う。同様に脱脂熱処理工程では300℃〜350℃に保持されたホットプレート上で、大気雰囲気下で行う。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でサーマルラピッドアニール(RTA)等を用いて行う。   In the mixed solution coating step, the mixed solution is coated by a coating method such as spin coating. First, the mixed solution is dropped on the first electrode 102. Spin is performed for the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the substrate. The rotation speed of the spin is, for example, about 500 rpm. Next, the mixed solution is applied onto the first electrode 102 by performing spinning for a desired time at a reduced rotational speed. The number of rotations at this time is, for example, 50 rpm or less. The drying heat treatment step is performed at 150 to 180 ° C. The drying heat treatment is performed using a hot plate or the like in an air atmosphere. Similarly, the degreasing heat treatment step is performed in an air atmosphere on a hot plate maintained at 300 ° C to 350 ° C. Firing for crystallization is performed using thermal rapid annealing (RTA) or the like in an oxygen atmosphere.

焼結後の強誘電体膜101の膜厚は50〜150nm程度とすることができる。強誘電体膜101は、たとえばスパッタ法、分子線エピタキシー法、あるいはレーザーアブレーション法などを用いて形成することもできる。   The thickness of the sintered ferroelectric film 101 can be about 50 to 150 nm. The ferroelectric film 101 can also be formed by using, for example, a sputtering method, a molecular beam epitaxy method, or a laser ablation method.

(4)次に、強誘電体膜101上に第2電極103を形成する。第2電極103は、たとえばスパッタ法あるいは真空蒸着法などによって形成することができる。上部電極としては、Ptを主とする材料からなるものを用いることが好ましい。なお、この第2電極103については、Ptに限定されることなく、Ir、IrO、SrRuO、Nb−SrTiO、La−SrTiO、Nb−(LaSr)CoO、LaNiO、PbBaOなどの公知の電極材料を用いることもできる。 (4) Next, the second electrode 103 is formed on the ferroelectric film 101. The second electrode 103 can be formed by, for example, a sputtering method or a vacuum deposition method. As the upper electrode, it is preferable to use a material mainly made of Pt. The second electrode 103 is not limited to Pt, and Ir, IrO x , SrRuO 3 , Nb—SrTiO 3 , La—SrTiO 3 , Nb— (LaSr) CoO 3 , LaNiO 3 , PbBaO 3, etc. These known electrode materials can also be used.

(5)次に、必要に応じて、ポストアニールを酸素雰囲気中でRTA等を用いて行うことができる。これにより、第2電極103と強誘電体膜101との良好な界面を形成することができ、かつ強誘電体膜101の結晶性を改善することができる。   (5) Next, post-annealing can be performed in an oxygen atmosphere using RTA or the like, if necessary. As a result, a good interface between the second electrode 103 and the ferroelectric film 101 can be formed, and the crystallinity of the ferroelectric film 101 can be improved.

以上の工程によって、本実施の形態にかかる強誘電体膜101および強誘電体キャパシタ100を製造することができる。   Through the above steps, the ferroelectric film 101 and the ferroelectric capacitor 100 according to the present embodiment can be manufactured.

本実施の形態の強誘電体キャパシタ100によれば、結晶化温度の低温化、ヒステリシスの角型性の向上が図れる。また、強誘電体キャパシタ100によるヒステリシスの角型性の向上は、単純マトリクス型の強誘電体メモリ装置の駆動にとって重要なディスターブの安定性に効果がある。   According to the ferroelectric capacitor 100 of the present embodiment, the crystallization temperature can be lowered and the squareness of hysteresis can be improved. Further, the improvement in the squareness of hysteresis by the ferroelectric capacitor 100 is effective in the stability of disturbance, which is important for driving a simple matrix ferroelectric memory device.

3.強誘電体メモリ
図8(A)および図8(B)は、本発明の実施形態における、単純マトリクス型の強誘電体メモリ装置300の構成を示した図である。図8(A)はその平面図、図8(B)は図8(A)のA−A線に沿った断面図である。強誘電体メモリ装置300は、図8(A)および図8(B)に示すように、基板308上に形成された所定の数配列されたワード線301〜303と、所定の数配列されたビット線304〜306とを有する。ワード線301〜303とビット線304〜306との間には、上記実施の形態において説明した強誘電体膜307が挿入され、ワード線301〜303とビット線304〜306との交差領域に強誘電体キャパシタが形成される。
3. Ferroelectric Memory FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the configuration of a simple matrix ferroelectric memory device 300 in the embodiment of the present invention. 8A is a plan view thereof, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 8A. As shown in FIGS. 8A and 8B, the ferroelectric memory device 300 has a predetermined number of word lines 301 to 303 formed on the substrate 308 and a predetermined number of the word lines. Bit lines 304 to 306. The ferroelectric film 307 described in the above embodiment is inserted between the word lines 301 to 303 and the bit lines 304 to 306, and strong in the intersection region between the word lines 301 to 303 and the bit lines 304 to 306. A dielectric capacitor is formed.

この単純マトリクスにより構成されるメモリセルを配列した強誘電体メモリ装置300において、ワード線301〜303とビット線304〜306との交差領域に形成される強誘電体キャパシタヘの書き込みと読み出しは、図示しない周辺の駆動回路や読み出し用の増幅回路等(これらを「周辺回路」と称す)により行う。この周辺回路は、メモリセルアレイと別の基板上にMOSトランジスタにより形成して、ワード線301〜303およびビット線304〜306に接続するようにしてもよいし、あるいは基板308に単結晶シリコン基板を用いることにより、周辺回路をメモリセルアレイと同一基板上に集積化することも可能である。   In the ferroelectric memory device 300 in which memory cells configured by this simple matrix are arranged, writing to and reading from the ferroelectric capacitors formed in the intersecting regions of the word lines 301 to 303 and the bit lines 304 to 306 are as follows: This is performed by a peripheral drive circuit, a read amplifier circuit (not shown) or the like (referred to as “peripheral circuit”). This peripheral circuit may be formed by a MOS transistor on a substrate different from the memory cell array and connected to the word lines 301 to 303 and the bit lines 304 to 306, or a single crystal silicon substrate may be used as the substrate 308. By using the peripheral circuit, it is possible to integrate the peripheral circuit on the same substrate as the memory cell array.

図9は、本実施の形態における、メモリセルアレイが周辺回路と共に同一基板上に集積化されている強誘電体メモリ装置400の一例を示す断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a ferroelectric memory device 400 in which the memory cell array is integrated with peripheral circuits on the same substrate in the present embodiment.

図9において、単結晶シリコン基板401上にMOSトランジスタ402が形成され、このトランジスタ形成領域が周辺回路部となる。MOSトランジスタ402は、単結晶シリコン基板401、ソース・ドレイン領域405、ゲート絶縁膜403、およびゲート電極404により構成される。また、強誘電体メモリ装置400は、素子分離用酸化膜406、第1の層間絶縁膜407、第1の配線層408、および第2の層間絶縁膜409を有する。   In FIG. 9, a MOS transistor 402 is formed on a single crystal silicon substrate 401, and this transistor formation region becomes a peripheral circuit portion. The MOS transistor 402 includes a single crystal silicon substrate 401, source / drain regions 405, a gate insulating film 403, and a gate electrode 404. The ferroelectric memory device 400 includes an element isolation oxide film 406, a first interlayer insulating film 407, a first wiring layer 408, and a second interlayer insulating film 409.

また、強誘電体メモリ装置400は、強誘電体キャパシタ420からなるメモリセルアレイを有し、強誘電体キャパシタ420は、ワード線またはビット線となる下部電極(第1電極または第2電極)410、強誘電体相と常誘電体相とを含む強誘電体膜411、および強誘電体膜411の上に形成されてビット線またはワード線となる上部電極(第2電極または第1電極)412から構成される。   The ferroelectric memory device 400 includes a memory cell array including ferroelectric capacitors 420. The ferroelectric capacitor 420 includes a lower electrode (first electrode or second electrode) 410 serving as a word line or a bit line, From a ferroelectric film 411 including a ferroelectric phase and a paraelectric phase, and an upper electrode (second electrode or first electrode) 412 formed on the ferroelectric film 411 and serving as a bit line or a word line Composed.

さらに、強誘電体メモリ装置400は、強誘電体キャパシタ420の上に第3の層間絶縁膜413を有し、第2の配線層414により、メモリセルアレイと周辺回路部が接続される。なお、強誘電体メモリ装置400において、第3の層間絶縁膜413と第2の配線層414との上には保護膜415が形成されている。   Further, the ferroelectric memory device 400 includes a third interlayer insulating film 413 on the ferroelectric capacitor 420, and the memory cell array and the peripheral circuit portion are connected by the second wiring layer 414. In the ferroelectric memory device 400, a protective film 415 is formed on the third interlayer insulating film 413 and the second wiring layer 414.

以上の構成を有する強誘電体メモリ装置400によれば、メモリセルアレイと周辺回路部とを同一基板上に集積することができる。なお、図9に示される強誘電体メモリ装置400は、周辺回路部上にメモリセルアレイが形成されている構成であるが、もちろん、周辺回路部上にメモリセルアレイが配置されず、メモリセルアレイは周辺回路部と平面的に接しているような構成としてもよい。   According to the ferroelectric memory device 400 having the above configuration, the memory cell array and the peripheral circuit portion can be integrated on the same substrate. Although the ferroelectric memory device 400 shown in FIG. 9 has a configuration in which a memory cell array is formed on the peripheral circuit portion, of course, no memory cell array is arranged on the peripheral circuit portion, It is good also as a structure which is in contact with the circuit part planarly.

本実施の形態で用いられる強誘電体キャパシタ420は、上記実施の形態に係る強誘電体膜から構成されるため、ヒステリシスの角形性が非常に良く、安定なディスターブ特性を有する。さらに、この強誘電体キャパシタ420は、プロセス温度の低温化により周辺回路等や他の素子へのダメージが少なく、またプロセスダメージ(特に水素の還元)が少ないので、ダメージによるヒステリシスの劣化を抑えることができる。したがって、かかる強誘電体キャパシタ420を用いることで、単純マトリクス型強誘電体メモリ装置300の実用化が可能になる。   Since the ferroelectric capacitor 420 used in the present embodiment is composed of the ferroelectric film according to the above-described embodiment, the squareness of hysteresis is very good and it has a stable disturb characteristic. Furthermore, the ferroelectric capacitor 420 has less damage to peripheral circuits and other elements due to lower process temperature, and less process damage (especially hydrogen reduction), thereby suppressing deterioration of hysteresis due to damage. Can do. Therefore, by using the ferroelectric capacitor 420, the simple matrix ferroelectric memory device 300 can be put into practical use.

図10(A)には、変形例として1T1C型強誘電体メモリ装置500の構造図を示す。図10(B)は、強誘電体メモリ装置500の等価回路図である。   FIG. 10A shows a structural diagram of a 1T1C type ferroelectric memory device 500 as a modification. FIG. 10B is an equivalent circuit diagram of the ferroelectric memory device 500.

強誘電体メモリ装置500は、図10(A)に示すように、下部電極501、プレート線に接続される上部電極502、および上述の実施の形態の強誘電体膜503からなるキャパシタ504(1C)と、ソース/ドレイン電極の一方がデータ線505に接続され、ワード線に接続されるゲート電極506を有するスイッチ用のトランジスタ素子507(1T)からなるDRAMに良く似た構造のメモリ素子である。1T1C型のメモリは、書き込みおよび読み出しが100ns以下と高速で行うことができ、かつ書き込んだデータは不揮発であるため、SRAMの置き換え等に有望である。   As shown in FIG. 10A, the ferroelectric memory device 500 includes a capacitor 504 (1C) including a lower electrode 501, an upper electrode 502 connected to a plate line, and the ferroelectric film 503 of the above-described embodiment. ), And a memory element having a structure similar to that of a DRAM including a switching transistor element 507 (1T) having a gate electrode 506 connected to the data line 505 and one of the source / drain electrodes connected to the word line. . The 1T1C type memory can perform writing and reading at a high speed of 100 ns or less, and the written data is nonvolatile. Therefore, it is promising for replacement of the SRAM.

以上、本発明の実施の形態の一例について述べたが、本発明はこれらに限定されず、その要旨の範囲内で各種の態様を取りうる。   As mentioned above, although an example of embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, Various aspects can be taken within the range of the summary.

4.実験例
以下、本発明の実験例について説明する。
4). Experimental Example Hereinafter, an experimental example of the present invention will be described.

4.1.実施例1
本実施の形態にかかる強誘電体膜は、以下の原料溶液を用いて行った。
4.1. Example 1
The ferroelectric film according to the present embodiment was performed using the following raw material solution.

PbおよびZrによるPbZrOペロブスカイト結晶を形成するための酢酸鉛(Pb)とジルコニウムブトキシド(Zr)などの縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液(以下、PZ溶液とする)と、PbおよびTiによるPbTiOペロブスカイト結晶を形成するための酢酸鉛(Pb)とチタンイソプロポキシド(Ti)などの縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液(以下、PT溶液とする)とを(PZ溶液):(PT溶液)=45:55の割合で混合し、溶液1を作製した。 A solution in which a condensation polymer such as lead acetate (Pb) and zirconium butoxide (Zr) for forming a PbZrO 3 perovskite crystal with Pb and Zr is dissolved in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state (hereinafter referred to as PZ solution). ), A PbTiO 3 perovskite crystal composed of Pb and Ti, a solution obtained by dissolving a condensation polymer such as lead acetate (Pb) and titanium isopropoxide (Ti) in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state (hereinafter referred to as “PbTiO 3 perovskite crystal”) And PT solution) were mixed at a ratio of (PZ solution) :( PT solution) = 45: 55 to prepare solution 1.

オクチル酸ビスマスとオクチル酸ニオブを、モル比において、(オクチル酸ビスマス):(オクチル酸ニオブ)=1:1の割合でSi元素とともにn−ブタノール等の溶媒中で混合された溶液2を作製した。   A solution 2 was prepared by mixing bismuth octylate and niobium octylate in a molar ratio of (bismuth octylate) :( niobium octylate) = 1: 1 together with Si element in a solvent such as n-butanol. .

次に、溶液1および溶液2と、コハク酸ジメチルとを混合し、原料溶液を作製した。また、コハク酸ジメチルは、各原料溶液金属元素濃度1mol/lに対して、0.5mol/lの割合で混合した。その後、各原料溶液を密閉し、90℃で30分間保持した後、室温まで冷却してエステル化を十分に促進させた。
溶液1と溶液2の比率は、以下のとおりである。
原料溶液1;溶液1:溶液2=100:0
原料溶液2;溶液1:溶液2=95:5
原料溶液3;溶液1:溶液2=90:10
原料溶液4;溶液1:溶液2=80:20
作製した原料溶液1〜原料溶液4を用いて、図11に示す方法でサンプルを作成した。
Next, Solution 1 and Solution 2 were mixed with dimethyl succinate to prepare a raw material solution. Further, dimethyl succinate was mixed at a ratio of 0.5 mol / l with respect to each raw material solution metal element concentration of 1 mol / l. Thereafter, each raw material solution was sealed and held at 90 ° C. for 30 minutes, and then cooled to room temperature to sufficiently promote esterification.
The ratio of the solution 1 and the solution 2 is as follows.
Raw material solution 1; solution 1: solution 2 = 100: 0
Raw material solution 2; Solution 1: Solution 2 = 95: 5
Raw material solution 3; Solution 1: Solution 2 = 90: 10
Raw material solution 4; Solution 1: Solution 2 = 80: 20
A sample was prepared by the method shown in FIG. 11 using the prepared raw material solutions 1 to 4.

すなわち、白金からなる下部電極をスパッタ法により形成し、原料溶液をスピン塗布法によって基板に塗布し、ホットプレートを用いて150〜180℃(150℃)で乾燥処理を行い、アルコールを除去した。その後、ホットプレートを用いて300〜350℃(300℃)で脱脂熱処理を行った。その後、必要に応じて上記塗布工程、乾燥処理工程および脱脂熱処理を複数回(全3回)行い所望の膜厚の塗布膜を得た。さらに、結晶化アニール(焼成)により、膜厚150nmの強誘電体膜のサンプルを得た。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニール(RTA)を用いて、650〜700℃(650℃)で行った。さらに、白金からなる上部電極をスパッタ法により形成して、回復アニールを、RTAを用いて、650〜700℃(650℃)で行うことにより、強誘電体キャパシタのサンプル(以下、これを「キャパシタサンプル」ともいう)を得た。   That is, a lower electrode made of platinum was formed by sputtering, a raw material solution was applied to a substrate by spin coating, and a drying process was performed at 150 to 180 ° C. (150 ° C.) using a hot plate to remove alcohol. Then, degreasing heat treatment was performed at 300 to 350 ° C. (300 ° C.) using a hot plate. Then, the said application | coating process, the drying process, and the degreasing heat processing were performed in multiple times (all 3 times) as needed, and the coating film of the desired film thickness was obtained. Further, a ferroelectric film sample having a film thickness of 150 nm was obtained by crystallization annealing (firing). Firing for crystallization was performed at 650 to 700 ° C. (650 ° C.) using rapid thermal annealing (RTA) in an oxygen atmosphere. Further, an upper electrode made of platinum is formed by a sputtering method, and recovery annealing is performed at 650 to 700 ° C. (650 ° C.) using RTA, whereby a ferroelectric capacitor sample (hereinafter referred to as “capacitor”). Also called “sample”).

これらのサンプルを用いて以下の特性を調べた。   The following characteristics were examined using these samples.

(a)原料溶液2〜原料溶液4を用いた3種のサンプルの強誘電体膜について、X線回折によって結晶性を調べた。図12〜図14にその結果を示す。図12は、原料溶液2を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図である。図13は、原料溶液3を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図である。図14は、原料溶液4を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図である。   (A) The crystallinity of the three types of ferroelectric films using the raw material solution 2 to the raw material solution 4 was examined by X-ray diffraction. The results are shown in FIGS. FIG. 12 is a diagram showing the crystallinity of a ferroelectric film of a sample using the raw material solution 2. FIG. 13 is a diagram showing the crystallinity of a ferroelectric film of a sample using the raw material solution 3. FIG. 14 is a diagram showing the crystallinity of a ferroelectric film sample using the raw material solution 4.

図12〜図14から、原料溶液2〜原料溶液4を用いたいずれのサンプルにもPZTと同様の(111)のピークが認められ、ペロブスカイト単相膜が形成されていることが確認された。すなわち、BiおよびNbは、完全にPZTに固溶しており、BiはAサイト、Nbは、Bサイトを置換したものと確認された。   From FIG. 12 to FIG. 14, the peak of (111) similar to PZT was recognized in any sample using the raw material solution 2 to the raw material solution 4, and it was confirmed that a perovskite single phase film was formed. That is, it was confirmed that Bi and Nb were completely dissolved in PZT, Bi was substituted for the A site, and Nb was substituted for the B site.

(b)図15〜図18に、原料溶液1〜原料溶液4を用いたキャパシタサンプルについて求めたヒステリシスを示す。図15は、原料溶液1を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図16は、原料溶液2を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図17は、原料溶液3を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図18は、原料溶液4を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図15〜図18から、いずれのキャパシタサンプルも良好なヒステリシス特性を有することが確認された。特に、BiおよびNbの添加量が増大するにつれて、ヒステリシスの角形性が向上した。   (B) The hysteresis calculated | required about the capacitor sample using the raw material solution 1-the raw material solution 4 in FIGS. 15-18 is shown. FIG. 15 shows a hysteresis characteristic of a sample using the raw material solution 1. FIG. 16 shows the hysteresis characteristics of the sample using the raw material solution 2. FIG. 17 shows the hysteresis characteristics of the sample using the raw material solution 3. FIG. 18 shows a hysteresis characteristic of a sample using the raw material solution 4. From FIG. 15 to FIG. 18, it was confirmed that all the capacitor samples have good hysteresis characteristics. In particular, as the addition amount of Bi and Nb increased, the squareness of hysteresis improved.

4.2.実施例2
実施例1と同様に、以下の比率で溶液1と溶液2を混合した原料溶液を作製した。
原料溶液5;溶液1:溶液2=70:30
原料溶液6;溶液1:溶液2=40:60
原料溶液7;溶液1:溶液2=10:90
次に、実施例1と同様にキャパシタサンプルを形成し、形成したサンプルを用いて以下の特性を調べた。
4.2. Example 2
Similar to Example 1, a raw material solution was prepared by mixing Solution 1 and Solution 2 at the following ratio.
Raw material solution 5; Solution 1: Solution 2 = 70: 30
Raw material solution 6; Solution 1: Solution 2 = 40: 60
Raw material solution 7; Solution 1: Solution 2 = 10: 90
Next, a capacitor sample was formed in the same manner as in Example 1, and the following characteristics were examined using the formed sample.

(a)原料溶液5〜原料溶液7を用いた3種のサンプルの強誘電体膜について、X線回折によって結晶性を調べた。すべての強誘電体膜について、図19に示すような結果が得られた。図19によれば、BNO(BiNbO)と同様の(112)、(212)、(211)のピークと、PZTと同様の(111)のピークとが認められ、得られた強誘電体膜は、BNOからなるビスマス層状ペロブスカイト結晶と、PZTからなるペロブスカイト結晶とが混在する共晶体を含むことが確認された。なお、ここでもBiおよびNbは、PZTに固溶しており、BiはAサイトの一部、NbはBサイトの一部を置換している。 (A) The crystallinity of three types of ferroelectric films using the raw material solution 5 to the raw material solution 7 was examined by X-ray diffraction. The results shown in FIG. 19 were obtained for all the ferroelectric films. According to FIG. 19, peaks of (112), (212), (211) similar to BNO (BiNbO 4 ) and a peak of (111) similar to PZT are recognized, and the obtained ferroelectric film Has been confirmed to contain a eutectic in which a bismuth layered perovskite crystal made of BNO and a perovskite crystal made of PZT are mixed. Here again, Bi and Nb are dissolved in PZT, Bi replaces part of the A site, and Nb replaces part of the B site.

(b)図20〜図22に、原料溶液5〜原料溶液7を用いたキャパシタサンプルについて求めたヒステリシスを示す。図20は、原料溶液5を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図21は、原料溶液6を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図22は、原料溶液7を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す。図20〜図22から、いずれのキャパシタサンプルも良好なヒステリシス特性を有することが確認された。   (B) The hysteresis calculated | required about the capacitor sample using the raw material solution 5-the raw material solution 7 in FIGS. 20-22 is shown. FIG. 20 shows the hysteresis characteristics of the sample using the raw material solution 5. FIG. 21 shows hysteresis characteristics of a sample using the raw material solution 6. FIG. 22 shows the hysteresis characteristics of the sample using the raw material solution 7. From FIG. 20 to FIG. 22, it was confirmed that any capacitor sample has a good hysteresis characteristic.

実施の形態にかかる強誘電体キャパシタを示す断面図。Sectional drawing which shows the ferroelectric capacitor concerning embodiment. (a)、(b)はペロブスカイト型結晶構造の説明図。(A), (b) is explanatory drawing of a perovskite crystal structure. BiおよびPbの6p軌道準位の相対値を示す図。The figure which shows the relative value of the 6p orbital level of Bi and Pb. Bi層状ペロブスカイト型結晶構造の説明図。Explanatory drawing of Bi layered perovskite crystal structure. 本実施の形態にかかる強誘電体膜の前駆体溶液の生成反応を示す図。The figure which shows the production | generation reaction of the precursor solution of the ferroelectric film concerning this Embodiment. 本実施の形態にかかる強誘電体膜の前駆体溶液の生成反応を示す図。The figure which shows the production | generation reaction of the precursor solution of the ferroelectric film concerning this Embodiment. 本実施の形態で用いられる金属カルボン酸を示す図。The figure which shows the metal carboxylic acid used by this Embodiment. 実施の形態における単純マトリクス型の強誘電体メモリ装置を模式的に示す平面図および断面図。1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view schematically showing a simple matrix ferroelectric memory device in an embodiment. 実施の形態における、メモリセルアレイが周辺回路と共に同一基板上に集積化されている強誘電体メモリ装置の一例を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing an example of a ferroelectric memory device in which a memory cell array is integrated on a same substrate together with peripheral circuits in an embodiment. 実施の形態の変形例における1T1C型強誘電体メモリを模式的に示す断面図およびその等価回路図。Sectional drawing which shows typically the 1T1C type ferroelectric memory in the modification of embodiment, and its equivalent circuit schematic. 本実施の形態にかかる実施例のサンプルの形成方法を示す図。The figure which shows the formation method of the sample of the Example concerning this Embodiment. 原料溶液2を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図。The figure which shows the crystallinity of the ferroelectric film of the sample using the raw material solution 2. FIG. 原料溶液3を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図。The figure which shows the crystallinity of the ferroelectric film of the sample using the raw material solution 3. FIG. 原料溶液4を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図。The figure which shows the crystallinity of the ferroelectric film of the sample using the raw material solution 4. FIG. 原料溶液1を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 1. FIG. 原料溶液2を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 2. FIG. 原料溶液3を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 3. FIG. 原料溶液4を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 4. FIG. 原料溶液5〜7を用いたサンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図。The figure which shows the crystallinity of the ferroelectric film of the sample using the raw material solutions 5-7. 原料溶液5を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 5. FIG. 原料溶液6を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 6. FIG. 原料溶液7を用いたサンプルのヒステリシス特性を示す図。The figure which shows the hysteresis characteristic of the sample using the raw material solution 7. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板、100 強誘電体キャパシタ、101 強誘電体膜、102 第1電極、103 第2電極、300 強誘電体メモリ装置、301,302,303 ワード線、304,305,306 ビット線、307 強誘電体膜、308 基板、400 強誘電体メモリ装置、401 単結晶シリコン基板、402 MOSトランジスタ、403 ゲート絶縁膜、404 ゲート電極、405 ソース・ドレイン領域、406 素子分離用酸化膜、407 第1の層間絶縁膜、408 第1の配線層、409 第2の層間絶縁膜、410 下部電極、411 強誘電体膜、412 上部電極、413 第3の層間絶縁膜、414 第2の配線層、415 保護膜、420 強誘電体キャパシタ、500 強誘電体メモリ装置、501 下部電極、502 上部電極、503 強誘電体膜、504 キャパシタ、505 データ線、506 ゲート電極、507 トランジスタ素子 10 Substrate, 100 Ferroelectric capacitor, 101 Ferroelectric film, 102 First electrode, 103 Second electrode, 300 Ferroelectric memory device, 301, 302, 303 Word line, 304, 305, 306 Bit line, 307 Strong Dielectric film, 308 substrate, 400 ferroelectric memory device, 401 single crystal silicon substrate, 402 MOS transistor, 403 gate insulating film, 404 gate electrode, 405 source / drain region, 406 oxide film for element isolation, 407 first Interlayer insulating film, 408 first wiring layer, 409 second interlayer insulating film, 410 lower electrode, 411 ferroelectric film, 412 upper electrode, 413 third interlayer insulating film, 414 second wiring layer, 415 protection Film, 420 ferroelectric capacitor, 500 ferroelectric memory device, 501 bottom electrode, 502 on Electrode, 503 ferroelectric film, 504 a capacitor, 505 data lines, 506 a gate electrode, 507 a transistor element

Claims (18)

(Pb1−dBi)(B1−a)Oの一般式で示され、
Bは、ZrおよびTiの少なくとも一方からなり、
Xは、NbおよびTaの少なくとも一方からなり、
aは、0.05≦a≦0.4の範囲であり、
dは、0<d<1の範囲である、強誘電体膜。
Represented by the general formula (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3,
B consists of at least one of Zr and Ti,
X consists of at least one of Nb and Ta,
a is in the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.4,
d is a ferroelectric film in a range of 0 <d <1.
請求項1において、
前記Xは、ペロブスカイト型構造のBサイトに存在する、強誘電体膜。
In claim 1,
X is a ferroelectric film present at the B site of the perovskite structure.
請求項1または2において、
PbおよびBiは、ペロブスカイト型構造のAサイトに存在する、強誘電体膜。
In claim 1 or 2,
Pb and Bi are ferroelectric films present at the A site of the perovskite structure.
請求項3において、
前記dは、0<d≦0.2の範囲である、強誘電体膜。
In claim 3,
The d is a ferroelectric film in a range of 0 <d ≦ 0.2.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
テトラゴナル構造であり、かつ、擬立方晶(111)配向している、強誘電体膜。
In any of claims 1 to 4,
A ferroelectric film having a tetragonal structure and having a pseudo cubic (111) orientation.
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記Xは、Nbである、強誘電体膜。
In any of claims 1 to 5,
The ferroelectric film in which X is Nb.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記一般式(Pb1−dBi)(B1−a)Oで示される強誘電体と、BiNbOからなる強誘電体との共晶体を含む、強誘電体膜。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
Comprising a ferroelectric represented by the general formula (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3, a eutectic of the ferroelectric consisting BiNbO 4, the ferroelectric film.
請求項7において、
前記共晶体に含まれるBi元素のPb元素に対するモル数の比率は、3/7以上である、強誘電体膜。
In claim 7,
The ferroelectric film, wherein a ratio of the number of moles of Bi element to Pb element contained in the eutectic is 3/7 or more.
請求項7または8において、
前記一般式(Pb1−dBi)(B1−a)Oで示される結晶は、ペロブスカイト型構造を有し、
前記BiNbOからなる結晶は、ビスマス層状ペロブスカイト型構造を有する、強誘電体膜。
In claim 7 or 8,
Crystals have a perovskite structure represented by the general formula (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) O 3,
The BiNbO 4 crystal is a ferroelectric film having a bismuth layered perovskite structure.
(Pb1−dBi)(B1−a)Oの一般式で示される強誘電体膜の製造方法であって、
Bは、ZrおよびTiの少なくとも一方からなり、
Xは、NbおよびTaの少なくとも一方からなり、
aは、0.05≦a≦0.4の範囲であり、
dは、0<d<1の範囲であり、
少なくともZr元素およびTi元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合し、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と金属アルコキシドとのエステル化によるエステル結合を有する強誘電体の前駆体溶液を形成することを含む、強誘電体膜の製造方法。
A (Pb 1-d Bi d) (B 1-a X a) method for producing O 3 in general formula shown Ru ferroelectric film,
B consists of at least one of Zr and Ti,
X consists of at least one of Nb and Ta,
a is in the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.4,
d is in the range of 0 <d <1;
A sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide containing at least Zr element and Ti element, polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and organic solvent are mixed,
A method for producing a ferroelectric film, comprising: forming a precursor solution of a ferroelectric having an ester bond by esterification of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid ester and a metal alkoxide.
請求項10において、
前記強誘電体膜は、BiNbOからなる結晶をさらに含み、
少なくともZr元素およびTi元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合し、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と金属アルコキシドとのエステル化によるエステル結合を有する強誘電体の前駆体溶液を形成することを含む、強誘電体膜の製造方法。
In claim 10,
The ferroelectric film further includes a crystal made of BiNbO 4 ,
A sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide containing at least Zr element and Ti element, polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and organic solvent are mixed,
A method for producing a ferroelectric film, comprising: forming a precursor solution of a ferroelectric having an ester bond by esterification of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid ester and a metal alkoxide.
請求項10または11において、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらに、ビスマスのカルボン酸塩を用いたゾルゲル原料を含む、強誘電体膜の製造方法。
In claim 10 or 11,
A method for producing a ferroelectric film, which further includes a sol-gel raw material using a bismuth carboxylate when the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent are mixed.
請求項10ないし12のいずれかにおいて、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらに、鉛のカルボン酸塩を用いたゾルゲル原料を含む、強誘電体膜の製造方法。
In any one of claims 10 to 12,
A method for producing a ferroelectric film, which further comprises a sol-gel raw material using a lead carboxylate when the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent are mixed.
請求項10ないし13のいずれかにおいて、
前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルは、2価のカルボン酸またはポリカルボン酸エステルである、強誘電体膜の製造方法。
In any one of claims 10 to 13,
The method for producing a ferroelectric film, wherein the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is a divalent carboxylic acid or a polycarboxylic acid ester.
請求項10ないし14のいずれかにおいて、
前記ゾルゲル原料と、前記ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、前記有機溶媒とを混合する際に、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を用いる、強誘電体膜の製造方法。
In any of claims 10 to 14,
A method for producing a ferroelectric film, wherein a sol-gel raw material further containing Si or Si and Ge is used when mixing the sol-gel raw material, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, and the organic solvent.
請求項1ないし9のいずれかに記載の強誘電体膜を有する、強誘電体キャパシタ。   A ferroelectric capacitor comprising the ferroelectric film according to claim 1. 請求項16において、
ペロブスカイト型構造を有する電極をさらに有し、
前記強誘電体膜は、前記電極の上に形成されている、強誘電体キャパシタ。
In claim 16,
It further has an electrode having a perovskite structure,
The ferroelectric capacitor, wherein the ferroelectric film is formed on the electrode.
請求項16または17に記載の強誘電体キャパシタを有する、強誘電体メモリ。   A ferroelectric memory comprising the ferroelectric capacitor according to claim 16.
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