(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機固体層と、該有機固体層の上に形成した酸化物薄膜層と、該酸化物薄膜層上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜とを含むことを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
前記酸化物薄膜層が酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記酸化物薄膜層がイットリウム安定化酸化ジルコニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記有機固体層が、熱硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項５】
前記熱硬化性樹脂が、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドのうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項４に記載の電子デバイス。
【請求項６】
前記有機固体層が、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項７】
前記ペロブスカイト型酸化物薄膜が圧電性を示すものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の電子デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機アモルファス層又は有機固体層の上に酸化物薄膜層を介してエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜を用いた電子デバイス、なかでも強誘電体素子、表面弾性波素子、圧電素子、及びこの電子デバイスを備えた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ペロブスカイト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させようとする場合、エピタキシャル成長させようとするペロブスカイト型酸化物との格子整合性を考慮した単結晶基板、または結晶化されたバッファー層を用いるのが一般的である。例えば、ペロブスカイト型酸化物薄膜を用いた表面弾性波素子では、特開２０００−２７８０８４号公報に記載されているように、チタン酸ストロンチウム（以下「ＳｒＴｉＯ３」と表記する。）の（１１０）配向単結晶基板上に高い電気機械結合係数（以下k２と略す）を有するニオブ酸カリウム（以下「ＫＮｂＯ３」と表記する。）薄膜をエピタキシャル成長させ良好な特性を得ている。なお、特開平９−１００１２５号公報に記載されているように、ＫＮｂＯ３をアモルファス基板上に形成し（１１０）配向膜を得ている例もある。
【０００３】
一方、強誘電体メモリ装置やアクチュエータなどの圧電素子についても、特開平８−３３０５４０号公報やＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７０，１３７８−１３８０（１９９７）に記載されているように、特性向上のため、結晶基板上にエピタキシャル成長あるいは配向成長させた薄膜を用いてデバイスの作製が試みられている。
【０００４】
一般的に分極方向は材料によって決まっているため、デバイス特性をコントロールするには分極方向をコントロールしたエピタキシャル膜が望ましい。また、デバイス特性に対する粒界の影響を低減させるためにも、エピタキシャル膜が有利である。更に、強誘電体メモリ素子又はその集合体である強誘電体メモリセルアレイを有する強誘電体メモリ装置においては今後極薄膜化が要求されるが、リーク電流低減や角型性向上のためにもエピタキシャル膜が有利である。単なる配向膜は、これらの点でエピタキシャル膜に劣る。配向膜はエピタキシャル膜より緻密性が悪くまた面内配向も揃っておらず完全に結晶がコントロールされているわけではない。従って近年デバイス作製においてペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル膜が重要視されるようになってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のペロブスカイト型酸化物薄膜のエピタキシャル成長技術には、以下のような問題点がある。
【０００６】
まず、前述したように、ペロブスカイト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させようとする場合、ペロブスカイト型酸化物との格子整合性を考慮した単結晶基板、または結晶化されたバッファー層を用いる必要がある。
単結晶基板としては、通常ＳｒＴｉＯ３などの酸化物セラミックスが用いられるが、一般的に酸化物セラミックス基板は高価であり、種類によっては３インチ以上の大型基板の作製が困難である。一方、特開平８−３３０５４０号公報に記載されているように安価で大口径化に適しているシリコン基板上に結晶化されたバッファー層を介してペロブスカイト酸化物薄膜をエピタキシャル成長している例もあるが、更に、進んで強誘電体メモリ装置や表面弾性波素子などを半導体素子上に集積して大容量化あるいは小型化しようとする場合、通常これらを半導体素子の酸化シリコンアモルファス層間絶縁膜上に形成しなければならないため、アモルファス層上にペロブスカイト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる技術が必要である。
【０００７】
ペロブスカイト型酸化物薄膜をシリコン基板上にエピタキシャル形成させる技術はコスト等の点で非常に有意義であるが、それだけでは半導体素子との集積化をなしえない。また、アクチュエータなどの圧電素子を作製する場合にも、ペロブスカイト型酸化物薄膜を酸化シリコンの熱酸化膜上に形成する必要があり、やはりシリコン基板上にペロブスカイト型酸化物薄膜を形成する技術だけでは無理がある。アモルファスの酸化シリコン膜上に白金などの結晶化膜を形成し、その上にペロブスカイト型酸化物薄膜を形成する例もあるが、この場合配向膜は得られてもエピタキシャル膜は得られない。
前述したように、デバイス特性に対しては、配向膜よりエピタキシャル膜のほうが有利である。従って、アモルファス層上にペロブスカイト型酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることができれば、半導体素子との集積化が可能となりデバイスを高性能化できるばかりでなく、基板が結晶であると否とに関わらず、すなわち任意の基板上へのペロブスカイト型酸化物薄膜のエピタキシャル成長が可能となり、応用範囲が飛躍的に広がる。基板としてはペロブスカイト型酸化物薄膜が形成できる温度まで熱的に耐えられるものであれば何でも良いということになる。
【０００８】
なお、特開平９−１００１２５号公報に記載されているように、ＫＮｂＯ３をアモルファス基板上に形成している例もあるが、やはり配向膜でありエピタキシャル膜を得るのは難しい。しかも所望の配向方向に成長させることは困難である。
【０００９】
本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決することであり、無機アモルファス層又は有機固体層の上にペロブスカイト型酸化物薄膜を所望の方向にエピタキシャル成長させた電子デバイスを提供することであり、更には、この電子デバイスを備えた電子機器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、有機固体層と、該有機固体層の上に形成した酸化物薄膜層と、更に該酸化物薄膜層上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜とを含むことを特徴とする電子デバイスである。
上記構成によれば、有機固体層を有する任意の基板を用いてその層の上にペロブスカイト型酸化物薄膜を所望の方向にエピタキシャル成長させた電子デバイスを提供することができる。更にはＩＣと集積化させて高性能な電子デバイスを提供することができる。更には、これらのいずれかの電子デバイスを備えた電子機器を提供することができる。
【００１１】
前記無機アモルファス層の例としては、酸化シリコン（以下「ＳｉＯ２」と表記する。）、窒化アルミニウム（以下「ＡｌＮ」と表記する。）、ガラス、アモルファスシリコン等の層がある。
その内でもＳｉＯ２からなることが好ましい。本発明の電子デバイスは多くの場合、シリコン基板上に形成されることが多く、その場合該シリコン基板上にはＳｉＯ２を形成しやすく、或いはこれが形成されていることが多いからである。
【００１２】
前記有機固体層としては、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド等の熱硬化性樹脂、ポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート）、ポリアミド、硬質ポリ塩化ビニル、ポリスチレン等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。
【００１３】
前記酸化物薄膜層は酸化ストロンチウム（以下「ＳｒＯ」と表記する。）、酸化マグネシウム（以下「ＭｇＯ」と表記する。）、酸化セリウム（以下「ＣｅＯ２」と表記する。）、酸化ジルコニウム（以下「ＺｒＯ２」と表記する。）、イットリウム安定化酸化ジルコニウム（以下「ＹＳＺ」と表記する。）、酸化バリウム（以下「ＢａＯ」と表記する。）、及び酸化カルシウム（以下「ＣａＯ」と表記する。）のうち少なくとも一つからなることが好ましい。これら酸化物はその上に良質なペロブスカイト型酸化物薄膜を形成することができる。
前記ペロブスカイト型酸化物薄膜は、ＫＮｂＯ３、チタン酸バリウム（以下「ＢａＴｉＯ３」と表記する。）、ＰＺＴ、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ルテニウム酸ストロンチウム（以下「ＳｒＲｕＯ３」と表記する。）、ＳｒＴｉＯ３、等がある。これらは、それ自体が圧電性、強誘電性、導電性を持ち、更にその薄膜上に圧電性、強誘電性、導電性等の機能を持った層を形成する中間層としての性質等を示すものであることが好ましい。例えば、ＳｒＴｉＯ３は、その上に圧電性、強誘電性、導電性等の機能を持った層を形成する中間層としての性質を有する。
特に、本発明は、前記ペロブスカイト型酸化物薄膜が圧電性示すものであることを特徴とする電子デバイスを提供する。
尚、本発明において、電子デバイスは、圧電素子、表面弾性波素子、表面弾性波発振器、強誘電体メモリ素子、強誘電体メモリセルアレイを有する強誘電体メモリ装置等を包含する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に示す実施形態１〜４は、本発明の電子デバイスの例であり、実施形態５は本発明の電子機器の例である。
〔実施形態１〕
図１は本発明の実施形態１における表面弾性波素子１０の断面構造を示す図である。この素子は、基板１と、基板１の上に形成された無機アモルファス層２と、無機アモルファス層２の上に形成された酸化物薄膜層３と、酸化物薄膜層３の上にエピタキシャル成長により形成されたペロブスカイト型酸化物層４と、ペロブスカイト型酸化物層４の上にエピタキシャル成長により形成されたペロブスカイト型酸化物層から成る圧電薄膜５と、圧電薄膜５の上に形成された保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜６と、保護層としての薄膜６の上に形成された電極７とで構成される。
【００１５】
基板１は、シリコン単結晶、シリコン単結晶とその上に形成されたダイヤモンド多結晶薄膜からなるもの等から構成され得る。
無機アモルファス層２は、ＳｉＯ２、ＡｌＮ等から構成され得る。これら無機アモルファス層の厚さは、５〜５０nmが好ましい。基板の高い音速を利用するためである。これら無機アモルファス層は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法でＳｉＯ２を形成する場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ），基板温度を室温（２０℃）〜３００℃とする。ＡｌＮを形成する場合は、Ｎ２を利用する。
【００１６】
酸化物薄膜層３は、ＳｒＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、ＢａＯ、ＣａＯ等から形成され得る。これら酸化物薄膜層の厚さは、１〜５０nmが好ましい。１nmより小さいと、その上に良好なエピタキシャル成長をさせることが困難となるからである。一方、この上に形成されるペロブスカイト型酸化物層４がエピタキシャル成長すればよいので、５０nmを超えて厚くする必要はない。更に好ましくは１〜５nmである。
これら酸化物薄膜層は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、ＳｒＯをレーザーアブレーション法で形成する場合、酸素分圧１．３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ），基板温度２００℃でイオンビームでアシストしながら成膜することができる。
酸化物薄膜層４は、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３等から形成され得る。これら酸化物薄膜層の厚さは、１nm以上が好ましい。１nmより小さいと、その上に良好なエピタキシャル成長をさせることが困難となるからである。
このペロブスカイト型酸化物薄膜は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、この薄膜は、レーザーアブレーション法の場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度５００〜６５０℃で形成することができる。
【００１７】
ペロブスカイト型酸化物層から成る圧電薄膜５は、ＫＮｂＯ３、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ３、等から構成され得る。これらペロブスカイト型酸化物層から成る圧電薄膜の厚さは、１μｍ以上が好ましい。高い電気機械結合係数を引き出すことができるからである。
これらペロブスカイト型酸化物層から成る圧電薄膜は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、スパッタ法、ゾルゲル法等の方法で形成することができる。例えば、ＫＮｂＯ３ 薄膜をレーザーアブレーション法で形成する場合、基板温度５００〜６５０℃、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）とするのがよい。
【００１８】
保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜６は、ＳｉＯ２、ＡｌＮ等から構成され得る。これら保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法でＳｉＯ２を形成する場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度を室温（２０℃）〜３００℃とする。ＡｌＮを形成する場合は、Ｎ２を利用する。
【００１９】
電極７は、アルミニウム、銅、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金等から構成され得る。これら電極は、スパッタ法、蒸着法等の方法で形成することができる。
【００２０】
〔実施形態２〕
図２は本実施形態２における強誘電体メモリ装置２０００を模式的に示す平面図である。また、図３は図２のＡ−Ａに沿った一部分を模式的に示す断面図である。
これら図において、１００はマトリックス状のメモリセルアレイ、２００はメモリセルを選択するＭＯＳトランジスタを含む周辺回路である。周辺回路２００の最上部は保護層を兼ねた層間絶縁膜のアモルファス層２０１である。２１は酸化物薄膜層、２２は酸化物薄膜層２１の上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜である第１信号電極、３１は第１信号電極２２の上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜である強誘電体薄膜、２３は強誘電体薄膜３１の上に形成された第２信号電極、３２は強誘電体薄膜３１及び第２信号電極２３の上に形成された保護層である。
【００２１】
前記周辺回路２００は、本質的に単結晶シリコン基板、及びその上に形成されるＩＣ等から構成される。
アモルファス層２０１は、ＳｉＯ２から構成され得る。
このアモルファス層２０１は、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法でＳｉＯ２を形成する場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度を室温（２０℃）〜３００℃とする。ＡｌＮを形成する場合は、Ｎ２を利用する。
【００２２】
酸化物薄膜層２１は、ＳｒＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、ＢａＯ、ＣａＯ等から形成され得る。これら酸化物薄膜層の厚さは、１〜５０nmが好ましい。この上にペロブスカイト型酸化物層２２を良好にエピタキシャル成長させるためには１nm以上であることが望ましい。一方、この層の上に形成されるペロブスカイト型酸化物層２２がエピタキシャル成長すればよいの  で、５０nmを超えて厚くする必要はない。更に好ましくは、１〜５nmである。
これら酸化物薄膜層は、レーザーアブレーション法、等の方法で形成することができる。例えば、ＳｒＯを形成する場合、酸素分圧１．３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ），基板温度２００℃でイオンビームでアシストしながら成膜することができる。
【００２３】
ペロブスカイト型酸化物薄膜である第１信号電極２２は、ＳｒＲｕＯ３等から構成され得る。これらペロブスカイト型酸化物薄膜２２の厚さは、電極として機能すればよいので、約１００nm程度でよい。
これらペロブスカイト型酸化物層から成る酸化物電極層２２は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法を用いた場合、基板温度５００〜６５０℃、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）で、これらペロブスカイト型酸化物層を作製することができる。
【００２４】
ペロブスカイト型酸化物薄膜である強誘電体薄膜３１は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２等から構成され得る。これらペロブスカイト型酸化物薄膜３１の厚さは、１０〜２００nmが好ましい。
これらペロブスカイト型酸化物層から成る強誘電体薄膜は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、ＢａＴｉＯ３の場合、レーザーアブレーション法では基板温度５００〜６５０℃、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）でこれを形成することができる。
【００２５】
電極２３は、ＳｒＲｕＯ３、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｃｕ等から構成され得る。
これら電極は、レーザーアブレーション法、スパッタ法、蒸着法等の方法で形成することができる。
【００２６】
強誘電体薄膜３１及び第２信号電極２３の上に形成された保護層３２は、ＳｉＯ２から構成され得る。
これら保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等の方法で形成することができる。
【００２７】
〔実施形態３〕
図４は本実施形態３の表面弾性波（以下「ＳＡＷ」と表記する。）発振器３０００を模式的に示す断面図である。このＳＡＷ発振器は、ＭＯＳトランジスタを含む発振回路３００とＳＡＷ共振子３０１からなる。発振回路３００の最上層部は保護層を兼ねた層間絶縁膜の無機アモルファス層３０３である。３１０は、この無機アモルファス層３０３の上に形成された酸化物薄膜層、３１１は酸化物薄膜層３１０の上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜、３１２はペロブスカイト型酸化物薄膜３１１の上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物圧電薄膜、３１３は圧電薄膜３１２の上に形成した保護層である薄膜、３１４は保護層３１３の上に形成された電極である。
【００２８】
前記発振回路３００は、本質的に単結晶シリコン基板、及びその上に形成されたＩＣ等から構成される。
アモルファス層３０３は、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、等から構成され得る。
これらアモルファス層３０３は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法でＳｉＯ２を形成する場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度を室温（２０℃）〜３００℃とする。ＡｌＮを形成する場合は、Ｎ２を利用する。
【００２９】
酸化物薄膜層３１０は、ＳｒＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、ＢａＯ、ＣａＯ等から形成され得る。
これら酸化物薄膜層は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、ＳｒＯをレーザーアブレーション法で形成する場合、酸素分圧１．３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ），基板温度２００℃でイオンビームでアシストしながら成膜することができる。
【００３０】
ペロブスカイト型酸化物薄膜３１１は、ＳｒＴｉＯ３等から構成され得る。このペロブスカイト型酸化物薄膜３１１は、その上にペロブスカイト型酸化物圧電薄膜をエピタキシャル成長させるために必要なものである。このペロブスカイト型酸化物薄膜３１１の厚さは、厚い方が好ましい。電磁波の漏洩防止と、音速を速くするためである。
このペロブスカイト型酸化物薄膜は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、この薄膜は、レーザーアブレーション法の場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度５００〜６５０℃で形成することができる。
【００３１】
ペロブスカイト型酸化物圧電薄膜３１２は、ＫＮｂＯ３ 、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ３等から構成され得る。これらペロブスカイト型酸化物圧電薄膜３１２の厚さは、１μｍ以上が好ましい。高い電気機械結合係数を引き出すためである。
これらペロブスカイト型酸化物圧電薄膜３１２は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、スパッタ法、ゾルゲル法等の方法で形成することができる。例えば、これらの薄膜は、レーザーアブレーション法の場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度５００〜６５０℃で形成することができる。
【００３２】
薄膜圧電薄膜３１２の上に形成された保護層３１３は、ＳｉＯ２、ＡｌＮ等から構成され得る。
これら保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法でＳｉＯ２を形成する場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度を室温（２０℃）〜３００℃とする。ＡｌＮを形成する場合は、Ｎ２を利用する。
【００３３】
電極３１４は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金、ＳｒＲｕＯ３等から構成されるＩＤＴ電極である。
これら電極は、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。
【００３４】
〔実施形態４〕
図５は本実施形態４の圧電素子を模式的に示す断面図である。この図において、４０１は基板、４０２は基板４０１の上に形成されたアモルファス層、４０３はアモルファス層４０２の上に形成された酸化物層、４０４は酸化物層４０３の上にエピタキシャル成長させた下部電極としてのペロブスカイト酸化物層、４０５は下部電極４０４の上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物圧電薄膜層、４０６は圧電薄膜層４０５の上に形成された上部電極である。
【００３５】
前記基板４０１は、シリコン単結晶から構成される。
アモルファス層４０２は、ＳｉＯ２等から構成され得る。
これらアモルファス層４０２は、熱酸化法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。
【００３６】
酸化物薄膜層４０３は、ＳｒＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、ＢａＯ、ＣａＯ等から形成され得る。
これら酸化物薄膜層は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、ＳｒＯを形成する場合、レーザーアブレーション法では、酸素分圧１．３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ），基板温度２００℃でイオンビームをアシストしながら成膜することができる。
【００３７】
下部電極としてのペロブスカイト型酸化物薄膜４０４は、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ等の不純物を含有させて導体化したＳｒＴｉＯ３等から構成され得る。
これら下部電極としてのペロブスカイト型酸化物薄膜は、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。例えば、これらの薄膜は、レーザーアブレーション法の場合、酸素分圧１．３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）、基板温度５００〜６５０℃で形成することができる。
【００３８】
ペロブスカイト型酸化物圧電薄膜４０５は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２等から構成され得る。
これらペロブスカイト型酸化物圧電薄膜４０５は、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、スパッタ法、ゾルゲル法等の方法で形成することができる。
【００３９】
上部電極４０６は、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ又はＳｒＲｕＯ３等のペロブスカイト型酸化物等から構成され得る。
これら電極は、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法等の方法で形成することができる。
【００４０】
〔実施形態５〕
次に、上記実施の形態２の強誘電体メモリ装置を備えた電子機器の例について説明する。
図６（ａ）は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図６（ａ）において、符号１０００は携帯電話本体を示し、その内部には上記強誘電体メモリ装置を用いたメモリ部１００１が設けられている。
【００４１】
図６（ｂ）は、腕時計型電子機器の一例を示した斜視図である。図６（ｂ）において、符号１１００は時計本体を示し、その内部には上記強誘電体メモリ装置を用いたメモリ部１１０１が設けられている。
【００４２】
図６（ｃ）は、ワープロ、パソコンなどの携帯型情報処理装置の一例を示した斜視図である。図６（ｃ）において、符号１２００は情報処理装置、符号１２０２はキーボードなどの入力部、符号１２０４は情報処理装置本体を示し、その内部には上記強誘電体メモリ装置を用いたメモリ部１２０６が設けられている。
【００４３】
また、他の電子機器の例としては、図示していないものの、例えばカードに上記強誘電体メモリ装置を用いたメモリ部が設けられた、いわゆるＩＣカードにも適用可能である。
【００４４】
図６（ａ）〜（ｃ）に示す（ＩＣカードを含む）電子機器は、上記実施の形態で示した強誘電体メモリ装置を備えているので、信頼性の高い、小型の電子機器を実現することができる。
【００４５】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４６】
例えば、上記の強誘電体メモリ装置は、一個のＭＯＳトランジスタと一個のキャパシタで構成される、いわゆる１Ｔ１Ｃ型メモリセルや、二個のＭＯＳトランジスタと二個のキャパシタで構成される、いわゆる２Ｔ２Ｃ型メモリセルにも適用可能である。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に従って詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における表面弾性波素子１０の断面構造を示す図である。この素子１０は、基板１とアモルファス層２と酸化物薄膜層３、４と圧電薄膜５と保護層としての酸化物または窒化物からなる薄膜６と電極７で構成される。
【００４８】
上記構成からなる本発明の表面弾性波素子の作製プロセスを具体的に示す。基板１としてはシリコン基板上に２０μｍの厚さのダイヤモンド多結晶薄膜を形成したものを用いる。まず、該基板１上にレーザーアブレーション法を用いてＳｉＯ２アモルファス層２を形成する。次にアモルファス層２上に酸化物薄膜層３としてここではＣｅＯ２薄膜をイオンビームアシストを用い、同様にレーザーアブレーション法を用いて形成する。０．０１３Ｐａ（１０−４Ｔｏｒｒ）の酸素プラズマ中で基板温度５００℃で成膜したところ、（１００）配向のＣｅＯ２薄膜が形成された。Ｘ線回折の極点図によりＣｅＯ２薄膜の面内配向を調べたところ、面内も配向していることが確認された。すなわち、ＳｉＯ２アモルファス層２上に（１００）配向のＣｅＯ２薄膜がエピタキシャル成長していることが確認された。
更に、ＣｅＯ２酸化物薄膜層３上に酸化物薄膜層４であるＳｒＴｉＯ３薄膜を同じくレーザーアブレーション法を用いて形成した。なお、レーザーアブレーション装置は複数のターゲットを装着することが可能であり、同一チャンバー中で連続的に、いくつかの異なる材料を成膜することが可能である。０．０１３Ｐａ（１０−４Ｔｏｒｒ）の酸素プラズマ中、基板温度６００℃で成膜したところ、（１００）配向のＣｅＯ２薄膜上に（１１０）配向のペロブスカイト型酸化物ＳｒＴｉＯ３薄膜がエピタキシャル成長することが確認された。この配向関係は螢石型構造のＣｅＯ２とペロブスカイト構造のＳｒＴｉＯ３との結晶格子及び格子定数の関係によるものと考えられる。
【００４９】
次にＫＮｂＯ３圧電薄膜５をやはりレーザーアブレーション法を用いて同一チャンバー中で連続的に形成した。このとき、Ｋが蒸発しやすいので、ターゲット組成はＫリッチにするとよい。０．０１３Ｐａ（１０−４Ｔｏｒｒ）の酸素プラズマ中、基板温度６００℃で成膜したところ、（１１０）配向のＳｒＴｉＯ３エピタキシャル薄膜上に（０１０）配向のＫＮｂＯ３薄膜５がエピタキシャル成長していることが確認された。ＳｒＴｉＯ３とＫＮｂＯ３は同じペロブスカイト構造であるが、この配向関係は格子定数の関係によるものであり、特開平１０−６５４８８号公報に記載されているものと同じであった。
【００５０】
以上のように、シリコン基板上に２０μｍの厚さのダイヤモンド多結晶薄膜を形成した基板１上にＳｉＯ２アモルファス層２を形成することにより酸化物薄膜層３のＣｅＯ２薄膜と酸化物薄膜層４のＳｒＴｉＯ３薄膜をそれぞれ（１００）配向、（１１０）配向にエピタキシャル成長させることができ、更に、ＳｒＴｉＯ３薄膜を（１１０）配向させることによりその上に形成するＫＮｂＯ３薄膜を（０１０）配向にエピタキシャル成長させることができた。ＫＮｂＯ３の＜０１０＞方向は分極軸方向である。
なお、前記基板１上にＳｉＯ２アモルファス層２を介さずに直接ＣｅＯ２薄膜から形成しようとすると格子ミスマッチのためＣｅＯ２薄膜、ＳｒＴｉＯ３薄膜、ＫＮｂＯ３薄膜ともすべて多結晶薄膜になってしまい、後述するように所望の特性が得られなかった。また、前記基板１上に直接ＫＮｂＯ３薄膜を形成した場合にも格子ミスマッチのためＫＮｂＯ３薄膜は多結晶になってしまい、後述するように所望の特性が得られなかった。
【００５１】
従って、上記構成によりはじめて高品質なＫＮｂＯ３圧電薄膜５をエピタキシャル成長させることができた。
なお、ここでは、アモルファス層として酸化シリコンを用いたが、ＡｌＮを用いても同様な効果が得られる。
酸化物薄膜層３としてＣｅＯ２薄膜を用いたが、ＺｒＯ２薄膜、またはＹＳＺ薄膜を用いても同様な効果が得られる。
また、酸化物薄膜層３にＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯあるいはＭｇＯを用いれば、ＳｒＯやＭｇＯ等は（１００）配向、その上の酸化物薄膜層４（ＳｒＴｉＯ３薄膜）も（１００）配向、その上の圧電薄膜５（ＫＮｂＯ３薄膜）は（００１）配向の各エピタキシャル薄膜が得られ、上記構成とは違った配向を得ることも可能である。
【００５２】
次に、ＫＮｂＯ３薄膜５上に同じくレーザーアブレーション法を用いて保護層の酸化物または窒化物からなる薄膜６としてＳｉＯ２アモルファス薄膜を、同一チャンバー中で連続的に形成する。ＫＮｂＯ３のＫが水分と反応しやすく経時変化を起こすため、保護層６が必要である。また、ＳｉＯ２は温度係数の符号がＫＮｂＯ３と逆のため温度特性をコントロールする役割も果たす。ＳｉＯ２と同様な役割を果たす材料としてＡｌＮがあり、従ってＡｌＮ薄膜を保護層として用いても良い。
【００５３】
最後に、ＳｉＯ２上にアルミニウム薄膜を形成し、パターニングしてＩＤＴ電極７を形成して図１に示すような表面弾性波素子が作製される。
【００５４】
さて、ここで基板１としてシリコン基板上にダイヤモンド多結晶薄膜を形成したものを用いたのは、ダイヤモンドが既存の材料の中で一番音速が速い材料であり、今後要求される表面弾性波素子のＧＨｚ帯への高周波化に最も適しているためである。一方、圧電薄膜５としてＫＮｂＯ３を用いたのは、電気機械結合係数ｋ２が５０％以上と非常に高い値を示し高性能化が期待されるためである。
【００５５】
作製した表面弾性波（以下ＳＡＷ）素子の特性を評価したところ、１０％以上のｋ２が再現性よく得られた。ただし、ｋ２の値はＫＮｂＯ３薄膜５の品質及び膜厚に依存するため、酸化物薄膜層３、４を含め高品質な膜を得る成膜技術と膜厚の適正が必要である。一方、音速に関しては、基板の影響を受け、１００００ｍ／ｓを超える音速の速いセザワ波の励起も確認された。すなわち、ＧＨｚ帯の高周波化が通常のフォトリソグラフィプロセスで可能になる。
【００５６】
なお、比較として基板１上にＳｉＯ２アモルファス層２を介さずに直接ＣｅＯ２薄膜から形成したもの、あるいは基板１上に直接ＫＮｂＯ３薄膜を形成したものは、どちらもｋ２の値は１％前後であり、エピタキシャル成長させたものと比較するとかなり劣っていた。
【００５７】
また、実施例１では基板１としてシリコン基板上にダイヤモンド多結晶薄膜を形成したものを用いたが、酸化物層３、４、圧電薄膜５をエピタキシャル成長できる基板温度まで耐えられるものであり、また所望の音速に合うものであれば、この基板はどんな材料であっても良い。また圧電薄膜５としてＫＮｂＯ３を用いたが、これに限るものではない。また、各薄膜の材料、作製方法及び作製条件もこれに限るものではない。
【００５８】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２における強誘電体メモリ装置（本発明の電子デバイスの一種である。）を模式的に示す平面図である。また、図３は図２のＡ−Ａに沿った一部分を模式的に示す断面図である。
【００５９】
本発明の強誘電体メモリ装置は、集積度に優れたマトリックス状のメモリセルアレイ１００を有するものであって、メモリセルを選択するＭＯＳトランジスタを含む周辺回路２００上にメモリセルアレイ１００を形成した構造であった。周辺回路２００は、メモリセルに対して選択的に情報の書き込みもしくは読み出しを行なうための各種回路を含んでいた。図３に示すように、メモリセルアレイ１００は周辺回路２００上に接して形成された。ここで周辺回路２００の最上層部は保護層を兼ねた層間絶縁膜のＳｉＯ２アモルファス層であった。従って、メモリセルアレイ１００をＳｉＯ２アモルファス層上に形成しなければならないが、メモリセルアレイを用いた強誘電体メモリ装置ではＰ−Ｖ特性において優れた角型性が要求されるため、強誘電体薄膜３１をエピタキシャル成長させる必要がある。なお、図２において第１信号電極２２と第２信号電極２３の間には強誘電体薄膜３１が配置されている。
【００６０】
図３を用いて具体的なメモリセルアレイ１００の製造プロセスを示す。最上層部がＳｉＯ２アモルファス層で終端されている周辺回路２００の上に、まず酸化物薄膜層２１としてＳｒＯ薄膜をイオンビームアシストを用いたレーザーアブレーション法を用いて形成した。このとき、ＳｒＯはＸ線回折より、（１００）配向のエピタキシャル薄膜であることが確認された。次に第１信号電極２２として導電性を有するペロブスカイト型酸化物のＳｒＲｕＯ３薄膜を同様にレーザーアブレーション法を用いて形成した。やはり、ＳｒＲｕＯ３も擬立方晶（１００）配向のエピタキシャル薄膜であることが確認された。
次にこれを図２に示すように所定の形状にパターニングし、続いて強誘電体薄膜３１としてＢａＴｉＯ３を同様にレーザーアブレーション法を用いて形成する。ここでＳｒＲｕＯ３上のＢａＴｉＯ３は（００１）配向のエピタキシャル薄膜であることが確認された。続いて第２信号電極２３として、第１信号電極２２と同様ＳｒＲｕＯ３を形成し、更に、これを所定の形状にパターニングした。最後に第２信号電極２３が形成された強誘電体薄膜３１上に、例えば、ＳｉＯ２  やＡｌＮ等の絶縁膜からなる保護層３２を形成した。
【００６１】
メモリセルを用いた強誘電体メモリ装置としては、メモリセルアレイと周辺回路を平面的に分離して配置する構造もあるが、本構造の方が大容量の集積化に優れている。
【００６２】
ここでメモリセルにおける書き込み、読み出し動作の一例について述べる。まず、読み出し動作においては、選択セルに読み出し電圧Ｖ０が印加される。これは同時に‘０’の書き込み動作を兼ねている。このとき、選択されたビット線を流れる電流またはビット線をハイインピーダンスにしたときの電位をセンスアンプにて読み出す。このとき、非選択セルには、読み出し時のクロストークを防ぐため所定の電圧が印加される。書き込み動作においては、‘１’の書き込みの場合は、選択セルに電圧―Ｖ０が印加される。‘０’の書き込みの場合は、選択セルの分極を反転させない電圧が印加され、読み出し動作時に書き込まれた‘０’状態を保持する。このとき、非選択セルのキャパシタには、書き込み時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。
【００６３】
なお、ここで用いた材料、成膜方法、作製プロセスなどはこれに限るものではない。ここでは、アモルファス層として酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）を用いたが、ＡｌＮ、ガラスを用いても同様な効果が得られる。
酸化物薄膜層３としてＳｒＯ薄膜を用いたが、ＣｅＯ２薄膜、ＺｒＯ２薄膜、ＭｇＯ薄膜、ＣａＯ薄膜、ＢａＯ薄膜、又はＹＳＺ薄膜を用いても同様な効果が得られる。
【００６４】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３におけるＳＡＷ発振器を模式的に示す断面図である。このＳＡＷ発振器は、ＭＯＳトランジスタを含む発振回路３００とＳＡＷ共振子３０１からなる。３１０は酸化物薄膜層、３１１はペロブスカイト型酸化物、３１２は圧電薄膜、３１３は保護層である薄膜、３１４は電極である。発振回路３００の最上層部は保護層を兼ねた層間絶縁膜のＳｉＯ２アモルファス層３０３である。従って、ＳＡＷ共振子３０１をＳｉＯ２アモルファス層３０３上に形成しなければならないが、良好な特性を有するＳＡＷ共振子３０１を得るためには圧電薄膜３１２をエピタキシャル成長させる必要がある。
【００６５】
図４を用いてＳＡＷ共振子３０１の製造プロセスを示すが、実施例１に示したものと同様である。最上層部がＳｉＯ２アモルファス層３０３で終端されている発振回路３００上にまず酸化物層３１０としてＳｒＯ薄膜を形成した。実施例１に示したように、このときＳｒＯは（１００）配向のエピタキシャル薄膜であった。更に、ＳｒＯ酸化物薄膜層３１０上に酸化物薄膜層３１１であるＳｒＴｉＯ３薄膜を形成した。（１００）配向のＳｒＯ薄膜上には（１００）配向のＳｒＴｉＯ３薄膜がエピタキシャル成長した。次にＫＮｂＯ３圧電薄膜３１２を形成した。（１００）配向のＳｒＴｉＯ３エピタキシャル薄膜上には（００１）配向のＫＮｂＯ３薄膜３１２がエピタキシャル成長した。ＫＮｂＯ３薄膜３１２上に保護層の酸化物または窒化物からなる薄膜３１３を形成した。最後に、保護層３１３上にアルミニウム薄膜を形成し、パターニングして電極３１４を形成して図４に示すようなＳＡＷ発振器を作製した。
【００６６】
作製したＳＡＷ共振子３０１の特性を評価したところ、１０％以上のｋ２が再現性よく得られた。ただし、ｋ２の値はＫＮｂＯ３薄膜３１２の品質及び膜厚に依存するため、酸化物薄膜層３１０、３１１を含め高品質な膜を得る成膜技術と膜厚の適正が必要である。
【００６７】
通常ＳＡＷ発振器はＳＡＷ共振子と発振回路がパッケージ内で別々に配置され平面的に分離された構造になっているが、本発明の構造によれば従来に比べ超小型で高性能なＳＡＷ発振器が得られる。
【００６８】
なお、ここでは圧電薄膜３１２としてＫＮｂＯ３を用いたが、これに限られない。
【００６９】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４である圧電素子を模式的に示す断面図である。この図において、４０１はシリコン単結晶基板、４０２はＳｉＯ２  アモルファス層、４０３は酸化物層、４０４は下部電極としてのペロブスカイト酸化物層、４０５はペロブスカイト型酸化物圧電薄膜層、４０６は上部電極である。図５を用いて具体的な作製プロセスを示す。
【００７０】
まず、Ｓｉ（１１０）単結晶基板４０１の表面に熱酸化でＳｉＯ２アモルファス層４０２を形成する。次にＳｒＯ酸化物層４０３を形成し、続いて下部電極４０４としてペロブスカイト型酸化物のＳｒＲｕＯ３薄膜を形成する。更に、その上に圧電薄膜４０５としてＢａＴｉＯ３を、上部電極４０６としてＳｒＲｕＯ３薄膜を連続的に形成する。そしてＳｉ（１１０）単結晶基板４０１の裏側をエッチングしキャビティを形成する。このとき、ＳｉＯ２アモルファス層４０２はエッチングストッパーの役割を果たす。以上により図５に示すような圧電素子が形成されるが、上記ＳｒＯ、下部電極ＳｒＲｕＯ３、圧電薄膜ＢａＴｉＯ３、上部電極ＳｒＲｕＯ３はそれぞれエピタキシャル薄膜であり、配向方向はそれぞれ（１００）、擬立方晶（１００）、（００１）、擬立方晶（１００）であった。
【００７１】
本素子の性能指数を評価したところ、多結晶ＢａＴｉＯ３圧電薄膜を用いた場合より、性能指数（圧電定数×ヤング率）が５０％向上した。
【００７２】
なお、下部電極、圧電薄膜、上部電極の材料は上記のものに限られない。また酸化物層４０３はＭｇＯ、ＣａＯ又はＢａＯでもよく、またＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＹＳＺをもちいれば圧電薄膜４０５の配向方向を変えることもでき、特性をコントロールすることができる。
また、ＳｉＯ２アモルファス層４０２に代えて、有機固体層を用いることができる。例えば、メラミン樹脂層やポリイミド前駆体液を基板に塗布硬化させたり、ナイロン６６やポリエチレンテレフタレートフィルムを熱接着したりして有機固体層を形成することができる。その上の酸化物層４０３、その上のペロブスカイト酸化物薄膜層４０４、その上のＢａＴｉＯ３薄膜４０５、上部電極４０６は、いずれも、イオンビームでアシストしながら基板温度２００〜３５０℃で、レーザーアブレーション法により形成又は成長させるとよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、任意の無機アモルファス層又は有機固体層と、該無機アモルファス層又は有機固体層の上に形成した酸化物薄膜層と、更に、該酸化物薄膜層上にエピタキシャル成長させたペロブスカイト型酸化物薄膜を含むことにより、無機アモルファス層又は有機固体層を含む任意の基板を用いて、これら無機アモルファス層又は有機固体層の上にペロブスカイト型酸化物薄膜を所望の方向にエピタキシャル成長させた電子デバイスを提供することができる。更には、本発明によれば、この電子デバイスをＩＣと集積化させて高性能な電子デバイス、例えばＳＡＷ素子、強誘電体メモリ装置、圧電素子などを提供することができる。更には、本発明によれば、上記いずれかの電子デバイスを備えた高性能の電子機器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における表面弾性波素子の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例２における強誘電体メモリ装置を模式的に示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａに沿った一部分を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例３におけるＳＡＷ発振器を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施例４における圧電素子を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明電子デバイスを備えた強誘電体メモリ装置を備えた電子機器の一例を示す図であり、（ａ）は携帯電話、（ｂ）は腕時計型電子機器、（ｃ）は携帯情報処理装置のそれぞれ斜視図である。
【符号の説明】
１  基板
２、２０１、３０３、４０２  無機アモルファス層
３、４、２１  酸化物薄膜層
５  圧電薄膜
６、３２  保護層
７  電極
２２  第１信号電極
２３  第２信号電極
３１  強誘電体薄膜
１００  メモリセルアレイ
２００  周辺回路
３００  発振回路
３０１  表面弾性波（ＳＡＷ）共振子
３１０、３１１、４０３  酸化物層
３１２、４０５  圧電薄膜
３１３  保護層
４０１  基板
４０４  下部電極
４０６  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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