Multi strong film, a manufacturing method of the structure, and the film and the structure containing same |
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申请号 | JP2009504105 | 申请日 | 2007-02-16 | 公开(公告)号 | JP2009532324A | 公开(公告)日 | 2009-09-10 |
申请人 | ソウル ナショナル ユニバーシティ アールアンドディビー ファウンデーション; | 发明人 | ジョンヒョク イ; テウォン ノ; ジョンゴル ユン; | ||||
摘要 | 本発明は、下記一般式(1)で表される物質をバルク状態における第1の結晶構造と異なる第2の結晶構造を有する膜で製造し、 RMnO 3 (R=ランタン系列の元素) ・・・(1) 既存の多強体物質より向上された多強体的な特性を獲得することにより、多強体特性が要求される多様な分野においてより効果的に用いられ得る。 |
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权利要求 | バルク状態における斜方晶系の結晶構造と異なる六方晶系の結晶構造を有するものであって、下記一般式(1)で表される物質を含む多強体膜: RMnO 3・・・(1) (式中、Rは、ランタン系列の元素を示す)。 上記RがLa、Pr、Nd、Sm又はEuである場合、上記物質は、上記バルク状態における斜方晶系の結晶構造においては多強体の特性を有しないが、上記六方晶系の結晶構造においては多強体の特性を有することを特徴とする請求項1に記載の多強体膜。 上記RがGd、Tb又はDyである場合、上記物質は、斜方晶系の結晶構造より六方晶系の結晶構造において、さらに高い強誘電体相転移温度を有することを特徴とする請求項1に記載の多強体膜。 上記RがGd、Tb又はDyである場合、上記物質は、斜方晶系の結晶構造より六方晶系の結晶構造において、さらに高い強誘電体誘電分極値を有することを特徴とする請求項1に記載の多強体膜。 上記物質は、反強誘電体の性質を示すことを特徴とする請求項1に記載の多強体膜。 バルク状態における物質の表面構造である四角形の表面構造と異なる六角形の表面構造を有する基板を用いて、請求項1乃至5のいずれか一項の多強体膜を製造する方法。 上記基板は、サファイア基板又はYSZ(yttria−stabilized zirconia)基板であることを特徴とする請求項6に記載の方法。 バルク状態における物質の表面構造である四角形の表面構造と異なる六角形の表面構造を有する導電膜;及び バルク状態における斜方晶系の結晶構造と異なる六方晶系の結晶構造を有するものであり、下記一般式(1)で表される上記物質を含む上記導電膜上の多強体膜: RMnO 3・・・(1) (式中、Rは、ランタン系列の元素を示す)を含む構造物。 上記導電膜は、Ru、Os、Ir、Pt、Ti、TiN、Au、IrO 2 、SrRuO 3からなる群から選択された少なくとも一つの伝導性物質を含むことを特徴とする請求項8に記載の構造物。 上記伝導性物質は、Ptを含むことを特徴とする請求項9に記載の構造物。 |
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说明书全文 | 本発明は、多強体膜、これを含む構造物及びこれらの製造方法に関し、さらに詳細には、より向上された多強体的な特性を保有する多強体膜、これを含む構造物及びこれらの製造方法に関する。 最近、多強体物質に対する関心が増加している。 多強体物質とは、強誘電性(ferroelectric)、反強誘電性(antiferroelectric)、強磁性(ferromagnetic)、反強磁性(antiferromagnetic)、強弾性(ferroelastic)等のような様々な性質のうち、二つ以上の性質を同時に有する物質を意味する。 例えば、強誘電性と強磁性を同時に示す多強体物質は、強誘電体が有する電気的特性と強磁性体が有する磁気的特性を互いに結合(coupling)させることにより、外部の電気的信号で磁気的な物性を変化させるか、又は、外部の磁気的信号で電気的な物性を変化させることができる。 これに関し、現在、斜方晶系の結晶構造を有するものとして、次のような化学式: 図2は、斜方晶系の結晶構造を有するマンガン酸化物の磁気的特性を説明するための相ダイアグラム(phase diagram)である。 上記図2から確認することができるように、上記化学式で表されるマンガン酸化物のうち、RがGd、Tb、Dyである場合にのみ多強体的な特性が示され、RがNd、Sm、Eu等である場合には多強体の特性が示されない。 一方、RがGd、Tb、Dyであるマンガン酸化物の場合にも、強誘電体の転移温度(T C )が非常に低いだけでなく、強誘電体の残余分極(P R )の値も非常に小さいため、これも実際の素子に応用するには適切ではないという問題点がある。 一方、特定物質の結晶構造を変形させることにより、その物質が有する特性を変えることができる。 これは、物質の化学的組成が同一であるとしても、物質の結晶構造が変化することによって物質内部の電子帯構造(band structure)、電子の軌道構造(orbital)、音子(phonon)等が大きく変化するためである。 2002年、A. A. Bosak等は、YSZの基板を用いてRMnO 3 (R=Sm、Eu、Gd、Dy)膜を成長させ、Cryst. Eng. 5、355(2002)とChem. Mater. 15、2632(2003)に報告した。 特に、これらは、自然界に存在する斜方晶系相(cubic phase)ではなく、六方晶系相(hexagonal phase)で成長させ得ることを示した。 しかしながら、このような六方晶系マンガン酸化物膜の電気的、磁気的特性は、全く糾明することができず、これらが多強体であるか否かさえ全く知られていない。 また、この技術により成長させた六方晶系のマンガン酸化物膜は、下部電極を有し得ず、実質的な素子に広く活用され得るキャパシタ構造に製作することが不可能であった。 よって、本発明者等は、斜方晶系RMnO 3物質の結晶構造を自然界に存在しない六方晶系の結晶構造に変形させることにより、上記物質に多強体的な特性を付与するか、又は、多強体的な特性をより向上させることができるという点に着眼し、本発明を完成した。 従って、本発明の目的は、より向上された多強体特性を示す多強体膜を提供することである。 上述した本発明の目的を達成するための多強体膜は、バルク状態における第1の結晶構造と異なる第2の結晶構造を有するものであって、下記一般式(1)で表される多強体物質を含む。 上述した本発明の他の目的を達成するための多強体膜の製造方法は、バルク状態における物質の表面構造である第1の表面構造と異なる第2の表面構造を有する基板を用いて、バルク状態における第1の結晶構造と異なる第2の結晶構造を有し、下記一般式(1)で表される上記物質を含む多強体膜を形成するステップを含む。 上記方法において、上記RがLa、Pr、Nd、Sm又はEuである場合、上記第1の結晶構造を有する物質は、多強体の特性を有さず、上記第2の結晶構造を有する物質は、多強体の特性を有し得、上記RがGd、Tb又はDyである場合、上記第1の結晶構造を有する物質及び上記第2の結晶構造を有する物質は、いずれも多強体の特性を有し得る。 また、上記基板は、サファイア基板又はYSZ(yttria−stabilized zirconia)基板であってもよい。 上述した本発明のまた別の目的を達成するための構造物は、バルク状態における物質の表面構造である第1の表面構造と異なる第2の表面構造を有する導電膜、及びバルク状態における第1の結晶構造と異なる第2の結晶構造を有するものであって、下記一般式(1)で表される上記物質を含む多強体膜上に下部電極が蒸着されたキャパシタ構造物を含む。 上記導電膜は、伝導性物質を含み得、上記伝導性物質の例としては、Ru、Os、Ir、Pt、Ti、TiN、Au、IrO 2 、SrRuO 3等が挙げられる。 本発明の一実施例によると、上記伝導性物質は、Ptを含む。 以下、添付の図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。 本明細書を通じて、“バルク状態の結晶構造”とは、自然状態において、即ち、如何なる人為的変形も加えていない状態で物質が塊状(塊)を形成したとき、その物質が有する固有の結晶構造を意味するものであって、立方晶系、正方晶系、斜方晶系、単斜晶系、三斜晶系、菱面晶系、六方晶系等のような、可能な全ての結晶構造を有し得る。 一方、上記第2の結晶構造は、上記物質に人為的な操作を加えることにより形成されるものであって、上記バルク状態の結晶構造に関して言及された全ての形態の結晶構造を有し得るが、上記第1の結晶構造とは異なる。 本発明によって、バルク状態の結晶構造と異なる結晶構造を有する物質を含む多強体膜は、バルク状態における結晶構造を有する物質を含む膜に比して、相対的に高い強誘電体相転移温度及び強誘電体残余分極値を示し得る。 例えば、本発明の多強体膜は、40K以上の強誘電体相転移温度を示し得、本発明の一実施例によると、上記多強体膜は、60K以上の強誘電体相転移温度を示す。 また、上記多強体膜は、例えば、1.0μC/cm 2以上の強誘電体残余分極(P R )値を有し得る。 本発明による多強体膜が上記のような範囲の強誘電体相転移温度及び強誘電体残余分極値を有することにより、実際の素子に応用された場合、その活用性が向上され得るのである。 以下、上記のような多強体膜の製造方法について、詳細に説明する。 上記一般式(1)で表される物質がバルク状態の結晶構造である第1の結晶構造を有する場合、上記物質は、多強体的な性質を有することもあり、有しないこともある。 即ち、上記物質がバルク状態の結晶構造、即ち、第1の結晶構造において多強体的な性質を示すか否かとは関係なく、上記物質が第1の結晶構造と異なる第2の結晶構造において多強体的な性質を示すのであれば、これは、全て本発明の範囲に含まれる。 例えば、上記一般式(1)において、RがGd、Tb又はDyである場合、上記物質は、バルク状態における結晶構造においても多強体的な特性を示すのに対し、RがLa、Pr、Nd、Sm又はEuである場合には、多強体的な特性が示されない。 しかしながら、上記物質が第2の結晶構造を取る場合、上記物質は、バルク状態において多強体的な特性を保有したか否かとは関係なく、多強体的な特性を示すようになる。 具体的に、上記一般式(1)において、RがGd、Tb又はDyである場合、上記物質は、第1の結晶構造における多強体的な特性より向上された多強体的な特性を示し、RがLa、Pr、Nd、Sm又はEuである場合には、バルク状態の結晶構造において示されていなかった多強体的な特性が初めて示されるようになる。 本発明による方法において、上記基板は、その表面構造(第2の表面構造)が上記物質のバルク状態における表面構造(第1の表面構造)と異なるものであれば、如何なるものでも用いることができ、使用可能な基板の例としては、YSZ(yittria−stabilized zirconium)基板やサファイア基板等が挙げられる。 この場合、バルク状態における第1の表面構造とは、上記物質がバルク状態における第1の結晶構造を有する場合の表面構造を意味するものである。 また、上記第2の表面構造は、第2の結晶構造を形成させることができる基板の表面構造を意味するものであって、一般的に、上記第2の結晶構造の表面構造は、上記第2の表面構造と同一である。 即ち、物質の結晶構造は、上記物質が積層される基板の表面構造と密接な関連があるものであって、基板の第2の表面構造は、第2の結晶構造によって決定され得るものである。 本発明の一実施例によると、第2の結晶構造として六方晶系を有する膜を形成しようとする場合、第2の表面構造は、好ましくは六角形形態である。 一方、上記物質の結晶構造は、用いられる基板の表面構造に依存するものであり、基板の結晶構造に依存するものではないので、上記基板の結晶構造が上記物質の第2の結晶構造と同一であることまで要求されるものではない。 本発明の方法によって形成された多強体膜は、40K以上の強誘電体転移温度を示し得、例えば、60K以上の強誘電体転移温度を示す。 また、上記多強体膜は、1.0μC/cm 2以上の強誘電体残余分極(P R )値を有し得、60K乃至200Kの温度範囲にわたって反強誘電体の性質を示し得る。 多強体膜を含む構造物 本発明による構造物は、多強体の特性が要求される様々な素子に適用され得る。 例えば、上記構造物は、非揮発性を有する強誘電体メモリ(FRAM)特性と、強磁性メモリ(MRAM)特性とを同時に保有しているため、メモリ集積度を2倍以上に増やした次世代多機能性メモリ素子に応用され得る。 また、本発明の構造物は、強磁性の特性を有しているため、GMR(Giant Magnetoresistance)スピン弁等として使用可能であり、スピントロニクス(spintronics)、温度センサ、圧力センサ、磁性センサ、モーションセンサ、3次元コンピュータゲームに用いられ得る。 ひいては、ミサイル誘導装置、微細的外科手術、マイクロアクチュエータ(microactuator)、電荷貯蔵装置(charge storage)等にも上記構造物を活用することができる。 本発明による多強体膜は、相対的に高い温度で強誘電性と反強磁性を示す。 これによって、上記多強体膜において、残余分極の大きさ、強誘電性と反強磁性との間の相互結合性等が増加されるところ、本発明による多強体膜は、多強体的な特性を要求する全ての分野に、より実用的に応用され得、例えば、広い温度領域における作動が要求される温度センサ又は電荷貯蔵装置等として用いられ得る。 以下、実施例を通じて、本発明をより具体的に説明する。 実施例2 :構造物の製造 Dc−magnetron sputter装備を用いて、サファイア(001)基板上に20nm厚さのPt膜を形成し、次いで、上記Pt膜上に、上記実施例1におけるのと同一の方法でTbMnO 3膜を形成した。 これによって形成された多強体構造物をXRDで分析した結果を図8乃至11に示す。 上記図8乃至11は、実施例2によって製造された構造物をXRDで分析した結果を示すスキャングラフである。 具体的に、図8は、Pt導電膜が蒸着されたサファイア基板上に形成されたTbMnO 3膜のXRDθ−2θスキャングラフであり、図9は、上記TbMnO 3膜に対するXRDΦスキャングラフであり、図10は、上記Pt膜に対するXRDΦスキャングラフであり、図11は、上記サファイア基板に対するXRDΦスキャングラフである。 図8において、約15.5°と約31°で六方晶系TbMnO 3の002、004ピークが示されることが確認できるところ、これより、上記TbMnO 3膜は、六方晶系の結晶構造を有することが分かる。 また、上記図8において、39°でのピークは、111方向に成長したPt膜を示し、42°でのピークは、サファイア基板を示す。 図9乃至11は、それぞれTbMnO 3の(112)面、Pt(002)面及びサファイアの(104)面をΦを変化させながらXRDで分析した結果を示す。 このようなXRDΦスキャングラフから、物質のin−planeの構造を直接的に確認することができる。 図11を参照すると、サファイア基板の場合、菱面晶系の構造を有するため、3個のピークのみを示しているが、上記基板の表面構造は、6角形形態であるため、六方晶系薄膜の製造に適合することが分かる。 また、図9において、上記TbMnO 3膜が六方晶系の結晶構造を有するということを、6−fold symmetryのΦスキャンを通じて確認することができる。 一方、図10及び11を比較してみると、ピークの位置が30゜回転したことが分かるところ、これより、in−plane上において30゜回転しながらPtがサファイア基板上に蒸着されたものであることが分かる。 結果的に、上記図8乃至11から、Ptは、サファイア(001)方向の基板上にエピで成長し、TbMnO 3 (001)薄膜は、Pt(111)方向上に形成されたものであることが確認できるのである。 実施例3 :キャパシタの製造 上記実施例2において製造された多強体構造物の上部にAu膜を形成することにより、キャパシタを製造した。 具体的に、下部電極としてPt膜を含み、誘電層として六方晶系の結晶構造を有するTbMnO 3膜を含み、上部電極としてAu膜を含むキャパシタを製造した。 実施例4 :DyMnO 3膜を含むキャパシタの製造 実施例3におけるのと同一の方法を用いて、Pt導電膜が蒸着されたサファイア基板上に50nm厚さのDyMnO 3膜を形成し、上部電極でAu膜を形成してキャパシタ構造を作った。
3の結晶構造を示す図である。 3の結晶構造を示す図である。 3の結晶構造を示す図である。 3膜をXRDθ−2θスキャンにより分析した結果を示すグラフである。 3膜をXRDθ−2θスキャンにより分析した結果を示すグラフである。 3膜をXRDΦスキャンにより分析した結果を示すグラフである。 3膜に対する誘電分極値を測定した結果を示すグラフである。 3膜に対する誘電分極値を測定した結果を示すグラフである。 3膜に対する誘電分極値を測定した結果を示すグラフである。 3膜の磁気感受率を測定した結果を示すグラフである。 |