Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen
Dünnschichtelements
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen
Dünnschicht-Bauteils. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen eines dielektrischen Dünnschicht-Bauteils, das zumindest mit
Elektroden und einer dielektrischen Oxiddünnschicht zur Verwendung bei
einem nichtflüchtigen Speicher, einem Kondensator, einem Lichtmodulator,
einem piezoelektrischen Bauteil, einem pyroelektrischen Infrarotsensor und
anderen Bauteilen versehen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Im Allgemeinen werden SiO&sub2; (Siliciumdioxid) oder SiN (Siliciumnitrid) als
dielektrisches Material verwendet, wenn ein Dünnschichtkondensator zur
Verwendung in einer integrierten Schaltung (IC) hergestellt wird, wie als
Signalspeicherkondensator in einem DRAM (dynamischer
Direktzugriffsspeicher). In jüngerer Zeit, bei zunehmender Nachfrage nach stärker
integrierten Halbleiterbauteilen, wird zunehmend nach einem dielektrischen Material
mit hoher Dielektrizitätskonstante und kleinem Leckstrom gesucht. Dies hat
zu den aktuellen aktiven Forschungsvorhaben betreffend dielektrische
Oxiddünnschichten mit hoher Dielektrizitätskonstante geführt, die aus
Materialien wie STO (SrTiO&sub3;, Strontiumtitanat) oder (Ba, Sr), TiO&sub3;
(Bariumstrontiumtitanat) bestehen, von denen jedes eine dielektrische Konstante über
derjenigen herkömmlicher dielektrischer Materialien wie SiO&sub2; und SiN hat.
-
Z. B. offenbart Japan Journal Applied Physics, Vol. 31 (1992, S. 3025 -
3028, T. Kuroiwa et al.) eine Untersuchung der elektrischen Eigenschaften
einer dielektrischen STO-Oxidschicht, die unter Verwendung eines
HF(Hochfrequenz)-Sputterverfahrens hergestellt wurde.
-
Gemäß dieser Veröffentlichung wird die dielektrische STO-Dünnschicht auf
eine Weise hergestellt, wie sie im Folgenden angegeben wird. Als erstes
werden auf einem Si-Substrat eine Schicht aus thermisch oxidiertem Si mit
einer Dicke von 300 nm und eine Pt-Schicht mit einer Dicke von 100 nm als
untere Elektrode in dieser Reihenfolge in einer Schichtherstellkammer bei
einer Temperatur von 600ºC auflaminiert. Danach wird, bei einem Sauerstoff
von 26,6 Pa in der Schichtherstellkammer, ein HF-Sputtervorgang so
ausgeführt, dass eine dielektrische STO-Oxidschicht mit einer Dicke von 75 nm
auf der Pt-Schicht hergestellt wird. Nach der Schichtherstellung wird das
Substrat in Sauerstoffatmosphäre abgekühlt. Um die elektrischen Eigenschaf -
ten der dielektrischen STO-Oxidschicht zu beurteilen, werden andere PT-
Schichten als obere Elektroden bei Raumtemperatur auf der dielektrischen
STO-Oxidschicht hergestellt.
-
Gemäß der Auswertung zeigte, wenn eine Spannung von 2 V über die obere und
die untere Elektrode an die STO-Schicht angelegt wurde, diese dielektrische
STO-Oxidschicht einen Leckstrom von 4,0 · 10&supmin;&sup9; A/cm² und eine
Dielektrizitätskonstante von 205. Als Ergebnis der Auswertung wird berichtet, dass der
Leckstrom stark von in der Schicht enthaltenen Sauerstoffdefekten abhing,
während er nicht von der Dispersion von Pt-Atomen aus der unteren Elektrode
in die dielektrische STO-Oxidschicht abhing. Es wird auch mitgeteilt, dass
die Bedingungen der Sauerstoffatmosphäre einen wichtigen Faktor beim
Bestimmen der Qualität einer dielektrischen STO-Oxidschicht bilden können.
Genauer gesagt, werden in der dielektrischen STO-Oxidschicht um so weniger
Sauerstoffdefekte erzeugt, je höher der Sauerstoffdruck in der Kammer
während der Schichtherstellung ist.
-
Eine dielektrische Oxiddünnschicht wird im Allgemeinen durch die folgenden
Verfahren hergestellt: ein Sputterverfahren, ein MOCVD(metallorganische,
chemische Dampfniederschlagung)-Verfahren, ein reaktives
Dampfniederschlagungsverfahren und ein Laserablationsverfahren. Die folgende Beschreibung
erläutert kurz diese Verfahren. Gemäß dem Sputterverfahren werden Ionen in
einer Niederdruckatmosphäre mit einem Target zum Zusammenstoß gebracht,
damit Atome oder Moleküle vom Target auf einem Substrat abgeschieden
werden. Gemäß dem MOCVD-Verfahren wird ein Substrat so erwärmt, dass auf ihm
eine Dünnschicht auf Grundlage einer Wechselwirkung zwischen einer
thermischen Zersetzung und einer chemischen Reaktion zwischen einer
metallorganischen Verbindung und einer Wasserstoffverbindung eines Elements der Gruppe
5 hergestellt wird. Gemäß dem reaktiven Dampfniederschlagungsverfahren
wird, wenn z. B. Sauerstoff verwendet wird, ein Material beim
Sauerstoffdruck thermisch verdampft, so dass zwischen dem verdampften Material und
dem Sauerstoff eine Reaktion hervorgerufen wird, und das so durch die
Reaktion erhaltene Produkt wird auf dem Substrat abgeschieden. Andererseits
wird gemäß dem Laserablationsverfahren, das dichte Photonen eines Lasers
verwendet, ein Laser auf die Oberfläche eines verdampfbaren Materials
gestrahlt, so dass chemische Bindungen an der Oberfläche des verdampfbaren
Materials zerstört werden, was bewirkt, dass dieses verdampft wird, wodurch
dafür gesorgt wird, dass auf dem Substrat eine Dünnschicht ausgebildet
wird.
-
Nachdem eine dielektrische Oxiddünnschicht unter Verwendung eines der
vorstehend angegebenen Verfahren in Sauerstoffatmosphäre und bei konstanter
Temperatur hergestellt wurde, wird im Allgemeinen eines der folgenden vier
herkömmlichen Verfahren als Nachbehandlung angewandt: ein erstes
herkömmliches Verfahren des Abkühlens des Substrats bei beendeter Sauerstoffzufuhr;
ein zweites herkömmliches Verfahren der Abkühlung des Substrats, während es
in derselben Sauerstoffatmosphäre belassen wird, wie sie beim
Schichtherstellprozess verwendet wurde; ein drittes herkömmliches Verfahren des
Abkühlens des Substrats in einer Sauerstoffatmosphäre wie Sauerstoffgas oder
Sauerstoffplasma; und ein viertes herkömmliches Verfahren des Entnehmens
des Substrats aus der Schichtherstellkammer und des Anwendens einer
Wärmebehandlung am Substrat in Sauerstoffatmosphäre.
-
Jedoch zeigt, wenn eine dieser herkömmlichen Nachbehandlungen nach der
Herstellung einer dielektrischen Oxiddünnschicht angewandt wird, das so
erhaltene Bauteil mit der dielektrischen Oxiddünnschicht ungünstige
Eigenschaften wie eine niedrige Dielektrizitätskonstante, einen großen Leckstrom
und kleine Durchschlagsfestigkeit. Es wird angenommen, dass der Grund
derjenige ist, dass während des Schichtherstellungsprozesses Sauerstoff nicht
ausreichend in der Schicht absorbiert wird, was viele Sauerstoffdefekte im
Kristallgitter der dielektrischen Oxiddünnschicht verursacht. Hinsichtlich
der vier herkömmlichen Nachbehandlungsverfahren haften, da das Substrat
nach der Schichtherstellung einmal der Schichtherstellkammer entnommen
wird, Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus der Luft an der Schichtoberfläche
an, wodurch die Absorption von Sauerstoff in die Schicht behindert wird. Es
ist erkennbar, dass dies viele Sauerstoffdefekte in Kristallgitter
verursacht.
-
So tritt die folgende Schwierigkeit auf, wenn eine dielektrische
Oxiddünnschicht, bei der eine derartige herkömmliche Nachbehandlung angewandt
wurde, zum Herstellen eines Bauteils mit dielektrischer Oxiddünnschicht
verwendet wird. Es ist unmöglich, gleichbleibend ein Bauteil mit
dielektrischer Oxiddünnschicht zu erhalten, das bevorzugte dielektrische
Eigenschaften aufweist, wie hervorragende Isolierung, eine Dielektrizitätskonstante,
die so hoch wie im Volumenmaterial ist, und das kaum dielektrische
Durchschläge zeigt.
-
Nun kann erwartet werden, dass eine derartige Schwierigkeit dadurch
überwunden werden kann, dass der Sauerstoffdruck beim Schichtherstellprozess
erhöht wird, damit ausreichend Sauerstoff absorbiert wird. Wenn jedoch die
Prinzipien der Schichtherstellverfahren betrachtet werden, sind die
vorstehenden Verfahren der Schichtherstellung (das Sputterverfahren, das MOCVD-
Verfahren, das reaktive Dampfniederschlagungsverfahren und das
Laserablationsverfahren) praktisch nicht ausführbar. Genauer gesagt, besteht
hinsichtlich des Sputterverfahrens, da dieses Verfahren gemäß seinen Prinzipien
naturgemäß die Tendenz zeigt, dass Glimmentladung durch Anlegen einer hohen
Gleichspannung oder einer hochfrequenten Spannung auftritt, die Tendenz,
dass anormale Entladung erfolgt, wenn z. B. ein Gas von ungefähr 50 Pa oder
mehr eingeleitet wird. Daher ist es schwierig, eine stabile Glimmentladung
zu erzielen. Hinsichtlich des MOCVD-Verfahrens, des reaktiven
Dampfniederschlagungsverfahrens und des Laserablationsverfahrens ist es erforderlich,
dass der Dampfdruck der Materialien höher als der Vakuumgrad ist. Jedoch
ist es extrem schwierig, wenn der Sauerstoffdruck hoch ist, einen
Dampfdruck von z. B. ungefähr 50 Pa oder mehr durch Erwärmen verdampfbarer
Materialien zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung erfolgt angesichts der Tatsache, dass die dielektrischen
Eigenschaften einer dielektrischen Oxiddünnschicht zur Verwendung in einem
Bauteil mit dielektrischer Dünnschicht stark durch die in der
dielektrischen Oxiddünnschicht absorbierte Sauerstoffmenge beeinflusst sind. Es ist
wünschenswert, ein Verfahren (1) zum Herstellen einer dielektrischen
Oxiddünnschicht, die ausreichend Sauerstoff absorbiert, und (2) zum Herstellen
eines Bauteils mit dielektrischer Dünnschicht mit dielektrischen
Eigenschaften wie kleinem Leckstrom, hervorragender Isolierung, hoher
Dielektrizitätskonstante und großer Durchschlagsfestigkeit zu schaffen.
-
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines
Dünnschichtbauteils geschaffen, wie es im Anspruch 1 dargelegt ist.
-
Gemäß der vorstehenden Anordnung wird, nach der Herstellung der
dielektrischen Oxiddünnschicht, der Sauerstoffdruck in der Schichtherstellkammer
durch Einleiten von Sauerstoff in dieselbe erhöht, und das Substrat wird in
der obigen Atmosphäre für eine bestimmte Zeitspanne auf einer Temperatur
gehalten, bei der der Film erzeugt wird, und es wird dann abgekühlt.
Dadurch wird, obwohl während des Schichtherstellprozesses in der Schicht
nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wird, durch Änderungen der
Bedingungen der Schichtherstellung, wie der Schichtbildungsperiode und
-temperatur, der dielektrischen Oxiddünnschicht nach Abschluss der
Schichtherstellung ausreichend Sauerstoff zugeführt. Außerdem haften weder Sauerstoff
noch Kohlendioxid aus der Luft an der Oberfläche der Schicht an, da die
dielektrische Oxiddünnschicht der Schichtherstellkammer nicht entnommen
wird, während Sauerstoff eingeleitet wird. D. h., dass hinsichtlich der
Sauerstoffzufuhr zur Schicht keine Hindernisse entstehen. Daher
gewährleistet das vorstehende Verfahren die Absorption von Sauerstoff im Film, um
dadurch Sauerstoffdefekte in der dielektrischen Oxiddünnschicht zu
verringern.
-
Die dielektrischen Eigenschaften des Bauteils mit dielektrischer
Dünnschicht hängen stark von der Sauerstoffmenge ab, wie sie in der in ihm
verwendeten dielektrischen Oxiddünnschicht enthalten ist. Anders gesagt,
zeigt das Bauteil mit einer dielektrischen Oxiddünnschicht um so bessere
dielektrische Eigenschaften, je mehr Sauerstoff in der Schicht enthalten
ist. Daraus folgt, dadurch die vorstehende Anordnung, eine dielektrische
Oxiddünnschicht mit weniger Sauerstoffdefekten erhalten werden kann, dass
es unter Verwendung einer derartigen dielektrischen Oxiddünnschicht auch
gewährleistet ist, ein Bauteil hoher Qualität mit dielektrischer
Oxiddünnschicht, wie höherer Dielektrizitätskonstante, kleinerem Leckstrom und
kleinerer dielektrischer Durchschlagsspannung als zuvor zu schaffen.
-
Bevorzugter wird der Sauerstoffdruck auf 100 Pa oder höher eingestellt. In
diesem Fall wird, obwohl beim Schichtherstellprozess in der dielektrischen
Oxiddünnschicht nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wird, diese
dielektrische Oxiddünnschicht nach der Schichtherstellung angemessen mit
Sauerstoff versorgt. Daher kann, wenn ein Bauteil mit dielektrischer Dünnschicht
unter Verwendung dieser dielektrischen Oxiddünnschicht hergestellt wird,
dieses Bauteil so hergestellt werden, dass es sich durch einen
bemerkenswert kleinen Leckstrom und hohe Durchschlagsfestigkeit auszeichnet.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, das mit der dielektrischen Oxiddünnschicht
versehene Substrat für 5 Minuten oder länger in der Schichtherstellkammer
zu halten, nachdem Sauerstoff in diese eingeleitet wurde. In diesem Fall
wird, obwohl während des Schichtherstellprozesses in der dielektrischen
Oxiddünnschicht nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wurde, diese
dielektrische Oxiddünnschicht nach der Schichtherstellung ausreichend mit
Sauerstoff versorgt. Demgemäß ist es durch die Verwendung einer derartigen
dielektrischen Oxiddünnschicht gewährleistet, ein Bauteil hoher Qualität
mit dielektrischer Dünnschicht mit verbesserten dielektrischen
Eigenschaften wie höherer Dielektrizitätskonstante, kleinerem Leckstrom und höherer
dielektrischer Durchschlagsspannung zu schaffen. Außerdem kann durch die
vorstehende Anordnung die Ausbeute sicher erhöht werden.
-
Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung
ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen Bezug zu nehmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Fig. 1 ist eine erläuternde Ansicht, die den Herstellprozess für eine
dielektrische Oxiddünnschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
veranschaulicht.
-
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Bauteils zeigt, das
eine dielektrische Oxiddünnschicht verwendet.
-
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Bauteils mit
dielektrischer Oxiddünnschicht zeigt, die durch einen anderen Prozess hergestellt
wurde.
-
Fig. 4 ist eine erläuternde Ansicht, die den Prozess zum Herstellen der in
Fig. 3 dargestellten dielektrischen Oxiddünnschicht veranschaulicht.
-
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Aufbaus eines Bauteils mit
dielektrischer Oxiddünnschicht, die durch noch einen anderen Herstellprozess
hergestellt wurde.
-
Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die den Herstellprozess für die in
Fig. 5 dargestellte dielektrische Oxiddünnschicht veranschaulicht.
-
Fig. 7(a) ist ein Kurvenbild, das die Korrelation zwischen dem
Sauerstoffdruck und dem Leckstrom veranschaulicht, während Fig. 7(b) ein Kurvenbild
ist, das die Korrelation zwischen dem Sauerstoffdruck und dem Anteil der
Isolierungen ohne Durchschlag zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die folgende Beschreibung erläutert unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Bauteils
8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht gemäß der Erfindung zeigt. Dieses
Bauteil 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht ist mit einer solchen
dielektrischen Oxiddünnschicht versehen, die durch einen erfindungsgemäßen
Herstellprozess (wie er unten beschrieben wird) hergestellt wurde. Das Bauteil
8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht wurde hergestellt, um seine
elektrischen Eigenschaften zu bewerten, wie die Dielektrizitätskonstante, den
Leckstrom und die Durchschlagsfestigkeit. Zunächst wird nachfolgend der
Bauteilaufbau des Bauteils 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht erläutert.
-
Wie es Fig. 2 zeigt, wurde eine Schicht 2 aus thermisch oxidiertem Si
(Silicium) mit einer Dicke von 200 nm auf der Oberfläche eines
n-Siliciumsubstrats 1 hergestellt, während eine Ti(Titan)-Schicht 3 mit einer Dicke von
30 nm auf der Schicht 2 aus thermisch oxidiertem Si hergestellt wurde. Auf
der Ti-Schicht 3 wurde durch ein Gleichspannungs-Sputterverfahren eine
Pt(Platin)-Schicht mit einer Dicke von 200 nm hergestellt. Nachfolgend wird
die Pt-Schicht als untere Pt-Elektrode 4 bezeichnet. Auf der unteren Pt-
Elektrode 4 wurde eine dielektrische STO-Oxidschicht 5 mit einer Dicke von
200 nm durch ein Herstellverfahren hergestellt, wie es später beschrieben
wird. Außerdem wurden auf der dielektrischen STO-Oxidschicht 5 Pt-Filme mit
jeweils 100 um² und 200 nm Dicke durch ein
Elektronenstrahl-Dampfniederschlagungsverfahren hergestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Pt-
Filme Nachfolgend als obere Pt-Elektroden 6 bezeichnet werden.
-
Hinsichtlich des Herstellverfahrens der dielektrischen STO-Oxidschicht 5
ist der Herstellprozess ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die folgende
Beschreibung erläutert den Prozess unter Bezugnahme auf Fig. 1 im Einzelnen.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Sputterprozess entsprechend einem HF
(Hochfrequenz)-Magnetronverfahren ausgeführt wird, das Magnetronentladung
verwendet, bei der das elektrische Feld rechtwinklig zum Magnetfeld
verläuft. Als Sputtertarget wurde gesintertes SrTiO&sub3; verwendet.
-
Als erstes wurde die Schichtherstellkammer auf 350ºC erwärmt, und es wurde
ein Vorabsputtervorgang für 10 Minuten hinsichtlich der Oberfläche des
Targets vor
der Schichtherstellung mit den in der Tabelle 1 angegebenen
Bedingungen ausgeführt.
[Tabelle 1]
-
HF-Sputterleistung 4,25 W/cm²
-
Sputterdruck 2 Pa
-
Sputtergasverhältnis Ar: O&sub2; = 1 : 1
-
Unter denselben Bedingungen wurde dann ein weiterer Sputtervorgang
hinsichtlich der Targetoberfläche für 10 Minuten ausgeführt, um dadurch eine
Probe mit einer dielektrischen STO-Oxidschicht 5 mit einer Dicke von 200 nm
herzustellen. Danach wurde, ohne dass die Probe entnommen wurde, der
Vakuumzustand der Schichtherstellkammer aufgehoben und es wurde Sauerstoffgas
so in diese eingeleitet, dass der Atmosphärendruck in der
Schichtherstellkammer auf 200 Pa stieg. Nachdem die Probe für 5 Minuten bei einer
Temperatur von 350ºC in der Schichtherstellkammer belassen worden war, wurde sie
in derselben Sauerstoffatmosphäre mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 3
ºC/Min. abgekühlt.
-
Die dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante, Leckstrom und
Durchschlagsfestigkeit) des Bauteils 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht
wurden unter den folgenden Bedingungen gemessen. Durch eine
Wechselspannungsquelle 7 wurde über die oberen und unteren Pt-Elektroden 6 und 4 des
Bauteils 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht eine Wechselspannung von 10
kHz angelegt, und die Messung erfolgte bei einer Temperatur von 25ºC. In
der Tabelle 2 ist ein Satz von Ergebnissen für eine Losnummer (a)
angegeben. Hinsichtlich des Leckstroms wurde der bei einer Wechselspannung von 10
V bzw. 20 V ausleckende elektrische Strom als "elektrischer Leckstrom"
gemessen. Hinsichtlich der Durchschlagsfestigkeit wurde die Isolierung von
160 Kondensatoren unter der Bedingung geprüft, dass die Wechselspannung auf
50 V eingestellt war. Der Anteil verbliebener Isolierung ist als "Anteil
der Isolierungen ohne Durchschlag" angegeben.
[Tabelle 2]
[Erstes Vergleichsbeispiel 1
-
Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht, die den Bauteilaufbau eines
Bauteils 48 mit dielektrischer Oxiddünnschicht zeigt. Fig. 3 dient zum
Vergleichen mit dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
An einer dielektrischen Oxiddünnschicht zur Verwendung beim Bauteil 48 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht wurde die oben genannte zweite herkömmliche
Nachbehandlung angewandt. Es ist zu beachten, dass beim vorliegenden
Beispiel derselbe dielektrische STO-Oxidschicht wie beim vorigen
Ausführungsbeispiel verwendet wurde. Die folgende Beschreibung erläutert den Aufbau
des Bauteils 48 mit dielektrischer Oxiddünnschicht.
-
Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wurde auf der Oberfläche eines
n-Siliciumsubstrats 41 eine Schicht 42 aus thermisch oxidierten Si (Silicium) mit
einer Dicke von 200 nm hergestellt, während auf dieser Schicht 42 aus
thermisch oxidiertem Si eine Ti(Titan)-Schicht 43 mit einer Dicke von 30 nm
hergestellt wurde. Auf der Ti-Schicht 43 wurde durch ein Gleichspannungs-
Sputterverfahren ein Pt(Platin)-Film mit einer Dicke von 200 nm
hergestellt. Es ist zu beachten, dass der Pt-Film nachfolgend als untere Pt-
Elektrode 44 bezeichnet wird. Auf der unteren Pt-Elektrode 44 wurde durch
ein Herstellverfahren, wie es unten beschrieben wird, eine dielektrische
STO-Oxidschicht 45 mit einer Dicke von 200 nm hergestellt. Außerdem wurden
auf dieser dielektrischen STO-Oxidschicht 45 Pt-Filme mit jeweils 100 um²
und 200 nm Dicke durch ein Elektronenstrahl-Dampabscheidungsverfahren
hergestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Pt-Filme nachfolgend als
obere Pt-Elektroden 46 bezeichnet werden.
-
Hinsichtlich des Herstallverfahrens für die dielektrische STO-Oxidschicht
45 ist der Herstellprozess in Fig. 4 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf
Fig. 4 erläutert die folgende Beschreibung den Herstellprozess für die
dielektrische STO-Oxidschicht 45 im Einzelnen. Es ist zu beachten, dass wie
beim vorigen Ausführungsbeispiel ein HF(Hochfrequenz)-Magnetronverfahren
und gesintertes SrTiO&sub3; als Sputterverfahren bzw. Sputtertarget verwendet
wurden.
-
Als erstes wurde die Schichtherstellkammer auf 350ºC erwärmt, und dabei
wurde ein Vorabsputtervorgang für 10 Minuten hinsichtlich der
Targetoberfläche vor der Schichtherstellung bei den in der obigen Tabelle 1
angegebenen Bedingungen ausgeführt. Dann wurde, unter denselben Bedingungen, ein
weiterer Sputtervorgang hinsichtlich der Targetoberfläche für 10 Minuten
ausgeführt, um dadurch eine Probe mit einer dielektrischen STO-Oxidschicht
45 mit einer Dicke von 200 nm herzustellen. Danach wurde, entsprechend der
zweiten herkömmlichen Nachbehandlung, der Vakuumzustand der
Schichtherstellkammer aufgehoben, während die Probe in dieser verblieb, und die Probe
wurde in derselben Atmosphäre des Sputtergases mit einer
Abkühlgeschwindigkeit von 3ºC/Min. abgekühlt.
-
Dann wurden die dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante,
Leckstrom und Durchschlagsfestigkeit) des Bauteils 48 mit dielektrischer
Oxiddünnschicht unter den folgenden Bedingungen gemessen. Durch eine
Wechselspannungsquelle 47 wurde über die oberen und unteren Pt-Elektroden 46
und 44 des Bauteils 48 mit dielektrischer Oxiddünnschicht eine
Wechselspannung von 10 kHz angelegt, und die Messung erfolgte bei einer Temperatur von
25ºC. Ein Satz von Ergebnissen ist in der Tabelle 2 dargestellt, wobei die
Losnummer (b) angegeben ist. Es ist zu beachten, dass die Bedingungen
während der Messung dieselben wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel waren.
(Zweites Vergleichsbeispiel]
-
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Bauteilaufbau eines
Bauteils 48 mit dielektrischer Oxiddünnschicht zeigt. Fig. 5 dient zum
Vergleich mit dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei einer
dielektrischen Oxiddünnschicht zur Verwendung im Bauteil 68 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht wurde die oben angegebene vierte herkömmliche
Nachbehandlung angewandt. Es ist zu beachten, dass beim vorliegenden Beispiel
dieselbe STO-Oxidschicht wie beim vorigen Ausführungsbeispiel verwendet
wurde. Die folgende Beschreibung erläutert den Aufbau des Bauteils 68 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht.
-
Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wurde auf der Oberfläche eines
n-Siliciumsubstrats 61 eine Schicht 62 aus thermisch oxidiertem Si (Silicium) mit
einer Dicke von 200 nm hergestellt, während eine Ti(Titan)-Schicht 63 mit
einer Dicke von 30 nm auf dieser Schicht 62 aus thermisch oxidiertem Si
hergestellt wurde. Auf der Ti-Schicht 63 wurde eine Pt(Platin)-Schicht mit
einer Dicke von 200 nm durch ein Gleichspannungs-Sputterverfahren
hergestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Pt-Schicht nachfolgend als
untere Pt-Elektrode 64 bezeichnet wird. Auf der unteren Pt-Elektrode 64
wurde durch ein Herstellverfahren, wie es unten beschrieben wird, eine
dielektrische STO-Oxidschicht 65 mit einer Dicke von 200 nm hergestellt.
Außerdem wurden auf der dielektrischen STO-Oxidschicht 65 Pt-Filme mit
jeweils einer Größe von 100 um² und 200 nm Dicke durch ein
Elektronenstrahl-Dampfniederschlagungsverfahren hergestellt. Es wird darauf
hingewiesen, dass diese Pt-Schichten nachfolgend als obere Pt-Elektroden 66
bezeichnet werden.
-
Hinsichtlich des Herstellverfahrens für die dielektrische STO-Oxidschicht
65 ist der Herstellprozess in Fig. 6 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf
Fig. 6 erläutert die folgende Beschreibung den Herstellprozess der
dielektrischen STO-Oxidschicht 65 im Einzelnen. Es wird darauf hingewiesen, dass,
wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel, ein HF
(Hochfrequenz)-Magnetronverfahren und gesintertes SrTiO&sub3; als Sputterverfahren bzw. Sputtertarget
verwendet wurden.
-
Als erstes wurde die Schichtherstellkammer auf 350ºC erwärmt, und dabei
ein vorläufiger Sputtervorgang für 10 Minuten hinsichtlich der
Targetoberfläche vor der Filmherstellung unter den in der obigen Tabelle 1
angegebenen Bedingungen ausgeführt wurde. Dann wurde, unter denselben Bedingungen,
ein weiterer Sputtervorgang hinsichtlich der Targetoberfläche für 10
Minuten ausgeführt, um dadurch eine Probe mit einer dielektrischen
STO-Oxidschicht 65 mit einer Dicke von 200 nm herzustellen. Dann wurde die Probe
entsprechend der vierten herkömmlichen Nachbehandlung, nachdem sie der
Schichtherstellkammer entnommen und der Luft ausgesetzt worden war, erwärmt
und für 5 Minuten bei 350ºC in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Druck
von 200 Pa gehalten. Danach wurde die Probe mit einer Abkühlgeschwindigkeit
von 3ºC/Min. abgekühlt.
-
Die dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante, Leckstrom und
Durchschlagsfestigkeit)
des Bauteils 68 mit dielektrischer Oxiddünnschicht
wurden unter den folgenden Bedingungen gemessen. Durch eine
Wechselspannungsquelle 67 wurde eine Wechselspannung von 10 kHz über die oberen und
unteren Pt-Elektroden 66 und 64 des Bauteils 68 mit dielektrischer
Oxiddünnschicht angelegt, und die Messung erfolgte bei einer Temperatur von 25
ºC. Ein Satz von Ergebnissen ist in der Tabelle 2 angegeben, und für ihn
ist die Losnummer (c) vergeben. Es ist zu beachten, dass die Bedingungen
während der Messung dieselben wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel
waren.
-
Wie es die Tabelle 2 zeigt, war das Bauteil 8 mit dielektrischer
Oxiddünnschicht gemäß dem vorigen Ausführungsbeispiel betreffend sowohl die
Dielektrizitätskonstante als auch die Leckströme und die Anteile der Isolierungen
ohne Durchschlag den Bauteilen 48 und 68 mit dielektrischer Oxiddünnschicht
gemäß dem ersten und zweiten Vergleichsbeispiel überlegen. Insbesondere war
der Anteil der Isolierungen ohne Durchschlag beim Bauteil 8 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht hervorragend. Dies zeigt an, dass im Bauteil 8 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht kaum dielektrische Durchschläge auftreten.
-
So gewährleistet die Erfindung die Herstellung einer dielektrischen
Oxiddünnschicht, in der ausreichend Sauerstoff absorbiert ist, und sie
gewährleistet demgemäß die Herstellung eines Bauteils mit dielektrischer
Dünnschicht mit hervorragenden dielektrischen Eigenschaften wie der
Dielektrizitätskonstante, der Isolierung und der Durchschlagsfestigkeit. Ferner
besteht die dielektrische Oxiddünnschicht nicht aus SiO&sub2; oder SiN sondern
aus SrTiO&sub3;, das eine hervorragende Dielektrizitätskonstante aufweist, um
dadurch die Herstellung eines Bauteils mit dielektrischer Dünnschicht mit
dielektrischen Eigenschaften zu gewähren, das dem herkömmlichen überlegen
ist.
-
Das vorstehende Ausführungsbeispiel betrifft eine dielektrische
STO-Oxidschicht 5 mit einer Dicke von 200 nm. Jedoch ist es möglich, dass eine
dielektrische STO-Oxidschicht 5 eine andere Dicke aufweist, wobei die Dicke
durch Ändern der bei der Schichtherstellung aufgebrachten Zeit erreicht
wird.
-
Die dielektrische STO-Oxidschicht 5 wurde beim vorigen Ausführungsbeispiel
bei 350ºC hergestellt. Jedoch wurden ähnliche Effekte auch bei einer
Temperatur erzielt, die in den Bereich von
200ºC bis 600ºC fiel.
-
Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde die Probe mit einer
Schicht nach der Schichtherstellung für 5 Minuten in Sauerstoffatmosphäre
gehalten, ohne dass sie der Schichtherstellkammer entnommen wurde. Jedoch
wurden ähnliche Effekte erzielt, wenn die Aufbewahrungsperiode mehr als 5
Minuten betrug. Nach der Schichtherstellung wurde beim vorigen
Ausführungsbeispiel Sauerstoff mit einem Druck von 200 Pa eingeleitet. Jedoch ist der
Druck des eingeleiteten Sauerstoffs nicht hierauf beschränkt. Fig. 7(a)
zeigt den Zusammenhang zwischen dem Sauerstoff und dem Leckstrom, wenn die
dielektrische STO-Oxidschicht 5 bei einem Sauerstoffdruck im Bereich von
0,4 Pa bis 2.000 Pa hergestellt wurde. Fig. 7(b) zeigt den Zusammenhang
zwischen dem Sauerstoffdruck und dem Anteil der Isolierungen ohne
Durchschlag bei einer Spannung von 50 V. Diese zwei Kurvenbilder zeigen, dass
die dielektrische STO-Oxidschicht 5 dann gute dielektrische Eigenschaften
hinsichtlich des Leckstroms und des Anteils der Isolierungen ohne
Durchschlag bei einer Spannung von 50 V zeigen kann, wenn der Sauerstoffdruck
nicht weniger als 100 Pa beträgt.
-
Wie oben angegeben, kann ein Bauteil mit dielektrischer Oxiddünnschicht,
das eine dielektrische Oxiddünnschicht verwendet, die durch das durch die
Erfindung vorgeschlagene Herstellverfahren hergestellt wurde, ein
beliebiges Bauteil sein, vorausgesetzt, dass dieses Schichtbauteil mit mindestens
Elektroden und einer dielektrischen Oxiddünnschicht versehen ist und den
ferroelektrischen Effekt, den piezoelektrischen Effekt, den
pyroelektrischen Effekt, den elektrooptischen Effekt oder einen anderen Effekt nutzt.
-
Es ist zu beachten, dass für das Material der dielektrischen
Oxiddünnschicht keine Beschränkung auf SrTiO&sub3; besteht, das beim obigen
Ausführungsbeispiel verwendet wurde. Als derartiges dielektrisches Material kann jedes
dielektrische Oxidmaterial verwendet werden, das Sauerstoff enthält: z. B.
ferroelektrische Materialien und dielektrische Materialien mit hoher
Dielektrizitätskonstante wie SrTiO&sub3;, (BaxSr1-x)TiO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;,
CaBi&sub4;TiO&sub1;&sub5;, KNbO&sub3;, NaNbO&sub3;, Pb(Zr, Ti)O&sub3;, (PbxLa1-x)TiO&sub3;,
(PbxLa&sub1;&submin;x)(ZryTi1-y)O, Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2; und BaTiO&sub3;.
-
So besteht das gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebene
Verfahren zum Herstellen des Bauteils 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht
aus den folgenden Schritten: (1) Herstellen einer dielektrischen
STO-oxidschicht 5 mit vorbestimmter Dicke auf einem Substrat in einer
Schichtherstellkammer, und Einleiten von Sauerstoff in solcher Weise in die
Schichtherstellkammer, dass der Druck des eingeleiteten Sauerstoffs höher als der
während
der Herstellung der dielektrischen STO-Oxidschicht ist, ohne dass
die dielektrische STO-Oxidschicht 5 der Schichtherstellkammer entnommen
wird; und (2) Aufbewahren des Substrats für eine vorbestimmte Zeitspanne in
der Schichtherstellkammer bei derselben Temperatur wie während der
Herstellung der Oxidschicht und anschließendes Abkühlen desselben in der
Schichtherstellkammer.
-
Daher wird, obwohl in der dielektrischen STO-Oxidschicht 5 beim
Schichtherstellprozess nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wird, aufgrund von
Änderungen der Bedingungen bei der Schichtherstellung, wie der
Schichtherstellperiode und-temperatur, der dielektrischen STO-Oxidschicht 5 nach
Abschluss der Schichtherstellung ausreichend Sauerstoff zugeführt. Im
Ergebnis sind Sauerstoffdefekte in der dielektrischen STO-Oxidschicht 5
verringert.
-
Außerdem ist es auch möglich, da die vorstehende Anordnung eine
dielektrische STO-Oxidschicht 5 mit weniger Sauerstoffdefekten liefern kann, ein
Bauteil 8 hoher Qualität mit dielektrischer Oxiddünnschicht zu schaffen,
das verbesserte dielektrische Eigenschaften aufweist, wie höhere
Dielektrizitätskonstante, kleineren Leckstrom und kleinere Durchschlagsspannung als
zuvor.
-
Gemäß dem bevorzugten Herstellverfahren für das Bauteil 8 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht gemäß der Erfindung wird der Druck des nach der
Schichtherstellung in die Schichtherstellkammer eingeleiteten Sauerstoffs
auf 100 Pa oder mehr eingestellt.
-
Daher wird, obwohl in der dielektrischen STO-Oxidschicht 5 beim
Schichtherstellprozess nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wird, diese
dielektrische STO-Oxidschicht 5 nach der Schichtherstellung ausreichend mit
Sauerstoff versorgt. Daher kann, wenn das Bauteil 8 mit dielektrischer
Oxiddünnschicht unter Verwendung der dielektrischen STO-Oxidschicht 5 verwendet
wird, dieses Bauteil 8 mit dielektrischer Oxiddünnschicht in solcher Weise
erhalten werden, dass es unter beachtlich kleinem Leckstrom leidet und es
kaum dielektrische Durchschläge erleidet.
-
Gemäß dem bevorzugten Herstellverfahren für ein Bauteil 8 mit
dielektrischer Oxiddünnschicht gemäß der Erfindung wird das Substrat für nicht
weniger als 5 Minuten in der Schichtherstellkammer gehalten.
-
Daher wird die dielektrische STO-Oxidschicht 5, obwohl beim
Schichtherstellprozess in ihr nicht ausreichend Sauerstoff absorbiert wird, nach der
Schichtherstellung ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Demgemäß
gewährleistet die vorstehende Anordnung die Herstellung eines Bauteils hoher
Qualität mit dielektrischer Dünnschicht mit verbesserten dielektrischen
Eigenschaften, wie hoher Dielektrizitätskonstante, kleinem Leckstrom und
großer Durchschlagsfestigkeit. Außerdem kann durch diese Anordnung die
Ausbeute sicher erhöht werden.