DE69633423T2

DE69633423T2 - Verfahren zur Herstellung eines mit einer dünnen ferroelektrischen Schicht überdeckten Substrats

Info

Publication number: DE69633423T2
Application number: DE69633423T
Authority: DE
Inventors: Sakiko Yachiyo-shi Satoh; Takeshi Omiya-shi Kijima; Hironori Noda-shi Matsunaga; Masayoshi Nara-shi Koba
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-05-02
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2016-05-03
Also published as: US5757061A; EP0747937A2; JPH08340085A; JP3133922B2; DE69633423D1; EP0747937A3; EP0747937B1; US6232167B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtetes Substrat zur Verwendung in einer ferroelektrischen Speichervorrichtung, einer pyroelektrischen Sensorvorrichtung, einer piezoelektrischen Vorrichtung, usw., ein Herstellungsverfahren davon und ein Kondensatorstrukturelement unter Verwendung des mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats.
Hintergrund der Erfindung
Da Ferroelektrika viele Vorteile besitzt, wie spontane Polarisation, hohe Dielektrizitätskonstante, elektrooptischen Effekt, piezoelektrischen Effekt und pyroelektrischen Effekt, werden sie zur Entwicklung verschiedener Vorrichtungen, wie Kondensator, Oszillator, Lichtmodulator und Infrarotsensor verwendet. Üblicherweise wurde in diesen Anwendungen ein Monokristall, der aus Triglycinsulfat (TGS), LiNbO₃ oder LiTaO₃, die Ferroelektrika sind, besteht, oder eine Keramik, die aus BaTiO₃, PbTiO₃, Pb (Zr_1–xTi_x)O₃ (PZT), PLZT usw. besteht, auf eine Dicke von ca. 50 μm geschnitten und geschliffen. Jedoch ist es schwierig und teuer, Monokristalle großer Größe herzustellen und seine Herstellung ist aufgrund von Spaltbarkeit schwierig. Außerdem sind Keramiken üblicherweise zerbrechlich und es ist schwierig, aufgrund von Rissen, usw. im Herstellungsschritt eine Keramik herzustellen, so dass sie eine Dicke von weniger als 50 μm besitzt. Deshalb ist eine große Anstrengung notwendig und die Produktionskosten werden größer.
Unterdessen, während ein Herstellungsverfahren für dünne Filme entwickelt wird, breitet sich ein Anwendungsgebiet für ferroelektrische Dünnschichten aus. Als Beispiel der Anwendungen, wenn hohe Dielektrizitätskonstanten-Eigenschaften auf einen Kondensator für verschiedene Halbleitervorrichtungen, wie DRAM angewendet werden, wird die hohe Integration eines Bildelements durch Vermindern der Kondensatorgröße realisiert und die Verlässlichkeit wird verbessert. Insbesondere wurde ein ferroelektrischer, nicht-volatiler Speicher mit hoher Dichte (FRAM), der bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird, durch Kombinieren einer ferroelektrischen Dünnschicht und eines Halbleiter-Speicherelements, wie DRAM kürzlich entwickelt. Der ferroelektrische nicht-volatile Speicher benötigt keine Backup-Batterie durch Verwendung der ferroelektrischen Eigenschaften (Hystereseeffekt) des Ferroelektrikums. Die Entwicklung dieser Vorrichtungen benötigt Materialien, die Eigenschaften wie große remanente spontane Polarisation (Pr), geringes elektrisches Koerzitivfeld (Ec), geringen Leckstrom und hervorragende Beständigkeit bei Wiederholung der Polarisationsumkehr aufweisen. Um die Betriebsspannung zu vermindern und Halbleiter-Feinverarbeitung angemessen durchzuführen, ist es außerdem wünschenswert, dass obige Eigenschaften durch eine Dünnschicht mit einer Dicke von weniger als 200 nm realisiert werden.
Um die Verwendung einer ferroelektrischen Dünnschicht bei FRAM, usw. zu ermöglichen, wird eine Oxid-ferroelektrische Dünnschicht mit Perovskitstruktur, wie PbTiO₃, PZT und PLZT mit einem Dünnschicht-Herstellungsverfahren, wie ein Sputteringverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren und MOCVD (metallorganischer chemischer Dampfauftrag)-Verfahren gebildet.
In obigen ferroelektrischen Materialien wird derzeit Pb(Zr_1–xTi_x)O₃ (PZT) am intensivsten untersucht und eine Dünnschicht mit hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften wird durch das Sputterverfahren und das Sol-Gel-Verfahren erhalten. Zum Beispiel wird eine Dünnschicht, deren remanente spontane Polarisation Pr einen großen Wert im Bereich von 10 bis 26 μC/cm² erreicht, erhalten. Jedoch, obwohl die ferroelektrischen Eigenschaften von PZT zu einem großen Teil von der Zusammensetzung x abhängen, enthält PZT Pb, dessen Dampfdruck groß ist, wodurch eine Abnahme der Filmdicke zu dem Problem führt, dass der Leckstrom und Ermüdung in der Beständigkeit bei Polarisationsumkehr auftritt, da Filmzusammensetzungen dazu neigen, sich während der Filmbildung und Wärmebehandlung zu verändern, oder Pinholes können erzeugt werden oder eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante kann aufgrund von Reaktion zwischen einer Erdungselektrode Pt und Pb, usw. erzeugt werden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass ein anderes Material, dessen ferroelektrische Eigenschaften und Beständigkeit bei Polarisationsumkehr hervorragend sind, entwickelt wird. Weiterhin wird im Fall der Anwendung auf eine integrierte Vorrichtung eine feingekörnte Dünnschicht, die einer Feinherstellung entspricht, benötigt.
Bi-beschichtete Oxidmaterialien, wie SrBi₂Ta₂O₉ haben als Materialien mit ermüdungsfreien Eigenschaften Interesse geweckt. Eine Dünnschicht aus SrBi₂Ta₂O₉ wird durch ein MOD-Verfahren hergestellt. Das MOD-Verfahren ist ein Verfahren zur Bildung eines Films einschließlich der folgenden Verfahren. Und zwar werden, wie im Sol-Gel-Verfahren, metallorganische Rohmaterialien gemischt, so dass eine feste Filmzusammensetzung erhalten wird, und eine Rohmateriallösung, dessen Konzentration und Viskosität eingestellt sind, wird zur Anwendung hergestellt. Ein Substrat wird mit der hergestellten Rohmateriallösung spinbeschichtet und das Substrat wird getrocknet. Um das organische Element und Lösungsmittel zu entfernen, wird dann das Substrat zur Bildung eines amorphen Films erwärmt. Diese Verfahren werden wiederholt, bis die benötigte Filmdicke erhalten wird und schließlich wird das Substrat durch Sintern kristallisiert. Deshalb wird die Filmdicke durch Einstellen der Dicke einer einmal aufgebrachten Schicht kontrolliert (siehe Extended Abstracts (55th Autumn Meeting (1994): The Japan Society of Applied Physics, 20P-M-19).
Das ernsthafteste Problem der SrBi₂Ta₂O₉-Dünnschichtbildung ist, dass, da die Sintertemperatur sehr hoch ist, nämlich 750°C bis 800°C, eine lange Sinterzeit, nämlich länger als eine Stunde, benötigt wird. Bei solch einem Herstellungsverfahren, wenn die Verfahren, wie Filmbildung und Wärmebehandlung, für eine lange Zeit bei einer Temperatur von nicht weniger als 650°C durchgeführt werden, findet eine gemeinsame Diffusionsreaktion zwischen einer Platinmetallelektrode als Substrat und den Ferroelektrika sowie Reaktionen zwischen Silicium oder oxidiertem Silicium unter der Erdungselektrode und der Elektrode oder den Ferroelektrika statt. Außerdem verändert sich die Filmzusammensetzung aufgrund des Verdampfens eines Elements der Zusammensetzung aus der ferroelektrischen Dünnschicht und deshalb wird die Anwendung auf das tatsächliche Vorrichtungsherstellungsverfahren schwierig. Außerdem, da zur Zeit lediglich ein Film erhalten wird, dessen Oberflächenmorphologie aus einer großen Körnergröße von ca. 0,3 μm zusammengesetzt ist, kann der Film nicht auf Submikrometer Feinherstellung angewendet werden, was für die Entwicklung hochintegrierter Vorrichtungen notwendig ist. Außerdem tritt im Fall beschichteter Filme, da das Beschichtungsverfahren nachteilig für eine schrittweise Verdickung verschiedener Schritte ist, dort das Problem des Unterbrechens einer Leitung, usw. auf. Deshalb sind bei SrBi₂Ta₂O₉ seine ferroelektrischen Eigenschaften und seine ermüdungsfreien Eigenschaften hervorragend, aber es besitzt noch stets ein ernsthaftes Problem zur Anwendung bei Vorrichtungen.
Außerdem, um die hohe Integration ferroelektrischer, nicht-volatiler Speicher zur Zeit zu realisieren, wurde die Verwendung eines polykristallinen Siliciumsteckers zur Verdrahtung zwischen einem MOS-Transistor und einem ferroelektrischen Kondensator untersucht, aber im Fall, wo eine ferroelektrische Dünnschicht durch ein Langzeit- und Hochtemperaturverfahren, wie für SrBi₂Ta₂O₉ verwendet, hergestellt wird, tritt ein Problem auf, dass seine Eigenschaften verschlechtert werden, aufgrund der Gegendiffusion zwischen dem zum Verkabeln verwendeten polykristallinen Silicium und der ferroelektrischen Dünnschicht. Um solch ein Problem zu lösen, wird eine Struktur, bei der verschiedene Diffusionsbarriereschichten eingefügt sind, untersucht, aber sogar in solch einer Struktur ist die Grenze der Bildungstemperatur der ferroelektrischen Dünnschicht bis zu 650°C und bei einem anderen Kurzzeiterwärmungs-Behandlungsverfahren ist die erlaubte Grenze bis zu ca. 700°C. Jedoch werden zur Zeit für eine ferroelektrische Dünnschicht aus SrBi₂Ta₂O₉ usw. im allgemeinen, wenn die Filmbildungstemperatur höher ist, die ferroelektrischen Eigenschaften sowie die Kristallinität verbessert. Deshalb verschlechtern sich, wenn die Filmbildungstemperatur erniedrigt wird, die Kristallinität und die ferroelektrischen Eigenschaften, so dass es schwierig ist, sowohl eine Verbesserung der ferroelektrischen Eigenschaften als auch eine niedrige Filmbildungstemperatur für eine ferroelektrische Dünnschicht zu erzielen.
Andererseits ist ein Beispiel eines ferroelektrischen Oxids ohne Pb, das einen schlechten Einfluss auf den Leckstrom und den Widerstand gegen Polarisationsumkehr ausübt, Bi₄Ti₃O₁₂ mit einer Perovskitschichtstruktur. Bi₄Ti₃O₁₂ ist ein Ferroelektrikum mit einer Perovskitschichtstruktur, dessen Anisotropie stark ist (orthorhombisches System/Gitterkonstanten: a = 5,411 Å, b = 5,448 Å, c = 32,83 Å), und die Ferroelektrizität seines Monokristalls besitzt die größte spontane Polarisation unter obigen Bi-Oxid-Ferroelektrika in der a-Achsenrichtung, in der die remanente spontane Polarisation Pr 50 μC/cm² ist, und ein elektrisches Koerzivfeld Ec von 50 kV/cm, so dass Bi₄Ti₃O₁₂ hervorragende Eigenschaften zeigt. Um die große spontane Polarisation von Bi₄Ti₃O₁₂ einem ferroelektrischen, nicht-volatilen Speicher, usw. zu verleihen, ist es deshalb wünschenswert, dass Bi₄Ti₃O₁₂ einen großen Anteil a-Achsen-Zusammensetzung des Kristalls in der Richtung hat, die senkrecht zum Substrat ist.
Es wurden Versuche unternommen, Bi₄Ti₃O₁₂ Dünnschichten durch das MOCVD-Verfahren und das Sol-Gel-Verfahren herzustellen, aber diese Versuche führten überwiegend zu c-Achsen-orientierten Filmen, deren spontane Polarisation geringer als die a-Achsen-orientierter Filme ist. Außerdem wird im üblichen Sol-Gel-Verfahren eine Wärmebehandlung von nicht weniger als 650°C zum Erhalt der hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften benötigt, und es ist schwierig, da ihre Oberflächenmorphologie aus Kristallkörnern von ca. 0,5 μm zusammengesetzt ist, die Dünnschicht auf hoch integrierte Vorrichtungen anzuwenden, die Feinverarbeitung benötigen.
Unterdessen wurde eine Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit c-AChsen-Orientierung durch das MOCVD-Verfahren auf einem PT/SiO₂/Si-Substrat und einem Pt-Substrat bei einer Substrattemperatur von nicht weniger als 600°C gebildet, aber diese Substrate können nicht direkt auf eine derzeitige Vorrichtungsstruktur angewendet werden. Mit anderen Worten wird wie beim Pt/Ti/SiO₂/Si-Substrat eine Haftschicht, wie ein Ti-Film, zum Erhalt von Haftfestigkeit zwischen einer Pt-Elektrodenschicht und SiO₂ unter ihm benötigt. Jedoch wurde im Fall, wo die Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht durch das MOCVD-Verfahren auf dem Pt-Elektronensubstrat, auf dem solch eine Haftschicht bereitgestellt wurde, gebildet wurde, berichtet, dass ihre Filmoberflächenmorphologie aus groben Kristallkörnern zusammengesetzt ist, und man muss mit dem Auftreten einer Pyrochlorphase (Bi₂Ti₂O₇) rechnen (siehe Jpn. J. Appl. Phys., 32, 1993, Seite 4086 und J. Ceramic Soc. Japan, 102, 1994, Seite 512). Im Fall, dass die Filmoberflächenmorphologie aus groben Kristallkörnern zusammengesetzt ist, kann der Film nicht auf hochintegrierte Vorrichtungen angewendet werden, die Feinverarbeitungen notwendig machen, und ferner kann die dünne Schichtdicke zu einem Pinhole führen, wodurch ein Leckstrom erzeugt werden kann. Deshalb ist es mit solch einer konventionellen Technik schwierig, eine ferroelektrische Dünnschicht zu realisieren, die eine Dünnschichtdicke von nicht mehr als 200 nm aufweist und hervorragende ferroelektrische Eigenschaften besitzt.
Wie oben ausgeführt, kann bei der Anwendung einer ferroelektrischen Dünnschicht auf hochintegrierte Vorrichtungen obiger Stand der Technik keine ferroelektrische Dünnschicht bereitstellen, die verschiedene Bedingungen genügend erfüllt, wie Dichte und Ebenheit der für Feinarbeitung benötigten Dünnschichtoberfläche und einen niedrigen Leckstrom, große remanente spontane Polarisation, und ein Filmbildungsverfahren bei niedriger Temperatur.
US-A-5 390 072 betrifft einen Dünnschichtkondensator mit einer amorphen Schicht eines dielektrischen Materials, gebildet auf der Oberfläche einer polykristallinen Schicht des dielektrischen Materials.
Japanische J. Appl. Phys., Band 32, Nr. 9B, 1993, Seiten 4086–4088 betrifft eine ferroelektrische Dünnschichtstruktur mit einer ferroelektrischen Schicht, gebildet auf einer Pufferschicht. Die ferroelektrische Schicht wird bei der gleichen oder einer höheren Temperatur als die Pufferschicht gebildet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist wünschenswert, ein mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtetes Substrat, bei dem eine ferroelektrische Dünnschicht mit einer dichten und ebenen Oberfläche, hervorragenden niedrigen Leckstromeigenschaften und genügend großer spontaner remanenter Polarisation bei einer niedrigen Temperatur hergestellt werden kann, und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung des mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats und ein Kondensatorstrukturelement unter Verwendung des mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats bereitzustellen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats gemäß Anspruch 1 bereit.
Falls die ferroelektrische Dünnschicht auf einer kristallinen Dünnschicht aus Kristallkörnern mit kleinem Teilchendurchmesser als ursprüngliche Nukleierungsschicht positioniert wird, dann kann, sogar wenn eine ferroelektrische Dünnschicht mit einer größeren Filmdicke bei einer Filmbildungstemperatur (Substrattemperatur), die geringer als die Filmbildungstemperatur (Substrattemperatur) der kristallinen Dünnschicht gebildet wird, eine genügende Ferroelektrizität aufgrund der Vererbung hervorragender Kristallinität der kristallinen Dünnschicht sichergestellt werden. Wenn die ferroelektrische Dünnschicht bei einer niedrigen Temperatur gebildet wird, kann außerdem verhindert werden, dass die die Dünnschicht ausmachenden Kristallkörner rau und groß werden, wodurch es möglich wird, eine dichte ferroelektrische Dünnschicht zu erhalten, deren Oberfläche eben ist.
Mit anderen Worten kann, wenn das erfindungsgemäße, mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtete Substrat angeordnet wird, so dass die ferroelektrische Dünnschicht mit genügender Filmdicke, damit sie Ferroelektrizität zeigt, angeordnet wird, auf einer aus Kristallkörnern mit einem geringeren Teilchendurchmesser zusammengesetzten kristallinen Dünnschicht angeordnet wird, die ferroelektrische Dünnschicht erhalten werden, die genügende Ferroelektrizität aufweist und hervorragende Ebenheit besitzt.
Außerdem wird beim erfindungsgemäßen, mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrat die Feinverarbeitung möglich, da die ferroelektrische Dünnschicht hervorragende Ebenheit und Dichte aufweist, und das Substrat kann für verschiedene, hochintegrierte Vorrichtungen vergewendet werden. Außerdem wird, wenn das Substrat für verschiedene Vorrichtungen einschließlich eines Kondensatorstrukturelements verwendet wird, die Herstellung von Pinholes verhindert, wodurch es möglich ist, die Leckstromeigenschaften zu verbessern.
Das erfindungsgemäße, mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtete Substrat wird hergestellt durch Bildung der kristallinen Dünnschicht auf dem Substrat bei einer Substrattemperatur, bei der Kristalle wachsen, und vorzugsweise mit dem MOCVD-Verfahren, gefolgt durch Bilden der ferroelektrischen Dünnschicht bei einer Substrattemperatur, die geringer als die Filmbildungstemperatur der kristallinen Dünnschicht ist. Dies rührt daher, dass da die Kristallkörner der ferroelektrischen Dünnschicht gewachsen werden durch Fungierenlassen der kristallinen Dünnschicht als ursprüngliche Kernschicht, nämlich Fungierenlassen der Kristallkörner der kristallinen Dünnschicht als Kern, eine ferroelektrische Dünnschicht, bei der genügende Ferroelektrizität erhalten bleibt und Ebenheit und Dichte hervorragend sind, erhalten werden kann.
Außerdem ist es wünschenswert, dass die Substrattemperatur beim Bilden der kristallinen Dünnschicht (erste Substrattemperatur) im Bereich von 450°C bis 650°C ist und die Substrattemperatur bei der Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht (zweite Substrattemperatur) im Bereich von 400°C bis 500°C ist (jedoch ist der Bereich von 450°C bis 500°C auf den Fall begrenzt, bei dem die zweite Substrattemperatur geringer als die erste Substrattemperatur ist).
Im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist die Substrattemperatur bei der Bildung der kristallinen Dünnschicht leicht höher, aber sie ist verglichen mit üblichen Verfahren ausreichend gering, und das Bildungsverfahren der kristallinen Dünnschicht benötigt eine kurze Zeit, da sie dünn sein kann. Deshalb gibt es einen geringen Effekt der Substrattemperatur.
Deshalb ist gemäß dem Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen, mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats, da die ferroelektrische Dünnschicht während beinahe des gesamten Verfahrens bei sehr niedriger Temperatur hergestellt wird, das Substrat auf eine hochintegrierte Vorrichtung anwendbar, die mit einer Vielzahl an Elementen versehen ist, ohne andere Elemente zu beschädigen, und ferner kann der Freiheitsgrad beim Design bemerkenswert verbessert werden.
Für ein weitergehendes Verständnis der Natur und Vorteile der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Anordnung eines Kondensatorstrukturelements unter Verwendung eines gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats zeigt.
2 ist eine Fotografie, die das Ergebnis der Untersuchung der Oberfläche einer ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht der ersten Ausführungsform mit SEM (Rasterelektronenmikroskop) zeigt.
3 ist eine Zeichnung, die die mit Röntgendiffraktion beobachteten Ergebnisse einer Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht zeigt, bei der es sich um eine ferroelektrische Dünnschicht obigen, mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats handelt.
4 ist eine Darstellung, die eine ferroelektrische Hysteresekurve des Kondensatorstrukturelements zeigt.
5 ist eine Darstellung, die die angelegte Spannungsabhängigkeit der Leckstromdichte eines Kondensatorstrukturelements zeigt.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Das Folgende beschreibt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1 bis 5.
1 ist eine Zeichnung, die eine Anordnung eines Kondensatorstrukturelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, ist das Kondensatorstrukturelement so angeordnet, dass eine Siliciumoxid(SiO₂)schicht 2, eine Haftschicht 3, eine untere Elektrode 4, eine kristalline Dünnschicht 5, eine ferroelektrische Dünnschicht 6 und eine obere Elektrode 7 auf einem Silicium(Si)substrat 1 in dieser Reihenfolge gebildet werden.
In der ersten Ausführungsform wird ein Siliciummonokristallwafer als Siliciumsubstrat 1 verwendet und wird eine Siliciumoxiddünnschicht erhalten durch thermisches Oxidieren der Oberfläche des Siliciummonokristallwafers als SiO₂-Schicht 2 verwendet.
Außerdem werden eine Tantal(Ta)dünnschicht als Haftschicht 3, eine Platin(Pt)dünnschicht als untere Elektrode 4, eine Wismut-Titanat-Dünnschicht als kristalline Dünnschicht 5, eine Wismut-Titanat-Dünnschicht als ferroelektrische Dünnschicht 6 und eine Platin(Pt)dünnschicht als obere Elektrode 7 verwendet.
Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren des Kondensatorstrukturelements der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform gezeigt.
Zuerst wird ein Herstellungsverfahren eines Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrats beschrieben. Die Oberfläche des Siliciummonokristallwafers (100) als Siliciumsubstrat 1 wird thermisch oxidiert, so dass die SiO₂-Schicht 2 mit einer Dicke von 200 nm gebildet wird. Dann werden die Ta-Dünnschicht als Haftschicht 3 und die Pt-Dünnschicht als untere Elektrode durch ein Sputteringverfahren gebildet, so dass sie eine Dicke von 30 nm bzw. 200 nm aufweisen.
Die Materialien und die Filmdicken sind hier nicht notwendigerweise auf die Ausführungsform eingeschränkt. Zum Beispiel können ein polykristallines Siliciumsubstrat, ein GaAs-Substrat, usw. anstelle des Siliciummonokristallsubstrats verwendet werden. Die Haftschicht 3 verhindert das Ablösen eines Films aufgrund der Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Substrat und der unteren Elektrode 4 während der Filmbildung, und ihre Dicke kann jeden Wert annehmen, solange sie das Ablösen des Films verhindert. Außerdem kann Titan (Ti) usw. anstelle von Ta als Material dieses Films verwendet werden, aber in der vorliegenden Ausführungsform ist die Verwendung von Ta wünschenswert, da die Verwendung von Ti zu einer Legierung aus Ti und Pt führt. Ferner wird die als Isolationsschicht verwendete SiO₂-Schicht nicht notwendigerweise durch thermische Oxidation gebildet, so dass ein SiO₂-Film, ein Siliciumnitridfilm, usw., die durch das Sputterverfahren, ein Vakuumdampfverfahren, ein MOCVD-Verfahren usw. gebildet werden, verwendet werden können, und ihre Materialien und Filmdicken können alle Werte annehmen, solange sie eine genügende Isolation bereitstellen.
Außerdem kann die untere Elektrode 4 jede Filmdicke annehmen, solange sie als Elektrodenschicht wirkt. Sie ist nicht notwendigerweise auf Pt eingeschränkt, und es kann sich dabei um jedes leitende Material handeln, das üblicherweise als Elektrodenmaterial verwendet wird, so dass das Material geeignet ausgewählt werden kann gemäß dem Verhalten mit anderen Dünnschichten. Außerdem ist das Filmbildungsverfahren zur Bildung der unteren Elektrode 4 nicht notwendigerweise auf das Sputterverfahren eingeschränkt, so dass sie durch übliche Dünnschichtbildungsverfahren, wie Vakuumdampfverfahren, hergestellt werden kann. Außerdem ist die Struktur der Substrate nicht notwendigerweise auf obige eingeschränkt.
Der Teilchendurchmesser der Kristallkörner, die die Wismut-Titanat-Dünnschicht ausmachen, und ihre Kristallinität mit Bezug auf die Temperatur des auf obige Weise hergestellten Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrats wurden untersucht, während die als kristalline Dünnschicht 5 zu verwendende Wismut-Titanat-Dünnschicht durch das MOCVD-Verfahren in der vorliegenden Ausführungsform gebildet wurde.
Die Temperatur des Substrats (Filmbildungstemperatur) wurde zu 400°C, 450°C, 500°C, 550°C, 600°C und 650°C variiert und die Wismut-Titanat-Dünnschicht als kristalline Dünnschicht wurde auf dem Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat durch das MOCVD-Verfahren unter den wie in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen gebildet, zum Erhalt einer Filmdicke von 100 nm.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde, wenn die Wismut-Titanat-Dünnschicht gebildet wurde, Tri-o-tolylwismut (Bi(o-C₇H₇)₃) als Wismut-Ausgangsmaterial und Titan (IV)-tetra-i-propoxid (Ti(i-OC₃H₇)₄) als Titanausgangsmaterial verwendet und diese Ausgangsmaterialien wurden jeweils erwärmt und verdampft, so dass sie die in Tabelle 1 gezeigten Temperaturen erreichten (Wismut-Ausgangsmaterial: 160°C, Titan-Ausgangsmaterial: 50°C). Dann wurden sie in eine Filmbildungskammer zusammen mit Argon (Ar)-Gas als Trägergas und gasförmigem Sauerstoff (O₂) als Reaktionsgas zugeführt. Hier betrug die Fließrate des Ar-Gases 200 sccm mit Bezug auf das Bi-Ausgangsmaterial und 100 sccm mit Bezug auf das Ti-Ausgangsmaterial. Die Fließrate des O₂-Gases betrug 1000 sccm. Im Filmbildungsprozess, wenn der Gasdruck in der Filmbildungskammer über 10 Torr ist, kann eine Gasphasenreaktion auftreten, so dass der Gasdruck 5 Torr betrug.
Der Teilchendurchmesser der Kristallkörner und die Kristallinität in auf obige Weise gebildeter Wismut-Titanat-Dünnschicht wurden durch AFM (Raster-Kraft-Mikroskopie) und Röntgendiffraktion untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Hier wurde der Durchmesser der Kristallkörner aus der unregelmäßigen Form der Dünnschichtoberfläche durch die AFM-Messung erhalten. Gemäß Tabelle 2 wird, wenn die Filmbildungstemperatur (Substrattemperatur) ansteigt, der Durchmesser der Kristallkörner größer.
Tabelle 2
In der vorliegenden Ausführungsform wird die kristalline Dünnschicht 5 als Ausgangs-Nukleierungsschicht für die ferroelektrische Dünnschicht 6 verwendet, nämlich die die kristalline Dünnschicht 5 ausmachenden Kristallkörner werden als Ausgangskörner für die die ferroelektrische Dünnschicht 6 ausmachenden Kristallkörner verwendet. Als Ergebnis ist gemäß Tabelle 2 die Dünnschicht erfolgreich, die eine Kristallinität zeigt und eine Substrattemperatur von nicht weniger als 450°C aufweist. Um einen großen Wert der remanenten Polarisation in der auf der kristallinen Dünnschicht 5 zu bildenden ferroelektrischen Dünnschicht 6 zu erhalten, ist Ferroelektrizität zeigendes Bi₄Ti₃O₁₂ gegenüber Paraelektrizität zeigender Pyrochlorphase Bi₂Ti₂O₇ bevorzugt. Da die statistische Orientierung, die eine Zusammensetzung mit a-Achsen-Orientierung einschließt, die einen großen Wert der remanenten Polarisation zeigt, gegenüber der c-Achsen-Orientierung bevorzugt ist, wurde außerdem in der ersten Ausführungsform in Bi₄Ti₃O₁₂, die Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht bei einer Substrattemperatur von 600°C als kristalline Dünnschicht 5 gebildet.
Außerdem wurden Wismut-Titanat Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschichten mit Dicken von 5 nm, 10 nm, 25 nm, 50 nm und 100 nm auf dem Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat bei einer Substrattemperatur von 600°C unter Filmbildungsbedingungen hergestellt, die die gleichen wie beim MOCVD-Verfahren sind. Die Ebenheit der Dünnschichtoberflächen wurde auch untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, wird die Größe der Kristallkörner größer, wenn die Filmdicke größer wird.
Tabelle 3
Um hervorragende Ebenheit und Dichte der ferroelektrischen Dünnschicht 6 in der vorliegenden Ausführungsform zu erhalten, ist die Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit einer Filmdicke von 5 nm, nämlich dem kleinsten Teilchendurchmesser von 5 nm, als kristalline Dünnschicht 5 bevorzugt.
Gemäß diesen Ergebnissen wurde in der ersten Ausführungsform die Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit einer Filmdicke von 5 nm, die mit dem MOCVD-Verfahren bei einer Substrattemperatur von 600°C hergestellt wurde, als kristalline Dünnschicht 5 verwendet.
Nachdem die Bi₄Ti₃O₁₂-kristalline Dünnschicht 5 mit einer Filmdicke von 5 nm auf dem Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat bei einer Substrattemperatur von 600°C durch das MOCVD-Verfahren gebildet wurde, wurde die ferroelektrische Dünnschicht 6 auf der Bi₄Ti₃O₁₂-kristallinen Dünnschicht 5 gebildet. In der ersten Ausführungsform wurde eine Dünnschicht, die aus Wismut-Titanat-Bi₄Ti₃O₁₂, zusammengesetzt aus den gleichen Elementen wie die als kristalline Dünnschicht 5 verwendete Wismut-Titanat-Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht, hergestellt ist, als ferroelektrische Dünnschicht 6 verwendet. Wenn die ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht gebildet wurde, wurde das MOCVD-Verfahren verwendet, und die Filmbildungsbedingungen waren genau die gleichen wie bei obiger Bi₄Ti₃O₁₂-kristallinen Dünnschicht, außer für die Substrattemperatur. Die Substrattemperatur betrug 400°C, was geringer ist als die Substrattemperatur von 600°C für die Bi₄Ti₃O₁₂-kristalline Dünnschicht. Die ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht, mit einer Filmdicke von 95 nm, wurde unter den obigen Bedingungen gebildet. Deshalb wird die Gesamtfilmdicke der Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht, nämlich die kristalline Dünnschicht 5 und die ferroelektrische Dünnschicht 6 in der ersten Ausführungsform 100 nm. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die zum Bilden der Bi₄Ti₃O₁₂-kristallinen Dünnschicht benötigte Zeit ca. 2 Minuten und die zum Bilden der ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht benötigte Zeit ca. 1 Stunde.
Anschließend wurde die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit dem AFM untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Teilchendurchmesser der Kristallkörner 50 nm beträgt, und er war größer als der Teilchendurchmesser (5 nm) der kristallinen Dünnschicht 5. Zum Vergleich wurde eine Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit einer Filmdicke von 100 nm durch das MOCVD-Verfahren bei einer Substrattemperatur von 600°C gebildet. Hier waren die Filmbildungsbedingungen die gleichen wie diejenigen in der vorliegenden Ausführungsform, außer für die Substrattemperatur. Als Ergebnis wird der Teilchendurchmesser der Dünnschicht 300 nm und es zeigte sich, dass der Teilchendurchmesser der Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht der vorliegenden Ausführungsform auf 1/6 der Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht ohne kristalline Dünnschicht 5 vermindert wurde.
Außerdem sind die Untersuchungsergebnisse der Oberfläche der ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht der vorliegenden Ausführungsform durch SEM (Rasterelektronenmikroskop) in 2 gezeigt. Gemäß 2 wird eine dichte und ebene Dünnschicht erhalten, und dies stimmt mit den Messergebnissen durch AFM überein.
Untersuchungsergebnisse der Kristallinität der ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht in der vorliegenden Ausführungsform mit Röntgendiffraktion sind in 3 gezeigt.
In 3 entspricht die vertikale Achse der Intensität der Röntgendiffraktion und die horizontale Achse dem Diffraktionswinkel 2θ (Grad). (00l) (l ist eine ganze Zahl) entspricht dem Diffraktionspeak aufgrund der c-Achsen-Orientierung von Bi₄Ti₃O₁₂ und (200) entspricht dem Diffraktionspeak aufgrund der a-Achsen-Orientierung von Bi₄Ti₃O₁₂. (111), (117), (220), (2014) bzw. (137) entsprechen den Diffraktionspeaks aufgrund der statistischen Orientierung einschließlich der a-Achsen-Zusammensetzung von Bi₄Ti₃O₁₂, der Diffraktionspeak von Pt (111) in der Nähe von 2θ = 40° (Grad) kommt vom Pt der unteren Elektrode 4.
Gemäß dem Muster der Röntgendiffraktion in 3 wurde Bi₄Ti₃O₁₂, worin die a-Achsen-Orientierung, die c-Achsen-Orientierung und die statistische Orientierung vermischt sind, nämlich das eine statistische Orientierungs-Zusammensetzung aufweist, als ferroelektrische Dünnschicht 6 der vorliegenden Ausführungsform gebildet. Als Ergebnis bestätigte sich, dass die ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit der statistischen Orientierung auf der Bi₄Ti₃O₁₂-kristallinen Dünnschicht mit der statistischen Orientierung in der ersten Ausführungsform gebildet wurde.
Zum Vergleich wurde das Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat, das das gleiche wie die erste Ausführungsform ist, verwendet und die Wismut-Titanat-Dünnschicht wurde direkt auf Pt unter den gleichen Bedingungen (Substrattemperatur von 400°C) wie obige ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht gebildet. Die gebildete Wismut-Titanat-Dünnschicht zeigt eine amorphe Struktur. Nämlich, anders als bei der vorliegenden Ausführungsform, war in der Dünnschicht, bei der obige kristalline Dünnschicht gebildet wurde, die Wismut-Titanat-Dünnschicht nicht kristallisiert und die amorphe Struktur wurde erhalten. Dies verdeutlicht, dass die kristalline Dünnschicht 5 der vorliegenden Ausführungsform die Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht 6, die eine Kristallinität bei der sehr niedrigen Substrattemperatur von 400°C zeigt, bei der die Wismut-Titanat-Dünnschicht üblicherweise nicht kristallisiert ist, ermöglicht. Die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform werden erzeugt, da die ferroelektrische Dünnschicht 6 den Kristallzustand von der kristallinen Dünnschicht 5 übernimmt und das Kristallwachstum fördert.
Die Bi₄Ti₃O₁₂-kristalline Dünnschicht und die ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht werden nacheinander auf dem Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat gebildet und eine Pt-Elektrode (100 μm²) als obere Elektrode wurde darauf durch Vakuumdampfverfahren gebildet, so dass ein in 1 gezeigtes Kondensatorstrukturelement hergestellt wurde.
Hier kann die hergestellte obere Elektrode 7 ebenso jede Filmdicke annehmen, solange sie als eine Elektrode, wie die untere Elektrode 2 wirkt, und ihr Material ist nicht notwendigerweise auf Pt eingeschränkt, so dass jedes üblicherweise als Elektrodenmaterial verwendete leitende Material verwendet werden kann. Außerdem kann als Filmbildungsverfahren das Sputterverfahren sowie das Vakuum-Dampfverfahren verwendet werden.
Eine Spannung wurde an die in 1 gezeigte untere Elektrode 4 und die obere Elektrode 7 angelegt, und die ferroelektrischen Eigenschaften des Kondensatorstrukturelements der vorliegenden Ausführungsform wurden untersucht. Das Resultat ist durch in 4 gezeigte ferroelektrische Hysteresekurve dargestellt. Mit anderen Worten, wenn eine Spannung von 3 V angelegt wird, zeigt das Kondensatorstrukturelement in der vorliegenden Ausführungsform die Eigenschaften einer großen spontanen remanenten Polarisation von 9 μC/cm² und ein elektrisches Koerzivfeld Ec von 140 kV/cm, obwohl die Gesamtfilmdicke der Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschichten sehr dünn, nämlich 100 nm war. Dieser Wert der spontanen remanenten Polarisation Pr ist nicht geringer als zweimal so groß wie die Pr von 4 μC/cm² in der c-Achsenrichtung, die im Bi₄Ti₃O₁₂-Monokristall (Volumen) erhalten wird.
Ein Grund, dass das Kondensatorstrukturelement in der vorliegenden Ausführungsform die große spontane remanente Polarisation Pr von 9 μC/cm² ergibt, ist wie folgt. Der Wert von Pr in der a-Achsenrichtung des Bi₄Ti₃O₁₂ ist nämlich größer als der Wert in der c-Achsenrichtung und das ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂ mit statistischer Orientierung wird durch Untersuchung mit Röntgendiffraktion in der vorliegenden Ausführungsform nachgewiesen. Deshalb trägt die a-Achsen-Orientierungs-Zusammensetzung des Bi₄Ti₃O₁₂-Ferroelektrikums zu einem großen Teil zur großen spontanen remanenten Polarisation bei.
Außerdem wurde in dem Kondensatorstrukturelement in der vorliegenden Ausführungsform eine Leckstromdichte Il gemessen und das Ergebnis ist in 5 gezeigt. Wenn eine Spannung von 3 V angelegt wird, besaß die Leckstromdichte Il einen sehr kleinen und vorteilhaften Wert von 8 × 10^–9 A/cm², obwohl die gesamte Filmdicke der Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht 100 nm betrug, was sehr dünn ist. Dies rührt daher, dass, wie oben erwähnt, die ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht, mit hervorragender Ebenheit die Erzeugung von Pinholes unterdrückt, und die Leckstromeigenschaften können stark gefördert werden.
Im folgenden ist die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Hier sind zur Erleichterung der Erläuterung diejenigen Mitglieder, die die gleiche Anordnung und Funktion wie in obiger Ausführungsform 1 beschrieben besitzen, durch die gleichen Bezugszeichen angedeutet und die Beschreibung davon ist weggelassen.
In der zweiten Ausführungsform wurde eine Bi₂Ti₂O₇ (Pyrochlorphase)-Dünnschicht als kristalline Dünnschicht 5 verwendet, und eine aus den gleichen Elementen wie diejenigen der kristallinen Dünnschicht 5 zusammengesetzte ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht wurde als ferroelektrische Dünnschicht 6 verwendet.
Zur Herstellung einer Probe in der zweiten Ausführungsform wurde die Bi₂Ti₂O₇-Dünnschicht mit einer Dicke von 5 nm und eine ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht mit einer Filmdicke von 95 nm nacheinander auf dem Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat durch das MOCVD-Verfahren unter genau den gleichen Bedingungen wie denen der Ausführungsform 1 gebildet, außer dass die Substrattemperatur von 600°C zur Zeit der Bildung der Bi₄Ti₃O₁₂-kristallinen Dünnschicht in der ersten Ausführungsform auf eine Substrattemperatur von 450°C verändert wurde. In der zweiten Ausführungsform betrug die zum Bilden der Bi₂Ti₂O₇-kristallinen Dünnschicht benötigte Zeit 4 Minuten und die zum Bilden der ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht benötigte Zeit betrug ca. 1 Stunde, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform.
Wenn die Oberfläche der ferroelektrischen Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht in der zweiten Ausführungsform durch SEM untersucht wurde, wurde eine dichte Dünnschicht, deren Ebenheit hervorragend ist, wie in der ersten Ausführungsform erhalten. Außerdem sind gemäß der Untersuchung durch Röntgendiffraktion in der zweiten Ausführungsform die Fraktionsmuster der Bi₂Ti₂O₇-Pyrochlorphase und der Bi₄Ti₃O₁₂-Perovskitphase gezeigt. Dies rührt daher, dass die Bi₂Ti₂O₇-kristalline Dünnschicht (Pyrochlorphase) als eine anfängliche Nukleierungsschicht fungiert, und die Bi₄Ti₃O₁₂-Perovskitphase wächst als auf der Bi₂Ti₂O₇-kristallinen Dünnschicht gewachsene ferroelektrische Bi₄Ti₃O₁₂-Dünnschicht.
Hier betrug in der ersten oder zweiten Ausführungsform die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der kristallinen Dünnschicht 5 mit dem MOCVD-Verfahren 600 oder 450°C, und die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht 6 betrug 400°C, aber die Substrattemperaturen sind nicht notwendigerweise auf diese Werte beschränkt. Mit anderen Worten, wenn die kristalline Dünnschicht 5 und die ferroelektrische Dünnschicht 6 unter den Bedingungen gebildet wurden, dass die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der kristallinen Dünnschicht im Bereich von 450 bis 600°C war, die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht 6 im Bereich von 400 bis 500°C war und die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht niedriger als die Substrattemperatur zur Zeit der Bildung der kristallinen Dünnschicht war, dann wurde ein zufriedenstellendes Ergebnis ähnlich wie in der ersten und zweiten Ausführungsform erhalten.
In der ersten oder zweiten Ausführungsform war die Filmdicke der kristallinen Dünnschicht 5 5 nm und die Filmdicke der ferroelektrischen Dünnschicht 6 95 nm, aber sie sind nicht notwendigerweise auf diese Werte eingeschränkt. Deshalb, wenn die Filmdicke der kristallinen Dünnschicht 5 im Bereich von 5 bis 10 nm ist und die Filmdicke der ferroelektrischen Dünnschicht 6 im Bereich von 5 bis 300 nm ist, können die Wirkungen der vorliegenden Erfindung genügend erhalten werden.
In jeder Ausführungsform wurde Bi₄Ti₃O₁₂ als Material des ferroelektrischen Materials verwendet, aber das Material ist nicht notwendigerweise auf dieses eingeschränkt. Deshalb können SrBi₂Nb₂O₉, SrBi₂Ta₂O₉, BaBi₂Ta₂O₉, PbBi₂Nb₂O₉, PbBi₂Ta₂O₉, SrBi₄Ti₄O₁₅, BaBi₄Ti₄O₁₅, PbBi₄Ti₄O₁₅, Na_0,5Bi_4,5Ti₄O₁₅, K_0,5Bi_4,5Ti₄O₁₅, Sr₂Bi₄Ti₅O₁₈, Ba₂Bi₄Ti₅O₁₈, Pb₂Bi₄Ti₅O₁₈ usw. die Bi-ferroelektrischen Materials mit der gleichen Perovskit-Schichtstruktur sind, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Außerdem können neben obigen Materialien auch PZT, PLZT, SrTiO₃ (STO), Ba_1–xSr_xTiO₃ (BST) in der vorliegende Erfindung als Materialien der ferroelektrischen Schicht verwendet werden.
In jeder Ausführungsform verwendet das Kondensatorstrukturelement das Pt/Ta/SiO₂/Si-Substrat als Substrat, aber dieses Substrat ist nicht notwendigerweise darauf eingeschränkt. Zum Beispiel kann das Kondensatorstrukturelement so angeordnet sein, dass ein integrierter Schaltkreis auf einem Si- oder GaAs-Substrat gebildet wird, die Oberfläche des integrierten Schaltkreises mit einem Isolationsfilm aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid, usw. bedeckt wird, eine Elektrodenschicht, die mit einem Element des integrierten Schaltkreises über ein auf einem Teil des Isolationsfilms gebildetes Kontaktloch elektrisch verbunden ist, auf dem Isolationsfilm gebildet wird, und die ferroelektrische Dünnschicht der vorliegenden Erfindung auf der Elektrodenschicht gebildet wird. Mit anderen Worten ist die vorliegende Erfindung auch auf ein integriertes Schaltkreiselement anwendbar, das elektrisch mit einem Element eines integrierten Schaltkreises verbunden ist, das die Kondensatorstruktur der obigen Ausführungsformen, wie eine Transistorstruktur, hat und verschiedene hochintegrierte Vorrichtungen anwendbar.
Da das mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtete Substrat in jeder Ausführungsform eine ferroelektrische Dünnschicht mit zufriedenstellender Ebenheit und Dichte, die genügende ferroelektrische Eigenschaften besitzt, realisieren kann, selbst wenn die Filmdicke 100 nm (d. h. extrem dünn) beträgt, können die Leck-Stromeigenschaften stark verbessert. werden. Außerdem erlaubt das mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichtete Substrat verschiedene Feinverfahren und es kann für hochintegrierte Vorrichtungen verwendet werden.
Da das Herstellungsverfahren der ferroelektrischen Dünnschicht gemäß jeder Ausführungsform es erlaubt, die ferroelektrische Dünnschicht mit zufriedenstellender Kristallinität bei einer geringen Temperatur von 400°C, wie oben erwähnt, zu bilden, kann die ferroelektrische Dünnschicht außerdem für hochintegrierte Vorrichtungen verwendet werden. Da übliche Filmbeschichtungs- und Bildungsverfahren, wie das MOD-Verfahren und das Sol-Gel-Verfahren nicht verwendet werden, sondern das MOCVD-Verfahren verwendet wird, kann außerdem eine ferroelektrische Dünnschicht mit einer großen Fläche und genügender Kontrollierbarkeit der Filmdicke mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, wodurch es möglich wird, die Produktivität stark zu verbessern.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einer ferroelektrischen Dünnschicht beschichteten Substrats, umfassend: einen ersten Schritt zur Bildung einer kristallinen Dünnschicht (5) auf einem Substrat (1) bei einer ersten Substrattemperatur, bei der Kristalle wachsen; und einen zweiten Schritt zur Bildung einer kristallinen ferroelektrischen Dünnschicht (6) auf der kristallinen Dünnschicht (5) bei einer zweiten Substrattemperatur, die geringer als die erste Substrattemperatur ist.
Verfahren gemäss Anspruch 1, worin: der erste Schritt das Erwärmen des Substrats (1) auf eine erste Substrattemperatur und Bilden der kristallinen Dünnschicht (5) auf dem Substrat durch ein MOCVD-Verfahren beinhaltet, der zweite Schritt das Halten des Substrats (1) auf der zweiten Substrattemperatur und Bilden der ferroelektrischen Dünnschicht (6) auf der kristallinen Dünnschicht (5) durch das MOCVD-Verfahren beinhaltet.
Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin: die erste Substrattemperatur im Bereich von 450 bis 650°C ist, die zweite Substrattemperatur im Bereich von 400 bis 500°C ist.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend das Bilden der Filme, so dass der Teilchendurchmesser der Kristallkörner der kristallinen Dünnschicht (5) kleiner als der Teilchendurchmesser der Kristallkörner der ferroelektrischen Dünnschicht (6) ist.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Filmdicke der kristallinen Dünnschicht (5) kleiner als die Filmdicke der ferroelektrischen Dünnschicht (6) ist.
Verfahren gemäss Anspruch 5, worin: die Filmdicke der kristallinen Dünnschicht (5) im Bereich von 5 bis 10 nm ist, die Dicke der ferroelektrischen Dünnschicht (6) im Bereich von 5 bis 300 nm ist.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin mindestens eines der Elemente der kristallinen Dünnschicht (5) das gleiche wie eines der Elemente der ferroelektrischen Dünnschicht (6) ist.
Verfahren gemäss Anspruch 7, worin die kristalline Dünnschicht (5) aus Wismuttitanat zusammengesetzt ist und die ferroelektrische Dünnschicht (6) aus Wismuttitanat zusammengesetzt ist.
Verfahren gemäss Anspruch 8, worin die kristalline Dünnschicht (5) und die ferroelektrische Dünnschicht (6) aus Bi₄Ti₃O₁₂ mit einer Zufallsorientierung einschliesslich einer a-Achsen-Orientierung bestehen.
Verfahren gemäss Anspruch 8, worin die kristalline Dünnschicht (5) aus Bi₂Ti₂O₇ besteht und die ferroelektrische Dünnschicht (6) aus Bi₄Ti₃O₁₂ besteht.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin die ferroelektrische Dünnschicht (6) zusammengesetzt ist aus einem Bi-ferroelektrischen Material mit einer Perovskitschichtstruktur.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die ferroelektrische Dünnschicht (6) zusammengesetzt ist aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe aus PZT, PLZT, SrTiO₃ und Ba_1–xSr_xTiO₃.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner umfasst: den Schritt zur Bildung eines Kondensatorstrukturelements durch Bildung einer unteren Elektrode (4), bestehend aus einem leitenden Material, zwischen dem Substrat (1) und der kristallinen Dünnschicht (5); und Bilden einer oberen Elektrode (7), bestehend aus einem leitenden Material, auf der ferroelektrischen Dünnschicht (6).