JP2000144419A - 誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

誘電体薄膜の製造方法

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JP2000144419A
JP2000144419A JP10322332A JP32233298A JP2000144419A JP 2000144419 A JP2000144419 A JP 2000144419A JP 10322332 A JP10322332 A JP 10322332A JP 32233298 A JP32233298 A JP 32233298A JP 2000144419 A JP2000144419 A JP 2000144419A
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thin film
dielectric thin
dielectric
substrate
deposition
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JP10322332A
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Hiroshi Ichikawa
洋 市川
Kenji Iijima
賢二 飯島
Hiroshi Sakakima
博 榊間
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基体に薄膜堆積中、または堆積終了後、前記薄
膜にエネルギービームをパルス状に照射することによ
り、薄膜中の結晶粒のサイズを微小化し、緻密化して、
強誘電特性が良く、漏れ電流密度も小さく素子寿命も長
い誘電体薄膜の製造方法を提供する。 【解決手段】ホルダー1に設置された基体2上に、所望
の誘電体薄膜と同じ構成元素からなるスパッタターゲッ
ト3をアルゴンイオンでスパッタして、薄膜を堆積させ
る。誘電体薄膜堆積時、または堆積後に、エネルギービ
ーム5を、シャッター6でチョッピングして照射する。
これによりパルス状のエネルギービームの照射が小さく
密なゲイン(grain)を生成し、薄膜中の結晶粒のサイズ
を微小化し、緻密化でき、強誘電特性が良く、漏れ電流
密度も小さく素子寿命も長くできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ICカード、移動体
通信機器用フィルター等のマルチメディアシステム等に
有用な強誘電体メモリー、集積化回路用誘電体フィルタ
ー等の素子に使われる誘電体薄膜の製造に関わるもので
ある。
【0002】
【従来の技術】メモリー用酸化物強誘電体薄膜は、構成
する金属元素を含んだ溶剤を、スピンコート法等で、基
体上に塗布した後、熱処理をする方法。加熱した基体上
に、薄膜を堆積するMOCVD法、スパッタ法で作製され
る。
【0003】しかし、基体上への薄膜塗布、堆積後に熱
処理をする方法では、熱処理温度が通常800℃以上と高
く、基体との界面での元素の相互拡散があり、薄膜の特
性を劣化させていた。また、MOCVD法でも、基体加熱温
度も800℃以上と高く、同様な問題があった。スパッタ
法等の物理蒸着法では、基体の加熱温度は比較的低い
が、プラズマで基体成分がゲッタリングされ、薄膜中に
混在して同じく優れた特性の薄膜を得るのが困難であっ
た。さらに、Bi系、Pb系をはじめとする強誘電体材料を
薄膜化して、DRAM等のメモリー素子として用いる場合、
薄膜中のgrain(結晶粒)サイズが小さい程良く、それ
らが密に詰まっているほど強誘電特性が良く、漏れ電流
密度も小さく素子寿命も長いことが知られている。薄膜
の加熱は、薄膜堆積時には、ヒーターで基体を一定の温
度に加熱して行われる。しかしながら、一定温度の加熱
では、薄膜材料が基体上へ供給される限り、グレイン(g
rain)が成長し続け、ほぼ薄膜の膜厚に等しいサイズに
までなっていた。さらに、基体温度を、300℃以下の低
温にして、非晶質の薄膜を形成した後、結晶性を得るた
めに熱処理を施しても、grainサイズは、直径で100nm以
上に成長してしまうか、または、数10nmと100nm程度のg
rainが混在した薄膜が限界であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来の
問題を解決するため、薄膜中の結晶粒のサイズを微小化
し、緻密化して、強誘電特性が良く、漏れ電流密度も小
さく素子寿命も長い誘電体薄膜の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、基体に薄膜
堆積中、または堆積終了後、前記薄膜にエネルギービー
ムをパルス状に照射することを特徴とする。この誘電体
薄膜の製造方法によれば、誘電体材料の結晶核が薄膜中
に形成され、粒径の小さい薄膜が作成でき、薄膜の誘電
性の電気特性が向上する。
【0006】また、前記本発明の誘電体薄膜の製造方法
においては、エネルギービームが、レーザー光、マイク
ロ波、イオンビーム、赤外線加熱から選ばれる少なくと
も一つのビームまたはこれらの組み合わせのものである
ことが好ましい。この好ましい例によれば、誘電材料の
結晶核の大きさを制御でき、薄膜の誘電特性がさらに向
上できる。
【0007】また、前記本発明の誘電体薄膜の製造方法
においては、エネルギービームの波長が、前記誘電体材
料が吸収する波長であることが好ましい。この好ましい
例によれば、エネルギー効率良く、薄膜中に結晶核を形
成でき、また不要な結晶の成長を抑制できるので、薄膜
の誘電特性がさらに向上できる。
【0008】また、前記本発明の誘電体薄膜の製造方法
においては、エネルギービーム照射後、誘電体薄膜に熱
処理をすることが好ましい。この好ましい例によれば、
誘電体材料の結晶核の形成後に薄膜を熱処理をすること
で、薄膜の結晶性と緻密性をさらに向上でき、粒径の小
さい薄膜が作成でき、薄膜の誘電特性がさらに向上でき
る。
【0009】また、前記誘電体薄膜が、強誘電性または
圧電性を示すものであると一層特性向上の効果が得られ
る。また、前記本発明の製造方法で作製した誘電体薄膜
を用いることによって、信頼性、耐久性の高い誘電体薄
膜モジュール素子を構成できる。
【0010】また、前記誘電体薄膜が、強誘電性または
圧電性を示すものであると一層素子特性向上の効果が得
られる。
【0011】
【実施例】本発明者らは、基体上への薄膜堆積条件、堆
積後の熱処理条件とgrainサイズの関係を、実験的に検
討した。その結果、短い時間間隔(パルス状)の薄膜の
加熱が有効であることがわかった。すなわちパルス状の
エネルギービームの照射が、小さく、密なgrainを生成
することを見いだした。
【0012】
【実施例1】まず本発明者らによる、薄膜堆積中のエネ
ルギービームの照射の効果を示す具体的な実施例を示
す。
【0013】透過型電子顕微鏡、X線回折などを用いた
本発明者らの分析によると、基体の温度が400℃あた
りから、誘電体薄膜の結晶核が形成されることがわかっ
た。結晶核の形成温度以上に、基体のを加熱したまま薄
膜を堆積すると、薄膜堆積終了時まで、grainが成長し
てしまうので、実験は、ヒーター等による基体の加熱は
せずに行った。
【0014】図1に本実施例で用いた、誘電体薄膜製造
装置の概略図を示す。ホルダー1に設置された基体2上
に、所望の誘電体薄膜と同じ構成元素からなるスパッタ
ターゲット3をアルゴンイオンでスパッタして、薄膜を
堆積させた。基体2上への誘電体薄膜堆積時には、シャ
ッター4を開放し、さらに、誘電体薄膜には、エネルギ
ービーム5を、シャッター6でチョッピングして照射し
た。図1中、シャッター6以外は、真空容器内に納めら
れている。本実施例では、基体2として、Nbを1atom
%ドープしたSrTiO3(100)、Ptをコートし
たSi(100)を用いた。SrCO3、Bi23、T
25粉体をSr:Bi:Ta=1:2:2になるよう
に、秤量、混合後、900℃、10時間、空気中で焼成
した。焼成後、セラミックスを粉砕し、粉砕粉末を直径
75mm、厚み3mmのディスク状に成形して、850
℃、5時間、空気中で再焼成してスパッタターゲット3
を作製した。アルゴンと酸素の混合ガス(Ar:O2
4:1、1Pa)雰囲気中で、100Wの高周波(1
3.56MHz)をスパッタターゲット3に注入して、
スパッタを行った。シャッター4を開放して、2時間の
スパッタで、基体2上に堆積されたSr−Bi−Ta−
O誘電体膜の膜厚は1μmであった。エネルギービーム
5として、赤外線ランプを用いた。
【0015】本実施例では、赤外線ビーム5の基体2お
よび、Sr−Bi−Ta−O膜への照射は、照射時間:
非照射時間の比率を1:1になるようにシャッター6の
開閉タイミングを調整して、周期時間を変えて行い、S
r−Bi−Ta−O薄膜中の結晶粒サイズ、強誘電特性
を調べた。Sr−Bi−Ta−O膜の分析、測定にあた
っては、酸素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理を
し、薄膜表面に、直径0.5mm、厚み1μmのAl電
極を形成した。
【0016】図2に、赤外線ビーム5の照射周期を変え
たときの、Sr−Bi−Ta−O膜の、Al電極とNb
−SrTiO3基体2間に直流電圧を印加したときの漏
れ電流密度(Leakage current density)を測定した結
果を示す。図2において、曲線7は赤外線ビーム5を照
射しないとき、曲線8は照射周期30秒、曲線9は照射
周期0.5秒のときの結果を示す。赤外線ビーム5を照
射することによって、漏れ電流密度を低減できることを
確認できた。
【0017】また、±3V以内の実用的な使用電圧範囲
で、漏れ電流密度が10-6A/cm2以下であることが望ま
れる。
【0018】
【実施例2】次に、本発明者らによる、薄膜堆積後のエ
ネルギービームの照射の効果を示す具体的な実施例を示
す。
【0019】本発明者らは、非晶質状の誘電体薄膜を、
熱処理をし、透過型電子顕微鏡、X線回折などを用い、
結晶構造の変化を調べた。本発明者らの分析によると、
熱処理の温度が400℃あたりから、誘電体薄膜の結晶
核が形成されることがわかった。結晶核の形成温度以上
で、薄膜を熱処理すると、grainが成長してしまうの
で、本実施例では、エネルギービームを非晶質誘電体薄
膜に照射した後に、熱処理を行った。
【0020】本実施例では、前記の図1の実験装置を用
いた。すなわち、基体2上に膜厚2μmの非晶質Sr−
Bi−Ta−O膜を加熱なしに堆積した後、赤外線ビー
ム5をシャッター6でチョッピングして、照射した。本
実施例では、赤外線ビーム5のSr−Bi−Ta−O膜
への照射は、照射時間:非照射時間の比率を1:1にな
るようにシャッター6の開閉タイミングを調整して、周
期時間を変え行い、その後、酸素雰囲気中で700℃、
1時間の熱処理をして、Sr−Bi−Ta−O薄膜中の
結晶粒サイズ、強誘電特性を調べた。結晶粒サイズは、
走査型と透過型電子顕微鏡、X線回折で同定した。強誘
電特性の測定は、Sr−Bi−Ta−O薄膜表面に、直
径0.5mm、厚み1μmのAl電極を形成して行っ
た。
【0021】図3に赤外線ビーム5の照射周期を変えた
ときの、Sr−Bi−Ta−O膜の、Al電極とNb−
SrTiO3基体2間に直流電圧を印加したときの漏れ
電流密度(Leakage current density)を測定した結果
を示す。図3において、曲線10は赤外線ビーム5を照
射しないとき、曲線11は照射周期30秒、曲線12は
照射周期0.5秒のときの結果を示す。赤外線ビーム5
を照射することによって、漏れ電流密度を低減できるこ
とを確認できた。
【0022】なお、本発明者らは、前記ビーム5の照射
周期が1秒以下にすると実用使用電圧範囲での漏れ電流
密度が10-6A/cm2以下で、再現性の高いことを確認し
た。なお、本発明者らは、前記ビーム5の種類を検討し
た結果、レーザー光、マイクロ波、ミリ波、イオンビー
ムも、前記実施例の赤外線ビームと同様な効果のあるこ
とを確認した。
【0023】さらに、前記ビーム5として電磁波の波長
あるいは周波数を検討した結果、誘電体材料が吸収する
波長の電磁波を用いると、より効果的であることを確認
した。
【0024】なお、本発明は、Sr−Bi−Ta−O材
料以外のBi系強誘電体材料、Tiを含む強誘電体材料
および高誘電体材料、酸化物のみならず窒化物の強誘電
体材料および高誘電体材料について有効であることも確
認した。
【0025】なお、本発明者らは、図1において、基体
2として、n型のSiを用いてメモリー素子を作製した
ところ、疲労特性にも優れた性能を示すことを確認し
た。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の誘電体薄
膜の製造方法は、パルス状のエネルギービームを強誘電
体、高誘電体特性を示す材料を含む誘電体薄膜に、基体
上へ堆積中、または堆積終了後に照射することで、薄膜
中の結晶粒のサイズを微小化し、緻密化でき、強誘電特
性が良く、漏れ電流密度も小さく素子寿命も長くでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の薄膜製造に用いた装置の概
略構成図である。
【図2】本発明の一実施例による誘電体薄膜の漏れ電流
密度の電圧特性である。
【図3】本発明の別の実施例による誘電体薄膜の漏れ電
流密度の電圧特性である。
【符号の説明】
1 基体ホルダー 2 基体 3 スパッタターゲット3 4 シャッター 5 エネルギービーム 6 シャッター 7,8,9,10,11,12 誘電体薄膜の漏れ電流
密度の電圧特性
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8247 H01L 29/78 371 29/788 29/792 // H01L 21/203 (72)発明者 榊間 博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4K029 BA50 BC00 BD01 CA05 DC05 DC09 GA00 GA01 5F001 AA17 AG30 5F058 BA11 BB10 BC01 BC03 BC10 BC20 BF06 BF12 BF46 BF75 BF76 BF77 BF80 BH01 BH03 BJ01 5F083 FR01 GA06 GA21 JA14 JA17 JA36 PR33 5F103 AA08 BB22 DD27 DD30 GG02 HH03 LL14 LL20 PP03 PP18 PP19 PP20 RR05 RR06 RR10

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体上に薄膜堆積中または堆積終了後、
    前記薄膜にパルス状のエネルギービームを照射すること
    を特徴とする誘電体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記エネルギービームが、レーザー光、
    マイクロ波、イオンビームおよび赤外線加熱から選ばれ
    る少なくとも一つのビーム、またはこれらの組み合わせ
    のものである請求項1に記載の誘電体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記エネルギービームを、前記誘電体材
    料が吸収する請求項1に記載の誘電体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記エネルギービーム照射後、誘電体薄
    膜に熱処理をする請求項1に記載の誘電体薄膜の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載した誘電体薄膜が、強誘
    電性または圧電性を示すものである誘電体薄膜の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載した製造方法で作製した
    誘電体薄膜を用いる誘電体薄膜モジュール素子。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載した誘電体薄膜が、強誘
    電性または圧電性を示すものである誘電体薄膜モジュー
    ル素子。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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