JP2000344599A - Method for growing oxide crystal, cerium oxide, promethium oxide, oxide laminated structure, production of field effect transistor, field effect transistor, production of ferroelectric non-volatile memory and ferroelectric non-volatile memory - Google Patents

Method for growing oxide crystal, cerium oxide, promethium oxide, oxide laminated structure, production of field effect transistor, field effect transistor, production of ferroelectric non-volatile memory and ferroelectric non-volatile memory

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JP2000344599A
JP2000344599A JP2000027362A JP2000027362A JP2000344599A JP 2000344599 A JP2000344599 A JP 2000344599A JP 2000027362 A JP2000027362 A JP 2000027362A JP 2000027362 A JP2000027362 A JP 2000027362A JP 2000344599 A JP2000344599 A JP 2000344599A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an epitaxial rare-earth oxide (001)/silicon (001) structure by epitaxially growing a rare earth oxide such as cerium oxide having (001) plane azimuth on a silicon substrate having (001) plane azimuth. SOLUTION: The surface of Si-substrate 1 of (001) plane azimuth is treated so as to convert the surface into a dimer structure by surface re-constitution of 2×1, 1×2, and then cubic or tetragonal rare-earth oxide, e.g. CeO2 film 2 is epitaxially grown in (001) plane azimuth on the Si-substrate 1 by a molecular beam epitaxy method or the like. During this growing, a raw material containing at least one rare earth element is supplied after starting of supplying an oxidizing gas onto the surface of Si-substrate 1. It is possible to thermally treat in vacuum after growing.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、酸化物の結晶成
長方法、セリウム酸化物、プロメチウム酸化物、酸化物
積層構造、電界効果トランジスタの製造方法、電界効果
トランジスタ、強誘電体不揮発性メモリの製造方法およ
び強誘電体不揮発性メモリに関し、特に、シリコン基板
上に展開される酸化物エレクトロニクスに適用して好適
なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing an oxide crystal, a cerium oxide, a promethium oxide, an oxide laminated structure, a method for manufacturing a field effect transistor, a field effect transistor, and a method for manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory. The present invention relates to a method and a ferroelectric nonvolatile memory, and is particularly suitable for application to oxide electronics developed on a silicon substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン(Si)の熱酸化により形成し
た酸化シリコン(SiO2 )膜は、電気的絶縁性の高
さ、界面準位密度の低さ、プロセス的容易さ、熱的安定
性等により、これまで、MOS(Metal-Oxide-Semicond
uctor)−FETのゲート絶縁膜として専ら用いられてき
た。ゲート絶縁膜として用いられるこの熱酸化によるS
iO2 膜は、比誘電率が低い(εr 〜3.8)ため、S
i基板上に極めて薄く形成する必要がある。しかしなが
ら、集積化の要請から、ゲート絶縁膜の薄膜化、短チャ
ネル化等が進むにつれ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊、ソー
ス・ドレイン電圧の影響によるチャネルのピンチオフ
(短チャネル効果)等の問題が顕著となり、ゲート絶縁
膜の材料的な限界が近づいている。このような理由によ
り、サブ0.1ミクロン世代のMOS−FETの技術的
課題として、リソグラフィー技術の進展は勿論のこと、
高い誘電率を有する新たなゲート絶縁膜の必要性が叫ば
れている(例えば、(1)MTL VLSI Seminar(Massachusett
s Institute of Technology))。高い誘電率を有する材
料を用いてゲート絶縁膜を形成することができれば、あ
まり薄膜化しないで済むため、ゲートリークの抑制が可
能となり、また短チャネル効果も抑制することができる
と考えられる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Silicon oxide silicon formed by thermal oxidation of the (Si) (SiO 2) film, electrically insulating high interface state density as low, the process specifically ease, thermal stability, etc. To date, MOS (Metal-Oxide-Semicond
uctor) -FET has been used exclusively as a gate insulating film. S by thermal oxidation used as a gate insulating film
The iO 2 film has a low relative dielectric constant (ε r 33.8),
It must be formed very thin on the i-substrate. However, with the demand for integration, as the thickness of the gate insulating film becomes thinner and the channel becomes shorter, problems such as dielectric breakdown of the gate insulating film and pinch-off of the channel due to the influence of source / drain voltages (short channel effect) are prominent. The material limit of the gate insulating film is approaching. For these reasons, the technical issues of the sub-0.1 micron generation MOS-FET include not only the development of lithography technology, but also
The necessity of a new gate insulating film having a high dielectric constant is called out (for example, (1) MTL VLSI Seminar (Massachusett
s Institute of Technology)). It is considered that if a gate insulating film can be formed using a material having a high dielectric constant, it is not necessary to reduce the thickness, so that gate leakage can be suppressed and a short channel effect can be suppressed.

【0003】一方、近年、強誘電体不揮発性メモリ(F
eRAM)(例えば、(2)Appl.Phys.Lett.,48(1986)143
9 、(3)IEDM Tech.Dig.,(1987)850 、(4)IEEE J.Solid
State Circuits,23(1988)1171 、(5)1988 IEEE Int.Sol
id-State Circuits Conf.(ISSCC88)、(6)Digest of Tec
hnical Papers,THAM 10.6(1988)130、(7)Oyo Buturi,62
(1993)1212)の研究が活発化している。この強誘電体不
揮発性メモリで現在最も実用に近いと考えられているも
のは、DRAM類似構造の強誘電体不揮発性メモリ(2
トランジスタ−2キャパシタ型メモリセルまたは1トラ
ンジスタ−1キャパシタ型メモリセルを用いたもの)で
ある。この構造は、CMOSプロセスと強誘電体キャパ
シタプロセスとを層間絶縁膜の使用により分離すること
が可能であるため、Siプロセスとの干渉を比較的抑制
し易い、という利点がある。しかしながら、この強誘電
体不揮発性メモリでは、構造的にSiデバイスのスケー
リング則を適用することができないことから、微細化が
進むと、キャパシタの蓄積電荷量確保のため、構造を複
雑にするか、さらに残留分極値の大きな材料を探索する
必要がある。他方、この強誘電体不揮発性メモリと双璧
をなす、MFS(Metal-Ferroelectrics-Semiconducto
r)−FET型メモリセル(MFMIS(Metal-Ferroel
ectrics-Metal-Insulator-Semiconductor)−FET型
メモリセル、FCG(Ferroelectric Capacitor Gate)
型メモリセル等も含む)を用いた強誘電体不揮発性メモ
リの研究に取り組んでいる研究機関も少なくない。この
強誘電体不揮発性メモリは、スケーリング則にのる上、
必要な残留分極が非常に小さく(〜0.1μC/cm2
程度)、また、1トランジスタのみで記憶することがで
きるため、セルサイズも小さく、高集積化に有利であ
る。さらに、非破壊読み出しであるため、破壊読み出し
の2トランジスタ−2キャパシタ型メモリセルまたは1
トランジスタ−1キャパシタ型メモリセルに比べて、強
誘電体の本質的問題とも考えられる疲労に対しても有利
であり、高速動作も可能である。このように優れた特性
を期待することができるため、MFS−FET型強誘電
体不揮発性メモリは究極のメモリと考えられている
((8)Appl.Surf.Sci.113/114(1997)656)。
On the other hand, in recent years, ferroelectric nonvolatile memories (F
eRAM) (for example, (2) Appl. Phys. Lett., 48 (1986) 143)
9, (3) IEDM Tech.Dig., (1987) 850, (4) IEEE J. Solid
State Circuits, 23 (1988) 1171, (5) 1988 IEEE Int.Sol
id-State Circuits Conf. (ISSCC88), (6) Digest of Tec
hnical Papers, THAM 10.6 (1988) 130, (7) Oyo Buturi, 62
(1993) 1212). The ferroelectric non-volatile memory which is considered to be most practical at present is a ferroelectric non-volatile memory having a DRAM-like structure (2).
Using a two-transistor memory cell or a one-transistor one-capacitor memory cell). This structure has an advantage in that the CMOS process and the ferroelectric capacitor process can be separated by using an interlayer insulating film, so that interference with the Si process is relatively easily suppressed. However, in this ferroelectric non-volatile memory, since the scaling law of the Si device cannot be applied structurally, as the miniaturization progresses, the structure becomes complicated in order to secure the accumulated charge amount of the capacitor. Further, it is necessary to search for a material having a large remanent polarization value. On the other hand, MFS (Metal-Ferroelectrics-Semiconducto
r) -FET type memory cell (MFMIS (Metal-Ferroel
ectrics-Metal-Insulator-Semiconductor)-FET type memory cell, FCG (Ferroelectric Capacitor Gate)
There are a number of research institutes that are working on ferroelectric non-volatile memories that use non-volatile memory cells. This ferroelectric nonvolatile memory adheres to the scaling law,
The required remanent polarization is very small (~ 0.1 μC / cm 2
In addition, since data can be stored with only one transistor, the cell size is small, which is advantageous for high integration. Further, since it is a non-destructive read, a two-transistor two-capacitor memory cell or a
Compared with a transistor-1 capacitor type memory cell, it is advantageous for fatigue which is considered to be an essential problem of a ferroelectric, and can operate at high speed. Since such excellent characteristics can be expected, the MFS-FET type ferroelectric nonvolatile memory is considered to be the ultimate memory ((8) Appl. Surf. Sci. 113/114 (1997) 656). ).

【0004】このMFS−FET型強誘電体不揮発性メ
モリの実用化を阻害しているのは、プロセス的問題であ
る。Si基板上に直接強誘電体を成長させるのは極めて
困難であり、そのため、Si基板上への絶縁体からなる
バッファ層の成長は、極めて重要な技術と位置付けられ
ている。MFS−FET型強誘電体不揮発性メモリの一
種であるMFIS(Metal-Ferroelectrics-Insulator-S
emiconductor)−FET型強誘電体不揮発性メモリの場
合には、絶縁層にもゲート電圧が分配されるため、書き
込み電圧が高くなる欠点が生ずる。これを抑制するため
には、高誘電率の絶縁層が必要になる。一方、強誘電体
に要求される材料特性としては、低誘電率、適切な残留
分極値(デバイス設計に依存するが、典型的には〜0.
1μC/cm2 程度)、そして何よりも良好な角型比が
挙げられる。また、より良好な界面を実現するために
は、これらの材料を低温で成長させることができること
が重要な条件である。このように、1トランジスタ−1
キャパシタ方式とはまた異なった観点から、材料を選
択、開発することが求められる。MFIS−FET型強
誘電体不揮発性メモリの研究報告は多々あるが、界面特
性が十分ではないため、リテンション(電荷保持特性)
まで含めて実用化可能なものの報告例はほとんど皆無と
いうのが現状である。一方で、ゲート絶縁膜として既存
の熱酸化によるSiO2 膜を採用することができるMF
MIS構造も検討されており((9)Jpn.J.Appl.Phys.,33
(1994)5207) 、これは比較的実用段階に近いと考えられ
る。これをさらに進めて、強誘電体キャパシタを別に形
成し、これと多結晶Siゲートとを配線で接続する方式
も提案されている((10)特開平8−250608号公
報、(11)特開平9−205181号公報)。この方法に
よれば、強誘電体とSiトランジスタとの素子分離が容
易なだけでなく、キャパシタとゲートとの面積比の設計
自由度が上がるため、キャパシタの相対面積を小さく設
計することにより、低い書き込み電圧で十分な分極を得
ることが可能になる。しかしながら、多結晶の強誘電体
では必要な角型比を安定的に得るのは困難であり、ま
た、微細化が進めば上述の熱酸化によるSiO2 膜の材
料的限界に直面することに変わりはない。結局、MFS
−FET型強誘電体不揮発性メモリ実現のキーテクノロ
ジーも、Si基板上への高誘電率絶縁膜の成長に帰着す
る。それも、急峻な界面と熱酸化によるSiO2 膜並の
低い界面準位密度とを実現するためには、格子整合性の
良い材料をエピタキシャルに成長させることが有利であ
り、基板としてはSiの最大の易動度を有するSi〈1
10〉方向にチャネルを形成することができ、MOS−
FET用基板として専ら用いられているSi(001)
基板上である必要がある、という極めて高い技術的ハー
ドルがある。
It is a process problem that hinders the practical use of the MFS-FET type ferroelectric nonvolatile memory. It is extremely difficult to grow a ferroelectric directly on a Si substrate. Therefore, growing a buffer layer made of an insulator on a Si substrate is regarded as a very important technology. MFIS (Metal-Ferroelectrics-Insulator-S) is a kind of MFS-FET type ferroelectric nonvolatile memory.
In the case of an (emiconductor) -FET type ferroelectric nonvolatile memory, since a gate voltage is distributed also to an insulating layer, there is a disadvantage that a write voltage is increased. To suppress this, an insulating layer having a high dielectric constant is required. On the other hand, the material characteristics required for the ferroelectric material include a low dielectric constant and an appropriate remanent polarization value (depending on device design, typically ~ 0.1.
About 1 μC / cm 2 ), and above all, a good squareness ratio. In order to realize a better interface, it is an important condition that these materials can be grown at a low temperature. Thus, one transistor-1
It is necessary to select and develop materials from a viewpoint different from that of the capacitor method. There are many research reports on MFIS-FET type ferroelectric non-volatile memories, but retention (charge retention characteristics) due to insufficient interface characteristics.
At present, there are almost no reports of what can be put into practical use including the above. On the other hand, an MF that can employ an existing SiO 2 film by thermal oxidation as a gate insulating film
The MIS structure has also been studied ((9) Jpn.J. Appl. Phys., 33
(1994) 5207), which is considered to be relatively close to the practical stage. To further advance this, a method has been proposed in which a ferroelectric capacitor is separately formed, and this is connected to a polycrystalline Si gate by wiring ((10) JP-A-8-250608, (11) JP-A-8-250608). 9-205181). According to this method, not only is element separation between the ferroelectric substance and the Si transistor easy, but also the degree of freedom in designing the area ratio between the capacitor and the gate is increased. Sufficient polarization can be obtained at the write voltage. However, it is difficult to obtain a required squareness ratio stably with a polycrystalline ferroelectric, and as the miniaturization progresses, the material limit of the SiO 2 film due to the above-mentioned thermal oxidation is faced. There is no. After all, MFS
-The key technology for realizing the FET type ferroelectric non-volatile memory also results in the growth of a high dielectric constant insulating film on a Si substrate. In order to realize a steep interface and a low interface state density equivalent to that of a SiO 2 film due to thermal oxidation, it is advantageous to epitaxially grow a material having good lattice matching. Si <1 with maximum mobility
10> direction, a MOS-
Si (001) exclusively used as a substrate for FET
There are extremely high technical hurdles that need to be on the substrate.

【0005】一方、半導体産業にSiO2 以外の酸化物
材料を導入することは、意義深いことである。1986
年の高温超伝導材料の発見((12)Z.Phys.B.,64,189-193
(1986)) は言うまでもなく、取り分け、ペロブスカイト
またはそれに関連した構造をとる酸化物材料は、強誘電
性、高誘電率、超伝導性、超巨大磁気抵抗等、半導体デ
バイスにとって非常に重要な物性を有する((13)Mater.
Sci.Eng.,B41(1996)166 、(14)J.Ceram.Soc.Japan,Int.
Ed.,103(1995)1088)。例えば、上述の強誘電体不揮発性
メモリのキャパシタの強誘電体材料としては、自発分極
値が大きく、プロセス温度の低いジルコンチタン酸鉛
(PZT)(例えば、(15)J.Appl.Phys.,70,382-388(19
91))、駆動電圧が低く、分極反転に伴う自発分極値の劣
化の少ないビスマスストロンチウムタンタレート(Bi
2 SrTa2 9 ((16)Nature,374(1995)627 、(17)Ap
pl.Phys.Lett.,66(1995)221 、(18)Mater.Sci.Eng.,B32
(1995)75、(19)Mater.Sci.Eng.,B32(1995)83、(20)App
l.Phys.Lett.,67(1995)572 、(21)J.Appl.Phys.,78(199
5)5073 、(22)Appl.Phys.Lett.,68(1996)566 、(23)App
l.Phys.Lett.,68(1996)690 、(24)国際公開公報WO9
3/12542号)が双璧をなしている。さらに、磁場
印加により抵抗率変化が何桁にもおよぶ超巨大磁気抵抗
材料(CMR(Colossal Magnetoresistance)材料)が
Mn酸化物系で発見される((25)Phys.Rev.Lett.74(199
5)5108)など、酸化物材料が如何に高い潜在力を有する
かが注目され始めており((26)Mater.Sci.Eng.,B41(199
6)166 、(27)J.Ceram.Soc.Japan,Int.Ed.,103(1995)108
8)、酸化物を薄膜化する技術はここ10年ほどで驚異的
に進展しつつある。
On the other hand, it is significant to introduce an oxide material other than SiO 2 into the semiconductor industry. 1986
Discovery of high-temperature superconducting materials in 1987 ((12) Z.Phys.B., 64,189-193)
(1986)) Needless to say, oxide materials having perovskite or related structures have very important physical properties for semiconductor devices, such as ferroelectricity, high dielectric constant, superconductivity, and giant magnetoresistance. ((13) Mater.
Sci. Eng., B41 (1996) 166, (14) J. Ceram. Soc. Japan, Int.
Ed., 103 (1995) 1088). For example, as a ferroelectric material of a capacitor of the above-described ferroelectric nonvolatile memory, lead zircon titanate (PZT) having a large spontaneous polarization value and a low process temperature (for example, (15) J. Appl. Phys., 70,382-388 (19
91)), bismuth strontium tantalate (Bi) having a low driving voltage and a small deterioration in spontaneous polarization value due to polarization reversal.
2 SrTa 2 O 9 ((16) Nature, 374 (1995) 627, (17) Ap
pl.Phys.Lett., 66 (1995) 221, (18) Mater.Sci.Eng., B32
(1995) 75, (19) Mater.Sci. Eng., B32 (1995) 83, (20) App
l.Phys.Lett., 67 (1995) 572, (21) J. Appl. Phys., 78 (199
5) 5073, (22) Appl. Phys. Lett., 68 (1996) 566, (23) App
l.Phys. Lett., 68 (1996) 690, (24) International Publication WO9
No. 3/12542). Further, a super giant magnetoresistive material (CMR (Colossal Magnetoresistance) material) whose resistivity changes by many orders of magnitude upon application of a magnetic field is found in a Mn oxide system ((25) Phys. Rev. Lett. 74 (199)
5) 5108), etc., and attention has been paid to how high potential oxide materials have ((26) Mater. Sci. Eng., B41 (199)
6) 166, (27) J. Ceram. Soc. Japan, Int.Ed., 103 (1995) 108
8) The technology of thinning oxides has been developing phenomenally in the past decade.

【0006】このような極めて高機能な物性を有する酸
化物材料を半導体産業の基盤であるSi上で展開するこ
とができれば、材料に高い市場性を付与することが可能
になる。しかしながら、これらの機能性酸化物材料とS
iとの間には、相互熱拡散、熱膨張率の違い等の問題が
あるため、直接これらの機能性酸化物材料をSi上に成
長させるのは一般には容易でない。
If such an oxide material having extremely high physical properties can be developed on Si, which is the base of the semiconductor industry, it is possible to impart high marketability to the material. However, these functional oxide materials and S
In general, it is not easy to directly grow these functional oxide materials on Si due to problems such as mutual thermal diffusion and difference in coefficient of thermal expansion between i and i.

【0007】上述したように、これらの機能性酸化物材
料群のほとんどは、ペロブスカイト構造を母体とする構
造をとっている。中でも、液体窒素温度を超える臨界温
度を有するイットリウム系超伝導材料、上述したBi2
SrTa2 9 等、異方性の極めて大きな層状ペロブス
カイトと称される構造をとるものが少なくない。これら
の層状ペロブスカイト構造酸化物における超伝導電流経
路、分極軸等は、特定の方向に限定されており、また、
単純ペロブスカイト構造酸化物の場合も、上述のPZT
のように分極軸が特定の方向に限定されているものも多
い。そのため、デバイス化した場合、最大の特性を引き
出すためには、酸化物を配向させるか、より好ましくは
下地に対してエピタキシャル成長させることが重要であ
る。
As described above, most of these functional oxide material groups have a structure having a perovskite structure as a base. Among them, yttrium-based superconducting material having a critical temperature exceeding the liquid nitrogen temperature, Bi 2 described above
Many such as SrTa 2 O 9 have a structure called layered perovskite with extremely large anisotropy. The superconducting current path, the polarization axis, and the like in these layered perovskite structure oxides are limited to specific directions,
In the case of a simple perovskite oxide, the above-mentioned PZT
In many cases, the polarization axis is limited to a specific direction. Therefore, in the case of a device, it is important that the oxide is oriented or more preferably epitaxially grown on the base in order to obtain the maximum characteristics.

【0008】さて、蛍石(フルオライト)構造を有する
セリア(酸化セリウム:CeO2 )は、熱的安定性、高
い比誘電率(εr 〜26)、Si基板との極めて良好な
格子整合性(ミスフィット:約0.35%)から、熱酸
化によるSiO2 膜に代わるサブ0.1ミクロン世代の
高誘電率のゲート絶縁膜の材料の候補の一つであり、ま
た、Si基板上でペロブスカイト関連酸化物をエピタキ
シャル成長させるための最も理想的なバッファ層材料の
一つであると考えられている。実際、Si基板上にセリ
アをエピタキシャル成長させる研究が行われているが、
その多くが、最原子稠密で成長しやすいCeO2 (11
1)/Si(111)構造のものである(例えば、(28)
Jpn.J.Appl.Phys.34(1995),L688 、(29)特開平7−25
698号公報)。しかしながら、応用上最も重要なSi
(001)基板に関しては、エピタキシャルCeO
2 (001)/Si(001)構造こそが理想であると
認識され、積層構造、デバイス等も種々考案されていな
がら((30)特開平2−267104号公報、(31)特開平
6−97452号公報、(32)特開平10−182292
号公報等)、実現されなかった経緯がある。これまで
は、Si(001)−2×1、1×2の表面再構成によ
るダイマー(dimer)構造を反映し、アンチフェーズドメ
イン(antiphase domain) を有するCeO2 (110)
がエピタキシャル成長すると考えられてきた。また、成
長温度に関しては、高真空中でSiO2 膜がSi表面に
形成されない800℃程度((33)J.Vac.Sci.Technol.A1
3(1995)772)がエピタキシャル温度の下限であると考え
られている((34)Jpn.J.Appl.Phys.33(1994),5219 、(3
5)Appl.Phys.Lett.56(1990),1332、(36)Appl.Phys.Let
t.59(1991),3604、(37)Physica C 192(1992)154、(38)J
pn.J.Appl.Phys.36(1997),5253、(39)特開平9−642
06号公報)。また、急峻な界面を得るには成長温度を
低温化することが必要と考えられ、このために電子線ア
シストエピタキシャル成長等が試みられているが、それ
でも報告されているエピタキシャル成長温度は710℃
が下限である((40)1998年春季応用物理学会学術講
演会講演予稿集28p−PA−1)。CeO2 (00
1)/Si(001)構造の報告例も皆無ではないが、
それを示す実験データがない((41)特開平2−2671
04号公報)、基板回折との分離について全く議論され
ていない((42)Solid State Comm.108(1998)225)等、エ
ピタキシャル成長が証明されたものはこれまで存在しな
い。Si(001)基板上で、エピタキシャルでCeO
2 (001)を実現するため、ジルコニア(酸化ジルコ
ニウム:ZrO2 )とセリアとの固溶体(Ce,Zr)
2 ((43)Jpn.J.Appl.Phys.35(1996),5150)、これをバ
ッファ層としたCeO2/(Ce,Zr)O2 /Si積
層構造((44)Jpn.J.Appl.Phys.36(1997),5253,(45)19
98年春季応用物理学会学術講演会講演予稿集29p−
ZF−4)やCeO2 /SrTiO3 /Si構造((46)
Jpn.J.Appl.Phys.30(1991)L1136)も提案されているが、
Si(001)基板上に直接CeO2 (001)がエピ
タキシャル成長したという報告はこれまで皆無であっ
た。
Ceria (cerium oxide: CeO 2 ) having a fluorite structure has a high thermal stability, a high relative dielectric constant (ε r 2626), and a very good lattice matching with a Si substrate. (Misfit: about 0.35%), it is one of the candidates for the material of the high dielectric constant gate insulating film of the sub-0.1 micron generation that can replace the SiO 2 film by thermal oxidation. It is considered to be one of the most ideal buffer layer materials for epitaxially growing perovskite-related oxides. In fact, research on epitaxial growth of ceria on Si substrates has been conducted.
Most of them are CeO 2 (11
1) / Si (111) structure (for example, (28)
Jpn. J. Appl. Phys. 34 (1995), L688, (29) JP-A-7-25
No. 698). However, the most important Si
For the (001) substrate, epitaxial CeO
It is recognized that the 2 (001) / Si (001) structure is ideal, and various laminated structures and devices have been devised ((30) JP-A-2-267104, (31) JP-A-6-97452). JP, (32) JP-A-10-182292
No., etc.) have not been realized. Until now, CeO 2 (110) having an antiphase domain, reflecting a dimer structure by surface reconstruction of Si (001) -2 × 1, 1 × 2.
Have been considered to grow epitaxially. The growth temperature is about 800 ° C. where no SiO 2 film is formed on the Si surface in a high vacuum (see (33) J. Vac. Sci. Technol. A1).
3 (1995) 772) is considered to be the lower limit of the epitaxial temperature ((34) Jpn. J. Appl. Phys. 33 (1994), 5219, (3
5) Appl. Phys. Lett. 56 (1990), 1332, (36) Appl. Phys. Lett.
t.59 (1991), 3604, (37) Physica C 192 (1992) 154, (38) J
pn. J. Appl. Phys. 36 (1997), 5253, (39) JP-A-9-642
06 publication). In order to obtain a steep interface, it is considered necessary to lower the growth temperature. For this purpose, electron beam assisted epitaxial growth and the like have been attempted, but the reported epitaxial growth temperature is still 710 ° C.
Is the lower limit ((40) Proceedings of the 1998 Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 28p-PA-1). CeO 2 (00
1) Although there are no reports on the / Si (001) structure,
There is no experimental data indicating this ((41) Japanese Patent Laid-Open No. 2-2671).
No. 4, No. 4, No. 4, No. 4, No. 4, No. 4 (42) Solid State Comm. 108 (1998) 225), etc. CeO epitaxially on Si (001) substrate
2 (001), a solid solution of zirconia (zirconium oxide: ZrO 2 ) and ceria (Ce, Zr)
O 2 ((43) Jpn.J.Appl.Phys.35 ( 1996), 5150), CeO 2 / (Ce, Zr) This was a buffer layer O 2 / Si laminated structure ((44) Jpn.J. Appl. Phys. 36 (1997), 5253, (45) 19
Proceedings of the 1998 Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics 29p-
ZF-4) or CeO 2 / SrTiO 3 / Si structure ((46)
Jpn.J.Appl.Phys.30 (1991) L1136) has also been proposed,
There has been no report that CeO 2 (001) was directly epitaxially grown on a Si (001) substrate.

【0009】C−希土構造(ビクスバイト(bixbyite)
)をとるイットリア(酸化イットリウム:Y2 3
に関しても、セリアに準ずる材料特性を有するため、鋭
意検討が進められているが、セリアと同様な困難があ
り、Si(001)基板上には、Y2 3 (110)が
エピタキシャル成長するのが通例である((47)Appl.Phy
s.Lett.71(1997),903)。
C-rare earth structure (bixbyite
Yttria (yttrium oxide: Y 2 O 3 )
Is also being studied diligently because it has material properties similar to ceria, but has the same difficulties as ceria, and it is difficult for Y 2 O 3 (110) to epitaxially grow on a Si (001) substrate. It is customary ((47) Appl.Phy
s. Lett. 71 (1997), 903).

【0010】一方、セリア(またはイットリア)上には
ペロブスカイト型酸化物がエピタキシャル成長する例が
あり(例えば、(48)Appl.Phys.Lett.68(1996)553) 、し
たがってセリアの配向性を制御することができれば、機
能性酸化物の特性を生かしたデバイスの実現が可能にな
る。
On the other hand, there is an example in which a perovskite oxide is epitaxially grown on ceria (or yttria) (for example, (48) Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 553), and therefore, the orientation of ceria is controlled. If possible, it will be possible to realize a device utilizing the characteristics of the functional oxide.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】このような状況下、応
用上最も重要なSi(001)基板上にCeO2 (00
1)をエピタキシャル成長させる技術は、極めて重要と
なる。
Under these circumstances, CeO 2 (00) is applied on the most important Si (001) substrate for application.
The technique of epitaxially growing 1) is extremely important.

【0012】したがって、この発明の目的は、酸化セリ
ウムや酸化イットリウム、さらにはこれらと同様な結晶
構造を有する希土類酸化物を(001)面方位のシリコ
ン基板上に(001)面方位でエピタキシャル成長さ
せ、エピタキシャルな希土類酸化物(001)/シリコ
ン(001)構造を実現することができる酸化物の結晶
成長方法、セリウム酸化物、プロメチウム酸化物、酸化
物積層構造、この酸化物の結晶成長方法をゲート絶縁膜
の形成に適用した電界効果トランジスタの製造方法、電
界効果トランジスタ、この酸化物の結晶成長方法を強誘
電体キャパシタの形成に適用した強誘電体不揮発性メモ
リの製造方法および強誘電体不揮発性メモリを提供する
ことにある。
Accordingly, an object of the present invention is to epitaxially grow cerium oxide, yttrium oxide, and a rare earth oxide having a similar crystal structure on a (001) silicon substrate in a (001) plane orientation, An oxide crystal growth method capable of realizing an epitaxial rare earth oxide (001) / silicon (001) structure, a cerium oxide, a promethium oxide, an oxide laminated structure, and a crystal growth method of this oxide are gate insulating. Method of manufacturing field effect transistor applied to film formation, field effect transistor, method of manufacturing ferroelectric nonvolatile memory applying crystal growth method of this oxide to formation of ferroelectric capacitor, and ferroelectric nonvolatile memory Is to provide.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術が
有する上述の課題を解決するために、鋭意検討を行っ
た。以下にその概要について説明する。ここでは、代表
例として、酸化セリウムの成長について説明する。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. The outline is described below. Here, the growth of cerium oxide will be described as a representative example.

【0014】すなわち、上記の目的を達成するために
は、少なくとも一旦はシリコン基板表面をステップ、テ
ラスで構成された表面とすることが重要になる。このよ
うな表面は、例えば、石坂、白木等によって提案された
手法((49)J.Electrochem.Soc.,133(1986)666)またはこ
れに準ずる手法により実現可能である。成長装置は、界
面制御性に優れ、超高真空中で清浄な表面が保ちやす
く、また、反射高速電子線回折(RHEED)等により
表面観察可能な分子線エピタキシー(MBE)装置、レ
ーザアブレーション装置、反応性蒸着装置等が望ましい
が、所定の圧力、温度等を制御可能なものであれば基本
的にはどのようなものでもよい。酸化セリウム(CeO
2 )の成長の場合、セリウム原料としては、一般的には
酸化セリウムそのものが用いられることが多いが、蒸気
圧の高い酸素が選択的に揮発するため、低い酸素分圧を
制御するためにはセリウム金属を用いることが望まし
い。ただし、例えば成長室の真空排気にゲッタポンプ等
を併用して高真空を保つ工夫をすれば、酸化物原料を用
いてもよいと考えられる。セリウム金属は、融点が高
く、蒸気圧が低いため、高温型クヌーセンセル、電子線
蒸着、エキシマレーザ等により気化させることが望まし
い。また、これらの気体または金属元素等と活性度の高
いシリコン基板の表面との反応を抑制するため、低温で
のプロセスが重要となる。これまでになされた報告の中
には、表面処理に関しては特に記述はなく、セリウム金
属を用い、450〜600℃の基板温度、(4〜6)×
10-4Torrの酸素分圧(基板付近では10-2Tor
r台と推定)にて、RFプラズマにより活性化させて、
エピタキシャルCeO2 をシリコン基板上に形成するこ
とができたとするものがある((50)特開平2−2671
04号公報)。しかしながら、エピタキシャル成長方位
に関しては記述がなく、このような基板温度、酸素分圧
では、シリコン基板表面にSiO2 膜が生成してしま
い、エピタキシャルCeO2(001)の成長には至ら
ない。RFプラズマにより活性化させれば、このような
反応がさらに促進されてしまうと考えられる。
That is, in order to achieve the above object, it is important that the surface of the silicon substrate is formed at least once as a surface composed of steps and terraces. Such a surface can be realized by, for example, a method proposed by Ishizaka, Shiraki, and the like ((49) J. Electrochem. Soc., 133 (1986) 666) or a method similar thereto. The growth apparatus has excellent interface controllability, easily maintains a clean surface in an ultra-high vacuum, and has a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus, a laser ablation apparatus, and a surface observable by reflection high-energy electron diffraction (RHEED). A reactive vapor deposition device or the like is desirable, but basically any device can be used as long as it can control a predetermined pressure, temperature, and the like. Cerium oxide (CeO
2 ) In the case of growth, cerium oxide itself is generally used as the cerium raw material in general. However, since oxygen having a high vapor pressure is selectively volatilized, it is necessary to control a low oxygen partial pressure. It is desirable to use cerium metal. However, it is considered that an oxide raw material may be used if a high vacuum is devised by using a getter pump or the like in combination with evacuation of the growth chamber. Since cerium metal has a high melting point and a low vapor pressure, it is desirable to vaporize it with a high-temperature Knudsen cell, electron beam evaporation, excimer laser, or the like. Further, in order to suppress the reaction between these gases or metal elements and the surface of the highly active silicon substrate, a low-temperature process is important. In the reports made so far, there is no particular description on the surface treatment, using cerium metal, a substrate temperature of 450 to 600 ° C., and (4 to 6) ×
Oxygen partial pressure of 10 -4 Torr (10 -2 Torr near the substrate)
), activated by RF plasma,
There is an example in which epitaxial CeO 2 can be formed on a silicon substrate (Japanese Patent Laid-Open No. 2-2671).
04 publication). However, there is no description about the epitaxial growth orientation, and at such a substrate temperature and oxygen partial pressure, an SiO 2 film is formed on the silicon substrate surface, and the epitaxial CeO 2 (001) is not grown. It is considered that such a reaction is further promoted by activation with RF plasma.

【0015】本発明者は、成長温度の低温化により、セ
リウムシリサイド生成、酸化シリコン生成等の速度を抑
制し、さらにその他の観点から、シリコン(001)基
板上で、CeO2 (001)をエピタキシャル成長させ
る条件の検討を行った。その結果、まず、シリコン(0
01)基板の表面を成長前に2×1、1×2表面再構成
によるダイマー構造としておくことが基本的に重要であ
り、さらに、成長時の原料の供給の方法も重要であると
いう結論に至った。後者の原料の供給方法については、
具体的には、シリコン(001)基板表面への酸素など
の酸化性ガスの供給をまず開始し、その後にCe原料の
供給を開始することが重要である。その理由は現時点で
は完全に解明されていないが、Ce原料の供給が開始さ
れる時点でシリコン(001)基板の表面が酸素などの
酸化性ガスの分子あるいは原子で覆われていることがC
eO2 の(001)エピタキシャル成長を促進するもの
と推測される。
The inventor of the present invention suppressed the rate of cerium silicide generation and silicon oxide generation by lowering the growth temperature, and from another viewpoint, epitaxially grown CeO 2 (001) on a silicon (001) substrate. The conditions under which this was done were studied. As a result, first, silicon (0
01) It is basically important that the surface of the substrate has a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction before growth, and furthermore, it is concluded that the method of supplying raw materials during growth is also important. Reached. For the method of supplying the latter,
Specifically, it is important to start supplying an oxidizing gas such as oxygen to the surface of a silicon (001) substrate first, and then start supplying a Ce raw material. Although the reason has not been completely elucidated at present, the fact that the surface of the silicon (001) substrate is covered with molecules or atoms of an oxidizing gas such as oxygen when the supply of the Ce raw material is started is considered.
It is presumed that it promotes (001) epitaxial growth of eO 2 .

【0016】上記のことに加えて、CeO2 (001)
をエピタキシャル成長させるためには、成長温度に対
し、Ce原料の供給量に対する酸化性ガスの供給量の
比、あるいは、Ce原料の供給量を一定とすれば酸化性
ガスの分圧あるいは供給量を適切に選ぶことが重要であ
る。図1に、成長温度Tと、Ce原料の供給量を一定と
したときのCe原料の供給量に対する酸化性ガスの供給
量の比O/Ceとの関係を示す。ただし、便宜上、図1
の縦軸には、O/Ceの代わりにO2 流量[sccm]
の値を示してある。図1より、CeO2 (001)をエ
ピタキシャル成長させることができる領域は限られてい
ることがわかる。また、成長温度の上限は約300℃付
近にあることがわかる。さらに、成長温度をより低温に
するにしたがってO/CeあるいはO2 分圧の幅が広が
り、100℃より低くすることにより相当な幅が得ら
れ、実用上好ましい。
In addition to the above, CeO 2 (001)
In order to grow epitaxially, the ratio of the supply amount of the oxidizing gas to the supply amount of the Ce raw material with respect to the growth temperature, or the partial pressure or the supply amount of the oxidizing gas is appropriate if the supply amount of the Ce raw material is fixed. It is important to choose. FIG. 1 shows the relationship between the growth temperature T and the ratio O / Ce of the supply amount of the oxidizing gas to the supply amount of the Ce raw material when the supply amount of the Ce raw material is fixed. However, for convenience, FIG.
On the vertical axis, O 2 flow rate [sccm] instead of O / Ce
Are shown. From FIG. 1, it can be seen that the region where CeO 2 (001) can be epitaxially grown is limited. Also, it can be seen that the upper limit of the growth temperature is around 300 ° C. Further, the range of the O / Ce or O 2 partial pressure increases as the growth temperature is lowered, and a considerable range can be obtained by lowering the temperature below 100 ° C., which is practically preferable.

【0017】本発明者は、以上の検討および知見に加え
て、様々な観点から検討を行い、この発明を案出するに
至ったものである。
The present inventors have conducted studies from various viewpoints in addition to the above studies and findings, and have come up with the present invention.

【0018】すなわち、上記課題を解決するために、こ
の発明の第1の発明は、(001)面方位のシリコン基
板の表面を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー
構造とする工程と、上記シリコン基板上に立方晶系また
は正方晶系の希土類酸化物を(001)面方位にエピタ
キシャル成長させる工程とを有することを特徴とする酸
化物の結晶成長方法である。
That is, in order to solve the above-mentioned problem, a first invention of the present invention is a process for forming a (001) -oriented silicon substrate surface into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction. And a step of epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide on the silicon substrate in a (001) plane orientation.

【0019】この発明の第2の発明は、(001)面方
位のシリコン基板の表面を2×1、1×2の表面再構成
によるダイマー構造とする工程と、酸化性ガスを含む雰
囲気中で少なくとも一種以上の希土類元素を含む原料を
用いて上記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の
希土類酸化物を(001)面方位にエピタキシャル成長
させる工程とを有することを特徴とする酸化物の結晶成
長方法である。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of forming a surface of a silicon substrate having a (001) orientation into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and in an atmosphere containing an oxidizing gas. Epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide on the silicon substrate in the (001) plane orientation using a raw material containing at least one or more rare earth elements. It is a growth method.

【0020】この発明の第3の発明においては、典型的
には、300℃未満の成長温度、好適には100℃以下
の成長温度で希土類酸化物をエピタキシャル成長させ
る。
In the third aspect of the present invention, the rare earth oxide is typically grown epitaxially at a growth temperature of less than 300 ° C., preferably at a growth temperature of 100 ° C. or less.

【0021】この発明の第3の発明は、(001)面方
位のシリコン基板を1×10-6Torr以下の圧力の真
空中で加熱することによりその表面の酸化シリコン膜を
揮発させる工程と、上記酸化シリコン膜を揮発させた上
記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類酸
化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させる工
程とを有することを特徴とする酸化物の結晶成長方法で
ある。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a step of heating a silicon substrate having a (001) orientation in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less to volatilize a silicon oxide film on the surface thereof; Epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide in the (001) plane orientation on the silicon substrate on which the silicon oxide film has been volatilized. .

【0022】この発明の第4の発明は、ビクスバイト構
造を有することを特徴とするセリウム酸化物である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a cerium oxide having a bixbyite structure.

【0023】この発明の第5の発明は、ビクスバイト構
造を有することを特徴とするプロメチウム酸化物であ
る。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a promethium oxide having a bixbyite structure.

【0024】この発明の第6の発明は、(001)面方
位のシリコン基板と、上記シリコン基板上に第1の成長
温度で成長された第1のCeO2 膜と、上記第1のCe
2 膜上に第1の成長温度より高い第2の成長温度でエ
ピタキシャル成長された第2のCeO2 膜とを有するこ
とを特徴とする酸化物積層構造である。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate having a (001) plane orientation, a first CeO 2 film grown on the silicon substrate at a first growth temperature, and a first CeO 2 film.
A second CeO 2 film epitaxially grown at a second growth temperature higher than the first growth temperature on the O 2 film.

【0025】この発明の第6の発明において、典型的に
は、第2のCeO2 膜は(001)面方位である。ま
た、第1の成長温度は例えば室温から300℃程度であ
る。また、シリコン基板と第1のCeO2 膜との界面に
はSiOx 膜が存在する場合もある。
In the sixth aspect of the present invention, typically, the second CeO 2 film has a (001) plane orientation. The first growth temperature is, for example, about room temperature to about 300 ° C. Further, an SiO x film may be present at the interface between the silicon substrate and the first CeO 2 film.

【0026】この発明の第7の発明は、(001)面方
位のシリコン基板と、上記シリコン基板上のSiOx
と、上記SiOx 膜上のアモルファスCeOy 膜と、上
記アモルファスCeOy 膜上の上記シリコン基板に対し
てエピタキシャルに配置した(001)面方位のCeO
2 膜とを有することを特徴とする酸化物積層構造であ
る。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate having a (001) orientation, an SiO x film on the silicon substrate, an amorphous CeO y film on the SiO x film, and an amorphous CeO y film on the amorphous CeO y film. (001) -oriented CeO epitaxially arranged on the above silicon substrate
An oxide laminated structure having two films.

【0027】この発明の第6および第7の発明におい
て、SiOx 膜のxは通常は1≦x≦2であり、アモル
ファスCeOy 膜のyは通常は1.5≦x≦2である。
In the sixth and seventh aspects of the present invention, x of the SiO x film usually satisfies 1 ≦ x ≦ 2, and y of the amorphous CeO y film usually satisfies 1.5 ≦ x ≦ 2.

【0028】この発明の第6の発明(シリコン基板と第
1のCeO2 膜との界面にSiOx膜が存在しない場合
と存在する場合)および第7の発明による酸化物積層構
造を図示すると、それぞれ図1、図2および図3のよう
になる。
The oxide laminated structure according to the sixth invention (with or without the SiO x film at the interface between the silicon substrate and the first CeO 2 film) and the oxide laminated structure according to the seventh invention are shown in FIG. 1, 2 and 3 respectively.

【0029】この発明の第8の発明は、(001)面方
位のシリコン基板の表面を2×1、1×2の表面再構成
によるダイマー構造とする工程と、上記シリコン基板上
に立方晶系または正方晶系の希土類酸化物を(001)
面方位にエピタキシャル成長させることによりゲート絶
縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする電界効
果トランジスタの製造方法である。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a method of forming a surface of a silicon substrate having a (001) orientation into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and forming a cubic system on the silicon substrate. Or a tetragonal rare earth oxide (001)
Forming a gate insulating film by epitaxially growing in a plane direction.

【0030】この発明の第8の発明においては、典型的
には、300℃未満の成長温度、好適には100℃以下
の成長温度で希土類酸化物をエピタキシャル成長させる
ことによりゲート絶縁膜を形成する。また、シリコン基
板を1×10-6Torr以下の圧力の真空中で加熱する
ことによりその表面の酸化シリコン膜を揮発させてその
表面をダイマー構造とし、このシリコン基板上に希土類
酸化物をエピタキシャル成長させることによりゲート絶
縁膜を形成する場合もある。
In the eighth aspect of the present invention, the gate insulating film is typically formed by epitaxially growing a rare earth oxide at a growth temperature of less than 300 ° C., preferably at a growth temperature of 100 ° C. or less. Further, the silicon oxide film on the surface is volatilized by heating the silicon substrate in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less to form a dimer structure, and a rare earth oxide is epitaxially grown on the silicon substrate. In some cases, a gate insulating film is formed.

【0031】この発明の第9の発明は、(001)面方
位のシリコン基板の表面を2×1、1×2の表面再構成
によるダイマー構造とする工程と、酸化性ガスを含む雰
囲気中で少なくとも一種以上の希土類元素を含む原料を
用いて300℃未満の成長温度で上記シリコン基板上に
立方晶系または正方晶系の希土類酸化物を(001)面
方位にエピタキシャル成長させることによりゲート絶縁
膜を形成する工程とを有することを特徴とする電界効果
トランジスタの製造方法である。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method of forming a surface of a silicon substrate having a (001) orientation into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and in an atmosphere containing an oxidizing gas. A gate insulating film is formed by epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide in the (001) plane orientation on the silicon substrate at a growth temperature of less than 300 ° C. using a raw material containing at least one or more rare earth elements. Forming a field-effect transistor.

【0032】この発明の第10の発明は、(001)面
方位のシリコン基板を1×10-6Torr以下の圧力の
真空中で加熱することによりその表面の酸化シリコン膜
を揮発させる工程と、上記酸化シリコン層を揮発させた
上記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類
酸化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させる
ことによりゲート絶縁膜を形成する工程とを有すること
を特徴とする電界効果トランジスタの製造方法である。
A tenth aspect of the present invention is a method for heating a silicon substrate having a (001) plane orientation in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less to volatilize a silicon oxide film on the surface. Forming a gate insulating film by epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide in the (001) plane orientation on the silicon substrate from which the silicon oxide layer is volatilized. This is a method for manufacturing a field effect transistor.

【0033】この発明の第11の発明は、(001)面
方位のシリコン基板と、上記シリコン基板上にエピタキ
シャル成長された立方晶系または正方晶系の(001)
面方位の希土類酸化物からなるゲート絶縁膜と、上記ゲ
ート絶縁膜上にエピタキシャル成長された強誘電体膜と
を有することを特徴とする電界効果トランジスタであ
る。
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate having a (001) orientation and a cubic or tetragonal (001) crystal epitaxially grown on the silicon substrate.
A field effect transistor having a gate insulating film made of a rare earth oxide having a plane orientation and a ferroelectric film epitaxially grown on the gate insulating film.

【0034】この発明の第12の発明は、(001)面
方位のシリコン基板の表面を2×1、1×2の表面再構
成によるダイマー構造とする工程と、上記シリコン基板
上に立方晶系または正方晶系の希土類酸化物を(00
1)面方位にエピタキシャル成長させる工程と、上記希
土類酸化物上に強誘電体膜をエピタキシャル成長させる
工程とを有することを特徴とする強誘電体不揮発性メモ
リの製造方法である。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method of forming a surface of a silicon substrate having a (001) orientation into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and forming a cubic system on the silicon substrate. Alternatively, a tetragonal rare earth oxide (00
1) A method for manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory, comprising: a step of epitaxially growing a crystal in a plane orientation; and a step of epitaxially growing a ferroelectric film on the rare earth oxide.

【0035】この発明の第13の発明は、(001)面
方位のシリコン基板と、上記シリコン基板上にエピタキ
シャル成長された立方晶系または正方晶系の(001)
面方位の希土類酸化物からなるゲート絶縁膜と、上記ゲ
ート絶縁膜上にエピタキシャル成長された強誘電体膜と
を有する電界効果トランジスタを用いたことを特徴とす
る強誘電体不揮発性メモリである。
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate having a (001) plane orientation and a cubic or tetragonal (001) crystal epitaxially grown on the silicon substrate.
A ferroelectric nonvolatile memory using a field-effect transistor having a gate insulating film made of a rare-earth oxide having a plane orientation and a ferroelectric film epitaxially grown on the gate insulating film.

【0036】この発明の第14の発明は、(001)面
方位のシリコン基板と、上記シリコン基板の第1の領域
の表面にエピタキシャル成長された立方晶系または正方
晶系の(001)面方位の希土類酸化物と、上記希土類
酸化物上にエピタキシャル成長された強誘電体膜を用い
たキャパシタと、上記シリコン基板の第2の領域に形成
されたMIS−FETとを有し、上記キャパシタと上記
MIS−FETのゲート電極とが配線により互いに接続
されていることを特徴とする強誘電体不揮発性メモリで
ある。
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate having a (001) plane orientation and a cubic or tetragonal (001) plane orientation epitaxially grown on the surface of the first region of the silicon substrate. A capacitor using a rare earth oxide, a ferroelectric film epitaxially grown on the rare earth oxide, and a MIS-FET formed in a second region of the silicon substrate; A ferroelectric nonvolatile memory characterized in that a gate electrode of an FET is connected to each other by a wiring.

【0037】この発明の第15の発明は、単結晶絶縁体
基板と、上記単結晶絶縁体基板の第1の領域の表面にエ
ピタキシャル成長された立方晶系または正方晶系の(0
01)面方位の希土類酸化物と、上記希土類酸化物上に
エピタキシャル成長された強誘電体膜を用いたキャパシ
タと、上記単結晶絶縁体基板の第2の領域の表面にエピ
タキシャル成長されたシリコン膜に形成されたMIS−
FETとを有し、上記キャパシタと上記MIS−FET
のゲート電極とが配線により互いに接続されていること
を特徴とする強誘電体不揮発性メモリである。
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a single crystal insulator substrate and a cubic or tetragonal (0) epitaxially grown on the surface of the first region of the single crystal insulator substrate.
01) Forming on a rare earth oxide having a plane orientation, a capacitor using a ferroelectric film epitaxially grown on the rare earth oxide, and a silicon film epitaxially grown on the surface of the second region of the single crystal insulator substrate MIS-
FET, the capacitor and the MIS-FET
Are connected to each other by a wiring.

【0038】この発明において、(001)面方位のシ
リコン基板には、実質的に(001)面方位と同等と認
められる範囲内で(001)面からオフしたシリコン基
板も含まれる。
In the present invention, the silicon substrate having the (001) plane orientation includes a silicon substrate turned off from the (001) plane within a range substantially equivalent to the (001) plane orientation.

【0039】この発明において、希土類酸化物は、具体
的にはセリウム(Ce)、イットリウム(Y)等の希土
類元素の酸化物であり、これには1種の希土類元素の酸
化物のほかに、2種以上の希土類元素の酸化物も含まれ
る。この希土類酸化物をReOz (ただし、Reは希土
類元素)と表すと、通常、0<z≦3である。また、こ
の希土類酸化物は立方晶系または正方晶系であるが、立
方晶系または正方晶系と認められる範囲内で多少歪んだ
ものも含まれるものとする。この希土類酸化物は、典型
的には、蛍石構造(CeO2 構造;フルオライト構造)
またはC−希土構造(Y2 3 構造;ビクスバイト(bi
xbyite)構造)をとる。
In the present invention, the rare earth oxide is, specifically, an oxide of a rare earth element such as cerium (Ce) or yttrium (Y). In addition to the oxide of one rare earth element, Oxides of two or more rare earth elements are also included. When this rare earth oxide is expressed as ReO z (where Re is a rare earth element), 0 <z ≦ 3 is usually satisfied. The rare-earth oxide is cubic or tetragonal, but may include those slightly distorted within a range recognized as cubic or tetragonal. This rare earth oxide typically has a fluorite structure (CeO 2 structure; fluorite structure)
Or C-rare earth structure (Y 2 O 3 structure;
xbyite) structure).

【0040】この発明においては、希土類酸化物をより
確実に(001)面方位にエピタキシャル成長させる観
点から、好適には、希土類酸化物をエピタキシャル成長
させる際に、シリコン基板の表面に酸化性ガスの供給を
開始してから少なくとも一種以上の希土類元素を含む原
料の供給を行う。この少なくとも一種以上の希土類元素
を含む原料は少なくとも一種以上の希土類元素からなる
ものであっても、例えば希土類酸化物からなるものであ
ってもよい。ここで、希土類元素は金属元素である。
In the present invention, from the viewpoint of more securely growing the rare earth oxide in the (001) plane orientation, it is preferable to supply an oxidizing gas to the surface of the silicon substrate when growing the rare earth oxide epitaxially. After the start, a raw material containing at least one or more rare earth elements is supplied. The raw material containing at least one or more rare earth elements may be made of at least one or more rare earth elements, or may be made of, for example, a rare earth oxide. Here, the rare earth element is a metal element.

【0041】この発明においては、希土類酸化物をエピ
タキシャル成長させた後、1×10-6Torr以下の圧
力の真空中において希土類酸化物の成長温度以上の温度
で熱処理を行う工程をさらに有する場合もある。この真
空中熱処理により、希土類酸化物から一部の酸素が引き
抜かれる。ここで、特に、希土類酸化物がCeOz であ
る場合、このCeOz をエピタキシャル成長させた後、
1×10-6Torr以下の圧力の真空中においてCeO
z の成長温度以上の温度で熱処理を行い、CeOz から
一部のOを引き抜くことにより、酸素欠陥型蛍石構造ま
たはC−希土構造(ビクスバイト構造)をとるCeO
z-d を生成することができる。ここで、CeOz-d にお
けるz−dは通常、1.5≦z−d<2であり、典型的
には例えば1.5≦z−d≦1.8である。希土類酸化
物がPmOz である場合も同様にしてビクスバイト構造
をとるCeOz-d を生成することができる。また、希土
類酸化物をエピタキシャル成長させた後、上記希土類酸
化物の成長温度より高い成長温度で上記希土類酸化物上
に希土類酸化物をホモエピタキシャル成長させる工程を
さらに有する場合もある。さらに、希土類酸化物をエピ
タキシャル成長させた後、希土類酸化物上に機能性酸化
物をエピタキシャル成長させる工程をさらに有する場合
もある。
In the present invention, after the rare earth oxide is epitaxially grown, a step of performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the rare earth oxide in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less may be further provided. . By this heat treatment in vacuum, a part of oxygen is extracted from the rare earth oxide. Here, particularly when the rare earth oxide is CeO z , after this CeO z is epitaxially grown,
CeO in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less
A heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the growth temperature of z, and a part of O is extracted from CeO z to obtain an oxygen-defective fluorite structure or a C-rare earth structure (bixbite structure).
zd can be generated. Here, z−d in CeO zd is usually 1.5 ≦ z−d <2, typically, for example, 1.5 ≦ z−d ≦ 1.8. Rare earth oxides can generate CeO zd take bixbyite structure in the same manner when a PMO z. The method may further include, after epitaxially growing the rare earth oxide, a step of homoepitaxially growing the rare earth oxide on the rare earth oxide at a growth temperature higher than the growth temperature of the rare earth oxide. Further, after the rare earth oxide is epitaxially grown, a step of epitaxially growing a functional oxide on the rare earth oxide may be further provided.

【0042】この発明においては、成長条件等によって
は、希土類酸化物の成長後に、シリコン基板と希土類酸
化物との界面に厚さ5nm以下の酸化シリコン膜または
欠陥層が形成されることもある。
In the present invention, a silicon oxide film or a defect layer having a thickness of 5 nm or less may be formed at the interface between the silicon substrate and the rare earth oxide after the growth of the rare earth oxide, depending on the growth conditions and the like.

【0043】この発明において、機能性酸化物は、典型
的には、ペロブスカイト構造または層状ペロブスカイト
構造である。このような機能性酸化物は、基本的にはど
のようなものであってもよいが、具体的には、強誘電
体、超伝導体、焦電体、圧電体などである。
In the present invention, the functional oxide typically has a perovskite structure or a layered perovskite structure. Such a functional oxide may be basically any type, and specifically, is a ferroelectric, a superconductor, a pyroelectric, a piezoelectric, or the like.

【0044】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、(001)面方位のシリコン基板の表面を2×1、
1×2の表面再構成によるダイマー構造とし、さらに、
好適には、希土類酸化物をエピタキシャル成長させる際
に、シリコン基板の表面に酸化性ガスの供給を開始して
から少なくとも一種以上の希土類元素を含む原料の供給
を行うことにより、(001)面方位のシリコン基板上
に希土類酸化物を(001)面方位に良好にエピタキシ
ャル成長させることができる。
According to the present invention configured as described above, the surface of the silicon substrate having the (001) plane orientation is 2 × 1,
Dimer structure by 1 × 2 surface reconstruction,
Preferably, when the rare-earth oxide is epitaxially grown, the supply of the oxidizing gas to the surface of the silicon substrate and then the supply of a raw material containing at least one or more rare-earth elements are performed, so that the (001) plane orientation is improved. A rare earth oxide can be favorably epitaxially grown in a (001) plane orientation on a silicon substrate.

【0045】[0045]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals.

【0046】まず、以下の実施形態においてCeO2
成長に用いるMBE装置について説明する。このMBE
装置は、通常の半導体成長用に設計されたMBE装置で
も不可能ではないが、酸化性ガス、好ましくは酸素ガス
を成長室に導入することができるようにノズル、配管等
が設置されており、また、耐酸化性の部材で成長室、ヒ
ータ、セル等が構成されている必要がある。また、基板
表面の状態をモニタリングすることができるよう、基板
表面に対して数度以内の角度で高速電子線を入射させる
ことができ、また、その電子線回折像を観測することが
できるよう、蛍光体を塗布したスクリーンが配備されて
いる(RHEEDシステム)。基板のサセプターはシリ
コンカーバイド(SiC)からなり、裏面よりSiCヒ
ータで加熱されるようになっている。ソース原料の供給
のため、分子線発生用の3基のクヌーセンセル、電子ビ
ーム蒸着用の2基の電子ビーム(EB)ガンが設置され
ている。酸化性ガスは、マスフローコントローラにて流
量制御された後、基板付近までノズルで供給され、基板
に吹き付けられるようになっている。
First, an MBE apparatus used for growing CeO 2 in the following embodiments will be described. This MBE
Although the apparatus is not impossible even with an MBE apparatus designed for normal semiconductor growth, nozzles, piping, etc. are installed so that an oxidizing gas, preferably oxygen gas, can be introduced into the growth chamber, Further, it is necessary that the growth chamber, the heater, the cell, and the like are constituted by oxidation-resistant members. In addition, in order to be able to monitor the state of the substrate surface, a high-speed electron beam can be made incident on the substrate surface at an angle of several degrees or less, and its electron beam diffraction image can be observed. A screen coated with a phosphor is provided (RHEED system). The susceptor of the substrate is made of silicon carbide (SiC), and is heated from the back by a SiC heater. In order to supply the source material, three Knudsen cells for generating a molecular beam and two electron beam (EB) guns for electron beam evaporation are provided. The oxidizing gas is supplied to the vicinity of the substrate by a nozzle after the flow rate is controlled by the mass flow controller, and is blown to the substrate.

【0047】まず、この発明の第1の実施形態による酸
化物の結晶成長方法について説明する。
First, an oxide crystal growth method according to the first embodiment of the present invention will be described.

【0048】この第1の実施形態においては、まず、図
5Aに示すように、(100)面方位のSi基板1を用
意する。
In the first embodiment, first, as shown in FIG. 5A, a Si substrate 1 having a (100) plane orientation is prepared.

【0049】次に、この(100)Si基板1の表面処
理を行う。この表面処理は、石坂、白木等によって提案
された先に述べた手法またはこれに準ずる手法により、
表面に揮発性の高いSiO2 膜を形成し、熱処理により
表面を出すことにより行う。具体的には、Si基板1を
RCA洗浄し、これに対し、120〜130℃に煮沸し
た濃硝酸中での10分間の処理(基板表面のエッチング
とSiO2 膜の形成)と2.5%希フッ酸による10〜
15秒程度の処理(SiO2 膜の除去)とを3〜4回繰
り返し行うことにより平坦面を形成する。次に、それを
90℃に加熱したアンモニア過水(NH4 OH:H2
2 :H2 O=1:1:3)中に入れてSi基板1の表面
に薄いSiO2 膜を形成し(10分間)、2.5%希フ
ッ酸で10〜15秒程度処理(SiO2 膜の除去)す
る。それを、再び90℃に加熱したアンモニア過水(N
4 OH:H2 2 :H2 O=1:1.25:3)中に
入れて薄いSiO2 膜を形成し(10分間)、さらに抵
抗率18MΩcm以上の超純水にてリンス後、窒素ガス
で基板表面の水滴を除去してMBE装置の成長室に投入
する。そして、この成長室において、真空中、600℃
で1時間脱ガスした後、1000℃まで昇温して数秒保
持し、Si基板1の表面からSiOを揮発させる(Si
+SiO2 →2SiO↑)。この過程で、850℃前後
まで昇温した時点で2×1、1×2再構成表面が得られ
る(図5B)。このようにして2×1、1×2表面再構
成によるダイマー構造が形成されたSi基板1を成長温
度まで冷却してCeO2 成長用基板とする。なお、本発
明者の実験では、ヒータおよびサセプターにSiCを用
いていることもあり、通常コンタミネーションであると
されるSiCと思われる島状の構造を完全に除去するに
は至らなかった。
Next, the surface treatment of the (100) Si substrate 1 is performed. This surface treatment is performed by the above-mentioned method proposed by Ishizaka, Shiraki, or the like, or a method similar thereto.
This is performed by forming a highly volatile SiO 2 film on the surface and exposing the surface by heat treatment. Specifically, the Si substrate 1 was subjected to RCA cleaning, and then subjected to a treatment in concentrated nitric acid boiled at 120 to 130 ° C. for 10 minutes (etching of the substrate surface and formation of a SiO 2 film) and 2.5% 10 with dilute hydrofluoric acid
The process (removal of the SiO 2 film) for about 15 seconds is repeated three to four times to form a flat surface. Next, it was heated to 90 ° C. with ammonia peroxide (NH 4 OH: H 2 O).
2 : H 2 O = 1: 1: 3) to form a thin SiO 2 film on the surface of the Si substrate 1 (10 minutes), and treat it with 2.5% diluted hydrofluoric acid for about 10 to 15 seconds (SiO 2 2 film removal). It was heated again to 90 ° C. with ammonia peroxide (N
H 4 OH: H 2 O 2 : H 2 O = 1: 1.25: 3) was placed in a thin SiO 2 film is formed (10 minutes), rinsed with further resistivity 18MΩcm or ultrapure water Then, water droplets on the substrate surface are removed with nitrogen gas, and the substrate is put into a growth chamber of an MBE apparatus. Then, in this growth chamber, at 600 ° C.
After degassing for 1 hour, the temperature is raised to 1000 ° C. and held for several seconds to volatilize SiO from the surface of the Si substrate 1 (Si
+ SiO 2 → 2SiO ↑). In this process, when the temperature is raised to about 850 ° C., a 2 × 1, 1 × 2 reconstructed surface is obtained (FIG. 5B). The Si substrate 1 on which the dimer structure is formed by the 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction in this manner is cooled to a growth temperature to obtain a CeO 2 growth substrate. In the experiment of the present inventor, SiC was used for the heater and the susceptor, and the island-like structure which is considered to be usually a contamination and was considered as SiC was not completely removed.

【0050】次に、図5Cに示すように、2×1、1×
2の表面再構成によるダイマー構造が表面に形成された
Si基板1上に、100℃程度以下の低温の基板温度に
おいて、セリウム金属および酸素を原料に用い、それら
を適切なレート(図1参照)で供給して、(001)面
方位のCeO2 膜2をエピタキシャル成長させる。具体
的には、例えば、基板温度を27℃とし、EBガン電流
150mA、酸素流量0.05sccmにて、セリウム
金属および酸素を成長室内に供給する。このとき重要な
ことは、まずSi基板1の表面への酸素の供給を開始し
てから、セリウム金属の供給を行うことである。このよ
うにして成長を行うと、CeO2 (001)が、エピタ
キシャルに成長していることがRHEEDスクリーン上
で確認される。図6および図7に、(001)CeO2
膜の〈100〉入射による電子線回折位置のシミュレー
ションパターンおよび実際に得られたRHEEDパター
ンをそれぞれ示す。また、図8および図9に、(00
1)CeO2 膜の〈110〉入射による電子線回折位置
のシミュレーションパターンおよび実際に得られたRH
EEDパターンを示す。上記の条件でCeO2 膜2を5
nm程度以上の膜厚に厚く成長させると、膜厚の増加に
連れて配向性が悪化する傾向を示した。このようにして
得られるCeO2 (001)/Si(001)構造の透
過型電子顕微鏡による断面格子像(〈110〉入射)の
一例を図10に示す。図10より、Si基板1とCeO
2 膜2との界面に2nm程度の膜厚の欠陥層(SiOx
膜と考えられる)が存在しているものの、CeO2 膜2
の格子縞がSi基板1のそれに揃っていることから、C
eO2 膜2はエピタキシャルに成長していることがわか
る。
Next, as shown in FIG. 5C, 2 × 1, 1 ×
At a low substrate temperature of about 100 ° C. or less, cerium metal and oxygen are used as raw materials on the Si substrate 1 on the surface of which a dimer structure is formed by the surface reconstruction of FIG. To grow the CeO 2 film 2 having the (001) plane orientation epitaxially. Specifically, for example, cerium metal and oxygen are supplied into the growth chamber at a substrate temperature of 27 ° C., an EB gun current of 150 mA, and an oxygen flow rate of 0.05 sccm. What is important at this time is that the supply of oxygen to the surface of the Si substrate 1 is first started, and then the supply of cerium metal is performed. When growth is performed in this manner, it is confirmed on the RHEED screen that CeO 2 (001) is grown epitaxially. FIGS. 6 and 7 show (001) CeO 2.
The simulation pattern of the electron beam diffraction position by <100> incidence of the film and the RHEED pattern actually obtained are shown, respectively. 8 and 9 show (00)
1) Simulation pattern of electron beam diffraction position due to <110> incidence of CeO 2 film and RH actually obtained
3 shows an EED pattern. Under the above conditions, the CeO 2 film 2
When the film was grown to a thickness of about nm or more, the orientation tended to deteriorate as the film thickness increased. FIG. 10 shows an example of a cross-sectional lattice image (<110> incident) of the CeO 2 (001) / Si (001) structure obtained by the transmission electron microscope. 10, the Si substrate 1 and CeO
2 At the interface with the film 2, a defect layer (SiO x
CeO 2 film 2)
Are aligned with those of the Si substrate 1,
It can be seen that the eO 2 film 2 is grown epitaxially.

【0051】以上のように、この第1の実施形態によれ
ば、(001)Si基板1の表面を2×1、1×2表面
再構成によるダイマー構造とした後、成長室にセリウム
金属および酸素を適切なレートで供給し、この際酸素の
供給を先行させ、100℃程度以下の低温の基板温度で
成長を行っていることにより、CeO2 膜2を(00
1)面方位に良好にエピタキシャル成長させることがで
きる。
As described above, according to the first embodiment, after the surface of the (001) Si substrate 1 has a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, cerium metal and oxygen was fed at the appropriate rate, it is preceded by the supply of this case oxygen, by doing growth at a low temperature of the substrate temperature below about 100 ° C., a CeO 2 film 2 (00
1) The epitaxial growth can be favorably performed in the plane orientation.

【0052】次に、この発明の第2の実施形態による酸
化物の結晶成長方法について説明する。
Next, an oxide crystal growth method according to the second embodiment of the present invention will be described.

【0053】この第2の実施形態においては、まず、図
11Aに示すように、第1の実施形態と同様にして、2
×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造が表面に
形成された(001)Si基板1上に(001)CeO
2 膜2をエピタキシャル成長させる。CeO2 膜2の膜
厚は例えば5nmとする。
In the second embodiment, as shown in FIG. 11A, first, as shown in FIG.
(001) CeO is formed on a (001) Si substrate 1 having a dimer structure formed on the surface by × 1, 1 × 2 surface reconstruction.
2 The film 2 is epitaxially grown. The thickness of the CeO 2 film 2 is, for example, 5 nm.

【0054】次に、このCeO2 膜2をMBE装置の成
長室において、真空中(例えば、10-9Torr台)で
熱処理する。この真空中熱処理によるRHEEDパター
ンの変化を図12〜図17に示す。ここで、図12〜図
14は〈100〉入射の場合で、図12は成長直後の室
温におけるRHEEDパターン、図13は熱処理温度が
300℃のときのRHEEDパターン、図14は熱処理
温度が600℃のときのRHEEDパターンである。ま
た、図15〜図17は〈110〉入射の場合で、図15
は成長直後の室温におけるRHEEDパターン、図16
は熱処理温度が300℃のときのRHEEDパターン、
図17は熱処理温度が600℃のときのRHEEDパタ
ーンである。図12〜図17より、300℃程度の真空
中熱処理により一旦平坦化し、500℃程度以上の温度
の真空中熱処理により超格子スポットが現れているのが
わかる。900℃まで昇温した後に室温まで冷却するこ
とにより、図11Bに示すように、ビクスバイト相の
(001)CeO2-x 膜3が得られる。この試料の〈1
00〉入射によるRHEEDパターンを図19に、ビク
スバイト相のCeO2-x (001)膜の〈100〉入射
による電子線回折位置のシミュレーションパターンを図
18に示す。また、同じ試料の〈110〉入射によるR
HEEDパターンを図21に、ビクスバイト相のCeO
2-x (001)膜の〈110〉入射による電子線回折位
置のシミュレーションパターンを図20に示す。消滅則
に対する考察から、空間群はIa3(206)と決定さ
れる(図18および図20)。これはY2 3 と同形の
酸素欠陥相CeO2-X であると考えられる((51)JCP
DS:23−1048,44−1086)。このビクス
バイト相は、酸素量に関しては不定比性があると考えら
れ、高真空中でのみ安定な新規物質であり、10-7To
rr以上の酸素圧下では超格子パターンが消失する傾向
を示した。
Next, this CeO 2 film 2 is subjected to a heat treatment in a growth chamber of an MBE apparatus in a vacuum (for example, on the order of 10 −9 Torr). FIGS. 12 to 17 show changes in the RHEED pattern due to the heat treatment in vacuum. 12 to 14 show the case of <100> incidence, FIG. 12 shows an RHEED pattern at room temperature immediately after growth, FIG. 13 shows an RHEED pattern at a heat treatment temperature of 300 ° C., and FIG. 14 shows a heat treatment temperature of 600 ° C. This is the RHEED pattern at the time of. 15 to 17 show the case of <110> incidence.
Is the RHEED pattern at room temperature immediately after growth, FIG.
Is the RHEED pattern when the heat treatment temperature is 300 ° C.
FIG. 17 shows a RHEED pattern when the heat treatment temperature is 600 ° C. From FIG. 12 to FIG. 17, it can be seen that the surface is once planarized by the heat treatment in a vacuum of about 300 ° C., and a super lattice spot appears by the heat treatment in a vacuum of about 500 ° C. or more. By raising the temperature to 900 ° C. and then cooling to room temperature, a (001) CeO 2-x film 3 in the bixbite phase is obtained as shown in FIG. 11B. <1 of this sample
FIG. 19 shows a RHEED pattern caused by incidence of <00>, and FIG. 18 shows a simulation pattern of an electron beam diffraction position caused by incidence of <100> of the CeO 2-x (001) film in the bixbyite phase. Further, R due to <110> incidence of the same sample
The HEED pattern is shown in FIG.
FIG. 20 shows a simulation pattern of the electron beam diffraction position due to the <110> incidence of the 2-x (001) film. From the consideration of the extinction rule, the space group is determined to be Ia3 (206) (FIGS. 18 and 20). This is considered to be an oxygen-deficient phase CeO 2-X having the same shape as Y 2 O 3 ((51) JCP
DS: 23-1048, 44-1086). The bixbyite phase is considered with respect to oxygen is nonstoichiometric, it has only stable novel substance in a high vacuum, 10 -7 the To
Under an oxygen pressure of rr or more, the superlattice pattern tended to disappear.

【0055】以上のように、この第2の実施形態によれ
ば、第1の実施形態と同様にして、2×1、1×2の表
面再構成によるダイマー構造が表面に形成された(00
1)Si基板1上に(001)CeO2 膜2をエピタキ
シャル成長させた後、真空中熱処理を行うことにより、
ビクスバイト相の(001)CeO2-x 膜3を得ること
ができる。
As described above, according to the second embodiment, a dimer structure is formed on the surface by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction as in the first embodiment (00).
1) A (001) CeO 2 film 2 is epitaxially grown on a Si substrate 1 and then subjected to a heat treatment in a vacuum.
The (001) CeO 2-x film 3 in the bixbite phase can be obtained.

【0056】次に、この発明の第3の実施形態による酸
化物の結晶成長方法について説明する。
Next, an oxide crystal growth method according to the third embodiment of the present invention will be described.

【0057】この第3の実施形態においては、まず、図
22Aに示すように、第2の実施形態と同様にして、
(001)Si基板1上にビクスバイト相の(001)
CeO2-x 膜3を形成する。ここで、このCeO2-x
3はCe2 3 という定比でなくてもよい。
In the third embodiment, first, as shown in FIG. 22A, similar to the second embodiment,
The (001) of the bixbite phase on the (001) Si substrate 1
A CeO 2-x film 3 is formed. Here, the CeO 2-x film 3 does not have to have a constant ratio of Ce 2 O 3 .

【0058】次に、図22Bに示すように、CeO2-x
膜3上にCeO2 膜4を(001)面方位にホモエピタ
キシャル成長させる。このCeO2 膜4の成長は、具体
的には、例えば、基板温度700℃にて、EBガン電流
150mA、酸素流量0.25sccmの条件で行う。
また、このCeO2 膜4の膜厚は例えば45nmとす
る。このようにしてホモエピタキシャル成長したCeO
2 膜4のRHEEDパターンを図23および図24に示
す。ここで、図23は〈100〉入射の場合、図24は
〈110〉入射の場合である。第1の実施形態における
条件ではCeO2膜を5nm程度以上の膜厚に厚く成長
させることは難しかったが、この第3の実施形態のよう
にホモエピタキシャル成長させることにより、700℃
という高い基板温度でCeO2 膜4を厚く成長させるこ
とができる。このとき、ホモエピタキシャル成長の下地
層は、10-7Torr以上の酸素圧下で超格子パターン
の認められない相でもよいが、表面を極力平坦化し、C
eO2 /Si界面への酸素拡散を緩和するためには、第
2の実施形態において説明したようなビクスバイト相の
CeO2-x 膜3を生成する工程を経るのが好ましいと考
えられる。
Next, as shown in FIG. 22B, CeO 2-x
A CeO 2 film 4 is homoepitaxially grown on the film 3 in a (001) plane orientation. Specifically, the growth of the CeO 2 film 4 is performed, for example, at a substrate temperature of 700 ° C. under an EB gun current of 150 mA and an oxygen flow rate of 0.25 sccm.
The CeO 2 film 4 has a thickness of, for example, 45 nm. CeO thus grown homoepitaxially
The RHEED pattern of the two films 4 is shown in FIGS. Here, FIG. 23 shows the case of <100> incidence, and FIG. 24 shows the case of <110> incidence. Under the conditions of the first embodiment, it was difficult to grow the CeO 2 film to a thickness of about 5 nm or more, but by performing homoepitaxial growth as in the third embodiment, the temperature of 700 ° C.
At such a high substrate temperature, the CeO 2 film 4 can be grown thick. At this time, the underlayer for homoepitaxial growth may be a phase in which a superlattice pattern is not recognized under an oxygen pressure of 10 -7 Torr or more.
In order to ease the diffusion of oxygen to the eO 2 / Si interface, it is considered preferable to go through the step of forming the bixbite-phase CeO 2-x film 3 as described in the second embodiment.

【0059】第1の実施形態によるエピタキシャルCe
2 膜2は、膜厚が薄いため、X線による解析が困難で
あったが、このホモエピタキシャルCeO2 膜4では、
膜厚が十分に厚いため、X線による解析が可能になっ
た。図25に、室温で成長されたCeO2-x 膜上に基板
温度700℃で(001)CeO2 膜をホモエピタキシ
ャル成長させたCeO2 (001)/Si(001)の
θ/2θスキャンによるX線回折図形の測定結果を示
す。ただし、この測定に使用されたディフラクトメータ
は、θ/2θ以外に、あおりαおよび面内回転βの自由
度を有しており、軸立て、φスキャン等の測定が可能で
ある。また、X線源はCuKα線である。
Epitaxial Ce according to the first embodiment
Although the O 2 film 2 was difficult to analyze by X-ray because of its small thickness, the homoepitaxial CeO 2 film 4
Since the film thickness is sufficiently large, analysis using X-rays has become possible. FIG. 25 shows an X-ray by θ / 2θ scan of CeO 2 (001) / Si (001) obtained by homoepitaxially growing a (001) CeO 2 film at a substrate temperature of 700 ° C. on a CeO 2-x film grown at room temperature. The measurement result of a diffraction pattern is shown. However, the diffractometer used for this measurement has a degree of freedom of tilt α and in-plane rotation β in addition to θ / 2θ, and is capable of measurement such as axial stand and φ scan. The X-ray source is a CuKα ray.

【0060】図25に示すX線回折図形においては、良
好な格子整合性を反映して、CeO2 (002)に極め
て近接するSi基板1からの回折ピークが重畳する。こ
こでは、この回折ピークを便宜上Si(002)と表記
する。これはダイヤモンド構造をとるSi結晶(空間
群:Fd3m)では禁制反射である。この回折ピークの
解釈については諸説あるが、特異な面内回転角依存性か
ら、少なくとも主成分は例えば(111)、(−1−1
1)等の組み合わせによる二重回折であると考えられて
いる((52)まてりあ第37巻第5号、p.421(19
98))。このため、通常行われるように、Si(00
4)ピークで軸立てを行っても、Si(002)の強度
には再現性がないのが普通である。一方、面内回転角依
存性で、バックグラウンド成分も認められることから、
結晶不完全性や、結晶として不完全である表面、界面等
に起因して対称性が低下し、回折ピークとして観測され
る成分も存在している可能性がある。ここでは、このS
i(002)ピークが出現する面内回転角に試料をセッ
トした後、Si(004)の対称反射が最大強度をとる
ように軸立てを行い、結晶評価を行った。
In the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 25, the diffraction peak from Si substrate 1 very close to CeO 2 (002) is superimposed, reflecting good lattice matching. Here, this diffraction peak is described as Si (002) for convenience. This is a forbidden reflection in a Si crystal having a diamond structure (space group: Fd3m). Although there are various opinions about the interpretation of the diffraction peak, at least the main components are, for example, (111) and (-1-1) because of the unique in-plane rotation angle dependence.
It is considered to be double diffraction due to the combination of (1) and the like ((52) Materia 37, No. 5, p. 421 (19)
98)). For this reason, as usual, Si (00
4) Even if the alignment is performed at the peak, the intensity of Si (002) is generally not reproducible. On the other hand, since the background component is also recognized depending on the in-plane rotation angle,
There is a possibility that symmetry is reduced due to crystal imperfections or a surface or an interface that is imperfect as a crystal, and a component observed as a diffraction peak may be present. Here, this S
After setting the sample to the in-plane rotation angle at which the i (002) peak appears, the axis was set so that the symmetric reflection of Si (004) had the maximum intensity, and the crystal was evaluated.

【0061】図25に示すX線回折図形のデータは、酸
化性ガス導入ノズルが基板直近にあることから、CeO
2 膜の成長時の酸素供給濃度に若干の分布があるため、
試料のノズル先端付近の10mm角の領域を評価したも
のである。この領域では、CeO2 (111)、(22
0)等の回折はほとんど認められず、単相のCeO
2(001)が形成されているのがわかる。図25のS
i(002)、CeO2 (002)ピーク付近を拡大し
たのが図26である。図26においては、ピークの重畳
は避け難いが、CeO2 (002)ピークが明瞭に認め
られる。格子定数はバルク値(〜5.411Å)よりも
やや小さく、〜5.392Å程度である。
The data of the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 25 show that the oxidizing gas introduction nozzle is close to the substrate,
Since the oxygen feed concentration during the growth of the 2 films are some distribution,
This is an evaluation of a 10 mm square area near the tip of the nozzle of the sample. In this region, CeO 2 (111), (22)
0), etc., is hardly observed, and single-phase CeO
It can be seen that 2 (001) is formed. S in FIG.
FIG. 26 is an enlarged view of the vicinity of the i (002) and CeO 2 (002) peaks. In FIG. 26, the superposition of the peaks is inevitable, but the CeO 2 (002) peak is clearly recognized. The lattice constant is slightly smaller than the bulk value (〜5.411Å), and is about 5.392Å.

【0062】図25および図26の試料のCeO2 {2
04}および基板Si{202}ピークのφスキャンデ
ータを図27に示す。図27より、CeO2 {20
4}、基板Si{202}の面内回転位相が揃ってお
り、マクロな領域でCeO2 およびSiの結晶軸がキュ
ーブオンキューブ(cube on cube) に重なっていること
を確認することができ、この結果からも、CeO2 膜4
のエピタキシャル成長が確認される。
CeO 2 {2 of the samples of FIGS. 25 and 26
FIG. 27 shows φ scan data of the peaks of 04 ° and the Si {202} substrate. According to FIG. 27, CeO 2 {20
4}, the in-plane rotation phases of the substrate Si {202} are aligned, and it can be confirmed that the crystal axes of CeO 2 and Si overlap the cube on cube in a macroscopic region, From this result, the CeO 2 film 4
Epitaxial growth is confirmed.

【0063】図28に、(001)Si基板1上に室温
でCeO2-x 膜3を成長させた後、このCeO2-x 膜3
上にCeO2 膜4を(001)面方位に700℃で厚く
ホモエピタキシャル成長させた試料の透過型電子顕微鏡
による断面格子像の一例を示す。ただし、図28中では
CeO2-x 膜3をCeOx と表記している。また、この
CeOx はアモルファスであるので、a−CeOx と表
記している。図28より、Si基板1とCeO2 膜4と
の界面に厚さ2.5nmのa−SiOx が存在している
ものの、CeO2 膜4の格子縞がSi基板1のそれに揃
っていることから、CeO2 膜4はエピタキシャルに成
長していることがわかる。
[0063] Figure 28, (001) after growing the CeO 2-x film 3 at room temperature on the Si substrate 1, the CeO 2-x film 3
An example of a cross-sectional lattice image by a transmission electron microscope of a sample in which the CeO 2 film 4 is homoepitaxially grown thick at 700 ° C. in the (001) plane orientation is shown above. However, in FIG. 28, the CeO 2-x film 3 is described as CeO x . Since CeO x is amorphous, it is described as a-CeO x . According to FIG. 28, although a-SiO x having a thickness of 2.5 nm exists at the interface between the Si substrate 1 and the CeO 2 film 4, the lattice fringes of the CeO 2 film 4 are aligned with those of the Si substrate 1. It can be seen that the CeO 2 film 4 is grown epitaxially.

【0064】以上のように、この第3の実施形態によれ
ば、第2の実施形態と同様にして、(001)Si基板
1上にビクスバイト相の(001)CeO2-x 膜3を形
成した後、このCeO2-x 膜3上にCeO2 膜4を(0
01)面方位にホモエピタキシャル成長させていること
により、十分な厚さのエピタキシャル(001)CeO
2 膜4を得ることができる。
As described above, according to the third embodiment, the (001) CeO 2-x film 3 of the bixbite phase is formed on the (001) Si substrate 1 in the same manner as the second embodiment. After the formation, a CeO 2 film 4 is formed on this CeO 2-x film 3 (0
01) The epitaxial (001) CeO having a sufficient thickness is grown by homoepitaxial growth in the plane orientation.
Two films 4 can be obtained.

【0065】次に、この発明の第4の実施形態による強
誘電体不揮発性メモリの製造方法について説明する。こ
の強誘電体不揮発性メモリは、CeO2 (001)/S
i(001)エピタキシャル構造を用いた、MIS−F
ETおよび強誘電体キャパシタゲート(FCG)による
強誘電体不揮発性メモリである。この強誘電体不揮発性
メモリの完成状態を図29に示す。
Next, a method of manufacturing the ferroelectric nonvolatile memory according to the fourth embodiment will be described. This ferroelectric nonvolatile memory is composed of CeO 2 (001) / S
MIS-F using i (001) epitaxial structure
This is a ferroelectric nonvolatile memory using ET and a ferroelectric capacitor gate (FCG). FIG. 29 shows a completed state of the ferroelectric nonvolatile memory.

【0066】この第4の実施形態においては、まず、第
1の実施形態と同様にして、(001)Si基板11の
キャパシタ形成領域にエピタキシャル(001)CeO
2 膜12を選択的に形成する。このCeO2 膜12を形
成するには、Si基板11の表面を成長マスク(図示せ
ず)で選択的に覆ってCeO2 膜12を選択的にエピタ
キシャル成長させてもよいし、Si基板11の全面にC
eO2 膜12をエピタキシャル成長させた後、このCe
2 膜12をイオンミリング等でパターニングしてもよ
い。
In the fourth embodiment, first, in the same manner as in the first embodiment, an epitaxial (001) CeO
The two films 12 are selectively formed. In order to form the CeO 2 film 12, the surface of the Si substrate 11 may be selectively covered with a growth mask (not shown), and the CeO 2 film 12 may be selectively epitaxially grown. To C
After the eO 2 film 12 is epitaxially grown, the CeO
The O 2 film 12 may be patterned by ion milling or the like.

【0067】(001)CeO2 /(001)Si構造
の形成以外のプロセスとしては、基本的に従来の半導体
プロセスを用いることができる。すなわち、例えば、ま
ず、LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 法によ
りSi基板11の表面を選択的に熱酸化してSiO2
からなるフィールド絶縁膜13を形成する。次に、この
フィールド絶縁膜13に囲まれた活性領域の表面に熱酸
化法によりSiO2 膜からなるゲート絶縁膜14を形成
する。次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法な
どにより全面に多結晶Si膜を形成し、この多結晶Si
膜に不純物をドープして低抵抗化した後、この多結晶S
i膜をエッチングしてパターニングすることによりゲー
ト電極15を形成する。次に、このゲート電極15をマ
スクとしてSi基板1中に不純物をイオン注入し、必要
に応じてさらに不純物の電気的活性化のための熱処理を
行うことにより、ソース領域16およびドレイン領域1
7をゲート電極15に対して自己整合的に形成する。こ
の不純物としては、nチャネルMIS−FETを形成す
る場合にはn型不純物、例えばヒ素(As)を用い、p
チャネルMIS−FETを形成する場合にはp型不純
物、例えばホウ素(B)を用いる。
As a process other than the formation of the (001) CeO 2 / (001) Si structure, a conventional semiconductor process can be basically used. That is, for example, first, the surface of the Si substrate 11 is selectively thermally oxidized by the LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method to form the field insulating film 13 made of a SiO 2 film. Next, a gate insulating film 14 made of a SiO 2 film is formed on the surface of the active region surrounded by the field insulating film 13 by a thermal oxidation method. Next, a polycrystalline Si film is formed on the entire surface by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.
After the film is doped with impurities to reduce the resistance, the polycrystalline S
The gate electrode 15 is formed by etching and patterning the i film. Next, impurities are ion-implanted into the Si substrate 1 by using the gate electrode 15 as a mask, and a heat treatment for electrically activating the impurities is performed as necessary, so that the source region 16 and the drain region 1 are formed.
7 is formed in self-alignment with the gate electrode 15. As an impurity, when an n-channel MIS-FET is formed, an n-type impurity, for example, arsenic (As) is used.
When a channel MIS-FET is formed, a p-type impurity, for example, boron (B) is used.

【0068】次に、(001)CeO2 膜12上に、例
えば(001)SrRuO3 のような導電性酸化物から
なる下部電極18、例えば(001)PZTからなる強
誘電体膜19および例えば(001)SrRuO3 のよ
うな導電性酸化物からなる上部電極20を順次形成し、
強誘電体キャパシタを形成する。ここで、下部電極18
は、後に配線を接続することができるように、強誘電体
膜19および上部電極20よりも大きめに形成する。こ
れらの導電性酸化物や強誘電体膜は、スパッタリング
法、CVD法等によりエピタキシャル成長させることが
できる。この際には、成長マスクを用いて選択的に成長
を行ってもよいし、全面に成長を行った後にSiO2
などからなるマスクを用いてイオンミリング等で加工す
るようにしてもよい。
Next, on the (001) CeO 2 film 12, a lower electrode 18 made of a conductive oxide such as (001) SrRuO 3 , for example, a ferroelectric film 19 made of (001) PZT and a 001) An upper electrode 20 made of a conductive oxide such as SrRuO 3 is sequentially formed,
Form a ferroelectric capacitor. Here, the lower electrode 18
Is formed larger than the ferroelectric film 19 and the upper electrode 20 so that a wiring can be connected later. These conductive oxides and ferroelectric films can be epitaxially grown by a sputtering method, a CVD method, or the like. In this case, the growth may be performed selectively using a growth mask, or may be performed by ion milling or the like using a mask made of a SiO 2 film or the like after growing the entire surface.

【0069】次に、例えばCVD法により全面にSiO
2 膜のような層間絶縁膜21を成膜した後、この層間絶
縁膜21のうちゲート電極15上の所定部分、上部電極
20上の所定部分および下部電極18上の所定部分をエ
ッチング除去することによりコンタクトホール22、2
3、24を形成する。次に、例えば真空蒸着法、スパッ
タリング法等により全面に例えばアルミニウム(Al)
膜を形成した後、このAl膜をエッチングによりパター
ニングして、ゲート電極15と上部電極20とを接続す
る局所配線25および下部電極18に接続された局所配
線26を形成する。
Next, for example, the SiO
After an interlayer insulating film 21 such as a two- layer film is formed, a predetermined portion of the interlayer insulating film 21 on the gate electrode 15, a predetermined portion on the upper electrode 20, and a predetermined portion on the lower electrode 18 are removed by etching. Contact holes 22, 2
3 and 24 are formed. Next, for example, aluminum (Al) is formed on the entire surface by, for example, a vacuum evaporation method or a sputtering method.
After the film is formed, the Al film is patterned by etching to form a local wiring 25 connecting the gate electrode 15 and the upper electrode 20 and a local wiring 26 connected to the lower electrode 18.

【0070】以上の工程により、図29に示すように、
MIS−FETのゲート電極15に強誘電体キャパシタ
が接続されたMFMIS構造の強誘電体不揮発性メモリ
が製造される。
By the above steps, as shown in FIG.
A ferroelectric nonvolatile memory having an MFMIS structure in which a ferroelectric capacitor is connected to the gate electrode 15 of the MIS-FET is manufactured.

【0071】この第4の実施形態による強誘電体不揮発
性メモリによれば、上述したMFS(MFMIS)構造
の強誘電体不揮発性メモリとして多くの利点を有してい
るのみならず、信頼性の高いSiO2 膜をゲート絶縁膜
として用いることが可能であること、強誘電体キャパシ
タをMIS−FETと分離して形成しているため、ゲー
ト/キャパシタ面積比の設計自由度が大きく、強誘電体
キャパシタを相対的に小さく構成することで、低電圧で
も十分な強誘電体の分極が得られること、そして何より
も強誘電体膜19をエピタキシャル単結晶薄膜として形
成することができるため、良好な角型性が期待され、M
FS構造の強誘電体不揮発性メモリの最大の課題である
リテンション、ディスターブ等に対して極めて有利であ
ることが最大の特徴である。また、CeO2 (001)
/Si(001)界面は、熱酸化プロセス等でSiOx
膜が形成される等、劣化の可能性があるが、本構造で
は、(001)CeO2 上に例えばSrRuO3 等の導
電性酸化物がエピタキシャル成長しさえすれば、界面劣
化が起きてもデバイス動作上問題はなく、プロセス的に
も従来のMFIS構造の強誘電体不揮発性メモリに比べ
て有利である。
According to the ferroelectric nonvolatile memory according to the fourth embodiment, not only the above-mentioned ferroelectric nonvolatile memory having the MFS (MFMIS) structure has many advantages, but also a high reliability. Since a high SiO 2 film can be used as a gate insulating film and the ferroelectric capacitor is formed separately from the MIS-FET, the degree of freedom in designing the gate / capacitor area ratio is large, and the ferroelectric By making the capacitor relatively small, sufficient ferroelectric polarization can be obtained even at a low voltage, and above all, the ferroelectric film 19 can be formed as an epitaxial single-crystal thin film. Type is expected, M
The most important feature of the ferroelectric nonvolatile memory having the FS structure is that it is extremely advantageous for retention, disturbance, and the like, which are the biggest problems of the ferroelectric nonvolatile memory. Also, CeO 2 (001)
/ Si (001) interface is made of SiO x
Although there is a possibility of deterioration such as formation of a film, in this structure, as long as a conductive oxide such as SrRuO 3 grows epitaxially on (001) CeO 2 , device operation can be performed even if interface deterioration occurs. There is no problem and the process is more advantageous than the conventional MFIS structure ferroelectric nonvolatile memory.

【0072】次に、この発明の第5の実施形態による強
誘電体不揮発性メモリの製造方法について説明する。こ
の強誘電体不揮発性メモリにおいては、CeO2 (00
1)/サファイア(1−102)エピタキシャル構造を
用いた、MIS−FETおよびFCGによる強誘電体不
揮発性メモリである。この強誘電体不揮発性メモリの完
成状態を図30に示す。
Next, a method of manufacturing the ferroelectric nonvolatile memory according to the fifth embodiment of the present invention will be described. In this ferroelectric nonvolatile memory, CeO 2 (00
1) A ferroelectric non-volatile memory using a MIS-FET and FCG using a sapphire (1-102) epitaxial structure. FIG. 30 shows a completed state of the ferroelectric nonvolatile memory.

【0073】図30に示すように、この強誘電体不揮発
性メモリを製造するには、まず、いわゆるr面、言い換
えれば(1−102)面方位のサファイア基板51のキ
ャパシタ形成領域の表面にエピタキシャル(001)C
eO2 膜52を形成する。このr面サファイア基板51
上へのエピタキシャル(001)CeO2 膜52の形成
は極めて容易に行うことができる。次に、サファイア基
板51のMIS−FET形成領域の表面にチャネル層と
なる単結晶Si膜53をエピタキシャル成長させる。次
に、単結晶Si膜53の表面にSiO2 膜のようなゲー
ト絶縁膜54を形成した後、例えば不純物をドープした
多結晶Siからなるゲート電極55を形成する。次に、
このゲート電極55をマスクとして単結晶Si膜53中
に不純物をイオン注入することにより、ソース領域56
およびドレイン領域57をゲート電極55に対して自己
整合的に形成する。このようにして、SOI(Silicon
onInsulator)構造のMIS−FETが形成される。次
に、第4の実施形態と同様にして、(001)CeO2
膜52上に例えば(001)SrRuO3 などの導電性
酸化物からなる下部電極58、例えば(001)PZT
などの強誘電体からなる強誘電体膜59および例えば
(001)SrRuO3 などの導電性酸化物からなる上
部電極60を形成する。次に、例えばCVD法により全
面にSiO2 膜のような層間絶縁膜61を形成した後、
この層間絶縁膜61のうちゲート電極55上の所定部
分、上部電極60上の所定部分および下部電極58上の
所定部分をエッチング除去することによりコンタクトホ
ール62、63、64を形成する。次に、例えば真空蒸
着法、スパッタリング法等により全面に例えばAl膜を
形成した後、このAl膜をエッチングによりパターニン
グして、ゲート電極55と上部電極60とを接続する局
所配線65および下部電極58に接続された局所配線6
1を形成する。
As shown in FIG. 30, in order to manufacture this ferroelectric nonvolatile memory, first, an epitaxial layer is formed on the surface of a capacitor forming region of a sapphire substrate 51 having a so-called r-plane, that is, a (1-102) plane orientation. (001) C
An eO 2 film 52 is formed. This r-plane sapphire substrate 51
The formation of the epitaxial (001) CeO 2 film 52 thereon can be performed very easily. Next, a single crystal Si film 53 serving as a channel layer is epitaxially grown on the surface of the MIS-FET formation region of the sapphire substrate 51. Next, after forming a gate insulating film 54 such as a SiO 2 film on the surface of the single crystal Si film 53, a gate electrode 55 made of, for example, polycrystalline Si doped with impurities is formed. next,
Using the gate electrode 55 as a mask, impurities are ion-implanted into the single-crystal Si film 53 to form a source region 56.
And a drain region 57 is formed in self-alignment with the gate electrode 55. In this way, SOI (Silicon
An MIS-FET having an on-insulator structure is formed. Next, as in the fourth embodiment, (001) CeO 2
On the film 52, a lower electrode 58 made of a conductive oxide such as (001) SrRuO 3 , for example, (001) PZT
A ferroelectric film 59 made of a ferroelectric material such as, for example, and an upper electrode 60 made of a conductive oxide such as (001) SrRuO 3 are formed. Next, after an interlayer insulating film 61 such as a SiO 2 film is formed on the entire surface by, for example, a CVD method,
Contact holes 62, 63, and 64 are formed by etching and removing predetermined portions of the interlayer insulating film 61 on the gate electrode 55, predetermined portions on the upper electrode 60, and predetermined portions on the lower electrode 58. Next, after forming, for example, an Al film on the entire surface by, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, the Al film is patterned by etching, and the local wiring 65 and the lower electrode 58 for connecting the gate electrode 55 and the upper electrode 60 are formed. Local wiring 6 connected to
Form one.

【0074】以上の工程により、図30に示すように、
MIS−FETのチャネル層となる単結晶Si膜53と
強誘電体キャパシタの下部電極58、強誘電体膜59お
よび上部電極66とのいずれもがエピタキシャル膜であ
り、MIS−FETのゲート電極55に強誘電体キャパ
シタが接続されたMFMIS構造の強誘電体不揮発性メ
モリが製造される。
By the above steps, as shown in FIG.
The single-crystal Si film 53 serving as the channel layer of the MIS-FET and the lower electrode 58, the ferroelectric film 59, and the upper electrode 66 of the ferroelectric capacitor are all epitaxial films, and are formed on the gate electrode 55 of the MIS-FET. A ferroelectric nonvolatile memory having an MFMIS structure to which a ferroelectric capacitor is connected is manufactured.

【0075】この図30に示す強誘電体不揮発性メモリ
は、第4の実施形態による強誘電体不揮発性メモリと同
様な利点を得ることができるほか、MIS−FETがS
OI構造を有することにより、短チャネル効果の抑制、
寄生容量の低減、低動作電圧化等を達成することができ
るという利点を得ることができる。
The ferroelectric nonvolatile memory shown in FIG. 30 can obtain the same advantages as the ferroelectric nonvolatile memory according to the fourth embodiment.
By having an OI structure, suppression of short channel effects,
Advantages such as reduction in parasitic capacitance and lower operating voltage can be obtained.

【0076】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.

【0077】例えば、上述の第1の実施形態において
は、(001)CeO2 膜2の成長時には、石坂、白木
等により提案された手法でSi基板1の表面を処理して
いるが、必ずしもそのようにする必要はなく、他の方法
で処理してもよい。
For example, in the above-described first embodiment, when the (001) CeO 2 film 2 is grown, the surface of the Si substrate 1 is treated by the method proposed by Ishizaka, Shiraki, etc., but not necessarily. It is not necessary to do so, and other methods may be used.

【0078】[0078]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、酸化セリウムなどの希土類酸化物を(001)面方
位のシリコン基板上に(001)面方位でエピタキシャ
ル成長させ、エピタキシャルな希土類酸化物(001)
/シリコン(001)構造を実現することができる。そ
して、このエピタキシャル(001)希土類酸化物を用
いて電界効果トランジスタのゲート絶縁膜や、強誘電体
不揮発性メモリにおける強誘電体膜の下地層を形成する
ことにより、良好な特性の電界効果トランジスタや強誘
電体不揮発性メモリを得ることができる。
As described above, according to the present invention, a rare earth oxide such as cerium oxide is epitaxially grown in a (001) plane on a silicon substrate having a (001) plane. 001)
/ Silicon (001) structure can be realized. By forming a gate insulating film of a field effect transistor or a base layer of a ferroelectric film in a ferroelectric nonvolatile memory using this epitaxial (001) rare earth oxide, a field effect transistor having good characteristics can be obtained. A ferroelectric nonvolatile memory can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(001)Si基板上にCeO2 を成長させる
場合における得られる面方位と成長条件との関係を説明
するための略線図である。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the relationship between the obtained plane orientation and growth conditions when growing CeO 2 on a (001) Si substrate.

【図2】(001)Si基板に形成されたエピタキシャ
ル構造の一例を示す略線図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of an epitaxial structure formed on a (001) Si substrate.

【図3】(001)Si基板に形成されたエピタキシャ
ル構造の一例を示す略線図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of an epitaxial structure formed on a (001) Si substrate.

【図4】(001)Si基板に形成されたエピタキシャ
ル構造の一例を示す略線図である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of an epitaxial structure formed on a (001) Si substrate.

【図5】この発明の第1の実施形態による酸化物の結晶
成長方法を説明するための断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the oxide crystal growth method according to the first embodiment of the present invention.

【図6】この発明の第1の実施形態において成長された
(001)CeO2 膜の〈100〉入射による電子線回
折位置のシミュレーションパターンを示す略線図であ
る。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a simulation pattern of an electron diffraction position of a (001) CeO 2 film grown in the first embodiment of the present invention by <100> incidence.

【図7】この発明の第1の実施形態において成長された
(001)CeO2 膜の〈100〉入射により実際に得
られたRHEEDパターンを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an RHEED pattern actually obtained by <100> incidence of a (001) CeO 2 film grown in the first embodiment of the present invention.

【図8】この発明の第1の実施形態において成長された
(001)CeO2 膜の〈110〉入射による電子線回
折位置のシミュレーションパターンを示す略線図であ
る。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a simulation pattern of an electron diffraction position of a (001) CeO 2 film grown in the first embodiment of the present invention due to <110> incidence.

【図9】この発明の第1の実施形態において成長された
(001)CeO2 膜の〈110〉入射により得られた
RHEEDパターンを示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an RHEED pattern obtained by <110> incidence of a (001) CeO 2 film grown in the first embodiment of the present invention.

【図10】この発明の第1の実施形態により得られた試
料の透過型電子顕微鏡による断面格子像を示す。
FIG. 10 shows a cross-sectional lattice image of a sample obtained according to the first embodiment of the present invention, taken by a transmission electron microscope.

【図11】この発明の第2の実施形態による酸化物の結
晶成長方法を説明するための断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining the oxide crystal growth method according to the second embodiment of the present invention.

【図12】この発明の第2の実施形態における(00
1)CeO2 膜の成長直後のRHEEDパターンを示す
略線図である。
FIG. 12 shows a second embodiment of the present invention;
FIG. 1 is a schematic diagram showing a RHEED pattern immediately after the growth of a CeO 2 film.

【図13】この発明の第2の実施形態において(00
1)CeO2 膜の成長後に300℃で真空中熱処理を行
った後の〈100〉入射により得られたRHEEDパタ
ーンを示す略線図である。
FIG. 13 shows a second embodiment (00)
1) A schematic diagram showing a RHEED pattern obtained by <100> incidence after performing a heat treatment in vacuum at 300 ° C. after growth of a CeO 2 film.

【図14】この発明の第2の実施形態において(00
1)CeO2 膜の成長後に600℃で真空中熱処理を行
った後の〈100〉入射により得られたRHEEDパタ
ーンを示す略線図である。
FIG. 14 shows a second embodiment of the present invention (00
1) A schematic diagram showing a RHEED pattern obtained by <100> incidence after heat treatment in vacuum at 600 ° C. after growth of a CeO 2 film.

【図15】この発明の第2の実施形態における(00
1)CeO2 膜の成長直後の〈110〉入射により得ら
れたRHEEDパターンを示す略線図である。
FIG. 15 shows a second embodiment of the present invention;
1) A schematic diagram showing a RHEED pattern obtained by <110> incidence immediately after the growth of a CeO 2 film.

【図16】この発明の第2の実施形態において(00
1)CeO2 膜の成長後に300℃で真空中熱処理を行
った後の〈110〉入射により得られたRHEEDパタ
ーンを示す略線図である。
FIG. 16 shows a second embodiment of the present invention (00
1) A schematic diagram showing a RHEED pattern obtained by <110> incidence after a heat treatment in vacuum at 300 ° C. after growth of a CeO 2 film.

【図17】この発明の第2の実施形態において(00
1)CeO2 膜の成長後に600℃で真空中熱処理を行
った後の〈110〉入射により得られたRHEEDパタ
ーンを示す略線図である。
FIG. 17 shows a second embodiment of the present invention (00
1) A schematic diagram showing a RHEED pattern obtained by <110> incidence after heat treatment in vacuum at 600 ° C. after growth of a CeO 2 film.

【図18】この発明の第2の実施形態において真空中熱
処理を行った後に得られる(001)CeO2-x 膜の
〈100〉入射による電子線回折位置のシミュレーショ
ンパターンを示す略線図である。
FIG. 18 is a schematic diagram showing a simulation pattern of an electron diffraction position of a (001) CeO 2-x film obtained after performing a heat treatment in a vacuum in the second embodiment of the present invention by <100> incidence. .

【図19】この発明の第2の実施形態において真空中熱
処理を行った後に得られる(001)CeO2-x 膜の
〈100〉入射により得られたRHEEDパターンを示
す図である。
FIG. 19 is a view showing a RHEED pattern obtained by <100> incidence of a (001) CeO 2-x film obtained after performing a heat treatment in a vacuum in the second embodiment of the present invention.

【図20】この発明の第2の実施形態において真空中熱
処理を行った後に得られる(001)CeO2-x 膜の
〈110〉入射による電子線回折位置のシミュレーショ
ンパターンを示す略線図である。
FIG. 20 is a schematic diagram showing a simulation pattern of an electron beam diffraction position of a (001) CeO 2-x film obtained by performing a heat treatment in a vacuum in the second embodiment of the present invention due to <110> incidence. .

【図21】この発明の第2の実施形態において真空中熱
処理を行った後に得られる(001)CeO2-x 膜の
〈110〉入射により得られたRHEEDパターンを示
す図である。
FIG. 21 is a diagram showing an RHEED pattern obtained by <110> incidence of a (001) CeO 2-x film obtained after performing a heat treatment in a vacuum in the second embodiment of the present invention.

【図22】この発明の第3の実施形態による酸化物の結
晶成長方法を説明するための断面図である。
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the oxide crystal growth method according to the third embodiment of the present invention.

【図23】この発明の第3の実施形態においてホモエピ
タキシャル成長された(001)CeO2 膜の〈10
0〉入射により得られたRHEEDパターンを示す図で
ある。
FIG. 23 shows a graph of <10 of the (001) CeO 2 film homoepitaxially grown in the third embodiment of the present invention.
0> is a diagram showing a RHEED pattern obtained by incidence.

【図24】この発明の第3の実施形態においてホモエピ
タキシャル成長された(001)CeO2 膜の〈11
0〉入射により得られたRHEEDパターンを示す図で
ある。
FIG. 24 shows that the (001) CeO 2 film homo-epitaxially grown in the third embodiment of the present invention has a <11
0> is a diagram showing a RHEED pattern obtained by incidence.

【図25】この発明の第3の実施形態においてホモエピ
タキシャル成長された(001)CeO2 膜のX線回折
図形を示す略線図である。
FIG. 25 is a schematic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a (001) CeO 2 film homoepitaxially grown in the third embodiment of the present invention.

【図26】図25に示すX線回折図形の一部を拡大して
示す略線図である。
26 is a schematic diagram showing an enlarged part of the X-ray diffraction pattern shown in FIG.

【図27】この発明の第3の実施形態において(00
1)CeO2 膜がホモエピタキシャル成長された試料の
CeO2 {204}および基板Si{202}ピークの
φスキャンデータを示す略線図である。
FIG. 27 shows a third embodiment of the present invention (00
1) Schematic diagrams showing φ scan data of CeO 2 {204} and Si {202} peaks of a sample on which a CeO 2 film is homoepitaxially grown.

【図28】この発明の第3の実施形態により得られた試
料の透過型電子顕微鏡による断面格子像を示す。
FIG. 28 shows a cross-sectional lattice image of a sample obtained according to the third embodiment of the present invention, taken by a transmission electron microscope.

【図29】この発明の第4の実施形態による強誘電体不
揮発性メモリの製造方法を説明するための断面図であ
る。
FIG. 29 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the ferroelectric nonvolatile memory according to the fourth embodiment of the present invention.

【図30】この発明の第5の実施形態による強誘電体不
揮発性メモリの製造方法を説明するための断面図であ
る。
FIG. 30 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the ferroelectric nonvolatile memory according to the fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11・・・Si基板、2、4、12・・・CeO2
膜、3・・・CeO2-x 膜、14、54・・・ゲート絶
縁膜、15、55・・・ゲート電極、18、58・・・
下部電極、19、59・・・強誘電体膜、20、60・
・・上部電極
1, 11,... Si substrate, 2 , 4, 12,.
Film, 3 ... CeO 2-x film, 14, 54 ... Gate insulating film, 15, 55 ... Gate electrode, 18, 58 ...
Lower electrode, 19, 59 ... ferroelectric film, 20, 60
..Top electrodes

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/8242 H01L 29/78 301G 29/78 301Q 21/8247 371 29/788 29/792 (72)発明者 長沢 直美 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 鈴木 真之 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 町田 暁夫 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (54)【発明の名称】 酸化物の結晶成長方法、セリウム酸化物、プロメチウム酸化物、酸化物積層構造、電界効果トラ ンジスタの製造方法、電界効果トランジスタ、強誘電体不揮発性メモリの製造方法および強誘電 体不揮発性メモリ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 21/8242 H01L 29/78 301G 29/78 301Q 21/8247 371 29/788 29/792 (72) Invention Person Naomi Nagasawa 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan Sony Corporation (72) Inventor Masayuki Suzuki 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (72) Inventor Akio Machida 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (54) [Title of Invention] Oxide crystal growth method, cerium oxide, promethium oxide, oxide laminated structure, field-effect tiger Method of manufacturing transistor, field effect transistor, method of manufacturing ferroelectric nonvolatile memory, and ferroelectric nonvolatile memory

Claims (51)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (001)面方位のシリコン基板の表面
を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造とす
る工程と、 上記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類
酸化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させる
工程とを有することを特徴とする酸化物の結晶成長方
法。
1. A step of forming a surface of a (001) oriented silicon substrate into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and cubic or tetragonal rare earth oxidation on the silicon substrate. Epitaxial growth of a substance in a (001) plane orientation.
【請求項2】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成長
させる際に、上記シリコン基板の表面に酸化性ガスの供
給を開始してから少なくとも一種以上の希土類元素を含
む原料の供給を行うようにしたことを特徴とする請求項
1記載の酸化物の結晶成長方法。
2. When epitaxially growing the rare earth oxide, supply of an oxidizing gas to the surface of the silicon substrate is started, and then supply of a raw material containing at least one or more rare earth elements is performed. The method for growing an oxide crystal according to claim 1.
【請求項3】 上記少なくとも一種以上の希土類元素を
含む原料は少なくとも一種以上の希土類元素からなるこ
とを特徴とする請求項2記載の酸化物の結晶成長方法。
3. The method of growing an oxide crystal according to claim 2, wherein said raw material containing at least one or more rare earth elements comprises at least one or more rare earth elements.
【請求項4】 上記少なくとも一種以上の希土類元素を
含む原料は希土類酸化物からなることを特徴とする請求
項2記載の酸化物の結晶成長方法。
4. The method according to claim 2, wherein the raw material containing at least one or more rare earth elements is made of a rare earth oxide.
【請求項5】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成長
させた後、1×10-6Torr以下の圧力の真空中にお
いて上記希土類酸化物の成長温度以上の温度で熱処理を
行う工程をさらに有することを特徴とする請求項1記載
の酸化物の結晶成長方法。
5. The method according to claim 1, further comprising, after epitaxially growing the rare earth oxide, performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the rare earth oxide in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less. The method for growing an oxide crystal according to claim 1.
【請求項6】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成長
させた後、上記希土類酸化物の成長温度より高い成長温
度で上記希土類酸化物上に希土類酸化物をホモエピタキ
シャル成長させる工程をさらに有することを特徴とする
請求項1記載の酸化物の結晶成長方法。
6. The method according to claim 1, further comprising, after epitaxially growing the rare-earth oxide, homoepitaxially growing the rare-earth oxide on the rare-earth oxide at a growth temperature higher than the growth temperature of the rare-earth oxide. Item 4. The method for growing a crystal of an oxide according to Item 1.
【請求項7】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成長
させた後、上記希土類酸化物上に機能性酸化物をエピタ
キシャル成長させる工程をさらに有することを特徴とす
る請求項1記載の酸化物の結晶成長方法。
7. The method according to claim 1, further comprising the step of epitaxially growing the rare earth oxide and then epitaxially growing a functional oxide on the rare earth oxide.
【請求項8】 上記シリコン基板と上記希土類酸化物と
の界面に厚さ5nm以下の酸化シリコン膜または欠陥層
が形成されたことを特徴とする請求項1記載の酸化物の
結晶成長方法。
8. The oxide crystal growth method according to claim 1, wherein a silicon oxide film or a defect layer having a thickness of 5 nm or less is formed at an interface between said silicon substrate and said rare earth oxide.
【請求項9】 上記機能性酸化物はペロブスカイト構造
または層状ペロブスカイト構造であることを特徴とする
請求項7記載の酸化物の結晶成長方法。
9. The method according to claim 7, wherein the functional oxide has a perovskite structure or a layered perovskite structure.
【請求項10】 上記希土類酸化物は酸化セリウムまた
は酸化イットリウムであることを特徴とする請求項1記
載の酸化物の結晶成長方法。
10. The method according to claim 1, wherein the rare earth oxide is cerium oxide or yttrium oxide.
【請求項11】 (001)面方位のシリコン基板の表
面を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造と
する工程と、 酸化性ガスを含む雰囲気中で少なくとも一種以上の希土
類元素を含む原料を用いて上記シリコン基板上に立方晶
系または正方晶系の希土類酸化物を(001)面方位に
エピタキシャル成長させる工程とを有することを特徴と
する酸化物の結晶成長方法。
11. A step of forming a surface of a (001) oriented silicon substrate into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and removing at least one or more rare earth elements in an atmosphere containing an oxidizing gas. Epitaxial growth of a cubic or tetragonal rare earth oxide in the (001) plane orientation on the silicon substrate by using a raw material containing the oxide.
【請求項12】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させる際に、上記シリコン基板の表面に上記酸化性ガ
スの供給を開始してから上記少なくとも一種以上の希土
類元素を含む原料の供給を行うようにしたことを特徴と
する請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
12. When the rare earth oxide is epitaxially grown, the supply of the oxidizing gas to the surface of the silicon substrate is started, and then the supply of the raw material containing at least one or more rare earth elements is performed. The method for growing an oxide crystal according to claim 11, wherein:
【請求項13】 上記少なくとも一種以上の希土類元素
を含む原料は少なくとも一種以上の希土類元素からなる
ことを特徴とする請求項11記載の酸化物の結晶成長方
法。
13. The oxide crystal growth method according to claim 11, wherein said raw material containing at least one or more rare earth elements comprises at least one or more rare earth elements.
【請求項14】 上記少なくとも一種以上の希土類元素
を含む原料は希土類酸化物からなることを特徴とする請
求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
14. The method of growing an oxide crystal according to claim 11, wherein the raw material containing at least one or more rare earth elements comprises a rare earth oxide.
【請求項15】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、1×10-6Torr以下の圧力の真空中に
おいて上記希土類酸化物の成長温度以上の温度で熱処理
を行う工程をさらに有することを特徴とする請求項11
記載の酸化物の結晶成長方法。
15. The method according to claim 1, further comprising, after epitaxially growing the rare earth oxide, performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the rare earth oxide in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less. Claim 11
The crystal growth method of the above-mentioned oxide.
【請求項16】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、上記希土類酸化物の成長温度より高い成長
温度で上記希土類酸化物上に希土類酸化物をホモエピタ
キシャル成長させる工程をさらに有することを特徴とす
る請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
16. The method according to claim 1, further comprising, after epitaxially growing the rare-earth oxide, homoepitaxially growing the rare-earth oxide on the rare-earth oxide at a growth temperature higher than the growth temperature of the rare-earth oxide. Item 12. The method for growing an oxide crystal according to Item 11.
【請求項17】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、上記希土類酸化物上に機能性酸化物をエピ
タキシャル成長させる工程をさらに有することを特徴と
する請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
17. The oxide crystal growth method according to claim 11, further comprising a step of epitaxially growing a functional oxide on the rare earth oxide after the rare earth oxide is epitaxially grown.
【請求項18】 上記シリコン基板と上記希土類酸化物
との界面に厚さ5nm以下の酸化シリコン膜または欠陥
層が形成されたことを特徴とする請求項11記載の酸化
物の結晶成長方法。
18. The method according to claim 11, wherein a silicon oxide film or a defect layer having a thickness of 5 nm or less is formed at an interface between the silicon substrate and the rare earth oxide.
【請求項19】 上記機能性酸化物はペロブスカイト構
造または層状ペロブスカイト構造であることを特徴とす
る請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
19. The method according to claim 11, wherein the functional oxide has a perovskite structure or a layered perovskite structure.
【請求項20】 上記希土類酸化物は酸化セリウムまた
は酸化イットリウムであることを特徴とする請求項11
記載の酸化物の結晶成長方法。
20. The method according to claim 11, wherein the rare earth oxide is cerium oxide or yttrium oxide.
The crystal growth method of the above-mentioned oxide.
【請求項21】 300℃未満の成長温度で上記希土類
酸化物をエピタキシャル成長させるようにしたことを特
徴とする請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
21. The method according to claim 11, wherein said rare earth oxide is epitaxially grown at a growth temperature of less than 300 ° C.
【請求項22】 100℃以下の成長温度で上記希土類
酸化物をエピタキシャル成長させるようにしたことを特
徴とする請求項11記載の酸化物の結晶成長方法。
22. The method according to claim 11, wherein the rare earth oxide is epitaxially grown at a growth temperature of 100 ° C. or less.
【請求項23】 (001)面方位のシリコン基板を1
×10-6Torr以下の圧力の真空中で加熱することに
よりその表面の酸化シリコン膜を揮発させる工程と、 上記酸化シリコン膜を揮発させた上記シリコン基板上に
立方晶系または正方晶系の希土類酸化物を(001)面
方位にエピタキシャル成長させる工程とを有することを
特徴とする酸化物の結晶成長方法。
23. A silicon substrate having a (001) plane orientation
Heating the silicon oxide film on its surface by heating in a vacuum at a pressure of 10-6 Torr or less; and cubic or tetragonal rare earth elements on the silicon substrate on which the silicon oxide film has been volatilized. Epitaxially growing the oxide in the (001) plane orientation.
【請求項24】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させる際に、上記シリコン基板の表面に酸化性ガスの
供給を開始してから少なくとも一種以上の希土類元素を
含む原料の供給を行うようにしたことを特徴とする請求
項23記載の酸化物の結晶成長方法。
24. When epitaxially growing the rare earth oxide, supply of an oxidizing gas to the surface of the silicon substrate is started and then supply of a raw material containing at least one or more rare earth elements is performed. 24. The method for growing an oxide crystal according to claim 23.
【請求項25】 上記少なくとも一種以上の希土類元素
を含む原料は少なくとも一種以上の希土類元素からなる
ことを特徴とする請求項24記載の酸化物の結晶成長方
法。
25. The method according to claim 24, wherein the raw material containing at least one or more rare earth elements comprises at least one or more rare earth elements.
【請求項26】 上記少なくとも一種以上の希土類元素
を含む原料は希土類酸化物からなることを特徴とする請
求項24記載の酸化物の結晶成長方法。
26. The method for growing an oxide crystal according to claim 24, wherein the raw material containing at least one or more rare earth elements comprises a rare earth oxide.
【請求項27】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、1×10-6Torr以下の圧力の真空中に
おいて上記希土類酸化物の成長温度以上の温度で熱処理
を行う工程をさらに有することを特徴とする請求項23
記載の酸化物の結晶成長方法。
27. The method according to claim 27, further comprising, after epitaxially growing the rare earth oxide, performing a heat treatment at a temperature not lower than the growth temperature of the rare earth oxide in a vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Torr or less. Claim 23
The crystal growth method of the above-mentioned oxide.
【請求項28】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、上記希土類酸化物の成長温度より高い成長
温度で上記希土類酸化物上に希土類酸化物をホモエピタ
キシャル成長させる工程をさらに有することを特徴とす
る請求項23記載の酸化物の結晶成長方法。
28. The method of claim 28, further comprising the step of, after the rare-earth oxide is epitaxially grown, homoepitaxially growing the rare-earth oxide on the rare-earth oxide at a growth temperature higher than the growth temperature of the rare-earth oxide. Item 24. The oxide crystal growth method according to Item 23.
【請求項29】 上記希土類酸化物をエピタキシャル成
長させた後、上記希土類酸化物上に機能性酸化物をエピ
タキシャル成長させる工程をさらに有することを特徴と
する請求項23記載の酸化物の結晶成長方法。
29. The oxide crystal growth method according to claim 23, further comprising the step of epitaxially growing a functional oxide on the rare earth oxide after the rare earth oxide is epitaxially grown.
【請求項30】 上記シリコン基板と上記希土類酸化物
との界面に厚さ5nm以下の酸化シリコン膜または欠陥
層が形成されたことを特徴とする請求項23記載の酸化
物の結晶成長方法。
30. The method according to claim 23, wherein a silicon oxide film or a defect layer having a thickness of 5 nm or less is formed at an interface between the silicon substrate and the rare earth oxide.
【請求項31】 上記機能性酸化物はペロブスカイト構
造または層状ペロブスカイト構造であることを特徴とす
る請求項23記載の酸化物の結晶成長方法。
31. The oxide crystal growth method according to claim 23, wherein said functional oxide has a perovskite structure or a layered perovskite structure.
【請求項32】 上記希土類酸化物は酸化セリウムまた
は酸化イットリウムであることを特徴とする請求項23
記載の酸化物の結晶成長方法。
32. The method according to claim 23, wherein the rare earth oxide is cerium oxide or yttrium oxide.
The crystal growth method of the above-mentioned oxide.
【請求項33】 ビクスバイト構造を有することを特徴
とするセリウム酸化物。
33. A cerium oxide having a bixbyite structure.
【請求項34】 ビクスバイト構造を有することを特徴
とするプロメチウム酸化物。
34. A promethium oxide having a bixbyite structure.
【請求項35】 (001)面方位のシリコン基板と、 上記シリコン基板上に第1の成長温度で成長された第1
のCeO2 膜と、 上記第1のCeO2 膜上に上記第1の成長温度より高い
第2の成長温度でエピタキシャル成長された第2のCe
2 膜とを有することを特徴とする酸化物積層構造。
35. A silicon substrate having a (001) plane orientation, and a first substrate grown at a first growth temperature on the silicon substrate.
And a second Ce epitaxially grown on the first CeO 2 film at a second growth temperature higher than the first growth temperature.
An oxide laminated structure comprising an O 2 film.
【請求項36】 上記第2のCeO2 膜は(001)面
方位であることを特徴とする請求項35記載の酸化物積
層構造。
36. The oxide laminated structure according to claim 35, wherein the second CeO 2 film has a (001) plane orientation.
【請求項37】 上記シリコン基板と上記第1のCeO
2 膜との界面にSiOx 膜が存在することを特徴とする
請求項35記載の酸化物積層構造。
37. The silicon substrate and the first CeO
Oxide stack structure according to claim 35, wherein that the SiO x film present at the interface between the 2 films.
【請求項38】 (001)面方位のシリコン基板と、 上記シリコン基板上のSiOx 膜と、 上記SiOx 膜上のアモルファスCeOy 膜と、 上記アモルファスCeOy 膜上の上記シリコン基板に対
してエピタキシャルに配置した(001)面方位のCe
2 膜とを有することを特徴とする酸化物積層構造。
The silicon substrate 38. (001) plane orientation, and the SiO x film on the silicon substrate, and the amorphous CeO y film on the SiO x film, with respect to the silicon substrate on the amorphous CeO y film Ce with (001) orientation oriented epitaxially
An oxide laminated structure comprising an O 2 film.
【請求項39】 (001)面方位のシリコン基板の表
面を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造と
する工程と、 上記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類
酸化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させる
ことによりゲート絶縁膜を形成する工程とを有すること
を特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
39. A step of forming a surface of a (001) plane silicon substrate into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and cubic or tetragonal rare earth oxidation on the silicon substrate. Forming a gate insulating film by epitaxially growing an object in a (001) plane orientation.
【請求項40】 酸化性ガスを含む雰囲気中で少なくと
も一種以上の希土類元素を含む原料を用いて上記シリコ
ン基板上に上記希土類酸化物をエピタキシャル成長させ
ることにより上記ゲート絶縁膜を形成するようにしたこ
とを特徴とする請求項39記載の電界効果トランジスタ
の製造方法。
40. The gate insulating film is formed by epitaxially growing the rare earth oxide on the silicon substrate using a material containing at least one rare earth element in an atmosphere containing an oxidizing gas. The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 39, wherein:
【請求項41】 300℃未満の成長温度で上記シリコ
ン基板上に上記希土類酸化物をエピタキシャル成長させ
ることにより上記ゲート絶縁膜を形成するようにしたこ
とを特徴とする請求項39記載の電界効果トランジスタ
の製造方法。
41. The field effect transistor according to claim 39, wherein the gate insulating film is formed by epitaxially growing the rare earth oxide on the silicon substrate at a growth temperature of less than 300 ° C. Production method.
【請求項42】 100℃以下の成長温度で上記シリコ
ン基板上に上記希土類酸化物をエピタキシャル成長させ
ることにより上記ゲート絶縁膜を形成するようにしたこ
とを特徴とする請求項41記載の電界効果トランジスタ
の製造方法。
42. The field effect transistor according to claim 41, wherein the gate insulating film is formed by epitaxially growing the rare earth oxide on the silicon substrate at a growth temperature of 100 ° C. or less. Production method.
【請求項43】 上記シリコン基板を1×10-6Tor
r以下の圧力の真空中で加熱することによりその表面の
酸化シリコン膜を揮発させてその表面を上記ダイマー構
造とし、上記シリコン基板上に上記希土類酸化物をエピ
タキシャル成長させることにより上記ゲート絶縁膜を形
成するようにしたことを特徴とする請求項39記載の電
界効果トランジスタの製造方法。
43. The method according to claim 43, wherein the silicon substrate is 1 × 10 −6 Torr.
The gate insulating film is formed by heating in a vacuum at a pressure of r or less to volatilize the silicon oxide film on the surface to form the dimer structure on the surface and epitaxially grow the rare earth oxide on the silicon substrate. 40. The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 39, wherein:
【請求項44】 上記ゲート絶縁膜上に強誘電体膜をエ
ピタキシャル成長させる工程をさらに有することを特徴
とする請求項39記載の電界効果トランジスタの製造方
法。
44. The method according to claim 39, further comprising a step of epitaxially growing a ferroelectric film on the gate insulating film.
【請求項45】 (001)面方位のシリコン基板の表
面を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造と
する工程と、 酸化性ガスを含む雰囲気中で少なくとも一種以上の希土
類元素を含む原料を用いて300℃未満の成長温度で上
記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類酸
化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させるこ
とによりゲート絶縁膜を形成する工程とを有することを
特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
45. A step of forming a surface of a silicon substrate having a (001) plane orientation into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction; and Forming a gate insulating film by epitaxially growing a cubic or tetragonal rare earth oxide on the silicon substrate in a (001) plane orientation at a growth temperature of less than 300 ° C. A method for manufacturing a field effect transistor, comprising:
【請求項46】 (001)面方位のシリコン基板を1
×10-6Torr以下の圧力の真空中で加熱することに
よりその表面の酸化シリコン膜を揮発させる工程と、 上記酸化シリコン膜を揮発させた上記シリコン基板上に
立方晶系または正方晶系の希土類酸化物を(001)面
方位にエピタキシャル成長させることによりゲート絶縁
膜を形成する工程と、 上記ゲート絶縁膜上に強誘電体膜をエピタキシャル成長
させる工程とを有することを特徴とする電界効果トラン
ジスタの製造方法。
46. A silicon substrate having a (001) plane orientation of 1
Heating the silicon oxide film on its surface by heating in a vacuum at a pressure of 10-6 Torr or less; and cubic or tetragonal rare earth elements on the silicon substrate on which the silicon oxide film has been volatilized. A method for manufacturing a field effect transistor, comprising: a step of forming a gate insulating film by epitaxially growing an oxide in a (001) plane orientation; and a step of epitaxially growing a ferroelectric film on the gate insulating film. .
【請求項47】 (001)面方位のシリコン基板と、 上記シリコン基板上にエピタキシャル成長された立方晶
系または正方晶系の(001)面方位の希土類酸化物か
らなるゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上にエピタキシャル成長された強誘電
体膜とを有することを特徴とする電界効果トランジス
タ。
47. A (001) silicon substrate, a gate insulating film made of a cubic or tetragonal (001) rare earth oxide epitaxially grown on the silicon substrate, and A field effect transistor comprising: a ferroelectric film epitaxially grown on the film.
【請求項48】 (001)面方位のシリコン基板の表
面を2×1、1×2の表面再構成によるダイマー構造と
する工程と、 上記シリコン基板上に立方晶系または正方晶系の希土類
酸化物を(001)面方位にエピタキシャル成長させる
工程と、上記希土類酸化物上に強誘電体膜をエピタキシ
ャル成長させる工程とを有することを特徴とする強誘電
体不揮発性メモリの製造方法。
48. A step of forming a surface of a (001) -oriented silicon substrate into a dimer structure by 2 × 1, 1 × 2 surface reconstruction, and cubic or tetragonal rare earth oxidation on the silicon substrate. A method for manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory, comprising: a step of epitaxially growing an object in a (001) plane orientation; and a step of epitaxially growing a ferroelectric film on the rare earth oxide.
【請求項49】 (001)面方位のシリコン基板と、 上記シリコン基板上にエピタキシャル成長された立方晶
系または正方晶系の(001)面方位の希土類酸化物か
らなるゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上にエピタキシャル成長された強誘電
体膜とを有する電界効果トランジスタを用いたことを特
徴とする強誘電体不揮発性メモリ。
49. A (001) silicon substrate, a gate insulating film made of a cubic or tetragonal (001) rare earth oxide epitaxially grown on the silicon substrate, and A ferroelectric nonvolatile memory using a field effect transistor having a ferroelectric film epitaxially grown on the film.
【請求項50】 (001)面方位のシリコン基板と、 上記シリコン基板の第1の領域の表面にエピタキシャル
成長された立方晶系または正方晶系の(001)面方位
の希土類酸化物と、 上記希土類酸化物上にエピタキシャル成長された強誘電
体膜を用いたキャパシタと、 上記シリコン基板の第2の領域に形成されたMIS−F
ETとを有し、 上記キャパシタと上記MIS−FETのゲート電極とが
配線により互いに接続されていることを特徴とする強誘
電体不揮発性メモリ。
50. A (001) silicon substrate, a cubic or tetragonal (001) rare earth oxide epitaxially grown on the surface of the first region of the silicon substrate, and the rare earth A capacitor using a ferroelectric film epitaxially grown on an oxide; and a MIS-F formed in a second region of the silicon substrate.
A ferroelectric nonvolatile memory, comprising: ET; wherein the capacitor and the gate electrode of the MIS-FET are connected to each other by a wiring.
【請求項51】 単結晶絶縁体基板と、 上記単結晶絶縁体基板の第1の領域の表面にエピタキシ
ャル成長された立方晶系または正方晶系の(001)面
方位の希土類酸化物と、 上記希土類酸化物上にエピタキシャル成長された強誘電
体膜を用いたキャパシタと、 上記単結晶絶縁体基板の第2の領域の表面にエピタキシ
ャル成長されたシリコン膜に形成されたMIS−FET
とを有し、 上記キャパシタと上記MIS−FETのゲート電極とが
配線により互いに接続されていることを特徴とする強誘
電体不揮発性メモリ。
51. A single-crystal insulator substrate, a cubic or tetragonal (001) rare-earth oxide epitaxially grown on a surface of a first region of the single-crystal insulator substrate, and the rare-earth element A capacitor using a ferroelectric film epitaxially grown on an oxide; and a MIS-FET formed on a silicon film epitaxially grown on the surface of the second region of the single crystal insulator substrate
Wherein the capacitor and the gate electrode of the MIS-FET are connected to each other by wiring.
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