JP2001332514A - 配向性金属薄膜の成膜方法及び配向性金属薄膜を有する機能素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の方位、例えば（１００）方位に優先配
向した配向性金属薄膜を成膜する方法、特に、キャパシ
タの強誘電体薄膜の下地層として好適な配向性Ｐｔ薄膜
又はＩｒ薄膜等の配向性金属薄膜を成膜する方法であっ
て、工程数の少ない方法を提供する。 【解決手段】 本配向性金属薄膜の成膜方法は、配向性
を有する酸化物層１４を半導体基板１２上に成膜する酸
化物成膜工程と、配向性を有する酸化物層を表面に有す
る半導体基板を加熱しつつ、酸素を含有する不活性ガス
に電界を印加して発生させたプラズマを用い、金属ター
ゲットをスパッタすることによりクラスタを生成させ
て、配向性を有する酸化物層上に配向性金属薄膜１６を
成膜する金属薄膜成膜工程とを有し、金属薄膜成膜工程
の後に熱処理による還元処理を要することなく、配向性
金属薄膜を成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配向性金属薄膜の
成膜方法及び配向性金属薄膜を有する機能素子に関し、
更に詳細には、熱処理による還元処理を要することな
く、Ｐｔ薄膜、Ｉｒ薄膜等の優先配向した金属薄膜、即
ち配向性金属薄膜を成膜する方法及びそのような配向性
金属薄膜を有する機能素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】強誘電体薄膜、又は誘電率の大きな高誘
電体薄膜を用いた薄膜素子が、注目されている。例え
ば、ＦｅＲＡＭ（強誘電体不揮発性ＲＡＭ）等の半導体
メモリに設けられるキャパシタは、キャパシタ薄膜とし
て強誘電体薄膜を使用し、金属薄膜からなる電極で強誘
電体薄膜をサンドイッチした薄膜素子であって、従来、
キャパシタ薄膜として、酸化物強誘電体薄膜が用いら
れ、キャパシタ薄膜の下地電極として、Ｐｔ又はＩｒの
（１１１）配向膜が用いられている。

【０００３】下地電極上に成膜された酸化物強誘電体薄
膜は、多結晶薄膜であって、しかも通常、特別な結晶配
向性を有しない。このような酸化物強誘電体多結晶薄膜
を用い、高信頼性のメモリデバイスを作製するために
は、キャパシタの電極面積を結晶粒径に比べて十分に広
くし、反転分極電荷量の均一性を確保することが必要で
ある。一方、半導体メモリの微細化に伴い、キャパシタ
も微細化され、従って電極面積も縮小するので、キャパ
シタの電極面積の縮小に伴う反転分極電荷量の不均一を
補うために、酸化物強誘電体多結晶薄膜の結晶粒径の微
細化が必要になる。

【０００４】ところで、酸化物強誘電体多結晶薄膜の結
晶粒径の微細化に伴い、強誘電体薄膜の残留自発分極値
は、種々の要因により減少する。半導体メモリでは、良
好なメモリ動作を持続させるには、残留自発分極値を一
定値以上に維持することが必須であるから、結晶粒径の
微細化に係わって起こる残留自発分極値の減少等の問題
が、酸化物強誘電体多結晶薄膜を用いて、信頼性の高い
高集積半導体メモリを実現する上で、一つの障害となっ
ている。

【０００５】そこで、キャパシタを作製するに際し、酸
化物強誘電体多結晶薄膜の結晶粒径の微細化に係わって
起こる問題を解決する方法の一つとして、（１１１）方
向の優先配向性を有するＰｔ薄膜に代えて、（１００）
方向の優先配向性を有するＰｔ又はＩｒ配向膜を下地電
極とするキャパシタが注目されている。ところで、（１
００）方向に優先結晶配向方位を有するＰｔ薄膜の作製
方法として、酸素を含むＰｔ薄膜を形成した後に、Ｐｔ
薄膜の加熱処理を行う方法が、特開平１０−８４０８６
号公報等によって提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した配向
性金属薄膜の従来の成膜方法には、次のような問題があ
った。第１には、上述した（１００）方向に優先結晶配
向方位を有するＰｔ薄膜の作製方法を適用して、（１０
０）方向の優先配向性を有するＰｔ薄膜を成膜しようと
しても、必ずしも、満足な結果を得ることができないと
いうことである。第２には、下地層として設けたＰｔ薄
膜上に酸化物強誘電体多結晶薄膜を成膜して、キャパシ
タ等の機能素子を形成する際には、Ｐｔ薄膜の表面の平
坦性を確保することが極めて重要であるにもかかわら
ず、Ｐｔ薄膜の成膜工程の後に行う熱処理工程での熱処
理温度によっては、熱処理後のＰｔ薄膜表面の平坦性が
良好でないことである。第３には、Ｐｔ薄膜の成膜工程
の後に熱処理工程を必要とするので、Ｐｔ薄膜の成膜プ
ロセスが複雑になり、工程数が多く、生産性が低いこと
である。

【０００７】そこで、本発明の目的は、所定の方位、例
えば（１００）方向に優先配向した配向性金属薄膜を成
膜する方法、特に、キャパシタの強誘電体薄膜の下地層
として好適な配向性Ｐｔ薄膜又はＩｒ薄膜等の配向性金
属薄膜を成膜する方法であって、しかも工程数の少ない
方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る配向性金属薄膜の成膜方法は、配向性
を有する酸化物層を半導体基板上に成膜する酸化物成膜
工程と、酸化物成膜工程を経た半導体基板を加熱しつ
つ、酸素を含有する不活性ガスに電界を印加して発生さ
せたプラズマを用い、金属ターゲットをスパッタするこ
とによりクラスタを生成させて、配向性を有する酸化物
層上に配向性金属薄膜を成膜する金属薄膜成膜工程とを
有し、金属薄膜成膜工程の後に熱処理を施すことなく、
配向性金属薄膜を成膜することを特徴としている。

【０００９】本発明方法で、配向性を有する酸化物層を
成膜する方法には制約はなく、例えば蒸着法、スパッタ
法、ＣＶＤ法、溶液塗布法等によって成膜する。また、
酸素を含有する不活性ガスに電界を印加して発生させた
プラズマを用い、金属ターゲットをスパッタする装置と
して、例えばＤＣ／ＲＦマグネトロンスパッタリング装
置を使用する。半導体基板の種類には制約はなく、シリ
コン（Ｓｉ）基板でも、化合物半導体基板でも良い。

【００１０】本発明方法では、成膜する配向性金属薄膜
の優先配向性の方位と、配向性を有する酸化物層の配向
方位とが同じである限り、配向性金属薄膜の優先配向性
の方位は、任意の方位で良く、実施形態例で示す（１０
０）配向性金属薄膜に限らない。本発明方法では、不活
性ガスとして、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等を使用することがで
きる。金属ターゲットしてＰｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒ
ｈ等の貴金属のいずれかを選択することにより、これら
の金属の配向性薄膜を、同じ方位の配向性を持つ酸化物
下地層上に成膜することができる。配向性を有する酸化
物層は、配向性金属薄膜の金属結晶の格子定数に近似す
る格子定数を有する酸化物層である。

【００１１】本発明方法は、酸化物成膜工程では、配向
性を有する酸化物層として、（１００）方向に優先配向
性を有する酸化物層を成膜し、金属薄膜成膜工程では、
配向性金属薄膜として、金属薄膜の結晶の（１００）方
向が概ね半導体基板の成膜面に対する法線と一致するよ
うに優先配向し、Ｘ線回折法等によって金属薄膜の回折
図形を求めると、金属薄膜の（２００）方向のブラッグ
散乱強度が（１１１）方向のブラッグ散乱強度の２倍を
超え、金属光沢を有する（１００）配向性金属薄膜を成
膜する際に好適である。

【００１２】本発明方法は、金属ターゲットとして貴金
属からなるターゲットを使い、配向性貴金属薄膜を成膜
する際に、好適であり、特に配向性金属薄膜として、Ｐ
ｔ薄膜又はＩｒ薄膜を成膜するのに好適である。配向性
貴金属薄膜として配向性Ｐｔ薄膜又は配向性Ｉｒ薄膜を
成膜する際には、配向性を有する酸化物層としてＭｇＯ
を半導体基板上に成膜する。また、酸素を含有する不活
性ガス中の酸素ガス含有率は０．３容量％以上１０容量
％以下、望ましくは０．６容量％以上６容量％以下であ
り、基板温度は３００℃以上７５０℃以下、望ましくは
４５０℃以上６５０℃以下であり、成膜速度は０．１ｎ
ｍ／ｓ以上０．５ｎｍ／ｓ以下の条件で成膜することが
望ましい。

【００１３】本発明に係る配向性金属薄膜を有する機能
素子は、半導体基板上に成膜され、（１００）方向に優
先配向性を有する酸化物層と、（１００）方向に優先配
向性を有する酸化物層上に成膜され、金属薄膜の結晶の
（１００）方向がほぼ半導体基板の成膜面に対する法線
と一致するように優先配向し、Ｘ線回折法等によって金
属薄膜の回折図形を求めると、金属薄膜の（２００）方
向のブラッグ散乱強度が（１１１）方向のブラッグ散乱
強度の２倍を超え、かつ金属光沢を有する配向性金属薄
膜と、配向性金属薄膜上に成膜された強誘電体薄膜とを
有することを特徴としている。

【００１４】本発明の強誘電体薄膜とは、例えばＢＴ、
ＰＴ、ＰＺＴ、ＳＢＴ等のペロブスカイト構造、又は層
状構造の強誘電体膜又は高誘電体膜であって、既知の方
法で成膜されている。

【００１５】本発明に係る機能素子では、優先結晶配向
を有する金属薄膜が強誘電体膜の下地層になっているの
で、強誘電体膜は、良好な配向性を有する強誘電体薄膜
として形成されている。配向性を有する強誘電体膜を用
いることにより、強誘電特性の面内ばらつきを抑制する
ことができるので、本発明に係る配向性金属薄膜を有す
る機能素子を、例えば強誘電体不揮発メモリのキャパシ
タ素子に適用することにより、従来技術を用いた場合に
起こるような、強誘電体多結晶薄膜の結晶粒径の微細化
に伴う問題を解決し、信頼性の高い、高集積強誘電体不
揮発メモリを実現することできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して、実
施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。配向性金属薄膜を有する機能素子の実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る配向性金属薄膜を有する
機能素子の実施形態の一例であって、図１０は本実施形
態例の機能素子の構成を示す断面図である。本実施形態
例の機能素子１０は、要部として、図１０に示すよう
に、シリコン（Ｓｉ）基板１２上に成膜されたＭｇＯ
（１００）配向膜１４と、ＭｇＯ（１００）配向膜１４
上に成膜されたＰｔ（１００）薄膜１６と、酸化物強誘
電体膜１８とを備えている。

【００１７】シリコン（Ｓｉ）基板１２は、シリコン基
板上にＳｉＯ₂ 膜を有するものでっても良い。ＭｇＯ
（１００）配向膜１４は、ＭｇＯ膜の結晶の（１００）
方向がＳｉ基板１２の成膜面に対する法線と一致するよ
うに優先配向したＭｇ０膜であって、蒸着法によって成
膜されている。Ｐｔ（１００）薄膜１６は、金属光沢を
有し、Ｘ線回折法等によってＰｔ薄膜の回折図形を求め
ると、Ｐｔ薄膜の（２００）ブラッグ散乱強度が（１１
１）強度の２倍を超え、かつ金属光沢を有するＰｔ薄膜
であって、後述する本発明に係る成膜方法によって成膜
されている。酸化物強誘電体膜１８は、ＢＴ、ＰＴ、Ｐ
ＺＴ、ＳＢＴ等のペロブスカイト構造又は層状構造の強
誘電体膜又は高誘電体膜であって、既知の方法で成膜さ
れている。

【００１８】本実施形態例では、（１００）結晶配向が
優勢なＰｔ薄膜１６が酸化物強誘電体膜１８の下地層に
なっているので、酸化物強誘電体膜１８は、良好な配向
性を有する強誘電体薄膜として形成されている。配向性
を有する強誘電体膜１８を用いることにより、強誘電特
性の面内ばらつきを抑制することができる。そして、本
実施形態例の機能素子１０を、例えば強誘電体不揮発メ
モリのキャパシタ素子に適用することにより、従来技術
を用いた場合に起こるような、強誘電体多結晶薄膜の結
晶粒径の微細化に伴う問題が生じない、信頼性の高い、
高集積強誘電体不揮発メモリを実現することができる。

【００１９】配向性金属薄膜の成膜方法の実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る配向性金属薄膜の成膜方
法の実施形態の一例である。配向性金属薄膜を成膜する
際には、先ず、所望の貴金属薄膜、例えばＰｔ（立方
晶、格子定数３．９２３７Å）薄膜、あるいはＩｒ（立
方晶、格子定数３．８３８９Å）薄膜を成膜する際に
は、先ず、Ｐｔの格子定数（３．９２３７Å）、あるい
はＩｒの格子定数（３．８３８９Å）と類似した格子定
数を有するＭｇＯ（立方晶、格子定数４．２１３Ａ）等
の結晶配向性を有する酸化物薄膜をウエハ上に成膜す
る。

【００２０】次いで、ウエハを加熱して３００℃以上７
５０℃以下の温度、好ましくは４５０℃以上６５０℃以
下の温度に維持しつつ、不活性ガスと酸素ガスとの混合
ガスをスパッタガスとして用い、例えばＤＣ／ＲＦスパ
ッタリング装置を使って、電界印加により発生するプラ
ズマを用い、所望の貴金属のターゲットをスパッタする
ことにより、貴金属酸化物のクラスタを生成し、基板上
にクラスタを堆積させ、薄膜を作製する。成膜中、基板
を３００℃以上７５０℃以下の温度、好ましくは４００
℃以上６５０℃以下に加熱することにより、基板表面に
堆積した貴金属酸化物のクラスタは貴金属クラスタ（薄
膜）に転移する。

【００２１】所定の酸素含有率で酸素ガスを含有した酸
素−Ａｒ混合ガス、例えば、Ａｒガスの３０．１に対し
て、酸素ガスを０．７の割合で含む酸素−Ａｒ混合ガス
中でＲＦスパッタリング法によりスパッタリングを行う
と、貴金属酸化物クラスタが生成する。例えば、比較例
１に示すように、加熱しない基板上に貴金属のクラスタ
を堆積すると、貴金属薄膜は金属光沢を示さず、従っ
て、酸素が何らかの形で含有されていると考えられる貴
金属薄膜が形成される。一方、実施例１に示すように、
基板を加熱して所定の温度に維持しつつ、同じ組成の酸
素−Ａｒ混合気体を使ってＲＦスパッタリングを行って
堆積した貴金属薄膜は、金属光沢を示す。また、Ｘ線回
折図形によっても、成膜された貴金属薄膜が金属である
ことが確かめられる。

【００２２】従って、加熱基板の表面か表面近傍におい
て、酸化物クラスタから金属クラスタへの転移が起きて
いると考えるのが自然であり、本発明に係る結晶化のプ
ロセスが実現されていると考えられる。また、このよう
な結晶化のプロセスが進行する上で、下地が決定的な役
割を果たしていることは、実施例１と比較例２との結果
の比較により明確である。また、実施例１、２、及び比
較例３、５との比較から明らかなように、（１００）配
向性を持つ貴金属薄膜を成膜する上で、最適なクラスタ
の酸化の程度が存在し、「最適なクラスタの酸化の程
度」は、基板の温度、及び成膜速度に依存している。
尚、成膜速度は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング装置のＲＦ
出力により主に制御することができる。このことは、ま
た、「基板表面で生じる、貴金属の酸化物クラスタから
金属クラスタへ転移現象に際して下地層の影響が強調さ
れ、下地層の適切な選択により、（１００）配向性を持
つ貴金属薄膜が成膜され易くなる」という本発明の技術
的思想を支持している。

【００２３】以下に述べる実施例及び比較例を総合し、
成膜条件の実現性の容易さを考慮すると、（１００）方
位に優先配向したＰｔ薄膜をスパッタ成膜により得るた
めには、基板温度を４００℃以上６５０℃以下の範囲、
スパッタガス中の酸素含有率を０．６容量％以上６容量
％以下、成膜速度を０．１〜０．２ｎｍ／ｓの条件で成
膜することが望ましい。

【００２４】以上の成膜条件下で、結晶配向性を有する
酸化物薄膜を表面に有するウエハ上に貴金属薄膜の成膜
を行うと、下地層の結晶配向性の影響が強調されるの
で、通常の成膜条件で得られる（１１１）配向性とは異
なる、（１００）配向性を有する貴金属薄膜を、成膜後
の熱処理工程を経ずして、形成することができる。ここ
で、（１００）配向性を持つ貴金属薄膜とは、貴金属薄
膜の結晶の（１００）方向がウエハの成膜面に対する法
線と一致するように優先配向した貴金属薄膜を言う。本
実施形態例の方法に従って成膜した配向性Ｐｔ薄膜を、
後工程の強誘電体薄膜の成膜工程で曝される、例えば７
００℃の酸化性高温雰囲気に１時間暴露しても、表面の
金属光沢、結晶配向性を保持することができる。よっ
て、配向性Ｐｔ薄膜上にＰＺＴ、ＳＢＴなどの酸化物強
誘導体を形成するときに、本実施形態例の方法で作製し
たＰｔ薄膜を下地層とすることにより、Ｐｔ薄膜は結晶
配向性を有する下地薄膜として機能するので、良好な結
晶配向性を持つＰＺＴ、ＳＢＴなどの酸化物強誘電体薄
膜の形成を比較的容易に行うことが出来る。

【００２５】以下に、実施例及び比較例を挙げ、添付図
面を参照して、本発明の実施の形態を更に具体的かつ詳
細に説明する。実施例１ 本実施例では、ＳｉＯ₂ 膜を介してシリコン基板に成膜
された膜厚１６０ｎｍのＭｇＯ（１００）配向膜上に、
温度及び酸素流量を変えた４種類の異なる以下の成膜条
件下で、ＲＦスパッタリングにより試料ａからｄのＰｔ
薄膜を成膜した。 成膜条件 成膜基材 ：アネルバＳＰ−５３０Ｈ 下地層 ：ＭｇＯ（１００）配向膜 ＲＦ出力 ：４０Ｗ ターゲット単位面積当たりのＲＦ出力＝０．２２Ｗ／ｃ
ｍ² 成膜速度＝約０．１ｎｍ／ｓ 成膜圧力 ：３．０×１０^-1Ｐａ Ａｒ流量 ：３０．１ｓｃｃｍ 酸素流量 ：表１に示す通り、試料ａからｄ毎に、スパ
ッタガスとして用いたＡｒ／酸素混合スパッタガスの酸
素流量を変化させて、成膜雰囲気の酸素含有量を変え
た。

【００２６】基板温度 ：表１に示すように、試料ａ〜
ｄの基板温度を４０３℃、５９８℃、６０１℃、６００
℃に変えた。 尚、表１で基板温度と記した温度は、基板加熱用のバル
クヒータの温度である。また、ステンレス製のウエハ支
持金具を用いてウエハをヒータに押し付けた状態で、Ｐ
ｔ薄膜を成膜したので、ウエハの実温度は、基板温度と
表示したバルクヒータの温度より５℃から１００℃の範
囲で低い可能性がある。 成膜時間 ：３５分４０秒 前処理条件：基板加熱用のバルクヒーターの加熱温度が
所定の温度に達した後、少なくとも１時間その状態に保
持した後成膜を開始した。成膜を行う前に、スパッタガ
スとしてＡｒガスのみを３０．１ｓｃｃｍ流したこと以
外は成膜条件と同じ条件で、シャッターを閉じた状態で
プレ・スパッタを４分間行い、更に１５分以上の排気を
行って、チャンバ内の圧力が２．０×１０^-4Ｐａ以下の
真空度に達した後、上記成膜条件で成膜を開始した。

【表１】

【００２７】表１には、試料ａからｄを作製した際の基
板温度及び酸素流量と共に、成膜したＰｔ薄膜の配向性
及び表面状態／光沢の観察結果を示す。表１のＸＲＤ
で、Ｐｔ（１１１）＜（２００）は、（２００）方位の
ブラッグ散乱強度が、（１１１）方位のブラッグ散乱強
度より高いものの、２倍を超えないことを意味する。Ｐ
ｔ（１１１）＜＜（２００）は、（２００）方位のブラ
ッグ散乱強度が、（１１１）方位のブラッグ散乱強度の
２倍を超えていることを意味する。Ｐｔ（１１１）＜＜
＜（２００）は、Ｐｔ（１１１）＜＜（２００）に比べ
て、（２００）方位のブラッグ散乱強度が更に高いこと
を意味する。これは、表２以降についても、同じであ
る。また、図１に試料ａを除いた試料ｂ、ｃ、ｄのＰｔ
薄膜のＸ線回折図形を示す。図１の横軸は散乱角（２θ
°）、縦軸は回折強度（任意目盛）を示す。以下の図２
から図８も同様である。以上のように、実施例１では、
所望の（１００）配向性のＰｔ薄膜を成膜することがで
きた。

【００２８】比較例１（非加熱基板上へのＰｔ薄膜の成
膜） 実施例１と比較するために、基板を加熱しない状態でＰ
ｔ薄膜を成膜する比較例１の実験を行った。比較例１で
は、実施例１と同じように、ＳｉＯ₂ 膜を介してシリコ
ン基板上に成膜されたＭｇＯ（１００）配向膜上に、以
下の成膜条件を除いて実施例１と同じ成膜条件で、試料
ａからｆのＰｔ薄膜をスパッタ法により成膜した。 実施例１と異なる成膜条件 酸素流量 ：表２参照 試料ａからｆ毎に、スパッタガスとして用いたＡｒ／酸
素混合スパッタガスの酸素流量を変化させて、成膜雰囲
気ガス中の酸素ガス含有量を変えた。 基板温度 ：表２参照 試料ａからｆとも成膜中の基板温度を室温（約４５℃）
に保持した。表２で基板温度と記した括弧内の温度は、
サーモ・ラベルを用いて測定した成膜中の基板温度であ
る。

【表２】 表２には、試料ａからｆを作製した際の基板温度及び酸
素流量と共に、成膜したＰｔ薄膜の配向性及び表面状態
／光沢の観察結果を示す。また、図２に試料ａからｆの
Ｐｔ薄膜のＸ線回折図形を示す。

【００２９】比較例１では、ブラッグ散乱強度でピーク
強度のないＰｔ薄膜又は（１１１）配向性のＰｔ薄膜が
成膜されている。実施例１と比較例１との比較から、基
板温度を４００℃、好ましくは６００℃に設定すること
により、（２００）方向のブラッグ散乱強度の高い、つ
まり（１００）配向性の高いＰｔ薄膜を成膜できること
が確認できる。

【００３０】比較例２（Ｓｉ又は無配向ＳｉＯ₂ が最表
面である加熱された基板への成膜） Ｐｔ薄膜の配向性の下地依存性を調べるために、実施例
１に対する対照実験を行った。成膜条件は、以下の下地
層条件及び酸素ガス流量条件が異なることを除いて、実
施例１の成膜条件と同様に、Ｐｔ薄膜の（２００）方向
のブラッグ散乱強度が（１１１）方向のブラッグ散乱強
度に比べて優勢となる成膜条件下でＰｔ薄膜を成膜し
た。 実施例１と異なる成膜条件 下地層 ：表３参照 試料ａ：下地層としてＳｉＯ₂ 膜を有するＳｉ基板 試料ｂ：自然酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）を表面に生成してい
るＳｉ基板 酸素流量：表３参照 スパッタガスは、Ａｒ流量を３０．１ｓｃｃｍとして、
酸素流量を０．３ｓｃｃｍとした混合ガスであった。 基板温度：成膜中の基板加熱用バルクヒータの平均温度
が５９８℃

【表３】 表３には、基板の種類及び酸素流量と共に、成膜したＰ
ｔ薄膜の配向性及び表面状態／光沢の観察結果を示す。
また、図３に試料ａ及びｂのＰｔ薄膜のＸ線回折図形を
示す。

【００３１】比較例２では（１１１）配向性のＰｔ薄膜
が成膜されている。実施例１と比較例２の比較から、
（１００）配向性を有するＰｔ薄膜の成膜には、実施例
１のように、成膜時の下地層が（１００）配向性を有す
ることが重要な要件あることが分かる。

【００３２】実施例２（Ｐｔ薄膜の配向の成膜速度依存
性） 本実施例では、Ｐｔ薄膜の優先配向性と成膜速度との関
係を調べた。実施例１と同じＭｇＯ（１００）配向膜上
に、以下の成膜条件が実施例１と異なることを除いて、
実施例１と同じ成膜条件で、ＲＦスパッタリングにより
試料ａ及びｂのＰｔ薄膜を成膜した。 実施例１と異なる成膜条件 ＲＦ出力 ：２００Ｗ（ターゲット単位面積当たりのＲ
Ｆ出力＝１．１Ｗ／ｃｍ² 、成膜速度＝約０．５ｎｍ／
ｓ） 酸素流量 ：表４に示す通り、スパッタガスとして用い
たＡｒ／酸素混合スパッタガスの酸素流量を変化させ
て、成膜雰囲気中の酸素ガス含有量を変えた。 基板温度 ：表４に示すように、６０１℃、６０７℃ 尚、表４で基板温度と記した温度は、基板加熱のための
バルクヒータの温度である。また、ステンレス製のウエ
ハ支持金具を用いてウエハをヒータに押し付けた状態
で、Ｐｔ薄膜を成膜したので、ウエハの実温度は、基板
温度と表示したバルクヒータの温度より５℃から１００
℃の範囲で低い可能性がある。

【表４】

【００３３】表４には、基板温度及び酸素流量と共に、
成膜したＰｔ薄膜の配向性及び表面状態／光沢の観察結
果を示す。また、図４に試料ａ及びｂのＰｔ薄膜のＸ線
回折図形を示す。表４から、Ｐｔ薄膜の配向性は、成膜
速度が０．５ｎｍ／ｓ以下である限り成膜速度には殆ど
依存しないことが分かる。

【００３４】比較例３（酸素を含まない成膜雰囲気中で
のＰｔ薄膜の成膜） 本比較例では、酸素含有成膜雰囲気中でＰｔ薄膜を成膜
した実施例１及び２に対して、酸素を含まない成膜雰囲
気中でＰｔ薄膜を成膜した比較例である。本比較例で
は、実施例１と同じＭｇＯ（１００）配向膜上に、以下
の成膜条件が実施例１と異なることを除いて、実施例１
と同じ成膜条件で、ＲＦスパッタリングにより試料ａ及
びｂのＰｔ薄膜を成膜した。 実施例１と異なる成膜条件 酸素流量 ：スパッタガスはＡｒ／酸素混合スパッタガ
スを使用せず、Ａｒガスのみ 基板温度 ：表５参照 ５９３℃、７５７℃

【表５】

【００３５】表５には、試料ａ及びｂの基板温度及び酸
素流量と共に、成膜したＰｔ薄膜の配向性及び表面状態
／光沢の観察結果を示す。また、図５に試料ａ及びｂの
Ｐｔ薄膜のＸ線回折図形を示す。表５から、基板加熱を
行いつつ（１００）配向性を有する下地層上にＰｔ薄膜
を成膜したとしても、酸素含有成膜雰囲気中でＰｔ薄膜
を成膜しない限り、下地層の配向性を十分に反映したＰ
ｔ薄膜を下地層上に結晶成長させることができないこと
が分かる。

【００３６】比較例４（Ｐｔ酸化物の熱処理による結晶
化） 本比較例は、実施例１及び実施例２に対する比較例であ
って、非加熱成膜したＰｔ薄膜に熱処理を施した例であ
る。Ｐｔ薄膜成膜工程 比較例４では、先ず、実施例１と同じように、ＳｉＯ₂
膜を介してシリコン基板上に成膜されたＭｇＯ（１０
０）配向膜上に、以下の成膜条件を除いて、実施例１と
同じ成膜条件で、試料ａからｄのＰｔ薄膜をＲＦスパッ
タリングにより成膜した。 実施例１と異なる成膜条件 酸素流量 ：表６参照 試料ａからｄ毎に、スパッタガスとして用いたＡｒ／酸
素混合スパッタガスの酸素流量を変化させて、成膜雰囲
気の酸素含有量を変えた。 基板温度 ：表６参照 成膜中の基板温度を室温（約４５℃）に保持した。表６
で基板温度と記した括弧内の温度は、サーモ・ラベルを
用いて測定した成膜中の基板温度である。

【表６】 図６に試料ａからｄのＰｔ薄膜のＸ線回折図形を示す。
試料ａからｄのＸ線回折図形は、図６に示すように、図
２に示す比較例１の試料ａからｄのＰｔ薄膜のＸ線回折
図形と同じであった。

【００３７】熱処理工程 次いで、Ｐｔ薄膜成膜工程を経た試料ａからｄのＰｔ薄
膜に酸素雰囲気中の熱処理又は窒素雰囲気中の熱処理に
よる還元処理を施して、試料ａからｄのＰｔ薄膜を作製
した。熱処理では、急速加熱炉（東京エレクトロン社
製、ＡＤ−１４）を用い、酸素ガス又は窒素ガスをそれ
ぞれ３リットル／分の流量で流しながら、温度８５０℃
で３分間試料を保持した。

【００３８】表６には、試料ａからｄの基板温度及び酸
素流量と共に、熱処理したＰｔ薄膜の配向性及び表面状
態／光沢の観察結果を示す。また、図７に窒素中、酸素
中で熱処理をした後の試料ａからｄのＰｔ薄膜のＸ線回
折図形を示す。Ｘ線回折図形で判断する限り、酸素雰囲
気中の還元処理と窒素雰囲気中の還元処理との間で、試
料ａからｆのＰｔ薄膜の結晶化の程度は同等であった。
また、Ｐｔ薄膜の表面性は、窒素雰囲気中の熱処理に比
べて、酸素雰囲気中の熱処理の場合の方が良好であった
が、いずれの場合にも均一な金属光沢を示さず、表面に
は曇りが生じ、Ｐｔ薄膜の配向は（１１１）方位が優勢
であった。

【００３９】比較例５（金属的な酸化物の熱処理による
結晶化） 本比較例は、実施例１及び実施例２に対する比較例であ
って、実施例１と比較例１との中間の成膜温度で加熱成
膜したＰｔ薄膜に酸素雰囲気中で熱処理を施した例であ
る。Ｐｔ薄膜成膜工程 比較例５では、先ず、実施例１と同じように、ＳｉＯ₂
膜を介してシリコン基板に成膜されたＭｇＯ（１００）
配向膜上に、以下の成膜条件を除いて、実施例１と同じ
成膜条件で、試料ａからｃのＰｔ薄膜をＲＦスパッタリ
ングにより成膜した。 実施例１と異なる成膜条件 酸素流量 ：３．３ｓｃｃｍ 基板温度 ：約３８７℃

【００４０】熱処理工程 次いで、酸素雰囲気中で成膜したＰｔ薄膜に熱処理を施
して、試料ｂ及びｃのＰｔ薄膜を作製した。熱処理で
は、急速加熱炉（東京エレクトロン社製、ＡＤ−１４）
を用い、酸素ガスを３リットル／分の流量で流しなが
ら、温度８６０℃又は７６０℃で３分間保持して、熱処
理を施し、試料ｂ及びｃのＰｔ薄膜を作製した。図８に
熱処理をした後の試料ｂ、ｃ及び熱処理を施していない
ａのＰｔ薄膜のＸ線回折図形を示す。図８から分かる通
り、試料ｂ、ｃのいずれのＰｔ薄膜も（１１１）優先配
向となっていた。

【００４１】表１、２及び図１、２、８に示された実施
例１、比較例１、及び比較例５の結果を図９に纏めて表
示した。図９は、Ｐｔ（１００）配向膜、つまりＰｔ
（２００）＞＞Ｐｔ薄膜（１１１）又はＰｔ（２００）
＞＞＞Ｐｔ薄膜（１１１）のＰｔ薄膜を得るためには、
基板温度及び成膜雰囲気の酸素分圧が線Ｉ−Ｉより上の
領域にあることが必要であることを示している。即ち、
基板温度は、３００℃以上であって、成膜雰囲気中の酸
素含有率は０．３容量％以上１０容量％以下である。例
えば、（１００）配向性Ｐｔ薄膜を得るためには、ＲＦ
出力を４０Ｗとしたとき、基板温度が６００℃、酸素ガ
ス含有率が２．３容量％の酸素含有Ａｒガス中で、ＲＦ
スパッタリングすることが必要である。

【００４２】以上の実施形態例及び実施例では、（１０
０）配向性Ｐｔ薄膜の成膜を例にして本発明方法を説明
した。実施形態例及び実施例に示した例以外にも、本発
明に係る配向性金属薄膜の成膜方法の要旨をはずれない
範囲で、種々の条件で配向性金属薄膜を作製することが
できる。例えば、スパッタガスに用いる不活性ガスとし
てＡｒ以外に、Ｋｒ、Ｘｅを用いても良く、また金属タ
ーゲットしてＩｒ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈを選択し、これら
の金属の配向性薄膜を、同じ方位の配向性を持つ酸化物
下地層上に成膜することができる。また、配向性を持つ
ＭｇＯなどの酸化物下地層は、必ずしもウエハ全面を均
一に覆っている必要はなく、ウエハ面に選択的に酸化物
下地層を成膜し、その上に配向性金属薄膜を結晶成長さ
せてもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明方法によれば、配向性を有する酸
化物層を表面に有する半導体基板を加熱しつつ、酸素を
含有する不活性ガスに電界を印加して発生させたプラズ
マを用い、金属ターゲットをスパッタすることによりク
ラスタを生成させて、配向性を有する酸化物層上に金属
薄膜を成膜することにより、金属薄膜の成膜工程の後に
熱処理を要することなく、配向性金属薄膜、例えば（１
００）結晶方位を優先的に配向した薄膜を作製すること
ができる。本発明方法では、後熱処理工程がないので、
金属光沢に優れ、表面平坦性の良好な薄膜を作製するこ
とが出来る。本発明に係る（１００）配向性の金属薄膜
の成膜方法は、基板として、成膜する金属の格子定数と
類似の格子定数を有する酸化物の配向性膜を準備すれば
良く、エピタキシャル結晶成長の場合の単結晶基板を用
意することの困難さを避けることが出来る。また、結晶
成長の性格が、下地層によるエピタキシャル結晶成長的
な効果を引き出しつつ成膜する方法であるので、接着強
度が強く、後工程で高温下で誘電体薄膜を形成する際に
も、安定な配向性金属薄膜を成膜することできる。

【００４４】本発明方法に従って成膜した配向性Ｐｔ薄
膜を、後工程の強誘電体薄膜の成膜工程で曝される、例
えば７００℃の酸化性高温雰囲気に１時間暴露しても、
表面の金属光沢、結晶配向性を保持することができる。
従って、ＰＺＴ、ＳＢＴなどの酸化物強誘導体を形成す
るときに、本発明による金属薄膜、例えば、本発明方法
で成膜したＰｔ薄膜を下地として用いることにより、配
向性金属薄膜が結晶配向性を有する下地薄膜として機能
するので、結晶配向性を持つＰＺＴ、ＳＢＴなどの酸化
物強誘電体薄膜を容易に形成することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の６００℃前後の基板温度で成膜した
試料（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれの薄膜の成膜直後のＸ線
回折図形である。

【図２】比較例１の試料（ａ）〜（ｆ）のそれぞれの薄
膜の成膜直後のＸ線回折図形である。

【図３】比較例２の試料（ａ）及び（ｂ）のそれぞれの
薄膜の成膜直後のＸ線回折図形である。

【図４】実施例１の６００℃前後の基板温度で成膜した
試料（ａ）及び（ｂ）のそれぞれの薄膜の成膜直後のＸ
線回折図形である。

【図５】比較例３の試料（ａ）及び（ｂ）のそれぞれの
薄膜の成膜直後のＸ線回折図形である。

【図６】比較例４の試料（ａ）から（ｄ）のそれぞれの
薄膜の成膜後、窒素雰囲気中で熱処理を施した後のＸ線
回折図形である。

【図７】比較例４の試料（ａ）から（ｄ）のそれぞれの
薄膜の成膜後、酸素雰囲気中で熱処理を施した後のＸ線
回折図形である。

【図８】比較例５の試料（ａ）から（ｃ）のそれぞれの
薄膜のＸ線回折図形であって、（ａ）は成膜直後の薄
膜、（ｂ）は８６０℃熱処理後の薄膜、（ｃ）は７６０
℃熱処理後の薄膜のＸ線回折図形である。

【図９】実施例１及び比較例１、５の結果を纏めて表示
したグラフであって、（１００）配向Ｐｔ薄膜を得るた
めの最適条件を、基板温度とスパッタガス中の含有酸素
量（％）の関係として示したものである。

【図１０】実施形態例の配向性金属薄膜の有する機能素
子の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１０……実施形態例の機能素子、１２……シリコン（Ｓ
ｉ）基板、１４……ＭｇＯ（１００）配向膜、１６……
Ｐｔ（１００）薄膜、１８……酸化物強誘電体膜。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配向性を有する酸化物層を半導体基板上
   に成膜する酸化物成膜工程と、 酸化物成膜工程を経た半導体基板を加熱しつつ、酸素を
   含有する不活性ガスに電界を印加して発生させたプラズ
   マを用い、金属ターゲットをスパッタすることによりク
   ラスタを生成させて、配向性を有する酸化物層上に配向
   性金属薄膜を成膜する金属薄膜成膜工程とを有し、金属
   薄膜成膜工程の後に熱処理を施すことなく、配向性金属
   薄膜を成膜することを特徴とする配向性金属薄膜の成膜
   方法。
2. 【請求項２】 配向性を有する酸化物層は、配向性金属
   薄膜の金属結晶の格子定数に近似する格子定数を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の配向性金属薄膜の成
   膜方法。
3. 【請求項３】 酸化物成膜工程では、配向性を有する酸
   化物層として、（１００）方向に優先配向性を有する酸
   化物層を成膜し、 金属薄膜成膜工程では、配向性金属薄膜として、金属薄
   膜の結晶の（１００）方向が概ね半導体基板の成膜面に
   対する法線と一致するように優先配向し、Ｘ線回折法等
   によって金属薄膜の回折図形を求めると、金属薄膜の
   （２００）方向のブラッグ散乱強度が（１１１）方向の
   ブラッグ散乱強度の２倍を超え、金属光沢を有する（１
   ００）配向性金属薄膜を成膜することを特徴とする請求
   項１又は２に記載の配向性金属薄膜の成膜方法。
4. 【請求項４】 金属ターゲットとして貴金属からなるタ
   ーゲットを使い、配向性貴金属薄膜を成膜することを特
   徴とする請求項１に記載の配向性金属薄膜の成膜方法。
5. 【請求項５】 配向性貴金属薄膜として配向性Ｐｔ薄膜
   又は配向性Ｉｒ薄膜を成膜する際には、配向性を有する
   酸化物層としてＭｇＯを半導体基板上に成膜することを
   特徴とする請求項４に記載の配向性金属薄膜の成膜方
   法。
6. 【請求項６】 酸素を含有する不活性ガス中の酸素ガス
   の含有率が、０．３容量％以上１０容量％以下であるこ
   とを特徴とする請求項５に記載の配向性金属薄膜の成膜
   方法。
7. 【請求項７】 基板温度が３００℃以上７５０℃以下の
   範囲の温度になるように、基板を加熱することを特徴と
   する請求項５に記載の配向性金属薄膜の成膜方法。
8. 【請求項８】 半導体基板上に成膜され、（１００）方
   向に優先配向性を有する酸化物層と、 （１００）方向に優先配向性を有する酸化物層上に成膜
   され、金属薄膜の結晶の（１００）方向がほぼ半導体基
   板の成膜面に対する法線と一致するように優先配向し、
   Ｘ線回折法等によって金属薄膜の回折図形を求めると、
   金属薄膜の（２００）方向のブラッグ散乱強度が（１１
   １）方向のブラッグ散乱強度の２倍を超え、かつ金属光
   沢を有する配向性金属薄膜と、 配向性金属薄膜上に成膜された強誘電体薄膜とを有する
   ことを特徴とする配向性金属薄膜を有する機能素子。