JP2002064094A - 酸化物薄膜素子の製造方法 - Google Patents
酸化物薄膜素子の製造方法Info
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Abstract
薄膜の機能膜をエピタキシャル成長させた酸化物薄膜素
子を提供する。 【解決手段】Si基板表面に電子線照射あるいは紫外線
照射をおこない、Si基板上のSiO2 薄膜を除去した
後、酸化物薄膜を形成する。
Description
膜として利用するキャパシタ、超電導体等の酸化物薄膜
素子の製造方法に関する。
たな材料として見直されている。それらの薄膜をシリコ
ン(以下Siと記す)基板上に製膜すれば、特異な機能
をSiデバイスに付与できる可能性があり、Si単結晶
基板を用いた酸化物薄膜研究が世界中で進められてい
る。以下、酸化物誘電体薄膜を機能膜として利用してい
るキャパシタを例に説明する。
発現させるためには、エピタキシャルな高品質の薄膜を
作製しなければならない。しかし、Si基板表面には、
大気中にて数nmの厚さの自然酸化膜( 以下SiO2 膜と
記す)が生じており、そのSiO2 膜はアモルファス形
態をなしているため、良質なエピタキシャル膜を成長と
せるには、まず清浄なSi基板表面を露出させる必要が
ある。
法がおこなわれる。まず、過酸化水素溶液を使用するい
わゆるRCA法を用いて、自然SiO2 膜、金属不純
物、パーティクル等を除去する。次に洗浄したSi基板
を超高真空製膜室に入れ、基板温度をおよそ800℃以
上に加熱して、洗浄工程、製膜室搬入工程で発生するS
iO2 膜を気化させて除去する〔例えば、 Ishizaka,A.
andShiraki,Y. ジャーナルオブエレクトロケミカルソ
サイエティ誌, 133 巻, 666 頁,(1986年) 参照〕。
分解されるが、そのSiOは蒸気圧が高く気化し易いの
で、SiO2 分子から酸素原子を取り除いてSi原子を
作るエネルギーよりも低いエネルギーでSiO2 膜が基
板上から蒸発するのである〔例えば、 Lander, J. J. a
nd Morrison, J.,ジャーナルオブアプライドフィジック
ス誌, 33巻, 2089頁,(1962年).参照〕。
製膜する際にも、表面に再びSiO 2 膜を成長させない
ための工夫が必要となる。例えば、Siより酸化され易
い金属の酸化物を、目的の酸化物薄膜とSi基板との間
にバッファー層として、Si基板と格子定数の近い酸化
物薄膜を低い酸素分圧にて製膜することにより達成され
る。そのような金属酸化膜としては、酸化セリウム(C
eO2 )、酸化ジルコニウム(ZrO2 )、酸化イット
リウム(Y2 O3 )、イットリウム安定化酸化ジルコニ
ウム(YSZ)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マ
グネシウムアルミニウム(MgAl2 O4 )などがSi
基板上にエピタキシャル成長可能であると報告されてい
る〔 Harada Keizo, Nakanishi Hidenori, Itozaki Hid
eo and Yazu Shuji,ジャパニーズジャーナルオブアプラ
イドフィジックス誌, 30巻, 934-938 頁,(1991年) 、In
oue Tomoyasu他, 同誌, 32 巻, 1765-1767 頁,(1993
年)、Fukumoto Hirofunmi , Imura Takeshi and Osaka
Yukio, アプライドフィジックスレターズ誌, 55巻, 360
-361 頁,(1989年) 、Fork, D. K., Fenner,D. B., Conn
ell, G. A. N., Phillips, J. M. and Geballe, T. H.,
同誌, 57巻, 1137-1139 頁,(1990年) 参照〕。
残っていると、目的とする酸化物がエピタキシャル成長
できなくなるので完全に除去する必要がある。そこで、
さらに完璧にSiO2 膜を除去するために、Si基板上
にSiを蒸着することが研究されている〔例えば、Wil
k, G. D., Yi Wei, Edwards, Hal andWallace, R. M.,
アプライドフィジックスレターズ誌, 70巻, 28頁,(199
7年).参照〕。この方法によれば、表面にSiO2 膜が
残っていれば、蒸着したSiと反応してSiOが形成さ
れ、それが蒸発するのである。
術的な難しい点がある。例えば、通常、電子線蒸着をお
こなうには、最適な蒸着速度があるといわれているが、
その制御が難しい。また、Siの蒸着によってSi基板
表面の平坦性を向上できると報告されているが、蒸着条
件が悪いとかえって表面を荒れさせることになる。この
ような問題に鑑み本発明の目的は、Si基板上のSiO
2 膜を除去して、容易に清浄表面が得られ、バッファー
層/Si基板界面にアモルファス層をなさずに金属酸化
物薄膜素子を製造する方法を提供することにある。
明は、シリコン単結晶基板上に酸化物薄膜を製膜した酸
化物薄膜素子の製造方法において、シリコン基板表面に
超高真空、800℃以上の高温状態で電子線または紫外
線照射をおこなってシリコン基板上のシリコン酸化膜を
除去した後に、酸化物薄膜を形成するものとする。
素原子を遊離させてSiOに変えることができる。そし
てSiOは極めて蒸気圧が高く、揮発し易い。従って、
SiOとすることができれば、容易にSiO2 膜を除去
することができる〔例えば、Fujita, S.,Maruno,S., Wa
tanabe, H. and Ichikawa, M., アプライドフィジック
スレターズ誌, 69巻, 638 頁,(1996年) 参照〕。
こなえば、表面を荒れさせることなく、清浄な表面を得
ることができる。同様にSi基板全面にSiO2 分子の
熱振動に共鳴する波長の紫外線を照射することによって
も同様な作用を得られる。酸化物薄膜がチタン酸バリウ
ムストロンチウムであれば、もれ電流の少ない強誘電体
キャパシタとすることができることは実施例の項で示し
た通りである。
の形態を具体的に説明する。 〔実施例1〕図1は、本発明にかかる強誘電体キャパシ
タの模式的断面図である。Si基板1上に、バッファー
層2としてCeO2 、下部電極3としてルテニウム酸ス
トロンチウム(SrRuO3 、以下SROと記す)、強
誘電体層4としてチタン酸バリウムストロンチウム
〔(Ba0.5 Sr0.5 )TiO3 、以下BSTOと記
す〕、上部電極5としてSROが、この順に積層されて
いる。下部電極3、強誘電体層4、上部電極5の厚さは
いずれも約100nmである。
電極3のSROは導電性であり、また、擬ペロブスカイ
ト立方晶とすると、その格子定数は0.3928nmであ
る。Si基板1、バッファー層2の括弧内の数値は、格
子定数を√2で割った値である。これらの値は上に積層
された下部電極3、強誘電体層4、上部電極5の格子定
数の値に近くなっている。従って、Si基板1、バッフ
ァー層2の〔110〕方向に下部電極3の〔100〕方
向が配向してエピタキシャル成長をすることになる。続
く強誘電体層4、上部電極5の酸化物薄膜の製膜におい
ても同様にエピタキシャル成長する。
下に詳しく述べる。まず、Si基板1を通常のRCA法
で洗浄する。具体的には硫酸(H2 SO4)と過酸化水
素水(H2 O2 )との混合液、希弗酸(HF)、アンモ
ニア水(NH4 OH)と過酸化水素水(H2 O2 )との
混合液、塩酸(HCl)と過酸化水素水(H2 O2 )と
の混合液を用いて順次処理し、水洗する。
ーザーを用いるパルスレーザー堆積装置(PLD)のチ
ャンバーに入れ、1×10-6Paの真空度のもとでSi基
板1を約850℃に加熱する。1×10-5Paより高真空
にすることにより、酸化膜(SiO2 )が還元された一
酸化シリコン(SiO)の蒸発が起きるからであり、ま
た、1×10-5Paより低真空では、チャンバー内壁に吸
着していた有機物により、折角清浄化したSi基板1表
面が炭素汚染されてしまう。従ってそれより高真空でな
ければならない。
うに改造した反射高速エネルギー電子回折(RHEE
D)装置の電子線銃を用いてSi基板全面に、電子線を
加速電圧30kVで照射した。なお、電子線照射後の表面
にSiO2 が存在しないことを、オージェ電子スペクト
ロスコピーにより確認した。その後にPLDでCeO2
を約10nm製膜した。製膜後、表面を走査電子顕微鏡
(SEM)で観察すると、電子線照射無しの場合に比べ
て結晶粒径が大きくなっており、粒界の密度が低下して
いた。
上部電極5をPLDにて製膜してコンデンサを作製し
た。上部電極5の製膜は、金属膜マスクを用いて選択的
におこなったが、全面に製膜した後に適当なフォトエッ
チングを施しても良い。このようにして、BSTO膜を
誘電体とするキャパシタを作製した。下部電極3と、上
部電極5との間に電圧を印加して漏れ電流を測定したと
ころ、電子線照射無しの場合に比べ約1/2に低減され
ていた。これは、電子線照射で表面のSiO2 膜が除去
され、その上に作製したCeO2 の膜質が改善されたた
めと考えられる。
は、電極としての他にBSTO膜の界面での酸素欠損を
防ぐ効果もある。 〔実施例2〕Si基板のRCA洗浄後、実施例1の電子
線照射の代わりにSiO2 分子の熱振動に共鳴する波長
の紫外線(約300nm)を照射し、同様にCeO2 のバ
ッファー層3以降の製膜をおこなって強誘電体キャパシ
タを作製した。
ぼ同じ値を示した。従って、紫外線照射によっても表面
のSiO2 膜が除去され、その上に作製したCeO2 の
膜質も改善されると考えられる。SiOの蒸発時の活性
化エネルギーは約0.7eVであることが知られている
[アプライドフィジックスレターズ誌、57巻、2302〜23
04頁、(1990 年) 参照] 。従って理論的には1700nm
より短波長の光であればSiOの蒸発を促すことができ
るはずである。しかし実際的には、約400nmより短波
長の紫外線を用いることが有効であった。酸化物薄膜素
子としては、ここに記したキャパシタの他に、高温超伝
導体薄膜の製膜にも有効と考えられる。
子線または紫外線照射により清浄なSi表面を得ること
ができ、その上に酸化物薄膜を成長させた場合に膜質が
向上する。このようにして、結晶性の良い酸化物薄膜を
エピタキシャル成長させることにより、シリコン単結晶
基板上に酸化物薄膜素子を構成することができた。
囲を格段に広げ、一層の普及を可能ならしめるであろ
う。
Claims (3)
- 【請求項1】シリコン単結晶基板上に酸化物薄膜を製膜
した酸化物薄膜素子の製造方法において、シリコン基板
表面に超高真空、800℃以上の高温状態で電子線照射
をおこなって基板上のシリコン酸化膜を除去した後に、
酸化物薄膜を形成することを特徴とする酸化物薄膜素子
の製造方法。 - 【請求項2】シリコン単結晶基板上に酸化物薄膜を製膜
した酸化物薄膜素子の製造方法において、シリコン基板
表面に超高真空、800℃以上の高温状態で紫外線照射
をおこなって基板上のシリコン酸化膜を除去した後に、
酸化物薄膜を形成することを特徴とする酸化物薄膜素子
の製造方法。 - 【請求項3】酸化物薄膜がチタン酸バリウムストロンチ
ウムであることを特徴とする請求項1または2に記載の
強誘電体キャパシタの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000249606A JP2002064094A (ja) | 2000-08-21 | 2000-08-21 | 酸化物薄膜素子の製造方法 |
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JP (1) | JP2002064094A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1906140A2 (en) | 2006-09-29 | 2008-04-02 | Topcon Corporation | Device and method for position measurement |
JP2008120100A (ja) * | 2008-02-12 | 2008-05-29 | Seiko Epson Corp | ヘッドの製造方法及びプリンタの製造方法 |
-
2000
- 2000-08-21 JP JP2000249606A patent/JP2002064094A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1906140A2 (en) | 2006-09-29 | 2008-04-02 | Topcon Corporation | Device and method for position measurement |
JP2008120100A (ja) * | 2008-02-12 | 2008-05-29 | Seiko Epson Corp | ヘッドの製造方法及びプリンタの製造方法 |
JP4678410B2 (ja) * | 2008-02-12 | 2011-04-27 | セイコーエプソン株式会社 | ヘッドの製造方法及びプリンタの製造方法 |
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