JP2002521309A - 半導体を主原料とした基板上でのペロブスカイト酸化物の結晶異方性の制御 - Google Patents
半導体を主原料とした基板上でのペロブスカイト酸化物の結晶異方性の制御Info
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Abstract
(57)【要約】
いくつかの半導体、または位相変調器や干渉計部品のような電気光学的応用のいずれにも使用可能な結晶構造（２０、６０または２２０）およびデバイス（１２０、１４０、１８０または２７０）であって、半導体を主原料とした基板（２２、６２、１４２、１８２、２２２または２７２）と、基板の表面上にエピタキシー成長により配置された酸化物結晶材料の薄膜（２４、６４、１４４、１８６または２２４）を含む。この薄膜は下層にある基板に結合し、それにより薄膜の実質的にすべての単位セルの幾何構造が基板表面に関して予め定められた配向に配列される。薄膜の単位セル幾何構造の予め定められ、薄膜と基板表面との界面において格子がストレスまたは歪みを受けるために生じるものであり、単位セルの、双極子モーメントのような、方向依存的性質の予め傾向の定められた配向が原因となる。単位セル幾何構造の予め定められた傾向はこの構造を具体化したデバイスが動作するときにこの構造の特性を利点のあるものにすることができる。
Description
【０００１】 （発明の背景） 本発明はＵ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＥｎｅｒｇｙからＬｏｃｋｈ
ｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎに対して契約番号ＤＥ−ＡＣ０５−９６ＯＲ２２４６４で授与された政府の
援助によりなされたものであり、政府は本発明における一定の権利を有するもの
である。
ｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎに対して契約番号ＤＥ−ＡＣ０５−９６ＯＲ２２４６４で授与された政府の
援助によりなされたものであり、政府は本発明における一定の権利を有するもの
である。
【０００２】 本発明は、一般的に、半導体に使用する構造とそのような構造の作製に関し、
特に、限定はされないが例として挙げるとシリコン、ゲルマニウムまたはシリコ
ン−ゲルマニウム合金のようなＩＩＩ−Ｖ、ＩＶおよびＩＩ−ＶＩ族の半導体を
ベースとする材料の上に目標とする特性を持たせるようにエピタキシー成長させ
た薄膜に関する。
特に、限定はされないが例として挙げるとシリコン、ゲルマニウムまたはシリコ
ン−ゲルマニウム合金のようなＩＩＩ−Ｖ、ＩＶおよびＩＩ−ＶＩ族の半導体を
ベースとする材料の上に目標とする特性を持たせるようにエピタキシー成長させ
た薄膜に関する。
【０００３】 米国特許第５，８３０，２７０号において、アルカリ土類およびペロブスカイ
ト酸化物をシリコン上に歪みのないかつ整合のとれた状態で成長させて連なった
（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ3）mの構造をどのようにして形成するかについて説明した
。ここでｎおよびｍは同じ結晶構造の酸化物単一層の正の繰り返しの整数であり
、この構造は新しい半導体技術の開発により使用可能となる。この新技術は、ア
モルファスＳｉＯ2−オン−シリコン技術を基盤とする普通に使用されるデバイ
ス技術とはそのアモルファス状態に起因して区別されるものであって、普通に使
用される技術における酸化物は印加される電界に対する応答および特性に指向性
を有していない。したがって、ＳｉＯ2は、内部または外部から印加される電界
に対する応答が結晶学的に異方性を持たない等方性材料として処理される。対照
的に、この新しい技術においては、酸化物結晶に「単純な」方向性があって極性
現象を促進し、これらの方向性を独特のデバイス設計および機能に活用可能とす
るようなデバイス物理があるゆえに利用される基本的な変化がある。そのような
デバイスの１つの例は、強誘電性電界効果型トランジスタであり、これは表面ド
ープされた半導体基板におけるチャンネル電流を調節するために強誘電性酸化物
の正方晶系歪みを利用している。したがって、半導体を基本とする基板上に酸化
物結晶を薄膜として膜堆積させたときに、酸化物結晶の方向依存性の特性を活用
して、デバイス技術におけるそのような酸化物の用途を促進していくことが望ま
しい。
ト酸化物をシリコン上に歪みのないかつ整合のとれた状態で成長させて連なった
（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ3）mの構造をどのようにして形成するかについて説明した
。ここでｎおよびｍは同じ結晶構造の酸化物単一層の正の繰り返しの整数であり
、この構造は新しい半導体技術の開発により使用可能となる。この新技術は、ア
モルファスＳｉＯ2−オン−シリコン技術を基盤とする普通に使用されるデバイ
ス技術とはそのアモルファス状態に起因して区別されるものであって、普通に使
用される技術における酸化物は印加される電界に対する応答および特性に指向性
を有していない。したがって、ＳｉＯ2は、内部または外部から印加される電界
に対する応答が結晶学的に異方性を持たない等方性材料として処理される。対照
的に、この新しい技術においては、酸化物結晶に「単純な」方向性があって極性
現象を促進し、これらの方向性を独特のデバイス設計および機能に活用可能とす
るようなデバイス物理があるゆえに利用される基本的な変化がある。そのような
デバイスの１つの例は、強誘電性電界効果型トランジスタであり、これは表面ド
ープされた半導体基板におけるチャンネル電流を調節するために強誘電性酸化物
の正方晶系歪みを利用している。したがって、半導体を基本とする基板上に酸化
物結晶を薄膜として膜堆積させたときに、酸化物結晶の方向依存性の特性を活用
して、デバイス技術におけるそのような酸化物の用途を促進していくことが望ま
しい。
【０００４】 異方性結晶は、作用の方向によって異なる性質または品質を有することが知ら
れている。特殊な例は磁性および強誘電性酸化物構造におけるキュリー秩序転移
のような臨界現象の異方性において認められる。例えば、ある酸化物結晶におい
ては、キュリー秩序転移は、結晶体について所定の向きに自然に配列された双極
秩序転移の開始部分に内部磁界または電界を誘導する。さらに、外部磁界を加え
ることによりこれらの誘導された内部磁界または内部電界を再度配向（例えば、
反転）させることが可能であることも知られている。
れている。特殊な例は磁性および強誘電性酸化物構造におけるキュリー秩序転移
のような臨界現象の異方性において認められる。例えば、ある酸化物結晶におい
ては、キュリー秩序転移は、結晶体について所定の向きに自然に配列された双極
秩序転移の開始部分に内部磁界または電界を誘導する。さらに、外部磁界を加え
ることによりこれらの誘導された内部磁界または内部電界を再度配向（例えば、
反転）させることが可能であることも知られている。
【０００５】 これまでおよび上述したことにおいては、酸化物はトランジスタのような電子
デバイスに取り入れられてきているが、しかしアモルファス状態または多結晶微
細構造のみであって、これらの酸化物（アモルファスまたは多結晶微細構造）は
何ら集合的な異方性挙動を示すことはない。したがって、半導体を基本とする基
板を含む半導体デバイスに使用する新しいかつ進歩した構造であって、半導体を
基本とする基板上に酸化物結晶薄膜を成長させ、この酸化物結晶がデバイスの動
作にとって利点となる異方性を示すことができる構造が望ましい。
デバイスに取り入れられてきているが、しかしアモルファス状態または多結晶微
細構造のみであって、これらの酸化物（アモルファスまたは多結晶微細構造）は
何ら集合的な異方性挙動を示すことはない。したがって、半導体を基本とする基
板を含む半導体デバイスに使用する新しいかつ進歩した構造であって、半導体を
基本とする基板上に酸化物結晶薄膜を成長させ、この酸化物結晶がデバイスの動
作にとって利点となる異方性を示すことができる構造が望ましい。
【０００６】 さらに、シリコン基板と強誘電性材料を組み込み、かつシリコンを基本とした
通信システムにおいて能動的導波路材料として使用される構造は存在しない。そ
れゆえに、強誘電性酸化物とシリコンを組み込んで強誘電性材料が能動的導波路
材料として使用可能なモノリシック構造を提供することが望まれる。
通信システムにおいて能動的導波路材料として使用される構造は存在しない。そ
れゆえに、強誘電性酸化物とシリコンを組み込んで強誘電性材料が能動的導波路
材料として使用可能なモノリシック構造を提供することが望まれる。
【０００７】 したがって、本発明の１つの目的は、薄膜層構造内部の単位セルが配列されて
実質的にすべての単位セルの方向依存的性質が所定の方向にバイアスされるよう
な、新しくかつ性能向上した酸化物上の結晶構造を提供することである。
実質的にすべての単位セルの方向依存的性質が所定の方向にバイアスされるよう
な、新しくかつ性能向上した酸化物上の結晶構造を提供することである。
【０００８】 本発明の別の目的は、実質的にすべての単位セルの方向依存的性質が限定され
た数の軸（すなわち、実質的に基板の表面に平行または実質的に基板の表面に対
して垂直な平面方向）に沿って配列されるように都合良く並べることができる単
位セルをもつペロブスカイト酸化物薄膜を含んだ構造を提供することである。
た数の軸（すなわち、実質的に基板の表面に平行または実質的に基板の表面に対
して垂直な平面方向）に沿って配列されるように都合良く並べることができる単
位セルをもつペロブスカイト酸化物薄膜を含んだ構造を提供することである。
【０００９】 本発明のまた別の目的は、薄膜材料の実質的にすべての単位セルの方向依存的
性質の向きがユニットの幾何的形状により左右されるような構造を提供すること
である。
性質の向きがユニットの幾何的形状により左右されるような構造を提供すること
である。
【００１０】 本発明のさらに別の目的は、酸化物結晶の異方性およびそれらの内部および外
部印加電磁界に対する応答を利用するデバイスに使用するための構造を提供する
ことである。
部印加電磁界に対する応答を利用するデバイスに使用するための構造を提供する
ことである。
【００１１】 本発明のまたさらに別の目的は、酸化物結晶−オン−シリコン構造が取り入れ
られ、かつ酸化物結晶を通るようにして内部的または外部的に印加される電磁界
の印加を含んだ動作の新しくかつ性能向上した半導体デバイスを提供することで
ある。
られ、かつ酸化物結晶を通るようにして内部的または外部的に印加される電磁界
の印加を含んだ動作の新しくかつ性能向上した半導体デバイスを提供することで
ある。
【００１２】 本発明のさらなる目的は、シリコンのような半導体を主原料とした基板上での
、高度に目標とする電子光学的特性を有する強誘電性薄膜の成長を含んだ構造を
提供することである。
、高度に目標とする電子光学的特性を有する強誘電性薄膜の成長を含んだ構造を
提供することである。
【００１３】 本発明のまたさらなる目的は、薄膜の結晶成長が薄膜の光学的特性に都合良く
影響を及ぼす構造を提供することである。
影響を及ぼす構造を提供することである。
【００１４】 本発明のまたさらなる目的は、これに限定されることはないが例として挙げる
とペロブスカイト、特にＢａＴｉＯ3類のペロブスカイトのようなＡＢＯ3の一般
構造を有する材料であって、限定されることはないが例として挙げるとシリコン
またはシリコン・ゲルマニウム基板を含めたＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族またはＩＩ−
ＶＩ族類の材料から選択される材料の上に成長した材料を含む構造を提供するこ
とである。
とペロブスカイト、特にＢａＴｉＯ3類のペロブスカイトのようなＡＢＯ3の一般
構造を有する材料であって、限定されることはないが例として挙げるとシリコン
またはシリコン・ゲルマニウム基板を含めたＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族またはＩＩ−
ＶＩ族類の材料から選択される材料の上に成長した材料を含む構造を提供するこ
とである。
【００１５】 本発明のさらにもう１つの目的は、干渉計のような電子光学装置の位相変調器
またはスイッチといったソリッドステート電気部品として使用可能な構造を提供
することである。
またはスイッチといったソリッドステート電気部品として使用可能な構造を提供
することである。
【００１６】 本発明のさらにもう１つの目的は、半導体を主原料とした基板とその基板上に
被覆されたペロブスカイト薄膜を有する構造を提供することであり、この構造に
おける基板は電流放出に使用され、薄膜は発光に使用される。
被覆されたペロブスカイト薄膜を有する構造を提供することであり、この構造に
おける基板は電流放出に使用され、薄膜は発光に使用される。
【００１７】 本発明のさらにもう１つの目的は、電流と光の両方が送信される通信システム
の構成ブロックとして使用される構造を提供することである。
の構成ブロックとして使用される構造を提供することである。
【００１８】 （発明の概要） 本発明は、表面を有する半導体を基本とする材料の基板およびこの基板表面に
エピタキシー成長により被覆された酸化物結晶の薄膜を含んだ構造にある。酸化
物結晶は方向依存的性質を有する異方性の挙動を示し得る単位セルを含むもので
あり、薄膜は基板／薄膜界面において面内歪みにさらされ、それにより薄膜の実
質的にすべての単位セルが面内歪みによって影響された幾何的形状をとり、それ
により各単位セルの方向依存的性質が基板表面に関連して所定の配向で配列され
る。
エピタキシー成長により被覆された酸化物結晶の薄膜を含んだ構造にある。酸化
物結晶は方向依存的性質を有する異方性の挙動を示し得る単位セルを含むもので
あり、薄膜は基板／薄膜界面において面内歪みにさらされ、それにより薄膜の実
質的にすべての単位セルが面内歪みによって影響された幾何的形状をとり、それ
により各単位セルの方向依存的性質が基板表面に関連して所定の配向で配列され
る。
【００１９】 本発明の１つの実施態様においては、酸化物結晶の各単位セルの方向依存的性
質（例えば、双極子モーメント）は基板表面に対して平行な平面内に向けられ、
本発明のまた別の実施態様においては、酸化物結晶の各単位セルの方向依存的性
質（例えば、双極子モーメント）は基板表面に対して直交する線に沿って向けら
れる。
質（例えば、双極子モーメント）は基板表面に対して平行な平面内に向けられ、
本発明のまた別の実施態様においては、酸化物結晶の各単位セルの方向依存的性
質（例えば、双極子モーメント）は基板表面に対して直交する線に沿って向けら
れる。
【００２０】 本発明のさらなる実施態様では、本発明の構造は半導体応用のためのデバイス
である。その中で酸化物結晶と半導体を基本とする基板との結合が半導体を基本
とする基板の挙動特性に有利に影響し、このデバイスのさらなる実施態様におい
ては、薄膜が基板表面を被覆する強誘電性で光学的に透明な酸化物を有しており
、薄膜の少なくとも最初の数原子層は半導体基板と整合し、それにより強誘電体
層の実質的にすべての双極子モーメントが基板表面に対して実質的に平行に配列
されることでこの構造の電気光学的な特性が向上する。
である。その中で酸化物結晶と半導体を基本とする基板との結合が半導体を基本
とする基板の挙動特性に有利に影響し、このデバイスのさらなる実施態様におい
ては、薄膜が基板表面を被覆する強誘電性で光学的に透明な酸化物を有しており
、薄膜の少なくとも最初の数原子層は半導体基板と整合し、それにより強誘電体
層の実質的にすべての双極子モーメントが基板表面に対して実質的に平行に配列
されることでこの構造の電気光学的な特性が向上する。
【００２１】 本発明のさらに１つの実施態様は、デバイスの半導体性能が使用に要求される
半導体応用のためのデバイスである。この実施態様では、デバイスは、表面を有
する半導体を主原料とした基板と、基板材料に単結晶を供給して下層にある半導
体材料に結合するように、基板表面に整合して被覆される異方性結晶材料薄膜と
を含んでいる。異方性結晶材料の薄膜は基板上に整合して配列された単位セルを
有しており、そこでは薄膜の実質的にすべての単位セルが四角形の幾何的形状を
有し、薄膜のそれぞれの単位セルが基板表面に対して直交する線に沿って配列さ
れた正方晶軸を有し、それにより薄膜の実質的にすべての単位セルの極性軸は基
板表面に対して直交する線に沿って配列される。
半導体応用のためのデバイスである。この実施態様では、デバイスは、表面を有
する半導体を主原料とした基板と、基板材料に単結晶を供給して下層にある半導
体材料に結合するように、基板表面に整合して被覆される異方性結晶材料薄膜と
を含んでいる。異方性結晶材料の薄膜は基板上に整合して配列された単位セルを
有しており、そこでは薄膜の実質的にすべての単位セルが四角形の幾何的形状を
有し、薄膜のそれぞれの単位セルが基板表面に対して直交する線に沿って配列さ
れた正方晶軸を有し、それにより薄膜の実質的にすべての単位セルの極性軸は基
板表面に対して直交する線に沿って配列される。
【００２２】 （記載した実施形態の詳細な説明） ここで、より詳細に図面へと説明を変えると、図１および２には番号２０のモ
ノリシック結晶構造が示されており、これはシリコン基板２２およびその表面を
被覆するエピタキシー成長させたペロブスカイトＢａＴｉＯ3のレイアップ２４
を有している。ＢａＴｉＯ3は強誘電性酸化物材料であり、これがシリコン基板
２２上に被覆される形でエピタキシー成長した薄膜として組み合わされた時、強
誘電的性質と同様に、構造２０の半導体性を利用する結晶構造２０が可能となる
。構造２０は酸化物結晶−オン−シリコン（ＣＯＳ）構造であるが、本発明の原
理によると、構造は選択可能な半導体を主原料とした基板、例えばシリコン−ゲ
ルマニウム、ゲルマニウムまたは他のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族およびＩＩ−ＶＩ族
の材料から成る基板の上に成長した酸化物結晶膜を含むことが可能である。これ
らの面から、基板はシリコン−ゲルマニウム（ＳｉyＧｅ1-y）、ここで「ｙ」は
０．０から１．０の幅を持ち得る、から成ることも可能である。
ノリシック結晶構造が示されており、これはシリコン基板２２およびその表面を
被覆するエピタキシー成長させたペロブスカイトＢａＴｉＯ3のレイアップ２４
を有している。ＢａＴｉＯ3は強誘電性酸化物材料であり、これがシリコン基板
２２上に被覆される形でエピタキシー成長した薄膜として組み合わされた時、強
誘電的性質と同様に、構造２０の半導体性を利用する結晶構造２０が可能となる
。構造２０は酸化物結晶−オン−シリコン（ＣＯＳ）構造であるが、本発明の原
理によると、構造は選択可能な半導体を主原料とした基板、例えばシリコン−ゲ
ルマニウム、ゲルマニウムまたは他のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族およびＩＩ−ＶＩ族
の材料から成る基板の上に成長した酸化物結晶膜を含むことが可能である。これ
らの面から、基板はシリコン−ゲルマニウム（ＳｉyＧｅ1-y）、ここで「ｙ」は
０．０から１．０の幅を持ち得る、から成ることも可能である。
【００２３】 ＢａＴｉＯ3の結晶構造は異方性であり、その中でそれぞれの単位セルは方向
依存的な性質を有し、本説明で明らかにされるように、レイアップ２４における
ＢａＴｉＯ3のそれぞれの単位セルのこの方向依存的な性質は基板表面に関連し
て予め定められた配向で配列されている。本目的のために、典型的なレイアップ
２４のそれぞれのＢａＴｉＯ3単位セルの方向依存的性質はその極性軸または、
言い換えると永続性の自然発生的な電気的分極（すなわち、電気的双極子モーメ
ント）である。したがって、典型的な構造２０においては、それは基板表面に対
して前もって定められた配向で配列された実質的にすべてのＢａＴｉＯ3単位セ
ルの双極子モーメントである。
依存的な性質を有し、本説明で明らかにされるように、レイアップ２４における
ＢａＴｉＯ3のそれぞれの単位セルのこの方向依存的な性質は基板表面に関連し
て予め定められた配向で配列されている。本目的のために、典型的なレイアップ
２４のそれぞれのＢａＴｉＯ3単位セルの方向依存的性質はその極性軸または、
言い換えると永続性の自然発生的な電気的分極（すなわち、電気的双極子モーメ
ント）である。したがって、典型的な構造２０においては、それは基板表面に対
して前もって定められた配向で配列された実質的にすべてのＢａＴｉＯ3単位セ
ルの双極子モーメントである。
【００２４】 構造２０はここではＢａＴｉＯ3のエピタキシャル膜を含んで説明されている
が、この発明のより広い概念による強誘電性膜含有構造は、材料の単位セルの方
向依存的性質（例えば双極子モーメント）を前もって定められた配向で配列する
ような整合のとれた周期性を必要とはしない。その代わりに、単位セルの方向依
存的性質を予め定められた配向で配列するのは、どのような整合のとれた周期性
よりもむしろ、単位セルがさらされる（ここで説明の）幾何的な影響である。し
たがって、本発明の原理は多様性をもって応用することが可能である。
が、この発明のより広い概念による強誘電性膜含有構造は、材料の単位セルの方
向依存的性質（例えば双極子モーメント）を前もって定められた配向で配列する
ような整合のとれた周期性を必要とはしない。その代わりに、単位セルの方向依
存的性質を予め定められた配向で配列するのは、どのような整合のとれた周期性
よりもむしろ、単位セルがさらされる（ここで説明の）幾何的な影響である。し
たがって、本発明の原理は多様性をもって応用することが可能である。
【００２５】 付け加えると、構造２０の構成は出願者らの普通に使用する（ＡＯ）n（Ａ’
ＢＯ3）mとして表記するシリーズ（出願者らの米国特許第５，８３５，２７０号
にも記述されている）のものであり、ここでｎおよびｍは単一面整合酸化物層の
繰り返し整数（すなわち、負の整数繰り返しではない）である。もしもｎ＝１で
あれば、ペロブスカイトはシリコンのシリサイド・トランケーション(truncatio
n)からＡＯ面で始まるＡＢＯ3として直接的に成長する。もしもｎ＞１であれば
、面心のＮａＣｌ型構造が界面において成長し、その後にＢＯ2面でトランケー
ションされペロブスカイト構造に移行する。したがって、本発明の原理は（ＡＯ
）n（Ａ’ＢＯ3）mとして表記されるどのような構造にも適用可能である。
ＢＯ3）mとして表記するシリーズ（出願者らの米国特許第５，８３５，２７０号
にも記述されている）のものであり、ここでｎおよびｍは単一面整合酸化物層の
繰り返し整数（すなわち、負の整数繰り返しではない）である。もしもｎ＝１で
あれば、ペロブスカイトはシリコンのシリサイド・トランケーション(truncatio
n)からＡＯ面で始まるＡＢＯ3として直接的に成長する。もしもｎ＞１であれば
、面心のＮａＣｌ型構造が界面において成長し、その後にＢＯ2面でトランケー
ションされペロブスカイト構造に移行する。したがって、本発明の原理は（ＡＯ
）n（Ａ’ＢＯ3）mとして表記されるどのような構造にも適用可能である。
【００２６】 図１および２の結晶構造２０を作製するために基本的に続くステップをもつ典
型的なプロセスは出願者らの米国特許第５，８３５，２７０号に述べられており
、かつその開示は参照資料によりここに組み入れられており、それにより作製プ
ロセスの詳細な説明が必要とは考えられない。しかしながら、簡単にかつ図２を
参照すると、シリコン基板上で正の歪み（すなわち、面内で引っ張られた歪み）
状態に格子構造がおかれ、それによりそれぞれの単位セルの方向依存的性質、す
なわち双極子モーメントが薄膜に平行または面内に向けられたＢａＴｉＯ3膜の
構造を作製するために、最初のステップは番号２６で示したシリコン基板２２（
またはウェハ）の表面を薄いＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏのアルカリ土類酸化膜２８で
被覆することにより行われる。シリコン基板２２上のこの酸化膜堆積の最初のス
テップは、ここで参照資料として採用した出願者らの米国特許第５，２２５，０
３１号に述べられているような、シリコン基板上アルカリ土類金属の区分単層膜
（例えば単層膜の１／４）の堆積を含んでいる。その後、Ｂａ0.725Ｓｒ0.275Ｏ
膜２８は薄いＣａ0.64Ｓｒ0.36ＴｉＯ3のペロブスカイト（テンプレート）膜３
０で被覆され、それから膜３０が任意（多層）のＢａＴｉＯ3膜３２によるレイ
アップ２４で被覆され、こうして結果となる構造が得られる。アルカリ土類酸化
膜およびテンプレート膜および少なくともＢａＴｉＯ3膜の最初の数原子層はそ
れぞれ、平面層に単層平面を１つずつ重ねる方式でレイアップされて典型的なＣ
ＯＳ構造２０形成を通して整合した周期性が確立されるものである。ここで膜は
、構造形成に使用されるものについて薄膜の単位セルの格子パラメータが選択さ
れる。言い換えると、薄膜／シリコン界面における熱的歪みを促進するために、
薄膜材料は隣接する膜の格子パラメータが同じでなく、わずかに互いに異なって
隣接膜間で格子緊張が生じるように選択される。
型的なプロセスは出願者らの米国特許第５，８３５，２７０号に述べられており
、かつその開示は参照資料によりここに組み入れられており、それにより作製プ
ロセスの詳細な説明が必要とは考えられない。しかしながら、簡単にかつ図２を
参照すると、シリコン基板上で正の歪み（すなわち、面内で引っ張られた歪み）
状態に格子構造がおかれ、それによりそれぞれの単位セルの方向依存的性質、す
なわち双極子モーメントが薄膜に平行または面内に向けられたＢａＴｉＯ3膜の
構造を作製するために、最初のステップは番号２６で示したシリコン基板２２（
またはウェハ）の表面を薄いＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏのアルカリ土類酸化膜２８で
被覆することにより行われる。シリコン基板２２上のこの酸化膜堆積の最初のス
テップは、ここで参照資料として採用した出願者らの米国特許第５，２２５，０
３１号に述べられているような、シリコン基板上アルカリ土類金属の区分単層膜
（例えば単層膜の１／４）の堆積を含んでいる。その後、Ｂａ0.725Ｓｒ0.275Ｏ
膜２８は薄いＣａ0.64Ｓｒ0.36ＴｉＯ3のペロブスカイト（テンプレート）膜３
０で被覆され、それから膜３０が任意（多層）のＢａＴｉＯ3膜３２によるレイ
アップ２４で被覆され、こうして結果となる構造が得られる。アルカリ土類酸化
膜およびテンプレート膜および少なくともＢａＴｉＯ3膜の最初の数原子層はそ
れぞれ、平面層に単層平面を１つずつ重ねる方式でレイアップされて典型的なＣ
ＯＳ構造２０形成を通して整合した周期性が確立されるものである。ここで膜は
、構造形成に使用されるものについて薄膜の単位セルの格子パラメータが選択さ
れる。言い換えると、薄膜／シリコン界面における熱的歪みを促進するために、
薄膜材料は隣接する膜の格子パラメータが同じでなく、わずかに互いに異なって
隣接膜間で格子緊張が生じるように選択される。
【００２７】 構造の構成成分の熱的膨張係数（すなわち線膨張）間における差異は、結果と
なる構造において、強誘電性材料の半導体基板に対する結合に大きな効力を有す
る。言い換えると、ＢａＴｉＯ3の単位セルの下層の基板（このケースではシリ
コン）に対する結合は電子応用に使用するときに、基板の性能に有利に効力を発
揮させ得る。この点については、シリコンの熱膨張係数はＢａＴｉＯ3膜のそれ
よりも小さく、それにより結末の構造の均一な加熱（または冷却）は、ここで説
明されるように、ＢａＴｉＯ3膜が変形する傾向および多少の面内歪みがＢａＴ
ｉＯ3膜内部で発生する傾向につながる。
なる構造において、強誘電性材料の半導体基板に対する結合に大きな効力を有す
る。言い換えると、ＢａＴｉＯ3の単位セルの下層の基板（このケースではシリ
コン）に対する結合は電子応用に使用するときに、基板の性能に有利に効力を発
揮させ得る。この点については、シリコンの熱膨張係数はＢａＴｉＯ3膜のそれ
よりも小さく、それにより結末の構造の均一な加熱（または冷却）は、ここで説
明されるように、ＢａＴｉＯ3膜が変形する傾向および多少の面内歪みがＢａＴ
ｉＯ3膜内部で発生する傾向につながる。
【００２８】 しかしながら、出願人らはシリコンとＢａＴｉＯ3との間の相対的熱膨張（ま
たは収縮）は、膜を形成している間の方がシリコン上にＢａＴｉＯ3膜を堆積し
た後に続く冷却期間よりも大きくないことを見出した。これに関連して、ＢａＴ
ｉＯ3の膜堆積を含むステップは６００℃という相対的に高い（成長）温度で行
われる。この温度ではＢａＴｉＯ3の堆積膜は実質的に面内歪みのない状態であ
る。しかしながら、この膜堆積プロセスに引き続いて、結末の構造は約４０℃（
室温に近い）という低温まで実質的に冷却される。シリコンとＢａＴｉＯ3との
熱膨張（または収縮）特性の差異が作用するのはこの間である。相転換は冷却の
間にＢａＴｉＯ3膜内部において、格子が冷却時に圧迫される程度に依存して生
じるか生じないかきまる。言い換えると、ここで説明する技術を使用して酸化物
表層内に格子歪みを誘導することで、酸化物表層を冷却する間の相転換を最少限
度にすることができる。
たは収縮）は、膜を形成している間の方がシリコン上にＢａＴｉＯ3膜を堆積し
た後に続く冷却期間よりも大きくないことを見出した。これに関連して、ＢａＴ
ｉＯ3の膜堆積を含むステップは６００℃という相対的に高い（成長）温度で行
われる。この温度ではＢａＴｉＯ3の堆積膜は実質的に面内歪みのない状態であ
る。しかしながら、この膜堆積プロセスに引き続いて、結末の構造は約４０℃（
室温に近い）という低温まで実質的に冷却される。シリコンとＢａＴｉＯ3との
熱膨張（または収縮）特性の差異が作用するのはこの間である。相転換は冷却の
間にＢａＴｉＯ3膜内部において、格子が冷却時に圧迫される程度に依存して生
じるか生じないかきまる。言い換えると、ここで説明する技術を使用して酸化物
表層内に格子歪みを誘導することで、酸化物表層を冷却する間の相転換を最少限
度にすることができる。
【００２９】 特に、結末の構造が上述のように冷却されると、ＢａＴｉＯ3膜とシリコンと
の熱膨張（または収縮）の差異がシリコンよりもＢａＴｉＯ3膜のより大きな収
縮という効果を生み出す。言い換えると、結末の構造が膜堆積温度の約６００℃
から冷却されると、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面における単位面積当たりのＢａＴｉ
Ｏ3単位セルの数がＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面における単位面積当たりのＳｉ単位セ
ルの数と比例関係を保ったままであり、ＢａＴｉＯ3膜の原子はシリコン基板の
原子よりも密に集まる傾向がある。ＢａＴｉＯ3膜がシリコンよりも収縮しよう
とすると、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面においてＢａＴｉＯ3膜の拘束条件による束縛
が生じる。このように、低温、例えば室温に到達することで、ＢａＴｉＯ3膜は
束縛されない場合よりも大きな面内エリアに束縛を受ける。したがって、ＢａＴ
ｉＯ3膜の収縮は、ＢａＴｉＯ3膜の面外格子パラメータを、シリコンの表面から
パスがたどられるために短縮する効果を生み出す。
の熱膨張（または収縮）の差異がシリコンよりもＢａＴｉＯ3膜のより大きな収
縮という効果を生み出す。言い換えると、結末の構造が膜堆積温度の約６００℃
から冷却されると、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面における単位面積当たりのＢａＴｉ
Ｏ3単位セルの数がＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面における単位面積当たりのＳｉ単位セ
ルの数と比例関係を保ったままであり、ＢａＴｉＯ3膜の原子はシリコン基板の
原子よりも密に集まる傾向がある。ＢａＴｉＯ3膜がシリコンよりも収縮しよう
とすると、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面においてＢａＴｉＯ3膜の拘束条件による束縛
が生じる。このように、低温、例えば室温に到達することで、ＢａＴｉＯ3膜は
束縛されない場合よりも大きな面内エリアに束縛を受ける。したがって、ＢａＴ
ｉＯ3膜の収縮は、ＢａＴｉＯ3膜の面外格子パラメータを、シリコンの表面から
パスがたどられるために短縮する効果を生み出す。
【００３０】 前述した転移層からパスがたどられるために格子パラメータのサイズが小さく
なる傾向をもつため、ＢａＴｉＯ3膜の格子は膜平面、すなわちシリコン表面に
平行な面に誘導されるいくらかの量の２方向引っ張り歪みにさらされる。格子の
側面に沿った、すなわちシリコン表面に直交する径路に沿った場合も同様である
。ＢａＴｉＯ3の単位セルが番号４２で示されている図３および４を参照すると
、この誘導された歪みはＢａＴｉＯ3単位セルの形状を図３に記載したような立
方体形状から図４に記載したようなどこかが歪んだような立方体形状（すなわち
正方晶）に変形させる傾向を有する。ここで図４の単位セルの格子形状は、上面
の面積が基底面の面積よりわずかに小さくなっている。同じような面で、図４の
単位セル４２の幅は基底を横切って測定すると、形状が変化しても単位セル４２
の体積は相対的に一定になる傾向があるため、その高さよりもわずかに大きくな
っている。
なる傾向をもつため、ＢａＴｉＯ3膜の格子は膜平面、すなわちシリコン表面に
平行な面に誘導されるいくらかの量の２方向引っ張り歪みにさらされる。格子の
側面に沿った、すなわちシリコン表面に直交する径路に沿った場合も同様である
。ＢａＴｉＯ3の単位セルが番号４２で示されている図３および４を参照すると
、この誘導された歪みはＢａＴｉＯ3単位セルの形状を図３に記載したような立
方体形状から図４に記載したようなどこかが歪んだような立方体形状（すなわち
正方晶）に変形させる傾向を有する。ここで図４の単位セルの格子形状は、上面
の面積が基底面の面積よりわずかに小さくなっている。同じような面で、図４の
単位セル４２の幅は基底を横切って測定すると、形状が変化しても単位セル４２
の体積は相対的に一定になる傾向があるため、その高さよりもわずかに大きくな
っている。
【００３１】 アモルファス酸化物（これまでは酸化物−オン−シリコンで使用されている）
が上述したような挙動を示さないことは理解できるであろう。言い換えると、ア
モルファス酸化物は上述したような方式で幾何構造を変化させる単位セルを持っ
ていないため、アモルファス酸化物の構造異方性は、本発明の構造をもつケース
の幾何的影響による効果を受けることができない。さらに、電子応用において基
板の挙動に有利な効果を与える目的で下層にある半導体基板に結合した本発明の
構造の薄膜とは異なり、アモルファス酸化物は下層にある基板とは結合していな
い。したがって、本発明はこの関連において利点を有する。
が上述したような挙動を示さないことは理解できるであろう。言い換えると、ア
モルファス酸化物は上述したような方式で幾何構造を変化させる単位セルを持っ
ていないため、アモルファス酸化物の構造異方性は、本発明の構造をもつケース
の幾何的影響による効果を受けることができない。さらに、電子応用において基
板の挙動に有利な効果を与える目的で下層にある半導体基板に結合した本発明の
構造の薄膜とは異なり、アモルファス酸化物は下層にある基板とは結合していな
い。したがって、本発明はこの関連において利点を有する。
【００３２】 図５を参照すると、これにはＢａＴｉＯ3／ＳｉおよびバルクのＢａＴｉＯ3構
造の格子パラメータが温度の関数としてプロットされている。図５のプロットか
ら、それぞれの構造の格子パラメータは構造の温度の低下につれて下がるが、し
かしＢａＴｉＯ3／Ｓｉの格子パラメータはこの温度範囲においてバルクのＢａ
ＴｉＯ3ほどは上がらないことがわかる。そのような現象は、各構造がそれぞれ
冷却される間にＳｉの格子（レイアップされた薄膜の質量よりもはるかに大きな
質量を有する）が、ＢａＴｉＯ3の格子パラメータがバルクＢａＴｉＯ3の冷却の
間に可能な程度まで下がることを妨げることで説明可能である。
造の格子パラメータが温度の関数としてプロットされている。図５のプロットか
ら、それぞれの構造の格子パラメータは構造の温度の低下につれて下がるが、し
かしＢａＴｉＯ3／Ｓｉの格子パラメータはこの温度範囲においてバルクのＢａ
ＴｉＯ3ほどは上がらないことがわかる。そのような現象は、各構造がそれぞれ
冷却される間にＳｉの格子（レイアップされた薄膜の質量よりもはるかに大きな
質量を有する）が、ＢａＴｉＯ3の格子パラメータがバルクＢａＴｉＯ3の冷却の
間に可能な程度まで下がることを妨げることで説明可能である。
【００３３】 同じような点で、図６にはこの構造の温度に対して、シリコン基板上に成長し
たＢａＴｉＯ3薄膜に誘導される面内の熱的歪みがプロットされている。一般的
には、ＢａＴｉＯ3／Ｓｉ構造のＢａＴｉＯ3膜内部に誘導される面内歪みは温度
が約１０３０°Ｋから下がるにつれて増大する。
たＢａＴｉＯ3薄膜に誘導される面内の熱的歪みがプロットされている。一般的
には、ＢａＴｉＯ3／Ｓｉ構造のＢａＴｉＯ3膜内部に誘導される面内歪みは温度
が約１０３０°Ｋから下がるにつれて増大する。
【００３４】 図３に図式的に描かれた立方状ＢａＴｉＯ3単位セル４２のような極性化して
いない強誘電性材料のケースのように、３つの座標軸（Ｘ、ＹまたはＺ）のいず
れかに沿って向けられる電気的双極子モーメントが存在する。したがって、Ｂａ
ＴｉＯ3材料のレイアップがエピタキシャル結晶レイアップ内部に歪み（または
圧縮）のない状態のとき、単位セルの双極子モーメントは６つの方向（単位セル
の面の数に対応する）のいずれかに向けられる。しかしながら、面内歪みが構造
２０のレイアップ２４のＢａＴｉＯ3単位セル内部に誘導され、その結果生じる
ＢａＴｉＯ3の単位セルの前述した正方晶への幾何的変形が基板の平面に対して
平行なセルの正方晶軸（すなわち長い方の軸）に向けられ、それゆえにそれぞれ
の双極子モーメントが基板表面の平面に対して自然に直交する方向になるのを妨
げる。したがって、ＢａＴｉＯ3レイアップ内に誘導された面内歪みはレイアッ
プのＢａＴｉＯ3単位セルにおける双極子モーメントの許される配向を制限する
ものであって、それらの配向はＸおよびＹ座標軸（図４）に対応するものであり
、それによりレイアップ２４内のＢａＴｉＯ3単位セルの実質的にすべての双極
子モーメントが基板表面２６に対して平行に向けられた平面に配列される。
いない強誘電性材料のケースのように、３つの座標軸（Ｘ、ＹまたはＺ）のいず
れかに沿って向けられる電気的双極子モーメントが存在する。したがって、Ｂａ
ＴｉＯ3材料のレイアップがエピタキシャル結晶レイアップ内部に歪み（または
圧縮）のない状態のとき、単位セルの双極子モーメントは６つの方向（単位セル
の面の数に対応する）のいずれかに向けられる。しかしながら、面内歪みが構造
２０のレイアップ２４のＢａＴｉＯ3単位セル内部に誘導され、その結果生じる
ＢａＴｉＯ3の単位セルの前述した正方晶への幾何的変形が基板の平面に対して
平行なセルの正方晶軸（すなわち長い方の軸）に向けられ、それゆえにそれぞれ
の双極子モーメントが基板表面の平面に対して自然に直交する方向になるのを妨
げる。したがって、ＢａＴｉＯ3レイアップ内に誘導された面内歪みはレイアッ
プのＢａＴｉＯ3単位セルにおける双極子モーメントの許される配向を制限する
ものであって、それらの配向はＸおよびＹ座標軸（図４）に対応するものであり
、それによりレイアップ２４内のＢａＴｉＯ3単位セルの実質的にすべての双極
子モーメントが基板表面２６に対して平行に向けられた平面に配列される。
【００３５】 図７および８を参照すると、１つの他の実施形態である構造６０が示されてお
り、シリコン基板６２および基板表面を覆うＳｒＴｉＯ3ペロブスカイトの整合
したレイアップ６４を含んでいる。図１および２の構造２０のように、図７およ
び８の構造６０は、前述した（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ3）mとして表記される出願人
らが普通に使用する整合構造のシリーズの部材である。しかしながら、図１およ
び２の構造２０とは異なり、図７および８の構造６０は、基板を通して整合しな
がらエピタキシー成長して歪みを生じた面内圧縮が誘導されて成長する。
り、シリコン基板６２および基板表面を覆うＳｒＴｉＯ3ペロブスカイトの整合
したレイアップ６４を含んでいる。図１および２の構造２０のように、図７およ
び８の構造６０は、前述した（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ3）mとして表記される出願人
らが普通に使用する整合構造のシリーズの部材である。しかしながら、図１およ
び２の構造２０とは異なり、図７および８の構造６０は、基板を通して整合しな
がらエピタキシー成長して歪みを生じた面内圧縮が誘導されて成長する。
【００３６】 図７および８の結晶構造６０を作製するために使用するプロセスは、図１の構
造２０を作製する関連で上述した作製プロセスと、プロセスの間で使用する要素
が異なること以外は対応してる。とりわけ、そして図７を参照すると、ＳｒＴｉ
Ｏ3膜６４のいくらかの部分は単一平面層の上に単一平面層を１つずつ重ねるよ
うな方式で作製され、構造６０の形成を通して整合のとれた周期性を確立してい
る。言い換えると、番号６６で示したシリコン基板６２の表面を単層の厚さのア
ルカリ土類酸化膜６８（アルカリ土類酸化金属の単層の区分膜堆積に続く）でカ
バーし、それからアルカリ土類酸化膜６８を任意の厚さ（単層またはそれ以上）
のペロブスカイト（テンプレート）薄膜７０でカバーし、それからペロブスカイ
ト膜７０を任意の（多層の）ＳｒＴｉＯ3膜７２で覆うといったレイアップする
ステップが実行されて結末の構造６０となる。成長プロセスの間のＳｒＴｉＯ3
膜７２とシリコン基板６２との間で任意の周期を維持するために、ＳｒＴｉＯ3
単位セルは下層にあるシリコン基板の単位セルに関して（ＳｒＴｉＯ3の格子パ
ラメータ［３．９１オングストローム］が格子パラメータ［５．４３オングスト
ローム］を２．０の平方根で割った値［または３．８４オングストローム］に一
致するように）４５°回転される。もしも上に重ねるＳｒＴｉＯ3の格子に与え
る任意の負方向の歪みの効果を強調するのであれば、作製プロセスにおける種々
の膜層（テンプレート膜７０のようなもの）を除くか、または膜層の構成を変え
ることができる。
造２０を作製する関連で上述した作製プロセスと、プロセスの間で使用する要素
が異なること以外は対応してる。とりわけ、そして図７を参照すると、ＳｒＴｉ
Ｏ3膜６４のいくらかの部分は単一平面層の上に単一平面層を１つずつ重ねるよ
うな方式で作製され、構造６０の形成を通して整合のとれた周期性を確立してい
る。言い換えると、番号６６で示したシリコン基板６２の表面を単層の厚さのア
ルカリ土類酸化膜６８（アルカリ土類酸化金属の単層の区分膜堆積に続く）でカ
バーし、それからアルカリ土類酸化膜６８を任意の厚さ（単層またはそれ以上）
のペロブスカイト（テンプレート）薄膜７０でカバーし、それからペロブスカイ
ト膜７０を任意の（多層の）ＳｒＴｉＯ3膜７２で覆うといったレイアップする
ステップが実行されて結末の構造６０となる。成長プロセスの間のＳｒＴｉＯ3
膜７２とシリコン基板６２との間で任意の周期を維持するために、ＳｒＴｉＯ3
単位セルは下層にあるシリコン基板の単位セルに関して（ＳｒＴｉＯ3の格子パ
ラメータ［３．９１オングストローム］が格子パラメータ［５．４３オングスト
ローム］を２．０の平方根で割った値［または３．８４オングストローム］に一
致するように）４５°回転される。もしも上に重ねるＳｒＴｉＯ3の格子に与え
る任意の負方向の歪みの効果を強調するのであれば、作製プロセスにおける種々
の膜層（テンプレート膜７０のようなもの）を除くか、または膜層の構成を変え
ることができる。
【００３７】 アルカリ土類酸化膜６８およびテンプレート膜７０およびＳｒＴｉＯ3膜７２
のいくらかの部分はそれぞれ、単一平面層の上に単一平面層を１つずつ重ねるよ
うな方式で作製され、構造６０の形成を通して整合のとれた周期性を確立してい
る。ここで層形成プロセスは膜形成のための材料の結晶形状を考慮に入れて実施
される。繰り返すと、シリコン基板６２の表面上に直接的に設けられるエピタキ
シャル膜６４の作製のより詳細な説明について、参照資料は前に参照した米国特
許第５，８３５，２７０号で得られる。しかしながら、参照した米国特許第５，
８３５，２７０号は、最後に形成される酸化物の層の単位セルに歪みが誘導され
ないように隣接する層の格子パラメータが互いに一致する整合構造の作製を扱っ
ているのに対して、本発明では、格子パラメータが異なってかつそのために任意
の歪み（正または負方向）がこの構造において最後に形成される酸化物層の単位
セルに誘導されるような構造を作製するように材料が選択されることが理解でき
るであろう。
のいくらかの部分はそれぞれ、単一平面層の上に単一平面層を１つずつ重ねるよ
うな方式で作製され、構造６０の形成を通して整合のとれた周期性を確立してい
る。ここで層形成プロセスは膜形成のための材料の結晶形状を考慮に入れて実施
される。繰り返すと、シリコン基板６２の表面上に直接的に設けられるエピタキ
シャル膜６４の作製のより詳細な説明について、参照資料は前に参照した米国特
許第５，８３５，２７０号で得られる。しかしながら、参照した米国特許第５，
８３５，２７０号は、最後に形成される酸化物の層の単位セルに歪みが誘導され
ないように隣接する層の格子パラメータが互いに一致する整合構造の作製を扱っ
ているのに対して、本発明では、格子パラメータが異なってかつそのために任意
の歪み（正または負方向）がこの構造において最後に形成される酸化物層の単位
セルに誘導されるような構造を作製するように材料が選択されることが理解でき
るであろう。
【００３８】 さらに図７および８の構造６０を参照すると、シリコン基板６２上のＳｒＴｉ
Ｏ3薄膜６４の整合のとれた周期性の効力により、膜６４の原子が下層にあるシ
リコンの原子に効果的に締めつけられて膜６４の格子は下層にあるシリコンの格
子に従った構造（圧縮または伸長）をとる。上述したように、室温においては、
３．８４オングストロームという数値がＳｒＴｉＯ3のそれぞれの単位セルの格
子パラメータが構造６０に一致しようとするものである。したがって、室温にお
いては、ＳｒＴｉＯ3膜６４は、シリコン／薄膜界面において歪みのない（圧縮
されていない）状態から約−２％歪み（または、さらに特定すると、約２％圧縮
されている）を受けており、ＳｒＴｉＯ3格子に誘導されたこの歪みがＳｒＴｉ
Ｏ3単位セルの幾何構造に影響を及ぼす。
Ｏ3薄膜６４の整合のとれた周期性の効力により、膜６４の原子が下層にあるシ
リコンの原子に効果的に締めつけられて膜６４の格子は下層にあるシリコンの格
子に従った構造（圧縮または伸長）をとる。上述したように、室温においては、
３．８４オングストロームという数値がＳｒＴｉＯ3のそれぞれの単位セルの格
子パラメータが構造６０に一致しようとするものである。したがって、室温にお
いては、ＳｒＴｉＯ3膜６４は、シリコン／薄膜界面において歪みのない（圧縮
されていない）状態から約−２％歪み（または、さらに特定すると、約２％圧縮
されている）を受けており、ＳｒＴｉＯ3格子に誘導されたこの歪みがＳｒＴｉ
Ｏ3単位セルの幾何構造に影響を及ぼす。
【００３９】 特に、シリコン／膜界面に存在する歪みはＳｒＴｉＯ3内に面内圧縮を発揮さ
せ、それによりＳｒＴｉＯ3単位セルが面から逸脱して変形する。言い換えると
、それぞれのＳｒＴｉＯ3単位セルの基底面が面内圧縮を受けると、ＳｒＴｉＯ3 の幾何構造は（図９でＳｒＴｉＯ3単位セル８０により最もよく描かれているよ
うな）ある状態に歪み、単位セル８０の基底面の寸法がセルの上面で測定したそ
れよりも小さくなる。その上さらに、単位セル８０の体積は変形されたときに一
定に保たれるため、基底面が圧縮されると単位セルの高さが増大する。ＳｒＴｉ
Ｏ3単位セルの、正方晶軸（すなわち長い方の軸）での正方晶形状へのこの歪み
は薄膜の面から外れるように配列されている。したがって、ＳｒＴｉＯ3単位セ
ルの幾何構造へのこの歪みに誘導される影響は、薄膜の平面から外れるそれぞれ
の単位セルについて正方晶軸を、そしてそれにより方向依存的性質を前もって定
める。
せ、それによりＳｒＴｉＯ3単位セルが面から逸脱して変形する。言い換えると
、それぞれのＳｒＴｉＯ3単位セルの基底面が面内圧縮を受けると、ＳｒＴｉＯ3 の幾何構造は（図９でＳｒＴｉＯ3単位セル８０により最もよく描かれているよ
うな）ある状態に歪み、単位セル８０の基底面の寸法がセルの上面で測定したそ
れよりも小さくなる。その上さらに、単位セル８０の体積は変形されたときに一
定に保たれるため、基底面が圧縮されると単位セルの高さが増大する。ＳｒＴｉ
Ｏ3単位セルの、正方晶軸（すなわち長い方の軸）での正方晶形状へのこの歪み
は薄膜の面から外れるように配列されている。したがって、ＳｒＴｉＯ3単位セ
ルの幾何構造へのこの歪みに誘導される影響は、薄膜の平面から外れるそれぞれ
の単位セルについて正方晶軸を、そしてそれにより方向依存的性質を前もって定
める。
【００４０】 ＳｒＴｉＯ3およびペロブスカイト・シリーズの強誘電体の類似性により、強
誘電性酸化物はシリコンのような半導体を主原料とした基板上で成長することが
可能となり、それにより強誘電性酸化物の実質的にすべての単位セルの、双極子
モーメントのような、方向依存的性質は基板表面に対して平面から外れる配向と
される。いずれにしても、より大きな格子パラメータを有する酸化物がより小さ
い格子パラメータを有する下層の材料上に形成され、それにより負方向（すなわ
ち圧縮）の歪みがレイアップされた酸化物の単位セル内に誘導され、これが単位
セルを幾何的に歪ませてその方向依存的性質を薄膜の平面から外れる（すなわち
基板表面に対して直交する線に沿う）ように前もって定めるように作製プロセス
のための薄膜材料が選択される。
誘電性酸化物はシリコンのような半導体を主原料とした基板上で成長することが
可能となり、それにより強誘電性酸化物の実質的にすべての単位セルの、双極子
モーメントのような、方向依存的性質は基板表面に対して平面から外れる配向と
される。いずれにしても、より大きな格子パラメータを有する酸化物がより小さ
い格子パラメータを有する下層の材料上に形成され、それにより負方向（すなわ
ち圧縮）の歪みがレイアップされた酸化物の単位セル内に誘導され、これが単位
セルを幾何的に歪ませてその方向依存的性質を薄膜の平面から外れる（すなわち
基板表面に対して直交する線に沿う）ように前もって定めるように作製プロセス
のための薄膜材料が選択される。
【００４１】 前述に引き続いて、酸化物の単位セルの方向依存的性質が基板表面に対して予
め定められた向きに配列される時にＳｉ上の酸化物結晶材料薄膜の特性は影響を
受け、酸化物の方向依存的性質の予め定められた方向はその単位セルにおける幾
何的拘束条件を通して制御され得る。上述した例では、歪み（すなわち、１つの
例では正方向歪みでもう１つの例では負方向歪み）はシリコンと上層の膜の結晶
材料との格子パラメータの差異の結果としてシリコン／膜界面において誘導され
る。このように、適切に異方性酸化物を選択してシリコン基板上に成長させ、成
長温度以下の適切な温度まで冷却した時にその単位セルを引っ張りまたは圧縮状
態（例えば、約±２％の間で歪んだ状態）におくことにより、単位セルの方向依
存的性質は、シリコン基板の表面に対して平行な面またはシリコン基板に対して
直角な線に沿った方向に前もって定められるであろう。
め定められた向きに配列される時にＳｉ上の酸化物結晶材料薄膜の特性は影響を
受け、酸化物の方向依存的性質の予め定められた方向はその単位セルにおける幾
何的拘束条件を通して制御され得る。上述した例では、歪み（すなわち、１つの
例では正方向歪みでもう１つの例では負方向歪み）はシリコンと上層の膜の結晶
材料との格子パラメータの差異の結果としてシリコン／膜界面において誘導され
る。このように、適切に異方性酸化物を選択してシリコン基板上に成長させ、成
長温度以下の適切な温度まで冷却した時にその単位セルを引っ張りまたは圧縮状
態（例えば、約±２％の間で歪んだ状態）におくことにより、単位セルの方向依
存的性質は、シリコン基板の表面に対して平行な面またはシリコン基板に対して
直角な線に沿った方向に前もって定められるであろう。
【００４２】 その上さらに、本発明の特別な利点は、レイアップする異方性材料が下層にあ
る半導体基板に結合して基板の電子的性能に影響を及ぼすことにある。言い換え
ると、単位セルの方向依存的性質が基板表面に対して平行な面でも、また基板表
面に対して直交する線に沿っても向けられるように束縛される異方性材料の単位
セルの幾何構造により、半導体基板と異方性材料の結合は、基板が電子応用にお
いて有利でかつ再現性のある挙動をすることを可能にする。したがって、本発明
の構造は、電子応用において異方性薄膜材料と下層にある半導体材料との結合を
使用する半導体デバイスにおいて具現化することができる。
る半導体基板に結合して基板の電子的性能に影響を及ぼすことにある。言い換え
ると、単位セルの方向依存的性質が基板表面に対して平行な面でも、また基板表
面に対して直交する線に沿っても向けられるように束縛される異方性材料の単位
セルの幾何構造により、半導体基板と異方性材料の結合は、基板が電子応用にお
いて有利でかつ再現性のある挙動をすることを可能にする。したがって、本発明
の構造は、電子応用において異方性薄膜材料と下層にある半導体材料との結合を
使用する半導体デバイスにおいて具現化することができる。
【００４３】 前述によると、出願人らは、ペロブスカイト酸化物がシリコンの（１００）面
に完全にレジストリーをもって成長可能であり、シリコンが酸素含有環境にさら
される時に形成されるアモルファスのシリカ相を全体的に回避することに実験的
に到達した。特に、金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）キャパシタがＳｒＴｉＯ3
ペロブスカイト（アモルファスＳｉＯ2に換えて）を使用して作製され、これに
おけるＳｒＴｉＯ3層は厚さ１５０オングストロームであり、下層にあるシリコ
ンはｐ型シリコンとした。作製したキャパシタのＺ−対照断面画像（原子スケー
ルで撮影）が図１０に示されており、酸化物／シリコン界面における原子の配列
が描かれている。図１０の画像から明らかとなるエピタキシーは、（１００）Ｓ
ｒＴｉＯ3／／（００１）ＳｉおよびＳｒＴｉＯ3［１１０］／／Ｓｉ［１００］
である。画像の左側はペロブスカイト／シリコン投射の挿入モデルである。
に完全にレジストリーをもって成長可能であり、シリコンが酸素含有環境にさら
される時に形成されるアモルファスのシリカ相を全体的に回避することに実験的
に到達した。特に、金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）キャパシタがＳｒＴｉＯ3
ペロブスカイト（アモルファスＳｉＯ2に換えて）を使用して作製され、これに
おけるＳｒＴｉＯ3層は厚さ１５０オングストロームであり、下層にあるシリコ
ンはｐ型シリコンとした。作製したキャパシタのＺ−対照断面画像（原子スケー
ルで撮影）が図１０に示されており、酸化物／シリコン界面における原子の配列
が描かれている。図１０の画像から明らかとなるエピタキシーは、（１００）Ｓ
ｒＴｉＯ3／／（００１）ＳｉおよびＳｒＴｉＯ3［１１０］／／Ｓｉ［１００］
である。画像の左側はペロブスカイト／シリコン投射の挿入モデルである。
【００４４】 作製したＭＯＳキャパシタの物理構造の完全さが直接的に電気的構造に結びつ
くので、作製したキャパシタ（酸化物の厚さは１５０オングストローム）のため
に１０オングストローム以下（すなわち、約８．８オングストローム）の厚さの
平衡酸化物を採用し、ここで平衡酸化物の厚さ、ｔeq、は金属−酸化物−半導体
（ＭＯＳ）キャパシタのために以下のように規定される。すなわち、
くので、作製したキャパシタ（酸化物の厚さは１５０オングストローム）のため
に１０オングストローム以下（すなわち、約８．８オングストローム）の厚さの
平衡酸化物を採用し、ここで平衡酸化物の厚さ、ｔeq、は金属−酸化物−半導体
（ＭＯＳ）キャパシタのために以下のように規定される。すなわち、
【数１】 であり、ここでεSiO2およびε0はそれぞれシリカの誘電定数および空間の誘電
率であり、（Ｃ／Ａ）OXはＭＯＳキャパシタの比容量である。図１１に作製した
キャパシタの電圧に対する比容量のデータをプロットして示した。このキャパシ
タは、酸化物を横切る電界が負電圧のときＣ／Ａ値が４０ｆＦ／μｍ2を示す。
キャパシタンスの周波数依存性データから求められた界面のトラップ密度は荷電
子帯よりも０．１１ｅＶ高い位置でシャープなピークを有し、その値は１０10／
ｃｍ2のレンジである。このデータの解析から、界面のレジストリーは、本来の
シリコン表面ステップ相互作用が界面トラップ状態として識別できるように完全
であることが示唆される。このキャパシタのための相対的に薄い平衡酸化物の厚
さは、ＭＯＳキャパシタの非平行の結果であり、酸化物結晶−オン−シリコン（
ＣＯＳ）がトランジスタゲート技術においてシリカにとって代わる可能性を示唆
している。
率であり、（Ｃ／Ａ）OXはＭＯＳキャパシタの比容量である。図１１に作製した
キャパシタの電圧に対する比容量のデータをプロットして示した。このキャパシ
タは、酸化物を横切る電界が負電圧のときＣ／Ａ値が４０ｆＦ／μｍ2を示す。
キャパシタンスの周波数依存性データから求められた界面のトラップ密度は荷電
子帯よりも０．１１ｅＶ高い位置でシャープなピークを有し、その値は１０10／
ｃｍ2のレンジである。このデータの解析から、界面のレジストリーは、本来の
シリコン表面ステップ相互作用が界面トラップ状態として識別できるように完全
であることが示唆される。このキャパシタのための相対的に薄い平衡酸化物の厚
さは、ＭＯＳキャパシタの非平行の結果であり、酸化物結晶−オン−シリコン（
ＣＯＳ）がトランジスタゲート技術においてシリカにとって代わる可能性を示唆
している。
【００４５】 上述した実施形態には、本発明の精神を逸脱することなく数多くの変形および
代用が可能なことが理解されるであろう。例えば、前述の考察の大部分は半導体
を主原料とした材料上に形成したペロブスカイトの強誘電性質に焦点を絞ってな
されているが、当該技術に携わる者であれば、本発明の原理に従って他の望まし
い特性を有する数多くの匹敵する構造が作製可能であることを理解するであろう
。例えば、ピエゾ電気特性、熱電気特性または電気光学的特性をもつ匹敵するデ
バイスを作製することができる。
代用が可能なことが理解されるであろう。例えば、前述の考察の大部分は半導体
を主原料とした材料上に形成したペロブスカイトの強誘電性質に焦点を絞ってな
されているが、当該技術に携わる者であれば、本発明の原理に従って他の望まし
い特性を有する数多くの匹敵する構造が作製可能であることを理解するであろう
。例えば、ピエゾ電気特性、熱電気特性または電気光学的特性をもつ匹敵するデ
バイスを作製することができる。
【００４６】 以下のパラグラフにおいて、半導体を主原料とした基板上に成長した薄膜の酸
化物結晶を使用し、それにより酸化物結晶薄膜の単位セルがエピタキシャルに、
かつ場合によっては整合した状態で基板上に配列され、酸化物結晶薄膜の単位セ
ルが基板／薄膜界面において面内歪み（正方向歪みまたは負方向歪み）にさらさ
れるような典型的な構造について説明する。さらに、単位セルのさらされる面内
歪みは薄膜の単位セルの方向依存的性質を前もって定めた軸に沿って配列し、結
果として得られる構造を磁界、電界または光が適用されるいくつかの半導体デバ
イス応用にとって有利なものとする。単位セルが通常は異方性である酸化物結晶
を薄膜のレイアップとして使用した例においてさえ、異方性の挙動は面内歪みに
より酸化物中に誘導され、この挙動が半導体構造で有利に利用され得る。ここで
使用したように、酸化物結晶は、もしも双極子モーメントや誘電定数のような方
向依存的性質を持った場合、異方性の挙動を示し得ると言われている。
化物結晶を使用し、それにより酸化物結晶薄膜の単位セルがエピタキシャルに、
かつ場合によっては整合した状態で基板上に配列され、酸化物結晶薄膜の単位セ
ルが基板／薄膜界面において面内歪み（正方向歪みまたは負方向歪み）にさらさ
れるような典型的な構造について説明する。さらに、単位セルのさらされる面内
歪みは薄膜の単位セルの方向依存的性質を前もって定めた軸に沿って配列し、結
果として得られる構造を磁界、電界または光が適用されるいくつかの半導体デバ
イス応用にとって有利なものとする。単位セルが通常は異方性である酸化物結晶
を薄膜のレイアップとして使用した例においてさえ、異方性の挙動は面内歪みに
より酸化物中に誘導され、この挙動が半導体構造で有利に利用され得る。ここで
使用したように、酸化物結晶は、もしも双極子モーメントや誘電定数のような方
向依存的性質を持った場合、異方性の挙動を示し得ると言われている。
【００４７】 再び図面に戻ると、図１２には番号１２０で表示した強誘電性電界効果型トラ
ンジスタ（ＦＦＥＴ）の部分的断面図が示してあり、本発明の特徴を具体化して
いる。これを実現するために、トランジスタ１２０はシリコンの基台または基板
１２２、ソース電極１２４、ドレイン電極１２６、およびゲート誘電体１２８を
含んでいる。ゲート誘電体１２８に組み込まれているのはＢａＴｉＯ3ペロブス
カイトの薄膜層１３０であり、これは基板１２２に直接的にレイアップされてお
り、かつゲート誘電体１２８の下でトランジスタ１２０のエピ層１３２に隣接す
る位置に配列されている。トランジスタ１２０は酸化物結晶−オン−シリコン（
ＣＯＳ）構造を含んでいるが、本発明の原理によると、構造が選択可能な別の半
導体を主成分とした、例えばシリコン−ゲルマニウム、純ゲルマニウムまたは他
のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族およびＩＩ−ＶＩ族の材料の基板上に成長した酸化物結
晶膜を含み得ることは理解されるであろう。
ンジスタ（ＦＦＥＴ）の部分的断面図が示してあり、本発明の特徴を具体化して
いる。これを実現するために、トランジスタ１２０はシリコンの基台または基板
１２２、ソース電極１２４、ドレイン電極１２６、およびゲート誘電体１２８を
含んでいる。ゲート誘電体１２８に組み込まれているのはＢａＴｉＯ3ペロブス
カイトの薄膜層１３０であり、これは基板１２２に直接的にレイアップされてお
り、かつゲート誘電体１２８の下でトランジスタ１２０のエピ層１３２に隣接す
る位置に配列されている。トランジスタ１２０は酸化物結晶−オン−シリコン（
ＣＯＳ）構造を含んでいるが、本発明の原理によると、構造が選択可能な別の半
導体を主成分とした、例えばシリコン−ゲルマニウム、純ゲルマニウムまたは他
のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族およびＩＩ−ＶＩ族の材料の基板上に成長した酸化物結
晶膜を含み得ることは理解されるであろう。
【００４８】 強誘電性材料は電界によって反転可能な永久的で自然に電気的分極（単位セン
チメートル当たりの電気的双極子モーメント）を有しているゆえに、記述した方
式によるトランジスタ１２０のＢａＴｉＯ3薄膜層１３０の配列は、トランジス
タ１２０のチャンネル電流およびチャージ密度の調節を補助するように強誘電性
双極子が切り替えらるか、またはフリップされる。例えば、強誘電性分極の作用
によりトランジスタ１２０はオン／オフすることが可能であり、もしもメモリ・
デバイスとして使用するならば、トランジスタ１２０はいかなるスイッチまたは
リセット操作もなしに（したがって材料疲労なしに）格納された情報（＋や−、
または「１」や「０」）を読み出すのに使用可能である。
チメートル当たりの電気的双極子モーメント）を有しているゆえに、記述した方
式によるトランジスタ１２０のＢａＴｉＯ3薄膜層１３０の配列は、トランジス
タ１２０のチャンネル電流およびチャージ密度の調節を補助するように強誘電性
双極子が切り替えらるか、またはフリップされる。例えば、強誘電性分極の作用
によりトランジスタ１２０はオン／オフすることが可能であり、もしもメモリ・
デバイスとして使用するならば、トランジスタ１２０はいかなるスイッチまたは
リセット操作もなしに（したがって材料疲労なしに）格納された情報（＋や−、
または「１」や「０」）を読み出すのに使用可能である。
【００４９】 ペロブスカイト酸化物ＢａＴｉＯ3の単位セルが、結晶構造をとっているとき
に、異方性を有し、その単位セルが双極子モーメントのような方向依存的性質を
有することは知られている。しかしながら、以前の半導体デバイスがゲート酸化
物の異方性の応答に頼ることはなかった。しかしながら、トランジスタ１２０に
おいて、ＢａＴｉＯ3薄膜１３０は結晶構造のＢａＴｉＯ3から成り、ＢａＴｉＯ 3 の単位セルがシリコン基板１２２の上で配列されてそれにより単位セルの双極
子モーメントが限定された数の方向に配列される。特に、薄膜１３０の実質的に
すべてのＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子モーメントは基板１２２の表面に対し
て直交して配向する線に沿って配列され、それによりチャージ密度およびチャン
ネル電流は基板材料に対して直角に向いた双極子モーメントの事前の配置により
セットアップされた内部電界により制御される。
に、異方性を有し、その単位セルが双極子モーメントのような方向依存的性質を
有することは知られている。しかしながら、以前の半導体デバイスがゲート酸化
物の異方性の応答に頼ることはなかった。しかしながら、トランジスタ１２０に
おいて、ＢａＴｉＯ3薄膜１３０は結晶構造のＢａＴｉＯ3から成り、ＢａＴｉＯ 3 の単位セルがシリコン基板１２２の上で配列されてそれにより単位セルの双極
子モーメントが限定された数の方向に配列される。特に、薄膜１３０の実質的に
すべてのＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子モーメントは基板１２２の表面に対し
て直交して配向する線に沿って配列され、それによりチャージ密度およびチャン
ネル電流は基板材料に対して直角に向いた双極子モーメントの事前の配置により
セットアップされた内部電界により制御される。
【００５０】 ここで明らかにされるように、ＢａＴｉＯ3の薄膜は負方向歪み（すなわち圧
縮）が薄膜の平面（すなわち基板表面と平行な平面）内に誘導されるように下層
にあるシリコン基板１２２上に成長し、それによりこの負方向歪み条件によって
引き続き生じる単位セルの変形が、シリコン基板１２２の表面に対して直交する
線に沿ったそれぞれの単位セルの方向依存的性質、すなわち双極子モーメントを
前もって定める。
縮）が薄膜の平面（すなわち基板表面と平行な平面）内に誘導されるように下層
にあるシリコン基板１２２上に成長し、それによりこの負方向歪み条件によって
引き続き生じる単位セルの変形が、シリコン基板１２２の表面に対して直交する
線に沿ったそれぞれの単位セルの方向依存的性質、すなわち双極子モーメントを
前もって定める。
【００５１】 トランジスタ１２０を作製する（そして特に、シリコン基板上でＢａＴｉＯ3
の単位セルがエピタキシャルに配列されるようにシリコン上のＢａＴｉＯ3を作
製する）目的で、参照資料は酸化物結晶−オン−シリコン（ＣＯＳ）膜堆積プロ
セスの説明に対して出願人らの係属中の米国特許出願番号０８／８６８，０７６
（出願日１９９７年６月３日）に見られる。簡単に例を挙げていうと、シリコン
基板１２２の表面を薄いアルカリ土類酸化膜Ｂａ0.725Ｓｒ0.275Ｏでカバーし、
それから土類酸化膜をＳｒＴｉＯ3の薄いペロブスカイト（テンプレート）膜で
カバーし、そしてそれからテンプレート膜をＢａＴｉＯ3の任意の（多層の）膜
でカバーするステップが実施される。アルカリ土類酸化膜およびテンプレート膜
およびＢａＴｉＯ3膜の少なくとも最初の数層はそれぞれ、単一平面層に単一平
面層を１つずつ重ねるような方式で形成され、ＣＯＳ構造の作製を通して整合の
とれた周期性を確立しており、それらの膜は、膜の単位セルの格子パラメータに
対してこの構造の作製で使用するために選択される。例えば、ＳｒＴｉＯ3のテ
ンプレート膜はＢａＴｉＯ3膜との界面においてＢａＴｉＯ3単位セルに−２％の
歪みを誘導するが、ＳｒＴｉＯ3のテンプレート膜を除外すると（Ｂａ0.725Ｓｒ 0.275 ＯとＢａＴｉＯ3との間で）ＢａＴｉＯ3単位セルに−４％の歪みが誘導さ
れるであろう。したがって、より大きな歪みがＢａＴｉＯ3単位セル内に誘導さ
れることが望まれるようなＣＯＳ構造の選択可能な別の実施形態では、ＳｒＴｉ
Ｏ3テンプレートは除外可能となる。
の単位セルがエピタキシャルに配列されるようにシリコン上のＢａＴｉＯ3を作
製する）目的で、参照資料は酸化物結晶−オン−シリコン（ＣＯＳ）膜堆積プロ
セスの説明に対して出願人らの係属中の米国特許出願番号０８／８６８，０７６
（出願日１９９７年６月３日）に見られる。簡単に例を挙げていうと、シリコン
基板１２２の表面を薄いアルカリ土類酸化膜Ｂａ0.725Ｓｒ0.275Ｏでカバーし、
それから土類酸化膜をＳｒＴｉＯ3の薄いペロブスカイト（テンプレート）膜で
カバーし、そしてそれからテンプレート膜をＢａＴｉＯ3の任意の（多層の）膜
でカバーするステップが実施される。アルカリ土類酸化膜およびテンプレート膜
およびＢａＴｉＯ3膜の少なくとも最初の数層はそれぞれ、単一平面層に単一平
面層を１つずつ重ねるような方式で形成され、ＣＯＳ構造の作製を通して整合の
とれた周期性を確立しており、それらの膜は、膜の単位セルの格子パラメータに
対してこの構造の作製で使用するために選択される。例えば、ＳｒＴｉＯ3のテ
ンプレート膜はＢａＴｉＯ3膜との界面においてＢａＴｉＯ3単位セルに−２％の
歪みを誘導するが、ＳｒＴｉＯ3のテンプレート膜を除外すると（Ｂａ0.725Ｓｒ 0.275 ＯとＢａＴｉＯ3との間で）ＢａＴｉＯ3単位セルに−４％の歪みが誘導さ
れるであろう。したがって、より大きな歪みがＢａＴｉＯ3単位セル内に誘導さ
れることが望まれるようなＣＯＳ構造の選択可能な別の実施形態では、ＳｒＴｉ
Ｏ3テンプレートは除外可能となる。
【００５２】 ＢａＴｉＯ3薄膜内に誘導される負方向歪みは、部分的には、作製プロセスに
使用する薄膜材料の単位セルとシリコンの単位セルとの間の格子パラメータの差
異および上層薄膜の単位セルの整合のとれた周期性に帰するものである。さらに
特定すると、シリコンおよびＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏのそれぞれの格子パラメータ
は０．５４３ｎｍであるが、ＳｒＴｉＯ3の格子パラメータは約０．３９２ｎｍ
（０．５４３の数値を２．０の平方根で割った値よりわずかに大きい）である。
したがって、シリコンとＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏの単位セル界面では測定できる歪
みは存在しないが、ＳｒＴｉＯ3膜の単位セルは下層にあるＢａ0.725Ｓｒ0.275
Ｏの単位セルに関して４５°回転した配向を有しており、歪みのない状態のとき
のＳｒＴｉＯ3の格子パラメータ（０．３９２ｎｍ）とシリコンの格子パラメー
タ（０．５４３ｎｍ）を２．０の平方根で割った値（または０．３８４）との差
異に帰する負方向の歪み（すなわち圧縮）状態にある。さらに、ＢａＴｉＯ3の
格子パラメータは０．４ｎｍであり、それによりＢａＴｉＯ3の単位セルもまた
、ＳｒＴｉＯ3膜の上にレイアップされているたね負方向歪み（すなわち圧縮）
状態にある。
使用する薄膜材料の単位セルとシリコンの単位セルとの間の格子パラメータの差
異および上層薄膜の単位セルの整合のとれた周期性に帰するものである。さらに
特定すると、シリコンおよびＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏのそれぞれの格子パラメータ
は０．５４３ｎｍであるが、ＳｒＴｉＯ3の格子パラメータは約０．３９２ｎｍ
（０．５４３の数値を２．０の平方根で割った値よりわずかに大きい）である。
したがって、シリコンとＢａ0.725Ｓｒ0.275Ｏの単位セル界面では測定できる歪
みは存在しないが、ＳｒＴｉＯ3膜の単位セルは下層にあるＢａ0.725Ｓｒ0.275
Ｏの単位セルに関して４５°回転した配向を有しており、歪みのない状態のとき
のＳｒＴｉＯ3の格子パラメータ（０．３９２ｎｍ）とシリコンの格子パラメー
タ（０．５４３ｎｍ）を２．０の平方根で割った値（または０．３８４）との差
異に帰する負方向の歪み（すなわち圧縮）状態にある。さらに、ＢａＴｉＯ3の
格子パラメータは０．４ｎｍであり、それによりＢａＴｉＯ3の単位セルもまた
、ＳｒＴｉＯ3膜の上にレイアップされているたね負方向歪み（すなわち圧縮）
状態にある。
【００５３】 薄膜層の上層の整合した周期性は、それぞれ連続したシリコン／薄膜または薄
膜／薄膜界面において格子構造を束縛（および締めつけ）し、それにより結末の
ＣＯＳ構造を相対的に高い膜堆積温度から冷却する間に、薄膜の単位セルの格子
構造は支配的な材料、このケースではシリコンの格子構造のサイズに適合されな
ければならない。したがって、種々の薄膜層がシリコン上に堆積されるときの膜
堆積温度よりも明らかに低いある温度（例えば、ほぼ室温）までの冷却期間の終
わりには、ＳｒＴｉＯ3／ＢａＴｉＯ3界面（実質的にはＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面
）におけるＢａＴｉＯ3のそれぞれの単位セルは、その格子パラメータ（膜の面
内で測定）が上述した０．３８４ｎｍに整合しようとするため、面内で圧縮され
た状態を呈している。
膜／薄膜界面において格子構造を束縛（および締めつけ）し、それにより結末の
ＣＯＳ構造を相対的に高い膜堆積温度から冷却する間に、薄膜の単位セルの格子
構造は支配的な材料、このケースではシリコンの格子構造のサイズに適合されな
ければならない。したがって、種々の薄膜層がシリコン上に堆積されるときの膜
堆積温度よりも明らかに低いある温度（例えば、ほぼ室温）までの冷却期間の終
わりには、ＳｒＴｉＯ3／ＢａＴｉＯ3界面（実質的にはＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面
）におけるＢａＴｉＯ3のそれぞれの単位セルは、その格子パラメータ（膜の面
内で測定）が上述した０．３８４ｎｍに整合しようとするため、面内で圧縮され
た状態を呈している。
【００５４】 言い換えると、より低い温度、例えば室温を実現することで、ＣＯＳ構造のそ
の成長温度からの冷却に引き続いてＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面に接するＢａＴｉＯ3 膜の単位セルは、それが束縛されない場合においてよりも小さい面内エリアに束
縛される。したがって、ＢａＴｉＯ3の単位セルの面内における圧縮は、パスが
シリコンの表面からたどられるので、（単位セルが一定の体積を維持しようとす
るために）ＢａＴｉＯ3膜の単位セルの面から外れる格子パラメータを延ばす効
果を示し、それによりそれぞれの単位セルは、シリコンの表面に対して直交して
配列された正方晶軸（すなわち長い方の軸）をもつ正方晶形状（すなわち、どこ
かが歪んだ立方形状）を呈する。Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面での束縛によるＢａＴ
ｉＯ3の単位セルの幾何的形状におけるこの変形は、それぞれの単位セルの双極
子モーメントが自然に基板表面と平行（すなわち、変形したＢａＴｉＯ3の単位
セルの縦軸に直交）な方向に沿って確立されるのを妨害する。したがって、Ｂａ
ＴｉＯ3単位セルがさらされる幾何的影響はＢａＴｉＯ3単位セルの双極子モーメ
ントを基板１２２の表面に対して直角に向けた軸または線に沿って予め定める。
シリコン上へのＢａＴｉＯ3のレイアップを含めたＣＯＳ堆積プロセスのより詳
細な説明については、米国特許第５，８３５，２７０号と同様に出願番号０８／
８６８，０７６においても見られ、その開示はここで参照資料として取り込まれ
ている。
の成長温度からの冷却に引き続いてＳｉ／ＢａＴｉＯ3界面に接するＢａＴｉＯ3 膜の単位セルは、それが束縛されない場合においてよりも小さい面内エリアに束
縛される。したがって、ＢａＴｉＯ3の単位セルの面内における圧縮は、パスが
シリコンの表面からたどられるので、（単位セルが一定の体積を維持しようとす
るために）ＢａＴｉＯ3膜の単位セルの面から外れる格子パラメータを延ばす効
果を示し、それによりそれぞれの単位セルは、シリコンの表面に対して直交して
配列された正方晶軸（すなわち長い方の軸）をもつ正方晶形状（すなわち、どこ
かが歪んだ立方形状）を呈する。Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面での束縛によるＢａＴ
ｉＯ3の単位セルの幾何的形状におけるこの変形は、それぞれの単位セルの双極
子モーメントが自然に基板表面と平行（すなわち、変形したＢａＴｉＯ3の単位
セルの縦軸に直交）な方向に沿って確立されるのを妨害する。したがって、Ｂａ
ＴｉＯ3単位セルがさらされる幾何的影響はＢａＴｉＯ3単位セルの双極子モーメ
ントを基板１２２の表面に対して直角に向けた軸または線に沿って予め定める。
シリコン上へのＢａＴｉＯ3のレイアップを含めたＣＯＳ堆積プロセスのより詳
細な説明については、米国特許第５，８３５，２７０号と同様に出願番号０８／
８６８，０７６においても見られ、その開示はここで参照資料として取り込まれ
ている。
【００５５】 前述したように、図１２のＦＦＥＴ１２０のＢａＴｉＯ3薄膜１３０の強誘電
的性質は、膜１３０の単位セルの分極がゲート誘電体１２４と基板１２２の間に
電界が印加されることで切り換えられること、およびそれによりトランジスタ１
２０のチャンネル電流とチャージ密度を制御することを可能にする。膜１３０の
単位セルの双極子モーメントを基板表面に対して直角に向く平面に配列するよう
にトランジスタ１２０のＢａＴｉＯ3薄膜１３０を使用することにより、ＢａＴ
ｉＯ3薄膜にかかる面内の機械的束縛は、薄膜１３０の双極子モーメントを面内
に向けるように切り換えるさせるためにゲート誘電体１２４と基板１２２の間に
相対的に大きなスレショルド電圧を印加しなければならないほど強いものとなる
。ＤＲＡＭ応用において見られるようなチャージの格納のためのキャパシタに使
用するように設計または最適化するためには、誘電性の応答がある程度以上の（
すなわち最低限の）範囲の印加電界に影響を受けないという特徴が有利である。
的性質は、膜１３０の単位セルの分極がゲート誘電体１２４と基板１２２の間に
電界が印加されることで切り換えられること、およびそれによりトランジスタ１
２０のチャンネル電流とチャージ密度を制御することを可能にする。膜１３０の
単位セルの双極子モーメントを基板表面に対して直角に向く平面に配列するよう
にトランジスタ１２０のＢａＴｉＯ3薄膜１３０を使用することにより、ＢａＴ
ｉＯ3薄膜にかかる面内の機械的束縛は、薄膜１３０の双極子モーメントを面内
に向けるように切り換えるさせるためにゲート誘電体１２４と基板１２２の間に
相対的に大きなスレショルド電圧を印加しなければならないほど強いものとなる
。ＤＲＡＭ応用において見られるようなチャージの格納のためのキャパシタに使
用するように設計または最適化するためには、誘電性の応答がある程度以上の（
すなわち最低限の）範囲の印加電界に影響を受けないという特徴が有利である。
【００５６】 図１２の前述のＦＦＥＴ１２０を、方向依存的性質、例えば双極子モーメント
をシリコン基板に直角に配列された線に沿って向ける異方性ペロブスカイトの単
位セルから成る薄膜を含むものとして説明してきたが、方向依存的性質、例えば
双極子モーメントが薄膜の平面内で配列され、かつゲート誘電体と基板との間の
電界印加で平面から外れるように切り換えられる異方性ペロブスカイト薄膜によ
り電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を作製することができる。簡単にいうと、
シリコン基板上にペロブスカイトＢａＴｉＯ3をＢａＴｉＯ3の単位セルが、その
双極子モーメントが自然に平面から外れる方向（すなわちシリコン基板平面に直
角な方向）に向かないようなＢａＴｉＯ3単位セルを正方晶変形させる正方向の
面内歪み（すなわち引っ張り歪み）にさらされるように整合をとって成長させる
。双極子モーメントを外部印加電界の適用によって平面から外れる方向に分極さ
せるためには、ＢａＴｉＯ3薄膜の選択した部分の端部を切除するか、またはＢ
ａＴｉＯ3のさらされる平面内歪みのある部分を解除する処理を行う。ＢａＴｉ
Ｏ3の薄膜を採用し、ＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子モーメントが下層にあるシ
リコンの格子の（整合および熱により誘導される）束縛によって膜平面に向けら
れるトランジスタのより完全な説明については、参照資料が係属中の米国特許出
願番号０８／８６８，０７６に見られ、その開示はここで参照資料として取り入
れられている。
をシリコン基板に直角に配列された線に沿って向ける異方性ペロブスカイトの単
位セルから成る薄膜を含むものとして説明してきたが、方向依存的性質、例えば
双極子モーメントが薄膜の平面内で配列され、かつゲート誘電体と基板との間の
電界印加で平面から外れるように切り換えられる異方性ペロブスカイト薄膜によ
り電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を作製することができる。簡単にいうと、
シリコン基板上にペロブスカイトＢａＴｉＯ3をＢａＴｉＯ3の単位セルが、その
双極子モーメントが自然に平面から外れる方向（すなわちシリコン基板平面に直
角な方向）に向かないようなＢａＴｉＯ3単位セルを正方晶変形させる正方向の
面内歪み（すなわち引っ張り歪み）にさらされるように整合をとって成長させる
。双極子モーメントを外部印加電界の適用によって平面から外れる方向に分極さ
せるためには、ＢａＴｉＯ3薄膜の選択した部分の端部を切除するか、またはＢ
ａＴｉＯ3のさらされる平面内歪みのある部分を解除する処理を行う。ＢａＴｉ
Ｏ3の薄膜を採用し、ＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子モーメントが下層にあるシ
リコンの格子の（整合および熱により誘導される）束縛によって膜平面に向けら
れるトランジスタのより完全な説明については、参照資料が係属中の米国特許出
願番号０８／８６８，０７６に見られ、その開示はここで参照資料として取り入
れられている。
【００５７】 さらに、図１２の前述のＦＦＥＴ１２０を、通常的に異方性の挙動を示す単位
セルを有するＢａＴｉＯ3材料の薄膜を含むものとして説明してきたが、本発明
による構造は、通常的には異方性ではないが半導体を主原料とした基板上に成長
した薄膜層の単位セルに誘導される歪み状態（例えば正方向もしくは負方向歪み
）にあることにより異方性の挙動を示すようにされ得る薄膜酸化物結晶層を含ん
でもよい。例えば、ＳｒＴｉＯ3の結晶構造は通常的に異方性の単位セルを有し
ており、通常的に方向依存的性質を示し得る便利な単位セルの性質（すなわち誘
電定数）を有している。しかしながら、ＳｒＴｉＯ3薄膜材料の単位セル内に、
ＳｒＴｉＯ3の単位セルが、最も小さい側面と半導体基板とが最も接近するよう
に変形された正方晶形状となるように任意の歪みを誘導することにより、その誘
電定数は正方晶歪みに伴なう単一軸挙動を示すであろう。
セルを有するＢａＴｉＯ3材料の薄膜を含むものとして説明してきたが、本発明
による構造は、通常的には異方性ではないが半導体を主原料とした基板上に成長
した薄膜層の単位セルに誘導される歪み状態（例えば正方向もしくは負方向歪み
）にあることにより異方性の挙動を示すようにされ得る薄膜酸化物結晶層を含ん
でもよい。例えば、ＳｒＴｉＯ3の結晶構造は通常的に異方性の単位セルを有し
ており、通常的に方向依存的性質を示し得る便利な単位セルの性質（すなわち誘
電定数）を有している。しかしながら、ＳｒＴｉＯ3薄膜材料の単位セル内に、
ＳｒＴｉＯ3の単位セルが、最も小さい側面と半導体基板とが最も接近するよう
に変形された正方晶形状となるように任意の歪みを誘導することにより、その誘
電定数は正方晶歪みに伴なう単一軸挙動を示すであろう。
【００５８】 例えば、ペロブスカイトＳｒＴｉＯ3が下層にあるシリコンに結合する能動的
層になるよう意図されたＣＯＳ構造を作製することにより、ＳｒＴｉＯ3がシリ
コン上に膜堆積されて結果として得られる構造の膜堆積温度からより低い温度（
例えば室温）への冷却と、Ｓｉ／ＳｒＴｉＯ3界面に誘導される負方向の面内（
圧縮）歪みがＳｒＴｉＯ3の単位セルの幾何形状（通常は立方体）を正方晶に歪
ませ、それによりそれぞれの単位セルの誘電定数が歪みによりバイアスされ、そ
れゆえにＣＯＳ構造の誘電定数が変わる。引き続いてＳｉ／ＳｒＴｉＯ3界面に
おける平面内歪みの量を制御することにより、結末の構造の電気的（または誘電
的）応答が制御可能となる。
層になるよう意図されたＣＯＳ構造を作製することにより、ＳｒＴｉＯ3がシリ
コン上に膜堆積されて結果として得られる構造の膜堆積温度からより低い温度（
例えば室温）への冷却と、Ｓｉ／ＳｒＴｉＯ3界面に誘導される負方向の面内（
圧縮）歪みがＳｒＴｉＯ3の単位セルの幾何形状（通常は立方体）を正方晶に歪
ませ、それによりそれぞれの単位セルの誘電定数が歪みによりバイアスされ、そ
れゆえにＣＯＳ構造の誘電定数が変わる。引き続いてＳｉ／ＳｒＴｉＯ3界面に
おける平面内歪みの量を制御することにより、結末の構造の電気的（または誘電
的）応答が制御可能となる。
【００５９】 図１３を参照すると、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ
）回路のためのキャパシタ１４０が図式的に示されており、シリコン層１４２お
よびＢａＴｉＯ3の薄膜から成る酸化物（誘電体）層１４４を含んでいて、これ
らが重ねられた関係でかつゲート１４６とグラウンド端子１４８の間にサンドイ
ッチされている。使用においては、情報を提供する信号がキャパシタ１４０から
、放電サイクルの間にキャパシタ１４０の電流を測定することにより収集される
。したがって、酸化物層１４４の示す誘電定数が大きくなるにしたがい、キャパ
シタ１４０のチャージ格納容量も大きくなる。
）回路のためのキャパシタ１４０が図式的に示されており、シリコン層１４２お
よびＢａＴｉＯ3の薄膜から成る酸化物（誘電体）層１４４を含んでいて、これ
らが重ねられた関係でかつゲート１４６とグラウンド端子１４８の間にサンドイ
ッチされている。使用においては、情報を提供する信号がキャパシタ１４０から
、放電サイクルの間にキャパシタ１４０の電流を測定することにより収集される
。したがって、酸化物層１４４の示す誘電定数が大きくなるにしたがい、キャパ
シタ１４０のチャージ格納容量も大きくなる。
【００６０】 ＢａＴｉＯ3の実質的にすべての単位セルの双極子モーメントが、それがレイ
アップされているシリコン層１４２の表面に平行な面に沿うように向けることが
このキャパシタ１４０の特徴である。ＢａＴｉＯ3の双極子モーメントを図１２
のＦＦＥＴ１２０において基板表面に対して垂直に配向できるのは正方向の平面
内歪みであるが、ＢａＴｉＯ3単位セルの双極子モーメントを図１３のキャパシ
タ１４０においては基板表面に対して平行に配向できるのはＳｉ／ＢｉＯ3界面
に誘導される負方向の平面内歪み（例えば、引っ張り歪み）である。言い換える
と、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面においてＢａＴｉＯ3結晶に誘導される平面内歪みに
より、誘電体層１４４のＢａＴｉＯ3結晶の双極子モーメントはシリコン層１４
２の表面に対して平行な平面に沿って向けられる。
アップされているシリコン層１４２の表面に平行な面に沿うように向けることが
このキャパシタ１４０の特徴である。ＢａＴｉＯ3の双極子モーメントを図１２
のＦＦＥＴ１２０において基板表面に対して垂直に配向できるのは正方向の平面
内歪みであるが、ＢａＴｉＯ3単位セルの双極子モーメントを図１３のキャパシ
タ１４０においては基板表面に対して平行に配向できるのはＳｉ／ＢｉＯ3界面
に誘導される負方向の平面内歪み（例えば、引っ張り歪み）である。言い換える
と、Ｓｉ／ＢａＴｉＯ3界面においてＢａＴｉＯ3結晶に誘導される平面内歪みに
より、誘電体層１４４のＢａＴｉＯ3結晶の双極子モーメントはシリコン層１４
２の表面に対して平行な平面に沿って向けられる。
【００６１】 正方晶単位セルの非極性軸についての誘電定数が極性軸に沿った誘電定数より
も１０倍から１００倍大きいという特徴は有利である。したがって、キャパシタ
の格納チャージが直接的に誘電定数に比例するため、極性軸が印加電界に対して
直角である場合、より多くのチャージがキャパシタに格納可能となる。
も１０倍から１００倍大きいという特徴は有利である。したがって、キャパシタ
の格納チャージが直接的に誘電定数に比例するため、極性軸が印加電界に対して
直角である場合、より多くのチャージがキャパシタに格納可能となる。
【００６２】 再び、キャパシタ１４０のような、ＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子が下層に
あるシリコン格子の拘束により膜の平面内に配向して予め定められるＢａＴｉＯ 3 薄膜をシリコン基板上に含む構造を作製することの説明については、参照資料
が係属中の米国特許出願番号０８／８６８，０７６に参照できる。
あるシリコン格子の拘束により膜の平面内に配向して予め定められるＢａＴｉＯ 3 薄膜をシリコン基板上に含む構造を作製することの説明については、参照資料
が係属中の米国特許出願番号０８／８６８，０７６に参照できる。
【００６３】 図１４および１５を参照すると、シリコンの基板１８２、中間のＭｇＯ薄膜１
８４およびＭｇＯ層１８４にレイアップされたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄
膜１８６を有する電気光学的構造１８０が描かれている。ＢａＴｉＯ3層１８６
の単位セルは下層にあるシリコン基板１８２の格子構造により幾何的に影響され
、それによりＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子はＢａＴｉＯ3膜１８６の平面内（
すなわちシリコン基板に対して平行）に向けられる。構造１８０では、ＢａＴｉ
Ｏ3膜１８６の平面内の単位セル極性軸の配向（および典型の方向）は矢印１７
８で示されており、膜１８６を通る光は「ｚ」で示された方向に向けられ、面内
で分極が生じる。ここで明らかにされるように、電極１９０および１９２の間に
印加される電界は、ＢａＴｉＯ3膜を通って光の向けられた方向に対して約９０
°、そしてＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸に対して４５°の角度に配列される。
８４およびＭｇＯ層１８４にレイアップされたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄
膜１８６を有する電気光学的構造１８０が描かれている。ＢａＴｉＯ3層１８６
の単位セルは下層にあるシリコン基板１８２の格子構造により幾何的に影響され
、それによりＢａＴｉＯ3の単位セルの双極子はＢａＴｉＯ3膜１８６の平面内（
すなわちシリコン基板に対して平行）に向けられる。構造１８０では、ＢａＴｉ
Ｏ3膜１８６の平面内の単位セル極性軸の配向（および典型の方向）は矢印１７
８で示されており、膜１８６を通る光は「ｚ」で示された方向に向けられ、面内
で分極が生じる。ここで明らかにされるように、電極１９０および１９２の間に
印加される電界は、ＢａＴｉＯ3膜を通って光の向けられた方向に対して約９０
°、そしてＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸に対して４５°の角度に配列される。
【００６４】 電気光学的デバイス１８０を作製するために、参照資料が米国特許第５，２２
５，０３１号および第５，８４６，６６７号（これらのそれぞれは本発明の発明
者の名前の発明者で識別される）の組み合わせで見られ、その開示はここで参照
資料として取り入れられており、それにより詳細な説明は必要でないと考える。
しかしながら、簡単にかつ特許番号５，２２５，０３１を参照して説明すると、
ＭｇＯ膜１８４は下層にあるシリコン基板１８２上に１層ずつ重ねる方式で成長
させられるものであって、適切な成長条件でのシリコン上へのアルカリ土類金属
（例えばＢａ、Ｓｒ、ＣａまたはＭｇ）の単層区分（例えば１／４）の成長によ
るＡＳｉ2（ここで「Ａ」はアルカリ土類金属）形成を含む最初の成長手順に続
くものである。厚さ約０．２〜０．３μｍ（１０００から３０００の単層）のＭ
ｇＯ膜１８４を実現した上で、ＭｇＯ膜１８４上へのＢａＴｉＯ3膜１８６作製
のステップが米国特許第５，８４６，６６７号を参照した説明に従って実施され
る。例えば、ＢａＴｉＯ3の形成はＴｉＯ2から成る最初の単一平面層をＭｇＯ膜
１８４上に成長させることで始まり、それから成長したＴｉＯ2層上にＢａＯか
ら成る第２の単一平面層を成長させる。ＢａＯ平面の成長に続いて、成長したＢ
ａＯ平面上にＴｉＯ2を直接的に成長させ、その後に、成長したＴｉＯ2の層の上
に任意の厚さ（例えば０．２〜０．６μｍ）のＢａＴｉＯ3膜１８６が得られる
までＢａＯの単一平面層を成長させる。
５，０３１号および第５，８４６，６６７号（これらのそれぞれは本発明の発明
者の名前の発明者で識別される）の組み合わせで見られ、その開示はここで参照
資料として取り入れられており、それにより詳細な説明は必要でないと考える。
しかしながら、簡単にかつ特許番号５，２２５，０３１を参照して説明すると、
ＭｇＯ膜１８４は下層にあるシリコン基板１８２上に１層ずつ重ねる方式で成長
させられるものであって、適切な成長条件でのシリコン上へのアルカリ土類金属
（例えばＢａ、Ｓｒ、ＣａまたはＭｇ）の単層区分（例えば１／４）の成長によ
るＡＳｉ2（ここで「Ａ」はアルカリ土類金属）形成を含む最初の成長手順に続
くものである。厚さ約０．２〜０．３μｍ（１０００から３０００の単層）のＭ
ｇＯ膜１８４を実現した上で、ＭｇＯ膜１８４上へのＢａＴｉＯ3膜１８６作製
のステップが米国特許第５，８４６，６６７号を参照した説明に従って実施され
る。例えば、ＢａＴｉＯ3の形成はＴｉＯ2から成る最初の単一平面層をＭｇＯ膜
１８４上に成長させることで始まり、それから成長したＴｉＯ2層上にＢａＯか
ら成る第２の単一平面層を成長させる。ＢａＯ平面の成長に続いて、成長したＢ
ａＯ平面上にＴｉＯ2を直接的に成長させ、その後に、成長したＴｉＯ2の層の上
に任意の厚さ（例えば０．２〜０．６μｍ）のＢａＴｉＯ3膜１８６が得られる
までＢａＯの単一平面層を成長させる。
【００６５】 電気光学的構造１８０において、ＢａＴｉＯ3膜１８６は構造１８０を通じて
光を放出するための導波路としてはたらき、ＭｇＯ膜１８４はその上にＢａＴｉ
Ｏ3を成長することで構造を安定化すると同時にＢａＴｉＯ3膜１８６をシリコン
基板から光学的に分離するようにはたらく。
光を放出するための導波路としてはたらき、ＭｇＯ膜１８４はその上にＢａＴｉ
Ｏ3を成長することで構造を安定化すると同時にＢａＴｉＯ3膜１８６をシリコン
基板から光学的に分離するようにはたらく。
【００６６】 上述したように、ＢａＴｉＯ3薄膜１８６の単位セルの双極子は薄膜１８６平
面内に向けられ、シリコンによりＢａＴｉＯ3膜の単位セルに誘導される平面内
熱弾性歪みのためにＢａＴｉＯ3単位セルの双極子はこのように配列される。簡
単にいうと、構造１８０の層を含む材料の相転移および熱収縮（すなわち熱的線
膨張または収縮）が、膜堆積が生じる相対的に高い温度からのこの構造の冷却の
間に、ＢａＴｉＯ3の強誘電的性質を任意の方式で影響するように、正方向（例
えば引っ張り）の歪みを膜の平面内でＢａＴｉＯ3単位セルの格子構造に誘導す
る。これを達成するためにシリコンの熱膨張係数はＢａＴｉＯ3のそれよりも小
さいものであり、それによりＢａＴｉＯ3膜−オン−シリコンから成る構造の均
一な冷却が、ＢａＴｉＯ3膜単位セル内での明らかな平面内歪みの進行およびそ
れに続く膜のＢａＴｉＯ3単位セルの正方晶転移という結果につながる。
面内に向けられ、シリコンによりＢａＴｉＯ3膜の単位セルに誘導される平面内
熱弾性歪みのためにＢａＴｉＯ3単位セルの双極子はこのように配列される。簡
単にいうと、構造１８０の層を含む材料の相転移および熱収縮（すなわち熱的線
膨張または収縮）が、膜堆積が生じる相対的に高い温度からのこの構造の冷却の
間に、ＢａＴｉＯ3の強誘電的性質を任意の方式で影響するように、正方向（例
えば引っ張り）の歪みを膜の平面内でＢａＴｉＯ3単位セルの格子構造に誘導す
る。これを達成するためにシリコンの熱膨張係数はＢａＴｉＯ3のそれよりも小
さいものであり、それによりＢａＴｉＯ3膜−オン−シリコンから成る構造の均
一な冷却が、ＢａＴｉＯ3膜単位セル内での明らかな平面内歪みの進行およびそ
れに続く膜のＢａＴｉＯ3単位セルの正方晶転移という結果につながる。
【００６７】 さらに特定すると、ＢａＴｉＯ3膜が約１２０℃の温度で強誘電性の相に転移
するとき、ＢａＴｉＯ3の単位セルの形状は正方晶転移、または伸長される。こ
こで単位セルの１つの端部に沿って測定した格子パラメータは単位セルの第２の
端部に沿って測定した格子パラメータより大きくなるものであって、第２の端部
は最初の端部に関して直角をなすものである。ＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構
造が膜堆積温度から冷却されると、それぞれのＢａＴｉＯ3単位セルは、通常は
、セルの最も長い端部がシリコン基板の平面に対して平行に配列される（通常は
、単位セルがさらされる平面内歪みが最小にしようとする）ように向けられる。
単位セルのこの配向はまた、ＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸（そしてそれゆえに
双極子モーメント）を基板の表面に対して実質的に平行な平面に前もって定める
。
するとき、ＢａＴｉＯ3の単位セルの形状は正方晶転移、または伸長される。こ
こで単位セルの１つの端部に沿って測定した格子パラメータは単位セルの第２の
端部に沿って測定した格子パラメータより大きくなるものであって、第２の端部
は最初の端部に関して直角をなすものである。ＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構
造が膜堆積温度から冷却されると、それぞれのＢａＴｉＯ3単位セルは、通常は
、セルの最も長い端部がシリコン基板の平面に対して平行に配列される（通常は
、単位セルがさらされる平面内歪みが最小にしようとする）ように向けられる。
単位セルのこの配向はまた、ＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸（そしてそれゆえに
双極子モーメント）を基板の表面に対して実質的に平行な平面に前もって定める
。
【００６８】 単結晶導波路の電気光学的応答が電界の配向、材料を通るように方向付けされ
た光の分極配向、および結晶の配向（通り抜けるビームに関して）のような因子
により影響されることは知られている。前述した因子のうち、最後に述べた因子
（すなわち結晶の配向）は結晶の双極子の配向に関連する。同様の点で、ＢａＴ
ｉＯ3のような結晶材料の電気光学的（ＥＯ）応答（前述した電気光学的係数に
対応）は３次テンソルにより説明される。構造１８０の薄膜１８６における最大
のＥＯ応答は、分極が「ｘ−ｚ」で示した方向に沿っており、かつ電界成分が「
ｘ」方向にあるときに実現される。したがって、電界は膜１８６を横切って配置
された電極１９０と１９２の間に印加され、印加電界はＢａＴｉＯ3膜を通る光
の方向に対しておよそ９０°でかつＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸の配向に対し
ておよそ４５°の角度に配列されてデバイス内での伝播モードを可能にしている
。したがって、構造１８０は、ＢａＴｉＯ3膜を通る光ビームの位相を変える目
的で光ビームが透過し、かつ（適切に制御されて）電界が印加される導波路とし
てＢａＴｉＯ3薄膜が作用する位相変調器として使用可能である。
た光の分極配向、および結晶の配向（通り抜けるビームに関して）のような因子
により影響されることは知られている。前述した因子のうち、最後に述べた因子
（すなわち結晶の配向）は結晶の双極子の配向に関連する。同様の点で、ＢａＴ
ｉＯ3のような結晶材料の電気光学的（ＥＯ）応答（前述した電気光学的係数に
対応）は３次テンソルにより説明される。構造１８０の薄膜１８６における最大
のＥＯ応答は、分極が「ｘ−ｚ」で示した方向に沿っており、かつ電界成分が「
ｘ」方向にあるときに実現される。したがって、電界は膜１８６を横切って配置
された電極１９０と１９２の間に印加され、印加電界はＢａＴｉＯ3膜を通る光
の方向に対しておよそ９０°でかつＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸の配向に対し
ておよそ４５°の角度に配列されてデバイス内での伝播モードを可能にしている
。したがって、構造１８０は、ＢａＴｉＯ3膜を通る光ビームの位相を変える目
的で光ビームが透過し、かつ（適切に制御されて）電界が印加される導波路とし
てＢａＴｉＯ3薄膜が作用する位相変調器として使用可能である。
【００６９】 以上に引き続いて、下層にある半導体を主原料とした基板上に成長した酸化物
結晶薄膜を含み、かつ薄膜内で膜の単位セルの幾何的形状に影響を与え、かつ変
える平面内歪みが誘導される構造の実施形態について説明する。幾何的形状のこ
の変化は単位セルの方向依存的性質を下層にある基板に関して予め定めた配向で
配列する。これらの構造が動作時に内部または外部印加の電磁界にさらされる半
導体デバイスで具体化されるとき、単位セルの方向依存的性質の予め定められた
配向が、このデバイスの動作に有利に貢献することができる。
結晶薄膜を含み、かつ薄膜内で膜の単位セルの幾何的形状に影響を与え、かつ変
える平面内歪みが誘導される構造の実施形態について説明する。幾何的形状のこ
の変化は単位セルの方向依存的性質を下層にある基板に関して予め定めた配向で
配列する。これらの構造が動作時に内部または外部印加の電磁界にさらされる半
導体デバイスで具体化されるとき、単位セルの方向依存的性質の予め定められた
配向が、このデバイスの動作に有利に貢献することができる。
【００７０】 例えば、レイアップされる酸化物材料は下層の半導体材料に結合して基板の電
子的性能に影響を与える。言い換えると、単位セルの方向依存的性質が基板表面
に対して平行な平面または基板表面に対して直角な線に沿って向けられるように
束縛された異方性材料の単位セルの幾何構造でもって、異方性材料と半導体基板
の結合は電子応用において基板の有利で再現性のある挙動を可能にする。上述し
たように、このような有利な挙動はトランジスタにおけるチャージ密度とチャン
ネル電流の調節を含むものである。こうして、本発明の構造は、電子応用におい
て、異方性薄膜材料と下層の半導体応用との結合を使用する半導体デバイスで有
利に具体化することができる。
子的性能に影響を与える。言い換えると、単位セルの方向依存的性質が基板表面
に対して平行な平面または基板表面に対して直角な線に沿って向けられるように
束縛された異方性材料の単位セルの幾何構造でもって、異方性材料と半導体基板
の結合は電子応用において基板の有利で再現性のある挙動を可能にする。上述し
たように、このような有利な挙動はトランジスタにおけるチャージ密度とチャン
ネル電流の調節を含むものである。こうして、本発明の構造は、電子応用におい
て、異方性薄膜材料と下層の半導体応用との結合を使用する半導体デバイスで有
利に具体化することができる。
【００７１】 平面内歪みは、主に整合歪み（例えば、基板／薄膜界面における単位セルの格
子構造が下層にある基板の格子構造に締めつけを受け、それにより、それらが下
層にある材料の格子パラメータのサイズを構成するよう強制されるため、薄膜の
単位セルが引っ張り歪みまたは圧縮状態となる）、または熱的歪み（薄膜層と下
層の基板との膨張係数の差異および冷却時の相転移効果が誘導された歪みの原因
となる）により上述の構造１２０、１４０または１８０に誘導されたが、機械的
手段（例えば構造の物理的屈曲）のような他の手段により誘導し、それにより基
板／薄膜界面において任意の平面内歪みを誘導することが可能なことが理解され
るであろう。
子構造が下層にある基板の格子構造に締めつけを受け、それにより、それらが下
層にある材料の格子パラメータのサイズを構成するよう強制されるため、薄膜の
単位セルが引っ張り歪みまたは圧縮状態となる）、または熱的歪み（薄膜層と下
層の基板との膨張係数の差異および冷却時の相転移効果が誘導された歪みの原因
となる）により上述の構造１２０、１４０または１８０に誘導されたが、機械的
手段（例えば構造の物理的屈曲）のような他の手段により誘導し、それにより基
板／薄膜界面において任意の平面内歪みを誘導することが可能なことが理解され
るであろう。
【００７２】 本発明の精神から逸脱することなく、図１２〜１５の上述の実施形態に対する
数多くの変形および代用が可能であることは理解されるであろう。例えば、これ
まで検討した実施形態はペロブスカイトＢａＴｉＯ3またはＳｒＴｉＯ3をＣＯＳ
デバイスの能動的薄膜層に使用するものとして説明してきたが、異方性挙動を示
し得るどのような酸化物結晶でも採用可能である。例えば、同じような関係の立
方体構造の他のペロブスカイト酸化物またはスピネルまたは酸化物を、強誘電特
性、ピエゾ電気特性、熱電気特性、電気光学的特性、強磁性特性、反強磁性特性
、光磁気特性または広範な誘電特性を構造内に示すのに適合した酸化物結晶薄膜
として使用することが可能である。（ペロブスカイトおよびスピネルは、それぞ
れの酸化物の単位セルが立方構造を有するという意味で同じような関係である。
）さらに、上述した半導体１２０、１４０、１８０はトランジスタ、キャパシタ
または電気光学的デバイスとして説明してきたが、本発明の原理は、下層にある
シリコンのような基板に薄膜が相乗作用的に結合した他の半導体デバイスにおい
て具現化することができる。このように、上述した実施形態は例証を目的とした
ものであって限定されるものではない。
数多くの変形および代用が可能であることは理解されるであろう。例えば、これ
まで検討した実施形態はペロブスカイトＢａＴｉＯ3またはＳｒＴｉＯ3をＣＯＳ
デバイスの能動的薄膜層に使用するものとして説明してきたが、異方性挙動を示
し得るどのような酸化物結晶でも採用可能である。例えば、同じような関係の立
方体構造の他のペロブスカイト酸化物またはスピネルまたは酸化物を、強誘電特
性、ピエゾ電気特性、熱電気特性、電気光学的特性、強磁性特性、反強磁性特性
、光磁気特性または広範な誘電特性を構造内に示すのに適合した酸化物結晶薄膜
として使用することが可能である。（ペロブスカイトおよびスピネルは、それぞ
れの酸化物の単位セルが立方構造を有するという意味で同じような関係である。
）さらに、上述した半導体１２０、１４０、１８０はトランジスタ、キャパシタ
または電気光学的デバイスとして説明してきたが、本発明の原理は、下層にある
シリコンのような基板に薄膜が相乗作用的に結合した他の半導体デバイスにおい
て具現化することができる。このように、上述した実施形態は例証を目的とした
ものであって限定されるものではない。
【００７３】 ここで本発明の電気光学的な利点について考えると、図１６および１７には一
般的に番号２２０で表記されたモノリシック結晶構造が示されており、シリコン
の基板２２２、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の中間薄膜層２２３およびＭｇＯ層
２２３に重畳されたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄膜層２２４を含んでいる。
ＭｇＯおよびＢａＴｉＯ3層２２３および２２４の両方は下層にあるシリコン基
板２２２上にエピタキシャルで配列されている。ＢａＴｉＯ3は強誘電性酸化物
材料であり、シリコン基板２２２にレイアップされた薄膜の形で組み合わされる
とき、光学的特性と同様に、（前述したような）半導体の利点を与えるような構
造２２０の結晶構造となり得る。ここで明らかにされるように、構造２２０の成
長（または形成）はＢａＴｉＯ3膜２２４の電気的双極子モーメントを膜２２４
の平面内で予め定め、それにより薄膜２２４の光学的特性が有利に影響され、そ
れにより構造２２０が導波路に応用可能となる。それゆえに、ＢａＴｉＯ3膜２
２４は光信号を送信することができるものであって、シリコン基板２２２は光お
よび電気信号の両方を採用した通信システムにおける電気信号送信に使用可能で
ある。
般的に番号２２０で表記されたモノリシック結晶構造が示されており、シリコン
の基板２２２、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の中間薄膜層２２３およびＭｇＯ層
２２３に重畳されたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄膜層２２４を含んでいる。
ＭｇＯおよびＢａＴｉＯ3層２２３および２２４の両方は下層にあるシリコン基
板２２２上にエピタキシャルで配列されている。ＢａＴｉＯ3は強誘電性酸化物
材料であり、シリコン基板２２２にレイアップされた薄膜の形で組み合わされる
とき、光学的特性と同様に、（前述したような）半導体の利点を与えるような構
造２２０の結晶構造となり得る。ここで明らかにされるように、構造２２０の成
長（または形成）はＢａＴｉＯ3膜２２４の電気的双極子モーメントを膜２２４
の平面内で予め定め、それにより薄膜２２４の光学的特性が有利に影響され、そ
れにより構造２２０が導波路に応用可能となる。それゆえに、ＢａＴｉＯ3膜２
２４は光信号を送信することができるものであって、シリコン基板２２２は光お
よび電気信号の両方を採用した通信システムにおける電気信号送信に使用可能で
ある。
【００７４】 ここで明らかにされるように、膜２２４の双極子モーメントを膜２２４の平面
内で予め定めて薄膜２２４の光学的特性に有利な効果を与える強誘電性薄膜２２
４に伴なうのは平面内の熱弾性歪みの影響である。
内で予め定めて薄膜２２４の光学的特性に有利な効果を与える強誘電性薄膜２２
４に伴なうのは平面内の熱弾性歪みの影響である。
【００７５】 さらに、ＢａＴｉＯ3ペロブスカイト膜が、いくつかある、一般的にＡＢＯ3の
構造を有する材料のうちの１つであり、シリコン基板が、いくつかあるＩＩＩ族
、ＩＶ族またはＩＩ−ＶＩ族材料のうちの１つであってその上にＡＢＯ3材料が
エピタキシー成長されてＡＢＯ3材料が導波路として使用されるということは理
解されるであろう。例えば、ＢａＴｉＯ3（一般構造ＡＢＯ3を有する）で要素Ａ
がＢａであるのに対して、ＩＶＡ族要素ＺｒまたはＨｆのようなもう一方の材料
は、本発明の広範な原理により基板上にエピタキシー成長可能な、ＡＢＯ3材料
の形を別の実施形態とするように要素Ａを供給することを可能にする。一般構造
ＡＢＯ3を有し、特に（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ）mとして表記される（ここでｎおよ
びｍは単一平面酸化層の繰り返し整数）シリーズの構造を有する材料の結晶特性
、ＡＢＯ3の連続的に成長した層と下層にある基板との関係についての詳細な説
明は前に参照した出願人らの米国特許第５，８３５，２７０号に見出すことが可
能であり、その開示はここで参照資料として取り入れられている。
構造を有する材料のうちの１つであり、シリコン基板が、いくつかあるＩＩＩ族
、ＩＶ族またはＩＩ−ＶＩ族材料のうちの１つであってその上にＡＢＯ3材料が
エピタキシー成長されてＡＢＯ3材料が導波路として使用されるということは理
解されるであろう。例えば、ＢａＴｉＯ3（一般構造ＡＢＯ3を有する）で要素Ａ
がＢａであるのに対して、ＩＶＡ族要素ＺｒまたはＨｆのようなもう一方の材料
は、本発明の広範な原理により基板上にエピタキシー成長可能な、ＡＢＯ3材料
の形を別の実施形態とするように要素Ａを供給することを可能にする。一般構造
ＡＢＯ3を有し、特に（ＡＯ）n（Ａ’ＢＯ）mとして表記される（ここでｎおよ
びｍは単一平面酸化層の繰り返し整数）シリーズの構造を有する材料の結晶特性
、ＡＢＯ3の連続的に成長した層と下層にある基板との関係についての詳細な説
明は前に参照した出願人らの米国特許第５，８３５，２７０号に見出すことが可
能であり、その開示はここで参照資料として取り入れられている。
【００７６】 構造２２０を作製するのに使用するプロセスは、米国特許第５，２２５，０３
１号および第５，８４６，６６７号（これらのそれぞれは本出願の発明者の名前
で識別される）の説明の組み合わせで述べられており、その開示はここで参照資
料として取り入れられており、したがって作製プロセスの詳細な説明は必要ない
と考える。しかしながら、簡単にかつ参照資料特許５，２２５，０３１の説明に
従って説明すると、このＭｇＯ膜２２３は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によ
って下層にあるシリコン基板２２２上に１層ずつ重ねる方式で成長されており、
シリコン基板上に金属Ｍｇの単層の区分（例えば単層の１／４）を堆積する最初
のステップを含んでいる。
１号および第５，８４６，６６７号（これらのそれぞれは本出願の発明者の名前
で識別される）の説明の組み合わせで述べられており、その開示はここで参照資
料として取り入れられており、したがって作製プロセスの詳細な説明は必要ない
と考える。しかしながら、簡単にかつ参照資料特許５，２２５，０３１の説明に
従って説明すると、このＭｇＯ膜２２３は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によ
って下層にあるシリコン基板２２２上に１層ずつ重ねる方式で成長されており、
シリコン基板上に金属Ｍｇの単層の区分（例えば単層の１／４）を堆積する最初
のステップを含んでいる。
【００７７】 厚さ約０．２〜０．３μｍ（１０００から３０００の単層）のＭｇＯ層２２３
を実現した上で、米国特許第５，８４６，６６７号参照の説明に従って、下層の
ＭｇＯ膜２２３上にＢａＴｉＯ3膜２２４を形成するステップが実行される。Ｂ
ａＴｉＯ3の形成はＭｇＯ膜２２３の表面にＴｉＯ2から成る最初のエピタキシー
（好ましくは整合のとれた）単一平面層を成長させることで始まり、それから成
長させたＴｉＯ2層の上にＢａＯから成る第２のエピタキシー（好ましくは整合
のとれた）単一平面層を成長させる。ＢａＯ平面の成長に引き続いて、成長した
ＢａＯ平面上に直接的にＴｉＯ2の単一平面を成長させ、その後に、成長したＴ
ｉＯ2層の上にＢａＯの単一平面層を成長させる順序をおったステップが、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４の任意の厚さ（例えば０．２〜０．６μｍ）が得られるまで続
く。再びいうと、シリコン基板２２２上へのＭｇＯ膜２２３の成長およびＭｇＯ
膜２２３上へのＢａＴｉＯ3膜２２４の成長のより詳細な説明については、参照
資料が特許番号５，２２５，０３１および５，８４６，６６７を参照して見るこ
とが可能であり、その開示はここで参照資料として取り入れられている。
を実現した上で、米国特許第５，８４６，６６７号参照の説明に従って、下層の
ＭｇＯ膜２２３上にＢａＴｉＯ3膜２２４を形成するステップが実行される。Ｂ
ａＴｉＯ3の形成はＭｇＯ膜２２３の表面にＴｉＯ2から成る最初のエピタキシー
（好ましくは整合のとれた）単一平面層を成長させることで始まり、それから成
長させたＴｉＯ2層の上にＢａＯから成る第２のエピタキシー（好ましくは整合
のとれた）単一平面層を成長させる。ＢａＯ平面の成長に引き続いて、成長した
ＢａＯ平面上に直接的にＴｉＯ2の単一平面を成長させ、その後に、成長したＴ
ｉＯ2層の上にＢａＯの単一平面層を成長させる順序をおったステップが、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４の任意の厚さ（例えば０．２〜０．６μｍ）が得られるまで続
く。再びいうと、シリコン基板２２２上へのＭｇＯ膜２２３の成長およびＭｇＯ
膜２２３上へのＢａＴｉＯ3膜２２４の成長のより詳細な説明については、参照
資料が特許番号５，２２５，０３１および５，８４６，６６７を参照して見るこ
とが可能であり、その開示はここで参照資料として取り入れられている。
【００７８】 ここで明らかにされるように、ＢａＴｉＯ3膜２２４は構造２２０を通して光
放出するための導波路としてはたらくよう意図されているので、ＭｇＯ膜２２３
は、その上にＢａＴｉＯ3が成長することで安定な構造を供給すると共に、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４を光学的にシリコン基板２２２から分離するはたらきをする。
ＢａＴｉＯ3の屈折率は約２．３であり、シリコンの屈折率は約４．０のオーダ
ーである。一方、ＭｇＯの屈折率は約１．７４であり、このＭｇＯ膜２２３をシ
リコン基板２２２とＢａＴｉＯ3膜２２４との間に配置することによって、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４に沿って放出され、シリコン中に損失される光の量が低減され
る。したがって、ＭｇＯ膜２２３の厚さはＢａＴｉＯ3膜の光学的分離が充分に
供給できるように選択される。
放出するための導波路としてはたらくよう意図されているので、ＭｇＯ膜２２３
は、その上にＢａＴｉＯ3が成長することで安定な構造を供給すると共に、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４を光学的にシリコン基板２２２から分離するはたらきをする。
ＢａＴｉＯ3の屈折率は約２．３であり、シリコンの屈折率は約４．０のオーダ
ーである。一方、ＭｇＯの屈折率は約１．７４であり、このＭｇＯ膜２２３をシ
リコン基板２２２とＢａＴｉＯ3膜２２４との間に配置することによって、Ｂａ
ＴｉＯ3膜２２４に沿って放出され、シリコン中に損失される光の量が低減され
る。したがって、ＭｇＯ膜２２３の厚さはＢａＴｉＯ3膜の光学的分離が充分に
供給できるように選択される。
【００７９】 図１６の構造２２０に匹敵する構成の構造を作製するプロセスにおいて、構造
の強誘電的性質は、この構造の層を含む材料の相転移および熱収縮（すなわち、
熱的線膨張または収縮）により大きく影響される。この点については、シリコン
（Ｓｉ）の熱膨張係数はＢａＴｉＯ3のそれよりも小さいものであり、それによ
りＢａＴｉＯ3膜−オン−シリコンから成る構造を均一に冷却することはＢａＴ
ｉＯ3の単位セル内に明らかな平面内歪みを展開させ、引き続いて膜のＢａＴｉ
Ｏ3単位セルがここで述べたように正方晶転移するという結果につながる。
の強誘電的性質は、この構造の層を含む材料の相転移および熱収縮（すなわち、
熱的線膨張または収縮）により大きく影響される。この点については、シリコン
（Ｓｉ）の熱膨張係数はＢａＴｉＯ3のそれよりも小さいものであり、それによ
りＢａＴｉＯ3膜−オン−シリコンから成る構造を均一に冷却することはＢａＴ
ｉＯ3の単位セル内に明らかな平面内歪みを展開させ、引き続いて膜のＢａＴｉ
Ｏ3単位セルがここで述べたように正方晶転移するという結果につながる。
【００８０】 前述の面で、図１８にＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造のＢａＴｉＯ3および
シリコンの単位セルの格子パラメータを温度に対してプロットしたグラフを示し
た。シリコン上にＢａＴｉＯ3膜を約６００℃の温度で成長させるとき、ＢａＴ
ｉＯ3の格子パラメータがバルクにあるときの値をとることがわかる。しかしな
がら、この構造が成長温度から下がり始めると、ＢａＴｉＯ3薄膜の格子パラメ
ータはシリコンのそれと同じ速度で収縮し、平面内歪み（すなわち元の長さ、ｌ 0 で割った長さ変化、Δｌ）がＢａＴｉＯ3膜に展開され始める。展開される平面
内歪みはＢａＴｉＯ3膜を通じて均一であることに留意すべきである。ＢａＴｉ
Ｏ3膜がおよそ１２０℃の温度で強誘電性の相に転移するとき、ＢａＴｉＯ3単位
セルの形状は立方体からｃ軸に沿って測定した格子パラメータがａ軸に沿って測
定した値より大きい正方晶または伸長した形状に変えられる。さらに、この構造
の温度が１２０℃から下がり続けると、ｃ軸に沿った格子パラメータ測定値が増
大し、ａ軸の格子パラメータは減少する。一方、温度の関数としてのそれぞれの
ＢａＴｉＯ3単位セルの体積はａ軸に沿ったセル長の平方した値とｃ軸に沿った
セル長との積（すなわちＶ（Ｔ）＝ｌc（ｌa）2）に等しい。
シリコンの単位セルの格子パラメータを温度に対してプロットしたグラフを示し
た。シリコン上にＢａＴｉＯ3膜を約６００℃の温度で成長させるとき、ＢａＴ
ｉＯ3の格子パラメータがバルクにあるときの値をとることがわかる。しかしな
がら、この構造が成長温度から下がり始めると、ＢａＴｉＯ3薄膜の格子パラメ
ータはシリコンのそれと同じ速度で収縮し、平面内歪み（すなわち元の長さ、ｌ 0 で割った長さ変化、Δｌ）がＢａＴｉＯ3膜に展開され始める。展開される平面
内歪みはＢａＴｉＯ3膜を通じて均一であることに留意すべきである。ＢａＴｉ
Ｏ3膜がおよそ１２０℃の温度で強誘電性の相に転移するとき、ＢａＴｉＯ3単位
セルの形状は立方体からｃ軸に沿って測定した格子パラメータがａ軸に沿って測
定した値より大きい正方晶または伸長した形状に変えられる。さらに、この構造
の温度が１２０℃から下がり続けると、ｃ軸に沿った格子パラメータ測定値が増
大し、ａ軸の格子パラメータは減少する。一方、温度の関数としてのそれぞれの
ＢａＴｉＯ3単位セルの体積はａ軸に沿ったセル長の平方した値とｃ軸に沿った
セル長との積（すなわちＶ（Ｔ）＝ｌc（ｌa）2）に等しい。
【００８１】 図１８のグラフから、ほぼ室温においては、ｃ軸に沿って測定したＢａＴｉＯ 3 の格子パラメータがａ軸に沿って測定したそれよりも大きいことは注目すべき
ことである。したがって、もしもＢａＴｉＯ3単位セルが、そのａ軸が基板の表
面に対して平行に向けられるように基板上で配列されると、ａ軸に沿って測定し
たときのシリコンとＢａＴｉＯ3の格子パラメータの差異がｃ軸に沿って測定し
たときよりも大きいがゆえに、ＢａＴｉＯ3単位セル内に誘導される平面内歪み
が、ｃ軸が基板表面と平行に向けられた場合よりも大きくなる。しかしながら、
ＢａＴｉＯ3−オン−構造が冷却されてＢａＴｉＯ3単位セルが形状の転移をする
と、単位セルは、通常は、ｃ軸が基板表面に対して平行になり、それゆえに可能
な限り平面内歪みを小さく保つように配向する傾向がある。それに引き続いて、
約６００℃の成長温度からより低い室温付近まで冷却されたＢａＴｉＯ3−オン
−シリコン構造の膜にあるＢａＴｉＯ3単位セルは、単位セルの最長寸法部がシ
リコン基板の平面に対して平行になるようにシリコン上で配向する。強誘電性単
位セルの（長い方の）ｃ軸がシリコン基板に対して平行になるように通常向けら
れるＢａＴｉＯ3単位セルの配向はまた、平面内にあるＢａＴｉＯ3単位セルの極
性軸（そしてそれゆえに双極子モーメント）を基板表面に対して実質的に平行な
平面内に前もって定める。
ことである。したがって、もしもＢａＴｉＯ3単位セルが、そのａ軸が基板の表
面に対して平行に向けられるように基板上で配列されると、ａ軸に沿って測定し
たときのシリコンとＢａＴｉＯ3の格子パラメータの差異がｃ軸に沿って測定し
たときよりも大きいがゆえに、ＢａＴｉＯ3単位セル内に誘導される平面内歪み
が、ｃ軸が基板表面と平行に向けられた場合よりも大きくなる。しかしながら、
ＢａＴｉＯ3−オン−構造が冷却されてＢａＴｉＯ3単位セルが形状の転移をする
と、単位セルは、通常は、ｃ軸が基板表面に対して平行になり、それゆえに可能
な限り平面内歪みを小さく保つように配向する傾向がある。それに引き続いて、
約６００℃の成長温度からより低い室温付近まで冷却されたＢａＴｉＯ3−オン
−シリコン構造の膜にあるＢａＴｉＯ3単位セルは、単位セルの最長寸法部がシ
リコン基板の平面に対して平行になるようにシリコン上で配向する。強誘電性単
位セルの（長い方の）ｃ軸がシリコン基板に対して平行になるように通常向けら
れるＢａＴｉＯ3単位セルの配向はまた、平面内にあるＢａＴｉＯ3単位セルの極
性軸（そしてそれゆえに双極子モーメント）を基板表面に対して実質的に平行な
平面内に前もって定める。
【００８２】 これまでの検討はＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造にあるＢａＴｉＯ3単位セ
ルの性質に焦点を絞ってきたが、シリコン基板とＢａＴｉＯ3膜との間にＭｇＯ
薄膜を挿入したときのＢａＴｉＯ3単位セルの性質は前述のものと同じである。
シリコン基板の厚さはＭｇＯ膜やＢａＴｉＯ3膜のそれに比べてはるかに大きい
ので、上層の膜の収縮において支配的なのはシリコンの変形であって、その逆で
はない。言い換えると、介在するＭｇＯ層は、単純に、あまりにも薄いため、前
述のものからシリコン上にレイアップされるとＢａＴｉＯ3の収縮の性質を変え
ることができない。したがって、ＭｇＯ薄膜２２３がシリコン基板２２２とＢａ
ＴｉＯ3膜２２４との間に挿入され、かつ結果として得られた構造が６００℃の
成長温度から冷却される図１６および１７の構造２２０のような構造では、Ｂａ
ＴｉＯ3単位セルは最長寸法部がシリコン基板平面に対して平行に向けられるよ
うにシリコン上に配列される。したがって、図１６および１７の構造２２０のよ
うな構造内のＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸（および双極子モーメント）もまた
シリコン基板表面に対して実質的に平行な平面内で配列される。
ルの性質に焦点を絞ってきたが、シリコン基板とＢａＴｉＯ3膜との間にＭｇＯ
薄膜を挿入したときのＢａＴｉＯ3単位セルの性質は前述のものと同じである。
シリコン基板の厚さはＭｇＯ膜やＢａＴｉＯ3膜のそれに比べてはるかに大きい
ので、上層の膜の収縮において支配的なのはシリコンの変形であって、その逆で
はない。言い換えると、介在するＭｇＯ層は、単純に、あまりにも薄いため、前
述のものからシリコン上にレイアップされるとＢａＴｉＯ3の収縮の性質を変え
ることができない。したがって、ＭｇＯ薄膜２２３がシリコン基板２２２とＢａ
ＴｉＯ3膜２２４との間に挿入され、かつ結果として得られた構造が６００℃の
成長温度から冷却される図１６および１７の構造２２０のような構造では、Ｂａ
ＴｉＯ3単位セルは最長寸法部がシリコン基板平面に対して平行に向けられるよ
うにシリコン上に配列される。したがって、図１６および１７の構造２２０のよ
うな構造内のＢａＴｉＯ3単位セルの極性軸（および双極子モーメント）もまた
シリコン基板表面に対して実質的に平行な平面内で配列される。
【００８３】 位相変調器や干渉計のような導波路応用にここで述べた構造のＢａＴｉＯ3膜
を使用するためには、（周知のポッケルス効果方程式において「ｒ」で表記され
る）電気光学係数が最適化（すなわち実用的に可能な限り大きく）され、ＢａＴ
ｉＯ3膜を通るように方向付けされた光ビームを膜に印加される電界の変化に対
応してより大きく位相シフトさせる効果を示すことが望ましい。これに関連して
、単結晶の導波路の電気光学係数が電界の配向、材料を通る光の分極配向、およ
び（透過ビームに関連した）結晶の配向にのような因子により影響されることは
知られている。上述の因子のうち、最後に述べた因子（すなわち結晶の配向）は
結晶の双極子の配向に関連するものである。
を使用するためには、（周知のポッケルス効果方程式において「ｒ」で表記され
る）電気光学係数が最適化（すなわち実用的に可能な限り大きく）され、ＢａＴ
ｉＯ3膜を通るように方向付けされた光ビームを膜に印加される電界の変化に対
応してより大きく位相シフトさせる効果を示すことが望ましい。これに関連して
、単結晶の導波路の電気光学係数が電界の配向、材料を通る光の分極配向、およ
び（透過ビームに関連した）結晶の配向にのような因子により影響されることは
知られている。上述の因子のうち、最後に述べた因子（すなわち結晶の配向）は
結晶の双極子の配向に関連するものである。
【００８４】 同じ線に沿って、ＢａＴｉＯ3のような結晶材料の電気光学（ＥＯ）応答（上
述の電気光学係数に対応する）は３次テンソルにより説明される。このテンソル
の因子は電界、Ｅを印加された結晶材料の屈折率変化、Δｎに関連し、次の方程
式に従う。
述の電気光学係数に対応する）は３次テンソルにより説明される。このテンソル
の因子は電界、Ｅを印加された結晶材料の屈折率変化、Δｎに関連し、次の方程
式に従う。
【数２】 ＥＯ応答価値、ｒmerを説明できる３つの異なる方向セットが存在するゆえに、
ＥＯ応答は３次テンソルにより説明される。これら３つの方向セットは前述の１
）印加される電界の方向、２）材料を透過する光の分極方向、および３）透過ビ
ームに関した結晶の配向または極性軸である。前述の（冷却された）ＢａＴｉＯ 3 −オン−シリコン構造のＢａＴｉＯ3のような正方晶単位セルにおいて、電界を
配向可能な３つの直交する方向、ｎが存在する。さらに特定すると、ｎ＝１は「
ｘ」方向にあり、ｎ＝２は「ｙ」方向にあり、ｎ＝３では「ｚ」方向にある。他
の方向に印加される電界はこれら３つのｘ、ｙおよびｚの直交方向の重ね合わせ
に過ぎない。
ＥＯ応答は３次テンソルにより説明される。これら３つの方向セットは前述の１
）印加される電界の方向、２）材料を透過する光の分極方向、および３）透過ビ
ームに関した結晶の配向または極性軸である。前述の（冷却された）ＢａＴｉＯ 3 −オン−シリコン構造のＢａＴｉＯ3のような正方晶単位セルにおいて、電界を
配向可能な３つの直交する方向、ｎが存在する。さらに特定すると、ｎ＝１は「
ｘ」方向にあり、ｎ＝２は「ｙ」方向にあり、ｎ＝３では「ｚ」方向にある。他
の方向に印加される電界はこれら３つのｘ、ｙおよびｚの直交方向の重ね合わせ
に過ぎない。
【００８５】 この同じ結晶タイプ（正方晶単位セル）について、光が分極可能な４つの異な
る方向が存在する。それらは、電界方向についてと同様に、下付き記号ｍの１、
２および３で示されるｘ、ｙおよびｚ方向である。それ以外の２つは、単位セル
がｃ軸の上方向または下方向に分極するという事実に由来する。２つの光学的分
極はｙおよびｚ方向に沿って同じ成分を有しており、下付き記号ｍ＝５および４
を割り当てられている。ＢａＴｉＯ3の３次テンソル（上述の式（１）のカッコ
内のマトリクス）に見られるように、最大のＥＯ応答は、分極がｘ−ｚ方向にあ
り、かつ電界の成分がｘ方向、ｒ51にあるときに実現される。
る方向が存在する。それらは、電界方向についてと同様に、下付き記号ｍの１、
２および３で示されるｘ、ｙおよびｚ方向である。それ以外の２つは、単位セル
がｃ軸の上方向または下方向に分極するという事実に由来する。２つの光学的分
極はｙおよびｚ方向に沿って同じ成分を有しており、下付き記号ｍ＝５および４
を割り当てられている。ＢａＴｉＯ3の３次テンソル（上述の式（１）のカッコ
内のマトリクス）に見られるように、最大のＥＯ応答は、分極がｘ−ｚ方向にあ
り、かつ電界の成分がｘ方向、ｒ51にあるときに実現される。
【００８６】 薄膜導波路構造において大きなｒ51の利点を得るために、電界等の方向は薄膜
構造を形成する強誘電性部分に関して予め定められた方式で向けられなければな
らない。前述のＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造のＢａＴｉＯ3単位セルを形成
する部分はＢａＴｉＯ3とシリコンとの間の前述した熱膨張（または収縮）差異
により決定される。ＢａＴｉＯ3を形成する特定部分構造の極性軸は４つの方向
（ｘまたはｙ座標方向に対応）のいずれにも配向可能であるが、しかしこれらの
極性軸はすべて、熱的歪みがシリコン上にあるＢａＴｉＯ3の立方体−正方晶相
転移に影響するために、シリコン基板の平面に対して平行に配列される。
構造を形成する強誘電性部分に関して予め定められた方式で向けられなければな
らない。前述のＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造のＢａＴｉＯ3単位セルを形成
する部分はＢａＴｉＯ3とシリコンとの間の前述した熱膨張（または収縮）差異
により決定される。ＢａＴｉＯ3を形成する特定部分構造の極性軸は４つの方向
（ｘまたはｙ座標方向に対応）のいずれにも配向可能であるが、しかしこれらの
極性軸はすべて、熱的歪みがシリコン上にあるＢａＴｉＯ3の立方体−正方晶相
転移に影響するために、シリコン基板の平面に対して平行に配列される。
【００８７】 最適のＥＯおよび電気光学係数を実現化するＢａＴｉＯ3−オン−シリコン・
デバイスを図１９および２０において番号２７０で示した。デバイス２７０はシ
リコン基板２７２、および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の中間薄膜層２７３およ
びＭｇＯ層２２３にレイアップされたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄膜層２７
４を含んでいる。デバイス２７０では、ＢａＴｉＯ3膜の平面の極性軸の配向（
および典型的方向）は矢印２７６で示され、ＢａＴｉＯ3膜２７４を透過する光
は「ｘ−ｚ」で示した方向に沿って向けられ、かつ平面内で分極する。電界は膜
２７４を横切って配置された電極２７８と２８０間に印加され、印加電界はＢａ
ＴｉＯ3膜を透過する光の方向に関して約９０°でかつＢａＴｉＯ3単位セルの極
性軸の配向に関して約４５°の角度に配列される。デバイス２７０の伝播モード
が可能になり、ＴＥモードと呼ばれる。
デバイスを図１９および２０において番号２７０で示した。デバイス２７０はシ
リコン基板２７２、および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の中間薄膜層２７３およ
びＭｇＯ層２２３にレイアップされたペロブスカイトＢａＴｉＯ3の薄膜層２７
４を含んでいる。デバイス２７０では、ＢａＴｉＯ3膜の平面の極性軸の配向（
および典型的方向）は矢印２７６で示され、ＢａＴｉＯ3膜２７４を透過する光
は「ｘ−ｚ」で示した方向に沿って向けられ、かつ平面内で分極する。電界は膜
２７４を横切って配置された電極２７８と２８０間に印加され、印加電界はＢａ
ＴｉＯ3膜を透過する光の方向に関して約９０°でかつＢａＴｉＯ3単位セルの極
性軸の配向に関して約４５°の角度に配列される。デバイス２７０の伝播モード
が可能になり、ＴＥモードと呼ばれる。
【００８８】 膜２７４のＢａＴｉＯ3単位セルの根拠のない分極が薄膜導波路構造により支
持されないという指摘に留意すべきである。分極は膜平面内または（殆どの場合
は）平面から外れる方向でなければならない。この限定があるために、熱膨張の
不適合により誘導される平面内の分極化はＢａＴｉＯ3の大きなｒ51を得る最適
の分極化となる。
持されないという指摘に留意すべきである。分極は膜平面内または（殆どの場合
は）平面から外れる方向でなければならない。この限定があるために、熱膨張の
不適合により誘導される平面内の分極化はＢａＴｉＯ3の大きなｒ51を得る最適
の分極化となる。
【００８９】 引き続いて光学的に利点のあるＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造を説明して
きた。ＢａＴｉＯ3は、それ自体、導波路構造を提供することが知られているが
、シリコン・ウェハ（または何らかの他の基板）上に形成して導波路構造とする
その利用法はこれまで実現されていなかった。いったん作製すると、結果として
得られるＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造は位相変調器として使用可能となり
、その中でＢａＴｉＯ3膜はそれを通って光ビームが放出される導波路としては
たらき、それを横切って電界が（適切に制御されて）印加されてＢａＴｉＯ3膜
を通る光ビームの位相を変化させる。同じ位相変調器を干渉計の１つの分岐に使
用することにより、位相変調器は輝度変調器として機能可能となる。
きた。ＢａＴｉＯ3は、それ自体、導波路構造を提供することが知られているが
、シリコン・ウェハ（または何らかの他の基板）上に形成して導波路構造とする
その利用法はこれまで実現されていなかった。いったん作製すると、結果として
得られるＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造は位相変調器として使用可能となり
、その中でＢａＴｉＯ3膜はそれを通って光ビームが放出される導波路としては
たらき、それを横切って電界が（適切に制御されて）印加されてＢａＴｉＯ3膜
を通る光ビームの位相を変化させる。同じ位相変調器を干渉計の１つの分岐に使
用することにより、位相変調器は輝度変調器として機能可能となる。
【００９０】 本発明の精神から逸脱することなく、上述した実施形態に対する数多くの変形
および代用が可能であることは理解されるであろう。例えば、デバイスに図１９
および２０以外の配列を作製して電界と強誘電性膜の結合を最適化、強誘電性膜
に対する電界のマイクロ波結合の整合、電極に沿って移動するマイクロ波位相速
度と導波光速度の整合を行うことが可能となる。
および代用が可能であることは理解されるであろう。例えば、デバイスに図１９
および２０以外の配列を作製して電界と強誘電性膜の結合を最適化、強誘電性膜
に対する電界のマイクロ波結合の整合、電極に沿って移動するマイクロ波位相速
度と導波光速度の整合を行うことが可能となる。
【００９１】 その上さらに、以上にＢａＴｉＯ3−オン−シリコン構造が、ＢａＴｉＯ3を下
層にあるシリコン基板から光学的に分離するのに充分な膜厚のＭｇＯの中間層を
含むものとして説明してきたが、ある応用では、放出光のうちのいくらかがシリ
コン基板中に損失されることが可能な程度に中間のＭｇＯ層を薄くすることが望
ましい。言い換えると、中間のＭｇＯ層の膜厚は構造が使用される応用と関連し
て選択される設計パラメータと考えるべきである。
層にあるシリコン基板から光学的に分離するのに充分な膜厚のＭｇＯの中間層を
含むものとして説明してきたが、ある応用では、放出光のうちのいくらかがシリ
コン基板中に損失されることが可能な程度に中間のＭｇＯ層を薄くすることが望
ましい。言い換えると、中間のＭｇＯ層の膜厚は構造が使用される応用と関連し
て選択される設計パラメータと考えるべきである。
【００９２】 さらに、前述した典型的な構造は純粋なＢａＴｉＯ3を含むものとして説明さ
れてきたが、本発明の原理はＢａＴｉＯ3のような強誘電性のペロブスカイトが
エルビウムのような材料をドープされ、それにより、ペロブスカイトが放出光と
ドープ材料との相互作用によって放出光を増幅するような応用をカバーすること
を意図している。もちろんではあるが、そのような構造体の光増幅は電気光学シ
ステムやレーザの利得成分（この利得成分は屈曲部での放出光の損失を補償する
ことができる）として応用することも見出せる。このようなレーザ・デバイスは
１）低損失の導波路、２）レーザ・キャビティを形成する両端のミラーまたはグ
レーティング、３）励起光源または、別の選択肢として、電子のリザーバとして
作用し、レーザ準位に結合するドーパントから成る電気的励起システム、４）位
相変調器においてと同様の、レーザ・キャビティ内で屈折率を変化させ、調節機
能を果たす電極を含んでいる。これら４つのレーザ特有物は当該技術において提
案されてきたが、出願人らの報告はこのようなレーザをシリコン上で集積化する
ことを可能にする。
れてきたが、本発明の原理はＢａＴｉＯ3のような強誘電性のペロブスカイトが
エルビウムのような材料をドープされ、それにより、ペロブスカイトが放出光と
ドープ材料との相互作用によって放出光を増幅するような応用をカバーすること
を意図している。もちろんではあるが、そのような構造体の光増幅は電気光学シ
ステムやレーザの利得成分（この利得成分は屈曲部での放出光の損失を補償する
ことができる）として応用することも見出せる。このようなレーザ・デバイスは
１）低損失の導波路、２）レーザ・キャビティを形成する両端のミラーまたはグ
レーティング、３）励起光源または、別の選択肢として、電子のリザーバとして
作用し、レーザ準位に結合するドーパントから成る電気的励起システム、４）位
相変調器においてと同様の、レーザ・キャビティ内で屈折率を変化させ、調節機
能を果たす電極を含んでいる。これら４つのレーザ特有物は当該技術において提
案されてきたが、出願人らの報告はこのようなレーザをシリコン上で集積化する
ことを可能にする。
【００９３】 さらに、本発明の光導入層の膜厚は光の種々のモードでの放出を選択すること
が可能であり、例えば、同じ光導入構造によりいくつかのタイプの信号を送信す
る。選択肢により、光導入構造の材料は単一モードでの導入または多数モード（
マルチプレクス・モード）での導入を最適化する構造の作製を可能にする。
が可能であり、例えば、同じ光導入構造によりいくつかのタイプの信号を送信す
る。選択肢により、光導入構造の材料は単一モードでの導入または多数モード（
マルチプレクス・モード）での導入を最適化する構造の作製を可能にする。
【００９４】 したがって、上述した実施形態は例証の目的で意図されたものであり、限定さ
れることはない。
れることはない。
【図１】 シリコン基板および基板上に成長したペロブスカイトＢａＴｉＯ3の上層を含
んだ結晶構造の１つの実施形態の部分的透視図である。
んだ結晶構造の１つの実施形態の部分的透視図である。
【図２】 図１の線２−２に沿った部分的断面図である。
【図３】 ＢａＴｉＯ3の変形していない単位セルの透視図である。
【図４】 歪みのために変形した図３の単位セルの透視図である。
【図５】 温度の関数としてＢａＴｉＯ3を含む構造の格子パラメータをプロットしたグ
ラフを表わす図である。
ラフを表わす図である。
【図６】 シリコン上に成長したときのＢａＴｉＯ3の熱的歪みを温度の関数としてプロ
ットしたグラフを表わす図である。
ットしたグラフを表わす図である。
【図７】 シリコン基板および基板表面上に成長したＳｒＴｉＯ3の上層を含む結晶構造
のまた別の実施形態の部分的透視図である。
のまた別の実施形態の部分的透視図である。
【図８】 図７の線８−８に沿った部分的断面図である。
【図９】 圧縮のために変形したＳｒＴｉＯ3の単位セルの透視図である。
【図１０】 シリコンの（１００）面上のＳｒＴｉＯ3のＺ−対照画像を示した図である。
【図１１】 ＳｒＴｉＯ3キャパシタのキャパシタンスと電圧の関係をプロットした図であ
る。
る。
【図１２】 ゲート誘電体の層としてペロブスカイト薄膜を使用した強誘電性電界効果型ト
ランジスタ（ＦＦＥＴ）の部分的断面図である。
ランジスタ（ＦＦＥＴ）の部分的断面図である。
【図１３】 誘電体層としてペロブスカイト薄膜を使用したキャパシタの部分的断面図であ
る。
る。
【図１４】 本発明の特徴が具体化された電気光学デバイスの平面図である。
【図１５】 図１４の線１５−１５に沿った断面図である。
【図１６】 上層に導波路構造に使用するためのＢａＴｉＯ3の膜が形成されたシリコン・
ウェハの部分的透視図である。
ウェハの部分的透視図である。
【図１７】 図１６の線１７−１７について図１６のウェハを切断した横軸方向の断面図で
ある。
ある。
【図１８】 温度に対して、バルク材料のＢａＴｉＯ3およびシリコン基板に締めつけを受
けたＢａＴｉＯ3薄膜についての格子パラメータのグラフを示した図である。
けたＢａＴｉＯ3薄膜についての格子パラメータのグラフを示した図である。
【図１９】 本発明の特徴を具体化した電気光学的デバイスの平面図である。
【図２０】 図１９の線２０−２０に沿って作成された断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 27/108 Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ ５Ｆ１４０ 29/78 ４４４Ａ 29/788 29/792 Ｈ０１Ｓ 3/10 (31)優先権主張番号 ０９／１２６，１２９ (32)優先日 平成10年７月30日(1998．7．30) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA03 CA05 DA03 DA22 EA03 4G077 AA03 BC42 DA01 DB01 ED06 EF02 HA11 5F072 AK10 YY17 5F083 AD21 FR05 JA13 JA14 PR25 5F101 BA62 BH11 5F140 AC16 AC28 BA01 BA03 BA05 BA06 BA10 BC12 BD01 BD13 BE09
Claims (23)
- 【請求項１】 表面を有する半導体を基本材料とする基板と、 基板表面にエピタキシー成長により被覆された酸化物結晶薄膜であって、酸化
物結晶が方向依存的な性質を有する異方性挙動を示すかまたは示し得る単位セル
を含み、かつその薄膜が基板／薄膜界面において平面内歪みにさらされ、それに
より薄膜の実質的にすべての単位セルがそれぞれの単位セルの方向依存的性質が
基板表面に対して前もって定められた配向で配列されるように平面内歪みにより
影響される幾何的形状を有する酸化物結晶薄膜と を備えた構造。 - 【請求項２】 薄膜のそれぞれの単位セルの方向依存的性質が基板表面に対
して平行な平面または基板表面に対して直角な線に沿って向けられている請求項
１に記載の構造。 - 【請求項３】 薄膜材料が双軸緊張状態にあり、それにより薄膜のそれぞれ
の単位セルの幾何的形状が薄膜の平面に垂直な測定高さよりも薄膜の平面方向の
測定幅の方が大きい特徴を有し、それによりそれぞれの単位セルの方向依存的性
質が基板表面に対して平行な面に配列されている請求項２に記載の構造。 - 【請求項４】 薄膜材料が双軸圧縮状態にあり、それにより薄膜のそれぞれ
の単位セルの幾何的形状が薄膜の平面に垂直な測定高さよりも薄膜の平面方向の
測定幅の方が小さい特徴を有し、それによりそれぞれの単位セルの方向依存的性
質が基板表面に対して垂直な線に沿って配列されている請求項２に記載の構造。 - 【請求項５】 薄膜材料が単位セルを有する強誘電性酸化物であって、その
双極子モーメントが単位セルの方向依存的性質を提供し、単位セル幾何構造の前
もって決められた配向が、基板表面に対して平行な面または基板表面に対して垂
直な線に沿って実質的にすべての単位セルの双極子モーメントを配列する請求項
２に記載の構造。 - 【請求項６】 単位セル内に誘導された平面内歪みが熱的歪み、整合の歪み
または機械的歪みの少なくとも１つである請求項１に記載の構造。 - 【請求項７】 酸化物結晶が下層の半導体を主原料とした基板に相互作用す
るように結合し、それによってこの構造への外部印加または内部印加電磁界の適
用が基板の半導体特性に影響を与える請求項１に記載の構造。 - 【請求項８】 酸化物結晶が、強誘電的、ピエゾ電気的、熱電気的、電子光
学的、強磁性的、反強磁性的、光磁気的または広範な誘電的性質を構造内部に示
すようなペロブスカイト、スピネルまたは同じような関係の立方構造の酸化物で
ある請求項８に記載の構造。 - 【請求項９】 酸化物結晶が、基板表面を被覆する強誘電性で光学的に透明
な薄膜であり、かつ薄膜の実質的にすべての単位セルの双極子モーメントが、基
板表面に対して実質的に平行に配列されている請求項１に記載の構造。 - 【請求項１０】 表面を有する半導体を主原料とした材料の基板と、 基板表面を被覆するエピタキシー成長した酸化物結晶薄膜であって、酸化物結
晶のそれぞれの単位セルが方向依存的性質をもつ異方性の挙動を示すかまたは示
し得るものであり、かつ薄膜の実質的にすべての単位セルが、単位セルの幾何的
形状に影響を及ぼす平面内歪みにさらされ、単位セルの幾何的形状に及ぼす影響
が単位セルの方向依存的性質に前もって定められた配向を付与し、かつこの酸化
膜が、半導体応用において、基板の半導体性能を利用するための下層にある半導
体を主原料とする基板に結合している酸化物結晶薄膜と を備えた構造を含む半導体応用のデバイス。 - 【請求項１１】 表面を有する半導体を主原料とした材料の基板と、 基板表面を被覆するエピタキシー成長による異方性の酸化物結晶薄膜であって
、この薄膜が、少なくとも１つのＡＯ成分面および少なくとも１つのＢＯ2成分
面を有するＡＢＯ3材料の単位セルから構成され、かつこの膜が基板表面に配列
されることでＡＢＯ3材料の前記ＡＯ成分単原子層から成る第１の単一面が基板
表面をカバーし、ＡＢＯ3材料の前記ＢＯ2成分単原子層から成る第２の単一面が
第１のＡＯ単一面をカバーし、ＡＯおよびＢＯ3成分面がＡＢＯ3材料の単位セル
を構成してそれぞれの単位セルが方向依存的性質を有するかまたは有し得るもの
となり、かつ酸化物結晶薄膜の単位セルが単位セルの幾何構造に影響を及ぼす平
面内歪みにさらされることによって薄膜の実質的にすべての単位セルが正方晶を
構成する幾何構造を有し、それによりそれぞれの構成された単位セルの正方晶軸
が基板表面に関連して前もって定められた配向で配列され、それにより薄膜の幾
何構造の予め定められた配向が実質的にすべての薄膜単位セルを基板表面に対し
て平行な面または基板表面に対して直交する線に沿って配向する酸化物結晶薄膜
と を有する構造。 - 【請求項１２】 薄膜材料が、双極子モーメントにより方向依存的性質を提
供される単位セルを有する強誘電性酸化物であり、かつ薄膜の幾何構造の予め定
められた配向が実質的にすべての単位セルの双極子モーメントを基板表面に対し
て平行な面または基板表面に対して直交する線に沿って配列する請求項１１に記
載の構造。 - 【請求項１３】 半導体基板がシリコンを含み、かつ薄膜がペロブスカイト
のうちのＢａＴｉＯ3類のペロブスカイトを含む請求項１１に記載の構造。 - 【請求項１４】 半導体応用のためのデバイスであって、そのデバイスの半
導体性能が実用されることを要求され、表面を有する半導体を主原料とした材料
の基板と、基板材料に単結晶を供給して下層にある半導体を主原料とした材料に
結合するように、基板表面に整合して被覆される異方性結晶材料薄膜とを含み、
その薄膜が基板表面に整合するように配列された単位セルから成り、かつ薄膜の
実質的にすべての単位セルが正方晶の幾何的形状を有し、薄膜のそれぞれの単位
セルが基板表面に対して直交する線に沿った正方晶軸を有し、それにより薄膜の
実質的にすべての単位セルの極性軸が基板表面に対して直交する線に沿って配列
されている構造を含んだデバイス。 - 【請求項１５】 デバイスが強誘電性電界効果型トランジスタである請求項
１４に記載のデバイス。 - 【請求項１６】 半導体を主原料とした材料がシリコン、ゲルマニウムまた
はシリコン−ゲルマニウム合金である請求項１４に記載のデバイス。 - 【請求項１７】 デバイスが電界効果型トランジスタである請求項１６に記
載のデバイス。 - 【請求項１８】 表面を有する半導体基板と、基板表面に被覆された強誘電
性で光学的に透明な薄膜を含み、薄膜の少なくとも最初の数原子層が半導体基板
と整合がとれており、それにより強誘電性膜にある実質的にすべての双極子モー
メントが基板表面に対して実質的に平行に配列されて構造の電気光学的特性を向
上させている結晶構造。 - 【請求項１９】 半導体基板と強誘電性薄膜との間に中間の薄膜が介在し、
これが基板と強誘電性薄膜との間で光学的分離層となる請求項１８に記載の構造
。 - 【請求項２０】 半導体基板がシリコンを含み、かつ強誘電性薄膜がペロブ
スカイトのうちＢａＴｉＯ3類のペロブスカイトを含む請求項１９に記載の構造
。 - 【請求項２１】 シリコン基板とペロブスカイトの薄膜との間に介在したＭ
ｇＯ薄膜をさらに含んだ請求項２０に記載の構造。 - 【請求項２２】 強誘電性薄膜が、薄膜の光学的特性を変える要素でドープ
されている請求項１８に記載の構造。 - 【請求項２３】 ドープする要素が、薄膜に光学的な増幅特性を付与するた
めのエルビウムである請求項２２に記載の構造。
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