JP2009070926A - ペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法および積層体 - Google Patents
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【解決手段】基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついで結晶方位制御バッファー層を形成した後に、ペロブスカイト型酸化物薄膜を該結晶方位制御バッファー層上に積層して(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向したペロブスカイト型酸化物薄膜を得る。
【選択図】図1
Description
(1)基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついで結晶方位制御バッファー層を形成した後に、ペロブスカイト型酸化物薄膜を該結晶方位制御バッファー層上に積層して(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向したペロブスカイト型酸化物薄膜を得ることを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(2)前記基板がSi、GaAs、AlNおよびSiCから選ばれる上記(1)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(3)前記蛍石型構造のバッファー層が前記基板の酸化防止層、格子整合層および拡散防止層の少なくとも1層以上を含む上記(1)もしくは(2)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(4)前記結晶方位制御バッファー層がTiO2 、SrOもしくはRuO2 である上記(1)〜(3)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(5)前記結晶方位制御バッファー層の厚さが0.1〜500nmである上記(1)〜(4)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(6)前記ペロブスカイト型酸化物がSrRuO3、LaNiO3もしくはLaSrCoO3 である上記(1)〜(5)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(7)基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、結晶方位制御バッファー層、およびペロブスカイト型酸化物薄膜を積層してなり、前記ペロブスカイト型酸化物薄膜は(111)もしくは(001)のいずれかに配向している、ペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(8)前記基板(001)がSi、GaAs、AlNおよびSiCから選ばれる上記(7)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(9)前記蛍石型構造のバッファー層が前記基板の酸化防止層、格子整合層および拡散防止層の少なくとも1層以上を含む上記(7)もしくは(8)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(10)前記結晶方位制御バッファー層がTiO2 、SrOもしくはRuO2 である上記(7)〜(9)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(11)前記結晶方位制御バッファー層の厚さが0.1〜500nmである上記(7)〜(10)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(12)前記ペロブスカイト型酸化物が SrRuO3、LaNiO3もしくはLaSrCoO3 である上記(7)〜(11)のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(13)基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついでペロブスカイト型酸化物薄膜を積層する際に、該蛍石型構造のバッファー層とペロブスカイト型酸化物薄膜の間に結晶方位制御バッファー層を形成させてペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(111)もしくは(001)のいずれかに配向するように制御することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法;
(14)さらに該蛍石型構造のバッファー層を最適化することにより、ペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(110)に配向するように、制御することを特徴とする上記(13)記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法;
(15)基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついでペロブスカイト型酸化物薄膜を積層する際に、該蛍石型構造のバッファー層とペロブスカイト型酸化物薄膜の間に結晶方位制御バッファー層を形成させてペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(111)もしくは(001)のいずれかに配向するように、または該結晶方位制御バッファー層を用いないでさらに該蛍石型構造のバッファー層を最適化することにより、ペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(110)に配向するように、制御することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法;
(16)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向した前記ペロブスカイト型酸化物薄膜上に、さらに第2のペロブスカイト型酸化物薄膜を積層することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
(17)前記第2のペロブスカイト型酸化物薄膜が強誘電体薄膜、圧電体薄膜、チューナブル特性を持つ誘電体薄膜もしくは電気光学薄膜である上記(16)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(18)前記強誘電体薄膜がBiFeO3である上記(17)に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法;
(19)基板の(001)面に、蛍石型構造のバッファー層;結晶方位制御バッファー層;下部電極として(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向しているペロブスカイト型酸化物薄膜;ついで強誘電体薄膜、圧電体薄膜、チューナブル特性を持つ誘電体薄膜もしくは電気光学薄膜用のペロブスカイト型酸化物薄膜を積層してなるペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体;
(20)基板の(001)面上に形成され、(001)に優先配向した蛍石型構造のバッファー層と、前記バッファー層上に形成され、(001)に優先配向した結晶方位制御バッファー層と、前記結晶方位制御バッファー層上に形成され、(111)に優先配向したペロブスカイト型酸化物薄膜を含む下部電極と、前記下部電極上に形成され、(111)に優先配向した強誘電体層と、前記強誘電体層上に形成された上部電極と、を含むことを特徴とする半導体装置;
(21)前記蛍石型構造のバッファー層がYSZ、CeO2のいずれか、またはその積層構造を含む上記(20)に記載の半導体装置;
(22)前記結晶方位制御バッファーがTiO2を含む上記(20)もしくは(21)に記載の半導体装置;
(23)前記下部電極がSrRuO3を含む上記(20)〜(22)のいずれかに記載の半導体装置;
(24)前記強誘電体層がPb(Zr,Ti)O3またはBiFeO3を含む上記(21)〜(23)のいずれかに記載の半導体装置;ならびに
(25)前記強誘電体層がLa、Ni、Co、Mn、Crの少なくとも1つを含む上記(20)〜(24)のいずれかに記載の半導体装置、
である。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す断面図である。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係るスタック型の強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法について説明する。図4乃至図10は、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。
実施例1
(1)Si(001)基板上に蛍石構造のCeO2/YSZバッファー層上にペロブスカイト型酸化物薄膜SROをPLD法を用いて積層した。用いた成膜条件を次に示す。
(a)レーザー KrF エキシマ(248nm)
(b)ターゲット YSZ(8モル%イットリア)、CeO2、SrCO3、TiO2、LSCO、SrTiO3(STO)、SRO
(c)基板 Si(001)
(d)周波数(Hz) SrCO3、TiO2:1Hz
YSZ、CeO2、LSCO、STO、SRO:5Hz
(e)膜厚(nm) YSZ:15、CeO2:50、SrCO3: 1-6、TiO2:1-6、LSCO:50、
STO:90、SRO:80-240
(f)基板温度(℃)YSZ、CeO2:750、STO、SrCO3、TiO2:700、LSCO:400-600、
SRO:400-800
(g)酸素分圧(mtorr)YSZ、CeO2、LSCO、STO、SrCO3、TiO2:0.55、SRO:0.55-300
SROの(001)配向性(XRD測定からI(002)/(I(002)+I(110))×100%式を用いて計算)に及ぼす成膜温度、成膜酸素圧、およびSRO薄膜の膜厚の関係を検討した。
実施例2
CeO2/YSZバッファー層に代えてYSZバッファー層とする以外は実施例1と同様にして、ペロブスカイト型酸化物薄膜SRO薄膜を形成させた。その結果、結晶方位制御バッファー層としてTiO2を導入すると、膜厚を3nm以上とすることによりペロブスカイト型酸化物薄膜(SRO)の配向(111)が得られた。また、結晶方位制御バッファー層としてSrOを導入すると、膜厚を0.5nm以上とすることによりペロブスカイト型酸化物薄膜(SRO)の配向(001)が得られた。図15に、得られた積層体のX線回折図形を、図16にSROの(001)割合とSrO膜厚の関係を示す。
実施例3
実施例2において、ペロブスカイト型酸化物薄膜(SRO)/結晶方位制御バッファー層(TiO2)/蛍石型構造のバッファー層(YSZ)/Si(001)の層構成の場合には、結晶方位制御バッファー層の膜厚を約1nmとすることにより、結晶性が高くX線回折強度が強いペロブスカイト型酸化物薄膜(SRO)の配向(110)が得られた。
実施例4
実施例3において、結晶方位制御バッファー層(TiO2)を用いない場合でも、ペロブスカイト型酸化物薄膜(SRO)の配向(110)が得られた。
実施例5
実施例1で得られた、(111)配向SRO/結晶方位制御バッファー層(TiO2)/蛍石型構造のバッファー層(CeO2/YSZ)/Si(001)の積層体の(111)配向SRO(下部電極)上に、(111)に分極軸を有する強誘電体であるBFO(111)を積層した。
2 下部電極
3 容量絶縁膜
4 上部電極
5 強誘電体キャパシタ
25 下部電極膜
26 強誘電体膜
27 上部電極膜
Claims (25)
- 基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついで結晶方位制御バッファー層を形成した後に、ペロブスカイト型酸化物薄膜を該結晶方位制御バッファー層上に積層して(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向したペロブスカイト型酸化物薄膜を得ることを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記基板がSi、GaAs、AlNおよびSiCから選ばれる請求項1に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記蛍石型構造のバッファー層が 前記基板の酸化防止層、格子整合層および拡散防止層の少なくとも1層以上を含む請求項1もしくは2に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記結晶方位制御バッファー層がTiO2 、SrOもしくはRuO2 である請求項1〜3のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記結晶方位制御バッファー層の厚さが0.1〜500nmである請求項1〜4のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記ペロブスカイト型酸化物がSrRuO3、LaNiO3もしくはLaSrCoO3 である請求項1〜5のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、結晶方位制御バッファー層、
およびペロブスカイト型酸化物薄膜を積層してなり、前記ペロブスカイト型酸化物薄膜は(111)もしくは(001)のいずれかに配向している、ペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。 - 前記基板(001)がSi、GaAs、AlNおよびSiCから選ばれる請求項7に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 前記蛍石型構造のバッファー層が前記基板の酸化防止層、格子整合層および拡散防止層の少なくとも1層以上を含む請求項7もしくは8に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 前記結晶方位制御バッファー層がTiO2 、SrOもしくはRuO2 である請求項7〜9のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 前記結晶方位制御バッファー層の厚さが0.1〜500nmである請求項7〜10のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 前記ペロブスカイト型酸化物が SrRuO3、LaNiO3もしくはLaSrCoO3 である請求項7〜11のいずれかに記載のペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついでペロブスカイト型酸化物薄膜を積層する際に、該蛍石型構造のバッファー層とペロブスカイト型酸化物薄膜の間に結晶方位制御バッファー層を形成させてペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(111)もしくは(001)のいずれかに配向するように制御することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法。
- さらに該蛍石型構造のバッファー層を最適化することにより、ペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(110)に配向するように制御することを特徴とする請求項13記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法。
- 基板の(001)面に蛍石型構造のバッファー層、ついでペロブスカイト型酸化物薄膜を積層する際に、該蛍石型構造のバッファー層とペロブスカイト型酸化物薄膜の間に結晶方位制御バッファー層を形成させてペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(111)もしくは(001)のいずれかに配向するように、または該結晶方位制御バッファー層を用いないでさらに該蛍石型構造のバッファー層を最適化することにより、ペロブスカイト型酸化物薄膜の結晶方位を(110)に配向するように、制御することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の配向性制御方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向した前記ペロブスカイト型酸化物薄膜上に、さらに第2のペロブスカイト型酸化物薄膜を積層することを特徴とするペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記第2のペロブスカイト型酸化物薄膜が強誘電体薄膜、圧電体薄膜、チューナブル特性を持つ誘電体薄膜もしくは電気光学薄膜である請求項16に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 前記強誘電体薄膜がBiFeO3である請求項17に記載のペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法。
- 基板の(001)面に、蛍石型構造のバッファー層;結晶方位制御バッファー層;下部電極として(111)、(001)もしくは(110)のいずれかに配向しているペロブスカイト型酸化物薄膜;ついで強誘電体薄膜、圧電体薄膜、チューナブル特性を持つ誘電体薄膜もしくは電気光学薄膜用のペロブスカイト型酸化物薄膜を積層してなるペロブスカイト型酸化物薄膜を含む積層体。
- 基板の(001)面上に形成され、(001)に優先配向した蛍石型構造のバッファー層と、
前記バッファー層上に形成され、(001)に優先配向した結晶方位制御バッファー層と、
前記結晶方位制御バッファー層上に形成され、(111)に優先配向したペロブスカイト型酸化物薄膜を含む下部電極と、
前記下部電極上に形成され、(111)に優先配向した強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成された上部電極と、
を含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記蛍石型構造のバッファー層がYSZ、CeO2のいずれか、またはその積層構造を含む請求項20に記載の半導体装置。
- 前記結晶方位制御バッファーがTiO2を含む請求項20もしくは21に記載の半導体装置。
- 前記下部電極がSrRuO3を含む請求項20〜22のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記強誘電体層がPb(Zr,Ti)O3またはBiFeO3を含む請求項21〜23のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記強誘電体層がLa、Ni、Co、Mn、Crの少なくとも1つを含む請求項20〜24のいずれかに記載の半導体装置。
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