JP2819067B2 - シリコン上にエピタキシャル的に成長する立方金属酸化薄膜 - Google Patents

シリコン上にエピタキシャル的に成長する立方金属酸化薄膜

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Description

【発明の詳細な説明】 関連出願特許 この出願は、シリアル番号07/846,358（1992年３月５
日登録）に部分的に連続するもので、1992年10月13日、
米国特許5,155,658として発行された。
発明の分野 本発明は概して結晶薄膜とその成長に関する。さらに
詳しくは、シリコン基板上の立方ペロブスカイトまたは
金属酸化薄膜で、間にバッファ層を含むものに関する。
発明の背景 かつてほとんど半導体技術のみに独占的に使用された
エピタキシャル薄膜は、最近になって他のいくつかの技
術でも利用されるようになった。
YBa2Cu3O7-x（YBCO）のような高温超伝導体は、結晶
基板上で単結晶薄膜としてエピタキシャル的に成長した
場合、最良・最大の再現性をもつ半導体の特性を示す。
これらの高温セラミック超伝導体は異方性ペロブスカイ
ト結晶構造を有している。例えば、YBCOのａ軸とｂ軸の
格子パラメータは0.382nmと0.388nmだが、ｃ軸格子パラ
メータは1.168nmである。Inamらは、米国特許出願07/53
1,255（1991年５月31日登録）において、YBCO電極がYBa
2Cu3O7-xの、絶縁層、または最も半導性の層、または通
常の伝導層を挟む超伝導ジョセフソン装置について開示
した。３つの層はすべてｃ軸配向でエピタキシャル的に
成長、つまりｃ軸は膜面に垂直となっている。
この方法をメモリ用の強誘電性素材にも応用した。私
と発明者らは米国特許5,155,658および5,168,420におい
て、YBCO電極が強誘電性層、例えばPbZrxTi-xO3（式
中、０＜ｘ＜１であり、これは立方格子構造と比べてわ
ずかに歪んでいる）を挟む装置について説明した。３つ
の層はすべてエピタキシャル的に成長させ、単結晶薄膜
になるようにする。一つの実施例では、YBCOは、ｃ軸配
向、つまりｃ軸は膜面に対して垂直であり、下のYBCO層
はLaAlO3上に直接成長する。このような強誘電性メモリ
は、超伝導の温度での動作ではなく、YBCO電極の通常の
伝導性を利用する。
超伝導装置と強誘電性装置は両方とも、シリコン電子
回路のシリコン基板上で統合することができるのであれ
ば、商業的により大きく成功すると思われる。その結
果、Si上のエピタキシャル的に成長させたYBCOの技術が
開発された。Forkらは、そのような技術を「Si上の歪み
エピタキシャルYBa2Cu3O7-8における高臨界電流」（Hig
h critical currents in strained epitaxial YBa2Cu3O
7-8 on Si）、Applied Physics Letters、第５巻、1990
年、pp.1161−1163で開示した。この技術は、まずイッ
トリア安定ジルコニア（（Y2O3）ｘ（Zr2O3）1-x、以下
YSZ）の層をシリコン基板上に蒸着させ、次にYBCOをYSZ
上に蒸着するというものである。
私の米国原特許出願にSi/YSZ/YBCO/PZT/YBCO構造を示
したが、多くの重要な用途では完全に満足のいくもので
はない。電極は構造的・電子的に対称であり、上部YBCO
電極は、すでに蒸着されている下部PZTには高すぎる温
度で成長する必要がある。さらに、例えばBaKbiO3のよ
うな最近発見されたいくつかの高温セラミック超伝導体
は、異方性ペロブスカイト結晶構造はもたないが、その
代わりに立方、またはほぼ立方の結晶格子構造を有す
る。また、強誘電性メモリの電極は、温度の高低に拘わ
らず超伝導である必要はなく、ある程度の伝導性を示せ
ばよい。単結晶強誘電性メモリにおける最近の研究で
は、SrTiO3上に成長する、ランタンストロンチウムコバ
レート（La1-xSrxCoO3、式中０＜ｘ＜１、以下LSCO）か
らなる伝導性酸化電極を使用した。Cheungらはこの構造
を「強誘電性PLZT装置の電極としてパルスレーザ蒸着に
よって成長させた伝導性およびエピタキシャルLaSrCoO
薄膜」（Conductive and epitaxial LaSaCoO thin film
grown by pulsed laser deposition as electrodes fo
r ferroelectric PLZT devices）1992年３月カリフォル
ニア州モントレー第４回集積強誘電体国際シンポジウム
抄録、p.9Cで開示している。この非常に低い温度で成長
させることのできる素材は、0.382±0.2nmの結晶格子パ
ラメータを有し、公称立方と言える。公称立方とは、格
子パラメータが５％以上異ならず、結晶格子軸が３゜以
内で垂直であることを意味する。さらに、Si基板上で、
PZTのような強誘電性素材の単結晶層、またはチタン酸
ストロンチウム（SrTiO3）のような誘電性素材を直接形
成する必要がある。私の経験では、YSZバッファSi基板
上で、公称立方ペロブスカイトは、高品質のエピタキシ
ャル成長をできない。
発明のまとめ 本発明は、シリコン基板上で結晶金属酸化薄膜を生成
する方法、およびそれから生じた装置であると要約する
ことができる。例えばイットリア安定ジルコニアなどの
バッファ層はシリコン上に成長し、ｃ軸配向異方性ペロ
ブスカイトのテンプレートは、このバッファ層に成長す
る。このテンプレートによって、後に成長させた立方金
属酸化物が非常に配向性の高い結晶性をもつ。立方金属
酸化物は、電極や強誘電体など、層化結晶装置のさまざ
ま部分の一つに使用することができる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の基本的実施例の断面図。
図２〜図４は、本発明の追加的実施例の断面図。
発明の詳細な説明 異方性ペロブスカイト（層化ペロブスカイトとも呼ば
れる）は、適切な成長状態ではｃ軸配向の大きな成長傾
向を示すと考える。Inamらは特許出願でペロブスカイト
素材を定義している。この傾向は、成長時に露出したａ
−ｂ結晶面の低い自由エネルギーによって起こるようだ
が、YBCOとYSZの間のａ−ｂ面において5.6％の格子不整
合の問題を除去すること、およびYSZ上でYBCOのｃ軸配
向成長を起こすにも十分である。私の米国特許出願で
は、ｃ軸配向のYBCO層が、シリコン上に蒸着したYSZバ
ッファ層上でどのように成長できるかを説明している。
YBCOは電極として機能するばかりでなく、80％以上のｃ
軸配向を示す強誘電体を後に成長させるためのテンプレ
ートにもなる。これに対して、公称立方ペロブスカイト
は、結晶成長でこのような特定の配向性の傾向を強く示
すことはない。その結果、公称立方ペロブスカイトは、
LaAlO3上で高品質単結晶ペロブスカイト膜をつくる成長
環境下において、YSZ上に多結晶膜として、または不正
確な位相として成長する傾向がある。
層化ペロブスカイト（または異方性ペロブスカイト）
が、YSZバッファシリコン上で立方ペロブスカイトのエ
ピタキシャル的成長のためのテンプレートを提供するこ
とを私は発見した。図１に示したように、イットリア安
定ジルコニア（YSZ）は、単結晶シリコン基板12上に成
長する。YSZは、８から18モル％、できれば９モル％程
度のイットリアを含んでいる場合、完全に安定してい
る。完全に安定したYSZは、（100）配向シリコン上の
（100）配向で形成する。異方性ペロブスカイトの層14
は、実質上単結晶のｃ軸配向膜形成に適した成長環境下
でYSZ層上に蒸着される。異方性（または層化）ペロブ
スカイトとは、公称立方でないペロブスカイト素材のこ
とを意味する。技術的に重要な異方性ペロブスカイトの
多くは、ａ軸およびｂ軸格子パラメータより２倍または
それ以上長いｃ軸格子パラメータを有するが、格子セル
はほぼ長方形である。異方性ペロブスカイト層14は、通
常ペロブスカイト素材である公称立方金属酸化物（一般
的にはペロブスカイト素材）の層16のエピタキシャル的
成長のテンプレート層として機能する。このようなテン
プレート層14は、明確に定義された結晶配向、つまり実
質上単結晶を有する上層のエピタキシャル的成長を促進
する。金属酸化物（つまり金属イオンと酸素の両方をも
つ）の例としては、強誘電体のランタンジルコニアチタ
ン酸鉛（Pb1-yLayZr1-xO3、式中０＜ｘ＜１および０＜
ｙ＜１、以下PLZT）、誘電体のストロンチウムチタン酸
（SrTiO3）、および伝導性酸化物のLSCOなどがある。下
記の実施例で明らかになるように、立方金属酸化層16
は、多数のさまざまな装置に取り入れることが可能であ
る。
〔実施例１〕 異方性ペロブスカイトがチタン酸ビスマス（Bi4Ti3O
12）、立方金属酸化物がｘ＝0.8およびｙ＝0.1のPLZTの
構造を成長させた（図１に参照）。Bi4Ti3O12は斜方結
晶構造を有し、格子パラメータは0.541、0.545、および
3.28nmである。この実施例と他の実施例の蒸着は、私の
他の特許に説明した手順に従い、パルスレーザアブレー
ションによって行った。シリコン基板上のYSZ層の蒸着
は、別のシステムで実施した。この工程は、上記に引用
したForkらによる記事に説明されている。残ったさまざ
まな素材が蒸着される対象面は、すべて蒸着チャンバに
入れ、蒸着と蒸着の間に蒸着チャンバを開けることなく
ビームに当てた。対象面は、酸素を除く望ましい化学量
を有する焼結パウダーディスクだった。（001）配向の
シリコンウェーハ上に厚さ5nmで蒸着したYSZ層は、９モ
ル％のイットリアを有し、立方位相を安定させた。テン
プレート層は20nmのBi4Ti3O12で、ｃ軸配向になるよう6
40℃の基板ホルダ温度で蒸着した。0.3μｍのPLZTを蒸
着して立方金属酸化層を形成する間、基板ホルダ温度は
640℃に保った。Ｘ線回折はPLZTの（00m）ピークのみを
示したが、これはペロブスカイトとして高度に成長した
ことを示す。２θ＝22゜での（001）ピークの幅は0.3゜
以下だった。約35％のチャネリングの歩留まりは、結晶
LaAlO3基板上に成長したPLZTの17％と比較してみるとよ
い。
〔比較例１〕 実施例１と同様の構造を成長させたが、ここではテン
プレート層を成長させなかった。Ｘ線回折はペロブスカ
イトピークがなく（00m）、（111）のパイロクロールピ
ークのみを示した。従って、テンプレート層なしでは、
PLZTはペロブスカイトとして形成せず、その代わりに非
強誘電性パイロクロールとして形成した。
本発明の２つ目の例は、強誘電性ランダムアクセスメ
モリ（FRAM）である。FRAM集積回路は、メモリセルのア
レイを有しており、その１つを図２の断面図に示した。
完全に安定したYSZ層10は、（001）配向のシリコンウェ
ーハ12上に蒸着させるが、その厚さは50から100nmの範
囲が望ましい。できれば厚さ２から10nmの層化ペロブス
カイト素材からなる薄いテンプレート層20は、ｃ軸配向
成長を助長する環境下においてYSZ層上に蒸着させる。F
RAMのこのような素材の例としては、YBCO、Bi2Sr2CanCu
n+1Oy（式中ｎは負でない整数）、La2-xSrxCuO4（式中
０＞ｘ＞１）、およびBi4Ti3O12などがある。その他の
例はBi4Ti3O12から置換誘導した素材で、Subbaraoによ
る「Bi4Ti3O12における強誘電性およびその固容体」（F
erroelectricity in Bi4Ti3O12 and Its Solid Solutio
ns）、Physical Review、第122巻、1961年、pp.804−80
7に開示されている。
テンプレート層20上に、立方またほぼ立方の伝導ペロ
ブスカイトまたは他の金属酸化物からなる下部電極層22
を蒸着する。FRAMのこのような素材の例としては、LSC
O、SrRuO3、SrCrO3、およびSrVO3などがある。薄い強誘
電体層24（PLZTが望ましい）を、下部電極22上に蒸着す
る。強誘電性素材の他の例については、私の特許出願07
/616,166−現在では特許5,168,420（1992年12月１日発
行）−に説明している。上部電極層26は、強誘電性層24
上に蒸着させる。この上部電極層26は下部電極層22と同
じ素材からなることが望ましい。
２回のマスキングとエッチングは階段状の構造をつく
りだし、これは下部電極22で隔離され、下部電極22の最
上面で接触させる。スピンオンガラスは、電極22および
26を隔離する絶縁層30を形成するが、それらにコンタク
トホールを明確にする。メタライゼーション層を蒸着・
定義して、電気的相互接続32および34を、電極22および
24と他の回路の間に形成する。この回路は、FRAMのゲー
ト回路としてシリコン基板に形成されたMOSゲートを含
むこともある。
〔実施例２〕 強誘電性メモリは図２とほぼ同様の構造で製作した
が、横方向定義が最低限になっている。図３に示したよ
うに、YBCOのテンプレート層20は、YSZバッファ基板10
および12上で厚さ20nmに蒸着し、このとき基板ホルダは
810℃に維持した。この温度により、YBCOはｃ軸配向で
成長した。基板ホルダ温度を640℃に減少し、ｘ＝0.5の
LSCOの層20を厚さ100nmに成長させ、下部電極22を形成
した。最初の実施例と同じ組成のPLZTの強誘電性層24
は、640℃で厚さ0.3μｍまで成長させた。LSCOの上部電
極層は、下部電極層20と同様に成長させた。電極のため
のYBCOよりもLSCOの利点がある理由は、上部電極層成長
時にPLZTが高温に接しないためである。
Pt/Auのメタライゼーション層は、蒸着され、100μｍ
円36のアレイに写真製版的に定義された。フォトレジス
トを除去した後、上部LSCO層は１％の硝酸でエッチング
することにより、個別の上部電極38を隔離する。マスク
とエッチングをもう一度実施して下部電極20と接触させ
るのではなく、非常に大きな上部電極30をマスクパター
ンに含めた。電気的検査では、電気的リードを選択され
た小さい上部電極と大きい上部電極の間につなぎ、直列
回路の極性決定による電気容量は、選択された小さい電
極のコンデンサによって管理される。
メモリ要素は電気的に検査された。2Vの双極パルスで
は、残留極性±13.5μC/cm2を示した。次に、これは2V
の双極パルスを5MHzで印加して疲れを検査した。2x1012
サイクルの後、残留極性は約±11μC/cm2に低下し、わ
ずかに非対称だった。この長寿命は、常に問題であった
多結晶FRAMの疲れと明らかに対照的である。
本発明は、電気光学作用を利用した集積光学にも応用
することができる。この電気光学作用は、PLZTのような
電気光学素材の屈折率を変更することによって、電圧信
号が光学信号で位相ずれを起こすものである。PLZTは立
方ペロブスカイトで、立方金属酸化電極によって挟むこ
とができる。
〔実施例３〕 電気光学作用は、YSZ層10上で厚さ20nmのBi4Ti3O12テ
ンプレート層20、厚さ100nmのLSCO電極層22、厚さ300nm
のPLZT層24、厚さ80nmの上部LSCO電極38の一組で成長さ
せた装置（図３にも図示）で示した。金属円コンタクト
36は、10nmのTiからなった。赤色光を光学的に薄いTi円
に照射したとき（同時に、±5V間の100Hzで電気的にも
変調）、反射光は屈折率が同じ周波数でΔｎ＝2x10-4ま
で変調されることを示したが、強誘電体の電気光学作用
に予想される「ヒステリシス」パターンに従った。
図４に断面図で示した本発明のもう一つの実施例は、
強誘電性メモリフィールド作用トランジスタ（FEMFET）
である。このトランジスタ機能は、標準フィールド作用
トランジスタと同様だか、活動ゲート信号によって電源
が入ると（または切れると）、ゲート信号が除去された
状態のままになるという点のみが異なる。この状態は、
極性が反対のゲート信号では逆になる。多結晶FEMFET
は、Lampeらによる「UHV成長強誘電性膜の不揮発性メモ
リへの統合」（Integration of UHV−grown ferroelect
ric films into nonvolatile momories）、第７回、強
誘電体応用国際シンポジウム、1990年、7.5版に開示さ
れている。
このFEMFETにおいて、ｐ型（001）配向シリコン基板4
0は、ソースとドレインのため、基板表面に拡散または
埋め込まれたウェル42を有する。その厚さは最小化し、
できれば10nm以下にして、強誘電性に極性を与えるため
に必要な電圧を減少させる。薄いテンプレート層46は、
YSZ層上にエピタキシャル的に蒸着させる。その厚さ
は、２から10nmが望ましい。テンプレート基材としては
Bi4Ti3O12がよい。これは、ほとんどの強誘電性素材
が、ａ−ｂ面においてBi4Ti3O12に格子がぴったりと合
っているためである。例えばPLZTまたはBaTiO3などの単
結晶強誘電性層48は、テンプレート層46上に厚さ約300n
mまで蒸着させた。金属電極50は、強誘電性層46上に蒸
着した。写真製版によりシリコン表面のゲート層を定義
し、ゲートがソースとドレインウェル42にほとんど重な
らないようにした。電気的リードは、ゲート層48、ソー
スとドレインウェル42、および基板40の裏面（またはｐ
型エピレイヤ40の下の層）に取付けた。このFEMFETは、
通常オフ状態になっている強化モードで動作するが、本
発明は通常オン状態の減損モードFEMFETでも適用でき
る。このモードでは、YSZ層44の下のチャネルは、同じ
タイプであるが、ソースとドレインウェル42により低密
度に、および基板40と反対のタイプにドーピングされ
る。
本発明は、表に示したような色々な装置に応用するこ
とができる。Swartzは、これらの応用方法の多くに対す
る評価記事を「電子セラミックスの話題」（Topics in
Electric Ceramics）IEEE Trnsactions on Electrical
Insulation）、第25巻、1990年、pp.935−987に記載し
た。また表には、層化ペロブスカイトと立方金属酸化物
のための望ましい素材を示した。ここに掲げたすべては
公称立方ペロブスカイトである。表は、活動立方ペロブ
スカイトとテンプレートの間に挿入する必要のある電極
素材を記載していないことがある。この電極素材は、か
なり自由に選択でき、層化または立方ペロブスカイト、
または他の素材と互換性がある限り他の金属酸化物でも
よい。Bi4Ti3O12のすべての場合において、それから置
換誘導した層化構造を使用することが可能である。
ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）は半導
体メモリの中で最も広く製作されている。記憶要素は、
１つまたは２つの状態に充電されたコンデンサである。
FRAMの非揮発性コンデンサの代りに、DRAMは、Ba1-xSrx
TiO3やSrTiO3のような非ヒステリシス誘電素材を使用
し、大充電容量の能力がコンデンサの不足部分を補足す
る。コンデンサの誘電体を挟む電極は、LSCOなどの金属
酸化物から形成される。
表面弾性波（SAW）は、フィルタや遅延線を含む各種
装置を形成するために利用され、六角形、水晶発振、お
よびPLZTであるLiNbO3のような圧電素材に使用される。
Sreenivasらは、圧電薄膜を使用したSAW装置について
「チタン酸鉛薄膜上の表面弾性波伝播」（Surface acou
stic wave propagation on lead zirconate titanate t
hin film）、Applied Physics Letters、第52巻、1988
年、pp.709−711に述べている。このような薄膜SAW装置
において、表面弾性波は、インターディジタルトランス
デューサによって薄膜に入れられ、薄膜内で導波され
る。
電気光学作用を利用した集積光学については、上記に
簡単に説明した。PLZTのような強誘電性素材は、非常に
大きな電気光学作用を有する。強誘電性薄膜を利用した
集積光学の応用の一つには、光学導波管、および関連装
置として位相器やマッハ・ツェンダー変調器などを含
む。これは、Kawaguchiらによる［PLZT薄膜導波管」（P
LZT thin−film waveguides）、Applied Optics、第23
巻、1984年、pp.2187−2191、およびMukherjeeらによる
「薄膜ランタンドーピングされたジルコン酸鉛チタン酸
における電気光学作用」（Electro−optic effects in
thin−film lanthanum−doped lead zirconate titanat
e）、Optics Letters、第15巻、1990年、pp.151−153に
記載されている。導波管では、導波媒体が回りの領域よ
りも大きい屈折率であることが主要素材の必要条件であ
る。薄膜の場合、ペロブスカイト薄膜は基板よりも高い
屈折率でなければならない。YSZバッファシリコンの基
板の場合、YSZの屈折率は約1.75だが、ペロブスカイト
の屈折率は2.35から2.7の範囲である。故に、単一光学
モードは、厚さ0.2μｍの膜において伝播することがで
きる。
もう一つの電気光学での用途は、可視および1.3〜1.5
5μｍの範囲の両方における空間光変調器である。この
ような装置は、Leeらによる「二次元シリコン/PLZT空間
光変調器：設計上の考慮と技術」（Two−dimensional s
ilicon/PLZT spatial light modulators:design consid
erations and technology）、Optical Engineering、第
25巻、1986年、pp.250−260に開示されている。しかし
ながら、現在の装置は、多結晶PLZT上に蒸着したシリコ
ンのレーザ再結晶によって製造されている。両素材の多
結晶性は望ましくない。これらの変調器は、プログラム
可能フーリエ平面フィルタリング、光学論理、スクラッ
チパッドメモリ、直列並列変換などに使用される。本発
明の空間光変調器は、シリコン基板を有し、これは光電
検出器およびドライバ、および結晶PLZT薄膜、および変
調器用にその上に成長させた関連バッファ層を含む。
さらに、別の応用として、音響光学光検知器および半
導体レーザとの電気光学強誘電性薄膜もある。
非破壊読出しメモリは、強誘電性層を使用する。１つ
目は前述したFEMFETである。２つ目はEvansらによる米
国特許5,051,950およびThakoorによる「薄膜強置誘電性
メモリからの高速非破壊読出し」（High speed,nondest
ructive readout from thin−film ferroelectric memo
ry）、Applied Physics Letters、第60巻、1992年、pp.
3319−3321に開示されている。この二次メモリにおい
て、電気パルスは強誘電性コンデンサに１つまたは２つ
の論理状態を書き込む。しかしながら、記憶した情報は
電気光学作用、つまりレーザビームを使用して読み出さ
れる。極性状態は電気的に記録されたものによって異な
るため、レーザビームと素材の間の相互作用も対応して
異なる。２つの論理状態が別々に検知されるのであれ
ば、２つの間に少なくとも位相角0.2゜の差が必要であ
る。
パイロ電気素材では、極性は温度変化に対応して変化
し、この作用はパイロ電気係数γで表す。パイロ電気検
知器は、イメージングを含む熱または赤外線の照射検知
器として使用することができる。PbTiO3、PLZT、および
チタン酸鉛ランタンのような強誘電性ペロブスカイト
は、優れたパイロ電気特性を示す。Takayamaらは「ｃ軸
配向La修正PbTiO3薄膜からなるパイロ電気赤外線センサ
の製作と特性」（Preparation and characteristics of
pyroelectric infrared sensors mede of c−axis ori
ented La−modified PbTiO3 thin films）、Journal of
Applied Physics、第61巻、1987年、pp.411−415に、
パイロ電気薄膜検知器について開示した。薄膜パイロ電
気は、イメージャーに統合させ、シリコン周辺回路と組
み合せる能力を提供する。パイロ電気強誘電体がエピタ
キシャル成長によって強い結晶配向を生成した場合、ポ
ーリングの必要性なく非常に大きなパイロ電気信号を得
ることができる。さらに、YBCOやLSCOのような吸収性の
高い電極は黒体構造を提供する。
集積アクチュエータやセンサなどを含むスマート素材
は、経験から分かるものである。Newnhamらは「スカー
ト電気セラミックス」（Smart Electroceramics）、Jou
rnal of the American Ceramics Society、第74巻、199
1年、pp.463−479に批評記事を載せている。簡単に述べ
るならば、これらの素材や装置は、連続的に変化する外
部からの刺激に対して、その素材や装置の状態を連続的
に変えるためにフィードバック回路を使用する。故に、
これらの素材は、外部の刺激に反応する特殊なセンサで
あるといえる。この刺激は、電気的、化学的、機械的、
光学的、磁気的、または熱的である可能性がある。これ
まで、これらのセンサは、ハイブリッドマルチチップモ
ジュールを利用したコントロールネットワークに統合さ
れてきた。PLZTのようなペロブスカイトスマート素材に
格子および科学的に合致した酸化電極の使用は、スマー
ト素材、抵抗、コンデンサ、相互接続を単一チップに集
積する上で大きな利点を提供する。
ほとんどの実施例では、テンプレート層上に成長する
装置の第２バッファ層のみとして使用したが、その特質
により、装置への統合が可能である。その一例は、原特
許に説明された不揮発性メモリで、イットリアバッファ
シリコン上に直接蒸着したYBCO/PZT/YBCOを有するもの
である。実施例のなかでは、YSZ層はシリコンに対して
エピタキシャル的であるが、YSZは、非結晶基板上で成
長している場合でも、結晶成長のテンプレートを提供す
ることが知られている。本発明では、サファイアやCeO2
などの他のテンプレート素材を使用し、異方性ペロブス
カイトのｃ軸成長を促進させることもできる。実施例で
は、パルスレーザアブレーションで構造を形成したが、
他の方法、例えば、さまざまな形態の化学蒸気蒸着や分
子ビームエピタキシーなどを使用することも可能であ
る。
本発明のテンプレートにより、さまざまな技術的に重
要な酸化物を望ましい結晶状態において成長させること
ができる。その応用の幅によって、中間層の素材（例え
ばYBCOのためのLSCO）を広く選択することができ、より
低い温度での処理やより使用が容易なインターフェース
などの利点を提供する。また本発明は、非常に異なる格
子定数をもつ２つの素材のエピタキシャルヘテロ構造の
可能性も提供するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/8242 Ｈ０１Ｌ 39/02 ＺＡＡＢ 21/8247 39/24 ＺＡＡＤ 27/108 27/10 ６５１ 29/788 29/78 ３７１ 29/792 Ｈ０１Ｇ 4/06 １０２ 37/02 39/02 ＺＡＡ 39/24 ＺＡＡ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C30B 29/22 C01G 1/00 - 3/00 H01L 39/00 - 39/24 H01L 27/10 H01L 29/78 H01L 37/02 H01B 12/00 H01G 4/06

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリコン／金属酸化ヘテロ構造で、下記の
    ものからなるもの： シリコン基板； 該シリコン基板上に形成されたバッファ層； 該バッファ層上に形成された異方性ペロブスカイトから
    なるテンプレート層で、該バッファ層によって該テンプ
    レート層が実質上ｃ軸配向に形成されるもの；および 該テンプレート層上に形成された公称立方金属酸化層。
  2. 【請求項２】請求項１記載のヘテロ構造で、該バッファ
    層がイットリア安定ジルコニアからなるもの。
  3. 【請求項３】請求項１記載のヘテロ構造で、該金属酸化
    層が伝導性および実質上単結晶であり、下部電極を形成
    し、さらに下記のものからなるもの： 該金属酸化層上に形成される実質上単結晶強誘電性層；
    および 該強誘電性層上に形成される第２伝導性金属酸化層。
  4. 【請求項４】請求項３記載のヘテロ構造で、第２金属酸
    化層は実質上単結晶であり、該２つの金属酸化層は同一
    の金属酸化物からなるもの。
  5. 【請求項５】請求項１記載のヘテロ構造で、該立方金属
    酸化層は強誘電性層からなるもの。
  6. 【請求項６】請求項５記載のヘテロ構造で、該シリコン
    基板は、該金属酸化層の中間部の下にある第１伝導性領
    域、および該金属酸化層の両端部分の下にある第２伝導
    性領域からなるもの。
  7. 【請求項７】請求項１記載のヘテロ構造で、該立方金属
    酸化層が圧電層からなるもの。
  8. 【請求項８】請求項１記載のヘテロ構造で、該立方金属
    酸化層が電気光学層からなるもの。
  9. 【請求項９】請求項１記載のヘテロ構造で、該立方金属
    酸化層がパイロ電気からなるもの。
  10. 【請求項１０】請求項１記載のヘテロ構造で、該テンプ
    レート層はチタン酸ビスマスからなるもの。
  11. 【請求項１１】強誘電性メモリ要素で、下記のものから
    なるもの： 単結晶シリコン基板； 該基板上に形成されるバッファ層； 該バッファ層上に形成される伝導性金属酸化物からなる
    単結晶膜で、該バッファ層は該金属酸化物が該単結晶膜
    として形成されるよう助長するもの；および 該結晶膜上にエピタキシャル的に形成される強誘電性
    層。
  12. 【請求項１２】請求項11記載の強誘電性メモリ要素で、
    該強誘電性層の少なくとも80％がｃ軸配向になるもの。
  13. 【請求項１３】シリコン／金属酸化ヘテロ構造を形成す
    る方法で、下記のステップからなるもの： 結晶シリコン基板上にバッファ素材の第１層を蒸着する
    ステップ； 該第１層上に異方性ペロブスカイトのｃ軸配向成長を助
    長する成長条件下で異方性ペロブスカイトからなる第２
    層を蒸着するステップで、該バッファ素材は該第２層を
    実質上結晶層として成長することを助長するもの；およ
    び 該第２層上に公称立方金属酸化物からなる第３層を蒸着
    するステップ。
  14. 【請求項１４】請求項13記載の方法で、該バッファ素材
    がイットリア安定ジルコニアからなるもの。
  15. 【請求項１５】請求項13記載の方法で、該成長条件は、
    該第１層を第１温度で維持し、さらに該第２層上に強誘
    電体からなる実質上結晶である第４層を蒸着し、該第
    １、第２、および第３層は、該第１温度より低い第２温
    度で維持するもの。
  16. 【請求項１６】請求項４記載のヘテロ構造で、該同じ金
    属酸化物はランタンストロンチウムコバレートからなる
    もの。
  17. 【請求項１７】請求項４記載のヘテロ構造で、該同じ金
    属酸化物がSrRuO3からなるもの。
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