JP2824972B2 - Oxide thin film forming method - Google Patents

Oxide thin film forming method

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JP2824972B2
JP2824972B2 JP8153189A JP8153189A JP2824972B2 JP 2824972 B2 JP2824972 B2 JP 2824972B2 JP 8153189 A JP8153189 A JP 8153189A JP 8153189 A JP8153189 A JP 8153189A JP 2824972 B2 JP2824972 B2 JP 2824972B2
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oxygen
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸化物の単結晶薄膜の形成方法に関し、特
にアルカリ土類金属酸化物,スピネル,サファイア等の
絶縁物や酸化物高温超伝導体の単結晶薄膜をシリコン
(Si)等の半導体基板上に形成するのに好適な酸化物薄
膜形成方法に関するものである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for forming a single crystal thin film of an oxide, and particularly to an insulator such as an alkaline earth metal oxide, spinel, and sapphire and an oxide high-temperature superconductor. The present invention relates to a method for forming an oxide thin film suitable for forming a solid single crystal thin film on a semiconductor substrate such as silicon (Si).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、積層化LSIや高温超伝導配線、高温超伝導トラ
ンジスタを形成する必要性から、Si基板上に単結晶の酸
化物薄膜を低温で形成している。比較的体温で酸化物を
形成した方法としては、真空蒸着法が多く報告されてお
り、電子ビーム衝撃加熱法、抵抗加熱法、イオン化真空
蒸着法、クラスターイオンビーム蒸着法およびスパッタ
リング法等を用いた例が報告されている。
Conventionally, a single-crystal oxide thin film is formed at a low temperature on a Si substrate due to the necessity of forming a stacked LSI, a high-temperature superconducting wiring, and a high-temperature superconducting transistor. Vacuum evaporation has been widely reported as a method of forming oxides at relatively body temperature, using electron beam impact heating, resistance heating, ionized vacuum evaporation, cluster ion beam evaporation, sputtering, etc. Examples have been reported.

まず、電子ビーム衝撃加熱法においては、酸素雰囲気
中で形成する膜と同じ化学量論的組成をもつ酸化物ソー
スを連続加熱蒸着させてAl2O3を形成した例と最初に構
成金属元素を蒸着した後、酸素雰囲気中でアニールして
酸化物超伝導体YBa2Cu3O7-Xを形成した例がある(D.Hof
fman and D.Leibowitz:J.Vac.Sci.Technol.8(1971)10
7.及びB-Y.Tsaur,M.S.Dilorio,and A.J.Strauss:Appl.P
hys.Lett.51(1987)858.)。
First, in the electron beam shock heating method, an oxide source having the same stoichiometric composition as the film to be formed in an oxygen atmosphere is continuously heated and vapor-deposited to form Al 2 O 3 , and first, the constituent metal elements are formed. After vapor deposition, there is an example in which an oxide superconductor YBa 2 Cu 3 O 7-X is formed by annealing in an oxygen atmosphere (D. Hof
fman and D. Leibowitz: J.Vac.Sci.Technol.8 (1971) 10
7.and BY.Tsaur, MSDilorio, and AJStrauss: Appl.P
hys. Lett. 51 (1987) 858.).

抵抗加熱法では、As2O3、Sb2O3を固体酸化物ソースと
して、他の金属元素と共蒸着することによりAl2O3、SiO
2、MgO、Al2MgO4を形成した例等がある(K.Pioog,A.Fis
cher,R.Trommer,and M.Hirose:J.Vac.Sci.Technol.16
(1979)290.及びR.A.Stall:J.Vac.Sci.Technol.B1(19
83)135.)。
In the resistance heating method, as a solid oxide source, As 2 O 3 and Sb 2 O 3 are used as co-evaporation with other metal elements to form Al 2 O 3 , SiO 2
2 , MgO and Al 2 MgO 4 are formed (K. Pioog, A. Fis
cher, R. Trommer, and M. Hirose: J. Vac. Sci. Technol. 16
(1979) 290. and RAStall: J.Vac.Sci.Technol.B1 (19
83) 135.).

イオン化真空蒸着法では、電子ビーム衝撃加熱して蒸
発させた分子を加速した熱電子でイオン化してAl2O3
成長させた例がある。(高浜國彦、花房寛:電子通信学
会技術研究報告、CPM83-11(1983)1.)。
In the ionized vacuum deposition method, there is an example in which molecules evaporated by electron beam impact heating are ionized by accelerated thermoelectrons to grow Al 2 O 3 . (Kunihiko Takahama, Hiroshi Hanabusa: IEICE Technical Report, CPM83-11 (1983) 1.).

また、クラスターイオンビーム蒸発法に関しても、Zn
O、BeOを形成した例が報告されている(T.Takagi,I.Yam
ada,K.Matusbara,and H.Takaoka:J.Cryst.Growth45(19
78)318及びT.Takagi,K.Matusbara,and H.Takaoka:J.Ap
pl.Phys.51(1980)5419)。
In addition, regarding the cluster ion beam evaporation method, Zn
Examples of formation of O and BeO have been reported (T. Takagi, I. Yam
ada, K. Matusbara, and H. Takaoka: J. Cryst. Growth 45 (19
78) 318 and T. Takagi, K. Matusbara, and H. Takaoka: J. Ap
pl.Phys. 51 (1980) 5419).

最後に、スパッタリング法ではターゲットをRFスパッ
タすることにより、Y-Ba-Cu-O系酸化物伝導体の単結晶
薄膜を形成した例及びAl2O3薄膜を形成した例が報告さ
れている(Y.Enomoto,T.Murakami,M.Suzuki,and K.Mori
waki:Jan.J.Appl.Phys.26(1987).及びR.S.Nowicki:
J.Vac.Sci.Technol.14(1977)127.)が報告されてい
る。
Finally, in the sputtering method, an example in which a single-crystal thin film of an Y-Ba-Cu-O-based oxide conductor is formed and an example in which an Al 2 O 3 thin film is formed by RF sputtering a target has been reported ( Y.Enomoto, T.Murakami, M.Suzuki, and K.Mori
waki: Jan. J. Appl. Phys. 26 (1987). And RSNowicki:
J. Vac. Sci. Technol. 14 (1977) 127.) has been reported.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら上記の何れの技術を用いても、酸化物の
成長初期過程において、Si基板が酸化するという欠点が
あった。そして、現在のところSi基板上への酸化物の単
結晶膜成長の実績があるのは抵抗加熱法とスパッタリン
グのみである。
However, any of the above techniques has a disadvantage that the Si substrate is oxidized in the initial stage of oxide growth. At present, only the resistance heating method and sputtering have a track record of growing a single crystal film of an oxide on a Si substrate.

即ち、抵抗加熱法では酸素源として酸化物固定ソース
Sb2O3を用いてAl2MgO4を成長した例とスパッタリングに
よりYSZ(安定化ジルコニア)を成長した例とが報告さ
れている(Proceedings of the 2nd International Wor
kshop on Futrure Electron Devices-SOI Technology a
nd 3D Integration 〔FED SOI/3D WORKSHOP〕,1985,shu
zenji,pp.75-79及び柿原良亘、榎本修治、厚主文弘、土
居司、篠崎敏幸、木場正義:電子通信学会技術研究報
告、ED86-63(1986)7.)。
That is, in the resistance heating method, an oxide fixed source is used as an oxygen source.
It has been reported that Al 2 MgO 4 was grown using Sb 2 O 3 and YSZ (stabilized zirconia) was grown by sputtering (Proceedings of the 2nd International Worry).
kshop on Futrure Electron Devices-SOI Technology a
nd 3D Integration (FED SOI / 3D WORKSHOP), 1985, shu
zenji, pp.75-79 and Kakihara Ryowa, Enomoto Shuji, Atsushi Fumihiro, Doi Tsukasa, Shinozaki Toshiyuki, Kiba Masayoshi: IEICE Technical Report, ED86-63 (1986) 7.).

しかし、これらの技術においてさえも、前者では単結
晶を得るための酸化物ソースの最適分圧範囲は極めて狭
く、電子線回折で不明瞭なスポットパターンを確認して
いるに過ぎない。また、後者においては、組成をZrのタ
ーゲット上に置いたYのペレットの個数で制御してお
り、膜の再現性に問題を有していると共に、エネルギー
の高いArや酸素のイオンが成長膜に衝突するので膜に点
欠陥が生じ易いという欠点がある。
However, even in these techniques, in the former, the optimum partial pressure range of the oxide source for obtaining a single crystal is extremely narrow, and only an unclear spot pattern is confirmed by electron beam diffraction. In the latter, the composition is controlled by the number of Y pellets placed on the Zr target, which has a problem in the reproducibility of the film, and has high energy ions of Ar and oxygen. There is a drawback that point defects tend to occur in the film because of collision with the film.

従って、Si基板を酸化させず、成長膜に対してイオン
衝撃が無く、吸着分子の表面泳動が十分行われ、酸素欠
損の無い成長方法の開発が求められていた。
Therefore, there has been a demand for the development of a growth method that does not oxidize the Si substrate, does not cause ion bombardment on the grown film, performs sufficient surface migration of adsorbed molecules, and has no oxygen deficiency.

一方、これらの技術に対して本出願人は、超高真空中
における断続的な電子ビーム衝撃加熱法を提案して、比
較的解離エネルギーの高いSrOの単結晶薄膜がSi基板上
に形成されることを初めて示した(特開昭61-75578、Y.
Kado and Y.Arita:Extended Abstracts of the 18th Co
nfference on Solid State Devices and Materials,Tok
yo,1986,pp.45-48)。この方法は、連続的に電子ビーム
衝撃加熱法で酸化物ソースを加熱して蒸着する方法の欠
点、即ち (1)成長室内の酸素分圧が高くなり、Si基板が酸化す
る。
On the other hand, for these technologies, the present applicant proposes an intermittent electron beam impact heating method in an ultra-high vacuum, and a single crystal thin film of SrO having a relatively high dissociation energy is formed on a Si substrate. (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-75578, Y.
Kado and Y. Arita: Extended Abstracts of the 18th Co
nfference on Solid State Devices and Materials, Tok
yo, 1986, pp. 45-48). This method has the disadvantages of a method of continuously heating and depositing an oxide source by an electron beam impact heating method, that is, (1) the oxygen partial pressure in the growth chamber is increased, and the Si substrate is oxidized.

(2)単結晶成長に必要な蒸着分子の表面泳動が十分に
行われない。
(2) Surface migration of vapor deposition molecules required for single crystal growth is not sufficiently performed.

(3)電子銃から発生する浮遊電子が基板を負に帯電さ
せるので、電子衝撃加熱でイオン化された入射してきた
酸素イオンが反発され、成長膜に酸素欠損が生じる。
(3) Since floating electrons generated from the electron gun negatively charge the substrate, incident oxygen ions ionized by electron impact heating are repelled, and oxygen deficiency occurs in the grown film.

等の欠点を解決した。And other disadvantages were solved.

しかしながら、BaO等酸素との解離エネルギーの低い
酸化物ソースを電子ビーム衝撃加熱すると、ソースから
の酸素の発生量が多く、上記(1)等により、結晶品質
の優れた膜と形成できないという欠点生じた。
However, when an oxide source having a low dissociation energy with oxygen, such as BaO, is subjected to electron beam impact heating, a large amount of oxygen is generated from the source. Was.

従って、汎用性のある酸化物成長とするためには、酸
化物ソースから飛来して基板に入射する酸素分子数を積
極的に制御する方策を講ずる必要が求められていた。
Therefore, in order to achieve versatile oxide growth, it is necessary to take measures to positively control the number of oxygen molecules flying from the oxide source and entering the substrate.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、電子ビームのランプレートを制御することにより、
酸化物ソースから基板に向かって飛来する酸化物分子束
強度と酸素分子束強度との比が所定の値に達したときの
み基板上に酸化物薄膜を形成するようにしている。
The present invention has been made to solve the above problems, by controlling the ramp rate of the electron beam,
The oxide thin film is formed on the substrate only when the ratio of the intensity of the oxide molecular flux and the intensity of the oxygen molecular flux flying from the oxide source toward the substrate reaches a predetermined value.

〔作用〕[Action]

酸化物分子束強度と酸素分子束強度との比が所定の値
に達したときのみ基板上に酸化物薄膜を形成する。
The oxide thin film is formed on the substrate only when the ratio between the oxide molecular flux intensity and the oxygen molecular flux intensity reaches a predetermined value.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の酸化物薄膜形成方法を実施するため
の超高真空蒸着装置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultra-high vacuum vapor deposition apparatus for carrying out the oxide thin film forming method of the present invention.

図において、1は酸化物ソースを加熱する電子銃、2
は電子銃のハースに充填した酸化物ソースにあたるペレ
ット、3は真空槽内の真空度をモニターしながら電子銃
の電子ビーム電流及びジャッターの開閉を制御する制御
系、4はSi基板、5は蒸着膜厚をモニターするための水
晶振動子、6は種々の酸化物を電子ビーム衝撃加熱した
ときソースから発生するガス種を分析するための四重極
質量分析器、7は成長室内の真空度を測定するためのヌ
ードイオンゲージ、8は制御系3を介して電子銃及び真
空度計と連動して動作するシャッター、9は基板ホルダ
ー、10は下方排気系、11及び12は上方排気系、13は超高
真空槽である。
In the figure, 1 is an electron gun for heating an oxide source, 2
Is a pellet corresponding to the oxide source filled in the hearth of the electron gun, 3 is a control system for controlling the electron beam current of the electron gun and opening and closing of the jatter while monitoring the degree of vacuum in the vacuum chamber, 4 is a Si substrate, and 5 is a vapor deposition A quartz oscillator for monitoring the film thickness, 6 is a quadrupole mass analyzer for analyzing gas species generated from the source when various oxides are subjected to electron beam impact heating, and 7 is a vacuum chamber in the growth chamber. A nude ion gauge for measurement, 8 is a shutter that operates in conjunction with an electron gun and a vacuum gauge via a control system 3, 9 is a substrate holder, 10 is a lower exhaust system, 11 and 12 are upper exhaust systems, 13 Is an ultra-high vacuum chamber.

また、第2図は第1図に示した電子銃1における電子
ビーム電流の制御例を示す特性図である。ここでは、電
子銃1の電子ビーム電流が一定のランプレートで増加し
た後、速やかに零に戻る過程を示している。また、I1
ランプレートが5mA/秒、I2はランプレートが2mA/秒の場
合を示している。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of controlling the electron beam current in the electron gun 1 shown in FIG. Here, a process is shown in which the electron beam current of the electron gun 1 increases at a constant ramp rate, and then quickly returns to zero. Further, I 1 represents the case where the ramp is 5 mA / sec, I 2 is the ramp 2 mA / sec.

さらに、第3図は第1図に示したペレット2をランプ
レート2mA/秒の電子ビーム電流で加熱した時に四重極質
量分析器7を測定した各ガス種の信号強度を示した特性
図である。ここでは、酸化物としてBaOを加熱した場合
を示している。
Further, FIG. 3 is a characteristic diagram showing the signal intensity of each gas type measured by the quadrupole mass analyzer 7 when the pellet 2 shown in FIG. 1 was heated with an electron beam current of a ramp rate of 2 mA / sec. is there. Here, the case where BaO is heated as an oxide is shown.

図において、S1はO2、S2はO、S3はH2、S4はCO、S5は
CO2の信号強度をそれぞれ示している。
In the figure, S1 is O 2 , S2 is O, S3 is H 2 , S4 is CO, S5 is
The signal strength of CO 2 is shown.

次に、超高真空槽13内のガス種の検出について説明す
る。まず、第1図に示した真空蒸着装置で酸化物を電子
ビーム加熱すると、酸化物分子、酸素分子、酸素原子、
金属或いは非金属原子が発生する。BaOの場合では、Ba
O、O2、O、Baが発生する。そして、各々の分圧比は酸
化物分子の解離エネルギーの大きさに依存する。しか
し、付着係数の大きいBaOやBaを四重極質量分析器6で
検出するのは困難である。そこで、実際にこれらの分圧
を推定するには、付着係数の小さいガス種(O2、O)に
ついては四重極質量分析器6による信号強度、付着係数
の大きいガス種(BaO、Ba)については水晶振動子5に
単位時間に蒸着する量をそれぞれ測定し、同時に成長室
内の圧力をヌードイオンゲージで測定しておけば良い。
Next, detection of a gas type in the ultrahigh vacuum chamber 13 will be described. First, when an oxide is heated with an electron beam using the vacuum deposition apparatus shown in FIG. 1, oxide molecules, oxygen molecules, oxygen atoms,
Metal or non-metal atoms are generated. In the case of BaO, Ba
O, O 2 , O, and Ba are generated. Each partial pressure ratio depends on the magnitude of the dissociation energy of the oxide molecule. However, it is difficult to detect BaO or Ba having a large adhesion coefficient with the quadrupole mass analyzer 6. Therefore, in order to actually estimate these partial pressures, for the gas species (O 2 , O) having a small adhesion coefficient, the signal intensity by the quadrupole mass analyzer 6 and the gas species (BaO, Ba) having a large adhesion coefficient As regards the above, the amounts deposited on the crystal unit 5 per unit time may be measured, and at the same time, the pressure in the growth chamber may be measured by a nude ion gauge.

この結果から、酸化物薄膜形成中にSi基板4に単位時
間に入射する各々のガス種の数がわかる。但し、水晶振
動子5に付着した膜は後方拡散法等により、組成分析を
行いBaOとBa各々の蒸着量を明らかにする必要がある。
実際には、蒸着膜の組成は化学量論的組成を満足してお
り、Baの蒸着量は無視できる。
From this result, the number of each gas species incident on the Si substrate 4 per unit time during the formation of the oxide thin film can be found. However, it is necessary to analyze the composition of the film adhering to the crystal unit 5 by a backward diffusion method or the like to clarify the deposition amounts of BaO and Ba.
In practice, the composition of the deposited film satisfies the stoichiometric composition, and the amount of Ba deposited can be ignored.

ここで、第3図に示されているように、BaOの加熱で
は酸素分子の分圧比が大きく、Si基板4を酸化させる原
因となる。従って、Si基板4を酸化させないで、化学量
論的組成を満足したBaoの単結晶を成長させるために
は、Si基板4に単位時間に入射するBaOとO2各々の分子
数比に着目すれば良いことが判る。
Here, as shown in FIG. 3, when BaO is heated, the partial pressure ratio of oxygen molecules is large, which causes oxidation of the Si substrate 4. Therefore, in order to grow a single crystal of Bao satisfying the stoichiometric composition without oxidizing the Si substrate 4, attention should be paid to the molecular number ratio of BaO and O 2 incident on the Si substrate 4 per unit time. It turns out that it is good.

次に、第4図はSi基板4に単位時間に入射するO2とBa
Oとの分子数比を示した特性図である。ここで、H1はラ
ンプレートが5mA/秒の場合、H2はランプレートが2mA/秒
の場合を示している。なお、横軸の時間は加熱開始から
の経過時間を示している。
Next, FIG. 4 shows O 2 and Ba incident on the Si substrate 4 per unit time.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the ratio of the number of molecules to O. Here, H 1 if ramp is 5 mA / sec, H 2 represents the case where ramp rate of 2 mA / sec. The time on the horizontal axis indicates the time elapsed from the start of heating.

この図から明らかなように、ランプレートが大きい程
酸素分子の入射数比が小さくなり、時間的に変化する。
従って、Si基板4上へのBaO成長の初期過程において
は、ランプレートを大きくし(例えば、5mA/秒)、加熱
開始した直後に基板側シャッター8を開いて蒸着をする
工程を繰り返すことによって、Si基板4を酸化させず酸
化物の単結晶を成長させることができる。即ち、第4図
に示したように時刻t1でシャッターを開け、時刻t2でシ
ャッターを閉じるようにする。但し、分子数比に関係な
く、成長室内の酸素の分圧はSi基板4の温度を考慮し
て、Si基板4が酸化しない圧力に維持する。ここでは、
Si基板の温度が800℃である場合、酸素分圧は10-5Torr
以下とする。この関係は、技術報告に詳しく記載されて
いる(C.Gelain,A.Cassuto,P.Le GoffらによるOxidati
on of Metals.Vol.3.No.2,1971)。
As is clear from this figure, the larger the ramp rate, the smaller the incident number ratio of oxygen molecules, and changes with time.
Therefore, in the initial stage of the growth of BaO on the Si substrate 4, the step of increasing the ramp rate (for example, 5 mA / sec), opening the substrate-side shutter 8 immediately after starting the heating, and repeating the deposition is performed. An oxide single crystal can be grown without oxidizing the Si substrate 4. That is, opening the shutter at time t 1 as shown in FIG. 4, to close the shutters at time t 2. However, regardless of the molecular number ratio, the partial pressure of oxygen in the growth chamber is maintained at a pressure at which the Si substrate 4 is not oxidized in consideration of the temperature of the Si substrate 4. here,
When the temperature of the Si substrate is 800 ° C., the oxygen partial pressure is 10 −5 Torr
The following is assumed. This relationship is described in detail in the technical report (Oxidati by C. Gelain, A. Cassuto, P. Le Goff et al.
on of Metals.Vol.3.No.2,1971).

その後、Si基板4が酸化物の成長膜に覆われた後は、
Si基板酸化の問題は無くなり、むしろ成長膜中の酸素の
欠損が問題になるので、ランププレートを小さくし(例
えば、2mA/秒)、第4図に示した時刻t3でシャッター8
を開け時刻t4でシャッター8を閉じて蒸着を繰り返すよ
うにする。これにより、入射酸素分子比数が大きくなる
ので、酸素の欠損を抑制して化学量論的組成を満足した
酸化物を成長できる。
After that, after the Si substrate 4 is covered with the oxide growth film,
Si Problems substrate oxidation disappears, because rather deficient of oxygen in the grown film becomes a problem, the ramp plates were small (e.g., 2 mA / sec), the shutter 8 at time t 3 when shown in FIG. 4
Close the shutter 8 at the time t 4 to open and to repeat the deposition. As a result, the incident oxygen molecular ratio is increased, so that oxygen deficiency can be suppressed and an oxide satisfying the stoichiometric composition can be grown.

このように、BaOを例にあげて説明したが、その他の
酸化物(例えば、Al2O3、ZrO2等)を電子ビーム衝撃加
熱で成長する場合でも同様に、電子ビーム電流のランプ
レートとシャッター8を開けるタイミングを制御して行
なうことができる。
As described above, BaO has been described as an example. However, when other oxides (for example, Al 2 O 3 , ZrO 2, etc.) are grown by electron beam impact heating, similarly, the ramp rate of electron beam current and The timing at which the shutter 8 is opened can be controlled.

次に、第5図(a)〜(c)は第2図に示した電子ビ
ーム電流で酸化物ソース(ペレット2)を断続的に加熱
し、且つ所望の酸化物単結晶薄膜を形成するのに最適な
タイミングのみシャッター8を開放して蒸着を繰り返す
様子を示したタイムチャートである。ここで、同図
(a)は電子ビーム電流の波形(ランプレートは一定と
する)、同図(b)はシャッター8の開閉タイミング、
同図(c)は成長真空度の変化を示している。なお、T1
は蒸着行程時間、T2は排気工程時間を示している。
Next, FIGS. 5 (a) to 5 (c) show that the oxide source (pellet 2) is intermittently heated by the electron beam current shown in FIG. 2 and a desired oxide single crystal thin film is formed. 6 is a time chart showing a state in which the shutter 8 is opened only at the optimal timing and vapor deposition is repeated. Here, (a) shows the waveform of the electron beam current (the ramp rate is constant), (b) shows the opening / closing timing of the shutter 8,
FIG. 3C shows the change in the degree of growth vacuum. Note that T 1
The deposition process time, T 2 represents an exhaust process time.

この図から明らかなように、電子ビーム電流が増加す
る蒸着過程とそれに続く排気行程を交互に繰り返す。即
ち、酸化物ソース(ペレット2)の加熱を一定のランプ
レートで増加する電子ビームで加熱を開始した後、酸化
物ソースから発生するガス種により超真空槽13内の圧力
が10-7から10-6Torrに到達した時点で、電子ビームの大
きさを速やかに零又はソースの蒸発が無いレベルまで低
下させる。その後、超高真空槽13内の圧力を10-7から10
-9Torr以下に回復させ、Si基板4に吸着した分子が十分
に基板表面を泳動してから、再び一定のランプレートの
電子ビームによる加熱を開始する工程を繰り返してい
る。また、Si基板4に付着した酸化物分子の表面泳動が
十分促進されるように排気行程時間T2を十分長くとる必
要がある。なお、同図(b)のシャッター8の開閉タイ
ミングは、第3図で示すように電子ビームの加熱開始後
所定の時間だけシャッター8を開けているので、化学量
論的組成を満足させた酸化物を成長させることができ
る。
As is apparent from this figure, the vapor deposition process in which the electron beam current increases and the subsequent evacuation process are alternately repeated. That is, after the heating of the oxide source (pellet 2) is started with an electron beam increasing at a fixed ramp rate, the pressure in the ultra-vacuum chamber 13 is increased from 10 -7 to 10 -10 depending on the gas species generated from the oxide source. Upon reaching -6 Torr, the size of the electron beam is quickly reduced to zero or to a level where there is no source evaporation. Then, the pressure in the ultrahigh vacuum chamber 13 is increased from 10 -7 to 10
The process of recovering the pressure to -9 Torr or less, the molecules adsorbed on the Si substrate 4 sufficiently migrate on the substrate surface, and then again starting heating of a certain ramp rate by the electron beam is repeated. Further, it is necessary to make the exhaust stroke time T2 sufficiently long so that surface migration of the oxide molecules attached to the Si substrate 4 is sufficiently promoted. The opening and closing timing of the shutter 8 in FIG. 3B is such that the shutter 8 is opened for a predetermined time after the start of the heating of the electron beam as shown in FIG. Things can grow.

第6図は本発明に係る多元の酸化物を成長するための
超高真空蒸着装置を示した構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing an ultra-high vacuum deposition apparatus for growing a multi-element oxide according to the present invention.

図において、21〜23は電子銃、24はシャッター、25は
基板ホルダー、26は成長室内の真空度をモニターしなが
ら、電子銃21〜23とシャッター24を制御して断続的蒸着
と排気とを繰り返す手段を構成する制御系、27はゲート
バルブ、28は下方排気系、29及び30はゲートバルブ、31
及び32は上方排気系、33はSi基板、34は成長室内の真空
度をモニターするためのネードイオンゲージ、35は超高
真空槽である。また、A〜Cは多元酸化物を成長するの
に必要な構成元素及び構成元素の酸化物ソースである。
なお、本実施例は最高3元系酸化物を形成するための装
置であるが、電子銃を更に増設して4元以上の構成元素
成長させることもできる。
In the figure, 21 to 23 are electron guns, 24 is a shutter, 25 is a substrate holder, and 26 is an intermittent deposition and exhaust by controlling the electron guns 21 to 23 and the shutter 24 while monitoring the degree of vacuum in the growth chamber. A control system constituting a means for repeating, 27 is a gate valve, 28 is a lower exhaust system, 29 and 30 are gate valves, 31
Numeral 32 is an upper exhaust system, numeral 33 is a Si substrate, numeral 34 is a nail ion gauge for monitoring the degree of vacuum in the growth chamber, and numeral 35 is an ultrahigh vacuum tank. A to C are constituent elements necessary for growing the multi-component oxide and oxide sources of the constituent elements.
Although this embodiment is an apparatus for forming a ternary oxide at the maximum, an electron gun can be further added to grow quaternary or more constituent elements.

次に、上記の超高真空蒸着装置で多元の酸化物を成長
する際における固定ソースの組み合わせの実施例を示
す。まず、本装置でアルカリ土類金属酸化物混晶のSrXB
a1-XOを形成する際には、BaO及びSrOを電子銃に固定ソ
ースとして充填する。Ba-La-Cu-O系の酸化物超伝導膜の
形成においては(BaO、La2O3、CuO)や(BaO、La2O3、C
u)等の組み合わせ、また4元酸化物超伝導酸化物のSr-
Ba-Bi-Cu-O系では(SrO、BaO、Bi、CuO)や(Sr、Ca、B
i、CuO)等の組み合わせがある。
Next, an embodiment of a combination of fixed sources when growing multiple oxides with the above-described ultra-high vacuum deposition apparatus will be described. First, Sr X B
When forming a 1-X O, BaO and SrO are filled into an electron gun as a fixed source. In forming a Ba-La-Cu-O-based oxide superconducting film, (BaO, La 2 O 3 , CuO) or (BaO, La 2 O 3 , C
u) etc., and the quaternary oxide superconducting oxide Sr-
In the Ba-Bi-Cu-O system, (SrO, BaO, Bi, CuO) and (Sr, Ca, B
i, CuO).

さて、第7図は第6図に示した装置を用いて3元系酸
化物を成長させるための行程を示したタイムチャートで
ある。ここで、同図(a)は電子ビーム電流の波形(ラ
ンプチャートは一定とする)、同図(b)はシャッター
24の開閉タイミング、同図(c)は成長真空度の変化を
示している。なお、T1は蒸着行程時間、T2は排気行程時
間を示している。なお、同図(a)におけるA〜Cは各
酸化物ソースを示したものである。
FIG. 7 is a time chart showing a process for growing a ternary oxide using the apparatus shown in FIG. Here, FIG. 2A shows the waveform of the electron beam current (the lamp chart is assumed to be constant), and FIG.
24 shows the opening / closing timing, and FIG. 17C shows the change in the degree of growth vacuum. Incidentally, T 1 is the deposition step time, T 2 represents the exhaust stroke time. Note that A to C in FIG. 3A indicate the respective oxide sources.

さて、上記の超高真空蒸着装置は、3種類の構成元素
の酸化物ソースA〜Cを順に一定のランプレートで増加
する電子ビーム電流で断続的に加熱し、且つ所望の酸化
物単結晶薄膜を形成するのに最適なタイミングでのみ、
シャッター24を開放して蒸着を繰り返して行なう。
Now, the above-mentioned ultra-high vacuum vapor deposition apparatus intermittently heats oxide sources A to C of three kinds of constituent elements with an increasing electron beam current at a constant ramp rate, and obtains a desired oxide single crystal thin film. Only at the best time to form
The shutter 24 is opened and the deposition is repeated.

また、超高真空槽35内の酸素分圧は蒸着行程中であっ
ても、Si基板33が酸化しない圧力以下に維持する。そし
て、排気行程においては速やかに超高真空槽35内を超高
真空領域まで排気している。なお、排気行程時間T2はSi
基板33に吸着した分子が高品質な結晶成長に必要なだけ
十分に表面泳動するだけの長くする必要がある。
Further, the oxygen partial pressure in the ultra-high vacuum chamber 35 is maintained at a pressure that does not oxidize the Si substrate 33 even during the vapor deposition process. Then, in the evacuation process, the inside of the ultra-high vacuum chamber 35 is quickly evacuated to the ultra-high vacuum region. The exhaust stroke time T2 is Si
It is necessary to make the molecules adsorbed on the substrate 33 long enough for the surface migration of the molecules necessary for high-quality crystal growth.

このように、多元の酸化物薄膜形成においては、所望
する化学量論組成を有する膜を形成するのに必要な複数
個の構成元素又はその構成元素の酸化物ソースを上述し
たように順次加熱し、所望の化学量論的組成を実現する
のに必要で且つ一様な混晶膜となるような膜厚のみ基板
上に順次堆積して積層させ、全堆積膜厚が所望の膜厚に
なるまで、この行程を繰り返すようにする。
As described above, in the formation of a multi-element oxide thin film, a plurality of constituent elements necessary for forming a film having a desired stoichiometric composition or an oxide source of the constituent elements are sequentially heated as described above. A layer having a thickness necessary for achieving a desired stoichiometric composition and having a uniform mixed crystal film is sequentially deposited and laminated on the substrate, and the total deposited film thickness becomes a desired film thickness. Until this process is repeated.

次に、第8図(a),(b)は上述した酸化薄膜形成
方法を用いて形成した酸化物薄膜示す説明図である。こ
こで、同図(a)はSi基板上に成長したSrXBa1-XO混晶
膜、同図(b)は同図(a)の後方散乱・チャンエリン
グスペクトルを示してしる。なお、同図(b)の矢印Ba
はBaの信号開始点を示し、矢印SrはSrの信号開始点を示
している。
Next, FIGS. 8A and 8B are explanatory views showing an oxide thin film formed by using the above-described oxide thin film forming method. Here, (a) shows the Sr X Ba 1 -X O mixed crystal film grown on the Si substrate, and (b) shows the backscattering / changing spectrum of (a). The arrow Ba in FIG.
Indicates the signal start point of Ba, and the arrow Sr indicates the signal start point of Sr.

さて、同図(a)の成長した膜は第7図に示した超高
真空蒸着装置を用いて、SrO及びBaOを酸化物ソースとし
て、蒸着と排気の行程を交互に繰り返し、且つ所望の組
成を実現するため各々の一回当たりの蒸着量を制御して
形成した膜である。ここで、結晶品質の目安となる表面
付近におけるランダムイールドに対するアラインイール
ドの比は、約3.7%(同図(b)における破線の位置に
おける比)であり、Si上に形成された酸化物としては、
極めて優れた値を実現することができる。
The grown film shown in FIG. 7A is alternately subjected to the steps of vapor deposition and evacuation by using the ultrahigh vacuum vapor deposition apparatus shown in FIG. 7 with SrO and BaO as oxide sources, and has a desired composition. Is a film formed by controlling the amount of vapor deposition per one time to realize the above. Here, the ratio of the align yield to the random yield near the surface, which is a measure of the crystal quality, is about 3.7% (the ratio at the position indicated by the broken line in FIG. 3B). ,
Extremely good values can be realized.

このように、本実施例における酸化物薄膜形成方法
は、酸化物ソースを一定のランプレートで変化する電子
ビームで衝撃加熱することにより、ソースから発生する
酸化物分子強度及び酸素分子強度の比が加熱を開始した
時点からの時間により変わることに着目し、化学量論的
組成を満足した膜を形成するのに最適な強度比の時のみ
基板への蒸着を行なう。
As described above, according to the method for forming an oxide thin film in this embodiment, the ratio of the intensity of the oxide molecules to the intensity of the oxygen molecules generated from the source is increased by shock-heating the oxide source with an electron beam that changes at a constant ramp rate. Paying attention to the fact that it changes depending on the time from the start of heating, vapor deposition is performed on the substrate only when the intensity ratio is optimal to form a film satisfying the stoichiometric composition.

また、この蒸着行程と排気行程を交互に繰り返し、排
気行程においては超項真空領域になるまで速やかに排気
を行ない、蒸着分子の表面泳動を十分に促進する。
In addition, the vapor deposition process and the exhaust process are alternately repeated, and in the exhaust process, the gas is evacuated quickly until a hyper-vacuum region is reached, and the surface migration of the vapor deposited molecules is sufficiently promoted.

さらに、多元酸化物成長においては、必要な複数の構
成の酸化物ソースを順次断続的に蒸発させている。
Furthermore, in multi-element oxide growth, a plurality of necessary oxide sources are sequentially and intermittently evaporated.

従って、本実施例は従来の連続的電子ビーム衝撃法と
異なり、基板に入射する酸化物分子強度と酸素分子強度
の比を変えることにより、酸化物成長初期過程において
はSi基板の酸化を抑制し、その後は成長膜の酸素欠損が
生じないように入射酸素分子数を多くして成長すること
が可能である。
Therefore, in the present embodiment, unlike the conventional continuous electron beam bombardment method, the oxidation of the Si substrate is suppressed in the initial stage of the oxide growth by changing the ratio of the intensity of the oxide molecules to the intensity of the oxygen molecules incident on the substrate. After that, it is possible to grow the film by increasing the number of incident oxygen molecules so that oxygen deficiency of the growth film does not occur.

また、酸化物ソースを用いるので、酸素雰囲気で金属
を常直する方法と異なり、酸素分圧を高くする必要が無
く、成長中の圧力を高真空に保てるので、吸着分子の表
面泳動が促進させる。そして、断続的な蒸着の繰り返し
を行なうので、従来の連続蒸着と異なり、基板が電子銃
の浮遊電子で帯電することがない。
In addition, since an oxide source is used, unlike the method of straightening a metal in an oxygen atmosphere, there is no need to increase the oxygen partial pressure, and the pressure during growth can be maintained at a high vacuum, which promotes surface migration of adsorbed molecules. . Since the intermittent deposition is repeated, unlike the conventional continuous deposition, the substrate is not charged by the floating electrons of the electron gun.

また、イオン化真空蒸着法、クラスターイオンビーム
蒸着法、スパッタリング法とは異なり、エネルギーの高
いイオンが酸化物成長膜に衝突することがないので、物
理的衝撃による点欠陥の発生がない。
Further, unlike ionized vacuum evaporation, cluster ion beam evaporation, and sputtering, ions with high energy do not collide with the oxide growth film, so that point defects do not occur due to physical impact.

なお、上記実施例においては、第8図(a)に示すよ
うに、Si上に形成したSrXBa1-XO単結晶薄膜の例を示し
たが、本発明に係わる酸化物薄膜形成方法は汎用性があ
り、種々の基板の上にその他の多元酸化物の単結晶薄膜
を成長することができる。
In the above embodiment, as shown in FIG. 8 (a), the example of the Sr X Ba 1-X O single crystal thin film formed on Si is shown, but the method of forming an oxide thin film according to the present invention is described. Is versatile and can grow single crystal thin films of other multi-element oxides on various substrates.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、電子ビームのランプレ
ートを制御することにより、酸化物ソースから基板に向
かって飛来する酸化物分子束強度と酸素分子束強度との
比が所定の値に達したときのみ前記基板上に酸化物薄膜
を形成するようにしたので、基板上に、基板を酸化させ
ること無く、しかも酸化物の成長膜の酸素欠損を抑制し
ながら、化学量論的組成を満足した高品質な酸化物単結
晶薄膜を形成するとができる。これにより、アルカリ土
類金属酸化物、スピネル、サファイヤ等の絶縁物や酸化
物高温超伝導体の単結晶薄膜をSi等の半導体基板上に形
成することができるようになるので、極薄膜SOI素子や
積層化LSIの実現、高温超伝導現象と従来のSiを母材と
したマイクロエレクトロニクスとの同一基板上での復合
化等に有効である。
As described above, according to the present invention, by controlling the ramp rate of the electron beam, the ratio between the intensity of the oxide molecular flux and the intensity of the oxygen molecular flux flying from the oxide source toward the substrate reaches a predetermined value. Only when the oxide thin film was formed on the substrate, the stoichiometric composition was satisfied on the substrate without oxidizing the substrate and suppressing the oxygen deficiency in the oxide growth film. A high-quality oxide single crystal thin film can be formed. This makes it possible to form single-crystal thin films of insulators such as alkaline earth metal oxides, spinel and sapphire and oxide high-temperature superconductors on semiconductor substrates such as Si. And the realization of stacked LSI, high-temperature superconductivity and the integration of conventional Si-based microelectronics on the same substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の酸化物薄膜形成方法を実施するための
超高真空蒸着装置の構成図、第2図は第1図に示した電
子銃1における電子ビーム電流の制御例を示す特性図、
第3図は四重極質量分析器7で測定して各ガス種の信号
強度を示した特性図、第4図はSi基板に単位時間に入射
するO2とBaOとの分子数比を示した特性図、第5図
(a)〜(c)は第1図における電子ビームの加熱,シ
ャッター及び真空度の変化を示したタイムチャート、第
6図は本発明の多元の酸化物を成長させるための超高真
空蒸着装置の構成図、第7図は第6図における電子ビー
ムの加熱,シャッター及び真空度の変化を示したタイム
チャート、第8図(a),(b)は上述した酸化物薄膜
形成方法を用いて形成した酸化物薄膜を示す説明図であ
る。 1,21〜23……電子銃、2……ペレット、3,26……制御
系、4,33……Si基板、5……水晶振動子、6……四重極
質量分析器、7……ヌードイオンゲージ、8,24……シャ
ッター、9……基板ホルダー、10,28……下方排気系、1
1,12,31,32……上方排気系、13,35……超高真空槽、25
……基板ホルダー、27,29,30……ゲートバルブ、34……
ネードイオンゲージ。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultra-high vacuum vapor deposition apparatus for carrying out the oxide thin film forming method of the present invention, and FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of controlling an electron beam current in the electron gun 1 shown in FIG. ,
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the signal intensity of each gas species measured by the quadrupole mass spectrometer 7, and FIG. 4 is a diagram showing the number ratio of O 2 and BaO incident on the Si substrate per unit time. 5 (a) to 5 (c) are time charts showing the electron beam heating, the shutter and the change in the degree of vacuum in FIG. 1, and FIG. 6 grows a multi-element oxide according to the present invention. FIG. 7 is a configuration diagram of an ultra-high vacuum vapor deposition apparatus for this purpose, FIG. 7 is a time chart showing heating of an electron beam, a shutter and changes in the degree of vacuum in FIG. 6, and FIGS. FIG. 4 is an explanatory view showing an oxide thin film formed by using the method for forming an object thin film. 1,21 to 23 ... Electron gun, 2 ... Pellet, 3,26 ... Control system, 4,33 ... Si substrate, 5 ... Quartz resonator, 6 ... Quadrupole mass analyzer, 7 ... … Nude ion gauge, 8,24 …… Shutter, 9 …… Substrate holder, 10,28 …… Lower exhaust system, 1
1,12,31,32 …… Upper exhaust system, 13,35 …… Ultra-high vacuum chamber, 25
…… Substrate holder, 27,29,30 …… Gate valve, 34 ……
Nade ion gauge.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C23C 14/00-14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】超高真空槽内に設けられた酸化物ソースを
電子ビームで加熱、蒸発させることにより、基板上に酸
化物薄膜を形成する酸化物薄膜形成方法において、 前記電子ビームのランプレートを制御することにより、
酸化物ソースから基板に向かって飛来する酸化物分子束
強度と酸素分子束強度との比が所定の値に達したときの
み前記基板上に酸化物薄膜を形成するようにしたことを
特徴とする酸化物薄膜形成方法。
1. An oxide thin film forming method for forming an oxide thin film on a substrate by heating and evaporating an oxide source provided in an ultra-high vacuum chamber with an electron beam, comprising the steps of: By controlling the
An oxide thin film is formed on the substrate only when the ratio between the intensity of the oxide molecular flux and the intensity of the oxygen molecular flux that fly from the oxide source toward the substrate reaches a predetermined value. An oxide thin film forming method.
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