JP3205666B2 - Method for synthesizing CeO2 epitaxial single crystal thin film on Si single crystal substrate - Google Patents

Method for synthesizing CeO2 epitaxial single crystal thin film on Si single crystal substrate

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JP3205666B2
JP3205666B2 JP18625494A JP18625494A JP3205666B2 JP 3205666 B2 JP3205666 B2 JP 3205666B2 JP 18625494 A JP18625494 A JP 18625494A JP 18625494 A JP18625494 A JP 18625494A JP 3205666 B2 JP3205666 B2 JP 3205666B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、エピタキシャル成長に
よって半導体基板の上に絶縁性のCeO2 薄膜を合成す
る方法に関する。
The present invention relates to a method for synthesizing an insulating CeO 2 thin film on a semiconductor substrate by epitaxial growth.

【0002】[0002]

【従来の技術】Siに代表される半導体結晶基板上に形
成される絶縁層として、従来のSiO 2 薄膜に代えCa
2 ,ZrO2 等のセラミックス薄膜の使用が検討され
ている。セラミックス薄膜は、蒸着,スパッタリング,
CVD等によって結晶基板上に形成される。なかでも、
CeO2 をエピタキシャル成長させた結晶基板は、Ce
2 が高温で不活性の緩衝層として働くことに着目し、
SOI(silicon−on−insulato
r),スタッキングメモリー,FETデバイス,DRA
Mメモリー等としての展開が期待されている。スパッタ
リング法,CVD法,金属蒸発源を用いた酸化反応性蒸
着法等では、一般に10-5トールを超える高い圧力のガ
ス雰囲気中で製膜されるため、基板であるSi単結晶表
面の清浄度による影響が大きく現れる。
2. Description of the Related Art Formed on a semiconductor crystal substrate represented by Si
As an insulating layer to be formed, a conventional SiO 2 Two Ca instead of thin film
FTwo , ZrOTwo The use of ceramic thin films such as
ing. Ceramic thin films are deposited, sputtered,
It is formed on a crystal substrate by CVD or the like. Above all,
CeOTwo The crystal substrate on which is epitaxially grown is Ce
OTwo Focus on the fact that acts as an inert buffer layer at high temperatures,
SOI (silicon-on-insulato)
r), stacking memory, FET device, DRA
The development as M memory etc. is expected. Spatter
Oxidation-reactive evaporation using ring method, CVD method, metal evaporation source
Generally, 10-FiveHigh pressure gas exceeding torr
The substrate is a single crystal silicon
The effect of surface cleanliness is significant.

【0003】セラミックス材料を蒸発源として使用する
蒸着法では、セラミックス材料が一般に高融点材料であ
ることから、電子線加熱を蒸発手段として採用してい
る。このとき、セラミックス材原料が常に溶融状態に維
持されるため、たとえば酸化物セラミックス等の場合、
溶融状態の原料から高真空度の雰囲気中に酸素が選択的
に離脱しやすくなる。離脱酸素は瞬時に結晶基板表面を
覆い、基板表面上で成長している膜の結晶性に悪影響を
及ぼす。すなわち、400℃を超える通常の製膜温度で
は、Si結晶の清浄表面が離脱酸素で容易に酸化され、
SiOx 層が形成される。SiOx 層は、構造がランダ
ムなアモルファス状態をとる。そのため、その上に形成
されるべきセラミックス層は、基板結晶の構造を反映し
ない多結晶膜や面内でランダムな優先配向膜になりやす
い。また、酸素の離脱に伴って、原料の酸素量が化学量
論組成より少なくなり、セラミックス材層の品質を低下
させる。
In a vapor deposition method using a ceramic material as an evaporation source, electron beam heating is employed as an evaporating means since the ceramic material is generally a high melting point material. At this time, since the ceramic material is always kept in a molten state, for example, in the case of oxide ceramics,
Oxygen is easily released selectively from the molten raw material into a high vacuum atmosphere. The released oxygen instantaneously covers the surface of the crystal substrate and adversely affects the crystallinity of the film grown on the substrate surface. That is, at a normal film forming temperature exceeding 400 ° C., the clean surface of the Si crystal is easily oxidized by desorbed oxygen,
An SiO x layer is formed. The SiO x layer has an amorphous state with a random structure. Therefore, the ceramic layer to be formed thereon is likely to be a polycrystalline film that does not reflect the structure of the substrate crystal or a random preferential alignment film in a plane. Further, with the release of oxygen, the amount of oxygen of the raw material becomes smaller than the stoichiometric composition, and the quality of the ceramic material layer is deteriorated.

【0004】セラミックス材料の蒸発に付随する問題を
解消し、高品質のエピタキシャル成長層を得るため、従
来から種々の方法が検討されている。たとえば、J.A
ppl.Phys.69(12),15 June 1
991,pp8313−8315では、(111)Si
基板上にエピタキシャル成長するCeO2 層の温度依存
性が報告されている。この報告では、分子線エピタキシ
ャル法において200〜850℃の温度範囲に基板を保
持し、CeO2 薄膜の結晶性に与える基板温度の影響を
調査している。そして、超高真空で蒸着させるとき、基
板温度が200℃以下の低温でも十分なエピタキシャル
層が形成されることが開示されている。また、Jpn.
J.Appl.Phys.Vol.33(1994)p
p270−274では、反応スパッタリングに先立つ金
属Ce層の形成及び酸化がCeO2 層のエピタキシャル
成長に有効であることを開示している。
[0004] In order to solve the problems accompanying the evaporation of the ceramic material and obtain a high quality epitaxially grown layer, various methods have been conventionally studied. For example, in J.I. A
ppl. Phys. 69 (12), 15 June 1
991, pp8313-8315, (111) Si
The temperature dependence of a CeO 2 layer epitaxially grown on a substrate has been reported. In this report, the influence of the substrate temperature on the crystallinity of the CeO 2 thin film is investigated while maintaining the substrate in the temperature range of 200 to 850 ° C. in the molecular beam epitaxy method. It is disclosed that when vapor deposition is performed in an ultra-high vacuum, a sufficient epitaxial layer can be formed even at a low substrate temperature of 200 ° C. or lower. Also, Jpn.
J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) p
In P270-274, discloses that the formation and oxidation of the metal Ce layer prior to the reactive sputtering is effective in epitaxial growth of the CeO 2 layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】分子線エピタキシャル
法は、従来の方法に比較して基板温度を下げることが可
能であるものの、基板温度が150℃付近になると多結
晶が生成し易い。良好な結晶性をもつ単結晶を得るため
には、依然として200℃を超える加熱温度が要求され
る。他方、反応スパッタリング法では、基板を400℃
以上に加熱しないと単結晶が得られず、250℃となる
と多結晶が生成する。ところで、セラミックス材料を高
真空中でレーザーアブレッシングし、半導体基板の清浄
表面にセラミックス薄膜をエピタキシャル成長させる方
法が特開平3−232550号公報で紹介されている。
この方法では、清浄に保持された基板表面と成長膜との
相互作用のみによってセラミックス材層がエピタキシャ
ル成長するため、不純物に起因する悪影響がなく、良質
の結晶特性をもつエピタキシャル層が得られる。しか
し、この場合にも基板温度を600〜800℃の範囲に
維持することが要求される。
In the molecular beam epitaxy method, although the substrate temperature can be lowered as compared with the conventional method, polycrystal is easily generated when the substrate temperature is around 150 ° C. To obtain a single crystal having good crystallinity, a heating temperature still exceeding 200 ° C. is required. On the other hand, in the reactive sputtering method,
If not heated, a single crystal cannot be obtained, and if the temperature reaches 250 ° C., a polycrystal is formed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-232550 discloses a method in which a ceramic material is subjected to laser abrasion in a high vacuum to epitaxially grow a ceramic thin film on a clean surface of a semiconductor substrate.
According to this method, since the ceramic material layer is epitaxially grown only by the interaction between the substrate surface and the growth film that are kept clean, there is no adverse effect due to impurities, and an epitaxial layer having good crystal characteristics can be obtained. However, also in this case, it is required to maintain the substrate temperature in the range of 600 to 800 ° C.

【0006】従来の方法では、何れも高温に保持した結
晶基板にセラミックス材層をエピタキシャル成長させて
いる。基板表面が高温になっていると、表面にある原子
や分子が活発になり、成長界面に乱れが生じる。その上
でエピタキシャル成長が進行するため、得られるセラミ
ックス材層は、成長界面の乱れに起因して結晶特性が低
下する。その結果、界面欠陥密度の上昇によってリーク
電流が増加したり、或いは結晶性の劣化に伴って絶縁膜
の誘電率が低下することがある。本発明は、このような
問題を解消すべく案出されたものであり、成長界面に乱
れを生じさせない常温でのエピタキシャル成長を可能と
し、結晶特性が良好で均質なCeO2 薄膜を合成するこ
とを目的とする。
In each of the conventional methods, a ceramic material layer is epitaxially grown on a crystal substrate kept at a high temperature. When the substrate surface is at a high temperature, atoms and molecules on the surface are activated, and the growth interface is disturbed. Since epitaxial growth proceeds thereon, the resulting ceramic material layer has reduced crystal characteristics due to disorder of the growth interface. As a result, the leak current may increase due to an increase in the interface defect density, or the dielectric constant of the insulating film may decrease due to the deterioration of the crystallinity. The present invention has been devised in order to solve such a problem, and it has been made possible to synthesize a CeO 2 thin film having good crystal properties and uniformity by enabling epitaxial growth at room temperature without causing a disorder at the growth interface. Aim.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明のCeO2 エピタ
キシャル単結晶薄膜合成方法は、その目的を達成するた
め、表面を清浄にしたSi基板を10-7トール以下の高
真空雰囲気に配置し、CeO2 ターゲットのレーザアブ
レーションにより生成した蒸気を前記Si基板の表面に
蒸着させ、蒸着膜の厚みが5nmに達する前に前記真空
雰囲気の酸素ポテンシャルを10-6トール以上に上昇さ
せ、継続してレーザアブレーション蒸着することを特徴
とする。Si基板を常温に維持したSi基板に対してC
eO2 を蒸着させるとき、成長界面の乱れに起因した悪
影響が排除され、結晶特性に優れたエピタキシャル成長
薄膜が得られる。成長後期における真空雰囲気は、酸素
ガス,オゾン,酸素ラジカル等の酸化性ガスを導入する
ことにより酸素ポテンシャルが調整される。蒸着対象で
あるSi基板としては、HF処理した後、NH4 F処理
で表面にHを終端させたものを使用することが望まし
い。水素終端は、Si基板表面の耐酸化性を向上させ、
空気中に数時間放置した後でも非晶質のシリコン酸化膜
がSi基板表面に形成することを抑制する。また、常温
での蒸着が可能であることから、熱に弱い有機レジスト
膜を形成したSi基板に対しても同様にCeO2 単結晶
薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
In order to achieve the object, a method for synthesizing a CeO 2 epitaxial single crystal thin film of the present invention comprises placing a Si substrate having a cleaned surface in a high vacuum atmosphere of 10 -7 Torr or less. Vapor generated by laser ablation of a CeO 2 target is vapor-deposited on the surface of the Si substrate, and before the thickness of the vapor-deposited film reaches 5 nm, the oxygen potential in the vacuum atmosphere is increased to 10 −6 Torr or more, and laser is continuously applied. It is characterized by ablation deposition. With respect to the Si substrate maintained at room temperature, C
When eO 2 is deposited, an adverse effect due to disorder of the growth interface is eliminated, and an epitaxially grown thin film having excellent crystal characteristics can be obtained. The oxygen potential of the vacuum atmosphere in the later stage of growth is adjusted by introducing an oxidizing gas such as oxygen gas, ozone, or oxygen radical. As the Si substrate to be vapor-deposited, it is desirable to use a substrate having a surface terminated with H by NH 4 F treatment after HF treatment. Hydrogen termination improves the oxidation resistance of the Si substrate surface,
The formation of an amorphous silicon oxide film on the Si substrate surface is suppressed even after being left in air for several hours. Further, since vapor deposition at room temperature is possible, a CeO 2 single crystal thin film can be similarly epitaxially grown on a Si substrate on which an organic resist film weak to heat is formed.

【0008】[0008]

【作用】酸化物をターゲットとしてレーザアブレーショ
ン蒸着するとき、酸素,金属等の酸化膜構成元素が基板
上に同時に供給される。このとき、基板温度を常温に維
持しておくと、不均一な熱分布に起因する乱れが蒸着界
面に生じることがない。この状態で蒸着を進行させると
き、極めて真空度の高い蒸着雰囲気であっても雰囲気中
に酸素が逸散することなく、所定の酸化物薄膜を構成す
るのに必要な量の酸素が金属元素と共に基板表面に供給
される。その結果、基板表面の結晶方位を倣った酸化物
薄膜が基板表面にエピタキシャル成長する。また、製膜
室の窓を介してレーザを導入するレーザアブレーション
による蒸着を採用しているため、酸化物ターゲット以外
からの酸素元素や不純物異種元素の混入がない。そのた
め、蒸発源の酸素がそのまま蒸着膜として消費され、生
成したエピタキシャル成長膜の組成安定性が向上する。
When laser ablation deposition is performed using an oxide as a target, elements constituting an oxide film such as oxygen and metal are simultaneously supplied onto the substrate. At this time, if the substrate temperature is maintained at room temperature, disturbance due to uneven heat distribution does not occur at the deposition interface. When the deposition proceeds in this state, even in a deposition atmosphere with a very high degree of vacuum, oxygen does not escape into the atmosphere, and the amount of oxygen necessary to form a predetermined oxide thin film is included together with the metal element. It is supplied to the substrate surface. As a result, an oxide thin film imitating the crystal orientation of the substrate surface grows epitaxially on the substrate surface. Further, since vapor deposition by laser ablation in which a laser is introduced through a window of a film formation chamber is employed, there is no mixing of an oxygen element or an impurity element other than an oxide target. Therefore, the oxygen of the evaporation source is consumed as it is as a deposited film, and the composition stability of the generated epitaxially grown film is improved.

【0009】生成した薄膜は、基板最表面の結晶方位の
影響を受けながらエピタキシャル成長するため、成長の
進行に伴って基板からの影響が減少し、結晶の乱れに伴
う酸素欠陥を生じやすい。酸素欠陥があると、その部分
での抵抗値が低下し電流リークを生じる原因となる。そ
こで、成長後期に雰囲気の酸素ポテンシャルを上げ、雰
囲気からの酸素取込みを図る。これにより、全成長工程
を通じて必要な酸素量が成長界面に供給され、結晶特性
に優れた酸化物薄膜が得られる。成長前期における雰囲
気は、1×10-7トール以下の高真空度に維持する。こ
の真空度は、ターゲットから蒸発したCeO2 組成に対
応する量のCe及びO2をSi基板表面に搬送する上で
重要なファクターである。真空度が1×10-7トールを
超えると、CeO2 組成に比べて過剰の酸素が取り込ま
れ、CeO2 以外の結晶相の出現や基板結晶方位に一致
しない多結晶等の非エピタキシャル相の生成等の欠陥が
生じやすくなる。
Since the formed thin film grows epitaxially while being affected by the crystal orientation of the outermost surface of the substrate, the influence of the substrate is reduced as the growth proceeds, and oxygen defects are likely to occur due to disorder of the crystal. If there is an oxygen vacancy, the resistance value at that portion will decrease, causing current leakage. Therefore, the oxygen potential of the atmosphere is raised in the latter half of the growth to take in oxygen from the atmosphere. Thereby, a necessary amount of oxygen is supplied to the growth interface throughout the entire growth process, and an oxide thin film having excellent crystal characteristics can be obtained. The atmosphere in the early growth period is maintained at a high vacuum of 1 × 10 −7 Torr or less. This degree of vacuum is an important factor in transporting Ce and O 2 in amounts corresponding to the CeO 2 composition evaporated from the target to the Si substrate surface. When the degree of vacuum exceeds 1 × 10 −7 Torr, excess oxygen is taken in as compared with the CeO 2 composition, and the appearance of crystal phases other than CeO 2 and the formation of non-epitaxial phases such as polycrystals that do not match the substrate crystal orientation are generated. And other defects are likely to occur.

【0010】この高真空度でCeO2 薄膜をSi基板の
表面に、約50Åの膜厚までエピタキシャル成長させ
る。CeO2 薄膜がこの程度の厚みに達すると、Si基
板からの元素蒸発が抑制され、表面の乱れに起因した結
晶欠陥がCeO2 薄膜に持ち込まれなくなる。CeO2
薄膜が約50Åまで成長した段階で、酸素ガス,オゾ
ン,酸素ラジカル等の導入によって雰囲気の酸素ポテン
シャルを1×10-6トール以上に上昇させる。Ceは、
酸素親和力が非常に高い元素であることから、不足しが
ちな酸素を雰囲気から取り込み、化学量論組成をもつC
eO2 薄膜を成長させる。
At this high vacuum, a CeO 2 thin film is epitaxially grown on the surface of the Si substrate to a thickness of about 50 °. When the CeO 2 thin film reaches such a thickness, element evaporation from the Si substrate is suppressed, and crystal defects caused by surface irregularities are not brought into the CeO 2 thin film. CeO 2
When the thin film has grown to about 50 °, the oxygen potential of the atmosphere is raised to 1 × 10 −6 Torr or more by introducing oxygen gas, ozone, oxygen radicals, and the like. Ce is
Since oxygen is an element having a very high oxygen affinity, oxygen, which tends to be insufficient, is taken in from the atmosphere, and C having a stoichiometric composition
Grow an eO 2 thin film.

【0011】[0011]

【実施例】Si基板として、5インチのSi(111)
を使用した。しかし、本発明はこれに拘束されるもので
はなく、Si(110)やSi(100)等も使用可能
である。また、基板を加熱することなくエピタキシャル
成長させるため、基板のサイズに制約を受けることがな
い。アセトン,エタノール等の有機溶媒を用いてSi基
板を超音波洗浄し、温度80℃に維持された35%HC
l−31%H22 水溶液に10分間浸漬し、Si基板
の表面を酸化した。次いで、室温の10%HF溶液で5
分間処理し、Si基板の表面から酸化膜を除去した。し
かし、HF処理されたSi基板は、原子間力顕微鏡によ
る観察で表面の凹凸が激しくなっていた。そこで、室温
の40%NH4 F溶液で5分間処理することにより、酸
化膜を更に除去すると共にSi基板表面を水素終端させ
た。NH4 F処理後のSi基板は、表面凹凸が減少した
平坦な表面を呈し、水素終端に起因して空気中での安定
性が優れていた。
EXAMPLE As a Si substrate, 5-inch Si (111) was used.
It was used. However, the present invention is not limited to this, and Si (110), Si (100), and the like can be used. Further, since the substrate is grown epitaxially without heating, there is no restriction on the size of the substrate. The Si substrate is ultrasonically cleaned using an organic solvent such as acetone or ethanol, and 35% HC maintained at a temperature of 80 ° C.
The substrate was immersed in a 1-31% H 2 O 2 aqueous solution for 10 minutes to oxidize the surface of the Si substrate. Then 5% with a 10% HF solution at room temperature.
After that, the oxide film was removed from the surface of the Si substrate. However, the surface of the HF-treated Si substrate became severe when observed with an atomic force microscope. Then, the oxide film was further removed by performing treatment with a 40% NH 4 F solution at room temperature for 5 minutes, and the surface of the Si substrate was terminated with hydrogen. The Si substrate after the NH 4 F treatment exhibited a flat surface with reduced surface irregularities, and had excellent stability in air due to hydrogen termination.

【0012】このようにして表面調製されたSi基板
を、クリーンルーム中で製膜室にセットした。製膜室
は、内圧が10-7トール以下になるまで真空排気した。
真空雰囲気に維持されたCeO2 ターゲットに、集光レ
ンズを介して波長248nmのパルスエキシマレーザー
を集光させた。このとき、CeO2 ターゲット上でのレ
ーザーエネルギー密度が1ジュール/cm2 となるよう
に、照射条件を設定した。また、Si基板は、加熱する
ことなく常温に維持した。この条件下で蒸着を行ったと
ころ、製膜速度は0.1Å/パルスであった。膜厚が5
0Å(5nm)に達した時点で、酸素ポテンシャルが1
×10-6トール以上となるように酸素ガスを製膜室に導
入した。そして、酸素ポテンシャルを上げた雰囲気中で
製膜を継続した。以上のステップでCeO2 薄膜を合成
するとき、雰囲気条件を表1に示すように変更させ、雰
囲気条件がCeO2 薄膜の結晶特性に及ぼす影響を調査
した。
The Si substrate whose surface was prepared in this manner was set in a film forming room in a clean room. The film forming chamber was evacuated until the internal pressure became 10 −7 Torr or less.
A pulse excimer laser having a wavelength of 248 nm was focused on a CeO 2 target maintained in a vacuum atmosphere via a focusing lens. At this time, irradiation conditions were set so that the laser energy density on the CeO 2 target was 1 Joule / cm 2 . Further, the Si substrate was maintained at room temperature without heating. When deposition was performed under these conditions, the film formation rate was 0.1 ° / pulse. Film thickness 5
When the temperature reaches 0 ° (5 nm), the oxygen potential becomes 1
Oxygen gas was introduced into the film forming chamber so as to be at least 10 -6 Torr. Then, film formation was continued in an atmosphere with an increased oxygen potential. When synthesizing the CeO 2 thin film in the above steps, the atmosphere conditions were changed as shown in Table 1, and the influence of the atmosphere conditions on the crystal characteristics of the CeO 2 thin film was investigated.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】得られたCeO2 薄膜を単色化したX線
(CuKα線)によって回折し、スペクトル分布を調査
した。その結果、図1(a)に示すように、全期間を通
じて1×10-9の同じ真空度の真空雰囲気中で蒸着した
ものにあっては、回折角θ=±1度の比較的広い範囲に
わたってCeO2 薄膜のピークが見られた。これは、生
成したCeO2 薄膜に結晶特性が異なるものが混入して
いることを示す。回折角θの広がりは、全期間を通じた
酸素ポテンシャルを1×10-6に上昇させることによっ
て、図1(b)に示すように抑えることができた。しか
し、この場合は、Si基板の結晶方位に一致しない複数
のピークがみられ、CeO2 (200),CeO2 (2
20),CeO2 (311)等の混入が確認された。そ
の結果、得られた薄膜は、エピタキシャル成長していな
い部分があり、結晶特性に劣っていた。
The obtained CeO 2 thin film was diffracted by monochromatic X-rays (CuKα rays), and the spectral distribution was examined. As a result, as shown in FIG. 1 (a), in the case of vapor deposition in a vacuum atmosphere of the same degree of vacuum of 1 × 10 −9 throughout the entire period, the diffraction angle θ = ± 1 degree in a relatively wide range , A peak of the CeO 2 thin film was observed. This indicates that the resulting CeO 2 thin film has a different crystal characteristic mixed therein. The spread of the diffraction angle θ could be suppressed as shown in FIG. 1B by increasing the oxygen potential throughout the entire period to 1 × 10 −6 . However, in this case, a plurality of peaks not matching the crystal orientation of the Si substrate were observed, and CeO 2 (200) and CeO 2 (2
20), contamination of CeO 2 (311) and the like was confirmed. As a result, the obtained thin film had a portion that was not epitaxially grown, and had poor crystal characteristics.

【0015】これに対し、成長開始時における雰囲気を
真空度を1×10-9トールに維持し、10分経過後に雰
囲気の酸素ポテンシャルを高めた(c)及び(d)にあ
っては、何れも図1の(c)及び(d)にみられるよう
に、回折角θのバラツキが抑制されていた。すなわち、
結晶方位の異なるCeO2 の混入が回避され、且つ酸素
欠陥のないCeO2 薄膜の作成が確認された。条件
(b)及び(d)で得られたCeO2 薄膜について、反
射高速電子線回折(RHEED)パターンを調査した。
調査結果を、図2に対比して示す。条件(b)で得られ
た薄膜には図2(a)に示すように、多結晶の存在を示
すリングパタ−ンが検出された。条件(d)で得られた
薄膜には図2(b)に示すように、線状模様がみられ、
Si基板表面におけるCeO2 薄膜のエピタキシャル成
長が確認された。
On the other hand, in the cases (c) and (d), the atmosphere at the start of growth was maintained at a vacuum degree of 1 × 10 −9 Torr and the oxygen potential of the atmosphere was increased after 10 minutes. Also, as shown in FIGS. 1C and 1D, the variation in the diffraction angle θ was suppressed. That is,
It was confirmed that CeO 2 having a different crystal orientation was prevented from being mixed and a CeO 2 thin film having no oxygen defect was formed. With respect to the CeO 2 thin film obtained under the conditions (b) and (d), a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern was examined.
The survey results are shown in comparison with FIG. As shown in FIG. 2A, a ring pattern indicating the presence of polycrystal was detected in the thin film obtained under the condition (b). The thin film obtained under the condition (d) has a linear pattern as shown in FIG.
Epitaxial growth of a CeO 2 thin film on the surface of the Si substrate was confirmed.

【0016】また、図1において、X線回折のCeO2
(222)ピーク強度は、プロセス(c)のCeO2
膜で8,000となっているのに対し、プロセス(d)
のCeO2 薄膜では25,000と高い値を示してい
る。このことから、10分経過後の酸素ポテンシャルが
高いプロセス(d)の方が、より結晶特性に優れた薄膜
を得るのに適しているといえる。3MeVに加速された
Heイオンを用いてラザフォード後方散乱(RBS)測
定したプロセス(d)によるCeO2 薄膜のスペクトル
結果を図3に示す。図3において、上の線は、結晶方位
に対してランダムな向きからHeイオンを入射させたと
きのランダムスペクトルで、下の線は結晶方位に揃えて
入射させたときのアラインドスペクトルである。ランダ
ムスペクトルに対するアラインドスペクトル線の強度比
が小さいほど、結晶性が良好なことを示す。
In FIG. 1, CeO 2 of X-ray diffraction is shown.
(222) The peak intensity of the CeO 2 thin film in the process (c) is 8,000, whereas the peak intensity is 8,000 in the process (d).
Shows a high value of 25,000 for the CeO 2 thin film. From this, it can be said that the process (d) having a high oxygen potential after 10 minutes is more suitable for obtaining a thin film having more excellent crystal characteristics. FIG. 3 shows a spectrum result of the CeO 2 thin film by the process (d) in which Rutherford backscattering (RBS) measurement was performed using He ions accelerated to 3 MeV. In FIG. 3, the upper line is a random spectrum when He ions are incident from a random direction with respect to the crystal orientation, and the lower line is an aligned spectrum when the He ions are incident with the crystal orientation aligned. The smaller the intensity ratio of the aligned spectrum line to the random spectrum, the better the crystallinity.

【0017】ランダムスペクトルとアラインドスペクト
ルとの強度比は、Ceのところでは最小でχmin =28
%となっており、Si基板上にCeO2 が完全にエピタ
キシャル成長していることを示している。ランダムスペ
クトルとアラインドスペクトルの差は、多結晶試料では
差がなくχmin =100%となり、結晶性の悪いもので
はχmin が50%を下回ることはない。この点、RBS
スペクトルでχmin ≦50%であれば十分なエピタキシ
ーを保持していると評価されるものであり、本発明に従
って得られたχmin =28%の薄膜が非常に結晶特性に
優れたものであることが判る。
The intensity ratio between the random spectrum and the aligned spectrum is minimum at Ce at χ min = 28.
%, Indicating that CeO 2 is completely epitaxially grown on the Si substrate. The difference between the random spectrum and the aligned spectrum is not different in a polycrystalline sample, and χ min = 100%, and 、 min does not fall below 50% in a sample having poor crystallinity. In this regard, RBS
If χ min ≦ 50% in the spectrum, it is evaluated that sufficient epitaxy is maintained, and the thin film of χ min = 28% obtained according to the present invention has very excellent crystal characteristics. You can see that.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、レーザアブレーション蒸着を採用することにより、
常温に維持されたSi基板表面へのCeO2 薄膜のエピ
タキシャル成長が可能となり、成長界面の乱れに起因し
た結晶欠陥が持ち込まれないCeO2 薄膜が得られる。
また、成長後期には雰囲気の酸素ポテンシャルを上昇さ
せ、Ce自体の高い酸素親和力を活用して、不足しがち
な酸素を雰囲気から取り込み、化学量論組成をもつCe
2 薄膜を合成している。このようにして得られたCe
2 薄膜は、Si基板に対する格子マッチングが良く、
高絶縁性であるCeO2 自体の長所を十分に生かした薄
膜となり、各種半導体デバイスの絶縁膜として使用され
る。
As described above, in the present invention, by employing laser ablation vapor deposition,
Enables CeO 2 thin film epitaxial growth to have been Si substrate surface maintained at room temperature, CeO 2 thin film crystal defects caused by the disturbance of the growth interface is not brought to obtain.
In the latter stage of growth, the oxygen potential of the atmosphere is raised, and oxygen, which tends to be insufficient, is taken in from the atmosphere by utilizing the high oxygen affinity of Ce itself.
O 2 thin film is synthesized. Ce obtained in this way
O 2 thin film has good lattice matching to Si substrate,
It is a thin film that makes full use of the advantages of CeO 2 itself, which has high insulating properties, and is used as an insulating film for various semiconductor devices.

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

【図1】 雰囲気の酸素ポテンシャルが薄膜の結晶構造
に与える影響を示すX線回折パターン
FIG. 1 X-ray diffraction pattern showing the effect of oxygen potential in the atmosphere on the crystal structure of a thin film

【図2】 薄膜の結晶性を示す電子線回折(RHEE
D)パターン
FIG. 2 shows an electron diffraction (RHEE) showing the crystallinity of a thin film.
D) Pattern

【図3】 薄膜のエピタキシー性を示すラザフォード後
方散乱(RBS)スペクトル
FIG. 3. Rutherford backscattering (RBS) spectrum showing epitaxy of thin films

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 CA (STN) JICST file (JOIS)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 表面を清浄にしたSi基板を10-7トー
ル以下の高真空雰囲気に配置し、CeO2 ターゲットの
レーザアブレーションにより生成した蒸気を前記Si基
板の表面に蒸着させ、蒸着膜の厚みが5nmに達する前
に前記真空雰囲気の酸素ポテンシャルを10-6トール以
上に上昇させ、継続してレーザアブレーション蒸着する
ことを特徴とするCeO2 エピタキシャル単結晶薄膜の
合成方法。
1. A Si substrate whose surface has been cleaned is placed in a high vacuum atmosphere of 10 −7 Torr or less, and vapor generated by laser ablation of a CeO 2 target is deposited on the surface of the Si substrate. A method for synthesizing a CeO 2 epitaxial single crystal thin film, wherein the oxygen potential in the vacuum atmosphere is increased to 10 −6 Torr or more before the temperature reaches 5 nm, and laser ablation deposition is continuously performed.
【請求項2】 Si基板を常温に維持し、CeO2 を蒸
着させる請求項1記載の合成方法。
2. The method according to claim 1, wherein the Si substrate is kept at room temperature and CeO 2 is deposited.
【請求項3】 酸素ガス,オゾン,酸素ラジカル等の酸
化性ガスを導入することにより真空雰囲気の酸素ポテン
シャルを上昇させる請求項1記載の合成方法。
3. The method according to claim 1, wherein the oxygen potential in a vacuum atmosphere is increased by introducing an oxidizing gas such as oxygen gas, ozone, or oxygen radical.
【請求項4】 HF処理した後、NH4 F処理で表面に
Hを終端させたSi基板を使用する請求項1記載の合成
方法。
4. The method according to claim 1, wherein after the HF treatment, a Si substrate whose surface is terminated with H by NH 4 F treatment is used.
【請求項5】 請求項1又は4記載のSi基板の一部表
面に有機レジスト膜を設け、該有機レジスト膜で覆われ
ていない前記Si基板の表面上にCeO2 のエピタキシ
ャル単結晶薄膜を成長させる合成方法。
5. An organic resist film is provided on a part of the surface of the Si substrate according to claim 1, and an epitaxial single crystal thin film of CeO 2 is grown on a surface of the Si substrate which is not covered with the organic resist film. Synthesis method
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