JP3223233B2 - Oxide thin film, substrate for electronic device, and method of forming oxide thin film - Google Patents

Oxide thin film, substrate for electronic device, and method of forming oxide thin film

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JP3223233B2 JP09302495A JP9302495A JP3223233B2 JP 3223233 B2 JP3223233 B2 JP 3223233B2 JP 09302495 A JP09302495 A JP 09302495A JP 9302495 A JP9302495 A JP 9302495A JP 3223233 B2 JP3223233 B2 JP 3223233B2
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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、Si単結晶基板上に形
成されたZrOを主成分とするエピタキシャルである
酸化物薄膜、それを用いた電子デバイス用基板および上
記酸化物薄膜の形成方法に関するものである。
The present invention relates to an oxide thin film is an epitaxial mainly composed of ZrO 2 formed on the Si single crystal substrate, a method of forming the substrate and the oxide thin film for electronic devices using the same It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体結晶基板であるSi基板上に、超
電導膜または誘電体膜を形成、集積化した電子デバイス
が考案されている。半導体と超電導体または誘電体を組
み合わせることにより、たとえば、半導体と超電導体の
組み合わせでは、SQUID、ジョセフソン素子、超電
導トランジスタ、電磁波センサーおよび超電導配線LS
I等、半導体と誘電体では、集積度のさらに高いLS
I、SOI技術による誘電体分離LSI、不揮発性メモ
リー、赤外線センサー、光変調器および光スイッチOE
IC(光・電子集積回路:opto-electronic integrated
circuits )等が試作されている。
2. Description of the Related Art An electronic device in which a superconducting film or a dielectric film is formed and integrated on an Si substrate which is a semiconductor crystal substrate has been devised. By combining a semiconductor and a superconductor or a dielectric, for example, in a combination of a semiconductor and a superconductor, a SQUID, a Josephson element, a superconducting transistor, an electromagnetic wave sensor, and a superconducting wiring LS
In semiconductors and dielectrics such as I, LS with higher integration
I, dielectric isolation LSI using SOI technology, nonvolatile memory, infrared sensor, optical modulator and optical switch OE
IC (Opto-electronic integrated circuit: opto-electronic integrated
circuits) are being prototyped.

【0003】これら超電導体材料または誘電体材料を用
いた半導体デバイスにおいて、最適なデバイス特性およ
びその再現性を確保するためには、超電導体材料および
誘電体材料として単結晶を用いることが必要である。多
結晶体では粒界による物理量の攪乱のため、良好なデバ
イス特性を得ることが難しい。このことは薄膜材料につ
いても同様で、できるだけ完全な単結晶に近い超電導ま
たは誘電体エピタキシャル膜が望まれる。
In a semiconductor device using such a superconductor material or a dielectric material, it is necessary to use a single crystal as the superconductor material and the dielectric material in order to secure optimum device characteristics and reproducibility thereof. . In the case of a polycrystal, it is difficult to obtain good device characteristics due to disturbance of physical quantities by grain boundaries. The same is true for thin film materials, and a superconducting or dielectric epitaxial film that is as close to a perfect single crystal as possible is desired.

【0004】応用的に価値のある、おもな酸化物超電導
体および強誘電体の結晶構造は、ペロブスカイト構造を
とっている。ペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル
成長は基板の材料と結晶方位に大きく依存し、ペロブス
カイト型酸化物をSi基板上へ直接エピタキシャル成長
させることは、現在のところ不可能である。そこで、S
iにエピタキシャル成長したバッファ層を設け、その上
にペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル成長させる
ことが、Appl.Phys.Lett.,Vol.5
4,No.8,p.754−p.756(1989)、
Japanese Journal of Appli
ed Physics,Vol.27,No.4,L6
34−635(1988)および特開平2−82585
号公報に述べられている。
[0004] The crystal structures of the main oxide superconductors and ferroelectrics, which are valuable in application, have a perovskite structure. Epitaxial growth of perovskite oxide largely depends on the material and crystal orientation of the substrate, and it is not possible at present to directly grow perovskite oxide on a Si substrate. Then, S
i is provided with an epitaxially grown buffer layer, on which a perovskite oxide is epitaxially grown. Phys. Lett. , Vol. 5
4, No. 8, p. 754-p. 756 (1989),
Japanese Journal of Appli
Physics, Vol. 27, no. 4, L6
34-635 (1988) and JP-A-2-82585.
No. pp. 147-64.

【0005】特に、ZrO2 は、基板のSi結晶と格子
整合がよく、さらにペロブスカイト結晶との格子整合も
また優れているため、早くから、Si基板とペロブスカ
イト結晶膜とのバッファ材として、Si基板上のZrO
2 エピタキシャル膜が注目されている。
In particular, since ZrO 2 has good lattice matching with the Si crystal of the substrate and also has excellent lattice matching with the perovskite crystal, ZrO 2 is used as a buffer material between the Si substrate and the perovskite crystal film from an early stage. ZrO
2. Epitaxial films are attracting attention.

【0006】さらに、ZrO2 は、高い化学安定性、絶
縁性、広いバンドギャップ(約5eV)、大きい誘電率
(約20)を具備し、このため、Si上のエピタキシャ
ルZrO2 膜は、前記バッファ層のみならず、SOIデ
バイス、DRAM用のキャパシターとして利用可能であ
る。
Furthermore, ZrO 2 is high chemical stability, insulation, wide band gap (about 5 eV), equipped with a large dielectric constant (approximately 20), Thus, epitaxial ZrO 2 film on Si, the buffer It can be used not only as a layer but also as a capacitor for SOI devices and DRAMs.

【0007】従来、ZrO2 エピタキシャル膜の製造に
ついて、種々の方法および組成が検討されてきた。例え
ば、Appl.Phys.Lett.,Vol.53,
No.16,p.1506−08(1988)(以下、
第1従来例と称す)には、ZrO2 にY2 3 を添加し
たYSZ( Yttria-stabilized zirconia )酸化物ター
ゲットを用い、イオンビームスパッタ法により、Si
(100)基板上にYSZのエピタキシャル膜が得られ
ることが述べられている。また、上記Japanese
Journal of Applied Physi
cs,Vol.27,No.8,L1404−05(1
988)(以下、第2従来例と称す)には、酸素を導入
した真空槽内でYSZペレットを電子線銃により蒸発さ
せる蒸着法より、Si(100)基板上にYSZのエピ
タキシャル膜が得られることが述べられている。更に、
Appl.Phys.Lett.,Vol.57,N
o.11,p.1137−39(1990)(以下、第
3従来例と称す)には、YSZターゲットを用いたレー
ザーアブレーション法により、Si(100)基板上に
YSZのエピタキシャル膜が得られることが述べられて
いる。更にまた、 ThinSolid Films,299,17-23(1993)
(以下、第4従来例と称す)には、金属Zr上にY片を
のせたターゲットを用いた反応性マグネトロンスパッタ
リング法により、Si(100)基板上にYSZのエピ
タキシャル膜が得られることが述べられている。
Conventionally, various methods and compositions have been studied for producing a ZrO 2 epitaxial film. For example, Appl. Phys. Lett. , Vol. 53,
No. 16, p. 1506-08 (1988) (hereinafter, referred to as
In the first conventional example), an YSZ (Yttria-stabilized zirconia) oxide target obtained by adding Y 2 O 3 to ZrO 2 was used, and Si was produced by ion beam sputtering.
It is stated that a YSZ epitaxial film can be obtained on a (100) substrate. In addition, the above Japanese
Journal of Applied Physi
cs, Vol. 27, no. 8, L1404-05 (1
988) (hereinafter referred to as a second conventional example), a YSZ epitaxial film is obtained on a Si (100) substrate by a vapor deposition method in which a YSZ pellet is evaporated by an electron gun in a vacuum chamber into which oxygen is introduced. That is stated. Furthermore,
Appl. Phys. Lett. , Vol. 57, N
o. 11, p. 1137-39 (1990) (hereinafter, referred to as a third conventional example) states that an YSZ epitaxial film can be obtained on a Si (100) substrate by a laser ablation method using a YSZ target. Furthermore, ThinSolid Films, 299, 17-23 (1993)
(Hereinafter referred to as a fourth conventional example) states that an YSZ epitaxial film can be obtained on a Si (100) substrate by a reactive magnetron sputtering method using a target in which a Y piece is placed on metal Zr. Have been.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、YSZ
膜は、主として、機能膜をエピタキシャル成長させるた
めのバッファ膜として使用されるものであるが、高品質
の機能膜を得るためには、バッファ膜の格子定数と機能
膜の格子定数のマッチングの他、バッファ膜の結晶性お
よび表面性が良好なことが必要である。バッファ膜の結
晶性は、XRD(X線回折)における反射ピークのロッ
キングカーブの半値幅や、反射高速電子線回折(Reflct
ion High Energy Electron Diffraction−以下、RHE
EDと称することがある)による像のパターンで調べる
ことができる。また、表面性は、RHEED像のストリ
ーク性、および原子間力電子顕微鏡(以下、AFMと称
することがある)で測定した表面粗さ(十点平均粗さ)
で調べることができる。
As described above, YSZ
The film is mainly used as a buffer film for epitaxially growing a functional film, but in order to obtain a high-quality functional film, besides matching the lattice constant of the buffer film with the lattice constant of the functional film, It is necessary that the buffer film has good crystallinity and surface properties. The crystallinity of the buffer film is determined by the half width of the rocking curve of the reflection peak in XRD (X-ray diffraction) and the reflection high-speed electron diffraction (Reflct
ion High Energy Electron Diffraction-RHE
(Sometimes referred to as ED). In addition, the surface properties are streak properties of RHEED images and surface roughness (ten-point average roughness) measured by an atomic force electron microscope (hereinafter, sometimes referred to as AFM).
You can find out at

【0009】ところが、上記の従来の方法を工業的に用
いる場合、以下の問題が生じる。第1従来例のように、
YSZターゲットをスパッタリング法で用いると、Zr
およびYのスパッタリングイールドが異なるため、新し
いターゲットを使用して行くとターゲット表面のZr/
Y組成に経時変化を生じる。また、第1従来例で得られ
たYSZ膜のRHEED像はストリークだがあまりシャ
ープではない。なお、YSZ膜結晶の(002)反射ピ
ークのロッキングカーブや他の表面性についての解析は
全く行なわれていないが、これらは良好でないと考えら
れる。
However, when the above conventional method is used industrially, the following problems occur. As in the first conventional example,
When a YSZ target is used by a sputtering method, Zr
And the sputtering yields of Y are different, the Zr /
Y composition changes with time. The RHEED image of the YSZ film obtained in the first conventional example is streak but not very sharp. The rocking curve of the (002) reflection peak of the YSZ film crystal and other surface properties have not been analyzed at all, but these are considered to be unsatisfactory.

【0010】第2従来例のように、蒸着によっても、Y
SZペレットが電子線を照射され、真空中で高温(約2
000℃以上)になり、Zr、Y、Oの分解が起こり、
ペレットの組成に経時変化を生じる。Zr/Yの組成が
異なると主にYSZ結晶の格子定数が変化するばかり
か、Zr、Y、Oの組成により結晶性も変化する。ま
た、得られたYSZ膜のRHEED像は、スポットとな
っており、表面性が悪いことを示している。なお、ロッ
キングカーブや他の表面性についての解析は全く行なわ
れていないが、これらは良好でないと考えられる。
[0010] As in the second conventional example, Y is also obtained by vapor deposition.
The SZ pellet is irradiated with an electron beam and heated in vacuum at a high temperature (about 2
000 ° C. or higher), and decomposition of Zr, Y, and O occurs.
The composition of the pellet changes over time. When the composition of Zr / Y is different, not only the lattice constant of the YSZ crystal changes, but also the crystallinity changes depending on the composition of Zr, Y, and O. Further, the obtained RHEED image of the YSZ film is a spot, which indicates that the surface property is poor. Although rocking curves and other surface properties have not been analyzed at all, it is considered that these are not good.

【0011】第3従来例のように、レーザーアブレーシ
ョン法においては、ターゲット表面の組成経時変化はほ
とんどないが、大面積(10cm2 以上)のSiウエハー
に分布よくYSZは形成できない。これはレーザーによ
るターゲット蒸発物質の放出方向が限られ、均一にYS
Zが形成される領域がSi基板内の一部であるためであ
る。他材料においても、レーザーアブレーション法では
この現象がみられる。また、一般に焼結体である酸化物
ターゲットおよびペレットは高純度化しにくく、純度の
高いYSZエピタキシャル膜を製造するためには不適当
である。また、得られたYSZ膜のロッキングカーブの
半値幅が0.71°で優れており、またAFMで測定し
た表面粗さも1nm程度と優れたものが得られることが述
べられているが、AFMによる表面像には部分的に析出
物とみられるパーティクルが観察され、この部分の凹凸
は2nm以上ある。このパーティクルはレーザーアブレー
ションを用いて作製した膜によく見られるもので、大き
なエネルギーレーザーでターゲットを蒸発させるため、
大きなクラスターが膜に付着してしまうためと考えられ
ている。なお、RHEED等の他の特性については触れ
られていない。
As in the third conventional example, in the laser ablation method, although the composition of the target surface hardly changes with time, YSZ cannot be formed on a large-area (10 cm 2 or more) Si wafer with good distribution. This is because the direction in which the target evaporating substance is emitted by the laser is limited,
This is because the region where Z is formed is a part in the Si substrate. This phenomenon is also observed in other materials in the laser ablation method. In addition, oxide targets and pellets, which are generally sintered bodies, are difficult to be highly purified, and are unsuitable for producing a highly pure YSZ epitaxial film. Further, it is described that the obtained YSZ film has an excellent rocking curve half-width of 0.71 ° and an excellent surface roughness measured by AFM of about 1 nm. Particles which are considered to be precipitates are partially observed in the surface image, and the unevenness in this portion is 2 nm or more. These particles are often found in films made using laser ablation, and because a large energy laser evaporates the target,
It is thought that large clusters adhere to the film. Other characteristics such as RHEED are not mentioned.

【0012】第4従来例のように、金属ターゲットを用
いたスパッタ法では、上記の組成変動は少ないが、薄膜
表面がスパッタガスであるArおよびO2 のプラズマに
さらされ結晶性が乱れるといった問題がある。また、得
られたYSZ膜のRHEED像もシャープでなく、ロッ
キングカーブ半値幅も1.6°と劣っている。なお、得
られたYSZ膜の他の特性については全く触れられてい
ない。
[0012] As in the fourth conventional example, the sputtering method using a metal target, the above compositional variation is small, the thin film surface is exposed to plasma of Ar and O 2 is sputter gas problem crystallinity is disturbed There is. The RHEED image of the obtained YSZ film is not sharp, and the half width of the rocking curve is inferior to 1.6 °. No other characteristics of the obtained YSZ film are mentioned.

【0013】また、Appl.Phys.58(6),
15 September 1985 の第2407ペ
ージ、およびAppl.Phys.63(2),15
January 1988 の第581ページ等に、
「ZrO2 がSi単結晶基板上にエピタキシャル成長で
きる。」ことが報告されている。その結晶は単一配向膜
でなく、ほかの結晶面が含まれることが述べられてい
る。通常バルクのZrO2は、2500℃以上で立方
晶、2500℃から1000℃付近で正方晶、1000
℃付近から室温で単斜晶になる。一般にエピタキシャル
薄膜においては対称性の高い立方晶が得られやすい。こ
れは立方晶では等価な結晶面が、正方晶、単斜晶に比べ
て多く存在するためである。正方晶、単斜晶の材料は立
方晶の材料より等価でない結晶面が多く存在するため、
得ようとする配向面の他に、異なる結晶面が混入しやす
い。したがって、ZrO2 の場合も室温で単斜晶の材料
であるので、これまで、単一配向のエピタキシャル膜は
得られていない。
Further, Appl. Phys. 58 (6),
15 September 1985, page 2407, and Appl. Phys. 63 (2), 15
On page 581 of January 1988,
It is reported that "ZrO 2 can be epitaxially grown on a Si single crystal substrate." It is stated that the crystal is not a single orientation film but includes other crystal planes. Usually, bulk ZrO 2 is cubic at 2500 ° C. or higher, tetragonal at 2500 ° C. to around 1000 ° C., 1000
It becomes monoclinic from around ℃ to room temperature. Generally, a cubic crystal with high symmetry is easily obtained in an epitaxial thin film. This is because cubic crystals have more equivalent crystal planes than tetragonal crystals and monoclinic crystals. Because tetragonal and monoclinic materials have more non-equivalent crystal planes than cubic materials,
In addition to the orientation plane to be obtained, a different crystal plane is likely to be mixed. Therefore, since ZrO 2 is also a monoclinic material at room temperature, a single-oriented epitaxial film has not been obtained so far.

【0014】前記Appl.Phys.58(6),1
5 September 1985の第2407ページ
には、ZrO2 の成膜温度が800℃以下では、単斜晶
のZrO2 膜が得られ、800℃では正方晶のZrO2
膜が得られると述べられている。これらのZrO2 膜に
おいては、ZrO2 の(002)配向面以外に(11
1)、(11−1)または(200)の結晶面が存在す
ることが示され、ZrO2 の単一配向膜は得られていな
い。また、これまでZrO2 単一配向膜が得られたとの
報告例はない。また、膜の反射高速電子線回折 ( Refle
ction High Energy Electron Diffraction−以下、RH
EEDと称することがある)によるZrO2 膜結晶表面
の評価では、RHEED像がスポットであることが述べ
られており、その表面に大きな凹凸が存在すると考えら
れる。このように、ZrO2 のエピタキシャル膜の結晶
性および表面性が良好な膜はこれまで得られていない。
さらに、ZrO2 膜を用いた半導体デバイスは、これま
で作製評価されたことはないが、上記のように、単一配
向でない場合、異なる配向面同士の界面に粒界が形成さ
れ、また、表面性の悪い場合には、その上に形成される
電極または半導体との界面が乱れる。したがって、粒界
および界面での物理量の撹乱のため、絶縁性の低下、界
面特性の悪化などが生じ、良好なデバイス特性を得るこ
とが難しい。
The above Appl. Phys. 58 (6), 1
5 September The first 2407 pages of 1985, at a deposition temperature of the ZrO 2 is 800 ° C. or less, ZrO 2 film is obtained monoclinic, 800 ° C. in the tetragonal ZrO 2
It is stated that a film is obtained. In these ZrO 2 films, (11) other than the (002) orientation plane of ZrO 2
It is shown that 1), (11-1) or (200) crystal planes exist, and a single orientation film of ZrO 2 has not been obtained. There is no report that a single orientation film of ZrO 2 has been obtained so far. In addition, reflection high-energy electron diffraction (Refle
ction High Energy Electron Diffraction-below, RH
Evaluation of the ZrO 2 film crystal surface by EED) states that the RHEED image is a spot, and it is considered that large irregularities are present on the surface. Thus, a film having good crystallinity and surface properties of a ZrO 2 epitaxial film has not been obtained so far.
Further, a semiconductor device using a ZrO 2 film has not been fabricated and evaluated so far. However, as described above, when the semiconductor device is not unidirectionally oriented, a grain boundary is formed at an interface between different orientation planes, and When the property is poor, the interface with the electrode or semiconductor formed thereon is disturbed. Therefore, due to the disturbance of the physical quantity at the grain boundary and the interface, a decrease in the insulating property, a deterioration in the interface characteristics, and the like occur, and it is difficult to obtain good device characteristics.

【0015】以上の従来例のように、バッファ層として
のYSZ膜のロッキングカーブ半値幅、表面粗さ、RH
EED像におけるストリーク性のいずれかでも良好でな
い場合には、その上に、高品質にエピタキシャル成長さ
れた機能膜を得ることができない。
As in the above conventional example, the rocking curve half width, surface roughness, RH of the YSZ film as the buffer layer
If any of the streak characteristics in the EED image is not good, a functional film epitaxially grown with high quality cannot be obtained thereon.

【0016】そこで本発明は、結晶性および表面性の良
好なZrO2 を主成分とするエピタキシャル酸化物薄
膜、この酸化物薄膜を備える電子デバイス用基板、およ
び上記酸化物薄膜の形成方法を提供することを目的とす
るものである。
Accordingly, the present invention provides an epitaxial oxide thin film mainly composed of ZrO 2 having good crystallinity and surface properties, an electronic device substrate provided with the oxide thin film, and a method for forming the oxide thin film. The purpose is to do so.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(18)の本発明により達成される。 (1) Si単結晶基板上に形成され、組成Zr1-x
x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属であり、x
=0〜0.75である。また、δは0〜0.5であ
る。)のエピタキシャル膜であり、その(002)面ま
たは(111)面の反射のロッキングカーブの半値幅が
1.5°以下で、かつ表面の少なくとも80%が、基準
長さ500nmでの十点平均粗さRz が0.60nm以下で
あることを特徴とする酸化物薄膜。 (2) Siの単結晶基板上に形成された組成ZrO2
の単一配向エピタキシャル膜であり、前記単一配向エピ
タキシャル膜が酸素を除く構成元素のみに換算してZr
を93%以上含有し、前記単一配向エピタキシャル膜の
(002)面または(111)面の反射のロッキングカ
ーブの半値幅が1.5°以下であり、前記単一配向エピ
タキシャル膜は、その表面の少なくとも80%が、基準
長さ500nmでの十点平均粗さRzが2nm以下である酸
化物薄膜。 (3) 前記Si単結晶基板として、その基板表面が、
Zr金属と酸素により形成された1×1の表面構造を有
するSi表面処理基板を用いる上記(1)または(2)
の酸化物薄膜。 (4) 前記単結晶基板として、Si単結晶を、その
(100)面または(111)面が基板表面となるよう
に用いる上記(1)ないし(3)のいずれかの酸化物薄
膜。 (5) 10cm2 以上の面積を有する上記(1)ないし
(4)のいずれかの酸化物薄膜。 (6) 上記(1)ないし(5)のいずれかの酸化物薄
膜を基板表面にもつ電子デバイス用基板。 (7) Siの単結晶基板上に形成され、組成Zr1-x
x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属であり、
x=0〜0.75である。また、δは0〜0.5であ
る。)のエピタキシャル膜である酸化物薄膜の形成方法
であって、真空槽内を当初1×10-5Torr以上の真空に
し、この状態で、Siの単結晶基板を所定温度に加熱
し、次いで、Zrと、少なくとも1種の希土類金属(Y
を含む)の各金属元素とのうち少なくともZrを別々の
蒸発源からZrと希土類金属の比を制御しつつ同時に蒸
発させて単結晶基板の基板表面に金属を供給し、この金
属の供給と同時もしくは所定時間以内遅れて、上記真空
槽内に酸化性ガスを導入し、真空槽内の少なくとも単結
晶基板近傍の雰囲気を1×10-4〜1×10-2Torrとし
て、前記単結晶基板の基板表面に、酸化物薄膜をエピタ
キシャル成長させて形成することを特徴とする酸化物薄
膜の形成方法。 (8) 前記金属の蒸発による供給からの前記酸化性ガ
ス導入までの所定時間が、前記単結晶基板に形成される
金属薄膜の膜厚換算で、5nm以下に相当する時間である
上記(7)の酸化物薄膜の形成方法。 (9) 蒸発源からの希土類金属(Yを含む)/Zrの
モル比を0から3に制御しつつ同時に蒸発させる上記
(7)または(8)の酸化物薄膜の形成方法。 (10) 蒸発源からの希土類金属(Yを含む)/Zr
のモル比を0.25から1.0に制御しつつ同時に蒸発
させる上記(9)の酸化物薄膜の形成方法。 (11) Si単結晶基板上に形成された組成Zr1-x
x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属であり、
x=0〜0.75である。また、δは0〜0.5であ
る。)の単一配向エピタキシャル膜である酸化物薄膜の
形成方法であって、真空層内で、Si単結晶基板の加
熱、真空層内への酸化性ガスの導入、およびZrまたは
Zrと少なくとも1種の希土類金属(Yを含む)の単結
晶基板表面への蒸発による供給を行い、前記単結晶基板
の基板表面に、前記酸化物薄膜をエピタキシャル成長さ
せて前記組成の単一配向エピタキシャル膜を形成するこ
とを特徴とする酸化物薄膜の形成方法。 (12) 前記Si単結晶基板として、その基板表面
が、ZrまたはZrおよび少なくとも1種の希土類金属
(Yを含む)と、酸素とにより形成された1×1の表面
構造を有するSi表面処理基板を用いる上記(11)の
酸化物薄膜の形成方法。 (13) 前記Si表面処理基板として、その前記基板
表面に0.2〜10nmのSi酸化物層を形成し、この
後、基板温度を600〜1200℃に設定するととも
に、前記真空槽内に酸化性ガスを導入して少なくとも基
板近傍の雰囲気を1×10-4〜1×10-1Torrとし、こ
の状態で、前記Si酸化物層が形成された基板表面に、
ZrまたはZrと少なくとも1種の希土類金属(Yを含
む)とを蒸発により供給して、前処理したSi単結晶基
板を用いる上記(7)ないし(12)のいずれかの酸化
物薄膜の形成方法。 (14) 前記Si酸化物を形成する際、酸化性ガスを
導入した真空槽内で、Si単結晶基板を300〜700
℃に加熱し、真空槽内の少なくとも基板近傍の雰囲気の
酸素分圧を1×10-4Torr以上として、Si酸化物層を
形成する上記(13)の酸化物薄膜の形成方法。 (15) 前記Si単結晶基板として、Si単結晶を、
その(100)面または(111)面が基板表面となる
ように用いる上記(7)ないし(14)のいずれかの酸
化物薄膜の形成方法。 (16) 前記Si単結晶基板の表面に、その近傍から
酸化性ガスを噴射し、この前記単結晶基板近傍だけ他の
部分より酸化性ガス分圧の高い雰囲気を作る上記(7)
ないし(15)のいずれかの酸化物薄膜の形成方法。 (17) 前記Si単結晶基板を、基板表面面積が10
cm2 以上のものとするとともに、基板内で回転すること
により、前記酸化性ガス高分圧雰囲気を前記単結晶基板
の全体にわたって供し、この単結晶基板の全基板表面に
わたって実質的に均一な酸化物薄膜を形成する上記
(7)ないし(16)のいずれかの酸化物薄膜の形成方
法。 (18) 前記エピタキシャル膜を形成する際、前記S
i単結晶基板を750℃以上に加熱する上記(7)ない
し(17)のいずれかの酸化物薄膜の形成方法。
This and other objects are achieved by the present invention which is defined below as (1) to (18). (1) Composition Zr 1-x R formed on Si single crystal substrate
x O 2- δ (where R is a rare earth metal containing Y, x
= 0 to 0.75. Δ is 0 to 0.5. ) Wherein the half-width of the rocking curve of reflection of the (002) plane or the (111) plane is 1.5 ° or less, and at least 80% of the surface has a 10-point average with a reference length of 500 nm. An oxide thin film having a roughness Rz of 0.60 nm or less. (2) Composition ZrO 2 formed on Si single crystal substrate
Is a single-oriented epitaxial film, wherein the single-oriented epitaxial film is Zr in terms of only constituent elements excluding oxygen.
And the half-width of the rocking curve of reflection of the (002) plane or the (111) plane of the single-oriented epitaxial film is 1.5 ° or less, and the single-oriented epitaxial film has Is an oxide thin film having a ten-point average roughness Rz of 2 nm or less at a reference length of 500 nm. (3) As the Si single crystal substrate, the substrate surface is
The above (1) or (2) using a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen.
Oxide thin film. (4) The oxide thin film according to any one of (1) to (3), wherein a Si single crystal is used as the single crystal substrate so that the (100) plane or the (111) plane becomes the substrate surface. (5) The oxide thin film according to any one of (1) to (4), having an area of 10 cm 2 or more. (6) An electronic device substrate having the oxide thin film according to any one of (1) to (5) on a substrate surface. (7) Formed on a single crystal substrate of Si and having a composition of Zr 1-x
R x O 2- δ (where R is a rare earth metal containing Y,
x = 0 to 0.75. Δ is 0 to 0.5. A) a method of forming an oxide thin film which is an epitaxial film, wherein the inside of a vacuum chamber is initially evacuated to 1 × 10 −5 Torr or more, and in this state, the Si single crystal substrate is heated to a predetermined temperature; Zr and at least one rare earth metal (Y
At least Zr of each of the metal elements is simultaneously evaporated from separate evaporation sources while controlling the ratio of Zr and the rare earth metal to supply the metal to the substrate surface of the single crystal substrate, and simultaneously with the supply of this metal. Alternatively, within a predetermined time, an oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber, and the atmosphere at least in the vicinity of the single crystal substrate in the vacuum chamber is set to 1 × 10 −4 to 1 × 10 −2 Torr, and the A method for forming an oxide thin film, comprising forming an oxide thin film on a substrate surface by epitaxial growth. (8) The predetermined time from the supply of the metal by evaporation to the introduction of the oxidizing gas is a time corresponding to 5 nm or less in terms of the thickness of the metal thin film formed on the single crystal substrate. The method for forming an oxide thin film. (9) The method for forming an oxide thin film according to the above (7) or (8), wherein the molar ratio of rare earth metal (including Y) / Zr from the evaporation source is controlled from 0 to 3 and simultaneously evaporated. (10) Rare earth metal (including Y) from evaporation source / Zr
(9) The method for forming an oxide thin film according to the above (9), wherein the molar ratio is controlled from 0.25 to 1.0 and simultaneously vaporized. (11) Composition Zr 1-x formed on Si single crystal substrate
R x O 2- δ (where R is a rare earth metal containing Y,
x = 0 to 0.75. Δ is 0 to 0.5. A) heating a single crystal Si substrate in a vacuum layer, introducing an oxidizing gas into the vacuum layer, and at least one of Zr or Zr in a vacuum layer. Supplying the rare earth metal (including Y) by evaporation to the surface of the single crystal substrate, and epitaxially growing the oxide thin film on the substrate surface of the single crystal substrate to form a single oriented epitaxial film having the composition described above. A method for forming an oxide thin film, comprising: (12) As the Si single crystal substrate, the surface of the substrate is a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure formed of Zr or Zr and at least one rare earth metal (including Y) and oxygen. The method for forming an oxide thin film according to (11) above, wherein (13) As the Si surface-treated substrate, a 0.2 to 10 nm Si oxide layer is formed on the surface of the substrate, and thereafter, the substrate temperature is set to 600 to 1200 ° C., and the oxidation is performed in the vacuum chamber. By introducing a reactive gas, at least the atmosphere near the substrate is set to 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 Torr, and in this state, the surface of the substrate on which the Si oxide layer is formed is
The method for forming an oxide thin film according to any one of the above (7) to (12), wherein Zr or Zr and at least one rare earth metal (including Y) are supplied by evaporation to use a pretreated Si single crystal substrate. . (14) When forming the Si oxide, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced, in a range of 300 to 700.
(13) The method for forming an oxide thin film according to the above (13), wherein the oxide thin film is formed by heating to a temperature of at least 1 ° C. and setting the oxygen partial pressure of the atmosphere in the vacuum chamber at least near the substrate to 1 × 10 −4 Torr or more. (15) As the Si single crystal substrate, a Si single crystal is
The method for forming an oxide thin film according to any one of the above (7) to (14), wherein the (100) plane or the (111) plane is used as a substrate surface. (16) An oxidizing gas is injected from the vicinity of the surface of the Si single crystal substrate from the vicinity thereof, and an atmosphere having a higher partial pressure of the oxidizing gas than other portions is formed only in the vicinity of the single crystal substrate.
(15) The method for forming an oxide thin film according to any one of (15) to (15). (17) The Si single crystal substrate has a substrate surface area of 10
cm 2 or more, and rotating within the substrate to provide the oxidizing gas high partial pressure atmosphere over the entire single crystal substrate, thereby achieving substantially uniform oxidation over the entire substrate surface of the single crystal substrate. The method for forming an oxide thin film according to any one of the above (7) to (16), wherein the thin oxide film is formed. (18) When forming the epitaxial film, the S
The method for forming an oxide thin film according to any one of the above (7) to (17), wherein the i-single-crystal substrate is heated to 750 ° C. or higher.

【0018】[0018]

【発明の作用・効果】本発明の酸化物薄膜は、Si単結
晶基板表面に形成された組成Zr1-xx2-δ(ここ
で、RはYを含む希土類金属であり、Zr1-xx2-
δ好ましくはx=0〜0.75、さらに好ましくはx=
0.20〜0.50である)のエピタキシャル膜である
酸化物薄膜が、1.50°以下のロッキングカーブの半
値幅、および基準長さ500nmで0.60nm以下の十点
平均粗さRz を有しており、また組成ZrO2 のエピタ
キシャル膜を構成する結晶が単一配向であるので、該酸
化物薄膜をバッファ膜とし、その上に機能膜を形成する
とき、良好にエピタキシャル成長した高品質の機能膜を
得ることができる。
The oxide thin film of the present invention has a composition of Zr 1-x R x O 2 -δ formed on the surface of a Si single crystal substrate (where R is a rare earth metal containing Y, Zr 1-x R x O 2-
δ preferably x = 0 to 0.75, more preferably x =
Oxide thin film is an epitaxial film of a is) 0.20 to 0.50 is, 1.50 ° half-value width of less of a rocking curve, and the reference length 500nm with 0.60nm following ten-point average roughness R z In addition, since the crystal constituting the epitaxial film of the composition ZrO 2 has a single orientation, the oxide thin film is used as a buffer film, and when a functional film is formed thereon, a high quality epitaxially grown film is obtained. Can be obtained.

【0019】また、特に、単結晶基板をその面内で回転
させるときには、10cm2 以上の大面積で均一で高品質
の酸化物薄膜を得ることができる。
In particular, when the single crystal substrate is rotated in the plane, a uniform and high quality oxide thin film having a large area of 10 cm 2 or more can be obtained.

【0020】なお、特開平2−258700号公報に
は、単結晶酸化物基板上に、ペロブスカイト型の酸化物
(BaTiO3 )単結晶膜を共蒸着で成膜し、この成膜
にあたり、別々の蒸発源を用いて、組成比を制御するこ
と、基板近傍だけ酸素の圧力を高めること、および特定
の配向面をもった基板を用いる技術が開示されている。
しかし、特開平2−258700号公報に開示された技
術は、Y2 3 含有ZrO2 単結晶膜を対象とはせず、
しかも酸化物基板上への酸化膜の生成の技術であるた
め、基板の加熱過程である成膜準備中に酸化性ガス(酸
素ガス)を導入している。これに対して、本発明では、
非酸化物基板上に酸化物膜を形成する技術であるので、
特開平2−258700号の技術のように、成膜準備中
に酸化性ガス(酸素ガス)を導入した場合は、Si単結
晶基板の基板表面が酸化されて、酸化物薄膜(例えば、
SiO2 )が形成され、基板表面が劣化してしまう。こ
れに対して、本発明では、成膜準備中には、酸化性ガス
を導入しない状態でZrおよび希土類金属(Yを含む)
のうち少なくともZrを蒸発して、基板表面にまず金属
を供給し、こののち、同時またはやや遅らせて酸化性ガ
スを導入し、上記基板表面上に酸化物膜を形成する。ま
た、本発明の第2の方法では、Si表面を処理する方法
を用いて、特開平2−258700号公報における従来
の問題点を解決している。上記特開平2−258700
号公報には、このような特徴ある工程について全く記載
がない。さらに、上記特開平2−258700号公報に
開示された技術は、10cm2 以上の大表面積を有する基
板を全く対象としておらず、示唆すらもない。実際、特
開平2−258700号公報にも、基板面積2.25cm
2 (約15×15mm2 )の実施例があるだけである。本
発明においては、基板を基板面内で回転することによっ
て、基板面積を10cm2 以上を可能にしている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-258700, a perovskite oxide (BaTiO 3 ) single crystal film is formed on a single crystal oxide substrate by co-evaporation. Techniques of controlling the composition ratio using an evaporation source, increasing the pressure of oxygen only in the vicinity of the substrate, and using a substrate having a specific orientation surface are disclosed.
However, the technique disclosed in JP-A-2-258700 does not the target Y 2 O 3 containing ZrO 2 single crystal film,
Moreover, since this is a technique for forming an oxide film on an oxide substrate, an oxidizing gas (oxygen gas) is introduced during the preparation of a film, which is a heating process of the substrate. In contrast, in the present invention,
Since it is a technology to form an oxide film on a non-oxide substrate,
When an oxidizing gas (oxygen gas) is introduced during preparation for film formation as in the technique of JP-A-2-258700, the substrate surface of the Si single crystal substrate is oxidized and an oxide thin film (for example,
SiO 2 ) is formed, and the substrate surface is deteriorated. On the other hand, in the present invention, Zr and rare-earth metal (including Y) are not introduced during the film formation preparation without introducing an oxidizing gas.
Among them, at least Zr is evaporated to supply a metal to the substrate surface first, and thereafter, an oxidizing gas is introduced simultaneously or slightly with a delay to form an oxide film on the substrate surface. Further, the second method of the present invention solves the conventional problem in JP-A-2-258700 by using a method of treating a Si surface. JP-A-2-258700
In the publication, there is no description about such a characteristic process. Furthermore, the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-258700 does not target a substrate having a large surface area of 10 cm 2 or more at all, and does not suggest it. In fact, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-258700 discloses that the substrate area is 2.25 cm.
There are only 2 (about 15 × 15 mm 2 ) embodiments. In the present invention, the substrate area can be increased to 10 cm 2 or more by rotating the substrate in the substrate plane.

【0021】[0021]

【具体的構成】本発明の酸化物薄膜は、Si単結晶基板
表面に形成された組成Zr1-xx2-δ(ここで、R
はYを含む希土類金属であり、x=0〜0.75好まし
くは0.2〜0.50である)のエピタキシャル膜であ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The oxide thin film of the present invention is composed of a composition Zr 1-x R x O 2- δ (here, R
Is a rare earth metal containing Y, and x = 0 to 0.75, preferably 0.2 to 0.50).

【0022】この酸化物エピタキシャル膜結晶性はxの
範囲に依存し、一般に、xが0.2未満の小さい領域で
はZr1-xx2-δは正方晶の結晶になる。それ以上
では、立方晶になる。この酸化物薄膜を例えばバッファ
層として用いるには、上記のように単一の結晶性を有し
ていることが望ましい。特に、立方晶は結晶の対向性が
正方晶より高く、バッファ層として優れる。これはバッ
ファ層表面の結晶が正方晶より立方晶の方が規則正しく
配列しているため、その上に形成される機能膜の結晶性
が高くなるためと考えられる。
The crystallinity of this oxide epitaxial film depends on the range of x. In general, in a small region where x is less than 0.2, Zr 1 -x R x O 2 -δ becomes a tetragonal crystal. Above that, it becomes cubic. In order to use this oxide thin film as, for example, a buffer layer, it is desirable that the oxide thin film has a single crystallinity as described above. In particular, a cubic crystal has higher crystal opposition than a tetragonal crystal and is excellent as a buffer layer. This is presumably because the crystals on the buffer layer surface are more regularly arranged in the cubic system than in the tetragonal system, and the crystallinity of the functional film formed thereon is higher.

【0023】一方、xが0.75を越える領域では立方
晶であるが目的とする結晶面以外の面が混入する。例え
ばZr1-xx2-δの(100)エピタキシャル膜を
得ようとすると、この範囲では(111)の結晶が混入
する。
On the other hand, in the region where x exceeds 0.75, the crystal is cubic, but a plane other than the target crystal plane is mixed. For example, when an attempt is made to obtain a (100) epitaxial film of Zr 1 -x R x O 2 -δ, a crystal of (111) is mixed in this range.

【0024】すなわち、正方晶および立方晶のできる範
囲と、目的とする結晶面が得られる範囲からZr1-x
x2-δにおいてxは0〜0.75、好ましくは0.2
〜0.50の範囲でバッファ層として優れたエピタキシ
ャル膜が得られる。
That is, from the range where tetragonal and cubic crystals can be formed and the range where a desired crystal plane can be obtained, Zr 1 -xR
In xO2 - δ, x is 0 to 0.75, preferably 0.2
An epitaxial film excellent as a buffer layer can be obtained in the range of 0.50 to 0.50.

【0025】希土類金属は、酸化物薄膜の上に形成され
る機能膜の格子定数と、該酸化物薄膜の格子定数とを好
ましくマッチングさせるため、その種類が選択される。
例えば、希土類金属としてYを用いたZ0.70.32-
δ格子定数は0.515nmであった。この値はxの値に
より変化させることができる。この膜上に機能膜である
後述のYBCO膜(格子定数0.386nm)はZ0.7
0.32-δ膜表面の格子に対し45°回転することによ
り、格子はマッチングし、さらにxの値により調整可能
である。しかしながら、マッチングの調整可能領域がx
の範囲内では限界がある。そこで希土類の種類を変える
ことにより、マッチングを可能にすることができる。例
えばYの代わりに希土類のPrを用いる。このときZr
1-xx2-δの格子定数を大きくすることが可能にな
る。このように希土類の種類と量を選択することにより
機能膜の格子と好ましくマッチングすることができる。
The type of the rare earth metal is selected in order to preferably match the lattice constant of the functional film formed on the oxide thin film with the lattice constant of the oxide thin film.
For example, Z 0.7 R 0.3 O 2− using Y as a rare earth metal
δ lattice constant was 0.515 nm. This value can be changed by the value of x. A YBCO film (lattice constant: 0.386 nm), which is a functional film described later, is a Z 0.7 R film on this film.
By rotating by 45 ° with respect to the lattice on the surface of the 0.3 O 2- δ film, the lattice is matched and can be adjusted by the value of x. However, the adjustable region of matching is x
There is a limit within the range. Therefore, matching can be made possible by changing the type of rare earth. For example, rare earth Pr is used instead of Y. At this time, Zr
It is possible to increase the lattice constant of the 1-x R x O 2- δ . By selecting the kind and amount of the rare earth in this way, it is possible to preferably match the lattice of the functional film.

【0026】なお、酸素欠陥を含まない酸化ジルコニウ
ムは、化学式ZrO2 で表わせられるが、Yを含む希土
類を添加した酸化ジルコニウムは、添加した金属元素の
種類、量および価数により酸素の量が変化するため、本
発明の酸化物薄膜の組成を化学式Zr1-xx2-δと
δを用いて表わした。δは通常0〜0.5程度である。
The zirconium oxide containing no oxygen vacancies is represented by the chemical formula ZrO 2 , but the amount of oxygen changes depending on the type, amount and valence of the added metal element in the zirconium oxide containing a rare earth containing Y. For this purpose, the composition of the oxide thin film of the present invention was expressed using the chemical formulas Zr 1 -x R x O 2 -δ and δ. δ is usually about 0 to 0.5.

【0027】本発明の上記酸化物薄膜の(002)面ま
たは(111)面の反射のロッキングカーブの半値幅は
1.50°以下であり、また、表面の80%以上、好ま
しくは90%以上、特に95%以上のAFMによる表面
粗さ(十点平均粗さRz )が基準長さ500nmで0.6
0nm以下である。なお、上記のパーセンテージは、Zr
2 薄膜の全面にわたって平均に分布した任意の10ケ
所以上を測定しての値である。また、酸化物薄膜のRH
EED像もストリーク性が高い。すなわち、RHEED
像がストリークであって、しかもシャープである。以上
により、本発明の酸化物薄膜は、結晶性、およびその表
面性がともに良好である。したがって、本発明の酸化物
薄膜の表面上には、高品質の機能性エピタキシャル膜を
形成することができる。なお、上記ロッキングカーブの
半値幅および基準長さ500nmでの十点平均粗さRz
下限値は特にないが、小さければ小さいほど好ましい。
現在のところ、下限値は、ロッキングカーブの半値幅が
0.7°程度、基準長さ500nmでの十点平均粗さRz
が0.10nm程度である。
The half-width of the rocking curve of reflection of the (002) plane or the (111) plane of the oxide thin film of the present invention is 1.50 ° or less, and 80% or more, preferably 90% or more of the surface. In particular, the surface roughness (ten-point average roughness R z ) by AFM of 95% or more is 0.6 at a reference length of 500 nm.
0 nm or less. Note that the above percentage is expressed as Zr
It is a value obtained by measuring 10 or more arbitrary locations distributed on average over the entire surface of the O 2 thin film. Also, the RH of the oxide thin film
EED images also have high streak properties. That is, RHEED
The image is streak and sharp. As described above, the oxide thin film of the present invention has good crystallinity and good surface properties. Therefore, a high quality functional epitaxial film can be formed on the surface of the oxide thin film of the present invention. There is no particular lower limit for the half width of the rocking curve and the ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm, but the smaller the smaller, the better.
At present, the lower limit is a ten-point average roughness R z at a rocking curve half width of about 0.7 ° and a reference length of 500 nm.
Is about 0.10 nm.

【0028】また、特に上記酸化物薄膜が、酸素を除く
構成元素のみに換算してZrが93mol%以上の高純度の
組成ZrO2 のエピタキシャル膜である場合には、従来
は上記したように単一配向のものが得られていなかった
が、本発明により初めて酸素を除く構成元素のみに換算
してZrが93mol%以上の高純度の単一配向エピタキシ
ャル膜であるZrO2 薄膜が得られた。
In particular, when the above-mentioned oxide thin film is an epitaxial film having a high purity of ZrO 2 having a Zr content of 93 mol% or more in terms of only the constituent elements excluding oxygen, the conventional single-crystal oxide film is conventionally used as described above. Although a mono-oriented thin film was not obtained, the present invention was the first to obtain a ZrO 2 thin film as a high-purity single-oriented epitaxial film having a Zr of 93 mol% or more in terms of only the constituent elements excluding oxygen.

【0029】上記ZrO2 薄膜は、酸素を除く構成元素
に換算してZrを93mol%以上、特に95mol%以上、さ
らに98mol%以上、さらに99.5mol%以上であること
が好ましい。純度が高ければ高いほど絶縁抵抗も高くな
り、リーク電流も小さくなることから、絶縁基板に用い
ても好ましい。
The above-mentioned ZrO 2 thin film preferably has a Zr content of 93 mol% or more, especially 95 mol% or more, further 98 mol% or more, and further 99.5 mol% or more, in terms of constituent elements excluding oxygen. The higher the purity, the higher the insulation resistance and the smaller the leakage current.

【0030】上記Zrの含有量の上限は、現在のところ
99.99%である。
The upper limit of the Zr content is 99.99% at present.

【0031】上記酸化薄膜は、7mol%未満で希土類合金
やP等の不純物を含んでいてもよい。
The oxide thin film may contain impurities such as rare earth alloys and P at less than 7 mol%.

【0032】上記ZrO2 薄膜の結晶は、単一の配向面
のみ有し、その表面の80%以上、好ましくは90%以
上、特に95%以上が、基準長さ500nmでの十点平均
粗さRzが2nm以下である。また、上記のように単一の
配向面のみを有し、表面性が良好な場合には、その上に
形成される機能膜等との界面が良好である。したがっ
て、界面特性を向上させることができるので、満足のゆ
く絶縁性を保持し、良好なデバイス特性を得ることがで
きる。なお、ロッキングカーブの半値巾としては、前記
と同等の値が得られる。
The crystal of the ZrO 2 thin film has only a single orientation plane, and 80% or more, preferably 90% or more, particularly 95% or more of the surface has a ten-point average roughness at a reference length of 500 nm. Rz is 2 nm or less. In addition, when only a single orientation surface is provided as described above and the surface property is good, the interface with a functional film or the like formed thereon is good. Therefore, since the interface characteristics can be improved, satisfactory insulation properties can be maintained and good device characteristics can be obtained. In addition, as the half width of the rocking curve, the same value as described above is obtained.

【0033】上記ZrO2 薄膜のRHEED像は、その
ストリーク性が特に高い。すなわち、RHEED像がス
トリークであって、しかもシャープである。以上によ
り、このZrO2 薄膜は、単結晶となり、MISキャパ
シタの誘電体層等に用いると、粒界による物理量の撹乱
等がなくなり、良好な機能を発揮する。
The RHEED image of the ZrO 2 thin film has a particularly high streak property. That is, the RHEED image is streak and sharp. As described above, this ZrO 2 thin film becomes a single crystal, and when used for a dielectric layer of a MIS capacitor or the like, the physical quantity is not disturbed by grain boundaries and the like, and a good function is exhibited.

【0034】酸化物薄膜の膜厚は用途により異なるが、
バッファ層としては5〜500nm、好ましくは50〜1
50nm程度が好ましい。バッファ層としては、酸化物薄
膜の結晶性、表面性を損なわない程度に薄いものがよ
い。絶縁基板の絶縁層として用いる場合には、50〜5
00nm程度のものが好ましい。また、MISキャパシタ
の誘電体層やMISFETのゲート酸化物層等のように
半導体デバイスの酸化物層として用いる場合には、0.
5〜50nm、特に1〜30nmが好ましい。
Although the thickness of the oxide thin film varies depending on the application,
The buffer layer has a thickness of 5 to 500 nm, preferably 50 to 1 nm.
It is preferably about 50 nm. The buffer layer is preferably as thin as not to impair the crystallinity and surface properties of the oxide thin film. When used as an insulating layer of an insulating substrate, 50 to 5
A thickness of about 00 nm is preferable. Further, when it is used as an oxide layer of a semiconductor device, such as a dielectric layer of a MIS capacitor or a gate oxide layer of a MISFET, it is preferable to use 0.1.
It is preferably from 5 to 50 nm, particularly preferably from 1 to 30 nm.

【0035】上記酸化物薄膜の上に形成される機能膜
は、主にペロブスカイト構造を有するエピタキシャル膜
であり、具体的には、Bi系酸化物超電導膜、YBa2
Cu37-8 (YBCO)超電導膜等の高温超電導膜、
BaTiO3 、PbTiO3 、PZT、PLZT、その
他のPb系ペロブスカイト、その他Bi系ペロブスカイ
ト、Bi層状化合物等の強誘電体膜、さらには、La
1-x Srx CoO3 、La1-x Srx Cax RuO3
の酸化物導電膜が挙げられる。また、In23 (Sn
ドープ)、その他酸化物導電膜、Pt、Si、Ge、G
aAs等の半導体やメタルの膜成長用基板としても適す
る。
The functional film formed on the oxide thin film is an epitaxial film mainly having a perovskite structure, and specifically, a Bi-based oxide superconducting film, YBa 2
High temperature superconducting film such as Cu 3 O 7-8 (YBCO) superconducting film,
Ferroelectric films such as BaTiO 3 , PbTiO 3 , PZT, PLZT, other Pb-based perovskites, other Bi-based perovskites, Bi-layered compounds, and La
An oxide conductive film such as 1-x Sr x CoO 3 or La 1-x Sr x Ca x RuO 3 may be used. In addition, In 2 O 3 (Sn
Dope), other oxide conductive films, Pt, Si, Ge, G
It is also suitable as a substrate for growing a film of a semiconductor or metal such as aAs.

【0036】本発明の電子デバイス用基板は、均一な上
記酸化物薄膜を有する大面積基板、例えば10cm2 以上
の基板面積を持つことができる。これにより、基板のみ
ならずこの基板を用いて製造された電子デバイスも従来
に比べて極めて安価なものとなる。なお、基板の面積の
上限は特にないが、現状では2インチ〜8インチのSi
ウエハーを用いた半導体プロセス、特に6インチタイプ
が主流で、これに対応が可能である。
The electronic device substrate of the present invention can have a large-area substrate having a uniform oxide thin film, for example, a substrate area of 10 cm 2 or more. As a result, not only the substrate but also the electronic devices manufactured using this substrate are extremely inexpensive as compared with the related art. There is no particular upper limit on the area of the substrate.
The mainstream is a semiconductor process using a wafer, especially a 6-inch type, which can cope with this.

【0037】次に、本発明の酸化物薄膜の形成方法につ
いて詳細に説明する。
Next, the method for forming an oxide thin film of the present invention will be described in detail.

【0038】なお、本発明の形成方法を実施するにあた
っては、図1に示したような蒸着装置1を用いることが
望ましい。
In carrying out the forming method of the present invention, it is desirable to use the vapor deposition apparatus 1 as shown in FIG.

【0039】蒸着装置1は、真空槽1aを有し、この真
空槽1a内には、下部に単結晶基板2を保持するホルダ
3が配置されている。このホルダ3は、回転軸4を介し
てモータ5に接続されており、このモータ5によって回
転され、上記単結晶基板2をその基板面内で回転させる
ことができるようになっている。上記ホルダ3内には、
単結晶基板2を加熱するヒータ6が内蔵されている。
The vapor deposition apparatus 1 has a vacuum chamber 1a, in which a holder 3 for holding a single crystal substrate 2 is disposed at a lower portion. The holder 3 is connected to a motor 5 via a rotation shaft 4 and is rotated by the motor 5 so that the single crystal substrate 2 can be rotated in the substrate plane. In the holder 3,
A heater 6 for heating the single crystal substrate 2 is incorporated.

【0040】蒸着装置1は、また、酸化性ガス供給装置
7を備えており、この酸化性ガス供給装置7の酸化性ガ
ス供給口8は、上記ホルダ3の直ぐ下方に配置されてい
る。これによって、酸化性ガスは、単結晶基板2近傍で
その分圧が高くされるようになっている。ホルダ3の更
に下方には、Zr蒸発部9および希土類金属蒸発部10
が配置されている。これらのZr蒸発部9および希土類
金属蒸発部10には、それぞれの金属源の他に、電子線
発生装置等の金属源に蒸発のためのエネルギを供給する
ためのエネルギ供給装置が配置されている。なお、図に
おいて、Pは、真空ポンプである。
The vapor deposition apparatus 1 further includes an oxidizing gas supply device 7, and an oxidizing gas supply port 8 of the oxidizing gas supply device 7 is disposed immediately below the holder 3. Thus, the partial pressure of the oxidizing gas is increased near the single crystal substrate 2. Further below the holder 3, a Zr evaporator 9 and a rare earth metal evaporator 10
Is arranged. In the Zr evaporator 9 and the rare-earth metal evaporator 10, an energy supply device for supplying energy for evaporation to a metal source such as an electron beam generator is arranged in addition to the respective metal sources. . In the drawings, P is a vacuum pump.

【0041】以下、まず、酸化物薄膜の第1形成方法に
ついて説明し、次に、第2形成方法について説明する。
Hereinafter, a first method for forming an oxide thin film will be described first, and then a second method for forming an oxide thin film will be described.

【0042】本発明の第1形成方法においては、まず、
上記ホルダに単結晶基板をセットする。このとき、単結
晶基板としては、Siの単結晶基板が用いられ、目的の
酸化物薄膜が形成される基板表面として、(100)面
あるいは(111)面が選択される。基板表面上に形成
される機能膜をエピタキシャル成長させた単結晶とし、
しかも結晶を適切な方位とするためである。なお、基板
表面は、鏡面仕上げのウエハーを用い表面をエッチング
洗浄しておくことが好ましい。エッチング洗浄は40%
フッ化アンモニウム水溶液等によりおこなう。
In the first forming method of the present invention, first,
A single crystal substrate is set on the holder. At this time, a Si single crystal substrate is used as the single crystal substrate, and a (100) plane or a (111) plane is selected as a substrate surface on which a target oxide thin film is formed. The functional film formed on the substrate surface is a single crystal epitaxially grown,
Moreover, it is for making the crystal have an appropriate orientation. Preferably, the substrate surface is etched and cleaned using a mirror-finished wafer. 40% etching cleaning
This is performed using an ammonium fluoride aqueous solution or the like.

【0043】次に、真空槽内を真空ポンプにより10-5
Torr程度以上に排気したのち、単結晶基板を加熱する。
昇温中は単結晶基板の酸化をさけるため、できるだけ高
真空に排気する。真空度の上限は特にないが、作業性を
考えると通常5×10-6Torr程度である。加熱温度はZ
rO2 の結晶化のために400℃以上が望ましく、さら
に、約750℃以上が結晶性が優れ、特に分子レベル膜
結晶表面平坦性を得るためには850℃以上が好まし
い。なお、単結晶基板の加熱温度の上限は、1300℃
程度である。
Next, the inside of the vacuum chamber is controlled to 10 -5 by a vacuum pump.
After evacuation to about Torr or more, the single crystal substrate is heated.
During heating, the single-crystal substrate is evacuated to as high a vacuum as possible to avoid oxidation. Although there is no particular upper limit for the degree of vacuum, it is usually about 5 × 10 −6 Torr in consideration of workability. Heating temperature is Z
The temperature is preferably 400 ° C. or more for crystallization of rO 2 , and more preferably about 750 ° C. or more, and particularly preferably 850 ° C. or more for obtaining the crystal surface of the molecular level film. Note that the upper limit of the heating temperature of the single crystal substrate is 1300 ° C.
It is about.

【0044】次いで、Zrおよび希土類の金属(ここで
はYを例にとる)のうち少なくともZrを電子ビーム等
で加熱し蒸発を行う。このとき、後記する酸化性ガスの
真空槽への導入は未だ行なっていない。
Next, at least Zr of Zr and rare earth metal (here, Y is taken as an example) is heated and evaporated by an electron beam or the like. At this time, the oxidizing gas described below has not yet been introduced into the vacuum chamber.

【0045】ZrおよびYと酸化性ガスの単結晶基板へ
供給するタイミングは、決して酸化性ガスを先にしては
ならない。酸化性ガスを先に供給すると、基板表面と酸
化性ガスが反応し酸化物層を形成する。これにより基板
の結晶格子情報はZrO2 を主成分とする膜に伝わら
ず、エピタキシャル成長は不可能となる。最適な酸素の
供給タイミングは、Zrおよび希土類金属のうち少なく
ともZrを、基板表面へ到達した金属元素がすべて金属
薄膜を形成するとしたときの厚みに換算して、総量で5
nm以下、特に0.01〜5nm供給した後が特に望まし
い。このZrと希土類金属の供給は、成膜前に微量生成
している酸化物を還元除去し、基板格子情報をZrO2
を主成分とする膜に伝わらせ、エピタキシャル成長をス
ムーズに行わせる。
The timing of supplying Zr and Y and the oxidizing gas to the single crystal substrate must never be the oxidizing gas first. When the oxidizing gas is supplied first, the substrate surface reacts with the oxidizing gas to form an oxide layer. As a result, the crystal lattice information of the substrate is not transmitted to the film containing ZrO 2 as a main component, and epitaxial growth becomes impossible. The optimal supply timing of oxygen is determined by converting at least Zr out of Zr and the rare earth metal into a thickness when all the metal elements reaching the substrate surface form a metal thin film, and the total amount is 5 times.
nm or less, particularly after supplying 0.01 to 5 nm is particularly desirable. The supply of Zr and the rare earth metal reduces and removes a small amount of oxides generated before film formation, and converts the substrate lattice information into ZrO 2.
Is transmitted to the film whose main component is epitaxial growth.

【0046】例えば、Si基板にYSZ膜を形成する場
合を例にとると、Zr金属およびY金属の酸化反応は1
000K において Zr+O2 =ZrO2 △G=−187.
6(kcal/mol) 4/3Y+O2 =2/3Y2 3 △G=−227.
1(kcal/mol) 自由エネルギー変化はともに負で大きい。すなわち、Z
rおよびYは酸化しやすく、還元剤として働くことを示
している。Si基板表面のSiO2 との固相反応を想定
すると SiO2 +Zr=ZrO2 +Si △G=−43.1
29(kcal/mol) △Gから考えるとSiO2 がZrにより還元されること
を示している。Yについても同様である。この反応によ
り、成膜直前での基板表面の酸化膜除去が可能となる。
すなわち、YSZの成膜前にZr+Y金属を供給し、そ
の後、酸素、Zr、Yを供給し、YSZを成長させるこ
とにより良好なYSZのエピタキシャル成長が実現でき
る。なお、基板表面の非酸化度が良好な場合等において
は、金属の蒸発による基板への供給と酸化性ガスの供給
を同時に行ってもよい。
For example, taking the case of forming a YSZ film on a Si substrate as an example, the oxidation reaction of Zr metal and Y metal is 1
At 000 K, Zr + O 2 = ZrO 2 ΔG = −187.
6 (kcal / mol) 4 / 3Y + O 2 = 2 / 3Y 2 O 3 ΔG = −227.
1 (kcal / mol) Both free energy changes are negative and large. That is, Z
r and Y are easily oxidized, indicating that they act as reducing agents. Assuming a solid phase reaction with SiO 2 on the surface of the Si substrate, SiO 2 + Zr = ZrO 2 + Si ΔG = −43.1
29 (kcal / mol) ΔG indicates that SiO 2 is reduced by Zr. The same applies to Y. This reaction makes it possible to remove the oxide film on the substrate surface immediately before film formation.
That is, a favorable YSZ epitaxial growth can be realized by supplying a Zr + Y metal before the YSZ film formation and thereafter supplying oxygen, Zr and Y to grow the YSZ. When the degree of non-oxidation on the substrate surface is good, the supply of the metal to the substrate by evaporation and the supply of the oxidizing gas may be performed simultaneously.

【0047】次に、Zr金属、希土類金属(以下の説明
ではYで代表して説明する)および酸化性ガスを単結晶
基板に供給し、ZrO2 を主成分とする薄膜を得る。こ
こで、成膜速度は、0.05〜1.00nm/s、好ましく
は0.100〜0.500nm/sとすることが望ましい。
その理由は、遅すぎると、基板の酸化が起こり、また早
すぎると形成される薄膜の結晶性が悪く表面に凸凹が生
じる。したがって、成膜速度は導入される酸素量で最適
値が決定される。このため、ZrO2 を主成分とする薄
膜の蒸着に先立ち、Zr、Yの各金属が蒸着源に加えた
電力量条件により、単位時間あたりどの程度蒸発し、Z
r、Y、ZrO2 、Y2 3 の蒸着膜を形成するかを真
空蒸着槽内の基板近傍に設置した膜厚計により金属ごと
に測定し校正しておく。上記酸化性ガスとしては、酸
素、オゾン、原子状酸素、NO2 を用いることができ
る。ここでは、以下酸素を用いることとして説明する。
酸素は真空ポンプで継続的に槽内を排気しつつ真空蒸着
槽内に設けられたノズルにより、2〜50cc/分、好ま
しくは5〜25cc/分の酸素ガスを継続的に噴射させ、
真空槽内の少なくとも単結晶基板近傍に10-4〜10-2
Torr程度の酸素雰囲気を作る。最適酸素量は、チャンバ
ーの大きさ、ポンプの排気速度その他の要因により決ま
り、あらかじめ適当な流量を求めておく。ここで酸素ガ
ス圧の上限を10-2Torrとしたのは、同真空槽内にある
蒸発源中の金属源を劣化させることなく、かつその蒸発
速度を一定に蒸着させるためである。さらに真空蒸着槽
に酸素ガスを導入するに際しては、単結晶基板の表面に
その近傍から酸素ガスを噴射し、単結晶基板近傍付近に
だけ高い酸素分圧の雰囲気をつくるとよく、これにより
少ない酸素導入量で基板上での反応をより促進させるこ
とができる。この時、真空槽内は継続的に排気されてい
るので真空槽のほとんどの部分は10-4−10-6Torrの
低い圧力になっている。また単結晶基板の1cm2 程度の
狭い領域では、この方法で単結晶基板上で酸化反応を促
進することができるが、基板面積が10cm2 以上、たと
えば直径2インチの大きな単結晶基板面積に成膜するた
めには図1のように基板を回転させ、高酸素分圧を基板
全面に供給することにより、大面積での膜作製が可能と
なる。このとき、基板の回転数は、10rpm 以上である
ことが望ましい。回転数が遅いと膜厚方向および面内で
Zr、Y、Oのそれぞれの組成分布が生じるためであ
る。この基板の回転数の上限は特にないが、通常は真空
装置の機構上120rpm 程度である。
Next, a Zr metal, a rare earth metal (represented by Y in the following description) and an oxidizing gas are supplied to a single crystal substrate to obtain a thin film containing ZrO 2 as a main component. Here, the film formation rate is desirably 0.05 to 1.00 nm / s, preferably 0.100 to 0.500 nm / s.
The reason is that if it is too slow, the substrate will be oxidized, and if it is too early, the formed thin film will have poor crystallinity and will have irregularities on the surface. Therefore, the optimum value of the film formation rate is determined by the amount of oxygen introduced. Therefore, prior to the deposition of a thin film containing ZrO 2 as a main component, how much each of the Zr and Y metals evaporates per unit time depending on the amount of power applied to the deposition source.
Whether a vapor deposition film of r, Y, ZrO 2 , and Y 2 O 3 is to be formed is measured and calibrated for each metal by a film thickness meter installed near a substrate in a vacuum vapor deposition tank. As the oxidizing gas, oxygen, ozone, atomic oxygen, and NO 2 can be used. Here, description will be made on the assumption that oxygen is used.
Oxygen is continuously evacuated by a vacuum pump while continuously injecting oxygen gas at 2 to 50 cc / min, preferably 5 to 25 cc / min, by a nozzle provided in the vacuum evaporation tank,
10 -4 to 10 -2 at least near the single crystal substrate in the vacuum chamber
Create an oxygen atmosphere of about Torr. The optimal oxygen amount is determined by the size of the chamber, the pumping speed of the pump, and other factors, and an appropriate flow rate is determined in advance. Here, the upper limit of the oxygen gas pressure is set to 10 −2 Torr in order to deposit the metal source in the evaporation source in the vacuum chamber without deteriorating the metal source and at a constant evaporation rate. Further, when introducing oxygen gas into the vacuum deposition tank, it is preferable to inject oxygen gas from the vicinity of the surface of the single crystal substrate to create an atmosphere with a high oxygen partial pressure only in the vicinity of the single crystal substrate. The reaction on the substrate can be further promoted by the amount introduced. At this time, since the inside of the vacuum chamber is continuously evacuated, most of the vacuum chamber has a low pressure of 10 -4 -10 -6 Torr. In a narrow region of about 1 cm 2 of the single crystal substrate, the oxidation reaction can be promoted on the single crystal substrate by this method. However, the substrate area is increased to 10 cm 2 or more, for example, a large single crystal substrate area of 2 inches in diameter. In order to form a film, the substrate is rotated as shown in FIG. 1 and a high oxygen partial pressure is supplied to the entire surface of the substrate, whereby a large-area film can be formed. At this time, the rotation speed of the substrate is desirably 10 rpm or more. This is because when the rotation speed is low, the respective composition distributions of Zr, Y, and O occur in the film thickness direction and in the plane. Although there is no particular upper limit on the number of rotations of the substrate, it is usually about 120 rpm due to the mechanism of the vacuum apparatus.

【0048】上記ZrO2 への希土類金属(Yを含む)
の添加は以下の効果がある。
Rare earth metal (including Y) to ZrO 2
Has the following effects.

【0049】ZrO2 単体は高温から立方晶→正方晶→
室温で単斜晶と相転移を起こす。立方晶を安定化するた
めに、希土類金属(Yを含む)を添加したものが安定化
ジルコニアである。ZrO2 をペロブスカイト結晶成長
用のバッファ層として用いるためには対称性の高い立方
晶の膜を用いる方が好ましい。そのため、Zr、希土類
金属(Yを含む)の各金属元素を別々の蒸発源からZr
/希土類金属の比を制御しつつ同時に蒸発させて単結晶
基板に蒸着せしめる。ここで、蒸発源からの希土類金属
(Yを含む)/Zrのモル比は、0〜3.0、好ましく
は0.25〜1.0であることが好ましい。これによ
り、上記好ましい組成比の酸化物薄膜を得ることができ
る。
ZrO 2 alone is cubic → tetragonal →
Phase transition with monoclinic at room temperature. Stabilized zirconia is obtained by adding a rare earth metal (including Y) to stabilize a cubic crystal. In order to use ZrO 2 as a buffer layer for growing perovskite crystals, it is preferable to use a cubic film having high symmetry. Therefore, Zr and each metal element of the rare earth metal (including Y) are separated from the evaporation source by Zr.
And vaporizing simultaneously while controlling the ratio of the rare earth metal and vapor deposition on the single crystal substrate. Here, the molar ratio of rare earth metal (including Y) / Zr from the evaporation source is preferably 0 to 3.0, and more preferably 0.25 to 1.0. Thereby, an oxide thin film having the above preferable composition ratio can be obtained.

【0050】次に第2形成方法について説明する。この
方法においては、まず、上記ホルダに単結晶基板をセッ
トする。このとき、単結晶基板としては、Siの単結晶
基板が用いられ、目的の酸化物薄膜が形成される基板表
面として、(100)面あるいは(111)面が選択さ
れる。基板表面上に形成される機能膜をエピタキシャル
成長させた単結晶とし、しかも結晶を適切な方位とする
ためである。なお、基板表面は、鏡面仕上げのウエハー
を用い表面をエッチング洗浄しておくことが好ましい。
エッチング洗浄は40%フッ化アンモニウム水溶液等に
より行う。本発明のMISキャパシタを製造するために
用いるSi単結晶基板は、例えば10cm2 以上の基板面
積を持つことができる。これにより、MISキャパシタ
を従来に比べて極めて安価なものとすることができる。
なお、基板の面積の上限は特にないが、現状では400
cm2 程度である。これにより、現在2インチ〜8インチ
のSiウエハーを用いた半導体プロセス、特に6インチ
タイプが主流で、これに対応が可能である。
Next, the second forming method will be described. In this method, first, a single crystal substrate is set on the holder. At this time, a Si single crystal substrate is used as the single crystal substrate, and a (100) plane or a (111) plane is selected as a substrate surface on which a target oxide thin film is formed. This is because the functional film formed on the substrate surface is made into a single crystal epitaxially grown, and the crystal is oriented in an appropriate direction. Preferably, the substrate surface is etched and cleaned using a mirror-finished wafer.
The etching cleaning is performed with a 40% ammonium fluoride aqueous solution or the like. The Si single crystal substrate used for manufacturing the MIS capacitor of the present invention can have a substrate area of, for example, 10 cm 2 or more. As a result, the MIS capacitor can be made extremely inexpensive as compared with the related art.
There is no particular upper limit on the area of the substrate, but at present, 400
It is cm 2. As a result, a semiconductor process using a 2-inch to 8-inch Si wafer, particularly a 6-inch type, is now mainstream and can cope with this.

【0051】清浄化されたSi単結晶基板は、極めて反
応性が高いため、これを保護する目的と、ZrO2 を主
成分とする良好なエピタキシャル膜を成長させる目的
で、Si単結晶基板の基板表面を次のようにして表面処
理する。
Since the purified Si single crystal substrate has a very high reactivity, the Si single crystal substrate is used for the purpose of protecting the substrate and growing a good epitaxial film containing ZrO 2 as a main component. The surface is surface-treated as follows.

【0052】まず、基板表面が清浄化されたSi単結晶
基板を真空槽中に配置し、酸化性ガスを導入しつつ加熱
して、Si単結晶基板表面に、Si酸化物層を形成す
る。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、原子状酸素、
NO2 等を用いることができる。清浄化されたSi単結
晶基板の基板表面は、上記したように極めて反応性に富
むため、これを保護膜として用い、Si単結晶基板表面
を再配列、汚染などから保護する。上記Si酸化物層の
層厚は、0.2〜10nm程度とすることが好ましい。
0.2nm未満ではSi表面の保護が不完全であるからで
ある。上限を10nmとした理由は、後述する。
First, a Si single crystal substrate whose surface has been cleaned is placed in a vacuum chamber and heated while introducing an oxidizing gas to form a Si oxide layer on the surface of the Si single crystal substrate. Oxidizing gases include oxygen, ozone, atomic oxygen,
NO 2 or the like can be used. Since the surface of the cleaned Si single crystal substrate is extremely reactive as described above, it is used as a protective film to protect the surface of the Si single crystal substrate from rearrangement and contamination. The thickness of the Si oxide layer is preferably about 0.2 to 10 nm.
If the thickness is less than 0.2 nm, the protection of the Si surface is incomplete. The reason for setting the upper limit to 10 nm will be described later.

【0053】上記の加熱は、300〜700℃の温度
に、0〜10分程度保持して行う。このとき、昇温速度
は、30〜70℃/分程度とする。温度が高すぎたり、
昇温速度が早すぎると、Si酸化膜の形成が不十分にな
り、逆に、温度が低すぎたり、保持時間が長すぎると、
Si酸化膜が厚すぎてしまう。
The above-mentioned heating is carried out at a temperature of 300 to 700 ° C. for about 0 to 10 minutes. At this time, the heating rate is about 30 to 70 ° C./min. If the temperature is too high,
If the rate of temperature rise is too fast, the formation of the Si oxide film will be insufficient, and conversely, if the temperature is too low or the holding time is too long,
The Si oxide film is too thick.

【0054】酸化性ガスの導入は、例えば酸化性ガスと
して酸素を用いる場合、真空槽内を当初1×10-7〜1
×10-4Torr程度の真空にし、酸化性ガスの導入によ
り、少なくともSi単結晶基板の近傍の雰囲気の酸素分
圧が1×10-4となるようにして行うことが好ましい。
この雰囲気の酸素分圧が上限となる状態は純酸素状態で
あるが、空気であってもよく、特に1×10-1Torr程度
以下であることが好ましい。
When oxidizing gas is introduced, for example, when oxygen is used as oxidizing gas, the inside of the vacuum chamber is initially 1 × 10 −7 to 1 × 10 −7.
It is preferable that the vacuum is set to about × 10 −4 Torr, and the introduction of an oxidizing gas is performed so that at least the oxygen partial pressure of the atmosphere near the Si single crystal substrate becomes 1 × 10 −4 .
The state in which the oxygen partial pressure of this atmosphere has an upper limit is a pure oxygen state, but it may be air, particularly preferably about 1 × 10 −1 Torr or less.

【0055】上記工程後、真空中で加熱する。Si表面
結晶は、保護膜により、保護されているので、残留ガス
である炭化水素と反応してSiC膜が形成される等の汚
染がない。
After the above steps, heating is performed in a vacuum. Since the Si surface crystal is protected by the protective film, there is no contamination such as formation of a SiC film by reacting with hydrocarbons as residual gas.

【0056】加熱温度は、600〜1200℃、特に7
00〜1100℃とすることが好ましい。600℃未満
であると、Si単結晶基板表面に後述する1×1構造が
得られない。1200℃を超えると、保護膜によるSi
表面結晶の保護が十分でなくSi単結晶基板の結晶性が
乱れてしまう。
The heating temperature is 600 to 1200 ° C., especially 7
The temperature is preferably set to 00 to 1100 ° C. If the temperature is lower than 600 ° C., a 1 × 1 structure described later cannot be obtained on the surface of the Si single crystal substrate. If the temperature exceeds 1200 ° C., Si
The protection of the surface crystal is not sufficient, and the crystallinity of the Si single crystal substrate is disturbed.

【0057】ついで、Zrと酸化性ガスまたはZrおよ
び希土類(Yを含む)金属と酸化性ガスを表面に供給す
る。この過程でZr等の金属は、前工程で形成したSi
酸化物による保護膜を還元し、除去する。同時に露出し
たSi表面結晶表面にZrと酸素またはZrと希土類金
属(Yを含む)および酸素により、1×1の表面構造が
形成される。
Then, Zr and an oxidizing gas or Zr, a rare earth (including Y) metal and an oxidizing gas are supplied to the surface. In this process, the metal such as Zr is replaced by the Si
The oxide protective film is reduced and removed. At the same time, a 1 × 1 surface structure is formed on the exposed Si surface crystal surface by Zr and oxygen or Zr, a rare earth metal (including Y) and oxygen.

【0058】表面構造は、反射高速電子線回折(Reflec
tion High Energy Electron Diffraction :以下、RH
EEDと称する)による像のパターンで調べることがで
きる。例えば、本発明が目的とする1×1の表面構造の
場合、電子線入射方向が[110]で図15の(a)に
示したような1倍周期C1の完全なストリークパターン
となり、入射方向を[1-10]にしても全く同じパター
ンとなる。一方、Si単結晶清浄表面は、たとえば(1
00)面の場合1×2、2×1、または、1×2と2×
1が混在している表面構造となる。このような場合に
は、RHEED像のパターンは、電子線の入射方向[1
10]または[1-10]のいずれか、または両方で図1
5の(b)に示したような、1倍周期C1と2倍周期C
2を持つパターンになる。本発明の1×1の表面構造に
おいては、上記RHEEDのパターンでみて、入射方向
が[110]および[1-10]両方で、図15の(b)
の2倍周期C2が見られない。
The surface structure was determined by reflection high-energy electron diffraction (Reflec
tion High Energy Electron Diffraction: RH
(Referred to as EED). For example, in the case of a 1 × 1 surface structure aimed at by the present invention, the electron beam incident direction is [110], and a complete streak pattern with a one-time period C1 as shown in FIG. Is exactly the same pattern when [1-10] is set. On the other hand, the Si single crystal clean surface is, for example, (1
00) plane, 1 × 2, 2 × 1, or 1 × 2 and 2 ×
1 has a mixed surface structure. In such a case, the pattern of the RHEED image has the incident direction [1] of the electron beam.
10] or [1-10] or both
1 time period C1 and 2 times period C as shown in FIG.
It becomes a pattern with 2. In the 1 × 1 surface structure of the present invention, when viewed from the above RHEED pattern, the incident directions are both [110] and [1-10], and FIG.
No double cycle C2 is seen.

【0059】またSi(100)清浄表面は、1×1構
造を示す場合がある。われわれの実験でも何度か観察さ
れたが、1×1を示す条件は、不明確で安定に再現性よ
く1×1をSi清浄面で得ることは、現状では不可能で
ある。
In some cases, the clean Si (100) surface has a 1 × 1 structure. Although it has been observed several times in our experiments, it is impossible at present to obtain 1 × 1 on a Si-clean surface with an unclear, stable and reproducible condition showing 1 × 1.

【0060】1×2、2×1、1×1いずれの構造のS
i清浄面は、真空中、高温で汚染されやすく、特に残留
ガス中に含まれる炭化水素と反応し表面にSiCを形成
し、基板表面の結晶が乱れる。したがって、Si基板上
に酸化膜を結晶成長させる際に適した1×1構造を安定
に形成することがこれまで不可能であった。
S of any structure of 1 × 2, 2 × 1, and 1 × 1
The i-clean surface is easily contaminated at high temperatures in a vacuum, and reacts particularly with hydrocarbons contained in the residual gas to form SiC on the surface, and the crystal on the substrate surface is disturbed. Therefore, it has not been possible to stably form a 1 × 1 structure suitable for crystal growth of an oxide film on a Si substrate.

【0061】以上、Si(100)面を例に説明したが
(111)面においても、清浄面の構造は異なるが、基
本的に同様な現象があらわれ、Si基板上に酸化膜を結
晶成長させる際に適した1×1構造を安定に形成するこ
とはこれまで不可能であった。
The Si (100) plane has been described above as an example, but the (111) plane has a similar structure, although the structure of the clean surface is different, and an oxide film is crystal-grown on the Si substrate. Until now, it has been impossible to stably form a suitable 1 × 1 structure.

【0062】ZrまたはZrおよび希土類(Yを含む)
金属の供給量は、その酸化物換算で、0.3〜10n
m、特に3〜7nm程度が好ましい。0.3nm未満で
は、Si酸化物の還元の効果が十分に発揮できず、10
nmを超えると表面に原子レベルの凹凸が発生し易くな
り、表面の結晶の配列は、凹凸により、1×1構造でな
くなることがあるためである。なお、上記Si酸化物層
の層厚の上限の好ましい値を10nmとした理由は、1
0nmを超えると、上記のように金属を供給してもSi
酸化物層を十分に還元できなくなる可能性がでてくるか
らである。
Zr or Zr and rare earth (including Y)
The supply amount of the metal is 0.3 to 10 n in terms of the oxide.
m, particularly preferably about 3 to 7 nm. If the thickness is less than 0.3 nm, the effect of reducing the Si oxide cannot be sufficiently exhibited, and
If the thickness exceeds nm, irregularities at the atomic level are likely to occur on the surface, and the crystal arrangement on the surface may not be a 1 × 1 structure due to the irregularities. The reason for setting the preferable upper limit of the thickness of the Si oxide layer to 10 nm is as follows.
If it exceeds 0 nm, even if the metal is supplied as described above, Si
This is because there is a possibility that the oxide layer cannot be sufficiently reduced.

【0063】酸化性ガスとして酸素を用いる場合は、2
〜50cc/分程度供給することが好ましい。最適酸素量
は、真空槽の大きさ、ポンプの排気速度その他の要因で
決まり、あらかじめ最適な流量を求めておく。
When oxygen is used as the oxidizing gas, 2
It is preferable to supply about 50 cc / min. The optimum amount of oxygen is determined by the size of the vacuum chamber, the pumping speed of the pump, and other factors, and the optimum flow rate is determined in advance.

【0064】以上のSi基板表面処理は以下の効果があ
る。
The surface treatment of the Si substrate has the following effects.

【0065】結晶表面の数原子層における表面構造は、
バルク(3次元的な大きな結晶)の結晶構造を切断した
ときに考えられる仮想的な表面の原子配列構造とは一般
に異なる。それは片側の結晶がなくなくなることにより
表面に現れた原子の周囲の状況が変化し、これに対応し
てエネルギーのより低い安定な状態になろうとするから
である。その構造変化は、主として、原子位置の緩和に
留まる場合と、原子の組み換えが生じ、再配列構造を形
成する場合とがある。前者はほとんどの結晶表面で存在
する。後者は一般に表面の超格子構造を形成する。バル
クの表面構造の単位ベクトルの大きさをa、bとすると
き、ma、nbの大きさの超格子構造が生じた場合これ
をm×n構造とよぶ。清浄化されたSi(100)の表
面は、1×2または2×1構造、Si(111)表面
は、7×7または2×8構造の大きな単位メッシュをも
つ複雑な超構造となる。また、これら、清浄化されたS
i表面は、反応性に富み、とくに、酸化物薄膜をエピタ
キシャル形成する温度(700℃以上)では、真空中の
残留ガス、とくに炭化水素と反応をおこし、表面にSi
Cが形成されることにより基板表面が汚染され、表面結
晶が乱れる。
The surface structure of the crystal surface in several atomic layers is as follows:
This is generally different from a virtual surface atomic arrangement structure that can be considered when a bulk (three-dimensional large crystal) crystal structure is cut. This is because the disappearance of the crystal on one side changes the situation around the atoms that have appeared on the surface, and correspondingly tries to become a stable state with lower energy. The structural change mainly includes a case where the atomic position is merely relaxed and a case where the rearrangement of atoms occurs to form a rearranged structure. The former is present on most crystal surfaces. The latter generally form a superlattice structure on the surface. When the magnitudes of the unit vectors of the bulk surface structure are a and b, a superlattice structure having a magnitude of ma and nb is called an m × n structure. The surface of the cleaned Si (100) has a 1 × 2 or 2 × 1 structure, and the Si (111) surface has a complex superstructure having a large unit mesh of a 7 × 7 or 2 × 8 structure. In addition, these purified S
The i-surface is highly reactive, and reacts particularly with a residual gas in a vacuum, especially a hydrocarbon, at a temperature (700 ° C. or higher) at which an oxide thin film is epitaxially formed, and the Si surface is formed on the surface.
The formation of C contaminates the substrate surface and disturbs surface crystals.

【0066】Si基板上に酸化物をエピタキシャル成長
させるためには、Si表面の構造が安定で、かつ結晶構
造情報を成長させる酸化物膜へ伝える役割を果たさなけ
ればならない。酸化物エピタキシャル膜結晶において、
バルク結晶構造を切断したときに考えられる原子配列構
造は1×1構造となるので、酸化物をエピタキシャル成
長させるための基板の表面構造は、1×2、2×1、7
×7または2×8構造の大きな単位メッシュをもつ複雑
な超構造は好ましくなく、安定な1×1構造が必要であ
る。また、エピタキシャル成長は、700℃以上の温度
で行うため、反応性に富んだSi表面を保護する必要が
ある。
In order to epitaxially grow an oxide on a Si substrate, the structure of the Si surface must be stable and play a role of transmitting crystal structure information to the grown oxide film. In the oxide epitaxial film crystal,
Since the atomic arrangement structure considered when cutting the bulk crystal structure is a 1 × 1 structure, the surface structure of the substrate for epitaxially growing an oxide is 1 × 2, 2 × 1, 7
Complex superstructures with large unit meshes of × 7 or 2 × 8 structures are not preferred and require a stable 1 × 1 structure. In addition, since the epitaxial growth is performed at a temperature of 700 ° C. or more, it is necessary to protect the reactive Si surface.

【0067】次に、以上のように、表面が処理されたS
i単結晶基板を用いてZrO2 を主成分とする単一配向
エピタキシャル膜を形成する。
Next, as described above, the surface treated S
A single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component is formed using an i-single-crystal substrate.

【0068】このZrO2 を主成分とする単一配向エピ
タキシャル膜の形成にあたっては、まず、表面を処理し
たSi単結晶基板を加熱する。成膜時における加熱温度
はZrO2 の結晶化のために400℃以上が望ましく、
さらに、約750℃以上が結晶性が優れ、特に分子レベ
ル膜結晶表面平坦性を得るためには850℃以上が好ま
しい。なお、単結晶基板の加熱温度の上限は、1300
℃程度である。
In forming a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component, first, a Si single crystal substrate whose surface has been treated is heated. The heating temperature at the time of film formation is desirably 400 ° C. or higher for crystallization of ZrO 2 ,
Further, the crystallinity is excellent at about 750 ° C. or more, and particularly preferably 850 ° C. or more in order to obtain the crystal surface of the molecular level film. Note that the upper limit of the heating temperature of the single crystal substrate is 1300
It is about ° C.

【0069】次いで、Zrを電子ビーム等で加熱し蒸発
を行う。Zr金属、および酸化性ガスを単結晶基板に供
給する。必要に応じ希土類(Yを含む)も同様な方法で
供給する。ZrO2 を主成分とする薄膜を得る。ここ
で、成膜速度は、0.05〜1.00nm/s、好ましくは
0.100〜0.500nm/sとすることが望ましい。そ
の理由は、遅すぎると、基板の酸化が起こり、また早す
ぎると形成される薄膜の結晶性が悪く表面に凸凹が生じ
る。したがって、成膜速度は導入される酸素量で最適値
が決定される。このため、ZrO2 薄膜の蒸着に先立
ち、Zr金属および希土類金属(Yを含む)が蒸着源に
加えた電力量条件により、単位時間あたりどの程度蒸発
し、それらの金属および酸化物の蒸着膜を形成するかを
真空蒸着槽内の基板近傍に設置した膜厚計により測定し
校正しておく。上記酸化性ガスとしては、酸素、オゾ
ン、原子状酸素、NO2 等を用いることができる。ここ
では、以下酸素を用いることとして説明する。酸素は真
空ポンプで継続的に槽内を排気しつつ真空蒸着槽内に設
けられたノズルにより、2〜50cc/分、好ましくは5
〜25cc/分の酸素ガスを継続的に噴射させ、真空槽内
の少なくとも単結晶基板近傍に10-3〜10-1Torr程度
の酸素雰囲気を作る。最適酸素量は、チャンバーの大き
さ、ポンプの排気速度その他の要因により決まり、あら
かじめ適当な流量を求めておく。ここで酸素ガス圧の上
限を10-1Torrとしたのは、同真空槽内にある蒸発源中
の金属源を劣化させることなく、かつその蒸発速度を一
定に蒸着させるためである。さらに真空蒸着槽に酸素ガ
スを導入するに際しては、単結晶基板の表面にその近傍
から酸素ガスを噴射し、単結晶基板近傍付近にだけ高い
酸素分圧の雰囲気をつくるとよく、これにより少ない酸
素導入量で基板上での反応をより促進させることができ
る。この時、真空槽内は継続的に排気されているので真
空槽のほとんどの部分は10-4〜10-66Torrの低い圧
力になっている。
Next, Zr is heated by an electron beam or the like to evaporate. Zr metal and an oxidizing gas are supplied to the single crystal substrate. If necessary, rare earth elements (including Y) are supplied in the same manner. A thin film containing ZrO 2 as a main component is obtained. Here, the film formation rate is desirably 0.05 to 1.00 nm / s, preferably 0.100 to 0.500 nm / s. The reason is that if it is too slow, the substrate will be oxidized, and if it is too early, the formed thin film will have poor crystallinity and will have irregularities on the surface. Therefore, the optimum value of the film formation rate is determined by the amount of oxygen introduced. Therefore, prior to the deposition of the ZrO 2 thin film, how much the Zr metal and the rare earth metal (including Y) evaporate per unit time depending on the amount of power applied to the deposition source, and deposit the deposited films of these metals and oxides. Whether it is formed or not is measured and calibrated by a film thickness meter installed near the substrate in the vacuum evaporation tank. As the oxidizing gas, oxygen, ozone, atomic oxygen, NO 2 or the like can be used. Here, description will be made on the assumption that oxygen is used. Oxygen is continuously exhausted from the chamber by a vacuum pump, and is supplied to a nozzle provided in the vacuum evaporation tank at a rate of 2 to 50 cc / min, preferably 5 to 50 cc / min.
An oxygen gas of about 10 -3 to 10 -1 Torr is created at least in the vicinity of the single crystal substrate in the vacuum chamber by continuously injecting an oxygen gas of about 25 cc / min. The optimal oxygen amount is determined by the size of the chamber, the pumping speed of the pump, and other factors, and an appropriate flow rate is determined in advance. Here, the upper limit of the oxygen gas pressure is set to 10 -1 Torr so that the metal source in the evaporation source in the vacuum chamber is not degraded and the evaporation rate is deposited at a constant rate. Further, when introducing oxygen gas into the vacuum deposition tank, it is preferable to inject oxygen gas from the vicinity of the surface of the single crystal substrate to create an atmosphere with a high oxygen partial pressure only in the vicinity of the single crystal substrate. The reaction on the substrate can be further promoted by the amount introduced. At this time, since the inside of the vacuum chamber is continuously evacuated, most of the vacuum chamber has a low pressure of 10 -4 to 10 -6 Torr.

【0070】また単結晶基板の1cm2 程度の狭い領域で
は、この方法で単結晶基板上で酸化反応を促進すること
ができるが、基板面積が10cm2 以上、たとえば直径2
インチの大きな単結晶基板面積に成膜するためには図1
のように基板を回転させ、高酸素分圧を基板全面に供給
することにより、大面積での膜作製が可能となる。この
とき、基板の回転数は、10rpm 以上であることが望ま
しい。回転数が遅いと基板面内で膜厚の分布が生じるた
めである。この基板の回転数の上限は特にないが、通常
は真空装置の機構上120rpm 程度である。
In a narrow region of about 1 cm 2 of the single crystal substrate, the oxidation reaction can be promoted on the single crystal substrate by this method, but the substrate area is 10 cm 2 or more, for example, 2 mm in diameter.
Fig. 1
By rotating the substrate as described above and supplying a high oxygen partial pressure to the entire surface of the substrate, a large-area film can be formed. At this time, the rotation speed of the substrate is desirably 10 rpm or more. This is because if the number of rotations is low, a film thickness distribution occurs in the substrate surface. Although there is no particular upper limit on the number of rotations of the substrate, it is usually about 120 rpm due to the mechanism of the vacuum apparatus.

【0071】以上、製造方法の詳細を説明したが、この
製造方法は、従来の真空蒸着法、スパッタリング法、レ
ーザーアブレーション法の比較において特に明確なごと
く、不純物の介在の余地のない、しかも制御しやすい操
作条件化で実施しうるため、再現性よく完全性が高い目
的物を大面積で得るのに好適である。さらに本方法をM
BE装置を用いても、全く同様にして目的薄膜を得るこ
とができる。
Although the details of the manufacturing method have been described above, this manufacturing method is particularly clear in comparison with the conventional vacuum vapor deposition method, sputtering method, and laser ablation method. Since it can be carried out under easy operation conditions, it is suitable for obtaining a target substance with high reproducibility and high completeness over a large area. In addition, the method
Even if a BE apparatus is used, a target thin film can be obtained in exactly the same manner.

【0072】以上のようにして得られた電子デバイス用
基板は、例えば、そのままの構造で半導体プロセスによ
り加工し、従来のSiO2 を代替することによりDRA
M用のコンデンサおよびゲートとして構成が可能であ
る。さらに本基板上に機能膜としてSiを形成すること
によりSOIデバイスとして応用でき、また強誘電体、
超電導体の機能膜を形成することにより、不揮発性メモ
リ、赤外線センサ、光変調器、光スイッチOEIC,S
QUID、ジョセフソン素子、超電導トランジスタ、電
磁波センサおよび超電導配線LSIに応用することがで
きる。
The electronic device substrate obtained as described above is processed, for example, by a semiconductor process with the same structure, and the DRA is obtained by substituting the conventional SiO 2.
It can be configured as a capacitor and gate for M. Furthermore, by forming Si as a functional film on this substrate, it can be applied as an SOI device,
By forming a functional film of a superconductor, a nonvolatile memory, an infrared sensor, an optical modulator, an optical switch OEIC, S
It can be applied to QUIDs, Josephson devices, superconducting transistors, electromagnetic wave sensors, and superconducting wiring LSIs.

【0073】[0073]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing specific examples of the present invention.

【0074】実施例1 酸化物薄膜を成長させる単結晶基板として、その表面
が(100)面となるように切断、鏡面研磨したSi単
結晶、その表面が(111)となるように切断、鏡面
研磨した単結晶Siを用いた。鏡面表面は購入後40%
フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング洗浄を行
った。なお、上記単結晶基板は、すべて直径2インチの
円形基板を用いた。
Example 1 As a single crystal substrate on which an oxide thin film was grown, a Si single crystal which was cut and mirror-polished so that the surface became (100) plane, and cut and mirror-polished so that the surface became (111) Polished single crystal Si was used. Mirror surface is 40% after purchase
Etching cleaning was performed with an ammonium fluoride aqueous solution. Note that all the single crystal substrates used were circular substrates having a diameter of 2 inches.

【0075】真空槽内に設置された回転および加熱機構
を備えた基板ホルダーに上記単結晶基板を固定し、真空
蒸着槽を10-6Torrまで油拡散ポンプにより排気した
後、基板を850℃に加熱し、回転させる。回転数は、
20rpm とした。
The single crystal substrate was fixed to a substrate holder provided with a rotation and heating mechanism installed in a vacuum chamber, and the vacuum evaporation chamber was evacuated to 10 -6 Torr by an oil diffusion pump. Heat and rotate. The rotation speed is
20 rpm.

【0076】その後、金属ZrおよびYをそれぞれ独立
した蒸発源からY/Zrモル比で0.45に制御しつつ
同時に供給した。この時は酸素は導入しない。供給量を
Zr+Y合金の膜厚に換算して1nmに達したならば、ノ
ズルから酸素ガスを10cc/分の割合で導入し、金属と
酸素を反応させ約150nmのYSZ膜を得た。
Thereafter, metals Zr and Y were simultaneously supplied from independent evaporation sources while controlling the molar ratio of Y / Zr to 0.45. At this time, no oxygen is introduced. When the supply amount reached 1 nm in terms of the film thickness of the Zr + Y alloy, oxygen gas was introduced from the nozzle at a rate of 10 cc / min to react the metal with oxygen to obtain a YSZ film of about 150 nm.

【0077】本実施例で得られた薄膜について測定した
XRD(CuKα線)の結果を図2に示す。図2(a)
は基板としてを用いた場合、図2(b)は基板を用
いた場合、X線回折図である。図2(a)にはYSZの
蛍石構造の(002)ピークが明瞭に観察されており、
また図2(b)には蛍石構造の(111)ピークが明瞭
に観察されており、基板の結晶構造、対称性を反映した
方位に強く配向した結晶膜が得られていることがわか
る。
FIG. 2 shows the result of XRD (CuKα ray) measured on the thin film obtained in this example. FIG. 2 (a)
FIG. 2B is an X-ray diffraction diagram when using a substrate, and FIG. 2B is when using a substrate. In FIG. 2A, the (002) peak of the fluorite structure of YSZ is clearly observed.
Further, in FIG. 2B, the (111) peak of the fluorite structure is clearly observed, and it can be seen that a crystal film strongly oriented in the direction reflecting the crystal structure and symmetry of the substrate is obtained.

【0078】さらに、図3に基板を用いた場合の薄膜
の結晶構造を示す電子線回析パターンを示す。ここで図
3(a)はSiの[100]方向から電子線を入射した
場合、図3(b)はSi基板の[110]方向から入射
した場合の回折パターンである。この結果からわかるよ
うに、YSZはその回折パターンはシャープなストリー
ク状になっていることから膜は単結晶で、その表面は原
子レベルで平坦であることがわかる。また、上記基板
を用いた場合の薄膜を、その中心を含む直線上におい
て、5×5mm角の試料を切り出し、AFM( Atomic Fo
rce Microscopy :原子間力顕微鏡)により観察した。1
枚の薄膜のうちの1枚の表面像を図4に示す。粒界など
は観察されない。原子レベルで平坦であることがわか
る。また、すべての試料の薄膜表面像を用い、JIS
B0610による十点平均粗さRz(基準長さL:50
0nm)を測定したところ、平均で0.16nm、最低で
0.12m であった。また、ロッキングカーブの半値幅
は、平均で1.2°、最小で1.07°であった。この
結晶性は、図5に示したように、直径2インチのSi基
板全面で得られている。
FIG. 3 shows an electron diffraction pattern showing the crystal structure of a thin film using a substrate. Here, FIG. 3A is a diffraction pattern when an electron beam is incident from the [100] direction of Si, and FIG. 3B is a diffraction pattern when an electron beam is incident from the [110] direction of the Si substrate. As can be seen from the results, the diffraction pattern of YSZ has a sharp streak shape, indicating that the film is a single crystal and the surface is flat at the atomic level. In addition, a sample of 5 × 5 mm square was cut out of the thin film using the above substrate on a straight line including the center of the thin film, and an AFM (Atomic Foam) was cut out.
rce Microscopy: Atomic force microscope). 1
FIG. 4 shows a surface image of one of the thin films. No grain boundaries are observed. It turns out that it is flat at the atomic level. In addition, using the thin film surface images of all samples, JIS
B0610 ten-point average roughness according to R z (reference length L: 50
0 nm) was 0.16 nm on average and 0.12 m at minimum. The half width of the rocking curve was 1.2 ° on average and 1.07 ° at minimum. This crystallinity is obtained over the entire surface of the Si substrate having a diameter of 2 inches as shown in FIG.

【0079】次に、酸素供給前の金属のみの供給量と、
形成されるYSZ膜の結晶性の依存性を調べた。Si単
結晶基板((100)面を基板表面として用いた)上に
YSZ膜を上記と同様にして形成することとし、上記金
属供給量(膜厚換算)を、表1に示すようにそれぞれ変
化させた。形成されたYSZ膜をXRD(X線回折)お
よびRHEEDにより調べた結果を表1に示した。
Next, the supply amount of only the metal before the supply of oxygen,
The dependence of the crystallinity of the formed YSZ film was examined. A YSZ film was formed on a Si single crystal substrate (the (100) plane was used as the substrate surface) in the same manner as described above, and the metal supply amounts (in terms of film thickness) were changed as shown in Table 1. I let it. The results of examining the formed YSZ film by XRD (X-ray diffraction) and RHEED are shown in Table 1.

【0080】[0080]

【表1】 [Table 1]

【0081】この表1から分かるように、金属供給量を
膜厚換算で、5nm以下とした場合、良好にエピタキシャ
ル成長したYSZ膜が得られる。
As can be seen from Table 1, when the metal supply amount is set to 5 nm or less in terms of the film thickness, a YSZ film which has been successfully epitaxially grown can be obtained.

【0082】実施例2 酸化物薄膜を成長させる単結晶基板として、その表面
が(100)面となるように切断、鏡面研磨したSi単
結晶、その表面が(111)となるように切断、鏡面
研磨したSi単結晶ウエハーを用いた。鏡面表面は購入
後40%フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング
洗浄を行った。なお、Si基板は、直径2インチの円形
基板を用いた。
Example 2 As a single crystal substrate on which an oxide thin film was grown, a Si single crystal cut and mirror-polished so that the surface became (100) plane, and cut and mirror-polished so that the surface became (111) A polished Si single crystal wafer was used. After the purchase, the mirror surface was cleaned by etching with a 40% ammonium fluoride aqueous solution. Note that a circular substrate having a diameter of 2 inches was used as the Si substrate.

【0083】真空槽内に設置された回転および加熱機構
を備えた基板ホルダーに上記単結晶基板を固定し、真空
蒸着槽を10-6Torrまで油拡散ポンプにより排気した
後、基板洗浄面Si酸化物を用いて保護するため、基板
を20rpm で回転させ、酸素を基板付近にノズルから2
5cc/分の割合で導入しつつ、600℃にて加熱した。
ここで、基板で表面にSi酸化物膜が熱酸化で形成され
る。この方法で約1nmのSi酸化物膜を形成した。
The single crystal substrate was fixed to a substrate holder provided with a rotation and heating mechanism installed in a vacuum chamber, and the vacuum evaporation chamber was evacuated to 10 −6 Torr by an oil diffusion pump. The substrate is rotated at 20 rpm to protect it with a substance, and oxygen is introduced near the substrate from the nozzle.
It was heated at 600 ° C. while introducing at a rate of 5 cc / min.
Here, a Si oxide film is formed on the surface of the substrate by thermal oxidation. By this method, a Si oxide film of about 1 nm was formed.

【0084】次いで、その後、基板を900℃に加熱し
回転させた。回転数は20rpm とした。このとき、ノズ
ルから酸素ガスを25cc/分の割合で導入し、a前記
基板上に金属Zrを蒸発源から蒸発させることにより、
Zr金属酸化物の膜厚に換算して5nm供給し、1×1の
表面構造を備えるSi表面処理基板を得た。b前記基
板上に金属Zrを蒸発源から蒸発させることにより、Z
r金属酸化物の膜厚に換算して5nm供給し、1×1の表
面構造を備えるSi表面処理基板を得た。c前記基板
上に金属ZrとYをY/Zrのモル比で0.22に抑制
しつつ蒸発させることにより酸化物膜厚に換算して5nm
供給し、1×1の表面構造を備えるSi表面処理基板を
得た。これらの表面をRHEEDにより測定した図を図
6〜8に示す。
Then, the substrate was heated to 900 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm. At this time, oxygen gas was introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min, and a metal Zr was evaporated from the evaporation source on the substrate by:
By supplying 5 nm in terms of the thickness of the Zr metal oxide, a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure was obtained. b. By evaporating metal Zr from the evaporation source on the substrate,
By supplying 5 nm in terms of the thickness of the r metal oxide, a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure was obtained. c The metal Zr and Y are evaporated on the substrate while suppressing the molar ratio of Y / Zr to 0.22 to 5 nm in terms of oxide film thickness.
Then, a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure was obtained. FIGS. 6 to 8 show diagrams of these surfaces measured by RHEED.

【0085】これらはすべて入射方向[110]で測定
したものであるが90°回転しても全くおなじパターン
であった。すなわち、安定な1×1の表面構造をしたS
i表面処理基板が得られていることが確認される。
All of these were measured in the direction of incidence [110], and the same pattern was obtained even when rotated by 90 °. That is, S having a stable 1 × 1 surface structure
It is confirmed that an i-surface treated substrate has been obtained.

【0086】さらに、このSi表面処理基板上に、基板
温度900℃、回転数は20rpm 、ノズルから酸素ガス
を25cc/分の割合で導入した状態で金属Zrを蒸発源
から供給することにより、膜厚50nmのZrO2 膜を、
前記a、bの処理基板上に得た。また、前記c処理基板
上に同様な条件でZrとYを蒸発源から供給することに
より、膜厚50nmのYSZ(Zr0.920.182-δ)膜
を得た。
Further, metal Zr is supplied from the evaporation source onto the Si surface-treated substrate in a state where the substrate temperature is 900 ° C., the rotation speed is 20 rpm, and oxygen gas is introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min. A 50 nm thick ZrO 2 film
Obtained on the substrates a and b. By supplying Zr and Y from the evaporation source under the same conditions on the c-treated substrate, a 50 nm-thick YSZ (Zr 0.92 Y 0.18 O 2 -δ) film was obtained.

【0087】得られた3種類の薄膜について測定したX
線の結果を図9〜11に示す。図にはZrO2 の(00
2)ピーク(図9)、YSZ(002)ピーク(図1
1)が明瞭に観察されている。図10ではZrO2
(111)ピークはSi基板のピークと完全に重なって
いる。ZrO2 およびYSZの結晶構造、対称性を反映
した方位に強く配向した結晶膜が得られていることがわ
かる。とくにこれらのピークは、それぞれ一つの反射面
のみからの反射であり、特にZrO2 膜においては従来
例ではみられない単一配向性の高結晶性の膜であること
がわかる。さらにこの反射のロッキングカーブの半値幅
はそれぞれ0.7°(実測値)、0.8°(実測値)、
0.7°(Si基板を含む実測値)であり配向性に優れ
ることも確認できた。
X measured for the three types of obtained thin films
The results of the line are shown in FIGS. The figure shows the ZrO 2 (00
2) Peak (FIG. 9), YSZ (002) peak (FIG. 1)
1) is clearly observed. In FIG. 10, the (111) peak of ZrO 2 completely overlaps the peak of the Si substrate. It can be seen that a crystal film strongly oriented in the direction reflecting the crystal structures and symmetry of ZrO 2 and YSZ was obtained. In particular, these peaks are reflections from only one reflection surface, respectively. It can be seen that the ZrO 2 film is a single-orientation highly crystalline film which is not seen in the conventional example. Further, the half widths of the rocking curves of this reflection are 0.7 ° (actual value) and 0.8 ° (actual value), respectively.
It was 0.7 ° (actual measurement value including the Si substrate), and it was confirmed that the orientation was excellent.

【0088】さらに、図12〜14にこの薄膜のRHE
ED ( Reflection High Energy Electron Diffraction
)パターンを示す。電子線の入射方向はSi基板の[1
10]方向からのものを示した。この結果からわかるよ
うに、この構造の薄膜表面の回折パターンは、完全にス
トリークであるパターンであり、従来例でみられたスト
リークが部分的にスポットに近いパターンとは全く異な
る。この完全にストリークであるパターンは、ZrO2
が結晶性、表面性に優れるものであることを表わすもの
である。またZrO2 膜およびYSZの抵抗率を測定し
た結果、YSZにくらべ5倍の高抵抗を示し、絶縁性に
優れることが判明した。また、3種類の膜について、そ
れぞれの表面のほぼ全体にわたって10か所、JIS
B0610による十点平均粗さRz(基準長さL:50
0nm)を測定したところ、Si(100)基板上のZr
2 膜では平均で0.70nm、最大で0.95nm、最小
で0.10、Si(111)基板上のZrO2 膜では平
均で0.80nm、最大で1.00nm、最小で0.08、
Si(100)基板上のYSZ膜では平均で0.75n
m、最大で0.80nm、最小で0.12と分子レベルで
平坦であった。
FIGS. 12 to 14 show the RHE of this thin film.
ED (Reflection High Energy Electron Diffraction
) Shows the pattern. The incident direction of the electron beam is [1] on the Si substrate.
10] direction. As can be seen from the results, the diffraction pattern on the surface of the thin film having this structure is a completely streak pattern, which is completely different from the pattern in which the streak is partially close to a spot in the conventional example. This completely streak pattern is ZrO 2
Is excellent in crystallinity and surface properties. In addition, as a result of measuring the resistivity of the ZrO 2 film and the YSZ, it was found that the resistivity was 5 times higher than that of the YSZ and the insulating property was excellent. In addition, with respect to three types of films, JIS was applied to almost all of the surfaces at 10 locations.
Ten-point average roughness Rz according to B0610 (reference length L: 50
0 nm), the Zr on the Si (100) substrate was measured.
The average of the O 2 film is 0.70 nm, the maximum is 0.95 nm, the minimum is 0.10, and the average of the ZrO 2 film on the Si (111) substrate is 0.80 nm, the maximum is 1.00 nm, and the minimum is 0.08. ,
0.75n on average for YSZ film on Si (100) substrate
m, 0.80 nm at the maximum, and 0.12 at the minimum, and were flat at the molecular level.

【0089】なお、YSZ膜のYをPr、Ce、Nd、
Gd、Tb、Dy、Ho、Er等にかえたところ、上記
と同等の結果が得られた。
The Y of the YSZ film is represented by Pr, Ce, Nd,
When Gd, Tb, Dy, Ho, Er, etc. were changed, the same results as above were obtained.

【0090】[0090]

【発明の効果】本発明による製造方法は、ZrO2 を主
成分とする酸化物薄膜をSi単結晶上に不純物の介在の
余地のない、しかも制御しやすい操作条件で、再現性よ
く高品質にさらに直径2インチ以上の基板全面の大面積
に形成することができるもので、工業的に利用価値の高
いものである。
According to the manufacturing method of the present invention, an oxide thin film containing ZrO 2 as a main component has high reproducibility with good reproducibility under an operating condition in which there is no room for impurities to be present on a Si single crystal and the control is easy. Furthermore, it can be formed over a large area over the entire surface of a substrate having a diameter of 2 inches or more, and is of high industrial value.

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

【図1】本発明の電子デバイス用基板の製造方法に用い
られる蒸着装置の1例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a vapor deposition apparatus used in a method for manufacturing an electronic device substrate of the present invention.

【図2】単結晶基板上に得られたYSZ薄膜のX線回折
図であって、(a)および(b)は、それぞれ単結晶基
板としてSi単結晶((100)面使用)単結晶基板お
よびSi単結晶((111)面使用)単結晶基板を用い
たものである。
FIGS. 2A and 2B are X-ray diffraction diagrams of a YSZ thin film obtained on a single crystal substrate. FIGS. 2A and 2B each show a Si single crystal ((100) plane used) single crystal substrate as a single crystal substrate. And a Si single crystal (using (111) plane) single crystal substrate.

【図3】薄膜の結晶構造を示す図面代用写真であって、
図2の(a)に示したYSZ膜の反射高速電子線回折パ
ターンを示すものであり、(a)はSi単結晶基板の
[100]方向から電子線を入射した場合、(b)はS
i単結晶基板の[110]方向から電子線を入射した場
合の回折パターンである。
FIG. 3 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a thin film,
FIG. 2A shows a reflection high-speed electron diffraction pattern of the YSZ film shown in FIG. 2A, where FIG. 2A shows the case where an electron beam is incident from the [100] direction of the Si single crystal substrate, and FIG.
It is a diffraction pattern when an electron beam enters from the [110] direction of the i single crystal substrate.

【図4】薄膜の結晶構造を示す図面代用写真であって、
図2の(a)に示したYSZ膜の原子間力顕微鏡による
薄膜表面像である。
FIG. 4 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a thin film,
3 is a thin-film surface image of the YSZ film shown in FIG. 2A by an atomic force microscope.

【図5】実施例のYSZ膜の十点平均粗さRzと、ロッ
キングカーブの半値幅をウエハの直径全体に沿って示し
たグラフ図である。
FIG. 5 is a graph showing the ten-point average roughness Rz of the YSZ film and the half-width of a rocking curve along the entire diameter of the wafer according to the example.

【図6】Zr金属と酸素により形成された1×1の表面
構造を有する実施例2におけるaのSi基板の表面構造
を示す図面代用写真であって、RHEEDパターンを示
すものであり、Si単結晶[110]方向から電子線を
入射した回折パターンである。
FIG. 6 is a drawing substitute photograph showing the surface structure of the Si substrate a in Example 2 having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen, showing a RHEED pattern, It is a diffraction pattern in which an electron beam was incident from the crystal [110] direction.

【図7】Zr金属と酸素により形成された1×1の表面
構造を有する実施例2におけるbのSi基板の表面構造
を示す図面代用写真であって、RHEEDパターンを示
すものであり、Si単結晶[110]方向から電子線を
入射した回折パターンである。
FIG. 7 is a drawing substitute photograph showing the surface structure of the Si substrate b in Example 2 having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen, showing a RHEED pattern, It is a diffraction pattern in which an electron beam was incident from the crystal [110] direction.

【図8】Zr金属とY金属と酸素とにより形成された1
×1の表面構造を有する実施例2におけるcのSi基板
の表面構造を示す図面代用写真であって、RHEEDパ
ターンを示すものであり、Si単結晶[110]方向か
ら電子線を入射した回折パターンである。
FIG. 8 shows 1 formed by Zr metal, Y metal and oxygen.
14 is a drawing substitute photograph showing the surface structure of the Si substrate c in Example 2 having a × 1 surface structure, which shows a RHEED pattern and is a diffraction pattern in which an electron beam is incident from the Si single crystal [110] direction. It is.

【図9】Si(100)基板上に得られたZrO2 の膜
構造のX線回折図である。
FIG. 9 is an X-ray diffraction diagram of a film structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate.

【図10】Si(111)基板上に得られたZrO2
膜構造のX線回折図である。
FIG. 10 is an X-ray diffraction diagram of a film structure of ZrO 2 obtained on a Si (111) substrate.

【図11】Si(100)基板上に得られたYSZの膜
構造のX線回折図である。
FIG. 11 is an X-ray diffraction diagram of a YSZ film structure obtained on a Si (100) substrate.

【図12】Si(100)基板上に得られたZrO2
結晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板
の[110]から電子線を入射した場合のRHEED回
折パターンを示す図である。
FIG. 12 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate, showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from [110] on a Si single crystal substrate. It is.

【図13】Si(111)基板上に得られたZrO2
結晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板
の[110]から電子線を入射した場合のRHEED回
折パターンを示す図である。
FIG. 13 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of ZrO 2 obtained on a Si (111) substrate, showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from [110] on a Si single crystal substrate. It is.

【図14】Si(100)基板上に得られたYSZの結
晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板の
[110]から電子線を入射した場合のRHEED回折
パターンを示す図である。
FIG. 14 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of YSZ obtained on a Si (100) substrate, showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from [110] on a Si single crystal substrate. is there.

【図15】(a)は、1×1の表面構造のRHEEDパ
ターンを示す模式図であり、(b)は、2×1、1×
2、あるいはこれらが混合している場合の表面構造のR
HEEDパターンを示す模式図である。
FIG. 15A is a schematic diagram illustrating a RHEED pattern having a 1 × 1 surface structure, and FIG. 15B is a schematic diagram illustrating 2 × 1, 1 ×.
2 or R of the surface structure when they are mixed
It is a schematic diagram which shows a HEED pattern.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 蒸着装置 1a 真空槽 2 単結晶基板 3 ホルダ 4 回転軸 5 モータ 6 ヒータ 7 酸化性ガス供給装置 8 酸化性ガス供給口 9 Zr蒸発部 10 希土類金属蒸発部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Evaporation apparatus 1a Vacuum tank 2 Single crystal substrate 3 Holder 4 Rotating shaft 5 Motor 6 Heater 7 Oxidizing gas supply device 8 Oxidizing gas supply port 9 Zr evaporator 10 Rare earth metal evaporator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−82585(JP,A) Proc.SPIE Int.So c.Opt.Eng.,1187,p.47− 56,(1989) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/20 H01L 21/314 INSPEC(DIALOG)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-2-82585 (JP, A) Proc. SPIE Int. SoC. Opt. Eng. , 1187, p. 47-56, (1989) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/20 H01L 21/314 INSPEC (DIALOG)

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 Si単結晶基板上に形成され、組成Zr
1-x x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属であ
り、x=0〜0.75である。また、δは0〜0.5で
ある。)のエピタキシャル膜であり、その(002)面
または(111)面の反射のロッキングカーブの半値幅
が1.5°以下で、かつ表面の少なくとも80%が、基
準長さ500nmでの十点平均粗さRz が0.60nm以下
であることを特徴とする酸化物薄膜。
1. A method of forming a composition Zr on a Si single crystal substrate.
1-x R x O 2 -δ (where R is a rare earth metal containing Y, x = 0 to 0.75, and δ is 0 to 0.5). The rocking curve of reflection of the (002) plane or the (111) plane has a half-width of 1.5 ° or less, and at least 80% of the surface has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm. An oxide thin film having a thickness of 0.60 nm or less.
【請求項2】 Siの単結晶基板上に形成された組成Z
rO2 の単一配向エピタキシャル膜であり、 前記単一配向エピタキシャル膜が酸素を除く構成元素の
みに換算してZrを93%以上含有し、 前記単一配向エピタキシャル膜の(002)面または
(111)面の反射のロッキングカーブの半値幅が1.
5°以下であり、 前記単一配向エピタキシャル膜は、その表面の少なくと
も80%が、基準長さ500nmでの十点平均粗さRzが
2nm以下である酸化物薄膜。
2. A composition Z formed on a Si single crystal substrate.
a single orientation epitaxial film of rO 2 , wherein the single orientation epitaxial film contains 93% or more of Zr in terms of only a constituent element excluding oxygen, and the (002) plane or (111) 1.) The half width of the rocking curve of the surface reflection is 1.
An oxide thin film in which at least 80% of the surface of the single-oriented epitaxial film has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm of 2 nm or less.
【請求項3】 前記Si単結晶基板として、その基板表
面が、Zr金属と酸素により形成された1×1の表面構
造を有するSi表面処理基板を用いる請求項1または2
の酸化物薄膜。
3. A Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure formed of Zr metal and oxygen as the Si single crystal substrate.
Oxide thin film.
【請求項4】 前記単結晶基板として、Si単結晶を、
その(100)面または(111)面が基板表面となる
ように用いる請求項1ないし3のいずれかの酸化物薄
膜。
4. An Si single crystal as the single crystal substrate,
4. The oxide thin film according to claim 1, wherein the (100) plane or the (111) plane is used as a substrate surface.
【請求項5】 10cm2 以上の面積を有する請求項1な
いし4のいずれかの酸化物薄膜。
5. The oxide thin film according to claim 1, which has an area of 10 cm 2 or more.
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかの酸化物薄
膜を基板表面にもつ電子デバイス用基板。
6. An electronic device substrate having the oxide thin film according to claim 1 on a substrate surface.
【請求項7】 Siの単結晶基板上に形成され、組成Z
1-x x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属で
あり、x=0〜0.75である。また、δは0〜0.5
である。)のエピタキシャル膜である酸化物薄膜の形成
方法であって、真空槽内を当初1×10-5Torr以上の真
空にし、この状態で、Siの単結晶基板を所定温度に加
熱し、次いで、Zrと、少なくとも1種の希土類金属
(Yを含む)の各金属元素とのうち少なくともZrを別
々の蒸発源からZrと希土類金属の比を制御しつつ同時
に蒸発させて単結晶基板の基板表面に金属を供給し、こ
の金属の供給と同時もしくは所定時間以内遅れて、上記
真空槽内に酸化性ガスを導入し、真空槽内の少なくとも
単結晶基板近傍の雰囲気を1×10-4〜1×10-2Torr
として、前記単結晶基板の基板表面に、酸化物薄膜をエ
ピタキシャル成長させて形成することを特徴とする酸化
物薄膜の形成方法。
7. A composition Z formed on a single crystal substrate of Si.
r 1-x R x O 2− δ (where R is a rare earth metal containing Y and x = 0 to 0.75; and δ is 0 to 0.5)
It is. A) a method of forming an oxide thin film which is an epitaxial film, wherein the inside of a vacuum chamber is initially evacuated to 1 × 10 −5 Torr or more, and in this state, the Si single crystal substrate is heated to a predetermined temperature; Zr and at least one of the at least one rare earth metal (including Y) each metal element are simultaneously evaporated from separate evaporation sources while controlling the ratio of Zr to the rare earth metal to form a single crystal substrate surface. An oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber at the same time or after a predetermined time delay with the supply of the metal, and the atmosphere in the vacuum chamber at least in the vicinity of the single crystal substrate is reduced to 1 × 10 −4 to 1 ×. 10 -2 Torr
Forming an oxide thin film on the substrate surface of the single crystal substrate by epitaxial growth.
【請求項8】 前記金属の蒸発による供給からの前記酸
化性ガス導入までの所定時間が、前記単結晶基板に形成
される金属薄膜の膜厚換算で、5nm以下に相当する時間
である請求項7の酸化物薄膜の形成方法。
8. A predetermined time from supply of the metal by evaporation to introduction of the oxidizing gas is a time corresponding to 5 nm or less in terms of a thickness of a metal thin film formed on the single crystal substrate. 7. The method for forming an oxide thin film according to item 7.
【請求項9】 蒸発源からの希土類金属(Yを含む)/
Zrのモル比を0から3に制御しつつ同時に蒸発させる
請求項7または8の酸化物薄膜の形成方法。
9. A rare earth metal (including Y) from an evaporation source /
9. The method for forming an oxide thin film according to claim 7, wherein the Zr molar ratio is controlled from 0 to 3 while simultaneously evaporating.
【請求項10】 蒸発源からの希土類金属(Yを含む)
/Zrのモル比を0.25から1.0に制御しつつ同時
に蒸発させる請求項9の酸化物薄膜の形成方法。
10. A rare earth metal (including Y) from an evaporation source
10. The method for forming an oxide thin film according to claim 9, wherein the evaporation is performed simultaneously while controlling the molar ratio of / Zr from 0.25 to 1.0.
【請求項11】 Si単結晶基板上に形成された組成Z
1-x x2-δ(ここで、RはYを含む希土類金属で
あり、x=0〜0.75である。また、δは0〜0.5
である。)の単一配向エピタキシャル膜である酸化物薄
膜の形成方法であって、真空層内で、Si単結晶基板の
加熱、真空層内への酸化性ガスの導入、およびZrまた
はZrと少なくとも1種の希土類金属(Yを含む)の単
結晶基板表面への蒸発による供給を行い、前記単結晶基
板の基板表面に、前記酸化物薄膜をエピタキシャル成長
させて前記組成の単一配向エピタキシャル膜を形成する
ことを特徴とする酸化物薄膜の形成方法。
11. Composition Z formed on Si single crystal substrate
r 1-x R x O 2− δ (where R is a rare earth metal containing Y and x = 0 to 0.75; and δ is 0 to 0.5)
It is. A) heating a single crystal Si substrate in a vacuum layer, introducing an oxidizing gas into the vacuum layer, and at least one of Zr or Zr in a vacuum layer. Supplying the rare earth metal (including Y) by evaporation to the surface of the single crystal substrate, and epitaxially growing the oxide thin film on the substrate surface of the single crystal substrate to form a single oriented epitaxial film having the composition described above. A method for forming an oxide thin film, comprising:
【請求項12】 前記Si単結晶基板として、その基板
表面が、ZrまたはZrおよび少なくとも1種の希土類
金属(Yを含む)と、酸素とにより形成された1×1の
表面構造を有するSi表面処理基板を用いる請求項11
の酸化物薄膜の形成方法。
12. A Si surface having a 1 × 1 surface structure formed of Zr or Zr and at least one rare earth metal (including Y) and oxygen as the Si single crystal substrate. 12. A processing substrate is used.
The method for forming an oxide thin film.
【請求項13】 前記Si表面処理基板として、その前
記基板表面に0.2〜10nmのSi酸化物層を形成し、
この後、基板温度を600〜1200℃に設定するとと
もに、前記真空槽内に酸化性ガスを導入して少なくとも
基板近傍の雰囲気を1×10-4〜1×10-1Torrとし、
この状態で、前記Si酸化物層が形成された基板表面
に、ZrまたはZrと少なくとも1種の希土類金属(Y
を含む)とを蒸発により供給して、前処理したSi単結
晶基板を用いる請求項7ないし12のいずれかの酸化物
薄膜の形成方法。
13. As the Si surface-treated substrate, a 0.2-10 nm Si oxide layer is formed on the surface of the substrate.
Thereafter, the substrate temperature is set to 600 to 1200 ° C., and an oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber to at least set the atmosphere near the substrate to 1 × 10 -4 to 1 × 10 -1 Torr.
In this state, Zr or Zr and at least one rare earth metal (Y) are formed on the surface of the substrate on which the Si oxide layer is formed.
The method for forming an oxide thin film according to any one of claims 7 to 12, wherein the pretreated Si single crystal substrate is supplied by evaporating.
【請求項14】 前記Si酸化物を形成する際、酸化性
ガスを導入した真空槽内で、Si単結晶基板を300〜
700℃に加熱し、真空槽内の少なくとも基板近傍の雰
囲気の酸素分圧を1×10-4Torr以上として、Si酸化
物層を形成する請求項13の酸化物薄膜の形成方法。
14. When forming the Si oxide, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced.
14. The method for forming an oxide thin film according to claim 13, wherein the Si oxide layer is formed by heating to 700 ° C. and setting the oxygen partial pressure of the atmosphere in the vacuum chamber at least near the substrate to 1 × 10 −4 Torr or more.
【請求項15】 前記Si単結晶基板として、Si単結
晶を、その(100)面または(111)面が基板表面
となるように用いる請求項7ないし14のいずれかの酸
化物薄膜の形成方法。
15. The method for forming an oxide thin film according to claim 7, wherein a Si single crystal is used as the Si single crystal substrate so that the (100) plane or the (111) plane becomes the substrate surface. .
【請求項16】 前記Si単結晶基板の表面に、その近
傍から酸化性ガスを噴射し、この前記単結晶基板近傍だ
け他の部分より酸化性ガス分圧の高い雰囲気を作る請求
項7ないし15のいずれかの酸化物薄膜の形成方法。
16. An oxidizing gas is sprayed onto the surface of the Si single crystal substrate from the vicinity thereof, and an atmosphere having a higher partial pressure of the oxidizing gas than other portions is formed only in the vicinity of the single crystal substrate. The method for forming an oxide thin film according to any one of the above.
【請求項17】 前記Si単結晶基板を、基板表面面積
が10cm2 以上のものとするとともに、基板内で回転す
ることにより、前記酸化性ガス高分圧雰囲気を前記単結
晶基板の全体にわたって供し、この単結晶基板の全基板
表面にわたって実質的に均一な酸化物薄膜を形成する請
求項7ないし16のいずれかの酸化物薄膜の形成方法。
17. The Si single crystal substrate having a substrate surface area of 10 cm 2 or more and rotating in the substrate to provide the oxidizing gas high partial pressure atmosphere over the entire single crystal substrate. 17. The method for forming an oxide thin film according to claim 7, wherein a substantially uniform oxide thin film is formed over the entire surface of the single crystal substrate.
【請求項18】 前記エピタキシャル膜を形成する際、
前記Si単結晶基板を750℃以上に加熱する請求項7
ないし17のいずれかの酸化物薄膜の形成方法。
18. When forming the epitaxial film,
8. The method according to claim 7, wherein the Si single crystal substrate is heated to 750.degree.
20. The method for forming an oxide thin film according to any one of the above items.
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