JP3310881B2 - Laminated thin film, substrate for electronic device, electronic device, and method of manufacturing laminated thin film - Google Patents

Laminated thin film, substrate for electronic device, electronic device, and method of manufacturing laminated thin film

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JP3310881B2
JP3310881B2 JP21788496A JP21788496A JP3310881B2 JP 3310881 B2 JP3310881 B2 JP 3310881B2 JP 21788496 A JP21788496 A JP 21788496A JP 21788496 A JP21788496 A JP 21788496A JP 3310881 B2 JP3310881 B2 JP 3310881B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト型
やタングステンブロンズ型の誘電体層や電極膜を備える
積層薄膜、この積層薄膜を備える電子デバイス用基板、
電子デバイス、および積層薄膜の製造方法に関し、さら
に詳細には、主として半導体メモリーセル、トランジス
タセルに用いられる多層膜構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated thin film comprising a perovskite type or tungsten bronze type dielectric layer and an electrode film, a substrate for an electronic device comprising the laminated thin film,
The present invention relates to an electronic device and a method of manufacturing a laminated thin film, and more particularly to a multilayer film structure mainly used for a semiconductor memory cell and a transistor cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】主としてSi単結晶基板である半導体結
晶基板上に、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LSI等、半導体と誘電体では、集積度のさ
らに高いLSI、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、OEIC(光・電子集積回路:opto-electro
nic integrated circuits )等が試作されている。
2. Description of the Related Art Electronic devices in which a superconducting film or a dielectric film is formed and integrated on a semiconductor crystal substrate, which is mainly a Si single crystal substrate, have 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, a superconducting wiring LSI, and the like, and in a semiconductor and a dielectric, a higher degree of integration is achieved. LSI, dielectric isolation LSI using SOI technology,
Nonvolatile memory, infrared sensor, optical modulator and optical switch, OEIC (opto-electro integrated circuit: opto-electro
nic 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 a thin film material, and a superconducting or dielectric epitaxial film as close as possible to a perfect single crystal 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基板にエピタキシャル成長したYSZ (ZrO2 にYを
ドープした材料)によるバッファ層を設け、その上にペ
ロブスカイト型酸化物であるYBCOおよびBi系の超伝導膜
をエピタキシャル成長させることが、Appl.Phy
s.Lett.,Vol.54,No.8,p.754
−p.756(1989)、Japanese Jou
rnal of Applied Physics,V
ol.27,No.4,L634−635(1988)
および特開平2−82585号公報に述べられている。
The crystal structures of main oxide superconductors and ferroelectrics, which are valuable for 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
A buffer layer made of YSZ (a material in which Y is doped into ZrO 2 ) epitaxially grown on an i-substrate is provided, and a YBCO and Bi-based superconducting film, which is a perovskite oxide, is epitaxially grown thereon. Phys
s. Lett. , Vol. 54, no. 8, p. 754
-P. 756 (1989), Japanese Jou
rnal of Applied Physics, V
ol. 27, no. 4, L634-635 (1988)
And JP-A-2-82585.

【0005】特に、YSZ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YSZ膜
が注目されている。
In particular, YSZ has good lattice matching with the Si crystal of the substrate and also has excellent lattice matching with the perovskite crystal. The YSZ film has attracted attention.

【0006】しかしながら、これまで、YSZバッファ
層を用いて、このように直接エピタキシャル成長が実現
されているペロブスカイト型酸化物結晶は、YBa2
37-x (YBCO)、BiSrCaCu2 x 、L
aSrCoO3 などであり、すべて複合ペロブスカイト
である。複合ペロブスカイトは、単純ペロブスカイトの
変形であるK2 NiF4 型、Nd2 CuO4 型、Sr3
Ti2 7 型などの結晶構造をとる。このような複合ペ
ロブスカイトはc軸方向に長周期構造をもちa軸とc軸
の異方性が強い。したがって、c軸配向性が強く、基板
をc面として、c軸配向のエピタキシャル膜が得易い。
Appl. Phys. Lett. 57 (11) 1161-1163(1990)に述べら
れているように、エピタキシャル膜の面方位関係はYBCO
(001)//YSZ(001)//Si(100)、かつYBCO[110]//YSZ[100]/
/Si [010] となり、YBCOの単位格子は、YSZ の格子に対
してc面内で45°回転して格子の整合がとれてエピタキ
シャル成長する。
However, a perovskite-type oxide crystal in which a direct epitaxial growth has been realized by using a YSZ buffer layer has heretofore been made of YBa 2 C
u 3 O 7-x (YBCO ), BiSrCaCu 2 O x, L
aSrCoO 3 and the like, all of which are composite perovskites. The composite perovskite is a simple perovskite variant, K 2 NiF 4 type, Nd 2 CuO 4 type, Sr 3
It has a crystal structure such as Ti 2 O 7 type. Such a composite perovskite has a long period structure in the c-axis direction and has strong anisotropy between the a-axis and the c-axis. Therefore, the c-axis orientation is strong, and a c-axis oriented epitaxial film can be easily obtained using the substrate as the c-plane.
As described in Appl. Phys. Lett. 57 (11) 1161-1163 (1990), the plane orientation relationship of the epitaxial film is YBCO
(001) // YSZ (001) // Si (100) and YBCO [110] // YSZ [100] /
/ Si [010], and the unit cell of YBCO is rotated by 45 ° in the c-plane with respect to the YSZ lattice, and the lattice is matched to grow epitaxially.

【0007】しかし、発明者らの検討ではBaTiO3、SrTi
O3、PbTiO3、PZT 、PLZTなどの単純ペロブスカイト構造
を基本とする材料は上述のように、例えばBaTiO3の場
合、BaTiO3(001)//YSZ(001)//Si(100)、かつBaTiO3[11
0]//YSZ[100]//Si[010]のように、BaTiO3の単位格子
を、YSZ の格子に対してc 面内で45°回転して格子の整
合がとれてエピタキシャル成長させることは、不可能で
あった。また、他の研究者からの報告もない。
[0007] However, according to the study of the inventors, BaTiO 3 , SrTi
O 3, PbTiO 3, PZT, a simple perovskite structure such as a material for the base described above PLZT, for example, in the case of BaTiO 3, BaTiO 3 (001) // YSZ (001) // Si (100), and BaTiO 3 [11
As in [0] // YSZ [100] // Si [010], it is impossible to rotate the unit cell of BaTiO 3 by 45 ° in the c-plane with respect to the YSZ lattice so that the lattice can be matched and the epitaxial growth can be performed. Was impossible. There are no reports from other researchers.

【0008】これは、BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、PZT 、
PLZTなどの単純ペロブスカイト構造を基本とする材料
は、単位格子が単純なペロブスカイト構造で異方性が小
さい。そのため、面内で回転して格子整合するより、単
純ペロブスカイト構造の(001)配向成長が(110) 配向と
なって格子整合がとられるためと考えられる。したがっ
て、単純ペロブスカイト構造の(001) 配向エピタキシャ
ル膜は得られない。
This is based on BaTiO 3 , SrTiO 3 , PbTiO 3 , PZT,
Materials based on a simple perovskite structure, such as PLZT, have a simple unit cell perovskite structure and low anisotropy. Therefore, it is considered that the (001) orientation growth of the simple perovskite structure becomes the (110) orientation and the lattice matching is achieved, rather than rotating in the plane to lattice match. Therefore, a (001) oriented epitaxial film having a simple perovskite structure cannot be obtained.

【0009】ところで、BaTiO3、PbTiO3、PZT 、PLZTな
どは強誘電体で、半導体装置と組み合わせることによ
り、不揮発性メモリーを実現することができる。このメ
モリーは強誘電体の分極反転現象を利用するものである
が、BaTiO3、PbTiO3、PZT 、PLZTなどの強誘電体は分極
軸がペロブスカイト構造のc軸方向である。したがっ
て、メモリーにこれらの強誘電体膜を利用するために
は、(001) 配向膜を用いる必要がある。しかし、上述し
たように、Si上にYSZを介してBaTiO3、PbTiO3、PZT
、PLZTなどの単純ペロブスカイト構造の材料を成膜し
た場合、(001) 配向のエピタキシャル膜がこれまで得ら
れてなかった。
By the way, BaTiO 3 , PbTiO 3 , PZT, PLZT and the like are ferroelectrics, and a nonvolatile memory can be realized by combining with a semiconductor device. This memory utilizes the polarization reversal phenomenon of a ferroelectric substance. In the case of a ferroelectric substance such as BaTiO 3 , PbTiO 3 , PZT and PLZT, the polarization axis is in the c-axis direction of the perovskite structure. Therefore, in order to use these ferroelectric films for a memory, it is necessary to use a (001) oriented film. However, as described above, BaTiO 3 , PbTiO 3 , PZT
When a material having a simple perovskite structure such as PLZT was formed, an epitaxial film having a (001) orientation could not be obtained.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、c面単一配向の単純ペロブスカイト型またはタング
ステンブロンズ型の材料から構成されるc面単一配向薄
膜を有する積層薄膜、この積層薄膜を備えた電子デバイ
ス用基板、電子デバイスおよび前記積層薄膜の製造方法
を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide a laminated thin film having a c-plane unidirectional thin film composed of a simple perovskite type or tungsten bronze type material having a c-plane unidirectional orientation. An object of the present invention is to provide an electronic device substrate, an electronic device, and a method for manufacturing the laminated thin film provided.

【0011】このような課題を解決するために、発明者
らは、検討を重ねた結果、ZrO2を主成分とする薄膜
に高結晶性、分子レベルの平坦性を有する薄膜を用いる
ことと、特にペロブスカイト酸化物薄膜について、新た
な結晶成長方法を見いだすことにより解決できることを
発見した。
In order to solve such a problem, the present inventors have conducted various studies and found that a thin film having high crystallinity and molecular flatness is used as a thin film containing ZrO 2 as a main component. In particular, it has been found that a perovskite oxide thin film can be solved by finding a new crystal growth method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】具体的には、このような
目的は、下記(1)〜(29)の本発明により達成され
る。 (1) 半導体単結晶基板上に酸化物薄膜が形成されて
おり、この酸化物薄膜は酸化ジルコニウムまたは希土類
金属元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸
化ジルコニウムを主成分としたエピタキシャル薄膜を少
なくとも1層含み、この酸化物薄膜上にペロブスカイト
型またはタングステンブロンズ型の誘電体材料で形成さ
れ、基板表面と平行にc面単一配向した配向薄膜を備え
る積層薄膜。 (2) 前記ペロブスカイト型またはタングステンブロ
ンズ型の誘電体材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ス
トロンチウム、ジルコンチタン酸鉛(PZT)、ニオブ
酸ストロンチウムバリウム(SBN)またはニオブ酸バ
リウム鉛(PBN)である上記(1)の積層薄膜。 (3) 前記配向薄膜がエピタキシャル膜である上記
(1)または(2)の積層薄膜。 (4) 前記半導体単結晶基板がSi(100)面を表
面に有するSi単結晶基板であって、前記配向薄膜とS
i単結晶基板の結晶軸方位関係がペロブスカイトまたは
タングステンブロンズ[100]//Si[010]であ
る上記(3)の積層薄膜。 (5) Si(100)面を表面に有するSi単結晶で
形成されたSi単結晶基板上に、ペロブスカイト型また
はタングステンブロンズ型の材料で形成され、エピタキ
シャル膜であり、結晶軸方位関係がペロブスカイトまた
はタングステンブロンズ[100]//Si[010]で
ある配向薄膜を備え、前記Si単結晶基板と配向薄膜と
の間に酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素(Scお
よびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウムを
主成分とするエピタキシャル薄膜を少なくとも1層含む
酸化物薄膜が介設され、前記酸化物薄膜の酸化ジルコニ
ウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含む)によ
り安定化された酸化ジルコニウムの組成がZr1-xx
2-δ(ここで、RはScおよびYを含む希土類金属元
素であり、x=0〜0.75、δ=0〜0.5である)
であり、前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムが、酸素を
のぞく構成元素のみに換算してZrを93mol%以上含有
し、前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキングカー
ブの半値幅が1.5°以下であり、前記酸化物薄膜の表
面のすくなくとも80%が、基準長さ500nmでの十点
平均粗さRzが2nm以下である積層薄膜。 (6) 前記ペロブスカイト型またはタングステンブロ
ンズ型の材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロン
チウム、ジルコンチタン酸鉛(PZT)、ニオブ酸スト
ロンチウムバリウム(SBN)またはニオブ酸バリウム
鉛(PBN)である上記(5)の積層薄膜。 (7) 酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素(Sc
およびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウム
を主成分とし、半導体単結晶基板上に形成された第1の
エピタキシャル膜と、この第1のエピタキシャル膜上に
直接形成されたペロブスカイト型材料による第2のエピ
タキシャル膜である配向薄膜とを含む酸化物薄膜を有
し、前記半導体単結晶基板がSi(100)面を表面に
有するSi単結晶基板であって、このSi単結晶基板と
配向薄膜の結晶軸方位関係がペロブスカイト[100]
//Si[010]であり、前記酸化物薄膜の酸化ジルコ
ニウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含む)に
より安定化された酸化ジルコニウムの組成がZr1-x
x2-δ(ここで、RはScおよびYを含む希土類金属
元素であり、x=0〜0.75、δ=0〜0.5であ
る)であり、前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムが、酸
素をのぞく構成元素のみに換算してZrを93mol%以上
含有し、前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキング
カーブの半値幅が1.5°以下であり、前記酸化物薄膜
の表面のすくなくとも80%が、基準長さ500nmでの
十点平均粗さRzが2nm以下である積層薄膜。 (8) 前記第2のエピタキシャル膜のペロブスカイト
型材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム
またはこれらの固溶体を主成分とする上記(7)の積層
薄膜。 (9) Si(100)面を表面に有するSi単結晶基
板上に、金属または導電性酸化物で形成され、基板表面
と平行にc面またはa面単一配向したエピタキシャル膜
である導電性配向薄膜、およびこの導電性配向薄膜上
に、ペロブスカイト型またはタングステンブロンズ型材
料により形成された配向薄膜を備え、前記配向薄膜がエ
ピタキシャル膜であり、前記Si基板と配向薄膜の結晶
軸方位関係がペロブスカイトまたはタングステンブロン
ズ[100]//Si[010]であり、前記Si単結晶
基板と導電性配向薄膜との間に、酸化ジルコニウムまた
は希土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定化
された酸化ジルコニウムを主成分とするエピタキシャル
薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄膜を介設した積層薄
膜。 (10) 前記金属がPt、Ir、Os、Re、Pd、
RhおよびRuのうちの少なくとも1種を含む金属であ
り、前記導電性酸化物がInを含む酸化物またはペロブ
スカイト酸化物である上記(9)の積層薄膜。 (11) 前記配向薄膜のペロブスカイト型またはタン
グステンブロンズ型材料が、チタン酸バリウム、チタン
酸ストロンチウム、ジルコンチタン酸鉛(PZT)、ニ
オブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)またはニオブ
酸バリウム鉛(PBN)である上記(9)または(1
0)の積層薄膜。 (12) 前記Si単結晶基板、導電性配向薄膜および
配向薄膜の間の面方位関係が、ペロブスカイトまたはタ
ングステンブロンズ(001)//導電性薄膜(001)
//Si(100)である上記(9)〜(11)のいずれ
かの積層薄膜。 (13) 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムまたは希
土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定化され
た酸化ジルコニウムの組成がZr1-xx2-δ(ここ
で、RはScおよびYを含む希土類金属元素であり、x
=0〜0.75、δ=0〜0.5である)である上記
(1)〜(4)、(7)〜(12)のいずれかの積層薄
膜。 (14) 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムが、酸素
をのぞく構成元素のみに換算してZrを93mol%以上含
有する上記(1)〜(4)、(7)〜(13)のいずれ
かの積層薄膜。 (15) 前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキン
グカーブの半値幅が1.5°以下である上記(1)〜
(4)、(7)〜(14)のいずれかの積層薄膜。 (16) 前記酸化物薄膜の表面のすくなくとも80%
が、基準長さ500nmでの十点平均粗さRzが2nm以下
である上記(1)〜(4)、(7)〜(15)のいずれ
かの積層薄膜。 (17) 前記酸化物薄膜が、酸化ジルコニウムまたは
希土類金属元素(ScおよびYを含む)で安定化された
酸化ジルコニウムを主成分とする第1のエピタキシャル
膜と、その上に形成されたペロブスカイト型材料による
第2のエピタキシャル膜を少なくとも含む上記(1)〜
(16)のいずれかの積層薄膜。 (18) 前記第2のエピタキシャル膜のペロブスカイ
ト型材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウ
ムまたはこれらの固溶体を主成分とする上記(17)の
積層薄膜。 (19) 前記Si単結晶基板と、前記ペロブスカイト
型材料による第2のエピタキシャル膜の結晶軸方位関係
がペロブスカイト[100]//Si[010]である上
記(17)または(18)の積層薄膜。 (20) 上記(1)〜(19)のいずれかの積層薄膜
を備える電子デバイス用基板。 (21) 上記(1)〜(20)のいずれかの積層薄膜
を備える電子デバイス。 (22) Si単結晶基板、このSi単結晶基板上に、
酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素(ScおよびY
を含む)により安定化された酸化ジルコニウムで形成さ
れた酸化物薄膜と、この酸化物薄膜上に、ペロブスカイ
ト型またはタングステンブロンズ型材料で形成された配
向薄膜とを備える積層薄膜の製造方法であって、真空槽
内で、Si単結晶基板の加熱、真空槽内への酸化性ガス
の導入、およびZrまたはZrと少なくとも1種の希土
類金属元素(ScおよびYを含む)の単結晶基板表面へ
の蒸発による供給を行い、前記単結晶基板の表面に、前
記酸化物薄膜をエピタキシャル成長させての単一配向エ
ピタキシャル膜を形成し、これを前記酸化物薄膜とする
積層薄膜の製造方法。 (23) 前記酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素
(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコ
ニウムが、Zr1-x x 2-δ(ここで、RはScおよ
びYを含む希土類金属元素であり、x=0〜0.75で
ある。また、δは0〜0.5である。)の組成のもので
ある上記(22)の積層薄膜の製造方法。 (24) 前記Si単結晶基板として、基板表面に、Z
rまたはZrおよび少なくとも1種の希土類金属元素
(Scおよび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
(22)または(23)の積層薄膜の製造方法。 (25) 前記Si表面処理基板が、Si単結晶基板表
面に厚さ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、真空槽内に酸化性ガスを導入して、少なくとも基板
近傍の雰囲気の酸素分圧を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
元素(ScおよびYを含む)とを蒸発させて供給するこ
とにより得られたものである上記(24)の積層薄膜の
製造方法。 (26) 前記Si酸化物層を形成する際、酸化性ガス
を導入した真空槽内で、Si単結晶基板を300〜70
0℃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(25)の積層薄膜の製造方法。 (27) 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Si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(2
2)〜(26)のいずれかの積層薄膜の製造方法。 (28) 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、基板を回転させること
により、前記酸化性ガス高分圧雰囲気をSi単結晶基板
の全体にわたって供し、このSi単結晶基板の表面全面
にわたって実質的に均一な酸化物薄膜を形成する上記
(22)〜(27)のいずれかの積層薄膜の製造方法。 (29) 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(22)〜
(28)のいずれかの積層薄膜の製造方法。
Specifically, such an object is achieved by the present invention described in the following (1) to (29). (1) An oxide thin film is formed on a semiconductor single crystal substrate, and the oxide thin film is an epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y). And a layered thin film comprising an oxide thin film formed of a perovskite-type or tungsten bronze-type dielectric material on the oxide thin film and having a c-plane unidirectional alignment in parallel with the substrate surface. (2) The above-mentioned dielectric material of perovskite type or tungsten bronze type is barium titanate, strontium titanate, lead zircon titanate (PZT), strontium barium niobate (SBN) or barium lead niobate (PBN). The laminated thin film of (1). (3) The laminated thin film according to (1) or (2), wherein the oriented thin film is an epitaxial film. (4) The semiconductor single crystal substrate is a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on the surface, and the oriented thin film and S
The laminated thin film according to the above (3), wherein the crystal axis orientation relationship of the i-single-crystal substrate is perovskite or tungsten bronze [100] // Si [010]. (5) An epitaxial film formed of a perovskite-type or tungsten bronze-type material on a Si single-crystal substrate formed of a Si single crystal having a Si (100) plane on the surface, and having a crystal axis orientation relationship of perovskite or A zirconium oxide stabilized with zirconium oxide or a rare earth metal element (including Sc and Y) between the silicon single crystal substrate and the oriented thin film, comprising an oriented thin film of tungsten bronze [100] // Si [010] An oxide thin film including at least one layer of an epitaxial thin film containing, as a main component, zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) having a composition of Zr 1 -x R x
O 2- δ (where R is a rare earth metal element containing Sc and Y, x = 0 to 0.75 and δ = 0 to 0.5)
Wherein the zirconium oxide of the oxide thin film contains 93 mol% or more of Zr in terms of only the constituent elements except oxygen, and the half width of the rocking curve of (002) reflection of the oxide thin film is 1.5 ° A laminated thin film in which at least 80% of the surface of the oxide thin film has a ten-point average roughness Rz of 2 nm or less at a reference length of 500 nm. (6) The perovskite-type or tungsten-bronze-type material is barium titanate, strontium titanate, lead zircon titanate (PZT), strontium barium niobate (SBN) or barium lead niobate (PBN). ). (7) Zirconium oxide or rare earth metal element (Sc
And Y) containing zirconium oxide stabilized as a main component, a first epitaxial film formed on a semiconductor single crystal substrate, and a first perovskite-type material formed directly on the first epitaxial film. 2. An oxide thin film including an oriented thin film which is an epitaxial film of No. 2, wherein the semiconductor single crystal substrate is a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on a surface thereof. Perovskite crystal orientation [100]
// Si [010], and the composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) in the oxide thin film is Zr 1-x R
x O 2− δ (where R is a rare earth metal element containing Sc and Y, x = 0 to 0.75, δ = 0 to 0.5), and the zirconium oxide of the oxide thin film Contains at least 93 mol% of Zr in terms of only the constituent elements except oxygen, the half-width of the rocking curve of (002) reflection of the oxide thin film is 1.5 ° or less, and the surface of the oxide thin film At least 80% of the laminated thin films have a ten-point average roughness Rz of 2 nm or less at a reference length of 500 nm. (8) The laminated thin film according to (7), wherein the perovskite-type material of the second epitaxial film is mainly composed of barium titanate, strontium titanate or a solid solution thereof. (9) Conductive orientation which is an epitaxial film formed of a metal or a conductive oxide on a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on its surface and having a single orientation of c-plane or a-plane parallel to the substrate surface A thin film, and an alignment thin film formed of a perovskite type or a tungsten bronze type material on the conductive alignment thin film, wherein the alignment thin film is an epitaxial film, and a crystal axis orientation relationship between the Si substrate and the alignment thin film is perovskite or Tungsten bronze [100] // Si [010], wherein zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) is interposed between the Si single crystal substrate and the conductive alignment thin film. A laminated thin film including an oxide thin film including at least one epitaxial thin film as a main component. (10) The metal is Pt, Ir, Os, Re, Pd,
The laminated thin film according to the above (9), which is a metal containing at least one of Rh and Ru, and wherein the conductive oxide is an oxide containing In or a perovskite oxide. (11) The perovskite-type or tungsten bronze-type material of the alignment thin film is barium titanate, strontium titanate, lead zircon titanate (PZT), strontium barium niobate (SBN), or barium lead niobate (PBN). (9) or (1)
0) The laminated thin film. (12) The plane orientation relationship between the Si single crystal substrate, the conductive alignment thin film and the alignment thin film is perovskite or tungsten bronze (001) /// conductive thin film (001).
// A laminated thin film according to any one of the above (9) to (11), which is Si (100). (13) The composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) in the oxide thin film is Zr 1 -x R x O 2 -δ (where R is Sc and Y Is a rare earth metal element containing
= 0 to 0.75 and δ = 0 to 0.5) in any one of the above (1) to (4) and (7) to (12). (14) The laminate according to any one of (1) to (4) and (7) to (13), wherein the zirconium oxide of the oxide thin film contains 93 mol% or more of Zr in terms of only the constituent elements except oxygen. Thin film. (15) The above (1) to (1), wherein the half width of the rocking curve of the (002) reflection of the oxide thin film is 1.5 ° or less.
(4) The laminated thin film according to any one of (7) to (14). (16) at least 80% of the surface of the oxide thin film
The laminated thin film according to any one of (1) to (4) and (7) to (15), wherein a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm is 2 nm or less. (17) a first epitaxial film mainly composed of zirconium oxide stabilized with zirconium oxide or a rare earth metal element (including Sc and Y), and a perovskite-type material formed thereon (1) to (4) including at least a second epitaxial film according to
The laminated thin film according to any one of (16). (18) The laminated thin film according to (17), wherein the perovskite-type material of the second epitaxial film is mainly composed of barium titanate, strontium titanate or a solid solution thereof. (19) The laminated thin film according to the above (17) or (18), wherein the crystal axis orientation relationship between the Si single crystal substrate and the second epitaxial film made of the perovskite-type material is perovskite [100] // Si [010]. (20) An electronic device substrate comprising the laminated thin film according to any one of (1) to (19). (21) An electronic device comprising the laminated thin film according to any one of (1) to (20). (22) Si single crystal substrate, on this Si single crystal substrate,
Zirconium oxide or rare earth metal elements (Sc and Y
) Comprising: an oxide thin film formed of zirconium oxide stabilized by the above method; and an oriented thin film formed of a perovskite-type or tungsten bronze-type material on the oxide thin film. Heating a Si single crystal substrate in a vacuum chamber, introducing an oxidizing gas into the vacuum chamber, and applying Zr or Zr and at least one rare earth metal element (including Sc and Y) to the surface of the single crystal substrate. A method for producing a laminated thin film in which a single-oriented epitaxial film is formed by epitaxially growing the oxide thin film on the surface of the single crystal substrate by performing supply by evaporation and using the oxide thin film as the oxide thin film. (23) The zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by the rare earth metal element (including Sc and Y) is Zr 1 -x R x O 2 -δ (where R is a rare earth metal element containing Sc and Y). And x = 0 to 0.75, and δ is 0 to 0.5.). (24) As the Si single crystal substrate, Z
r or Zr and at least one rare earth metal element (including Sc and Y) and oxygen
The method for producing a laminated thin film according to the above (22) or (23), using a Si surface-treated substrate having a surface structure of × 1. (25) The Si surface-treated substrate forms a Si oxide layer having a thickness of 0.2 to 10 nm on the surface of the Si single crystal substrate, and then sets the substrate temperature to 600 to 1200 ° C. An oxidizing gas is introduced into the atmosphere, and the oxygen partial pressure of at least the atmosphere near the substrate is reduced to 1 × 10 -4 to 1 × 10 -1 Torr.
In this state, Zr or Zr and at least one rare earth metal element (including Sc and Y) are vaporized and supplied to the substrate surface on which the Si oxide layer is formed. (24). (26) When forming the Si oxide layer, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced.
The method for producing a laminated thin film according to (25) above, wherein the Si oxide layer is formed by heating to 0 ° 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. (27) 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 parts is formed only in the vicinity of the Si single crystal substrate.
2) The method for manufacturing a laminated thin film according to any one of (26) to (26). (28) The Si single crystal substrate has a substrate surface area of 10
cm 2 or more, and by rotating the substrate, the oxidizing gas high partial pressure atmosphere is provided over the entire surface of the Si single crystal substrate, and a substantially uniform oxide is formed over the entire surface of the Si single crystal substrate. The method for producing a laminated thin film according to any one of the above (22) to (27), which forms a thin film. (29) When forming the epitaxial film, the S
(22) to heating the i single crystal substrate to 750 ° C. or more
(28) The method for producing a laminated thin film according to any of (28).

【0013】[0013]

【作用】本発明の第1の酸化物薄膜(下地層)上には、
配向薄膜である単純ベロブスカイト膜を良好にエピタキ
シャル成長することができる。さらに例えばBaTiO3-Zr1
-x RxO1-δ-Si では、面方位関係をBaTiO3(001)//Zr1-x
RxO2- δ(001) //Si(100) 、かつ結晶軸方位をBaTiO3[1
00]//Zr1-xRxO2- δ[100]//Si[010]で成長させることに
より、(001) 配向のBaTiO3薄膜を得ることができる。ま
た、この積層薄膜を下地層、すなわちバッファ層として
用いることにより、他の単純ペロブスカイト型、複合ペ
ロブスカイト型{層状ペロブスカイト型(K2 NiF4
型を含む)を含む}、タングステンブロンズ型等の
(強)誘電体材料、および金属、導電性酸化物等の導電
性のエピタキシャル膜をSi上で得ることができる。
The first oxide thin film (underlayer) of the present invention has:
A simple perovskite film, which is an oriented thin film, can be favorably epitaxially grown. Furthermore, for example, BaTiO 3 -Zr 1
-x RxO 1- δ-Si, the plane orientation relation is BaTiO 3 (001) // Zr 1-x
RxO 2- δ (001) // Si (100) and the crystal axis orientation is BaTiO 3 [1
By growing on [00] // Zr 1-x RxO 2- δ [100] // Si [010], a (001) oriented BaTiO 3 thin film can be obtained. Further, by using this laminated thin film as a base layer, that is, a buffer layer, other simple perovskite type, composite perovskite type {layered perovskite type (K 2 NiF 4)
(Including molds), (ferro) dielectric materials such as tungsten bronze molds, and conductive epitaxial films such as metals and conductive oxides can be obtained on Si.

【0014】また、特に、蒸着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
積層酸化物薄膜を得ることができる。
In particular, when the deposition substrate is rotated in the plane, a uniform and high-quality laminated oxide thin film having a large area of 10 cm 2 or more can be obtained.

【0015】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、別々の金属元素の蒸発源を用いて、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。本発明による積層薄膜は、さらに、以下の条件を最
適化することによりはじめて、面方位関係がBaTiO3(00
1)//Zr1-xRxO2- δ(001)//Si(100)、かつBaTiO3[100]//
Zr1-xRxO2- δ[100]//Si[010]であるエピタキシャル膜
の形成が可能になる。すなわち、Si(100) 単結晶上に
形成された組成Zr1-xRxO2-δ(ここで、RはScおよび
Yを含む希土類金属であり、x=0〜0.75、δ=0
〜0.5である)の高結晶性かつ分子レベルで平坦性を
有するエピタキシャル膜を蒸着基板とすること、蒸着基
板の加熱温度を850 ℃から1200℃とすること、BaTiO3
形成初期、すなわち膜厚0〜1nmの領域において金属元
素の供給比率Ba/Tiを0〜1とする(Bサイト金属
を過剰に供給する)ことによりSi基板上で(001) エピタ
キシャル膜成長を可能にしている。BaTiO3 以外の
ペロブスカイト型材料およびタングステンブロンズ型材
料も同様にして、作製することができる。すなわち成膜
初期にBサイト金属を過剰に供給する。
JP-A-2-258700 discloses that a perovskite-type oxide (BaTiO 3 ) single crystal film is formed on a single-crystal oxide substrate by co-evaporation. Techniques of controlling the composition ratio using a metal element evaporation source, increasing the pressure of oxygen only in the vicinity of the substrate, and using a substrate having a specific orientation plane are disclosed. The laminated thin film according to the present invention further has a plane orientation relationship of BaTiO 3 (00
1) // Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (100) and BaTiO 3 [100] //
An epitaxial film of Zr 1-x RxO 2- δ [100] // Si [010] can be formed. That is, a composition Zr 1-x RxO 2- δ formed on a Si (100) single crystal (where R is a rare earth metal containing Sc and Y, x = 0 to 0.75, δ = 0
0.50.5) high crystallinity and an epitaxial film having flatness at the molecular level as a deposition substrate, a heating temperature of the deposition substrate of 850 ° C. to 1200 ° C., an initial stage of forming BaTiO 3 , that is, The (001) epitaxial film can be grown on the Si substrate by setting the supply ratio Ba / Ti of the metal element to 0 to 1 (excess supply of the B-site metal) in the region of 0 to 1 nm in film thickness. Perovskite-type materials and tungsten bronze-type materials other than BaTiO 3 can be similarly produced. That is, an excessive amount of B-site metal is supplied at the beginning of film formation.

【0016】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.
25cm2 (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10cm2 以上を可能にしている。
Furthermore, the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-258700 is not intended at all for a substrate having a large surface area of 10 cm 2 or more, and there is no suggestion. In fact, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-258700 also discloses that a substrate area of 2.
There is only an embodiment of 25 cm 2 (about 15 × 15 mm 2 ). In the present invention, a substrate area of 10 cm 2 or more is made possible by rotating the substrate in the plane of the substrate.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明の第1のアスペクトによる
積層薄膜は、酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素
(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコ
ニウムを主成分とし、半導体単結晶基板上に形成された
エピタキシャル薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄膜、
およびこの酸化物薄膜を下地層としてその上にペロブス
カイト型またはタングステンブロンズ型材料で形成さ
れ、基板表面と平行にc面配向、すなわち(001)配
向、より好ましくはc面単一配向、さらに好ましくはエ
ピタキシャル成長した配向薄膜を備えていることを特徴
とする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A laminated thin film according to a first aspect of the present invention is composed mainly of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y), and is formed on a semiconductor single crystal substrate. An oxide thin film including at least one layer of the formed epitaxial thin film,
And a perovskite-type or tungsten-bronze-type material formed on the oxide thin film as an underlayer and c-plane orientation parallel to the substrate surface, that is, a (001) orientation, more preferably a c-plane single orientation, and still more preferably. It is characterized by comprising an oriented thin film grown epitaxially.

【0018】なお、本明細書における単一配向膜とは、
基板表面と平行に目的とする結晶面がそろっている結晶
化膜のことを意味する。具体的には、例えば、(00
1)単一配向膜、すなわちc面単一配向膜は、膜の2θ
−θX線回折(XRD)で(00L)面以外の反射強度
が、(00L)面反射の最大ピーク強度の10%以下、
好ましくは5%以下のものである。なお、本明細書にお
いて(00L)は、(001)や(002)などの等価
な面を総称する表示であり、(L00)などについても
同様である。
In this specification, the term “single alignment film” refers to
It means a crystallized film in which the target crystal planes are aligned in parallel with the substrate surface. Specifically, for example, (00
1) A single alignment film, that is, a c-plane single alignment film,
-Θ X-ray diffraction (XRD) is such that the reflection intensity other than the (00L) plane is 10% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane reflection;
It is preferably at most 5%. In this specification, (00L) is a generic term for equivalent surfaces such as (001) and (002), and the same applies to (L00).

【0019】また、本明細書においてエピタキシャル膜
とは、膜面内をX−Y面とし、膜厚方向をZ軸としたと
き、結晶がX軸、Y軸およびZ軸方向にともにそろって
配向しているものである。具体的には、第一に、X線回
折による測定を行ったとき、目的とする面以外のものの
反射のピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の1
0%以下、好ましくは5%以下である必要がある。例え
ば、(001)エピタキシャル膜、すなわちc面エピタ
キシャル膜では、膜の2θ−θX線回折で(00L)面
以外のピーク強度が、(00L)面の最大ピーク強度の
10%以下、好ましくは5%以下である。第二に、RH
EED評価でストリークパターンを示す必要がある。こ
れらの条件を満足すれば、エピタキシャル膜といえる。
なお、RHEEDとは、反射高速電子線回折(Reflecti
on High Energy Electron Diffraction)であり、RHE
ED評価は、膜面内における結晶軸の配向の指標であ
る。
In this specification, the term “epitaxial film” means that the crystal is aligned in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions when the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z axis. Is what you are doing. Specifically, first, when measurement is performed by X-ray diffraction, the peak intensity of the reflection of an object other than the target surface is one of the maximum peak intensity of the target surface.
It must be 0% or less, preferably 5% or less. For example, in a (001) epitaxial film, that is, a c-plane epitaxial film, the peak intensity of the film other than the (00L) plane in the 2θ-θ X-ray diffraction is 10% or less, preferably 5% of the maximum peak intensity of the (00L) plane. It is as follows. Second, RH
It is necessary to show a streak pattern in the EED evaluation. If these conditions are satisfied, it can be said that the film is an epitaxial film.
RHEED is a reflection high-speed electron diffraction (Reflecti
on High Energy Electron Diffraction) and RHE
The ED evaluation is an index of the orientation of the crystal axis in the film plane.

【0020】単純ペロブスカイト型構造は、化学式AB
3 で表される。ここで、AおよびBはそれぞれペロブ
スカイト型結晶構造におけるAサイト、Bサイトに入る
各々陽イオンを表す。AはCa、Ba、Sr、Pb、
K、Na、Li、LaおよびCdから選ばれた1種以上
であることが好ましく、BはTi、Zr、TaおよびN
bから選ばれた1種以上であることが好ましい。
The simple perovskite structure has the formula AB
It is represented by O 3 . Here, A and B represent cations entering the A site and the B site, respectively, in the perovskite crystal structure. A is Ca, Ba, Sr, Pb,
It is preferably at least one kind selected from K, Na, Li, La and Cd, and B is Ti, Zr, Ta and Nd.
Preferably, it is at least one selected from b.

【0021】こうしたペロブスカイト型化合物における
A/Bのモル組成比は0.8〜1.2であり、さらには
0.9〜1.1であることが好ましい。A/Bをこの範
囲にすることによって、誘電体の絶縁性を確保すること
ができ、また結晶性を改善することが可能になるため、
誘電体特性または強誘電特性を改善することができる。
これに対し、A/Bが0.8未満では結晶性の改善効果
が望めなくなってくる。またA/Bが1.2をこえると
均質な薄膜の形成が困難になってくる傾向が生じる。こ
のようなA/Bの組成比は、成膜条件を後述のように制
御することによって実現する。また上述のABO3 にお
けるOの組成は、3に限定されるものではない。ペロブ
スカイト材料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で安
定したペロブスカイト構造を組むものであってよく、A
BOX において、xの値は2.7〜3.3であることが
好ましい。またA/Bの組成比は、蛍光X線分析法から
求めることができる。
The molar composition ratio of A / B in such a perovskite compound is from 0.8 to 1.2, and preferably from 0.9 to 1.1. By setting A / B in this range, the insulating properties of the dielectric can be ensured and the crystallinity can be improved.
Dielectric or ferroelectric properties can be improved.
On the other hand, if A / B is less than 0.8, the effect of improving crystallinity cannot be expected. When A / B exceeds 1.2, it tends to be difficult to form a uniform thin film. Such an A / B composition ratio is realized by controlling the film forming conditions as described below. Further, the composition of O in the above-mentioned ABO 3 is not limited to 3. Some perovskite materials may form a stable perovskite structure with oxygen vacancies or excess oxygen.
In BO X, the value of x is preferably 2.7 to 3.3. The composition ratio of A / B can be determined by X-ray fluorescence analysis.

【0022】本発明における単純ペロブスカイト型化合
物としては、A1+5+3 、A2+4+3 、A3+3+
3 、AX BO3 、A(B′0.67B″0.33)O3 、A
(B′0. 33B″0.67)O3 、A(B0.5 +30.5 +5 )O
3 、A(B0.5 2+0.5 6+ )O3 、A(B0.5 1+
0.5 7+ )O3 、A3+(B0.5 2+0.5 4+ )O3 、A(B
0.25 1+0.75 5+)O3 、A(B0.5 3+0.5 4+
2.75、A(B0.5 2+0.5 5+ )O 2.75等のいずれであ
ってもよい。
The simple perovskite compound in the present invention
The thing is A1+B5+OThree , A2+B4+OThree , A3+B3+O
Three , AX BOThree , A (B '0.67B "0.33) OThree , A
(B '0. 33B "0.67) OThree , A (B0.5 +3 B0.5 +5 ) O
Three , A (B0.5 2+ B0.5 6+ ) OThree , A (B0.5 1+ B
0.5 7+ ) OThree , A3+(B0.5 2+ B0.5 4+ ) OThree , A (B
0.25 1+B0.75 5+) OThree , A (B0.5 3+ B0.5 4+ )
O2.75, A (B0.5 2+ B0.5 5+ ) O 2.75Any of
You may.

【0023】具体的には、CaTiO3 、BaTiO
3 、PbTiO3 、KTaO3 、BiFeO3 、NaT
aO3 、SrTiO3 、CdTiO3 、KNbO3 、L
iNbO3 、LiTaO3 、PZT(PbZrO3 −P
bTiO3 系)、PLZT(La23 が添加されたP
bZrO3 −PbTiO3 系)その他Pb系ペロブスカ
イト、およびこれらの固溶体等である。
Specifically, CaTiO 3 , BaTiO 3
3 , PbTiO 3 , KTaO 3 , BiFeO 3 , NaT
aO 3 , SrTiO 3 , CdTiO 3 , KNbO 3 , L
iNbO 3 , LiTaO 3 , PZT (PbZrO 3 -P
bTiO 3 ), PLZT (P added with La 2 O 3 )
bZrO 3 -PbTiO 3 ), other Pb-based perovskites, and solid solutions thereof.

【0024】PLZTは、PbZrO3 −PbTiO3
系の固溶体であるPZTにLaがドープされた化合物で
あり、ABO3 の表記に従えば、A=Pb0.890.91
0. 110.09、B=Zr0.65Ti0.35であり、(Pb
0.890.91La0.110.09)(Zr0.65Ti0.35)O3
で示される。
PLZT is composed of PbZrO 3 -PbTiO 3
A compound La doped into PZT is a solid solution of the system, according to the notation of ABO 3, A = Pb 0.89 ~ 0.91 L
a 0. 11 ~ 0.09, a B = Zr 0.65 Ti 0.35, ( Pb
0.89 to 0.91 La 0.11 to 0.09 ) (Zr 0.65 Ti 0.35 ) O 3
Indicated by

【0025】本発明に用いることが好ましい単純ペロブ
スカイト化合物は、特にチタン酸塩ないしチタン酸塩含
有ペロブスカイト型化合物であり、例えばBaTiO
3 、SrTiO3 、PLZT、PZT、CaTiO3
PbTiO3 等が好ましい。
The simple perovskite compound preferably used in the present invention is a titanate or a titanate-containing perovskite compound, for example, BaTiO 3.
3 , SrTiO 3 , PLZT, PZT, CaTiO 3 ,
PbTiO 3 and the like are preferred.

【0026】タングステンブロンズ型構造は、化学式A
26 で表される。ここでAおよびBは、それぞれタ
ングステンブロンズ型結晶構造におけるAサイト、Bサ
イトに入る各々陽イオンを表す。AはCa、Ba、S
r、Pb、K、Na、Li、Cd、Sc、Yおよび希土
類元素から選ばれた1種以上であることが好ましく、B
は、Nb、Ta、TiおよびZrから選ばれた1種以上
であることが好ましい。
The tungsten bronze type structure has a chemical formula A
It is represented by B 2 O 6 . Here, A and B represent cations entering the A site and the B site, respectively, in the tungsten bronze type crystal structure. A is Ca, Ba, S
r, Pb, K, Na, Li, Cd, Sc, Y and at least one selected from rare earth elements;
Is preferably at least one selected from Nb, Ta, Ti and Zr.

【0027】こうしたタングステンブロンズ型化合物に
おけるA/Bのモル組成比は0.3〜0.7であり、さ
らには0.4〜0.6であることが好ましい。A/Bを
この範囲にすることによって、誘電体の絶縁性を確保す
ることができ、また結晶性を改善することが可能になる
ため、誘電体特性または強誘電特性を改善することがで
きる。これに対し、A/Bが0.3未満では結晶性の改
善効果が望めなくなってくる。またA/Bが0.7をこ
えると均質な薄膜の形成が困難になってくる傾向が生じ
る。このようなA/Bの組成比は、成膜条件を後述のよ
うに制御することによって実現する。また上述のAB2
6 におけるOの組成は、6に限定されるものではな
い。タングステンブロンズ材料によっては、酸素欠陥ま
たは酸素過剰で安定したタングステンブロンズ構造を組
むものであってよく、AB2X において、xの値は
5.6〜6.3であることが好ましい。またA/Bの組
成比は、蛍光X線分析法から求めることができる。
The molar composition ratio of A / B in such a tungsten bronze type compound is 0.3 to 0.7, and more preferably 0.4 to 0.6. By setting A / B in this range, the insulating properties of the dielectric can be ensured, and the crystallinity can be improved, so that the dielectric characteristics or ferroelectric characteristics can be improved. On the other hand, if A / B is less than 0.3, the effect of improving crystallinity cannot be expected. If A / B exceeds 0.7, it tends to be difficult to form a uniform thin film. Such an A / B composition ratio is realized by controlling the film forming conditions as described below. AB 2 described above
The composition of O in O 6 is not limited to 6. Some tungsten bronze materials may be those Crossed oxygen defects or oxygen excess and stable tungsten bronze structure, the AB 2 O X, the value of x is preferably from 5.6 to 6.3. The composition ratio of A / B can be determined by X-ray fluorescence analysis.

【0028】本発明におけるタングステンブロンズ型材
料としては、強誘電体材料集のLandoit-Borenstein Vo
l. 16記載のタングステンブロンズ型材料のいずれであ
ってもよい。具体的には、(Ba,Sr)Nb26
PbNb26 、(Pb,Ba)NbO6 、PbTa2
6 、BaTa26 、PbNb411、PbNb2
6 、SrNb26 、BaNb26 等とそれらの固
溶体である。
As the tungsten bronze type material in the present invention, Landoit-Borenstein Vo.
l. Any of the tungsten bronze-type materials described in 16 above. Specifically, (Ba, Sr) Nb 2 O 6 ,
PbNb 2 O 6 , (Pb, Ba) NbO 6 , PbTa 2
O 6 , BaTa 2 O 6 , PbNb 4 O 11 , PbNb 2 O
6 , SrNb 2 O 6 , BaNb 2 O 6, etc. and their solid solutions.

【0029】上記のうち前記の単純ペロブスカイト型ま
たはタングステンブロンズ型材料は、チタン酸バリウ
ム、チタン酸ストロンチウム、PZT、SBN((B
a,Sr)Nb26 )、PBN((Pb,Ba)Nb
26 )が好ましい。前記配向薄膜はエピタキシャル膜
であることが好ましい。
Of the above materials, the above simple perovskite type or tungsten bronze type materials are barium titanate, strontium titanate, PZT, SBN ((B
a, Sr) Nb 2 O 6 ), PBN ((Pb, Ba) Nb
2 O 6 ) is preferred. Preferably, the oriented thin film is an epitaxial film.

【0030】本発明では、複合ペロブスカイト型化合物
{層状ペロブスカイト化合物(K2NiF4 型構造の化
合物を含む)を含む}から構成されるc面単一配向膜を
得ることもできる。
In the present invention, it is also possible to obtain a c-plane single orientation film composed of a composite perovskite compound (including a layered perovskite compound (including a compound having a K 2 NiF 4 type structure)).

【0031】層状ペロブスカイト化合物のうちBi系層
状化合物は、一般に 式 Bi2m-1m3m+3 で表わされる。上記式において、mは1〜5の整数、A
は、Bi、Ca、Sr、Ba、Pb、Na、Kおよび希
土類元素(ScおよびYを含む)のいずれかであり、B
は、Ti、TaおよびNbのいずれかである。具体的に
は、Bi4 Ti312、Bi2 SrTa29 、Bi2
SrNb29 などが挙げられる。本発明では、これら
の化合物のいずれを用いてもよく、これらの固溶体を用
いてもよい。
[0031] Bi-based layered compound of the layered perovskite compounds are generally represented by the formula Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3. In the above formula, m is an integer of 1 to 5, A
Is any of Bi, Ca, Sr, Ba, Pb, Na, K and rare earth elements (including Sc and Y);
Is any of Ti, Ta and Nb. Specifically, Bi 4 Ti 3 O 12 , Bi 2 SrTa 2 O 9 , Bi 2
SrNb 2 O 9 and the like. In the present invention, any of these compounds may be used, or a solid solution thereof may be used.

【0032】用いる基板は、単結晶であり、ガリウムヒ
素、シリコン等の半導体であってもよい。これらのうち
ではSi単結晶基板が好ましい。そしてSi単結晶等の
(100)面を基板表面になるように用いることが好ま
しい。
The substrate to be used is a single crystal, and may be a semiconductor such as gallium arsenide or silicon. Among them, a Si single crystal substrate is preferable. It is preferable that the (100) plane of the Si single crystal or the like be used so as to be the substrate surface.

【0033】前記配向薄膜とSiとの結晶軸方位関係は
ペロブスカイトまたはタングステンブロンズ[100]
//Si[010]であることが好ましい。なお、Siは
立方晶である。
The crystal axis orientation relationship between the oriented thin film and Si is perovskite or tungsten bronze [100].
// Si [010] is preferred. Note that Si is cubic.

【0034】本発明の第2のアスペクトによる積層薄膜
は、好ましくはSi(100)面を表面に有するSi単
結晶で形成されたSi単結晶基板上に、ペロブスカイト
型またはタングステンブロンズ型材料で形成され、エピ
タキシャル膜であり、結晶軸方位関係がペロブスカイト
またはタングステンブロンズ[100]//Si[01
0]である配向薄膜を備える。この場合、上記配向薄膜
は、Si単結晶基板上に他の薄膜を介して形成される。
The laminated thin film according to the second aspect of the present invention is preferably formed of a perovskite type or tungsten bronze type material on a Si single crystal substrate formed of a Si single crystal having a Si (100) plane on the surface. , An epitaxial film having a crystal axis orientation relationship of perovskite or tungsten bronze [100] // Si [01
0]. In this case, the oriented thin film is formed on the Si single crystal substrate via another thin film.

【0035】前記ペロブスカイト型またはタングステン
ブロンズ型材料は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロ
ンチウム、PZT、SBNまたはPBNであることが好
ましい。前記Si単結晶基板と配向薄膜の間には、酸化
ジルコニウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含
む)により安定化された酸化ジルコニウムを主成分とす
るエピタキシャル薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄膜
が介設されていることが好ましい。
The perovskite type or tungsten bronze type material is preferably barium titanate, strontium titanate, PZT, SBN or PBN. An oxide thin film including at least one epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide stabilized by zirconium oxide or a rare earth metal element (including Sc and Y) is interposed between the Si single crystal substrate and the oriented thin film. Preferably, it is provided.

【0036】本発明の第3のアスペクトによる積層薄膜
は、半導体単結晶基板上に、タングステンブロンズ型材
料で形成されたエピタキシャル膜である配向薄膜を備え
る。この場合、上記配向薄膜は、半導体単結晶基板上に
他の薄膜を介して形成される。
The laminated thin film according to the third aspect of the present invention includes an oriented thin film which is an epitaxial film formed of a tungsten bronze type material on a semiconductor single crystal substrate. In this case, the oriented thin film is formed on the semiconductor single crystal substrate via another thin film.

【0037】前記配向薄膜の材料は、SBNまたはPB
Nであることが好ましい。前記半導体単結晶基板と配向
薄膜の間には、酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素
(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコ
ニウムを主成分とするエピタキシャル薄膜を少なくとも
1層含む酸化物薄膜が介設されている。そして、半導体
単結晶基板は、Si(100)面を表面に有するSi単
結晶基板であることが好ましい。
The material of the alignment thin film is SBN or PB
N is preferred. An oxide thin film including at least one epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide stabilized with zirconium oxide or a rare earth metal element (including Sc and Y) is provided between the semiconductor single crystal substrate and the oriented thin film. Has been established. The semiconductor single crystal substrate is preferably a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on the surface.

【0038】本発明の第4のアスペクトによる積層薄膜
は、酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素(Scおよ
びYを含む)により安定化された酸化ジルコニウムを主
成分とし、半導体単結晶基板上に形成された第1のエピ
タキシャル膜と、この第1のエピタキシャル膜上に、介
在層を設けずに、ペロブスカイト型材料で形成される第
2のエピタキシャル膜である配向薄膜とを有する酸化物
薄膜を備える。
The laminated thin film according to the fourth aspect of the present invention is composed mainly of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) and formed on a semiconductor single crystal substrate. An oxide thin film having a first epitaxial film and an oriented thin film as a second epitaxial film formed of a perovskite-type material without providing an intervening layer on the first epitaxial film.

【0039】第2のエピタキシャル膜のペロブスカイト
型材料は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム
またはこれらの固溶体を主成分とするものであることが
好ましく、特に、チタン酸バリウムを主成分とするもの
であることが好ましい。半導体単結晶基板はSi単結晶
基板であり、このSi単結晶基板と配向薄膜の結晶軸方
位関係がペロブスカイト[100]//Si[010]で
ある。このような第2のエピタキシャル膜では、表面の
80%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは9
5%以上が、基準長さ500nmでの十点平均粗さRzが
好ましくは2nm以下、より好ましくは1nm以下、さらに
好ましくは0.5nm以下である。本発明では、このよう
な平坦な表面を容易に実現できる。なお、本明細書にお
いて、例えば表面の80%以上でRzが2nm以下である
とは、薄膜の全体にわたって平均に分布した任意の10ヶ
所以上を測定したときにその80%以上の箇所でRzが
2nm以下であることを意味する。Rzは、原子間力顕微
鏡(AFM)により測定できる。
The perovskite-type material of the second epitaxial film is preferably composed mainly of barium titanate, strontium titanate or a solid solution thereof, particularly, composed mainly of barium titanate. Is preferred. The semiconductor single crystal substrate is a Si single crystal substrate, and the crystal axis orientation relationship between the Si single crystal substrate and the oriented thin film is perovskite [100] // Si [010]. In such a second epitaxial film, 80% or more of the surface, preferably 90% or more, more preferably 9% or more.
5% or more has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm of preferably 2 nm or less, more preferably 1 nm or less, and still more preferably 0.5 nm or less. In the present invention, such a flat surface can be easily realized. In the present specification, for example, Rz of 2 nm or less at 80% or more of the surface means that Rz is found at 80% or more when measured at any 10 or more locations averagely distributed over the entire thin film. It means that it is 2 nm or less. Rz can be measured by an atomic force microscope (AFM).

【0040】第4のアスペクトの積層薄膜上には、上記
したように、第2のエピタキシャル膜構成材料以外のペ
ロブスカイト等からなる配向薄膜が形成されるが、第2
のエピタキシャル膜が結晶性、表面平坦性に優れるた
め、良質の配向薄膜が得られる。
On the laminated thin film of the fourth aspect, as described above, an oriented thin film made of perovskite or the like other than the second epitaxial film constituting material is formed.
Is excellent in crystallinity and surface flatness, so that a high-quality oriented thin film can be obtained.

【0041】本発明の第5のアスペクトによる積層薄膜
は、Si(100)面を表面に有するSi単結晶基板上
に、Pt、Ir、Os、Re、Pd、RhおよびRuか
ら選ばれる金属のうちの少なくとも1種で形成されるか
導電性酸化物で形成されるエピタキシャル膜であり基板
に平行にc面またはa面単一配向した配向薄膜を備え
る。
The laminated thin film according to the fifth aspect of the present invention comprises a single crystal silicon substrate having a Si (100) surface on a Si single crystal substrate, and a metal selected from the group consisting of Pt, Ir, Os, Re, Pd, Rh and Ru. And an oriented thin film having a single c-plane or a-plane orientation parallel to the substrate, which is formed of at least one of the above or a conductive oxide.

【0042】前記Si単結晶基板と配向薄膜の間に、酸
化ジルコニウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを
含む)により安定化された酸化ジルコニウムを主成分と
するエピタキシャル薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄
膜が介設されている。
An oxide thin film including at least one epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) between the Si single crystal substrate and the oriented thin film. Is interposed.

【0043】本発明の第6のアスペクトによる積層薄膜
は、Si(100)面を表面に有するSi単結晶で形成
されたSi単結晶基板上に、Pt、Ir、Os、Re、
Pd、RhおよびRuから選ばれる金属のうちの少なく
とも1種で形成されるか、導電性酸化物で形成されるエ
ピタキシャル膜、およびペロブスカイト型またはタング
ステンブロンズ型材料で形成された配向薄膜を備える。
The laminated thin film according to the sixth aspect of the present invention is obtained by forming Pt, Ir, Os, Re, and Pt on a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on the surface.
An epitaxial film formed of at least one metal selected from Pd, Rh and Ru, or formed of a conductive oxide, and an oriented thin film formed of a perovskite-type or tungsten bronze-type material.

【0044】前記ペロブスカイト型またはタングステン
ブロンズ型材料は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロ
ンチウム、PZT、PBNまたはSBNであることが好
ましい。前記配向薄膜はエピタキシャル膜であることが
好ましい。
The perovskite type or tungsten bronze type material is preferably barium titanate, strontium titanate, PZT, PBN or SBN. Preferably, the oriented thin film is an epitaxial film.

【0045】前記Si基板と配向薄膜の結晶軸方位関係
はペロブスカイトまたはタングステンブロンズ[10
0]//Si[010]であることが好ましい。
The crystal axis orientation relationship between the Si substrate and the oriented thin film is perovskite or tungsten bronze [10
0] // Si [010].

【0046】前記Si単結晶基板と金属または導電性酸
化物薄膜の間には、酸化ジルコニウムまたは希土類金属
元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジ
ルコニウムを主成分とするエピタキシャル薄膜を少なく
とも1層含む酸化物薄膜を介設する。
At least an epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) is provided between the Si single crystal substrate and the metal or conductive oxide thin film. An oxide thin film including one layer is interposed.

【0047】前記Si単結晶基板、金属または導電性酸
化物薄膜および配向薄膜の間の結晶軸方位関係が、ペロ
ブスカイトまたはタングステンブロンズ[100]//金
属または導電性酸化物[100]//Si[010]であ
ることが好ましい。酸化物薄膜は(001)配向をと
る。
The crystal axis orientation relationship between the Si single crystal substrate, the metal or conductive oxide thin film and the oriented thin film is perovskite or tungsten bronze [100] // metal or conductive oxide [100] // Si [ 010]. The oxide thin film has a (001) orientation.

【0048】以上、第1〜第6のアスペクトの積層薄膜
においては、以下の内容であることが好ましい。
As described above, it is preferable that the laminated thin films of the first to sixth aspects have the following contents.

【0049】第1〜3、第5〜6の各アスペクトでは、
第4のアスペクトと同様に、前記酸化物薄膜が、酸化ジ
ルコニウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含
む)で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする第
1のエピタキシャル膜とその上に形成されたペロブスカ
イト型材料による第2のエピタキシャル膜を少なくとも
含む2層ないし多層構造の酸化物薄膜であってもよい。
なお、第2のエピタキシャル膜のペロブスカイト型材料
は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムまたは
これらの固溶体を主成分として形成されることが好まし
い。その場合、酸化物薄膜の第2のエピタキシャル膜上
に形成される配向薄膜は、第2のエピタキシャル膜構成
材料以外から構成される。また上記のペロブスカイト型
材料とSi基板の結晶方位関係は、ペロブスカイト[1
00]//Si[010]であることが好ましい。このペ
ロブスカイト/酸化ジルコニウムまたは希土類で安定化
された酸化ジルコニウムを主成分とする膜/Si構造
は、さらにこの構造上に形成される配向薄膜、例えばP
ZT、SBN、Bi層状化合物などの強誘電体、Ptな
どの電極膜の結晶性を向上させ、c面単一配向またはエ
ピタキシャル膜を得るのに効果的である。またいわゆる
メタル−強誘電体−絶縁体−半導体のMFIS構造,メ
タル−強誘電体−メタル−絶縁体−半導体のMFMIS
構造の絶縁体として機能する。
In each of the first to third and fifth to sixth aspects,
As in the fourth aspect, the oxide thin film is formed on a first epitaxial film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized with a rare earth metal element (including Sc and Y) and on the first epitaxial film. It may be a two-layer or multilayer oxide thin film including at least a second epitaxial film made of a perovskite-type material.
Note that the perovskite-type material of the second epitaxial film is preferably formed using barium titanate, strontium titanate, or a solid solution thereof as a main component. In that case, the oriented thin film formed on the second epitaxial thin film of the oxide thin film is made of a material other than the second epitaxial film constituent material. The crystal orientation relationship between the perovskite-type material and the Si substrate is as follows:
00] // Si [010]. This perovskite / zirconium oxide or rare earth stabilized zirconium oxide-based film / Si structure further comprises an oriented thin film formed on the structure, for example, P
This is effective for improving the crystallinity of a ferroelectric such as ZT, SBN, and Bi layered compound, and the crystallinity of an electrode film such as Pt, and obtaining a c-plane single orientation or epitaxial film. Also, so-called metal-ferroelectric-insulator-semiconductor MFIS structure, metal-ferroelectric-metal-insulator-semiconductor MFMIS
Acts as a structural insulator.

【0050】前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムまたは
希土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定化さ
れた酸化ジルコニウムの組成はZr1-xx2-δ(こ
こで、Rは希土類金属元素(ScおよびYを含む)であ
り、x=0〜0.75、δ=0〜0.5である)である
ことが好ましい。
The composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) in the oxide thin film is Zr 1 -x R x O 2 -δ (where R is a rare earth metal element). (Including Sc and Y), and x = 0 to 0.75 and δ = 0 to 0.5).

【0051】前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキ
ングカーブの半値幅は1.5°以下であることが好まし
い。ここで、下限値は、現在のところ一般に0.7°程
度、特に0.4°程度である。
The half width of the rocking curve of the (002) reflection of the oxide thin film is preferably 1.5 ° or less. Here, the lower limit is generally about 0.7 ° at present, and particularly about 0.4 °.

【0052】前記酸化物薄膜の表面の80%以上、好ま
しくは90%以上、より好ましくは95%以上が、基準
長さ500nmでの十点平均粗さRzが好ましくは2nm以
下、より好ましくは0.8nm以下、さらに好ましくは
0.5nm以下である。
At least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95% of the surface of the oxide thin film has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm of preferably 2 nm or less, more preferably 0 nm or less. 0.8 nm or less, more preferably 0.5 nm or less.

【0053】本発明の積層薄膜の基本構造は、半導体単
結晶基板上に必要な場合に形成される酸化物薄膜、およ
びこの酸化物薄膜上に形成される配向薄膜を備える。こ
こで、酸化物薄膜における少なくとも1層は組成Zr
1-xRxO2-δ(ここで、R は希土類金属元素(Scおよび
Yを含む)であり、X=0〜0.75、δ=0〜0.5 )のエピタ
キシャル膜であり、この酸化物薄膜の上に、結晶構造が
ペロブスカイト構造をなし、組成BaTiO3等である配向薄
膜が順次積層され、これらの面方位関係がBaTiO3(001)/
/Zr1-xRxO2- δ(001)//Si(100)、かつ結晶軸方位関係が
BaTiO3[100]//Zr1 -xRxO2- δ[100]//Si[010]である構造
で構成されていることが好ましい。
The basic structure of the laminated thin film of the present invention includes an oxide thin film formed on a semiconductor single crystal substrate when necessary, and an oriented thin film formed on the oxide thin film. Here, at least one layer in the oxide thin film has a composition Zr
1-x RxO 2- δ (where R is a rare earth metal element (including Sc and Y), X = 0 to 0.75, δ = 0 to 0.5), and an epitaxial film of In addition, an oriented thin film having a crystal structure of a perovskite structure and a composition of BaTiO 3 or the like is sequentially laminated, and these plane orientation relations are BaTiO 3 (001) /
/ Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (100)
It is preferable to have a structure of BaTiO 3 [100] // Zr 1 -x RxO 2- δ [100] // Si [010].

【0054】YBCOなどの従来例からの類推では、(001)
配向のBaTiO3エピタキシャル膜を得ようとすると、その
面方位関係はBaTiO3(001)//Zr1-xRxO2- δ(001)//Si(10
0)、かつBaTiO3[110]//Zr1-xRxO2- δ[100]//Si[010]と
なり、BaTiO3の単位格子は、Zr1-xRxO2-δの格子に対し
てc面内で45°回転して格子の整合がとれてエピタキシ
ャル成長すると推定される。しかし、発明者らの実験に
よると、そのような面関係は構成困難であり、BaTiO3(0
01)//Zr1-xRxO2- δ(001)//Si(100)、かつBaTiO3[100]/
/Zr1-xRxO2- δ[100]//Si[010]の関係で構成可能である
ことを見いだした。
By analogy with a conventional example such as YBCO, (001)
In order to obtain an oriented BaTiO 3 epitaxial film, the plane orientation relationship is BaTiO 3 (001) // Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (10
0), and BaTiO 3 [110] // Zr 1-x RxO 2- δ [100] // Si [010], and the unit cell of BaTiO 3 is based on the lattice of Zr 1-x RxO 2- δ It is presumed that the crystal is rotated by 45 ° in the c-plane to achieve lattice matching and epitaxial growth. However, according to the experiments of the inventors, such a surface relationship is difficult to configure, and BaTiO 3 (0
01) // Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (100) and BaTiO 3 [100] /
/ Zr 1-x RxO 2- δ [100] // Si [010].

【0055】すなわち、Zr1-xRxO2-δ膜のa軸の格子定
数は0.52でBaTiO3のa軸は0.40であるが、上記45°面
内で回転して格子整合するBaTiO3[110]//Zr1-xRxO2- δ
[100]//Si[010]の関係ではミスフィットが8.4%になる。
ところが、本発明による格子整合関係BaTiO3[100]//Zr
1-xRxO2- δ[100]//Si[010]では、BaTiO3結晶のa面とZ
r1-xRxO2-δ結晶a面は回転せず、そのまま整合する
が、この際、Zr1-xRxO2-δ3格子(0.52 ×3=1.56nm) に
対し、BaTiO34格子(0. 4 ×4=1.60nm) が整合する。こ
の時ミスフィットは2.6%とよくマッチングする。したが
って、本発明では、BaTiO3[100]//Zr1-xRxO2- δ[100]/
/Si[010]の関係を利用することにより、(001) 配向のエ
ピタキシャルBaTiO3膜を得ることができる。
That is, although the lattice constant of the a-axis of the Zr 1 -x RxO 2 -δ film is 0.52 and the a-axis of BaTiO 3 is 0.40, the BaTiO 3 [110] which rotates in the 45 ° plane and lattice-matches. ] // Zr 1-x RxO 2- δ
The misfit is 8.4% for the relationship [100] // Si [010].
However, the lattice matching BaTiO 3 [100] // Zr according to the present invention is used.
In 1-x RxO 2 -δ [100] // Si [010], the a-plane of BaTiO 3 crystal and Z
The r 1-x RxO 2- δ crystal a-plane does not rotate and matches as it is. At this time, the Zr 1-x RxO 2 -δ 3 lattice (0.52 × 3 = 1.56 nm) is compared with the BaTiO 3 4 lattice (0 4 × 4 = 1.60 nm). At this time, the misfit matches well with 2.6%. Therefore, in the present invention, BaTiO 3 [100] // Zr 1-x RxO 2- δ [100] /
By utilizing the relationship of / Si [010], an epitaxial BaTiO 3 film of (001) orientation can be obtained.

【0056】酸化物薄膜は、単一の結晶配向を有してい
ることが望ましい。これは、複数の結晶面を有する薄膜
においては粒界が存在するため、その上の配向薄膜のエ
ピタキシャル成長が不可能になるためである。
The oxide thin film desirably has a single crystal orientation. This is because a grain boundary exists in a thin film having a plurality of crystal planes, so that epitaxial growth of an oriented thin film thereon becomes impossible.

【0057】酸化物薄膜は、その上に配向薄膜であるBa
TiO3膜などを形成するため、酸化物薄膜の結晶性は高け
れば高いほどよく、また表面性は分子レベルにおいても
平坦であることが望ましい。従来得られているYSZ
膜、例えばAppl. Phys. Lett.57 (11) 1161-1163 (199
0)、Japanese Journal of Applied Physics,vol.27,No.
4,L1404(1988) に記載されたものでは、優れた平坦性は
実現しておらず、その上に高品質の配向薄膜を形成する
には適さない。本発明では、後述する方法により、結晶
性、表面性に優れる酸化物薄膜が得られるので、その上
に高品質の配向薄膜を形成することができる。
The oxide thin film has an orientation thin film Ba
In order to form a TiO 3 film or the like, the higher the crystallinity of the oxide thin film, the better, and the surface property is desirably flat at the molecular level. Conventional YSZ
Membrane, e.g., Appl. Phys. Lett. 57 (11) 1161-1163 (199
0), Japanese Journal of Applied Physics, vol. 27, No.
4, L1404 (1988) does not realize excellent flatness and is not suitable for forming a high-quality oriented thin film thereon. In the present invention, an oxide thin film having excellent crystallinity and surface properties can be obtained by a method described later, and a high-quality oriented thin film can be formed thereon.

【0058】酸化物薄膜の結晶性は、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、RHEEDによる像のパターンで評価することがで
きる。また、表面性は、RHEED像のストリーク性、
および表面粗さ(十点平均粗さRz)で評価することが
できる。
The crystallinity of the oxide thin film can be evaluated by the half width of the rocking curve of the reflection peak in XRD (X-ray diffraction) and the image pattern by RHEED. In addition, the surface property is the streak property of the RHEED image,
And the surface roughness (ten-point average roughness Rz).

【0059】本発明の上記酸化物薄膜の(002) 面の反射
のロッキングカーブの半値幅および表面の平坦性は、前
述したとおりである。また、上記酸化物薄膜のRHEED 像
は、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。
The half width of the rocking curve of reflection on the (002) plane and the flatness of the surface of the oxide thin film of the present invention are as described above. The RHEED image of the oxide thin film has a high streak property. That is, the RHEED image is streak and sharp.

【0060】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。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の下限値は特にないが、小さければ小さい
ほどこのましい。現在のところ下限値はロッキングカー
ブの半値幅が上記した程度、十平均点粗さRzが0.1nm程
度である。
As described above, the oxide thin film of the present invention has good crystallinity and good surface properties. 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 such that the half width of the rocking curve is as described above, and the ten-average point roughness Rz is about 0.1 nm.

【0061】酸化物薄膜としての、酸化ジルコニウムま
たは希土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定
化された酸化ジルコニウムを主成分とするエピタキシャ
ル膜は、組成が実質的にZrO2 のものおよび希土類
(ScおよびYを含む)を添加した安定化ジルコニアが
好ましい。安定化ジルコニアに用いられる添加希土類元
素は、Y、Pr、Ce、Nd、Gd、Tb、Dy、H
o、Erが好ましい。
The epitaxial film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized with a rare earth metal element (including Sc and Y) as an oxide thin film has a composition of substantially ZrO 2 or rare earth ( Stabilized zirconia to which Sc and Y are added) is preferred. The added rare earth elements used in the stabilized zirconia are Y, Pr, Ce, Nd, Gd, Tb, Dy, H
o and Er are preferred.

【0062】希土類金属元素(ScおよびYを含む)
は、Si基板の格子定数と配向薄膜の格子定数と、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、希土類金属元素(Sc
およびYを含む)としてYを用いたZ0.7 0.3 2-δ
の格子定数は0.52nm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。例えば、上述したようにBa
TiO3結晶4格子に対しZr1-x x 2-δ結晶3格子と
マッチングし、さらにxの値により調整可能である。
Rare earth metal elements (including Sc and Y)
Is, to preferably match the lattice constant of the Si substrate and the lattice constant of the oriented thin film with the lattice constant of the oxide thin film,
The type is selected. For example, rare earth metal elements (Sc
Z 0.7 R 0.3 O 2- δ using Y as
Had a lattice constant of 0.52 nm. This value can be changed by the value of x. For example, as described above,
The four lattices of the TiO 3 crystal are matched with the three lattices of the Zr 1 -x R x O 2 -δ crystal, and can be adjusted by the value of x.

【0063】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Zr1-x x 2-δの格子定数を大きくすることが可
能で、BaTiO3結晶とのマッチングを最適化することがで
きる。このように酸化物薄膜中の希土類の種類と量を選
択することにより、酸化物薄膜と配向薄膜の格子を好ま
しくマッチングさせることができる。
However, there is a limit when the adjustable region of matching is within the range of x. 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 1-x R x O 2- lattice constant of δ can be increased, it is possible to optimize the matching with BaTiO 3 crystals. By selecting the kind and amount of the rare earth element in the oxide thin film in this way, it is possible to preferably match the lattice of the oxide thin film with the lattice of the oriented thin film.

【0064】ZrO2 は高温から室温にかけて立方晶→
正方晶→単斜晶と相転移を生じる。立方晶を安定化する
ために希土類元素を添加したものが、安定化ジルコニア
である。Zr1-xx2-δ膜の結晶性はxの範囲に依
存する。Jpn . J. Appl. Phys. 27 (8)L1404-L1405 (1
988)に報告されているように、xが0.2未満である組
成域では正方晶または単斜晶の結晶になる。これまで、
xが0.2以上の立方晶領域でのみ単一配向のエピタキ
シャル膜が得られている。ただし、xが0.75を超え
る領域では、立方晶ではあるが、例えば(001)単一
配向は得られず、(111)配向の結晶が混入する。一
方、正方晶または単斜晶となる領域では、J. Appl. Phy
s. 58 (6) 2407-2409 (1985)にも述べられているよう
に、得ようとするもの以外の配向面が混入し、単一配向
のエピタキシャル膜は得られていない。
ZrO 2 is cubic from high temperature to room temperature.
A phase transition occurs from tetragonal to monoclinic. Stabilized zirconia is obtained by adding a rare earth element to stabilize a cubic crystal. The crystallinity of the Zr 1 -x R x O 2 -δ film depends on the range of x. Jpn. J. Appl. Phys. 27 (8) L1404-L1405 (1
As reported in 988), in the composition range where x is less than 0.2, the crystal becomes tetragonal or monoclinic. Until now,
An epitaxial film having a single orientation was obtained only in the cubic region where x was 0.2 or more. However, in the region where x exceeds 0.75, although it is cubic, for example, a (001) single orientation cannot be obtained, and a (111) oriented crystal is mixed. On the other hand, in the tetragonal or monoclinic region, J. Appl.
As described in s. 58 (6) 2407-2409 (1985), an orientation plane other than the one to be obtained is mixed, and a single orientation epitaxial film has not been obtained.

【0065】我々の実験でも、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
した。例えばZr1-xx2-δの(001)エピタキ
シャル膜を得ようとすると、xがこの範囲では(11
1)の結晶が混入し、また、膜の表面凹凸も5nm程度と
大きくなった。xの増大に伴ない、表面性は悪化する傾
向にある。そして、この上にBaTiO3 膜を形成した
ところ、(001)単一配向を得ることができなかっ
た。なお、本明細書では、c面配向に限らず、立方晶a
面配向の場合でも(001)配向と表示することがあ
る。
In our experiments, in the region where x exceeds 0.75, cubic crystals were mixed, but planes other than the target crystal planes were mixed. For example, when an attempt is made to obtain a (001) epitaxial film of Zr 1 -x R x O 2 -δ, x is (11) in this range.
The crystal of 1) was mixed, and the surface unevenness of the film was increased to about 5 nm. As x increases, the surface properties tend to deteriorate. Then, when a BaTiO 3 film was formed thereon, a (001) single orientation could not be obtained. In the present specification, the cubic crystal a
Even in the case of plane orientation, (001) orientation may be displayed.

【0066】このような実験に基づき、Zr1-x x
2-δにおけるxの上限は、好ましくは0.75、より好
ましくは0.50とする。そして、より平坦な表面を得
るためには、xは好ましくは0.25以下、より好まし
くは0.10以下である。
Based on such an experiment, Zr 1 -x R x O
The upper limit of x in 2- δ is preferably 0.75, more preferably 0.50. In order to obtain a flatter surface, x is preferably 0.25 or less, more preferably 0.10 or less.

【0067】なお、酸素欠陥を含まない酸化ジルコニウ
ムは、化学式ZrO2 で表わせるが、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-xx 2-δとδを用いて表
わした。δは通常0〜0.5程度である。
Incidentally, zirconium oxide containing no oxygen defect can be represented by the chemical formula ZrO 2 , but zirconium oxide to which rare earth is added changes the amount of oxygen depending on the kind, amount and valence of the added metal element. 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.

【0068】またZrを含む酸化物薄膜は、酸素を除く
構成元素中のZrの比率が好ましくは93mol%以上、よ
り好ましくは93mol%超、さらに好ましくは95mol%以
上、特に好ましくは98mol%以上、最も好ましくは9
9.5mol%以上である。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
特性を必要とする中間層として好ましい。またZrO2
はYSZにくらべ金属−絶縁体−半導体構造(MIS構
造)を構成した場合、そのC−V特性でヒステリシスが
小さく、MIS素子として界面特性が優れているため、
特にZrO2 は中間層として好ましい。上記Zrの含有
量の上限は、現在のところ99.99%である。Zrを
含む酸化物薄膜のZrおよびO以外の元素は、希土類金
属やP等の不純物などである。酸化物中間層は、結晶性
および表面平坦性に優れるものが好ましい。
In the oxide thin film containing Zr, the ratio of Zr in the constituent elements excluding oxygen is preferably at least 93 mol%, more preferably more than 93 mol%, further preferably at least 95 mol%, particularly preferably at least 98 mol%. Most preferably 9
9.5 mol% or more. The higher the purity, the higher the insulation resistance and the smaller the leakage current, so that it is preferable as an intermediate layer requiring insulation properties. ZrO 2
When a metal-insulator-semiconductor structure (MIS structure) is configured as compared with YSZ, the CV characteristics have small hysteresis and the MIS device has excellent interface characteristics.
Particularly, ZrO 2 is preferable as the intermediate layer. The upper limit of the Zr content is 99.99% at present. Elements other than Zr and O in the oxide thin film containing Zr are rare earth metals, impurities such as P, and the like. The oxide intermediate layer preferably has excellent crystallinity and surface flatness.

【0069】また、特に上記酸化物薄膜が、上述したx
が0.2 未満の小さい領域、特に酸素をのぞく構成元素中
のZrの比率が前述したような93mol%以上である高純度Zr
O2のエピタキシャル膜である場合、単一配向エピタキシ
ャル膜であることが好ましい。Zr1-x x 2-δにお
いてxが0.2〜0.75の範囲でエピタキシャル膜が
従来得られていることを述べたが、これまで、前述した
ような高純度ZrO2では、単一配向でさらに上記した結晶
性、表面性を有する薄膜は得られていなかった。
In particular, when the oxide thin film has the above-mentioned x
Is less than 0.2, particularly high-purity Zr in which the ratio of Zr in constituent elements excluding oxygen is 93 mol% or more as described above.
In the case of an O 2 epitaxial film, it is preferably a single orientation epitaxial film. Although Zr 1-x R x O 2- δ in x epitaxial film in the range of 0.2 to 0.75 have stated that conventionally obtained, to date, the high purity ZrO 2 as described above, A thin film having the above-mentioned crystallinity and surface properties in a single orientation was not obtained.

【0070】しかし本発明者らが検討を重ねた結果、後
述する方法で形成することにより、前述した高純度ZrO2
を用いて単一配向で、さらに上記した結晶性、表面性を
有する薄膜が得られた。この組成において、Si基板との
熱膨張係数の差にもとずくと思われる残留応力の低減効
果が確認された。ZrO2の純度があがるにしたがい、この
効果が著しいため、これは、ZrO2の相転移により、Siと
の残留応力が低減されるものと考えている。また、YSZ
膜にくらべ高純度の酸化ジルコニウム薄膜は、膜の抵抗
が高く、絶縁膜としても優れる。
However, as a result of repeated studies by the present inventors, the formation of the high-purity ZrO 2 by the method described later
Was used to obtain a thin film having the above-mentioned crystallinity and surface properties in a single orientation. In this composition, the effect of reducing the residual stress, which seems to be based on the difference in the thermal expansion coefficient from the Si substrate, was confirmed. This effect is remarkable as the purity of ZrO 2 is increased. Therefore, it is considered that the residual stress with Si is reduced by the phase transition of ZrO 2 . Also, YSZ
A zirconium oxide thin film with higher purity than a film has a higher film resistance and is excellent as an insulating film.

【0071】酸化ジルコニウム薄膜の純度が高ければ高
いほど絶縁性に優れ、また残留応力も減少する。
The higher the purity of the zirconium oxide thin film, the better the insulating properties and the lower the residual stress.

【0072】また、現在の高純度化技術ではZrO2
HfO2 との分離は難しいので、ZrO2 の純度は、通
常、Zr+Hfでの純度を指している。したがって、本
明細書におけるZrO2 の純度は、HfとZrとを同元
素とみなして算出された値であるが、HfO2 は本発明
においてZrO2 と全く同様に機能するため、問題はな
い。高純度の酸化ジルコニウム薄膜は、立方晶(10
0)配向、正方晶(001)配向、単斜晶(001)配
向のいずれであってもよいが、単斜晶(001)配向で
あることが特に好ましい。
Further, since it is difficult to separate ZrO 2 and HfO 2 by the current high-purity technology, the purity of ZrO 2 usually indicates the purity of Zr + Hf. Therefore, the purity of ZrO 2 in the present specification is a value calculated by assuming that Hf and Zr are the same element, but there is no problem since HfO 2 functions in the present invention in exactly the same manner as ZrO 2 . A high-purity zirconium oxide thin film is made of cubic (10
Although any of 0) orientation, tetragonal (001) orientation and monoclinic (001) orientation may be used, monoclinic (001) orientation is particularly preferred.

【0073】本発明の積層薄膜の酸化物薄膜として、以
上説明した組成Zr1-x x 2-δエピタキシャル膜を
用いると、粒界による物理量の攪乱等がなくなり、その
上に形成される配向薄膜であるBaTiO3膜等の配向薄膜の
結晶性が向上する。表面性、結晶性の悪い酸化物薄膜上
には、例えばBaTiO3の(001) 配向薄膜である単一配向エ
ピタキシャル膜を得ることは難しい。すでに述べたよう
に、(110) 配向面が混在したり、また(110) 配向が優先
的に成長したりする。表面性、結晶性の優れた酸化物薄
膜を設け、かつ、後述する配向薄膜の成長条件により、
(001) 配向のエピタキシャルペロブスカイト薄膜が得ら
れる。エピタキシャル酸化物薄膜上に良質のエピタキシ
ャルペロブスカイト薄膜が得られると、さらにこの上に
良質の他のペロブスカイト結晶膜、タングステンブロン
ズ結晶膜、金属結晶膜が得られる。この場合、組成Zr
1-x x 2-δの第1のエピタキシャル膜と、ペロブス
カイト、好ましくはBaTiO3、SrTiO3またはこれらの固溶
体から構成される第2のエピタキシャル膜との2層構造
全体が酸化物薄膜(下地層)であり、その上に高品質配
向膜、すなわち、配向性の良好な他のペロブスカイト
膜、タングステンブロンズ膜、金属膜が得られるという
ことになる。
When the compositional Zr 1 -x R x O 2 -δ epitaxial film described above is used as the oxide thin film of the laminated thin film of the present invention, the physical quantity is not disturbed by the grain boundaries, and the oxide film is formed thereon. The crystallinity of the oriented thin film such as the BaTiO 3 film as the oriented thin film is improved. It is difficult to obtain a single-oriented epitaxial film, for example, a (001) -oriented thin film of BaTiO 3 on an oxide thin film having poor surface properties and poor crystallinity. As described above, the (110) orientation planes are mixed and the (110) orientation grows preferentially. Surface properties, providing an oxide thin film with excellent crystallinity, and, depending on the growth conditions of the oriented thin film described below,
A (001) oriented epitaxial perovskite thin film is obtained. When a high-quality epitaxial perovskite thin film is obtained on the epitaxial oxide thin film, another high-quality perovskite crystal film, tungsten bronze crystal film, or metal crystal film is obtained thereon. In this case, the composition Zr
The entire two-layer structure of the first epitaxial film of 1-x R x O 2 -δ and the second epitaxial film composed of perovskite, preferably BaTiO 3 , SrTiO 3 or a solid solution thereof, is an oxide thin film ( (Underlayer), on which a high-quality alignment film, that is, another perovskite film, tungsten bronze film, or metal film having good orientation can be obtained.

【0074】酸化物薄膜および配向薄膜の厚さは用途に
より異なるが、両薄膜の積層体を下地層として用いる場
合、Zrを含む酸化物薄膜(第1のエピタキシャル膜)
は、2〜50nm程度、配向薄膜(第2のエピタキシャル
膜)は1〜50nm程度、総計3〜100nm程度が好まし
い。Zrを含む酸化物薄膜だけを下地層として用いる場
合は、Zrを含む酸化物薄膜は好ましくは2nm以上、よ
り好ましくは10nm以上であり、好ましくは200nm以
下、より好ましくは100nm以下である。そして、ペロ
ブスカイトないしタングステンブロンズの配向薄膜を強
誘電体層として用いるときには20〜1000nm程度の
厚さとする。
The thickness of the oxide thin film and the thickness of the oriented thin film vary depending on the application.
Is preferably about 2 to 50 nm, the thickness of the oriented thin film (second epitaxial film) is about 1 to 50 nm, and the total is about 3 to 100 nm. When only the oxide thin film containing Zr is used as the underlayer, the thickness of the oxide thin film containing Zr is preferably 2 nm or more, more preferably 10 nm or more, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. When an oriented thin film of perovskite or tungsten bronze is used as the ferroelectric layer, the thickness is about 20 to 1000 nm.

【0075】上記2層構造を下地層として用いるときに
は、酸化物薄膜の結晶性、表面性を損なわない程度にZ
rを含む酸化物薄膜およびペロブスカイト配向薄膜はと
もに薄いものがよい。MFISやMFMIS構造の絶縁
層として用いる場合には、特に酸化物薄膜であるZrO2
主成分とする薄膜は絶縁性に優れるため、酸化物薄膜を
2〜500nm程度とすることが好ましい。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、酸化物薄膜を0.5〜20nm、特に1〜10nmと
薄くし、配向薄膜を5〜300nmとすることが好まし
い。これは積層薄膜のキャパシタとしての容量を高くす
るためである。
When the above two-layer structure is used as an underlayer, Z
Both the oxide thin film containing r and the perovskite alignment thin film are preferably thin. When used as an insulating layer having an MFIS or MFMIS structure, an oxide thin film having ZrO 2 as a main component is particularly excellent in insulating properties. Also, MIS
When used as an oxide layer of a semiconductor device such as a dielectric layer of a capacitor or a gate oxide layer of a MISFET, the oxide thin film is made as thin as 0.5 to 20 nm, particularly 1 to 10 nm, and the oriented thin film is made as thin as 5 to 10 nm. It is preferable to set it to 300 nm. This is to increase the capacitance of the laminated thin film as a capacitor.

【0076】なお、上記したような酸化ジルコニウム系
薄膜上に以下に説明する希土類酸化物系薄膜を積層した
構成の酸化物薄膜としてもよい。この場合、配向薄膜は
希土類酸化物系薄膜の上に形成される。また、第1、第
2のエピタキシャル膜を積層した構成の下地層において
は、酸化ジルコニウム系薄膜と希土類酸化物系薄膜との
積層体を第1のエピタキシャル膜と考える。また、この
積層体の厚さの好ましい範囲は、希土類酸化物系薄膜を
設けない場合の酸化ジルコニウム系薄膜の厚さ範囲と同
じである。この積層体中において、両薄膜はいずれも
0.5nmを下回らない厚さであることが好ましい。
An oxide thin film having a structure in which a rare earth oxide-based thin film described below is laminated on the above-described zirconium oxide-based thin film may be used. In this case, the oriented thin film is formed on the rare earth oxide thin film. In the underlayer having a configuration in which the first and second epitaxial films are stacked, a stacked body of a zirconium oxide-based thin film and a rare earth oxide-based thin film is considered as the first epitaxial film. The preferred range of the thickness of the laminate is the same as the thickness range of the zirconium oxide-based thin film when the rare-earth oxide-based thin film is not provided. In this laminate, both the thin films preferably have a thickness not less than 0.5 nm.

【0077】この希土類酸化物系薄膜は、Y、La、C
e、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Tm、YbおよびLuの少なくとも1種、特
に、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Hoおよび
Erの少なくとも1種を含有する希土類酸化物から実質
的に構成されていることが好ましい。なお、2種以上の
希土類元素を用いるとき、その比率は任意である。
This rare earth oxide thin film is made of Y, La, C
e, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H
being substantially composed of a rare earth oxide containing at least one of o, Er, Tm, Yb and Lu, especially at least one of Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho and Er Is preferred. When two or more rare earth elements are used, the ratio is arbitrary.

【0078】このような希土類酸化物系薄膜は、基板上
に直接形成する場合には基板の面配向によらず(11
1)配向を示すが、(001)配向の酸化ジルコニウム
系薄膜の上に形成することにより、(001)配向の希
土類酸化物系薄膜が得られる。酸化物薄膜として上記し
た安定化ジルコニアを用いたときには、C−V特性にヒ
ステリシスがみられ、この点においてZrO2 高純度膜
に劣る。この場合、酸化ジルコニウム系薄膜上に希土類
酸化物系薄膜を積層することにより、C−V特性のヒス
テリシスをなくすことができる。また、希土類酸化物系
薄膜を積層することにより、強誘電体層との間での格子
整合のマッチングがより良好となる。希土類酸化物系薄
膜が積層されている場合、酸化ジルコニウム系薄膜は、
元素分布が均一な膜であってもよく、膜厚方向に組成が
変化する傾斜構造膜であってもよい。傾斜構造膜とする
場合、基板側から希土類酸化物系薄膜側にかけて、酸化
ジルコニウム系薄膜中の希土類元素含有率を徐々または
段階的に増大させると共に、Zr含有率を徐々または段
階的に減少させる。このような傾斜構造膜とすることに
より、酸化ジルコニウム系薄膜と希土類酸化物系薄膜と
の間の格子のミスフィットが小さくなるか、あるいは存
在しなくなり、希土類酸化物系薄膜を高結晶性のエピタ
キシャル膜とすることが容易となる。このような積層構
造の場合、希土類酸化物系薄膜に添加する希土類元素
は、酸化ジルコニウム系薄膜に添加する希土類元素と同
一のものを用いることが好ましい。
When such a rare-earth oxide-based thin film is formed directly on a substrate, the thin film (11)
1) Although showing an orientation, a rare earth oxide-based thin film of (001) orientation can be obtained by forming it on a zirconium oxide-based thin film of (001) orientation. When the above-mentioned stabilized zirconia is used as the oxide thin film, hysteresis is observed in the CV characteristics, and this point is inferior to the ZrO 2 high-purity film. In this case, by laminating the rare earth oxide-based thin film on the zirconium oxide-based thin film, it is possible to eliminate the hysteresis of the CV characteristic. Further, by stacking the rare earth oxide-based thin films, the matching of the lattice matching with the ferroelectric layer is further improved. When the rare earth oxide based thin film is laminated, the zirconium oxide based thin film is
The film may have a uniform element distribution, or may have a gradient structure in which the composition changes in the film thickness direction. When the film has a gradient structure, the content of the rare earth element in the zirconium oxide-based thin film is gradually or gradually increased from the substrate side to the rare earth oxide-based thin film, and the Zr content is gradually or gradually reduced. With such a graded structure film, the lattice misfit between the zirconium oxide-based thin film and the rare earth oxide-based thin film is reduced or absent, and the rare-earth oxide-based thin film is formed into a highly crystalline epitaxial film. It becomes easy to form a film. In the case of such a laminated structure, it is preferable to use the same rare earth element added to the rare earth oxide-based thin film as the rare earth element added to the zirconium oxide-based thin film.

【0079】酸化ジルコニウム系薄膜および希土類酸化
物系薄膜には、特性改善のために添加物を導入してもよ
い。例えば、これらの層にCaやMgなどのアルカリ土
類元素をドーピングすると、膜のピンホールが減少し、
リークを抑制することができる。また、AlおよびSi
は、膜の抵抗率を向上させる効果がある。さらに、M
n、Fe、Co、Niなどの遷移金属元素は、膜中にお
いて不純物による準位(トラップ準位)を形成すること
ができ、この準位を利用することにより導電性の制御が
可能になる。
An additive may be introduced into the zirconium oxide-based thin film and the rare earth oxide-based thin film for improving the characteristics. For example, when these layers are doped with an alkaline earth element such as Ca or Mg, the number of pinholes in the film decreases,
Leakage can be suppressed. Al and Si
Has the effect of improving the resistivity of the film. Further, M
Transition metal elements such as n, Fe, Co, and Ni can form a level (trap level) due to impurities in the film, and conductivity can be controlled by using this level.

【0080】なお、本発明の積層薄膜において、Si単結
晶基板の基板表面、すなわち絶縁層膜形成表面が浅く
(例えば5nm 程度以下)酸化され、SiO2などの層が形成
されていてもよい。これは、ZrO2を主成分とする酸化物
薄膜中の酸素がSi単結晶基板の基板表面に拡散する場合
があるからである。また成膜の方法によっては、酸化物
薄膜形成時にSi基板表面にSi酸化物層が残留する場合が
ある。
In the laminated thin film of the present invention, the substrate surface of the Si single crystal substrate, that is, the surface on which the insulating layer is formed may be oxidized shallowly (eg, about 5 nm or less) to form a layer such as SiO 2 . This is because oxygen in the oxide thin film containing ZrO 2 as a main component sometimes diffuses to the substrate surface of the Si single crystal substrate. Further, depending on the method of film formation, the Si oxide layer may remain on the surface of the Si substrate when forming the oxide thin film.

【0081】上記第1および第2のエピタキシャル膜か
らなる酸化物薄膜を下地層として、その上に形成される
配向薄膜は、第2のエピタキシャル膜を構成するペロブ
スカイト以外のペロブスカイト、例えば、PbTiO
3 、PZT、PLZT、その他のPb系ペロブスカイト
等の単純ペロブスカイト;層状ペロブスカイト(K2
iF4 型を含む)を含む複合ペロブスカイト、例えばB
i系ペロブスカイトなど;(Sr,Ba)Nb2 6
(Pb,Ba)Nb26 等のタングステンブロンズ型
酸化物などであり、例えば、MFIS構造の強誘電体
(F)を構成するものである。この他、上記2層構造の
下地層上に形成される配向薄膜としては、具体的には、
Bi系酸化物超電導膜、YBa2 Cu3 7-8 (YBC
O)超電導膜等の高温超電導膜、さらには、La1-x
x CoO3 、La1-x Srx CaxRuO3 等の酸化
物導電膜、In23 、In23 (Snドープ)、そ
の他酸化物導電膜、Pt、Si、Ge、GaAs等の半
導体やメタルの膜が挙げられる。なお、導電性酸化物膜
については、さらに後述する。
The oxide thin film composed of the first and second epitaxial films is used as a base layer, and the oriented thin film formed thereon is made of a perovskite other than the perovskite constituting the second epitaxial film, for example, PbTiO.
3 , simple perovskites such as PZT, PLZT, and other Pb-based perovskites; layered perovskites (K 2 N)
complex perovskite containing containing iF 4 inch), such as B
i-based perovskite; (Sr, Ba) Nb 2 O 6 ,
(Pb, Ba) Tungsten bronze-type oxide such as Nb 2 O 6 or the like, for example, a ferroelectric (F) having an MFIS structure. In addition, specifically, as the alignment thin film formed on the underlayer having the two-layer structure, specifically,
Bi-based oxide superconducting film, YBa 2 Cu 3 O 7-8 (YBC
O) High-temperature superconducting films such as superconducting films, and La 1-x S
oxide conductive films such as r x CoO 3 and La 1-x Sr x Ca x RuO 3 , In 2 O 3 , In 2 O 3 (Sn doped), other oxide conductive films, Pt, Si, Ge, GaAs, etc. Semiconductor and metal films. The conductive oxide film will be further described later.

【0082】本発明の1層ないし多層構造の酸化物薄膜
は、前記のとおり、メタル−強誘電体−絶縁体−半導体
のMFIS構造やメタル−強誘電体−メタル−絶縁体−
半導体のMFMIS構造の絶縁体に好適である。MFI
S構造では、半導体、好ましくはSi(100)面上
に、1層ないし多層構造の酸化物薄膜を設け、この上に
本発明の誘電体薄膜あるいは他の強誘電体薄膜を設けて
もよい。
As described above, the oxide thin film having a one-layer structure or a multilayer structure according to the present invention can be used as a metal-ferroelectric-insulator-semiconductor MFIS structure or a metal-ferroelectric-metal-insulator-
It is suitable for an insulator having a semiconductor MFMIS structure. MFI
In the S structure, a single-layer or multi-layer oxide thin film may be provided on a semiconductor, preferably a Si (100) surface, and the dielectric thin film of the present invention or another ferroelectric thin film may be provided thereon.

【0083】一方、MFMIS構造では、好ましくはS
i(100)面上に、好ましくは2層構造の酸化物薄膜
を絶縁層(I)として設け、この上に導電性エピタキシ
ャル膜を金属電極膜として形成し、さらに本発明のある
いは他の強誘電体薄膜を設ける。
On the other hand, in the MFMIS structure, S
On the i (100) plane, an oxide thin film preferably having a two-layer structure is provided as an insulating layer (I), and a conductive epitaxial film is formed thereon as a metal electrode film. A body thin film is provided.

【0084】金属電極薄膜は、強誘電体薄膜用の電極お
よび強誘電体薄膜のメモリー応用に必要なMFMIS構
造を構成するために必要な導電性薄膜として使用する。
すなわち、Si(100)面を表面に有するSi単結晶
基板上に、例えば、Pt、Ir、Os、Re、Pd、R
hおよびRuから選ばれる金属のうちの少なくとも1種
類で形成され、基板表面と平行に正方晶(001)また
は立方晶(100)単一配向したエピタキシャル膜を形
成し、これを金属電極薄膜として用いる。
The metal electrode thin film is used as an electrode for a ferroelectric thin film and a conductive thin film necessary for forming an MFMIS structure required for memory application of the ferroelectric thin film.
That is, for example, Pt, Ir, Os, Re, Pd, R
An epitaxial film formed of at least one kind of metal selected from h and Ru and having a unidirectional tetragonal (001) or cubic (100) orientation is formed in parallel with the substrate surface, and is used as a metal electrode thin film. .

【0085】電極薄膜は、金属が好ましいが、金属でな
くとも導電性エピタキシャル膜であればよい。導電性エ
ピタキシャル膜が強誘電体層の下側の電極として機能す
るとともに、この中間層との格子整合性もよく結晶性の
高い強誘電体層が得られる。
The electrode thin film is preferably made of a metal, but may be made of a conductive epitaxial film even if it is not a metal. The conductive epitaxial film functions as an electrode on the lower side of the ferroelectric layer, and a ferroelectric layer having good lattice matching with the intermediate layer and high crystallinity can be obtained.

【0086】金属電極薄膜は、Pt、Ir、Os、R
e、Pd、RhおよびRuの少なくとも1種を含有する
金属単体または合金が好ましい。導電性エピタキシャル
膜としての導電性酸化物膜は、以下の導電性酸化物を含
むことが好ましい。
The metal electrode thin film is made of Pt, Ir, Os, R
A simple metal or an alloy containing at least one of e, Pd, Rh and Ru is preferred. The conductive oxide film as the conductive epitaxial film preferably contains the following conductive oxide.

【0087】NaCl型酸化物:TiO, VO, NbO, RO
1-x( ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を
含む)、0 ≦x <1), LiVO2等。
NaCl type oxide: TiO, VO, NbO, RO
1-x (where, R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x <1), LiVO 2 and the like.

【0088】スピネル型酸化物: LiTi2O4, LiMxT i2-x
O4( ここで、M=Li,Al,Cr, 0 <x <2), Li1-xMxTi2O4
(ここで、M=Mg, Mn, 0 <x <1), LiV2O4, Fe3O4,等。
Spinel type oxide: LiTi 2 O 4 , LiM x T i 2-x
O 4 (where M = Li, Al, Cr, 0 <x <2), Li 1-x M x Ti 2 O 4
(Where M = Mg, Mn, 0 <x <1), LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4 , etc.

【0089】ペロブスカイト型酸化物: ReO3, WO3, Mx
ReO3( ここで、M 金属, 0 <x <0.5), MxWO3(ここで、
M=金属, 0 <x <0.5), A2P8W32O112(ここで、A=K, Rb,
Tl), NaxTayW1-yO3( ここで、0 ≦x <1, 0<y <1),
RNbO3(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を
含む)), Na1-xSrxNbO3(ここで、0 ≦x ≦1), RTiO3(
ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む)), Can+1TinO3n+1-y(ここで、n=2,3,... , y >0),
CaVO3, SrVO3, R1-xSrxVO3( ここで、R:一種類以上
の希土類(ScおよびY を含む)、0 ≦x ≦1), R1-xBax
VO3(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む)、0 ≦x ≦1), Srn+1V nO3n+1-y( ここで、n=1,2,
3 ...., y >0), Ban+1VnO3n+1-y( ここで、n=1,2,3
...., y >0),R4BaCu5O13-y( ここで、R:一種類以上
の希土類(ScおよびY を含む)、0 ≦y), R5SrCu6 O
15(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む)), R2SrCu2O6.2( ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびY を含む)), R1-xSrxVO3(ここで、R:一種
類以上の希土類(ScおよびY を含む)), CaCrO3, SrCrO
3, RMnO3( ここで、R:一種類以上の希土類(Scおよび
Y を含む)), R1-xSrxMnO3( ここで、R:一種類以上の
希土類(ScおよびY を含む), 0 ≦x ≦1), R1-xBaxMn
O3( ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む), 0 ≦x ≦1) , Ca1-xRxMnO3-y(ここで、R:一種
類以上の希土類(ScおよびY を含む), 0 ≦x ≦1, 0
≦y), CaFeO3, SrFeO3, BaFeO3, SrCoO3, BaCoO3, RCoO
3(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む)), R1-xSrxCoO3( ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびY を含む), 0 ≦x ≦1), R1-xBaxCoO3( こ
こで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含む),
0 ≦x ≦1), RNiO3( ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびY を含む)), RCuO3( ここで、R:一種類以
上の希土類(ScおよびY を含む)), RNbO3( ここで、
R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含む)), Nb12O
29, CaRuO3, Ca1-xRxRu1-yMnyO3(ここで、R:一種類以
上の希土類(ScおよびY を含む), 0 ≦x ≦1, 0 ≦y
≦1), SrRuO3, Ca1-xMgxRuO3(ここで、 0≦x ≦1),
Ca1-xSrxRuO3( ここで、0 <x <1), BaRuO3, Ca1- xBax
RuO3( ここで、0 <x <1 ), (Ba, Sr)RuO3, Ba1-xKxRu
O3( ここで、 0<x≦1), (R, Na)RuO3( ここで、R:
一種類以上の希土類(ScおよびY を含む)),(R, M)RhO3
(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む), M=Ca, Sr, Ba), SrIrO3, BaPbO3, (Ba,Sr)PbO3-y
( ここで、0 ≦y <1), BaPb1-xBixO3(ここで、0 <x
≦1), Ba1-xKxBiO3(ここで、0 <x ≦1), Sr(Pb, Sb)O
3-y( ここで、0 ≦y <1), Sr(Pb, Bi)O3-y( ここで、0
≦y <1), Ba(Pb, Sb)O3-y( ここで、0 ≦y <1), Ba
(Pb, Bi)O3-y( ここで、0 ≦y <1), MMoO3(ここで、M=
Ca,Sr, Ba), (Ba, Ca, Sr)TiO3-x(ここで、0 ≦x),
等。
Perovskite oxide: ReO 3 , WO 3 , Mx
ReO 3 (where M metal, 0 <x <0.5), MxWO 3 (where
M = metal, 0 <x <0.5), A 2 P 8 W 32 O 112 (where A = K, Rb,
Tl), Na x Ta y W 1-y O 3 (where 0 ≤ x <1, 0 <y <1),
RNbO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), Na 1-x Sr x NbO 3 (where 0 ≦ x ≦ 1), RTiO 3 (
Here, R: one or more kinds of rare earths (including Sc and Y)), Ca n + 1 T n O 3n + 1-y (where n = 2,3, ..., y> 0),
CaVO 3 , SrVO 3 , R 1-x Sr x VO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), R 1-x Ba x
VO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), Sr n + 1 V n O 3n + 1-y (where n = 1,2,
3 ...., y> 0), Ba n + 1 V n O 3n + 1-y (where n = 1,2,3
...., y> 0), R 4 BaCu 5 O 13-y (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ y), R 5 SrCu 6 O
15 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R 2 SrCu 2 O 6.2 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R 1- x Sr x VO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), CaCrO 3 , SrCrO
3 , RMnO 3 (where R: one or more rare earths (Sc and
Y 1 ), R 1-x Sr x MnO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), R 1-x Ba x Mn
O 3 (where, R: one or more rare earths (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), Ca 1-x R x MnO 3-y (where, R: one or more rare earths ( Sc and Y), 0 ≤ x ≤ 1, 0
≦ y), CaFeO 3 , SrFeO 3 , BaFeO 3 , SrCoO 3 , BaCoO 3 , RCoO
3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R 1-x Sr x CoO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), R 1-x Ba x CoO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y),
0 ≦ x ≦ 1), RNiO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), RCuO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)) , RNbO 3 (where
R: one or more rare earths (including Sc and Y)), Nb 12 O
29 , CaRuO 3 , Ca 1-x R x Ru 1-y Mny y 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y
≦ 1), SrRuO 3 , Ca 1-x Mg x RuO 3 (where 0 ≦ x ≦ 1),
Ca 1-x Sr x RuO 3 (where 0 <x <1), BaRuO 3 , Ca 1- x Ba x
RuO 3 (where 0 <x <1), (Ba, Sr) RuO 3 , Ba 1-x K x Ru
O 3 (where 0 <x ≦ 1), (R, Na) RuO 3 (where R:
One or more rare earths (including Sc and Y)), (R, M) RhO 3
(Where, R: at least one kind of rare earth (including Sc and Y), M = Ca, Sr, Ba), SrIrO 3 , BaPbO 3 , (Ba, Sr) PbO 3-y
(Where 0 ≤ y <1), BaPb 1-x Bi x O 3 (where 0 <x
≤ 1), Ba 1-x K x BiO 3 (where 0 <x ≤ 1), Sr (Pb, Sb) O
3-y (where 0 ≤ y <1), Sr (Pb, Bi) O 3-y (where 0
≤y <1), Ba (Pb, Sb) O 3-y (where 0 ≤y <1), Ba
(Pb, Bi) O 3-y (where 0 ≤ y <1), MMoO 3 (where M =
(Ca, Sr, Ba), (Ba, Ca, Sr) TiO 3-x (where 0 ≤x),
etc.

【0090】層状ペロブスカイト型酸化物(K2NiF4型を
含む): Rn+1NinO3n+ 1( ここで、R:Ba, Sr, 希土類
(ScおよびY を含む) のうち一種類以上, n=1〜5の
整数),Rn+1CunO3n+1(ここで、R:Ba, Sr, 希土類(Sc
およびY を含む) のうち一種類以上, n=1〜5の整
数), Sr2RuO4, Sr2RhO4, Ba2RuO4, Ba2RhO4, 等。
Layered perovskite type oxide (including K 2 NiF 4 type): at least one of R n + 1 Ni n O 3n + 1 (where R: Ba, Sr, rare earth (including Sc and Y)) , n = 1 to 5), R n + 1 Cu n O 3n + 1 (where R: Ba, Sr, rare earth (Sc
And Y), n = 1 to 5), Sr 2 RuO 4 , Sr 2 RhO 4 , Ba 2 RuO 4 , Ba 2 RhO 4 , and the like.

【0091】パイロクロア型酸化物:R2V2O7-y( ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含む), 0
≦y <1), Tl2Mn2O7-y( ここで、0 ≦y <1), R2Mo2O
7-y(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む), 0 ≦y <1), R2Ru2O7-y(ここで、R:Tl, Pb, B
i, 希土類(ScおよびY を含む) のうち一種類以上, 0
≦y<1), Bi2-xPbxPt2-x RuxO7-y(ここで、0 ≦x ≦2,
0≦y <1), Pb2(Ru, Pb)O7- y(ここで、0 ≦y <1), R2R
h2O7-y(ここで、R:Tl, Pb, Bi, Cd, 希土類(Scおよ
びY を含む) のうち一種類以上, 0≦y <1), R 2Pd2O
7-y( ここで、R:Tl,Pb, Bi, Cd, 希土類(ScおよびY
を含む) のうち一種類以上, 0 ≦y <1),R2Re2O7-y( こ
こで、R:Tl, Pb, Bi, Cd, 希土類(ScおよびY を含
む) のうち一種類以上, 0≦y <1), R2Os2O7-y(ここ
で、R:Tl, Pb, Bi, Cd, 希土類(ScおよびY を含む)
のうち一種類以上, 0≦y <1), R2Ir2O7-y(ここで、
R:Tl, Pb, Bi, Cd, 希土類(ScおよびY を含む) のう
ち一種類以上, 0≦y <1), R2Pt2O7-y(ここで、R:T
l, Pb, Bi, Cd, 希土類(ScおよびY を含む) のうち一
種類以上,0≦y <1)等。
Pyrochlore type oxide: R 2 V 2 O 7-y (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0
≤y <1), Tl 2 Mn 2 O 7-y (where 0 ≤y <1), R 2 Mo 2 O
7-y (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ y <1), R 2 Ru 2 O 7-y (where R: Tl, Pb, B
i, one or more of rare earth elements (including Sc and Y), 0
≤y <1), Bi 2-x Pb x Pt 2-x Ru x O 7-y (where 0 ≤x ≤2,
0 ≦ y <1), Pb 2 (Ru, Pb) O 7- y (where 0 ≦ y <1), R 2 R
h 2 O 7-y (where, at least one of R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (including Sc and Y), 0 ≦ y <1), R 2 Pd 2 O
7-y (where R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (Sc and Y
At least one of the following: 0 ≦ y <1), R 2 Re 2 O 7-y (where R: one of the following: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (including Sc and Y) 0 ≦ y <1), R 2 Os 2 O 7-y (where R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (including Sc and Y))
One or more of them, 0 ≦ y <1), R 2 Ir 2 O 7-y (where
R: at least one of Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (including Sc and Y), 0 ≦ y <1), R 2 Pt 2 O 7-y (where R: T
One or more of l, Pb, Bi, Cd, and rare earths (including Sc and Y), 0 ≦ y <1).

【0092】その他の酸化物:R4Re6 O19(ここで、R:
一種類以上の希土類(ScおよびY を含む)), R4Ru6O
19(ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY を含
む)), Bi3Ru3O11, V2O3, Ti2O3, Rh2O3, VO2, CrO2, N
bO2, MoO2, WO2, ReO2, RuO2, RhO2, OsO2, IrO2, Pt
O2, PdO2, V3O5, VnO2n-1(n=4 から9 の整数), SnO
2-x(ここで、0 ≦x <1), La2Mo2O7, (M, Mo)O( ここ
で、M=Na, K, Rb, Tl), MonO3n-1(n=4, 8, 9, 10), Mo
17O47, Pd1-xLixO(ここで、x ≦0.1)等。Inを含む酸
化物。
Other oxides: R 4 Re 6 O 19 (where R:
One or more rare earths (including Sc and Y)), R 4 Ru 6 O
19 (where, R: one or more rare earths (including Sc and Y)), Bi 3 Ru 3 O 11 , V 2 O 3 , Ti 2 O 3 , Rh 2 O 3 , VO 2 , CrO 2 , N
bO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RuO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO 2 , Pt
O 2 , PdO 2 , V 3 O 5 , V n O 2n-1 (n = integer from 4 to 9), SnO
2-x (where 0 ≤ x <1), La 2 Mo 2 O 7 , (M, Mo) O (where M = Na, K, Rb, Tl), Mo n O 3n-1 (n = 4, 8, 9, 10), Mo
17 O 47 , Pd 1-x Li x O (where x ≦ 0.1) and the like. An oxide containing In.

【0093】これらのうち特に、Inを含む酸化物また
は導電性ペロブスカイト酸化物が好ましく、特にIn2
3 、In23 (Snドープ)、RCoO3 、RMn
3、RNiO3 、R2 CuO4 、(R,Sr)CoO3
、(R,Sr,Ca)RuO3 、(R,Sr)RuO3
、SrRuO3 、(R,Sr)MnO3 (Rは、Yお
よびScを含む希土類)、およびそれらの関連化合物が
好ましい。導電性の金属または金属酸化物は、バルクで
の比抵抗が10-5〜10-2Ωcmであることが好ましい。
また薄膜としての比抵抗は10-5〜10-2Ωcmであるこ
とが好ましい。また超電導材料でもよい。
Of these, oxides containing In or conductive perovskite oxides are particularly preferable, and In 2
O 3 , In 2 O 3 (Sn doped), RCoO 3 , RMn
O 3 , RNiO 3 , R 2 CuO 4 , (R, Sr) CoO 3
, (R, Sr, Ca) RuO 3 , (R, Sr) RuO 3
, SrRuO 3 , (R, Sr) MnO 3 (R is a rare earth containing Y and Sc), and their related compounds are preferred. The conductive metal or metal oxide preferably has a bulk resistivity of 10 −5 to 10 −2 Ωcm.
Further, the specific resistance as a thin film is preferably 10 -5 to 10 -2 Ωcm. Also, a superconducting material may be used.

【0094】これらの導電性エピタキシャル薄膜は、電
極として機能するとともに、導電性エピタキシャル薄膜
の上に形成される強誘電体層の格子定数と、自らの格子
定数とを好ましくマッチングさせ、結晶性の高い強誘電
体層を形成する役割を果たす。このため、金属電極薄膜
ないし導電性酸化物膜は結晶性および表面平坦性に優れ
るものが好ましい。金属電極薄膜ないし導電性酸化物膜
は、立方晶(100)、正方晶(001)、斜方晶(0
01)または単斜晶(001)配向の結晶が好ましく、
特にこれらの単一配向、さらにはエピタキシャル膜であ
ることが好ましい。
These conductive epitaxial thin films not only function as electrodes, but also preferably match the lattice constant of the ferroelectric layer formed on the conductive epitaxial thin film with its own lattice constant, and have high crystallinity. It plays a role in forming a ferroelectric layer. For this reason, the metal electrode thin film or the conductive oxide film preferably has excellent crystallinity and surface flatness. Metal electrode thin films or conductive oxide films are cubic (100), tetragonal (001), and orthorhombic (0).
01) or monoclinic (001) oriented crystals,
In particular, it is preferable that these films have a single orientation and further be an epitaxial film.

【0095】導電性エピタキシャル膜の膜厚は用途によ
り異なるが、前記のとおり5〜500nm、好ましくは5
0〜150nm程度が好ましい。導電性エピタキシャル膜
の結晶性、表面性を損なわない程度に薄いものがよい。
また、特に導電性エピタキシャル膜を電極として機能さ
せる場合には、50〜500nm程度のものが好ましい。
Although the thickness of the conductive epitaxial film varies depending on the application, it is 5 to 500 nm, preferably 5 to 500 nm as described above.
It is preferably about 0 to 150 nm. The conductive epitaxial film is preferably as thin as not to impair the crystallinity and surface properties.
In particular, when the conductive epitaxial film functions as an electrode, the thickness is preferably about 50 to 500 nm.

【0096】いずれの場合も第1および第2のエピタキ
シャル膜を下地層として用いるまでもなく、第1のエピ
タキシャル膜のみの下地層上にエピタキシャル成長が可
能な材料もあるが、積層構造の酸化物薄膜を下地層とし
て用いると下地がペロブスカイト構造であるので、その
上にさらに高品質の配向膜が得られる。
In any case, it is not necessary to use the first and second epitaxial films as the underlayer, and there are materials which can be epitaxially grown on the underlayer of only the first epitaxial film. Is used as the underlayer, the underlayer has a perovskite structure, so that a higher quality alignment film can be obtained thereon.

【0097】本発明の電子デバイス用基板は、均一な上
記積層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。またSiウエハー全
面でなくとも、2〜8インチ基板内であれば、部分的に
マスク等で選択して積層薄膜を得ることも可能である。
The electronic device substrate of the present invention can have a large-area substrate having the uniform laminated 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 the substrate are extremely inexpensive as compared with the related art. Although there is no particular upper limit on the area of the substrate, a semiconductor process using a Si wafer of 2 inches to 8 inches, particularly a 6-inch type, is currently mainstream and can cope with this. Even if it is not on the entire surface of the Si wafer, but within a 2 to 8 inch substrate, it is also possible to obtain a laminated thin film by partially selecting it with a mask or the like.

【0098】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.

【0099】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 a vapor deposition apparatus 1 as shown in FIG.

【0100】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.

【0101】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、Ba蒸発部9、Ti蒸発部10、Zr蒸発部1
1および希土類金属元素(ScおよびYを含む)蒸発部
12が配置されている。これらのBa蒸発部9、Ti蒸発部
10、Zr蒸発部11および希土類金属元素(Scおよ
びYを含む)蒸発部12には、それぞれの金属源の他
に、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(電子線発生装置、抵抗加熱装置等)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 device 1 also has an oxidizing gas supply device 7, and the 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 Ba evaporator 9, a Ti evaporator 10, a Zr evaporator 1
1 and a rare earth metal element (including Sc and Y) evaporating section 12 are arranged. In these Ba evaporator 9, Ti evaporator 10, Zr evaporator 11, and rare earth metal element (including Sc and Y) evaporator 12, energy for evaporation is supplied to the metal sources in addition to the respective metal sources. An energy supply device (an electron beam generator, a resistance heating device, etc.) for supplying is provided. In the drawings, P is a vacuum pump.

【0102】本発明の積層薄膜の形成方法においては、
まず、上記ホルダにSi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 method for forming a laminated thin film of the present invention,
First, a Si single crystal substrate is set on the holder. At this time, as the single crystal substrate, a single crystal substrate of Si is used, and as a substrate surface on which a target oxide thin film is formed,
The (100) plane is selected. 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. The substrate surface is
Preferably, the surface is etched and cleaned using a mirror-finished wafer. The etching cleaning is performed using a 40% ammonium fluoride aqueous solution or the like.

【0103】この基板上に、本出願人がすでに特願平7
−93024号として提案した方法でZrO2を主成分とす
るエピタキシャル膜を形成し、酸化物薄膜とする。
On this substrate, the present applicant has already filed Japanese Patent Application No.
An epitaxial film containing ZrO 2 as a main component is formed by a method proposed in US Pat.

【0104】本発明の酸化物薄膜の形成方法において
は、上記既出願特許に述べられている方法を用いること
ができる。以下、まず、酸化物薄膜の形成方法について
説明し、さらに、その次に、その上に形成する配向薄膜
の形成方法について説明する。
In the method of forming an oxide thin film of the present invention, the method described in the above-mentioned patent application can be used. Hereinafter, a method of forming an oxide thin film will be described first, and then a method of forming an oriented thin film formed thereon will be described.

【0105】ここでは、酸化物薄膜としてZrO2
膜、配向薄膜としてBaTiO3 薄膜を例にとり説明す
る。
Here, a description will be given by taking a ZrO 2 thin film as an oxide thin film and a BaTiO 3 thin film as an alignment thin film as an example.

【0106】はじめに、酸化物薄膜の形成方法について
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。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。
First, a method for forming an oxide thin film will be described. In this method, first, a single crystal substrate is set on the holder. Since the purified Si single crystal substrate is extremely reactive, the purpose is to protect it,
In order to grow a good epitaxial film containing ZrO 2 as a main component, the surface of the Si single crystal substrate is subjected to a surface treatment as follows.

【0107】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.

【0108】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、
昇温速度が速すぎると、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 becomes insufficient, and if the temperature is too low or the holding time is too long,
The Si oxide film is too thick.

【0109】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1×10-4Torr程度以上となるようにすることが好
ましい。真空槽において処理する場合の酸素分圧の上限
は1×10-1Torr程度であるが、空気中で加熱して熱酸
化することによりSi酸化膜を形成してもよい。
For example, when oxygen is used as the oxidizing gas, the oxidizing gas is initially introduced into the vacuum chamber at 1 × 10 −7 to 1 × 10 −7.
It is preferable that a vacuum of about × 10 −4 Torr is provided, and the oxygen partial pressure of the atmosphere at least in the vicinity of the Si single crystal substrate is about 1 × 10 −4 Torr or more by introducing an oxidizing gas. Although the upper limit of the oxygen partial pressure in the case of processing in a vacuum chamber is about 1 × 10 −1 Torr, a Si oxide film may be formed by heating in air and thermally oxidizing.

【0110】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.

【0111】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.

【0112】このような加熱を行いながら、Zrと酸化
性ガスまたはZrおよび希土類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
希土類金属元素および酸素により、1×1の表面構造が
形成される。このときのSi単結晶基板の近傍の雰囲気
の酸素分圧は、1×10-4Torr以上1×10-1Torr程度
以下となるようにすることが好ましい。
While such heating is performed, Zr and an oxidizing gas or Zr, a rare earth metal and an oxidizing gas are supplied to the surface. In this process, the metal such as Zr reduces and removes the protective film made of the Si oxide formed in the previous step. 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 element and oxygen. At this time, it is preferable that the oxygen partial pressure of the atmosphere in the vicinity of the Si single crystal substrate be 1 × 10 −4 Torr or more and about 1 × 10 −1 Torr or less.

【0113】表面構造は、RHEED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2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(100)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[110]または[1-10]のいずれか、ま
たは両方で図2の(b)に示したような、1倍周期C1
と2倍周期C2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
2の(b)の2倍周期C2が見られない。
The surface structure can be examined by an RHEED image pattern. For example, in the case of a 1 × 1 surface structure aimed at by the present invention, the electron beam incident direction is [110].
2A, a complete streak pattern with a one-time period C1 as shown in FIG. 2A is obtained, and the same pattern is obtained even when the incident direction is [1-10]. On the other hand, the clean Si single crystal surface has a surface structure of, for example, 1 × 2, 2 × 1, or a mixture of 1 × 2 and 2 × 1 in the case of a (100) plane. In such a case, the pattern of the RHEED image has a one-time period C1 as shown in FIG. 2B in one or both of the electron beam incident directions [110] and [1-10].
And a pattern having a double cycle C2. 1 × 1 of the present invention
In the surface structure of No. 2, when viewed from the above RHEED pattern, when the incident direction is both [110] and [1-10], the double cycle C2 of FIG. 2B is not observed.

【0114】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あり、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。
The clean Si (100) surface may have a 1 × 1 structure in some cases. Although it was observed several times in our experiments, the condition showing 1 × 1 is unclear, and it is impossible at present to obtain 1 × 1 stably and reproducibly on a Si-clean surface.

【0115】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, 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.

【0116】ZrまたはZrおよび希土類金属の供給量
は、その酸化物換算で、0.3〜10nm、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、10nm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、10nm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。
The supply amount of Zr or Zr and the rare earth metal is 0.3 to 10 nm, particularly 3 to 7 nm in terms of oxide.
The degree is preferred. If it is less than 0.3 nm, the effect of reducing the Si oxide cannot be sufficiently exerted, and if it exceeds 10 nm, irregularities at the atomic level are likely to be generated on the surface. This is because it may not be. The reason why the preferable upper limit of the thickness of the Si oxide layer is set to 10 nm is that if the thickness exceeds 10 nm, the Si oxide layer may not be sufficiently reduced even if the metal is supplied as described above. Because it comes out.

【0117】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.

【0118】以上のSi基板表面処理を行う理由は、以
下のとおりである。
The reason for performing the above-mentioned Si substrate surface treatment is as follows.

【0119】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 in several atomic layers on the crystal surface 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.

【0120】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.

【0121】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.

【0122】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
ルでの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 surface flatness at a molecular level. Note that the upper limit of the heating temperature of the single crystal substrate is 1300 ° C.
It is about.

【0123】次いで、Zrを電子ビーム等で加熱し蒸発
させ、基板表面に供給すると共に、酸化性ガスおよび必
要に応じ希土類元素を基板表面に供給して、ZrO2を主成
分とする薄膜を形成する。成膜速度は、好ましくは0.
01nm/s以上、より好ましくは0.03nm/s以上、さら
に好ましくは0.05nm/s以上であり、また、好ましく
は1.00nm/s以下、より好ましくは0.50nm/s以
下、さらに好ましくは0.10nm/s以下である。成膜速
度が遅すぎると成膜速度を一定に保つことが難しくな
り、一方、成膜速度が速すぎると、形成される薄膜の結
晶性が悪くなり、表面に凹凸が生じてしまう。
Next, Zr is heated and evaporated by an electron beam or the like and supplied to the substrate surface, and an oxidizing gas and, if necessary, a rare earth element are supplied to the substrate surface to form a thin film containing ZrO 2 as a main component. I do. The film formation rate is preferably set at 0.
01 nm / s or more, more preferably 0.03 nm / s or more, still more preferably 0.05 nm / s or more, and preferably 1.00 nm / s or less, more preferably 0.50 nm / s or less, and still more preferably Is 0.10 nm / s or less. If the film formation rate is too low, it is difficult to keep the film formation rate constant, while if the film formation rate is too high, the crystallinity of the formed thin film deteriorates, and the surface becomes uneven.

【0124】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元素が、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10-1To
rr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10-4〜10-6 Torr の低い圧力になってい
る。
Therefore, prior to the deposition of the ZrO 2 thin film,
A film installed near a substrate in a vacuum evaporation tank to determine how much the Zr metal and the rare earth metal element evaporate per unit time depending on the power amount condition applied to the evaporation source and form a metal and oxide evaporation film. Measure and calibrate with a thickness gauge. 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 evacuated from the chamber 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. An oxygen atmosphere of about 10 -3 to 10 -1 Torr is formed at least in the vicinity of the single crystal substrate. 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 To
The reason for rr is to prevent the metal source in the evaporation source in the vacuum chamber from deteriorating and to vapor-deposit the evaporation source 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 parts of the vacuum chamber have a low pressure of 10 -4 to 10 -6 Torr.

【0125】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, a diameter of 2 cm 2.
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.

【0126】さらに、このZrO2を主成分とするエピタキ
シャル膜を蒸着基板とし、さらに配向薄膜であるBaTiO3
膜またはSrTiO3膜またはBaTiO3の固溶体膜を形成し、積
層薄膜を得る方法を説明する。ここではBaTiO3を例にと
り説明する。酸化物薄膜の成膜が完了した上記の蒸着基
板は真空槽中に配置され加熱されている。酸化性ガスを
導入しつつ加熱し続ける。
Further, the epitaxial film containing ZrO 2 as a main component was used as a deposition substrate, and further, an alignment thin film of BaTiO 3 was used.
A method for forming a film, a SrTiO 3 film or a solid solution film of BaTiO 3 to obtain a laminated thin film will be described. Here, BaTiO 3 will be described as an example. The deposition substrate on which the oxide thin film has been formed is placed in a vacuum chamber and heated. Continue heating while introducing oxidizing gas.

【0127】次いで、Baを電子ビーム等で加熱し蒸発を
行う。Ba金属、および酸化性ガスを単結晶基板に供給す
る。同時にTiも同様な方法で供給し、その供給量はBa:T
i=1:1 になるようにし、BaTiO3エピタキシャル薄膜を得
る。ここで、成膜時の蒸着基板の温度および成膜初期の
Ba/Ti供給量比は、BaTiO3膜の配向性に影響を及ぼ
し、BaTiO3エピタキシャル結晶の面方位関係がBaTiO3(0
01)//Zr1-xRxO2- δ(001)// Si(100) 、かつBaTiO3[10
0]//Zr1-xRxO2- δ[100]//Si[010]で形成するために
は、BaTiO3成膜時における加熱温度は800 〜1300℃、好
ましくは900 〜1200℃が望ましい。ここでいう成長初期
とは0〜1nm膜厚の範囲内である。
Next, Ba is heated with an electron beam or the like to evaporate. Ba metal and oxidizing gas are supplied to the single crystal substrate. At the same time, Ti is supplied in the same manner, and the supply amount is Ba: T
i = 1: 1 to obtain a BaTiO 3 epitaxial thin film. Here, the temperature of the deposition substrate at the time of film formation and the supply ratio of Ba / Ti at the initial stage of film formation affect the orientation of the BaTiO 3 film, and the plane orientation relationship of the BaTiO 3 epitaxial crystal changes the BaTiO 3 (0
01) // Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (100) and BaTiO 3 (10
0] // Zr 1-x RxO 2- δ [100] // Si [010], the heating temperature during the formation of BaTiO 3 is 800 to 1300 ° C., preferably 900 to 1200 ° C. . The initial growth here is in the range of 0 to 1 nm in film thickness.

【0128】成長初期のBa/Ti供給量比は、モル比
で0〜1、好ましくは0〜0.8とすることが望まし
い。ここでBa/Ti比が0とした理由は、成長初期に
Tiのみを供給してもよいことを示す。その理由は、加
熱温度が低すぎたりまた成長初期のBa/Ti比が適切
でないと形成されるBaTiO3は目的とする(001) 配向でな
く(110) 配向になるか、または(001) 配向BaTiO3薄膜に
(110) 配向が混在してしまう。初期のBa/Ti比が大
きすぎると、供給されたBaが下地のZrO2 と反応
し、目的の配向を有するBaTiO3 が得られなくなっ
てくる。BaとZrO2 の反応を避けるために、成長初
期にはTi過剰にすることが好ましい。温度が高すぎる
と積層膜は相互拡散し結晶性が低下する。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、金属の蒸発源が導入した酸素により酸化されて蒸
発速度が不安定になり、組成を一定にできない。また速
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。このため、BaTiO3薄膜の蒸着に先立ち、Ba金属お
よびTi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、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較正しておく。なお、他のペロブ
スカイトでも、タングステンブロンズでも周知のように
Aサイト金属とBサイト金属とが存在するが、初期の供
給はペロブスカイトでA/Bが0〜1、特に0〜0.
8、タングステンブロンズで0〜0.5となるようにす
ることが好ましい。
The supply ratio of Ba / Ti in the initial stage of growth is desirably 0 to 1, preferably 0 to 0.8 in molar ratio. Here, the reason why the Ba / Ti ratio is set to 0 means that only Ti may be supplied at the beginning of growth. The reason is that if the heating temperature is too low, or if the Ba / Ti ratio in the initial stage of growth is not appropriate, the BaTiO 3 formed will have the (110) orientation instead of the desired (001) orientation, or the (001) orientation. BaTiO 3 thin film
(110) Orientation is mixed. If the initial Ba / Ti ratio is too large, the supplied Ba reacts with the underlying ZrO 2 , so that BaTiO 3 having the desired orientation cannot be obtained. In order to avoid the reaction between Ba and ZrO 2 , it is preferable to make Ti excess in the early stage of growth. If the temperature is too high, the laminated films will interdiffuse and the crystallinity will decrease. The deposition rate is
0.05-1.00 nm / s, preferably 0.100-0.
It is desirable to set it to 500 nm / s. The reason is that if it is too slow, the metal evaporation source will be oxidized by the introduced oxygen and the evaporation rate will be unstable, making it impossible to make the composition constant. On the other hand, if the speed is too high, the crystallinity of the formed thin film is poor and the surface becomes uneven. Therefore, prior to the deposition of the BaTiO 3 thin film, the degree to which the Ba metal and the Ti metal evaporate per unit time depending on the power amount conditions applied to the deposition source to form a deposited film of these metals and oxides is determined by a vacuum. It is measured and calibrated by a film thickness meter installed near the substrate in the evaporation tank. As is well known in other perovskites and tungsten bronze, A-site metal and B-site metal exist, but the initial supply is perovskite and A / B is 0 to 1, especially 0 to 0.
8, it is preferable to set the value to 0 to 0.5 with tungsten bronze.

【0129】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10-4〜10-6Torrの低い圧力
になっている。
As the oxidizing gas, oxygen, ozone,
Atomic oxygen, NO 2 and 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 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 near the single crystal substrate in the vacuum chamber by continuously injecting 25 cc / min of oxygen gas. 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.

【0130】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。このように
本発明の積層薄膜が得られる。なお、金属エピタキシャ
ル膜の成膜は常法に従う。
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. Thus, the laminated thin film of the present invention is obtained. The metal epitaxial film is formed according to a conventional method.

【0131】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
作条件下で実施しうるため、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 operating conditions, it is suitable for obtaining a target product 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.

【0132】さらにその上に金属配向膜、BaTiO3以外の
ペロブスカイト材料あるいはタングステンブロンズ材料
の配向膜を多層に形成することができる。この場合、配
向膜は、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法によっ
ても形成できる。
Further, a metal orientation film, an orientation film of a perovskite material other than BaTiO 3 or an orientation film of tungsten bronze material can be formed thereon in multiple layers. In this case, the alignment film can also be formed by an evaporation method, a sputtering method, or a sol-gel method.

【0133】なお、これらの配向膜形成後、必要に応じ
てアニールを施してもよい。例えば、Bi酸化物膜等の
酸化物配向膜では、酸素欠陥によりリークが多くなるこ
とがあるが、空気中等の酸化性雰囲気中でアニールを施
すことにより、酸素欠陥を減らして絶縁性を向上させる
ことができる。アニール温度は、好ましくは400〜8
50℃、より好ましくは450〜800℃であり、アニ
ール時間は、好ましくは1秒間〜30分間、より好まし
くは5〜15分間である。なお、酸化物配向膜の上に電
極層を設ける場合、アニールは電極層形成前に行っても
よく、形成後に行ってもよい。
After forming these alignment films, annealing may be performed as necessary. For example, in an oxide alignment film such as a Bi oxide film, leakage may increase due to oxygen defects, but annealing is performed in an oxidizing atmosphere such as air to reduce oxygen defects and improve insulation. be able to. The annealing temperature is preferably 400-8
The temperature is 50 ° C, more preferably 450 to 800 ° C, and the annealing time is preferably 1 second to 30 minutes, more preferably 5 to 15 minutes. Note that in the case where an electrode layer is provided over the oxide alignment film, annealing may be performed before or after the electrode layer is formed.

【0134】以上のようにして得られた積層酸化物薄膜
およびこれを用い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S
iO2 を代替することによりDRAM用のコンデンサお
よびゲートとして構成され、また、さらに半導体プロセ
スによりFET等とともに集積化することにより不揮発
性メモリーが構成される。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、また超電導体の機能膜を形成することにより、赤
外線センサ、光変調器、光スイッチOEICが構成され
る。またSQUID、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
ることもできる。
The laminated oxide thin film obtained as described above and the substrate for an electronic device using the same are processed, for example, by using a semiconductor process with the same structure, and the conventional S
It is configured as a capacitor and a gate for a DRAM by replacing iO 2, and a non-volatile memory is formed by integrating with a FET and the like by a semiconductor process. Further, by forming Si as a functional film on this substrate, it can be applied as an SOI device, and by forming a functional film of a superconductor, an infrared sensor, an optical modulator, and an optical switch OEIC are configured. Further, the present invention can be applied to SQUIDs, Josephson devices, superconducting transistors, electromagnetic wave sensors, and superconducting wiring LSIs.

【0135】[0135]

【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.

【0136】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、5ΩcmP型、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, an Si single crystal wafer cut and mirror-polished so that the surface became a (100) plane was used. After the purchase, the mirror surface was cleaned by etching with a 40% ammonium fluoride aqueous solution. The Si substrate used was a 5ΩcmP type circular substrate having a diameter of 2 inches.

【0137】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、基板洗浄面を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
25cc/分の割合で導入しつつ、600℃にて加熱し
た。ここで、基板表面にSi酸化物膜が熱酸化で形成さ
れる。この方法で厚さ約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. In order to protect with an oxide, the substrate was rotated at 20 rpm and heated at 600 ° C. while introducing oxygen near the substrate from the nozzle at a rate of 25 cc / min. Here, a Si oxide film is formed on the substrate surface by thermal oxidation. By this method, a Si oxide film having a thickness of about 1 nm was formed.

【0138】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、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。この表面をRHEE
Dにより測定した図を図3に示す。
Subsequently, 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 metal Zr was evaporated from the evaporation source onto the substrate, thereby supplying 5 nm in terms of the thickness of the Zr metal oxide. A Si surface-treated substrate having a surface structure was obtained. This surface is RHEE
The figure measured by D is shown in FIG.

【0139】図3では入射方向[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Si表面
処理基板が得られていることが確認される。
In FIG. 3, the pattern was measured in the incident direction [110], but the pattern was completely the same even when rotated by 90 °. That is, it is confirmed that a Si surface-treated substrate having a stable 1 × 1 surface structure is obtained.

【0140】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10nmのZrO2 膜を、
前記処理基板上に得た。
Further, metal Zr was supplied from the evaporation source onto the Si surface-treated substrate while the substrate temperature was 900 ° C., the rotation speed was 20 rpm, and oxygen gas was introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min. A 10 nm thick ZrO 2 film
Obtained on the processing substrate.

【0141】得られた薄膜について測定したX線の結果
を図4に示す。図4にはZrO2 の(002)ピークが
明瞭に観察されている。ZrO2 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。図中にみられるピークは、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
0.7°(実測値)であり、配向性に優れることも確認
できた。
FIG. 4 shows the results of X-rays measured on the obtained thin film. In FIG. 4, the (002) peak of ZrO 2 is clearly observed. It can be seen that a crystal film strongly oriented in the direction reflecting the crystal structure and symmetry of ZrO 2 was obtained. The peaks shown in the figure are reflections from only one reflection surface, and 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 width of the rocking curve of this reflection was 0.7 ° (actual measurement value), and it was confirmed that the orientation was excellent.

【0142】さらに、図5にこの薄膜のRHEEDパタ
ーンを示す。電子線の入射方向はSi基板の[110]
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。YSZ膜についても全く
同じような結晶性、表面性のものが得られた。しかしZ
rO2 膜は、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、得られたZrO2膜につ
いて、表面のほぼ全体にわたって10箇所、JIS B
0610による十点平均粗さRz(基準長さL:500
nm)をAFMにより測定したところ、平均で0.70n
m、最大で0.95nm、最小で0.10nm、測定箇所の
90%で0.80nm以下と、分子レベルで平坦であっ
た。
FIG. 5 shows the RHEED pattern of this thin film. The incident direction of the electron beam is [110] on the Si substrate.
Shown one from the direction. As you can see from this result,
The diffraction pattern on the surface of the thin film having this structure is a completely streak-like pattern. This completely streak pattern indicates that ZrO 2 has excellent crystallinity and surface properties. The same crystallinity and surface properties were obtained for the YSZ film. But Z
The rO 2 film showed a resistance five times higher than that of YSZ and was found to be excellent in insulation. Further, the obtained ZrO 2 film was JIS B at 10 places over almost the entire surface.
10610 average roughness Rz (reference length L: 500
nm) was measured by AFM and found to be on average 0.70 n
m, 0.95 nm at the maximum, 0.10 nm at the minimum, and 0.80 nm or less at 90% of the measurement points, which was flat at the molecular level.

【0143】このようにして得られたZrO2膜が形成され
たSi単結晶基板を蒸着基板として、これらの蒸着基板
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Ba
と金属Tiを1:1 の割合で蒸発源から供給することによ
り、膜厚300nmのBaTiO3 膜を、前記蒸着基板上に得
た。成膜初期には、TiのみをTiO2 膜厚換算で0.
5nm供給した後、金属Baと金属Tiを1:1にして供
給し、BaTiO3 の成膜速度を0.05nm/ sとして2nm
成膜後、さらに成膜速度を0.2nm/s と速度を上げて形成
した。
Using the thus obtained Si single crystal substrate on which the ZrO 2 film was formed as a deposition substrate, a substrate temperature of 900 ° C., a rotation speed of 20 rpm, and oxygen gas of 25 cc / cm. Minutes with the metal Ba
By supplying Ti and metal Ti at a ratio of 1: 1 from the evaporation source, a BaTiO 3 film having a thickness of 300 nm was obtained on the vapor deposition substrate. At the initial stage of film formation, only Ti is converted to a TiO 2 film thickness of 0.1.
After supplying 5 nm, the metal Ba and the metal Ti are supplied at a ratio of 1: 1. The film forming speed of BaTiO 3 is set to 0.05 nm / s and the thickness is set to 2 nm.
After the film formation, the film formation speed was further increased to 0.2 nm / s.

【0144】ZrO2膜上に得られたBaTiO3 薄膜につ
いて測定したX線の結果を図6に示す。図6にはBaTiO3
(001)および(002)ピークが明瞭に観察されて
いる。BaTiO3の結晶構造、対称性を反映した方位に強く
配向した(001) 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、それぞれ一つの等価な反射面の
みからの反射であり、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、1 .4°(実測値)であり配向性に優れることも
確認できた。また、上記と同様にして測定したBaTi
3 薄膜のRzは、測定した全箇所で0.45nm以下で
あった。
FIG. 6 shows the results of X-rays measured on the BaTiO 3 thin film obtained on the ZrO 2 film. FIG. 6 shows BaTiO 3
The (001) and (002) peaks are clearly observed. It can be seen that a (001) crystal film strongly oriented in the direction reflecting the crystal structure and symmetry of BaTiO 3 was obtained. In particular, these peaks are reflections from only one equivalent reflecting surface, respectively, and it can be seen that these peaks are monocrystalline and highly crystalline films. Further, the half width of the rocking curve of this reflection was 1.4 ° (actually measured value), and it was confirmed that the orientation was excellent. BaTi measured in the same manner as above
The Rz of the O 3 thin film was 0.45 nm or less at all measured positions.

【0145】さらに、図7にこの薄膜のRHEEDパタ
ーンを示す。電子線の入射方向はSi基板の[110]
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る。この完全にストリークである
パターンは、BaTiO3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。ZrO2 膜に代わり、YS
Z膜およびYの他の希土類金属元素(Scを含む)によ
り安定化されたZrO2 膜上にも全く同じようにBaT
iO3 膜が得られた。
FIG. 7 shows the RHEED pattern of this thin film. The incident direction of the electron beam is [110] on the Si substrate.
Shown one from the direction. As you can see from this result,
The diffraction pattern on the surface of the thin film having this structure is a completely streak-like pattern. This completely streak pattern indicates that BaTiO 3 is excellent in crystallinity and surface properties. YS instead of ZrO 2 film
In the same manner, the BaT film is formed on the Z film and the ZrO 2 film stabilized by other rare earth metal elements (including Sc) of Y.
An iO 3 film was obtained.

【0146】図8に、この薄膜の断面TEM写真を示
す。図には下からSi基板、SiO2層、ZrO2 膜、
BaTiO3 膜の順で形成されており、各結晶格子が観
察できる。SiO2 層はアモルファス膜であり、ZrO
2 膜、BaTiO3 膜を形成中に酸素の拡散により形成
されたと思われる。この写真から、BaTiO3 がZr
2 上に介在物なく直接エピタキシャル成長しているこ
とがわかる。またZrO2 格子とBaTiO3 格子は
3:4で格子整合されていることがよくわかる。また、
Si基板、酸化物薄膜であるZrO2を主成分とする薄膜、お
よび配向薄膜であるBaTiO 3 薄膜の結晶面の関係(すな
わち面方位関係)は、TEM像、X線回折およびRHEED
からBaTiO3(001)//Zr1-xRxO2- δ(001)//Si(100)、かつ
BaTiO3[100]//Zr 1-xRxO2-δ[100]//Si[010]で形成され
ていることが確認される。本発明で得られたBaTiO3薄膜
は、Si基板上でエピタキシャル成長した(001)BaTiO3
膜として、はじめて実現されたものである。さらにSr
TiO3 およびBaTiO3 とSrTiO3 の固溶体に
ついても、同様な方法を用いて作製し、X線回折および
RHEEDで評価したところ、全く同様なエピタキシャ
ル膜が得られた。
FIG. 8 shows a TEM photograph of a cross section of this thin film. In the figure, from the bottom, a Si substrate, a SiO 2 layer, a ZrO 2 film,
The BaTiO 3 films are formed in this order, and each crystal lattice can be observed. The SiO 2 layer is an amorphous film, and ZrO
It is presumed that the film was formed by diffusion of oxygen during the formation of the 2 film and the BaTiO 3 film. From this photograph, BaTiO 3 was changed to Zr.
It can be seen that epitaxial growth was directly performed on O 2 without inclusions. Also, it can be seen that the ZrO 2 lattice and the BaTiO 3 lattice are lattice-matched at 3: 4. Also,
The relationship between the crystal planes (that is, the plane orientation) of the Si substrate, the oxide thin film containing ZrO 2 as a main component, and the oriented thin film of BaTiO 3 thin film is shown by TEM image, X-ray diffraction and RHEED.
From BaTiO 3 (001) // Zr 1-x RxO 2- δ (001) // Si (100), and
It is confirmed that it is formed of BaTiO 3 [100] // Zr 1-x RxO 2 -δ [100] // Si [010]. The BaTiO 3 thin film obtained in the present invention has been realized for the first time as a (001) BaTiO 3 thin film epitaxially grown on a Si substrate. Further Sr
TiO 3, BaTiO 3, and a solid solution of SrTiO 3 were also prepared using the same method and evaluated by X-ray diffraction and RHEED. As a result, completely the same epitaxial film was obtained.

【0147】また、得られたBaTiO3 を用いた積層
薄膜について、比誘電率を測定したところ、1000
で、高い値を示した。また、積層膜表面にPt電極、S
i基板にAl電極を形成し、C−V特性を測定したとこ
ろ、図9に示したようなヒステリシスが得られ、ヒステ
リシス幅は0.2Vで、すなわち0.2Vのメモリーウ
インドが得られたことになる。
The relative dielectric constant of the obtained laminated thin film using BaTiO 3 was measured.
Showed a high value. In addition, a Pt electrode, S
When an Al electrode was formed on the i-substrate and the CV characteristics were measured, a hysteresis as shown in FIG. 9 was obtained, and the hysteresis width was 0.2 V, that is, a 0.2 V memory window was obtained. become.

【0148】さらにこの特性を利用し、積層薄膜をFE
Tのゲート酸化膜に用いた素子を作製し、メモリー動作
を確認した。
Further, by utilizing this characteristic, the laminated thin film can be
An element used for the gate oxide film of T was fabricated, and the memory operation was confirmed.

【0149】実施例2 上記実施例1において、BaTiO3の膜厚を50nmとし、ま
たその上に膜厚が300nmで、組成がSr0.25Ba0.75Nb2O
6 のSBN 薄膜をスパッタリングにより基板温度800℃
で形成し、SBN(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)の
積層薄膜を得た。その薄膜について測定したX線の結果
を図10に示す。c面による反射のみが得られ単一配向
膜であることがわかる。また、RHEEDを図11に示
した。RHEEDパターンはストリークではないが、こ
れらから、得られたSBN 薄膜がc面単一配向膜で良好な
結晶性を有している薄膜であることが分かる。全く同様
にSBNに代わり、組成Pb0.38Ba0.62Nb2O3 のPBN 薄膜
を形成し、PBN (001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)
の積層薄膜を得た。PBNの場合、基板温度は650℃
に設定して成膜した。得られた薄膜について測定したX
線の結果を図12に示す。PBNもSBNと同様にc面
単一配向であることがわかる。なお、SBN薄膜を90
0℃の基板温度で形成したものについては、RHEED
測定とTEM評価とから、c面単一配向でかつSi基板
との結晶軸方位関係がSBN[100]//Si[010] であることが
わかった。
Example 2 In Example 1, the thickness of BaTiO 3 was 50 nm, the thickness was 300 nm, and the composition was Sr 0.25 Ba 0.75 Nb 2 O.
Substrate temperature 800 ℃ by sputtering SBN thin film of 6
And a laminated thin film of SBN (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) was obtained. FIG. 10 shows the results of X-rays measured on the thin film. Only reflection by the c-plane was obtained, indicating that the film was a single alignment film. RHEED is shown in FIG. Although the RHEED pattern is not streak, it can be seen from these that the obtained SBN thin film is a c-plane single-oriented film having good crystallinity. In the same way, instead of SBN, a PBN thin film with the composition Pb 0.38 Ba 0.62 Nb 2 O 3 was formed, and PBN (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100)
Was obtained. In the case of PBN, the substrate temperature is 650 ° C.
Was set to form a film. X measured on the obtained thin film
The result of the line is shown in FIG. It can be seen that PBN has a c-plane single orientation similarly to SBN. Note that the SBN thin film is 90
For those formed at a substrate temperature of 0 ° C., RHEED
From measurement and TEM evaluation, it was found that the c-plane had a single orientation and the crystal axis orientation relationship with the Si substrate was SBN [100] // Si [010].

【0150】実施例3 実施例2と同様にしてPZT(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)
/Si(100)の積層薄膜を得た。BaTiO3の膜厚を50nmと
し、またPZT の膜厚を300nmとした。PZTは、スパ
ッタリングにより基板温度室温で形成後、空気中700
℃で10分アニールし結晶化膜を得た。
Example 3 In the same manner as in Example 2, PZT (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001)
A laminated thin film of / Si (100) was obtained. The thickness of BaTiO 3 was 50 nm, and the thickness of PZT was 300 nm. PZT is formed by sputtering at a substrate temperature of room temperature, and then 700 in air.
Annealed at 10 ° C. for 10 minutes to obtain a crystallized film.

【0151】その薄膜について測定したX線の結果を図
13に示す。PZTのc面による反射のみが得られ単一
配向膜であることがわかる。また、図14にC−V特性
を示した。この図からヒステリシスがみられ、約0.5
Vのメモリーウインドが得られていることがわかる。こ
の特性を利用し、本積層薄膜をトランジスタ(FET)
のゲート酸化膜として素子(MFIS構造)を作製し、
メモリ動作を確認した。
FIG. 13 shows the results of X-rays measured on the thin film. Only reflection by the c-plane of PZT was obtained, indicating that the film was a single orientation film. FIG. 14 shows CV characteristics. Hysteresis is seen from this figure, and about 0.5
It can be seen that a memory window of V was obtained. Utilizing this characteristic, this laminated thin film can be used as a transistor (FET).
An element (MFIS structure) is fabricated as a gate oxide film of
Confirmed memory operation.

【0152】実施例4 実施例2と同様にしてPt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/
Si(100) の積層薄膜を得た。BaTiO3の膜厚を100nmと
し、またPtの膜厚を100nmとした。Ptは、蒸着に
より基板温度700℃で形成した。
Example 4 In the same manner as in Example 2, Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) /
A laminated thin film of Si (100) was obtained. The thickness of BaTiO 3 was 100 nm, and the thickness of Pt was 100 nm. Pt was formed at a substrate temperature of 700 ° C. by vapor deposition.

【0153】その積層薄膜についての断面TEM写真を
図15に、また、薄膜について測定したX線の結果を図
16に示す。また、RHEEDを図17に示した。これ
らから、良好な膜質を有するエピタキシャルのPt(001)
が得られていることが分かる。Ptに代わり、Ir、O
s、Re、Pd、Rh、Ruおよびそれらの合金(Pt
合金も含む)についても、同様に作製した結晶Ptと同
様に良質な膜質を有するエピタキシャル膜が得られた。
FIG. 15 shows a cross-sectional TEM photograph of the laminated thin film, and FIG. 16 shows an X-ray result measured for the thin film. FIG. 17 shows RHEED. From these, epitaxial Pt (001) with good film quality
It can be seen that is obtained. Ir, O instead of Pt
s, Re, Pd, Rh, Ru and their alloys (Pt
(Including alloys), an epitaxial film having good film quality was obtained in the same manner as the crystalline Pt produced similarly.

【0154】実施例5 実施例4のPtの上に更にBaTiO3を300nm形成して、組
成BaTiO3(001)/Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(10
0) の積層薄膜を得た。この薄膜のRHEED、X線回
折およびD−Eヒステリシス特性線をそれぞれ図18、
図19および図20に示した。X線回折からBaTiO
3 膜はc面単一配向膜であることが確認でき、またRH
EEDからSi基板との軸方位関係は、BaTiO3[100]//S
i[010]であることがわかる。また、上記と同様にして測
定したRzは、測定した全箇所で0.50nm以下であっ
た。D−Eヒステリシスは、BaTiO3 膜上にPt電
極を蒸着し、この電極とBaTiO3 膜の下地のPt
(001)膜を電極にして、ソーヤタワー回路を用いて
測定した。比誘電率は、D−Eヒステリシス測定と同様
な電極を用い、インピーダンスアナライザにより100
kHz で測定したところ、1000であった。さらにこの
D−Eヒステリシスを利用し、FETとともにSi基板
上にメモリーセルを作製し、メモリー動作を確認した。
Example 5 BaTiO 3 was further formed to a thickness of 300 nm on the Pt of Example 4 to obtain a composition BaTiO 3 (001) / Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (10
0) was obtained. The RHEED, X-ray diffraction and DE hysteresis characteristic lines of this thin film are shown in FIG.
FIG. 19 and FIG. BaTiO from X-ray diffraction
The three films were confirmed to be c-plane unidirectionally oriented films, and RH
The axial orientation relationship from EED to Si substrate is BaTiO 3 [100] // S
It can be seen that i [010]. Further, Rz measured in the same manner as above was 0.50 nm or less at all measured positions. The DE hysteresis is performed by depositing a Pt electrode on a BaTiO 3 film, and forming a Pt electrode on the BaTiO 3 film.
The measurement was performed using a (001) film as an electrode and a Sawyer tower circuit. The relative permittivity was measured using an electrode similar to that used for the DE hysteresis measurement, and 100
It was 1000 when measured at kHz. Further, utilizing this DE hysteresis, a memory cell was fabricated on a Si substrate together with the FET, and the memory operation was confirmed.

【0155】実施例6 実施例4のPtの上に更にSBN ,PBN (実施例2と同じ)
を300nmの厚さに形成して、組成SBN(001)/Pt(001)/B
aTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)の積層薄膜およびPBN (0
01)/Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) の積層薄
膜を得た。ただし、SBN、PBN形成時の基板温度は
それぞれ800℃、650℃とし、形成後、空気中にお
いて750℃で10分間アニール処理を施した。SBN
薄膜のRHEED、X線回折およびD−Eヒステリシス
特性線をそれぞれ図21、図22および図23に示し
た。PBN薄膜のX線回折を図24に示した。X線回折
よりSBNおよびPBN薄膜はc面単一配向膜であるこ
とがわかる。RHEEDからSi基板との軸方位関係
は、SBN[100]//Si[010] 、PBN[100]//Si[010] であるこ
とがわかった。比誘電率は、SBNが200、PBNが
310であった。さらにこのD−Eヒステリシスを利用
しFETとともにSi基板上にメモリーセルを作製し、
メモリー動作を確認した。
Embodiment 6 On the Pt of Embodiment 4, SBN and PBN are further added (the same as in Embodiment 2).
Is formed to a thickness of 300 nm, and the composition SBN (001) / Pt (001) / B
aTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated thin film and PBN (0
01) / Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated thin film was obtained. However, the substrate temperature during the formation of SBN and PBN was 800 ° C. and 650 ° C., respectively, and after the formation, annealing was performed at 750 ° C. for 10 minutes in air. SBN
RHEED, X-ray diffraction and DE hysteresis characteristic lines of the thin film are shown in FIGS. 21, 22 and 23, respectively. X-ray diffraction of the PBN thin film is shown in FIG. X-ray diffraction reveals that the SBN and PBN thin films are c-plane unidirectionally oriented films. From RHEED, it was found that the axial orientation relationship with the Si substrate was SBN [100] // Si [010] and PBN [100] // Si [010]. The relative dielectric constant was 200 for SBN and 310 for PBN. Further, a memory cell is fabricated on a Si substrate together with the FET by utilizing the DE hysteresis,
Confirmed memory operation.

【0156】実施例7 実施例1においてBaTiO3の膜厚を50nmとしたBaTiO3(00
1)/ZrO2(001)/Si(100)積層膜、実施例4のPt(001)/BaTi
O3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 積層膜を作製し、これら基
板とした。ただし、実施例1、4では、ZrO2 膜の成
膜速度を0.06nm/sとしたが、本実施例では0.03
nm/sとした。この結果、ZrO2 膜の上記Rzは、測定
した全箇所で0.80nm以下であり、測定箇所の80%
で0.40nm以下であった。
[0156] BaTiO to the thickness of BaTiO 3 and 50nm in Example 7 Example 1 3 (00
1) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated film, Pt (001) / BaTi of Example 4
O 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated films were prepared and used as these substrates. However, in Examples 1 and 4, the deposition rate of the ZrO 2 film was 0.06 nm / s.
nm / s. As a result, the above-mentioned Rz of the ZrO 2 film was 0.80 nm or less at all measured positions, and 80% of the measured positions.
Was 0.40 nm or less.

【0157】真空槽中で基板を700 ℃に加熱し、20rp
m で回転させた。そして、ECR酸素源からラジカル酸
素ガスを10cc/分の割合で導入し、基板上にBi2O3
TiOx (x=1.67)をそれぞれの蒸発源から蒸発
させることにより、膜厚300nmのBi4Ti3O12 酸化物膜
を形成した。蒸発源からの供給は、Bi2O3 :TiOxの
モル比が2:3となるように制御しながら行った。これ
により、Bi4Ti3O12 /BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100),
Bi4Ti3O12 /Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)の
積層薄膜を得た。
The substrate was heated to 700 ° C. in a vacuum chamber,
Rotated at m. Then, radical oxygen gas is introduced from the ECR oxygen source at a rate of 10 cc / min, and Bi 2 O 3 ,
TiOx a (x = 1.67) by evaporation from each evaporation source was formed a Bi 4 Ti 3 O 12 oxide film having a thickness of 300 nm. The supply from the evaporation source was performed while controlling the molar ratio of Bi 2 O 3 : TiOx to be 2: 3. Thus, Bi 4 Ti 3 O 12 / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100),
A multilayer thin film of Bi 4 Ti 3 O 12 / Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) was obtained.

【0158】図25に、Bi4Ti3O12 /Pt(001)/BaTiO3(00
1)/ZrO2(001)/Si(100)のRHEED パターンを、図26にX
線回折の結果を示す。得られたBi4Ti3O12 は、X線回折
からc面単一配向膜であり、RHEEDからエピタキシ
ャル膜であることが確認でき、さらにSi基板との方位関
係はBi4Ti3O12 [100]//Si[010]であることがわかる。な
お、BaTiO3(001) 膜上に形成したBi4Ti3O12 膜について
も、X線回折およびRHEEDの結果は同様であった。
FIG. 25 shows that Bi 4 Ti 3 O 12 / Pt (001) / BaTiO 3 (00
The RHEED pattern of 1) / ZrO 2 (001) / Si (100) is shown in FIG.
The result of a line diffraction is shown. The obtained Bi 4 Ti 3 O 12 was confirmed to be a c-plane unidirectional film by X-ray diffraction, and was confirmed to be an epitaxial film by RHEED, and the orientation relationship with the Si substrate was Bi 4 Ti 3 O 12 [ 100] // Si [010]. The results of X-ray diffraction and RHEED of the Bi 4 Ti 3 O 12 film formed on the BaTiO 3 (001) film were the same.

【0159】また、Bi4Ti3O12(001)/BaTiO3(001)/ZrO
2(001)/Si(100)構造の試料表面にPt電極、Si基板にAl電
極を形成し、C-V 特性を測定したところ、図27に示し
たようなヒステリシスが得られ、ヒステリシス幅は0.
3Vで、すなわち0.3 Vのメモリーウインドが得られた
ことになる。さらにこの特性を利用し、積層薄膜をFE
Tのゲート酸化膜に用いた素子を作製し、メモリー動作
を確認した。
In addition, Bi 4 Ti 3 O 12 (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO
A Pt electrode was formed on the sample surface of the 2 (001) / Si (100) structure and an Al electrode was formed on the Si substrate, and the CV characteristics were measured. As a result, a hysteresis as shown in FIG. 27 was obtained, and the hysteresis width was 0.
This means that a memory window of 3 V, that is, 0.3 V was obtained. Furthermore, utilizing this characteristic, the laminated thin film can be FE
An element used for the gate oxide film of T was fabricated, and the memory operation was confirmed.

【0160】実施例 8 実施例1においてBaTiO3の膜厚を50nmとしたBaTiO3(00
1)/ZrO2(001)/Si(100)積層膜、実施例4のIr(001)/BaTi
O3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 積層膜を作製し、これらを
基板とした。ただし、これらの基板のZrO2 膜の形成
条件は、実施例7と同様とした。
[0160] BaTiO 3, which was 50nm thickness of BaTiO 3 in the Example 8 Example 1 (00
1) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated film, Ir (001) / BaTi of Example 4
O 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) laminated films were prepared and used as substrates. However, the conditions for forming the ZrO 2 film on these substrates were the same as in Example 7.

【0161】真空槽中で基板を700 ℃に加熱し、20rp
m で回転させた。そして、ECR酸素源からラジカル酸
素ガスを10cc/分の割合で導入し、基板上にBi2O3
Sr金属、Nb2O5 をそれぞれの蒸発源から蒸発させること
により、膜厚300nmのBi2SrNb2O9酸化物膜を形成し
た。蒸発源からの供給は、Bi2O3 :Sr:Nb2O5のモル比が
1:1:1となるように制御しながら行った。これによ
り、Bi2SrNb2O9/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100),Bi2Sr
Nb2O9/Ir(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)の積層
薄膜を得た。
The substrate was heated to 700 ° C. in a vacuum chamber,
Rotated at m. Then, radical oxygen gas is introduced from the ECR oxygen source at a rate of 10 cc / min, and Bi 2 O 3 ,
By evaporating Sr metal and Nb 2 O 5 from the respective evaporation sources, a Bi 2 SrNb 2 O 9 oxide film having a thickness of 300 nm was formed. The supply from the evaporation source was performed while controlling the molar ratio of Bi 2 O 3 : Sr: Nb 2 O 5 to 1: 1: 1. Thus, Bi 2 SrNb 2 O 9 / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100), Bi 2 Sr
A laminated thin film of Nb 2 O 9 / Ir (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) was obtained.

【0162】図28に、Bi2SrNb2O9/Ir(001)/BaTiO3(00
1)/ZrO2(001)/Si(100)のRHEED パターンを、図29にX
線回折の結果を示す。得られたBi2SrNb2O9は、X線回折
からc面単一配向膜であり、RHEEDからエピタキシ
ャル膜であることが確認でき、さらにSi基板との方位関
係はBi2SrNb2O9[100]//Si[010]であることがわかる。Ba
TiO3(001) 膜上に形成したBi2SrNb2O9膜についても、X
線回折およびRHEEDの結果は同様であった。
FIG. 28 shows that Bi 2 SrNb 2 O 9 / Ir (001) / BaTiO 3 (00
The RHEED pattern of 1) / ZrO 2 (001) / Si (100) is shown in FIG.
The result of a line diffraction is shown. The obtained Bi 2 SrNb 2 O 9 was confirmed to be a c-plane unidirectional film by X-ray diffraction, and was confirmed to be an epitaxial film by RHEED. Further, the orientation relationship with the Si substrate was Bi 2 SrNb 2 O 9 [ 100] // Si [010]. Ba
For the Bi 2 SrNb 2 O 9 film formed on the TiO 3 (001) film,
The line diffraction and RHEED results were similar.

【0163】また、Bi2SrNb2O9(001)/BaTiO3(001)/ZrO2
(001)/Si(100) 構造の試料を空気中650℃、10分間ア
ニール後、表面にPt電極、Si基板にAl電極を形成し、C-
V 特性を測定したところ、図30に示したようなヒステ
リシスが得られ、ヒステリシス幅は0.35Vで、すな
わち0.35Vのメモリーウインドが得られたことにな
る。さらにこの特性を利用し、積層薄膜をFETのゲー
ト酸化膜に用いた素子を作製し、メモリー動作を確認し
た。
In addition, Bi 2 SrNb 2 O 9 (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2
After annealing a (001) / Si (100) structure sample in air at 650 ° C for 10 minutes, a Pt electrode was formed on the surface and an Al electrode was formed on the Si substrate.
When the V characteristic was measured, a hysteresis as shown in FIG. 30 was obtained, and the hysteresis width was 0.35 V, that is, a 0.35 V memory window was obtained. Further, utilizing this characteristic, an element using the laminated thin film as the gate oxide film of the FET was manufactured, and the memory operation was confirmed.

【0164】なお、以上の効果は、上記以外の他のペロ
ブスカイト膜ないしタングステンブロンズ膜、あるいは
上記以外の他の材質の導電性エピタキシャル層や酸化物
薄膜でも同様に実現した。
The above-mentioned effects were similarly realized by using a perovskite film or a tungsten bronze film other than the above, or a conductive epitaxial layer or an oxide thin film of another material other than the above.

【0165】[0165]

【発明の効果】本発明による製造方法は、エピタキシャ
ル成長した(001)BaTiO3 薄膜等のc面配向単純ペロブス
カイト薄膜などをZrO2 を主成分とする酸化物薄膜を
介してSi基板上で得ることを可能としたものであり、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。具体的には、そのままの積
層薄膜構造で半導体プロセスにより加工し、従来のSi
2 を代替することによりDRAM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、超電導体の特性を利用す
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,SQUID、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が作製できる。
The manufacturing method according to the present invention provides a method of obtaining a c-plane oriented simple perovskite thin film such as an epitaxially grown (001) BaTiO 3 thin film on a Si substrate via an oxide thin film containing ZrO 2 as a main component. It can be formed in a large area over the entire surface of a substrate with a diameter of 2 inches or more with high reproducibility and high quality under operating conditions that have no room for impurities and that are easy to control. It has high utility value. Specifically, a conventional thin film structure is processed by a semiconductor process, and the conventional Si
By substituting O 2 , it can be configured as a capacitor and a gate for a DRAM. Furthermore, by forming Si as a functional film on this substrate, it can be applied as an SOI device, and by utilizing the characteristics of ferroelectrics and superconductors, it can be used for nonvolatile memories, infrared sensors, optical modulators, optical switches, OEICs. , SQUID, Josephson element, superconducting transistor, electromagnetic wave sensor, and superconducting wiring LSI.

【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】(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RHEEDパターンを示
す模式図である。
FIG. 2A is a schematic diagram showing a RHEED pattern of a 1 × 1 surface structure, and FIG. 2B is a schematic diagram showing a RHEED pattern of 2 × 1, 1 × 2, or a mixture thereof. It is.

【図3】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. 3 is a drawing substitute photograph showing a surface structure of a Si substrate having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen, which shows a RHEED pattern, and is viewed from a Si single crystal [110] direction. It is a diffraction pattern in which an electron beam was incident.

【図4】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. 4 is an X-ray diffraction diagram of a film structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate.

【図5】Si(100)基板上に得られたZrO2 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]方向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. 5 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate, wherein RHEED is obtained when an electron beam is incident from the [110] direction of the Si single crystal substrate.
It is a figure showing a diffraction pattern.

【図6】ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得られたBaTiO3
のX線回折図である。
FIG. 6 is an X-ray diffraction diagram of a BaTiO 3 film obtained on a ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図7】ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得られたBaTiO3
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]方向から電子線を入射した場合のRHE
ED回折パターンを示す図である。
FIG. 7 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a BaTiO 3 film obtained on a ZrO 2 (001) / Si (100) substrate, in which an electron beam is incident from the [110] direction of the Si single crystal substrate. RHE in case
It is a figure showing an ED diffraction pattern.

【図8】ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得られたBaTiO3
の断面TEM写真である。
FIG. 8 is a cross-sectional TEM photograph of a BaTiO 3 film obtained on a ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図9】BaTiO3/ZrO2/Si積層構造(MOS構造)のC−
V特性である。
FIG. 9 is a graph showing C− of a BaTiO 3 / ZrO 2 / Si laminated structure (MOS structure).
It is a V characteristic.

【図10】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたSBN膜のX線回折図である。
FIG. 10 is an X-ray diffraction diagram of an SBN film obtained on a BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図11】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたSBN膜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] 方向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. 11 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of the SBN film obtained on the BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate, as viewed from the [110] direction of the Si single crystal substrate. FIG. 4 is a diagram illustrating a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident.

【図12】BaTiO3/ZrO2/Si(100) 基板上に得られたPB
N膜のX線回折図である。
FIG. 12: PB obtained on BaTiO 3 / ZrO 2 / Si (100) substrate
FIG. 3 is an X-ray diffraction diagram of an N film.

【図13】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたPZT膜のX線回折図である。
FIG. 13 is an X-ray diffraction diagram of a PZT film obtained on a BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図14】PZT(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100)積
層構造(MOS構造)のC−V特性である。
FIG. 14 shows CV characteristics of a PZT (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) stacked structure (MOS structure).

【図15】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたPt膜の断面TEM写真である。
FIG. 15 is a TEM photograph of a cross section of a Pt film obtained on a BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図16】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたPt膜のX線回折図である。
FIG. 16 is an X-ray diffraction diagram of a Pt film obtained on a BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図17】BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基板上に得
られたPt膜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] 方向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. 17 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a Pt film obtained on a BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate,
FIG. 4 is a diagram showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from the [110] direction of a Si single crystal substrate.

【図18】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBaTiO3膜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] 方向から電子線を入
射した場合のRHEED回折パターンを示す図である。
FIG. 18 is a drawing-substitute photograph showing the crystal structure of a BaTiO 3 film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate; FIG. 3 is a diagram showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from the [110] direction of FIG.

【図19】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBaTiO3膜のX線回折図である。
FIG. 19 is an X-ray diffraction diagram of a BaTiO 3 film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図20】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBaTiO3膜のD−Eヒステリシス特性であ
る。
FIG. 20 shows the DE hysteresis characteristics of a BaTiO 3 film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図21】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたSBN膜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] 方向から電子線を入
射した場合のRHEED回折パターンを示す図である。
FIG. 21 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of an SBN film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate. FIG. 4 is a diagram illustrating a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from a [110] direction.

【図22】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたSBN膜のX線回折図である。
FIG. 22 is an X-ray diffraction diagram of an SBN film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図23】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたSBN膜のD−Eヒステリシス特性であ
る。
FIG. 23 shows the DE hysteresis characteristics of the SBN film obtained on the Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図24】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたPBN膜のX線回折図である。
FIG. 24 is an X-ray diffraction diagram of a PBN film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図25】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBi4Ti3O12 膜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] 方向から電子線
を入射した場合のRHEED回折パターンを示す図であ
る。
FIG. 25 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a Bi 4 Ti 3 O 12 film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate, FIG. 4 is a diagram showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from the [110] direction of a Si single crystal substrate.

【図26】Pt(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBi4Ti3O12 膜のX線回折図である。
FIG. 26 is an X-ray diffraction diagram of a Bi 4 Ti 3 O 12 film obtained on a Pt (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図27】Bi4Ti3O12(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si
(100)積層構造(MOS構造)のC−V特性である。
FIG. 27: Bi 4 Ti 3 O 12 (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si
(100) CV characteristics of a laminated structure (MOS structure).

【図28】Ir(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBi2SrNb2O9膜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] 方向から電子線
を入射した場合のRHEED回折パターンを示す図であ
る。
FIG. 28 is a drawing substitute photograph showing a crystal structure of a Bi 2 SrNb 2 O 9 film obtained on an Ir (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate; FIG. 4 is a diagram showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from the [110] direction of a Si single crystal substrate.

【図29】Ir(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si(100) 基
板上に得られたBi2SrNb2O9膜のX線回折図である。
FIG. 29 is an X-ray diffraction diagram of a Bi 2 SrNb 2 O 9 film obtained on an Ir (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si (100) substrate.

【図30】Bi2SrNb2O9(001)/BaTiO3(001)/ZrO2(001)/Si
(100) 積層構造(MOS構造)のC−V特性である。
FIG. 30 shows Bi 2 SrNb 2 O 9 (001) / BaTiO 3 (001) / ZrO 2 (001) / Si
(100) CV characteristics of a stacked structure (MOS structure).

【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 Ba蒸発部 10 Ti蒸発部 11 Zr蒸発部 12 希土類金属元素蒸発部 P 真空ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deposition 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 Ba evaporator 10 Ti evaporator 11 Zr evaporator 12 rare earth metal element evaporator P Vacuum pump

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/108 H01L 39/24 ZAAW 39/02 ZAA 21/316 M 39/24 ZAA 27/10 651 // H01L 21/316 (56)参考文献 特開 平8−264524(JP,A) 特開 平8−109099(JP,A) Hiroaki MYOREN e t.al,Proc.SPIE In t.Soc.Opt.Eng.,1989 年,Vol.1187,p.47−56 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/20 H01L 21/31 - 21/32 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 27/108 H01L 39/24 ZAAW 39/02 ZAA 21/316 M 39/24 ZAA 27/10 651 // H01L 21/316 ( 56) References JP-A-8-264524 (JP, A) JP-A-8-1009099 (JP, A) Hiroaki MYOREN et. al, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1989, Vol. 1187, p. 47-56 (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/20 H01L 21/31-21/32 INSPEC (DIALOG) JICST file (JOIS)

Claims (29)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体単結晶基板上に酸化物薄膜が形成
されており、この酸化物薄膜は酸化ジルコニウムまたは
希土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定化さ
れた酸化ジルコニウムを主成分としたエピタキシャル薄
膜を少なくとも1層含み、この酸化物薄膜上にペロブス
カイト型またはタングステンブロンズ型の誘電体材料で
形成され、基板表面と平行にc面単一配向した配向薄膜
を備える積層薄膜。
An oxide thin film is formed on a semiconductor single crystal substrate, and the oxide thin film mainly contains zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y). A laminated thin film comprising at least one epitaxial thin film, formed on the oxide thin film from a perovskite-type or tungsten bronze-type dielectric material, and having a c-plane unidirectionally oriented thin film parallel to the substrate surface.
【請求項2】 前記ペロブスカイト型またはタングステ
ンブロンズ型の誘電体材料が、チタン酸バリウム、チタ
ン酸ストロンチウム、ジルコンチタン酸鉛(PZT)、
ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)またはニオ
ブ酸バリウム鉛(PBN)である請求項1の積層薄膜。
2. The perovskite type or tungsten bronze type dielectric material includes barium titanate, strontium titanate, lead zircon titanate (PZT),
2. The laminated thin film according to claim 1, wherein the thin film is strontium barium niobate (SBN) or barium lead niobate (PBN).
【請求項3】 前記配向薄膜がエピタキシャル膜である
請求項1または2の積層薄膜。
3. The laminated thin film according to claim 1, wherein the oriented thin film is an epitaxial film.
【請求項4】 前記半導体単結晶基板がSi(100)
面を表面に有するSi単結晶基板であって、前記配向薄
膜とSi単結晶基板の結晶軸方位関係がペロブスカイト
またはタングステンブロンズ[100]//Si[01
0]である請求項3の積層薄膜。
4. The semiconductor single crystal substrate is made of Si (100).
A silicon single crystal substrate having a surface on the surface, wherein the crystallographic orientation relationship between the oriented thin film and the Si single crystal substrate is perovskite or tungsten bronze [100] // Si [01
0].
【請求項5】 Si(100)面を表面に有するSi単
結晶で形成されたSi単結晶基板上に、ペロブスカイト
型またはタングステンブロンズ型の材料で形成され、エ
ピタキシャル膜であり、結晶軸方位関係がペロブスカイ
トまたはタングステンブロンズ[100]//Si[01
0]である配向薄膜を備え、 前記Si単結晶基板と配向薄膜との間に酸化ジルコニウ
ムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含む)により
安定化された酸化ジルコニウムを主成分とするエピタキ
シャル薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄膜が介設さ
れ、 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムまたは希土類金属元
素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジル
コニウムの組成がZr1-xx2-δ(ここで、RはS
cおよびYを含む希土類金属元素であり、x=0〜0.
75、δ=0〜0.5である)であり、 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムが、酸素をのぞく構
成元素のみに換算してZrを93mol%以上含有し、 前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキングカーブの
半値幅が1.5°以下であり、 前記酸化物薄膜の表面のすくなくとも80%が、基準長
さ500nmでの十点平均粗さRzが2nm以下である積層
薄膜。
5. An epitaxial film formed of a perovskite-type or tungsten bronze-type material on a Si single crystal substrate formed of a Si single crystal having a Si (100) plane on its surface, and having a crystal axis orientation relationship. Perovskite or tungsten bronze [100] // Si [01
0], wherein at least an epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) is provided between the Si single crystal substrate and the oriented thin film. An oxide thin film including one layer is interposed, and the composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) in the oxide thin film is Zr 1 -x R x O 2 -δ ( Where R is S
a rare earth metal element containing c and Y, where x = 0 to 0.
75, δ = 0 to 0.5), and the zirconium oxide of the oxide thin film contains at least 93 mol% of Zr in terms of only the constituent elements excluding oxygen. A laminated thin film wherein the half width of the rocking curve of reflection is 1.5 ° or less, and at least 80% of the surface of the oxide thin film has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm of 2 nm or less.
【請求項6】 前記ペロブスカイト型またはタングステ
ンブロンズ型の材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ス
トロンチウム、ジルコンチタン酸鉛(PZT)、ニオブ
酸ストロンチウムバリウム(SBN)またはニオブ酸バ
リウム鉛(PBN)である請求項5の積層薄膜。
6. The perovskite type or tungsten bronze type material is barium titanate, strontium titanate, lead zircon titanate (PZT), strontium barium niobate (SBN) or barium lead niobate (PBN). Item 5. The laminated thin film according to Item 5.
【請求項7】 酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素
(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコ
ニウムを主成分とし、半導体単結晶基板上に形成された
第1のエピタキシャル膜と、この第1のエピタキシャル
膜上に直接形成されたペロブスカイト型材料による第2
のエピタキシャル膜である配向薄膜とを含む酸化物薄膜
を有し、 前記半導体単結晶基板がSi(100)面を表面に有す
るSi単結晶基板であって、このSi単結晶基板と配向
薄膜の結晶軸方位関係がペロブスカイト[100]//S
i[010]であり、 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムまたは希土類金属元
素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジル
コニウムの組成がZr1-xx2-δ(ここで、RはS
cおよびYを含む希土類金属元素であり、x=0〜0.
75、δ=0〜0.5である)であり、 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムが、酸素をのぞく構
成元素のみに換算してZrを93mol%以上含有し、 前記酸化物薄膜の(002)反射のロッキングカーブの
半値幅が1.5°以下であり、 前記酸化物薄膜の表面のすくなくとも80%が、基準長
さ500nmでの十点平均粗さRzが2nm以下である積層
薄膜。
7. A first epitaxial film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) and formed on a semiconductor single crystal substrate; Second using a perovskite-type material formed directly on the epitaxial film
An oxide thin film including an oriented thin film which is an epitaxial film of the above, wherein the semiconductor single crystal substrate is a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on its surface, and the Si single crystal substrate and the crystal of the oriented thin film are The axial orientation relationship is perovskite [100] // S
i [010], and the composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) in the oxide thin film is Zr 1-x R x O 2- δ (where R Is S
a rare earth metal element containing c and Y, where x = 0 to 0.
75, δ = 0 to 0.5), and the zirconium oxide of the oxide thin film contains at least 93 mol% of Zr in terms of only the constituent elements excluding oxygen. A laminated thin film wherein the half width of the rocking curve of reflection is 1.5 ° or less, and at least 80% of the surface of the oxide thin film has a ten-point average roughness Rz at a reference length of 500 nm of 2 nm or less.
【請求項8】 前記第2のエピタキシャル膜のペロブス
カイト型材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロン
チウムまたはこれらの固溶体を主成分とする請求項7の
積層薄膜。
8. The laminated thin film according to claim 7, wherein the perovskite-type material of the second epitaxial film contains barium titanate, strontium titanate or a solid solution thereof as a main component.
【請求項9】 Si(100)面を表面に有するSi単
結晶基板上に、金属または導電性酸化物で形成され、基
板表面と平行にc面またはa面単一配向したエピタキシ
ャル膜である導電性配向薄膜、およびこの導電性配向薄
膜上に、ペロブスカイト型またはタングステンブロンズ
型材料により形成された配向薄膜を備え、 前記配向薄膜がエピタキシャル膜であり、 前記Si基板と配向薄膜の結晶軸方位関係がペロブスカ
イトまたはタングステンブロンズ[100]//Si[0
10]であり、 前記Si単結晶基板と導電性配向薄膜との間に、酸化ジ
ルコニウムまたは希土類金属元素(ScおよびYを含
む)により安定化された酸化ジルコニウムを主成分とす
るエピタキシャル薄膜を少なくとも1層含む酸化物薄膜
を介設した積層薄膜。
9. A conductive film which is an epitaxial film formed of a metal or a conductive oxide on a Si single crystal substrate having a Si (100) plane on its surface and having a single orientation of a c-plane or an a-plane parallel to the substrate surface. An oriented thin film, and an oriented thin film formed of a perovskite type or a tungsten bronze type material on the conductive oriented thin film, wherein the oriented thin film is an epitaxial film, and the crystal axis orientation relationship between the Si substrate and the oriented thin film is Perovskite or tungsten bronze [100] // Si [0
10], wherein at least one epitaxial thin film mainly composed of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) is provided between the Si single crystal substrate and the conductive alignment thin film. A laminated thin film with an oxide thin film including layers interposed.
【請求項10】 前記金属がPt、Ir、Os、Re、
Pd、RhおよびRuのうちの少なくとも1種を含む金
属であり、前記導電性酸化物がInを含む酸化物または
ペロブスカイト酸化物である請求項9の積層薄膜。
10. The method according to claim 1, wherein the metal is Pt, Ir, Os, Re,
The laminated thin film according to claim 9, which is a metal containing at least one of Pd, Rh, and Ru, and wherein the conductive oxide is an oxide containing In or a perovskite oxide.
【請求項11】 前記配向薄膜のペロブスカイト型また
はタングステンブロンズ型材料が、チタン酸バリウム、
チタン酸ストロンチウム、ジルコンチタン酸鉛(PZ
T)、ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)また
はニオブ酸バリウム鉛(PBN)である請求項9または
10の積層薄膜。
11. A perovskite-type or tungsten bronze-type material of the alignment thin film, wherein barium titanate,
Strontium titanate, lead zircon titanate (PZ
The laminated thin film according to claim 9 or 10, wherein T) is strontium barium niobate (SBN) or barium lead niobate (PBN).
【請求項12】 前記Si単結晶基板、導電性配向薄膜
および配向薄膜の間の面方位関係が、ペロブスカイトま
たはタングステンブロンズ(001)//導電性薄膜(0
01)//Si(100)である請求項9〜11のいずれ
かの積層薄膜。
12. A plane orientation relationship between the Si single crystal substrate, the conductive alignment thin film and the alignment thin film is perovskite or tungsten bronze (001) // conductive thin film (0).
01) // Si (100).
【請求項13】 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウムま
たは希土類金属元素(ScおよびYを含む)により安定
化された酸化ジルコニウムの組成がZr1-xx2-δ
(ここで、RはScおよびYを含む希土類金属元素であ
り、x=0〜0.75、δ=0〜0.5である)である
請求項1〜4、7〜12のいずれかの積層薄膜。
13. The composition of zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) of the oxide thin film is Zr 1 -x R x O 2 -δ.
(Where R is a rare earth metal element containing Sc and Y, and x = 0 to 0.75 and δ = 0 to 0.5). Laminated thin film.
【請求項14】 前記酸化物薄膜の酸化ジルコニウム
が、酸素をのぞく構成元素のみに換算してZrを93mo
l%以上含有する請求項1〜4、7〜13のいずれかの積
層薄膜。
14. The zirconium oxide of the oxide thin film converts Zr to 93 mol in terms of only constituent elements other than oxygen.
The laminated thin film according to any one of claims 1 to 4, and 7 to 13, which contains 1% or more.
【請求項15】 前記酸化物薄膜の(002)反射のロ
ッキングカーブの半値幅が1.5°以下である請求項1
〜4、7〜14のいずれかの積層薄膜。
15. A half-width of a rocking curve of (002) reflection of the oxide thin film is 1.5 ° or less.
A laminated thin film according to any one of to 4, 7-14.
【請求項16】 前記酸化物薄膜の表面のすくなくとも
80%が、基準長さ500nmでの十点平均粗さRzが2
nm以下である請求項1〜4、7〜15のいずれかの積層
薄膜。
16. At least 80% of the surface of the oxide thin film has a ten-point average roughness Rz of 2 at a reference length of 500 nm.
The laminated thin film according to any one of claims 1 to 4, and 7 to 15, wherein the thickness is not more than nm.
【請求項17】 前記酸化物薄膜が、酸化ジルコニウム
または希土類金属元素(ScおよびYを含む)で安定化
された酸化ジルコニウムを主成分とする第1のエピタキ
シャル膜と、その上に形成されたペロブスカイト型材料
による第2のエピタキシャル膜を少なくとも含む請求項
1〜16のいずれかの積層薄膜。
17. A first epitaxial film mainly composed of zirconium oxide stabilized with zirconium oxide or a rare earth metal element (including Sc and Y), and a perovskite formed thereon. 17. The laminated thin film according to claim 1, comprising at least a second epitaxial film made of a mold material.
【請求項18】 前記第2のエピタキシャル膜のペロブ
スカイト型材料が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロ
ンチウムまたはこれらの固溶体を主成分とする請求項1
7の積層薄膜。
18. The method according to claim 1, wherein the perovskite-type material of the second epitaxial film is mainly composed of barium titanate, strontium titanate or a solid solution thereof.
7. The laminated thin film of 7.
【請求項19】 前記Si単結晶基板と、前記ペロブス
カイト型材料による第2のエピタキシャル膜の結晶軸方
位関係がペロブスカイト[100]//Si[010]で
ある請求項17または18の積層薄膜。
19. The laminated thin film according to claim 17, wherein a crystal axis orientation relationship between the Si single crystal substrate and the second epitaxial film made of the perovskite-type material is perovskite [100] // Si [010].
【請求項20】 請求項1〜19のいずれかの積層薄膜
を備える電子デバイス用基板。
20. An electronic device substrate comprising the laminated thin film according to claim 1.
【請求項21】 請求項1〜20のいずれかの積層薄膜
を備える電子デバイス。
21. An electronic device comprising the laminated thin film according to claim 1.
【請求項22】 Si単結晶基板、このSi単結晶基板
上に、酸化ジルコニウムまたは希土類金属元素(Scお
よびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウムで
形成された酸化物薄膜と、この酸化物薄膜上に、ペロブ
スカイト型またはタングステンブロンズ型材料で形成さ
れた配向薄膜とを備える積層薄膜の製造方法であって、 真空槽内で、Si単結晶基板の加熱、真空槽内への酸化
性ガスの導入、およびZrまたはZrと少なくとも1種
の希土類金属元素(ScおよびYを含む)の単結晶基板
表面への蒸発による供給を行い、前記単結晶基板の表面
に、前記酸化物薄膜をエピタキシャル成長させての単一
配向エピタキシャル膜を形成し、これを前記酸化物薄膜
とする積層薄膜の製造方法。
22. A silicon single crystal substrate, an oxide thin film formed on the single crystal silicon substrate by zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y), and the oxide thin film A method for producing a laminated thin film comprising a thin film and an oriented thin film formed of a perovskite type or a tungsten bronze type material, comprising: heating a Si single crystal substrate in a vacuum chamber; Introduction and supply of Zr or Zr and at least one rare earth metal element (including Sc and Y) by evaporation to the surface of the single crystal substrate, and epitaxially growing the oxide thin film on the surface of the single crystal substrate. A method for producing a laminated thin film, comprising forming a single-oriented epitaxial film as described above and using the same as the oxide thin film.
【請求項23】 前記酸化ジルコニウムまたは希土類金
属元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化
ジルコニウムが、Zr1-x x 2-δ(ここで、RはS
cおよびYを含む希土類金属元素であり、x=0〜0.
75である。また、δは0〜0.5である。)の組成の
ものである請求項22の積層薄膜の製造方法。
23. The zirconium oxide or zirconium oxide stabilized by a rare earth metal element (including Sc and Y) is selected from the group consisting of Zr 1 -x R x O 2 -δ (where R is S
a rare earth metal element containing c and Y, where x = 0 to 0.
75. Δ is 0 to 0.5. 23. The method for producing a laminated thin film according to claim 22, which has the composition of (22).
【請求項24】 前記Si単結晶基板として、基板表面
に、ZrまたはZrおよび少なくとも1種の希土類金属
元素(Scおよび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22または23の積層薄膜の製造方法。
24. The Si single crystal substrate has a 1 × 1 surface structure formed on the substrate surface by Zr or Zr and at least one rare earth metal element (including Sc and Y) and oxygen. 24. The method for manufacturing a laminated thin film according to claim 22, wherein a Si surface-treated substrate is used.
【請求項25】 前記Si表面処理基板が、Si単結晶
基板表面に厚さ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、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の酸素分圧を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
類金属元素(ScおよびYを含む)とを蒸発させて供給
することにより得られたものである請求項24の積層薄
膜の製造方法。
25. The Si surface-treated substrate forms an Si oxide layer having a thickness of 0.2 to 10 nm on the surface of the Si single crystal substrate, and thereafter sets the substrate temperature to 600 to 1200 ° C. and forms a vacuum. An oxidizing gas is introduced into the tank, and at least the oxygen partial pressure of the atmosphere near the substrate is set to 1 × 10 −4 to 1 × 10 4
-1 Torr, and in this state, Zr or Zr and at least one rare-earth metal element (including Sc and Y) are evaporated and supplied to the substrate surface on which the Si oxide layer is formed. 25. The method of manufacturing a laminated thin film according to claim 24, wherein:
【請求項26】 前記Si酸化物層を形成する際、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25の積層薄膜の製造方法。
26. When forming the Si oxide layer, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced.
26. The method for producing a laminated thin film according to claim 25, wherein the Si oxide layer is formed by heating to about 700 [deg.] 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27】 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Si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22〜26のいずれかの積層薄膜の製造方法。
27. 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 created only in the vicinity of the Si single crystal substrate. The method for producing a laminated thin film according to any of the above.
【請求項28】 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、基板を回転させ
ることにより、前記酸化性ガス高分圧雰囲気をSi単結
晶基板の全体にわたって供し、このSi単結晶基板の表
面全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22〜27のいずれかの積層薄膜の製造方法。
28. The Si single crystal substrate having a substrate surface area of 10 cm 2 or more and rotating the substrate to provide the oxidizing gas high partial pressure atmosphere over the entire Si single crystal substrate, 28. The method according to claim 22, wherein a substantially uniform oxide thin film is formed over the entire surface of the Si single crystal substrate.
【請求項29】 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2
2〜28のいずれかの積層薄膜の製造方法。
29. When forming the epitaxial film,
3. The Si single crystal substrate is heated to 750 ° C. or higher.
29. The method for producing a laminated thin film according to any one of 2 to 28.
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