JP3817068B2 - Laminated thin film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄膜を含む積層薄膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体結晶基板であるSi基板上に、超伝導膜、誘電体膜、強誘電体膜、圧電膜等の各種機能膜を形成、集積化した電子デバイスが考案されている。例えば、半導体と超伝導体との組み合わせでは、SQUID、ジョセフソン素子、超伝導トランジスタ、電磁波センサーおよび超伝導配線LSI等が挙げられ、半導体と誘電体との組み合わせでは、集積度のさらに高いLSI、SOI技術による誘電体分離LSIが挙げられ、半導体と強誘電体との組み合わせでは、不揮発性メモリー、赤外線センサー、光変調器、光スイッチ、OEIC(光・電子集積回路:OPTO-ELECTRONIC INTEGRATED CIRCUITS)等が挙げられる。
【0003】
これらの電子デバイスにおいて、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、機能膜ができるだけ完全な単結晶に近いエピタキシャル膜であることが望まれる。多結晶体では粒界による物理量の撹乱のため、良好なデバイス特性を得ることが難しい。
【0004】
ところで、Si基板と機能膜との間には、通常、電極膜を設ける。結晶性の良好な機能膜を得るためには、電極膜を単結晶に近いエピタキシャル膜として形成することが必要となる。このような要求に対し本発明者らは、特開平9−110592号公報において、Si単結晶基板上に(001)配向のZrO2薄膜、安定化ジルコニア薄膜、希土類元素酸化物薄膜等を含むバッファ層を設け、このバッファ層上に、BaTiO3等からなる(001)配向のペロブスカイト層を形成し、このペロブスカイト層上にPt等からなる金属薄膜を電極膜として形成することを提案している。ペロブスカイト層を設けるのは、ZrO2(001)薄膜上にPt薄膜を直接形成すると、Ptは(111)配向または多結晶となり、Pt(100)単一配向膜を形成することができないからである。これは、ZrO2(001)面とPt(100)面の格子不整合が大きいために、Ptはエピタキシャル成長するよりも、すなわち(100)面を成長面として成長するよりも、エネルギー的に安定な(111)面を成長面として成長するからである。
【0005】
しかし、ペロブスカイト層の形成には手間がかかり、特に、均質で、設計通りの組成をもつペロブスカイト層を形成することは難しい。具体的には、Zrを含有するバッファ層上にBaTiO3薄膜を形成する際には、BaZrO3等の(110)配向しやすい物質が形成されやすい。また、特開平9−110592号公報では、大面積の均質な薄膜が形成できる方法として、酸化性ガス中で金属蒸気を基板表面に供給する蒸着法を用いているが、この方法でBaTiO3薄膜を形成する場合、基板表面に酸化物として堆積したときにBa:Ti=1:1となるように、BaおよびTiの蒸発量を正確に制御する必要がある。
【0006】
したがって、ペロブスカイト層を設けることなく結晶性の良好な(100)配向金属薄膜を形成できれば、低コスト化、品質向上、歩留まり向上の点で大きな進歩となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、結晶性の良好な単一配向金属薄膜を含む積層薄膜を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記(1)〜(6)の本発明により達成される。
(1) 立方晶(100)単一配向のエピタキシャル膜である金属薄膜と、この金属薄膜と接する界面に{111}ファセット面が存在し、かつ前記界面におけるファセット面の比率が80%以上であるバッファ層とを有する積層薄膜。
(2) 前記バッファ層が、希土類元素酸化物、酸化ジルコニウム、またはZrの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウムを含有する上記(1)の積層薄膜。
(3) 希土類元素およびアルカリ土類元素をRで表したとき、前記バッファ層において原子比R/(Zr+R)が0.2〜0.75である上記(2)の積層薄膜。
(4) 前記バッファ層を挟んで前記金属薄膜の反対側に下地層を有し、この下地層が、酸化ジルコニウム、またはZrの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウムを含有し、希土類元素およびアルカリ土類元素をRで表したとき、この下地層における原子比R/(Zr+R)が、前記バッファ層における原子比R/(Zr+R)よりも小さい上記(2)の積層薄膜。
(5) 前記金属薄膜がPt、Ir、PdおよびRhの少なくとも1種を含有する上記(1)〜(4)のいずれかの積層薄膜。
(6) 表面がSi(100)単結晶から構成される基板上に存在する上記(1)〜(5)のいずれかの積層薄膜。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の積層薄膜は、Si単結晶等からなる基板上に形成されており、基板側にバッファ層を有し、このバッファ層に接して金属薄膜を有する。
【0010】
バッファ層
バッファ層は、金属薄膜と基板との間に設けられる。なお、バッファ層は、絶縁体としても機能する。
【0011】
バッファ層は、金属薄膜との界面が{111}ファセット面を含むことが特徴である。図1(a)に、バッファ層表面のファセット面の模式図を示す。図1(b)に、このファセット面を拡大して示す。バッファ層は、立方晶(100)配向、正方晶(001)配向または単斜晶(001)配向のエピタキシャル膜なので、このファセット面は、{111}ファセット面である。金属薄膜は、バッファ層の{111}ファセット面上に{111}配向膜としてエピタキシャル成長する。金属薄膜の成長に伴って、ファセット面により構成される凹部は埋められ、最終的に、図1(c)に示すように金属薄膜の表面は平坦となり、かつ、この表面は基板表面に平行となる。この表面は、立方晶(100)面となるが、結晶格子の歪み等により正方晶(001)面となることもある。
【0012】
バッファ層表面にファセット面を存在させ、このファセット面上に、立方晶となる金属からなる金属薄膜を形成したときに、この金属薄膜が立方晶(100)配向のエピタキシャル膜となることは、従来報告されておらず、本発明において初めて見いだされたことである。前述したように、従来もZrO2薄膜や希土類元素酸化物薄膜をバッファ層として用いることは知られていたが、平坦なバッファ層上に金属薄膜を直接形成した場合、良質な立方晶(100)配向エピタキシャル膜は得られていない。
【0013】
ファセット面の寸法は特に限定されないが、ファセット面の高さ、すなわち、バッファ層の面内と直交する平面に投影したときの寸法が小さすぎると、バッファ層表面にファセット面を設けたことによる効果が小さくなるので、投影寸法は5nm以上であることが好ましい。一方、この投影寸法が大きい場合、それに伴って金属薄膜を厚くしないと金属薄膜表面が平坦にならなくなる。しかし、金属薄膜を厚くするとクラックが発生しやすくなるので、上記投影寸法は30nm以下であることが好ましい。なお、上記投影寸法は、バッファ層断面の透過型電子顕微鏡写真から求める。
【0014】
上記界面におけるファセット面の比率は、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上である。ファセット面の比率が低すぎると、金属薄膜を良質なエピタキシャル膜として成長させることが困難となる。なお、本明細書におけるファセット面の比率は、バッファ層断面の透過型電子顕微鏡写真から以下のようにして求めた面積比である。バッファ層表面の測定対象領域の長さ(面内方向の長さ)をBとし、面内と平行な表面(ファセット面以外)の合計長さをHとすると、上記比率は、[1−(H/B)2×100で表される。上記測定対象領域の長さBは、1μm以上とする。
【0015】
表面に{111}ファセット面を形成するために、バッファ層は、希土類元素酸化物を主成分とするか、酸化ジルコニウムを主成分とするか、Zrの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウムを主成分とすることが好ましい。なお、本明細書における希土類元素は、ScおよびYを含むものとする。このようなバッファ層は、立方晶(100)配向または単斜晶(001)配向のとき、表面にファセット面を出現させることが可能である。
【0016】
希土類元素およびアルカリ土類元素をRで表すと、バッファ層の組成は、Zr1-xx2-δで表すことができる。x=0である酸化ジルコニウム(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が、希土類元素またはアルカリ土類元素の添加により立方晶は安定化する。ZrO2に希土類元素またはアルカリ土類元素を添加した酸化物は、一般に安定化ジルコニアと呼ばれる。本発明では、ZrO2安定化のための元素として希土類元素を用いることが好ましい。
【0017】
本発明では、ファセット面が形成可能であればZr1-xx2-δにおけるxは特に限定されない。ただし、Jpn.J.Appl.Phys.27(8)L1404-L1405(1988)には、希土類元素安定化ジルコニアにおいて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とが報告されており、また、J.Appl.Phys.58(6)2407-2409(1985)には、正方晶または単斜晶となる組成域においては、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が得られないことが報告されている。しかし、本発明者らが検討を重ねた結果、後述する蒸着法を利用することにより、xが0.2未満の組成でもエピタキシャル成長が可能となり、良好な結晶性が得られることがわかった。高純度のZrO2膜は、絶縁抵抗が高くなり、リーク電流が小さくなるので、絶縁特性を必要とする場合には好ましい。ただし、ファセット面の形成を容易にするためには、xを0.2以上とすることが好ましい。
【0018】
一方、バッファ層をSi単結晶基板に接して形成する場合、xが0.75を超える組成域では、立方晶ではあるが、(100)単一配向が得られにくく、(111)配向の結晶が混入したり、(111)単一配向となったりしてしまう。したがって、Si単結晶基板上にバッファ層を直接形成する際には、Zr1-xx2-δにおいてx≦0.75以下、特に0.50以下とすることが好ましい。
【0019】
ただし、Si単結晶基板上に、適当な下地層を介してバッファ層を形成することにより、xが大きい場合でもバッファ層を立方晶(100)単一配向とすることができる。このような下地層としては、酸化ジルコニウムまたは安定化ジルコニアからなる立方晶(100)配向、正方晶(001)配向または単斜晶(001)配向の薄膜が好ましい。なお、下地層では、バッファ層よりもxを小さい値に設定することになる。
【0020】
安定化ジルコニア薄膜が含む希土類元素は、安定化ジルコニア薄膜に接する薄膜または基板の格子定数に応じ、これらと安定化ジルコニア薄膜との格子定数がマッチングするように適宜選択すればよい。希土類元素の種類を固定したままxを変更すれば安定化ジルコニアの格子定数を変えることができるが、xだけの変更ではマッチング調整可能領域が狭い。しかし、希土類元素を変更すれば格子定数を比較的大きく変更することができるので、マッチングの最適化が容易となる。例えばYに替えてPrを用いれば、格子定数を大きくすることができる。
【0021】
なお、酸素欠陥を含まない酸化ジルコニウムは化学式ZrO2で表わされるが、安定化ジルコニアは、添加した安定化元素の種類、量および価数により酸素の量が変化し、Zr1-xx2-δにおけるδは、通常、0〜1.0となる。
【0022】
バッファ層は、組成が連続的ないし段階的に変化する傾斜組成構造であってもよい。傾斜組成構造とする場合、Zr1-xx2-δにおけるxが、バッファ層の裏面側から表面側(金属薄膜側)に向かって増大する構成とすることが好ましい。上記した下地層を設ける場合、下地層がバッファ層の一部と考えれば、このバッファ層は、組成が段階的に変化するものといえる。
【0023】
バッファ層に用いる希土類元素は、Sc、Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuの少なくとも1種を選択すればよいが、希土類元素酸化物には、六方晶である希土類a型構造となりやすいものが存在するので、安定して立方晶の酸化物となる元素を選択することが好ましい。具体的には、Sc、Y、Ce、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuの少なくとも1種が好ましく、これらのうちから、酸化物としたときの格子定数やその他の条件に応じて適宜選択すればよい。
【0024】
バッファ層には、特性改善のために添加物を導入してもよい。例えば、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、Mn、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。
【0025】
なお、下地層やバッファ層として用いるZrO2薄膜において、Zrの比率の上限は現在のところ99.99mol%程度である。また、現在の高純度化技術ではZrO2と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は本発明におけるZrO2薄膜においてZrO2と全く同様に機能するため、問題はない。また、このことは、上記安定化ジルコニアにおいても同様である。
【0026】
バッファ層の厚さは特に限定されず、適切な寸法のファセット面が形成されるように適宜設定すればよいが、好ましくは5〜1000nm、より好ましくは25〜100nmである。バッファ層が薄すぎると均一なファセット面を形成することが困難であり、厚すぎるとバッファ層にクラックが発生することがある。なお、下地層の厚さは、下地層が均質なエピタキシャル膜となり、表面が平坦で、クラックが発生しないように適宜決定すればよいが、通常、2〜50nmとすることが好ましい。
【0027】
金属薄膜
金属薄膜を設ける理由は、以下の通りである。本発明の積層薄膜を電子デバイスの構成要素として利用する場合、金属薄膜は主に電極として機能する。本発明によって得られた結晶性および表面性の良好な金属薄膜上に、機能膜として圧電薄膜等を形成すれば、特性の良好な薄膜バルク共振器等の各種電子デバイスが実現する。また、LEDやレーザーダイオード等の発光素子では、高輝度化が重要であるが、素子中に発光光を反射する機能を設ければ、高輝度化を容易に達成できることがある。例えば、反射層として働く薄膜を素子中の適当な位置に配置して、素子外部への発光の放出を助長することが可能である。本発明における金属薄膜は、このような反射層として機能させることもできる。また、金属薄膜は、薄膜積層体中において応力を吸収する役割を果たすので、金属薄膜の上に形成される薄膜のクラック発生を防ぐ効果も示す。
【0028】
バッファ層のファセット面が存在する表面に設けられる金属薄膜は、前述したように、ファセット面により構成される凹部を埋めながら成長し、最終的に金属薄膜表面は平坦となり、かつ、基板表面に平行となる。このとき金属薄膜は、通常、膜面と平行に(100)面が配向した立方晶エピタキシャル膜となっているが、応力によって結晶が変形して、例えば正方晶(001)配向のエピタキシャル膜となることもある。
【0029】
金属薄膜は、Pt、Ir、PdおよびRhの少なくとも1種を主成分とすることが好ましく、これらの金属の単体またはこれらの金属を含む合金から構成されることが好ましい。また、金属薄膜は、組成の異なる2種以上の薄膜から構成されていてもよい。
【0030】
金属薄膜の厚さは用途により異なるが、好ましくは10〜500nm、より好ましくは50〜150nmであり、結晶性、表面性を損なわない程度に薄いことが好ましい。より具体的には、バッファ層のファセット面により構成される凹凸を埋めるためには、厚さを30nm以上とすることが好ましく、100nm以上の厚さとすれば、十分な表面平坦性が得られる。また、電極として十分に機能させるためには、厚さを50〜500nmとすることが好ましい。
【0031】
なお、金属薄膜の比抵抗は、好ましくは10-7〜103Ωcm、より好ましくは10-7〜10-2Ωcmである。
【0032】
結晶性および表面性
バッファ層、金属薄膜および下地層の結晶性は、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像のパターンおよび透過型電子顕微鏡で評価することができる。なお、RHEEDとは、反射高速電子線回折(Reflction High Energy Electron Diffraction)である。
【0033】
具体的には、X線回折において、(200)面または(002)面[希土類c型構造のバッファ層では(400)面]の反射のロッキングカーブの半値幅がいずれも1.50°以下となる程度の結晶性を有していることが好ましい。なお、ロッキングカーブの半値幅の下限値は特になく、小さいほど好ましいが、現在のところ、前記下限値は一般に0.7°程度、特に0.4°程度である。また、RHEEDにおいては、像がスポット状である場合、表面に凹凸が存在していることになり、ストリーク状である場合、表面が平坦であることになる。そして、いずれも場合でも、RHEED像がシャープであれば、結晶性に優れていることになる。
【0034】
本発明の積層薄膜において、バッファ層、金属薄膜および下地層は、エピタキシャル膜である。本明細書におけるエピタキシャル膜は、第一に、単一配向膜である必要がある。この場合の単一配向膜とは、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10%以下、好ましくは5%以下である膜である。例えば、(k00)単一配向膜、すなわちa面単一配向膜では、膜の2θ−θX線回折で(k00)面以外の反射ピークの強度が、(k00)面反射の最大ピーク強度の10%以下、好ましくは5%以下である。なお、本明細書において(k00)は、(100)や(200)などの等価な面を総称する表示である。本明細書におけるエピタキシャル膜の第二の条件は、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軸方向、y軸方向およびz軸方向に共に揃って配向していることである。このような配向は、RHEED評価でスポット状またはストリーク状のシャープなパターンを示すことで確認できる。例えば、表面に凹凸が存在するバッファ層において結晶配向に乱れがある場合、RHEED像はシャープなスポット状とはならず、リング状に伸びる傾向を示す。上記した二つの条件を満足すれば、エピタキシャル膜といえる。
【0035】
基板
本発明で用いる基板は、Si、MgO、SrTiO3等の各種単結晶から選択することができるが、Si(100)単結晶表面を有する基板が最も好ましい。Si単結晶基板を用いる場合、基板と積層薄膜とは、それぞれの面内に存在する軸同士も平行であることが好ましい。
【0036】
製造方法
バッファ層、金属薄膜および下地層の形成方法は特に限定されず、基板上、特にSi単結晶基板上に、これらをエピタキシャル膜として形成可能な方法から適宜選択すればよいが、好ましくは蒸着法、特に、前記特開平9−110592号公報や、本出願人による特願平9−106776号等に開示されている蒸着法を用いることが好ましい。
【0037】
以下、製造方法の具体例として、安定化ジルコニアからなるバッファ層の形成について説明する。
【0038】
この製造方法を実施するにあたっては、例えば図8に示すような構成の蒸着装置1を用いることが望ましい。
【0039】
この蒸着装置1は、真空ポンプPが設けられた真空槽1aを有し、この真空槽1a内には、下部に基板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、基板2をその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は、基板2を加熱するヒータ6を内蔵している。
【0040】
蒸着装置1は、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のノズル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、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のさらに下方には、Zr蒸発部9および希土類元素蒸発部10が配置されている。これら各蒸発部には、それぞれの蒸発源の他に、蒸発のためのエネルギーを供給するエネルギー供給装置(電子線発生装置、抵抗加熱装置等)が配置されている。
【0041】
まず、上記ホルダに基板をセットする。この製造方法では、均質な薄膜を大面積基板、例えば10cm2以上の面積を持つ基板上に形成することができる。これにより、本発明の積層薄膜を有する電子デバイスを、従来に比べて極めて安価なものとすることができる。なお、基板の面積の上限は特にないが、現状では400cm2程度である。現状の半導体プロセスは2〜8インチのSiウエハ、特に6インチタイプのウエハを用いたものが主流であるが、この方法ではこれに対応が可能である。また、ウエハ全面ではなく、部分的にマスク等で選択して積層薄膜を形成することも可能である。
【0042】
Si単結晶基板を用いる場合、バッファ層の形成前に、基板に表面処理を施すことが好ましい。基板の表面処理は、例えば前記特開平9−110592号公報や、本出願人による特願平9−106776号などに記載された処理方法を利用することが好ましい。
【0043】
このような表面処理後、基板表面のSi結晶はSi酸化物層により被覆されて保護された状態となっている。そして、このSi酸化物層は、バッファ層形成の際に基板表面に供給されるZr等の金属によって還元され、除去される。
【0044】
次に、基板を真空中で加熱し、Zrおよび希土類元素と、酸化性ガスとを基板表面に供給することにより、バッファ層を形成していく。加熱温度は、良好な結晶性が得られ、かつファセット面が形成されるように適宜設定すればよい。具体的には、結晶化するためには400℃以上であることが望ましく、750℃以上であれば結晶性に優れた膜が得られる。また、ファセット面の寸法は、加熱温度によって制御できる。加熱温度の上限は、基板の耐熱性によっても異なるが、通常、1300℃程度である。ここで用いる酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、原子状酸素、NO2、ラジカル酸素等のいずれであってもよいが、以下の説明では、酸素を例に挙げる。
【0045】
バッファ層の形成に際しては、真空ポンプで継続的に真空槽内を排気しながら、酸素ガスを真空蒸着槽内に継続的に供給する。基板近傍における酸素分圧は、10-3〜10-1Torr程度であることが好ましい。酸素分圧の上限を10-1Torrとしたのは、真空槽内にある蒸発源中の金属を劣化させることなく、かつその蒸発速度を一定に保つためである。真空蒸着槽に酸素ガスを導入するに際しては、基板の表面にその近傍からガスを噴射し、基板近傍だけに高い酸素分圧の雰囲気をつくるとよく、これにより少ないガス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。このとき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。酸素ガスの供給量は、好ましくは2〜50cc/分、より好ましくは5〜25cc/分である。酸素ガス供給量を制御することにより、ファセット面を容易に形成することが可能となり、また、ファセット面の寸法を変更することができる。酸素ガスの最適供給量は、真空槽の容積、ポンプの排気速度その他の要因により決まるので、あらかじめ適当な供給量を求めておく。
【0046】
各蒸発源は、電子ビーム等で加熱して蒸発させ、基板に供給する。均質でかつファセット面を有する薄膜を形成するために、成膜速度は、0.05〜1.00nm/s、特に0.100〜0.500nm/sとすることが好ましい。成膜速度を制御することにより、ファセット面を容易に形成することが可能となり、また、ファセット面の寸法を変更することができる。
【0047】
成膜面積が10cm2程度以上である場合、例えば直径2インチの基板の表面に成膜するときには、図8に示すように基板を回転させ、酸素ガスを基板表面の全域に万遍なく供給することにより、成膜領域全域で酸化反応を促進させることができる。これにより、大面積でしかも均質な膜の形成が可能となる。このとき、基板の回転数は10rpm以上であることが望ましい。回転数が低いと、基板面内で膜厚の分布が生じやすい。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程度となる。
【0048】
希土類元素酸化物からなる薄膜や酸化ジルコニウムからなる薄膜についても、上記した安定化ジルコニア薄膜の場合に準じて形成すればよい。また、例えば、酸化ジルコニウム薄膜上に希土類元素酸化物薄膜を形成する際に、両薄膜において同一の希土類元素を使用する場合には、酸化ジルコニウム薄膜が所定の厚さに形成されたときにZrの供給を停止し、希土類元素だけを引き続いて供給することにより、連続して両薄膜を形成することができる。また、バッファ層を傾斜組成構造とする場合には、Zrの供給量を徐々に減らし、最後にはゼロとして、希土類元素酸化物薄膜の形成に移行すればよい。
【0049】
上記した製造方法は、従来の真空蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレージョン法などとの比較において特に明確なように、不純物の介在の余地のない、しかも制御しやすい操作条件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。
【0050】
なお、この方法においてMBE装置を用いた場合でも、全く同様にして目的とする薄膜を得ることができる。
【0051】
金属薄膜の形成方法
金属薄膜は、蒸着により形成することが好ましい。蒸着時の基板温度は500〜750℃とすることが好ましい。基板温度が低すぎると結晶性の高い膜が得られにくく、基板温度が高すぎると膜の表面の凹凸が大きくなりやすい。なお、蒸着時に真空槽内に微量の酸素を流しながらRfプラズマを導入することにより、さらに結晶性を向上させることができる。具体的には、例えばPt薄膜において、(100)配向結晶中に(111)配向結晶が混入することを防ぐ効果がある。
【0052】
本発明では、金属薄膜表面の平坦度は一般に良好となるが、金属薄膜の厚さや形成方法によっては十分な平坦度が得られないこともある。そのような場合には、金属薄膜表面を研磨して平坦化することができる。研磨には、アルカリ溶液等を用いる化学的研磨、コロイダルシリカ等を用いる機械的研磨、化学的研磨と機械的研磨との併用などを用いればよい。
【0053】
積層薄膜表面を研磨すると、研磨歪が残留することがある。研磨歪を除去する必要がある場合、積層薄膜にアニールを施すことが好ましい。アニールは、好ましくは300〜850℃、より好ましくは400〜750℃で、好ましくは1秒間〜30分間、より好ましくは5〜15分間行う。
【0054】
【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。
【0055】
実施例1
Si(100)単結晶基板上に、ZrO2薄膜、Y23薄膜、Pt薄膜がこの順で積層された積層薄膜を、以下の手順で形成した。
【0056】
まず、表面が(100)面となるように切断して鏡面研磨したSi単結晶ウエハ(直径2インチ、厚さ250μmの円板状)を用意した。このウエハ表面を40%フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング洗浄した。
【0057】
次に、図8に示す蒸着装置1を用い、真空槽1a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3に上記単結晶基板2を固定し、真空槽を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8から10cc/分の割合で導入しつつ、600℃に加熱した。これにより基板表面が熱酸化され、基板表面に厚さ約1nmのSi酸化物膜が形成された。
【0058】
次いで、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10cc/分の割合で導入すると共に、金属Zrを蒸発源から蒸発させて前記基板表面に供給し、前工程で形成したSi酸化物の還元と薄膜形成とを行った。なお、金属Zrの供給量は、ZrO2の膜厚に換算して10nmとした。この薄膜は、X線回折においてZrO2の(002)ピークが明瞭に観察され、(001)単一配向で高結晶性のZrO2薄膜であることが確認された。また、このZrO2薄膜は、図2に示すように、RHEEDにおいて完全なストリークパターンを示し、表面が分子レベルで平坦であって、かつ高結晶性のエピタキシャル膜であることが確認された。
【0059】
次に、このZrO2薄膜を形成した単結晶基板を基板とし、基板温度900℃、基板回転数20rpm、酸素ガス導入量10cc/分の条件で、基板表面に金属Yを供給することにより、Y23薄膜を形成した。金属Yの供給量は、Y23に換算して40nmとした。このY23薄膜のRHEED像は、図3に示されるようにシャープなスポット状であった。このことから、このY23薄膜は、結晶性が良好なエピタキシャル膜であり、かつ、表面に凹凸が存在することがわかる。このY23薄膜の断面を、透過型電子顕微鏡により観察したところ、高さ10nmのファセット面が存在し、ファセット面の比率は95%以上であった。
【0060】
次に、Y23薄膜上に厚さ100nmのPt薄膜を形成した。基板温度は700℃、基板回転数は20rpmとした。このPt薄膜のRHEED像は、図4に示されるようにシャープなストリーク状であった。このことから、このPt薄膜は、結晶性が良好なエピタキシャル膜であり、かつ、表面が分子レベルで平坦であることがわかる。
【0061】
また、Pt薄膜表面について、JIS B 0610による十点平均粗さRz(基準長さ1000nm)を測定したところ、1.1〜1.8nmであり、平坦性に優れていることが直接確認できた。
【0062】
このようにして得られたPt/Y2O3/ZrO2/Si(100)積層構造体のX線回折チャートを、図5に示す。図5には各薄膜について(100)と等価な面のピークおよび(001)と等価な面のピークだけが認められ、これから、各薄膜が(100)単一配向または(001)単一配向であることがわかる。図5において、Pt(200)反射のロッキングカーブの半値幅は1.1°であり、配向性に優れていることが確認された。
【0063】
実施例2
ZrO2薄膜およびY23薄膜に替えて安定化ジルコニア薄膜を形成したほかは実施例1と同様にして、Pt/安定化ジルコニア/Si(100)積層構造体を作製した。安定化ジルコニア薄膜の組成は、Zr0.70.32-δとし、安定化ジルコニア薄膜を形成する際の基板温度、基板回転数および酸素導入量は、実施例1におけるZrO2薄膜形成の際と同じとした。
【0064】
この安定化ジルコニア薄膜のRHEED像は、図6に示されるようにシャープなスポット状であった。このことから、この安定化ジルコニア薄膜は、結晶性が良好なエピタキシャル膜であり、かつ、表面に凹凸が存在することがわかる。この安定化ジルコニア薄膜断面の透過型電子顕微鏡写真を、図7に示す。図7において、右側がSi単結晶基板側である。バッファ層の金属薄膜との界面は、基板表面に平行な面(図中において垂直な面)がほとんどなく、大部分がファセット面から構成されていることがわかる。この安定化ジルコニア薄膜のファセット面の比率は、90%以上であった。
【0065】
【発明の効果】
本発明では、Zr酸化物および希土類元素酸化物の少なくとも1種を含有するバッファ層を設け、このバッファ層の表面にファセット面を存在させる。このバッファ層表面に金属薄膜を直接形成したとき、金属薄膜は(100)単一配向で結晶性の良好な膜となり、しかも、金属薄膜の表面は分子レベルで平坦となる。また、ファセット面の存在によりバッファ層と金属薄膜との接触面積が増すので、金属薄膜の剥離を抑制できる。
【0066】
また、本発明では、前記特開平9−110592号公報と異なり、バッファ層と金属薄膜との間にBaTiO3等からなるペロブスカイト層を設ける必要がないため、製造工程が簡略化される。また、本発明におけるバッファ層は、ペロブスカイト層に比べ、より高い結晶性が安定して得られるため、バッファ層としての機能が高い。また、本発明におけるバッファ層は、BaTiO3層に比べピンホールが発生しにくい。
【0067】
本発明の積層薄膜を設けた基板上に、強誘電体、圧電体、超伝導体等からなる機能膜を積層することにより、不揮発性メモリ、赤外線センサ、光変調器、光スイッチ、OEIC、SAW素子、コンボルバ、コリメータ、メモリ素子、イメージスキャナ、薄膜バルク共振子、フィルタ、SQUID、ジョセフソン素子、超伝導トランジスタ、電磁波センサ、超伝導配線LSIなどが作製可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、バッファ層表面の{111}ファセット面の模式図であり、(b)は、その拡大図であり、(c)は、このファセット面上に金属薄膜を形成した状態を示す模式図である。
【図2】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板上に形成されたZrO2薄膜のRHEED像である。
【図3】結晶構造を示す図面代用写真であって、図2にRHEED像を示すZrO2薄膜上に形成されたY23薄膜のRHEED像である。
【図4】結晶構造を示す図面代用写真であって、図3にRHEED像を示すY23薄膜上に形成されたPt薄膜のRHEED像である。
【図5】 Pt/Y2O3/ZrO2/Si(100)積層構造体のX線回折チャートである。
【図6】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板上に形成された安定化ジルコニア薄膜のRHEED像である。
【図7】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板上に形成された安定化ジルコニア薄膜の断面の透過型電子顕微鏡写真である。
【図8】本発明の積層薄膜の形成に用いられる蒸着装置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 蒸着装置
1a 真空槽
2 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 ノズル
9 Zr蒸発部
10 希土類元素蒸発部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated thin film including a metal thin film.
[0002]
[Prior art]
An electronic device has been devised in which various functional films such as a superconducting film, a dielectric film, a ferroelectric film, and a piezoelectric film are formed and integrated on a Si substrate which is a semiconductor crystal substrate. For example, in the combination of a semiconductor and a superconductor, SQUID, Josephson element, superconducting transistor, electromagnetic wave sensor, superconducting wiring LSI, and the like can be cited. In the combination of a semiconductor and a dielectric, an LSI with a higher degree of integration, Dielectric isolation LSI based on SOI technology is listed. In combination with semiconductor and ferroelectric, non-volatile memory, infrared sensor, optical modulator, optical switch, OEIC (Opto-Electronic Integrated Circuit: OPTO-ELECTRONIC INTEGRATED CIRCUITS) etc. Is mentioned.
[0003]
In these electronic devices, in order to ensure optimum device characteristics and reproducibility, it is desirable that the functional film be an epitaxial film that is as close to a complete single crystal as possible. In polycrystalline materials, it is difficult to obtain good device characteristics due to disturbance of physical quantities due to grain boundaries.
[0004]
Incidentally, an electrode film is usually provided between the Si substrate and the functional film. In order to obtain a functional film with good crystallinity, it is necessary to form the electrode film as an epitaxial film close to a single crystal. In response to such a requirement, the present inventors disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-110592, (001) -oriented ZrO on a Si single crystal substrate.2A buffer layer including a thin film, a stabilized zirconia thin film, a rare earth element oxide thin film, and the like is provided, and BaTiO is formed on the buffer layer.ThreeIt has been proposed to form a (001) -oriented perovskite layer composed of, for example, and to form a metal thin film composed of Pt or the like on the perovskite layer as an electrode film. The perovskite layer is provided by ZrO2This is because when a Pt thin film is directly formed on a (001) thin film, Pt becomes (111) oriented or polycrystalline, and a Pt (100) single oriented film cannot be formed. This is ZrO2Due to the large lattice mismatch between the (001) plane and the Pt (100) plane, Pt has an energy stable (111) plane rather than growing epitaxially, that is, using the (100) plane as a growth plane. This is because it grows as a growth surface.
[0005]
However, it takes time to form the perovskite layer. In particular, it is difficult to form a perovskite layer that is homogeneous and has a composition as designed. Specifically, BaTiO is formed on the buffer layer containing Zr.ThreeWhen forming a thin film, BaZrOThreeSuch a (110) -oriented substance is easily formed. Japanese Patent Laid-Open No. 9-110592 uses a vapor deposition method in which a metal vapor is supplied to the surface of a substrate in an oxidizing gas as a method for forming a uniform thin film having a large area.ThreeWhen forming a thin film, it is necessary to accurately control the evaporation amounts of Ba and Ti so that Ba: Ti = 1: 1 when deposited as an oxide on the substrate surface.
[0006]
Therefore, if a (100) -oriented metal thin film having good crystallinity can be formed without providing a perovskite layer, it will be a great advance in terms of cost reduction, quality improvement, and yield improvement.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a laminated thin film including a single-oriented metal thin film having good crystallinity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Such an object is achieved by the present inventions (1) to (6) below.
(1) Cubic crystal (100) single-oriented epitaxial thin film and a {111} facet at the interface in contact with the thin metal filmAnd the ratio of facet surfaces at the interface is 80% or more.A laminated thin film having a buffer layer.
(2) The laminated thin film according to (1), wherein the buffer layer contains a rare earth element oxide, zirconium oxide, or zirconium oxide in which a part of Zr is substituted with a rare earth element or an alkaline earth element.
(3) The laminated thin film according to (2), wherein when the rare earth element and the alkaline earth element are represented by R, the atomic ratio R / (Zr + R) is 0.2 to 0.75 in the buffer layer.
(4) An underlayer is provided on the opposite side of the metal thin film with the buffer layer in between, and the underlayer contains zirconium oxide or zirconium oxide in which a part of Zr is substituted with a rare earth element or an alkaline earth element. When the rare earth element and the alkaline earth element are represented by R, the atomic ratio R / (Zr + R) in the underlayer is smaller than the atomic ratio R / (Zr + R) in the buffer layer. .
(5) The laminated thin film according to any one of (1) to (4), wherein the metal thin film contains at least one of Pt, Ir, Pd, and Rh.
(6) The laminated thin film according to any one of (1) to (5), wherein the surface is present on a substrate composed of Si (100) single crystal.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The laminated thin film of the present invention is formed on a substrate made of Si single crystal or the like, has a buffer layer on the substrate side, and has a metal thin film in contact with the buffer layer.
[0010]
Buffer layer
The buffer layer is provided between the metal thin film and the substrate. Note that the buffer layer also functions as an insulator.
[0011]
The buffer layer is characterized in that the interface with the metal thin film includes a {111} facet plane. FIG. 1A is a schematic diagram of the facet surface on the buffer layer surface. FIG. 1B shows the facet surface in an enlarged manner. Since the buffer layer is an epitaxial film having a cubic (100) orientation, a tetragonal (001) orientation, or a monoclinic (001) orientation, this facet plane is a {111} facet plane. The metal thin film is epitaxially grown as a {111} oriented film on the {111} facet surface of the buffer layer. As the metal thin film grows, the concave portion constituted by the facet surface is filled, and finally the surface of the metal thin film becomes flat as shown in FIG. 1C, and this surface is parallel to the substrate surface. Become. This surface is a cubic (100) plane, but may be a tetragonal (001) plane due to distortion of the crystal lattice.
[0012]
Conventionally, when a facet surface is present on the surface of the buffer layer and a metal thin film made of a cubic metal is formed on the facet surface, the metal thin film becomes an epitaxial film having a cubic (100) orientation. It has not been reported and is the first discovery in the present invention. As described above, ZrO has also been conventionally used.2Although it has been known to use a thin film or a rare earth element oxide thin film as a buffer layer, when a metal thin film is formed directly on a flat buffer layer, a good cubic (100) oriented epitaxial film has not been obtained.
[0013]
The size of the facet surface is not particularly limited, but if the height of the facet surface, that is, the size when projected onto a plane orthogonal to the plane of the buffer layer is too small, the effect of providing the facet surface on the buffer layer surface Therefore, the projected dimension is preferably 5 nm or more. On the other hand, when the projected dimension is large, the surface of the metal thin film cannot be flat unless the metal thin film is increased accordingly. However, if the metal thin film is thickened, cracks are likely to occur. Therefore, the projected dimension is preferably 30 nm or less. The projected dimension is determined from a transmission electron micrograph of the buffer layer cross section.
[0014]
The ratio of the facet surface at the interface is preferably 80% or more, more preferably 90% or more. If the ratio of the facet plane is too low, it is difficult to grow the metal thin film as a good quality epitaxial film. In addition, the ratio of the facet surface in this specification is an area ratio calculated | required as follows from the transmission electron micrograph of a buffer layer cross section. When the length of the measurement target region on the buffer layer surface (length in the in-plane direction) is B, and the total length of surfaces parallel to the in-plane (other than the facet plane) is H, the ratio is [1- ( H / B)2]× 100It is represented by The length B of the measurement target region is 1 μm or more.
[0015]
In order to form the {111} facet surface on the surface, the buffer layer is mainly composed of rare earth element oxide, zirconium oxide as a major component, or part of Zr is composed of rare earth element or alkaline earth element. It is preferable to use substituted zirconium oxide as a main component. In addition, the rare earth element in this specification shall contain Sc and Y. When such a buffer layer is cubic (100) or monoclinic (001) oriented, a facet plane can appear on the surface.
[0016]
When the rare earth element and the alkaline earth element are represented by R, the composition of the buffer layer is Zr1-xRxO2-It can be represented by δ. Zirconium oxide (ZrO) where x = 02) Causes a phase transition from high temperature to room temperature from cubic to tetragonal to monoclinic, but the addition of rare earth elements or alkaline earth elements stabilizes the cubic. ZrO2An oxide obtained by adding a rare earth element or an alkaline earth element to is generally called stabilized zirconia. In the present invention, ZrO2It is preferable to use a rare earth element as an element for stabilization.
[0017]
In the present invention, if the facet surface can be formed, Zr1-xRxO2-x in δ is not particularly limited. However, in Jpn.J.Appl.Phys.27 (8) L1404-L1405 (1988), in the rare earth element stabilized zirconia, x becomes less than 0.2 in the composition range and becomes a tetragonal or monoclinic crystal. In addition, J. Appl. Phys. 58 (6) 2407-2409 (1985) has an orientation plane other than the one to be obtained in the composition range of tetragonal or monoclinic crystals. It has been reported that a mono-oriented epitaxial film cannot be obtained due to contamination. However, as a result of repeated studies by the present inventors, it has been found that by using the vapor deposition method described later, epitaxial growth is possible even with a composition having x less than 0.2, and good crystallinity can be obtained. High purity ZrO2The film has a high insulation resistance and a small leak current, and thus is preferable when an insulation characteristic is required. However, x is preferably 0.2 or more in order to facilitate the formation of the facet surface.
[0018]
On the other hand, when the buffer layer is formed in contact with the Si single crystal substrate, in the composition range where x exceeds 0.75, although it is cubic, it is difficult to obtain (100) single orientation, and (111) oriented crystals. Or (111) single orientation. Therefore, when the buffer layer is directly formed on the Si single crystal substrate, Zr1-xRxO2-In δ, x ≦ 0.75 or less, particularly 0.50 or less is preferable.
[0019]
However, by forming a buffer layer on a Si single crystal substrate through an appropriate underlayer, the buffer layer can be in a cubic (100) single orientation even when x is large. As such an underlayer, a cubic (100) -oriented, tetragonal (001) -oriented or monoclinic (001) -oriented thin film made of zirconium oxide or stabilized zirconia is preferable. In the underlayer, x is set to a smaller value than the buffer layer.
[0020]
The rare earth elements contained in the stabilized zirconia thin film may be appropriately selected according to the lattice constant of the thin film in contact with the stabilized zirconia thin film or the substrate and the lattice constant of the stabilized zirconia thin film. If x is changed while fixing the type of rare earth element, the lattice constant of stabilized zirconia can be changed, but if only x is changed, the matching adjustable region is narrow. However, if the rare earth element is changed, the lattice constant can be changed relatively large, so that matching can be optimized easily. For example, if Pr is used instead of Y, the lattice constant can be increased.
[0021]
Zirconium oxide containing no oxygen defects is represented by the chemical formula ZrO.2In the stabilized zirconia, the amount of oxygen changes depending on the kind, amount and valence of the added stabilizing element, and Zr1-xRxO2-δ in δ is usually 0 to 1.0.
[0022]
The buffer layer may have a gradient composition structure in which the composition changes continuously or stepwise. In the case of a gradient composition structure, Zr1-xRxO2-It is preferable that x in δ increase from the back surface side to the front surface side (metal thin film side) of the buffer layer. When the above-described underlayer is provided, it can be said that the composition of the buffer layer changes stepwise if the underlayer is considered to be part of the buffer layer.
[0023]
The rare earth element used for the buffer layer may be selected from at least one of Sc, Y, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Since some oxides tend to be hexagonal rare earth a-type structures, it is preferable to select an element that stably forms a cubic oxide. Specifically, at least one of Sc, Y, Ce, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu is preferable. What is necessary is just to select suitably according to these conditions.
[0024]
An additive may be introduced into the buffer layer to improve the characteristics. For example, Al and Si have an effect of improving the resistivity of the film. Furthermore, transition metal elements such as Mn, Fe, Co, and Ni can form a level due to impurities (trap level) in the film, and the conductivity can be controlled by using this level. Become.
[0025]
ZrO used as an underlayer and buffer layer2In the thin film, the upper limit of the Zr ratio is currently about 99.99 mol%. In addition, with the current high-purity technology,2And HfO2Is difficult to separate from ZrO2The purity of generally indicates the purity at Zr + Hf. Therefore, ZrO in this specification2The purity of HfO is a value calculated by regarding Hf and Zr as the same element.2Is ZrO in the present invention.2ZrO in thin films2Because it works in exactly the same way, there is no problem. This also applies to the stabilized zirconia.
[0026]
The thickness of the buffer layer is not particularly limited, and may be set as appropriate so as to form a facet surface having an appropriate dimension, but is preferably 5 to 1000 nm, more preferably 25 to 100 nm. If the buffer layer is too thin, it is difficult to form a uniform facet surface, and if it is too thick, cracks may occur in the buffer layer. The thickness of the underlayer may be appropriately determined so that the underlayer becomes a homogeneous epitaxial film, the surface is flat, and no cracks are generated, but it is usually preferably 2 to 50 nm.
[0027]
Metal thin film
The reason for providing the metal thin film is as follows. When the laminated thin film of the present invention is used as a component of an electronic device, the metal thin film mainly functions as an electrode. If a piezoelectric thin film or the like is formed as a functional film on a metal thin film having good crystallinity and surface properties obtained by the present invention, various electronic devices such as a thin film bulk resonator having good characteristics can be realized. Further, in a light emitting element such as an LED or a laser diode, it is important to increase the brightness. However, if a function of reflecting emitted light is provided in the element, the increase in brightness may be easily achieved. For example, a thin film serving as a reflective layer can be placed at an appropriate position in the device to promote emission of light emitted to the outside of the device. The metal thin film in the present invention can also function as such a reflective layer. Moreover, since the metal thin film plays a role of absorbing stress in the thin film laminate, it also has an effect of preventing the occurrence of cracks in the thin film formed on the metal thin film.
[0028]
As described above, the metal thin film provided on the surface where the facet surface of the buffer layer exists grows while filling the concave portion constituted by the facet surface, and finally the metal thin film surface becomes flat and parallel to the substrate surface. It becomes. At this time, the metal thin film is usually a cubic epitaxial film in which the (100) plane is oriented parallel to the film surface, but the crystal is deformed by stress and becomes, for example, a tetragonal (001) oriented epitaxial film. Sometimes.
[0029]
The metal thin film is preferably composed mainly of at least one of Pt, Ir, Pd and Rh, and is preferably composed of a simple substance of these metals or an alloy containing these metals. Moreover, the metal thin film may be comprised from 2 or more types of thin films from which a composition differs.
[0030]
Although the thickness of a metal thin film changes with uses, Preferably it is 10-500 nm, More preferably, it is 50-150 nm, and it is preferable that it is thin to such an extent that crystallinity and surface property are not impaired. More specifically, in order to fill the unevenness formed by the facet surface of the buffer layer, the thickness is preferably 30 nm or more. If the thickness is 100 nm or more, sufficient surface flatness can be obtained. In order to sufficiently function as an electrode, the thickness is preferably 50 to 500 nm.
[0031]
The specific resistance of the metal thin film is preferably 10-7-10ThreeΩcm, more preferably 10-7-10-2Ωcm.
[0032]
Crystallinity and surface properties
The crystallinity of the buffer layer, the metal thin film, and the underlayer can be evaluated by the half-value width of the rocking curve of the reflection peak in XRD (X-ray diffraction) and the pattern of the RHEED image. The surface property can be evaluated with a pattern of RHEED image and a transmission electron microscope. Here, RHEED is reflection high energy electron diffraction (Reflction High Energy Electron Diffraction).
[0033]
Specifically, in X-ray diffraction, the full width at half maximum of the reflection rocking curve of (200) plane or (002) plane ((400) plane in the rare earth c-type buffer layer) is 1.50 ° or less. It is preferable to have a certain degree of crystallinity. The lower limit value of the half-value width of the rocking curve is not particularly limited and is preferably as small as possible. However, at present, the lower limit value is generally about 0.7 °, particularly about 0.4 °. In RHEED, when the image is spot-like, the surface has irregularities, and when it is streak-like, the surface is flat. In either case, if the RHEED image is sharp, the crystallinity is excellent.
[0034]
In the laminated thin film of the present invention, the buffer layer, the metal thin film, and the underlayer are epitaxial films. First, the epitaxial film in this specification needs to be a single alignment film. In this case, the single alignment film means that when measured by X-ray diffraction, the peak intensity of reflection from other than the target surface is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface. It is a film. For example, in the (k00) single alignment film, that is, the a-plane single alignment film, the intensity of the reflection peak other than the (k00) plane in the 2θ-θX-ray diffraction of the film is 10 which is the maximum peak intensity of the (k00) plane reflection. % Or less, preferably 5% or less. In this specification, (k00) is a display that collectively refers to equivalent surfaces such as (100) and (200). The second condition of the epitaxial film in this specification is that when the film plane is the xy plane and the film thickness direction is the z axis, the crystals are aligned in the x axis direction, the y axis direction, and the z axis direction. It is oriented. Such orientation can be confirmed by showing a spot-like or streak-like sharp pattern in RHEED evaluation. For example, when the crystal orientation is disturbed in a buffer layer having irregularities on the surface, the RHEED image does not have a sharp spot shape but tends to extend in a ring shape. If the above two conditions are satisfied, it can be said to be an epitaxial film.
[0035]
substrate
The substrate used in the present invention is Si, MgO, SrTiO.ThreeA substrate having a Si (100) single crystal surface is most preferable. When the Si single crystal substrate is used, it is preferable that the axes of the substrate and the laminated thin film are in parallel with each other.
[0036]
Production method
The formation method of the buffer layer, the metal thin film, and the underlayer is not particularly limited, and may be appropriately selected from methods capable of forming these as an epitaxial film on the substrate, particularly on the Si single crystal substrate. In particular, it is preferable to use a vapor deposition method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-110592 and Japanese Patent Application No. 9-106776 by the present applicant.
[0037]
Hereinafter, formation of a buffer layer made of stabilized zirconia will be described as a specific example of the manufacturing method.
[0038]
In carrying out this manufacturing method, it is desirable to use, for example, a vapor deposition apparatus 1 configured as shown in FIG.
[0039]
The vapor deposition apparatus 1 has a vacuum chamber 1a provided with a vacuum pump P, and a holder 3 for holding the substrate 2 is disposed in the lower portion of the vacuum chamber 1a. The holder 3 is connected to a motor 5 via a rotating shaft 4 and is rotated by the motor 5 so that the substrate 2 can be rotated in the plane. The holder 3 includes a heater 6 for heating the substrate 2.
[0040]
The vapor deposition apparatus 1 includes an oxidizing gas supply device 7, and the nozzle 8 of the oxidizing gas supply device 7 is disposed immediately below the holder 3. As a result, the partial pressure of the oxidizing gas is increased in the vicinity of the substrate 2. Below the holder 3, a Zr evaporation part 9 and a rare earth element evaporation part 10 are arranged. In each of these evaporation sections, in addition to the respective evaporation sources, energy supply devices (electron beam generator, resistance heating device, etc.) for supplying energy for evaporation are arranged.
[0041]
First, a substrate is set in the holder. In this manufacturing method, a homogeneous thin film is formed on a large area substrate, for example, 10 cm.2It can be formed on a substrate having the above area. Thereby, the electronic device having the laminated thin film of the present invention can be made extremely inexpensive as compared with the prior art. There is no particular upper limit for the area of the substrate, but currently it is 400 cm.2Degree. Current semiconductor processes mainly use 2 to 8 inch Si wafers, particularly 6 inch type wafers, but this method can cope with this. It is also possible to form a laminated thin film by selecting partly with a mask or the like instead of the entire wafer surface.
[0042]
When a Si single crystal substrate is used, it is preferable to subject the substrate to surface treatment before forming the buffer layer. For the surface treatment of the substrate, it is preferable to use, for example, a treatment method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-110592 or Japanese Patent Application No. 9-106776 by the present applicant.
[0043]
After such surface treatment, the Si crystal on the substrate surface is covered and protected by the Si oxide layer. The Si oxide layer is reduced and removed by a metal such as Zr supplied to the substrate surface when the buffer layer is formed.
[0044]
Next, the substrate is heated in a vacuum, and a buffer layer is formed by supplying Zr, a rare earth element, and an oxidizing gas to the substrate surface. The heating temperature may be appropriately set so that good crystallinity is obtained and a facet surface is formed. Specifically, the temperature is preferably 400 ° C. or higher for crystallization, and a film having excellent crystallinity can be obtained at 750 ° C. or higher. Further, the size of the facet surface can be controlled by the heating temperature. The upper limit of the heating temperature is usually about 1300 ° C., although it depends on the heat resistance of the substrate. Examples of the oxidizing gas used here include oxygen, ozone, atomic oxygen, and NO.2In the following description, oxygen is taken as an example.
[0045]
In forming the buffer layer, oxygen gas is continuously supplied into the vacuum deposition tank while the vacuum tank is continuously evacuated with a vacuum pump. The oxygen partial pressure in the vicinity of the substrate is 10-3-10-1It is preferably about Torr. The upper limit of oxygen partial pressure is 10-1The reason for the Torr is to keep the evaporation rate constant without deteriorating the metal in the evaporation source in the vacuum chamber. When oxygen gas is introduced into the vacuum evaporation tank, it is preferable to inject gas from the vicinity of the substrate surface to create an atmosphere with a high oxygen partial pressure only in the vicinity of the substrate, thereby reducing the amount of gas introduced on the substrate. The reaction can be further promoted. At this time, since the inside of the vacuum chamber is continuously evacuated, most of the vacuum chamber is 10%.-Four-10-6The pressure is low at Torr. The supply amount of oxygen gas is preferably 2 to 50 cc / min, more preferably 5 to 25 cc / min. By controlling the oxygen gas supply amount, the facet surface can be easily formed, and the size of the facet surface can be changed. Since the optimum supply amount of oxygen gas is determined by the volume of the vacuum chamber, the pumping speed of the pump, and other factors, an appropriate supply amount is obtained in advance.
[0046]
Each evaporation source is heated and evaporated by an electron beam or the like and supplied to the substrate. In order to form a uniform thin film having a facet surface, the film formation rate is preferably 0.05 to 1.00 nm / s, particularly preferably 0.10 to 0.500 nm / s. By controlling the film formation rate, the facet surface can be easily formed, and the size of the facet surface can be changed.
[0047]
Deposition area is 10cm2In the case of film formation on the surface of a substrate having a diameter of 2 inches, for example, when the film is formed on the surface of the substrate, the substrate is rotated as shown in FIG. The oxidation reaction can be promoted throughout. This makes it possible to form a large area and homogeneous film. At this time, the number of rotations of the substrate is preferably 10 rpm or more. When the rotational speed is low, a film thickness distribution is likely to occur within the substrate surface. Although there is no upper limit on the number of rotations of the substrate, it is usually about 120 rpm because of the mechanism of the vacuum apparatus.
[0048]
A thin film made of a rare earth element oxide or a thin film made of zirconium oxide may be formed according to the case of the stabilized zirconia thin film described above. Also, for example, when forming a rare earth element oxide thin film on a zirconium oxide thin film, if the same rare earth element is used in both thin films, when the zirconium oxide thin film is formed to a predetermined thickness, By stopping the supply and continuing to supply only the rare earth element, both thin films can be formed in succession. Further, when the buffer layer has a gradient composition structure, the supply amount of Zr is gradually reduced, and finally it is set to zero, so that the formation of the rare earth element oxide thin film may be performed.
[0049]
The above-described manufacturing method can be carried out under operating conditions that are easy to control without room for the presence of impurities, as is particularly clear in comparison with conventional vacuum deposition methods, sputtering methods, laser ablation methods, etc. It is suitable for obtaining an object having high reproducibility and high integrity in a large area.
[0050]
Even when the MBE apparatus is used in this method, the target thin film can be obtained in exactly the same manner.
[0051]
Method for forming metal thin film
The metal thin film is preferably formed by vapor deposition. The substrate temperature during vapor deposition is preferably 500 to 750 ° C. If the substrate temperature is too low, it is difficult to obtain a film with high crystallinity, and if the substrate temperature is too high, irregularities on the surface of the film tend to be large. In addition, crystallinity can be further improved by introducing Rf plasma while flowing a small amount of oxygen in the vacuum chamber during vapor deposition. Specifically, for example, in the Pt thin film, there is an effect of preventing the (111) oriented crystal from being mixed into the (100) oriented crystal.
[0052]
In the present invention, the flatness of the metal thin film surface is generally good, but sufficient flatness may not be obtained depending on the thickness of the metal thin film and the forming method. In such a case, the metal thin film surface can be polished and planarized. For polishing, chemical polishing using an alkaline solution or the like, mechanical polishing using colloidal silica, or the like, combined use of chemical polishing and mechanical polishing, or the like may be used.
[0053]
When the surface of the laminated thin film is polished, polishing strain may remain. When it is necessary to remove the polishing strain, it is preferable to anneal the laminated thin film. The annealing is preferably performed at 300 to 850 ° C., more preferably 400 to 750 ° C., preferably 1 second to 30 minutes, more preferably 5 to 15 minutes.
[0054]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the present invention will be shown to describe the present invention in more detail.
[0055]
Example 1
On a Si (100) single crystal substrate, ZrO2Thin film, Y2OThreeA laminated thin film in which a thin film and a Pt thin film were laminated in this order was formed by the following procedure.
[0056]
First, a Si single crystal wafer (disk shape having a diameter of 2 inches and a thickness of 250 μm) was prepared by cutting the surface so as to be a (100) plane and mirror polishing. The wafer surface was etched and cleaned with a 40% aqueous ammonium fluoride solution.
[0057]
Next, using the vapor deposition apparatus 1 shown in FIG. 8, the single crystal substrate 2 is fixed to the substrate holder 3 provided with the rotation and heating mechanism installed in the vacuum chamber 1a, and the vacuum chamber is set to 10%.-6After evacuating to Torr with an oil diffusion pump, in order to protect the substrate cleaning surface with Si oxide, the substrate was rotated at 20 rpm and oxygen was introduced into the vicinity of the substrate from the nozzle 8 at a rate of 10 cc / min. Heated to ° C. As a result, the substrate surface was thermally oxidized, and a Si oxide film having a thickness of about 1 nm was formed on the substrate surface.
[0058]
The substrate was then heated to 900 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm. At this time, oxygen gas is introduced from the nozzle at a rate of 10 cc / min, and metal Zr is evaporated from the evaporation source and supplied to the substrate surface to reduce the Si oxide formed in the previous step and to form a thin film. It was. The supply amount of metal Zr is ZrO.2In terms of the film thickness, the thickness was 10 nm. This thin film is found to be ZrO in X-ray diffraction.2(002) peak is clearly observed, and (001) single-oriented and highly crystalline ZrO2It was confirmed to be a thin film. This ZrO2As shown in FIG. 2, the thin film showed a complete streak pattern in RHEED, and it was confirmed that the surface was flat at the molecular level and was a highly crystalline epitaxial film.
[0059]
Next, this ZrO2A single crystal substrate on which a thin film is formed is used as a substrate, and metal Y is supplied to the substrate surface under the conditions of a substrate temperature of 900 ° C., a substrate rotation speed of 20 rpm, and an oxygen gas introduction rate of 10 cc / min.2OThreeA thin film was formed. The supply amount of metal Y is Y2OThreeConverted to 40 nm. This Y2OThreeThe RHEED image of the thin film was a sharp spot as shown in FIG. From this, this Y2OThreeIt can be seen that the thin film is an epitaxial film with good crystallinity and has irregularities on the surface. This Y2OThreeWhen the cross section of the thin film was observed with a transmission electron microscope, a facet surface having a height of 10 nm was present, and the ratio of the facet surface was 95% or more.
[0060]
Next, Y2OThreeA Pt thin film having a thickness of 100 nm was formed on the thin film. The substrate temperature was 700 ° C. and the substrate rotation speed was 20 rpm. The RHEED image of this Pt thin film had a sharp streak shape as shown in FIG. This indicates that this Pt thin film is an epitaxial film with good crystallinity and the surface is flat at the molecular level.
[0061]
Further, when the 10-point average roughness Rz (reference length 1000 nm) according to JIS B 0610 was measured on the surface of the Pt thin film, it was 1.1 to 1.8 nm, and it was confirmed directly that the flatness was excellent. .
[0062]
Pt / Y obtained in this way2OThree/ ZrO2An X-ray diffraction chart of the / Si (100) laminated structure is shown in FIG. In FIG. 5, only the peak of the plane equivalent to (100) and the peak of the plane equivalent to (001) are recognized for each thin film, and from this, each thin film has (100) single orientation or (001) single orientation. I know that there is. In FIG. 5, the full width at half maximum of the rocking curve of Pt (200) reflection was 1.1 °, and it was confirmed that the orientation was excellent.
[0063]
Example 2
ZrO2Thin film and Y2OThreeA Pt / stabilized zirconia / Si (100) laminated structure was produced in the same manner as in Example 1 except that a stabilized zirconia thin film was formed instead of the thin film. The composition of the stabilized zirconia thin film is Zr0.7Y0.3O2-The substrate temperature, the number of substrate rotations, and the amount of oxygen introduced when forming the stabilized zirconia thin film are ZrO in Example 1.2The same as in the case of thin film formation.
[0064]
The RHEED image of this stabilized zirconia thin film was a sharp spot as shown in FIG. From this, it can be seen that this stabilized zirconia thin film is an epitaxial film with good crystallinity and has irregularities on the surface. A transmission electron micrograph of the cross section of the stabilized zirconia thin film is shown in FIG. In FIG. 7, the right side is the Si single crystal substrate side. It can be seen that the interface between the buffer layer and the metal thin film has almost no plane parallel to the substrate surface (a plane perpendicular to the figure), and most of the interface consists of facet planes. The ratio of the facet surface of this stabilized zirconia thin film was 90% or more.
[0065]
【The invention's effect】
In the present invention, a buffer layer containing at least one of Zr oxide and rare earth element oxide is provided, and a facet surface is present on the surface of the buffer layer. When a metal thin film is formed directly on the surface of the buffer layer, the metal thin film becomes a film having a (100) single orientation and good crystallinity, and the surface of the metal thin film becomes flat at the molecular level. Further, since the contact area between the buffer layer and the metal thin film is increased due to the presence of the facet surface, peeling of the metal thin film can be suppressed.
[0066]
Further, in the present invention, unlike the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 9-110592, the BaTiO is interposed between the buffer layer and the metal thin film.ThreeSince it is not necessary to provide a perovskite layer made of, etc., the manufacturing process is simplified. In addition, since the buffer layer in the present invention can stably obtain higher crystallinity than the perovskite layer, the buffer layer has a high function as a buffer layer. In the present invention, the buffer layer is made of BaTiO.ThreePinholes are less likely to occur than layers.
[0067]
By laminating a functional film made of a ferroelectric, piezoelectric, superconductor, etc. on a substrate provided with the laminated thin film of the present invention, a nonvolatile memory, an infrared sensor, an optical modulator, an optical switch, an OEIC, a SAW Elements, convolvers, collimators, memory elements, image scanners, thin film bulk resonators, filters, SQUIDs, Josephson elements, superconducting transistors, electromagnetic wave sensors, superconducting wiring LSIs, and the like can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic view of a {111} facet surface on a buffer layer surface, FIG. 1B is an enlarged view thereof, and FIG. 1C is a diagram showing a metal thin film formed on the facet surface. It is a schematic diagram which shows a state.
FIG. 2 is a drawing-substituting photograph showing a crystal structure, which is ZrO formed on a Si single crystal substrate.2It is a RHEED image of a thin film.
FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing a crystal structure, and shows a ZrO image showing an RHEED image in FIG.2Y formed on thin film2OThreeIt is a RHEED image of a thin film.
4 is a drawing-substituting photograph showing a crystal structure, and FIG. 3 shows a RHEED image Y2OThreeIt is a RHEED image of the Pt thin film formed on the thin film.
[Figure 5] Pt / Y2OThree/ ZrO23 is an X-ray diffraction chart of a / Si (100) laminated structure.
FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a crystal structure, which is a RHEED image of a stabilized zirconia thin film formed on a Si single crystal substrate.
FIG. 7 is a drawing-substituting photograph showing a crystal structure, which is a transmission electron micrograph of a cross section of a stabilized zirconia thin film formed on a Si single crystal substrate.
FIG. 8 is an explanatory view showing an example of a vapor deposition apparatus used for forming the laminated thin film of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Vapor deposition equipment
1a Vacuum chamber
2 Substrate
3 Holder
4 Rotating shaft
5 Motor
6 Heater
7 Oxidizing gas supply device
8 nozzles
9 Zr evaporation section
10 Rare earth element evaporation section

Claims (6)

立方晶(100)単一配向のエピタキシャル膜である金属薄膜と、この金属薄膜と接する界面に{111}ファセット面が存在し、かつ前記界面におけるファセット面の比率が80%以上であるバッファ層とを有する積層薄膜。A metal thin film that is an epitaxial film of cubic (100) single orientation , and a buffer layer having a {111} facet surface at an interface in contact with the metal thin film , and a ratio of the facet surface at the interface is 80% or more ; A laminated thin film. 前記バッファ層が、希土類元素酸化物、酸化ジルコニウム、またはZrの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウムを含有する請求項1の積層薄膜。 The laminated thin film according to claim 1, wherein the buffer layer contains a rare earth element oxide, zirconium oxide, or zirconium oxide in which a part of Zr is substituted with a rare earth element or an alkaline earth element. 希土類元素およびアルカリ土類元素をRで表したとき、前記バッファ層において原子比R/(Zr+R)が0.2〜0.75である請求項2の積層薄膜。 The laminated thin film according to claim 2, wherein when the rare earth element and the alkaline earth element are represented by R, the buffer layer has an atomic ratio R / (Zr + R) of 0.2 to 0.75. 前記バッファ層を挟んで前記金属薄膜の反対側に下地層を有し、この下地層が、酸化ジルコニウム、またはZrの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウムを含有し、希土類元素およびアルカリ土類元素をRで表したとき、この下地層における原子比R/(Zr+R)が、前記バッファ層における原子比R/(Zr+R)よりも小さい請求項2の積層薄膜。 An underlayer on the opposite side of the metal thin film across the buffer layer, the underlayer containing zirconium oxide or zirconium oxide in which a part of Zr is substituted with a rare earth element or an alkaline earth element; The multilayer thin film according to claim 2, wherein when the element and the alkaline earth element are represented by R, the atomic ratio R / (Zr + R) in the underlayer is smaller than the atomic ratio R / (Zr + R) in the buffer layer. 前記金属薄膜がPt、Ir、PdおよびRhの少なくとも1種を含有する請求項1〜4のいずれかの積層薄膜。 The laminated thin film according to claim 1, wherein the metal thin film contains at least one of Pt, Ir, Pd, and Rh. 表面がSi(100)単結晶から構成される基板上に存在する請求項1〜5のいずれかの積層薄膜。 The laminated thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface is present on a substrate composed of Si (100) single crystal.
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