JP3991537B2 - Method for producing oxide thin film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物薄膜の成膜技術に関し、特に、メモリ素子、圧電体素子等に用いられる強誘電体薄膜の結晶を微結晶化する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
強誘電性を示す複合酸化物の結晶性材料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム 等には、自発分極、高誘電率、電気光学効果、圧電効果、及び焦電効果等の多くの機能をもつので、広範なデバイス開発に応用されている。例えば、その圧電性を利用して圧電体素子として、自発分極又は高誘電性を利用してFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)等のキャパシタに、焦電性を利用して赤外線リニアアレイセンサに、また、その電気光学効果を利用して導波路型光変調器にと、様々な方面で用いられている。このように多様な機能を有する強誘電体薄膜素子を機能素子ともいう。
【0003】
このような強誘電体薄膜素子等における薄膜は、例えば、ゾル・ゲル法、MOD法、スパッタ法、レーザアブレーション法、CVD法等により製造される。これらの成膜法の中でも、製造装置の簡易化の点から、ゾル・ゲル法及びMOD法が好適に用いられる。このゾル・ゲル法やMOD法を用いる場合には、例えば、下記(1)〜(4)の工程を経て製造される。即ち、(1)ジルコン酸チタン酸鉛等の出発原料を用いて液体(ゾル)状にした溶液をスピンコーティングによりウェハーに塗布する溶液塗布工程、(2)次いで大気中にて80〜180℃で乾燥させる乾燥工程、(3)その後、乾燥空気雰囲気で200〜400℃で一定時間の仮焼成を行う仮焼成工程を経る(但し、(2)の工程は省略可能である)。この仮焼成工程で得られる膜厚は、出発原料の濃度(粘度)と塗布条件で決まる。そして、所望の膜厚になるまで上記(1)〜(3)の工程を繰り返した後に、(4)550〜750℃で結晶化の熱処理を行う本焼成工程を経る。
【0004】
ところで、強誘電体薄膜をFeRAMに用いる場合、該FeRAMの高集積化のためには、強誘電体薄膜の結晶を微結晶(Fine Grain:結晶粒径は0.1μm未満)とすることが要求される。しかし、前記(1)〜(4)の工程を経て成膜された酸化物薄膜結晶は、その結晶粒が非常に粗大(Corse Grain:結晶粒径は0.1μm超)となる場合が多い。このように結晶粒が粗大となり、キャパシタのセル部分よりも大きくなる場合には、各セルごとに電気特性が異なり、特に各キャパシタのセルの分極量にバラツキが生じ、誤動作の原因となる。
【0005】
従来は、微結晶(Fine Grain)を得るためには、下部電極(或いは基板)の上部にチタン(Ti)やPbTiO等の物質を種層(Seed-layer)として極薄く堆積しなければならなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術のように、種層(Seed-layer)を下部電極上部に極薄く堆積した場合、該種層として適した膜厚は数nm程度と非常に薄いため、膜厚コントロールが極めて困難であるという問題があった。
【0007】
そこで、本発明は、上述したような強誘電体薄膜をはじめとする酸化物薄膜の製造方法において、容易に微結晶を得ることができる方法を提供することを課題とする。また、この製造方法を利用した簡便なメモリ素子の製造方法及び圧電体素子の製造方法を提供することを課題とする。さらに、これらの製造方法により製造される優れた酸化物薄膜、メモリ素子及び圧電体素子を提供することを課題とする。さらに、前記メモリ素子を用いた優れた情報処理装置及び前記圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の酸化物薄膜の製造方法では、酸化物を形成し得る金属元素を含む有機金属化合物の溶液を出発原料とし、該溶液を基板上に塗布して乾燥した後、仮焼成を行い、次いで本焼成を行うことにより酸化物薄膜を成膜するに際し、前記仮焼成を、前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で行う。
【0009】
また、本発明の酸化物薄膜は、前記の酸化物薄膜の製造方法により製造する。また、本発明のメモリ素子の製造方法では、前記の酸化物薄膜の製造方法を用いてメモリ素子を形成する。また、本発明のメモリ素子は、前記のメモリ素子の製造方法により製造する。また、本発明の情報処理装置は、前記メモリ素子を用いる。また、本発明の圧電体素子の製造方法は、前記の酸化物薄膜の製造方法を用いて圧電体素子を形成する。また、本発明の圧電体素子は、前記の圧電体素子の製造方法により製造する。また、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、前記圧電体素子を用いる。
【0010】
【発明の実施の形態】
(酸化物薄膜の製造方法)
以下、本発明の酸化物薄膜の製造方法について詳細に説明する。
【0011】
本発明の酸化物薄膜の製造方法は、酸化物を形成し得る金属元素を含む有機金属化合物の溶液を出発原料とし、該溶液を基板上に塗布して乾燥した後、仮焼成を行い、次いで本焼成を行うことにより酸化物薄膜を成膜するに際し、前記仮焼成を、前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で行う方法である。
【0012】
本製造方法は、前記酸化物薄膜の成膜法として、結晶化において規則性を有し、微結晶化に適している点から、ゾル・ゲル法又はMOD法に好適に適用される。
【0013】
ゾル・ゲル法とは、一般には、金属アルコキシド等の有機金属化合物を溶液系で加水分解、重縮合させて金属−酸素−金属結合を成長させ、最終的に焼結することにより完成させる無機酸化物の作製方法である。ゾル・ゲル法の特徴は低基板温度で均一な膜が得られることである。さらに溶液から成膜するため基板との密着性に優れている。一方、MOD法とは、加水分解させない以外は前記ゾル・ゲル法と同様のプロセスにより完成させる無機酸化物の作製方法である。MOD法の特徴は、ゾル・ゲル法で用いる溶液に比べてその溶液が化学的に極めて安定である点にある。
【0014】
前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲としては、特に制限されないが、例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等が挙げられ、これらの中でも、特に、窒素雰囲気が好適である。尚、一般にゾル・ゲル法又はMOD法においては、仮焼成は大気下乃至酸素雰囲気下で行われるが、本発明の製造方法においては、仮焼成を前記の不活性である雰囲気下で行うこととすることにより、微結晶化した酸化物薄膜を容易に製造可能としたものである。
【0015】
また、本製造方法に用いられる有機金属化合物としては、酸化物を形成し得る金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化合物等が挙げられる。また、該金属の硝酸塩、過塩素酸塩等の無機塩や、該金属のしゅう酸塩等の有機塩でも良い。従って、出発原料である有機金属化合物の溶液としては、具体的には、例えば、Pb(CHCOO)・3HO、Zr(t−OC、Ti(i−OCの混合溶液等が挙げられ、この混合溶液は、PZT膜の出発原料であり特に有用である。
【0016】
また、前記有機金属化合物及び該有機金属化合物の溶液は、上述した例に限定されず、種々のものを用いることができる。例えば、後述する酸化物薄膜の組成が得られるような出発原料を適宜選択することができる。
【0017】
前記有機金属化合物の溶液は、液体状又はゾル状であることが好ましい。
【0018】
また、ゾル・ゲル法により成膜を行う場合、これら有機金属化合物の溶液から酸化物を形成するには加水分解および重縮合反応を進める必要があるため、塗布溶液中には水の添加が必要となる。添加量は系により異なるが多すぎると反応が速く進むため得られる膜質が不均一となり易く、また反応速度の制御が難しい。水の添加量が少なすぎても反応のコントロールが難しく、適量がある。さらに、加水分解の加速触媒や金属原子に配位するキレート剤を添加して反応速度及び反応形態の制御ができる。加速触媒としては一般の酸および塩基が用いられる。触媒の種類により膜質が大きく影響される。また、キレート剤としては、アセチルアセトン、エチルアセトアセテート、ジエチルマロネート等があげられる。溶媒としては、上記材料が沈澱しないもの、すなわち相溶性に優れたものが望ましい。前記溶液を基板上に塗布するには、スピンコーティング法、LSMCD法(Liquid Source Misted Chemical Deposition法)等により行うが、特にスピンコーティング法により行うことが好ましい。
【0019】
溶液濃度は塗布方法にもよるが、スピンコーティング法の場合、溶液粘度が数cP〜数十cPとなるように調整すると良い。
【0020】
前記溶液を塗布した基板は、大気中にて、好ましくは80〜180℃、更に好ましくは100〜160℃で、例えば、ホットプレート等により乾燥する。
【0021】
乾燥した塗布基板は、前述の通り有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で仮焼成を行う。ここで、仮焼成は、例えば、電気炉中において、好ましくは200〜400℃、更に好ましくは250〜350℃で、好ましくは10〜60分間、更に好ましくは20〜40分間行う。
【0022】
そして、前記塗布、乾燥、仮焼成の工程を所望の膜厚にする。このときの膜厚は、0.1〜0.3μm、特に0.15〜0.25μmとすることが好ましい。
【0023】
その後、仮焼成した基板は、例えば、電気炉中において、好ましくは550〜750℃、更に好ましくは600〜700℃の熱処理により本焼成を行い、膜厚が0.1〜0.3μm程度の微結晶化した酸化物薄膜を得る。
【0024】
また、前記溶液を塗布するための基板としては、特に制限されず、シリコン基板、石英基板、ガラス基板、酸化物単結晶基板等が用いられる。
【0025】
本発明の製造方法により製造される酸化物薄膜の組成としては、例えば、(BaSr)TiO、SrTiO等の常誘電体またはPb(Zr、Ti)O、BaTiO、BiTi12、(Pb,La)(Zr,Ti)O等の強誘電体等が挙げられる。強誘電体薄膜として用いる場合には、その種類として、少なくともチタン、鉛を構成成分に有する誘電体が好ましく、例えば、チタン酸鉛(PbTiO)、ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O)、又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O)等が好適である。特に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が好適である。
【0026】
また、本発明の製造方法により製造される酸化物薄膜の組成としては、上述した例の組成に限定されない。本発明の製造方法によれば、有機金属化合物の出発原料を適宜選択することにより、種々の組成の酸化物薄膜を得ることができる。
【0027】
本発明の製造方法により製造される酸化物薄膜は、特に、強誘電体薄膜として用いることが好ましい。強誘電体薄膜は比誘電率が数百から数千と極めて大きく、キャパシタの絶縁膜に用いれば大規模集積回路に好適な小面積、大容量のキャパシタが得られる。強誘電体薄膜は自発分極を持ち、外部電場の作用により分極方向を反転させることができるため、この特性を用いて不揮発性メモリを製造することができる。かかる強誘電体薄膜をキャパシタ絶縁膜とするFeRAMは、不揮発性、高速動作、低消費電力、書き換え回数が多い等の従来の不揮発性メモリにはない特長を有する。
【0028】
本発明の製造方法により得られる酸化物薄膜は、優れた微結晶化膜であるので、前記のような強誘電体薄膜素子としてFeRAMメモリセルのキャパシタに利用することができる。具体的には、キャパシタの下地層として酸化ジルコニウムを成膜し、この膜上に下部電極、チタン薄膜、強誘電体薄膜及び上部電極を順次成膜する。
【0029】
(メモリ素子の製造方法)
次に、本発明のメモリ素子の製造方法について詳述する。
【0030】
本発明のメモリ素子の製造方法は、前述した酸化物薄膜の製造方法を用いてメモリ素子を形成する方法である。
【0031】
前記酸化物薄膜は、誘電体薄膜、特に強誘電体薄膜として形成するのが好ましい。この場合、前記メモリ素子は、誘電体メモリ素子、特に強誘電体メモリ素子となる。
【0032】
本発明のメモリ素子の製造方法を実施するための最良の形態として、リソグラフィー法および拡散法により形成した半導体薄膜上に、前述の酸化物薄膜の製造方法を用いて酸化物薄膜としての誘電体薄膜を形成することにより半導体素子としてMFSFET(Metal Ferro-electric Semiconductor Field Effect Transistor)を製造する方法が挙げ、この実施形態について図面を参照して説明する。
【0033】
図1に、本実施形態での製造方法によって製造されるMFSFETの断面図を示す。特に本実施形態ではn型のMFSFETについて例示してある。図1に示すように、本MFSFETは、基板100、電極薄膜101、絶縁膜102、誘電体薄膜103、電極薄膜104を備えている。基板100は、半導体素子を形成する土台を構成し、シリコンウェハを適当な厚みに加工して構成されている。例えばFETをp型で形成するならば、基板に予めシリコンにホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)等の元素をイオン注入あるいは熱拡散法等によりドーピングすることにより形成される。電極薄膜101は、FETのソースおよびドレインとなる電極周辺に不純物をドーピングすることにより形成されたものである。例えばFETをn型で形成するならば、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)等をイオン注入でドーピングすることにより形成される。絶縁膜102は、例えばシリコンの表面を酸化して20nm〜100nm程度のSiO膜に形成されている。SiOの他、Si等の窒化膜、Al等の金属酸化膜が適用可能である。当該絶縁膜102は半導体素子表面を絶縁および保護可能に構成されている。誘電体薄膜103は、前述の酸化物薄膜の製造方法によって製造されている。該誘電体薄膜103の組成としては前述した酸化物薄膜の組成としての常誘電体又は強誘電体が挙げられる。強誘電体を使用した場合には、このMFSFETは不揮発性メモリ用の素子となる。電極104はアルミニウム等の電極材料をスパッタ法で堆積し、異方性エッチングを行って形成される。ソース電極およびドレイン電極についてはレジストマスクと異方性エッチングにより電極パターンが形成される。ゲート電極や基板側電極もスパッタ法で電極材料を堆積して構成されている。電極材料には公知材料を種々に適用可能である。
【0034】
上記MFSFETの構成において、誘電体薄膜103は誘電体分子の分極方向によってドレイン電流を流すためのゲート電極に加える制御電圧が異なるというヒステリシス特性を有する。このヒステリシス特性を利用すれば誘電体分子の分極方向を反転させるに足りる制御電圧を加えることで情報の記憶をさせることができる。したがって上記MFSFETを備える半導体素子はメモリ素子として機能させることができる。
【0035】
なお上記のようにチャネル上に形成した絶縁膜102上に直接誘電体薄膜103を形成した構成の他に、電極薄膜で挟持されたチャネル層−絶縁膜−金属薄膜−誘電体薄膜−金属薄膜という順序で下層から順に積層した構成でも良好な特性を示す。
【0036】
本実施形態の製造方法を実施するには、前述の酸化物薄膜の製造方法により誘電体薄膜103の形成が実施可能な製造装置を用いることにより行うことができる。尚、この場合、該誘電体薄膜103以外の膜の形成が従来通りのリソグラフィー法やスパッタ法により実施可能なものであればよい。
【0037】
図2に基づいて本実施形態のMFSFETの製造方法を説明する。パターンの形成方法として、以下の説明では紫外線転写法やX線転写法について説明するが、パターンを直接描画する電子線転写法によってもよい。
【0038】
図2(a): まず単結晶製造装置等により製造されたシリコン単結晶基板100に対し、イオン打ち込み装置等の不純物導入装置でホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)等の元素を打ち込んでドーピングしておく。このようにして形成されたp型シリコン基板100の表面を、酸化炉等を用いて酸化し、SiOの酸化膜102を形成する。この酸化膜によりシリコンの結晶欠陥が誘起されるのを防止できる。次いで選択酸化のマスクとしてSi等を塗布装置等により塗布してマスク膜201を形成する。マスク材料の塗布方法としてはスピンコート法、ダイコート法、ロールコート等公知の方法を適用する。そして素子分離領域にマスク202を設ける。
【0039】
図2(b): 次いでマスク層201を紫外線転写装置やX線転写装置を用いて露光し、現像装置等を用いて現像して素子分離領域のマスク膜201を除去する。次いで素子分離のために気相成長装置等を使用して、1000℃程度の温度で素子分離領域の酸化膜102を500nm〜1000nmの厚さまで成長させる。その後マスク膜201を除去する。
【0040】
図2(c): 次いでゲート電極領域、つまりチャネル領域上にレジスト塗布装置等を用いてレジスト203を設ける。次いでイオン打ち込み装置等の不純物導入装置を用いて、ドーパントとしてP等を打ち込む。この処理により電極領域がn型化される(図2(d))。以上で本発明のインクジェット方式による誘電体薄膜を形成する下地となる面ができる。ここまでの工程を工場で生産しておき、以降の誘電体薄膜の形成を小規模の工場で形成してもよい。
【0041】
なお誘電体材料からは金属元素が酸化膜を通してシリコン側に移動することがあり、金属元素があまりに多く移動すると半導体が劣化する。これを防止するために酸化膜上にバッファ膜を予め設けてから誘電体薄膜を形成してもよい。バッファ層は例えばCaF、MgAl、CeOまたはSrTiO等の組成を有する。
【0042】
図2(e): 次いで前述の酸化物薄膜の製造方法を用いて誘電体薄膜103を形成する。即ち、酸化物を形成し得る金属元素を含む有機金属化合物の溶液を出発原料とし、該溶液を、シリコン基板100上に形成したSiOの酸化膜102上に塗布して乾燥した後、仮焼成を行い、次いで本焼成を行うことにより誘電体薄膜を成膜するに際し、前記仮焼成を、前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で行うことにより、優れた微結晶化膜である誘電体薄膜103を形成する。
【0043】
図2(f): 次いでソース領域とドレイン領域の酸化膜にコンタクトホールを設け、スパッタ装置等を用いてアルミニウム等の金属を堆積させる。電極形成には公知の技術を適用する。最後に電極形状となるようにエッチング装置等を用いて異方性エッチングし、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極104を設ける。さらに基板100の裏面にも接地電極を設ける。この後はボンディングおよび組立を行って当該MFSFETを利用したメモリ素子を完成させる。
【0044】
なお、下地となる面に表面処理を施すことにより、前記誘電体薄膜103と下地となる面との密着性が向上するため好ましい。この表面処理は、シランカップリング剤を塗布する方法等の公知の種々の方法を適用可能である。
【0045】
本発明のメモリ素子の製造方法は、前記実施形態によらず種々に変形して適用することが可能である。例えば前記実施形態では誘電体薄膜の形成を説明するためのMFSFETを例示してその製造方法を示したが、半導体プロセスにより従来製造されていたあらゆる半導体素子に本発明を適用可能である。例えば、蓄積容量型半導体素子、PN接合ダイオード、サイリスタ、ダブルベースダイオード、ガンダイオード、インパットダイオード、ショットキーダイオード、バイポーラトランジスタ、MOSFET、不揮発性MOSFETメモリ、接合型FET、ショットキーゲートFET、および静電誘導形トランジスタ(SIT)等の半導体素子並びにこれら半導体素子を集積して製造される半導体回路一般に適用可能である。また半導体障壁形光起電力素子(ホトダイオード、APDおよびホトトランジスタ等)、光導電素子等の光電変換素子、Siホトダイオードアレービジコンおよび固体撮像素子(CCD)等の撮像素子、LED、LD(Laser Diode)およびEL(Electro-luminescence)等の発光素子、並びに磁電素子、熱電・感温素子および応力変換素子等の変換素子その他の変換・機能素子にも適用可能である。
【0046】
本発明のメモリ素子の製造方法によれば、容易に微結晶化した酸化物薄膜としての誘電体薄膜を形成できるため、優れたメモリ素子、例えば、該誘電体薄膜を使用したMFSFET等を容易に製造することができる。また、かかるメモリ素子を用いることで、優れた情報処理装置を提供することができる。
【0047】
(圧電体素子の製造方法)
次に、本発明の圧電体素子の製造方法について詳述する。
【0048】
本発明の圧電体素子の製造方法は、前述した酸化物薄膜の製造方法を用いて圧電体素子を形成する方法である。本発明において、圧電体素子とは、結晶をひずますと帯電したり、電界中に置くとひずんだりする現象を利用して、圧力や振動のような機械量と電圧のような電気量の相互変換を行う要素のことをいい、アクチュエータ又は電気機械変換素子とも呼ばれる。
【0049】
前記圧電体素子は、インクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源として利用することが好ましい。このインクジェット式記録ヘッドは、一般に用いられているインクジェットプリンタに適用することができる。即ち、図3に示すような、主にインクジェット式記録ヘッド300、本体301、トレイ302、ヘッド駆動機構303を備えて構成されているインクジェットプリンタに適用することができる。ここで、インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図を図4に示す。ここではインクの共通通路が加圧室基板内に設けられるタイプを示す。同図に示すように、インクジェット式記録ヘッドは加圧室基板1、ノズルプレート2及び基体3から構成される。加圧室基板1はシリコン単結晶基板がエッチング加工された後、各々に分離される。加圧室基板1には複数の短冊状の加圧室10が設けられ、全ての加圧室(キャビティ)10にインクを供給するための共通通路12を備える。加圧室10の間は側壁11により隔てられている。加圧室基板1の基体3側にはインク吐出駆動源として圧電体素子が取り付けられている。この圧電体素子は、前述した酸化物薄膜の製造方法によって製造した酸化物薄膜が用いられた強誘電体薄膜素子である。また、各圧電体素子からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板4に収束され、プリントエンジン部によって制御される。ノズルプレート2は加圧室基板1に貼り合わされる。ノズルプレート2における加圧室10の対応する位置にはインク滴を吐出するための吐出口である。
【0050】
また、インクジェット式記録ヘッドの主要部の断面図を図5(F)に示す。加圧室基板1には加圧室10がエッチング加工により形成されている。加圧室10の上面には振動板膜5及び下地層6を介して圧電体素子13が形成されている。圧電体素子13の機械的変位は加圧室10内の内容積を変化させ、加圧室10に充填されているインクをノズル21から吐出する。下地層6は圧電体素子13を形成する際の下地の役割を担うものである。圧電体素子13は下部電極71、チタン層8、酸化物薄膜としての強誘電体薄膜9及び上部電極72を備えて構成されている。
【0051】
図5を参照しながら本発明の圧電体素子の製造方法の一実施形態について、インクジェット式記録ヘッドの主要部の製造方法と併せて説明する。まず、同図(A)に示すように、加圧室基板1に振動板膜5、下地層6を成膜した。加圧室基板1として、例えば、直径100mm、厚さ220μmのシリコン単結晶基板を用いた。振動板膜5は、1100℃の炉の中で、乾燥酸素を流して22時間程度熱酸化させ、約1μmの膜厚の熱酸化膜を形成した。この他に、CVD法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。また、振動板膜5として、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよい。次に、下地層6として酸化ジルコニウム(ZrO)を成膜するため、ジルコニウムをターゲットとし、酸素ガスの導入による反応性スパッタリング法等で膜厚400nm程度に成膜した。他の成膜法として、酸化ジルコニウムターゲットでRFスパッタリング法で成膜したり、DCスパッタリング法でジルコニウムをを成膜した後、熱酸化してもよい。
【0052】
次に、下地層6上に下部電極71を成膜した(同図(B))。下部電極71として、下地層6側から白金/イリジウムの積層構造を有するようにそれぞれ膜厚100nm程度に成膜した。この他に、下地層6側からイリジウム/白金、イリジウム/白金/イリジウムとなる積層構造に成膜してもよく、また、イリジウム単体をターゲットとしてスパッタ成膜してもよい。後述する強誘電体薄膜の熱処理工程においてイリジウムは酸化され、白金の柱状結晶の間には酸化イリジウム層が形成される。かかる酸化イリジウムは強誘電体薄膜の酸素の抜け出しを防ぎ、強誘電体薄膜の特性の劣化を防ぐことができる。
【0053】
続いて、下部電極71上にチタン層8を積層した(同図(C))。チタン層8の成膜は、DCマグネトロンスパッタ法を利用して、10nm〜20nmの範囲で成膜した。かかる範囲に設定する理由については後述する。チタン層8の成膜は、CVD法、蒸着法等の成膜法を利用することもできる。
【0054】
次に、チタン層8上に強誘電体薄膜9、上部電極72を成膜した(同図(D))。強誘電体薄膜9は、前述の酸化物薄膜の製造法により成膜した。即ち、酸化物を形成し得る金属元素を含む有機金属化合物の溶液を出発原料とし、該溶液を、チタン層8上に塗布して乾燥した後、仮焼成を行い、次いで本焼成を行うことにより強誘電体薄膜を成膜するに際し、前記仮焼成を、前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で行うことにより、優れた微結晶化膜である強誘電体薄膜9を形成する。
【0055】
次に、強誘電体薄膜9上に上部電極72として、白金を100nmの膜厚にDCスパッタ法で成膜した。
【0056】
次に、上部電極72上にレジストをスピンコートし、加圧室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極72、強誘電体薄膜9、チタン層8及び下部電極71をエッチングし、加圧室が形成されるべき位置に対応して圧電体素子13を分離した(同図(E))。続いて、加圧室が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いたドライエッチングにより、予め定められた深さまで加圧室基板1をエッチングし、加圧室10を形成した(同図(E))。エッチングされずに残った部分は側壁11となる。加圧室基板1のエッチングは、5重量%〜40重量%の水酸化カリウム水溶液等の高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチングでも可能である。
【0057】
最後に、同図(F)に示すように、樹脂等を用いてノズルプレート2を加圧室基板1に接合した。ノズル21はリソグラフィ法、レーザ加工、FIB加工、放電加工等を利用してノズルプレート2の所定位置に開口することで形成することができる。ノズルプレート2を加圧室基板1に接合する際には、各ノズル21が加圧室10の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。ノズルプレート2を接合した加圧室基板1を基体3に取り付ければ、インクジェット式記録ヘッドが完成する。
【0058】
本発明の圧電体素子の製造方法によれば、容易に微結晶化した酸化物薄膜としての誘電体薄膜を形成できるため、優れた圧電体素子、例えばインクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源としての圧電体素子を容易に製造することができる。また、かかる圧電体素子を用いることにより、優れたインクジェット式記録へッドを提供することができる。
【0059】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明の製造方法を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例により何等制限されるものではない。
【0060】
市販のPb(Zr,Ti)O−MOD塗布溶液〔PZT−20(Pb/Zr/Ti=110/35/65(モル比)の混合溶液)、高純度化学研究所(株)製〕を用いて、両面熱酸化処理(150℃で1分間行った後、更に室温で1分間行った。)を施した6インチのSi(100)ウエハ上にスパッタ法にて成膜したIr/Ti(150nm/50nm)下部電極上に、MOD法により以下の手順でPb(Zr,Ti)O薄膜を成膜した。
【0061】
▲1▼溶液塗布工程;Pb(Zr,Ti)O−MOD溶液1.5mlをスピンコーティング法により塗布した(120rpm…3秒、1000rpm…2秒、
3500rpm…30秒、エッジリンス;1500rpm…10秒)。
【0062】
▲2▼乾燥工程;120℃、5分間ホットプレート上で前記ウエハを乾燥した。
【0063】
▲3▼仮焼成工程;電気炉中で窒素雰囲気下、350℃、30分間仮焼成を行った。
前記▲1▼〜▲3▼の工程を所望の膜厚(0.2μm)になるように、2回繰り返した。
【0064】
▲4▼本焼成工程;電気炉中で酸素雰囲気下、700℃、30分間本焼成を行った。
【0065】
以上の工程を経て膜厚0.2μmの酸化物薄膜としてのPb(Zr,Ti)O薄膜を得た。
【0066】
得られた酸化物薄膜としてのPb(Zr,Ti)O薄膜について、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてその結晶状態を観察した。そのときのSEMイメージを図6に示す。
【0067】
なお、比較例として、前記▲3▼の仮焼成工程における雰囲気を、窒素雰囲気中ではなく、大気中(酸素雰囲気下)に変えた以外は実施例と同様にしてPb(Zr,Ti)O薄膜を成膜し、実施例と同様にSEMによりその結晶状態を観察した。そのときのSEMイメージを図7に示す。
【0068】
これらの対比から明らかなように、本発明の製造方法によれば、微結晶化した酸化物薄膜が容易に得られることが判る。
【0069】
また、この製造方法を利用してメモリ素子及び圧電体素子を作製したところ、何れも優れたメモリ素子及び圧電体素子を容易に得ることができた。さらに、このメモリ素子を用いて優れた情報処理装置を容易に得ることができた。また、前記圧電体素子を用いて優れたインクジェット式記録ヘッドを容易に得ることができた。
【0070】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に微結晶を得ることができる酸化物薄膜の製造方法を提供することができる。特に、特別な種層(Seed-layer)の形成工程を必要とせず、簡易な製法で酸化物薄膜の微結晶化を実現でき、優れた酸化物薄膜を得ることができる。これにより、従来種層の基板面内の膜厚ムラ等により生じていた酸化物薄膜結晶の基板面内における結晶性の差異を解消できる。また、前記酸化物薄膜の製造方法を利用することにより、簡易な製法で優れたメモリ素子及び圧電体素子の製造方法を提供することすることができる。さらに、前記メモリ素子を利用することで、優れた情報処理装置を提供することができ、前記圧電体素子を利用することで、優れたインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸化物薄膜の製造方法を用いたメモリ素子の製造方法の一実施形態により得られるメモリ素子の断面図である。
【図2】図1に示すメモリ素子の製造工程断面図である。
【図3】本発明の酸化物薄膜の製造方法を用いた圧電体素子の製造方法の一実施形態により得られる圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェットプリンタの構成図である。
【図4】図3に示すインクジェットプリンタが具備するインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図5】図4に示すインクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程断面図である。
【図6】本発明の酸化物薄膜の製造方法(実施例)により製造された酸化物薄膜の結晶状態を示すSEMイメージである。
【図7】従来の酸化物薄膜の製造方法(比較例)により製造された酸化物薄膜の結晶状態を示すSEMイメージである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for forming an oxide thin film, and more particularly to a technique for microcrystallizing a ferroelectric thin film crystal used for a memory element, a piezoelectric element and the like.
[0002]
[Prior art]
Compound oxide crystalline material exhibiting ferroelectricity, for example, lead zirconate titanate, barium titanate, lithium niobate Have many functions such as spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, pyroelectric effect, etc., and thus are applied to a wide range of device development. For example, as a piezoelectric element using the piezoelectricity, as a capacitor such as FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using spontaneous polarization or high dielectric property, as an infrared linear array sensor using pyroelectricity, It is used in various fields such as a waveguide type optical modulator utilizing the electro-optic effect. Such a ferroelectric thin film element having various functions is also referred to as a functional element.
[0003]
A thin film in such a ferroelectric thin film element or the like is manufactured by, for example, a sol-gel method, a MOD method, a sputtering method, a laser ablation method, a CVD method, or the like. Among these film forming methods, the sol-gel method and the MOD method are preferably used from the viewpoint of simplifying the manufacturing apparatus. When this sol-gel method or MOD method is used, it is manufactured through the following steps (1) to (4), for example. That is, (1) a solution coating step in which a solution made into a liquid (sol) form using a starting material such as lead zirconate titanate is applied to a wafer by spin coating; (2) then in the atmosphere at 80 to 180 ° C. (3) Thereafter, a preliminary firing step is performed in which a preliminary firing is performed at 200 to 400 ° C. in a dry air atmosphere for a predetermined time (however, the step (2) can be omitted). The film thickness obtained in this temporary baking step is determined by the concentration (viscosity) of the starting material and the coating conditions. And after repeating the process of said (1)-(3) until it becomes a desired film thickness, it passes through the main baking process which performs the heat processing of crystallization at 550-750 degreeC (4).
[0004]
By the way, when a ferroelectric thin film is used for FeRAM, in order to achieve high integration of the FeRAM, it is required that the crystal of the ferroelectric thin film be a fine crystal (Fine Grain: crystal grain size is less than 0.1 μm). Is done. However, the oxide thin film crystal formed through the steps (1) to (4) often has very coarse crystal grains (Corse Grain: crystal grain size exceeding 0.1 μm). Thus, when the crystal grains become coarse and become larger than the cell portion of the capacitor, the electrical characteristics differ from cell to cell, and in particular, the amount of polarization of the cell of each capacitor varies, causing malfunction.
[0005]
Conventionally, in order to obtain fine grains, titanium (Ti) or PbTiO is formed on the lower electrode (or substrate).3Etc. had to be deposited very thinly as a seed layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the seed layer is deposited very thinly on the upper part of the lower electrode as in the above prior art, the film thickness suitable for the seed layer is as thin as several nanometers. There was a problem that it was difficult.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of easily obtaining microcrystals in a method of manufacturing an oxide thin film including a ferroelectric thin film as described above. It is another object of the present invention to provide a simple memory element manufacturing method and piezoelectric element manufacturing method using this manufacturing method. Furthermore, it is an object to provide an excellent oxide thin film, a memory element and a piezoelectric element manufactured by these manufacturing methods. It is another object of the present invention to provide an excellent information processing apparatus using the memory element and an ink jet recording head using the piezoelectric element.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the method for producing an oxide thin film of the present invention, a solution of an organometallic compound containing a metal element capable of forming an oxide is used as a starting material, the solution is applied onto a substrate and dried, followed by calcination, When the oxide thin film is formed by performing the main baking, the temporary baking is performed in an atmosphere inert to the organometallic compound.
[0009]
Moreover, the oxide thin film of this invention is manufactured with the manufacturing method of the said oxide thin film. In the method for manufacturing a memory element of the present invention, the memory element is formed by using the method for manufacturing an oxide thin film. The memory element of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a memory element. The information processing apparatus according to the present invention uses the memory element. In the piezoelectric element manufacturing method of the present invention, the piezoelectric element is formed using the oxide thin film manufacturing method. The piezoelectric element of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a piezoelectric element. The ink jet recording head of the present invention uses the piezoelectric element.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Method for producing oxide thin film)
Hereinafter, the manufacturing method of the oxide thin film of this invention is demonstrated in detail.
[0011]
In the method for producing an oxide thin film of the present invention, a solution of an organometallic compound containing a metal element capable of forming an oxide is used as a starting material, the solution is applied onto a substrate and dried, followed by calcination, In forming an oxide thin film by performing main baking, the temporary baking is performed in an atmosphere inert to the organometallic compound.
[0012]
This production method is suitably applied to the sol-gel method or the MOD method as a method for forming the oxide thin film because it has regularity in crystallization and is suitable for microcrystallization.
[0013]
The sol-gel method is generally an inorganic oxidation that is completed by hydrolyzing and polycondensing organometallic compounds such as metal alkoxides in a solution system to grow metal-oxygen-metal bonds and finally sintering. This is a manufacturing method of an object. A feature of the sol-gel method is that a uniform film can be obtained at a low substrate temperature. Furthermore, since it forms into a film from a solution, it is excellent in adhesiveness with a board | substrate. On the other hand, the MOD method is a method for producing an inorganic oxide that is completed by a process similar to the sol-gel method except that hydrolysis is not performed. The MOD method is characterized in that the solution is chemically very stable compared to the solution used in the sol-gel method.
[0014]
The atmosphere inert to the organometallic compound is not particularly limited, and examples thereof include a nitrogen atmosphere and an argon atmosphere. Among these, a nitrogen atmosphere is particularly preferable. In general, in the sol-gel method or the MOD method, the pre-baking is performed in the atmosphere to an oxygen atmosphere. In the manufacturing method of the present invention, the pre-baking is performed in the inert atmosphere. By doing so, a microcrystallized oxide thin film can be easily manufactured.
[0015]
Moreover, as an organometallic compound used for this manufacturing method, alkoxide, acetate compounds, etc., such as metal methoxide, ethoxide, propoxide, and butoxide which can form an oxide are mentioned. Further, inorganic salts such as nitrates and perchlorates of the metals and organic salts such as oxalates of the metals may be used. Therefore, as a solution of the organometallic compound as a starting material, specifically, for example, Pb (CH3COO)2・ 3H2O, Zr (t-OC4H9)4, Ti (i-OC3H7)4The mixed solution is a starting material for the PZT film and is particularly useful.
[0016]
Further, the organometallic compound and the solution of the organometallic compound are not limited to the above-described examples, and various types can be used. For example, starting materials that can obtain the composition of the oxide thin film described later can be appropriately selected.
[0017]
The organometallic compound solution is preferably liquid or sol.
[0018]
In addition, when forming a film by the sol-gel method, it is necessary to proceed with hydrolysis and polycondensation reactions to form oxides from solutions of these organometallic compounds, so it is necessary to add water to the coating solution. It becomes. Although the amount added varies depending on the system, if the amount is too large, the reaction proceeds fast, so that the resulting film quality tends to be non-uniform and the reaction rate is difficult to control. Even if the amount of water added is too small, it is difficult to control the reaction and there is an appropriate amount. Furthermore, it is possible to control the reaction rate and reaction mode by adding a hydrolysis accelerating catalyst or a chelating agent coordinated to a metal atom. Common acids and bases are used as the acceleration catalyst. The film quality is greatly affected by the type of catalyst. Examples of the chelating agent include acetylacetone, ethyl acetoacetate, diethyl malonate and the like. As the solvent, a solvent in which the above materials are not precipitated, that is, a solvent having excellent compatibility is desirable. The solution is applied on the substrate by a spin coating method, an LSMCD method (Liquid Source Misted Chemical Deposition method), or the like, particularly preferably by a spin coating method.
[0019]
The solution concentration depends on the coating method, but in the case of the spin coating method, the solution viscosity may be adjusted so as to be several cP to several tens cP.
[0020]
The substrate coated with the solution is dried at 80 to 180 ° C., more preferably 100 to 160 ° C. in the air, for example, with a hot plate or the like.
[0021]
The dried coated substrate is temporarily fired in an atmosphere that is inert to the organometallic compound as described above. Here, pre-baking is performed, for example, in an electric furnace, preferably at 200 to 400 ° C., more preferably at 250 to 350 ° C., preferably for 10 to 60 minutes, and more preferably for 20 to 40 minutes.
[0022]
And the process of the said application | coating, drying, and temporary baking is made into a desired film thickness. The film thickness at this time is preferably 0.1 to 0.3 μm, particularly preferably 0.15 to 0.25 μm.
[0023]
Thereafter, the temporarily fired substrate is subjected to main firing by heat treatment in an electric furnace, preferably at 550 to 750 ° C., more preferably at 600 to 700 ° C., and the film thickness is about 0.1 to 0.3 μm. A crystallized oxide thin film is obtained.
[0024]
The substrate for applying the solution is not particularly limited, and a silicon substrate, a quartz substrate, a glass substrate, an oxide single crystal substrate, or the like is used.
[0025]
As the composition of the oxide thin film produced by the production method of the present invention, for example, (BaSr) TiO3, SrTiO3Paraelectric material such as Pb (Zr, Ti) O3, BaTiO3, Bi4Ti3O12, (Pb, La) (Zr, Ti) O3And the like. When used as a ferroelectric thin film, the type is preferably a dielectric having at least titanium and lead as constituents, for example, lead titanate (PbTiO 2).3), Lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O)3), Lead lanthanum titanate ((Pb, La), TiO)3), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O)3Or lead magnesium titanate zirconate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O)3And the like are preferred. In particular, lead zirconate titanate (PZT) is suitable.
[0026]
Moreover, as a composition of the oxide thin film manufactured by the manufacturing method of this invention, it is not limited to the composition of the example mentioned above. According to the production method of the present invention, oxide thin films having various compositions can be obtained by appropriately selecting starting materials for the organometallic compound.
[0027]
The oxide thin film produced by the production method of the present invention is particularly preferably used as a ferroelectric thin film. A ferroelectric thin film has an extremely large relative dielectric constant of several hundred to several thousand, and when used as an insulating film of a capacitor, a capacitor having a small area and a large capacity suitable for a large scale integrated circuit can be obtained. Since the ferroelectric thin film has spontaneous polarization and can reverse the polarization direction by the action of an external electric field, a nonvolatile memory can be manufactured using this characteristic. FeRAM using such a ferroelectric thin film as a capacitor insulating film has features that are not found in conventional nonvolatile memories, such as non-volatility, high-speed operation, low power consumption, and large number of rewrites.
[0028]
Since the oxide thin film obtained by the manufacturing method of the present invention is an excellent microcrystalline film, it can be used as a ferroelectric thin film element as described above for a capacitor of an FeRAM memory cell. Specifically, zirconium oxide is formed as an underlayer of the capacitor, and a lower electrode, a titanium thin film, a ferroelectric thin film, and an upper electrode are sequentially formed on this film.
[0029]
(Method for manufacturing memory element)
Next, a method for manufacturing the memory element of the present invention will be described in detail.
[0030]
The method for manufacturing a memory element of the present invention is a method for forming a memory element using the above-described method for manufacturing an oxide thin film.
[0031]
The oxide thin film is preferably formed as a dielectric thin film, particularly a ferroelectric thin film. In this case, the memory element is a dielectric memory element, particularly a ferroelectric memory element.
[0032]
As the best mode for carrying out the memory element manufacturing method of the present invention, a dielectric thin film as an oxide thin film is formed on a semiconductor thin film formed by a lithography method and a diffusion method using the above-described oxide thin film manufacturing method. A method of manufacturing an MFSFET (Metal Ferro-electric Semiconductor Field Effect Transistor) as a semiconductor element by forming is described, and this embodiment will be described with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an MFSFET manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment. In particular, in this embodiment, an n-type MFSFET is illustrated. As shown in FIG. 1, the present MFSFET includes a substrate 100, an electrode thin film 101, an insulating film 102, a dielectric thin film 103, and an electrode thin film 104. The substrate 100 forms a base on which a semiconductor element is formed, and is formed by processing a silicon wafer to an appropriate thickness. For example, if the FET is formed in a p-type, the substrate is formed by previously doping silicon with elements such as boron (B), aluminum (Al), and gallium (Ga) by ion implantation or thermal diffusion. The electrode thin film 101 is formed by doping impurities around the electrodes that serve as the source and drain of the FET. For example, if the FET is formed of n-type, it is formed by doping phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc. by ion implantation. The insulating film 102 is formed by, for example, oxidizing the surface of silicon to about 20 nm to 100 nm of SiO.2It is formed in a film. SiO2And Si3N4Nitride film such as Al2O3A metal oxide film such as can be applied. The insulating film 102 is configured to insulate and protect the surface of the semiconductor element. The dielectric thin film 103 is manufactured by the above-described oxide thin film manufacturing method. Examples of the composition of the dielectric thin film 103 include the paraelectric or ferroelectric as the composition of the oxide thin film described above. When a ferroelectric is used, this MFSFET becomes an element for a nonvolatile memory. The electrode 104 is formed by depositing an electrode material such as aluminum by sputtering and performing anisotropic etching. For the source electrode and the drain electrode, an electrode pattern is formed by a resist mask and anisotropic etching. The gate electrode and the substrate side electrode are also configured by depositing an electrode material by sputtering. Various known materials can be applied to the electrode material.
[0034]
In the MFSFET configuration, the dielectric thin film 103 has a hysteresis characteristic that the control voltage applied to the gate electrode for flowing the drain current differs depending on the polarization direction of the dielectric molecules. If this hysteresis characteristic is used, information can be stored by applying a control voltage sufficient to reverse the polarization direction of the dielectric molecules. Accordingly, the semiconductor element including the MFSFET can function as a memory element.
[0035]
In addition to the configuration in which the dielectric thin film 103 is formed directly on the insulating film 102 formed on the channel as described above, the channel layer-insulating film-metal thin film-dielectric thin film-metal thin film sandwiched between the electrode thin films. Even in a configuration in which layers are stacked in order from the lower layer, good characteristics are exhibited.
[0036]
The manufacturing method of this embodiment can be performed by using a manufacturing apparatus capable of forming the dielectric thin film 103 by the above-described oxide thin film manufacturing method. In this case, any film other than the dielectric thin film 103 may be formed by a conventional lithography method or sputtering method.
[0037]
A method for manufacturing the MFSFET of this embodiment will be described with reference to FIG. In the following description, an ultraviolet transfer method and an X-ray transfer method will be described as a pattern formation method, but an electron beam transfer method for directly drawing a pattern may be used.
[0038]
FIG. 2 (a): First, an element such as boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) or the like is applied to the silicon single crystal substrate 100 manufactured by a single crystal manufacturing apparatus or the like using an impurity introduction apparatus such as an ion implantation apparatus. And doping. The surface of the p-type silicon substrate 100 thus formed is oxidized using an oxidation furnace or the like, and SiO 22The oxide film 102 is formed. This oxide film can prevent silicon crystal defects from being induced. Next, Si as a selective oxidation mask3N4Etc. are applied by a coating apparatus or the like to form the mask film 201. As a method for applying the mask material, a known method such as spin coating, die coating, or roll coating is applied. Then, a mask 202 is provided in the element isolation region.
[0039]
FIG. 2B: Next, the mask layer 201 is exposed using an ultraviolet transfer device or an X-ray transfer device, and developed using a developing device or the like to remove the mask film 201 in the element isolation region. Next, an oxide film 102 in the element isolation region is grown to a thickness of 500 nm to 1000 nm at a temperature of about 1000 ° C. using a vapor phase growth apparatus or the like for element isolation. Thereafter, the mask film 201 is removed.
[0040]
FIG. 2C: Next, a resist 203 is provided on the gate electrode region, that is, the channel region using a resist coating apparatus or the like. Next, using an impurity introduction apparatus such as an ion implantation apparatus, P as a dopant is used.+Etc. By this treatment, the electrode region is made n-type (FIG. 2D). Thus, a surface to be a base for forming the dielectric thin film by the ink jet method of the present invention is formed. The processes so far may be produced in a factory, and the subsequent formation of the dielectric thin film may be formed in a small factory.
[0041]
Note that the metal element may move from the dielectric material to the silicon side through the oxide film, and if the metal element moves too much, the semiconductor deteriorates. In order to prevent this, a dielectric thin film may be formed after providing a buffer film on the oxide film in advance. The buffer layer is, for example, CaF2, MgAl2O4, CeO2Or SrTiO3Etc.
[0042]
FIG. 2E: Next, the dielectric thin film 103 is formed using the above-described oxide thin film manufacturing method. That is, a solution of an organometallic compound containing a metal element capable of forming an oxide is used as a starting material, and the solution is formed on a SiO substrate 100 formed on a silicon substrate 100.2When the dielectric thin film is formed by applying and baking on the oxide film 102 and drying, followed by temporary baking and then performing main baking, the temporary baking is inactive with respect to the organometallic compound. By performing in an atmosphere, the dielectric thin film 103 which is an excellent microcrystallized film is formed.
[0043]
FIG. 2F: Next, contact holes are provided in the oxide films in the source region and the drain region, and a metal such as aluminum is deposited using a sputtering apparatus or the like. A known technique is applied to the electrode formation. Finally, anisotropic etching is performed using an etching apparatus or the like so as to obtain an electrode shape, and a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode 104 are provided. Further, a ground electrode is provided on the back surface of the substrate 100. Thereafter, bonding and assembly are performed to complete a memory element using the MFSFET.
[0044]
In addition, it is preferable to perform a surface treatment on the surface to be the base because adhesion between the dielectric thin film 103 and the surface to be the base is improved. For this surface treatment, various known methods such as a method of applying a silane coupling agent can be applied.
[0045]
The method for manufacturing a memory element of the present invention can be applied with various modifications regardless of the embodiment. For example, in the above-described embodiment, the MFSFET for explaining the formation of the dielectric thin film has been exemplified and the manufacturing method thereof has been shown. However, the present invention can be applied to any semiconductor element conventionally manufactured by a semiconductor process. For example, storage capacitor type semiconductor devices, PN junction diodes, thyristors, double base diodes, Gunn diodes, inpatient diodes, Schottky diodes, bipolar transistors, MOSFETs, nonvolatile MOSFET memories, junction type FETs, Schottky gate FETs, and statics The present invention is applicable to semiconductor elements such as electrically inductive transistors (SIT) and semiconductor circuits manufactured by integrating these semiconductor elements. Semiconductor barrier photovoltaic devices (photodiodes, APDs, phototransistors, etc.), photoelectric conversion devices such as photoconductive devices, imaging devices such as Si photodiode array and solid-state imaging devices (CCD), LEDs, LDs (Laser Diodes) It can also be applied to light emitting elements such as EL (Electro-luminescence), conversion elements such as magnetoelectric elements, thermoelectric / temperature sensitive elements, and stress conversion elements, and other conversion / functional elements.
[0046]
According to the method for manufacturing a memory element of the present invention, a dielectric thin film as an oxide thin film that is easily microcrystallized can be formed. Therefore, an excellent memory element, for example, an MFSFET using the dielectric thin film can be easily obtained. Can be manufactured. In addition, an excellent information processing apparatus can be provided by using such a memory element.
[0047]
(Method for manufacturing piezoelectric element)
Next, the manufacturing method of the piezoelectric element of the present invention will be described in detail.
[0048]
The method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention is a method for forming a piezoelectric element by using the above-described method for manufacturing an oxide thin film. In the present invention, a piezoelectric element means a phenomenon in which a mechanical quantity such as pressure or vibration and an electrical quantity such as voltage are utilized by utilizing a phenomenon that a crystal is charged when it is distorted or is placed in an electric field. It refers to an element that performs mutual conversion, and is also called an actuator or an electromechanical conversion element.
[0049]
The piezoelectric element is preferably used as an ink discharge drive source for an ink jet recording head. This ink jet recording head can be applied to a commonly used ink jet printer. That is, the present invention can be applied to an ink jet printer mainly including an ink jet recording head 300, a main body 301, a tray 302, and a head driving mechanism 303 as shown in FIG. An exploded perspective view of the ink jet recording head is shown in FIG. Here, a type in which a common ink passage is provided in the pressure chamber substrate is shown. As shown in the figure, the ink jet recording head includes a pressurizing chamber substrate 1, a nozzle plate 2, and a base 3. The pressurizing chamber substrate 1 is separated into each after the silicon single crystal substrate is etched. The pressurizing chamber substrate 1 is provided with a plurality of strip-shaped pressurizing chambers 10 and includes a common passage 12 for supplying ink to all the pressurizing chambers (cavities) 10. The pressurizing chambers 10 are separated by side walls 11. A piezoelectric element is attached to the base 3 side of the pressurizing chamber substrate 1 as an ink discharge drive source. This piezoelectric element is a ferroelectric thin film element using an oxide thin film manufactured by the above-described oxide thin film manufacturing method. Further, the wiring from each piezoelectric element is converged on the wiring board 4 which is a flexible cable, and is controlled by the print engine unit. The nozzle plate 2 is bonded to the pressurizing chamber substrate 1. A discharge port for discharging ink droplets is provided at a corresponding position of the pressurizing chamber 10 in the nozzle plate 2.
[0050]
A cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head is shown in FIG. A pressurizing chamber 10 is formed on the pressurizing chamber substrate 1 by etching. A piezoelectric element 13 is formed on the upper surface of the pressurizing chamber 10 via the diaphragm film 5 and the base layer 6. The mechanical displacement of the piezoelectric element 13 changes the internal volume in the pressurizing chamber 10 and ejects ink filled in the pressurizing chamber 10 from the nozzle 21. The underlayer 6 plays a role of a base when the piezoelectric element 13 is formed. The piezoelectric element 13 includes a lower electrode 71, a titanium layer 8, a ferroelectric thin film 9 as an oxide thin film, and an upper electrode 72.
[0051]
An embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention will be described with reference to FIG. 5 together with a method for manufacturing a main part of an ink jet recording head. First, as shown in FIG. 2A, the diaphragm film 5 and the base layer 6 were formed on the pressure chamber substrate 1. As the pressurizing chamber substrate 1, for example, a silicon single crystal substrate having a diameter of 100 mm and a thickness of 220 μm was used. The diaphragm film 5 was thermally oxidized for about 22 hours by flowing dry oxygen in a furnace at 1100 ° C. to form a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm. In addition, a film forming method such as a CVD method may be selected as appropriate. The diaphragm film 5 is not limited to a silicon dioxide film, and may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film. Next, zirconium oxide (ZrO) is used as the underlayer 6.2) Was formed to a thickness of about 400 nm by a reactive sputtering method using oxygen gas as a target. As other film forming methods, a film may be formed by RF sputtering with a zirconium oxide target, or zirconium may be formed by DC sputtering and then thermally oxidized.
[0052]
Next, a lower electrode 71 was formed on the underlayer 6 ((B) in the same figure). The lower electrode 71 was formed to a thickness of about 100 nm so as to have a platinum / iridium laminated structure from the base layer 6 side. In addition, the film may be formed in a laminated structure of iridium / platinum and iridium / platinum / iridium from the base layer 6 side, or may be formed by sputtering using iridium alone as a target. In a heat treatment process for the ferroelectric thin film, which will be described later, iridium is oxidized, and an iridium oxide layer is formed between the columnar crystals of platinum. Such iridium oxide can prevent the escape of oxygen from the ferroelectric thin film and can prevent the deterioration of the characteristics of the ferroelectric thin film.
[0053]
Subsequently, a titanium layer 8 was laminated on the lower electrode 71 (FIG. 3C). The titanium layer 8 was formed in a range of 10 nm to 20 nm using a DC magnetron sputtering method. The reason for setting this range will be described later. The titanium layer 8 can be formed by a film forming method such as a CVD method or a vapor deposition method.
[0054]
Next, a ferroelectric thin film 9 and an upper electrode 72 were formed on the titanium layer 8 ((D) in the figure). The ferroelectric thin film 9 was formed by the above-described oxide thin film manufacturing method. That is, by using a solution of an organometallic compound containing a metal element capable of forming an oxide as a starting material, applying and drying the solution on the titanium layer 8, pre-baking, and then performing main baking When forming the ferroelectric thin film, the provisional firing is performed in an atmosphere inert to the organometallic compound, thereby forming the ferroelectric thin film 9 which is an excellent microcrystalline film.
[0055]
Next, platinum was deposited as a top electrode 72 on the ferroelectric thin film 9 to a thickness of 100 nm by DC sputtering.
[0056]
Next, a resist is spin-coated on the upper electrode 72, and patterning is performed by exposure and development in accordance with the position where the pressurizing chamber is to be formed. Using the remaining resist as a mask, the upper electrode 72, the ferroelectric thin film 9, the titanium layer 8 and the lower electrode 71 are etched to separate the piezoelectric element 13 in accordance with the position where the pressurizing chamber is to be formed (see FIG. (E)). Subsequently, an etching mask is applied in accordance with the position where the pressurizing chamber is to be formed, and the pressurizing chamber substrate 1 is moved to a predetermined depth by dry etching using an active gas such as parallel plate type reactive ion etching. Etching was performed to form the pressurizing chamber 10 ((E) in the figure). The portion that remains without being etched becomes the side wall 11. The pressurization chamber substrate 1 can be etched by wet etching with a high concentration alkaline aqueous solution such as a 5% to 40% by weight potassium hydroxide aqueous solution.
[0057]
Finally, as shown in FIG. 5F, the nozzle plate 2 was joined to the pressurizing chamber substrate 1 using a resin or the like. The nozzle 21 can be formed by opening at a predetermined position of the nozzle plate 2 using a lithography method, laser processing, FIB processing, electric discharge processing, or the like. When the nozzle plate 2 is bonded to the pressurizing chamber substrate 1, the nozzles 21 are aligned so as to be arranged corresponding to the respective spaces of the pressurizing chamber 10. When the pressurizing chamber substrate 1 to which the nozzle plate 2 is bonded is attached to the base 3, an ink jet recording head is completed.
[0058]
According to the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, a dielectric thin film as an oxide thin film that is easily microcrystallized can be formed. Therefore, an excellent piezoelectric element, for example, as an ink discharge drive source for an ink jet recording head A piezoelectric element can be easily manufactured. Further, by using such a piezoelectric element, an excellent ink jet recording head can be provided.
[0059]
【Example】
Hereinafter, the production method of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0060]
Commercially available Pb (Zr, Ti) O3Using a MOD coating solution [PZT-20 (mixed solution of Pb / Zr / Ti = 110/35/65 (molar ratio)), manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.], double-sided thermal oxidation treatment (150 ° C. 1 minute and then at room temperature for 1 minute.) On the Ir / Ti (150 nm / 50 nm) lower electrode formed by sputtering on a 6-inch Si (100) wafer subjected to MOD. Pb (Zr, Ti) O3A thin film was formed.
[0061]
(1) Solution coating process: Pb (Zr, Ti) O3-1.5 ml of MOD solution was applied by spin coating method (120 rpm ... 3 seconds, 1000 rpm ... 2 seconds,
3500 rpm ... 30 seconds, edge rinse; 1500 rpm ... 10 seconds).
[0062]
(2) Drying step: The wafer was dried on a hot plate at 120 ° C. for 5 minutes.
[0063]
{Circle around (3)} Pre-firing step: Pre-firing was carried out in an electric furnace in a nitrogen atmosphere at 350 ° C. for 30 minutes.
The steps (1) to (3) were repeated twice so as to obtain a desired film thickness (0.2 μm).
[0064]
(4) Main firing step: The main firing was performed in an electric furnace in an oxygen atmosphere at 700 ° C. for 30 minutes.
[0065]
Pb (Zr, Ti) O as an oxide thin film having a thickness of 0.2 μm through the above steps.3A thin film was obtained.
[0066]
Pb (Zr, Ti) O as the obtained oxide thin film3About the thin film, the crystal state was observed using the scanning electron microscope (SEM). The SEM image at that time is shown in FIG.
[0067]
As a comparative example, Pb (Zr, Ti) O 2 was used in the same manner as in the example except that the atmosphere in the preliminary firing step of (3) was changed to the atmosphere (under an oxygen atmosphere) instead of the nitrogen atmosphere.3A thin film was formed, and its crystal state was observed by SEM as in the example. The SEM image at that time is shown in FIG.
[0068]
As is clear from these comparisons, it can be seen that according to the production method of the present invention, a microcrystalline oxide thin film can be easily obtained.
[0069]
Further, when a memory element and a piezoelectric element were produced using this manufacturing method, excellent memory elements and piezoelectric elements were easily obtained. Furthermore, an excellent information processing apparatus could be easily obtained using this memory element. Also, an excellent ink jet recording head could be easily obtained using the piezoelectric element.
[0070]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the oxide thin film which can obtain a microcrystal easily can be provided. In particular, an oxide thin film can be microcrystallized by a simple manufacturing method without requiring a special seed layer formation process, and an excellent oxide thin film can be obtained. Thereby, the difference in crystallinity in the substrate surface of the oxide thin film crystal which has been caused by the film thickness unevenness in the substrate surface of the conventional seed layer can be eliminated. Further, by using the method for producing the oxide thin film, it is possible to provide an excellent method for producing a memory element and a piezoelectric element by a simple production method. Furthermore, an excellent information processing apparatus can be provided by using the memory element, and an excellent ink jet recording head can be provided by using the piezoelectric element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a memory element obtained by an embodiment of a method for manufacturing a memory element using the method for manufacturing an oxide thin film of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process cross-sectional view of the memory element shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a configuration diagram of an ink jet printer including an ink jet recording head having a piezoelectric element obtained by an embodiment of a piezoelectric element manufacturing method using the oxide thin film manufacturing method of the present invention.
4 is an exploded perspective view of an ink jet recording head included in the ink jet printer shown in FIG. 3;
5 is a manufacturing process cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head shown in FIG. 4;
FIG. 6 is an SEM image showing a crystal state of an oxide thin film manufactured by the oxide thin film manufacturing method (Example) of the present invention.
FIG. 7 is an SEM image showing a crystal state of an oxide thin film manufactured by a conventional oxide thin film manufacturing method (comparative example).

Claims (5)

酸化物を形成し得る金属元素を含む有機金属化合物の溶液を出発原料とし、該溶液を基板上に塗布して乾燥した後、仮焼成を行い、次いで本焼成を行うことにより酸化物薄膜を成膜するに際し、
前記仮焼成を、前記有機金属化合物に対して不活性である雰囲気下で、200〜400℃で行い、
前記本焼成を、550〜750℃の熱処理により行い、
前記有機金属化合物の溶液が、Pb(CH 3 COO) 2 ・3H 2 O、Zr(t−OC 4 9 4 及びTi(i−OC 3 7 4 の混合溶液であることを特徴とする酸化物薄膜の製造方法。
A solution of an organometallic compound containing a metal element capable of forming an oxide is used as a starting material. The solution is applied onto a substrate and dried, then pre-baked and then fired to form an oxide thin film. When filming,
The pre-baking is performed at 200 to 400 ° C. in an atmosphere inert to the organometallic compound ,
The main baking is performed by heat treatment at 550 to 750 ° C.
The solution of the organometallic compound, and characterized in that a mixed solution of Pb (CH 3 COO) 2 · 3H 2 O, Zr (t-OC 4 H 9) 4 and Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 A method for manufacturing an oxide thin film.
前記酸化物薄膜が、ゾル・ゲル法又はMOD法(Metal Organic Decomposition Process)により成膜される請求項1記載の酸化物薄膜の製造方法。  The method for producing an oxide thin film according to claim 1, wherein the oxide thin film is formed by a sol-gel method or a MOD method (Metal Organic Decomposition Process). 前記不活性である雰囲気が、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気である請求項1又は2記載の酸化物薄膜の製造方法。  The method for producing an oxide thin film according to claim 1 or 2, wherein the inert atmosphere is a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. 前記酸化物薄膜が、誘電体薄膜である請求項1〜の何れかに記載の酸化物薄膜の製造方法。The method for producing an oxide thin film according to any one of claims 1 to 3 , wherein the oxide thin film is a dielectric thin film. 前記誘電体薄膜が、強誘電体薄膜である請求項に記載の酸化物薄膜の製造方法。The method for producing an oxide thin film according to claim 4 , wherein the dielectric thin film is a ferroelectric thin film.
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