JP4172040B2 - 固相フラックスエピタキシー成長法 - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した薄膜を成長できる固相フラックスエピタキシー成長法に関する。
近年、Ｂｉ（ビスマス）を構成元素に含む多元系酸化物単結晶薄膜が、次世代の不揮発性強誘電体メモリー材料として注目を集めている。Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物は一般に大きな自発誘電分極を有し、また、分極方向を繰り返し反転しても、その誘電特性の劣化が極めて少ないためである。また、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物は一般にペロブスカイト型結晶構造を有しているため、多くの物質上にエピタキシー成長でき、その結果、欠陥が少なく、従って、ＶＬＳＩ（Very Large Scale Integrated Circuit ）レベルの集積度を有する、強誘電体超高集積不揮発性メモリー用単結晶薄膜材料として期待されているからである。Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物の内でも、特に、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12は、自発分極の大きさが優れて大きいため、その分極メカニズムや、単結晶薄膜の製造方法が精力的に研究されている（非特許文献１及び２参照）。
ところで、薄膜を上記のような超高集積デバイス用材料として使用できるためには、転移（dislocation ）や結晶粒界（grain boundary）と言った欠陥密度が少なく、かつ、原子レベルで平坦な表面を有する、すなわち結晶完全性の高い薄膜が必要である。このため、従来から、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法、レーザーアブレーション法、或いはスパッタリング法と言った気相成長法を用いた、結晶完全性の高い薄膜の製造技術が研究されてきた。
しかしながら、気相成長法は本来、非熱平衡状態での成長法であるため、エピタキシー成長条件を完全に満たす場合を除いて、結晶粒界の発生や転移の発生を無くすことは困難であり、また、原子レベルで平坦な表面を得ることは困難である。
このため本発明者らは、固相と液相と気相とを共存させた状態で結晶成長する、 Tri- Phase Epitaxy 法を開発した（非特許文献３参照）。この方法は、基板表面に、目的物質との間に共晶を形成し、かつ目的物質と化合物を形成しない物質（フラックスと呼ぶ）を積層し、このフラックス上に気相成長法により、目的物質を供給しながらエピタキシー成長させる方法である。この方法は、目的物質とフラックスとの共晶状態を利用して、熱平衡状態に近い状態でエピタキシー成長させるものであり、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有する薄膜を基板上に成長させることができる。また、本発明者らは、この方法を用いて、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物の製造に成功した（特許文献１参照）。
Takeshi Kijima, et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38 (1999) pp. 127-130 X. Q. Pan, et al., APPLIED PHYSICS LETTERS VOL. 83, No. 12, 22 September 2003 pp. 2315-2317 特願２００３−１４４０８５
ところで、Tri-Phase Epitaxy 法は、フラックスと目的物質との共晶状態を利用してエピタキシー成長するものであるが、気相、液相及び固相の共存状態を必要とし、特許文献１の実施例に見られるように、成膜装置内で、フラックス及び結晶基板を高温に保ちながら気相成長する必要がある。基板温度を高温の一定温度に保持しながら成膜できる成膜装置は一般に製造のスループットが小さいか、スループットが大きい装置はコストが高い。このため、Tri-Phase Epitaxy 法は、製造コストが高いという課題があった。
上記課題に鑑み本発明は、バルク結晶に匹敵する結晶完全性を有する薄膜を製造でき、かつ、製造コストが低い、固相フラックスエピタキシー法を提供することを目的とする。
本発明者らは、目的物質とフラックス物質とを堆積した後の固相反応によって、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した薄膜を基板上にエピタキシー成長できることを見いだし、本発明に到達した。
上記目的を達成するため、本発明の固相フラックスエピタキシー成長法は、基板上に、目的物質と、目的物質との間で共晶を形成し且つ化合物を形成しない物質でなるフラックスと、からなるアモルファス薄膜を堆積し、この基板を目的物質とフラックスの共晶温度以上、且つ、目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理することを特徴とする。
また、本発明の固相フラックスエピタキシー成長法は、基板上に目的物質を堆積し、この目的物質上に、目的物質との間で共晶を形成し且つ化合物を形成しない物質で成るフラックスを堆積し、この基板を目的物質とフラックスの共晶温度以上の温度で、且つ、目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理することを特徴とする。
上記フラックスの量は、成長しようとする目的物質から成る薄膜の膜厚に応じ、目的物質とフラックスとの組成比が、共晶点組成比になるように決定することが好ましい。
この方法によれば、目的物質の薄膜が基板上にエピタキシー成長し、この薄膜上にフラックス物質が偏析する。偏析したフラックス物質を除去することにより、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有したエピタキシー単結晶薄膜が得られる。
この現象は、目的物質とフラックスとの固相反応、すなわち固相拡散によって共晶状態が形成され、共晶状態は液相状態であることから、目的物質のエピタキシー成長条件が熱平衡状態のエピタキシー成長条件に近くなり、その結果、薄膜であるにもかかわらず、バルク結晶と同程度の結晶完全性を有したエピタキシー薄膜が得られると考えられる。
上記目的物質は、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物であればよく、そのフラックスは、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物との間で共晶を形成する物質、かつ、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物と化合物を形成しない物質から成るフラックスであればよい。
Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物は、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12、Ｂｉ4 ＢａＴｉ4 Ｏ15、ＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ3 またはＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 であっても良く、フラックスは、Ｂｉ2 Ｏ3 −ＣｕＯ−ＴｉＯ系の３元組成のフラックスであっても良い。
Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物がＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12である場合に、Ｂｉ2 Ｏ3 −ＣｕＯ−ＴｉＯ系の３元組成のフラックスは、Ｂｉ2 Ｏ3 であっても良い。
上記基板は、単結晶基板または単結晶薄膜で覆われた基板であれば好ましい。
上記単結晶基板または単結晶薄膜は、ＳｒＴｉＯ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ3 、ＭｇＯまたはＮｄＧａＯ3 であっても良い。
本発明の方法によれば、薄膜であるにもかかわらず、バルク結晶と同程度の結晶完全性を有したエピタキシー薄膜が得られる。また、目的物質とフラックスとの共晶状態を、成膜時ではなく、成膜後の固相反応によって生じさせるものであるから、基板を高温に保持する成膜装置を必要としない。基板を高温に保持する成膜装置を必要としないので、例えば、低温ＣＶＤ装置を用いて一括して大量に成膜することができ、また、熱処理専用の大型の熱処理装置を用いて一括して大量に熱処理できる。その結果、製造コストを下げることができる。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
初めに、本発明の第１の実施の形態を説明する。
先ず、目的とする薄膜を構成する物質、すなわち目的物質に最適なフラックスを選択する。フラックスは、目的物質と共晶を形成し、かつ、目的物質と化合物を形成しない物質であれば何でも良い。
次に、単結晶基板或いは単結晶薄膜で被覆された基板を成膜装置に配置し、目的物質とフラックスが混合したアモルファス薄膜を堆積する。この際、目的物質の量とフラックスの量は、目的物質とフラックス物質との共晶点組成比にすることが好ましく、目的物質の必要とする膜厚に応じて、フラックスの量を適宜選択する。また、成膜時の温度は、特に制御する必要はなく、例えば、温度制御無しの室温で成膜しても良い。
成膜方法は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法を用いる場合には、上記アモルファス薄膜を構成する金属元素の有機金属ガス、及びその他の原料ガスの流量を上記アモルファス薄膜の組成比に応じて制御してやればよい。また、スパッタリング法を用いる場合には、上記アモルファス薄膜の組成比を有するターゲットを用いればよい。レーザーアブレーション法を用いる場合は、上記アモルファス薄膜の組成を有するターゲット、或いは目的物質の組成を有するターゲットとフラックスの組成を有するターゲットとを交互にアブレーションしても良い。
次に、目的物質とフラックス物質が混合したアモルファス薄膜を堆積した基板を、熱処理装置に配置して共晶点以上の温度で、且つ、目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理する。この工程によれば、アモルファス薄膜の目的物質とフラックス物質が固相拡散によって相互に拡散し、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小になる混合状態となる。Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小になる混合状態は、目的物質とフラックス物質が相互に分離した共晶状態であり、共晶状態は液相状態である。液相状態で目的物質が基板にエピタキシー成長する。目的物質が液相状態でエピタキシー成長するので、このエピタキシー成長条件は、液相エピタキシーと同様な熱平衡条件に近い成長条件である。従って、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した薄膜を成長することができる。
続いて、熱処理装置から基板を取り出し、目的物質薄膜上に偏析したフラックスを、例えば化学物質により溶解して除去する。化学物質は、フラックスの種類によるが、フラックスは目的物質と化合物を形成しない物質であるので容易に除去することができる。
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態における、目的物質とフラックス物質が混合したアモルファス薄膜の代わりに、目的物質から成る薄膜とフラックス物質から成る薄膜を積層して堆積する点のみが異なる。この場合にも、共晶点以上の温度で、且つ、目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理することによって、目的物質とフラックス物質が固相拡散によって相互に拡散し、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小になる混合状態となる。Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小になる混合状態は、目的物質とフラックス物質が相互に分離した共晶状態であり、共晶状態は液相状態である。液相状態で目的物質が基板にエピタキシー成長する。目的物質が液相状態でエピタキシー成長するので、このエピタキシー成長条件は、液相エピタキシーと同様な熱平衡条件に近い成長条件である。従って、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した薄膜を成長することができる。
次に、第１の実施の形態について具体的な実施例を説明する。
目的物質がＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12であり、フラックスがＢｉ2 Ｏ3 である場合を例に取り説明する。
第１の実施形態の方法により、ＳｒＴｉＯ3 （００１）面基板を用いて、レーザーアブレーション法にて成膜した。Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12焼結体からなるターゲットと、Ｂｉ2 Ｏ3 焼結体から成るターゲットを交互にアブレーションし、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜換算で約３００ｎｍ、及びＢｉ2 Ｏ3 薄膜換算で約３００ｎｍを堆積し、アモルファス薄膜を得た。成膜時の基板温度は室温であり、また、成膜中の酸素の欠損を補うため、０．５Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中でレーザーアブレーションした。熱処理は、熱処理専用の熱処理炉を用いて、大気中、１０００℃、１２時間で行った。また、アモルファス薄膜の表面をＳｒＴｉＯ3 基板で覆って熱処理した。また、熱処理炉からの取り出しは、１０００℃の熱処理炉から室温の大気中に急冷して取り出した。また、従来方法と比較するため、Ｂｉ2 Ｏ3 フラックスを使用しないことのみが異なるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜を作製した。
図１は、上記固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。図１（ａ）は固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像で、図１（ｂ）は比較のために作製した従来法によるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。
図１（ａ）において、丸い粒子は偏析したＢｉ2 Ｏ3 粒子で、この粒子の下地がＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜である。図からわかるように、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面は極めて平坦であり、このことは、結晶粒（ｇｒａｉｎ）が存在せず、薄膜全体にわたって単結晶であることを示している。また、図１（ｂ）において、楕円型の小さな粒子は、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12の結晶粒であり、従来方法では多結晶体となり、結晶完全性の高い薄膜が得られないことを示している。
図２は、上記固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面の形状を示すＡＦＭ（Atomic Force Micrometer ）像である。
図において、ステップ状の平面は、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12の原子面である。また、ＡＦＭによる高さ測定の結果、ステップ間隔はＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12の半原子層間隔に相当することがわかった。図から、各原子面は原子レベルで平坦であり、原子面が半原子層間隔で連なっていることから、固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面は原子レベルで平坦であることがわかる。
以上の結果から、第１の実施の形態の方法によれば、結晶完全性が極めて高い単結晶薄膜が得られることがわかる。
次に、第２の実施の形態について具体的実施例を説明する。
目的物質がＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12であり、フラックスがＢｉ2 Ｏ3 である場合を例に取り説明する。
第２の実施の形態の方法により、ＳｒＴｉＯ3 （００１）面基板を用いて、レーザーアブレーション法にて成膜した。基板温度７００℃、酸素圧０．５Ｔｏｒｒの雰囲気中で、基板上に、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12焼結体からなるターゲットをアブレーションして約３００ｎｍのＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜を堆積した。引き続き、基板温度５００℃、酸素圧０．５Ｔｏｒｒの雰囲気中で、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜上に、Ｂｉ2 Ｏ3 焼結体から成るターゲットをアブレーションして約３００ｎｍのＢｉ2 Ｏ3 薄膜を堆積した。熱処理は、熱処理専用の熱処理炉を用い、１０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中で、８００℃、１２時間で行った。また、熱処理後の試料の取り出しは、８００℃の熱処理炉から室温の大気中に急冷して取り出した。また、従来方法と比較するため、Ｂｉ2 Ｏ3 フラックスを使用しないことのみが異なる、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜を作製した。
図３は、上記固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。図３（ａ）は固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像であり、図３（ｂ）は比較のために作製した従来法によるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。
図３（ａ）からわかるように、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面は極めて平坦であり、このことは、結晶粒（ｇｒａｉｎ）が存在せず、薄膜全体にわたって単結晶であることを示している。また、図３（ｂ）において、黒い部分は、薄膜に開いた穴であり、従来方法では結晶完全性の高い薄膜が得られないことを示している。また、実施例１と同様に、ＡＦＭ像により表面形状を測定したが、図２と同様の像が得られ、このことから、第２の実施の形態の方法によっても原子レベルで平坦な表面が得られることがわかった。
図４は上記固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを示す図である。図４（ａ）は固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸＲＤパターンを、図４（ｂ）は比較のために作製した従来法によるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸＲＤパターンを示す。●はペロブスカイト型Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12の回折ピークを、○はＳｒＴｉＯ3 基板の回折ピークを、×はＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12のペロブスカイト型以外の相の回折ピークを示す。
図４（ａ）では、ペロブスカイト型Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12の回折ピークとＳｒＴｉＯ3 基板のピークのみが観測されることから、固相エピタキシー法によれば、ペロブスカイト型Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12相のみが形成されることがわかる。一方、図４（ｂ）では、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12のペロブスカイト型以外の相の回折ピークが観測されることから、従来法では、単一層からなるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜を形成することが困難であることがわかる。
図５は、上記固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線ロッキングカーブ・パターンを示す図である。図５（ａ）は固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線ロッキングカーブ・パターンであり、図５（ｂ）は比較のために測定した、従来法によるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線ロッキングカーブ・パターンである。測定に用いた回折ピークはペロブスカイト型Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12（００１４）面回折ピークである。
図５（ａ）から、固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の半値幅は約０．１８６°と極めて狭く、単結晶であることを示している。一方、図５（ｂ）から、従来法によるＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の半値幅は０．２８６°と大きく、多結晶体であることがわかる。
以上の結果から、第２の実施の形態の方法によれば、結晶完全性が極めて高い単結晶薄膜が得られることがわかる。
本発明の固相フラックスエピタキシー成長法によれば、薄膜でありながらバルク結晶に匹敵する結晶完全性を有した薄膜を成長できるので、例えば、強誘電体薄膜の成長にこの方法を用いれば、ＶＬＳＩ用強誘電体不揮発性メモリーの薄膜材料として使用することができる。また、大量生産が可能な固相反応法であるので、製造コストを下げることができる。
第１の実施の形態の固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。 第１の実施の形態の固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面の形状を示すＡＦＭ（Atomic Force Micrometer ）像である。 第２の実施の形態の固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜の表面形状を示す走査電子顕微鏡像である。 第２の実施の形態の固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。 第２の実施の形態の固相エピタキシー法によって作製したＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12薄膜のＸ線ロッキングカーブ・パターンを示す図である。

Claims (8)

  1. 基板上に、目的物質と、この目的物質との間で共晶を形成し且つ化合物を形成しない物質でなるフラックスと、からなるアモルファス薄膜を堆積し、この基板を上記目的物質とフラックスの共晶温度以上の温度で、且つ、上記目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理することを特徴とする、固相フラックスエピタキシー成長法。
  2. 基板上に目的物質を堆積し、この目的物質上に、この目的物質との間で共晶を形成し且つ化合物を形成しない物質で成るフラックスを堆積し、この基板を上記目的物質とフラックスの共晶温度以上の温度で、且つ、上記目的物質の融点温度またはフラックスの融点温度のうち、どちらか低い方の融点温度未満の温度で熱処理することを特徴とする、固相フラックスエピタキシー成長法。
  3. 前記フラックスの量は、成長しようとする前記目的物質から成る薄膜の膜厚に応じ、上記目的物質とフラックスとの組成比が、共晶点組成比になるように決定することを特徴とする、請求項１または２に記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
  4. 前記目的物質は、Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物であり、前記フラックスは、上記Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物との間で共晶を形成し、且つ、化合物を形成しない物質で成るフラックスであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
  5. 前記Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物は、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12、Ｂｉ4 ＢａＴｉ4 Ｏ15、ＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ3 又はＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 の内の何れかであり、前記フラックスは、Ｂｉ2 Ｏ3 −ＣｕＯ−ＴｉＯ系の３元組成のフラックスであることを特徴とする、請求項４に記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
  6. 前記Ｂｉを構成元素に含む多元系酸化物がＢｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12であり、前記Ｂｉ2 Ｏ3 −ＣｕＯ−ＴｉＯ系の３元組成のフラックスは、Ｂｉ2 Ｏ3 であることを特徴とする、請求項５に記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
  7. 前記基板は、単結晶基板、または単結晶薄膜で覆われた基板であることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
  8. 前記単結晶基板または単結晶薄膜は、ＳｒＴｉＯ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｓｉ、ＬａＡｌＯ3 、ＭｇＯまたはＮｄＧａＯ3 の内の何れかであることを特徴とする、請求項７に記載の固相フラックスエピタキシー成長法。
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