JP6149222B2 - 強誘電体膜の製造装置及び強誘電体膜の製造方法 - Google Patents

強誘電体膜の製造装置及び強誘電体膜の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、種結晶部材を用いた強誘電体膜の製造装置及び強誘電体膜の製造方法に関する。
＜ゾルゲル法を用いた強誘電体膜の製造方法＞
次に、従来の強誘電体膜の製造方法について説明する（例えば特許文献１参照）。
図１１は、従来の強誘電体膜の製造方法を説明するための断面図である。
４インチウエハなどの基板１０１上に（００１）に配向したＰｔ膜１０２を形成する。
次いで、Ｐｔ膜１０２上にスピンコータによってＰＺＴゾルゲル溶液を回転塗布する。この際、５００ｒｐｍで５秒回転させた後に１５００ｒｐｍで２０秒回転させる。ＰＺＴゾルゲル溶液は、濃度が２５重量％のＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８）でＰｂが２０％過剰な溶液である。
次いで、この塗布されたＰＺＴゾルゲル溶液をホットプレート上で２５０℃に加熱しつつ３０秒間保持して乾燥させ、水分を除去した後、さらに高温に保持したホットプレート上で４５０℃に加熱しつつ６０秒間保持して仮焼成を行う。
上記の回転塗布、乾燥、仮焼成を５回繰り返し、５層のＰＺＴアモルファス膜を生成する。
次いで、仮焼成を行った後のＰＺＴアモルファス膜に加圧式ランプアニール装置（RTA: rapidly thermal anneal）を用いて酸素雰囲気の１０ａｔｍで７００℃の温度に３分間保持してアニール処理を行い、ＰＺＴ結晶化を行う。この結晶化されたＰＺＴ膜はペロブスカイト構造からなり、ゾルゲル溶液の回転塗布から結晶化までを含めた成膜速度は２．６５ｎｍ／秒であり、成膜時間は１３分である。
上記のゾルゲル法によってＰｔ膜１０２上には膜厚２μｍのＰＺＴ膜１０３が形成され、このＰＺＴ膜１０３は、図１２に示すように（００１）及び（１１０）に配向している。
上記のゾルゲル法を用いて製造されたＰＺＴ膜１０３は、成膜速度が速いため、量産に適している。しかし、このＰＺＴ膜１０３は、（００１）配向と（１１０）配向が検出されるため、下地のＰｔ膜の（００１）配向が完全に転写されるわけではなく、単一配向性または優先配向性が非常に低い。
ＷＯ２００６／０８７７７７
本発明の一態様は、ゾルゲル法を用いて作製しても単一配向性または優先配向性が高い強誘電体膜の製造装置及び強誘電体膜の製造方法を提供することを課題とする。
以下に、本発明の種々の態様について説明する。
（１）処理室と、
前記処理室内に配置され、ゾルゲル法により形成された強誘電体材料を含むアモルファス膜を有する基板を保持する保持部と、
前記保持部に保持された前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる機構と、
前記処理室内に酸素ガスを導入するガス導入機構と、
前記処理室内のガスを排気するガス排気機構と、
前記処理室内を加熱する加熱機構と、
を具備し、
前記アモルファス膜に前記種結晶部材を接触させながら酸素雰囲気で加熱することにより、前記アモルファス膜を酸化して結晶化することで強誘電体膜を製造することを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（２）上記（１）において、
前記強誘電体膜は、前記種結晶部材の配向と同一の配向を有することを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（３）上記（１）または（２）において、
前記種結晶部材は、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた種結晶膜、或いはブリッジマン法により作製した単結晶バルクであることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか一項において、
前記強誘電体膜は、
ＡＢＯ３あるいは（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌａ及びＨｆからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種、ｍは５以下の自然数である。）で表されるペロブスカイトまたはビスマス層状構造酸化物、
ＬａｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｔｒｍ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４又はＴｒｍＢａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋３（式中、ＬａｎはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される少なくとも１種、ＴｒｍはＢｉ、Ｔｌ及びＨｇからなる群から選択される少なくとも１種、ｎは５以下の自然数である。）で表される超伝導酸化物、
Ａ０．５ＢＯ３（正方ブロンズ構造）又はＡ０．３ＢＯ３（六方ブロンズ構造）（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種である。）で表されるタングステンブロンズ構造酸化物、
ＣａＯ、ＢａＯ、ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３及びＶ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種の材料、
前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を含む材料、及び、
前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２及びＧｅＯ２を含む材料の少なくとも１つからなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか一項において、
前記ガス導入機構は、前記処理室内に加圧された前記酸素ガスを導入する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか一項において、
前記ガス導入機構は、前記処理室内に前記酸素ガスを導入することで、前記処理室内を４ａｔｍ以上に加圧する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（７）上記（１）乃至（６）のいずれか一項において、
前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる機構は、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を一定の圧力で加圧して接触させる機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（８）上記（１）乃至（７）のいずれか一項において、
前記種結晶部材は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（１）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（１）
（９）上記（８）において、
前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（２）を満たし、前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（３）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２）
（Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３）
（１０）上記（８）または（９）において、
前記種結晶部材は（００１）に配向され、
前記強誘電体膜は（００１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（１１）上記（８）または（９）において、
前記種結晶部材は（１１１）に配向され、
前記強誘電体膜は（１１１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（１２）上記（１）乃至（１１）のいずれか一項において、
前記強誘電体膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（４）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（４）
（１３）上記（１０）において、
前記種結晶膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（５）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
５２／４８＜Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（５）
（１４）上記（１１）において、
前記種結晶膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（６）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ＜５２／４８ ・・・（６）
（１５）上記（１）乃至（１４）のいずれか一項において、
前記加熱機構は、前記処理室内にランプヒータによってランプ光を照射する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
（１６）基板上に強誘電体材料を含むアモルファス膜をゾルゲル法により形成し、
前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させながら酸素雰囲気で加熱することにより、前記アモルファス膜を酸化して結晶化することで強誘電体膜を形成し、
前記種結晶部材を前記強誘電体膜から離すことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（１７）上記（１６）において、
前記強誘電体膜は、前記種結晶部材の配向と同一の配向を有することを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（１８）上記（１６）または（１７）において、
前記種結晶部材は、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた種結晶膜、或いはブリッジマン法により作製した単結晶バルクであることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（１９）上記（１６）乃至（１８）のいずれか一項において、
前記強誘電体膜は、
ＡＢＯ３あるいは（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌａ及びＨｆからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種、ｍは５以下の自然数である。）で表されるペロブスカイトまたはビスマス層状構造酸化物、
ＬａｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｔｒｍ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４又はＴｒｍＢａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋３（式中、ＬａｎはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される少なくとも１種、ＴｒｍはＢｉ、Ｔｌ及びＨｇからなる群から選択される少なくとも１種、ｎは５以下の自然数である。）で表される超伝導酸化物、
Ａ０．５ＢＯ３（正方ブロンズ構造）又はＡ０．３ＢＯ３（六方ブロンズ構造）（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種である。）で表されるタングステンブロンズ構造酸化物、
ＣａＯ、ＢａＯ、ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３及びＶ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種の材料、
前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を含む材料、及び、
前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２及びＧｅＯ２を含む材料の少なくとも１つからなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２０）上記（１６）乃至（１９）のいずれか一項において、
前記酸素雰囲気で加熱する際は、加圧酸素雰囲気であることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２１）上記（１６）乃至（２０）のいずれか一項において、
前記酸素雰囲気で加熱する際は、４ａｔｍ以上の加圧酸素雰囲気であることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２２）上記（１６）乃至（２１）のいずれか一項において、
前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる際は、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を一定の圧力で加圧して接触させることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２３）上記（１９）乃至（２２）のいずれか一項において、
前記種結晶膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（１）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（１）
（２４）上記（２３）において、
前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（２）を満たし、前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（３）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２）
（Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３）
（２５）上記（２３）または（２４）において、
前記種結晶膜は（００１）に配向され、
前記強誘電体膜は（００１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２６）上記（２３）または（２４）において、
前記種結晶膜は（１１１）に配向され、
前記強誘電体膜は（１１１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
（２７）上記（１９）乃至（２６）のいずれか一項において、
前記強誘電体膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（４）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（４）
（２８）上記（２５）において、
前記種結晶膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（５）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
５２／４８＜Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（５）
（２９）上記（２６）において、
前記種結晶膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（６）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ＜５２／４８ ・・・（６）
（３０）結晶化された強誘電体膜であって、
前記強誘電体膜は、（００１）に単一配向したＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜。
本発明の一態様によれば、ゾルゲル法を用いて作製しても単一配向性または優先配向性が高い強誘電体膜の製造装置及び強誘電体膜の製造方法を提供することができる。
本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一態様に係る加圧式ランプアニール装置３０を説明するための断面図である。 本発明の一態様に係る加圧式ランプアニール装置３０を説明するための断面図である。 本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の一態様に係る加圧式ランプアニール装置３１を説明するための断面図である。 本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造装置の全体構成を示す模式図である。 酸素分圧１０ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。 酸素分圧５ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。 酸素分圧１ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。 酸素分圧１０ａｔｍで作製した比較例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。 従来の強誘電体膜の製造方法を説明するための断面図である。 ゾルゲル法によって形成されたＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。
以下では、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
［実施の形態１］
＜強誘電体膜の製造方法＞
図１は、本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造方法を説明するための断面図である。
まず、種結晶部材１３を有する接触用基板２０を用意する。接触用基板２０は、例えばシリコンウエハ１１上に（００１）配向したＳｒＲｕＯ３膜（図示せず）が形成され、ＳｒＲｕＯ３膜上に（００１）配向したＰｔ膜１２が形成され、Ｐｔ膜１２上に種結晶部材１３が形成されたものを用いるとよい。
本実施の形態では、種結晶部材１３に配向した種結晶膜を用いるとよい。種結晶膜には、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた膜を用いることができる。なお、種結晶膜以外の例としては、接触用基板２０としてブリッジマン法により作製した単結晶バルクを用いてもよいし、一般に基板として市販されているLiNbO3、LiTaO3単結晶等でも良い。
上記の種結晶膜の具体例としては、例えばＺｒ／Ｔｉ比が下記式（１）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜を用いるとよい。Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなるとよい。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（１）
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比は、下記式（２）を満たし、好ましくは下記式（２'）を満たす。
Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２）
１≦Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２'）
（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比は、下記式（３）を満たし、好ましくは下記式（３'）満たす。
（Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３）
１≦（Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３'）
上記のエピタキシャル成長によるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜を用いることにより、（００１）または（１１１）のいずれかに単一配向または優先配向し、かつ非常に良好な結晶性を有する種結晶膜を形成することができる。
次に、強誘電体材料を含むアモルファス膜１６を有する被処理基板２２を用意する。
詳細には、例えばシリコンウエハ１４上に（００１）配向したＳｒＲｕＯ３膜（図示せず）を形成し、ＳｒＲｕＯ３膜上に（００１）配向したＰｔ膜１５を形成し、Ｐｔ膜１５上に強誘電体材料を含むアモルファス膜１６をゾルゲル法により形成する。このようにして被処理基板２２を用意する。
なお、本実施の形態では、シリコンウエハ１４上にＳｒＲｕＯ３膜及びＰｔ膜１５を介してアモルファス膜１６を形成しているが、シリコンウエハ１４上に他の導電膜または絶縁膜を介してアモルファス膜１６を形成してもよい。
次に、図１に示す矢印のように、被処理基板２２上に接触用基板２０を重ねて置き、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させながら、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を酸素雰囲気で加熱する。これにより、アモルファス膜１６を酸化して結晶化することで強誘電体膜を形成することができる。
また、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を加圧酸素雰囲気で加熱することが好ましく、より好ましくは４ａｔｍ以上の加圧酸素雰囲気で加熱することである。これにより、より単一配向性が強い強誘電体膜を得ることができる。
また、上記のアモルファス膜１６と種結晶部材１３との接触は、分子レベルで面接触している必要はなく（完全に密着している必要はなく）、むしろ点接触の集合体のほうがよい。その理由は、点接触しているところにおける種結晶部材１３の単一配向性の強い結晶が、単一配向性の弱い結晶よりも優先的にアモルファス膜１６に転写され、それによってアモルファス膜１６に単一配向性が強い結晶が形成され、その単一配向性が強い結晶がアモルファス膜１６の表面と平行方向及び垂直方向にも広がっていくことで、種結晶部材１３より単一配向性が強い強誘電体膜が被処理基板２２の全面に生成されるものと考えられるからである。これに対し、アモルファス膜１６と種結晶部材１３との接触が分子レベルで十分に面接触している場合、種結晶部材１３の単一配向性の強い結晶と弱い結晶の両方が転写されるため、種結晶部材１３と同程度の単一配向性の強誘電体膜が生成されるものと考えられる。従って、上記の接触が点接触の集合体であることによって、種結晶部材１３における単一配向性の強い結晶がアモルファス膜１６に転写され、種結晶部材１３における単一配向性の弱い結晶がアモルファス膜１６に転写されないといった、単一配向性を強化するフィルターのような役割を果たし、その結果、種結晶部材１３より単一配向性が強い強誘電体膜が生成されるものと考えられる。
また、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を部分的に接触させた場合でも同様の効果が得られると考えられる。従って、種結晶部材１３の表面がアモルファス膜１６の表面より小さくてもよく、その場合、アモルファス膜１６に単一配向性が強い結晶が形成され、その単一配向性が強い結晶がアモルファス膜１６の表面と平行方向にも広がっていくことで、アモルファス膜１６の全体を単一配向性が強い結晶とすることができる。
また、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させる際は、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を一定の圧力で加圧して接触させることが好ましい。このように一定の圧力とすることにより品質が安定した強誘電体膜を得ることができる。
上記の強誘電体膜は、種結晶部材１３の配向と同一の配向を有している。例えば、種結晶部材１３が（００１）に配向されている場合は、強誘電体膜も（００１）に配向されることになり、種結晶部材１３が（１１１）に配向されている場合は、強誘電体膜も（１１１）に配向されることになる。
また、前述したように、種結晶部材１３に、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜を用いた場合、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（５）を満たすことで、種結晶部材１３が（００１）に配向され易くすることができる。
５２／４８＜Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（５）
また、前述したように、種結晶部材１３に、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜を用いた場合、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（６）を満たすことで、種結晶部材１３が（１１１）に配向され易くすることができる。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ＜５２／４８ ・・・（６）
この後、種結晶部材１３を強誘電体膜から離す。種結晶部材１３はアモルファス膜１６に接触させているだけであるため、種結晶部材１３は強誘電体膜から容易に剥がすことができる。
種結晶部材１３は、アモルファス膜１６を結晶化する際の初期核としての役割を果たすものであるため、複数のアモルファス膜１６に対して使用することができる。つまり、１枚の接触用基板２０を用意すれば、複数枚の被処理基板２２に対して使用することができ、経済的である。このため、強誘電体膜の製造コストを低減することができる。また、１枚の接触用基板２０の種結晶部材１３に対して複数枚の被処理基板２２の強誘電体膜を製造できるため、強誘電体膜のばらつきを小さくでき、強誘電体膜の再現性を向上させることができる。従って、製造する強誘電体膜の品質管理も容易となる。
強誘電体膜は、下記の(1)〜(6)の少なくとも一つからなる膜であるとよい。
(1)ＡＢＯ３あるいは（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌａ及びＨｆからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種、ｍは５以下の自然数である。）で表されるペロブスカイト及びビスマス層状構造酸化物
(2)ＬａｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｔｒｍ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４又はＴｒｍＢａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋３（式中、ＬａｎはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される少なくとも１種、ＴｒｍはＢｉ、Ｔｌ及びＨｇからなる群から選択される少なくとも１種、ｎは５以下の自然数である。）で表される超伝導酸化物
(3)Ａ０．５ＢＯ３（正方ブロンズ構造）又はＡ０．３ＢＯ３（六方ブロンズ構造）（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種である。）で表されるタングステンブロンズ構造酸化物
(4)ＣａＯ、ＢａＯ、ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３及びＶ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種の材料、
(5)前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を含む材料
(6)前記少なくとも１種の材料にＳｉＯ２及びＧｅＯ２を含む材料
強誘電体膜の具体例としては、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（４）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜がある。Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなるとよい。
６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（４）
本実施の形態によれば、ゾルゲル法を用いて作製した強誘電体膜であっても単一配向性または優先配向性を高くすることができる。詳細には、単一配向または優先配向し、かつ非常に良好な結晶性を有する種結晶部材１３をアモルファス膜１６に接触させて初期核として利用しながら酸素雰囲気で加熱して結晶化することにより、種結晶部材１３の配向と同一の配向を有する強誘電体膜を形成することができる。
言い換えると、非常に良好な結晶性を有する種結晶部材１３の単一配向または優先配向を、ゾルゲル法を用いた強誘電体膜に忠実に転写することができる。その結果、単一配向または優先配向し、かつ結晶性の良い強誘電体膜を得ることができる。
つまり、種結晶部材１３に接触させて結晶化したゾルゲル法を用いた強誘電体膜１５は、種結晶部材１３と同じ結晶構造となる。また、強誘電体膜を結晶構造が決められた種結晶部材１３と接触させることによって、強誘電体膜の結晶構造を制御できる。
また、ゾルゲル法を用いる強誘電体膜の成膜速度は、例えばスパッタリング法によりエピタキシャル成長させる強誘電体膜の成膜速度に比べて非常に速い。このため、種結晶部材１３上にゾルゲル法を用いて強誘電体膜を形成する本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造方法は、量産に適した成膜速度を有するものになる。
また、本実施の形態では、被処理基板２２上に接触用基板２０を重ねて置き、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させながら、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を酸素雰囲気で加熱して結晶化するが、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させ、且つアモルファス膜１６と種結晶部材１３とを密着させるために、表１に示す有機溶媒をアモルファス膜１６と種結晶部材１３との間に毛管現象で満たしながら、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を酸素雰囲気で加熱して結晶化するとよい。その結果、更に単一配向性が強い強誘電体膜を生成することができる。この場合の有機溶媒は、乾燥し難いアルコール類であることが好ましい。
Figure 0006149222
＜強誘電体膜の製造装置＞
図２及び図３は、本発明の一態様に係る加圧式ランプアニール装置３０を説明するための断面図である。
加圧式ランプアニール装置３０はＡｌ製のチャンバー２１を有している。このチャンバー２１の内表面には表面処理が施されている。つまり、チャンバー２１の内表面には反射膜が形成されている。具体的な表面処理としては、Ａｕメッキ処理又はシュウ酸アルマイト処理を用いることが可能である。これにより、チャンバー２１の内表面にはＡｕメッキ膜又はシュウ酸アルマイト膜が形成され、このＡｕメッキ膜又はシュウ酸アルマイト膜でランプ光を反射させることができる。その結果、昇温レートを上げることができる。また、消費電力を少なくすることができる。また、チャンバー２１は図示せぬ冷却機構によって水冷されるように構成されている。
チャンバー２１内には図１に示す被処理基板２２を載置するステージ２３が設けられている。ステージ２３はランプ光が透過する材料、例えば石英で形成されている。ステージ２３の上方には石英ガラス２４が配置されている。この石英ガラス２４は、チャンバー２１内が加圧されるために厚く形成されている。
石英ガラス２４の上にはランプヒータ２５が配置されており、このランプヒータ２５は金属製の筐体の内部に配置されている。なお、本実施の形態では、ランプヒータを用いているが、他の加熱機構を用いてもよい。
また、加圧式ランプアニール装置３０は、ステージ２３に載置された被処理基板２２のアモルファス膜に種結晶部材を接触させる機構を有している。詳細には、軸２７を上下に移動させる移動機構２６を有しており、この軸２７の先端には図１に示す接触用基板２０が取り付けられる。この移動機構２６は、アモルファス膜に種結晶部材を一定の圧力で加圧して接触させる機構であることが好ましい。このように一定の圧力とすることにより品質が安定した強誘電体膜を得ることができる。
チャンバー２１内に形成される処理室５５は狭い方が好ましい。その理由は、所定の圧力まで加圧するのに必要な時間を短くすることができるからである。また、処理室５５内の高さは低い方が好ましい。その理由は、処理室５５内に配置された被処理基板２２とランプヒータ２５との間の距離を短くでき、それによって昇温レートを上げることができるからである。
チャンバー２１内の処理室５５は加圧ライン（ガス導入機構）２９に接続されている。加圧ライン２９は、アルゴンガスによる加圧ライン、酸素ガスによる加圧ライン及び窒素ガスによる加圧ラインを有している。
アルゴンガスによる加圧ライン、酸素ガスによる加圧ライン及び窒素ガスによる加圧ラインそれぞれは、加熱ユニットを有しており、加熱ユニットは、プロセスを安定させるためにガス温度を一定（例えば４０〜５０℃程度）にするものである。
また、チャンバー２１内の処理室５５は圧力調整ライン（ガス排気機構）２８に接続されている。この圧力調整ライン２８及び加圧ライン２９によってチャンバー２１内の処理室５５を所定の圧力（例えば１ＭＰａ未満）に加圧できるようになっている。
圧力調整ライン２８は、安全ラインを有しており、この安全ラインは、処理室５５内が異常に加圧され過ぎてある一定の圧力以上になった時に処理室内を大気圧まで下げるためのものである。
また、圧力調整ライン２８は、大気開放ラインを有しており、この大気開放ラインは、正常に加圧された処理室５５内を大気圧に戻すものである。
また、圧力調整ライン２８は、処理室５５内を減圧状態から大気圧に戻すラインを有しており、このラインは、処理室５５内が減圧状態（真空状態）となっている場合に、減圧状態から大気圧に戻すものである。
チャンバー２１の一方側にはゲートバルブ（図示せず）が配置されており、ゲートバルブを開いた状態で、チャンバー２１内の処理室５５に被処理基板２２を搬入、搬出するようになっている。
図４は、本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造装置の全体構成を示す模式図であり、この製造装置は、図２及び図３に示す加圧式ランプアニール装置３０を有している。
この強誘電体膜の製造装置は搬送室を有しており、この搬送室内には、スピンコータ４５、１５０℃〜３００℃の温度で乾燥させるアニール装置４６、窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気で例えば３００〜６００℃の温度、常圧で仮焼成を行うアニール装置４７、図２に示す加圧式ランプアニール装置（ＲＴＡ）３０、冷却処理を行う冷却装置４３、アライメント処理を行うアライナー４２、ロード・アンロードを行うカセットステージ４１、及び被処理基板を搬送する搬送ロボット４４が配置されている。
搬送ロボット４４は、スピンコータ４５、カセットステージ４１、アライナー４２、冷却装置４３、アニール装置４６，４７、及び加圧式ランプアニール装置３０それぞれに被処理基板を搬送するための機構である。
この製造装置には、搬送室内の空気中の塵の量を調整する空調機構が設けられている。この空調機構によって搬送室内の空気中の塵の量を外気に比べて少なくすることができる。なお、この空調機構は、搬送室内の温度または湿度を制御することも可能である。
カセットステージ４１は、複数の被処理基板を有している。
アライナー４２は、被処理基板２２の表面の中心位置を検出する処理を行うものである。
アニール装置４６は、スピンコータ４５によって被処理基板２２上に塗布されたアモルファス膜に乾燥処理を行う装置である。この乾燥処理は、例えばアモルファス膜中のアルコール、水分などを除去する処理である。
アニール装置４６内には、被処理基板２２を保持して加熱するためのホットプレート（図示せず）が配置されている。このホットプレートは、被処理基板２２を所望の温度（例えば２００℃）に加熱することができる。
アニール装置４７は、被処理基板２２上に塗布されたアモルファス膜に窒素雰囲気中で所望の温度（例えば３００℃〜６００℃）の仮焼成を行うための装置である。アニール装置４７内には、被処理基板２２を保持して加熱するためのランプヒータ（図示せず）が配置されている。このランプヒータは、被処理基板２２を所望の温度に加熱することができる。また、アニール装置４７は、処理室内を所定の雰囲気にするためのガス導入機構と、処理室内を排気する排気系（真空ポンプ等）を有している。ガス導入機構は、例えば窒素を導入するものである。
ＲＴＡ３０は、図２及び図３に示す加圧式ランプアニール装置であって、被処理基板２２上に塗布されたアモルファス膜に例えば５００〜１０００℃の温度でランプアニール処理を行うための装置である。このランプアニール処理は加圧及び常圧のいずれの状態でも行うことが可能である。
冷却装置４３は、乾燥処理または仮焼成処理またはランプアニール処理などが行われた被処理基板２２を冷却するための装置である。
次に、上記の強誘電体膜の製造装置を用いて被処理基板を処理することで被処理基板に強誘電体膜を製造する方法について図２〜図４を参照しつつ説明する。この強誘電体膜は、例えばＰＺＴ膜である。
まず、図４に示すように、カセットステージ４１内の被処理基板を、搬送ロボット４４によってアライナー４２のアライメント処理室に搬送し、この被処理基板をアライメント処理室の保持機構によって保持する。この際、搬送室内は、空調機構によって空気中の塵の量が調整されており、アライメント処理室内は、空調機構によって空気中の塵の量が調整されている。
次いで、アライナー４２のアライメント処理室内で被処理基板の表面の中心位置を検出する処理を行う。この処理を行うのは、基板表面の中心位置を検出しておき、スピンコート処理を行う際に基板表面の中心位置と基板の回転中心を一致させるためである。
この後、スピンコータ４５のスピンコート処理室のゲートバルブ（図示せず）を開け、搬送ロボット４４によってアライナー４２のアライメント処理室内の被処理基板をスピンコート処理室内に搬送し、この被処理基板をスピンコート処理室内の保持機構によって保持し、ゲートバルブを閉じる。この際、スピンコート処理室内は、空調機構によって空気中の塵の量が調整されている。
この後、スピンコータ４５のスピンコート処理室内で被処理基板上にスピンコートにより膜を塗布する工程を行う。
この工程を以下に詳細に説明する。
洗浄ノズルによって被処理基板上に洗浄液を供給しつつ被処理基板を回転させる。これにより、被処理基板の表面が洗浄される。次に、洗浄液の供給を停止し、被処理基板を回転させることで、被処理基板上の洗浄液を除去する。
次に、滴下ノズルによって被処理基板上にケミカル材料を滴下しつつ被処理基板を回転させる。これとともに、エッヂリンスノズルによって基板表面の端部に洗浄液を滴下する。これにより、被処理基板上にはケミカル材料膜が塗布される。基板表面の端部に洗浄液を滴下する理由は、被処理基板上にスピンコートにより膜を塗布すると被処理基板の端部の膜厚が被処理基板の中央より厚く形成されるので、被処理基板の端部の膜を洗浄液で除去しながら塗布するためである。従って、エッヂリンスノズルを被処理基板の端部から中央側に少しずつ移動させることで、洗浄液を滴下する位置を被処理基板の端部から中央側に少しずつ移動させることが好ましい。
この後、スピンコータ４５のスピンコート処理室のゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によってスピンコート処理室内の被処理基板をアニール装置４６の乾燥処理室内に搬送し、この被処理基板を乾燥処理室内の保持機構によって保持し、ゲートバルブを閉じる。
この後、アニール装置４６の乾燥処理室内で被処理基板上のケミカル材料膜に乾燥処理を施す工程を行う。
この工程を以下に詳細に説明する。
排気機構によって被処理基板上に塗布された膜の表面上の空気を排気しながら、ホットプレートによって被処理基板を例えば２００〜２５０℃に加熱する。これにより、ケミカル材料膜中の水分等を除去する。
この後、アニール装置４７の仮焼成処理室のゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によって乾燥処理室内の基板を仮焼成処理室内に搬送し、この被処理基板を仮焼成処理室内の保持機構によって保持し、ゲートバルブを閉じる。
この後、アニール装置４７の仮焼成処理室内で被処理基板上のケミカル材料膜に仮焼成を施す工程を行う。
詳細には、排気系によって仮焼成処理室内を真空排気した後に、ガス導入機構によって仮焼成処理室内を真空雰囲気中または窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気で常圧とし、ランプヒータによって被処理基板上のケミカル材料膜を所望の温度（例えば３００℃〜６００℃）に加熱することで仮焼成を行う。
この後、ゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によってアニール装置４７の仮焼成処理室内の被処理基板を冷却装置４３の冷却処理室内に搬送し、この被処理基板を冷却処理室内の保持機構によって保持し、ゲートバルブを閉じる。この後、冷却処理室内で被処理基板を所定の温度まで冷却する。
この後、搬送ロボット４４によって冷却処理室内の基板をアライナー４２のアライメント処理室内に搬送し、この被処理基板をアライメント処理室内で被処理基板の表面の中心位置を検出する処理を行う。
この後、スピンコータ４５のスピンコート処理室のゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によってアライメント処理室内の被処理基板をスピンコート処理室内に搬送し、この被処理基板をスピンコート処理室内の保持機構によって保持し、ゲートバルブを閉じる。
この後、上述した方法と同様にスピンコート処理、乾燥処理、仮焼成処理の工程を複数回（例えば３０回）繰り返すことにより、基板上に複数のケミカル材料膜を積層して形成する。このように繰り返す回数が多いほど基板上に厚い膜（例えば膜厚が１μｍ以上）を形成することができる。この場合に前述した強誘電体膜の製造装置を用いることにより生産性を向上させることができる。詳細には、強誘電体膜の製造装置を制御部(図示せず)によって上述したように動作せることにより、スピンコート処理、乾燥処理、仮焼成処理を自動で行うことができる。このため、それぞれの処理を個別に行い、オペレータが手で基板を搬送すると手がしびれたり処理の順序を間違えたり搬送中に基板を落としたりすることも考えられるが、このようなことが起こらないという利点がある。従って、大量生産する際に生産性を向上させることができ、歩留りを高めることができる。
この後、アニール装置４７の仮焼成処理室のゲートバルブを開け、加圧式ランプアニール装置３０のゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によって仮焼成処理室内の被処理基板をＲＴＡ３０のアニール処理室内に搬送する。図２に示す加圧式ランプアニール装置３０において、被処理基板２２をステージ２３によって保持させ、ゲートバルブを閉じる。なお、仮焼成処理室内からアニール処理室５５内に被処理基板２２を搬送する搬送時間が１０秒以下であることが好ましい。
このように搬送時間を短くする理由は次のとおりである。搬送時間が長くなると強誘電体膜の特性に大きく影響を与える。詳細には、仮焼成後は、ケミカル材料膜の酸素活性が非常に高く酸素欠乏状態であるため、大気中の酸素と結合してしまい、膜の特性が劣化する。従って、搬送時間を短くすることが好ましい。
この後、アニール処理室５５内で被処理基板２２上の複数層のケミカル材料膜にランプアニール処理を施す工程を行う。
加圧式ランプアニール装置３０を使用する方法について図２及び図３を参照しつつ詳細に説明する。
図２に示す状態で被処理基板２２をステージ２３上に保持させた後に、図３に示すように、軸２７の先端に取り付けられた接触用基板２０を移動機構２６によって下方に移動させることで被処理基板２２上に接触用基板２０を重ねて置き、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させる。この際、接触用基板２０を被処理基板２２に押し付ける力を加えてもよい。このように接触用基板２０を被処理基板２２に接触させながら、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を酸素雰囲気で加熱する。これにより、アモルファス膜１６を酸化して結晶化することで強誘電体膜を形成することができる。なお、種結晶部材１３及びアモルファス膜１６を加圧酸素雰囲気で加熱してもよく、好ましくは４ａｔｍ以上の加圧酸素雰囲気で加熱するとよい。
この後、搬送ロボット４４によってＲＴＡ３０のアニール処理室内の被処理基板２２をカセットステージ４１内に搬送し、この被処理基板を収容する。
なお、本実施の形態では、被処理基板２２上に接触用基板２０を置く構成としていが、被処理基板２２と接触用基板２０の上下は逆でもよいし、左右に配置してもよい。
［実施の形態２］
＜強誘電体膜の製造方法＞
本実施の形態による強誘電体膜の製造方法は、実施の形態１による強誘電体膜の製造方法と同様であるので説明を省略する。
＜強誘電体膜の製造装置＞
図５は、本発明の一態様に係る加圧式ランプアニール装置３１を説明するための断面図であり、図２及び図３と同一部分には同一符号を付す。
図５に示す加圧式ランプアニール装置３１は、図２及び図３に示す加圧式ランプアニール装置３０の移動機構２６及び軸２７を有しない点で、加圧式ランプアニール装置３０と異なる。
図６は、本発明の一態様に係る強誘電体膜の製造装置の全体構成を示す模式図であり、この製造装置は、図５に示す加圧式ランプアニール装置３１を有している。
図６に示す強誘電体膜の製造装置は、単結晶基板ステージ４８を有する点で、図４に示す強誘電体膜の製造装置と異なる。この単結晶基板ステージ４８は、図５に示す接触用基板２０を収容するステージである。


次に、上記の強誘電体膜の製造装置を用いて被処理基板を処理することで被処理基板に強誘電体膜を製造する方法について図５及び図６を参照しつつ説明するが、実施の形態１と同一部分の説明は省略する。
図６に示すように、アニール装置４７の仮焼成処理室のゲートバルブを開け、加圧式ランプアニール装置３１のゲートバルブを開け、搬送ロボット４４によって仮焼成処理室内の被処理基板をＲＴＡ３０のアニール処理室内に搬送するまでの工程は、実施の形態１と同様である。
次いで、図５に示す加圧式ランプアニール装置３１において、被処理基板２２をステージ２３によって保持させた後に、搬送ロボット４４によって単結晶基板ステージ４８から接触用基板２０を取り出し、この接触用基板２０を処理室５５内に搬送し、被処理基板２２上に接触用基板２０を重ねて置き、アモルファス膜１６に種結晶部材１３を接触させる。そして、ゲートバルブを閉じる。
この後、実施の形態１と同様の方法で、加圧式ランプアニール装置３１によってアモルファス膜１６を酸化して結晶化することにより強誘電体膜を形成することができる。
以下、本実施例について説明する。
図５及び図６に示す強誘電体膜の製造装置を用いて被処理基板２２を作製した。以下に詳細に説明する。
６インチＳｉウエハ１４上に膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜上に膜厚１０ｎｍのＴｉＯ２膜を形成する。
次に、ＴｉＯ２膜上に第１のＰｔ膜をスパッタリング法により５５０〜６５０℃の温度で成膜する。アルゴンガス圧0.4Ｐａ、DCパワー100Wの電源出力で25分の成膜時間で形成した。
次に、第１のＰｔ膜上に第２のＰｔ膜を蒸着法により常温で成膜する。3.3×10-3Torr、10kVの電源出力で4分の成膜時間で形成した。
次に、ＲＴＡによりＳｉウエハ１４に６５０〜７５０℃の温度で１〜５分間の熱処理を施す。このようにして表面に（００１）配向させた膜厚１５０ｎｍのＰｔ膜１５を形成した６インチＳｉウエハを用意する。
次に、ＰＺＴゾルゲル溶液を用意する。ＰＺＴゾルゲル溶液は、濃度が２５重量％のＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８）でＰｂが２０％過剰な溶液である。
次に、Ｐｔ膜１５上にゾルゲル溶液をスピンコート法により塗布することにより、このＰｔ膜１５上に１層目の塗布膜が形成される。詳細には、500μLのゾルゲル溶液を塗布し、0〜1500rpmまで上昇させ、1500rpmで30sec保持した後、3000rpmで10sec回転後、停止させた。
次いで、この塗布されたＰＺＴゾルゲル溶液をホットプレート上で２５０℃に加熱しつつ３０秒間保持して乾燥させ、水分を除去した後、さらに高温に保持したホットプレート上で４５０℃に加熱しつつ９０秒間保持して仮焼成を行う。
上記の回転塗布、乾燥、仮焼成を１０回繰り返し、強誘電体材料を含む１０層のＰＺＴアモルファス膜を生成する。このＰＺＴアモルファス膜の膜厚は３μｍであった。
次に、図１に示す接触用基板２０を用意する。この接触用基板２０は表面に種結晶膜１３を有しており、この種結晶膜１３は、（００１）に配向し、かつ非常に良好な結晶性を有するペロブスカイト構造のＰＺＴ膜である。
そして、仮焼成を行った後のＰＺＴアモルファス膜に接触用基板２０の種結晶膜１３を接触させながら加圧式ランプアニール装置（RTA: rapidly thermal anneal）を用いて酸素分圧１０ａｔｍ、５ａｔｍ、１ａｔｍの酸素雰囲気で７００℃の温度に２０分間保持してアニール処理を行い、ＰＺＴ結晶化を行う。このようにして３種類の酸素分圧による実施例のサンプルのＰＺＴ膜を作製した。
比較例として、接触用基板２０を接触させずに、酸素分圧を１０ａｔｍとした以外は上記の実施例と同様の条件で、サンプルを作製した。
図７は、酸素分圧１０ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。
図８は、酸素分圧５ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。
図７及び図８に示すように、ゾルゲル法によって形成したＰＺＴ膜であっても、（００１）に配向し、単一配向性且つ結晶性が非常に高い（ピーク強度の強い）ＰＺＴ膜を作製することができた。
つまり、図７または図８に示す強誘電体膜は、（００１）に単一配向したＰＺＴ膜である。なお、本実施例では、ＰＺＴ膜を示しているが、本発明の一態様を適用することにより、（００１）に単一配向したＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなる強誘電体膜を実現することができる。
図９は、酸素分圧１ａｔｍで作製した実施例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。図９に示すように、ゾルゲル法によって形成したＰＺＴ膜であっても、（００１）に優先配向したＰＺＴ膜を作製することができた。
図１０は、酸素分圧１０ａｔｍで作製した比較例のサンプルのＰＺＴ膜をＸＲＤ回折で結晶性を評価した結果を示す図である。図１０に示すように、酸素分圧を１０ａｔｍにしても全体に結晶性が非常に弱く（ピーク強度は非常に弱い）、且つ（１１０）に優先配向したＰＺＴ膜が得られた。
本実施例によれば、ゾルゲル法を用いて作製しても単一配向性または優先配向性が高い強誘電体膜が得られることが確認できた。特に、接触用基板の種結晶膜のペロブスカイト構造は被処理基板のＰＺＴを結晶化させ易く、一部でも結晶化すれば、結晶の隣のアモルファス部分も簡単に結晶化が続いて起こることが確認できた。
１１ シリコンウエハ
１２ Ｐｔ膜
１３ 種結晶部材
１４ シリコンウエハ
１５ Ｐｔ膜
１６ 強誘電体材料を含むアモルファス膜
２０ 接触用基板
２１ Ａｌ製のチャンバー
２２ 被処理基板
２３ ステージ
２４ 石英ガラス
２５ ランプヒータ
２６ 移動機構
２７ 軸
２８ 圧力調整ライン（ガス排気機構）
２９ 加圧ライン
３０，３１ 加圧式ランプアニール装置
４１ カセットステージ
４２ アライナー
４３ 冷却装置
４４ 搬送ロボット
４５ スピンコータ
４６，４７ アニール装置
４８ 単結晶基板ステージ
５５ 処理室
１０１ 基板
１０２ Ｐｔ膜
１０３ ＰＺＴ膜

Claims (28)

  1. 処理室と、
    前記処理室内に配置され、ゾルゲル法により形成された強誘電体材料を含むアモルファス膜を有する基板を保持する保持部と、
    前記保持部に保持された前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる機構と、
    前記処理室内に酸素ガスを導入するガス導入機構と、
    前記処理室内のガスを排気するガス排気機構と、
    前記処理室内を加熱する加熱機構と、
    を具備し、
    前記種結晶部材を接触させる機構は、軸を上下に移動させる移動機構と、前記軸の先端に取り付けられ、前記種結晶部材を有する接触用基板とを有し、
    前記基板上に前記接触用基板を重ねることで、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を接触させながら酸素雰囲気で加熱することにより、前記アモルファス膜を酸化して結晶化することで強誘電体膜を製造し、
    前記アモルファス膜と前記種結晶部材との接触は、点接触の集合体による接触であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  2. 請求項１において、
    前記強誘電体膜は、前記種結晶部材の配向と同一の配向を有することを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  3. 請求項１または２において、
    前記種結晶部材は、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた種結晶膜、或いはブリッジマン法により作製した単結晶バルクであることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記ガス導入機構は、前記処理室内に加圧された前記酸素ガスを導入する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記ガス導入機構は、前記処理室内に前記酸素ガスを導入することで、前記処理室内を４ａｔｍ以上に加圧する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる機構は、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を一定の圧力で加圧して接触させる機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記種結晶部材は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（１）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
    Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（１）
  8. 請求項７において、
    前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（２）を満たし、前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（３）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
    Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２）
    （Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３）
  9. 請求項７または８において、
    前記種結晶部材は（００１）に配向され、
    前記強誘電体膜は（００１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  10. 請求項７または８において、
    前記種結晶部材は（１１１）に配向され、
    前記強誘電体膜は（１１１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項において、
    前記強誘電体膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（４）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
    Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（４）
  12. 請求項９において、
    前記種結晶部材の前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ３ 膜または前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ３ 膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（５）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
    ５２／４８＜Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（５）
  13. 請求項１０において、
    前記種結晶部材の前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ３ 膜または前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ３ 膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（６）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ＜５２／４８ ・・・（６）
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項において、
    前記加熱機構は、前記処理室内にランプヒータによってランプ光を照射する機構であることを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
  15. 種結晶部材を有する接触用基板を用意し、
    基板上に強誘電体材料を含むアモルファス膜をゾルゲル法により形成し、
    前記基板上に前記接触用基板を重ねることで、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を接触させながら酸素雰囲気で加熱することにより、前記アモルファス膜を酸化して結晶化することで強誘電体膜を形成し、
    前記種結晶部材を前記強誘電体膜から離し、
    前記アモルファス膜と前記種結晶部材との接触は、点接触の集合体による接触であることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  16. 請求項１５において、
    前記アモルファス膜に前記種結晶部材を接触させながら酸素雰囲気で加熱することは、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を接触させ、且つ前記アモルファス膜と前記種結晶部材との間を有機溶媒で満たしながら酸素雰囲気で加熱することであることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  17. 請求項１５または１６において、
    前記強誘電体膜は、前記種結晶部材の配向と同一の配向を有することを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  18. 請求項１５乃至１７のいずれか一項において、
    前記種結晶部材は、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた種結晶膜、或いはブリッジマン法により作製した単結晶バルクであることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  19. 請求項１５乃至１８のいずれか一項において、
    前記酸素雰囲気で加熱する際は、加圧酸素雰囲気であることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  20. 請求項１５乃至１９のいずれか一項において、
    前記酸素雰囲気で加熱する際は、４ａｔｍ以上の加圧酸素雰囲気であることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  21. 請求項１５乃至２０のいずれか一項において、
    前記アモルファス膜に種結晶部材を接触させる際は、前記アモルファス膜に前記種結晶部材を一定の圧力で加圧して接触させることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  22. 請求項１８乃至２１のいずれか一項において、
    前記種結晶部材は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（１）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
    Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（１）
  23. 請求項２２において、
    前記Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（２）を満たし、前記（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜の各元素数比が下記式（３）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
    Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＜１．０３ ・・・（２）
    （Ｐｂ＋Ａ）／（Ｚｒ＋Ｔｉ）≦１．３５ ・・・（３）
  24. 請求項２２または２３において、
    前記種結晶部材は（００１）に配向され、
    前記強誘電体膜は（００１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  25. 請求項２２または２３において、
    前記種結晶部材は（１１１）に配向され、
    前記強誘電体膜は（１１１）に配向されることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
  26. 請求項１５乃至２５のいずれか一項において、
    前記強誘電体膜は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（４）を満たすＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜または（Ｐｂ，Ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３膜であり、
    Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ及びＬａからなる群から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（４）
  27. 請求項２６において、
    前記種結晶部材は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（５）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
    ５２／４８＜Ｚｒ／Ｔｉ≦４０／６０ ・・・（５）
  28. 請求項２５において、
    前記種結晶部材は、Ｚｒ／Ｔｉ比が下記式（６）を満たすことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
    ６０／４０≦Ｚｒ／Ｔｉ＜５２／４８ ・・・（６）
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