JPH03262173A

JPH03262173A - 酸化物薄膜デバイス

Info

Publication number: JPH03262173A
Application number: JP2059914A
Authority: JP
Inventors: Yukio Sakashita; 幸雄坂下
Original assignee: Nippon Mining Co Ltd; Nikko Kyodo Co Ltd
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1990-03-13
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1991-11-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、半導体層と金属層及び金属酸化物層より成る
薄膜デバイスに関するものである。

従来の技術従来、ＡＢＯ３型ペロブスカイト構造酸化物薄膜を（１
１１）配向させるためには、格子定数の整合性より、基
板にはサファイアの（０００１）面が用いられてきた。

（例えば、Ｍ、Ａｄａｃｈｉ　ｅｔａｌ　ＪＪＡＰ　２
６，５５０．（＋９８７）　）しかし、現在の電子デバ
イスの主流がシリコン半導体であることを考えると、酸
化物強誘電体薄膜をシリコン基板上に配向させて形成で
きればその強誘電性、圧電性、焦電性等を応用した高機
能高集積薄膜デバイスの開発が可能と成る。

しかしながら、シリコン上に前述の強誘電体薄膜を従来
法により形成すると膜は配向しない。（岡１）他　日本
セラミックス協会学術論文誌９６．６８７．　（＋９８
８）　）。ただし、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ、０
．）　をバッファー層に用いた場合は膜が配向するとい
う報告（松原他　エレクトロニク・セラミクス　’８７
．９２２）があるが、この場合は（＋００）配向であり
（１１１）配向ではない。

発明が解決しようとする問題点前述のごとく、シリコン基板」二に酸化物強誘電体薄膜
を配向させて形成できれば、種々の高機能デバイスへの
応用が考えられる。しかし、従来技術ではシリコン基板
」１には前述の強誘電体薄膜を（１１１）配向させるこ
とはできない。例えば、一定成分の一定配向に置けるメ
モリー素子等への利用を考えた場合、（ｌＯＯ）配向で
あるとその特性向上の観点から望ましくなく、（１１１
）配向させることが可能な手法が望まれていた。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するものでシリ
コン及び化合物半導体単結晶基板」−に（ｉｌｌ）配向
した強誘電体薄膜を有する簿膜デバイスを提供すること
を目的とする。

発明の構成即ち本発明は、シリコン又は化合物半導体単結晶基板（
１１１）面上に（１１１）配向した貴金属薄膜（Ａｇ、
　Ａｕ、　Ｐｔ、　Ｐｄの一種以上）を形成し、その」
二に一般式がＡＢＯ３（Ａとして円］、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍ
ｇ及び希土類元素の群から選ばれる一種以」−の元素、
ＢとしてＴｉ、Ｚｒの一方または両方）で表され、ペロ
ブスカイト型構造を有する酸化物薄膜を（１１１）配向
させて形成して成る構／造を有する薄膜デバイスである。

問題点を解決する手段本発明で用いる基板は、シリコン又は化合物半導体単結
晶で面方位が（１１１）のものである。シリコンは、ド
ーピング剤としてＢ、ＡＩ、Ｎ。

Ｐ等をドーピングしたもの、あるいはノンドビングのも
のである。化合物半導体としては、例えばＧａＡｓ、Ｇ
ａＰ、　ＴｎＰ等である。面方位を− （ＩＩＩ）としておくのは、後に形成する酸化物薄膜を
（１１１）に配向させるためである。

ついで、前記単結晶基板上にＡｇ、　Ａｕ、　Ｐｔ、　
Ｐｄ等の貴金属薄膜を（ＩＩＩ）配向させて形成する。

薄膜形成法は、蒸着法、スパッタ法等で行ない、（ＩＩ
Ｉ）配向となる所定の基板温度とすれば容易に形成でき
る。基板温度は、例えば１５０〜３５０℃である。また
ここでの膜厚は、Ｏ０１〜０．５μｍ程度である。ここ
で膜は、−層重」−形成する。酸化物薄膜を形成する方
法は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等−船釣な酸化物薄
膜形成法で良いが、基板温度を低くするために光ＣＶＤ
法やＥＣＲプラズマＣＶＤ法等を用いるのが好ましい。

本発明者らは、鋭意努力の結果、単結晶基板（１１１）
面と、ＡＢＯ３（ＡとしてＰｂ、　Ｂａ、　Ｓｒ、　Ｍ
ｇ及び希土類元素の群から選ばれる一種以上の元素、Ｂ
としてＴｉ、Ｚｒの一方または両方）で　− 表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物簿膜の間
に、バッファー層として該貴金属簿膜を形成することに
より、前記酸化物薄膜を（＋１１）配向させることが可
能であることを見出した。例えば、ＰＺＴの薄膜をＣＶ
Ｄ法で形成する場合には、Ｐ　ｂ　（Ｃ，Ｈ，）　、、
Ｚｒ　　（ｔ−Ｃ４Ｈ，）、Ｔｉｃｋ、を用い、不活性
ガスをキャリヤーガスとし、ソース原料は、それぞれ−
５〜−１５℃、６５〜７５℃、１０〜３０℃に保持する
。これは、良好な膜質を得るため所定の蒸気圧が必要だ
からである。

キャリヤーガスの流量は、それぞれ、１１０〜１７０．
１６０〜２２０．１０〜２０ｍ１／分０２流量２００〜
３００ｍＪ／分で行う。

酸化反応を促進するため、過剰であることが望ましい。

反応器内圧は、０．０１〜１０ｔｏｒｒである。これは
０，０１ｔｏｒｒより低いと成膜速度が遅くなり、］０
ｔｏｒｒよリ高いと緻密な平滑面が得られないからであ
る。基板温度は、４００〜７００℃とする。

これは、４００℃より低いとペロブスカイト構造の酸化
物ができないためであり、７００℃より低くなければ、
電極材料の拡散を生じ望ましくないからである。膜厚は
、例えば０゜３〜１０μｍであり、より好ましくは０．
５〜１．２μｍとする。これは、少い電圧で稼動出来る
ためである。

即ち、本発明を用いることにより、半導体単結晶（ｉｌ
ｌ）面上に（ＩＩＩ）配向した酸化物薄膜デバイスの作
製が可能になる。その−例としては、焦電型赤外線セン
サーがある。具体的には、Ｐｂ（ＺｒｘＴｔ＋−Ｘ）０
３　（以下ＰＺＴと略す）において、０．９２＞Ｘ＞０
．５２の領域、即ち菱面体晶系の領域では、ＰＺＴの分
極は（１１１）方向、°・・であるので、」１記薄膜デ
バイスでは分極方向が基板に垂直になり、焦電係数の増
大が期待できる。また、該組成のＰＺＴのＤ−Ｅヒステ
リシスは、抗電界が小さく残留分極が大きいので、」１
記薄膜デバイスを不揮発性メモリ素子に応用することが
可能である。さらに、前記薄膜デバイスでは、バッファ
ー層として用いた該貴金属簿膜をそのまま下部電極とし
て利用できるという長所もある。

このように、本発明を用いることにより、シリコン又は
化合物半導体単結晶基板」−に、（ＩＩＩ）配向した酸
化物強誘電体薄膜の形成が可能となる。これにより、そ
の強誘電性、圧電性、焦電性、電気光学特性と熟成した
半導体集積回路技術を融合化させることにより、多機能
高機能薄膜デバイスの作製が可能になる等、その波及効
果は絶大である。

実施例１ ≧邦１（ＩＩＩ）単結晶基板上にＡｇを（１１１）配向
させて形成し、その上にｐ　Ｚ　Ｔ　Ｆｆｉ膜をＭ　Ｏ
ＣＶ７Ｄ法により形成した。第１図は本実施例の説明図で、ｌ
は５ｉ（１１１）単結晶基板、２は蒸着法により作製し
たＡｇ（ＩＩＩ）配向膜、３はＰＺＴ膜である。Ａｇの
蒸着は基板温度３００℃で行ない、膜厚は約０．２μ川
とした。ＰＺＴ薄膜の作製はＭＯＣＶＤ法により行なっ
た。ソース原料としては、ｐｂ（ｃ２Ｈ５）４＋ｚｒ（
叶Ｍ）、　、　Ｔｉ　（ｉ−ＱＣ３Ｈ？）４　　を用い
、Ａｒをキャリアガスとして反応器内に導入し、基板近
傍で熱分解及び酸化反応を行ない成膜した。ソース原料
はそれぞれ−１０℃、１８５℃、２０℃に保持し、それ
ぞれのキャリアガス流量は１３０．１５０．３０ｍ１／
ｍｉｎ、０２流量２００ｍ１／ｍｉｎ　、反応器内全圧
的ＩＴｏｒｒ　、基板温度５５０°Ｃとした。膜厚は２
μｍとした。生成した膜をＥＰＭＡで組成分析し、ＸＲ
Ｄで結晶構造及びその方位を評価した。ＥＰＭＡの結果
、生成膜はＺｒ：Ｔｉ＝７：３であった。また、ＸＲＤ
の結果より、生成膜はペロブスカイト構造のＰＺＴであ
り、（１１１）配向していることがわかった。

実施例２Ｓｉ（１１１）単結晶基板」二にＡｇを（１１１）配向
させて形成し、その上にｐｔを（１１１）配向させて形
成し、さらにその上にＰＺＴ薄膜を形成した。第２図は
本実施例の説明図で、ｌはＳｉ　（１１１）単結晶基板
、２は蒸着法により作製したＡｇ（１１１）配向膜、３
はスパッタ法により作製したＰｔ（ＩＩＩ）配向膜、４
はＰＺＴ膜である。

Ａｇの蒸着は基板温度３００℃で行ない、膜厚は約０．
１μｍとした。ｐｔのスパッタは基板温度３００℃で行
ない、膜厚は約０．３μｍとした。Ｐ　ＺＴ薄膜の作製
は光ＣＶＤ法により行なった。

ソース原料としては、Ｐｂ（Ｃ２Ｎ、）４．Ｚｒ（ｔ−
ＣＩＮ、）４、ＴｉＣ１，を用い、Ａｒをキャリアガス
として反応器内に導入し、基板近傍で熱分解及び酸化反
応を行ない成膜した。その際、水銀ランプを用いて基板
に垂直に紫外光を照射し、反応系にエネルギーを供給し
た。ソース原料はそれぞれ一１０℃、７０℃、２０°Ｃ
に保持し、それぞれのキャリアガス流量は１５０．１７
０．２０ｍ１／ｍｉｎ、０２流量２５０ｍ１／ｍｉｎ　
、反応器内全圧的０．０５Ｔｏｒｒ、基板温度４５０℃
　とした。膜厚は０．７μｍとした。

生成した膜をＥＰＭＡで組成分析し、ＸＲＤで結晶構造
及びその方位を評価した。ＥＰＭＡの結果、生成膜はＺ
ｒ：Ｔｉ＝８：２であった。また、ＸＲＤの結果より、
生成膜はペロブスカイト構造のＰＺＴであり、（１１１
）配向していることがわかった。

発明の効果（１）シリコン又は化合物半導体単結晶基板る酸化物薄
膜を（１１１）配向させることが可能である。

（２）シリコン基板上に（ＩＩＩ）配向の酸化物強誘電
体簿膜を形成できることにより、高機能デバイス、例え
ば焦電型赤外線センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、３層構造からなる本発明の一熊様である。第２図は、４層構造からなる本発明の一態様である。

Claims

【特許請求の範囲】

　シリコン又は化合物半導体単結晶基板（１１１）面上
に（１１１）配向した貴金属薄膜（Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、
Ｐｄの一種以上）を形成し、その上に一般式がＡＢＯ＿
３（ＡとしてＰｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ及び希土類元素の
群から選ばれる一種以上の元素、ＢとしてＴｉ、Ｚｒの
一方または両方）で表され、ペロブスカイト型構造を有
する酸化物薄膜を（１１１）配向させて形成して成る構
造を有する薄膜デバイス。