JPH0462715A - 薄膜誘電体材料 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、無機系の薄膜誘電体材料に関する。

（従来の技術） 従来から、誘電性、圧電性、焦電性等を利用する無機系
の誘電体材料としては、ペロブスカイト型と呼ばれる結
晶構造を有する一部の化合物の焼成多結晶体や、水晶、
ニオブ酸リチウム、ロッシェル塩等の単結晶が主として
用いられてきた。

一方、近年、電子機器の小型化、高速化に伴い、コンデ
ンサ等の回路素子や、誘電体材料を用いた圧電素子、焦
電型光検出器、電気光学偏光素子等の各種機能素子にお
いても、小型化、高密度実装化の要求が高まってきてお
り、このような要求に応えるために、上述したような誘
電体材料を薄膜化して用いることが実施されている。

上述したような誘電体薄膜は、スパッタ法、ＣＶＤ法、
イオンブレーティング法、蒸着法等の各種の成膜法によ
って形成することが試みられており、例えば成膜基板の
温度を高温にし、直接、誘電体の結晶化膜を得る方法や
、低温状態の基板上に例えばアモルファス状態等の薄膜
を形成し、熱処理を施して結晶化させことにより、誘電
体薄膜を得る方法等により成膜されている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述したような誘電体薄膜においては、コン
デンサ等の回路素子や各種機能素子の高性能化を図るた
めに、さらに誘電特性を向上させることか望まれている
。

しかしながら、上述したような従来の誘電体薄膜の製造
方法では、いずれも高温プロセスを経ることによって、
熱的に平衡な状態として得られるため、例えばペロブス
カイト結晶を構成する元素の配合を変えて誘電特性の改
良を試みても限界があった。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
のであり、既存の誘電体を用いた薄膜材料をはるかに上
回る誘電特性を有する薄膜誘電材料を提供することを目
的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の薄膜誘電体材料は、少なくとも　２種類の誘電
体を用いた薄膜を積層した多層膜構造を具備する薄膜誘
電体材料であって、前記多層膜構造の少なくとも一部と
して、隣接した誘電体薄膜が異なる積層部を有すること
を特徴としている。

すなわち本発明は、２種類以上の格子定数のわずかに異
なる誘電体薄膜を、結晶方位を揃えかつ界面を整合させ
て交互に積層し、結晶に非常に大きな歪みを与えること
により、各種誘電特性の飛躍的な向上を実現したもので
ある。

本発明の薄膜誘電体材料においては、結晶中でイオンが
変位することにより自発分極が生じる、強誘電性の結晶
として知られている誘電体材料を多層膜構造中の薄膜の
少なくとも　１種として用いることが好ましい。このよ
うな誘電体材料としては、具体的にはＢａＴｉＯ３、Ｐ
ｂＴｉＯ３等のペロブスカイト型、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ
ＴａＯ３等のニオブ酸リチウム型、Ｋ３　Ｌｉ２　Ｎｂ
５０□９等のタングステンブロンズ型等が例示される。

これらの誘電体結晶では、非常に大きな歪みを加えるこ
とにより、イオンが変位して自発分極が生じたり、ある
いは分極が大きくなって誘電特性か向上する。

また、本発明においては、結晶構造か異なる複数の誘電
体薄膜の界面を整合させて積層する必要があるため、誘
電体薄膜各層の格子定数の差が５％以内となるように、
各薄膜の材料となる誘電体を選択して用いることが好ま
しい。さらに、同様な理由から、誘電体薄膜各層の面方
位のずれは１０度以内とすることが好ましい。これらの
条件を満足させることによって、格子定数の異なる複数
の誘電体薄膜を結晶方位を揃えかつ界面を整合させて交
互に積層することが可能となる。

本発明の薄膜誘電体材料の具体的な構造としては、まず
２種類の誘電体薄膜を交互に積層した構造か例示される
が、これに限定されるものではなく、３種類以上の誘電
体薄膜を順次積層した構造や、また積層順位を適宜入れ
替えたもの等、隣接した誘電体薄膜が異なるように積層
した積層部を有するものであれば、各種の多層膜構造を
採用することが可能である。また、多層膜構造の一部を
上記構造としたものであってもよい。

また、誘電体薄膜の積層周期は、ｔｏｎｓ以内とするこ
とが好ましい。これは、積層周期かあまり大きくなると
、各結晶に与える歪みを十分に大きくすることができな
くなるためである。

ここで、酸化物等の誘電体結晶を積層して多層膜とする
ためには、相互の拡散が生じないような低温の成膜プロ
セスによって作製する必要があるが、低温プロセスによ
って結晶化薄膜や多層膜を形成することは、一般には困
難とされている。

そこで、本発明の薄膜誘電体材料においては、異なる誘
電体薄膜を結晶方位を揃えて積層する方法として、イオ
ン工学的な手法を用いて誘電体の結晶成分の一部を加速
励起する成膜方法、すなわち誘電体薄膜を構成する少な
くとも　ｌ成分の原子、分子あるいはクラスターをイオ
ン化し、電場中で加速して成膜する方法を適用し、低温
プロセスで成膜することが好ましい。なお、ここでいう
低温プロセスとは、誘電体薄膜が絶対温度で融点ないし
は分解点の１／３以上の温度履歴を経ない状態を指すも
のとする。例えば成膜時の基板温度を３００℃以下とい
うように低温に設定することである。

イオンビームガン等を使用して、１原子あたり数ｅＶか
ら数十ｅＶの加速電圧で励起して成膜を行うと、加速エ
ネルギーが結晶化する際の活性化エネルギーとして利用
されるため、低温成膜プロセスによっても良好な膜質の
結晶化薄膜が得られる。

上記加速する際の１原子当りのエネルギーが１ｅＶ以下
である場合は、加速の効果がほとんど見られず、一方１
０００ｅＶ以上であると成膜時に結晶に損傷を生じて良
質な結晶が得られ難い。

具体的な成膜方法としては、原子あるいは分子をイオン
化し、電界中で加速して成膜を行うイオンビームデポジ
ション法や、成膜材料をルツボ中で加熱してノズルから
噴出させてクラスターにした後、イオン化して電界中で
加速して成膜を行うクラスターイオンビーム成膜法等が
例示される。

また、これらの方法による成膜の際に、誘電体の他の成
分をクヌーセン・セルを使用した蒸着（分子線エピタキ
シー成膜法）により供給したり、また酸化物の場合は酸
素ガスあるいは酸素ラジカルを成膜雰囲気として供給し
てもよい。

本発明の薄膜誘電体材料は、上述したような成膜方法を
用いて、異なる誘電体薄膜を所望の順位で積層すること
により得られる。

（作　用） 本発明の薄膜誘電体材料においては、２種類以上の格子
定数のわずかに異なる非常に薄い誘電体薄膜を、結晶方
位を揃えかつ界面を整合させて交互に積層した多層膜構
造としている。このような多層膜では、構成する誘電体
薄膜結晶の間に格子定数の差に相当する非常に大きな歪
みか加わるため、結晶内のイオンが平衡位置から変位す
ることによって自発分極が生じ、誘電特性の向上を図る
ことができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。

実施例 本発明を適用して、第１図に示すような多層膜構造の薄
膜コンデンサを製造した。

ます、シリコン基板１の表面に、スパッタ法によりアル
ミニウムからなる膜厚１．２±０．２μｍの電極層２を
形成した。次いで、この電極層２上にイオンビーム成膜
法により、ＢａＴｉ０ａ結晶膜３とＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）
０３結晶膜４とを、それぞれ膜厚３ｎｍで２０層交互に
積層して多層誘電体膜５を形成した。

これらの結晶膜３．４の成膜条件は、５Ｘ　１Ｏ−８Ｔ
ｏｒｒの真空中にて、酸素イオンをイオンガンで２０ｅ
Ｖに加速して成膜面に打ち込むと共に、クヌーセンセル
を使用してＢａＴｉＯ３結晶膜３の場合には、Ｂａおよ
びＴｉを、またＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）０３結晶膜４の場合
には、ＰｂＳＺｒおよびＴｉを同時に蒸着した。なお、
成膜時の基板温度は、２００℃に設定した。また、成膜
速度は、それぞれ３Ｏｍ／分であった。

なお、ＢａＴｉＯ３結晶の格子定数は３．９９人、Ｐｂ
（Ｚｒ、Ｔｉ）０３結晶の格子定数は４，１０人であり
、その差は５％以内である。また、成膜後に各結晶膜３
．４の面方位のずれをＸ線回折より確認したところ、最
大でも　４度であった。

この後、多層誘電体膜５上にスパッタ法によりアルミニ
ウムからなる電極層６を形成して、薄膜コンデンサを得
た。

このようにして得られた誘電体薄膜の多層膜構造を有す
る薄膜コンデンサの誘電特性を測定したところ、残留分
極が１　、２Ｃ／ｄと非常に大きな強誘電体特性を示し
た。

また、本発明との比較として、上記実施例による薄膜コ
ンデンサにおいて、多層誘電体膜５の部分を同一の厚さ
のＢａＴｉＯ３誘電体膜およびＰｂ（Ｚｒ。

Ｔｉ）（ｈ誘電体膜とする以外は、同一構造の薄膜コン
デンサをそれぞれ作製した。これら比較例による薄膜コ
ンデンサの誘電特性を測定したところ、それぞれ残留分
極は０．２５Ｃ／ｒ＆、０．７２Ｃ／ｒｄであった。

このように、異なる誘電体薄膜を交互に積層した多層膜
構造の誘電体材料を用いることにより、優れた誘電特性
を得ることができる。

なお、上記実施例においては、本発明を薄膜コンデンサ
に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば半導体メモリの電荷蓄積用
のキャパシタ膜、圧電振動子の圧電材料、焦電型光検出
器の焦電材料、光半導体の先導波路、画像記憶素子の誘
電材料、電気光学偏光素子の誘電材料等としても有効で
ある。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の薄膜誘電体材料によれば
、異なる誘電体薄膜の多層膜構造を採用したことによっ
て、優れた誘電特性が得られる。

よって、各種誘電体材料を用いた素子の高機能化に大き
く貢献することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した一実施例の薄膜コンデンサの
構造を模式的に示す断面図である。 １・・・・・・基板、２．６・・・・・・電極層、３・
・・・・・ＢａＴｉＯ３結晶膜、４・・・・・・Ｐｂ（
Ｚｒ、Ｔｉ）０３結晶膜、５・・・・・・多層誘電体膜
。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２種類の誘電体を用いた薄膜を積層し
   た多層膜構造を具備する薄膜誘電体材料であって、前記
   多層膜構造の少なくとも一部として、隣接した誘電体薄
   膜が異なる積層部を有することを特徴とする薄膜誘電体
   材料。
2. （２）請求項１記載の薄膜誘電体材料において、前記各
   誘電体の結晶の格子定数の差が５％以内であることを特
   徴とする薄膜誘電体材料。
3. （３）請求項１記載の薄膜誘電体材料において、前記多
   層膜構造における各誘電体薄膜の結晶の面方位のずれが
   １０度以内であることを特徴とする薄膜誘電体材料。