JPH05263240A - Production of dielectric thin film and its device - Google Patents

Production of dielectric thin film and its device

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JPH05263240A
JPH05263240A JP6311992A JP6311992A JPH05263240A JP H05263240 A JPH05263240 A JP H05263240A JP 6311992 A JP6311992 A JP 6311992A JP 6311992 A JP6311992 A JP 6311992A JP H05263240 A JPH05263240 A JP H05263240A
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JP
Japan
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thin film
irradiation
site
substrate
dielectric thin
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JP6311992A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigenori Hayashi
重徳 林
Kenji Iijima
賢二 飯島
Takashi Hirao
孝 平尾
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To synthesize the dielectric thin film of a perovskite type oxide at a low temp. with good compsn. controllability by subjecting a substrate to at least one of the irradiation selected from irradiation with oxygen ion beams, irradiation with light and irradiation both with oxygen ion beams and laser beams. CONSTITUTION:Multielement vapor deposition mechanisms consisting of quaternary ion beam sputtering of, for example, ion sources 1, 2, 3 and 4 are used as the main deposition mechanism for the perovskite type composite compd. constituted of ABO3. The dielectric thin film is deposited on the substrate 10 while the assisting by an ion source 11 and/or an assist light source 12 is executed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の製造方法及びそ
の装置に関するものである。特に、誘電体薄膜の製造に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film manufacturing method and apparatus. In particular, it relates to the production of dielectric thin films.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜化技術は、エレクトロニクス分野、
特に、半導体製造プロセスを中心に発展し、新材料の開
発と共に進歩してきた。これらの薄膜は、単体元素の場
合はごくまれで、一般に合金あるいは化合物である場合
が多く、形成方法により著しく特性が変化する。これら
新材料の創成およびそのデバイス化は、人工格子材料な
どに代表されるように、薄膜化技術の向上によるところ
が多い。
2. Description of the Related Art Thin film technology is used in the electronics field,
In particular, it has been developed mainly in the semiconductor manufacturing process and has progressed along with the development of new materials. These thin films are extremely rare in the case of a simple element, and in many cases, they are generally alloys or compounds, and their characteristics remarkably change depending on the forming method. The creation of these new materials and their deviceization are mostly due to the improvement of thin film technology, as represented by artificial lattice materials.

【0003】近年注目されている薄膜材料に、ABO3
で構成されるペロブスカイト型構造を有する誘電体材料
がある。ここで、Aサイトは、Pb、Ba、Srまたは
Laの少なくとも1種、Bサイトは、TiおよびZrの
うち少なくとも1種の元素を含む。(Pb1-x Lax
(Zry Ti1-y 1-x/4 3 系、BaTiO3 系に代
表される強誘電体は、優れた強誘電性、圧電性、焦電
性、電気光学特性等を示し、これを利用した種々の機能
デバイスが検討されている。特に、半導体ICの分野に
おいては、新しいデバイス、不揮発性メモリーへの応用
が期待されている。また、SrTiO3 系は強誘電性こ
そ示さないものの、高誘電率材料として超高密度DRA
Mのキャパシタ絶縁膜への応用が期待されている。
ABO 3 is a thin-film material that has been receiving attention in recent years.
There is a dielectric material having a perovskite structure composed of Here, the A site contains at least one element of Pb, Ba, Sr, or La, and the B site contains at least one element of Ti and Zr. (Pb 1-x La x )
Ferroelectric materials represented by (Zr y Ti 1-y ) 1-x / 4 O 3 series and BaTiO 3 series exhibit excellent ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, electro-optical characteristics, etc. Various functional devices utilizing the are being studied. In particular, in the field of semiconductor ICs, application to new devices and non-volatile memories is expected. Moreover, although SrTiO 3 system does not show ferroelectricity, it is a high-density DRA as a high-dielectric constant material.
The application of M to the capacitor insulating film is expected.

【0004】これらの材料の特性の向上あるいは集積化
のためには、その薄膜化が非常に重要であり、特に、Si
などの半導体基板上に作製する技術の開発が重要であ
る。その高性能化を考えた場合、単結晶薄膜あるいは配
向膜であることが望ましく、ヘテロエピタキシャル技術
の開発が重要である。さらには、その構造を人工格子的
にあるいは原子層レベルで制御したり、異種材料を積層
させたりといった、高機能の薄膜形成技術も材料設計の
面から切望されている。これらに関する研究は、様々な
薄膜堆積法に基づいて、多くの研究機関で行われてき
た。しかし、組成、結晶構造等を制御して所望の特性を
有する薄膜を得ることは、一般には容易ではなかった。
In order to improve the characteristics of these materials or to integrate them, it is very important to reduce the film thickness.
It is important to develop technology for manufacturing semiconductors on semiconductor substrates. From the viewpoint of improving its performance, a single crystal thin film or an oriented film is desirable, and development of heteroepitaxial technology is important. Further, from the viewpoint of material design, high-performance thin film forming technology, such as controlling the structure artificially or at the atomic layer level and stacking different materials, is also desired. Research on these has been conducted in many research institutes based on various thin film deposition methods. However, it is generally not easy to obtain a thin film having desired characteristics by controlling the composition, crystal structure, and the like.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】薄膜の結晶性は、基本
的に基板材料・化学組成・形成温度で制御される。一般
に、基板との格子不整合を少なくし、活性度の高い堆積
方法を用いて、化学組成を合致させれば低温で結晶性の
被膜が得られる。
The crystallinity of a thin film is basically controlled by the substrate material, the chemical composition and the forming temperature. Generally, a crystalline coating can be obtained at low temperature if the chemical composition is matched by using a highly active deposition method with less lattice mismatch with the substrate.

【0006】酸化物誘電体の薄膜化において従来最も一
般的に用いられていたスパッタリング法では、ターゲッ
ト材料である酸化物焼結体と形成された被膜とのあいだ
に、化学組成にずれが生じ易く、しかもスパッタリング
条件に大きく左右される。活性度の高い、非熱平衡プロ
セスであるために、形成温度はかなり低減されているも
のの、良好な結晶性の被膜を得るには、依然、600℃
前後の高い基板温度が必要であり、そのため基板との相
互拡散や柱状成長によるピンホールなども生じやすい。
さらに、酸化物であるが故に、酸化性雰囲気が必要であ
るが、その条件の選択によって、組成、結晶化温度が、
著しく影響を受ける。緻密で結晶性の高い被膜を得るに
は、組成制御性が良く、より活性度の高い堆積方法を用
いて、より低温で形成する必要がある。
In the sputtering method that has been most commonly used in the past for thinning the oxide dielectric, the chemical composition is likely to shift between the oxide sintered body that is the target material and the formed film. Moreover, it is greatly affected by the sputtering conditions. Due to the highly active, non-thermal equilibrium process, the formation temperature was significantly reduced, but still 600 ° C. to obtain a good crystalline coating.
Since a high substrate temperature before and after is necessary, mutual diffusion with the substrate and pinholes due to columnar growth are likely to occur.
Furthermore, since it is an oxide, an oxidizing atmosphere is required, but the composition and crystallization temperature are
Remarkably affected. In order to obtain a dense and highly crystalline film, it is necessary to form the film at a lower temperature by using a deposition method having good composition controllability and higher activity.

【0007】本発明は、前記した従来技術の問題を解決
するため、従来、形成温度が高く組成制御が困難とされ
ていたペロブスカイト型酸化物誘電体を低温で制御性、
安定性良く製造する方法とその装置を提供することを目
的とする。
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a low-temperature controllability of a perovskite type oxide dielectric, which has conventionally been difficult to control the composition because of its high formation temperature.
It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing with good stability and an apparatus thereof.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の誘電体薄膜の製造方法は、ABO3 で構成
されるペロブスカイト型複合化合物に対し、少なくとも
2つの蒸着源をもちいて、AサイトおよびBサイトの元
素をおのおの金属あるいは酸化物の状態で蒸発させ基板
上に堆積させる方法であって、前記基板に対して酸素イ
オンビームの照射、光の照射、酸素イオンビームとレー
ザビームの照射から選ばれる少なくとも一つの照射を行
うことを特徴とする(ここで、Aサイトは、Pb、B
a、SrまたはLaの少なくとも1種、Bサイトは、T
iおよびZrのうち少なくとも1種の元素を含む)。
In order to achieve the above object, the method for producing a dielectric thin film of the present invention uses at least two vapor deposition sources for a perovskite-type composite compound composed of ABO 3 , and A method of evaporating the elements of the site and the B site in the form of a metal or an oxide and depositing them on a substrate, wherein the substrate is irradiated with an oxygen ion beam, light is irradiated, and an oxygen ion beam and a laser beam are irradiated. It is characterized by performing at least one irradiation selected from (where A site is Pb, B
at least one of a, Sr, and La, the B site is T
containing at least one element of i and Zr).

【0009】前記構成においては、酸素イオンビームと
して、10eV以上500eV以下のエネルギ−を有す
るイオンを照射することが好ましい。また前記構成にお
いては、基板表面に到達する単位時間単位面積当りの酸
素原子数が、Bサイト元素の原子数の5倍以上50倍以
下である酸素イオンビームを用いることが好ましい。
In the above structure, it is preferable to irradiate ions having an energy of 10 eV to 500 eV as an oxygen ion beam. Further, in the above structure, it is preferable to use an oxygen ion beam in which the number of oxygen atoms per unit time and unit area reaching the substrate surface is 5 times or more and 50 times or less the number of atoms of the B site element.

【0010】また前記構成においては、光源としてパル
スレーザを用いることが好ましい。光源としてエキシマ
レーザを用いる請求項4に記載の誘電体薄膜の製造方
法。また前記構成においては、レーザの繰り返し周波数
を50Hz以上、1パルス当りの基板表面の光エネルギ
ー密度を50mJ/cm2 以下とすることが好ましい。
In the above structure, it is preferable to use a pulse laser as a light source. The method for producing a dielectric thin film according to claim 4, wherein an excimer laser is used as a light source. Further, in the above structure, it is preferable that the laser repetition frequency is 50 Hz or more and the light energy density of the substrate surface per pulse is 50 mJ / cm 2 or less.

【0011】次に本発明の誘電体薄膜の製造装置は、A
BO3 で構成されるペロブスカイト型複合化合物に対
し、少なくとも2つの蒸着源をもちいて、Aサイトおよ
びBサイトの元素をおのおの金属あるいは酸化物の状態
で蒸発させ基板上に堆積させる装置であって、前記基板
に対して酸素イオンビームの照射、光の照射、酸素イオ
ンビームとレーザビームの照射から選ばれる少なくとも
一つの照射手段を備えたことを特徴とする(ここで、A
サイトは、Pb、Ba、SrまたはLaの少なくとも1
種、Bサイトは、TiおよびZrのうち少なくとも1種
の元素を含む)。
Next, the manufacturing apparatus for the dielectric thin film of the present invention is
A device for evaporating elements of A site and B site in the form of metal or oxide for at least two vapor deposition sources for a perovskite type composite compound composed of BO 3 and depositing it on a substrate, The substrate is provided with at least one irradiation unit selected from irradiation of oxygen ion beam, irradiation of light, and irradiation of oxygen ion beam and laser beam (here, A
Site is at least one of Pb, Ba, Sr or La
The seed, B site contains at least one element of Ti and Zr).

【0012】[0012]

【作用】前記本発明の構成によれば、ABO3 で構成さ
れるペロブスカイト型複合化合物に対し、少なくとも2
つの蒸着源をもちいて、AサイトおよびBサイトの元素
をおのおの金属あるいは酸化物の状態で蒸発させ基板上
に堆積させる方法であって、前記基板に対して酸素イオ
ンビームの照射、光の照射、酸素イオンビームとレーザ
ビームの照射から選ばれる少なくとも一つの照射を行う
ので、ペロブスカイト型酸化物誘電体を低温で制御性、
安定性良く製造できる。
According to the above-mentioned constitution of the present invention, at least 2 is added to the perovskite-type composite compound composed of ABO 3.
A method of evaporating the elements of the A site and B site in the form of a metal or an oxide by using two vapor deposition sources and depositing them on a substrate, wherein the substrate is irradiated with an oxygen ion beam, irradiated with light, Since at least one irradiation selected from irradiation of oxygen ion beam and laser beam is performed, controllability of the perovskite type oxide dielectric at low temperature,
It can be manufactured with good stability.

【0013】また、本発明にかかる薄膜製造装置におい
ては、多元系であるペロブスカイト型酸化物誘電体を、
組成制御性の良い堆積機構に、イオンおよび光のアシス
ト、あるいはそれらの複合アシスト機構を併設すること
によって、低温で、制御性、安定性良く薄膜化すること
ができる。
Further, in the thin film manufacturing apparatus according to the present invention, a multi-component perovskite type oxide dielectric is
By providing an ion and light assisting mechanism or a composite assisting mechanism thereof together with a deposition mechanism having good composition controllability, a thin film can be formed at low temperature with good controllability and stability.

【0014】[0014]

【実施例】以下実施例を用いて本発明を具体的に説明す
る。本発明にかかる薄膜の製造装置においては、組成制
御性の良い堆積機構と、光およびイオンの照射が可能な
機構を併設し、誘電体薄膜の高品質化と形成温度の低温
化を図ろうとするものである。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples. In the thin film manufacturing apparatus according to the present invention, a deposition mechanism having good composition controllability and a mechanism capable of irradiating light and ions are provided together to improve the quality of the dielectric thin film and lower the formation temperature. It is a thing.

【0015】本発明の実施例を図面と共に説明する。図
1に本発明にかかる薄膜形成装置の一実施例を示す。本
形成装置は、主たる堆積機構としては、イオン源1、
2、3および4による最大4元のターゲットによるイオ
ンビームスパッタ機構を有しており、ターゲット5、
6、7、およびおよび8には、金属あるいはセラミック
ス焼結体を用いる。イオンビーム電流の制御およびシャ
ッタリングによって、被膜9の組成および構造制御を行
うことができる。ペロブスカイト構造の結晶性薄膜を成
長させる基板10としては、酸化マグネシウム、サファ
イア(α−Al2 3 ) チタン酸ストロンチウム等の単
結晶の基板が有効である。本形成装置には、さらにアシ
ストイオン源11およびアシスト光源12による、イオ
ンアシストおよび光アシストの機構がそれぞれ併設され
ている。アシストイオン源11としては、バケット型イ
オン源が、アシスト光源12としては、エキシマレーザ
が設置されている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a thin film forming apparatus according to the present invention. In the present forming apparatus, the ion source 1,
It has an ion beam sputtering mechanism with a maximum of four original targets of 2, 3, and 4, and a target 5,
A metal or ceramics sintered body is used for 6, 7, and 8. The composition and structure of the coating 9 can be controlled by controlling the ion beam current and shuttering. As the substrate 10 on which the crystalline thin film having the perovskite structure is grown, a single crystal substrate made of magnesium oxide, sapphire (α-Al 2 O 3 ) strontium titanate or the like is effective. This forming apparatus is further provided with an ion assisting mechanism and an optical assisting mechanism by the assisting ion source 11 and the assisting light source 12, respectively. A bucket type ion source is installed as the assist ion source 11, and an excimer laser is installed as the assist light source 12.

【0016】本発明にかかる形成装置を用いてイオンあ
るいは光のアシスト機構を単独で用いた場合には、アシ
スト機構を用いない場合に比べ、少なくとも100℃以
上低温でペロブスカイト構造の誘電体薄膜を得ることが
できる。また、光とイオンの同時照射による光・イオン
複合アシスト機構を用いた場合には、さらに低温で高品
質の薄膜を得ることができる。以下、本発明がさらに良
く理解されるように、酸化物強誘電体を例にとって述べ
る。
When the ion or light assist mechanism is used alone by using the forming apparatus according to the present invention, a dielectric thin film having a perovskite structure is obtained at a temperature of at least 100 ° C. lower than when no assist mechanism is used. be able to. Further, when a photo-ion composite assist mechanism by simultaneous irradiation of light and ions is used, a high quality thin film can be obtained at a lower temperature. In order that the present invention may be better understood, an oxide ferroelectric substance will be described below as an example.

【0017】図1の形成装置を用いて、強誘電体(Pb
1-x Lax )(Zry Ti1-y 1- x/4 3 (ここに、
xおよびyは、それぞれ0を越え1未満の数値である)
を作製する場合について述べる。基板10として酸化マ
グネシウムMgO(100)単結晶基板を用いた。ター
ゲット5、6、7および8には、それぞれPb、La、Zrお
よびTiの金属ターゲットを用い、イオン源1、2、3お
よび4によりアルゴンイオンビームを照射して、基板1
0上にスパッタリング蒸着する。
Using the forming apparatus of FIG. 1, a ferroelectric (Pb
1-x La x ) (Zr y Ti 1-y ) 1- x / 4 O 3 (where
x and y are numerical values exceeding 0 and less than 1)
Described below is the case of manufacturing. As the substrate 10, a magnesium oxide MgO (100) single crystal substrate was used. The targets 5, 6, 7 and 8 are metal targets of Pb, La, Zr and Ti, respectively, and are irradiated with an argon ion beam from the ion sources 1, 2, 3 and 4 to obtain the substrate 1.
0 is sputter deposited.

【0018】イオンビーム電流の調整によって各層の堆
積速度を制御すれば、所望の組成の誘電体薄膜を得るこ
とができ、また、シャッタリングによって、組成の異な
る層を交互に積層し、すなわち原子層レベルでその構造
を制御することも可能である。得られる薄膜の組成は、
基板温度の他、アシスト条件等によっても微妙に変化す
るので、化学量論比の薄膜を得るには、各元素の蒸着速
度を制御できる多元蒸着法によるのが適している。
By controlling the deposition rate of each layer by adjusting the ion beam current, a dielectric thin film having a desired composition can be obtained, and by shuttering, layers having different compositions are alternately laminated, that is, atomic layers. It is also possible to control its structure at the level. The composition of the obtained thin film is
Since it varies subtly depending on the substrate temperature as well as the assist conditions and the like, it is suitable to use a multi-source vapor deposition method capable of controlling the vapor deposition rate of each element in order to obtain a thin film having a stoichiometric ratio.

【0019】結晶性の高い、すなわち、ペロブスカイト
構造の誘電体薄膜を得るために最低限必要な温度は組成
によって異なるが、イオンおよび光のアシスト効果は、
定性的には同じであるので、Pb0.79La0.21Ti0.95
3 (以下、PLTと略す)薄膜の場合について述べ
る。
Although the minimum temperature required for obtaining a dielectric thin film having a high crystallinity, that is, a perovskite structure, depends on the composition, the assisting effect of ions and light is
Qualitatively the same, so Pb 0.79 La 0.21 Ti 0.95
A case of an O 3 (hereinafter abbreviated as PLT) thin film will be described.

【0020】アシストイオン源を用いない場合には、酸
素は、基板付近に設けた導入口13より酸素ガスを導く
ことにより供給し、これによる形成装置内の酸素の分圧
は、8×10-5torrとした。また基板温度範囲は、室温
〜750℃において、化学量論比の被膜を形成した。被
膜の結晶性は、基板温度の上昇と共に、アモルファス→
パイロクロア相→ペロブスカイト相と変化し、本構成の
場合、結晶性の高いペロブスカイト構造の誘電体被膜を
形成させるためには、600℃前後が適当であることを
確認できた。
When the assist ion source is not used, oxygen is supplied by introducing oxygen gas from an inlet 13 provided near the substrate, and the partial pressure of oxygen in the forming apparatus by this is 8 × 10 −. It was set to 5 torr. In addition, the substrate temperature range was room temperature to 750 ° C., and a film having a stoichiometric ratio was formed. The crystallinity of the coating is amorphous →
It was confirmed that the temperature was changed from the pyrochlore phase to the perovskite phase, and in the case of this structure, about 600 ° C. was suitable for forming the dielectric film having the perovskite structure with high crystallinity.

【0021】次に、酸素イオンビ−ムの照射効果を調べ
るために、導入口13よりの酸素ガス供給は行なわず、
形成槽内が同一の酸素分圧になるよう、アシストイオン
源11の導入口より酸素ガスを供給し、酸素イオンビー
ムを発生させ、基板10に照射した。形成される被膜9
の組成および構造は、酸素イオンのエネルギー、密度に
よって著しく影響された。高エネルギー領域では、酸素
イオンによるスパッタリング効果が大きいためか、被膜
の形成速度は遅く、良質な被膜は形成されなかった。
Next, in order to investigate the irradiation effect of the oxygen ion beam, oxygen gas was not supplied from the inlet 13,
Oxygen gas was supplied from the introduction port of the assist ion source 11 to generate an oxygen ion beam so that the substrate 10 was irradiated with the oxygen so that the inside of the formation tank had the same oxygen partial pressure. Coating 9 formed
The composition and structure of was significantly affected by the energy and density of oxygen ions. In the high energy region, the film formation rate was low, probably because the sputtering effect of oxygen ions was large, and a good quality film was not formed.

【0022】ペロブスカイト構造の被膜を得るには、酸
素イオンビームとして、10eV以上500eV以下の
低いエネルギ−を有するイオンを用いることが有効であ
ることがわかった。酸素イオンビ−ムの電流密度につい
ては、蒸着速度、特に、Bサイト元素の蒸発速度との兼
ね合いで、被膜の組成および構造に影響を与える。
It has been found that it is effective to use ions having a low energy of 10 eV or more and 500 eV or less as the oxygen ion beam in order to obtain a film having a perovskite structure. The current density of the oxygen ion beam affects the composition and structure of the coating film in consideration of the vapor deposition rate, particularly the vaporization rate of the B-site element.

【0023】基板表面に到達する単位時間単位面積当り
の酸素原子数が、Bサイト元素の原子数の5倍以上50
倍以下となるよう、酸素イオンビームの電流密度を設定
するのが適当であることを見いだした。この様な条件下
で、基板温度範囲:室温〜600℃において、化学量論
比の被膜を形成した結果、基板温度450℃において、
図2のX線回折パターンに示すようなc軸配向性のペロ
ブスカイト構造の誘電体被膜を得ることができた。すな
わち、本発明者らは、イオンのアシスト機構を単独で用
いた場合において、アシスト機構を用いない場合に比
べ、少なくとも100℃以上低温でペロブスカイト構造
の誘電体薄膜を得ることができることを確認した。
The number of oxygen atoms per unit time and unit area reaching the substrate surface is 5 times or more the number of B site element atoms 50 or more.
It was found that it is appropriate to set the current density of the oxygen ion beam so that the current density is double or less. Under these conditions, a film having a stoichiometric ratio was formed in a substrate temperature range of room temperature to 600 ° C., and as a result, at a substrate temperature of 450 ° C.,
A dielectric film having a perovskite structure with c-axis orientation as shown in the X-ray diffraction pattern of FIG. 2 could be obtained. That is, the present inventors have confirmed that when the ion assist mechanism is used alone, the dielectric thin film having a perovskite structure can be obtained at a temperature of at least 100 ° C. or lower as compared with the case where the assist mechanism is not used.

【0024】次に、光の照射効果を調べるために、再
度、導入口13よりの酸素ガス供給を行ない、アシスト
光源12のエキシマレーザを基板10に照射した。レー
ザ媒質としてXeClを用い、発振波長は308nmで
あった。形成される被膜9の組成および構造は、レーザ
の繰り返し周波数、1パルス当りのエネルギー密度によ
って著しく影響された。
Next, in order to examine the light irradiation effect, oxygen gas was supplied again from the inlet 13 and the substrate 10 was irradiated with the excimer laser of the assist light source 12. XeCl was used as the laser medium, and the oscillation wavelength was 308 nm. The composition and structure of the film 9 formed was significantly affected by the repetition frequency of the laser and the energy density per pulse.

【0025】この実施例で用いた光学系では、エネルギ
ー密度と繰り返し周波数が共に高い、すなわち、平均ワ
ット数が大きい領域では、被膜の形成速度は遅く、良質
な被膜は形成されなかった。また、平均ワット数が同じ
であっても、エネルギー密度が高く、繰り返し周波数が
低い場合よりも、エネルギー密度が高く、繰り返し周波
数が低い場合の方が、より低温で良質の被膜を得ること
ができた。
In the optical system used in this example, the film formation rate was low and a good film was not formed in the region where both the energy density and the repetition frequency were high, that is, the average wattage was large. Also, even if the average wattage is the same, it is possible to obtain a good quality film at a lower temperature when the energy density is high and the repetition frequency is lower than when the energy density is high and the repetition frequency is low. It was

【0026】また、ペロブスカイト構造の被膜を得るに
は、レーザの繰り返し周波数を50Hz以上、1パルス
当りの基板表面の光エネルギー密度を50mJ/cm2
以下とすることが有効であることがわかった。この様な
条件下で、基板温度範囲:室温〜600℃において、化
学量論比の被膜を形成した結果、基板温度200℃で
も、図3のX線回折パターンに示すようなc軸配向性の
ペロブスカイト構造の誘電体被膜を得ることができた。
すなわち、光のアシスト機構を単独で用いた場合におい
て、アシスト機構を用いない場合に比べ、少なくとも1
00℃以上低温でペロブスカイト構造の誘電体薄膜を得
ることが確認できた。
Further, in order to obtain a film having a perovskite structure, the laser repetition frequency is 50 Hz or higher, and the optical energy density on the substrate surface per pulse is 50 mJ / cm 2.
It has been found that the following is effective. Under these conditions, a film having a stoichiometric ratio was formed in the substrate temperature range: room temperature to 600 ° C. As a result, even when the substrate temperature was 200 ° C., the c-axis orientation as shown in the X-ray diffraction pattern of FIG. A dielectric coating having a perovskite structure could be obtained.
That is, when the light assist mechanism is used alone, at least 1 is used as compared with the case where the assist mechanism is not used.
It was confirmed that a dielectric thin film having a perovskite structure was obtained at a low temperature of 00 ° C. or higher.

【0027】光照射効果の機構の詳細は不明だが、本発
明の目的とするところは誘電体被膜を形成する下地を加
熱することなく実効的な形成温度を十分なものとすると
ころにある。その意味で、大きなエネルギーを有し、熱
拡散が少なく、瞬間的・局所的な効果が期待できるパル
スレーザ、特に、エキシマレーザは効果的である。
Although the details of the mechanism of the light irradiation effect are not clear, the object of the present invention is to make the effective formation temperature sufficient without heating the base on which the dielectric film is formed. In that sense, a pulsed laser, especially an excimer laser, which has a large amount of energy, has little thermal diffusion, and is expected to have an instantaneous / local effect is effective.

【0028】さらに、イオンと光の同時照射による複合
アシスト効果を調べるために、先に明らかになったそれ
ぞれの最適照射条件下において、基板温度範囲:室温〜
600℃において、化学量論比の被膜を形成した結果、
基板加熱をしない状態でも、図4のX線回折パターンに
示すような結晶性のペロブスカイト構造の誘電体被膜を
得ることができた。ただし、この場合、図2のc軸配向
の場合と異なり、a軸配向性である。詳細は不明だが、
被膜の配向性は、イオンと光の照射条件によって影響を
受けるようでその制御も可能であると考えられる。この
ように、本発明者らは、光とイオンの同時照射による光
・イオン複合アシスト機構を用いた場合には、さらに低
温で、基板加熱を行なわなくても高品質の薄膜を得るこ
とができることを確認した。
Further, in order to investigate the compound assist effect by simultaneous irradiation of ions and light, the substrate temperature range: room temperature to
As a result of forming a stoichiometric film at 600 ° C.,
Even without heating the substrate, a crystalline dielectric film having a perovskite structure as shown in the X-ray diffraction pattern of FIG. 4 could be obtained. However, in this case, unlike the case of the c-axis orientation in FIG. 2, it has the a-axis orientation. Details are unknown,
The orientation of the coating seems to be influenced by the irradiation conditions of ions and light, and it is considered that the control can be performed. As described above, the present inventors can obtain a high-quality thin film at a lower temperature without heating the substrate when the photo-ion composite assist mechanism by simultaneous irradiation of light and ions is used. It was confirmed.

【0029】以上説明した通り、ABO3 で構成される
ペロブスカイト型複合化合物に対し、主たる堆積機構と
して、たとえば、イオン源1、2、3および4による4
元のイオンビームスパッタのよる多元蒸着機構(図1)
を用いてイオン源11および/またはアシスト光源12
によるアシストを行いながら、基板10上に誘電体薄膜
を堆積させることにより、ペロブスカイト型酸化物誘電
体薄膜を、組成制御性良く、低温で合成することができ
る。
As described above, the main deposition mechanism for the perovskite type composite compound composed of ABO 3 is, for example, 4 by the ion sources 1, 2, 3 and 4.
Multi-source deposition mechanism using original ion beam sputtering (Fig. 1)
Using the ion source 11 and / or the assist light source 12
By depositing the dielectric thin film on the substrate 10 while assisting with, the perovskite type oxide dielectric thin film can be synthesized at a low temperature with good composition controllability.

【0030】また本発明にかかる薄膜製造装置は、ペロ
ブスカイト型酸化物誘電体の他、高温超電導体等類似の
多元系の酸化物の薄膜化に有効である。これらの材料を
エレクトロニクス素子に応用するには、半導体基板やチ
ップ上に、損傷をあたえず、結晶性良く成長させる必要
がある。その点で、光およびイオンのアシスト効果を最
大限に利用して低い基板温度で形成できる本製造装置は
きわめて有効である。
Further, the thin film manufacturing apparatus according to the present invention is effective for thinning perovskite type oxide dielectrics and similar multi-component oxides such as high temperature superconductors. In order to apply these materials to electronic devices, it is necessary to grow them on a semiconductor substrate or a chip with good crystallinity without damage. In that respect, the present manufacturing apparatus capable of forming at a low substrate temperature by making the most of the assisting effect of light and ions is extremely effective.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明により、酸化物誘電体を薄膜化す
る製造装置およびプロセスが提供され、工業上極めて大
きな価値を有するものである。用いられる誘電体は、多
元系の酸化物でその化学組成や結晶性によってその特性
が大きく影響されるが、本発明により非常に高精度の薄
膜が実現できる。化学量論比に合致した薄膜を多元蒸着
法と、イオン・光のアシスト効果によって、低温で得ら
れるところに大きな特色がある。
Industrial Applicability According to the present invention, there is provided a manufacturing apparatus and process for thinning an oxide dielectric, which has an extremely great industrial value. The dielectric used is a multi-element oxide, and its characteristics are greatly affected by its chemical composition and crystallinity, but the present invention can realize a highly precise thin film. There is a big feature that a thin film that matches the stoichiometric ratio can be obtained at low temperature by the multi-source deposition method and the assist effect of ion and light.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例の薄膜製造装置の基本構成断
面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a basic configuration of a thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例の誘電体薄膜の結晶性をあら
わすX線回折パターンを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern showing crystallinity of a dielectric thin film of one example of the present invention.

【図3】本発明の一実施例の誘電体薄膜の結晶性をあら
わすX線回折パターンを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern showing crystallinity of a dielectric thin film of one example of the present invention.

【図4】本発明の一実施例の誘電体薄膜の結晶性をあら
わすX線回折パターンを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern showing crystallinity of a dielectric thin film of one example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 イオン源 2 イオン源 3 イオン源 4 イオン源 5 ターゲット 6 ターゲット 7 ターゲット 8 ターゲット 9 被膜 10 基板 11 アシストイオン源 12 アシスト光源 13 ガス導入口 1 ion source 2 ion source 3 ion source 4 ion source 5 target 6 target 7 target 8 target 9 coating 10 substrate 11 assist ion source 12 assist light source 13 gas inlet

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ABO3 で構成されるペロブスカイト型
複合化合物に対し、少なくとも2つの蒸着源をもちい
て、AサイトおよびBサイトの元素をおのおの金属ある
いは酸化物の状態で蒸発させ基板上に堆積させる方法で
あって、前記基板に対して酸素イオンビームの照射、光
の照射、酸素イオンビームとレーザビームの照射から選
ばれる少なくとも一つの照射を行うことを特徴とする誘
電体薄膜の製造方法。(ここで、Aサイトは、Pb、B
a、SrまたはLaの少なくとも1種、Bサイトは、T
iおよびZrのうち少なくとも1種の元素を含む。)
1. A perovskite-type composite compound composed of ABO 3 having at least two vapor deposition sources and evaporating the elements of the A site and the B site in the state of each metal or oxide to deposit on the substrate. A method for producing a dielectric thin film, which comprises irradiating the substrate with at least one selected from oxygen ion beam irradiation, light irradiation, and oxygen ion beam and laser beam irradiation. (Here, A site is Pb, B
at least one of a, Sr, and La, the B site is T
At least one element of i and Zr is included. )
【請求項2】 酸素イオンビームとして、10eV以上
500eV以下のエネルギ−を有するイオンを照射する
請求項1に記載の誘電体薄膜の製造方法。
2. The method for producing a dielectric thin film according to claim 1, wherein ions having an energy of 10 eV or more and 500 eV or less are irradiated as the oxygen ion beam.
【請求項3】 基板表面に到達する単位時間単位面積当
りの酸素原子数が、Bサイト元素の原子数の5倍以上5
0倍以下である酸素イオンビームを用いる請求項2に記
載の誘電体薄膜の製造方法。
3. The number of oxygen atoms per unit time unit area reaching the substrate surface is 5 times or more the number of atoms of the B site element 5
The method for producing a dielectric thin film according to claim 2, wherein an oxygen ion beam having a magnification of 0 or less is used.
【請求項4】 光源としてパルスレーザを用いる請求項
1,2または3に記載の誘電体薄膜の製造方法。
4. The method for manufacturing a dielectric thin film according to claim 1, wherein a pulsed laser is used as a light source.
【請求項5】 光源としてエキシマレーザを用いる請求
項4に記載の誘電体薄膜の製造方法。
5. The method for producing a dielectric thin film according to claim 4, wherein an excimer laser is used as the light source.
【請求項6】 レーザの繰り返し周波数を50Hz以
上、1パルス当りの基板表面の光エネルギー密度を50
mJ/cm2 以下とする請求項4または5に記載の誘電
体薄膜の製造方法。
6. A laser repetition frequency of 50 Hz or more and a light energy density of the substrate surface of 50 per pulse.
The method for producing a dielectric thin film according to claim 4 or 5, wherein mJ / cm 2 or less.
【請求項7】 ABO3 で構成されるペロブスカイト型
複合化合物に対し、少なくとも2つの蒸着源をもちい
て、AサイトおよびBサイトの元素をおのおの金属ある
いは酸化物の状態で蒸発させ基板上に堆積させる装置で
あって、前記基板に対して酸素イオンビームの照射、光
の照射、酸素イオンビームとレーザビームの照射から選
ばれる少なくとも一つの照射手段を備えたことを特徴と
する誘電体薄膜の製造装置。(ここで、Aサイトは、P
b、Ba、SrまたはLaの少なくとも1種、Bサイト
は、TiおよびZrのうち少なくとも1種の元素を含
む。)
7. A perovskite-type composite compound composed of ABO 3 is vaporized in the form of a metal or oxide for each element of A site and B site by using at least two vapor deposition sources and deposited on a substrate. An apparatus for producing a dielectric thin film, comprising at least one irradiation unit selected from the group consisting of irradiation of oxygen ion beam, irradiation of light, and irradiation of oxygen ion beam and laser beam with respect to the substrate. .. (Here, A site is P
At least one element selected from b, Ba, Sr, and La and the B site contains at least one element selected from Ti and Zr. )
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19900437B4 (en) * 1999-01-11 2009-04-23 Ehret, Hans-P. Method and device for ion implantation in solids and / or for coating solid surfaces and the use of methods and apparatus

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