JPH0677213A - 誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

誘電体薄膜の製造方法

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JPH0677213A
JPH0677213A JP22823792A JP22823792A JPH0677213A JP H0677213 A JPH0677213 A JP H0677213A JP 22823792 A JP22823792 A JP 22823792A JP 22823792 A JP22823792 A JP 22823792A JP H0677213 A JPH0677213 A JP H0677213A
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JP
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thin film
dielectric thin
target
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dielectric
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JP22823792A
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English (en)
Inventor
Isaku Jinno
伊策 神野
Shigenori Hayashi
重徳 林
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

(57)【要約】 【目的】 誘電体薄膜の製造方法において、形成される
誘電体薄膜の組成ずれを抑え、基板および形成する誘電
体薄膜の損傷を防止する。 【構成】 酸化物誘電体からなるターゲット3を真空度
が0.01Torr以上5Torr以下の形成槽6内に設置し、ター
ゲット3に波長が350nm以下の紫外光を紫外光源1から
照射し、ターゲット3に対向して設置した基板4上に誘
電体薄膜5を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘電体薄膜の製造方法
に関する。
【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。
【0003】近年注目されている薄膜材料にABO3
表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。AサイトがPb、Ba、SrおよびLaのうち少なくとも1
種、BサイトがTiおよびZrのうち少なくとも1種の元素
を含むABO3として(Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x/4O3系、
BaTiO3系に代表される強誘電体材料がある。これらは優
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DRAMのキャパシタ絶縁膜への応
用が期待されている。
【0004】これらの材料の特性の向上または集積化の
ためにはその薄膜化が非常に重要であり、特にシリコン
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。作製された誘電体薄膜の高性能化を考えた場合、蒸
着された誘電体薄膜は単結晶薄膜または配向膜であるこ
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または原子
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。
【0005】しかし、組成、結晶構造等を制御して所望
の特性を有する誘電体薄膜を得ることは一般には容易で
はなかった。
【0006】酸化物誘電体薄膜形成法として、従来RF
スパッタリング法が用いられてきた。この方法は2枚の
電極上の一方にターゲット、他方に基板を載置して両電
極間に高周波を印加することにより放電させ、ターゲッ
トからはじき出されたスパッタ粒子を基板上に堆積させ
る方法である。しかしこの方法では基板が常にプラズマ
にさらされ、プラズマ中に存在する高エネルギースパッ
タ粒子および二次電子などにより基板および形成された
誘電体薄膜が損傷を受ける原因になっていた。また形成
槽のガス種およびガス圧も放電の維持および形成する酸
化物誘電体薄膜の還元防止のため限定されたものとなっ
ていた。
【0007】近年このスパッタリング法に変わる新しい
技術として紫外光を用いた誘電体薄膜形成法が注目され
てきた。この方法の代表的な例として焼結体ターゲット
上に紫外線レーザを照射し、これによって発生したプラ
ズマ(以下プルームと言う)中に存在する粒子を基板上
に蒸着する誘電体薄膜形成法であり、この方法で形成し
た誘電体薄膜はターゲットとの組成ずれが少ないと言わ
れている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来行
われてきた紫外線レーザをターゲットに照射する誘電体
薄膜形成法においても、ターゲットを構成する化合物の
種類または誘電体薄膜の形成条件次第で誘電体薄膜の組
成が大幅にずれ、目的とする酸化物誘電体薄膜の形成が
困難な場合があることが明らかになってきた。このよう
に紫外光による酸化物誘電体薄膜の形成過程は依然明確
化されておらず、その条件もはっきりしていない。
【0009】また紫外線レーザ照射によって発生するプ
ルーム中にも高エネルギーを有する粒子が多数存在する
ことが知られており、良質の誘電体薄膜を形成するため
には高エネルギー粒子による基板および形成する誘電体
薄膜の損傷を抑える必要がある。
【0010】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、形成する誘電体薄膜の組成ずれを抑え、基板および
形成する誘電体薄膜の損傷を防止する誘電体薄膜の製造
方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の誘電体薄膜の製造方法は、酸化物誘電体から
なるターゲットを形成槽内に設置し、真空度を0.01Tor
r以上5Torr以下でターゲットに波長が350nm以下の紫外
光を照射し、さらには紫外光の照射開始時と終了時で真
空度を変えてターゲットに対向して設置した基板上に誘
電体薄膜を堆積する構成を有している。
【0012】
【作用】この構成によって、ターゲットの組成とほぼ同
じ組成を有する誘電体薄膜を作製し、かつ飛来する高速
粒子による基板および形成する誘電体薄膜の損傷を低減
することができる。
【0013】
【実施例】以下本発明の一実施例における誘電体薄膜の
製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【0014】図1は本発明の一実施例における誘電体薄
膜の製造方法に用いる薄膜形成装置の構成図である。図
1に示すように、紫外光源1には、例えば紫外線パルス
光を発するエキシマレーザを用いる。この場合、さらに
集光レンズ2を用いてパワー密度を上げた方がより効果
的であった。パルス周波数としては1〜20Hz程度が
適当で、それ以上の周波数ではターゲット3の温度が上
昇してターゲット3を構成する元素の組成ずれを誘起す
る可能性がある。ターゲット3としてはペロブスカイト
構造酸化物誘電体の焼結体を用いる。紫外光源1からの
紫外線パルス光の照射によりターゲット3の材料を蒸発
させて基板4上に誘電体薄膜5を堆積する。6は誘電体
薄膜5を形成する形成槽で種々のガス雰囲気で、所定の
真空度を維持または変化させることができる。7は基板
4の取り付け、搬送を行う試料準備槽である。結晶性の
高い誘電体薄膜5を形成するためには単結晶基板が有効
であり、酸化マグネシウム、サファイア(α−Al23
)、チタン酸ストロンチウム等の単結晶基板がよく利
用されており、誘電体薄膜5をデバイスとして用いる場
合予めこれらの単結晶基板4の表面に結晶性の金属電極
材料を形成しておく。
【0015】形成槽6内の真空度が0.01〜5Torrの範囲
内で、基板4とターゲット3間の距離が1〜10cmの
時誘電体薄膜5の形成が可能であった。形成槽6内のガ
ス圧が高いほど、またターゲット3と基板4との距離が
大きいほど形成された誘電体薄膜5の膜厚は薄い。また
結晶性のよい誘電体薄膜5を堆積させるためには、基板
4の温度は300〜750℃が適当であることを確認した。な
お酸化性ガス、非酸化性ガスおよびこれらを混合したガ
スのいずれの場合も同様に誘電体薄膜5の形成が可能で
あった。
【0016】なお0.01〜5Torrの圧力範囲で(Pb1-xLax)
(ZryTi1-y)1-x/4O3(xおよびyはそれぞれ0以上1未満
の数値である)の様な複雑な組成を有するターゲット3
を用いて形成した誘電体薄膜5では両者の構成金属元素
の組成はほぼ一致することを確認した。また(Pb1-xLax)
(ZryTi1-y)1-x/4O3で構成される誘電体薄膜5の結晶性
は基板4の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するが、それに応じて誘
電率、分極反転特性等の特性が変化し、また誘電体薄膜
5を形成する時の雰囲気によっても結晶性や組成および
その他の特性が大幅に変化する。誘電体薄膜5のどの特
性を利用するかは用途によって異なるので、基板4の温
度、誘電体薄膜5の組成または形成雰囲気を変化させる
ことによって、誘電体薄膜5の結晶性、組成、表面状態
を最適なものにすることができる。
【0017】次に具体的な例について説明する。基板温
度600℃で白金を表面にスパッタリング蒸着した酸化マ
グネシウム単結晶(100)面を基板4として用い、焼結し
た酸化物強誘電体材料Pb0.79La0.21Ti0.95O3をターゲッ
ト3として用いる。紫外光源1としてXeClエキシマレー
ザ(波長308nm)を用い、集光レンズ2を用いてターゲ
ット3上に集光させた。このレーザは1ショット約20
nsのパルス光を発生し、1ショットで1cm2当り約1ジュ
ールのパワー密度を得た。形成槽6は圧力0.5Torrの大
気減圧下で、ターゲット3と基板4との距離4cm、基
板温度550℃、繰り返し周波数10Hz、1×104回のパルス
照射で膜厚0.1μmの誘電体薄膜5を得た。
【0018】図2はPb0.79La0.21Ti0.95O3のターゲット
を用いて形成した誘電体薄膜のX線回折強度を示す図で
ある。図2に示すように、誘電体薄膜5の結晶構造はペ
ロブスカイト構造を有しておりc軸配向をしていた。ま
た形成した誘電体薄膜5をプラズマ発光分光法で分析し
た結果、誘電体薄膜5の金属元素組成比は、Pb:La:Ti
=0.79:0.21:0.95の化学量論比、すなわちターゲット
組成に一致することが確認された。
【0019】図3はPb0.79La0.21Ti0.95O3のターゲット
を用いて形成した誘電体薄膜の分極反転特性を示す図で
ある。この測定は誘電体薄膜5の上に上部電極として金
を直径0.8mmのマスクを用いて真空蒸着し、ソーヤ・タ
ワー回路を用いて行った。膜厚が比較的薄いにもかかわ
らず、良好な強誘電性を示した。またLCRメータを用
いて測定した比誘電率は、周波数100Hzで約600と大きか
った。
【0020】さらに良質の誘電体薄膜5を安定して形成
する方法として、誘電体薄膜5を形成する時に形成槽6
の真空度を変化させた。まず真空度1Torr程度の比較的
高い圧力下で1×103回のエキシマレーザをパルス照射し
た。この条件下では基板4に到達する高エネルギー粒子
が雰囲気ガスの粒子と衝突を繰り返すことによって減速
し、基板4および形成初期の誘電体薄膜5が受ける損傷
を減少させることができる。しかしこのままの状態では
誘電体薄膜5の堆積速度が非常に遅く、十分な電気特性
を得るために必要な膜厚に達するまでに非常に時間がか
かる。そのため、引続き真空度を0.1Torrに下げ、9×10
3回の照射を行い最終的に0.5μmの誘電体薄膜を得た。
この方法によると基板4表面の損傷を減少させ、また得
られた誘電体薄膜5の結晶性および電気特性は図2およ
び図3に示したものと同様の良好なものであり、かつ基
板4および誘電体薄膜5の形成初期における損傷を減少
させた分、ピンホールなどによる電流のリークが発生す
るのを大幅に防ぐことができた。
【0021】
【発明の効果】以上のように本発明は、真空度が0.01To
rr以上5Torr以下の形成槽内で酸化物誘電体からなるタ
ーゲットに350nm以下の波長の紫外光を照射して基板上
に誘電体薄膜を形成させるものであり、誘電体薄膜製造
時における雰囲気ガスの種類を限定しないため良質の酸
化物誘電体薄膜を形成できる優れた誘電体薄膜の製造方
法を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における誘電体薄膜の製造方
法に用いる薄膜形成装置の概略断面図
【図2】本発明の一実施例における誘電体薄膜の製造方
法により形成されたPb0.79La0. 21Ti0.95O3膜のX線回折
強度を示す図
【図3】本発明の一実施例における誘電体薄膜の製造方
法により形成されたPb0.79La0. 21Ti0.95O3膜の分極反転
特性を示す図
【符号の説明】
1 紫外光源(紫外光) 3 ターゲット 4 基板 5 誘電体薄膜 6 形成槽

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物誘電体からなるターゲットを真空
    度が0.01Torr以上5Torr以下の形成槽内に設置し、前記
    ターゲットに波長が350nm以下の紫外光を照射して前記
    ターゲットに対向して設置した基板上に誘電体薄膜を形
    成する誘電体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 酸化物誘電体からなるターゲットの代わ
    りに、酸化物誘電体を構成するそれぞれの金属の酸化物
    を混合したターゲットを用いる請求項1記載の誘電体薄
    膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 紫外光を照射開始時は真空度を低く、そ
    の後真空度を高くする請求項1または2記載の誘電体薄
    膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 形成槽内が酸化性ガス、非酸化性ガスま
    たはそれらを混合したガスからなる雰囲気である請求項
    1、2または3記載の誘電体薄膜の製造方法。
JP22823792A 1992-08-27 1992-08-27 誘電体薄膜の製造方法 Pending JPH0677213A (ja)

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