JPH08264526A

JPH08264526A - 強誘電体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH08264526A
Application number: JP7060157A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yoshimori; 博之由森; Takashi Mihara; 孝士三原; Hitoshi Watanabe; 均渡辺
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】強誘電体薄膜を酸素雰囲気中でスパッタリン
グすることにより、簡略な工程で強誘電体薄膜を製造す
ることが可能な強誘電体薄膜の製造方法を提供する。【構成】強誘電体薄膜の製造方法において、基板１０
上に下部電極１３を積層する下部電極積層工程と、強誘
電体薄膜１４を、酸素を含むスパッタリングガスを用い
たスパッタ法により、下部電極１３に電気的に接続され
た状態に積層する強誘電体薄膜積層工程と、強誘電体薄
膜１４に電気的に接続された上部電極１５を積層する上
部電極積層工程とで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体メモリ、ある
いは強誘電体キャパシタなどの電子デバイスに用いられ
る強誘電体薄膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、強誘電体化合物は、その特異な電
気特性を利用して多くの分野に応用されている。例え
ば、圧電性を利用した圧電フィルタや超音波トランスデ
ューサに、また焦電性を利用して赤外線センサに、ある
いは電気光学効果を利用した光変調素子や光シャッタ等
の多方面に応用されている。さらにこれらの材料の薄膜
を利用した電子デバイスも考案され、薄膜化の検討が精
力的になされている。特に残留分極の安定性を利用した
強誘電体薄膜キャパシタ搭載の不揮発性メモリデバイス
は、最近の記憶容量の高密度化、高集積化競争を背景に
最も注目されている分野である。

【０００３】こうした強誘電体メモリへの応用を競って
研究されている代表材料として、ＰＺＴ（チタン酸ジル
コン酸鉛）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン
鉛）等、下記の一般式（１）で表される一連の鉛含有複
合酸化物強誘電体がある。これらの鉛含有複合酸化物強
誘電体の薄膜は残留分極量も他の材料に比較して大きく
記録読み出しに有利であり、ジルコニウム−チタン比を
変えることによって目的に応じた強誘電性を任意に得ら
れるという長所があり、バルクセラミックスの研究を通
して膨大な物性データが蓄積されており、多年にわたっ
て多くの研究者が実用化検討を続けて来た。（Ｐｂ_1-x+αＡ_x）（Ｚｒ_1-y-zＴｉ_yＢ_z）Ｏ＋βＭｅＯ（１）ここで、ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｈ、Ｌａ、Ｙ、Ｓ
ｍ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｂｉ、Ｓｂのうちから選ばれる１つも
しくは複数元素からなる任意比率による組み合わせ、Ｂ
はＨｆ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏのうちから選ばれ
る１つもしくは複数元素からなる任意比率による組み合
わせ、ＭｅはＬａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｂｉ、Ｓ
ｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、
Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｕ、Ｓｃのうちから選ばれる１つも
しくは複数元素からなる任意比率による組み合わせ、α
＝０〜０．２、ｘ＝０〜０．３、ｙ＝０〜０．９、ｚ＝
０〜０．３、β＝０〜０．０５である。

【０００４】しかし、前記鉛含有複合酸化物強誘電体の
薄膜は残留分極量が大きく安定して形成できるという長
所の反面、ある回数以上の分極反転繰り返し、即ち記憶
情報の記録及び再生、によって著しく分極反転電流が減
少し、読み出しが困難になってしまうという短所を同時
に有している。従って、前記鉛含有複合酸化物強誘電体
を強誘電体メモリに応用するためには、その長所短所を
考慮してデバイス設計を行わねばならない。この様な従
来の強誘電体薄膜材料のメモリデバイス応用の問題点に
対し、先に本発明者らは、下記一般式（２）で表現され
るビスマス層状化合物強誘電体を有望な薄膜材料として
提案した（特開平０１−２４５２５８号公報、特開平０
３−１７８４５４号公報）。

【０００５】（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2- （２）ここで、ＡはＢｉ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｎａ、
Ｋ、Ｃｄの内から選ばれる１つもしくは複数元素からな
る任意比率による組み合わせ、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒの内から選ばれる１つもし
くは複数元素からなる任意比率による組み合わせ、ｍ＝
１〜５の自然数である。

【０００６】これらの化合物は従来のＰＺＴ、ＰＬＺＴ
等が情報の記録再生消去の分極反転回数が１０⁶〜１０
⁷回を越えると分極反転電荷量が初期の値に比べて半減
してしまうのに対し、１０¹⁰回以上の分極反転を行って
も、分極反転電荷量は殆ど低下することなく優れた耐疲
労特性を示し、高い耐久性能を要する不揮発性半導体メ
モリデバイス、その他の電子、光学デバイスへの幅広い
応用可能性が期待されている。

【０００７】強誘電体薄膜を用いた一般的な強誘電体メ
モリ１００の構造を図１１に示す。ＭＯＳトランジスタ
１０１等で構成されるスイッチング素子、増幅アンプな
どの周辺素子群を形成した例えばシリコンからなる半導
体基板１０２上に、白金等導電性金属や導電性酸化物か
らなる下部電極１０３、強誘電体薄膜１０５、下部電極
１０３と同じまたは異なる導電性材料からなる上部電極
１０８が順次積層されており、イオンミリング等を用い
て加工してメモリセルとなるべき複数の強誘電体薄膜キ
ャパシタ１０９が互いに分離形成されている。この強誘
電体薄膜キャパシタ１０９の表面を電気的に絶縁分離す
るように層間絶縁膜１１０が設けられ、さらに各素子間
を配線するために開口部１１１を介して層間絶縁膜１１
０上に各素子間の取り出し配線１１２を形成することに
より電気的に接続して構成されている。以上の基本的な
構造に加え下部電極１０３の基板密着性を向上させるた
めの接着層１１３や強誘電体薄膜キャパシタ１０９を各
種環境から保護するための保護膜等（図示せず）が必要
に応じて形成される。

【０００８】また、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉から成るビス
マス層状化合物薄膜の形成法としては、本発明者らによ
る米国出願07/981,133に記載された以下のような方法が
ある。前駆体溶液としてＳｒ、Ｂｉ、Ｔａの各２エチル
ヘキサン酸塩のキシレン溶液を用い、Ｂｉを化学量論比
に対して１０％過剰に添加する。塗布濃度を０．１５Ｍ
とし、振り切り速度２０００ｒｐｍで２００ｎｍ白金電
極を設けたシリコン基板上に成膜する。塗膜の乾燥を２
５０℃で５分間行ったあと、ランプアニーラを用いて１
２５℃／秒の昇温速度で８００℃まで加熱し、酸素中で
３０秒間の急速昇温ベークを施す。塗布成膜からベーク
までの工程を３回繰り返して多層膜とし、酸素気流中で
８００℃、６０分間のアニールを行う。その結果、膜厚
２４０ｎｍのＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉薄膜が得られる。膜
厚２００ｎｍの上部白金電極を該ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉
薄膜上にスパッタ成膜し、イオンミルを用いて白金電
極、ならびに、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉薄膜をエッチング
して、キャパシタを形成する。しかる後に、基板全体を
酸素気流中で８００℃、３０分間の２次アニールを行う
というものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記成膜法は、いわゆ
るＭＯＤ法と呼ばれる湿式塗布法であるが、１００ｎｍ
以上の膜厚を得たい場合には、湿式法であるが故に、急
速昇温ベーク、あるいは、アニールなどの高温での熱処
理時での膜収縮が激しく、一度で厚い膜を形成すること
はできない。従って、上記従来例のように、塗布、乾燥
を数回繰り返さねばならず成膜工程の複雑化を招く。さ
らには、多数回、塗布・乾燥を繰り返すことで、膜欠陥
の増大、あるいは、工程数の増加に伴う汚染の可能性が
増え数ミクロン、あるいは、サブミクロン単位で良質な
膜を求められる大容量メモリなどの電子デバイスへ適用
することは非常に困難である。また、強誘電体薄膜を上
下で挟持している白金電極はスパッタ法で、強誘電体薄
膜はＭＯＤ法でといったように薄膜の形成法を変えなけ
ればならず、製造ラインの複雑化を招くとともに、品質
管理が煩雑化し、製造コストが増大する。

【００１０】本発明は上記のような問題点に鑑み、簡略
な工程で強誘電体薄膜を製造することが可能な強誘電体
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】本発明は、上記目的を達
成するため、強誘電体薄膜の製造方法において、基板上
に下部電極を積層する下部電極積層工程と、組成式（Ｂ
ｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2-（ここで、Ａはビ
スマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂａ）、スト
ロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム
（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カドミウム（Ｃｄ）の内か
ら選ばれる１つもしくは複数元素の組み合わせであり、
Ｂはチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔ
ａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄
（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）の内から
選ばれる１つもしくは複数元素の組み合わせであり、ｍ
は１〜５の自然数である）を有する強誘電体薄膜を、酸
素を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ法によ
り、前記下部電極に電気的に接続されて積層する強誘電
体薄膜積層工程と、前記強誘電体薄膜に電気的に接続さ
れた上部電極を積層する上部電極積層工程と、を有する
強誘電体薄膜の製造方法を提供する。

【００１２】また、強誘電体薄膜の製造方法において、
基板上に下部電極を積層する下部電極積層工程と、組成
式ＳｒＢｉ₂（Ｔａ_xＮｂ_1-x）²Ｏ₉（ここで、ｘは
０から１．０までの実数）を有する強誘電体薄膜を、酸
素を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ法によ
り、前記下部電極に電気的に接続されて積層する強誘電
体薄膜積層工程と、前記強誘電体薄膜に電気的に接続さ
れた上部電極を積層する上部電極積層工程と、を有する
強誘電体薄膜の製造方法を提供する。

【００１３】

【作用】基板上に下部電極が積層された後に、強誘電体
薄膜がスパッタ法で積層され、さらにその上に上部電極
が積層される。このとき、スパッタ法は無酸素中の成膜
方法であるため、酸素不足を補うためにスパッタリング
ガスとして酸素を含むガスを用いて強誘電体薄膜の積層
を行う。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図１から図４に基づいて本発明の第１実
施例を説明する。図１は強誘電体薄膜を有する電子デバ
イスの構成を示したものである。シリコン基板１０上に
熱酸化膜１１が形成され、さらにその上に、５０ｎｍ厚
みのチタン（Ｔｉ）あるいはタンタル（Ｔａ）から成る
接合電極１２、続けて２００ｎｍ厚みの白金から成る下
部電極１３がスパッタ成膜されている。ここで、接合電
極１２は白金からなる下部電極１３と熱酸化膜１１の間
に配置され、これらの層間の接合層の役割を果たしてい
る。これは、周知の如く白金は酸化膜に対する接合強度
が非常に弱いためである。下部電極１３の上には強誘電
体であるＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ ₉からなるビスマス層状化
合物層１４が形成され、その上にさらに、上部電極１５
が形成されている。

【００１５】このような構成の電子デバイスの製造方法
について、図２に基づいて説明する。マルチターゲット
のＲＦマグネットロンスパッタ装置の真空槽１７内に、
チタン（Ｔｉ）金属のターゲット１６ａ、および、白金
（Ｐｔ）金属のターゲット１６ｂを配置し、熱酸化膜１
１が形成されたシリコン基板１０をこれらのターゲット
に対向配置する。こうした後、真空槽１７をロータリポ
ンプ、および、クライオポンプにて１０^-7Ｔｏｒｒ台ま
で排気し、メインバルブを操作し、スパッタガスである
アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、ガス圧を１０^-3Torr台
とする。投入電力２００Ｗとして、４０ｎｍ／ｍｉｎの
スパッタレートで、１分１２秒間、チタンを成膜し、そ
のまま続けて白金を５分間、成膜する。この時、成膜さ
れた薄膜の膜厚分布を均一とするため基板を回転する。
さらに、ターゲットの表面をクリーニングするため基板
とターゲット間にシャッターを配置し、プラズマ放電
後、数分間はこのシャッターでスパッタ粒子が基板への
到達するのを阻止するためのプリスパッタを行い、その
後、基板への成膜を行う。こうした後、例えばスパッタ
装置内の基板をセットするホルダーに内蔵されている基
板加熱ヒータにより６００℃以上で、数分間加熱する。
あるいは、真空槽１７内に配置した赤外線ランプ１８を
用いてアニールしても良い。また、スパッタ装置から取
り出し、アニール炉等で加熱しても良い。あるいは、基
板温度を予め６００℃以上に維持してスパッタしても良
い。好ましくは、クリーンな真空槽内から基板を出さず
に真空槽内処理するのがよい。このアニールの目的は、
下部電極１３とシリコン基板１０との接合強度を上げる
ことにあり、アニールの雰囲気は特に制限はないが、酸
素を主体としたガス中でアニールすることが好ましい。
また、温度は６００〜８００℃で、数分間以上アニール
することが好ましい。酸素を主体としたガス中で行う場
合には、Ｏ₂ガスをスパッタ真空槽内に導入する、ある
いは、真空槽を大気に戻すなどにより行う。その場合に
は、続いて実施するビスマス層状化合物薄膜の成膜のた
め、再度、１０^-7Ｔｏｒｒ台まで真空槽を排気する必要
がある。しかる後に、熱酸化膜１１、接合電極１２、下
部電極１３が成膜されたシリコン基板１０をＳｒＢｉ₂
Ｔａ₂Ｏ₉に酸化ビスマスを過剰に添加した焼結体から
なるターゲットに対向配置させる。本実施例では、酸化
ビスマスの過剰量を２０ｍｏｌ％とした。ここでは、焼
結体のターゲットを用いているが、これに限ることでは
なく粉末ターゲットとして、酸化ビスマスの粉末の混合
量を過剰にする、あるいは、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉の焼
結ターゲット上に酸化ビスマス、あるいは、金属ビスマ
スのペレットを適切に配置しビスマスを過剰とする方法
でも良い。このようにビスマスの量を組成式ＳｒＢｉ₂
Ｔａ₂Ｏ₉に基づいて与えられる量よりも過剰にしてお
く理由は、ビスマス（Ｂｉ）はスパッタレートが他元素
に比べ大きく、スパッタされやすいと同時に基板に付着
したビスマス（Ｂｉ）が再スパッタされ、放出されてし
まうこと、ターゲットから放出される２次電子の衝突に
よる基板温度の上昇のため蒸発してしまうこと、さらに
は、蒸発温度が他元素に比べ低いため、結晶化のための
アニール時に蒸発してしまうことなどのために、ビスマ
ス（Ｂｉ）不足の膜となりがちであるからである。従っ
て、予めビスマス（Ｂｉ）を過剰にしたターゲットによ
り、過剰にスパッタ成膜することで、できあがった膜を
化学量論組成を有する膜とすることができる。そして、
メインバルブを操作し、スパッタガスであるアルゴン
（Ａｒ）ガスを導入し、ガス圧を１０^-3台とした。この
時、同時に酸素（Ｏ₂）ガスをＡｒ：Ｏ₂＝９：１の割
合で混入した。スパッタ法は、無酸素中での成膜法であ
るため、酸化物から成るターゲットを用いたとしても、
成膜された膜は酸素不足となり化学量論組成からずれて
しまい、所望の特性が得られない。そこで、スパッタガ
スに酸素を導入し、放電中に酸素イオンを生じせしめ酸
素不足を補った。酸素不足をさらに効率的に補うために
は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマで酸素
イオンを生じせしめ、基板に照射しても良好な結果が得
られる。このようにして酸素不足を補いながら、投入電
力１００Ｗで、スパッタレート１０ｎｍ／ｍｉｎで２０
分間、厚さ２００ｎｍのＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉を成膜し
た。その後引き続いて、スパッタガスをアルゴン（Ａ
ｒ）ガスだけとし、白金（Ｐｔ）ターゲットに基板を対
向配置させ、白金（Ｐｔ）を２００ｎｍ厚みでスパッタ
成膜して上部電極を形成した。次に、真空槽内から取り
出しレジスト塗布、露光などの良く知られたフォトリソ
グラフ工程を行い、イオンミリングなどの手法により、
白金から成る上部電極を所望な形状・サイズにパターン
ニングし、アニール炉にて酸素ガス中、８００℃で３０
分間、熱処理を施し結晶化を行った。この熱処理の際の
温度は、強誘電体薄膜を形成する材料（本実施例ではＳ
ｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）の結晶化温度以上であればよく、
ビスマス層状化合物薄膜では６００℃から９００℃が好
適である。以下において、便宜のために、この上部電極
形成後の結晶化温度以上での熱処理を第２熱処理とい
う。こうして作製された強誘電体薄膜のＸ線回折パター
ンを図３に、ヒステリシス特性を図４に示す。図３から
明らかなように、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉の多結晶が形成
されており、図４に示されるよう良好なヒステリシス特
性が得られていることが分かる。

【００１６】尚、本実施例、および、第２実施例以降で
は、相対比較を容易にするために成膜する強誘電体薄膜
はＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉の例を説明するが下式（３）で
表現されるビスマス層状化合物に対して本発明の主旨を
そのまま適用できることは言うまでもない。（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2- （３）ここで、Ａはビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム
（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃ
ａ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カドミウ
ム（Ｃｄ）の内から選ばれる１つもしくは複数元素の組
み合わせであり、Ｂはチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎ
ｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブ
デン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム
（Ｃｒ）の内から選ばれる１つもしくは複数元素の組み
合わせであり、ｍは１〜５の自然数である。また、特に
好ましくは組成式ＳｒＢｉ₂（Ｔａ_xＮｂ_1-x）₂Ｏ₉
（ｘ＝０〜１．０）で表されるビスマス層状化合物薄膜
を酸素を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ法に
より成膜することで、従来に比べクリーンな環境下で容
易に、ヒステリシス特性が優れ、同時に疲労特性に優れ
る強誘電体薄膜が形成できる。

【００１７】以上のように、基板上に下部電極、およ
び、上部電極の一対の電極で挟持された（３）式で表現
されるビスマス層状化合物薄膜の成膜方法において、酸
素を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ法により
成膜することによって、従来に比べクリーンな環境下で
容易に、良好な強誘電体特性を有する強誘電体薄膜が形
成できる。

【００１８】さらには、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）プラズマで酸素イオンを生じせしめ、基板に照射し
ながらスパッタ成膜することによって酸素不足を効率的
に補うことができ、良好な特性を有するビスマス層状化
合物薄膜が形成できる。また、目的生成物の組成に対
し、ビスマスを過剰にしたターゲットを用いてスパッタ
成膜することで、組成ズレのない良好な強誘電体得性を
有するビスマス層状化合物薄膜が成膜できる。（実施例２）次に、第２実施例について説明する。第１
実施例に示された方法によって、白金からなる下部電極
を設けた基板上にタンタル（Ｔａ）酸化物薄膜を予め成
膜する。厚みは、なるべく薄くしておくことが好ましく
１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とした。こうした上に第１実施例
と同様、ビスマス過剰のターゲットを用いてビスマス層
状化合物の成膜を行うとビスマスが効率的に取り込まれ
ることを、本発明者らは実験的に見い出した。このよう
に、ビスマス層状化合物薄膜を成膜する前に、予め前記
下部電極上にタンタル（Ｔａ）金属、あるいは、タンタ
ル（Ｔａ）酸化物を成膜しておくことで、さらにビスマ
スが効率的に取り込まれ、化学量論組成のＳｒＢｉ₂Ｔ
ａ₂Ｏ₉が実現できる。

【００１９】また、図５に示す装置構成で成膜してもよ
い。図５（ａ）はスパッタ装置の真空槽２０を側面から
見た図で、組成式ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉を有するビスマ
ス層状化合物が積層されるべき基板２１がターゲット２
３ａ、２３ｂ、２３ｃに対向するように、回転軸２２を
有する支持部材２５に固定されている。図５（ｂ）は真
空槽２０内に配置されるターゲット２３ａ、２３ｂ、２
３ｃの配置をわかりやすくするために、ターゲットの部
分を上から見た図である。図５（ｂ）に示すようストロ
ンチウム（Ｓｒ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔ
ａ）の各元素の酸化物から成るターゲット２３ａ、２３
ｂ、２３ｃは、円周２４上に配置されている。このよう
な構成において、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ₂）
ガスを導入し、プラズマ放電させる。このとき、円周２
４に沿って基板２１が公転するように回転軸２２のまわ
りに基板２１の支持部材２５を回転させる。膜厚分布、
組成分布を均一にするために、基板を自転させても良
い。こうすると、ストロンチウム（Ｓｒ）、ビスマス
（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）が極薄膜で交互に多層積層
される。この後、成膜された膜に８００℃程度の高温で
のアニールを施すことで結晶が成長する。この熱処理の
温度は強誘電体薄膜の材料（本実施例ではＳｒＢｉ ₂Ｔ
ａ₂Ｏ₉）の結晶化温度以上であればよく、ビスマス層
状化合物薄膜では、６００℃から９００℃が好適であ
る。以下、便宜のため、この強誘電体薄膜形成後の熱処
理を第１熱処理という。ビスマス層状化合物の積層中は
所望の組成となるよう各元素から成る極薄膜の厚みをコ
ントロールする。厚みのコントロールは、各ターゲット
上を通過する時間をコントロールしても良いし、通過時
間を一定として、ターゲットに印加する電界を変えても
良い。また、その両者の組み合わせでも良い。この時、
上で説明したのと同じ理由により、Ｂｉ酸化膜が成膜さ
れる前にＴａ酸化膜が形成されるようにターゲットの配
置を構成し、または基板の公転方向を制御し、またはタ
ーゲットに印加する電圧を制御する。例えば、Ｔａ→Ｂ
ｉ→Ｓｒ、あるいは、Ｓｒ→Ｔａ→Ｂｉ、のような順序
で基板２１が各ターゲット上を通過するように構成する
ことでビスマス層の前にタンタル層が形成されるので、
ビスマス（Ｂｉ）を効果的に堆積させることができ、所
望の組成を有するビスマス層状化合物薄膜が形成でき
る。

【００２０】さらには、最終層をビスマス（Ｂｉ）でな
い層、すなわち、ストロンチウム（Ｓｒ）、あるいは、
タンタル（Ｔａ）の酸化物から成る層とすることで、ビ
スマス（Ｂｉ）層が表面に露呈することがなくなるた
め、後工程で施す高温での熱処理（第１熱処理、第２熱
処理）によるビスマス（Ｂｉ）の蒸発を防止することが
できる。

【００２１】以上のように、ビスマス層状化合物の成膜
工程において、タンタル（Ｔａ）層がビスマス（Ｂｉ）
層の前層となるよう順次積層することで、ビスマスを効
率的に取り込むことが出来、所望の組成のビスマス層状
化合物薄膜が形成できる。（実施例３）図６に基づい
て、第３の実施例を説明する。本実施例では、ＳｒＢｉ
₂Ｔａ₂Ｏ₉から成るビスマス層状化合物薄膜の別のス
パッタ成膜方法について説明する。図６に示されるよう
に、スパッタ装置の真空槽３０内にストロンチウム（Ｓ
ｒ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）の酸化物タ
ーゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃがビスマス層状化合物
が成膜される基板３２をセットする位置に対向させて配
置されている。Ａｒイオンビームを独立に各ターゲット
に照射し、該ターゲットからスパッタ粒子をビスマス層
状化合物が成膜されるべき基板３２へ堆積させる。具体
的には以下のようにした。

【００２２】第１実施例と同様、シリコン基板上に熱酸
化膜を形成し、その上に５０ｎｍ厚みのチタン（Ｔｉ）
あるいはタンタル（Ｔａ）から成る接合電極を設け、続
けて２００ｎｍ厚みの白金から成る下部電極をスパッタ
成膜し、６００〜８００℃で酸素を主体としたガス中で
数分以上の熱処理を施した。この接合電極、下部電極の
成膜は第１実施例と同様に行った。そして、真空槽３０
を１０^-7Ｔｏｒｒ台まで排気し、上記のようにして作製
されたシリコン基板、熱酸化膜、接合電極、下部電極を
有する基板３２を所定の位置に配置させ、メインバルブ
を操作し、スパッタガスであるＡｒガスを導入し、ガス
圧を１０^-3台とした。この時、酸素不足を効率的に補う
ために、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマで
酸素イオンを生じせしめ基板３２に照射した。次に、ス
トロンチウム（Ｓｒ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル
（Ｔａ）の酸化物ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃに
独立にＡｒイオンビームを照射することによって、２０
０ｎｍ厚みのＳｒＢｉ₂Ｔａ ₂Ｏ₉を成膜した。この
時、各ターゲットへのＡｒイオンビームエネルギを独立
に制御することにより、各元素のスパッタ粒子量を独立
にコントロールできることからビスマス過剰にすること
等の、組成コントロールが容易に行える。その後引き続
いて、スパッタガスをＡｒガスだけとし、白金（Ｐｔ）
ターゲットを真空槽３０内に導入し、基板３２を対向配
置させ、白金（Ｐｔ）を２００ｎｍ厚みでスパッタ成膜
して上部電極を形成した。次に、真空槽内から取り出し
レジスト塗布、露光などの良く知られたフォトリソグラ
フ工程を行い、イオンミリングなどの手法により、白金
から成る上部電極を所望な形状・サイズにパターンニン
グし、アニール炉にて酸素ガス中、８００℃で３０分
間、熱処理（第２熱処理）を施し結晶化を行う。この熱
処理の温度は強誘電体薄膜の材料（本実施例ではＳｒＢ
ｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）の結晶化温度以上であればよく、ビス
マス層状化合物では６００℃から９００℃が好適であ
る。このようにＡｒイオンビームを各元素から成るター
ゲットに照射して、スパッタ粒子を生じせしめ成膜する
ことで多元素で、かつ、スパッタレートの異なる系にお
いても容易に所望の組成を有する薄膜が形成できる。

【００２３】以上のように、目的生成物の各元素から成
る複数ターゲットから成り、該ターゲットに照射するＡ
ｒイオンビームエネルギを独立に制御することによって
目的生成物をスパッタ成膜することで、所望の組成を有
するビスマス層状化合物薄膜が形成できる。また、本実
施例では、Ａｒイオンビームを照射することとしたが、
これに限らず、クリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）
等の不活性ガスイオンを用いてもよい。

【００２４】また、最終層をビスマス（Ｂｉ）でない
層、すなわち、ストロンチウム（Ｓｒ）、あるいは、タ
ンタル（Ｔａ）の酸化物から成る層とすることで、Ｂｉ
層を表面に露呈することがなくなるため、後工程で施す
高温での熱処理（第１熱処理、第２熱処理）によるビス
マス（Ｂｉ）の蒸発を防止することができる。（実施例４）次に、第４実施例について説明する。本実
施例では、ビスマス層状化合物をスパッタ成膜する際
に、ビスマス層状化合物を成膜する基板の温度を室温以
上、具体的には５００℃、とした。基板温度を高温にし
た状態で成膜すると膜の付着強度は上がることはもとよ
り、基板の熱により運動エネルギーを得た飛来スパッタ
粒子が基板上で動きやすくなり、最もエネルギー的に安
定な状態、即ち結晶状態を作る。但し、ここで用いた５
００℃は結晶化温度には満たないため、完全な結晶状態
には成らないが、準結晶状態となる。こうした膜を、上
述の実施例と同様に酸素を主体としたガス中で６００℃
〜９００℃でアニールすることにより、より結晶性の高
い膜が得られ、良好な強誘電体特性を有するビスマス層
状化合物薄膜が形成できる。

【００２５】以上のように、基板温度を室温以上に維持
してスパッタ成膜することで、結晶性の高い膜が得ら
れ、良好な強誘電体特性を有するビスマス層状化合物薄
膜が形成できる。（実施例５）次に第５実施例を説明する。本実施例で
は、ビスマス層状化合物をスパッタ成膜する際に、ビス
マス層状化合物を成膜する基板の温度を室温以下、具体
的には基板を液体窒素で冷却することによって０℃、と
した。このように基板温度を室温以下の低温にした状態
で成膜すると飛来スパッタ粒子が基板上で動くことは殆
どなく、いわゆるアモルファス状態となり、空間的に非
常に均一な膜が形成される。こうして成膜された膜を急
速昇降温アニール、および、酸素を主体としたガス中で
６００℃〜９００℃でアニールすることにより、均一性
の高いビスマス層状化合物薄膜が形成できる。

【００２６】このように、基板温度を室温以下に維持し
てスパッタ成膜することによって、均一性の高いビスマ
ス層状化合物薄膜が形成できる。（実施例６）上述の実施例と同様に、シリコン基板上に
熱酸化膜を設け、さらにその上に、５０ｎｍ厚みのＴｉ
あるいはＴａから成る接合電極、続けて２００ｎｍ厚み
の白金から成る下部電極を形成し、アルゴン（Ａｒ）ガ
スと酸素（Ｏ₂）ガスを導入しながら、あるいは、電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマで生成される酸
素イオンを利用してビスマス層状化合物薄膜をスパッタ
成膜する。このとき、不連続に少なくとも１回以上、ス
パッタ真空槽内に配置された赤外線ランプにより急速昇
温・降温する急速昇降温熱処理プロセスを施す。具体的
には以下のように行う。

【００２７】ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉を成膜する際、例え
ば、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉を５０ｎｍ、あるいは、１０
０ｎｍ堆積させた後、この基板を赤外線ランプ上に移動
させ、６００℃以上、好ましくは７００〜８００℃ま
で、急速昇温させ、少なくとも数秒間、好ましくは数１
０秒間温度を維持し、ランプをオフにする。このよう
に、赤外線ランプにて基板を加熱すると基板表面だけを
急速に昇温・降温できる。この時、赤外線ランプのオン
・オフではなく、基板の移動速度をコントロールして、
常時熱放射している赤外線ランプが照射される位置に基
板を所在させるか否かで加熱を制御しても良い。ビスマ
ス層状化合物中のビスマスは蒸発温度が低く、７００〜
８００℃でも長時間のアニールでは蒸発してしまい膜中
のビスマスは不足してしまう。従って、上述したように
急速昇温、短時間での高温アニール、そして急速降温さ
せることで、ビスマスの蒸発前に結晶核の生成を行って
しまうため、ビスマス不足を起こさず、しかも、目的と
する酸化物強誘電体の微小な結晶核を無数に発生させる
ことができる。薄膜は急激な温度変化を伴って結晶化温
度以上に一気に加熱され、これにより引き起こされる機
械的な引っ張りやせん断応力、熱的な歪み、集中が生じ
てこれらを中心に核生成されるため、無数の核が瞬時に
発生するものと考えられる。

【００２８】次に、再度、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉を成膜
するための位置に基板を移動させ、５０ｎｍ、あるい
は、１００ｎｍ堆積させた後、急速昇温降温を施すとい
うサイクルを所望の膜厚になるまで繰り返す。この時、
スパッタガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素
（Ｏ₂）ガス中で行うことが、最も効率的なプロセスと
なる。何故なら、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉膜の形成と急速
昇降温熱処理プロセスとで、同一真空槽内で同一ガス条
件下で行えるため、連続的に成膜、アニールが行えるか
らである。急速昇温降温熱処理プロセスにおいて、基板
に同時に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマで
生成される酸素イオンで酸素供給を補助することにより
酸素を効果的に補うことができるため、該熱処理時に酸
素不足は生じない。しかる後に、白金（Ｐｔ）を２００
ｎｍ厚みでスパッタ成膜して上部電極を形成する。次
に、真空槽内から取り出しレジスト塗布、露光などの良
く知られたフォトリソグラフ工程を行い、イオンミリン
グなどの手法により、白金から成る上部電極を所望な形
状・サイズにパターンニングする。

【００２９】次に、このような処理を経て形成された強
誘電体薄膜に結晶化温度以上、具体的には酸素ガス中
で、８００℃、６０分間、のアニール（第２熱処理）を
施すことにより、上述の急速昇温降温プロセスにおいて
生成したそれぞれの結晶核において結晶が一斉に成長
し、粒子間の距離も密度に比例して短いため効率的で均
一な結晶化反応が促進され、同時に結晶粒同士の融合も
起こり粒径の揃った緻密な強誘電体薄膜が短時間で形成
される。このアニールの温度は強誘電体薄膜の結晶化温
度以上であればよいが、ビスマス層状化合物薄膜では６
００℃から９００℃が好適である。

【００３０】このように、成膜中に急速昇温・降温での
熱処理プロセスを加えると、図７に示すよう非常に良好
な角形比を有し分極量２Ｐｒが大きなヒステリシス特性
が得られる。また、ここで説明した急速昇降温熱処理プ
ロセスは、成膜中でなくとも効果は同様にあり、厚み２
００ｎｍのＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉膜の形成後に行っても
よく、スパッタ真空槽内から取り出し専用の装置を用い
て急速昇降温熱処理プロセスを行ってもよい。また、２
００ｎｍ成膜後でなく５０ｎｍ毎、あるいは、１００ｎ
ｍ毎、専用の装置に移し急速昇降温熱処理プロセスを行
えば、より効果が発揮される。こうした工程は、例え
ば、図８に示すように、基板搬送方向に沿ってスパッタ
真空槽４０、真空予備室４１、急速昇降温処理装置４
２、真空予備室４３、スパッタ真空槽４４を配置するこ
とで、効率的に行うことができる。

【００３１】さらに、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉膜の形成
後、白金から成る上部電極を形成する前に酸素を主体と
したガス中で６００〜９００℃、６０分の熱処理（第１
熱処理）を施すことにより図９に示すごとくヒステリシ
ス特性は２Ｐｒが大きくなり、角形比に優れた強誘電体
特性を示す。第１熱処理の温度は強誘電体薄膜の結晶化
温度以上であればよく、ビスマス層状化合物薄膜では６
００℃から９００℃が好適である。

【００３２】ここで、前述した上部電極形成後に強誘電
体薄膜に施す結晶化温度以上のアニール（第２熱処理）
の効果について、データに基づいて説明する。図１０は
上記で説明した急速熱昇降温熱処理、第１熱処理を施し
たＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉膜に２００ｎｍ厚みの白金から
成る上部電極を形成し、前述した方法により上部電極を
サイジングし、第２熱処理前後でヒステリシスカーブを
評価したものであり、図１０（ａ）は第２熱処理前、図
１０（ｂ）は第２熱処理後のヒステリシスカーブを示
す。図１０から第２熱処理を施すことにより飽和特性が
改善されていることが分かる。

【００３３】以上のように、スパッタ成膜中に酸素を含
むガス中で毎秒１℃〜２００℃で昇温・降温させてアニ
ールする急速昇降温熱処理プロセスを含めることで非常
に良好な角形比を有し分極量２Ｐｒが大きなヒステリシ
ス特性を有するビスマス層状化合物薄膜が形成できる。
また、急速昇降温熱処理プロセスにおいて、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマで酸素イオンを利用す
ることで、酸素不足を効果的に補うことができ、組成ズ
レのないビスマス層状化合物薄膜が形成できる。

【００３４】また、ビスマス層状化合物薄膜をスパッタ
成膜後に、酸素を主成分とするガス中で、毎秒１℃〜２
００℃で昇温・降温させてアニールする急速昇降温熱処
理を施すことでも、同様に、非常に良好な角形比を有し
分極量２Ｐｒが大きなヒステリシス特性を有するビスマ
ス層状化合物薄膜が形成できる。また、ビスマス層状化
合物薄膜をスパッタ成膜後、酸素を主成分とするガス中
で、結晶化温度以上、好ましくは６００〜９００℃でア
ニールする第１熱処理を施すことにより結晶化させるこ
とで非常に良好な角形比を有し分極量２Ｐｒが大きなヒ
ステリシス特性を有するビスマス層状化合物薄膜が形成
できる。

【００３５】さらには、上部電極を成膜後、酸素を主成
分とするガス中で結晶化温度以上、好ましくは６００〜
９００℃でアニールする第２熱処理を施すことで非常に
良好な飽和特性を有するビスマス層状化合物薄膜が形成
できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明では、強誘電体薄膜を酸素雰囲気
中でスパッタリングすることにより、簡略な工程で強誘
電体薄膜を製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る強誘電体薄膜を有する電子デ
バイスの構造を示す図。

【図２】実施例１に係る強誘電体薄膜の製造工程を説
明する図。

【図３】実施例１に係る方法で製造された強誘電体薄
膜のＸ線回折パターンを示す図。

【図４】実施例１に係る方法で製造された強誘電体薄
膜のヒステリシス特性を示す図。

【図５】実施例２に係る強誘電体薄膜の製造工程を説
明する図。

【図６】実施例３に係る強誘電体薄膜の製造工程を説
明する図。

【図７】実施例６に係る方法で製造された強誘電体薄
膜のヒステリシス特性を示す図。

【図８】実施例６に係る強誘電体薄膜の製造工程を説
明する図。

【図９】実施例６に係る方法で製造された強誘電体薄
膜のヒステリシス特性を示す図。

【図１０】実施例６に係る熱処理の効果を説明する
図。

【図１１】従来技術を説明する図。

【符号の説明】

１０シリコン基板１１熱酸化膜１２接合電極１３下部電極１４強誘電体薄膜１５上部電極１６ａ、１６ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、３１ａ、３
１ｂ、３１ｃターゲット１７、２０、３０真空槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 27/108 9276−4ＭＨ０１Ｌ 27/10 ６５１ 21/8242 29/78 ３７１ 21/8247 29/788 29/792

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電体薄膜の製造方法において、基板上に下部電極を積層する下部電極積層工程と、組成式（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2-（ここ
で、Ａはビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂ
ａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、
ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カドミウム（Ｃ
ｄ）の内から選ばれる１つもしくは複数元素の組み合わ
せであり、Ｂはチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タン
タル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）
の内から選ばれる１つもしくは複数元素の組み合わせで
あり、ｍは１〜５の自然数である）を有する強誘電体薄
膜を、酸素を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ
法により、前記下部電極に電気的に接続されて積層する
強誘電体薄膜積層工程と、前記強誘電体薄膜に電気的に接続された上部電極を積層
する上部電極積層工程と、を有する強誘電体薄膜の製造
方法。
【請求項２】前記酸素は電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）プラズマによって生成する酸素イオンであること
を特徴とする請求項１に記載の強誘電体薄膜の製造方
法。
【請求項３】前記強誘電体薄膜積層工程において、前
記強誘電体薄膜の組成に対し、金属ビスマス、あるい
は、酸化ビスマスを過剰に添加したターゲットを用いて
前記強誘電体薄膜をスパッタ成膜することを特徴とする
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の強誘電
体薄膜の製造方法。
【請求項４】前記強誘電体薄膜積層工程の前に、前記
下部電極上にタンタル（Ｔａ）金属、あるいは、タンタ
ル（Ｔａ）酸化物からなる層を積層する工程をさらに有
することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか
１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項５】前記強誘電体薄膜積層工程において、前
記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のターゲ
ットを有し、該ターゲットに印加する電圧をを独立に制
御することによって前記各元素からなる層の厚さを制御
することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか
１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項６】前記強誘電体薄膜積層工程において、前
記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のターゲ
ットを有し、前記強誘電体薄膜を積層すべき基板がそれ
ぞれの前記ターゲット上を通過する時間を制御すること
によって前記各元素からなる層の厚さを制御することを
特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載
の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項７】前記ターゲットに印加する電圧を制御す
ることを特徴とする請求項６に記載の強誘電体薄膜の製
造方法。
【請求項８】前記複数のターゲットは円周上に配置さ
れており、前記複数のターゲットに対向して配置された
強誘電体薄膜を積層すべき基板を前記円周に沿って回転
させることを特徴とする請求項６または請求項７のいず
れか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項９】前記強誘電体薄膜積層工程において、前
記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のターゲ
ットを有し、該ターゲットに照射する不活性ガスイオン
のエネルギーを独立に制御することによって、前記各元
素からなる強誘電体薄膜を形成することを特徴とする請
求項１から請求項４のいずれか１項に記載の強誘電体薄
膜の製造方法。
【請求項１０】前記複数のターゲットは金属ビスマス
または酸化ビスマスからなるターゲットを有し、酸化ビ
スマス層以外の層が最終層となるように積層することを
特徴とする請求項５から請求項９のいずれか１項に記載
の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１１】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜が積層されるべき基板の温度を室温以
上に維持してスパッタ成膜することを特徴とする請求項
１から請求項１０のいずれか１項に記載の強誘電体薄膜
の製造方法。
【請求項１２】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜が積層されるべき基板の温度を室温以
下に維持してスパッタ成膜することを特徴とする請求項
１から請求項１０のいずれか１項に記載の強誘電体薄膜
の製造方法。
【請求項１３】前記強誘電体薄膜積層工程において、
スパッタ成膜中に酸素を含むガス中で毎秒１℃〜２００
℃で昇温・降温させてアニールする急速昇降温熱処理工
程をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項
１２のいずれか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１４】前記急速昇降温熱処理工程の酸素は、
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマによって生
成する酸素イオンであることを特徴とする請求項１３に
記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１５】前記強誘電体薄膜積層工程の後に、酸
素を主成分とするガス中で毎秒１℃〜２００℃で昇温・
降温させてアニールする急速昇降温熱処理工程をさらに
有することを特徴とする請求項１から請求項１４のいず
れか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１６】前記強誘電体薄膜積層工程の後に、酸
素を有するガス中で前記強誘電体薄膜の結晶化温度以上
の温度でアニールすることによって前記強誘電体薄膜を
結晶化させる熱処理工程をさらに有することを特徴とす
る請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の強誘
電体薄膜の製造方法。
【請求項１７】前記結晶化温度以上の温度は６００〜
９００℃であることを特徴とする請求項１６に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１８】前記上部電極積層工程の後に、酸素を
有するガス中で前記強誘電体薄膜の結晶化温度以上の温
度でアニールする熱処理工程をさらに有することを特徴
とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の
強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１９】前記結晶化温度以上の温度は６００〜
９００℃であることを特徴とする請求項１８に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２０】強誘電体薄膜の製造方法において、基
板上に下部電極を積層する下部電極積層工程と、組成式
ＳｒＢｉ₂（Ｔａ_xＮｂ_1-x）₂Ｏ₉（ここで、ｘは０
から１．０までの実数）を有する強誘電体薄膜を、酸素
を含むスパッタリングガスを用いたスパッタ法により、
前記下部電極に電気的に接続されて積層する強誘電体薄
膜積層工程と、前記強誘電体薄膜に電気的に接続された
上部電極を積層する上部電極積層工程と、を有する強誘
電体薄膜の製造方法。
【請求項２１】前記酸素は電子サイクロトロン共鳴
（ＥＣＲ）プラズマによって生成する酸素イオンである
ことを特徴とする請求項２０に記載の強誘電体薄膜の製
造方法。
【請求項２２】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜の組成に対し、金属ビスマス、あるい
は、酸化ビスマスを過剰に添加したターゲットを用いて
前記強誘電体薄膜をスパッタ成膜することを特徴とする
請求項２０または請求項２１のいずれか１項に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２３】前記強誘電体薄膜積層工程の前に、前
記下部電極上にタンタル（Ｔａ）金属、あるいは、タン
タル（Ｔａ）酸化物からなる層を積層する工程をさらに
有することを特徴とする請求項２０から請求項２２のい
ずれか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２４】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のター
ゲットを有し、該ターゲットに印加する電圧を独立に制
御することによって前記各元素からなる層の厚さを制御
することを特徴とする請求項２０から請求項２３のいず
れか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２５】前記複数のターゲットは金属タンタル
または酸化タンタルからなるターゲットと金属ビスマス
または酸化ビスマスからなるターゲットを有し、酸化タ
ンタルが酸化ビスマスよりも先に積層されるように、前
記ターゲットに印加する電圧を制御することを特徴とす
る請求項２４に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２６】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のター
ゲットを有し、前記強誘電体薄膜を積層すべき基板がそ
れぞれの前記ターゲット上を通過する時間を制御するこ
とによって前記各元素からなる層の厚さを制御すること
を特徴とする請求項２０から請求項２３のいずれか１項
に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２７】前記ターゲットに印加する電圧を制御
することを特徴とする請求項２６に記載の強誘電体薄膜
の製造方法。
【請求項２８】前記複数のターゲットは円周上に配置
されており、前記複数のターゲットに対向して配置され
た強誘電体薄膜を積層すべき基板を前記円周に沿って回
転させることを特徴とする請求項２６または請求項２７
のいずれか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２９】前記複数のターゲットは金属タンタル
または酸化タンタルからなるターゲットと金属ビスマス
または酸化ビスマスからなるターゲットを有し、酸化タ
ンタルが酸化ビスマスよりも先に積層されるように、前
記複数のターゲットが配置され、または前記基板の回転
方向が制御されることを特徴とする請求項２８に記載の
強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３０】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜を構成する各元素を有する複数のター
ゲットを有し、該ターゲットに印加する電圧に照射する
不活性ガスイオンのエネルギを独立に制御することによ
って前記各元素からなる強誘電体薄膜を形成することを
特徴とする請求項２０から請求項２３のいずれか１項に
記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３１】前記強誘電体薄膜積層工程において、
ビスマス層以外の層が最終層となるように積層すること
を特徴とする請求項２４から請求項３０のいずれか１項
に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３２】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜が積層されるべき基板の温度を室温以
上に維持してスパッタ成膜することを特徴とする請求項
２０から請求項３０に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３３】前記強誘電体薄膜積層工程において、
前記強誘電体薄膜が積層されるべき基板の温度を室温以
下に維持してスパッタ成膜することを特徴とする請求項
２０から請求項３１のいずれか１項に記載の強誘電体薄
膜の製造方法。
【請求項３４】前記強誘電体薄膜積層工程において、
スパッタ成膜中に酸素を含むガス中で毎秒１℃〜２００
℃で昇温・降温させてアニールする急速昇降温熱処理工
程をさらに有することを特徴とする請求項２０から請求
項３３のいずれか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方
法。
【請求項３５】前記急速昇降温熱処理工程の酸素は、
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマによって生
成する酸素イオンであることを特徴とする請求項３４に
記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３６】前記強誘電体薄膜積層工程の後に、酸
素を主成分とするガス中で毎秒１℃〜２００℃で昇温・
降温させてアニールする急速昇降温熱処理工程をさらに
有することを特徴とする請求項２０から請求項３５のい
ずれか１項に記載の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３７】前記強誘電体薄膜積層工程の後に、酸
素を有するガス中で前記強誘電体薄膜の結晶化温度以上
の温度でアニールすることによって前記強誘電体薄膜を
結晶化させる熱処理工程をさらに有することを特徴とす
る請求項２０から請求項３６のいずれか１項に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３８】前記結晶化温度以上の温度は６００〜
９００℃であることを特徴とする請求項３７に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３９】前記上部電極積層工程の後に、酸素を
有するガス中で前記強誘電体薄膜の結晶化温度以上の温
度でアニールする熱処理工程をさらに有することを特徴
とする請求項２０から請求項３８のいずれか１項に記載
の強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項４０】前記結晶化温度以上の温度は６００〜
９００℃であることを特徴とする請求項３９に記載の強
誘電体薄膜の製造方法。