JPH09263494A - Thin stabilized zirconia film/single-crystalline silicon substrate laminated structure and its production - Google Patents

Thin stabilized zirconia film/single-crystalline silicon substrate laminated structure and its production

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JPH09263494A
JPH09263494A JP8076318A JP7631896A JPH09263494A JP H09263494 A JPH09263494 A JP H09263494A JP 8076318 A JP8076318 A JP 8076318A JP 7631896 A JP7631896 A JP 7631896A JP H09263494 A JPH09263494 A JP H09263494A
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stabilized zirconia
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single crystal
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composite structure
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a stabilized zirconia film/c-Si laminated structure free from ion drift. SOLUTION: A thin stabilized zirconia (ZrO2 ) film 2 is grown on a single- crystalline silicon semiconductor substrate 1 to obtain the objective laminated structure. The zirconia film 2 contains about equal amts. of a stabilizer made of oxide of a metal whose valence is lower than 4 as the valence of Zr and an oxygen ion hole vanishing agent made of oxide of a metal whose valence is higher than 4.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はイオンドリフトのな
い良好な安定化ジルコニア薄膜/単結晶シリコン複合構
造体およびその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a good stabilized zirconia thin film / single crystal silicon composite structure free from ion drift and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジルコニア:ZrO2は融点が2700
℃と高く、機械的に強靭であるばかりでなく、化学薬品
に対する強い耐腐食性を備え、優れた絶縁性と高い誘電
率を有しているので、様々な産業分野で応用されてい
る。純粋なジルコニアには3種類の多形、すなわち高温
から立方晶、正方晶、単斜晶があることが知られている
が、温度の低下によって対称性の低い晶系に相転位して
しまうので、応用上有用な立方晶の単結晶は常温では得
られない。しかし、これに2価や3価の金属酸化物を固
溶させると、結晶が安定化され、高温相である立方晶域
を室温付近まで下げることができる。以下このような立
方晶系のジルコニアを「安定化ジルコニア」を総称する
ことにする。
Zirconia: ZrO 2 has a melting point of 2700.
Not only is it as high as ℃, it is mechanically tough, but it also has strong corrosion resistance to chemicals, has excellent insulating properties, and has a high dielectric constant, so it is applied in various industrial fields. It is known that pure zirconia has three kinds of polymorphs, that is, cubic crystal, tetragonal crystal, and monoclinic crystal from high temperature. However, since the temperature lowers, a phase transition occurs in a crystal system with low symmetry. However, a cubic single crystal useful for application cannot be obtained at room temperature. However, when a divalent or trivalent metal oxide is solid-dissolved in this, the crystal is stabilized, and the cubic crystal region, which is a high temperature phase, can be lowered to around room temperature. Hereinafter, such cubic zirconia is collectively referred to as "stabilized zirconia".

【0003】安定化ジルコニアとして、イットリア:Y
23で安定化させたイットリア安定化ジルコニア:YS
Z(Yttria−Stabilized Zirconia)や、サマリア:S
23で安定化させたサマリア安定化ジルコニア(SS
Z)、あるいは、酸化カルシウムで安定化させたカルシ
ウム安定化ジルコニア(CSZ)などが報告されてい
る。
Yttria: Y as a stabilized zirconia
Yttrium-stabilized zirconia stabilized with 2 O 3 : YS
Z (Yttria-Stabilized Zirconia) and Samaria: S
Samaria stabilized zirconia stabilized with m 2 O 3 (SS
Z), or calcium-stabilized zirconia (CSZ) stabilized with calcium oxide has been reported.

【0004】また、安定化ジルコニアの格子定数a0
0.51〜0.52nmは単結晶シリコン(立方晶):c
−Siの格子定数a0=0.54nmに近いことから、近
年、内外の研究者によってc−Si基板上へエピタキシ
ャル成長させることが研究され、すでに電子ビーム蒸着
法、イオンビームスパッタリング法、レーザアブレーシ
ョン法などの成膜手段で成功している。一例を挙げるな
らば、「Fukumoto等の“Japanese Journal of Applied
Physics,” 27, 1988, L1404.」には電子ビーム蒸着法
でSi(100)基板にc軸配向したYSZエピタキシ
ャル膜を生成することに成功した旨が報告されている。
The lattice constant a 0 = of stabilized zirconia
0.51 to 0.52 nm is single crystal silicon (cubic crystal): c
Since the lattice constant of —Si is close to a 0 = 0.54 nm, researches on epitaxial growth on a c-Si substrate have been studied by researchers in Japan and abroad recently, and electron beam evaporation method, ion beam sputtering method, laser ablation method have already been performed. Have succeeded in film forming means such as. To give an example, “Fukumoto et al.“ Japanese Journal of Applied ”
Physics, "27, 1988, L1404." Reported that the electron beam evaporation method succeeded in forming a c-axis oriented YSZ epitaxial film on a Si (100) substrate.

【0005】Siは一般的に他の材料と固相反応や相互
拡散しやすく、また、酸化雰囲気では比較的容易に表面
に無定形であるSiO2を生成しやすいので、ヘテロエ
ピタキシャル成長をさせることは容易ではない。したが
って、Si上に安定化ジルコニアがエピタキシャル成長
できるという研究成果は新しいSi半導体技術の開拓に
極めて有益であった。
Since Si is generally liable to undergo solid phase reaction with other materials and mutual diffusion, and amorphous SiO 2 is relatively easily generated on the surface in an oxidizing atmosphere, heteroepitaxial growth is not possible. It's not easy. Therefore, the research results that stabilized zirconia can be epitaxially grown on Si have been extremely useful for the development of new Si semiconductor technology.

【0006】また、安定化ジルコニアと他の或る一群の
結晶との結晶学的関係において特筆するべきことは、安
定化ジルコニアの<110>軸長の1/2の長さ(〜
0.36nm)或いはa軸長が、つぎのような立方晶あ
るいは正方晶結晶体のa,b軸長にほぼ等しい、という
事実である。ここで一群の結晶体とは、白金:Pt
(a0=0.39nm)やイリジウム:Ir(a0=0.3
8nm)等の金属、チタン酸鉛:PbTiO3(a0
0.39nm)やチタンジルコン酸鉛:Pb(ZrxTi
1-x)O3(略称PZT,a0=約0.39nm)などの正
方晶ペロブスカイト強誘電体、酸化イットリウムバリ
ウム銅:YBa3Cu37-x(略称YBCO)などの正
方晶高温超電導体、SrTiO3やBaF2などの
(常)誘電体、SiやGeなどの半導体、などであ
る。
Also noteworthy in the crystallographic relationship between the stabilized zirconia and a certain group of crystals is one-half of the <110> axial length of the stabilized zirconia (~).
(0.36 nm) or a-axis length is almost equal to the a- and b-axis lengths of the following cubic or tetragonal crystal. Here, the group of crystals is platinum: Pt.
(A 0 = 0.39 nm) and iridium: Ir (a 0 = 0.3
8 nm), lead titanate: PbTiO 3 (a 0 =
0.39 nm) and lead titanium zirconate: Pb (Zr x Ti
Tetragonal perovskite ferroelectrics such as 1-x ) O 3 (abbreviation PZT, a 0 = about 0.39 nm), tetragonal high temperature superconductivity such as yttrium barium copper oxide: YBa 3 Cu 3 O 7-x (abbreviation YBCO) Body, (normal) dielectric such as SrTiO 3 and BaF 2 , semiconductor such as Si and Ge.

【0007】上記の事実は安定化ジルコニア単結晶基板
上にこれらの多様な材料をエピタキシャル成長できる可
能性を示唆している。実際、単結晶(100)YSZ基
板上にはc軸配向のYBa3Cu37-x(例えば G. A.
Samara, Journal of AppliedPhysics, 68, 1990, 421
4.)やSi(例えばH. M. Masasevit et al., Journalo
f the Electrochemical Society, 130, 1983, 1752.)
のエピタキシャル膜が得られている。また、本出願の発
明者は最近実施した実験の中で、単結晶YSZ(10
0)基板や単結晶SSZ(100)基板上にエピタキシ
ャル成長したPb(ZrxTi1-x)O3膜とPt膜(と
もにc軸配向)を得ることに成功している。
The above facts suggest the possibility of epitaxial growth of these various materials on stabilized zirconia single crystal substrates. In fact, on a single crystal (100) YSZ substrate, c-axis oriented YBa 3 Cu 3 O 7-x (eg GA
Samara, Journal of Applied Physics, 68, 1990, 421
4.) and Si (eg HM Masasevit et al., Journalo
f the Electrochemical Society, 130, 1983, 1752.)
The epitaxial film of is obtained. In addition, the inventor of the present application has found that in a recent experiment, the single crystal YSZ (10
0) The Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 film and the Pt film (both have c-axis orientation) epitaxially grown on the substrate or the single crystal SSZ (100) substrate have been successfully obtained.

【0008】また、単結晶安定化ジルコニア基板に前記
〜のごとき様々な膜がエピタキシャル成長できると
いうことは、単結晶安定化ジルコニア膜の上にも〜
の膜をエピタキシャル成長できることを意味する。こう
して安定化ジルコニアという酸化物エピタキシャル膜を
介して、単結晶Si基板上に多種多様な単結晶薄膜材料
をエピタキシャル形成することが可能になった。
In addition, the fact that various films such as those mentioned above can be epitaxially grown on a single crystal stabilized zirconia substrate means that even on a single crystal stabilized zirconia film.
It means that the film can be epitaxially grown. Thus, it has become possible to epitaxially form a wide variety of single crystal thin film materials on a single crystal Si substrate through an oxide epitaxial film called stabilized zirconia.

【0009】この新技術にいまもっとも注目しているの
は以下に説明する機能性集積回路の分野である。近年、
強誘電体薄膜、高温超電導体薄膜、半導体薄膜などの機
能性材料を、Si半導体集積回路基板に搭載しようとす
る意欲的な試みが活発に行なわれるようになってきた。
これは、分極反転特性、焦電性、圧電性、超電導性、光
・高温半導体特性といった、これまでの回路構成では達
成できない特殊機能とSi集積回路の高速演算処理を併
せ持つ付加価値の高い機能性集積回路の実現を意図して
いる。
Attention is paid most to this new technology in the field of functional integrated circuits described below. recent years,
An active attempt has been made to mount functional materials such as a ferroelectric thin film, a high temperature superconductor thin film, and a semiconductor thin film on a Si semiconductor integrated circuit substrate.
This is a high value-added functionality that combines special functions such as polarization inversion characteristics, pyroelectricity, piezoelectricity, superconductivity, and optical / high temperature semiconductor characteristics that cannot be achieved with conventional circuit configurations and high-speed arithmetic processing of Si integrated circuits. It is intended to be an integrated circuit.

【0010】機能性薄膜は多くの場合、結晶体となった
時、上述のような興味深い物性を示す。したがって、機
能性集積回路において、その性能をもっとも効率よく、
もっとも高感度に利用するためには、単結晶化させた膜
を生成する技術が強く望まれている。また、強誘電体に
おいては、その分極反転特性、焦電性、圧電性が強く結
晶異方性を示すので、特性が現れる特定方向に配向させ
る工夫も必要である。一般的に言って、無定形基体や多
結晶基体に単結晶膜を生成することは困難である。この
問題を解決するために、成長しようとする単結晶膜の結
晶構造(あるいは格子定数)と類似した結晶構造の基体
を使用し、この上にヘテロエピタキシャル成長させる方
法が知られている。機能性集積回路でこの方法を適用す
るには、唯一の単結晶体であるSi基板を一部露出さ
せ、ここを基体として、機能性デバイスを構築する。
In many cases, the functional thin film, when it becomes a crystal, exhibits the above-mentioned interesting physical properties. Therefore, in a functional integrated circuit, the performance is most efficiently
In order to use it with the highest sensitivity, a technique for producing a single crystallized film is strongly desired. Further, the ferroelectric substance has strong polarization reversal characteristics, pyroelectricity, and piezoelectricity and exhibits crystal anisotropy, so that it is necessary to devise the orientation in a specific direction in which the characteristics appear. Generally speaking, it is difficult to form a single crystal film on an amorphous substrate or a polycrystalline substrate. In order to solve this problem, a method is known in which a substrate having a crystal structure similar to the crystal structure (or lattice constant) of a single crystal film to be grown is used and heteroepitaxial growth is performed on the base. To apply this method to a functional integrated circuit, the Si substrate, which is the only single crystal body, is partially exposed, and the functional device is constructed by using this as a substrate.

【0011】機能性デバイスの構造は様々であるが、応
用例が多く実用上重要な構造は、絶縁膜(I)を形成し
たSi基体(IS構造)に機能性薄膜やその他の膜を形
成した構造のものである。たとえば、金属(M)−絶縁
膜(I)−半導体(S)トランジスタの“I”部の上に
少なくとも一層の強誘電体膜(F=機能性薄膜)を含む
積層薄膜体で置き換えたMFIS型、あるいはMFMI
S型の不揮発性メモリや焦電センサ、圧電センサなどは
その好例である。また、低消費電力・高速演算を目指し
た高温超電導体(F)配線集積回路はもう一つの例であ
る。ここで高温超電導体配線はコンタクト部を除いて絶
縁体膜/Si基板(IS構造)上に配設される。このほ
かに、単結晶Si基板上に絶縁体膜を介して単結晶半導
体膜(F=S)形成したいわゆるSOI型MOSデバイ
スも一例に加えられよう。このデバイスは高速・高集積
・高放射線耐性の集積回路を実現する上で極めて重要で
あり、その構造はMOF(=S)ISである。このよう
にIS複合構造体は、Si集積回路基板上に機能性薄膜
や機能性デバイスを構築するための基本構造の一つであ
る。
Although the structure of the functional device is various, there are many application examples and a practically important structure is that a functional thin film or other film is formed on the Si substrate (IS structure) on which the insulating film (I) is formed. It is of structure. For example, an MFIS type in which a metal (M) -insulating film (I) -semiconductor (S) transistor is replaced by a laminated thin film body including at least one ferroelectric film (F = functional thin film) on the "I" portion of the transistor. , Or MFMI
S-type non-volatile memory, pyroelectric sensor, piezoelectric sensor, etc. are good examples. A high-temperature superconductor (F) wiring integrated circuit aiming at low power consumption and high-speed calculation is another example. Here, the high-temperature superconductor wiring is arranged on the insulator film / Si substrate (IS structure) except for the contact portion. In addition to this, a so-called SOI type MOS device in which a single crystal semiconductor film (F = S) is formed on a single crystal Si substrate through an insulator film may be added as an example. This device is extremely important for realizing an integrated circuit with high speed, high integration, and high radiation resistance, and its structure is MOF (= S) IS. As described above, the IS composite structure is one of the basic structures for constructing the functional thin film or the functional device on the Si integrated circuit substrate.

【0012】このIS構造基体に単結晶の機能性薄膜を
含む機能性デバイスを構築するためには、上部に形成す
る機能性薄膜まで、Si基板の結晶性をヘテロエピタキ
シによって伝達する必要がある。このためには、少なく
とも、I層はエピタキシャル成長させた絶縁膜である必
要がある。前記の安定化ジルコニア膜(なかでも、YS
Z膜)は、上記のような機能を満たすものであるため、
注目を集めているのである。
In order to construct a functional device including a single-crystal functional thin film on the IS structure substrate, it is necessary to transfer the crystallinity of the Si substrate up to the functional thin film formed on the upper part by heteroepitaxy. For this purpose, at least the I layer must be an epitaxially grown insulating film. The above-mentioned stabilized zirconia film (in particular, YS
(Z film) satisfies the above functions,
It is attracting attention.

【0013】上記のように、安定化ジルコニア/c−S
i複合構造体は機能性集積回路等を実現するための基体
としての要件を備えているので極めて有用である。しか
し、実際にこれを使用するためには、つぎに詳しく説明
する「イオンドリフト」問題を解決しなければならな
い。
As mentioned above, stabilized zirconia / c-S
The i composite structure is extremely useful because it has a requirement as a substrate for realizing a functional integrated circuit or the like. However, in order to actually use it, the "ion drift" problem, which will be described in detail below, must be solved.

【0014】図5は、Al電極膜/単結晶安定化ジルコ
ニア膜/c−SiからなるMIS容量のC−V特性を様
々な掃引速度SR(=1〜0.001V/秒)に関して
測定した結果を示す特性図である。図5の特性は、ゲー
トバイアス電圧の掃引は5Vに30分間維持した後、
0.1Vのステップで降圧方向に行い、−5Vに到達し
た時点で再び30分間、電圧を維持し、その後、掃引方
向を反転させ、5Vに向けて昇圧させた結果である。な
お、測定周波数は1MHzの正弦波である。
FIG. 5 shows the results of measuring the CV characteristics of an MIS capacitor composed of an Al electrode film / single crystal stabilized zirconia film / c-Si for various sweep rates SR (= 1 to 0.001 V / sec). FIG. The characteristic of FIG. 5 is that after sweeping the gate bias voltage at 5V for 30 minutes,
This is the result of performing the step-down direction in steps of 0.1 V, maintaining the voltage again for 30 minutes when reaching -5 V, then reversing the sweep direction and stepping up toward 5 V. The measurement frequency is a 1 MHz sine wave.

【0015】図5の結果において、降圧方向の特性と昇
圧方向の特性とで、時計廻りのヒステリシスが生じてい
るのが分かる。このヒステリシスは、単結晶安定化ジル
コニア膜の中に電界によって移動可能なイオンが存在
し、これがドリフトしていることを示すものである。な
お、SR>1V/秒のC−V特性(図示省略)はSR=
1V/秒のそれと変わらない。また、ヒステリシスがS
R=0.005V/秒以下では消失していることから、
可動イオンの応答は数秒〜数100秒の範囲に分布して
いることが理解される。以下、複合構造体のイオンドリ
フトの程度を測る目安として、イオンドリフト度:ΔV
[V]なる量を定義する。ΔVは、図5のような、SR
を変化させて得られたC−V特性の中で観察されたヒス
テリシスの最大幅である。
From the results shown in FIG. 5, it can be seen that the hysteresis in the clockwise direction is generated in the characteristic in the step-down direction and the characteristic in the step-up direction. This hysteresis indicates that ions that can be moved by an electric field are present in the single crystal stabilized zirconia film and that they are drifting. The C-V characteristic (not shown) for SR> 1 V / sec is SR =
It is no different from that of 1V / sec. Also, the hysteresis is S
Since it disappears at R = 0.005 V / sec or less,
It is understood that the response of mobile ions is distributed in the range of several seconds to several hundreds of seconds. Hereinafter, as a measure for measuring the degree of ion drift of the composite structure, the degree of ion drift: ΔV
The amount of [V] is defined. ΔV is SR as shown in FIG.
Is the maximum width of the hysteresis observed in the C-V characteristics obtained by changing

【0016】最近のジルコニア研究によれば、このよう
なイオンドリフトは安定化剤の導入によってジルコニア
結晶内に必然的に生じた酸素イオン空孔が、外部電界に
誘引されて移動することによって起こることが知られて
いる。これをもう少しくわしく説明すると、安定化ジル
コニア:ASZ(Aは安定化剤の金属元素)では、安定
化剤の2価または3価の金属イオンA2+、A3+がZrO
2結晶の4価のZr4+イオンと置換して陽イオン格子
位置に入り、電気的中性を維持するために、添加量と置
換したイオンの価数に応じて酸素イオン空孔:Voが形
成される。このような格子欠陥の生成反応をYSZおよ
びCSZについて表すと、下記(化1)式に示すように
なる。
According to recent research on zirconia, such ion drift is caused by the movement of oxygen ion vacancies, which are inevitably generated in a zirconia crystal by the introduction of a stabilizer, by being attracted to an external electric field. It has been known. To explain this in more detail, in the stabilized zirconia: ASZ (A is a metal element of the stabilizer), the divalent or trivalent metal ions A 2+ and A 3+ of the stabilizer are ZrO.
Oxygen ion vacancy: Vo is formed depending on the added amount and the valence of the replaced ion in order to enter the cation lattice position by substituting the tetravalent Zr 4+ ion of the 2 crystal and maintain electrical neutrality. To be done. The reaction of generating such a lattice defect for YSZ and CSZ is represented by the following formula (Formula 1).

【0017】[0017]

【化1】 Embedded image

【0018】ただし、Y(Zr):Zrと置換したYを表
示 Ca(Zr):Zrと置換したCaを表示 「 + 」:正の有効電荷数 「 - 」:負の有効電荷数 上記(化1)式から明かなとおり、Yのような3価の金
属イオンが4価のZrイオンを2個置換すると1個の酸
素イオン空孔が生成され、Caのような2価の金属イオ
ンがZrイオンを1個置換すると1個の酸素イオン空孔
が生成される。この酸素イオン空孔は電界が印加される
と、あたかも正の可動イオンのように振舞い、電界の方
向に移動する。
However, Y (Zr): Y replacing Zr is displayed Ca (Zr): Ca replacing Zr is displayed "+": number of positive effective charges "-": number of negative effective charges As is clear from the formula (1), when a trivalent metal ion such as Y substitutes two tetravalent Zr ions, one oxygen ion vacancy is generated, and a divalent metal ion such as Ca becomes Zr. When one ion is replaced, one oxygen ion vacancy is generated. When an electric field is applied, the oxygen ion vacancies behave like positive mobile ions and move in the direction of the electric field.

【0019】図6(a)〜(c)は、立方晶CSZ安定
化ジルコニア単結晶を2次元模式図的に描いた図であ
る。この中で“□”は酸素イオン空孔を表している。い
ま、紙面下から上に向かって正電界:Eが印加される
と、酸素イオン空孔から見て電界下手の最近接酸素イオ
ンが、空孔に向けて移動できるようになる。実際に移動
すると、(b)のように酸素イオン空孔は、元あった酸
素イオンの位置に移動する。新しい位置に移った空孔に
向かって、その下手にある最近接酸素イオンが(c)の
ように再び移動する。このようにして酸素イオン空孔は
電界の方向に移動するのである。電界があるとき、負電
荷を帯びた酸素イオンが空孔を介して電界と逆方向に移
動し、正電荷を帯びた空孔は相対的に電界の方向に向か
って漂っていく。これがイオンドリフトである。
6 (a) to 6 (c) are two-dimensional schematic views of cubic CSZ-stabilized zirconia single crystals. In this, “□” represents oxygen ion vacancies. Now, when a positive electric field: E is applied from the bottom to the top of the paper, the oxygen ions closest to the bottom of the electric field as viewed from the oxygen ion vacancy can move toward the vacancy. When actually moved, the oxygen ion vacancy moves to the original position of the oxygen ion as shown in (b). The nearest oxygen ion on the lower side moves to the hole moved to the new position again as shown in (c). In this way, the oxygen ion vacancies move in the direction of the electric field. When there is an electric field, negatively charged oxygen ions move in the direction opposite to the electric field through the holes, and positively charged holes drift relatively toward the electric field. This is the ion drift.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】このような安定化ジル
コニア膜のイオンドリフト(存在と遅応答)は、下にあ
るSi半導体基板の表面ポテンシャルや、上部に形成し
た機能性デバイスの特性を長時間(0.1秒〜1000
秒)にわたって不安定にさせるので、極めて有害であ
り、単結晶安定化ジルコニア膜/c−Si複合構造体を
基体にした機能性集積回路の実現の大きな妨げになって
いた。
The ion drift (presence and slow response) of such a stabilized zirconia film depends on the surface potential of the underlying Si semiconductor substrate and the characteristics of the functional device formed above for a long time. (0.1 seconds to 1000
This makes it unstable over a second period of time, which is extremely harmful and greatly hinders the realization of a functional integrated circuit based on a single crystal-stabilized zirconia film / c-Si composite structure.

【0021】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決するためになされたもので、イオンドリフトのない
単結晶安定化ジルコニア膜/c−Si複合構造体および
その製造方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a single crystal-stabilized zirconia film / c-Si composite structure without ion drift and a method for manufacturing the same. It is an object.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項1に記載の発明にお
いては、複合構造体の構造として、c−Si上にZrよ
りも高い原子価をもつ金属の酸化物(以下、空孔消滅剤
と称する)を含有する新規な組成の単結晶安定化ジルコ
ニアを配設する構成にしている。また、請求項2〜請求
項7に記載の発明は、請求項1の各構成要素の構成例を
示すものである。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention is configured as described in the claims. That is, in the invention described in claim 1, as a structure of the composite structure, a novel oxide containing a metal oxide having a valence higher than Zr on c-Si (hereinafter referred to as a vacancy quencher) is added. A single crystal-stabilized zirconia having a different composition is arranged. The invention described in claims 2 to 7 shows a configuration example of each component of claim 1.

【0023】また、請求項8〜請求項11は、上記複合
構造体の製造方法の例であり、Si半導体基体表面の自
然酸化膜を除去した後、この上に電子ビーム蒸着法、あ
るいは、イオンビームスパッタリング、レーザアブレー
ション法、化学的気相成長法で安定化ジルコニア薄膜を
形成する。
In addition, claims 8 to 11 are examples of a method for manufacturing the above composite structure, in which a natural oxide film on the surface of a Si semiconductor substrate is removed, and then an electron beam vapor deposition method or an ion method is applied to this. A stabilized zirconia thin film is formed by beam sputtering, laser ablation, or chemical vapor deposition.

【0024】本発明の安定化ジルコニア膜/c−Si複
合構造体において、安定化ジルコニアに新規に添加する
酸素イオン空孔消滅剤は、安定化ジルコニア膜の酸素イ
オン空孔を除去する作用をする。よって、ドリフトする
べきイオン空孔が安定化ジルコニア結晶体の中からなく
なるので、本発明は従来技術の問題点であったイオンド
リフト問題を解決できる。さらに、安定化ジルコニア膜
は空孔消滅剤を添加しても、依然、立方晶系の結晶構造
ならび品質を維持しているので、機能性材料を含む各種
材料のエピタキシャル膜形成用基体としての機能は、な
んら損なわれることはない。
In the stabilized zirconia film / c-Si composite structure of the present invention, the oxygen ion vacancy quenching agent newly added to the stabilized zirconia has a function of removing oxygen ion vacancies in the stabilized zirconia film. . Therefore, the ion vacancy to be drifted disappears from the stabilized zirconia crystal body, and the present invention can solve the ion drift problem, which is a problem of the conventional technique. Furthermore, since the stabilized zirconia film still maintains the cubic crystal structure and quality even if a vacancy quencher is added, it functions as a substrate for forming an epitaxial film of various materials including functional materials. Is not harmed at all.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、単結晶シリコン半導体
基体に立方晶安定化ジルコニア薄膜を成長した複合構造
体において、安定化ジルコニア薄膜に、4価よりも低い
原子価金属の酸化物からなる安定化剤と、4価よりも高
い原子価金属の酸化物からなる酸素イオン空孔消滅剤
と、を等量含有させる構成としたことにより、酸素イオ
ン空孔が安定化ジルコニア薄膜から除去され、それによ
ってイオンドリフト問題解決できる、という優れた効果
が得られる。
According to the present invention, in a composite structure in which a cubic stabilized zirconia thin film is grown on a single crystal silicon semiconductor substrate, the stabilized zirconia thin film is made of an oxide of a valence metal lower than 4 valences. Owing to the constitution in which the stabilizer and the oxygen ion vacancy quencher composed of an oxide of a valence metal higher than tetravalent are contained in equal amounts, the oxygen ion vacancies are removed from the stabilized zirconia thin film, As a result, an excellent effect that the ion drift problem can be solved is obtained.

【0026】また、製造方法の第1の実施の形態(実施
例3)に記載した電子ビーム蒸着装置を用いた方法にお
いては、電子ビーム蒸着装置という安価な成膜手段によ
って安定化ジルコニアを形成しているので、他の成膜法
に比べて、低価格で複合構造体を製造できるという利点
がある。
Further, in the method using the electron beam evaporation apparatus described in the first embodiment (Example 3) of the manufacturing method, the stabilized zirconia is formed by an inexpensive film forming means called the electron beam evaporation apparatus. Therefore, there is an advantage that the composite structure can be manufactured at a lower cost than other film forming methods.

【0027】また、製造方法の第2の実施の形態(実施
例4)に記載した方法は、他の実施例と比較して、45
0℃という低温で成膜できるので、成膜前に非耐熱性の
材料や構造がSi基体に形成されている場合には、極め
て有効であるという特徴を有している。
In addition, the method described in the second embodiment of the manufacturing method (Example 4) is 45 compared with other examples.
Since the film can be formed at a low temperature of 0 ° C., it is extremely effective when a non-heat resistant material or structure is formed on the Si substrate before film formation.

【0028】また、製造方法の第3の実施の形態(実施
例5)に記載した方法は、安定化ジルコニア膜の金属元
素の組成がターゲットの金属元素の組成に等しくなると
いう特質を備えているので、或るレーザアブレーション
成膜装置で得た最適条件を他のレーザアブレーション成
膜装置のものとして使用することが可能である。これは
生産用の大規模成膜装置を立ち上げる際には、最適化に
要する時間を省けるという有用性を発揮する。
The method described in the third embodiment (Example 5) of the manufacturing method has the characteristic that the composition of the metal element of the stabilized zirconia film becomes equal to the composition of the target metal element. Therefore, it is possible to use the optimum condition obtained by a certain laser ablation film forming apparatus as that of another laser ablation film forming apparatus. This has the advantage that the time required for optimization can be saved when starting up a large-scale film forming apparatus for production.

【0029】また、製造方法の第4の実施の形態(実施
例6)は、微細な凹凸があるSi単結晶基体でも被覆性
の高い安定化ジルコニア膜を提供できるという優れた特
徴がある。
Further, the fourth embodiment of the manufacturing method (Example 6) has an excellent feature that it can provide a stabilized zirconia film having high coverage even on a Si single crystal substrate having fine irregularities.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる安定化ジル
コニア薄膜と基体との複合構造体の構成および該構成の
製造方法の実施例を図を用いて詳細に説明する。なお、
以下の図において同じ番号の対象物はすべて同じ物であ
って、一度詳細に説明した物は後の図においては簡単に
説明するにとどめることにする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The structure of a composite structure of a stabilized zirconia thin film and a substrate according to the present invention and an example of a method for producing the structure will be described in detail below with reference to the drawings. In addition,
In the following figures, objects with the same numbers are all the same objects, and once described in detail, the objects will be briefly described in later figures.

【0031】(1)複合構造体の第1の実施の形態 <
実施例1> 図1は、本発明に係る複合構造体の第1の実施の形態を
示す模式図的要部断面図である。図1において、1は単
結晶Si(100)基板である。2は、立方晶エピタキ
シャル安定化ジルコニア薄膜であり、この中には3価の
金属酸化物Y23またはSm23、あるいは、これら混
合物からなる安定化剤と、5価の金属酸化物Ta25
Nb25、V25、あるいは、これら混合物からなる空
孔消滅剤とが添加されている。安定化剤と空孔消滅剤の
濃度は概ね等しく、5mol%〜25mol%の間である。安
定化剤および空孔消滅剤はエピタキシャル成長時にその
場で添加される。この立方晶エピタキシャル安定化ジル
コニア薄膜2は電子ビーム蒸着法、イオンビームスパッ
タリング法、レーザアブレーション法、化学気相成長法
の中から任意に選ばれた一つの方法でエピタキシャル成
膜されるが、成膜法の詳細な説明は後述の製造方法の実
施例の中で行う。
(1) First Embodiment of Composite Structure <
Example 1> FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of essential parts showing a first embodiment of a composite structure according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 is a single crystal Si (100) substrate. 2 is a cubic epitaxially stabilized zirconia thin film, in which trivalent metal oxide Y 2 O 3 or Sm 2 O 3 or a stabilizer composed of a mixture thereof and a pentavalent metal oxide are contained. Ta 2 O 5 ,
Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , or a annihilation agent composed of a mixture thereof is added. The concentrations of the stabilizer and the annihilation agent are approximately equal and are between 5 mol% and 25 mol%. The stabilizer and the annihilation agent are added in situ during the epitaxial growth. This cubic epitaxially stabilized zirconia thin film 2 is epitaxially formed by one method arbitrarily selected from an electron beam evaporation method, an ion beam sputtering method, a laser ablation method and a chemical vapor deposition method. A detailed description will be given in Examples of the manufacturing method described later.

【0032】(2)複合構造体の第2の実施の形態 <
実施例2> 図2は、本発明に係る複合構造体の第2の実施の形態を
示す模式図的要部断面図である。図2において、1は単
結晶Si(100)基板である。2’は立方晶エピタキ
シャル安定化ジルコニア薄膜であり、この中には2価の
金属酸化物CaOからなる安定化剤と、6価の金属酸化
物WO3あるいはMoO3からなる空孔消滅剤とが添加さ
れている。安定化剤と空孔消滅剤の濃度は概ね等しく、
8mol%〜30mol%の間である。安定化剤および空孔消
滅剤はエピタキシャル成長時にその場で添加される。立
方晶エピタキシャル安定化ジルコニア薄膜2’は電子ビ
ーム蒸着法、イオンビームスパッタリング法、レーザア
ブレーション法、化学気相成長法の中から選ばれた一方
法でエピタキシャル成膜されるが、成膜法の詳細な説明
は後述の製造方法の実施例の中で行う。
(2) Second Embodiment of Composite Structure <
Example 2> FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of essential parts showing a second embodiment of the composite structure according to the present invention. In FIG. 2, reference numeral 1 is a single crystal Si (100) substrate. Reference numeral 2'denotes a cubic epitaxially stabilized zirconia thin film, in which a stabilizer composed of a divalent metal oxide CaO and a vacancy disappearant composed of a hexavalent metal oxide WO 3 or MoO 3 are contained. Has been added. The concentrations of the stabilizer and the annihilation agent are almost equal,
It is between 8 mol% and 30 mol%. The stabilizer and the annihilation agent are added in situ during the epitaxial growth. The cubic epitaxially stabilized zirconia thin film 2'is epitaxially formed by one method selected from electron beam evaporation method, ion beam sputtering method, laser ablation method, and chemical vapor deposition method. The description will be given in the embodiment of the manufacturing method described later.

【0033】(3)複合構造体の製造方法の第1の実施
の形態 <実施例3> ここでは図1に記載した複合体構造を電子ビーム蒸着法
で実現する製造方法を説明する。まず、RCA洗浄(ア
ンモニア水と過酸化水素水の混合液による洗浄SC1と
塩酸と過酸化水素水の混合液による洗浄SC2からなる
伝統的なSi基板洗浄法)と希フッ酸洗浄(5%濃度の
HF水溶液に数十秒浸漬した後、純水でリンスし乾燥す
る洗浄法)とでSi基板1の表面の汚染物および自然酸
化物を除去する。
(3) First Embodiment of Manufacturing Method of Composite Structure <Example 3> Here, a manufacturing method for realizing the composite structure shown in FIG. 1 by an electron beam evaporation method will be described. First, RCA cleaning (a traditional Si substrate cleaning method consisting of cleaning SC1 with a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution and cleaning SC2 with a mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution) and diluted hydrofluoric acid cleaning (5% concentration) The cleaning method of immersing the substrate in the HF aqueous solution for several tens of seconds, followed by rinsing with pure water and drying) to remove contaminants and natural oxides on the surface of the Si substrate 1.

【0034】つづいてSi基板1上に酸化イットリウム
23で安定化され、酸化タンタルTa25で空孔消滅
された安定化ジルコニア膜2(以下YSZ:Taのよう
に略記する)を電子ビーム蒸着法にて形成する。蒸着の
ターゲットはY23粉末とZrO2粉末とTa25粉末
をモル比でx:(1−x−y):yに混合し、ホットプ
レスで円盤状(直径15mm、厚み7mm)に整形したタブ
レットである。ここでx=約9%、y=約15%であ
る。タブレットのTa25のモル濃度がY23に比べて
大きいのは、Ta25の蒸発がY23やZrO2に比べ
て相対的に遅いという事情に基づいている。
Subsequently, a stabilized zirconia film 2 (hereinafter abbreviated as YSZ: Ta) stabilized on yttrium oxide Y 2 O 3 and vacancy-erased on tantalum oxide Ta 2 O 5 is formed on the Si substrate 1. It is formed by the electron beam evaporation method. The target for vapor deposition was a mixture of Y 2 O 3 powder, ZrO 2 powder and Ta 2 O 5 powder in a molar ratio of x: (1-x-y): y, and hot-pressed into a disc shape (diameter 15 mm, thickness 7 mm). It is a tablet shaped into. Here, x = about 9% and y = about 15%. The reason that the molar concentration of Ta 2 O 5 in the tablet is higher than that of Y 2 O 3 is that the evaporation of Ta 2 O 5 is relatively slower than that of Y 2 O 3 or ZrO 2 .

【0035】成膜の手順を説明すると、まず、ハース
(=タブレット充填場所)にタブレットを充填し、直ち
に、上記洗浄したSi基板1を蒸着槽中の基板ホルダに
設置し、蒸着槽内を排気する。このホルダは基板を常温
から1000℃までの温度に加熱する能力を有してお
り、蒸着槽内のハースに収納された蒸着タブレットと十
分な距離を置いて対抗している。蒸着装置の排気は強力
であり、内部の圧力は10~9Torr以下まで減圧すること
が可能である。蒸着槽の圧力が10~6Torrに達したら基
板温度を加熱して所定の成膜温度にする。温度が安定
し、かつ、蒸着槽内の圧力が10~9Torr以下に下がった
ところで蒸着電源の出力をオンして電子ビームをタブレ
ットに射突させ蒸着を開始する。蒸着開始後、YSZの
膜厚が概ね3nmになったところで外部から高純度乾燥
酸素を導入して圧力を2×10~6Torrに調節すると共に
フィラメント電流を増やして成膜を続ける。膜厚は成膜
時間、成膜速度はフィラメント電流で決定する。
The film forming procedure will be described. First, a hearth (= tablet filling place) is filled with tablets, and immediately the cleaned Si substrate 1 is placed on a substrate holder in the vapor deposition tank, and the interior of the vapor deposition tank is evacuated. To do. This holder has the ability to heat the substrate from room temperature to 1000 ° C., and opposes it with a sufficient distance to the vapor deposition tablet housed in the hearth in the vapor deposition tank. Exhaust of the deposition apparatus is powerful, internal pressure can be reduced to below 10 ~ 9 Torr. When the pressure in the vapor deposition tank reaches 10 to 6 Torr, the substrate temperature is heated to a predetermined film forming temperature. When the temperature is stable and the pressure in the vapor deposition tank falls to 10 to 9 Torr or less, the output of the vapor deposition power supply is turned on and the electron beam is projected onto the tablet to start vapor deposition. After the vapor deposition is started, when the YSZ film thickness becomes approximately 3 nm, high-purity dry oxygen is externally introduced to adjust the pressure to 2 × 10 6 torr and the filament current is increased to continue film formation. The film thickness is determined by the film formation time, and the film formation rate is determined by the filament current.

【0036】典型的なエピタキシャルYSZ:Taの成
膜条件はつぎのとおりである。 YSZ成膜条件 成膜圧力 1×10~8Torr(膜厚3nmまで) 2×10~6Torr(膜厚3nmからO2導入) 成膜温度 800℃(基板温度) ターゲット Y23:ZrO2:Ta25=9:81:8 投入電力 200W フィラメント電流 20mA(初期) 50mA(膜厚3nmから) 電子ビーム加速電圧 8kV 上記のようにして成膜し、膜厚が所望の値になったとこ
ろで蒸着電源の出力を切って成膜を終える。この後、蒸
着槽に基板置いたまま基板を徐冷し、基板温度が十分低
くなってから基板を蒸着槽から取出す。
The typical epitaxial YSZ: Ta film forming conditions are as follows. YSZ film forming conditions Film forming pressure 1 × 10 to 8 Torr (up to 3 nm film thickness) 2 × 10 to 6 Torr (introducing O 2 from film thickness 3 nm) Film forming temperature 800 ° C. (substrate temperature) Target Y 2 O 3 : ZrO 2 : Ta 2 O 5 = 9: 81: 8 Input power 200 W Filament current 20 mA (initial) 50 mA (from film thickness 3 nm) Electron beam accelerating voltage 8 kV Film formation was performed as described above, and the film thickness reached the desired value. By the way, the output of the vapor deposition power supply is turned off to complete the film formation. After that, the substrate is gradually cooled while being placed in the vapor deposition tank, and the substrate is taken out of the vapor deposition tank after the temperature of the substrate is sufficiently low.

【0037】このようにして堆積したYSZ:Ta膜の
安定化剤と空孔消滅剤の濃度は、実験精度の範囲内で同
濃度(=11%)であった。また、膜の結晶構造はホタ
ル石構造(立方晶)を有する単結晶エピタキシャル膜で
あった(詳細は後述する効果の項で説明)。この製造方
法は、電子ビーム蒸着装置という極めてありふれた安価
な成膜手段によっているので、後述する他の成膜法に比
べて、大面積のエピタキシャルYSZ成膜が低価格でで
きる、という利点がある。また、上記の製造方法を用い
て(ただし条件は若干異なる)、複合構造体の第2の実
施の形態(実施例2)の構造も実現できる。
The concentrations of the stabilizer and the annihilation agent of the YSZ: Ta film thus deposited were the same (= 11%) within the range of experimental accuracy. Also, the crystal structure of the film was a single crystal epitaxial film having a fluorite structure (cubic crystal) (details are described in the section of effects described later). Since this manufacturing method uses an electron beam evaporation apparatus, which is an extremely common and inexpensive film forming means, it has an advantage that a large-area epitaxial YSZ film can be formed at a lower cost than other film forming methods described later. . Further, the structure of the second embodiment (Example 2) of the composite structure can be realized by using the above manufacturing method (however, the conditions are slightly different).

【0038】(4)複合構造体の製造方法の第2の実施
の形態 <実施例4> ここでは図2に記載した複合構造をイオンビームスパッ
タリング法で実現する製造方法を説明する。まず、前記
実施例3と同様にRCA洗浄と希フッ酸洗浄とでSi基
板1の表面の汚染物および自然酸化物を除去する。
(4) Second Embodiment of Manufacturing Method of Composite Structure <Example 4> Here, a manufacturing method for realizing the composite structure shown in FIG. 2 by an ion beam sputtering method will be described. First, as in the third embodiment, contaminants and natural oxides on the surface of the Si substrate 1 are removed by RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid cleaning.

【0039】つづいてSi基板1上に酸化カルシウムC
aOで安定化され、酸化タグステンWO3で酸素イオン
空孔を消滅化させた安定化ジルコニア膜2'(以下CS
Z:W)をイオンビームスパタリング法でSi基板1に
形成する。スパッタリングのターゲットはCaO粉末と
ZrO2粉末とWO3粉末をモル比でx:(1−x−
y):yに混合し、ホットプレスで円盤状に整形したも
のである。ここでx=約11%、y=約11%である。
Subsequently, calcium oxide C was deposited on the Si substrate 1.
stabilized with aO-, oxide Tagusuten WO 3 in an oxygen-ion vacancies stabilized zirconia film was quenched of 2 '(hereinafter CS
Z: W) is formed on the Si substrate 1 by the ion beam sputtering method. The sputtering target is CaO powder, ZrO 2 powder, and WO 3 powder in a molar ratio of x: (1-x-
y): It is mixed with y and shaped into a disk shape by hot pressing. Here, x = about 11% and y = about 11%.

【0040】成膜の手順を説明すると、まず、ターゲッ
トホルダにターゲットを設置し、前記洗浄直後のSi基
板1を蒸着槽中の基板ホルダに設置し、蒸着槽内を排気
する。このホルダは基板を常温から600℃までの温度
に加熱する能力を有しており、ターゲットから約60c
mの距離を挟んで対抗している。蒸着装置の排気は強力
であり、内部の圧力は10~9Torr以下まで減圧すること
が可能である。蒸着槽の圧力が10~6Torrに達したら基
板温度を加熱して所定の成膜温度にする。温度が安定
し、かつ、蒸着槽内の圧力が10~9Torr以下に下がった
ところでイオン源の電源の出力をオンにし、イオンビー
ムをタブレットに射突させ蒸着を開始する。蒸着開始
後、CSZの膜厚が3nmになるまでは少なくとも10
~8Torr台の高真空を保って成膜するが、3nmを超えた
ところで外部から10mol%のオゾンを含む高純度酸素
を基板に向けて射出させる。以降、圧力は5×10~6To
rrに調節する。そしてイオンビーム電流を増やして成膜
を続ける。膜厚は成膜時間、成膜速度はイオンビーム電
流またはイオンビーム加速電圧で調節する。
Explaining the procedure of film formation, first, the target is set on the target holder, the Si substrate 1 immediately after the cleaning is set on the substrate holder in the vapor deposition tank, and the inside of the vapor deposition tank is evacuated. This holder has the ability to heat the substrate from room temperature to 600 ° C, and about 60c from the target.
They are facing each other with a distance of m. Exhaust of the deposition apparatus is powerful, internal pressure can be reduced to below 10 ~ 9 Torr. When the pressure in the vapor deposition tank reaches 10 to 6 Torr, the substrate temperature is heated to a predetermined film forming temperature. When the temperature is stable and the pressure in the vapor deposition tank falls below 10 to 9 Torr, the output of the power source of the ion source is turned on, and the ion beam is projected onto the tablet to start vapor deposition. After vapor deposition, at least 10 until the CSZ film thickness reaches 3 nm.
The film is formed while maintaining a high vacuum of about 8 Torr level, but when the thickness exceeds 3 nm, high-purity oxygen containing 10 mol% ozone is injected from the outside toward the substrate. After that, the pressure is 5 × 10 ~ 6 To
Adjust to rr. Then, the ion beam current is increased to continue film formation. The film thickness is adjusted by the film forming time, and the film forming rate is adjusted by the ion beam current or the ion beam accelerating voltage.

【0041】本発明者が用いた装置での最適な成膜条件
はつぎのとおりである。 CSZ:W成膜条件 成膜圧力 1×10~7Torr以下(膜厚3nmまで) 5×10~6Torr〔膜厚3nmからO2+O3(10mol%)導入〕 成膜温度 450℃(基板温度) ターゲット CaO:ZrO2:WO3=11:80:9 イオン種 Xe イオン源電圧 1500V イオン電流 9mA(膜厚3nmまで) 14mA(膜厚3nmから) 上記のようにして成膜し、膜厚が所望の値になったとこ
ろで蒸着電源の出力を切り、O2+O3の導入を遮断し
て、基板を徐冷する。基板温度が十分低くなってから基
板を蒸着槽から取出す。
The optimum film forming conditions for the apparatus used by the present inventor are as follows. CSZ: W film forming conditions film forming pressure 1 × 10 to 7 Torr or less (up to film thickness 3 nm) 5 × 10 to 6 Torr (introducing O 2 + O 3 (10 mol%) from film thickness 3 nm) film forming temperature 450 ° C. (substrate Temperature) Target CaO: ZrO 2 : WO 3 = 11: 80: 9 Ion species Xe Ion source voltage 1500 V Ion current 9 mA (up to 3 nm film thickness) 14 mA (from 3 nm film thickness) When the value reaches a desired value, the output of the vapor deposition power source is turned off, the introduction of O 2 + O 3 is cut off, and the substrate is gradually cooled. After the substrate temperature is sufficiently low, the substrate is taken out of the vapor deposition tank.

【0042】このようにして堆積したCSZ:W膜の安
定化剤と空孔消滅剤の濃度は実験精度の範囲内で同濃度
(=15%)であった。また、膜の結晶構造はホタル石
構造(立方晶)を有する単結晶エピタキシャル膜であっ
た(詳細は後述する効果の項で説明)。本実施例4の製
造方法は、前記実施例3の製造方法や後述の実施例と比
較して、450℃という低温で成膜できる。これは高熱
に耐えられない別の材料がSi基体に形成されている場
合などには、極めて有効であり、他の製造方法にない利
点である。なお、詳細な説明はしないが、この製造方法
を用いて(ただし条件は若干異なる)、第1の実施の形
態(実施例1)に示した複合構造体の構造も実現でき
る。
The concentrations of the stabilizer and the annihilation agent of the CSZ: W film thus deposited were the same (= 15%) within the range of experimental accuracy. Also, the crystal structure of the film was a single crystal epitaxial film having a fluorite structure (cubic crystal) (details are described in the section of effects described later). The manufacturing method of the fourth embodiment can form a film at a low temperature of 450 ° C., as compared with the manufacturing method of the third embodiment and the examples described later. This is extremely effective when another material that cannot withstand high heat is formed on the Si substrate, which is an advantage that other manufacturing methods do not have. Although not described in detail, the structure of the composite structure shown in the first embodiment (Example 1) can be realized by using this manufacturing method (however, the conditions are slightly different).

【0043】(5)複合構造体の製造方法の第3の実施
の形態 <実施例5> つぎに図1に記載した複合構造をレーザアブレーション
法で実現する製造方法の実施例を説明する。まず、前記
実施例1の製造方法と同様にRCA洗浄と希フッ酸洗浄
とでSi基板1の表面の汚染物および自然酸化物を除去
する。
(5) Third Embodiment of Method for Producing Composite Structure <Example 5> Next, an example of a method for producing the composite structure shown in FIG. 1 by a laser ablation method will be described. First, similar to the manufacturing method of the first embodiment, contaminants and natural oxides on the surface of the Si substrate 1 are removed by RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid cleaning.

【0044】つづいてSi基板1上に酸化サマリウムS
23(サマリア)で安定化させ、酸化ニオビウムNb
25で酸素イオン空孔を消滅化させた安定化ジルコニア
膜2(以下SSZ:Nb)をレーザアブレーション法で
Si基板1に形成する。ターゲットはSm23粉末とZ
rO2粉末とNb25粉末(いすれも99.999%以上
の純度)とをモル比でx:(1−x−y):yに混合
し、ホットプレスで円盤状(直径10mm、厚さ10mm)
に整形したものである。ここでx=約18%、y=約1
8%である。
Subsequently, samarium oxide S is formed on the Si substrate 1.
Stabilized with m 2 O 3 (Samaria), niobium oxide Nb
A stabilized zirconia film 2 (hereinafter SSZ: Nb) in which oxygen ion vacancies are eliminated by 2 O 5 is formed on the Si substrate 1 by a laser ablation method. Target is Sm 2 O 3 powder and Z
A mixture of rO 2 powder and Nb 2 O 5 powder (which has a purity of 99.999% or more) in a molar ratio of x: (1-x-y): y and hot-pressed into a disc shape (diameter 10 mm, Thickness 10mm)
It has been shaped into. Where x = about 18%, y = about 1
8%.

【0045】成膜の手順を説明すると、まず、成膜装置
真空槽内のターゲットホルダにターゲットを設置し、前
記洗浄直後のSi基板1を蒸着槽中の基板ホルダに設置
し、蒸着槽内を排気する。このホルダは基板を常温から
600℃までの温度に加熱する能力を有しており、ター
ゲットから約5cmの距離を挟んで対抗している。蒸着
装置の排気は強力であり、内部の圧力は10~9Torr以下
まで背圧を下げることが可能である。蒸着槽の圧力が1
0~6Torrに達したら基板温度を加熱して所定の成膜温度
にする。温度が安定し、かつ、蒸着槽内の圧力が10~8
Torr以下に下がったところでレーザ光源の出力をオンし
て高密度のレーザ光をタブレットに射突させ蒸着を開始
する。本実施例のレーザ光源はKrF(波長248n
m、パルス幅20ns)エキシマレーザである。繰り返
し周波数は10Hz、エネルギー密度は1.3J/m3
あった。蒸着開始後、SSZの膜厚が3nmになるまで
は少なくとも10~8Torr台の高真空を保って成膜する。
そして3nmを超えたところで外部から高純度酸素を導
入し、圧力を5×10~5Torrとする。標準的な成膜速度
は1パルス当り0.025nmであった。また、膜厚は
成膜時間(パルス数と等価)で調節する。
Explaining the procedure of film formation, first, the target is set in the target holder in the vacuum tank of the film forming apparatus, the Si substrate 1 immediately after the cleaning is set in the substrate holder in the evaporation tank, and the inside of the evaporation tank is set. Exhaust. This holder has the ability to heat the substrate from room temperature to 600 ° C., and opposes it with a distance of about 5 cm from the target. Exhaust of the vapor deposition apparatus is strong, and the back pressure can be lowered to 10 to 9 Torr or less. Deposition tank pressure is 1
When it reaches 0 to 6 Torr, the substrate temperature is heated to a predetermined film forming temperature. The temperature is stable, and the pressure in the vapor deposition tank is 10 to 8
When the temperature falls below Torr, the output of the laser light source is turned on and high-density laser light is projected onto the tablet to start vapor deposition. The laser light source of this embodiment is a KrF (wavelength 248n
m, pulse width 20 ns) excimer laser. The repetition frequency was 10 Hz and the energy density was 1.3 J / m 3 . After the start of vapor deposition, a high vacuum of at least 10 to 8 Torr is maintained until the film thickness of SSZ reaches 3 nm.
Then, when exceeding 3 nm, high-purity oxygen is introduced from the outside to adjust the pressure to 5 × 10 to 5 Torr. The standard deposition rate was 0.025 nm per pulse. The film thickness is adjusted by the film formation time (equivalent to the number of pulses).

【0046】本発明者が用いた装置での最適な成膜条件
はつぎのとおりである。 SSZ:Nb成膜条件 成膜圧力 1×10~7Torr以下(膜厚3nmまで) 5×10~4Torr(膜厚3nmからO2導入) 成膜温度 775℃(基板温度) ターゲット Sm23:ZrO2:Nb25=18:64:18 ターゲット/基板距離 5cm レーザ光源 KrFエキシマレーザ(エネルギー130mJ) 励起パルス 幅20ns、繰り返し周波数10Hz 上記のようにして成膜し、膜厚が所望の値になったとこ
ろでレーザ光源の発信を停止し、O2の導入を止め、基
板を徐冷する。基板温度が十分低くなってから基板を蒸
着槽から取出す。
The optimum film forming conditions in the apparatus used by the present inventor are as follows. SSZ: Nb film formation conditions Film formation pressure 1 × 10 to 7 Torr or less (up to film thickness 3 nm) 5 × 10 to 4 Torr (film thickness 3 nm to introduce O 2 ) Film formation temperature 775 ° C. (substrate temperature) Target Sm 2 O 3 : ZrO 2 : Nb 2 O 5 = 18: 64: 18 Target / Substrate distance 5 cm Laser light source KrF excimer laser (energy 130 mJ) Excitation pulse width 20 ns, repetition frequency 10 Hz When the value reaches 0, the laser light source is stopped, the introduction of O 2 is stopped, and the substrate is gradually cooled. After the substrate temperature is sufficiently low, the substrate is taken out of the vapor deposition tank.

【0047】このようにして堆積したSSZ:Nb膜の
安定化剤と空孔消滅剤の濃度は実験精度の範囲内で共に
同濃度(=18%)であった。膜の結晶構造はホタル石
構造(立方晶)を有する単結晶エピタキシャル膜であっ
た。本製造方法で成膜した安定化ジルコニア膜の金属元
素の組成は、蒸着条件の変更があってもターゲットの組
成にほぼ等しくなるという特徴がある。これは安定化ジ
ルコニア膜の組成が成膜装置に依存せずターゲットの組
成で一義的に定まることを意味している。このような特
徴は、実験成膜で得た最適条件を元にして大型の生産成
膜装置を立ち上げる際に、最適化に要する時間を短縮で
きるという効果があり、有用である。なお、詳細な説明
はしないが、この製造方法を用いて(ただし条件は若干
異なる)、第2の実施の形態(実施例2)に示した複合
構造体の構造も実現できる。
The concentrations of the stabilizer and the annihilation agent of the SSZ: Nb film thus deposited were both the same (= 18%) within the range of experimental accuracy. The crystal structure of the film was a single crystal epitaxial film having a fluorite structure (cubic crystal). The composition of the metal element of the stabilized zirconia film formed by this manufacturing method is characterized in that it is almost equal to the composition of the target even if the vapor deposition conditions are changed. This means that the composition of the stabilized zirconia film is uniquely determined by the composition of the target without depending on the film forming apparatus. Such a feature is useful because it has an effect that the time required for optimization can be shortened when a large-scale production film forming apparatus is started up based on the optimum conditions obtained by the experimental film formation. Although not described in detail, the structure of the composite structure shown in the second embodiment (Example 2) can be realized by using this manufacturing method (however, the conditions are slightly different).

【0048】(6)複合構造体の製造方法の第4の実施
の形態 <実施例6> つぎに図1に記載した複合構造を化学気相成長法(CV
D)で実現する製造方法の実施例を説明する。まず、前
記実施例3の製造方法と同様に、RCA洗浄と希フッ酸
洗浄とでSi基板1の表面の汚染物および自然酸化物を
除去する。
(6) Fourth Embodiment of Method for Producing Composite Structure <Example 6> Next, the composite structure shown in FIG. 1 was subjected to chemical vapor deposition (CV).
An example of the manufacturing method realized in D) will be described. First, similarly to the manufacturing method of the third embodiment, contaminants and natural oxides on the surface of the Si substrate 1 are removed by RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid cleaning.

【0049】つづいてSi基板1上に酸化サマリウムY
23(イットリア)で安定化させ、酸化タンタルTa2
5で酸素イオン空孔を消滅させた安定化ジルコニア膜
2(以下YSZ:Ta)を減圧CVD法でSi基板1に
形成する。原料はイットリウム・トリディピバロイルメ
タン:Y(DPM)3、ジルコニウム・テトラディピバロ
イルメタン:Zr(DPM)4、タンタル・ペンタエトキ
シド:Ta(OC25)5、並びにO2である。ここで、D
PMはC11192を意味する。
Then, samarium oxide Y was deposited on the Si substrate 1.
Stabilized with 2 O 3 (yttria), tantalum oxide Ta 2
A stabilized zirconia film 2 (hereinafter YSZ: Ta) in which oxygen ion vacancies are eliminated by O 5 is formed on the Si substrate 1 by the low pressure CVD method. The raw materials were yttrium tridipivaloyl methane: Y (DPM) 3 , zirconium tetradipivaloyl methane: Zr (DPM) 4 , tantalum pentaethoxide: Ta (OC 2 H 5 ) 5 , and O 2. Is. Where D
PM means C 11 H 19 O 2 .

【0050】使用する装置は、図3に示すごとき伝統的
なコールドウォール型の減圧CVD装置である。この装
置は、前記実施例3〜5に示した物理的蒸着装置に比べ
て、装置の構造と操作法が複雑なので、図3を用いて詳
しく説明する。図3において、10は反応器である。反
応器10は、単結晶Si基板11を機械的に支持し所定
の温度に保持するサセプタ12と、蒸気を混合させ、混
合させた蒸気をサセプタ12に向けて均一に噴射させる
シャワーヘッド13と、堆積反応で生じた生成ガスや過
剰な原料蒸気の排気口14を備えている。15、16、
17はそれぞれY(DPM)3原料、Zr(DPM)4原料、
Ta(OC25)5原料の気化容器であり、温度調節機能
を有している。気化容器15、16、17には流量制御
されたキャリアガス:Arが導入され、気化された原料
蒸気はこのArガスによって輸送され、前記シャワーヘ
ッド13に導かれる。
The apparatus used is a conventional cold wall type low pressure CVD apparatus as shown in FIG. This device is more complicated in structure and operating method than the physical vapor deposition devices shown in Examples 3 to 5, and will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 3, 10 is a reactor. The reactor 10 includes a susceptor 12 that mechanically supports the single crystal Si substrate 11 and holds it at a predetermined temperature, a shower head 13 that mixes vapors, and sprays the mixed vapors uniformly toward the susceptor 12, An exhaust port 14 for the generated gas generated by the deposition reaction and excess source vapor is provided. 15, 16,
17 is Y (DPM) 3 raw material, Zr (DPM) 4 raw material,
It is a vaporization container for Ta (OC 2 H 5 ) 5 raw material and has a temperature control function. A carrier gas of which flow rate is controlled: Ar is introduced into the vaporization vessels 15, 16 and 17, and the vaporized raw material vapor is transported by the Ar gas and guided to the shower head 13.

【0051】シャワーヘッド13には、図のように、流
量制御されたO2もまた接続されている。気化容器1
5、16、17とシャワーヘッド13を結ぶ輸送管はそ
れぞれの原料気化容器の温度よりも約10℃高い温度に
保温されている。また、18〜21は各原料蒸気の供給
バルブである。反応器の生成ガスや過剰原料蒸気は、排
気主バルブ22を経由して、真空排気装置23によって
器外に排出される。また、24は成膜中に反応器内の圧
力を一定に保つための圧力調節器である。
To the shower head 13, O 2 whose flow rate is controlled is also connected as shown in the figure. Vaporization container 1
The transport pipes connecting 5, 16 and 17 and the shower head 13 are kept at a temperature higher by about 10 ° C. than the temperature of each raw material vaporization container. Further, 18 to 21 are supply valves for the respective raw material vapors. The gas produced in the reactor and the excess raw material vapor are discharged to the outside of the reactor by the vacuum exhaust device 23 via the exhaust main valve 22. Reference numeral 24 is a pressure controller for keeping the pressure in the reactor constant during film formation.

【0052】成膜の手順は次のとおりである。上記洗浄
を終えたSi単結晶基板1をサセプタ12に乗せ、全て
の原料蒸気供給バルブ18〜21を閉じ、排気主バルブ
22を開けて反応器10内を一旦真空にする。サセプタ
12の温度を所定の基板温度に設定すると共に、反応器
10の圧力を10~6Torrまで減圧する。つづいて、圧力
調節器24を作動させると共に、供給バルブ18〜21
を開いて、各原料をシャワーヘッドから噴射させて成膜
を開始する。
The film forming procedure is as follows. The Si single crystal substrate 1 that has been cleaned is placed on the susceptor 12, all the raw material vapor supply valves 18 to 21 are closed, and the exhaust main valve 22 is opened to temporarily evacuate the inside of the reactor 10. The temperature of the susceptor 12 is set to a predetermined substrate temperature, and the pressure of the reactor 10 is reduced to 10 to 6 Torr. Subsequently, the pressure regulator 24 is operated and the supply valves 18 to 21 are operated.
Open, and each material is jetted from the shower head to start film formation.

【0053】本実施例における代表的な成膜条件を下に
示す。 YSZ:Ta成膜条件 成膜圧力 2Torr 成膜温度 650℃(基板温度) 原料、原料温度、流量 Y(DPM)3、 140℃、 15sccm Zr(DPM)4、 165℃、 17sccm Ta(OC25)5、 130℃、 20sccm O2 200sccm シャワヘッドと基板間の距離 3cm 上記のようにして成膜を行ない、膜厚が所望の値になっ
たところで原料蒸気供給バルブ18〜21を閉じ、圧力
調節器24を停止させ、反応器10を真空排気しながら
基板11を徐冷する。基板温度が十分低くなってから基
板11を反応器10から取出す。
Typical film forming conditions in this example are shown below. YSZ: Ta film forming conditions film forming pressure 2 Torr film forming temperature 650 ° C. (substrate temperature) material, material temperature, flow rate Y (DPM) 3 , 140 ° C., 15 sccm Zr (DPM) 4 , 165 ° C., 17 sccm Ta (OC 2 H) 5 ) 5 , 130 ° C., 20 sccm O 2 200 sccm Distance between shower head and substrate 3 cm After film formation was performed as described above, when the film thickness reached the desired value, the raw material vapor supply valves 18-21 were closed and pressure was adjusted. The controller 24 is stopped, and the substrate 11 is gradually cooled while the reactor 10 is evacuated. The substrate 11 is taken out of the reactor 10 after the substrate temperature becomes sufficiently low.

【0054】成膜で重要なのは、生成されたYSZ:T
a膜の組成、すなわち、安定化剤Y23と空孔消滅剤T
25の濃度がほぼ等しく、所定の値5mol%〜25mol
%の間に入るように、Y(DPM)3原料とTa(OC
25)5原料の温度と流量を制御するということである。
上記条件では安定化剤と空孔消滅剤の濃度が11%程度
であることが確かめられている。
What is important in film formation is the generated YSZ: T.
a film composition, that is, a stabilizer Y 2 O 3 and a vacancy quencher T
a 2 O 5 concentration is almost equal, and the predetermined value is 5 mol% to 25 mol
% (Y (DPM) 3 raw material and Ta (OC)
This means controlling the temperature and flow rate of the 2 H 5 ) 5 raw material.
It has been confirmed that, under the above conditions, the concentration of the stabilizer and the pore eliminator is about 11%.

【0055】本製造方法で成膜した安定化ジルコニア膜
は、前記物理的蒸着法で成膜したものに比べて、基板表
面にある幾何学的な段差部などでも被覆性が極めて良好
である。たとえば、アスペクト比(底辺長と壁長の比)
が1:2の垂直溝構造基板に成膜すると、0.9以上の
良好な被覆率(溝内部の最も薄い膜厚値と基板表面の膜
厚値の比)が得られる。このような特徴は凹凸のある単
結晶Si基板に安定化ジルコニアを均一に成膜するよう
な場合に非常に有利である。なお、詳細な説明はしない
が、この製造方法を用いて(ただし条件は若干異な
る)、第2の実施の形態(実施例2)に示した複合構造
体の構造も実現できる。
The stabilized zirconia film formed by the present manufacturing method has extremely good coverage even at the geometrical stepped portion on the substrate surface as compared with the film formed by the physical vapor deposition method. For example, aspect ratio (ratio of base length to wall length)
When a film is formed on a vertical groove structure substrate of 1: 2, a good coverage (ratio of the thinnest film thickness inside the groove to the film thickness value on the substrate surface) of 0.9 or more is obtained. Such a feature is very advantageous when a stabilized zirconia film is uniformly formed on a single crystal Si substrate having irregularities. Although not described in detail, the structure of the composite structure shown in the second embodiment (Example 2) can be realized by using this manufacturing method (however, the conditions are slightly different).

【0056】次に、図4は、上記の実施例3〜6の製造
方法で、Si(100)基板に作製した複合構造体の特
性を示す図表である。安定化ジルコニア膜の厚みはすべ
て同じである。図4において、は安定化ジルコニア膜
の結晶性を示し、はMIS容量の高周波C−V特性
(のヒルテリシス)から抽出したイオンドリフト度:Δ
V[V]を示す。なお、C−V特性の測定法は先述の従
来技術の項において説明している。また、比較のため、
図5を用いて説明した従来技術に基づく複合構造体の特
性も併せて示した。
Next, FIG. 4 is a table showing the characteristics of the composite structures manufactured on the Si (100) substrate by the manufacturing method of Examples 3 to 6 described above. The stabilized zirconia films all have the same thickness. In FIG. 4, indicates the crystallinity of the stabilized zirconia film, and indicates the degree of ion drift extracted from the high frequency C-V characteristic of MIS capacitance (Hilteresis): Δ
Indicates V [V]. The method of measuring the CV characteristics has been described in the above-mentioned section of the prior art. Also, for comparison,
The characteristics of the composite structure based on the conventional technique described with reference to FIG. 5 are also shown.

【0057】図4に示すように、本発明に係る複合構造
体の安定化ジルコニアの結晶系は全実施例とも立方晶系
であり、完全にc軸配向している。そして格子定数は従
来例の安定化ジルコニアのそれとほぼ等しい。また、単
結晶Si(100)基板との結晶関係は、いずれもSi
(001)‖XSZ:Y(001)、Si[110]‖
XSZ:Y[110]である。ただし‖は平行を意味す
る。また、XSZ:Yは実施例3〜6の製造方法による
任意の安定化ジルコニア膜を表している。
As shown in FIG. 4, the crystal system of the stabilized zirconia of the composite structure according to the present invention is a cubic system in all the examples, and is completely c-axis oriented. And the lattice constant is almost equal to that of the stabilized zirconia of the conventional example. Further, the crystal relationship with the single crystal Si (100) substrate is Si
(001) ‖XSZ: Y (001), Si [110] ‖
XSZ: Y [110]. However, ‖ means parallel. Further, XSZ: Y represents an arbitrary stabilized zirconia film produced by the manufacturing method of Examples 3 to 6.

【0058】以上の結晶学的事実から、実施例3〜6の
製造方法で形成された安定化ジルコニア膜はすべて単結
晶Si基板にエピタキシャル成長しており、膜の結晶品
質は従来技術のよる安定化ジルコニア膜と比べて、なん
ら遜色ない膜であることが分かる。
From the above crystallographic facts, all the stabilized zirconia films formed by the manufacturing methods of Examples 3 to 6 are epitaxially grown on the single crystal Si substrate, and the crystal quality of the film is stabilized by the conventional technique. It can be seen that the film is comparable to the zirconia film.

【0059】次に、イオンドリフトの目安であるMIS
容量のΔVに注目すると、従来例ではΔV>5Vと甚だ
しく大きく、すでに述べたように、デバイス応用上、重
大な障害になっていた。これに対し、図4の各実施例は
全てΔV<0.05Vと2桁以上抑制されている。この
ΔVから見積られる可動酸素イオンの濃度はNm=2.9
×1010/cm2となり、MOS集積回路のゲート酸化
膜の可動イオン(ナトリウムなど)の濃度として許容さ
れる1010/cm2台まで低減していることが理解され
る。
Next, MIS, which is a measure of ion drift,
Focusing on ΔV of the capacity, ΔV> 5V is extremely large in the conventional example, and as described above, it has been a serious obstacle in device application. On the other hand, in each of the examples of FIG. 4, ΔV <0.05 V, which is suppressed by two digits or more. The mobile oxygen ion concentration estimated from this ΔV is Nm = 2.9.
It becomes x10 10 / cm 2 , and it is understood that the concentration of mobile ions (such as sodium) in the gate oxide film of the MOS integrated circuit is reduced to the allowable 10 10 / cm 2 .

【0060】こうして、実施例1および実施例2の複合
構造体、および実施例3〜実施例6の製造方法において
は、安定化ジルコニア膜の結晶性を高品質に維持しなが
ら、従来技術の問題点であった酸素イオン空孔によって
引き起こされたイオンドリフト問題を解決することがで
きる。
Thus, in the composite structures of Examples 1 and 2, and the manufacturing methods of Examples 3 to 6, while maintaining the crystallinity of the stabilized zirconia film at high quality, the problems of the prior art were encountered. The ion drift problem caused by the oxygen ion vacancies, which was the point, can be solved.

【0061】次に、本発明は如何なるメカニズムでイオ
ンドリフト問題を解決したかを説明する。イオンドリフ
トは安定化ジルコニアの酸素イオン空孔が電界で移動す
ることによって引き起こされる。酸素イオン空孔ができ
るのは、従来技術の説明の項で述べたように、ジルコニ
アの4価のZrイオンが安定化剤に含まれる2価または
3価の金属イオンに置換され、このとき、電気的中性条
件を満足しなければならないからであった。しかしなが
ら、本発明では安定化剤の添加と同時に5価または6価
の金属イオンを含む酸素イオン空孔消滅剤を添加するの
で、酸素イオン空孔を生じさせることなく、電気的中性
条件を満足させることができる。たとえば、YSZ:T
aの例(実施例1の構造と実施例3の製造方法)では、
添加の様子を化学式で表すと下記(化3)式に示すよう
になる。
Next, the mechanism by which the present invention solves the ion drift problem will be described. Ion drift is caused by the movement of oxygen ion vacancies in stabilized zirconia in the electric field. Oxygen ion vacancies are formed because the tetravalent Zr ion of zirconia is replaced by the divalent or trivalent metal ion contained in the stabilizer, as described in the section of the description of the prior art. This is because the electrically neutral condition must be satisfied. However, in the present invention, the oxygen ion vacancy quenching agent containing a pentavalent or hexavalent metal ion is added at the same time as the addition of the stabilizer, so that oxygen neutral vacancy is not generated and the electrical neutral condition is satisfied. Can be made. For example, YSZ: T
In the example of a (the structure of Example 1 and the manufacturing method of Example 3),
The chemical formula of the addition is as shown in the following (formula 3).

【0062】[0062]

【化3】 Embedded image

【0063】(化3)式において下の式はTa25を1
mol添加すると、1molの過剰な格子間酸素イオンIo--
が形成されることを意味するが、この格子間酸素イオン
と、Y23の空孔Vo++とが、等量添加によって相殺し
あうので、全体としては下記(化4)式に示すようにな
り、空孔が消滅する。
In the formula (3) below, Ta 2 O 5 is 1
When mol addition, excess interstitial oxygen ions Io of 1 mol -
However, since the interstitial oxygen ions and the vacancies Vo ++ of Y 2 O 3 cancel each other out by the addition of an equal amount, they are represented by the following (Formula 4) as a whole. And the vacancies disappear.

【0064】[0064]

【化4】 Embedded image

【0065】同様に、CSZ:Wの場合も全体的に下記
(化5)式に示すようなり、酸素イオン空孔は生じな
い。
Similarly, in the case of CSZ: W, the overall formula (Chem. 5) is obtained, and oxygen ion vacancies do not occur.

【0066】[0066]

【化5】 Embedded image

【0067】このように、本発明においては、可動電荷
担体としての酸素イオン空孔が安定化ジルコニア膜内に
存在しないので、複合構造体に電界が印加されてもイオ
ンドリフトが起こらず、よってこの問題が解決できるの
である。
As described above, in the present invention, since oxygen ion vacancies as movable charge carriers do not exist in the stabilized zirconia film, ion drift does not occur even when an electric field is applied to the composite structure. The problem can be solved.

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

【図1】本発明の複合構造体の第1の実施の形態(実施
例1)を示す要部断面図。
FIG. 1 is a sectional view of an essential part showing a first embodiment (Example 1) of a composite structure of the present invention.

【図2】本発明の複合構造体の第2の実施の形態(実施
例2)を示す要部断面図。
FIG. 2 is a sectional view of an essential part showing a second embodiment (Example 2) of the composite structure of the present invention.

【図3】本発明の製造方法の第4の実施の形態(実施例
6)で使用する化学的気相成長装置の構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram of a chemical vapor deposition apparatus used in a fourth embodiment (Example 6) of the manufacturing method of the present invention.

【図4】本発明の各実施例と従来例との比較を示す図
表。
FIG. 4 is a chart showing a comparison between each example of the present invention and a conventional example.

【図5】従来技術による安定化ジルコニア/単結晶シリ
コン複合構造体のイオンドリフト現象を説明する実験結
果を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an experimental result for explaining an ion drift phenomenon of a stabilized zirconia / single crystal silicon composite structure according to a conventional technique.

【図6】イオンドリフトの機構を説明するための図。FIG. 6 is a diagram for explaining the mechanism of ion drift.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単結晶Si基板。 2…3価金属の酸化物からなる安定化剤と5価金属の酸
化物からなる酸素イオン消滅剤を含有する単結晶安定化
ジルコニア薄膜 2'…2価金属の酸化物からなる安定化剤と6価金属の
酸化物からなる酸素イオン消滅剤を含有する単結晶安定
化ジルコニア薄膜 10…反応器 11…単結晶Si
基板 12…サセプタ 13…シャワーヘ
ッド 14…排気口 15、16、17
…原料気化容器 18〜21…供給バルブ 22…排気主バル
ブ 23…真空排気装置 24…圧力調節器
1 ... Single crystal Si substrate. 2 ... Single crystal stabilized zirconia thin film containing a stabilizer composed of trivalent metal oxide and oxygen ion quencher composed of pentavalent metal oxide 2 '... Stabilizer composed of divalent metal oxide Single-crystal stabilized zirconia thin film containing oxygen ion quencher composed of hexavalent metal oxide 10 ... Reactor 11 ... Single-crystal Si
Substrate 12 ... Susceptor 13 ... Shower Head 14 ... Exhaust Ports 15, 16, 17
Material vaporizer 18 to 21 Supply valve 22 Exhaust main valve 23 Vacuum exhaust device 24 Pressure regulator

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶シリコン半導体基体に安定化ジルコ
ニア薄膜(ZrO2)を成長した複合構造体において、 前記安定化ジルコニア薄膜がZrの原子価4価よりも低
い原子価金属の酸化物からなる安定化剤と、前記Zrの
原子価4価よりも高い原子価金属の酸化物からなる酸素
イオン空孔消滅剤とを概ね等量含有する、ことを特徴と
する安定化ジルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複
合構造体。
1. A composite structure in which a stabilized zirconia thin film (ZrO 2 ) is grown on a single crystal silicon semiconductor substrate, wherein the stabilized zirconia thin film is made of an oxide of a valence metal having a valence of 4 or less than Zr. Stabilized zirconia thin film and single crystal silicon, containing substantially the same amount of a stabilizer and an oxygen ion vacancy annihilation agent composed of an oxide of a valence metal having a valence higher than tetravalence of Zr. Composite structure with substrate.
【請求項2】前記安定化剤の酸化物金属の価数が3価で
ある場合、前記酸素イオン空孔消滅剤の酸化物金属の価
数は5価である、ことを特徴とする請求項1に記載の安
定化ジルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複合構造
体。
2. The oxide metal of the oxygen ion vacancy quencher has a valence of 5, when the oxide metal of the stabilizer has a valence of 3. A composite structure of the stabilized zirconia thin film according to 1 and a single crystal silicon substrate.
【請求項3】前記の安定化剤がY23またはSm23
あるか、あるいはY23とSm23の混合物であり、前
記酸素イオン空孔消滅剤がTa25またはNb25また
はV25であるか、あるいはTa25とNb25とV2
5のうちの2種以上を含む混合物である、ことを特徴
とする請求項2に記載の安定化ジルコニア薄膜と単結晶
シリコン基体との複合構造体。
3. The stabilizer is Y 2 O 3 or Sm 2 O 3 , or a mixture of Y 2 O 3 and Sm 2 O 3 , and the oxygen ion vacancy quencher is Ta 2 O. 5 or Nb 2 O 5 or V 2 O 5 , or Ta 2 O 5 and Nb 2 O 5 and V 2
The composite structure of a stabilized zirconia thin film and a single crystal silicon substrate according to claim 2, which is a mixture containing two or more kinds of O 5 .
【請求項4】前記安定化剤の酸化物金属の価数が2価で
ある場合、前記酸素イオン空孔消滅剤の酸化物金属の価
数は6価である、ことを特徴とする請求項1に記載の安
定化ジルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複合構造
体。
4. The valence of the oxide metal of the oxygen ion vacancy quencher is 6 when the valence of the oxide metal of the stabilizer is divalent. A composite structure of the stabilized zirconia thin film according to 1 and a single crystal silicon substrate.
【請求項5】前記の安定化剤がCaO、前記酸素イオン
空孔消滅剤がWO3またはMoO3で構成されることを特
徴とする請求項4項に記載の安定化ジルコニア薄膜と単
結晶シリコン基体との複合構造体。
5. The stabilized zirconia thin film and single crystal silicon according to claim 4, wherein the stabilizer is CaO and the oxygen ion vacancy quencher is WO 3 or MoO 3. Composite structure with substrate.
【請求項6】前記安定化剤および酸素イオン消滅剤の濃
度が5mol%〜30mol%の範囲の値である、ことを特徴
とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の安定化ジ
ルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複合構造体。
6. The stabilized zirconia according to any one of claims 1 to 5, wherein the concentrations of the stabilizer and the oxygen ion quencher are in the range of 5 mol% to 30 mol%. A composite structure of a thin film and a single crystal silicon substrate.
【請求項7】単結晶シリコン半導体基体に安定化ジルコ
ニア薄膜を成長した複合構造体において、該安定化ジル
コニア薄膜が該単結晶シリコン半導体基体にヘテロエピ
タキシャル成長している単結晶膜であることを特徴とす
る請求項1乃至請求項6の何れかに記載の安定化ジルコ
ニア薄膜と単結晶シリコン基体との複合構造体。
7. A composite structure in which a stabilized zirconia thin film is grown on a single crystal silicon semiconductor substrate, wherein the stabilized zirconia thin film is a single crystal film heteroepitaxially grown on the single crystal silicon semiconductor substrate. A composite structure of the stabilized zirconia thin film according to any one of claims 1 to 6 and a single crystal silicon substrate.
【請求項8】前記請求項1乃至請求項7の何れかに記載
の安定化ジルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複合
構造体を製造する方法であって、 該単結晶シリコン半導体基体の表面の自然酸化膜を除去
し、洗浄する工程と、 該洗浄後の基体を自然酸化膜を生成させることなく速や
かに真空蒸着槽に装着し、10~8Torr以下に排気する工
程と、 該真空蒸着槽の中で電子ビーム蒸着法、イオンビームス
パッタリング法、レーザアブレーション法の中から選ば
れた一つの成膜方法で該単結晶シリコン基板上に安定化
ジルコニア薄膜を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする複合構造体の製造方法。
8. A method for producing a composite structure of the stabilized zirconia thin film according to any one of claims 1 to 7 and a single crystal silicon substrate, wherein the surface of the single crystal silicon semiconductor substrate is formed. A step of removing and washing the natural oxide film, a step of quickly mounting the substrate after the washing in a vacuum vapor deposition tank without generating a natural oxide film, and evacuating to 10 to 8 Torr or less; Forming a stabilized zirconia thin film on the single crystal silicon substrate by one film forming method selected from electron beam evaporation method, ion beam sputtering method and laser ablation method. A method for producing a characteristic composite structure.
【請求項9】前記電子ビーム蒸着法、イオンビームスパ
ッタリング法、レーザアブレーション法で使用される蒸
着ターゲットが、前記安定化剤、酸素イオン空孔消滅
剤、およびジルコニアの各粉末を所定に割合で混合した
のち円盤状に加圧整形したものである、ことを特徴とす
る請求項8に記載の複合構造体の製造方法。
9. A vapor deposition target used in the electron beam vapor deposition method, the ion beam sputtering method, and the laser ablation method mixes the stabilizer, the oxygen ion vacancy quenching agent, and zirconia powder in a predetermined ratio. 9. The method for producing a composite structure according to claim 8, wherein the composite structure is then pressed and shaped into a disc shape.
【請求項10】前記各成膜方法による安定化ジルコニア
薄膜の形成工程において、蒸着の初期は高真空中で成膜
を行い、膜厚が概ね3nmに達したところで、外部から
蒸着槽に酸素、もしくはオゾンを含む酸素を導入し、引
続き成膜を行うことを特徴とする請求項8または請求項
9に記載の複合構造体の製造方法。
10. In the step of forming a stabilized zirconia thin film by each of the above film forming methods, film formation is performed in a high vacuum at the initial stage of vapor deposition, and when the film thickness reaches approximately 3 nm, oxygen is externally supplied to the vapor deposition tank. Alternatively, the method for producing a composite structure according to claim 8 or 9, wherein oxygen containing ozone is introduced and film formation is subsequently performed.
【請求項11】前記請求項1乃至請求項7の何れかに記
載の安定化ジルコニア薄膜と単結晶シリコン基体との複
合構造体を製造する方法であって、 該単結晶シリコン半導体基体の表面の自然酸化膜を除去
し、洗浄する工程と、 該洗浄後の基体を自然酸化膜を生成させることなく速や
かに反応器に装着し、10~6Torr以下に排気する工程
と、 該反応器の中で化学気相成長法で該単結晶シリコン基板
上に安定化ジルコニア薄膜を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする複合構造体の製造方法。
11. A method for producing a composite structure of the stabilized zirconia thin film according to any one of claims 1 to 7 and a single crystal silicon substrate, wherein the surface of the single crystal silicon semiconductor substrate is formed. A step of removing and washing the natural oxide film, a step of quickly mounting the substrate after washing on the reactor without generating a natural oxide film, and exhausting the substrate to 10 to 6 Torr or less; And a step of forming a stabilized zirconia thin film on the single crystal silicon substrate by a chemical vapor deposition method.
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