JPH10120494A - 強誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

強誘電体薄膜の製造方法

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JPH10120494A
JPH10120494A JP8279514A JP27951496A JPH10120494A JP H10120494 A JPH10120494 A JP H10120494A JP 8279514 A JP8279514 A JP 8279514A JP 27951496 A JP27951496 A JP 27951496A JP H10120494 A JPH10120494 A JP H10120494A
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thin film
forming
ferroelectric thin
mgo
buffer layer
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JP8279514A
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Masao Watabe
雅夫 渡部
Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
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Fuji Xerox Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶半導体基板上に高品質のエピタキシャ
ルまたは高配向のエピタキシャル薄膜を形成する。 【解決手段】 本発明の第1の特徴は、スパッタリング
装置内にMgO薄膜形成用のターゲットおよび ABO3
型ペロブスカイト強誘電体薄膜形成用の複数のターゲッ
トを用意する工程と、前記スパッタリング装置内で、単
結晶半導体基板1上に、スパッタリング法によりバッフ
ァ層としてのMgO薄膜2を形成するバッファ層形成工
程と、スパッタリング装置を開くことなく連続してスパ
ッタリング法により、 前記バッファ層上にABO3型ペ
ロブスカイト強誘電体薄膜3を形成する強誘電体薄膜形
成工程とを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜の製
造方法に係り、特に単結晶半導体基板上にエピタキシャ
ルまたは高配向性をもつ強誘電体薄膜を形成する方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、酸化物強誘電体薄膜は強誘電体の
持つ強誘電性、圧電性、焦電性、電気光学効果など多く
の性質により不揮発性メモリーを始めとして表面弾性波
素子、赤外線焦電素子、音響光学素子など多くの応用が
期待されている。これらの応用のうち、薄膜光導波路構
造での低光損失化と単結晶並の分極特性や電気光学効果
を得るために単結晶薄膜の作成が不可欠である。 その
ため、BiTiO3、PbTiO3、Pb1-XLaX(Zr
1-YTiY(1-X)/43(PLZT)、LiNbO3、K
NbO3、 Bi4Ti312などのエピタキシャル強誘電
体薄膜がRFマグネトロンスパッタリング、イオンビー
ムスパッタリング、レーザアブレーション、有機金属化
学蒸着法(MOCVD)などの方法によって酸化物単結
晶基板に数多く形成されている。しかし、半導体素子と
の集積化のためには半導体基板上への強誘電体薄膜の形
成が必要である。半導体基板上への強誘電体薄膜のエピ
タキシャル成長は、成長温度が高いこと、半導体基板と
強誘電体との間で相互拡散が生じ易いこと、半導体基板
が酸化し易いことなどのために困難である。特にGaA
sを成長させる場合は、400℃以上では、表面のAs
が減少し、 690℃以上ではAs4ガス雰囲気なしでは
AsとGaの1層づつの昇華が始まることが知られてい
る。また、GaAs基板上への強誘電体薄膜の成長の報
告はきわめて数少ないがPLZTがGaAs基板上に成
長した際にはPbのGaAsへの拡散が検出されてい
る。
【0003】これらの理由のために、低温下で半導体基
板上にエピタキシャル成長し得、強誘電体薄膜のエピタ
キシャル成長を助け、かつ拡散バリアとしても働く半導
体へのキャッピング層が必要となる。さらに強誘電体と
半導体との間に絶縁体を形成したFET素子において、
強誘電体の分極時の半導体からの電荷の注入を防ぐこと
ができ、強誘電体の分極状態を維持することが容易とな
る。また、強誘電体の屈折率は一般にGaAsよりも小
さいが、強誘電体よりも小さい屈折率を持つバッファ層
を得ることができれば、半導体レーザ光を強誘電体薄膜
光導波路中に閉じこめることが可能になり、光変調素子
を半導体レーザ上に作成したり、光集積回路をシリコン
半導体集積回路上に形成したりすることが可能となる。
【0004】このような状況の中で、本発明者らは、P
LD(Pulsed Laser Deposition)法を用いて(100)
半導体基板上に(100)酸化マグネシウム(MgO)
薄膜をエピタキシャル成長することが可能となり、さら
にそのMgOをバッファ層として用いることによりその
上にPbTiO3やBaTiO3などのペロブスカイト型
ABO3薄膜(A:IA族、IIA族、IIIA族 、IVB族お
よびVB族から選択される元素、B:IVA族およびVA族
から選択される元素)をエピタキシャル成長させること
が可能であることを発見し、種々の方法を提案している
(特開平6−151601号、特開平6−151602
号、特開平6−342920号、特開平6−19601
8号)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、PLD
法では、レーザ光を集光してターゲット表面を瞬間的に
パルス加熱することによって生じるブルームと呼ばれる
プラズマ領域が小さく、そのためわずか数mm角程度の面
積しか均一な膜を得ることができず、良好な光導波特性
を得ることができない、電子ビーム蒸着法では,PLD
法と異なり、ターゲットを連続的に加熱するためにター
ゲットの温度が上昇し、 PbTiO3やBaTiO3
どの複組成のターゲットを用いる場合には組成が変化し
、均一な組成の膜を再現性よく形成するのは困難であ
った。また、MgOは、水と反応し易く、Mg(OH)
2などの水酸化物を形成するものとして知られており、
半導体基板上にエピタキシャル成長したMgO薄膜を一
旦大気中にさらすと、吸水とそれに伴う有機汚染とがこ
の膜表面に生じ、除去することが困難となる。MgO薄
膜の表面の汚染はその上部に成長させるペロブスカイト
型ABO3薄膜の成長、特に結晶方位に強く影響を及ぼ
し、ミス配向結晶面の混在や、場合によっては完全に多
結晶となってしまうほど結晶性を悪化させる。
【0006】しかしながら、ABO3型ペロブスカイト
強誘電体では、 結晶軸の方向によって屈折率、分極
率、電気光学定数などが異なるために、その結晶軸の方
向を制御することは、良好な強誘電体薄膜デバイス特性
を実現する上で必要となる。さらに光導波路構造のデバ
イスを実現するためには、低光伝搬損失特性を得るため
に単一配向のエピタキシャル薄膜の形成が不可欠とな
る。さらに光導波路構造のデバイスを実現するために
は、低光伝搬損失特性を得るために単一配向のエピタキ
シャル薄膜の形成が不可欠となる。
【0007】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、単結晶半導体基板上に、高品質のエピタキシャル薄
膜または高配向の薄膜を形成することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、大面積にわた
り、エピタキシャルまたは高配向性を持ち、高品質かつ
均質な強磁性体膜を形成するに際し、スパッタリング技
術を用いて種々の実験を重ねた結果、下地の配向性、下
地表面の状態、およびチャンバー中における酸素の挙動
によって配向性が変化することを発見し、この点に着目
してなされたもので、スパッタリングガスを制御し、バ
ッファ層を配向性よく形成し、さらにこのバッファ層の
表面状態を良好に維持しつつ真空を破ることなく連続的
に強誘電体薄膜を形成する。
【0009】そこで本発明の第1の特徴は、スパッタリ
ング装置内にMgO薄膜形成用のターゲットおよび A
BO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜形成用の複数のタ
ーゲットを用意する工程と、 前記スパッタリング装置
内で、半導体単結晶基板上に、スパッタリング法により
バッファ層としてのMgO薄膜を形成するバッファ層形
成工程と、スパッタリング装置を開くことなく連続し
て、スパッタリング法により、前記バッファ層上に、
ABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜を形成する強誘
電体薄膜形成工程とを含むことにある。ここで、ペロブ
スカイト型ABO3薄膜において(A:IA族、IIA族、
IIIA族 、IVB族およびVB族から選択される元素、
B:IVA族およびVA族から選択される元素)である。
【0010】望ましくは、前記バッファ層形成工程は、
不活性ガス圧力0.001mTorrから0.1Torr、酸素圧
力0から1mTorrの間でスパッタリングを行うことによ
り、(100)半導体単結晶基板上に(100)MgO
薄膜を形成する工程であり、前記強誘電体薄膜形成工程
は、 (100)ABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜
を形成する工程であり、前記半導体単結晶基板、前記バ
ッファ層およびABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜
は、 面内方位が特定方位を有するエピタキシャルな関
係にあることを特徴とする。
【0011】さらに望ましくは、不活性ガス圧力0.0
01Torrから0.01Torr、酸素圧力0でバッファ層形
成のためのスパッタリングを行うことにより、(10
0)半導体単結晶基板上に(100)MgO薄膜を形成
することにより、より高品質でエピタキシャルなバッフ
ァ層の形成が可能となり、この上層に (100)AB
3型ペロブスカイト強誘電体薄膜をエピタキシャル成
長することが可能となる。
【0012】また望ましくは、前記バッファ層形成工程
は、不活性ガス圧力0.001mTorrから0.1Torr、酸
素圧力0から1mTorrの間でスパッタリングを行うこと
により、(111)半導体単結晶基板上に(111)M
gO薄膜を形成する工程であり、前記強誘電体薄膜形成
工程は、 (111)ABO3型ペロブスカイト強誘電体
薄膜を形成する工程であり、前記半導体単結晶基板、前
記バッファ層およびABO3型ペロブスカイト強誘電体
薄膜は 、面内方位が特定方位を有するエピタキシャル
な関係にあることを特徴とする。
【0013】また望ましくは、前記バッファ層形成工程
は、 不活性ガス圧力0から0.1Torr、酸素圧力1mTor
rから10Torrの間でスパッタリングを行うことによ
り、 (111)半導体単結晶基板上に(100)Mg
O薄膜を形成する工程であり、前記強誘電体薄膜形成工
程は、 (100)ABO3型ペロブスカイト強誘電体薄
膜を形成する工程であり、前記半導体単結晶基板、 前
記バッファ層およびABO3型ペロブスカイト強誘電体
薄膜は面内方位がランダムであるが単一配向性を有する
ことを特徴とする。
【0014】また望ましくは、前記バッファ層形成工程
は、不活性ガス圧力0.1Torrから10Torr、酸素圧力
0から1mTorrの間でスパッタリングを行うことによ
り、(100)半導体単結晶基板上に(111)MgO
薄膜を形成する工程であり、前記強誘電体薄膜形成工程
は、 (111)ABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜
を形成する工程であり、前記半導体単結晶基板、 前記
バッファ層およびABO3型ペロブスカイト強誘電体薄
膜は面内方位がランダムであるが単一配向性を有するこ
とを特徴とする。
【0015】ここで単結晶半導体基板としては、単体半
導体であるSi、Ge、ダイアモンド、III−V族半導体
である,AlAs、AlSb、AlP、GaAs、Ga
Sb、InP、InAs、InSb、AlGaP、Al
LnP、AlGaAs、AlInAs、AlAsSb、
GaInAs、GaInSb、InAsSb、II−IV族
化合物半導体であるZnS、ZnSe、ZnTe、Ca
Se、CdTe、HgSe、HgTe、CdSより選ば
れる(100)または(111)単結晶半導体基板が用
いられる。そしてバッファ層としては、(100)また
は(111)のエピタキシャルまたは単一配向性のMg
O薄膜が用いられる。 またABO3型ペロブスカイト強
誘電体薄膜としては、 LiNbO3、BaTiO3、S
rTiO3、PbTiO3、PZT、Pb1-XLaX(Zr
1-YTiY(1-X)/43(PLZT)、 KNbO3、Bi
4Ti312などのエピタキシャル強誘電体薄膜がある。
【0016】ここでMgOバッファ層および ABO3
ペロブスカイト強誘電体薄膜は複数のターゲットを有
し、真空を破ることなく連続して作成することができる
ように構成されたDCグロースパッタリング、RFグロ
ースパッタリング、RFマグネトロンスパッタリング、
イオンビームスパッタリング、ECRスパッタリングな
どのスパッタリング装置によって形成される。通常、M
gOバッファ層形成および強誘電体膜形成に際して装置
内の真空度は、RFスパッタリング装置では、0.01
Torr前後、イオンビームスパッタリング装置やECRス
パッタリング装置では、0.0001Torrから0.00
1Torr程度で形成する。 このとき、基板に対して正ま
たは負のバイアスをかけることのできる装置を用いるよ
うにしてもよい。また、スパッタリングに用いられるガ
スとしては、酸素とアルゴンの他、窒素、ヘリウムなど
の不活性ガス、ネオン、クリプトン、キセノンなどの希
ガス、水素などの還元性ガスなどを用いるようにしても
よい。 スパッタリングガスの主成分としてはアルゴン
が望ましい。ヘリウムを用いた場合、ターゲット原子に
与えるエネルギーが大きすぎ、基板表面に飛翔してきた
ターゲット原子が表面を荒らすことがあるが、アルゴン
を用いた場合、界面特性を良好に維持し、膜質の高い膜
を得ることが可能となる。
【0017】さらにまた、MgOバッファ層の成膜条件
としてアルゴンガスと酸素ガス圧力を変化させたときに
生成される膜の配向性との関係を測定した結果を図1に
示す。この図から明らかなように、アルゴン圧力0.0
01mTorrから0.1Torr、酸素圧力0から1mTorrの間
では、(100)半導体単結晶基板上に(100)Mg
Oエピタキシャル成長膜が形成され、また(111)半
導体単結晶基板上には、(111)MgOエピタキシャ
ル成長膜が形成される。 一方、アルゴン圧力0から
0.1Torr、酸素圧力 1mTorrから10Torrの間では、
(111)半導体単結晶基板上に、単一配向の(10
0)MgOバッファ層が形成される。そしてまた、アル
ゴン圧力0.1Torrから10Torr、酸素圧力0から1mTo
rrの間では、(100)半導体単結晶基板上に単一配向
の(111)MgOバッファ層が形成される。
【0018】ここでRFマグネトロンスパッタリング装
置を用いた場合には、RFパワーとして0.001から
100W/cm2、基板温度200℃から700℃、基
板、ターゲット間距離は1mmから1mの間にするのが望
ましい。
【0019】またこのときのMgO薄膜の膜厚としては
10nmから2000nmとするのが望ましい。
【0020】また、 ABO3型ペロブスカイト強誘電体
薄膜は、下地となるMgOバッファ層の形成工程と、ほ
ぼ同一の雰囲気中で形成されるのが望ましいが、適宜変
更可能である。望ましい範囲は基板温度300℃から8
00℃、酸素分圧1×10-6〜1×10-1Torr、アルゴ
ン分圧1×10-6〜1×10-1Torrで成膜し、膜厚とし
ては10nmから1000nmとするのが望ましい。
【0021】本発明の方法によれば、スパッタリングガ
スを制御し、バッファ層を配向性よく形成するととも
に、このバッファ層の表面状態を良好に維持しつつ真空
を破ることなく連続してスパッタリングを行うことによ
り、強誘電体薄膜を形成する連続スパッタリング法を用
いているため、大面積にわたって均質な膜を形成するこ
とができ、PLD法や蒸着法に比較して原料ターゲット
の消費も少ない上、配向性が良好でかつ膜の表面性も平
坦なものを得ることが可能となる。
【0022】また、スパッタリング装置内に、ターゲッ
トを複数配置した構成にすることにより、バッファ層と
強誘電体薄膜層を連続して形成することができ、装置の
簡略化をはかることができる。
【0023】ここで、本発明の方法を実現するためのス
パッタリング装置としては、ターゲットを同一円周上に
配置した基板支持台を回転可能にし、それぞれのターゲ
ット上に基板支持台を移動させて、基板とターゲットが
対向するように構成したものロードロック方式で基板を
搬送しながら順次スパッタリングを行うもの、基板を円
筒状のドラムに設置し、同一円周上の2箇所にMgOタ
ーゲットと強誘電体ターゲットとを配置し、ドラムを回
転させて順次スパッタリングを行っていくもの等で実現
可能である。またこのような基板を巻き取り方式で移動
させながら順次成膜する方法も有効である。
【0024】
【実施例】以下、本発明の第1の実施例について、図面
を参照しつつ説明する。この方法は、(100)GaA
s基板上に(100)MgOエピタキシャル層を、アル
ゴン圧力10-2Torr、酸素圧力10-5Torrでスパッタリ
ング法により、エピタキシャル成長させ、この後GaA
s基板を外気にさらすことなく、同一装置内で連続的に
BaTiO3膜をエピタキシャル成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【0025】すなわちまず基板ターゲット間距離が50
mmとなる位置に、 純度99.99%のストイキオメトリ
のMgOターゲットと、 純度99.9%のストイキオメ
トリのBaTiO3ターゲットが設置され、 基板を装置
内で搬送可能なように形成されたRFスパッタリング装
置を用意する。そして、図2(a)に示すように、 a=
0.5653nmの立方晶ジンクブレンド構造の(10
0)±0.2°、6×6mmのGaAs基板1を用い、溶
剤洗浄の後、硫酸H2SO4系の溶液にてエッチングを行
った。さらにこの基板を脱イオン水とエタノールでリン
スし、最後に、窒素流下でエタノールによるスピン乾燥
を行った。エッチング後に脱イオン水リンスで形成され
たGaAs基板表面の単層酸化膜はパッシベーション層
として働き、また582℃で解離する。従って、スピン
乾燥後基板を直ちにRFスパッタリング装置に設置し、
一定温度、バックグラウンド圧力3×10-7Torrで加熱
を行い、GaAs表面の不動体層の昇華による脱離をは
かり、この後、このRFスパッタリング装置のMgOタ
ーゲット位置に、GaAs基板がくるように搬送し、ア
ルゴン圧力10-2Torr、酸素圧力10-5Torr、RFパワ
ー50W、 基板温度350℃で、スパッタリングを行
い、図2(b)に示すように、a=0.4213nmの立方
晶、NaCl構造の(100)単一配向のMgOエピタ
キシャル膜2を形成した。
【0026】この膜をX線回折により解析すると、きわ
めて良好な(100)単一配向のMgOエピタキシャル
膜2が形成されていることがわかる。次に、MgOとG
aAsの面内結晶方位の関係を同定するために、X線回
折とファイ・スキャンとを行った。立方晶において(1
00)面に対して45°の角度をもっている(202)
面についてのファイ・スキャンは、(100)MgO//
(100)GaAsのMgOに対して90°の回転周期
を持つシャープなピークを示し、この位置はGaAsの
ピーク位置に一致した。これにより、MgOとGaAs
との結晶学的関係は格子不整が25.5%もあるにもか
かわらず、MgOとGaAsの結晶方位の関係は(10
0)MgO//(100)GaAs、面内方位[001]
MgO//[001]GaAsであることがわかった。
【0027】この後RFスパッタリング装置を開けるこ
となく、連続して、このRFスパッタリング装置の B
aTiO3ターゲット位置に対向するように、前記Mg
O膜の形成されたGaAs基板を装着し、アルゴン圧力
8×10-3Torr、酸素圧力2×10-3Torr、RFパワー
50W、基板温度600℃で、スパッタリングを行い、
図2(c)に示すように、 a=0.3905nmの立方
晶、ペロブスカイト構造の(100)単一配向の Ba
TiO3エピタキシャル膜3を膜厚100nmとなるよう
に形成した。 ここでBaTiO3MgOとの結晶学的関
係は、格子不整が0.1%あるがエピタキシャル成長
し、 BaTiO3とMgOとGaAsとの結晶方位の関
係は(001)BaTiO3//(100)MgO//(1
00)GaAs 、面内方位[100]BaTiO3//
[001]MgO//[001]GaAsであった。
【0028】また、走査型電子顕微鏡によって観察した
BaTiO3の表面はきわめて平滑であった。さらに原
子間力顕微鏡によって BaTiO3の表面を1×1μm
の範囲について観察すると、光学研磨をしたガラスと同
程度の平滑性を持っていることがわかった。このことか
らこの BaTiO3膜はその表面平滑性においては、光
導波路として良好な低光減衰特性につながるものである
ことがわかる。
【0029】またこのBaTiO3膜を用いて光導波路
を形成した結果、 良好な特性を得ることができた。
【0030】比較例1 実施例1と同様の条件で、RFスパッタリングにより、
(100)GaAs基板上に、(100)MgO薄膜を
形成した。このとき、X線回折による解析により、Mg
OとGaAsとの結晶学的関係は(100)MgO//
(100)GaAs、面内方位[001]MgO//[0
01]GaAsであった。
【0031】この後、従来のように、一旦RFスパッタ
リング装置から、取り出した後、続いてBaTiO3
膜形成用のRFスパッタリング装置に装着し、 前記実
施例と同様の条件すなわち、アルゴン圧力8×10-3To
rr、酸素圧力2×10-3Torr、RFパワー50W、基板
温度600℃で、スパッタリングを行い、 BaTiO3
エピタキシャル膜3を膜厚100nmとなるように形成し
た。
【0032】ここでX線回折による解析により、ミス配
向面を含み回折強度が10%程度まで低下していること
が明らかになり、配向性が悪化していることが確認され
た。次に、MgOバッファ層表面の汚染が推定されるた
め,同様にしてRFスパッタリングにより、(100)
GaAs基板上に、(100)MgO薄膜を形成した
後、このMgOバッファ層表面を有機溶剤によって洗浄
を行い、再度、同じ条件でBaTiO3薄膜を形成し
た。 しかし、得られた薄膜の配向性はほとんど改善が
みられなかった。
【0033】また、走査型電子顕微鏡によって観察した
BaTiO3の表面に、 数十nm〜1μmの微細な凹凸が
観測された。この薄膜の光導波路特性を測定したとこ
ろ、十分な光導波を得ることができなかった。
【0034】さらにまた、 X線光電子分光法を用いた
解析により、MgO/BaTiO3界面から0.1〜2
0atomic%のカーボンの存在が認められ、さらにMgO
薄膜部では、0.1〜20atomic%のMg(OH)Xの存
在が基板に至るまで観察された。この汚染は、有機溶媒
によって洗浄を行った場合にも程度は小さいものの観察
され、洗浄だけでは除去が困難なことが推定された。実
施例1の薄膜ではこれらカーボンもMg(OH)X も存在
が認められず、この汚染によって結晶性および表面平滑
性が低下せしめられたものと考えられる。
【0035】次に、本発明の第2の実施例について説明
する 。この方法は、(100)GaAs基板上に(1
11)MgOエピタキシャル層を、アルゴン圧力5×1
-1 Torr、 酸素圧力1×10-5Torrでスパッタリング
法により、エピタキシャル成長させ、この後GaAs基
板を外気にさらすことなく、同一装置内で連続的に
(0001)LiNbO3膜をエピタキシャル成長させ
るようにしたことを特徴とするものである。
【0036】ここでは前記第1の実施例と同様にまず基
板ターゲット間距離が50mmとなる位置に、純度99.
99%のストイキオメトリのMgOターゲットと、純度
99.9%のストイキオメトリの LiNbO3ターゲッ
トを、同心円状に設置し、基板を外部からの回動によ
り、搬送可能なように装着したRFスパッタリング装置
を用意する。そして、(100)のGaAs基板を用
い、前記第1の実施例と同様の表面処理を行い、スピン
乾燥後基板を直ちにRFスパッタリング装置に設置し、
一定温度、バックグラウンド圧力3×10-7Torrで加熱
を行い、GaAs表面の不動体層の昇華による脱離をは
かり、この後、このRFスパッタリング装置のMgOタ
ーゲット位置にGaAs基板を装着し、 アルゴン圧力
5×10-1 Torr、酸素圧力1×10-5、RFパワー1
0W、基板温度450℃で、スパッタリングを行い(1
00)単一配向、膜厚100nmのMgO膜を形成した。
この膜の面内方位はランダムであった。
【0037】この後RFスパッタリング装置を開けるこ
となく、続いてこのRFスパッタリング装置のLiNb
3ターゲット位置に基板を装着し、アルゴン圧力4×
10- 3Torr、 酸素圧力6×10-3Torr、RFパワー1
0W、基板温度500℃で、スパッタリングを行い、
(0001)単一配向のLiNbO3膜を膜厚150nm
となるように形成した。ここでX線回折パターンとファ
イ・スキャンによって同定したLiNbO3とMgOと
GaAsの結晶方位の関係は(0001)LiNbO3/
/(111)MgO//(100)GaAsであった。
【0038】また、走査型電子顕微鏡によって観察した
LiNbO3の表面はきわめて平滑であった。さらに原
子間力顕微鏡によってLiNbO3の表面を 1×1μm
の範囲について観察すると、前記第1の実施例の薄膜よ
りは劣るものの良好な平滑性を持っていることがわかっ
た。このことから、 このLiNbO3膜はその表面平滑
性においては、光導波路として良好な低光減衰特性につ
ながるものであることがわかる。
【0039】次に、本発明の第3の実施例について説明
する 。この方法は、(111)GaAs基板上に(1
00)MgOエピタキシャル層を、アルゴン圧力5×1
-3 Torr、 酸素圧力5×10-5Torrでスパッタリング
法により、エピタキシャル成長させ、この後GaAs基
板を外気にさらすことなく、同一装置内で連続的に
(100)BaTiO3膜をエピタキシャル成長させる
ようにしたことを特徴とするものである。
【0040】ここではまず基板ターゲット間距離が80
mmとなる位置に、前記第1の実施例と同様に純度99.
99%のストイキオメトリのMgOターゲットと、純度
99.9%のストイキオメトリの BaTiO3ターゲッ
トを外部からの回動により、着脱自在に装着したRFス
パッタリング装置を用意する。そして、(111)のG
aAs基板を用い、前記第1の実施例と同様の表面処理
を行い、スピン乾燥後基板を直ちにRFスパッタリング
装置に設置し、一定温度、バックグラウンド圧力3×1
-7Torrで加熱を行い、GaAs表面の不動体層の昇華
による脱離をはかり、この後、このRFスパッタリング
装置のターゲット位置にまずMgOターゲットを装着
し、 アルゴン圧力5×10-3 Torr、酸素圧力5×10
-3Torr、RFパワー200W、基板温度450℃で、ス
パッタリングを行い、(100)単一配向、膜厚50nm
のMgO膜を形成した。この膜の面内方位はランダムで
あった。
【0041】この後RFスパッタリング装置を開けるこ
となく、続いてこのRFスパッタリング装置のターゲッ
ト位置にBaTiO3ターゲットを装着し、 アルゴン圧
力5×10-3Torr、酸素圧力5×10-3Torr、RFパワ
ー200W、基板温度450℃で、スパッタリングを行
い 、(100)単一配向のBaTiO3膜を膜厚200
nmとなるように形成した。 ここでX線回折パターンと
ファイ・スキャンによって同定したBaTiO3とMg
Oとの結晶方位の関係は(100)BaTiO3//(1
00)MgO//(111)GaAsであった。
【0042】また、走査型電子顕微鏡によって観察した
BaTiO3の表面はきわめて平滑であった。さらに原
子間力顕微鏡によってBaTiO3の表面を 1×1μm
の範囲について観察すると、前記第1の実施例の薄膜よ
りは劣るものの良好な平滑性を持っていることがわかっ
た。 このことからこのBaTiO3膜はその表面平滑性
においては、光導波路として良好な低光減衰特性につな
がるものであることがわかる。
【0043】次に、本発明の第4の実施例について説明
する 。この方法では、基板としてシリコンSi基板を
用い、前記第1の実施例とほぼ同様に(100)MgO
エピタキシャル層を、アルゴン圧力1×10-2 Torr、
酸素圧力1×10-5Torrでスパッタリング法により、エ
ピタキシャル成長させ、この後Si基板を外気にさらす
ことなく、同一装置内で連続的に(100)PbTiO
3膜をエピタキシャル成長させるようにしたことを特徴
とするものである。 ここではまず基板ターゲット間距
離が50mmとなる位置に、前記第1の実施例と同様に純
度99.99%のストイキオメトリのMgOターゲット
と、純度99.9%のストイキオメトリのPbTiO3
ーゲットを外部からの回動により、 着脱自在に装着し
たRFスパッタリング装置を用意する。そして、n型ま
たはp型(111)、6×6mmのSi基板を用い、前記
第1の実施例と同様に、有機溶剤による洗浄の後、HF
によるエッチング、乾燥を行い、基板を直ちにRFスパ
ッタリング装置に設置し、一定温度、バックグラウンド
圧力3×10-7Torrで加熱を行い、Si表面のH不動体
層の昇華による脱離をはかり、この後、このRFスパッ
タリング装置のターゲット位置にまずMgOターゲット
を装着し、アルゴン圧力1×10-2 Torr、 酸素圧力5
×10-5Torr、RFパワー30W、基板温度400℃
で、スパッタリングを行い、(111)単一配向で膜厚
500nmのMgO膜を形成した。このMgOとSiの結
晶方位の関係は(111)MgO//(111)Si、面
内方位[001]MgO//[001]Siであることが
わかった。
【0044】この後RFスパッタリング装置を開けるこ
となく、続いてこのRFスパッタリング装置のターゲッ
ト位置に PbTiO3ターゲットを装着し、アルゴン圧
力4×10-3Torr、酸素圧力6×10-3Torr、RFパワ
ー30W、基板温度700℃でスパッタリングを行い、
c軸配向のPbTiO3膜を膜厚200nmとなるように
形成した。ここでX線回折パターンとファイ・スキャン
によって同定したPbTiO3とMgOとSiとの結晶
方位の関係は、 (111)PbTiO3//(111)
MgO//(111)Si、 面内方位[100]PbT
iO3//[001]MgO//[001]Siであった。
【0045】また、走査型電子顕微鏡によって観察した
PbTiO3の表面はきわめて平滑であった。さらに原
子間力顕微鏡によって PbTiO3の表面を1×1μm
の範囲について観察すると、前記第1の実施例の薄膜よ
りは劣るものの良好な平滑性を持っていることがわかっ
た。このことから、 このBaTiO3膜はその表面平滑
性においては、光導波路として良好な低光減衰特性につ
ながるものであることがわかる。
【0046】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、単結晶半導体基板上に、スパッタリング法によりバ
ッファ層としてのMgO薄膜を配向性を制御しつつ形成
し、スパッタリング装置を開くことなく連続して強誘電
体薄膜を形成することにより、均一な組成の膜を再現性
よく、配向性を良好に維持しつつ強誘電体薄膜を形成す
ることができる。
【0047】また、強誘電体薄膜の配向性を良好に制御
することができるため、大きな残留分極値や大きな電気
光学定数などを得ることができ、強誘電体と半導体との
間に絶縁体を形成したFETを形成した場合は、強誘電
体の分極時の半導体からの電荷の注入を防ぐことがで
き、強誘電体の分極状態を維持することが容易となる。
さらにまた、強誘電体の屈折率は一般に半導体よりも小
さいが、強誘電体よりも小さい屈折率を持つMgO層に
よって半導体レーザ光を強誘電体薄膜光導波路中に閉じ
こめることが可能になり、光変調素子のGaAs系半導
体レーザ上への形成や光集積回路をシリコン半導体集積
回路上に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法におけるガス圧と結晶条件との関
係を示す図
【図2】本発明実施例の薄膜形成工程を示す図
【符号の説明】
1 ガリウムひ素(GaAs)基板 2 MgO薄膜 3 BaTiO3薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 27/10 451 H01L 27/10 451 27/108 37/02 21/8242 H01S 3/18 37/02 H01L 27/10 651 41/08 41/08 D 41/18 41/18 101Z H01S 3/18

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スパッタリング装置内に MgO薄膜形成
    用のターゲットおよびABO3型ペロブスカイト強誘電
    体薄膜 (A:IA族、IIA族、IIIA族 、IVB族およびV
    B族から選択される元素、B:IVA族およびVA族から
    選択される元素)形成用の 複数のターゲットを用意す
    る工程と、 前記スパッタリング装置内で、半導体単結晶基板上に、
    スパッタリング法によりバッファ層としてのMgO薄膜
    を形成するバッファ層形成工程と、 スパッタリング装置を開くことなく連続して、スパッタ
    リング法により、前記バッファ層上に ABO3型ペロブ
    スカイト強誘電体薄膜を形成する強誘電体薄膜形成工程
    とを含むことを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記バッファ層形成工程は、不活性ガス
    圧力0.001mTorrから0.1Torr、酸素圧力0から1m
    Torrの間でスパッタリングを行うことにより、(10
    0)半導体単結晶基板上に(100)MgO薄膜を形成
    する工程であり、前記強誘電体薄膜形成工程は、 (1
    00)ABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜を形成す
    る工程であり、前記半導体単結晶基板、前記バッファ層
    およびABO3型ペロブスカイト強誘電体薄膜は、 面内
    方位が特定方位を有するエピタキシャルな関係にあるこ
    とを特徴とする請求項1記載の強誘電体薄膜の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 前記バッファ層形成工程は、 不活性ガス
    圧力0.001mTorrから0.1Torr、酸素圧力0から1m
    Torrの間でスパッタリングを行うことにより、(11
    1)半導体単結晶基板上に(111)MgO薄膜を形成
    する工程であり、 前記強誘電体薄膜形成工程は、 (111)ABO3型ペ
    ロブスカイト強誘電体薄膜を形成する工程であり、前記
    半導体単結晶基板、前記バッファ層およびABO3型ペ
    ロブスカイト強誘電体薄膜は、 面内方位が特定方位を
    有するエピタキシャルな関係にあることを特徴とする請
    求項1記載の強誘電体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記バッファ層形成工程は、不活性ガス
    圧力 0から0.1Torr、酸素圧力 1mTorrから10Torr
    の間でスパッタリングを行うことにより、(111)半
    導体単結晶基板上に(100)MgO薄膜を形成する工
    程であり、 前記強誘電体薄膜形成工程は、 (100)ABO3型ペ
    ロブスカイト強誘電体薄膜を形成する工程であり、前記
    半導体単結晶基板、前記バッファ層およびABO3型ペ
    ロブスカイト強誘電体薄膜は面内方位がランダムである
    が 単一配向性を有することを特徴とする請求項1記載
    の強誘電体薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記バッファ層形成工程は、不活性ガス
    圧力0.1Torrから10Torr、酸素圧力0から1mTorrの
    間でスパッタリングを行うことにより、 (100)半
    導体単結晶基板上に(111)MgO薄膜を形成する工
    程であり、 前記強誘電体薄膜形成工程は、 (111)ABO3型ペ
    ロブスカイト強誘電体薄膜を形成する工程であり、 前
    記半導体単結晶基板、 前記バッファ層およびABO3
    ペロブスカイト強誘電体薄膜は面内方位がランダムであ
    るが 単一配向性を有することを特徴とする請求項1記
    載の強誘電体薄膜の製造方法。
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