JPH1143328A - Thin film of ferroelectric substance, its production and production apparatus therefor - Google Patents

Thin film of ferroelectric substance, its production and production apparatus therefor

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JPH1143328A
JPH1143328A JP15119997A JP15119997A JPH1143328A JP H1143328 A JPH1143328 A JP H1143328A JP 15119997 A JP15119997 A JP 15119997A JP 15119997 A JP15119997 A JP 15119997A JP H1143328 A JPH1143328 A JP H1143328A
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JP
Japan
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thin film
gas
range
ferroelectric thin
bismuth
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Application number
JP15119997A
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Japanese (ja)
Inventor
Chiharu Isobe
千春 磯辺
Masataka Sugiyama
正隆 杉山
Katsuyuki Hironaka
克行 広中
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a thin film of ferroelectric substance having a composition region most suitable for proving excellent residual polarization characteristics and a bismuth-based layer crystal structure high in reliability and to provide both a method for producing the ferroelectric substance and an apparatus for producing the same. SOLUTION: Liquid organometallic precursors housed in containers 11 to 13 in a liquid raw material feeding apparatus 10 are mixed in a fixed ratio by a liquid mixing valve 14 and vaporized in a vaporizing chamber 15 by heating at a temperature of 180-240 deg.C. The vaporized organometallic gas together with a carrier gas is sent to a gas mixing part 20 and mixed so as to adjust the ratio of the organometallic raw material gas containing the carrier gas to an oxygen gas to 30-80%. The reaction product is deposited on a substrate 31 in a reaction chamber 30. Then the deposit is heat-treated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600-800 deg.C. Consequently a thin film crystal comprising a ferroelectric substance of a bismuth-based layer structure, Srx Biy Ta2 O9 ±d (0.60<=x<1.00, 2.00<y<=2.50, 0<=d<=1.00) as a main phase is obtained.

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、ビスマス系層状結
晶構造の強誘電体薄膜およびその製造方法並びに製造装
置に係り、特にキャパシタ,不揮発性メモリ,センサ,
ディスプレイ等の強誘電体デバイスに使用して好適な強
誘電体薄膜およびその製造方法並びに製造装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered crystal structure, a method of manufacturing the same, and a manufacturing apparatus therefor.
The present invention relates to a ferroelectric thin film suitable for use in a ferroelectric device such as a display, a method of manufacturing the same, and a manufacturing apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、成膜技術の進歩に伴い、強誘電体
薄膜を用いた不揮発性メモリセルの応用研究が盛んに進
められている。この不揮発性メモリセルは、強誘電体薄
膜の高速な分極反転とその残留分極を利用することによ
り高速書き換えが可能な不揮発性ランダムアクセスメモ
リ(Ferroelectric Random Access Memories;FeRA
M)セルである。このようなメモリを構成する材料とし
て、ビスマス系層状結晶構造酸化物が挙げられる。この
ビスマス系層状結晶構造酸化物は、従来使用されてきた
PZT(構造式がPbZr1-x Tix 3 である化合
物)系材料の最大のデメリットであったファティーグ現
象、すなわち書き換えの繰り返しによる残留分極の低下
がみられないことから注目を集めている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the progress of film forming technology, application research on nonvolatile memory cells using ferroelectric thin films has been actively pursued. This non-volatile memory cell is a non-volatile random access memory (Ferroelectric Random Access Memories; FeRA) capable of high-speed rewriting by utilizing high-speed polarization inversion of a ferroelectric thin film and its residual polarization.
M) cell. As a material constituting such a memory, a bismuth-based layered crystal structure oxide can be given. The bismuth-based layered crystal structure oxide of the biggest disadvantages in which was fatigue phenomena conventionally used in have PZT (structural formula is PbZr 1-x Ti x O 3 compound) material, ie the residual due to repeated rewriting It attracts attention because no decrease in polarization is observed.

【0003】このような強誘電体材料を電子デバイスへ
応用するには、その薄膜化技術の開発が不可欠であり、
更に、強誘電体のバルク特性を薄膜形態において達成す
ることが求められる。従って、薄膜形態において所望す
る化学量論比,結晶性,結晶構造および結晶配向性など
の各種特性を実現することが可能な薄膜堆積法を用いる
ことが必要となる。現在、これらの材料を用いた強誘電
体薄膜は、MOD(Metal Organic Decomposition) 法や
ゾル・ゲル法などのスピンコートによる方法により得ら
れており、良好な強誘電特性を示している。スピンコー
ト法は、スループットが高く、組成制御に優れており、
かつ、真空装置を必要としないので製造装置のコストが
安いという利点もある。
In order to apply such a ferroelectric material to an electronic device, it is essential to develop a thin film technology.
Further, it is required to achieve the bulk characteristics of the ferroelectric in a thin film form. Therefore, it is necessary to use a thin film deposition method capable of realizing various characteristics such as a desired stoichiometric ratio, crystallinity, crystal structure and crystal orientation in a thin film form. At present, ferroelectric thin films using these materials are obtained by spin coating methods such as MOD (Metal Organic Decomposition) method and sol-gel method, and exhibit good ferroelectric properties. The spin coating method has high throughput and excellent composition control,
In addition, there is an advantage that the cost of the manufacturing apparatus is low because a vacuum device is not required.

【0004】しかし、この方法は、薄膜製造プロセスに
おいてパーティクルの発生や汚染などの問題があり、ま
た、段差被覆性に劣るため、現状のシリコンデバイス作
製プロセスとの整合性が悪いという問題もあった。
[0004] However, this method has problems such as generation of particles and contamination in the thin film manufacturing process, and also has a problem that it has poor compatibility with the current silicon device manufacturing process due to poor step coverage. .

【0005】そこで、これらの材料を将来の高集積度の
メモリに適用するために、微細化に対応した段差被覆
性,膜質,均一性,パーティクル発生防止および処理速
度などに優れた化学気相成長法、すなわち、CVD(Ch
emical Vapor Deposition)法の開発が強く望まれてい
る。現在、ビスマス系層状結晶構造の強誘電体薄膜のC
VD法を用いた作製方法に関する報告は極めて少なく、
ビスマス系層状結晶構造の強誘電体の一つであるSrB
2 Ta2 9 薄膜のCVD法による形成について、
S.B.Desuら(Applied Physics Letters Vol.6
8,(5)1996,pp.616)や、網ら(T.Ami et al,MRS Symposi
um Proceedings Vol.415(1996)p.195-200)により報告
されているのみで、他には殆どなされていない。
Therefore, in order to apply these materials to memories of high integration in the future, chemical vapor deposition excellent in step coverage, film quality, uniformity, prevention of particle generation, processing speed and the like corresponding to miniaturization. Method, namely, CVD (Ch
The development of the emical vapor deposition method is strongly desired. At present, the bismuth-based layered crystal structure of ferroelectric thin film C
There are very few reports on fabrication methods using the VD method.
SrB, one of the ferroelectrics having a bismuth-based layered crystal structure
Regarding the formation of the i 2 Ta 2 O 9 thin film by the CVD method,
S. B. Desu et al. (Applied Physics Letters Vol.6
8, (5) 1996, pp. 616) and T. Ami et al, MRS Symposi
um Proceedings Vol. 415 (1996) p. 195-200), but little else.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、S.
B.Desuらの研究によるものは、強誘電体薄膜の分
極状態の指標となる残留分極値が2Pr=8.3μC/
cm2 であり、スピンコート法により作製された薄膜に
おいて通常得られている値(2Pr=15〜25μC/
cm2 )に比べると遥かに小さい。また、成膜速度は3
nm/minであり、実用レベル(10〜20nm/m
in)にはほど遠い。また、網らによるものは、成膜速
度が15〜20nm/minであり、実用レベルに耐え
得る値となっているが、残留分極値が2Pr=10〜1
1μC/cm2 であり、スピンコート法による薄膜にお
いて通常得られている値よりも小さい。
However, the S.P.
B. According to the study of Desu et al., The remanent polarization value which is an index of the polarization state of the ferroelectric thin film is 2Pr = 8.3 μC /
cm 2 , which is a value normally obtained for a thin film formed by a spin coating method (2Pr = 15 to 25 μC /
cm 2 ). The deposition rate is 3
nm / min, which is a practical level (10 to 20 nm / m
in). Further, the method by nets has a film formation rate of 15 to 20 nm / min, which is a value that can withstand a practical level, but the remanent polarization value is 2 Pr = 10 to 1
It is 1 μC / cm 2 , which is smaller than a value usually obtained in a thin film formed by spin coating.

【0007】このようにCVD法により作製されたビス
マス系層状結晶構造の強誘電体薄膜において十分な残留
分極特性が得られていない主な要因は、残留分極特性を
十分に得られる薄膜の最適組成が把握されていないこと
である。すなわち、例えば、ビスマス系層状結晶構造強
誘電体の一つであるストロンチウム(Sr),ビスマス
(Bi),タンタル(Ta)および酸素(O)からなる
酸化物においては、良好な残留分極特性を与える膜組成
の範囲が限られており、その最適組成は化学量論組成
(SrBi2 Ta2 9 )以外の組成の範囲であると考
えられている。
The main reason why sufficient remanent polarization characteristics cannot be obtained in a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered crystal structure manufactured by the CVD method is that the optimum composition of a thin film capable of sufficiently obtaining remanent polarization characteristics is obtained. Is not grasped. That is, for example, an oxide composed of strontium (Sr), bismuth (Bi), tantalum (Ta), and oxygen (O), which is one of the bismuth-based layered crystal structure ferroelectrics, provides good remanent polarization characteristics. The range of the film composition is limited, and the optimum composition is considered to be a composition range other than the stoichiometric composition (SrBi 2 Ta 2 O 9 ).

【0008】また、上述の最適組成をCVD法により実
現させる場合、その最適組成を実現させる精密な組成制
御技術が必要となる。しかしながら、ストロンチウム,
ビスマス,およびタンタルの3種の原料ガスの混合を制
御し、薄膜中の構成比率を自在に変化させることは極め
て難しい。組成制御を困難にする要因の1つは、ビスマ
ス系層状結晶構造の強誘電体を構成する元素を与える有
機金属原料の蒸気圧が低いことである。例えば、化学量
論組成のSrBi2 Ta2 9 を構成する典型的な有機
金属原料であるストロンチウムテトラメチルヘプタンジ
オン(Sr(C1120O)2 )およびトリフェニルビス
マス(Bi(C6 5 3 )は常温で固体であり、タン
タルエトキシド(Ta(OC2 5 5 )は常温で液体
である。従って、これらを気化させて反応室に送るため
には、1〜10Torrの減圧下においても、ストロン
チウムテトラメチルヘプタンジオンについては200〜
250℃、トリフェニルビスマスおよびタンタルエトキ
シドについては100〜150℃の範囲の温度で加熱す
ることが必要である。有機金属原料を長時間にわたって
このような高温下に曝すと、一部が分解・反応し、反応
室へのガス供給量に変動をきたし、その結果、組成の変
動および各操作毎の再現性の低下につながる。更に、組
成制御を困難にする他の要因は、CVD法により形成し
た薄膜を結晶化させるために700〜800℃の温度で
熱処理を施すと、揮発性の高い酸化ビスマス(Bi2
3 )が揮発したり、あるいは金属として膜中に残存する
ビスマスが熱処理により拡散するために膜組成が変化す
ることである。
Further, when the above-mentioned optimum composition is realized by the CVD method, a precise composition control technique for realizing the optimum composition is required. However, strontium,
It is extremely difficult to control the mixing of the three types of source gases, bismuth and tantalum, to freely change the composition ratio in the thin film. One of the factors that makes it difficult to control the composition is the low vapor pressure of the organometallic raw material that provides the element constituting the ferroelectric having the bismuth-based layered crystal structure. For example, strontium tetramethylheptanedione (Sr (C 11 H 20 O) 2 ) and triphenylbismuth (Bi (C 6 H) which are typical organometallic raw materials constituting SrBi 2 Ta 2 O 9 having a stoichiometric composition. 5 ) 3 ) is solid at room temperature, and tantalum ethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) is liquid at room temperature. Therefore, in order to evaporate these and send them to the reaction chamber, strontium tetramethylheptanedione can be 200 to 200 Torr even under a reduced pressure of 1 to 10 Torr.
It is necessary to heat at 250 ° C., a temperature in the range of 100-150 ° C. for triphenylbismuth and tantalum ethoxide. Exposure of organometallic raw materials to such high temperatures for a long period of time causes some decomposition and reaction, resulting in fluctuations in the gas supply to the reaction chamber, resulting in fluctuations in composition and reproducibility for each operation. Leads to a decline. Another factor that makes it difficult to control the composition is that when heat treatment is performed at a temperature of 700 to 800 ° C. in order to crystallize a thin film formed by a CVD method, bismuth oxide (Bi 2 O) having high volatility is obtained.
3 ) volatilization, or change in film composition due to diffusion of bismuth remaining in the film as a metal by heat treatment.

【0009】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第1の目的は、良好な残留分極特性が得られ
る最適な組成範囲を有すると共に信頼性の高いビスマス
系層状結晶構造を有する強誘電体薄膜を提供することに
ある。
The present invention has been made in view of the above problems, and a first object of the present invention is to provide a bismuth-based layered crystal structure having an optimum composition range for obtaining good remanent polarization characteristics and a high reliability. An object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film.

【0010】本発明の第2の目的は、気化工程および熱
処理工程において高温の熱処理を施した場合においても
精密にかつ再現性良く、最適組成のビスマス系層状結晶
構造の強誘電体薄膜を製造することができる強誘電体薄
膜の製造方法および製造装置を提供することにある。
A second object of the present invention is to produce a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered crystal structure with an optimum composition precisely and with good reproducibility even when a high-temperature heat treatment is performed in a vaporization step and a heat treatment step. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for manufacturing a ferroelectric thin film that can be used.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明による強誘電体薄
膜は、ストロンチウム(Sr)とビスマス(Bi)とタ
ンタル(Ta)およびニオブ(Nb)のうちの少なくと
もタンタルと酸素(O)とを含む層状結晶構造であり、
組成式を、Srx Biy Ta2 9 ±d もしくはSrx
Biy (Ta,Nb)2 9 ±d (但し、0.60≦x
<1.00、2.00<y≦2.50,0≦d≦1.0
0)とするものである。
The ferroelectric thin film according to the present invention contains strontium (Sr), bismuth (Bi), tantalum (Ta), and at least tantalum of niobium (Nb) and oxygen (O). A layered crystal structure,
The composition formula is represented by Sr x Bi y Ta 2 O 9 ± d or Sr x
Bi y (Ta, Nb) 2 O 9 ± d (where 0.60 ≦ x
<1.00, 2.00 <y ≦ 2.50, 0 ≦ d ≦ 1.0
0).

【0012】本発明による強誘電体薄膜の製造方法は、
少なくともストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)
およびタンタル(Ta)の各成分を含む液状の有機金属
前駆体を気化室で気化させる気化工程と、気化された有
機金属前駆体を含むキャリアガスと酸素ガスとを所定の
割合で混合させるガス混合工程と、混合された有機金属
前駆体を含むキャリアガスと酸素ガスとを所定の圧力範
囲の反応室内において反応させて分解し、所定の温度範
囲で加熱された基板上に堆積させることにより酸化物薄
膜を形成する薄膜形成工程と、基板上に形成された酸化
物薄膜に所定の温度範囲の熱処理を施し組成制御を含む
結晶化を行うことにより所望のビスマス層状構造の強誘
電体薄膜を形成する熱処理工程とを含むものである。こ
の方法の各工程における好ましい条件は、気化工程にお
いては、気化室の温度を180〜240℃の範囲とし、
ガス混合工程においては、キャリアガスとしてアルゴン
(Ar)および乾燥窒素(N2 ) のいずれか少なくとも
1種を用いると共に、気化された有機金属前駆体を含む
キャリアガスに対する酸素ガスの混合比(酸素/キャリ
アガス)を30〜70%の範囲とする。また、薄膜形成
工程においては、基板の温度を400〜700℃の範囲
とし、反応室内の圧力を5〜12Torr、より好まし
くは7〜10Torrの範囲とする。更に、熱処理工程
においては、酸化物薄膜を600〜800℃の範囲の温
度で熱処理することが望ましい。
The method for producing a ferroelectric thin film according to the present invention comprises:
At least strontium (Sr), bismuth (Bi)
Vaporizing step of vaporizing a liquid organometallic precursor containing each component of tantalum (Ta) and tantalum (Ta) in a vaporization chamber, and gas mixing for mixing a carrier gas containing the vaporized organometallic precursor and oxygen gas at a predetermined ratio. Process, a carrier gas containing a mixed organometallic precursor and an oxygen gas are reacted in a reaction chamber within a predetermined pressure range to decompose and deposit on a substrate heated at a predetermined temperature range to form an oxide. A thin film forming step of forming a thin film, and a ferroelectric thin film having a desired bismuth layer structure is formed by subjecting an oxide thin film formed on a substrate to heat treatment in a predetermined temperature range and performing crystallization including composition control. And a heat treatment step. Preferred conditions in each step of this method are as follows: in the vaporization step, the temperature of the vaporization chamber is in the range of 180 to 240 ° C.
In the gas mixing step, at least one of argon (Ar) and dry nitrogen (N 2 ) is used as a carrier gas, and a mixing ratio of oxygen gas (oxygen / oxygen) to a carrier gas containing a vaporized organometallic precursor is used. Carrier gas) in the range of 30 to 70%. In the thin film forming step, the temperature of the substrate is set in a range of 400 to 700 ° C., and the pressure in the reaction chamber is set in a range of 5 to 12 Torr, more preferably, 7 to 10 Torr. Further, in the heat treatment step, it is desirable to heat-treat the oxide thin film at a temperature in the range of 600 to 800 ° C.

【0013】本発明による強誘電体薄膜の製造装置は、
有機金属前駆体ガスを含むキャリアガスと酸素ガスとの
混合領域を膜組成に応じて基板上の所定の範囲、好まし
くは基板上の13〜33cmの範囲の領域とするもので
ある。
An apparatus for producing a ferroelectric thin film according to the present invention comprises:
The mixed region of the carrier gas containing the organometallic precursor gas and the oxygen gas is set to a predetermined range on the substrate according to the film composition, preferably a region of 13 to 33 cm on the substrate.

【0014】本発明による強誘電体薄膜では、膜組成を
上記の範囲としたことにより、従来の強誘電体薄膜より
優れた残留分極特性を有している。
The ferroelectric thin film according to the present invention has better remanent polarization characteristics than the conventional ferroelectric thin film by setting the film composition in the above range.

【0015】本発明による強誘電体薄膜の製造方法で
は、少なくともストロンチウム,ビスマスおよびタンタ
ルの3種の原料ガスの混合比を精密に制御することが可
能になり、優れた強誘電性を示す最適組成の薄膜が再現
性よく製造される。
In the method for producing a ferroelectric thin film according to the present invention, it is possible to precisely control the mixing ratio of at least three source gases of strontium, bismuth and tantalum, and to obtain an optimum composition exhibiting excellent ferroelectricity. Is produced with good reproducibility.

【0016】本発明による強誘電体薄膜の製造装置で
は、有機金属前駆体ガスと酸素ガスとの混合領域を膜組
成に応じて基板上の所定の範囲、特に基板上の13〜3
3cmの範囲の領域とすることにより、最適組成の強誘
電体薄膜の製造が可能になる。
In the apparatus for manufacturing a ferroelectric thin film according to the present invention, the mixed region of the organometallic precursor gas and the oxygen gas is set to a predetermined range on the substrate according to the film composition, particularly 13 to 3 on the substrate.
By setting the area in the range of 3 cm, a ferroelectric thin film having an optimum composition can be manufactured.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0018】本実施の形態に係る強誘電体薄膜はストロ
ンチウムとビスマスとタンタルと酸素とを含む層状結晶
構造酸化物であり、この強誘電体薄膜の組成式は、Sr
x Biy Ta2 9 ±d で表される。なお、タンタルサ
イトの一部がニオブにより置換されていてもよく、その
場合の組成式はSrx Biy (Ta,Nb)2 9 ±d
で表される。この強誘電体薄膜は、[Bi2 2 2+
らなる層と、[SrTa2 7 2-もしくは[Sr(T
a,Nb)2 7 2-からなる層とが交互に積層された
結晶構造を有している。
The ferroelectric thin film according to the present embodiment is a layered crystal structure oxide containing strontium, bismuth, tantalum and oxygen, and the composition formula of this ferroelectric thin film is Sr
x Bi y Ta 2 O 9 ± d Note that a part of the tantalum site may be replaced by niobium. In this case, the composition formula is Sr x Bi y (Ta, Nb) 2 O 9 ± d.
It is represented by This ferroelectric thin film includes a layer composed of [Bi 2 O 2 ] 2+ and [SrTa 2 O 7 ] 2− or [Sr (Tr
a, Nb) 2 O 7 ] 2- layers.

【0019】ここで、組成式におけるx,yの値は、本
実施の形態では後述の理由(図8参照)からそれぞれ以
下の範囲とする。 0.60≦x<1.00、2.00<y≦2.50、0
≦d≦1.00
Here, in the present embodiment, the values of x and y in the present embodiment are in the following ranges for the reasons described later (see FIG. 8). 0.60 ≦ x <1.00, 2.00 <y ≦ 2.50, 0
≦ d ≦ 1.00

【0020】より好ましくは、それぞれ以下の範囲であ
る。 0.70≦x≦0.90,2.10≦y≦2.40
More preferably, the respective ranges are as follows. 0.70 ≦ x ≦ 0.90, 2.10 ≦ y ≦ 2.40

【0021】本実施の形態の強誘電体薄膜は化学量論組
成にはなっておらず、ストロンチウムが不足しビスマス
が過剰の状態となっており、その結果良好な残留分極特
性を有するものとなっている。これは、ストロンチウム
とビスマスの一部の置換によって得られた結晶構造に影
響されているものと考えられる。
The ferroelectric thin film of the present embodiment does not have a stoichiometric composition, is in a state where strontium is insufficient and bismuth is excessive, and as a result, has a good remanent polarization characteristic. ing. This is considered to be affected by the crystal structure obtained by partial substitution of strontium and bismuth.

【0022】以下、このような組成の強誘電体薄膜の製
造方法について説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing a ferroelectric thin film having such a composition will be described.

【0023】ここでは、薄膜形成用の基板として、例え
ばFeRAMの下部電極として用いられるシリコン基板
(Si/SiO2 )上にチタン(Ti)膜および白金
(Pt)膜を順次スパッタリング法により形成したもの
を用い、この基板上に上記組成の誘電体薄膜を形成する
方法について説明する。
Here, as a substrate for forming a thin film, for example, a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film are sequentially formed on a silicon substrate (Si / SiO 2 ) used as a lower electrode of FeRAM by a sputtering method. A method of forming a dielectric thin film having the above composition on this substrate will be described.

【0024】まず、具体的な方法の説明に先立ち、ビス
マス系層状構造の強誘電体薄膜を製造するためのフラッ
シュ−MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Depo
sition) 装置について説明する。
First, prior to the description of a specific method, a flash-MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Depo) for producing a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered structure will be described.
sition) The device will be described.

【0025】図1はこのフラッシュ−MOCVD装置の
概略構成を表すものである。このMOCVD装置は、液
状の有機金属前駆体(有機金属原料)を気体として供給
するための液体原料供給装置10と、この液体原料供給
装置10から供給される有機金属前駆体ガスを含むキャ
リアガスと酸素ガス(O2 )とを混合するためのガス混
合部20と、このガス混合部20により混合されたガス
を反応させて熱分解し、基板31上に酸化物薄膜を形成
させるための反応室30と、この反応室30内をポンプ
41により真空排気するための真空排気装置40とを備
えている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of the flash-MOCVD apparatus. The MOCVD apparatus includes a liquid source supply device 10 for supplying a liquid organometallic precursor (organic metal source) as a gas, a carrier gas containing an organometallic precursor gas supplied from the liquid source supply device 10, A gas mixing section 20 for mixing oxygen gas (O 2 ) with a gas mixed by the gas mixing section 20 to react and thermally decompose to form an oxide thin film on the substrate 31 30 and a vacuum exhaust device 40 for evacuating the inside of the reaction chamber 30 by a pump 41.

【0026】液体原料供給装置10は所定の溶媒に溶解
して液状の状態に保たれた有機金属前駆体をフラッシュ
気化方式により気化させるものである。すなわち、この
液体原料供給装置10は、ビスマス(Bi)を含む液状
の有機金属前駆体を収容した容器11、ストロンチウム
(Sr)を含む液状の有機金属前駆体を収容した容器1
2およびタンタル(Ta)を含む液状の有機金属前駆体
を収容した容器13をそれぞれ備えている。容器11〜
13には、それぞれストロンチウム(Sr)、ビスマス
(Bi)およびタンタル(Ta)の各成分を含む有機金
属前駆体が収容されている。
The liquid raw material supply device 10 vaporizes the organometallic precursor dissolved in a predetermined solvent and kept in a liquid state by a flash vaporization method. That is, the liquid material supply device 10 includes a container 11 containing a liquid organometallic precursor containing bismuth (Bi) and a container 1 containing a liquid organometallic precursor containing strontium (Sr).
2 and containers 13 each containing a liquid organometallic precursor containing tantalum (Ta). Container 11-
13 contains an organometallic precursor containing strontium (Sr), bismuth (Bi) and tantalum (Ta) components, respectively.

【0027】有機金属前駆体としては、例えば、ストロ
ンチウム(Sr)成分に対して、Sr−テトラメチルヘ
プタンジオン(Sr(C1120O)2 )にテトラグリム
(CH3 OCH2 CH2 OCH3 )のアダクト(additi
on product; 付加生成物)が付加した化合物を用い、ビ
スマス(Bi)成分に対して、トリフェニルビスマス
(Bi(C6 5 3 )を用い、タンタル(Ta)成分
に対して、Taーイソプロポキシドのアルコキシ基の一
部がテトラメチルヘプタンジオンにより置換されている
化合物(Ta(O−iC3 7 4 (C1120O)2
を用いる。これら容器11〜13に収容された液状の有
機金属前駆体は液体ポンプ(図示せず)によってキャリ
アガス(例えばアルゴン(Ar))と共に圧送され、電
気的に精密に制御された液体混合バルブ(ミキシングマ
ニホールド)14により所定の比率に混合されるように
なっている。液体原料供給装置10はフラッシュ気化方
式の気化室15を備え、この気化室15において液体混
合バルブ14で混合された液状の有機金属前駆体を所定
の温度(180〜240℃)で加熱し、多孔質金属フリ
ット(図示せず)上で気化(フラッシュ気化)させるよ
うになっている。
Examples of the organometallic precursor include, for example, strontium (Sr) component and tetraglyme (CH 3 OCH 2 CH 2 OCH 3 ) in Sr-tetramethylheptanedione (Sr (C 11 H 20 O) 2 ). ) Of the adduct
on product (addition product), using triphenylbismuth (Bi (C 6 H 5 ) 3 ) for the bismuth (Bi) component and Ta-based for the tantalum (Ta) component. some alkoxy groups isopropoxide compound substituted by tetramethylheptanedione (Ta (O-iC 3 H 7) 4 (C 11 H 20 O) 2)
Is used. The liquid organometallic precursors contained in these containers 11 to 13 are pumped together with a carrier gas (for example, argon (Ar)) by a liquid pump (not shown), and are electrically and precisely controlled by a liquid mixing valve (mixing). The mixture is mixed at a predetermined ratio by the manifold (14). The liquid raw material supply device 10 includes a flash vaporization type vaporization chamber 15, in which the liquid organometallic precursor mixed by the liquid mixing valve 14 is heated at a predetermined temperature (180 to 240 ° C.). (Flash vaporization) on a high quality metal frit (not shown).

【0028】ガス混合部20は反応室30の前段すなわ
ち反応室30の上部に設置されている。このガス混合部
20は直径3cmの円筒状に形成されており、その上面
には図2に示したように気化された有機金属前駆体を含
むキャリアガスが流入するための有機金属流入口21が
設けられると共に側面に酸素 (O2)ガスを供給するため
の酸素流入口22が設けられている。ガス混合部20の
下端部は反応室30の天井面に連通している。反応室3
0の内部にはガス混合部20に対向してシャワーノズル
32が設置されている。反応室30内のシャワーノズル
32の下部位置には基板31が配設されており、この基
板31はヒータ33により所定の温度(400〜700
℃)で加熱されるようになっている。
The gas mixing section 20 is provided at a stage before the reaction chamber 30, that is, above the reaction chamber 30. The gas mixing section 20 is formed in a cylindrical shape having a diameter of 3 cm, and an organic metal inflow port 21 through which a carrier gas containing a vaporized organometallic precursor flows in as shown in FIG. An oxygen inlet 22 for supplying oxygen (O 2 ) gas is provided on the side surface. The lower end of the gas mixing section 20 communicates with the ceiling of the reaction chamber 30. Reaction chamber 3
A shower nozzle 32 is installed inside the chamber 0 so as to face the gas mixing section 20. A substrate 31 is disposed below the shower nozzle 32 in the reaction chamber 30, and the substrate 31 is heated to a predetermined temperature (400 to 700
° C).

【0029】ガス混合部20における混合過程は所望の
膜組成および均質かつ均一な成膜を実現するために重要
であり、特に、基板31とその上のガス混合領域との関
係が重要である。2種類のガスが衝突する位置、すなわ
ち有機金属流入口21の延長線と酸素ガス流入口22の
延長線とが直交する点から基板31までの距離を混合距
離Lとすると、この混合距離Lは13〜33cmの範囲
であることが望ましい。なお、本実施の形態では基板3
1とシャワーノズル32との間の距離は例えば3cmで
ある。混合距離Lが13cm未満のときは混合ガスの気
相反応が十分に進まず、膜中のビスマス濃度が所望の値
より低くなる。一方、ガス混合部20内での有機金属前
駆体ガスと酸素ガスとの混合距離が33cmを越える場
合には気相反応が過度に進み、気相核生成反応が起こ
り、その結果パーティクル発生を引き起こす。
The mixing process in the gas mixing section 20 is important for achieving a desired film composition and a uniform and uniform film formation, and particularly the relationship between the substrate 31 and the gas mixing region thereon. Assuming that a distance from the position where the two types of gases collide, that is, a point where the extension line of the organometallic inlet 21 and the extension line of the oxygen gas inlet 22 are orthogonal to the substrate 31 is the mixing distance L, the mixing distance L is It is desirable to be in the range of 13 to 33 cm. In the present embodiment, the substrate 3
The distance between 1 and the shower nozzle 32 is, for example, 3 cm. When the mixing distance L is less than 13 cm, the gas phase reaction of the mixed gas does not sufficiently proceed, and the bismuth concentration in the film becomes lower than a desired value. On the other hand, when the mixing distance between the organometallic precursor gas and the oxygen gas in the gas mixing section 20 exceeds 33 cm, the gas phase reaction proceeds excessively, causing a gas phase nucleation reaction and, as a result, generating particles. .

【0030】次に、本実施の形態のビスマス系層状構造
の強誘電体薄膜の製造方法について具体的に説明する。
この強誘電体薄膜は、ストロンチウム(Sr)、ビスマ
ス(Bi)およびタンタル(Ta)の各成分を含む液状
の有機金属前駆体を気化室で気化させる気化工程(A)
と、気化された有機金属前駆体を含むキャリアガスと酸
素ガスとを混合させるガス混合工程(B)と、混合され
た有機金属前駆体を含むキャリアガスと酸素ガスとを所
定の圧力の反応室内において反応させて分解し、基板上
に堆積させて酸化物薄膜を形成する薄膜形成工程(C)
と、基板上に形成された酸化物薄膜に熱処理を施して組
成制御を行うことにより所望のビスマス層状構造の強誘
電体薄膜を形成する熱処理工程(D)とを経て形成され
る。
Next, a method of manufacturing a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered structure according to the present embodiment will be specifically described.
The ferroelectric thin film is formed by vaporizing a liquid organometallic precursor containing strontium (Sr), bismuth (Bi) and tantalum (Ta) in a vaporization chamber (A).
A gas mixing step (B) of mixing a carrier gas containing a vaporized organometallic precursor and oxygen gas; and a reaction chamber having a predetermined pressure by mixing the carrier gas containing the mixed organometallic precursor and oxygen gas. A thin film forming step of forming an oxide thin film by reacting and decomposing in step (1) and depositing it on a substrate (C)
And a heat treatment step (D) of forming a desired ferroelectric thin film having a bismuth layered structure by subjecting the oxide thin film formed on the substrate to heat treatment to control the composition.

【0031】まず、気化工程(A)においては、液体原
料供給装置10内の容器11〜13に収容された液状の
有機金属前駆体はそれぞれ図示しない液体ポンプにより
キャリアガスと共に圧送される。その途上、各有機金属
前駆体は電気的に精密に制御された液体混合バルブ14
により所定の比率に混合される。そののち、混合された
溶液は気化室15へ送られ、所定の温度(180〜24
0℃)で加熱されることにより多孔質金属フリット上で
気化(フラッシュ気化)される。
First, in the vaporization step (A), the liquid organometallic precursors contained in the containers 11 to 13 in the liquid raw material supply device 10 are each pressure-fed together with a carrier gas by a liquid pump (not shown). On the way, each organometallic precursor is a liquid mixing valve 14 which is electrically controlled precisely.
Is mixed at a predetermined ratio. After that, the mixed solution is sent to the vaporization chamber 15 and has a predetermined temperature (180 to 24).
(0 ° C.) to vaporize (flash vaporize) on the porous metal frit.

【0032】この気化された有機金属ガスはガス混合工
程(B)へ移行する。すなわち、有機金属ガスはキャリ
アガスと共に有機金属流入口21を介してガス混合部2
0へ送り込まれる。ガス混合部20には酸素流入口22
を介して酸素ガスが供給されており、この酸素ガスと有
機金属ガスを含むキャリアガスとが混合される。前述の
ようにガス混合部20内における混合過程は非常に重要
である。すなわち、3種の有機金属原料の中で、特にビ
スマスを含むトリフェニルビスマスは気相での酸素との
反応を経て基板表面にビスマス酸化物を生成するため、
所望の均質かつ均一な膜組成を有する薄膜を得るために
は、ガス混合部20中での有機金属原料ガスを含むキャ
リアガスと酸素との気相反応の割合を精密に制御するこ
とが重要である。具体的には、キャリアガスを含む有機
金属原料ガスの酸素ガスに対する割合が30〜80%、
好ましくは40〜60%であり、ここでは、例えばキャ
リアガスを含む有機金属原料ガスの流量および酸素ガス
の流量共に500cc/minとする。
The vaporized organometallic gas proceeds to the gas mixing step (B). That is, the organometallic gas is supplied to the gas mixing section 2 through the organometallic inlet 21 together with the carrier gas.
It is sent to 0. An oxygen inlet 22 is provided in the gas mixing section 20.
The oxygen gas is supplied through the, and the oxygen gas and the carrier gas containing the organic metal gas are mixed. As described above, the mixing process in the gas mixing section 20 is very important. That is, among the three kinds of organometallic materials, particularly, triphenylbismuth containing bismuth generates a bismuth oxide on the substrate surface through a reaction with oxygen in a gas phase.
In order to obtain a thin film having a desired uniform and uniform film composition, it is important to precisely control the rate of a gas phase reaction between oxygen and a carrier gas containing an organometallic raw material gas in the gas mixing section 20. is there. Specifically, the ratio of the organic metal source gas including the carrier gas to the oxygen gas is 30 to 80%,
Preferably, it is 40 to 60%. Here, for example, both the flow rate of the organic metal source gas including the carrier gas and the flow rate of the oxygen gas are set to 500 cc / min.

【0033】なお、各有機金属原料の混合比について
は、試作した薄膜の組成に関してEPMA(電子プロー
ブマイクロアナリシス)やXRF(蛍光X線分析)等を
行い、混合比と目的の組成とを比較して、それをもとに
混合比を調節することにより所望の組成を得ることがで
きる。
As for the mixing ratio of each organometallic raw material, EPMA (Electron Probe Micro Analysis), XRF (X-ray Fluorescence Analysis) and the like are performed on the composition of the thin film produced as a trial, and the mixing ratio is compared with the target composition. Thus, a desired composition can be obtained by adjusting the mixing ratio based on this.

【0034】混合された有機金属原料ガスと酸素ガスは
キャリアガスと共にガス混合部20からシャワーノズル
32を介して真空排気された反応室30へ送り込まれ、
薄膜形成工程(C)へ移行する。薄膜形成工程(C)に
おいては、有機金属原料ガスと酸素ガスが反応し、その
反応物が基板31上に堆積し、酸化物薄膜が形成され
る。
The mixed organometallic raw material gas and oxygen gas are sent together with the carrier gas from the gas mixing section 20 through the shower nozzle 32 to the evacuated reaction chamber 30,
The process proceeds to the thin film forming step (C). In the thin film forming step (C), the organometallic raw material gas and the oxygen gas react with each other, and the reactant deposits on the substrate 31 to form an oxide thin film.

【0035】更に、この酸化物薄膜は熱処理工程(D)
へ移行する。すなわち、反応室30、または図示しない
加熱室において、酸化性雰囲気中で、かつ600〜80
0℃の範囲内の温度で熱処理され、その結果ビスマス系
層状構造の強誘電体Srx Biy Ta2 9 ±d (0.
60≦x<1.00、2.00<y≦2.50、0≦d
≦1.00)を主たる相とする薄膜結晶となる。なお、
好ましくは800℃で1時間、常圧の酸素気流中にて熱
処理を行う。
Further, this oxide thin film is subjected to a heat treatment step (D).
Move to. That is, in the reaction chamber 30 or a heating chamber (not shown), in an oxidizing atmosphere,
Heat treated at a temperature in the range of 0 ° C., ferroelectric resulting bismuth-based layered structure Sr x Bi y Ta 2 O 9 ± d (0.
60 ≦ x <1.00, 2.00 <y ≦ 2.50, 0 ≦ d
≦ 1.00) as the main phase. In addition,
The heat treatment is preferably performed at 800 ° C. for 1 hour in a normal pressure oxygen stream.

【0036】そののち、このようにして得られたSrx
Biy Ta2 9 ±d を主たる相とする薄膜結晶につい
て、X線回折による同定分析を行った。なお、得られた
薄膜結晶のX線回折パターンと比較するために成膜直後
の熱処理前の薄膜についてもX線回折による同定分析を
行った。図3は熱処理前のX線回折パターン、図4は熱
処理後のX線回折パターンをそれぞれ表すものである。
図3および図4より酸化性雰囲気中における熱処理によ
り結晶化が起こり、ビスマス系層状結晶構造の強誘電体
が生成されたことが分かる。
Thereafter, the thus obtained Sr x
Identification analysis by X-ray diffraction was performed on the thin film crystal having Bi y Ta 2 O 9 ± d as a main phase. In addition, in order to compare with the X-ray diffraction pattern of the obtained thin film crystal, the thin film immediately after the film formation and before the heat treatment was also subjected to identification analysis by X-ray diffraction. FIG. 3 shows the X-ray diffraction pattern before the heat treatment, and FIG. 4 shows the X-ray diffraction pattern after the heat treatment.
3 and 4 show that crystallization occurred by the heat treatment in the oxidizing atmosphere, and a ferroelectric having a bismuth-based layered crystal structure was generated.

【0037】次いで、下部電極としての基板31上に形
成されたビスマス層状結晶構造強誘電体Srx Biy
2 9 ±d を主たる相とする薄膜上に、膜厚200n
m程度の白金(Pt)薄膜からなる上部電極をスパッタ
リング法により形成し、強誘電体薄膜のヒステリシス特
性を測定し、残留分極値および抗電界を求め、薄膜の特
性評価を行った。図5は印加電圧を2〜10Vまで変化
させて、それぞれヒステリシスを観測したときの強誘電
性ヒステリシスを表す特性図である。印加電圧が3〜4
Vにおいて、すでにヒステリシス曲線は飽和しており、
残留分極値,抗電界は、それぞれ、2Pr=21.3μ
C/cm2 およびEc=47.2KV/cm程度であ
る。これらの値は、いずれもスピンコート法により作製
された強誘電体膜と同程度であり、十分に実用レベルに
達している。
Next, a bismuth layered crystal structure ferroelectric Sr x Bi y T formed on a substrate 31 as a lower electrode
a 2 O 9 ± d on a thin film having a main phase of 200 n
An upper electrode made of a platinum (Pt) thin film of about m was formed by a sputtering method, the hysteresis characteristics of the ferroelectric thin film were measured, the remanent polarization value and the coercive electric field were obtained, and the thin film characteristics were evaluated. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the ferroelectric hysteresis when the applied voltage is changed from 2 to 10 V and the hysteresis is observed. Applied voltage is 3-4
At V, the hysteresis curve is already saturated,
The remanent polarization value and coercive electric field were 2Pr = 21.3 μ, respectively.
C / cm 2 and Ec = about 47.2 KV / cm. These values are almost the same as those of the ferroelectric film produced by the spin coating method, and have sufficiently reached the practical level.

【0038】このように本実施の形態では、フラッシュ
MOCVD法により薄膜酸化物を形成し、それに所定の
温度で熱処理を施すことにより、良好な特性を示すビス
マス層状結晶構造の強誘電体Srx Biy Ta2 9 ±
d の薄膜を形成することができる。そして、このフラッ
シュMOCVD法では、成膜時の基板温度,反応圧力お
よび酸素分圧を調節することにより、各元素の構成比率
を変化させることができる。
As described above, in this embodiment, a thin film oxide is formed by the flash MOCVD method, and is subjected to a heat treatment at a predetermined temperature, whereby the ferroelectric Sr x Bi having a bismuth layered crystal structure exhibiting good characteristics is obtained. y Ta 2 O 9 ±
d thin film can be formed. In the flash MOCVD method, the composition ratio of each element can be changed by adjusting the substrate temperature, reaction pressure, and oxygen partial pressure during film formation.

【0039】図6は、その一例として、反応室30にお
ける反応圧力が膜組成に及ぼす影響を表す特性図であ
る。図6において、横軸は圧力,縦軸は熱処理後の膜組
成をそれぞれ表しており、ビスマスの組成は2×Bi/
Ta、ストロンチウムの組成は2×Sr/Taで表され
ている。なお、膜組成の測定は、EPMA(電子プロー
ブマイクロアナライザ)を用いて行い、Sr1.0 Bi
2.4 Ta2.0 9.0 を標準試料として、定時計数法によ
りサンプル表面の任意の5点における各元素の特性X
線、すなわちSrLα,BiMα,TaMαおよびOK
αの強度を測定し、その平均値から求めた。また、EP
MAにはCAMEBAX SX−50を使用し、電子線
加速電圧,一次電子ビーム電流および電子線照射領域に
関する各測定条件は、それぞれ、5kV,60nAおよ
び100μm×100μmとした。図6から、反応圧力
が0.5〜12Torrの範囲内の値である場合には、
反応圧力が高いほどビスマスの混合比が大きくなり、特
に5Torr以上ではその傾向が顕著に現れていること
が分かる。また、ストロンチウムに関しても、その膜組
成は反応圧力に依存していることが分かる。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing, as an example, the effect of the reaction pressure in the reaction chamber 30 on the film composition. In FIG. 6, the horizontal axis represents the pressure, and the vertical axis represents the film composition after the heat treatment. The bismuth composition is 2 × Bi /
The composition of Ta and strontium is represented by 2 × Sr / Ta. The film composition was measured using an EPMA (Electron Probe Microanalyzer), and Sr 1.0 Bi
Using 2.4 Ta 2.0 O 9.0 as a standard sample, the characteristic X of each element at any five points on the sample surface by the constant clock method
Lines, SrLα, BiMα, TaMα and OK
The intensity of α was measured and determined from the average value. Also, EP
CAMBAX SX-50 was used for MA, and the measurement conditions for the electron beam acceleration voltage, the primary electron beam current, and the electron beam irradiation area were 5 kV, 60 nA, and 100 μm × 100 μm, respectively. From FIG. 6, when the reaction pressure is a value within the range of 0.5 to 12 Torr,
It can be seen that the higher the reaction pressure, the higher the mixing ratio of bismuth, especially at 5 Torr or higher. It is also found that the film composition of strontium also depends on the reaction pressure.

【0040】図7は、成膜時の基板温度,反応圧力およ
び酸素分圧などの成膜条件を調節して種々の薄膜を作製
した際の、それぞれの薄膜組成における残留分極値(2
Pr)を表したものである。図7から分かるように、薄
膜組成と残留分極値との間には明らかに相関関係があ
る。すなわち、より大きな残留分極値を得るためには、
熱処理後の膜組成が一定の範囲を満たすことが必要であ
り、その範囲から外れるにしたがって残留分極値は徐々
に小さくなる傾向がある。すなわち、図7からは、2P
r>10μC/cm2 を満たすためには、熱処理後の薄
膜組成が、前述のように0.60≦x<1.00および
2.00<y≦2.50となることが必要条件であるこ
とが分かる。更に、2Pr>15μC/cm2 を満たす
ためには、熱処理後の薄膜組成が、0.70≦x≦0.
90および2.10≦y≦2.40となることが必要条
件であることも分かる。
FIG. 7 shows the remanent polarization value (2) in each thin film composition when various thin films were produced by adjusting film forming conditions such as substrate temperature, reaction pressure and oxygen partial pressure during film formation.
Pr). As can be seen from FIG. 7, there is a clear correlation between the thin film composition and the remanent polarization value. That is, to obtain a larger remanent polarization value,
It is necessary that the film composition after the heat treatment satisfies a certain range, and the remanent polarization value tends to gradually decrease as the film composition deviates from the range. That is, from FIG.
In order to satisfy r> 10 μC / cm 2 , it is a necessary condition that the thin film composition after the heat treatment satisfies 0.60 ≦ x <1.00 and 2.00 <y ≦ 2.50 as described above. You can see that. Further, in order to satisfy 2Pr> 15 μC / cm 2 , the composition of the thin film after the heat treatment must be 0.70 ≦ x ≦ 0.
It can also be seen that the requirement is that 90 and 2.10 ≦ y ≦ 2.40.

【0041】このように本実施の形態に係る強誘電体薄
膜の製造方法では、成膜条件(基板温度,反応圧力およ
び酸素分圧)を調整するようにしたので、組成範囲を自
在に制御することができ、所望の残留分極特性を有する
組成式がSrx Biy Ta29 ±d である信頼性の高
いビスマス系層状結晶構造の強誘電体薄膜を再現性よく
作製することができる。よって、このビスマス層状結晶
構造の強誘電体薄膜を用いることによって、安定した特
性を有する信頼性の高い半導体メモリセルを製造するこ
とができる。
As described above, in the method of manufacturing a ferroelectric thin film according to the present embodiment, the film forming conditions (substrate temperature, reaction pressure and oxygen partial pressure) are adjusted, so that the composition range can be freely controlled. Thus, a highly reliable ferroelectric thin film having a bismuth-based layered crystal structure having a desired remanent polarization characteristic and a composition formula of Sr x Bi y Ta 2 O 9 ± d can be produced with good reproducibility. Therefore, by using the ferroelectric thin film having the bismuth layered crystal structure, a highly reliable semiconductor memory cell having stable characteristics can be manufactured.

【0042】なお、上記実施の形態では、有機金属前駆
体として、ストロンチウム(Sr)成分に対してSr−
テトラメチルヘプタンジオンにテトラグリムのアダクト
が付加した化合物を用い、ビスマス(Bi)成分に対し
てトリフェニルビスマスを用い、タンタル(Ta)成分
に対してTaーイソプロポキシドのアルコキシ基の一部
がテトラメチルヘプタンジオンにより置換されている化
合物を用いるようにしたが、その他、ストロンチウム
(Sr)成分に対しては、Sr−テトラメチルヘプタン
ジオンにテトラヒドロフランのアダクトが付加された化
合物を用い、ビスマス(Bi)成分に対して、トリフェ
ニルビスマスのフェニル基上にアルキル基,フッ素置換
アルキル基およびアルコキシ基からなる群のうちの少な
くとも1種を導入した化合物,Bi−テトラメチルヘプ
タンジオン,Bi−アルコキシド並びにBi−アセチル
アセテートからなる群のうちの少なくとも1種を用い、
かつ、タンタル(Ta)成分に対して、Ta−エトキシ
ド,Ta−ターシャリ−ブトキシド並びにTa−エトキ
シド,Ta−イソプロポキシドおよびTa−ターシャリ
−ブトキシドアルコキシ基からなる群のうち少なくとも
1種のアルコキシ基の一部がテトラメチルヘプタンジオ
ンにより置換されている化合物からなる群のうち少なく
とも1種を用いるようにしてもよい。
In the above embodiment, as the organometallic precursor, strontium (Sr) component is
A compound in which a tetraglyme adduct is added to tetramethylheptanedione is used, triphenylbismuth is used for a bismuth (Bi) component, and a part of the alkoxy group of Ta-isopropoxide is used for a tantalum (Ta) component. A compound substituted by tetramethylheptanedione was used. In addition, for a strontium (Sr) component, a compound in which an adduct of tetrahydrofuran was added to Sr-tetramethylheptanedione was used, and bismuth (Bi) was used. A) a compound in which at least one member selected from the group consisting of an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group and an alkoxy group is introduced on the phenyl group of triphenylbismuth, Bi-tetramethylheptanedione, Bi-alkoxide, and Bi -Consisting of acetyl acetate Using at least one of,
And, with respect to the tantalum (Ta) component, at least one alkoxy group selected from the group consisting of Ta-ethoxide, Ta-tert-butoxide and Ta-ethoxide, Ta-isopropoxide and Ta-tert-butoxide alkoxy group. At least one member of the group consisting of compounds partially substituted by tetramethylheptanedione may be used.

【0043】また、上記フラッシュ−MOCVD法で
は、組成式がSrx Biy Ta2 9±d のビスマス系
層状結晶構造の強誘電体薄膜を製造する例について説明
したが、タンタルサイトが一部置換したSrx Bi
y (Ta,Nb)2 9 ±d の組成の強誘電体薄膜を製
造する場合には、図1の液体原料供給装置10にニオブ
(Nb)成分を含む有機金属前駆体用の容器を追加すれ
ばよい。ニオブ成分を含む有機金属前駆体としては、N
b−エトキシド,Nb−イソプロポキシド、Nb−ター
シャリ−ブトキシド並びにNb−エトキシド,Nb−イ
ソプロポキシドおよびNb−ターシャリ−ブトキシドか
らなる群のうちの少なくとも1種のアルコキシ基の一部
がテトラメチルヘプタンジオンにより置換された化合物
からなる群のうちの少なくとも1種を用いればよい。
In the above-mentioned flash-MOCVD method, an example of manufacturing a ferroelectric thin film having a bismuth-based layered crystal structure with a composition formula of Sr x Bi y Ta 2 O 9 ± d has been described. Replaced Sr x Bi
When a ferroelectric thin film having a composition of (Ta, Nb) 2 O 9 ± d is manufactured, a container for an organometallic precursor containing a niobium (Nb) component is added to the liquid source supply device 10 of FIG. do it. As an organometallic precursor containing a niobium component, N
b-Ethoxide, Nb-isopropoxide, Nb-tert-butoxide and a part of at least one alkoxy group selected from the group consisting of Nb-ethoxide, Nb-isopropoxide and Nb-tert-butoxide are tetramethylheptane At least one selected from the group consisting of compounds substituted by dione may be used.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように本発明による強誘電
体薄膜によれば、組成式をビスマス系層状結晶構造のS
x Biy Ta2 9 ±d 、もしくはSrx Biy (T
a,Nd)2 9 ±d とし、これら組成式におけるx,
yをそれぞれ、0.60≦x<1.00、2.00<y
≦2.50としたので、良好な残留分極特性が得られ、
信頼性が向上するという効果を奏する。
As described above, according to the ferroelectric thin film of the present invention, the composition formula is changed to the bismuth-based layered crystal structure of S
r x Bi y Ta 2 O 9 ± d or Sr x Bi y (T
a, Nd) 2 O 9 ± d, and x,
y is 0.60 ≦ x <1.00, 2.00 <y
≦ 2.50, good remanent polarization characteristics are obtained,
This has the effect of improving reliability.

【0045】また、本発明による強誘電体薄膜の製造方
法によれば、基板温度,反応圧力および酸素分圧などの
成膜条件を調整するようにしたので、組成範囲を自在に
制御することができ、本発明のビスマス系層状結晶構造
の強誘電体薄膜を精密にかつ再現性良く製造することが
できるという効果を奏する。
According to the method of manufacturing a ferroelectric thin film according to the present invention, since the film forming conditions such as the substrate temperature, the reaction pressure and the oxygen partial pressure are adjusted, the composition range can be freely controlled. As a result, there is an effect that the ferroelectric thin film of the present invention having a bismuth-based layered crystal structure can be manufactured accurately and with good reproducibility.

【0046】更に、本発明による強誘電体薄膜の製造装
置によれば、有機金属前駆体ガスと酸素ガスとの混合領
域を膜組成に応じて基板上の所定の範囲に設定するよう
にしたので、本発明の強誘電体薄膜を再現性よく製造す
ることができるという効果を奏する。
Further, according to the apparatus for manufacturing a ferroelectric thin film according to the present invention, the mixed region of the organometallic precursor gas and the oxygen gas is set within a predetermined range on the substrate according to the film composition. This has the effect that the ferroelectric thin film of the present invention can be manufactured with good reproducibility.

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

【図1】本発明の一実施の形態に係るビスマス系層状構
造強誘電体を成長させるためのフラッシューMOCVD
装置の概略を表す構成図である。
FIG. 1 shows a flash-MOCVD method for growing a bismuth-based layered structure ferroelectric according to an embodiment of the present invention.
It is a block diagram showing the outline of an apparatus.

【図2】図1のMOCVD装置のガス混合部近傍の構成
を表す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration near a gas mixing section of the MOCVD apparatus of FIG.

【図3】図1のMOCVD装置により成膜された薄膜の
熱処理前のX線回析パターンを表す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a thin film formed by the MOCVD apparatus of FIG. 1 before heat treatment.

【図4】図1のMOCVD装置により成膜された強誘電
体薄膜の熱処理後のX線回析パターンを表す特性図であ
る。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a ferroelectric thin film formed by the MOCVD apparatus of FIG. 1 after heat treatment.

【図5】図1のMOCVD装置により成膜された強誘電
体薄膜のヒステリシス特性図を表すである。
FIG. 5 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a ferroelectric thin film formed by the MOCVD apparatus of FIG. 1;

【図6】図1のMOCVD装置による成膜および熱処理
後の膜組成と反応圧力との関係を表す特性図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a film composition and a reaction pressure after film formation and heat treatment by the MOCVD apparatus in FIG. 1;

【図7】図1のMOCVD装置により成膜された強誘電
体薄膜中のビスマス(Bi)およびストロンチウム(S
r)の組成と残留分極値との関係を表す特性図である。
7 shows bismuth (Bi) and strontium (S) in the ferroelectric thin film formed by the MOCVD apparatus of FIG.
It is a characteristic view showing the relationship between the composition of r), and a remanent polarization value.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…液体原料供給装置、11〜13…容器、14…液
体混合バルブ、15…気化室、20…ガス混合部、21
…有機金属流入口、22…酸素流入口、30…反応室、
31…基板、32…シャワーノズル、33…ヒータ、4
0…真空排気装置、41…ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Liquid raw material supply apparatus, 11-13 ... Container, 14 ... Liquid mixing valve, 15 ... Vaporization chamber, 20 ... Gas mixing part, 21
... organic metal inlet, 22 ... oxygen inlet, 30 ... reaction chamber,
31: substrate, 32: shower nozzle, 33: heater, 4
0: vacuum pumping device, 41: pump

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ストロンチウム(Sr)とビスマス(B
i)とタンタル(Ta)およびニオブ(Nb)のうちの
少なくともタンタルと酸素(O)とを含む層状結晶構造
を有する強誘電体薄膜であり、かつ、組成式が、 Srx Biy Ta2 9 ±d もしくはSrx Biy (T
a,Nb)2 9 ±d(但し、0.60≦x<1.0
0,2.00<y≦2.50,0≦d≦1.00)であ
ることを特徴とする強誘電体薄膜。
1. Strontium (Sr) and bismuth (B)
i), a ferroelectric thin film having a layered crystal structure containing at least tantalum and oxygen (O) of tantalum (Ta) and niobium (Nb), and having a composition formula of Sr x Bi y Ta 2 O 9 ± d or Sr x Bi y (T
a, Nb) 2 O 9 ± d (where 0.60 ≦ x <1.0
0, 2.00 <y ≦ 2.50, 0 ≦ d ≦ 1.00).
【請求項2】 前記組成式におけるx,yがそれぞれ
0.70≦x≦0.90,2.10≦y≦2.40の範
囲の値であることを特徴とする請求項1記載の強誘電体
薄膜。
2. The strength according to claim 1, wherein x and y in the composition formula are values in a range of 0.70 ≦ x ≦ 0.90 and 2.10 ≦ y ≦ 2.40, respectively. Dielectric thin film.
【請求項3】 少なくともストロンチウム(Sr)、ビ
スマス(Bi)およびタンタル(Ta)の各成分を含む
液状の有機金属前駆体を気化室で気化させる気化工程
と、 気化された有機金属前駆体を含むキャリアガスと酸素ガ
スとを所定の割合で混合させるガス混合工程と、 混合された有機金属前駆体を含むキャリアガスと酸素ガ
スとを所定の圧力範囲の反応室内において反応させて分
解し、所定の温度範囲で加熱された基板上に堆積させる
ことにより酸化物薄膜を形成する薄膜形成工程と、 基板上に形成された酸化物薄膜に所定の温度範囲の熱処
理を施し組成制御を含む結晶化を行うことにより所望の
ビスマス層状構造の強誘電体薄膜を形成する熱処理工程
とを含むことを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。
3. A vaporizing step of vaporizing a liquid organometallic precursor containing at least components of strontium (Sr), bismuth (Bi) and tantalum (Ta) in a vaporization chamber, comprising a vaporized organometallic precursor. A gas mixing step of mixing a carrier gas and an oxygen gas at a predetermined ratio; and reacting and decomposing a carrier gas and an oxygen gas containing the mixed organometallic precursor in a reaction chamber within a predetermined pressure range, A thin film forming step of forming an oxide thin film by depositing on a substrate heated in a temperature range, and performing a heat treatment in a predetermined temperature range on the oxide thin film formed on the substrate to perform crystallization including composition control. A heat treatment step of forming a ferroelectric thin film having a desired bismuth layered structure.
【請求項4】 前記気化工程において気化室の温度を1
80〜240℃の範囲とすることを特徴とする請求項3
記載の強誘電体薄膜の製造方法。
4. In the vaporizing step, the temperature of the vaporizing chamber is set to 1
4. The temperature range of 80 to 240 [deg.] C.
The method for producing a ferroelectric thin film according to the above.
【請求項5】 前記キャリアガスとしてアルゴン(A
r)および乾燥窒素(N2 ) のうちの少なくとも1種を
用いることを特徴とする請求項3記載の強誘電体薄膜の
製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the carrier gas is argon (A).
r) and dry nitrogen (N 2) method of manufacturing a ferroelectric thin film according to claim 3, characterized by using at least one of.
【請求項6】 気化された有機金属前駆体を含むキャリ
アガスに対する酸素ガスの混合比(酸素/キャリアガ
ス)を30〜70%の範囲とすることを特徴とする請求
項5記載の強誘電体薄膜の製造方法。
6. The ferroelectric substance according to claim 5, wherein the mixing ratio of oxygen gas to the carrier gas containing the vaporized organometallic precursor (oxygen / carrier gas) is in the range of 30 to 70%. Manufacturing method of thin film.
【請求項7】 前記薄膜形成工程において前記基板の温
度を400〜700℃の範囲とすることを特徴とする請
求項3記載の強誘電体薄膜の製造方法。
7. The method according to claim 3, wherein the temperature of the substrate is set in a range of 400 to 700 ° C. in the thin film forming step.
【請求項8】 前記薄膜形成工程において反応室内の圧
力を5〜12Torrの範囲とすることを特徴とする請
求項3記載の強誘電体薄膜の製造方法。
8. The method according to claim 3, wherein the pressure in the reaction chamber is in a range of 5 to 12 Torr in the thin film forming step.
【請求項9】 前記薄膜形成工程において反応室内の圧
力を7〜10Torrの範囲とすることを特徴とする請
求項8記載の強誘電体薄膜の製造方法。
9. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 8, wherein the pressure in the reaction chamber is in a range of 7 to 10 Torr in the thin film forming step.
【請求項10】 前記熱処理工程において酸化物薄膜を
600〜800℃の範囲の温度で熱処理することにより
強誘電体薄膜を形成することを特徴とする請求項3記載
の強誘電体薄膜の製造方法。
10. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 3, wherein the ferroelectric thin film is formed by heat-treating the oxide thin film at a temperature in the range of 600 to 800 ° C. in the heat treatment step. .
【請求項11】 前記有機金属前駆体として、ストロン
チウム(Sr)成分に対して、Sr−テトラメチルヘプ
タンジオンおよびSr−テトラメチルヘプタンジオンに
テトラヒドロフランおよびテトラグリムのいずれか少な
くとも1種のアダクトが付加された化合物を用い、ビス
マス(Bi)成分に対して、トリフェニルビスマス,ト
リフェニルビスマスのフェニル基上にアルキル基,フッ
素置換アルキル基およびアルコキシ基からなる群のうち
の少なくとも1種を導入した化合物,Bi−テトラメチ
ルヘプタンジオン,Bi−アルコキシド並びにBi−ア
セチルアセテートからなる群のうちの少なくとも1種を
用い、かつ、タンタル(Ta)成分に対して、Ta−エ
トキシド,Ta−イソプロポキシド,Ta−ターシャリ
−ブトキシド並びにTa−エトキシド,Ta−イソプロ
ポキシドおよびTa−ターシャリ−ブトキシドアルコキ
シ基からなる群のうち少なくとも1種のアルコキシ基の
一部がテトラメチルヘプタンジオンにより置換されてい
る化合物からなる群のうち少なくとも1種を用いること
を特徴とする請求項3記載の強誘電体薄膜の製造方法。
11. An adduct of at least one of tetrahydrofuran and tetraglyme is added to Sr-tetramethylheptanedione and Sr-tetramethylheptanedione as the organometallic precursor to a strontium (Sr) component. A compound obtained by introducing at least one member selected from the group consisting of an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, and an alkoxy group on a phenyl group of triphenylbismuth, At least one member of the group consisting of Bi-tetramethylheptanedione, Bi-alkoxide and Bi-acetylacetate is used, and for tantalum (Ta) component, Ta-ethoxide, Ta-isopropoxide, Ta- Tert-butoxide and At least one selected from the group consisting of Ta-ethoxide, Ta-isopropoxide and Ta-tert-butoxide alkoxy groups, wherein at least one of the alkoxy groups is partially substituted with tetramethylheptanedione 4. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 3, wherein:
【請求項12】 前記有機金属前駆体が、更に、ニオブ
(Nb)成分を含み、このニオブ(Nb)成分に対し
て、Nb−エトキシド,Nb−イソプロポキシド、Nb
−ターシャリ−ブトキシド並びにNb−エトキシド,N
b−イソプロポキシドおよびNb−ターシャリ−ブトキ
シドからなる群のうちの少なくとも1種のアルコキシ基
の一部がテトラメチルヘプタンジオンにより置換された
化合物からなる群のうちの少なくとも1種を用いること
を特徴とする請求項11記載の強誘電体薄膜の製造方
法。
12. The organometallic precursor further contains a niobium (Nb) component, and the niobium (Nb) component is mixed with Nb-ethoxide, Nb-isopropoxide, and Nb.
Tert-butoxide and Nb-ethoxide, N
At least one selected from the group consisting of compounds in which a part of at least one alkoxy group in the group consisting of b-isopropoxide and Nb-tert-butoxide is substituted by tetramethylheptanedione is used. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 11, wherein
【請求項13】 少なくともストロンチウム(Sr)、
ビスマス(Bi)およびタンタル(Ta)の各成分を含
有する有機金属前駆体ガスを含むキャリアガスと酸素ガ
スとを混合させた後、この混合ガスを反応室内において
分解し基板上に堆積させて酸化物薄膜を形成する強誘電
体薄膜の製造装置において、 前記有機金属前駆体ガスを含むキャリアガスと酸素ガス
との混合領域を膜組成に応じて前記基板上の所定の範囲
に設定したことを特徴とする強誘電体薄膜の製造装置。
13. at least strontium (Sr);
After mixing a carrier gas containing an organometallic precursor gas containing each component of bismuth (Bi) and tantalum (Ta) with an oxygen gas, the mixed gas is decomposed in a reaction chamber, deposited on a substrate, and oxidized. In the apparatus for manufacturing a ferroelectric thin film for forming an object thin film, a mixed region of a carrier gas containing the organometallic precursor gas and an oxygen gas is set in a predetermined range on the substrate according to a film composition. Manufacturing apparatus for a ferroelectric thin film.
【請求項14】 前記有機金属前駆体ガスを含むキャリ
アガスと酸素ガスとの混合領域が前記基板上の13〜3
3cmの範囲の領域であることを特徴とする請求項13
記載の強誘電体薄膜の製造装置。
14. A mixed region of a carrier gas containing an organometallic precursor gas and an oxygen gas is formed on the substrate by a range of 13 to 3
14. An area within a range of 3 cm.
An apparatus for manufacturing the ferroelectric thin film according to the above.
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