JPWO2007094244A1 - ナノ超薄膜誘電体とその製造方法及びナノ超薄膜誘電体素子 - Google Patents
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Abstract
Description
有機ポリマーを除去することを特徴とする。
2 薄片粒子としてのチタニアナノシート
3 金等の上部電極
なお、チタニアナノ薄膜を構成層とする積層型超薄膜は、ゾルーゲル法を気液界面に適用し、有機超薄膜の作製技術であるLangmuir−Blodett法と組み合わせた2次元ゾルーゲル法(K.Moriguchi,Y.Maeda,S.Teraoka,S.Kagawa,J.Am.Chem.Soc.117(1995)1139.),金属アルコキシドを固体表面水酸基による加水分解反応により、酸化物ゲル膜をlayer−by−layerで形成していく表面ゾルーゲル法(特開2004−299003)などによっても作製することができるが、これらの手法は熱処理を必要としており、また得られるチタニアナノ薄膜の構成層は比誘電率の低いアナターゼ型あるいはルチル型TiO2となる。それに対して、本発明は、構成層として高い比誘電率を有するチタニアナノシート超薄膜を利用することに大きな意義があり、本発明の積層型チタニアナノシート超薄膜の優れた誘電特性は、室温での溶液プロセスを利用し、チタニアナノシート超薄膜を安定な状態のまま積層素子を作製できたことによる画期的な効果と言える。
技術分野
[0001]
本発明は、トランジスター用ゲート絶縁体、半導体記憶素子(DRAM)、携帯電話用積層コンデンサなど、電子材料の広い分野に応用して好適な、高い誘電率と良好な絶縁特性を同時に実現することのできるナノ超薄膜誘電体素子とその製造方法に関するものである。
背景技術
[0002]
高誘電率材料は、コンピュータ、携帯電話などあらゆる電子機器に利用されており、中でも半導体トランジスター用ゲート絶縁膜応用は現在最も注目されている技術分野である。たとえば、現行のシリコンをベースとした半導体トランジスターのゲート絶縁膜には、シリコンの熱酸化膜SiO2が利用されている。
[0003]
しかしながら、従来のSiO2膜においては、その微細化と高性能化は限界を迎えようとしている。最新の金属−酸化物−半導体型電界効果トランジスタ(MOSFET)では、既にゲート酸化膜厚が10nm以下まで薄膜化されており、漏れ電流(トンネル電流)がチップの消費電力を増大させる、深刻な状況に陥っている。その一つの解決策として、現在のゲート絶縁膜のSiO2を、高誘電率(high−k)材料に代える研究開発が世界中で精力的に行われている。これは、high−k材料を用いれば、同じ膜厚においても、ゲート容量を増大させることができ、同時に漏れ電流を抑制できることが期待されているためである。
[0004]
このような、high−k材料の候補となっているのは、(Ba,Sr)TiO3、HfO2、Ta2O5などの酸化物系の材料であるが、製造行程における熱アニールによる基板界面の劣化やそれに伴う組成ズレ、電気不整合性といった課題がある。また、これらの材料の多くは、高容量化を目指してナノレベルまで薄膜化すると、比誘電率が低下し、漏れ電流が増大する“サイズ効果”という本質的問題を抱えている。
発明の開示
発明が解決しようとする課題
[0005]
本発明は、以上のとおりの背景から、従来の問題点を解消し、ナノ領域においても高い誘電率と良好な絶縁特性を同時に実現し、かつ基板界面劣化、組成ズレの影響のない低温での素子作製を可能とする新しい技術手段を提供することを課題としている。
課題を解決するための手段
[0006]
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ナノメートル(nm)サイズの厚みの酸化チタンナノシート単体(チタニアナノシート)はナノの薄さでも機能する高誘電体ナノ材料となること、さらにこのナノ材料を基幹ブロックにして室温での自己組織化反応により素子を作製すれば、従来の半導体製造行程における熱アニールに付随する問題を解決できることを見いだし、これらの知見に基づいて本発明を完成した。
[0007]
そして、本発明が基礎としている上記のナノシート単体、チタニアナノシートについては、本発明者らが開発し、提案している物質とその製造方法(特開2001−270022号公報;特開2004−255684号公報)に係わるものである。
[0008]
本発明者は、この新たに開発したチタニアナノシートについて詳細な検討を進め、従来の技術常識からは全く予期することのできない、ナノサイズ領域での誘電物性を見出し、本発明を導いている。
[0009]
すなわち、本発明は以下のことを特徴としている。
[0010]
発明1の誘電体素子は、膜状誘電体の上下に電極を配設してなる誘電体素子であって、前記膜状誘電体が、厚さ0.3nm〜2.0nmの範囲の酸化チタンナノシート単層体又は積層体からなることを特徴とする。
[0011]
発明2は、発明1の誘電体素子において、前記酸化チタンナノシートが、Ti1−δO2(0<δ<0.5)で表されることを特徴とする。
[0012]
発明3は、発明1又は2の誘電体素子において、下部電極と酸化ナノチタンシートの間に、低誘電率層と界面反応層を共に有していないことを特徴とする。
[0013]
[0014]
発明4は、発明1から3のいずれかの誘電体素子の製造方法であって、酸化ナノチタンシートを、カチオン性有機ポリマーを介して電極基板上に積層して単層体又は積層体を形成することを特徴とする。
[0015]
[0016]
発明5は、発明4の誘電体素子の製造方法において、前記電極基板が原子平坦性酸化物電極基板であることを特徴とする。
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
図面の簡単な説明
[0022]
[図1]図1は、積層型チタニアナノシート超薄膜により構成される薄膜素子の構造模式図である。
[図2]図2は、単層ならびに積層数10層のチタニアナノシート超薄膜における原子間力顕微鏡表面観察像である。
[図3]図3は、積層数5層の積層型チタニアナノシート超薄膜の断面TEM像である。
[図4]図4は、積層数が5層、10層、15層の積層型チタニアナノシート超薄膜により構成される薄膜素子の漏れ電流特性を例示した図である。
[図5]図5は、積層数が5層、10層、15層の積層型チタニアナノシート超薄膜により構成される薄膜素子において周波数10kHzで測定した比誘電率特性を例示した図である。
[図6]図6は、本発明の積層型チタニアナノシート超薄膜ならびに典型的な高誘電率酸化物材料における、比誘電率の膜厚依存性を比較した図であり、上図は膜厚0〜100nmの領域での比較、下図は膜厚0〜25nmの領域での比較である。
[図7]Si基板上に作製したチタニアナノシート単層膜において原子間力顕微鏡により形状像と帯電状態像を同時に評価したものである。
符号の説明
[0023]
1 SrRuO3等の下部電極基板
2 薄片粒子としてのチタニアナノシート
3 金等の上部電極
発明を実施するための最良の形態
[0024]
本発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
[0025]
図1は、本発明の一実施の形態に係わる積層型チタニアナノシート超薄膜からなる薄膜素子の断面構造を概略的に例示した図である。この図1において、符号1は、たとえば原子平坦性エピタキシャルSrRuO3からなる下部電極基板(以下、単に「基板」ということがある)を示し、2は該基板上に形成されたナノシート単体としてのチタニア
Claims (10)
- 数原子相当の厚さを有する酸化チタンナノシート単体もしくはその積層体よりなることを特徴とするナノ超薄膜誘電体。
- 請求項1に記載のナノ超薄膜誘電体において、前記ナノシート単体の長さと幅が1μm〜1mmであることを特徴とするナノ超薄膜誘電体。
- 請求項1または2に記載のナノ超薄膜誘電体において、前記ナノシート単体は、層状チタン酸化物を剥離して得られたものであり、その層状チタン酸化物が、次式(1)から(6)で表わされるいずれかのもの、もしくはその水和物であることを特徴とするナノ超薄膜誘電体。
- ナノシート単体のチタン酸化物は、次式(7)又は(8)で表わされる酸化チタンであることを特徴とする請求項1から3のいずれかのナノ超薄膜誘電体。
- 請求項1からの4のいずれかのナノ超薄膜誘電体の製造方法であって、ナノシート単体を基板表面上に隙間なく吸着被覆することを特徴とするナノ超薄膜誘電体の製造方法。
- 請求項5に記載のナノ超薄膜誘電体の製造方法において、カチオン性有機ポリマー溶液中に基板を浸漬して基板表面に有機ポリマーを吸着させた後、前記ナノシート単体が懸濁したコロイド溶液中に浸漬して、前記ナノシート単体を静電相互的作用によって基板上に自己組織的に吸着させてなることを特徴とするナノ超薄膜誘電体の製造方法。
- 請求項6に記載のナノ超薄膜誘電体の製造方法において、基板をコロイド溶液中に浸漬しているときに、超音波処理することによることを特徴とするナノ超薄膜誘電体の製造方法。
- ナノ超薄膜誘電体の製造方法であって、請求項5から7のいずれかの方法を繰り返してナノシート単体の積層体を形成することを特徴とするナノ超薄膜誘電体の製造方法。
- 請求項5から8のいずれかに記載のナノ超薄膜誘電体の製造方法において、ナノシート単体の積層後に紫外線照射して、前記有機ポリマーを除去することを特徴とするナノ超薄膜誘電体の製造方法。
- 請求項1から5のいずれかのナノ超薄膜誘電体の上下の電極を配設してなることを特徴とするナノ超薄膜誘電体素子。
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