KR20050106391A - (001) 배향된 페로브스카이트막의 형성 방법, 및 이러한페로브스카이트막을 갖는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 강유전체막을 갖는 장치에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판상에 에피택셜 성장된 강유전체를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 (111) 배향된 기판, 상기 기판상에 형성된 (001) 배향의 페로브스카이트 구조를 갖는 에피택셜막, 및 상기 에피택셜막상에 형성된 전극을 포함하는 용량 소자이며, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법은 (111) 배향을 갖는 기판상에 (001) 배향을 갖는 암염 구조의 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 단계, 및 상기 금속 산화물막상에 (001) 배향을 가지며 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 의해, 강유전체 메모리나 SAW 필터, 강유전체 액츄에이터 등의 여러가지 능동 소자를 형성하는 것이 가능해진다.

Description

(001) 배향된 페로브스카이트막의 형성 방법, 및 이러한 페로브스카이트막을 갖는 장치 {(001)-ORIENTATED PEROVSKITE FILM FORMATION METHOD AND DEVICE HAVING PEROVSKITE FILM}

본 발명은 일반적으로 강유전체막을 갖는 장치에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판상에 에피택셜 성장된 강유전체막을 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.

실리콘 기판상에 산화막을 형성하는 것은 종래부터 일반적으로 행해지고 있지만, 이들은 대다수의 경우 비정질(amorphous) 막이고, 주로 절연막 또는 유전체막으로 사용되고 있다.

이에 대하여, 강유전체 메모리 등 강유전체막의 기능성을 이용하는 반도체 장치에서는, 원하는 기능을 발현시키기 위하여 결정화된 막을 사용하고 있다. 몇몇 금속 산화물 결정은 절연성이나 유전성 외에, 강유전성이나 압전성, 초전성(焦電性), 초전도성 등의 다양한 기능을 갖고 있다. 따라서, 이와 같은 기능성의 금속 산화물 결정을 실리콘 단결정 기판상에 박막 형태로 형성할 수 있으면, 메모리나 센서, 필터 등의 여러가지 기능을 갖는 장치를 제작할 수 있다고 생각된다. 이들 기능의 대다수는 금속 산화물의 결정에 유래하는 것이고, 비정질 상태에서는 특성이 발현되지 못하거나 크게 저하된다.

강유전체 메모리에 사용되는 강유전체막 등에서는, 통상적으로는 산소의 존재하에 수백 ℃의 온도로 가열하여 결정화를 행함으로써 이들 특성을 얻고 있다. 그러나, 종래의 강유전체막은 다결정막이고, 전체적으로 결정의 배향 방향이 특정한 방향, 예를 들면 기판에 수직인 방향으로 정렬되는 경우는 있어도, 다른 방향으로의 배향은 일반적으로 랜덤하며, 입계(粒界) 등의 결함이 존재하는 것을 피할 수 없다. 이에 따라, 종래의 결정성 산화막을 갖는 반도체 장치에서는, 산화막의 기능 발현은 제한되어 있었다.

한편, 결정의 배향성이 기판면에 수직 방향 뿐만 아니라, 기판면에 평행 방향으로도 정렬된, 소위 에피택셜 배향된 산화막을 실리콘 단결정 기판상에 형성하는 것은 매우 곤란하였다.

실리콘 단결정 기판상에 산화물의 에피택셜 박막을 성장시키기 위해서는, 실리콘 단결정 기판 표면의 배향을 이용할 필요가 있다. 그러나, 실리콘 단결정 기판은 금속과 동일한 화학적 성질을 갖고 있으며, 높은 온도에서 산소 분위기에 노출되면 표면이 쉽게 산화되어 실리콘 산화막(SiOx)을 생성한다. 실리콘 산화막은 비정질이고 결정 배향성을 갖지 않으므로, 그 위에는 산화물의 에피택셜 박막은 성장하지 못한다. 또한, 에피택셜 성장에는, 성장되는 박막과 실리콘 단결정 기판 사이의 반응이나 확산을 최소로 하는 것도 중요하다. 이 때문에, 모든 산화물이 실리콘 단결정 기판상에 에피택셜 성장할 수 있는 것은 아니며, 지금까지 실리콘 단결정 기판상에 에피택셜 성장할 수 있는 재료로서는 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ: 문헌 [J. Appl. Phys. vol.67, (1989) pp.2447]), 마그네시아-스피넬(MgAl₂O₄: 문헌 [ISSCC Digest of Tech. Papers (1981) pp.210]), 산화 세륨(CeO₂: 문헌 [Appl. Phys. Lett. vol.56 (1990) pp.1332]) 등의 희토류 원소의 산화물, 티탄산 스트론튬(SrTiO₃, 문헌 [Jpn. J. Appl. Phys. 30 (1990) L1415]) 등만이 보고되어 있다.

실리콘 기판상에 형성된 산화물 에피택셜 박막의 결정 품질을 나타내는 지표로서, X선 회절에 의해 얻어지는 반치폭 (FWHM 값)이 있다. 이것은 어느 X선 피크의 2θ축을 고정하고, θ축을 스캔하여 얻어지는 로킹 커브로부터 얻어지는 값이며, 로킹 커브의 피크 톱의 절반의 강도에서의 피크폭으로 부여된다. 이것은 박막 중의 결정 틸트의 정도를 나타내며, 수치가 작은 쪽이 단결정에 가깝고, 결정성·배향성이 높다. 박막 중의 결정 방향이 정렬될 수록, 박막의 전기 특성(히스테리시스 특성)이 향상되고, 누출 특성 등이 양호해지므로, 반치폭이 가능한 작은 박막을 성장시키는 것이, 장치에의 적용상 중요하다.

티탄산 바륨으로 대표되는, 페로브스카이트 구조를 갖는 재료계는 강유전체이며, 압전성, 유전성, 초전성, 반도성, 전기전도성을 갖춘 매력적인 재료이다. 그러나, 종래부터 페로브스카이트 구조를 갖는 재료계를 실리콘 단결정 기판상에 직접적으로 에피택셜 성장시키는 것은 곤란하였다. 이것은 실리콘 단결정 기판에 비정질상의 SiOx막이 형성되거나, 실리사이드 등의 반응상이 형성되기 때문이다.

지금까지 실리콘 단결정 기판상에 성장시킬 수 있는 에피택셜 페로브스카이트 박막은 티탄산 스트론튬(SrTiO₃) 뿐이다. 이 경우, 중간층으로서 금속 스트론튬막을 개재시킨다. Ti는 Si와 반응하기 쉬운 성질을 갖기 때문에, 티탄과 실리콘의 반응을 억제하기 위하여, 실리콘 기판 표면에 금속 스트론튬층을 형성한 후, 산소를 유동시키면서 Sr과 Ti를 공급함으로써, 티탄산 스트론튬막을 형성한다. 중간층의 금속 Sr막이 얇은 경우에는 SrTiO₃막의 형성 중에 Ti가 금속 Sr막내에 확산되고, 마치 실리콘 단결정 기판상에 SrTiO₃막이 직접적으로 에피택셜 성장한 듯한 구조가 얻어진다.

이와 같이 티탄산 스트론튬막을 에피택셜 성장시키는데에는 원자층 레벨에서의 프로세스 제어가 중요하며, 분자선 에피택시(MBE) 기술이 사용된다. 또한, 일본 특허공개 평10-107216호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 10^-8 Torr의 고진공하에서 SrO를 타겟으로 한 고진공 레이저 어블레이션(laser ablation)을 행하고, 일단 산화 스트론튬(SrO)막을 중간층으로서 형성하고, 그 후 티탄산 스트론튬(SrTiO₃)막을 형성하는 방법도 시도되고 있다. 이 경우에도, 역시 SrO 중간층이 얇은 경우, Ti가 SrO막 중에 확산되고, 일견 실리콘 단결정 기판상에 SrTiO₃막이 직접적으로 에피택셜 성장되어 있는 듯이 보이는 구조가 얻어진다.

또한, 실리콘 단결정 기판과 페로브스카이트 구조 산화물의 반응이나 SiOx상의 형성을 방지하기 위하여 중간층을 형성하는 것도 시도되고 있다. 지금까지 보고되어 있는 중간층으로서는, 이트리아 부분 안정화 지르코니아(YSZ: 문헌 [J. Appl. Phys. vol.67, (1989) pp.2447]), 마그네시아-스피넬(MgAl₂O₄: 문헌 [ISSCC Digest of Tech. Papers (1981) pp.210]) 등이 있다. 이들 중간층을 이용한 경우, 막의 구조는 실리콘 단결정 기판상에 중간층과 페로브스카이트막을 순차적으로 적층한 2층 구조가 된다.

실리콘 단결정 기판상에 에피택셜 성장시킨 이트리아 부분 안정화 지르코니아(YSZ) 박막은 YSZ 세라믹스를 타켓으로 한 펄스 레이저 증착법으로 얻어진다. 이와 같이 하여 형성된 실리콘 단결정 기판 상의 YSZ막상에 페로브스카이트막을 형성한 경우, 문헌 [Appl. Phys. Lett., vol.67 (1995) pp.1387]에 보고되어 있는 바와 같이, YSZ의 (001)면에 대하여 페로브스카이트의 (011)면이 배향되는 에피택시가 생긴다. 그러나, 정방정계의 페로브스카이트막에서 자발 분극 방향은 ＜001＞ 방향이므로, (011)면이 배향되면, 자발 분극 방향이 기판면에 대하여 45도 경사지게 된다. 이 경우, 기판면에 수직인 방향으로의 겉보기 분극은 저하되고, FeRAM이나 압전 액츄에이터 등의 응용에 있어서는 불리해진다.

종래부터, 실리콘 단결정 기판상에 산화 세륨(CeO₂)이나 산화 이트륨(Y₂O₃) 등의 희토류 원소의 산화물 박막을 각각의 조성물을 타겟으로 한 펄스 레이저 증착법에 의해 에피택셜 성장시키는 기술이 알려져 있다. 그러나, 이와 같이 하여 얻어진 희토류 원소의 산화물 박막은 실리콘 단결정 기판에 대하여 (011) 배향되므로, 그 위에 (100) 배향된 페로브스카이트막을 에피택셜 성장하는 것은 곤란하다.

예를 들어, 일본 특허공개 평10-120494호 공보를 참조한다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 레이저 어블레이션 장치의 구성을 도시한 것이다.

도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 제1 실시예에 따른 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판상에의 (001) 배향을 갖는 SrRuO₃ 에피택셜막의 형성 공정을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에서 얻어진 SrRuO₃ 에피택셜막의 X선 회절 도형을 도시한 것이다.

도 4A는 Si(111)면상에 있어서의 Si 원자의 배열을 도시한 것이다.

도 4B는 Si(111)면상에의 페로브스카이트 구조를 갖는 결정막의 에피택셜 성장을 도시한 것이다.

도 4C는 Si(111)면상에의 페로브스카이트 구조를 갖는 결정막의 에피택셜 성장의 다른 예를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에서 얻어진 SrRuO₃ 에피택셜막의 X선 회절 도형의 다른 예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용량 소자의 구성을 도시한 것이다.

도 7은 도 6의 용량 소자의 일 변형예를 도시한 것이다.

도 8A 내지 도 8D는 본 발명의 제2 실시예에 따른 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판상에의 (001) 배향을 갖는 SrRuO₃ 에피택셜막의 형성 공정을 도시한 것이다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용량 소자의 구성을 도시한 것이다.

도 10은 도 9의 용량 소자에서 사용되는 형석 구조를 갖는 중간층의 결정 구조를 도시한 것이다.

도 11은 도 9의 용량 소자에서 사용되는 C-희토 구조를 갖는 중간층의 결정 구조를 도시한 것이다.

도 12는 도 9의 용량 소자에서 사용되는 파이로클로어(pyrochlore) 구조를 갖는 중간층의 결정 구조를 도시한 것이다.

도 13은 암염 구조를 도시한 것이다.

도 14는 도 9의 용량 소자의 일 변형예를 도시한 것이다.

도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 FeRAM의 구성을 도시한 것이다.

도 16A 및 도 16B는 본 발명의 제5 실시예에 따른 SAW 필터의 구성을 도시한 것이다.

도 17A 내지 도 17E는 본 발명의 제6 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 제조 공정을 도시한 것이다.

따라서, 본 발명은 상기의 과제를 해결한 신규하고 유용한 강유전체 에피택셜막을 갖는 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 개괄적 과제로 한다.

본 발명의 더욱 구체적인 과제는, 단결정 기판상에 (001) 배향된 페로브스카이트형 단결정막을 에피택셜 성장시키는 막 형성 방법, 및 단결정 기판상에 이러한 (001) 배향된 페로브스카이트형 에피택셜막을 갖는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 과제는,

(111) 배향된 기판,

상기 기판상에 형성된 (001) 배향의 페로브스카이트 구조를 갖는 에피택셜막, 및

상기 에피택셜막상에 형성된 전극을 포함하는 용량 소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 과제는,

(111) 배향된 기판,

상기 기판상에 형성된 게이트 전극,

상기 기판과 상기 게이트 전극 사이에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체 에피택셜막, 및

상기 기판 중 상기 게이트 전극의 양측에 형성된 1쌍의 확산 영역으로 이루어지는 강유전체 메모리에 있어서,

상기 강유전체 에피택셜막이 (001) 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 과제는,

(111) 배향된 기판,

상기 기판상에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체 에피택셜막, 및

상기 강유전체 에피택셜막상에 형성된 빗살형 전극으로 이루어지고,

상기 강유전체 에피택셜막은 (001) 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제는,

(111) 배향을 갖는 기판상에 (001) 배향을 갖는 암염 구조의 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정, 및

상기 금속 산화물막상에 (001) 배향을 갖고 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면, (111) 배향된 기판상에 암염 구조를 갖는 금속 산화물막을 형성함으로써, 상기 금속 산화물막을 (001) 배향으로 제어하는 것이 가능해지고, 따라서, 이러한 (001) 배향된 금속 산화물막상에 페로브스카이트형 구조를 갖는 기능성 금속 산화물막을 형성함으로써, 상기 기능성 금속 산화물막의 배향을, 기능성이 강하게 발현되는 (001) 배향 방향으로 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 이와 같은 (001) 배향을 갖는 기능성 금속 산화물막을 사용함으로써, 강유전체 메모리나 SAW 필터, 압전 액츄에이터, 전왜 액츄에이터(electrostriction actuator) 등의 여러가지 기능 소자를 형성하는 것이 가능하다.

본 발명의 그 밖의 과제 및 특징은 이하에 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.

<제1 실시예>

도 1은 본 발명에서 사용되는 레이저 어블레이션 처리 장치(1)의 구성을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 레이저 어블레이션 처리 장치(1)는 펌프(16)에 의해 배기되는 처리 용기(10)를 가지며, 상기 처리 용기(10) 중에는 회전축(13A)상에 설치된 히터(12A)상에 단결정 실리콘 기판이 피처리 기판(13)으로서 지지되어 있다.

또한, 상기 처리 용기(10) 중에는 상기 피처리 기판(13)에 대향하도록 타겟(15)이 배치되어 있으며, 상기 타겟(15)상에는 창(10A)을 통해 고출력 레이저 빔(11)이 집속된다. 상기 레이저 빔(11)으로서는, 예를 들면 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저, 펨토초 레이저(femtosecond laser), Nd:YAG 고조파 레이저 등을 사용하는 것이 가능하다.

레이저 빔(11)의 조사에 의해 타겟(15)의 표면은 즉시 분무화(atomize)되고, 그 결과, 플룸(plume)이라 불리우는 불꽃(14)이 형성된다. 상기 피처리 기판(13)은 이러한 플룸(14)의 경로내에 배치되어 있으며, 상기 타겟(15)의 표면상의 분무화되고 플룸 형태로 수송되는 산화물이 상기 피처리 기판(13)상에 에피택셜로 퇴적된다.

상기 타겟(15)은 바람직하게는 탄산염 또는 산화물의 소결체로 이루어지고, 레이저 빔(11)의 조사 중에 자전 운동함으로써, 표면이 균일하게 레이저 빔(11)으로 조사된다. 또한, 상기 타겟(15)은 회전축(17)상에 지지된 회전 암(17A)상에 지지되어 있지만, 상기 회전축(17)을 회전시킴으로써, 다음 타겟(15A)을 레이저 빔(11)의 조사 위치로 이동시키는 것이 가능하다.

도 1의 레이저 어블레이션 처리 장치(10)에서는, 상기 타겟(15)과 피처리 기판(13) 사이의 공간(12C)을 둘러싸도록 히터(12B)가 설치되어 있으며, 상기 히터(12B)에 의해 상기 공간(12C)의 온도를 약 800℃로 제어한다. 이와 같이 상기 공간(12C)의 온도를 제어함으로써 타겟(15)이 가열되고, 타겟(15)의 표면에 알칼리 토류 금속의 산화물이 형성된다. 이와 같이 하여 형성된 산화물은 탄산염보다도 안정되고, 플룸(14) 내에서 기판(13)까지 운반되어 퇴적된다. 또한, 상기 히터(12B)에 의해 상기 플룸(14) 자체를 가열함으로써, 상기 플룸(14) 내에서 수송되는 산화물 입자의 화학적 안정성이 증대된다.

이와 같이 하여 기판(13)에 도달한 산화물은 피처리 기판(13)을 구성하는 Si와 반응하기 어렵다. 또한, 이들 산화물을 형성하는 것은 약 10^-1 Torr 정도의 산소 분압으로 충분하다. 이에 비하여, 종래의 CVD법으로 산화물을 형성하는 경우에는, 유기 금속 원료의 분해를 위해 수 Torr의 산소 분압이 필요하였다. 이 때문에, 도 1의 장치에서는 실리콘 기판(13) 표면에 있어서 비정질 SiOx층의 생성을 효과적으로 억제할 수 있으며, 단결정 실리콘 기판 상면에 양질의 알칼리 토류 금속 산화물 박막을, 실질적으로 직접적으로 에피택셜 성장시키는 것이 가능하다.

도 1의 장치(10)에서는, 이어서 타겟(15)을 페로브스카이트 구조 산화물 세라믹스로 이루어지는 타겟(15A)으로 교환하고, 먼저 기판(13)상에 형성되어 있는 알칼리 토류 금속 산화물의 에피택셜 박막상에, 페로브스카이트 구조의 산화물 막을 형성하는 것이 가능하다. 이 때, 상기 피처리 기판(13)의 표면은 페로브스카이트 구조 산화물이 에피택셜 성장하기 쉬운 암염 구조의 에피택셜막으로 덮여져 있으므로, 용이하게 페로브스카이트 구조 산화물을 에피택셜 성장시킬 수 있다.

도 1의 개략도에서는, 상기 타겟(15, 15A)을 막 형성 중에 가열하는 방법만을 도시하고 있지만, 본 발명은 이와 같은 형태만에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 상술한 바와 같이, 전기로 또는 별도의 처리 용기 내에서 타겟을 가열하고, 탄산염 타겟 표면의 일부에 산화물을 형성한 후에 상기 처리 용기(10)로 수송하여 막을 형성하는 것도 가능하다. 또한, 도 1에 도시한 바와 같이 타겟(15) 및 플룸(14) 양자를 가열하는 방법이 가장 효과가 크지만, 타겟(15)만, 또는 플룸(14)만을 가열하여도 박막 결정성의 향상에 유의한 효과가 얻어진다.

본 발명의 발명자들은, 본 발명의 기초가 되는 연구에 있어서, 도 1의 레이저 어블레이션 처리 장치(1)를 사용하여 실리콘 단결정 기판(13)의 표면에 암염 구조를 갖는 제1 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키고, 또한 이러한 제1 금속 산화물막상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 실험을 행하였으며, 실리콘 단결정 기판(13)으로서 (111) 배향을 갖는 기판을 사용한 경우, 상기 에피택셜 성장의 결과로서 상기 제1 금속 산화물막으로서 (001) 배향을 갖는 막이 얻어지고, 이러한 (001) 배향을 갖는 에피택셜막상에 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물막을 에피택셜 성장시킴으로써 상기 제2 금속 산화물막으로서 (001) 배향을 갖는 막이 얻어지는 것을 발견하였다.

도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 발명자들이 행한 막 형성 실험을, 본 발명의 제1 실시예로서 도시한 것이다.

도 2A를 참조하면, (111) 방위를 갖는 직경 2인치의 실리콘 단결정 기판(51)을 세정한 후, 9％의 희석 불산 처리에 의해 표면의 자연 산화막을 제거한다. 또한, 이와 같이 처리한 실리콘 단결정 기판(51)을 도 1의 레이저 어블레이션 처리 장치(10) 중에 상기 기판(13)으로서 도입하고, 도 2의 타겟(15)으로서 SrCO₃ 타겟을 사용한 펄스 레이저 증착법에 의해 상기 실리콘 단결정 기판(51)상에 암염 구조를 갖는 SrO막(52)을 5 내지 6㎚의 두께로 퇴적시킨다.

또한 도 2B의 공정에 있어서, SrRuO₃ 타겟을 타겟(15)으로서 사용한 펄스 레이저 증착법에 의해 상기 SrO막(52)상에 SrRuO₃막(53)을 100㎚의 두께로 퇴적시킨다. 도 2A, 도 2B의 공정에 있어서, 기판 온도는 상기 히터(12A)를 구동함으로써 800℃로 설정한다. 또한, 도 2A의 공정에서는, 상기 SrCO₃ 타겟(15)의 레이저 어블레이션을 5×10^-6Torr의 압력하에 0.5분간 행하고, 이어서 5×10^-4Torr의 압력하에 산소 가스를 12SCCM의 유량으로 공급하면서 1분간 행한다. 한편, 도 2B의 공정에서는, 상기 레이저 어블레이션을 100mTorr의 압력하에 산소 가스를 12SCCM의 유량으로 공급하면서 10분간 행한다.

이러한 방법에 따르면, 도 2B의 공정에 있어서 화살표로 나타낸 바와 같이, SrO막(52)로부터 그 위에 퇴적된 SrRuO₃막(53)으로 Sr이 확산되고, 그 결과 상기 SrO막(52)은 실질적으로 소멸되고, 최종적으로는 도 2C에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(51) 위에는 외관상 균일한 SrRuO₃ 단결정막(54)이 실리콘 기판(51)에 대하여 에피택셜한 관계를 갖고 형성된다.

이와 같이 도 2A의 공정에서 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판 표면에 형성된 SrO 에피택셜막(52)은 (001) 배향을 가지며, 그 결과, 도 2B의 공정에 있어서 상기 SrO 에피택셜막(52)상에 형성된 SrRuO₃막(53)도 (001) 배향을 갖는 것이 발견되었다.

도 3은 이와 같이 형성되는 SrRuO₃막(54)의 X선 회절 도형을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판(51)에 대응하는 Si(111)면에 의한 회절 피크 외에, 상기 SrRuO₃막(54)의 (001) 배향에 대응한 SrRuO₃의 (001)면 및 (002)면에 의한 명료한 회절 피크가 관측되는 것을 알 수 있다. 반면, 도 3 중에 화살표로 나타낸 SrRuO₃의 (110) 회절 피크 또는 (111) 회절 피크의 위치에는 회절 피크가 전혀 존재하지 않으며, 얻어진 SrRuO₃막(54)은 (001) 배향된 SrRuO₃막이라는 것이 확인된다.

도 4A는 Si의 (111)면상에서의 Si원자의 배열을, 도 4B는 도 4A의 Si(111)면상에서의 SrRuO₃ 결정의 에피택셜 성장 양상을 도시한 것이다.

도 4A를 참조하면, 도면 중에는 Si 결정의 ＜111＞ 방향으로 연장되는 3방 대칭축에 대응하여 한 변이 0.768㎚(=2×0.383㎚)인 삼각 형상으로 나란한 Si 원자의 배열이 보이며, 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 SrRuO₃막(54) 및 그 아래에 형성되는 암염 구조를 갖는 상기 SrO막(52)은 상기 Si 결정의 (111)면상에 (001)면을 일치시켜서 에피택셜로 성장한다. SrRuO₃막의 격자 상수는 0.390㎚이며, 이것은 상기 삼각 형상의 Si 원자 배열의 한 변의 길이의 약 1/2과 동등하다는 것에 주의해야 한다. 또한, 도 4A에 있어서, 삼각형의 각 변은 Si 결정의 ＜011＞ 방향으로 연장된다.

따라서, 상기 SrRuO₃막(54)은 상기 Si(111)면에 대하여 도 4C에 나타낸 Si(111)면을 구획하는 3변 중 어느 한 변에 격자 정합하여 에피택셜로 성장할 수 있다. 이와 같이 하여 방위가 상이한 3변에 대응하여 형성된 SrRuO₃ 에피택셜막(54)은 내부에 방위가 상이한 복수의 도메인 영역을 포함한다.

도 4B는 상기 SrRuO₃ 결정의 (011)면을 점선으로 도시하고 있다.

SrRuO₃ 결정은 c축 방향 즉 ＜001＞ 방향으로 4회 대칭축(pseudo-cubic axis)을 갖기 때문에, 상기 도 4B에 도시한 (011)면은 도 4C에 화살표로 도시한 바와 같이 등가의 4방향으로 존재하며, 따라서 상기 Si (111)면상에 있어서의 등가의 3방향의 존재를 고려하면, 상기 SrRuO₃ 에피택셜막(54) 중에는 c축은 모두 ＜001＞ 방향으로 배향되어 있지만 a축 방향 및 b축 방향이 서로 상이하여, 방위가 상이한 총 12개의 도메인이 형성되게 된다. 이들 도메인은 상기 SrRuO₃ 에피택셜막(54) 중에 쌍정(雙晶)을 형성한다.

도 5는, 상기 실리콘 기판(51)을 기판면 내에서, 즉 상기 기판(51)에 수직인 축(φ축)의 주위로 회전시키면서 측정한, 상기 실리콘 기판(51)에 있어서의 Si 결정의 (111)면에 의한 X선 회절 피크, 및 상기 실리콘 기판(51)을 기판면 내에서 회전시키면서 측정한, 상기 실리콘 기판(51)상에 형성된 SrRuO₃막(54)에 있어서의 SrRuO₃ 결정의 (011)면의 회절 피크를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, Si의 (111)면에서는 3방 대칭성에 대응하여 3개의 회절 피크가 120°간격으로 관측되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 SrRuO₃막(54)의 면내에서는, 상기 SrRuO₃의 (011)면의 회절 피크는 30° 간격으로 총 12개(=4×3)가 관측되는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 발명자들에 의한 본 발명의 기초가 되는 실험에 있어서, Si의 (111)면을 사용함으로써 그 위에 (001) 배향된 SrRuO₃ 등의 페로브스카이트막을 에피택셜로 형성하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다.

또한, 도 2C의 구조에 있어서 상기 SrRuO₃막(54)상에, 동일한 페로브스카이트형 구조를 갖는 SrTiO₃ 등의 유전체막(56)과 Pt 등으로 이루어지는 전극(55)을 형성함으로써, 도 6에 도시한 용량 소자(50)가 얻어진다.

상기 유전체막(56)을 SrTiO₃으로 형성하는 경우에는, 도 1의 레이저 어블레이션 장치(1)에 있어서 타겟(15)을 SrTiO₃로 변경하고, 10mTorr의 압력하에 산소 가스를 6SCCM의 유량으로 공급하면서 10분간 레이저 빔(11)을 조사한다. 이에 따라, 원하는 SrTiO₃막(56)이 (001)면 방위로 에피택셜로 얻어진다.

상기 Pt 전극(55)은, 예를 들면 냉각 후에 상기 기판(51)을 레이저 어블레이션 장치(1)로부터 꺼내고, 스퍼터 장치 중에 있어서 7.5×10^-3Torr의 압력하에 Ar 가스를 30SCCM 유동시키면서 80W의 전력으로 15분간 스퍼터링을 행함으로써 형성할 수 있다.

상기 Pt 전극(55)의 형성후, 기판(51)을 600℃의 온도에서 1시간, 산소 가스를 5리터/분의 유량으로 유동시키면서 가열함으로써, Pt 전극(55)의 스퍼터링 시에 도입된 상기 SrTiO₃막(56) 중의 손상을 회복시킨다.

앞서도 설명한 바와 같이, 도 6의 용량 소자(50)에 있어서 상기 SrRuO₃막(54)은 처음에 형성되어 있던 도 2A에 도시한 SrO막(52)을 도 2B에서 설명한 메커니즘에 의해 도입한 단일상의 막이다.

또한, 도 2A의 공정에 있어서 SrO막(52)을 두껍게 형성함으로써, 도 7에 도시한 바와 같이 도 2C의 공정 후에도 상기 SrO막(52)이 상기 실리콘 기판(51)과 SrRuO₃막(54) 사이에 남아 있도록 형성할 수 있다. 단, 도 7은 도 6의 용량 소자(50)의 일 변형예에 따른 용량 소자(50A)를 도시한 것이다.

<제2 실시예>

도 8A 내지 도 8D는 본 발명의 제2 실시예에 따른, Si(111)면상에의 SrRuO₃ 에피택셜막의 형성 공정을 도시한 것이다. 단, 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.

도 8A 내지 도 8D를 참조하면, 도 8A 내지 도 8C의 공정은 앞서 설명한 도 2A 내지 도 2C의 공정과 동일하고, 상기 도 2C의 공정에 대응하는 도 8C의 공정에 있어서 상기 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판(51)상에는 SrRuO₃의 에피택셜막(54)이 형성된다.

또한, 본 실시예에서는 도 8D의 공정에 있어서, 도 8C의 구조를, 산소 가스를 5SLM의 유량으로 유동시키면서 1050℃의 온도에서 2시간 처리하고, 상기 실리콘 기판(51)과 SrRuO₃막(54)의 계면에 열산화막(51A)을, 예를 들면 상기 SrRuO₃막(54)과 상기 열산화막(51A)의 막두께의 합이 150㎚이 되도록 형성한다.

본 실시예에서는, 상기 열산화막(51A)은 상기 SrRuO₃막(54)이 형성된 후에 형성되기 때문에, 실리콘 기판(51)과 SrRuO₃막(54) 사이에 비정질상을 갖는 열산화막(51A)이 개재되더라도, 실리콘 기판(51)과 SrRuO₃막(54) 사이의 에피택시가 소실되지는 않는다.

<제3 실시예>

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용량 소자(60)의 구성을 도시한 것이다. 단, 도 9에서 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고, 설명을 생략한다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 SrO막(52)과 SrRuO₃ 에피택셜막(54) 사이에 절연성이 좋은 중간층(52A)을 에피택셜로 개재시킨다.

이와 같은 중간층(52A)으로서는, 도 10에 도시한 형석(CaF) 구조를 갖는 ZrO₂, HfO₂, CeO₂, PrO₂ 등의 화합물, 일반식 R₂O₃를 가지며 도 11에 도시한 C-희토 구조(R은 Sc, Ce, Y, Pr, Nd, Eu, Dy, Ho, Yb, Y, Sm, Gd, Er 및 La 등)를 갖는 산화물, 또는 상기 일반식 R₂O₃를 가지며 A-희토 구조(R은 La, Ce, Pr, Nd, Gd 등)를 갖는 산화물, 또는 도 12에 도시한 파이로클로어 구조를 가지며 일반식 R₃B'O₇(R은 3가의 희토류 원소, B'는 5가의 전이금속 원소)로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 도 13은 공지의 암염 구조를 도시한 도면이다.

또한, 도 10 내지 도 13은 결정 중의 양이온 및 음이온의 원자 배열을 c축 방향으로 상이한 높이 Z에서 절단한 절단면을 따라 도시한 단면도이고, Z는 단위 셀중에서의 규격화된 높이를 나타낸다.

도 9의 실시예에 있어서는, 상기 중간층(52A)으로서 상기 SrRuO₃막(54)과 마찬가지로 페로브스카이트형의 결정 구조를 가지면서 상기 SrRuO₃막(54)과 상이한 조성을 갖는 막을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 페로브스카이트막(53, 54)으로서는, SrRuO₃, CaRuO₃, LaNiO₃, (La_xSr_1-x)CoO₃(0≤x≤1), (La_xSr_1-x)MnO₃(0≤x≤1), (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1) 중 어느 하나를 주성분으로 하는 조성의 재료를 사용하는 것이 가능하다.

특히 본 발명에 따르면, Pb(Zr, Ti)O₃(소위 PZT), (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1, (Pb_1-yLa_3/2y)(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x, y≤1)(소위 PLZT) 등의 재료를 사용함으로써, 강유전성의 에피택셜막을 형성하는 것이 가능하다. 이 때, 이러한 강유전성 페로브스카이트막에 적당한 첨가물을 가함으로써, 강유전성을 더욱 향상시키는 것이 가능하다. 예를 들면, PZT막의 경우, 2가의 전이금속 원소 B'와 5가의 전이금속 원소 B"를 첨가하여, 조성이 Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1)로 표시되는 에피택셜막을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 3가의 전이금속 원소 C'와 5가의 전이금속 원소 B"를 첨가하여, 조성이 Pb(C'_1/2B"_1/2)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1)로, 또는 Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(1≥x, y≥0, B'는 6가의 전이금속 원소, B"는 3가의 전이금속 원소)로 표시되는 에피택셜막을 형성하는 것이 가능하다. 또한, (Bi_4-xR_x)(Ti_3-yW_1/2y)O₁₂(3≥x≥0, 1≥y≥0, R은 Y, Sc를 포함하는 희토류 금속 원소), (Bi_4-xR_x)(Ti_3-yV_4/5y)0₁₂(3≥x≥0, 1≥y≥0, R은 Y, Sc를 포함하는 희토류 금속 원소)로 표시되는 에피택셜막을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 페로브스카이트막상에는 페로브스카이트막이 용이하게 성장하도록, 예를 들면 도 2C의 구조 등에 있어서 상기 페로브스카이트막(54)을 다층 구조로 형성하는 것이 가능하다.

한편, 상기 암염 구조를 갖는 막(52)으로서는, MgO, CaO, BaO, SrO 또는 이들의 혼합물을 주성분으로 하는 막을 사용하는 것이 가능하다.

또한, 도 14에 도시한 바와 같이, 도 9의 구성에 있어서 SrO막(52)을 얇게 형성하고, SrRuO₃ 에피택셜막(54)의 형성후에 중간층(52A)이 외관상 실리콘 기판(51)에 접하는 구조를 형성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 있어서 기판(51)으로서 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판을 사용했지만, 본 발명에서는 상기 기판(51)이 실리콘 기판에 한정되는 것은 아니다.

<제4 실시예>

도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 강유전체 메모리(FeRAM)(100)의 구성을 도시한 것이다.

도 15를 참조하면, FeRAM(100)은 (111) 배향을 갖는 실리콘 단결정 기판(101)상에 형성되어 있으며, 상기 실리콘 단결정 기판(101)에 대하여 에피택셜로 형성된 SrTiO₃막(102)과, 상기 SrTiO₃막(102)에 대하여 에피택셜로 형성된 PZT막(103)을 게이트 절연막으로서 포함한다.

상기 SrTiO₃막(102)은 먼저 도 2A 내지 도 2C에서 설명한 것과 동일한 공정에 의해, 단 타겟(15)으로서 SrRuO₃ 대신에 SrTiO₃을 사용하여 형성되고, 상기 (111) 배향을 갖는 실리콘 단결정 기판(101)에 대하여 (001) 배향, 즉 c축이 기판 주면에 대하여 수직이 되는 방위로 형성된다. 따라서, 상기 SrTiO₃막(102)상에 형성된 PZT막(102)도 (001) 배향을 갖는다.

또한, 상기 PZT막(103)상에는 Pt 등에 의해 게이트 전극(104)이 형성되며, 상기 실리콘 기판(101) 중에는 상기 게이트 전극(104)의 양측에 확산 영역(101A, 101B)이 형성된다.

본 실시예에 있어서 상기 PZT막(103)은, 상기 SrTiO₃막(102)이 형성된 후, 타겟(15)을 SrTiO₃에서 PZT로 변경하고, 예를 들면 650℃의 기판 온도에 있어서 200mTorr의 압력하에 산소를 6SCCM의 유량으로 공급하고, 이 상태에서 KrF 엑시머 레이저로부터의 펄스 레이저 빔(11)을 15분간 조사함으로써 형성할 수 있다.

이와 같이 하여 형성된 PZT막(103)을, 상기 타겟 전극(104)을 스퍼터링법에 의해 형성한 후, 600℃의 기판 온도에서 1시간 동안 산소를 5리터/분의 유량으로 유동시키면서 열처리하여 상기 타겟 전극(104) 형성시에 생긴 스퍼터 손상을 회복시킨다.

이러한 구성의 FeRAM(100)에서는, 상기 타겟 전극(104)에 기입 전압을 인가함으로써 상기 단결정 PZT막(103) 중에 분극이 유기되고 트랜지스터의 임계 전압이 변화된다.

따라서, 판독시에는 상기 게이트 전극(104)에 판독된 전압을 인가하고, 확산 영역(101A)과 (101B)간의 컨덕턴스를 검출함으로써, 상기 PZT막(103) 중에 잔류 분극의 형태로 기입된 정보를 판독하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 이와 같이 하여 형성된 단결정 PZT막(103)은 c축 방향이 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판 주면에 대하여 수직인 방향으로 배향되지만, PZT막에서는 분극이 c축 방향으로 생기기 때문에, 잔류 분극의 값이 최대가 된다. 따라서, 이와 같은 FeRAM에서는, 기입 전압을 최소화하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예에 있어서 도 8A 내지 도 8D와 동일한 공정을 행하고, 상기 실리콘 기판(101)과 SrTiO₃ 에피택셜막(102)간의 계면에, 상기 SrTiO₃막의 성장후에 열산화막을 형성하여 게이트 누출 전류를 감소시키는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예에 있어서 도 6, 도 7, 도 9 또는 도 14에서 설명한 어느 하나의 구성을 채용하는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예의 FeRAM(100)에 있어서, 상기 SrTiO₃ 에피택셜막(102)을 생략하고, PZT막(103)을 도 2A 내지 도 2C 또는 도 8A 내지 도 8D의 공정에 의해 형성하는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예에 있어서, 상기 PZT막(103) 대신에, Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x≤1), (Pb_1-yLa_3/2y)(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x, y≤1), Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 2가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), Pb(B'_1/2B"_1/2)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 3가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), (Sr_1-xBa_x)Nb₂O₆(0≤x≤1), (Sr_1-xBa_x)Ta₂O₆(0≤x≤1), PbNb₂O₆(0≤x≤1), Ba₂NaNb₅O₁₅, (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1) 중 어느 하나로부터 선택되는 조성을 갖는 막을 사용하는 것이 가능하다.

<제5 실시예>

도 16A, 도 16B는 본 발명의 제5 실시예에 따른 SAW 필터(200)의 구성을 도시한 것이다. 단, 도 16A는 SAW 필터(200)의 평면도를, 도 16B는 단면도를 도시한 것이다.

도 16A, 도 16B를 참조하면, SAW 필터(200)는 (111) 배향을 갖는 실리콘 기판(211)상에 형성되며, 상기 실리콘 기판(211)상에 먼저 도 2A 내지 도 2C에서 설명한 공정에 따라서 형성된 (001) 배향을 갖는 SrTiO₃ 에피택셜막(213)과, 상기 SrTiO₃ 에피택셜막(213)상에 형성된 (001) 배향을 갖는 PZT 에피택셜막(214)을 포함한다.

또한, 상기 PZT 에피택셜막(214)상에는, 빗살형 전극(215)이 형성되어 있다.

이와 같은 SAW 필터(200)에서는, 강유전성의 PZT막(214)이 (001) 배향막이기 때문에, 효율적으로 탄성 표면파를 여기할 수 있으며, 또한 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 이와 같은 (001) 배향된 PZT 등의 강유전체 에피택셜막을 갖는 적층 구조는 압전·전왜 액츄에이터 등에 적용가능하다.

본 실시예에 있어서도, 상기 PZT막(214) 대신에, Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x≤1), (Pb_1-yLa_3/2y)(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x, y≤1), Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 2가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), Pb(B'_1/2B"_1/2)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 3가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(1≥x, y≥0, B'는 6가의 전이금속 원소, B"는 3가의 전이금속 원소), (Sr_1-xBa_x)Nb₂O₆(0≤x≤1), (Sr_1-xBa_x)Ta₂O₆(0≤x≤1), PbNb₂O₆(0≤x≤1), Ba₂NaNb₅O₁₅, (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1), (Bi_4-xR_x)(Ti_3-yW_1/2y)O₁₂(3≥x≥0, 1≥y≥0, R은 Y, Sc를 포함하는 희토류 금속 원소), (Bi_4-xR_x)(Ti_3-yV_4/5y)0₁₂(3≥x≥0, 1≥y≥0, R은 Y, Sc를 포함하는 희토류 금속 원소) 중 어느 하나로부터 선택되는 조성을 갖는 막을 사용하는 것이 가능하다.

<제6 실시예>

다음으로, 본 발명의 중요한 응용예인, 압전·전왜 효과를 이용한 액츄에이터에 관하여, 본 발명의 제6 실시예로서 설명한다.

(111)면 방위를 갖는 직경 2인치의 실리콘 단결정 웨이퍼를 세정한 후, 9％의 희석 불산에 침지시켜 기판 표면의 자연 산화막을 제거한다.

다음으로, 이와 같이 처리된 실리콘 단결정 웨이퍼를 도 1의 레이저 어블레이션 장치(1)의 처리 용기(10) 중에 피처리 기판(13)으로서 도입하고, 이것을 800℃의 온도로 유지한다. 또한, 상기 처리 용기(10) 내부를 5×10^-6 Torr의 압력까지 감압하고, 이어서 5×10^-4 Torr의 압력하에 12SCCM의 유량으로 산소 가스를 유동시키면서 SrO 타겟(15)을 Nd:YAG 레이저로부터의 펄스 레이저 빔(11)에 의해 1분간 조사하고, 먼저 도 2A에서 설명한 공정에 대응하는 도 17A의 공정을 실행한다. 이에 따라, 상기 피처리 기판(13)에 대응하는 (111)면 방위를 갖는 실리콘 기판(151)상에 (001)면 방위의 SrO막(52)이 에피택셜로 형성된다.

다음으로, 도 1의 레이저 어블레이션 장치(1)에 있어서 타겟(15)을 SrRuO₃ 타겟으로 변경하고, 100mTorr의 압력하에 산소를 6SCCM의 유량으로 공급하면서 상기 SrRuO₃ 타겟(15)을 펄스 레이저 빔(11)에 의해 10분간 조사한다. 이에 따라, 도 17B에 도시한 바와 같이 SrRuO₃막(153)이 상기 SrO막(152)상에 (001)면 방위로 에피택셜로 성장되는데, 이 때에 상기 SrO막(152) 중의 Sr이 상기 SrRuO₃막(153)에 확산되고, 그 결과, 도 17C에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(151)상에 단일상의 SrRuO₃막(153)이 에피택셜한 관계를 유지한 상태로 얻어진다.

다음으로, 도 17D의 공정에 있어서 도 17C의 구조는 상기 처리 용기(10)로부터 외부로 취출하고, 냉각후, Pb:La:Zr:Ti 조성비가 113:3:45:55인 PLZT 졸겔 용액을 상기 SrRuO₃막(154)상에 0.3㏄ 적하하고, 기판(151)을 회전시키고, 이어서 350℃의 온도로 유지되는 핫 플레이트 상에서 용매를 증발시킴으로써, 상기 SrRuO₃막(154)상에 PLZT 스핀 코팅막(155)을 형성한다.

이와 같은 스핀 코팅막(155)의 형성을 3회 정도 반복한 후, 650℃의 온도에서 10분간, 5리터/분의 유량으로 산소 가스를 공급하면서 열처리하여 상기 PLZT 스핀 코팅막(155)을 결정화시킨다. 이와 같은 결정화시, 상기 PLZT막(155)은 그 아래의 SrRuO₃막(154)과 에피택시를 유지하고, (001)면 방위로 결정화된다.

또한, 도 17E의 공정에 있어서 상기 PLZT막(155)상에 소정의 마스크를 이용하여 스퍼터링을 행함으로써 Pt막을 형성하고, 이에 따라 Pt 전극(156)을 형성한다.

도 17E의 구조는 유니몰프(unimorph)형의 압전 액츄에이터를 구성한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 상기의 특정한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구의 범위에 기재된 요지내에서 여러가지 변형·변경이 가능하다.

본 발명에 따르면, (111) 배향된 단결정막상에 암염 구조를 갖는 금속 산화물막을 형성함으로써, 상기 금속 산화물막을 (001) 배향으로 제어하는 것이 가능해지고, 따라서 이러한 (001) 배향된 금속 산화물막상에 페로브스카이트형 구조를 갖는 기능성 금속 산화물막을 형성함으로써, 상기 기능성 금속 산화물막의 배향을 기능성이 강하게 발현되는 (001) 배향 방향으로 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 이와 같은 (001) 배향을 갖는 기능성 금속 산화물막을 사용함으로써, 강유전체 메모리나 SAW 필터, 강유전체 액츄에이터 등의 여러가지 기능 소자를 형성하는 것이 가능하다.

Claims (22)

1. (111) 배향된 기판,

   상기 기판상에 형성된 (001) 배향의 페로브스카이트 구조를 갖는 에피택셜막, 및

   상기 에피택셜막상에 형성된 전극을 포함하는 용량 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 에피택셜막상에 별도의 페로브스카이트 구조를 갖는 에피택셜막이 (001) 배향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 별도의 에피택셜막이 강유전체막인 것을 특징으로 하는 용량 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 별도의 에피택셜막이 Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x≤1), (Pb_1-yLa_3/2y)(Zr_1-xTi_x)O₃(0≤x, y≤1), Pb(B'_1/3B"_2/3)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 2가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), Pb(B'_1/2B"_1/2)_xTi_yZr_1-x-yO₃(0≤x, y≤1, B'는 3가의 전이금속 원소, B"는 5가의 전이금속 원소), (Sr_1-xBa_x)Nb₂O₆(0≤x≤1), (Sr_1-xBa_x)Ta₂O₆(0≤x≤1), PbNb₂O₆(0≤x≤1), Ba₂NaNb₅O₁₅, (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1) 중 어느 하나로부터 선택되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 비정질막이 개재된 것을 특징으로 하는 용량 소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 암염 구조를 갖는 별도의 에피택셜막이 (001) 배향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
8. 제7항에 있어서, 상기 암염 구조를 갖는 별도의 에피택셜막이 MgO, CaO, BaO, SrO 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
9. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 상기 에피택셜막에 접하여 형석(螢石) 구조를 갖는 중간층이 상기 기판에 대하여 에피택셜로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
10. 제9항에 있어서, 상기 중간층이 ZrO₂, HfO₂, CeO₂ 및 PrO₂로부터 선택되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
11. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 상기 에피택셜막에 접하여 C-희토 구조를 갖는 중간층이 상기 기판에 대하여 에피택셜로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
12. 제11항에 있어서, 상기 중간층이, R이 Sc, Ce, Y, Pr, Nd, Eu, Tb, Dy, Ho, Yb, Y, Sm, Gd, Er 및 La 중 어느 하나인 R₂O₃로 표시되는 조성을 갖는 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
13. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 상기 에피택셜막에 접하여 A-희토 구조를 갖는 중간층이 상기 기판에 대하여 에피택셜로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
14. 제13항에 있어서, 상기 중간층이, R이 La, Ce, Pr, Nd, Gd 중 어느 하나인 R₂O₃로 표시되는 조성을 갖는 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
15. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 에피택셜막 사이에 상기 에피택셜막에 접하여 파이로클로어(pyrochlore) 구조를 갖는 중간층이 상기 기판에 대하여 에피택셜로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
16. 제1항에 있어서, 상기 에피택셜막이 SrRuO₃, CaRuO₃, LaNiO₃, (La_xSr_1-x)CoO₃(0≤x≤1), (La_xSr_1-x)MnO₃(0≤x≤1), (Ba_xSr_1-x)TiO₃(0≤x≤1) 중 어느 하나를 주성분으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 용량 소자.
17. (111) 배향된 단결정 반도체층,

    상기 단결정 반도체층상에 형성된 게이트 전극,

    상기 단결정 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체 에피택셜막, 및

    상기 단결정 반도체층 중 상기 게이트 전극의 양측에 형성된 1쌍의 확산 영역으로 이루어지는 강유전체 메모리에 있어서,

    상기 강유전체 에피택셜막이 (001) 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리.
18. (111) 배향된 단결정 반도체층,

    상기 단결정 반도체층상에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체 에피택셜막, 및

    상기 강유전체 에피택셜막상에 형성된 빗살형 전극으로 이루어지고,

    상기 강유전체 에피택셜막은 (001) 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
19. (111) 배향을 갖는 기판상에 (001) 배향을 갖는 암염 구조의 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정, 및

    상기 금속 산화물막상에 (001) 배향을 갖고 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화막을 성장시키는 공정을, 상기 암염 구조의 금속 산화물막이 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화막 중에 고용(固溶)되도록 실행하는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화막을 형성시킨 후, 상기 기판을 산화 분위기 중에서 열처리하고, 상기 기판과 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물 사이에 상기 기판 표면에 접하도록 열산화막을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법.
22. 제19항에 있어서, 상기 암염 구조의 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정 및 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물막을 에피택셜로 성장시키는 공정 각각이, 각각의 타겟을 레이저 빔에 의해 증발시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트형 에피택셜막의 형성 방법.