JP2001181089A - 薄膜積層体、強誘電体薄膜素子およびそれらの製造方法 - Google Patents

薄膜積層体、強誘電体薄膜素子およびそれらの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】Si基板上に結晶性の良好なエピタキシャル強
誘電体薄膜を形成させうる機能を持つ下地金属薄膜およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶Si基板と、単結晶Si基板上にエ
ピタキシャル成長したMgOバッファ層と、MgOバッ
ファ層上にエピタキシャル成長したIrまたはRhから
なる金属薄膜とを有してなる薄膜積層体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Si基板を用いた
強誘電体薄膜素子、例えば、DRAMや強誘電体RAM
(FeRAM)用のキャパシタや、焦電素子、マイクロ
アクチュエーター、薄膜キャパシタ、小型圧電素子等に
応用が可能な薄膜積層体およびそれらの製造方法に関
し、詳しくは、Si基板上にバッファ層を介してエピタ
キシャル成長させた金属薄膜およびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、BaTiO3、SrTiO3、(B
a,Sr)TiO3(以下、BSTと略称する)、Pb
TiO3、(Pb,La)TiO3、Pb(Zr,Ti)
3(以下、PZTと略称する)、(Pb,La)(Z
r,Ti)O3(以下、PLZTと略称する)、Pb
(Mg,Nb)O3等の誘電体・強誘電体をSi基板上
へ薄膜形成する技術が盛んに研究されている。
【0003】とりわけ、残留分極の大きなPZT、PL
ZT等のPb系ペロブスカイト型強誘電体をエピタキシ
ャル成長させることができれば、自発分極を一方向に揃
えることができ、より大きな分極値とスイッチング特性
を実現することができる。これにより、高密度記録媒体
としての応用可能性も飛躍的に高まるため、Si基板上
に結晶性の良好な強誘電体薄膜を形成する手法の確立が
強く望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、自発分極を膜厚方向の一方向にそろえる用途の場
合、Si基板上に強誘電体薄膜を上下から金属薄膜(電
極層)で挟み込んだいわゆるMFM(金属−強誘電体−
金属)構造が一般的に用いられている。しかしながら、
この構造においては以下に述べる理由から強誘電体薄膜
の結晶性を向上させることが難しく、いまだ十分に満足
のゆく結晶性を有する強誘電体薄膜が得られていない。
【0005】すなわち、Si基板上に形成する金属薄膜
(下部電極)として、Al、Cu、Ag、Au等の金属
材料を用いると、該下部電極上に強誘電体薄膜を形成す
る際に金属薄膜と強誘電体薄膜との界面に金属酸化膜が
形成される。また、上述の金属材料はSi基板との間で
相互拡散が生じやすく、Si基板上に半導体素子等が形
成されている場合には、その特性を変化させる恐れがあ
る。
【0006】また、金属薄膜としてPtを用いる手法も
考えられる。Ptは大気中でも酸化されにくく、かつP
ZTやPLZT、BST等の強誘電体とも格子整合しや
すいという利点を有している。しかし、PtはSiやP
b等の元素と化合物を形成しやすいという性質を有して
いるため、Si基板上に形成された半導体素子の特性を
変化させたり、Pbを含有する強誘電体と界面において
化合物を形成し、上に形成される強誘電体薄膜の結晶性
を劣化させる恐れがあった。また、Pt薄膜の粒界を通
じて酸素が下層に拡散する現象も見られ、Pt自体は酸
化されにくいものの、例えば半導体素子等、Pt薄膜の
下層に位置する素子や膜の特性に悪影響を与える恐れが
あった。
【0007】この点、面心立方構造を有するIrやRh
は、Ptと同様に導電率が高く、またPtに比べて加工
が容易である上、酸素の拡散バリア機能を有しており、
酸素がIr薄膜を通過して下層に拡散するという現象は
生じない。また、他元素と反応を起しにくいので、Pt
を用いたときのような半導体素子の特性の変化や強誘電
体薄膜の結晶性の劣化といった問題を抑制することがで
きる。
【0008】このように、Ir、Rhは結晶性の良好な
強誘電体薄膜を作製するための電極層として好適な材料
であるといえる。しかしながら、Si基板上にIr、R
h薄膜を形成する場合、従来の方法ではエピタキシャル
成長をさせることは困難であった。例えば、中村等はP
ZT薄膜キャパシタの電極としてIr薄膜をSiO2
Si基板上にRFマグネトロンスパッタリング法を用い
て形成したが(Jpn.J.Appl.Phys. Vol.34 (1995),518
4)、得られたIr薄膜はエピタキシャル膜にはなら
ず、(111)優先配向膜であった。また、堀井等はY
SZ/Si基板上にIr薄膜をスパッタリング法により
形成したが(第45回応用物理学関係連合講演会(199
8)、講演予稿集29a−Zf−11)、(100)と(11
1)配向が混在する膜しか得られていなかった。
【0009】そこで本発明は、Si基板上に結晶性の良
好なエピタキシャル強誘電体薄膜を形成させうる機能を
持つ下地金属薄膜およびその製造方法を提供することを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
を重ねた結果、Si基板上にバッファ層としてMgO層
を介在して形成することにより、面心立方構造を有する
IrやRhをSi基板上にエピタキシャル成長させうる
ことを見出し本発明を完成させるに至った。
【0011】すなわち、Si基板上にIrやRhをエピ
タキシャル成長させるためには、適切なバッファ層を選
ぶことが重要なポイントであることに着目した。MgO
の格子長は0.421nmであり、MgOはSi基板上
でエピタキシャル成長する。一方、面心立方構造を有す
るIrは格子長が0.384nmで、Rhは格子長が
0.372nmであり、MgOの格子長と非常に近似し
ているため、MgO膜上にIrやRhをエピタキシャル
成長させることが可能である。
【0012】また、MgO薄膜をエピタキシャルIr薄
膜やエピタキシャルRh薄膜形成のためのバッファ層と
して用いる場合、MgO薄膜の結晶性のみならず、その
表面が高い平坦性を有するものであることが望ましい。
この点につき実験を重ねた結果、350〜900℃の成
膜温度において1.0〜2.0nm/分の成膜速度でM
gOバッファ層を形成することにより、エピタキシャル
Ir薄膜やエピタキシャルRh薄膜を形成するために十
分な平坦性(具体的には表面平均粗さが1.5nm以
下)を実現しうることを見出した。
【0013】また、Ir薄膜やRh薄膜を結晶性の良好
な強誘電体薄膜形成のための下部電極として用いる場
合、Ir薄膜やRh薄膜の結晶性のみならず、その表面
も高い平坦性を有するものであることが望ましい。この
点につき実験を行った結果、500〜900℃の成膜温
度において1.0〜2.0nm/分の成膜速度でIr電
極層やRh電極層を形成することにより、結晶性の良好
な強誘電体薄膜を形成するために十分な平坦性(具体的
には表面平均粗さが1.5nm以下)を実現しうること
を見出した。
【0014】
【発明の実施の形態】[第1実施例]本実施例では、本
発明の薄膜積層体を用いて構成した薄膜キャパシタ、お
よびその製造方法について、図1を用いて説明する。
【0015】図1は本実施例の薄膜キャパシタ10の構
造を示す断面図である。図において、1はSi基板、2
はSi基板1上にエピタキシャル成長したバッファ層で
あるMgO薄膜、3はMgO薄膜2上にエピタキシャル
成長した薄膜キャパシタの下部電極となるIr薄膜、4
はIr薄膜3上にエピタキシャル成長したPZT薄膜、
5はPZT薄膜4上に形成され薄膜キャパシタの上部電
極となるPt薄膜をそれぞれ示している。
【0016】次に、上述の薄膜キャパシタ10の製造方
法について説明する。まず、Si基板1として直径2イ
ンチのSi(001)単結晶基板を用意する。このSi
基板にアセトン、エタノール等の有機溶媒中で超音波洗
浄を施し、HF:H2O:エタノール=1:1:10の
溶液中に浸漬し、Si基板表面の酸化膜を除去する。
【0017】次いで、レーザー蒸着装置(Pulsed Laser
Deposition(PLD)装置)を用いて、基板上に表1
にまとめた条件で厚さ約50nmのMgO薄膜2を形成
する。得られるMgO薄膜2はエピタキシャル膜とな
る。このとき、成膜装置内の酸素圧力が10-5Torr
台でもMgO薄膜がエピタキシャル成長することが確認
されているが、より結晶性の高いMgO薄膜を得て、そ
の上に形成されるIr薄膜の結晶配向性を向上させるた
めには、圧力を10-6Torr台以下とすることが望ま
しい。また、使用するMg金属ターゲットの純度は9
9.9%以上であることが望ましい。さらに、ターゲッ
トには焼結体MgOターゲットを用いることもでき、そ
の際の焼結体MgOの相対密度は90%以上、より好ま
しくは95%以上であることが望ましい。
【0018】
【表1】
【0019】さらに、MgO薄膜の形成後、酸素の供給
を止め10分間以上の排気を行いバックグラウンドの圧
力を2×10-7Torrにし、成膜に使用するターゲッ
トを変更する。次に、成長室の圧力を圧力調節バルブを
用いて2×10-6Torrに設定し、上記MgO薄膜を
バッファ層として、表2にまとめた条件で厚さ約100
nmのIr薄膜3を形成する。このとき、Irの格子長
はMgOの格子長と非常に近い値をしており、得られる
Ir薄膜3はMgO薄膜上にエピタキシャル成長する。
また、使用するIr金属ターゲットの純度は99.9%
以上であることが望ましい。
【0020】
【表2】
【0021】なお、上述のMgO薄膜2とIr薄膜3
は、同一の成膜装置において、形成する薄膜に対応した
ターゲットを切り換えることにより連続的に成膜した。
【0022】このようにして得られたエピタキシャルI
r薄膜3上にPZT薄膜を形成することにより、エピタ
キシャル成長したPZT薄膜4が得られる。このPZT
薄膜4上に薄膜キャパシタ10の上部電極として例えば
Pt薄膜5を蒸着等の手法により成膜することにより、
薄膜キャパシタ10を形成することができる。
【0023】ここで、上述の方法によって得られた薄膜
キャパシタ10の各薄膜の結晶性、表面平坦性について
の分析結果について説明する。まず、Si基板上に形成
したIr/MgO積層体のXRD回折パターンを図2に
示す。この図から明らかなように、基板のSi(00
1)に起因するピークの他には、MgO(002)とI
r(002)のピークみが検出されており、各薄膜が
(001)配向して形成されていることがわかる(Mg
Oの回折強度がIrよりも弱いので、縦軸のスケールを
20倍に拡大したものを図中に示した)。すなわち、膜
成長方向の配向関係はIr(001)//MgO(00
1)//Si(001)となっている。
【0024】また、MgO薄膜とIr薄膜の膜面内での
配向性を確認するために、それぞれの(220)面の極
点図解析を行った。結果を図3に示す。図から理解でき
るように、4回対称のピークが得られており、MgO薄
膜、Ir薄膜ともにエピタキシャル成長していることが
わかる。なお、高速反射電子回折(RHEED)のその
場観察より、Si基板、MgO薄膜およびIr薄膜の面
内配向関係は、Ir[100]//MgO[100]/
/Si[100]であることが確認できた。
【0025】なお、従来技術との比較のために、本実施
例のIr薄膜に相当する部分をPtに置き換えた比較例
を作製した。Pt薄膜部分以外の薄膜構成および成膜条
件は第1実施例のものと同一である。Pt薄膜の作製
は、純度99.9パーセント以上のPt金属ターゲット
を用いたRFスパッタリング法により行った。この比較
例のPt薄膜部分と第1実施例のIr薄膜部分の比較結
果を以下の表3にまとめる。
【0026】
【表3】
【0027】上述の表3から理解されるように、本実施
例のIr薄膜の方が比較例のPt薄膜に比べて結晶性が
良好であり((002)ピークの半値幅が小さい点か
ら)、かつ表面がより平坦で緻密な結晶薄膜が得られて
いることがわかる。なお、(002)ピークの半値幅は
XRDのロッキングカーブから求めた。また、表面平均
粗さは、AFMを用いて薄膜表面5μm×5μmの面積
について測定したものである。この比較例のPt薄膜と
第1実施例のIr薄膜のそれぞれの表面AFM像を図4
に示す。この図からも確認できるように、比較例のもの
は凹凸があって比較的粗であるのに対し、本実施例のも
のは表面が平坦でより緻密であることがわかる。
【0028】なお、上述の実施例ではSi(001)基
板を用いたが、これに限らずSi(111)、Si(1
10)等の基板を使用してもよい。また、上述の実施例
ではPulsed Laser Deposition(PLD)装置を用いて
MgO薄膜とIr薄膜を形成したが、これに限らず、イ
オンビーム蒸着法、イオンビームスパッタリング法、電
子ビーム蒸着法、分子線エピタキシー法(MBE法)、
および化学蒸着法(CVD法)等の方法を用いて薄膜を
形成してもよい。
【0029】また、本実施例においては、エピタキシャ
ル成長させたIr薄膜上に、エピタキシャル成長させた
PZT薄膜を形成したが、これに限らず、1軸以上の高
い配向性を有する誘電体薄膜や強誘電体薄膜を同様に形
成することが可能となる。
【0030】さらに、本実施例においては、エピタキシ
ャル成長させたIr薄膜を薄膜キャパシタ10の下部電
極として用いた例を示したが、エピタキシャル成長した
Ir/MgO/Si基板という構造を有する薄膜積層体
は、薄膜キャパシタ以外の強誘電体薄膜素子、例えばD
RAMや強誘電体RAM(FeRAM)用のキャパシタ
や、焦電素子、マイクロアクチュエーター、小型圧電素
子等の電極膜等の用途に使用することも可能である。
【0031】[第2実施例]本発明の第2実施例は、第
1実施例のIr薄膜3に相当する部分をRh薄膜に置き
換えた点が特徴である。Rh薄膜の形成にあたっては純
度99.9%以上のRh金属ターゲットを使用した。そ
の他の薄膜の構成および成膜条件については、第1実施
例のそれと変るところはないのでその説明を省略する。
【0032】Ir薄膜をRh薄膜に変えた本実施例にお
いても、X線回折による分析の結果、Rh薄膜がエピタ
キシャル成長していることが確認された。また、本実施
例のRh薄膜の表面状態をAFMにより観察したとこ
ろ、その表面は平坦かつ緻密な膜になっていることが確
認された。
【0033】
【発明の効果】上述の説明からも明らかなように、Si
基板上にバッファ層としてエピタキシャルMgO層を介
在させ、MgO層上に面心立方構造を有するIrやRh
金属薄膜を形成した薄膜積層構造を採用することによ
り、Si基板上に結晶性、表面平坦性の良好なエピタキ
シャル金属薄膜を形成することができる。また、このエ
ピタキシャル金属薄膜上には、1軸以上の高い配向性を
有する強誘電体等の機能性薄膜を形成することが可能と
なる。
【0034】また、IrやRhは酸素の拡散や他元素と
の反応を起しにくい。従って、Si基板上に強誘電体薄
膜素子を形成する場合に、エピタキシャル成長したIr
薄膜やRh薄膜を強誘電体薄膜素子の下部電極として用
いれば、Si基板上に形成された半導体素子等の特性に
変化を与えず、かつ結晶性の良好な強誘電体薄膜を形成
可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例で形成された薄膜キャパシ
タの構造を示す断面図である。
【図2】第1実施例で得られた薄膜積層体のX線回折結
果である。
【図3】第1実施例のMgO薄膜とIr薄膜の膜面内で
の配向性を示す極点図解析結果である。
【図4】第1実施例のIr薄膜と比較例のPt薄膜それ
ぞれの表面を示すAFM像である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 MgO薄膜 3 Ir薄膜 4 PZT薄膜 5 Pt薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8242 H01L 41/18 101Z 21/8247 H01G 4/06 102 29/788 29/792 41/18 // H01G 4/33

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶Si基板と、単結晶Si基板上にエ
    ピタキシャル成長したMgOバッファ層と、MgOバッ
    ファ層上にエピタキシャル成長したIrまたはRhから
    なる金属薄膜とを有してなる薄膜積層体。
  2. 【請求項2】単結晶Si基板と、単結晶Si基板上にエ
    ピタキシャル成長したMgOバッファ層と、MgOバッ
    ファ層上にエピタキシャル成長したIrまたはRhから
    なる金属薄膜と、金属薄膜上に配向成長した強誘電体薄
    膜と、強誘電体薄膜上に形成された上部電極とを有して
    なる強誘電体薄膜素子。
  3. 【請求項3】前記単結晶Si基板と前記MgOバッファ
    層の結晶学的関係が、MgO(001)//Si(00
    1)、面内方位MgO[100]//Si[100]で
    あることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の
    薄膜積層体または強誘電体薄膜素子。
  4. 【請求項4】前記単結晶Si基板と前記MgOバッファ
    層と前記金属薄膜の結晶学的関係が、金属薄膜(00
    1)//MgO(001)//Si(001)、面内方
    位金属薄膜[100]//MgO[100]//Si
    [100]であることを特徴とする請求項1または請求
    項2に記載の薄膜積層体または強誘電体薄膜素子。
  5. 【請求項5】前記MgOバッファ層は、表面平均粗さが
    1.5nm以下であることを特徴とする請求項1、請求
    項2、請求項3または請求項4に記載の薄膜積層体また
    は強誘電体薄膜素子。
  6. 【請求項6】前記金属薄膜は、表面平均粗さが1.5n
    m以下であることを特徴とする請求項1、請求項2、請
    求項3、請求項4または請求項5に記載の薄膜積層体ま
    たは強誘電体薄膜素子。
  7. 【請求項7】単結晶Si基板上にMgOバッファ層をエ
    ピタキシャル成長させる工程と、MgOバッファ層上に
    IrまたはRhからなる金属薄膜をエピタキシャル成長
    させる工程とを有してなる薄膜積層体の製造方法。
  8. 【請求項8】単結晶Si基板上にMgOバッファ層をエ
    ピタキシャル成長させる工程と、MgOバッファ層上に
    IrまたはRhからなる金属薄膜をエピタキシャル成長
    させる工程と、金属薄膜上に強誘電体薄膜を配向成長さ
    せる工程と、強誘電体薄膜上に上部電極を形成する工程
    とを有してなる強誘電体薄膜素子の製造方法。
  9. 【請求項9】前記MgOバッファ層は、350〜900
    ℃の成膜温度、および1.0〜2.0nm/分の成膜速
    度で形成されたことを特徴とする請求項7または請求項
    8に記載の薄膜積層体の製造方法または強誘電体薄膜素
    子の製造方法。
  10. 【請求項10】前記金属薄膜は、500〜900℃の成
    膜温度、および1.0〜2.0nm/分の成膜速度で形
    成されたことを特徴とする請求項7、請求項8または請
    求項9に記載の薄膜積層体の製造方法または強誘電体薄
    膜素子の製造方法。
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