JP2003151976A - 高誘電率絶縁膜、ゲート絶縁膜および半導体装置 - Google Patents
高誘電率絶縁膜、ゲート絶縁膜および半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 リーク特性、耐圧特性および表面平滑性に優
れ、比較的に高誘電率で、微細化および小型化が可能な
ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として好ましく用いること
ができる高誘電率絶縁膜と、それを用いる半導体装置を
提供すること。 【解決手段】 半導体基板４と、半導体基板４の表面に
直接にまたは他の層を介して形成される高誘電率絶縁膜
８とを有する半導体装置である。高誘電率絶縁膜８が、
ビスマス層状化合物を主成分とし、当該ビスマス層状化
合物のｃ軸が前記半導体基板の表面に対して垂直に配向
しており、前記ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ
２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正
数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａおよび
Ｂｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦ
ｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、
ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素であ
る。
れ、比較的に高誘電率で、微細化および小型化が可能な
ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として好ましく用いること
ができる高誘電率絶縁膜と、それを用いる半導体装置を
提供すること。 【解決手段】 半導体基板４と、半導体基板４の表面に
直接にまたは他の層を介して形成される高誘電率絶縁膜
８とを有する半導体装置である。高誘電率絶縁膜８が、
ビスマス層状化合物を主成分とし、当該ビスマス層状化
合物のｃ軸が前記半導体基板の表面に対して垂直に配向
しており、前記ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ
２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正
数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａおよび
Ｂｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦ
ｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、
ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素であ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高誘電率絶縁膜に
係り、さらに詳しくは、リーク特性、耐圧特性および表
面平滑性に優れ、比較的に高誘電率で、たとえば半導体
装置や無機ＥＬ素子などの各種電子部品に使用可能であ
り、特に微細化および小型化が可能なＭＯＳＦＥＴのゲ
ート絶縁膜として好ましく用いることができる高誘電率
絶縁膜と、それを用いる半導体装置とに関する。
係り、さらに詳しくは、リーク特性、耐圧特性および表
面平滑性に優れ、比較的に高誘電率で、たとえば半導体
装置や無機ＥＬ素子などの各種電子部品に使用可能であ
り、特に微細化および小型化が可能なＭＯＳＦＥＴのゲ
ート絶縁膜として好ましく用いることができる高誘電率
絶縁膜と、それを用いる半導体装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩの小型化および高集積化に伴い、
ＬＳＩに多数用いられているＭＯＳＦＥＴなどの素子の
小型化も求められ、それに伴い、ゲート長（ゲート電極
の幅）の縮小化およびゲート絶縁膜の薄膜化が進んでい
る。従来のゲート絶縁膜としては、その成膜の容易性な
どから酸化シリコン膜が用いられている。
ＬＳＩに多数用いられているＭＯＳＦＥＴなどの素子の
小型化も求められ、それに伴い、ゲート長（ゲート電極
の幅）の縮小化およびゲート絶縁膜の薄膜化が進んでい
る。従来のゲート絶縁膜としては、その成膜の容易性な
どから酸化シリコン膜が用いられている。
【０００３】ところが、酸化シリコン膜は、その比誘電
率が約４程度に低いため、幅が狭いゲート電極に加わる
電界を、ゲート絶縁膜を介して半導体基板（一般にはシ
リコン基板）の表面のチャネル領域に印加するために
は、酸化シリコン膜の膜厚を、さらに薄くしなければな
らない。その理由は、誘電率の低い酸化シリコン膜をゲ
ート絶縁膜として用いることから、ゲート電極とチャネ
ル領域との容量カップリングを上げるためには、膜厚を
薄くせざるを得なかったためである。
率が約４程度に低いため、幅が狭いゲート電極に加わる
電界を、ゲート絶縁膜を介して半導体基板（一般にはシ
リコン基板）の表面のチャネル領域に印加するために
は、酸化シリコン膜の膜厚を、さらに薄くしなければな
らない。その理由は、誘電率の低い酸化シリコン膜をゲ
ート絶縁膜として用いることから、ゲート電極とチャネ
ル領域との容量カップリングを上げるためには、膜厚を
薄くせざるを得なかったためである。
【０００４】ところが、薄い酸化シリコン膜をゲート絶
縁膜として用いると、トンネル電流によるリーク電流が
問題になり、酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用い
ることは、ＭＯＳＦＥＴなどの素子の小型化のネックに
なってきている。
縁膜として用いると、トンネル電流によるリーク電流が
問題になり、酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用い
ることは、ＭＯＳＦＥＴなどの素子の小型化のネックに
なってきている。
【０００５】そこで、最近では、高誘電率薄膜をゲート
絶縁膜として用いることが提案されている。高誘電率薄
膜は、酸化シリコン膜よりも比誘電率が大きく、容量カ
ップリングが大きいことから、酸化シリコン膜ほどに
は、薄くする必要が無く、耐リーク電流特性に優れ、Ｍ
ＯＳＦＥＴなどの素子の小型化に寄与することが期待さ
れている。
絶縁膜として用いることが提案されている。高誘電率薄
膜は、酸化シリコン膜よりも比誘電率が大きく、容量カ
ップリングが大きいことから、酸化シリコン膜ほどに
は、薄くする必要が無く、耐リーク電流特性に優れ、Ｍ
ＯＳＦＥＴなどの素子の小型化に寄与することが期待さ
れている。
【０００６】ゲート絶縁膜として提案されている従来の
高誘電率薄膜としては、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２ 、Ｌａ
２ Ｏ３ などの希土類元素の酸化物などの高誘電率薄
膜がある。これらの薄膜の比誘電率は、２０〜３０程度
である。
高誘電率薄膜としては、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２ 、Ｌａ
２ Ｏ３ などの希土類元素の酸化物などの高誘電率薄
膜がある。これらの薄膜の比誘電率は、２０〜３０程度
である。
【０００７】しかしながら、これらの薄膜をシリコン基
板の表面に直接に形成すると、シリコン基板との界面
に、誘電率の低い酸化シリコンが形成されてしまい、ゲ
ート絶縁膜の実効的な誘電率を低下させてしまう。その
ため、必要な容量カップリング特性を得るためには、ゲ
ート絶縁膜の膜厚を薄くせざるを得ず、やはり、リーク
特性および耐電圧特性に課題を有している。
板の表面に直接に形成すると、シリコン基板との界面
に、誘電率の低い酸化シリコンが形成されてしまい、ゲ
ート絶縁膜の実効的な誘電率を低下させてしまう。その
ため、必要な容量カップリング特性を得るためには、ゲ
ート絶縁膜の膜厚を薄くせざるを得ず、やはり、リーク
特性および耐電圧特性に課題を有している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
実状に鑑みてなされ、その目的は、リーク特性、耐圧特
性および表面平滑性に優れ、比較的に高誘電率で、微細
化および小型化が可能なＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜と
して好ましく用いることができる高誘電率絶縁膜と、そ
れを用いる半導体装置を提供することである。
実状に鑑みてなされ、その目的は、リーク特性、耐圧特
性および表面平滑性に優れ、比較的に高誘電率で、微細
化および小型化が可能なＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜と
して好ましく用いることができる高誘電率絶縁膜と、そ
れを用いる半導体装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】本発明者等
は、特にゲート絶縁膜の材質に関して鋭意検討した結
果、特定組成のビスマス層状化合物を用い、しかも該ビ
スマス層状化合物のｃ軸（［００１］方位）を基板面に
対して垂直に配向させて高誘電率絶縁膜を構成すること
により、すなわち基板面に対してビスマス層状化合物の
ｃ軸配向膜（薄膜法線がｃ軸に平行）を形成することに
より、薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎ
δが低い）を与えることができ、リーク特性に優れ、耐
圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも
優れる高誘電率絶縁膜、およびこれを用いたゲート絶縁
膜を提供できることを見出した。また、このような高誘
電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、ゲ
ート絶縁膜のリーク特性および耐圧が向上し、ＭＯＳＦ
ＥＴの小型化が図れることを見出し、本発明を完成させ
るに至った。
は、特にゲート絶縁膜の材質に関して鋭意検討した結
果、特定組成のビスマス層状化合物を用い、しかも該ビ
スマス層状化合物のｃ軸（［００１］方位）を基板面に
対して垂直に配向させて高誘電率絶縁膜を構成すること
により、すなわち基板面に対してビスマス層状化合物の
ｃ軸配向膜（薄膜法線がｃ軸に平行）を形成することに
より、薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎ
δが低い）を与えることができ、リーク特性に優れ、耐
圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも
優れる高誘電率絶縁膜、およびこれを用いたゲート絶縁
膜を提供できることを見出した。また、このような高誘
電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、ゲ
ート絶縁膜のリーク特性および耐圧が向上し、ＭＯＳＦ
ＥＴの小型化が図れることを見出し、本発明を完成させ
るに至った。
【００１０】すなわち、本発明に係る高誘電率絶縁膜
は、ｃ軸が基板面に対して垂直に配向しているビスマス
層状化合物を有する高誘電率絶縁膜であって、該ビスマ
ス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であることを特徴とする。
は、ｃ軸が基板面に対して垂直に配向しているビスマス
層状化合物を有する高誘電率絶縁膜であって、該ビスマ
ス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であることを特徴とする。
【００１１】本発明に係るゲート絶縁膜は、ｃ軸が基板
面に対して垂直に配向しているビスマス層状化合物を有
するゲート絶縁膜であって、該ビスマス層状化合物が、
組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正数、記号
ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから
選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、
Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏおよび
Ｗから選ばれる少なくとも１つの元素であることを特徴
とする。
面に対して垂直に配向しているビスマス層状化合物を有
するゲート絶縁膜であって、該ビスマス層状化合物が、
組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正数、記号
ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから
選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、
Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏおよび
Ｗから選ばれる少なくとも１つの元素であることを特徴
とする。
【００１２】本発明に係る半導体装置は、半導体基板
と、前記半導体基板の表面に直接にまたは他の層を介し
て形成される高誘電率絶縁膜とを有する半導体装置であ
って、前記高誘電率絶縁膜が、ビスマス層状化合物を主
成分とし、当該ビスマス層状化合物のｃ軸が前記半導体
基板の表面に対して垂直に配向しており、前記ビスマス
層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂ ｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であることを特徴とする。
と、前記半導体基板の表面に直接にまたは他の層を介し
て形成される高誘電率絶縁膜とを有する半導体装置であ
って、前記高誘電率絶縁膜が、ビスマス層状化合物を主
成分とし、当該ビスマス層状化合物のｃ軸が前記半導体
基板の表面に対して垂直に配向しており、前記ビスマス
層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂ ｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であることを特徴とする。
【００１３】本発明では、ビスマス層状化合物のｃ軸が
基板面に対して垂直に１００％配向していること、すな
わちビスマス層状化合物のｃ軸配向度が１００％である
ことが特に好ましいが、必ずしもｃ軸配向度が１００％
でなくてもよい。好ましくは、前記ビスマス層状化合物
のｃ軸配向度が８０％以上である。
基板面に対して垂直に１００％配向していること、すな
わちビスマス層状化合物のｃ軸配向度が１００％である
ことが特に好ましいが、必ずしもｃ軸配向度が１００％
でなくてもよい。好ましくは、前記ビスマス層状化合物
のｃ軸配向度が８０％以上である。
【００１４】好ましくは、前記ビスマス層状化合物が、
希土類元素（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐ
ｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元
素）を含む。
希土類元素（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐ
ｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元
素）を含む。
【００１５】
【００１６】好ましくは、前記半導体基板の表面に、前
記高誘電率絶縁膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表
面に所定パターンのゲート電極が形成され、前記高誘電
率絶縁膜がゲート絶縁膜として機能する。
記高誘電率絶縁膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表
面に所定パターンのゲート電極が形成され、前記高誘電
率絶縁膜がゲート絶縁膜として機能する。
【００１７】または、前記半導体基板の表面に、バッフ
ァ層が形成され、前記バッファ層の表面に前記高誘電率
絶縁膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表面に所定パ
ターンのゲート電極が形成され、前記バッファ層および
前記高誘電率絶縁膜がゲート絶縁膜として機能してもよ
い。
ァ層が形成され、前記バッファ層の表面に前記高誘電率
絶縁膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表面に所定パ
ターンのゲート電極が形成され、前記バッファ層および
前記高誘電率絶縁膜がゲート絶縁膜として機能してもよ
い。
【００１８】あるいは、前記半導体基板の表面に、バッ
ファ層が形成され、前記バッファ層の表面に所定パター
ンのフローティングゲートが形成され、前記フローティ
ングゲートの表面に前記高誘電率絶縁膜が形成され、前
記高誘電率絶縁膜の表面にゲート電極が形成され、前記
バッファ層がゲート絶縁膜として機能し、前記高誘電率
絶縁膜が中間絶縁膜として機能しても良い。
ファ層が形成され、前記バッファ層の表面に所定パター
ンのフローティングゲートが形成され、前記フローティ
ングゲートの表面に前記高誘電率絶縁膜が形成され、前
記高誘電率絶縁膜の表面にゲート電極が形成され、前記
バッファ層がゲート絶縁膜として機能し、前記高誘電率
絶縁膜が中間絶縁膜として機能しても良い。
【００１９】本発明に係る高誘電率絶縁膜の製造方法
は、特に限定されないが、たとえば、立方晶、正方晶、
斜方晶、単斜晶などの［１００］方位などに配向してい
る基板を用いて、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２ −、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であるビスマス層状化合物を主成分として有する高誘
電率絶縁膜を形成することにより、製造することができ
る。
は、特に限定されないが、たとえば、立方晶、正方晶、
斜方晶、単斜晶などの［１００］方位などに配向してい
る基板を用いて、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２ −、またはＢｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記
号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号
ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ
ｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元
素であるビスマス層状化合物を主成分として有する高誘
電率絶縁膜を形成することにより、製造することができ
る。
【００２０】上記組成のビスマス層状化合物がｃ軸配向
して構成される高誘電率絶縁膜は、その膜厚を薄くして
も、比較的に高誘電率（たとえば比誘電率が１００超）
かつ低損失（ｔａｎδが０．０２以下）であり、リーク
特性に優れ（たとえば電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定し
たリーク電流が１×１０−７Ａ／ｃｍ２ 以下、ショー
ト率が１０％以下）、耐圧が向上し（たとえば１０００
ｋＶ／ｃｍ以上）、誘電率の温度特性に優れ（たとえば
温度に対する誘電率の平均変化率が、基準温度２５℃
で、±５００ｐｐｍ／℃以内）、表面平滑性にも優れる
（たとえば表面粗さＲａが２ｎｍ以下）。
して構成される高誘電率絶縁膜は、その膜厚を薄くして
も、比較的に高誘電率（たとえば比誘電率が１００超）
かつ低損失（ｔａｎδが０．０２以下）であり、リーク
特性に優れ（たとえば電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定し
たリーク電流が１×１０−７Ａ／ｃｍ２ 以下、ショー
ト率が１０％以下）、耐圧が向上し（たとえば１０００
ｋＶ／ｃｍ以上）、誘電率の温度特性に優れ（たとえば
温度に対する誘電率の平均変化率が、基準温度２５℃
で、±５００ｐｐｍ／℃以内）、表面平滑性にも優れる
（たとえば表面粗さＲａが２ｎｍ以下）。
【００２１】また、本発明に係る高誘電率絶縁膜は、薄
くしても比較的高誘電率を保つことができ、しかも表面
平滑性が良好なので、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜、あ
るいはＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭで用いられるフローテ
ィングゲートを有するＭＯＳＦＥＴの中間絶縁膜とし
て、好ましくは利用することができる。
くしても比較的高誘電率を保つことができ、しかも表面
平滑性が良好なので、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜、あ
るいはＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭで用いられるフローテ
ィングゲートを有するＭＯＳＦＥＴの中間絶縁膜とし
て、好ましくは利用することができる。
【００２２】さらに、本発明の高誘電率絶縁膜は、周波
数特性に優れ（たとえば特定温度下における高周波領域
１ＭＨｚでの誘電率の値と、それよりも低周波領域の１
ｋＨｚでの誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．
１）、電圧特性にも優れる（たとえば特定周波数下にお
ける測定電圧０．１Ｖでの誘電率の値と、測定電圧５Ｖ
での誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．１）。
数特性に優れ（たとえば特定温度下における高周波領域
１ＭＨｚでの誘電率の値と、それよりも低周波領域の１
ｋＨｚでの誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．
１）、電圧特性にも優れる（たとえば特定周波数下にお
ける測定電圧０．１Ｖでの誘電率の値と、測定電圧５Ｖ
での誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．１）。
【００２３】さらにまた、本発明の高誘電率絶縁膜は、
静電容量の温度特性に優れる（温度に対する静電容量の
平均変化率が、基準温度２５℃で、±５００ｐｐｍ／℃
以内）。
静電容量の温度特性に優れる（温度に対する静電容量の
平均変化率が、基準温度２５℃で、±５００ｐｐｍ／℃
以内）。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面に示す実施
形態に基づき説明する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は
本発明に係る高誘電率絶縁膜を半導体基板の表面に形成
した状態を示す要部断面図、図２（Ａ）および図２
（Ｂ）は本発明に係る高誘電率絶縁膜を有するＭＯＳＦ
ＥＴの要部断面図、図３は本発明の実施例で用いる高誘
電率絶縁膜の試験用サンプルの要部断面図、図４は実施
例８の高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの周波数特性を
表すグラフ、図５は実施例８の高誘電率絶縁膜の試験用
サンプルの電圧特性を表すグラフである。
形態に基づき説明する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は
本発明に係る高誘電率絶縁膜を半導体基板の表面に形成
した状態を示す要部断面図、図２（Ａ）および図２
（Ｂ）は本発明に係る高誘電率絶縁膜を有するＭＯＳＦ
ＥＴの要部断面図、図３は本発明の実施例で用いる高誘
電率絶縁膜の試験用サンプルの要部断面図、図４は実施
例８の高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの周波数特性を
表すグラフ、図５は実施例８の高誘電率絶縁膜の試験用
サンプルの電圧特性を表すグラフである。
【００２５】第１実施形態
図１（Ａ）に示すように、本実施形態では、基板４の表
面に、高誘電率絶縁膜８が成膜される。この高誘電率絶
縁膜８は、たとえばＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として
利用される。
面に、高誘電率絶縁膜８が成膜される。この高誘電率絶
縁膜８は、たとえばＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として
利用される。
【００２６】基板４としては、特に限定されず、格子整
合性の良い単結晶（たとえば、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶、
ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ３ 単結晶、シリコン単結晶
など）、アモルファス材料（たとえば、ガラス、溶融石
英、ＳｉＯ２ ／Ｓｉなど）、その他の材料（たとえ
ば、ＺｒＯ２ ／Ｓｉ、ＣｅＯ２ ／Ｓｉなど）などで
構成される。特に、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶な
どの［１００］方位などに配向している基板で構成して
いることが好ましい。
合性の良い単結晶（たとえば、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶、
ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ３ 単結晶、シリコン単結晶
など）、アモルファス材料（たとえば、ガラス、溶融石
英、ＳｉＯ２ ／Ｓｉなど）、その他の材料（たとえ
ば、ＺｒＯ２ ／Ｓｉ、ＣｅＯ２ ／Ｓｉなど）などで
構成される。特に、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶な
どの［１００］方位などに配向している基板で構成して
いることが好ましい。
【００２７】ただし、本実施形態では、基板４は、シリ
コン単結晶基板などの半導体基板で構成される。基板４
の厚みは、特に限定されず、たとえば１００〜１０００
μｍ程度である。
コン単結晶基板などの半導体基板で構成される。基板４
の厚みは、特に限定されず、たとえば１００〜１０００
μｍ程度である。
【００２８】高誘電率絶縁膜８は、組成式：（Ｂｉ２
Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ ３ｍ＋１）２−、ま
たはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表されるビ
スマス層状化合物を含有する。一般に、ビスマス層状化
合物は、（ｍ−１）個のＡＢＯ３ で構成されるペロブ
スカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層の上下
を、一対のＢｉおよびＯの層でサンドイッチした層状構
造を示す。本実施形態では、このようなビスマス層状化
合物の［００１］方位への配向性、すなわちｃ軸配向性
が高められている。すなわち、ビスマス層状化合物のｃ
軸が、基板４に対して垂直に配向するように高誘電率絶
縁膜８が形成されている。
Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ ３ｍ＋１）２−、ま
たはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表されるビ
スマス層状化合物を含有する。一般に、ビスマス層状化
合物は、（ｍ−１）個のＡＢＯ３ で構成されるペロブ
スカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層の上下
を、一対のＢｉおよびＯの層でサンドイッチした層状構
造を示す。本実施形態では、このようなビスマス層状化
合物の［００１］方位への配向性、すなわちｃ軸配向性
が高められている。すなわち、ビスマス層状化合物のｃ
軸が、基板４に対して垂直に配向するように高誘電率絶
縁膜８が形成されている。
【００２９】本発明では、ビスマス層状化合物のｃ軸配
向度が１００％であることが特に好ましいが、必ずしも
ｃ軸配向度が１００％でなくてもよく、ビスマス層状化
合物の、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％
以上、さらに好ましくは９５％以上がｃ軸配向していれ
ばよい。たとえば、ガラスなどのアモルファス材料で構
成される基板４を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配向
させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度
が、好ましくは８０％以上であればよい。また、後述す
る各種薄膜形成法を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配
向させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度
が、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上
であればよい。
向度が１００％であることが特に好ましいが、必ずしも
ｃ軸配向度が１００％でなくてもよく、ビスマス層状化
合物の、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％
以上、さらに好ましくは９５％以上がｃ軸配向していれ
ばよい。たとえば、ガラスなどのアモルファス材料で構
成される基板４を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配向
させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度
が、好ましくは８０％以上であればよい。また、後述す
る各種薄膜形成法を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配
向させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度
が、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上
であればよい。
【００３０】ここでいうビスマス層状化合物のｃ軸配向
度（Ｆ）とは、完全にランダムな配向をしている多結晶
体のｃ軸のＸ線回折強度をＰ０とし、実際のｃ軸のＸ線
回折強度をＰとした場合、Ｆ（％）＝（Ｐ−Ｐ０）／
（１−Ｐ０）×１００ …（式１）により求められる。
式１でいうＰは、（００ｌ）面からの反射強度Ｉ（００
ｌ）の合計ΣＩ（００ｌ）と、各結晶面（ｈｋｌ）から
の反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比
（｛ΣＩ（００ｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）であり、Ｐ０
についても同様である。但し、式１ではｃ軸方向に１０
０％配向している場合のＸ線回折強度Ｐを１としてい
る。また、式１より、完全にランダムな配向をしている
場合（Ｐ＝Ｐ０）には、Ｆ＝０％であり、完全にｃ軸方
向に配向をしている場合（Ｐ＝１）には、Ｆ＝１００％
である。
度（Ｆ）とは、完全にランダムな配向をしている多結晶
体のｃ軸のＸ線回折強度をＰ０とし、実際のｃ軸のＸ線
回折強度をＰとした場合、Ｆ（％）＝（Ｐ−Ｐ０）／
（１−Ｐ０）×１００ …（式１）により求められる。
式１でいうＰは、（００ｌ）面からの反射強度Ｉ（００
ｌ）の合計ΣＩ（００ｌ）と、各結晶面（ｈｋｌ）から
の反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比
（｛ΣＩ（００ｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）であり、Ｐ０
についても同様である。但し、式１ではｃ軸方向に１０
０％配向している場合のＸ線回折強度Ｐを１としてい
る。また、式１より、完全にランダムな配向をしている
場合（Ｐ＝Ｐ０）には、Ｆ＝０％であり、完全にｃ軸方
向に配向をしている場合（Ｐ＝１）には、Ｆ＝１００％
である。
【００３１】なお、ビスマス層状化合物のｃ軸とは、一
対の（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋層同士を結ぶ方向、すなわ
ち［００１］方位を意味する。このようにビスマス層状
化合物をｃ軸配向させることで、高誘電率絶縁膜８の誘
電特性が最大限に発揮される。すなわち、高誘電率絶縁
膜８の膜厚をたとえば１００ｎｍ以下と薄くしても、比
較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎδが低い）を与えるこ
とができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の
温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる。ｔａｎδが減
少すれば、損失Ｑ（１／ｔａｎδ）値は上昇する。
対の（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋層同士を結ぶ方向、すなわ
ち［００１］方位を意味する。このようにビスマス層状
化合物をｃ軸配向させることで、高誘電率絶縁膜８の誘
電特性が最大限に発揮される。すなわち、高誘電率絶縁
膜８の膜厚をたとえば１００ｎｍ以下と薄くしても、比
較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎδが低い）を与えるこ
とができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の
温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる。ｔａｎδが減
少すれば、損失Ｑ（１／ｔａｎδ）値は上昇する。
【００３２】上記式中、記号ｍは正数であれば特に限定
されない。
されない。
【００３３】なお、記号ｍが偶数であると、ｃ面と平行
に鏡映面を持つため、該鏡映面を境として自発分極のｃ
軸方向成分は互いにうち消し合って、ｃ軸方向に分極軸
を有さないこととなる。このため、常誘電性が保持され
て、誘電率の温度特性が向上するとともに、低損失（ｔ
ａｎδが低い）が実現される。
に鏡映面を持つため、該鏡映面を境として自発分極のｃ
軸方向成分は互いにうち消し合って、ｃ軸方向に分極軸
を有さないこととなる。このため、常誘電性が保持され
て、誘電率の温度特性が向上するとともに、低損失（ｔ
ａｎδが低い）が実現される。
【００３４】上記式中、記号Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂ
ａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つ
の元素で構成される。なお、記号Ａを２つ以上の元素で
構成する場合において、それらの比率は任意である。
ａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つ
の元素で構成される。なお、記号Ａを２つ以上の元素で
構成する場合において、それらの比率は任意である。
【００３５】上記式中、記号Ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、
Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから
選ばれる少なくとも１つの元素で構成される。なお、記
号Ｂを２つ以上の元素で構成する場合において、それら
の比率は任意である。
Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから
選ばれる少なくとも１つの元素で構成される。なお、記
号Ｂを２つ以上の元素で構成する場合において、それら
の比率は任意である。
【００３６】高誘電率絶縁膜８を構成するビスマス層状
化合物は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元素（希土
類元素Ｒｅ）をさらに有していることが好ましい。希土
類元素による置換量は、ｍの値により異なるが、たとえ
ばｍが奇数であるｍ＝３の場合、組成式：Ｂｉ２ Ａ
２−ｘ Ｒｅｘ Ｂ３Ｏ１２において、好ましくは０．
４≦ｘ≦１．８、より好ましくは１．０≦ｘ≦１．４で
ある。希土類元素をこの範囲で置換することで、高誘電
率絶縁膜８のキュリー温度（強誘電体から常誘電体への
相転移温度）を好ましくは−１００℃以上１００℃以
下、より好ましくは−５０℃以上５０℃以下に収めるこ
とが可能となる。キュリー点が−１００℃〜＋１００℃
であると、高誘電率絶縁膜８の誘電率が上昇する。キュ
リー温度は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）などによって
も測定することができる。なお、キュリー点が室温（２
５℃）未満になると、ｔａｎδがさらに減少し、その結
果、損失Ｑ値がさらに上昇する。
化合物は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元素（希土
類元素Ｒｅ）をさらに有していることが好ましい。希土
類元素による置換量は、ｍの値により異なるが、たとえ
ばｍが奇数であるｍ＝３の場合、組成式：Ｂｉ２ Ａ
２−ｘ Ｒｅｘ Ｂ３Ｏ１２において、好ましくは０．
４≦ｘ≦１．８、より好ましくは１．０≦ｘ≦１．４で
ある。希土類元素をこの範囲で置換することで、高誘電
率絶縁膜８のキュリー温度（強誘電体から常誘電体への
相転移温度）を好ましくは−１００℃以上１００℃以
下、より好ましくは−５０℃以上５０℃以下に収めるこ
とが可能となる。キュリー点が−１００℃〜＋１００℃
であると、高誘電率絶縁膜８の誘電率が上昇する。キュ
リー温度は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）などによって
も測定することができる。なお、キュリー点が室温（２
５℃）未満になると、ｔａｎδがさらに減少し、その結
果、損失Ｑ値がさらに上昇する。
【００３７】また、たとえばｍが偶数であるｍ＝４の場
合、組成式：Ｂｉ２ Ａ３−ｘ Ｒｅｘ Ｂ４ Ｏ１５
において、好ましくは０．０１≦ｘ≦２．０、より好ま
しくは０．１≦ｘ≦１．０である。
合、組成式：Ｂｉ２ Ａ３−ｘ Ｒｅｘ Ｂ４ Ｏ１５
において、好ましくは０．０１≦ｘ≦２．０、より好ま
しくは０．１≦ｘ≦１．０である。
【００３８】なお、誘電体薄膜８は、希土類元素Ｒｅを
有していなくとも、後述するようにリーク特性に優れる
ものではある。しかしながら、これを有している場合に
は、リーク特性を一層優れたものとすることができる。
有していなくとも、後述するようにリーク特性に優れる
ものではある。しかしながら、これを有している場合に
は、リーク特性を一層優れたものとすることができる。
【００３９】たとえば、希土類元素Ｒｅを有していない
高誘電率絶縁膜８では、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定
したときのリーク電流を、好ましくは１×１０−７Ａ／
ｃｍ ２ 以下、より好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ
２ 以下とすることができ、しかもショート率を、好ま
しくは１０％以下、より好ましくは５％以下とすること
ができる。
高誘電率絶縁膜８では、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定
したときのリーク電流を、好ましくは１×１０−７Ａ／
ｃｍ ２ 以下、より好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ
２ 以下とすることができ、しかもショート率を、好ま
しくは１０％以下、より好ましくは５％以下とすること
ができる。
【００４０】これに対し、希土類元素Ｒｅを有している
高誘電率絶縁膜８では、同条件で測定したときのリーク
電流を、好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下、よ
り好ましくは１×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下とすること
ができ、しかもショート率を、好ましくは５％以下、よ
り好ましくは３％以下とすることができる。
高誘電率絶縁膜８では、同条件で測定したときのリーク
電流を、好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下、よ
り好ましくは１×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下とすること
ができ、しかもショート率を、好ましくは５％以下、よ
り好ましくは３％以下とすることができる。
【００４１】高誘電率絶縁膜８は、ゲート絶縁膜として
用いる場合には、膜厚が２００ｎｍ以下であることが好
ましく、高静電容量化の点からは、より好ましくは１０
０ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以下である。な
お、膜厚の下限は、ゲート絶縁膜としての絶縁性を考慮
すると、好ましくは１０ｎｍ程度である。
用いる場合には、膜厚が２００ｎｍ以下であることが好
ましく、高静電容量化の点からは、より好ましくは１０
０ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以下である。な
お、膜厚の下限は、ゲート絶縁膜としての絶縁性を考慮
すると、好ましくは１０ｎｍ程度である。
【００４２】本実施形態の高誘電率絶縁膜８は、たとえ
ばＪＩＳ−Ｂ０６０１に準拠した表面粗さ（Ｒａ）が、
好ましくは２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下であ
る。
ばＪＩＳ−Ｂ０６０１に準拠した表面粗さ（Ｒａ）が、
好ましくは２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下であ
る。
【００４３】高誘電率絶縁膜８では、２５℃（室温）お
よび測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）における
誘電率が、２００超であることが好ましく、より好まし
くは２５０以上である。
よび測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）における
誘電率が、２００超であることが好ましく、より好まし
くは２５０以上である。
【００４４】高誘電率絶縁膜８では、２５℃（室温）お
よび測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）における
ｔａｎδが、０．０２以下であることが好ましく、より
好ましくは０．０１以下である。また、損失Ｑ値が、好
ましくは５０以上、より好ましくは１００以上である。
よび測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）における
ｔａｎδが、０．０２以下であることが好ましく、より
好ましくは０．０１以下である。また、損失Ｑ値が、好
ましくは５０以上、より好ましくは１００以上である。
【００４５】高誘電率絶縁膜８では、特定温度（たとえ
ば２５℃）下での周波数を、たとえば１ＭＨｚ程度の高
周波領域まで変化させても、誘電率の変化（特に低下）
が少ない。具体的には、たとえば、特定温度下における
高周波領域１ＭＨｚでの誘電率の値と、それよりも低周
波領域の１ｋＨｚでの誘電率の値との比を、絶対値で、
０．９〜１．１とすることができる。すなわち周波数特
性が良好である。
ば２５℃）下での周波数を、たとえば１ＭＨｚ程度の高
周波領域まで変化させても、誘電率の変化（特に低下）
が少ない。具体的には、たとえば、特定温度下における
高周波領域１ＭＨｚでの誘電率の値と、それよりも低周
波領域の１ｋＨｚでの誘電率の値との比を、絶対値で、
０．９〜１．１とすることができる。すなわち周波数特
性が良好である。
【００４６】高誘電率絶縁膜８では、特定周波数（たと
えば１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚなど）下での
測定電圧（印加電圧）を、たとえば５Ｖ程度まで変化さ
せても、誘電率の変化が少ない。具体的には、たとえば
特定周波数下における測定電圧０．１Ｖでの誘電率の値
と、測定電圧５Ｖでの誘電率の値との比を、絶対値で、
０．９〜１．１とすることができる。すなわち電圧特性
が良好である。
えば１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚなど）下での
測定電圧（印加電圧）を、たとえば５Ｖ程度まで変化さ
せても、誘電率の変化が少ない。具体的には、たとえば
特定周波数下における測定電圧０．１Ｖでの誘電率の値
と、測定電圧５Ｖでの誘電率の値との比を、絶対値で、
０．９〜１．１とすることができる。すなわち電圧特性
が良好である。
【００４７】このような高誘電率絶縁膜８は、真空蒸着
法、高周波スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法
（ＰＬＤ）、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vap
or Deposition）法、ゾルゲル法などの各種薄膜形成法
を用いて形成することができる。
法、高周波スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法
（ＰＬＤ）、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vap
or Deposition）法、ゾルゲル法などの各種薄膜形成法
を用いて形成することができる。
【００４８】本実施形態では、特定方位（［１００］方
位等）に配向している基板等を用いて高誘電率絶縁膜８
を形成する。
位等）に配向している基板等を用いて高誘電率絶縁膜８
を形成する。
【００４９】本実施形態の高誘電率絶縁膜８は、膜厚を
たとえば１００ｎｍ以下と薄くしても、比較的高誘電率
で、低損失であり、しかもリーク特性に優れ、耐圧が向
上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れ
る。また、高誘電率絶縁膜８は、周波数特性や電圧特性
にも優れる。したがって、この高誘電率絶縁膜８は、ゲ
ート絶縁膜として好ましく用いることができる。
たとえば１００ｎｍ以下と薄くしても、比較的高誘電率
で、低損失であり、しかもリーク特性に優れ、耐圧が向
上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れ
る。また、高誘電率絶縁膜８は、周波数特性や電圧特性
にも優れる。したがって、この高誘電率絶縁膜８は、ゲ
ート絶縁膜として好ましく用いることができる。
【００５０】第２実施形態
図１（Ｂ）に示すように、本実施形態では、半導体基板
４の表面に、バッファ層７を形成した後に、そのバッフ
ァ層７の表面に、前記第１実施形態と同様にして、高誘
電率絶縁膜８を成膜する。本実施形態では、バッファ層
７および高誘電率絶縁膜８の積層膜が、ゲート絶縁膜と
して機能する。
４の表面に、バッファ層７を形成した後に、そのバッフ
ァ層７の表面に、前記第１実施形態と同様にして、高誘
電率絶縁膜８を成膜する。本実施形態では、バッファ層
７および高誘電率絶縁膜８の積層膜が、ゲート絶縁膜と
して機能する。
【００５１】バッファ層７は、たとえば酸化シリコン
（ＳｉＯ２ ）膜、窒素を含むシリコン酸化物（ＳｉＯ
Ｎ）膜、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２ ）膜、イット
リウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）膜、セリウム酸化物
（ＣｅＯ２ ）膜ＨｆＯ２ 、Ｌａ２ Ｏ３ などの希
土類酸化物などで構成され、その厚みは、好ましくは１
〜１０ｎｍ、さらに好ましくは、１〜５ｎｍ程度であ
る。バッファ層７の形成方法は、特に限定されず、熱酸
化膜形成法、あるいは、真空蒸着法、スパッタリング
法、ＣＶＤ法などが例示される。
（ＳｉＯ２ ）膜、窒素を含むシリコン酸化物（ＳｉＯ
Ｎ）膜、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２ ）膜、イット
リウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）膜、セリウム酸化物
（ＣｅＯ２ ）膜ＨｆＯ２ 、Ｌａ２ Ｏ３ などの希
土類酸化物などで構成され、その厚みは、好ましくは１
〜１０ｎｍ、さらに好ましくは、１〜５ｎｍ程度であ
る。バッファ層７の形成方法は、特に限定されず、熱酸
化膜形成法、あるいは、真空蒸着法、スパッタリング
法、ＣＶＤ法などが例示される。
【００５２】バッファ層７を成膜した後に、高誘電率絶
縁膜８を成膜することで、高誘電率絶縁膜の成膜が容易
になる。また、バッファ層７の存在により、ゲート絶縁
膜の実効的な誘電率が低下するが、高誘電率絶縁膜８の
誘電率が極めて高いために問題はない。
縁膜８を成膜することで、高誘電率絶縁膜の成膜が容易
になる。また、バッファ層７の存在により、ゲート絶縁
膜の実効的な誘電率が低下するが、高誘電率絶縁膜８の
誘電率が極めて高いために問題はない。
【００５３】第３実施形態
図２（Ａ）に示すように、本実施形態では、高誘電率絶
縁膜８をゲート絶縁膜として用い、ＭＯＳＦＥＴ２０を
構成している。シリコン単結晶基板などで構成される半
導体基板４の表面に、前記第１実施形態で示す高誘電率
絶縁膜８を成膜した後、ゲート電極１５となる導電層を
成膜し、その導電層をエッチング加工して、ゲート電極
１５とする。ゲート電極１５を構成する導電層として
は、特に限定されず、ポリシリコン膜などが例示され
る。なお、ゲート電極１５は、多層膜であっても良い。
縁膜８をゲート絶縁膜として用い、ＭＯＳＦＥＴ２０を
構成している。シリコン単結晶基板などで構成される半
導体基板４の表面に、前記第１実施形態で示す高誘電率
絶縁膜８を成膜した後、ゲート電極１５となる導電層を
成膜し、その導電層をエッチング加工して、ゲート電極
１５とする。ゲート電極１５を構成する導電層として
は、特に限定されず、ポリシリコン膜などが例示され
る。なお、ゲート電極１５は、多層膜であっても良い。
【００５４】ゲート電極１５を半導体基板４の表面に所
定パターンで多数形成した後、Ｐ型またはＮ型の不純物
をイオン注入し、その後熱処理することによりソース・
ドレイン領域１７が、ゲート電極１５に対して自己整合
的に形成される。ゲート電極１５の下方に位置する半導
体基板４の表面（高誘電率絶縁膜８の直下）が、ソース
・ドレイン領域１７を結ぶチャネルとなる。
定パターンで多数形成した後、Ｐ型またはＮ型の不純物
をイオン注入し、その後熱処理することによりソース・
ドレイン領域１７が、ゲート電極１５に対して自己整合
的に形成される。ゲート電極１５の下方に位置する半導
体基板４の表面（高誘電率絶縁膜８の直下）が、ソース
・ドレイン領域１７を結ぶチャネルとなる。
【００５５】半導体基板４の表面にＮ型ウェル（導電型
がＮ型の領域）が形成してあり、その上にＭＯＳＦＥＴ
を形成する場合には、ソース・ドレイン領域１７を形成
するためのイオン注入に際しては、Ｐ型の不純物が用い
られ、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴが形成される。ま
た、半導体基板４の表面にＰ型ウェル（導電型がＰ型の
領域）が形成してあり、その上にＭＯＳＦＥＴを形成す
る場合には、ソース・ドレイン領域１７を形成するため
のイオン注入に際しては、Ｎ型の不純物が用いられ、Ｎ
チャネル型のＭＯＳＦＥＴが形成される。
がＮ型の領域）が形成してあり、その上にＭＯＳＦＥＴ
を形成する場合には、ソース・ドレイン領域１７を形成
するためのイオン注入に際しては、Ｐ型の不純物が用い
られ、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴが形成される。ま
た、半導体基板４の表面にＰ型ウェル（導電型がＰ型の
領域）が形成してあり、その上にＭＯＳＦＥＴを形成す
る場合には、ソース・ドレイン領域１７を形成するため
のイオン注入に際しては、Ｎ型の不純物が用いられ、Ｎ
チャネル型のＭＯＳＦＥＴが形成される。
【００５６】本実施形態のＭＯＳＦＥＴ２０は、高誘電
率絶縁膜８をゲート絶縁膜として用いていることから、
ゲート絶縁膜のリーク特性および耐圧特性に優れ、ＭＯ
ＳＦＥＴ２０の微細化および小型化に寄与する。
率絶縁膜８をゲート絶縁膜として用いていることから、
ゲート絶縁膜のリーク特性および耐圧特性に優れ、ＭＯ
ＳＦＥＴ２０の微細化および小型化に寄与する。
【００５７】第４実施形態
図２（Ｂ）に示す実施形態では、高誘電率絶縁膜８ａを
中間絶縁膜として用い、フローティングゲート１９を有
する半導体装置２０ａを構成している。本実施形態で
は、まず、シリコン単結晶基板などで構成される半導体
基板４の表面に、バッファ層７ａを成膜する。バッファ
層７ａは、ゲート絶縁膜として機能する部分であり、た
とえば図１（Ｂ）に示すバッファ層７と同様な材質で構
成される。
中間絶縁膜として用い、フローティングゲート１９を有
する半導体装置２０ａを構成している。本実施形態で
は、まず、シリコン単結晶基板などで構成される半導体
基板４の表面に、バッファ層７ａを成膜する。バッファ
層７ａは、ゲート絶縁膜として機能する部分であり、た
とえば図１（Ｂ）に示すバッファ層７と同様な材質で構
成される。
【００５８】次に、このバッファ層７ａの表面に、フロ
ーティングゲート１９となる第１導電層を成膜する。第
１導電層は、たとえばポリシリコン膜などで構成され
る。この第１導電層を所定パターンでエッチング加工
し、その後、第１導電層の表面に、高誘電率絶縁膜８ａ
を成膜する。高誘電率絶縁膜８ａは、前記第１実施形態
における高誘電率絶縁膜８と同じものである。
ーティングゲート１９となる第１導電層を成膜する。第
１導電層は、たとえばポリシリコン膜などで構成され
る。この第１導電層を所定パターンでエッチング加工
し、その後、第１導電層の表面に、高誘電率絶縁膜８ａ
を成膜する。高誘電率絶縁膜８ａは、前記第１実施形態
における高誘電率絶縁膜８と同じものである。
【００５９】その後、高誘電率絶縁膜８ａの表面に、ゲ
ート電極１５ａとなる第２導電層を成膜し、その第２導
電層をエッチング加工して、ゲート電極１５ａとする。
ゲート電極１５ａのエッチング加工に引き続き、同時
に、余分な高誘電率絶縁膜８ａおよびフローティングゲ
ート１９もエッチング加工される。その結果、フローテ
ィングゲート１９は、ゲート電極１５ａの下で、その長
手方向に沿って孤立したパターンとなる。
ート電極１５ａとなる第２導電層を成膜し、その第２導
電層をエッチング加工して、ゲート電極１５ａとする。
ゲート電極１５ａのエッチング加工に引き続き、同時
に、余分な高誘電率絶縁膜８ａおよびフローティングゲ
ート１９もエッチング加工される。その結果、フローテ
ィングゲート１９は、ゲート電極１５ａの下で、その長
手方向に沿って孤立したパターンとなる。
【００６０】この半導体装置２０ａは、たとえばＥＰＲ
ＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリとして用いら
れることができる。ゲート電極１５ａに所定の書き込み
電圧を印加することで、ゲート絶縁膜であるバッファ層
７ａを介してソース・ドレイン１７からトンネル電流に
よりフローティングゲート１９に電荷を蓄積し、データ
を記憶することができる。
ＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリとして用いら
れることができる。ゲート電極１５ａに所定の書き込み
電圧を印加することで、ゲート絶縁膜であるバッファ層
７ａを介してソース・ドレイン１７からトンネル電流に
よりフローティングゲート１９に電荷を蓄積し、データ
を記憶することができる。
【００６１】ゲート電極１５ａとフローティングゲート
１９とは、高誘電率絶縁膜８ａを介して良好に容量カッ
プリングするので、データの書き込みおよび読み出しの
信頼性が向上する。すなわち、本発明の高誘電率絶縁膜
は、フローティングゲート１９を有する半導体装置２０
ａの中間絶縁膜としても好適に用いることができる。
１９とは、高誘電率絶縁膜８ａを介して良好に容量カッ
プリングするので、データの書き込みおよび読み出しの
信頼性が向上する。すなわち、本発明の高誘電率絶縁膜
は、フローティングゲート１９を有する半導体装置２０
ａの中間絶縁膜としても好適に用いることができる。
【００６２】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変する
ことができる。たとえば、本発明に係る高誘電率絶縁膜
は、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜としてのみならず、そ
の他の半導体装置の絶縁膜として好ましく用いることが
できる。さらに、本発明に係る高誘電率絶縁膜は、たと
えば無機ＥＬ素子の絶縁膜としても良好である。
されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変する
ことができる。たとえば、本発明に係る高誘電率絶縁膜
は、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜としてのみならず、そ
の他の半導体装置の絶縁膜として好ましく用いることが
できる。さらに、本発明に係る高誘電率絶縁膜は、たと
えば無機ＥＬ素子の絶縁膜としても良好である。
【００６３】
【実施例】以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づ
き説明するが、本発明は、これら実施例に限定されな
い。
き説明するが、本発明は、これら実施例に限定されな
い。
【００６４】実施例１
図３に示す下部電極薄膜６となるＣａＲｕＯ３ を［１
００］方位にエピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３
単結晶基板４（（１００）ＣａＲｕＯ３ //（１００）
ＳｒＴｉＯ３ ）を８５０℃に加熱した。次に、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜６の表面に、パルスレーザ蒸着法
にて、ＳｒＢｉ３ Ｔｉ２ ＴａＯ１２（以下、ＳＢＴ
Ｔとも言う）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２
Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号
Ａ２ ＝Ｓｒ１ ，Ｂｉ１ および記号Ｂ３ ＝Ｔｉ
２ ，Ｔａ１ として表される）を原料に用いて、膜厚
約２００ｎｍのＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜８）を形
成した。
００］方位にエピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３
単結晶基板４（（１００）ＣａＲｕＯ３ //（１００）
ＳｒＴｉＯ３ ）を８５０℃に加熱した。次に、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜６の表面に、パルスレーザ蒸着法
にて、ＳｒＢｉ３ Ｔｉ２ ＴａＯ１２（以下、ＳＢＴ
Ｔとも言う）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２
Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号
Ａ２ ＝Ｓｒ１ ，Ｂｉ１ および記号Ｂ３ ＝Ｔｉ
２ ，Ｔａ１ として表される）を原料に用いて、膜厚
約２００ｎｍのＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜８）を形
成した。
【００６５】このＳＢＴＴ薄膜の結晶構造をＸ線回折
（ＸＲＤ）測定したところ、［００１］方位に配向して
いること、すなわちＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板表面に対
して垂直にｃ軸配向していることが確認できた。また、
このＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）を、ＪＩＳ−Ｂ０
６０１に準じて、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡、セイコーイ
ンスツルメンツ社製、ＳＰＩ３８００）で測定した。
（ＸＲＤ）測定したところ、［００１］方位に配向して
いること、すなわちＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板表面に対
して垂直にｃ軸配向していることが確認できた。また、
このＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）を、ＪＩＳ−Ｂ０
６０１に準じて、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡、セイコーイ
ンスツルメンツ社製、ＳＰＩ３８００）で測定した。
【００６６】次に、ＳＢＴＴ薄膜の表面に、０．１ｍｍ
φのＰｔ上部電極薄膜１０をスパッタリング法により形
成し、高誘電率絶縁膜の試験用サンプル２を作製した。
φのＰｔ上部電極薄膜１０をスパッタリング法により形
成し、高誘電率絶縁膜の試験用サンプル２を作製した。
【００６７】得られた高誘電率絶縁膜の試験用サンプル
の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値、リーク電
流、ショート率）および誘電率の温度特性を評価した。
誘電率（単位なし）は、試験用サンプルに対し、デジタ
ルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）を用いて、室
温（２５℃）、測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍ
Ｖ）の条件で測定された静電容量と、試験用サンプルの
電極寸法および電極間距離とから算出した。ｔａｎδ
は、上記静電容量を測定した条件と同一条件で測定し、
これに伴って損失Ｑ値を算出した。
の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値、リーク電
流、ショート率）および誘電率の温度特性を評価した。
誘電率（単位なし）は、試験用サンプルに対し、デジタ
ルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）を用いて、室
温（２５℃）、測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍ
Ｖ）の条件で測定された静電容量と、試験用サンプルの
電極寸法および電極間距離とから算出した。ｔａｎδ
は、上記静電容量を測定した条件と同一条件で測定し、
これに伴って損失Ｑ値を算出した。
【００６８】リーク電流特性（単位はＡ／ｃｍ２ ）
は、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定した。 ショート率
（単位は％）は、２０個の上部電極について測定を行
い、そのうちショートしたもの割合を算出した。誘電率
の温度特性は、試験用サンプルに対し、上記条件で誘電
率を測定し、基準温度を２５℃としたとき、−５５〜＋
１５０℃の温度範囲内での温度に対する誘電率の平均変
化率（Δε）を測定し、温度係数（ｐｐｍ／℃）を算出
した。これらの結果を表１に示す。
は、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定した。 ショート率
（単位は％）は、２０個の上部電極について測定を行
い、そのうちショートしたもの割合を算出した。誘電率
の温度特性は、試験用サンプルに対し、上記条件で誘電
率を測定し、基準温度を２５℃としたとき、−５５〜＋
１５０℃の温度範囲内での温度に対する誘電率の平均変
化率（Δε）を測定し、温度係数（ｐｐｍ／℃）を算出
した。これらの結果を表１に示す。
【００６９】比較例１
下部電極薄膜となるＣａＲｕＯ３ を［１１０］方位に
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１０）ＣａＲｕＯ３ //（１１０）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＳＢ
ＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＳＢＴＴ
薄膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１１８］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１と同様に、ＳＢＴＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表
１に示す。
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１０）ＣａＲｕＯ３ //（１１０）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＳＢ
ＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＳＢＴＴ
薄膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１１８］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１と同様に、ＳＢＴＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表
１に示す。
【００７０】比較例２
下部電極薄膜となるＣａＲｕＯ３ を［１１１］方位に
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１１）ＣａＲｕＯ３ //（１１１）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＳＢ
ＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＳＢＴＴ
薄膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１０４］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１と同様に、ＳＢＴＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、薄膜高誘電率絶縁膜の試験用サンプル
の電気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果
を表１に示す。
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１１）ＣａＲｕＯ３ //（１１１）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＳＢ
ＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＳＢＴＴ
薄膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１０４］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１と同様に、ＳＢＴＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、薄膜高誘電率絶縁膜の試験用サンプル
の電気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果
を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】表１に示すように、実施例１で得られたビ
スマス層状化合物のｃ軸配向膜は、誘電率は劣るもの
の、リーク特性に優れていることが確認できた。これに
より、より一層の薄膜化が期待でき、高誘電率のゲート
絶縁膜として好ましいことが確認できた。
スマス層状化合物のｃ軸配向膜は、誘電率は劣るもの
の、リーク特性に優れていることが確認できた。これに
より、より一層の薄膜化が期待でき、高誘電率のゲート
絶縁膜として好ましいことが確認できた。
【００７３】また、実施例１では、比較例１〜２で得ら
れた他の配向方向よりも温度特性に優れることも確認で
きた。さらに、実施例１では、比較例１〜２と比較して
表面平滑性に優れることから、ゲート絶縁膜の膜厚均一
性にも寄与することが確認できた。すなわち、実施例１
により、ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜の有効性が確
認できた。
れた他の配向方向よりも温度特性に優れることも確認で
きた。さらに、実施例１では、比較例１〜２と比較して
表面平滑性に優れることから、ゲート絶縁膜の膜厚均一
性にも寄与することが確認できた。すなわち、実施例１
により、ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜の有効性が確
認できた。
【００７４】実施例２
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約３５ｎｍの
ＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損
失Ｑ値、リーク電流、耐圧）および誘電率の温度特性と
を評価した。結果を表２に示す。なお、耐圧（単位はｋ
Ｖ／ｃｍ）は、リーク特性測定において、電圧を上昇さ
せることにより測定した。
ＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損
失Ｑ値、リーク電流、耐圧）および誘電率の温度特性と
を評価した。結果を表２に示す。なお、耐圧（単位はｋ
Ｖ／ｃｍ）は、リーク特性測定において、電圧を上昇さ
せることにより測定した。
【００７５】実施例３
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約５０ｎｍの
ＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性および誘電率の温度特性
とを評価した。結果を表２に示す。
ＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性および誘電率の温度特性
とを評価した。結果を表２に示す。
【００７６】実施例４
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約１００ｎｍ
のＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、
実施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒ
ａ）と、高誘電率絶縁膜の電気特性および誘電率の温度
特性とを評価した。結果を表２に示す。
のＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、
実施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜の表面粗さ（Ｒ
ａ）と、高誘電率絶縁膜の電気特性および誘電率の温度
特性とを評価した。結果を表２に示す。
【００７７】
【表２】
【００７８】表２に示すように、ｃ軸配向膜にて膜厚を
小さくした場合、リーク特性は若干悪くなるものの、表
面粗さや誘電率は変化しないことが確認できた。
小さくした場合、リーク特性は若干悪くなるものの、表
面粗さや誘電率は変化しないことが確認できた。
【００７９】なお、文献１（Ｙ．Ｓａｋａｓｈｉｔａ，
Ｈ．Ｓｅｇａｗａ，Ｋ．Ｔｏｍｉｎａｇａ ａｎｄ
Ｍ．Ｏｋａｄａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７３，７８
５７（１９９３））では、ｃ軸配向したＰＺＴ（Ｚｒ／
Ｔｉ＝１）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されてい
る。ここでは、ＰＺＴ薄膜の膜厚が５００ｎｍ、２００
ｎｍ、８０ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率（＠１
ｋＨｚ）が３００、２５０、１００と減少する結果が示
されている。文献２（Ｙ．Ｔａｋｅｓｈｉｍａ，Ｋ．Ｔ
ａｎａｋａ ａｎｄ Ｙ．Ｓａｋａｂｅ，Ｊｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，５３８９（２０００））で
は、ａ軸配向したＢＳＴ（Ｂａ：Ｓｒ＝０．６：０．
４）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されている。こ
こでは、ＢＳＴ薄膜の膜厚が１５０ｎｍ、１００ｎｍ、
５０ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率が１２００、
８５０、６００と減少する結果が示されている。文献３
（Ｈ．Ｊ．Ｃｈｏ ａｎｄ Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ，Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２，７８６（１９９８））
では、ａ軸配向したＢＳＴ（Ｂａ：Ｓｒ＝０．３５：
０．６５）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されてい
る。ここでは、ＢＳＴ薄膜の膜厚が８０ｎｍ、５５ｎ
ｍ、３５ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率（＠１０
ｋＨｚ）が３３０、２２０、１８０と減少する結果が示
されている。
Ｈ．Ｓｅｇａｗａ，Ｋ．Ｔｏｍｉｎａｇａ ａｎｄ
Ｍ．Ｏｋａｄａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７３，７８
５７（１９９３））では、ｃ軸配向したＰＺＴ（Ｚｒ／
Ｔｉ＝１）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されてい
る。ここでは、ＰＺＴ薄膜の膜厚が５００ｎｍ、２００
ｎｍ、８０ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率（＠１
ｋＨｚ）が３００、２５０、１００と減少する結果が示
されている。文献２（Ｙ．Ｔａｋｅｓｈｉｍａ，Ｋ．Ｔ
ａｎａｋａ ａｎｄ Ｙ．Ｓａｋａｂｅ，Ｊｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，５３８９（２０００））で
は、ａ軸配向したＢＳＴ（Ｂａ：Ｓｒ＝０．６：０．
４）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されている。こ
こでは、ＢＳＴ薄膜の膜厚が１５０ｎｍ、１００ｎｍ、
５０ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率が１２００、
８５０、６００と減少する結果が示されている。文献３
（Ｈ．Ｊ．Ｃｈｏ ａｎｄ Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ，Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２，７８６（１９９８））
では、ａ軸配向したＢＳＴ（Ｂａ：Ｓｒ＝０．３５：
０．６５）薄膜の膜厚と、誘電率との関係が示されてい
る。ここでは、ＢＳＴ薄膜の膜厚が８０ｎｍ、５５ｎ
ｍ、３５ｎｍと薄層化されるに従って、誘電率（＠１０
ｋＨｚ）が３３０、２２０、１８０と減少する結果が示
されている。
【００８０】また、実施例２における膜厚３５ｎｍにお
いても、耐圧は１０００ｋＶ／ｃｍ以上得られることも
確認できた。したがって、本発明の高誘電率絶縁膜は、
ゲート絶縁膜として好適であるといえる。さらに、本発
明の高誘電率絶縁膜は、表面平滑性に優れることから、
この点からも、ゲート絶縁膜として好適な薄膜材料であ
るといえる。
いても、耐圧は１０００ｋＶ／ｃｍ以上得られることも
確認できた。したがって、本発明の高誘電率絶縁膜は、
ゲート絶縁膜として好適であるといえる。さらに、本発
明の高誘電率絶縁膜は、表面平滑性に優れることから、
この点からも、ゲート絶縁膜として好適な薄膜材料であ
るといえる。
【００８１】実施例５
パルスレーザ蒸着法による原料として、Ｓｒｘ Ｂｉ
４−ｘ Ｔｉ３−ｘ Ｔａｘ Ｏ１２（ＳＢＴＴ）焼結
体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号Ａ２ ＝Ｓ
ｒｘ ，Ｂｉ２−ｘおよび記号Ｂ３ ＝Ｔｉ３−ｘ ，
Ｔａｘ として表される。ここで、ｘ＝０．４、０．
６、０．８、１．０、１．２と変化させた）を用い、膜
厚約５０ｎｍのＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成
した以外は、実施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜のキ
ュリー点と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特
性（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値）とを評価した。結果
を表３に示す。なお、高誘電率絶縁膜のキュリー点（単
位は℃）は、誘電率の温度変化により求めた。
４−ｘ Ｔｉ３−ｘ Ｔａｘ Ｏ１２（ＳＢＴＴ）焼結
体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号Ａ２ ＝Ｓ
ｒｘ ，Ｂｉ２−ｘおよび記号Ｂ３ ＝Ｔｉ３−ｘ ，
Ｔａｘ として表される。ここで、ｘ＝０．４、０．
６、０．８、１．０、１．２と変化させた）を用い、膜
厚約５０ｎｍのＳＢＴＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成
した以外は、実施例１と同様にして、ＳＢＴＴ薄膜のキ
ュリー点と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特
性（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値）とを評価した。結果
を表３に示す。なお、高誘電率絶縁膜のキュリー点（単
位は℃）は、誘電率の温度変化により求めた。
【００８２】
【表３】
【００８３】表３に示すように、ＳＢＴＴのｃ軸配向膜
にて組成ｘを大きくした場合、キュリー点が低下すると
ともに、室温（２５℃）での誘電率が上昇する。組成ｘ
が約１でキュリー点が室温付近となり、室温での誘電率
は最大となる。したがって、組成ｘが約１以上では、室
温で常誘電相となるので、損失Ｑ値は向上する。すなわ
ち、高容量が必要なニーズには組成範囲１．０＜ｘ＜
１．２が適していることが確認できた。
にて組成ｘを大きくした場合、キュリー点が低下すると
ともに、室温（２５℃）での誘電率が上昇する。組成ｘ
が約１でキュリー点が室温付近となり、室温での誘電率
は最大となる。したがって、組成ｘが約１以上では、室
温で常誘電相となるので、損失Ｑ値は向上する。すなわ
ち、高容量が必要なニーズには組成範囲１．０＜ｘ＜
１．２が適していることが確認できた。
【００８４】実施例６
パルスレーザ蒸着法による原料として、希土類元素とし
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．４と変化さ
せた）を用い、膜厚約５０ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率
絶縁膜）を形成した以外は、実施例１と同様にして、Ｌ
ＢＴ薄膜のキュリー点と、高誘電率絶縁膜の電気特性
（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値）とを評価した。結果を
表４に示す。
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．４と変化さ
せた）を用い、膜厚約５０ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率
絶縁膜）を形成した以外は、実施例１と同様にして、Ｌ
ＢＴ薄膜のキュリー点と、高誘電率絶縁膜の電気特性
（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値）とを評価した。結果を
表４に示す。
【００８５】
【表４】
【００８６】表４に示すように、ＬＢＴのｃ軸配向膜に
て組成ｘを大きくした場合、キュリー点が低下するとと
もに、室温（２５℃）での誘電率が上昇する。組成ｘが
約１．２でキュリー点が室温付近となり、室温での誘電
率は最大となる。したがって、組成ｘが約１．２以上で
は、室温で常誘電相となるので、損失Ｑ値は向上する。
すなわち、高容量が必要なニーズには組成範囲１．０＜
ｘ＜１．４が適していることが確認できた。
て組成ｘを大きくした場合、キュリー点が低下するとと
もに、室温（２５℃）での誘電率が上昇する。組成ｘが
約１．２でキュリー点が室温付近となり、室温での誘電
率は最大となる。したがって、組成ｘが約１．２以上で
は、室温で常誘電相となるので、損失Ｑ値は向上する。
すなわち、高容量が必要なニーズには組成範囲１．０＜
ｘ＜１．４が適していることが確認できた。
【００８７】実施例７
実施例６と同様にして高誘電率絶縁膜の試験用サンプル
を作製し、該高誘電率絶縁膜の電気特性（リーク電流、
ショート率）を評価した。結果を表５に示す。
を作製し、該高誘電率絶縁膜の電気特性（リーク電流、
ショート率）を評価した。結果を表５に示す。
【００８８】
【表５】
【００８９】表５に示すように、ＬＢＴのｃ軸配向膜に
て組成ｘを大きくすると、リーク電流が小さくなり、シ
ョート率が低下する。すなわちリーク特性を向上させる
ためには組成範囲０．４＜ｘ＜１．４が適していること
が確認できた。
て組成ｘを大きくすると、リーク電流が小さくなり、シ
ョート率が低下する。すなわちリーク特性を向上させる
ためには組成範囲０．４＜ｘ＜１．４が適していること
が確認できた。
【００９０】実施例８
本実施例では、実施例１で作製された高誘電率絶縁膜の
試験用サンプルを用いて、周波数特性および電圧特性を
評価した。
試験用サンプルを用いて、周波数特性および電圧特性を
評価した。
【００９１】周波数特性は、以下のようにして評価し
た。高誘電率絶縁膜の試験用サンプルについて、室温
（２５℃）にて周波数を１ｋＨｚから１ＭＨｚまで変化
させ、静電容量を測定し、誘電率を計算した結果を図４
に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用いた。
図４に示すように、特定温度下での周波数を１ＭＨｚま
で変化させても、誘電率の値が変化しないことが確認で
きた。すなわち周波数特性に優れていることが確認され
た。
た。高誘電率絶縁膜の試験用サンプルについて、室温
（２５℃）にて周波数を１ｋＨｚから１ＭＨｚまで変化
させ、静電容量を測定し、誘電率を計算した結果を図４
に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用いた。
図４に示すように、特定温度下での周波数を１ＭＨｚま
で変化させても、誘電率の値が変化しないことが確認で
きた。すなわち周波数特性に優れていることが確認され
た。
【００９２】電圧特性は、以下のようにして評価した。
高誘電率絶縁膜の試験用サンプルについて、特定の周波
数（１００ｋＨｚ）下での測定電圧（印加電圧）を０．
１Ｖ（電界強度５ｋＶ／ｃｍ）から５Ｖ（電界強度２５
０ｋＶ／ｃｍ）まで変化させ、特定電圧下での静電容量
を測定（測定温度は２５℃）し、誘電率を計算した結果
を図５に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用
いた。図５に示すように、特定周波数下での測定電圧を
５Ｖまで変化させても、誘電率の値が変化しないことが
確認できた。すなわち電圧特性に優れていることが確認
された。
高誘電率絶縁膜の試験用サンプルについて、特定の周波
数（１００ｋＨｚ）下での測定電圧（印加電圧）を０．
１Ｖ（電界強度５ｋＶ／ｃｍ）から５Ｖ（電界強度２５
０ｋＶ／ｃｍ）まで変化させ、特定電圧下での静電容量
を測定（測定温度は２５℃）し、誘電率を計算した結果
を図５に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用
いた。図５に示すように、特定周波数下での測定電圧を
５Ｖまで変化させても、誘電率の値が変化しないことが
確認できた。すなわち電圧特性に優れていることが確認
された。
【００９３】実施例１１
下部電極薄膜となるＣａＲｕＯ３ を［１００］方位に
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１００）ＣａＲｕＯ３ //（１００）ＳｒＴｉＯ
３ ）を８００℃に加熱した。次に、ＣａＲｕＯ３ 下
部電極薄膜の表面に、パルスレーザ蒸着法にて、Ｎａ
０．５ Ｂｉ４．５ Ｔｉ４ Ｏ１５（以下、ＮＢＴと
も言う）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ ３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号
Ａ３ ＝Ｎａ０．５ ，Ｂｉ２．５ および記号Ｂ４
＝Ｔｉ４ として表される）を原料に用いて、膜厚約２
００ｎｍのＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１００）ＣａＲｕＯ３ //（１００）ＳｒＴｉＯ
３ ）を８００℃に加熱した。次に、ＣａＲｕＯ３ 下
部電極薄膜の表面に、パルスレーザ蒸着法にて、Ｎａ
０．５ Ｂｉ４．５ Ｔｉ４ Ｏ１５（以下、ＮＢＴと
も言う）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａ
ｍ−１ Ｂｍ Ｏ ３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号
Ａ３ ＝Ｎａ０．５ ，Ｂｉ２．５ および記号Ｂ４
＝Ｔｉ４ として表される）を原料に用いて、膜厚約２
００ｎｍのＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。
【００９４】このＮＢＴ薄膜の結晶構造をＸ線回折（Ｘ
ＲＤ）測定したところ、［００１］方位に配向している
こと、すなわちＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板表面に対して
垂直にｃ軸配向していることが確認できた。また、この
ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）を、実施例１と同様にし
て測定した。
ＲＤ）測定したところ、［００１］方位に配向している
こと、すなわちＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板表面に対して
垂直にｃ軸配向していることが確認できた。また、この
ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）を、実施例１と同様にし
て測定した。
【００９５】また、このＮＢＴ薄膜から成る高誘電率絶
縁膜について、実施例１と同様にして、電気特性（誘電
率、ｔａｎδ、損失Ｑ値、リーク電流、ショート率）お
よび誘電率の温度特性を評価した。これらの結果を表６
に示す。
縁膜について、実施例１と同様にして、電気特性（誘電
率、ｔａｎδ、損失Ｑ値、リーク電流、ショート率）お
よび誘電率の温度特性を評価した。これらの結果を表６
に示す。
【００９６】比較例１１
下部電極薄膜となるＣａＲｕＯ３ を［１１０］方位に
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１０）ＣａＲｕＯ３ //（１１０）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１１と同様にして、Ｃａ
ＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＮ
ＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＮＢＴ薄
膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１１８］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１１と同様に、ＮＢＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表
６に示す。
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１０）ＣａＲｕＯ３ //（１１０）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１１と同様にして、Ｃａ
ＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＮ
ＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＮＢＴ薄
膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、
［１１８］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認
した。そして、実施例１１と同様に、ＮＢＴ薄膜の表面
粗さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表
６に示す。
【００９７】比較例１２
下部電極薄膜となるＣａＲｕＯ３ を［１１１］方位に
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１１）ＣａＲｕＯ３ //（１１１）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＮＢ
Ｔ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＮＢＴ薄膜
の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、［１
０４］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認し
た。そして、実施例１１と同様に、ＮＢＴ薄膜の表面粗
さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気
特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表６
に示す。
エピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
（（１１１）ＣａＲｕＯ３ //（１１１）ＳｒＴｉＯ
３ ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＣａＲ
ｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約２００ｎｍのＮＢ
Ｔ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した。このＮＢＴ薄膜
の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、［１
０４］方位に配向しており、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板
表面に対して垂直にｃ軸配向していないことを確認し
た。そして、実施例１１と同様に、ＮＢＴ薄膜の表面粗
さ（Ｒａ）と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気
特性および誘電率の温度特性とを評価した。結果を表６
に示す。
【００９８】
【表６】
【００９９】表６に示すように、実施例１１で得られた
ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜は、誘電率は劣るもの
の、リーク特性に優れていることが確認できた。これに
より、より一層の薄膜化が期待でき、ひいてはゲート絶
縁膜として好適に用いることができることが確認され
た。
ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜は、誘電率は劣るもの
の、リーク特性に優れていることが確認できた。これに
より、より一層の薄膜化が期待でき、ひいてはゲート絶
縁膜として好適に用いることができることが確認され
た。
【０１００】また、実施例１１では、温度係数が＋３０
ｐｐｍ／℃と非常に小さいのに、誘電率が１５０と比較
的大きく、比較例１１〜１２で得られた他の配向方向の
膜よりも、温度特性に優れていることも確認できた。さ
らに、実施例１１では、比較例１１〜１２と比較して表
面平滑性に優れることから、ゲート絶縁膜として好適な
薄膜であることも確認できた。すなわち、実施例１１に
より、ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜の有効性が確認
できた。
ｐｐｍ／℃と非常に小さいのに、誘電率が１５０と比較
的大きく、比較例１１〜１２で得られた他の配向方向の
膜よりも、温度特性に優れていることも確認できた。さ
らに、実施例１１では、比較例１１〜１２と比較して表
面平滑性に優れることから、ゲート絶縁膜として好適な
薄膜であることも確認できた。すなわち、実施例１１に
より、ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜の有効性が確認
できた。
【０１０１】実施例１２
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約３５ｎｍの
ＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施
例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損
失Ｑ値、リーク電流、耐圧）および誘電率の温度特性と
を評価した。結果を表７に示す。なお、耐圧（単位はｋ
Ｖ／ｃｍ）は、リーク特性測定において、電圧を上昇さ
せることにより測定した。
ＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施
例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損
失Ｑ値、リーク電流、耐圧）および誘電率の温度特性と
を評価した。結果を表７に示す。なお、耐圧（単位はｋ
Ｖ／ｃｍ）は、リーク特性測定において、電圧を上昇さ
せることにより測定した。
【０１０２】実施例１３
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約５０ｎｍの
ＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施
例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特性および
誘電率の温度特性とを評価した。結果を表７に示す。
ＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施
例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特性および
誘電率の温度特性とを評価した。結果を表７に示す。
【０１０３】実施例１４
ＣａＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に膜厚約１００ｎｍ
のＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特性および
誘電率の温度特性とを評価した。結果を表７に示す。
のＮＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実
施例１１と同様にして、ＮＢＴ薄膜の表面粗さ（Ｒａ）
と、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電気特性および
誘電率の温度特性とを評価した。結果を表７に示す。
【０１０４】
【表７】
【０１０５】表７に示すように、ｃ軸配向膜にて膜厚を
小さくした場合、リーク特性は若干悪くなるものの、表
面粗さや誘電率は変化しないことが確認できた。
小さくした場合、リーク特性は若干悪くなるものの、表
面粗さや誘電率は変化しないことが確認できた。
【０１０６】また、実施例１２における膜厚３５ｎｍに
おいても、耐圧は１０００ｋＶ／ｃｍ以上得られること
も確認できた。したがって、本発明の高誘電率絶縁膜
は、ゲート絶縁膜として好適であるといえる。さらに、
実施例１２〜１４では、温度係数が＋３０ｐｐｍ／℃と
非常に小さいのに、誘電率が１５０と比較的大きく、温
度特性にも優れた基本特性を有していることも確認でき
た。さらにまた、表面平滑性に優れることから、ゲート
絶縁膜として好適な薄膜であるといえる。
おいても、耐圧は１０００ｋＶ／ｃｍ以上得られること
も確認できた。したがって、本発明の高誘電率絶縁膜
は、ゲート絶縁膜として好適であるといえる。さらに、
実施例１２〜１４では、温度係数が＋３０ｐｐｍ／℃と
非常に小さいのに、誘電率が１５０と比較的大きく、温
度特性にも優れた基本特性を有していることも確認でき
た。さらにまた、表面平滑性に優れることから、ゲート
絶縁膜として好適な薄膜であるといえる。
【０１０７】実施例１５
パルスレーザ蒸着法による原料として、希土類元素とし
てのＬａが添加されたＮａ０．５ Ｌａｘ Ｂｉ
２．５−ｘ Ｔｉ４ Ｏ１５（ＮＬＢＴ）焼結体（この
焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号Ａ３ ＝Ｎａ
０．５ Ｂｉ２．５−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ４
＝Ｔｉ４ として表される。ここで、ｘ＝０、０．２、
０．４と変化させた）を用い、膜厚約５０ｎｍのＮＬＢ
Ｔ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施例１
１と同様にして、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性（リーク電流、ショート率）を評価した。結果を
表８に示す。
てのＬａが添加されたＮａ０．５ Ｌａｘ Ｂｉ
２．５−ｘ Ｔｉ４ Ｏ１５（ＮＬＢＴ）焼結体（この
焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号Ａ３ ＝Ｎａ
０．５ Ｂｉ２．５−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ４
＝Ｔｉ４ として表される。ここで、ｘ＝０、０．２、
０．４と変化させた）を用い、膜厚約５０ｎｍのＮＬＢ
Ｔ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外は、実施例１
１と同様にして、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルの電
気特性（リーク電流、ショート率）を評価した。結果を
表８に示す。
【０１０８】
【表８】
【０１０９】表８に示すように、ＬＢＴのｃ軸配向膜に
て組成ｘを大きくすると、リーク電流が小さくなり、シ
ョート率が低下することが分かった。
て組成ｘを大きくすると、リーク電流が小さくなり、シ
ョート率が低下することが分かった。
【０１１０】実施例２１
単結晶シリコン（１００）基板を、６００°Ｃに加熱し
ながら、基板の表面に、パルスレーザ蒸着法にて、Ｂｉ
４ Ｔｉ３ Ｏ１２（以下、ＢｉＴとも言う）焼結体
（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２
および記号Ｂ３ ＝Ｔｉ３ として表される）を原料に
用いて、膜厚約５０ｎｍのＢｉＴ薄膜（高誘電率絶縁
膜）を形成した。
ながら、基板の表面に、パルスレーザ蒸着法にて、Ｂｉ
４ Ｔｉ３ Ｏ１２（以下、ＢｉＴとも言う）焼結体
（この焼結体は、組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ
３ｍ＋３において、記号ｍ＝３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２
および記号Ｂ３ ＝Ｔｉ３ として表される）を原料に
用いて、膜厚約５０ｎｍのＢｉＴ薄膜（高誘電率絶縁
膜）を形成した。
【０１１１】このＢｉＴ薄膜の結晶構造を、実施例１と
同様にしてＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、［００
１］方位に配向していること、すなわち単結晶シリコン
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していることが確認で
きた。
同様にしてＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、［００
１］方位に配向していること、すなわち単結晶シリコン
基板表面に対して垂直にｃ軸配向していることが確認で
きた。
【０１１２】次に、このＢｉＴ薄膜の表面に、０．１ｍ
ｍφのＰｔ上部電極薄膜をスパッタリング法により形成
し、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルを作製した。
ｍφのＰｔ上部電極薄膜をスパッタリング法により形成
し、高誘電率絶縁膜の試験用サンプルを作製した。
【０１１３】得られた高誘電率絶縁膜の電気特性（誘電
率、リーク電流）を、実施例１と同様にして評価した。
得られた高誘電率絶縁膜の誘電率は、室温および測定周
波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）の条件で、１００で
あり、リーク電流は、電界強度１Ｖ／ｃｍの条件で、１
×１０−７Ａ／ｃｍ２ であった。
率、リーク電流）を、実施例１と同様にして評価した。
得られた高誘電率絶縁膜の誘電率は、室温および測定周
波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）の条件で、１００で
あり、リーク電流は、電界強度１Ｖ／ｃｍの条件で、１
×１０−７Ａ／ｃｍ２ であった。
【０１１４】実施例２２
パルスレーザ蒸着法による原料として、希土類元素とし
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
２、０．４、０．６と変化させた）を用い、膜厚約５０
ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外
は、実施例２２と同様にして、高誘電率絶縁膜の誘電率
およびリーク電流を求めた。結果を表９に示す。
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
２、０．４、０．６と変化させた）を用い、膜厚約５０
ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外
は、実施例２２と同様にして、高誘電率絶縁膜の誘電率
およびリーク電流を求めた。結果を表９に示す。
【０１１５】
【表９】
【０１１６】表９に示すように、ＬＢＴ薄膜（高誘電率
絶縁膜）に対して、希土類の含有割合が増大するほど、
誘電率が増大し、リーク電流が減少することが確認でき
た。すなわち、本発明の高誘電率絶縁膜は、ゲート絶縁
膜として適していることが確認できた。
絶縁膜）に対して、希土類の含有割合が増大するほど、
誘電率が増大し、リーク電流が減少することが確認でき
た。すなわち、本発明の高誘電率絶縁膜は、ゲート絶縁
膜として適していることが確認できた。
【０１１７】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、リーク特性、耐圧特性および表面平滑性に優れ、比
較的に高誘電率で、微細化および小型化が可能なＭＯＳ
ＦＥＴのゲート絶縁膜として好ましく用いることができ
る高誘電率絶縁膜と、それを用いる半導体装置を提供す
ることができる。
ば、リーク特性、耐圧特性および表面平滑性に優れ、比
較的に高誘電率で、微細化および小型化が可能なＭＯＳ
ＦＥＴのゲート絶縁膜として好ましく用いることができ
る高誘電率絶縁膜と、それを用いる半導体装置を提供す
ることができる。
【図１】 図１（Ａ）および図１（Ｂ）は本発明に係る
高誘電率絶縁膜を半導体基板の表面に形成した状態を示
す要部断面図である。
高誘電率絶縁膜を半導体基板の表面に形成した状態を示
す要部断面図である。
【図２】 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は本発明に係る
高誘電率絶縁膜を有するＭＯＳＦＥＴの要部断面図であ
る。
高誘電率絶縁膜を有するＭＯＳＦＥＴの要部断面図であ
る。
【図３】 図３は本発明の実施例で用いる高誘電率絶縁
膜の試験用サンプルの要部断面図である。
膜の試験用サンプルの要部断面図である。
【図４】 図４は実施例８の高誘電率絶縁膜の試験用サ
ンプルの周波数特性を表すグラフである。
ンプルの周波数特性を表すグラフである。
【図５】 図５は実施例８の高誘電率絶縁膜の試験用サ
ンプルの電圧特性を表すグラフである。
ンプルの電圧特性を表すグラフである。
２… 試験用サンプル
４… 基板
６… 下部電極薄膜
７，７ａ… バッファ層
８、８ａ… 高誘電率絶縁膜
１０… 上部電極薄膜
１５，１５ａ… ゲート電極
１７… ソース・ドレイン領域
１９… フローティングゲート
２０… ＭＯＳＦＥＴ
２０ａ… 半導体装置
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年３月２８日（２００２．３．２
８）
８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１１４】実施例２２
パルスレーザ蒸着法による原料として、希土類元素とし
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
２、０．４、０．６と変化させた）を用い、膜厚約５０
ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外
は、実施例２１と同様にして、高誘電率絶縁膜の誘電率
およびリーク電流を求めた。結果を表９に示す。
てのＬａが添加されたＬａｘ Ｂｉ４−ｘ Ｔｉ３ Ｏ
１２（ＬＢＴ）焼結体（この焼結体は、組成式：Ｂｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝
３、記号Ａ２ ＝Ｂｉ２−ｘ ，Ｌａｘ および記号Ｂ
３ ＝Ｔｉ３ として表される。ここで、ｘ＝０、０．
２、０．４、０．６と変化させた）を用い、膜厚約５０
ｎｍのＬＢＴ薄膜（高誘電率絶縁膜）を形成した以外
は、実施例２１と同様にして、高誘電率絶縁膜の誘電率
およびリーク電流を求めた。結果を表９に示す。
─────────────────────────────────────────────────────
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 27/04 Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１Ｇ ５Ｆ１０１
27/115 29/62 Ｇ ５Ｆ１４０
29/43 27/04 Ｃ
29/78
29/788
29/792
Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA50 BC00 BC05 BD01
CA01 DB20
4M104 AA01 BB06 CC05 DD37 EE03
EE14 GG09 GG10 GG14 GG16
5F038 AC05 AC15 EZ11 EZ20
5F058 BA01 BA09 BC03 BF06 BF12
BF17 BF46 BJ04
5F083 EP02 EP23 EP56 EP57 GA06
HA08 JA02 JA05 JA12 JA17
JA38 JA45 PR25
5F101 BA01 BA26 BA36 BB05 BH01
BH12
5F140 AA19 AA24 AC36 BA01 BA12
BA20 BD01 BD04 BD05 BD07
BD09 BD11 BD13 BE09 BE10
BF01 BF04 CB08
Claims (12)
- 【請求項１】 ｃ軸が基板面に対して垂直に配向してい
るビスマス層状化合物を有する高誘電率絶縁膜であっ
て、 該ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）
２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式
中の記号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓ
ｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元
素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１
つの元素であることを特徴とする高誘電率絶縁膜。 - 【請求項２】 前記ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が
８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の高
誘電率絶縁膜。 - 【請求項３】 前記ビスマス層状化合物が、希土類元素
（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂおよび
Ｌｕから選ばれる少なくとも１つの元素）を含むことを
特徴とする請求項１または２に記載の高誘電率絶縁膜。 - 【請求項４】 ｃ軸が基板面に対して垂直に配向してい
るビスマス層状化合物を有するゲート絶縁膜であって、 該ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）
２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ
２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式
中の記号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓ
ｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元
素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１
つの元素であることを特徴とするゲート絶縁膜。 - 【請求項５】 前記ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が
８０％以上であることを特徴とする請求項４に記載のゲ
ート絶縁膜。 - 【請求項６】 前記ビスマス層状化合物が、希土類元素
（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂおよび
Ｌｕから選ばれる少なくとも１つの元素）を含むことを
特徴とする請求項４または５に記載のゲート絶縁膜。 - 【請求項７】 半導体基板と、 前記半導体基板の表面に直接にまたは他の層を介して形
成される高誘電率絶縁膜とを有する半導体装置であっ
て、 前記高誘電率絶縁膜が、ビスマス層状化合物を主成分と
し、当該ビスマス層状化合物のｃ軸が前記半導体基板の
表面に対して垂直に配向しており、 前記ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ
２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂ
ｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正
数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａおよび
Ｂｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦ
ｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、
ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素である
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項８】 前記ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が
８０％以上であることを特徴とする請求項７に記載の半
導体装置。 - 【請求項９】 前記ビスマス層状化合物が、希土類元素
（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂおよび
Ｌｕから選ばれる少なくとも１つの元素）を含むことを
特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。 - 【請求項１０】 前記半導体基板の表面に、前記高誘電
率絶縁膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表面に所定
パターンのゲート電極が形成され、前記高誘電率絶縁膜
がゲート絶縁膜として機能することを特徴とする請求項
７〜９のいずれかに記載のＭＯＳＦＥＴ型半導体装置。 - 【請求項１１】 前記半導体基板の表面に、バッファ層
が形成され、前記バッファ層の表面に前記高誘電率絶縁
膜が形成され、前記高誘電率絶縁膜の表面に所定パター
ンのゲート電極が形成され、前記バッファ層および前記
高誘電率絶縁膜がゲート絶縁膜として機能することを特
徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のＭＯＳＦＥＴ
型半導体装置。 - 【請求項１２】 前記半導体基板の表面に、バッファ層
が形成され、前記バッファ層の表面に所定パターンのフ
ローティングゲートが形成され、前記フローティングゲ
ートの表面に前記高誘電率絶縁膜が形成され、前記高誘
電率絶縁膜の表面にゲート電極が形成され、前記バッフ
ァ層がゲート絶縁膜として機能し、前記高誘電率絶縁膜
が中間絶縁膜として機能する請求項７〜９に記載のフロ
ーティングゲートを有する半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002088920A JP2003151976A (ja) | 2001-08-28 | 2002-03-27 | 高誘電率絶縁膜、ゲート絶縁膜および半導体装置 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001-257481 | 2001-08-28 | ||
| JP2001257481 | 2001-08-28 | ||
| JP2001-257484 | 2001-08-28 | ||
| JP2001257484 | 2001-08-28 | ||
| JP2002088920A JP2003151976A (ja) | 2001-08-28 | 2002-03-27 | 高誘電率絶縁膜、ゲート絶縁膜および半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003151976A true JP2003151976A (ja) | 2003-05-23 |
Family
ID=27347389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002088920A Pending JP2003151976A (ja) | 2001-08-28 | 2002-03-27 | 高誘電率絶縁膜、ゲート絶縁膜および半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003151976A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004112056A1 (ja) * | 2003-06-12 | 2004-12-23 | Tdk Corporation | 積層体ユニット |
| JP2006054308A (ja) * | 2004-08-11 | 2006-02-23 | Fujitsu Ltd | 電子装置、及びキャパシタへの電圧印加方法 |
| US7250228B2 (en) | 2002-09-28 | 2007-07-31 | Postech Foundation | Yttrium-doped bismuth titanate thin film and preparation thereof |
| DE112005002160T5 (de) | 2004-09-09 | 2009-03-12 | Tokyo Electron Ltd. | Dünnfilmkondensator und Verfahren zum Bilden desselben sowie computerlesbares Speichermedium |
| JP2011501450A (ja) * | 2007-10-30 | 2011-01-06 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | 半導体デバイス、半導体デバイスを形成する方法、および集積回路 |
| KR20230099465A (ko) * | 2021-12-27 | 2023-07-04 | 창원대학교 산학협력단 | 고온 유전 특성이 안정한 무연 유전체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 |
-
2002
- 2002-03-27 JP JP2002088920A patent/JP2003151976A/ja active Pending
Cited By (7)
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| KR20230099465A (ko) * | 2021-12-27 | 2023-07-04 | 창원대학교 산학협력단 | 고온 유전 특성이 안정한 무연 유전체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 |
| KR102664215B1 (ko) | 2021-12-27 | 2024-05-09 | 국립창원대학교 산학협력단 | 고온 유전 특성이 안정한 무연 유전체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 |
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