JP2924574B2 - 配向性強誘電体薄膜素子 - Google Patents
配向性強誘電体薄膜素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶基板上に
特定の結晶配向を持つバッファ層を形成した強誘電体薄
膜素子に関し、半導体基板上に不揮発性メモリーやキャ
パシター、または光変調素子等の作製が可能な配向性強
誘電体薄膜素子に関する。
特定の結晶配向を持つバッファ層を形成した強誘電体薄
膜素子に関し、半導体基板上に不揮発性メモリーやキャ
パシター、または光変調素子等の作製が可能な配向性強
誘電体薄膜素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、酸化物強誘電体薄膜は、強誘電体
のもつ強誘電性、圧電性、焦電性、電気光学効果等の多
くの性質により不揮発性メモリーを始めとして、表面弾
性波素子、赤外線焦電素子、音響光学素子、電気光学素
子等多くの応用が期待されている。これらの応用のう
ち、薄膜光導波路構造での低光損失化と単結晶並みの分
極特性や電気光学効果を得るために単結晶薄膜の作製が
不可欠である。そのため、酸化物単結晶基板に、ＢａＴ
ｉＯ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒ1-yＴｉ
y ）1-x/4 Ｏ3 （ＰＬＺＴ）、ＬｉＮｂＯ3 、ＫＮｂＯ
3 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12等のエピタキシャル強誘電体薄膜
を、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビ
ーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、有
機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）等の方法によって形成す
ることが数多く試みられている。
のもつ強誘電性、圧電性、焦電性、電気光学効果等の多
くの性質により不揮発性メモリーを始めとして、表面弾
性波素子、赤外線焦電素子、音響光学素子、電気光学素
子等多くの応用が期待されている。これらの応用のう
ち、薄膜光導波路構造での低光損失化と単結晶並みの分
極特性や電気光学効果を得るために単結晶薄膜の作製が
不可欠である。そのため、酸化物単結晶基板に、ＢａＴ
ｉＯ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒ1-yＴｉ
y ）1-x/4 Ｏ3 （ＰＬＺＴ）、ＬｉＮｂＯ3 、ＫＮｂＯ
3 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12等のエピタキシャル強誘電体薄膜
を、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビ
ーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、有
機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）等の方法によって形成す
ることが数多く試みられている。
【０００３】しかしながら、半導体素子との集積化のた
めには、半導体基板上に強誘電体薄膜を作製することが
必要である。半導体基板上に強誘電体薄膜を作製する場
合、半導体基板上に低温でエピタキシャル成長するバッ
ファ層を設けることが提案されており、例えば、Ｓｉ
（１００）単結晶上に、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 （１００）また
はＭｇＯ（１００）をバッファ層としてエピタキシャル
成長した基板上に強誘電体化合物をエピタキシャル成長
することが特開昭６１−１８５８０８号公報に示されて
いる。ところがこの特許公報では、Ｓｉ（１００）とＭ
ｇＯ（１００）との結晶学的関係は明らかにはされてい
ない。その後の研究において、（１００）配向性のＭｇ
ＯがＳｉ（１００）単結晶上に作製された際には、Ｍｇ
Ｏは（１００）面がＳｉ（１００）面に平行であるだけ
で、面内方位はランダムな配向性多結晶ＭｇＯであるこ
とが明らかにされている（Ｐ．Ｔｉｗａｒｉ ｅｔ ａ
ｌ．；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９，８３５８（１９
９１））。
めには、半導体基板上に強誘電体薄膜を作製することが
必要である。半導体基板上に強誘電体薄膜を作製する場
合、半導体基板上に低温でエピタキシャル成長するバッ
ファ層を設けることが提案されており、例えば、Ｓｉ
（１００）単結晶上に、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 （１００）また
はＭｇＯ（１００）をバッファ層としてエピタキシャル
成長した基板上に強誘電体化合物をエピタキシャル成長
することが特開昭６１−１８５８０８号公報に示されて
いる。ところがこの特許公報では、Ｓｉ（１００）とＭ
ｇＯ（１００）との結晶学的関係は明らかにはされてい
ない。その後の研究において、（１００）配向性のＭｇ
ＯがＳｉ（１００）単結晶上に作製された際には、Ｍｇ
Ｏは（１００）面がＳｉ（１００）面に平行であるだけ
で、面内方位はランダムな配向性多結晶ＭｇＯであるこ
とが明らかにされている（Ｐ．Ｔｉｗａｒｉ ｅｔ ａ
ｌ．；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９，８３５８（１９
９１））。
【０００４】また、本発明者等は、ＧａＡｓ半導体（１
００）基板上に、ＭｇＯ（１００）バッファ層をエピタ
キシャル成長させ、その上にエピタキシャルまたは配向
性の強誘電体薄膜を作製することをすでに提案した（特
願平４−３１９２２９号）。この際の結晶学的関係は、
例えばＧａＡｓ上のＢａＴｉＯ3 については、ＢａＴｉ
Ｏ3 （００１）//ＭｇＯ（１００）//ＧａＡｓ（１０
０）、面内方位ＢａＴｉＯ3 ［０１０］//ＭｇＯ［００
１］//ＧａＡｓ［００１］である。
００）基板上に、ＭｇＯ（１００）バッファ層をエピタ
キシャル成長させ、その上にエピタキシャルまたは配向
性の強誘電体薄膜を作製することをすでに提案した（特
願平４−３１９２２９号）。この際の結晶学的関係は、
例えばＧａＡｓ上のＢａＴｉＯ3 については、ＢａＴｉ
Ｏ3 （００１）//ＭｇＯ（１００）//ＧａＡｓ（１０
０）、面内方位ＢａＴｉＯ3 ［０１０］//ＭｇＯ［００
１］//ＧａＡｓ［００１］である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
場合、格子定数および結晶格子の対称性が、ＭｇＯバッ
ファ層の（１００）面に近く、分極軸を［００１］方向
に持つ正方晶系強誘電体以外の強誘電体に付いては、半
導体（１００）基板上で、その分極軸を一方向に揃える
ことはできなかった。例えば、分極軸を［１１１］方向
に持つ斜方晶系強誘電体や、分極軸を［０００１］方向
に持つ六方晶系強誘電体は、格子定数および結晶格子の
対称性がＭｇＯ（１００）面と異なるために、半導体
（１００）基板上に（１１１）の結晶配向を持つ斜方晶
系強誘電体薄膜や（０００１）配向の六方晶系強誘電体
薄膜を作製することはできなかった。本発明は、従来提
案されている上記のような問題点に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、半導体単結晶（１００）基板上
に、分極軸が一方向に揃った（１１１）または（０００
１）の結晶配向を持つ配向性強誘電体薄膜を有する配向
性強誘電体薄膜素子を提供することにある。本発明の他
の目的は、高機能の不揮発性メモリーやキャパシター、
または光変調素子等の素子を半導体基板上に作製するこ
とができる配向性強誘電体薄膜素子を提供することにあ
る。
場合、格子定数および結晶格子の対称性が、ＭｇＯバッ
ファ層の（１００）面に近く、分極軸を［００１］方向
に持つ正方晶系強誘電体以外の強誘電体に付いては、半
導体（１００）基板上で、その分極軸を一方向に揃える
ことはできなかった。例えば、分極軸を［１１１］方向
に持つ斜方晶系強誘電体や、分極軸を［０００１］方向
に持つ六方晶系強誘電体は、格子定数および結晶格子の
対称性がＭｇＯ（１００）面と異なるために、半導体
（１００）基板上に（１１１）の結晶配向を持つ斜方晶
系強誘電体薄膜や（０００１）配向の六方晶系強誘電体
薄膜を作製することはできなかった。本発明は、従来提
案されている上記のような問題点に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、半導体単結晶（１００）基板上
に、分極軸が一方向に揃った（１１１）または（０００
１）の結晶配向を持つ配向性強誘電体薄膜を有する配向
性強誘電体薄膜素子を提供することにある。本発明の他
の目的は、高機能の不揮発性メモリーやキャパシター、
または光変調素子等の素子を半導体基板上に作製するこ
とができる配向性強誘電体薄膜素子を提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は研究を続け
た結果、半導体単結晶（１００）基板上に（１００）エ
ピタキシャルまたは配向性のＭｇＯバッファ層と、半導
体単結晶（１００）基板に対して面内方位がランダムで
あるが（１１１）の結晶配向を持つＭｇＯバッファ層と
を作り分ける方法を見出した。そして、さらに研究を重
ね多結果、面内方位がランダムであるが（１１１）の結
晶配向を持つＭｇＯバッファ層を形成した場合、その上
に、分極軸を［１１１］方向に持つ斜方晶系強誘電体薄
膜を（１１１）配向性成長させること、および分極軸を
［０００１］方向に持つ六方晶系強誘電体薄膜を（００
０１）配向成長させることができることを見出し、本発
明を完成した。本発明の配向性強誘電体薄膜素子は、半
導体単結晶（１００）基板上に、面内方位がランダムで
あるが（１１１）の結晶配向を持つ金属酸化物からなる
バッファ層が形成され、さらにその上に（１１１）また
は（０００１）の結晶配向を持つ強誘電体薄膜が形成さ
れていることを特徴とする。
た結果、半導体単結晶（１００）基板上に（１００）エ
ピタキシャルまたは配向性のＭｇＯバッファ層と、半導
体単結晶（１００）基板に対して面内方位がランダムで
あるが（１１１）の結晶配向を持つＭｇＯバッファ層と
を作り分ける方法を見出した。そして、さらに研究を重
ね多結果、面内方位がランダムであるが（１１１）の結
晶配向を持つＭｇＯバッファ層を形成した場合、その上
に、分極軸を［１１１］方向に持つ斜方晶系強誘電体薄
膜を（１１１）配向性成長させること、および分極軸を
［０００１］方向に持つ六方晶系強誘電体薄膜を（００
０１）配向成長させることができることを見出し、本発
明を完成した。本発明の配向性強誘電体薄膜素子は、半
導体単結晶（１００）基板上に、面内方位がランダムで
あるが（１１１）の結晶配向を持つ金属酸化物からなる
バッファ層が形成され、さらにその上に（１１１）また
は（０００１）の結晶配向を持つ強誘電体薄膜が形成さ
れていることを特徴とする。
【０００７】本発明において、半導体単結晶（１００）
基板としては、単体半導体であるＳｉ、Ｇｅ、ダイアモ
ンド、III −Ｖ系元素の化合物半導体であるＡｌＡｓ、
ＡｌＳｂ、ＡｌＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、Ｉｎ
Ａｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇａ
ＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、II−VI系元素
の化合物半導体であるＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｃ
ｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳより選
ばれるものが使用される。これらの半導体単結晶（１０
０）基板上に、面内方位がランダムであるが（１１１）
の結晶配向を持つバッファ層が形成される。上記のバッ
ファ層形成材料としては、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、Ｙ
安定化ＺｒＯ2 等の金属酸化物を用いる。これらの中で
も、ＭｇＯバッファ層が好ましい。一般に、強誘電体の
屈折率は半導体よりも小さいが、ＭｇＯバッファ層は強
誘電体よりも小さい屈折率を持つので、ＭｇＯバッファ
層を設けることによって半導体レーザー光を強誘電体薄
膜光導波路中に閉じ込めることが可能になり、光変調素
子のＧａＡｓ系半導体レーザー上への作製や光集積回路
をＳｉ半導体集積回路上に作製することが可能になる。
本発明において、バッファ層の膜厚は、１０〜１０5 オ
ングストロームの範囲が適当である。
基板としては、単体半導体であるＳｉ、Ｇｅ、ダイアモ
ンド、III −Ｖ系元素の化合物半導体であるＡｌＡｓ、
ＡｌＳｂ、ＡｌＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、Ｉｎ
Ａｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇａ
ＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、II−VI系元素
の化合物半導体であるＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｃ
ｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳより選
ばれるものが使用される。これらの半導体単結晶（１０
０）基板上に、面内方位がランダムであるが（１１１）
の結晶配向を持つバッファ層が形成される。上記のバッ
ファ層形成材料としては、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、Ｙ
安定化ＺｒＯ2 等の金属酸化物を用いる。これらの中で
も、ＭｇＯバッファ層が好ましい。一般に、強誘電体の
屈折率は半導体よりも小さいが、ＭｇＯバッファ層は強
誘電体よりも小さい屈折率を持つので、ＭｇＯバッファ
層を設けることによって半導体レーザー光を強誘電体薄
膜光導波路中に閉じ込めることが可能になり、光変調素
子のＧａＡｓ系半導体レーザー上への作製や光集積回路
をＳｉ半導体集積回路上に作製することが可能になる。
本発明において、バッファ層の膜厚は、１０〜１０5 オ
ングストロームの範囲が適当である。
【０００８】上記の面内方位がランダムであるが、（１
１１）の結晶配向を持つ上記した金属酸化物からなるバ
ッファ層上には、（１１１）または（０００１）の結晶
配向を持つ強誘電体薄膜が形成される。強誘電体として
は、ＡＢＯ3 型酸化物強誘電体が好ましく使用され、例
えばＢａＴｉＯ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚ
ｒ1-y Ｔｉy ）1-x/4 Ｏ3 （ＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺ
Ｔ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、Ｌ
ｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等に代表される強誘電体およ
びこれらの置換誘導体より選ばれるものをあげることが
できる。本発明において、（１１１）または（０００
１）の結晶配向を持つ強誘電体薄膜の膜厚は、１０2 〜
１０5 オングストロームの範囲が適当である。本発明に
より、面内方位がランダムであるが、（１１１）の結晶
配向を持つ金属酸化物からなるバッファ層上には、分極
軸を［１１１］方向に持つ斜方晶系ＡＢＯ3 型酸化物強
誘電体薄膜等を（１１１）配向性成長させること、また
は分極軸を［０００１］方向に持つ六方晶系ＡＢＯ3 型
酸化物強誘電体薄膜等を（０００１）配向成長させるこ
とにより、これら強誘電体の分極軸を一方向に揃えるこ
とができる。
１１）の結晶配向を持つ上記した金属酸化物からなるバ
ッファ層上には、（１１１）または（０００１）の結晶
配向を持つ強誘電体薄膜が形成される。強誘電体として
は、ＡＢＯ3 型酸化物強誘電体が好ましく使用され、例
えばＢａＴｉＯ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚ
ｒ1-y Ｔｉy ）1-x/4 Ｏ3 （ＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺ
Ｔ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、Ｌ
ｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等に代表される強誘電体およ
びこれらの置換誘導体より選ばれるものをあげることが
できる。本発明において、（１１１）または（０００
１）の結晶配向を持つ強誘電体薄膜の膜厚は、１０2 〜
１０5 オングストロームの範囲が適当である。本発明に
より、面内方位がランダムであるが、（１１１）の結晶
配向を持つ金属酸化物からなるバッファ層上には、分極
軸を［１１１］方向に持つ斜方晶系ＡＢＯ3 型酸化物強
誘電体薄膜等を（１１１）配向性成長させること、また
は分極軸を［０００１］方向に持つ六方晶系ＡＢＯ3 型
酸化物強誘電体薄膜等を（０００１）配向成長させるこ
とにより、これら強誘電体の分極軸を一方向に揃えるこ
とができる。
【０００９】前記面内方位がランダムであるが（１１
１）の結晶配向を持つ金属酸化物からなるバッファ層
は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレー
ティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオ
ン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーショ
ン、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢＥ）、
化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属化学蒸
着（ＭＯＣＶＤ）などより選ばれる気相成長法により作
製される。
１）の結晶配向を持つ金属酸化物からなるバッファ層
は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレー
ティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオ
ン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーショ
ン、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢＥ）、
化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属化学蒸
着（ＭＯＣＶＤ）などより選ばれる気相成長法により作
製される。
【００１０】面内方位がランダムであるが（１１１）の
結晶配向を持つＭｇＯバッファ層の場合は、室温〜８０
０℃の成膜温度、かつ０．１〜１００オングストローム
／ｓｅｃの成膜速度の条件によって作成することが必要
である。ＭｇＯ層を形成する場合、半導体（１００）単
結晶基板上のＭｇＯの配向性が成膜速度の増加および成
膜温度の低下によって変化する。すなわち、半導体（１
００）単結晶基板上のＭｇＯの配向性が、成膜速度の増
加および成膜温度の低下によって（１００）面単一配向
のエピタキシャル膜から面内方位はランダムであるが
（１１１）面単一配向の膜へと変化する。その理由は明
らかではないが、次のように推定される。上記の範囲よ
りも低成膜速度または高成膜温度においては、基板表面
に到達したＭｇＯ分子のマイグレーションが活発なため
に、ＭｇＯ−ＧａＡｓ界面では安定なＭｇＯ：ＧａＡｓ
＝４：３の格子整合による二次元超格子を形成し、さら
に低エネルギー面である（１００）面を形成しやすい。
一方、蒸気の範囲内の高成膜速度または低成膜温度にお
いては、基板表面に到達したＭｇＯ分子のマイグレーシ
ョンが抑制されるために、ＭｇＯ分子はエネルギー的に
安定な状態を取り難くなり、そしてＧａＡｓ（１００）
表面ではＭｇＯ：ＧａＡｓ＝４：３の格子整合を形成で
きず、（１００）面よりも原子密度が低く、エネルギー
が高い（１１１）面を形成すると考えられる。
結晶配向を持つＭｇＯバッファ層の場合は、室温〜８０
０℃の成膜温度、かつ０．１〜１００オングストローム
／ｓｅｃの成膜速度の条件によって作成することが必要
である。ＭｇＯ層を形成する場合、半導体（１００）単
結晶基板上のＭｇＯの配向性が成膜速度の増加および成
膜温度の低下によって変化する。すなわち、半導体（１
００）単結晶基板上のＭｇＯの配向性が、成膜速度の増
加および成膜温度の低下によって（１００）面単一配向
のエピタキシャル膜から面内方位はランダムであるが
（１１１）面単一配向の膜へと変化する。その理由は明
らかではないが、次のように推定される。上記の範囲よ
りも低成膜速度または高成膜温度においては、基板表面
に到達したＭｇＯ分子のマイグレーションが活発なため
に、ＭｇＯ−ＧａＡｓ界面では安定なＭｇＯ：ＧａＡｓ
＝４：３の格子整合による二次元超格子を形成し、さら
に低エネルギー面である（１００）面を形成しやすい。
一方、蒸気の範囲内の高成膜速度または低成膜温度にお
いては、基板表面に到達したＭｇＯ分子のマイグレーシ
ョンが抑制されるために、ＭｇＯ分子はエネルギー的に
安定な状態を取り難くなり、そしてＧａＡｓ（１００）
表面ではＭｇＯ：ＧａＡｓ＝４：３の格子整合を形成で
きず、（１００）面よりも原子密度が低く、エネルギー
が高い（１１１）面を形成すると考えられる。
【００１１】前記（１１１）の結晶配向を持つ強誘電体
薄膜は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プ
レーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、
イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレー
ション、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属
化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）などより選ばれる気相成長法お
よびゾルゲル法などのウエット・プロセスにより作製す
ることができる。
薄膜は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プ
レーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、
イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレー
ション、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属
化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）などより選ばれる気相成長法お
よびゾルゲル法などのウエット・プロセスにより作製す
ることができる。
【００１２】
実施例１ Ｓｉ（１００）単結晶基板へのＭｇＯバッファ層の形成
を、電子ビーム蒸着法によって行った。ターゲットとし
てＭｇＯを用い、ターゲットと基板の距離は５０〜２０
０ｍｍ、電子ビーム電流は５〜２０ｍＡとした。Ｓｉ単
結晶基板はハロゲン・ランプによって加熱し、基板温度
は３００℃〜７００℃とした。Ｓｉ単結晶基板として、
ｎ型またはｐ型で（１００）面を持つ６×６ｍｍのウエ
ハーを用いた。これらのＳｉ単結晶基板を溶剤で洗浄し
た後、ＨＦ系溶液にてエッチングを行った。さらに、最
後に窒素流下でエタノールによるスピン乾燥を行った。
スピン乾燥後、Ｓｉ単結晶基板を直ちにデポジション・
チャンバーに導入し、バックグラウンド圧力に達した
後、Ｓｉ単結晶基板を加熱し、一定の基板温度に達した
時点でＭｇＯの成膜を行った。成膜速度が１０．０オン
グストローム／ｓｅｃで、成膜温度が３７０℃、４４０
℃または５００℃の条件、および成膜速度が３．０オン
グストローム／ｓｅｃで、成膜温度が４４０℃の条件で
成膜されたＭｇＯは、Ｘ線回折によって解析すると、い
ずれも（１１１）面単一配向の膜である事が確認され
た。
を、電子ビーム蒸着法によって行った。ターゲットとし
てＭｇＯを用い、ターゲットと基板の距離は５０〜２０
０ｍｍ、電子ビーム電流は５〜２０ｍＡとした。Ｓｉ単
結晶基板はハロゲン・ランプによって加熱し、基板温度
は３００℃〜７００℃とした。Ｓｉ単結晶基板として、
ｎ型またはｐ型で（１００）面を持つ６×６ｍｍのウエ
ハーを用いた。これらのＳｉ単結晶基板を溶剤で洗浄し
た後、ＨＦ系溶液にてエッチングを行った。さらに、最
後に窒素流下でエタノールによるスピン乾燥を行った。
スピン乾燥後、Ｓｉ単結晶基板を直ちにデポジション・
チャンバーに導入し、バックグラウンド圧力に達した
後、Ｓｉ単結晶基板を加熱し、一定の基板温度に達した
時点でＭｇＯの成膜を行った。成膜速度が１０．０オン
グストローム／ｓｅｃで、成膜温度が３７０℃、４４０
℃または５００℃の条件、および成膜速度が３．０オン
グストローム／ｓｅｃで、成膜温度が４４０℃の条件で
成膜されたＭｇＯは、Ｘ線回折によって解析すると、い
ずれも（１１１）面単一配向の膜である事が確認され
た。
【００１３】ＭｇＯバッファー層をＳｉ単結晶基板上に
作製した後、直ちにＰＺＴをＭｇＯ上にゾル・ゲル法に
て作製した。ＰＺＴの作製は、まず、Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ
3 Ｈ7 ）4 とＺｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ3 Ｈ7 ）4 を所定のモル
比にて２−メトキシエタノール：ＣＨ3 ＯＣＨ2 ＣＨ2
ＯＨ（ＲＯＨと略記する。）に溶解し、続いてＰｂ（Ｃ
Ｈ3 ＣＯＯ）2 をＰｂ：（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．０：１．
０のモル組成比になるように配合して溶解した。その後
１２５℃にて一定時間蒸留することにより、金属錯体Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ2 （ＯＲ）2 を形成するとともに副
生成物ＣＨ3 ＣＯＯＣＨ2 ＣＨ2 ＯＣＨ3 の除去を行っ
た。次に、この溶液に、Ｐｂ：Ｈ2 Ｏ：ＮＨ4 ＯＨ＝
１：１：０．１となるようにＨ2 Ｏ：ＮＨ4 ＯＨのＲＯ
Ｈ溶液を加え、数時間還流することにより金属アルコキ
シドを部分的に加水分解した。この後、溶液を減圧濃縮
して最終的にＰｂ濃度で０．６Ｍの安定な前駆体溶液を
得た。以上の操作はすべてＮ2 雰囲気中にて行った。こ
の前駆体溶液をＭｇＯバッファー層が形成されたＳｉ
（１００）基板に室温Ｎ2 雰囲気中にて２０００ｒｐｍ
でスピンコーティングを行った。スピンコーティングさ
れた基板は、Ｏ2 雰囲気中で３００℃にて加熱の後、６
５０℃に加熱し、結晶化させた。これにより、膜厚１０
００オングストロームの薄膜が得られた。（１１１）面
単一配向ＭｇＯ上に成膜した斜方晶組成のＰＺＴ（Ｚ
ｒ：Ｔｉ＝５０：５０）は（１１１）配向性を示し、分
極軸［１１１］が基板面に垂直に配向した斜方晶ＰＺＴ
であった。
作製した後、直ちにＰＺＴをＭｇＯ上にゾル・ゲル法に
て作製した。ＰＺＴの作製は、まず、Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ
3 Ｈ7 ）4 とＺｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ3 Ｈ7 ）4 を所定のモル
比にて２−メトキシエタノール：ＣＨ3 ＯＣＨ2 ＣＨ2
ＯＨ（ＲＯＨと略記する。）に溶解し、続いてＰｂ（Ｃ
Ｈ3 ＣＯＯ）2 をＰｂ：（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．０：１．
０のモル組成比になるように配合して溶解した。その後
１２５℃にて一定時間蒸留することにより、金属錯体Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ2 （ＯＲ）2 を形成するとともに副
生成物ＣＨ3 ＣＯＯＣＨ2 ＣＨ2 ＯＣＨ3 の除去を行っ
た。次に、この溶液に、Ｐｂ：Ｈ2 Ｏ：ＮＨ4 ＯＨ＝
１：１：０．１となるようにＨ2 Ｏ：ＮＨ4 ＯＨのＲＯ
Ｈ溶液を加え、数時間還流することにより金属アルコキ
シドを部分的に加水分解した。この後、溶液を減圧濃縮
して最終的にＰｂ濃度で０．６Ｍの安定な前駆体溶液を
得た。以上の操作はすべてＮ2 雰囲気中にて行った。こ
の前駆体溶液をＭｇＯバッファー層が形成されたＳｉ
（１００）基板に室温Ｎ2 雰囲気中にて２０００ｒｐｍ
でスピンコーティングを行った。スピンコーティングさ
れた基板は、Ｏ2 雰囲気中で３００℃にて加熱の後、６
５０℃に加熱し、結晶化させた。これにより、膜厚１０
００オングストロームの薄膜が得られた。（１１１）面
単一配向ＭｇＯ上に成膜した斜方晶組成のＰＺＴ（Ｚ
ｒ：Ｔｉ＝５０：５０）は（１１１）配向性を示し、分
極軸［１１１］が基板面に垂直に配向した斜方晶ＰＺＴ
であった。
【００１４】実施例２ ＧａＡｓ基板へのＭｇＯバッファ層の形成を、実施例１
と同様に電子ビーム蒸着法によって行った。ターゲット
としてＭｇＯを用い、ターゲットとＧａＡｓ基板の距離
は５０〜２００ｍｍ、電子ビーム電流は５〜２０ｍＡと
した。ＧａＡｓ基板はハロゲン・ランプによって加熱
し、基板温度は２００℃〜６００℃とした。上記ＧａＡ
ｓ基板として、ｎ型、（１００）±０．２°、６×６
ｍｍのウエハーを用いた。これらのＧａＡｓ基板は、溶
剤洗浄の後、Ｈ2 ＳＯ4 系の溶液にてエッチングを行っ
た。さらにこのＧａＡｓ基板を脱イオン水とエタノール
でリンスし、最後に窒素流下でエタノールによるスピン
乾燥を行った。スピン乾燥後に基板を直ちにデポジショ
ン・チャンバーに導入し、バックグラウンド圧力に達し
た後、基板を加熱し、一定の基板温度に達した時点でＭ
ｇＯの成膜を行った。成膜速度が１０．０オングストロ
ーム／ｓｅｃで、成膜温度が室温または２００℃の条件
で成膜されたＭｇＯは、Ｘ線回折によって解析すると、
いずれも（１１１）面単一配向の膜であることが確認さ
れた。次に、（１１１）面単一配向面ＭｇＯ上に、Ｌｉ
ＮｂＯ3 をその場成長させた。５００〜８００℃の条件
にて成膜したＬｉＮｂＯ3 は、六方晶（０００１）単一
配向性を示し、分極軸［０００１］が表板面に垂直に配
向した薄膜が得られた。
と同様に電子ビーム蒸着法によって行った。ターゲット
としてＭｇＯを用い、ターゲットとＧａＡｓ基板の距離
は５０〜２００ｍｍ、電子ビーム電流は５〜２０ｍＡと
した。ＧａＡｓ基板はハロゲン・ランプによって加熱
し、基板温度は２００℃〜６００℃とした。上記ＧａＡ
ｓ基板として、ｎ型、（１００）±０．２°、６×６
ｍｍのウエハーを用いた。これらのＧａＡｓ基板は、溶
剤洗浄の後、Ｈ2 ＳＯ4 系の溶液にてエッチングを行っ
た。さらにこのＧａＡｓ基板を脱イオン水とエタノール
でリンスし、最後に窒素流下でエタノールによるスピン
乾燥を行った。スピン乾燥後に基板を直ちにデポジショ
ン・チャンバーに導入し、バックグラウンド圧力に達し
た後、基板を加熱し、一定の基板温度に達した時点でＭ
ｇＯの成膜を行った。成膜速度が１０．０オングストロ
ーム／ｓｅｃで、成膜温度が室温または２００℃の条件
で成膜されたＭｇＯは、Ｘ線回折によって解析すると、
いずれも（１１１）面単一配向の膜であることが確認さ
れた。次に、（１１１）面単一配向面ＭｇＯ上に、Ｌｉ
ＮｂＯ3 をその場成長させた。５００〜８００℃の条件
にて成膜したＬｉＮｂＯ3 は、六方晶（０００１）単一
配向性を示し、分極軸［０００１］が表板面に垂直に配
向した薄膜が得られた。
【００１５】上記実施例では、ＭｇＯバッファ草の形成
に電子ビーム蒸着法を用いたが、成膜プロセスはこれに
限定されるものではなく、Ｒｆ−マグネトロン・スパッ
タリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー
・デポジション、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティ
ング、モレキュラー・ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）、
イオン化クラスター・ビーム・エピタキシ、化学気相成
長法（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）、プラズマＣＶＤなどの気相成長法が、同様に有効
である。
に電子ビーム蒸着法を用いたが、成膜プロセスはこれに
限定されるものではなく、Ｒｆ−マグネトロン・スパッ
タリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー
・デポジション、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティ
ング、モレキュラー・ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）、
イオン化クラスター・ビーム・エピタキシ、化学気相成
長法（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）、プラズマＣＶＤなどの気相成長法が、同様に有効
である。
【００１６】
【発明の効果】本発明の強誘電体薄膜素子は、半導体単
結晶（１００）単結晶基板上に（１１１）配向性の金属
酸化物からなるバッファ層が形成されているから、その
上に形成される（１１１）または（０００１）の結晶配
向を持つ強誘電体薄膜は、その分極軸が一方向に揃った
ものとなる。さらに、強誘電薄膜の配向が制御できるた
めに、大きな残留分極値や大きな電気光学定数等を得る
ことができ、強誘電体と半導体との間に絶縁体を形成し
たＦＥＴ素子においては強誘電体の分極時の半導体から
の電荷注入を防ぐことができ、強誘電体の分極状態を維
持することが容易となる。
結晶（１００）単結晶基板上に（１１１）配向性の金属
酸化物からなるバッファ層が形成されているから、その
上に形成される（１１１）または（０００１）の結晶配
向を持つ強誘電体薄膜は、その分極軸が一方向に揃った
ものとなる。さらに、強誘電薄膜の配向が制御できるた
めに、大きな残留分極値や大きな電気光学定数等を得る
ことができ、強誘電体と半導体との間に絶縁体を形成し
たＦＥＴ素子においては強誘電体の分極時の半導体から
の電荷注入を防ぐことができ、強誘電体の分極状態を維
持することが容易となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/8247 H01B 3/00 H01L 29/788 H01L 29/792
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体単結晶（１００）基板上に、面内
方位がランダムであるが（１１１）の結晶配向を持つ金
属酸化物からなるバッファ層が形成され、さらにその上
に（１１１）または（０００１）の結晶配向を持つ強誘
電体薄膜が形成されていることを特徴とする配向性強誘
電体薄膜素子。 - 【請求項２】 前記半導体単結晶基板が単体半導体また
は化合物半導体である請求項１記載の配向性強誘電体薄
膜素子。 - 【請求項３】 前記バッファ層がＭｇＯである請求項１
記載の配向性強誘電体薄膜素子。 - 【請求項４】 前記強誘電体薄膜がＡＢＯ3 型酸化物で
ある請求項１記載の配向性強誘電体薄膜素子。 - 【請求項５】 バッファ層が、室温〜８００℃の成膜温
度および０．１〜１００オングストローム／ｓｅｃの成
膜速度において形成されたものである請求項１記載の配
向性強誘電体薄膜素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5149871A JP2924574B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 配向性強誘電体薄膜素子 |
| US08/250,702 US5567979A (en) | 1993-05-31 | 1994-05-27 | Oriented ferroelectric thin-film element and manufacturing method therefor |
| US08/434,281 US5759265A (en) | 1993-05-31 | 1995-05-03 | Oriented ferroelectric thin-film element and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5149871A JP2924574B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 配向性強誘電体薄膜素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06342920A JPH06342920A (ja) | 1994-12-13 |
| JP2924574B2 true JP2924574B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=15484478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5149871A Expired - Fee Related JP2924574B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 配向性強誘電体薄膜素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5567979A (ja) |
| JP (1) | JP2924574B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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