JPH03208885A - 気相成長法により酸化物を原子層レベルで堆積させる方法 - Google Patents

気相成長法により酸化物を原子層レベルで堆積させる方法

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JPH03208885A
JPH03208885A JP97990A JP97990A JPH03208885A JP H03208885 A JPH03208885 A JP H03208885A JP 97990 A JP97990 A JP 97990A JP 97990 A JP97990 A JP 97990A JP H03208885 A JPH03208885 A JP H03208885A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は気相成長法により酸化物等を基板上に原子層レ
ベルで堆積させる方法に関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題]近年、
有機金属化合物を原料とする化学気相成長法(MOCV
D)の進展により、例えば、化合物半導体の分野におい
て、半導体レーザーから原子層エピタキシーによる量子
デバイスへ広範な応用が行なわれている。しかしながら
、MOCVD法が画期的な成功を収めたのはGaAsを
中心とする化合物半導体の分野に留っている。これはG
aAs結晶においてGa面にはAsが選択的に吸着され
、同様にAs面にはGaが選択的に吸着されるという化
学的な吸着特性に基づくものであり、この選択性により
原子層レベルの調整が可能とされてきた。現在このよう
な選択性に着目してGaAs以外を対象したMOCVD
法の適用が考えられている。MOCVD法を用いて酸化
物薄膜の堆積が試みられているものの、GaAs系のよ
うに原子層毎に制御された結晶成長は得られず、基板上
にランダムに酸化物が結晶成長しているにすぎなかった
そこで本発明の目的は、酸化物薄膜を原子層レベルで制
御しつつ成長させる方法を提供するものである。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは上記目的を達成するために鋭意研究した結
果、酸化物薄膜を原子層レベルで形成するに際し、有機
金属錯体を基板上に生じせしめた0H基に吸着させ、そ
の後所定の操作により配位子のみを除去することにより
、基板上に錯体の中心原子である金属がOH基のO原子
に結合した形で形成させることができることを見出すに
至った。
すなわち本発明は、下記工程■及び■ ■OH基を有する酸化物基板表面上に、OH基に対して
親和性の配位子を有する金Ji!錯体の蒸気を導入して
化学吸着させる工程、及び■該基板をHtOを含む雰囲
気に暴露して金属錯体の配位子を分解することにより該
金属錯体の金属を酸素を介して基板表面に化学吸着させ
る工程 により基板表面上に金属酸化物層を単原子層レベルで形
成させる方法を提供するものである。
本発明の方法に従えば、まず、OH基を有する酸化物基
板を用意する6本発明に用いることができる酸化物基板
にはS i Os 、 ZnO,T i Ox。
5rTios 、MgO等を用いることができ、本発明
においては表面水酸基量を制御しやすいという理由から
S i Omが好ましい。
通常、未処理の酸化物基板の表面はOH基に覆われてい
ると考えられるが、原子層堆積のためにはOH基が基板
表面上に薄膜状に十分に被覆されていることが必要であ
る。従って、本発明においてはOH基導入操作を別途性
なうことが好ましい。すなわち、本発明に従い、酸化物
基板表面上にOH基を形成させる。この形成方法として
は基板を酸素雰囲気に暴露する方法、高真空(10−’
Torr以下)で排気する等の方法があるが、本発明で
は基板表面上の含炭素化合物を酸化により除去するとい
う理由から酸素雰囲気に暴露する方法が好ましい。すな
わち、基板温度を一般に450〜500℃、手間を惜し
まないのであれば、500〜600℃の酸素雰囲気下で
完全に有機物を焼ききってから蒸留した純粋な水の蒸気
にさらし、再び温度を上げることでほぼ任意の表面水酸
基をもった表面を作ることができる。さらに、好ましく
は300〜400℃にして酸化物表面を酸素雰囲気にさ
らす。かかる温度に加熱することにより、基板表面上の
有機成分が蒸発し、安定なOH基のみが基板表面に残留
することになる。こうして生じた基板表面のOH基は後
述するようにIRスペクトルにより容易に観測すること
が出来る。
本発明の方法の次の工程では、OH基に対して親和性の
配位子を有する金属錯体の蒸気を基板表面に導入する。
本発明に用いる金属錯体は、OH基に対して親和性の配
位子を有する錯体であり、例えば、ジピバロイルメタナ
ート(DPM) 、HFA (ヘキサフルオロアセチル
アセトネート)、aCaC(アセチルアセトネート)等
の錯体を挙げることが出来る。またこれらの錯体の中心
金属原子は、本発明に従い基板上に堆積させるべき金属
酸化物の金属種を成すものであり、例えば、銅、鉄、マ
ンガン等の遷移金属アルカリ土類金属、ランタン系列元
素等が挙げられる。特に、銅は銅酸化物として薄膜酸素
センサーやビスマス−カルシウム−ストロンチウム−銅
を含む高温酸化物超伝導体材料等に極めて有用であるた
め好ましい。また、上記錯体を形成し得る金属類似元素
をも錯体中心原子として使用できる。これらのことから
、金属錯体として、例えばジピバロイルメタナート銅(
CulpM)*)、ジビバロイルメタナートカルシウh
 (Ca (DPM)□)等を挙げることができる。金
属錯体の蒸気を基板上に導入するには種々のCVD装置
を使用することができ、特に限定されない。堆積物原料
をCVD装置内の基板表面に導入するには、例えば、上
記基板上に金属錯体蒸気をアルゴンガス中に分散させて
導入することにより容易に達成できる。CVD操作によ
り上記金属錯体が基板表面に化学吸着して堆積するが、
その後吸着しないで残留している金属錯体を除去するの
に、例えば10−”Torr程度まで容器内を減圧する
のが好ましい。
本発明の次の工程では、上記錯体が吸着した基板をHt
Oを含む雰囲気に暴露する。かかる操作を行なうことに
より、金属錯体の配位子だけが除去され、錯体の中心原
子である金属が酸素と結合した構造、例えばCu−0−
構造が基板上に形成される。
以上の工程により、金属酸化物を構成する各原子が単一
の原子層で基板上に堆積され、原子制御された金属酸化
物層が得られる。
更に本発明は上記工程を繰り返すことにより金属酸化物
層を原子層レベルで気相成長させる方法をも提供する。
すなわち、前記方法で得られた、金属酸化物が単一の原
子層で堆積された基板に前記のような工程を繰り返す。
この結果、金属酸化物を単原子層レベルで積み重ね、所
望の厚さの原子層制御された酸化物層を得ることができ
る。
[作用] 本発明者らはGaAs以外の酸化物層を基板上に原子層
レベルで気相成長させる方法について研究を重ねた結果
、酸化物基板上面に水酸基が容易に化学吸着すること及
び所定の配位子を有する金属錯体が水酸基に選択的に吸
着し得ることに着目し、酸化物を構成する酸素及び金属
種を別々に原子制御しつつ基板上に堆積させることが出
来る方法を発明するに至った。
本発明に従い、酸化物基板上に水酸基を導入し、ついで
かかる水酸基と選択的に吸着し得る錯体、例えば、Cu
(DPM)i錯体を後の工程で導入すると、第1図の吸
着モデルに示すような構造が基板上に形成される。同図
中、配位子の炭素原子C″及びC90は基板上に吸着し
ている水酸基の水素と化学吸着しているものと考えられ
る。更に、水を含む雰囲気にかかる吸着構造を暴露する
と配位子がOH基の水素とともに脱離し、5i02基板
上にCu−0−という結合が形成されるものと考えられ
る。
こうして得られたCu−0−層はCu及びOが単原子レ
ベルで堆積された層であり、本発明の工程を繰り返して
かかる層を順次積み上げることにより所望の原子層制御
された酸化物層が基板上に形成されることになる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明
はそれらに何ら限定されない。
〔実施例] 見立■ユ 本発明に用いるCVD装置の概略図を第2図に示す。C
VD装置は、原料供給系、リアクター及び排出系から主
に構成されている。原料供給系には金属錯体を収容した
原料ソース容器l並びにリアクター4に連結するガスラ
イン2及び金属蒸気用ガスライン3を装着する。ガスラ
イン3には金属蒸気を希釈するアルゴンガス供給源5が
備えられている。石英製のりアクタ−4内部にサセプタ
ー7上に保持された基板8が装着され、リアクタ−4外
周部には基板加熱用のヒーター6を備える。排出系ガス
ライン9はバルブ10を介してロータリーポンプ11に
連結している。上記CVD装置のサセプター7上にSi
O−基板を設置した後、容器内にガスライン2を通じて
酸素ガスを供給する。更にヒーター6により基板温度を
500℃に上昇させて2時間維持した。この後、基板表
面のOH基の存在を確認するために基板の一部をサンプ
ルとしてIRスペクトルを観測した。第3図(a)に上
記サンプルのIRスペクトルを示す。
3750c+a−’付近にOH基の伸縮振動を示すピー
クが現われている。
次に、上記OH基が吸着した基板をCVD装置内に装着
したまま、リアクター4内を10−’Torrに減圧す
る。その後、ガスライン2にアルゴンガスを供給しなが
ら、Cu (DPM)*が入っている原料ソース容器1
を加熱してCu (D P M L蒸気を発生させてア
ルゴンガス/Cu(DPML蒸気混合ガスをリアクター
4内に流し、リアクター4内をOll Torr程の圧
力に保った。
この段階で得られた基板の表面の一部をサンプルとして
IRスペクトルを測定した。第3図(b)及び第4図(
b)にその結果を示す。第3図(b)では同図(a)の
スペクトルで見られたOH基伸縮振動に基づ< 375
0co+−’付近のピークが消失している。また、第4
図は第3図よりも低波数側のIRスペクトルであり、第
4図のスペクトル(b)の2969cm−’にはCHs
基のCH捩振動ピークが強く現われている。第3図(b
)及び第4図(b)のIRスペクトルからすれば、基板
表面上に第1図に示したようなモデルが形成され、しか
もCu(D P M ) zの炭素原子が、基板上に吸
着している実質上すべてのOH基の水素原子に化学吸着
したものと推定される。
さらに基板表面上に存在するOH基とCH,基の量的な
関係を調査するために、Cu(DPM)−導入経過時間
毎にIRスペクトル強度を測定し、OH基の吸収強度に
対してCH,基の吸収強度をプロットした。結果を第5
図に示す、同図よりOH基の吸光度の減少とOH基の吸
光度の増加が対応しており、OH基のOHサイトへの吸
着が生じているものとわかる。
Cu(DPM)i蒸気導入操作終了後、CVD装置内を
10−’Torrまで減圧し、基板温度を400℃に加
熱した。その後、ガスラインlにより0.0蒸気をリア
クター4内に導入してリアクター4内の圧力を30To
rrに保持する。この後得られた基板の一部をサンプル
としてIRスペクトル測定を行なった。得られた結果を
第3図(d)及び第4図(d)に示す、なお、比較のた
め、Cu (DPM)2蒸気導入操作終了後、リアクタ
ー4内を減圧した直後の基板のIFFスペクトルをそれ
らの図中のスペクトル(c)に示す。
第3図及び第4図のスペクトル(c)及び(d)より、
基板上OH基に吸着していた錯体の配位子DPMがD2
0蒸気の導入により除去されたことがわかる。
更に基板上に残留している銅原子の存在を確認するため
に上記基板のサンプルの一部をX線光電子分光(XPS
)にかけた、第6図にその結果を示す。同図中スペクト
ル(a)はCu (D P M ) 宜単独のxpsス
ペクトル、(b)はCu (D、 P M ) *蒸気
を基板上に導入した後のスペクトル、そして(c)は更
に010の蒸気を導入した後のスペクトルを示す、同図
よりCu原子の2p軌道からの電子に由来するピークが
932.951eVに現われており、上記り、0蒸気導
入後にもCu原子が基板上に残留していることがわかる
。さらにスペクトル(c)にはCu”スペクトル特有の
サテライトビーりを示さないこと及びこの処理条件では
銅が酸化されずに残っているとは考えられないことから
すればCuはCu ”に近い状態で存在していると考え
られる。
以上のようにして原子層レベルでCu−0が堆積した基
板を、更にリアクター4内に設置したまま上記の酸素を
導入する工程、Cu (D P M) x蒸気を導入す
る工程及びH,Oの蒸気を導入する工程を繰り返すこと
により、基板上に銅の酸化物層が原子層レベルで積層し
た酸化銅/酸化物基板積層体を得る。
[発明の効果] 本発明の方法を用いて、SiOx等の酸化物基板上に酸
化物層を原子層レベルで積層することにより原子制御さ
れた酸化物結晶を基板上に得ることが可能になった。従
って、本発明は酸化物超伝導体等の各種デバイスの製造
に極めて有用であり、半導体産業等における本発明の工
業的価値は極めて高い。
4、    の   な 第1図はOH基が吸着したSiO□基板上にCu (D
 P M) xが吸着している様子を示す概念図である
第2図は本発明の用いるCVD装置の配置図である。
第3図は基板上のOH基の存在を観測するIRスペクト
ルである。
第4図は基板上のCHs基の存在を観測する工Rスペク
トルである。
第5図はIRスペクトル上のOH振動によるIR吸収強
度に対してCH,基のCH捩振動よる工R吸収強度をプ
ロットしたグラフである。
第6図はCu (DPM)*または基板上に存在するC
uの存在を観測するためのXPSスペクトルである。
第1図 第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 〔1〕 下記工程(1)及び(2): (1) OH基を有する酸化物基板表面上に、OH基に
    対して親和性の配位子を有する金属錯体の蒸気を導入し
    て化学吸着させる工程、 (2) 該基板をH_2Oを含む雰囲気に暴露して金属
    錯体の配位子を分解することにより該金属錯体の金属を
    酸素を介して基板表面に化学吸着させる工程 により基板表面上に金属酸化物層を単原子層レベルで形
    成させる方法。 〔2〕 下記工程(1)〜(3): (1) 酸化物基板にOH基を形成させる工程、(2)
     OH基に対して親和性の配位子を有する金属錯体の蒸
    気を基板表面に導入して化学吸着させる工程、及び (3) 該基板をH_2Oを含む雰囲気に暴露して金属
    錯体の配位子を分解することにより該金属錯体の金属を
    酸素を介して基板表面に化学吸着させる工程 により基板表面上に金属酸化物層を単原子層レベルで形
    成させる方法。 〔3〕 上記金属錯体がCu(DPM)_2である請求
    項1または2に記載の方法。 〔4〕 酸化物基板がSiO_2である請求項1または
    2に記載の方法。 〔5〕 酸化物基板を酸素を含む雰囲気に暴露して酸化
    物基板上にOH基を形成させる請求項2に記載の方法。 〔6〕 請求項2の工程1〜3を繰り返すことにより基
    板表面上に金属酸化物層を原子層レベルで気相成長させ
    る方法。 〔7〕 請求項1の方法により金属酸化物が単原子層レ
    ベルで堆積した基板上に請求項2の記載の工程1〜3を
    繰り返すことにより基板表面上に金属酸化物層を原子層
    レベルで気相成長させる方法。 〔8〕 上記金属錯体がCu(DPM)_2である請求
    項6または7に記載の方法。 〔9〕 酸化物基板がSiO_2である請求項6または
    7に記載の方法。 〔10〕 酸化物基板を酸素を含む雰囲気に暴露して酸
    化物基板上にOH基を形成させる請求項6に記載の方法
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