JPH0528866A - 誘電体の成膜方法 - Google Patents

誘電体の成膜方法

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JPH0528866A
JPH0528866A JP20111891A JP20111891A JPH0528866A JP H0528866 A JPH0528866 A JP H0528866A JP 20111891 A JP20111891 A JP 20111891A JP 20111891 A JP20111891 A JP 20111891A JP H0528866 A JPH0528866 A JP H0528866A
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film
partial pressure
oxidation
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unmeasurable
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JP20111891A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Yamaguchi
弘 山口
Shogo Matsubara
正吾 松原
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多元蒸着法により組成を精密に制御すること
が可能で、かつ絶縁性の誘電体膜を得る。 【構成】 2×10-5Torr以下の酸素分圧、500
±200℃の基板温度で成膜を行った後、成膜後装置内
で500±200℃の基板温度、酸素分圧1×10-4
orr以上の酸素分圧中で5分以上原料の酸化を行う。
また必要に応じて酸素をRF誘導プラズマにより活性化
し、酸化を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体の成膜方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術およびその課題】BaTiO3、SrTi
3、PbTiO3、およびその一部をLa、Zrで置換
したPb(Zr、Ti)O3、(Pb、La)(Zr、
Ti)O3あるいはBi4Ti312などの酸化物誘電体
材料は、コンデンサ、圧電素子、電気的光学素子などの
種々の機能デバイスに応用されている。近年デバイスの
小型化、高集積化の要請に対応するために、これらの材
料の薄膜化の試みがなされ、焦電型赤外線センサー、超
音波センサー、光スイッチなどで薄膜を用いたデバイス
が試作されている。さらに高性能のデバイスを作製する
ためには、今まで以上に高品質な誘電体膜が必要であ
り、現在様々な手法により検討が行われている。なかで
も真空蒸着法は高純度なメタルを原料として用いること
ができることから高品質な膜を得ることができると期待
され、1963年9月発行のジャーナル・オブ・ザ・エ
レクトロケミカル・ソサイアティ誌(Journal of The E
lectrochemical Society )969〜973頁などに報
告されているように、古くからその研究が行われている
手法である。
【0003】特に真空蒸着法の中でも原料を独立に供給
して成膜を行うことができる多元蒸着法は精密な組成制
御が必要とされるPb(Zr、Ti)O3、(Pb、L
a)(Zr、Ti)O3、(Ba、Sr)TiO3などの
多元系の誘電体の有効な成膜手法として期待されてお
り、1989年2月発行のアプライド・フィジックス・
レター誌(Applied Physics Letters)527〜529頁
で、成膜中に酸素プラズマを用いて原料を活性化して基
板に供給することにより、残留分極の大きさが5μC/
cm2、坑電界15kV/cmというような値を示すB
aTiO3膜が得られることも報告されている。しか
し、多くの期待に反して、他の多元系の誘電体の成膜に
関しては報告がなく、BaTiO3など成膜に関して報
告が行われているものでも、他の成膜方法よりも大きな
優位性を示す結果が得られているものはない。これは下
記に示すように、 低い酸素分圧で成膜を行うと膜が充分に酸化されない
ために充分な誘電性を示さない。 成膜中に酸素分圧を高くしたりまたプラズマ等により
活性な酸素を用いて成膜中に膜を酸化しようとすると、
同時に原料も酸化されてしまい、その結果、安定に原料
の供給ができなくなり、組成の制御ができない。 といった相反する問題を従来の真空蒸着法が含んでいた
ことに原因がある。今後、この2つの問題を同時に解決
する方法が見つからない限り多元蒸着法の特徴を有効に
生かすことはできない。以上のように、多元蒸着法にお
いてバルクと同等の特性を持つ膜を得ることのできない
原因は、成膜中に組成を精度よく制御しながら同時に膜
の酸化を充分に行うことができないところにあり、本発
明はこのような従来の問題点を解決することを目的とす
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、A
BO3で表され、AとしてSr、Ba、Pb、La、L
i、Biから選ばれる一種類以上の元素、BとしてT
i、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の元素か
らなる誘電体を多元蒸着法により成膜し、成膜後、膜の
酸化を行うことよりなる誘電体の成膜方法であって、5
00±200℃の基板温度、2×10-5Torr以下の
酸素分圧中で誘電体膜を成膜した後、500±200℃
の基板温度、1×10-4Torr以上の酸素分圧中で5
分間以上膜の酸化を行うことを特徴とする誘電体の成膜
方法である。また上記発明において、酸素ガスをプラズ
マにより活性化させて膜の酸化を行うことを好適とす
る。
【0005】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図1に本発明の方法に用いられる誘電体の成
長装置の一例の構造を示す。成長装置は原料のメタルの
ある原料室1と基板8の設置されている成長室2に分か
れており、それぞれ独立に排気される。融点が低く蒸気
圧が高い原料Aは分子線セル3、融点の高い原料BはE
−Gun4により基板に供給される。成長室2にはプラ
ズマを発生させるためのコイル5が設置されている。本
発明に基づいて、Aの原料としてSrのメタルを、Bの
原料としてTiのメタルを用いてSrTiO3の成膜を
行った。Srの入っている分子線セル3の温度は350
℃とした。基板温度500±200℃、2×10-5To
rrの酸素分圧で80nmの膜を作製する。成膜終了
後、基板温度を保持したまま成長室内の酸素分圧が1×
10-4Torr以上になるように酸素ガスを導入し、5
分以上膜の酸化を行った。また必要に応じてRF誘導プ
ラズマを発生させ、酸素を活性化した。その後、酸素分
圧を保ったままで基板を冷却した。
【0006】酸素もしくは活性な酸素を装置内に導入し
て蒸着法により酸化物の成膜を行う場合、原料の酸化に
よる蒸発量の変化がおきる。E−Gun加熱の場合は入
力パワーによって原料の供給量を細かく制御することが
できるが、分子線セルの温度を変化させ蒸発量を制御す
る場合は温度変化に対して蒸発量の変化の応答が遅く現
実的ではない。そこでなるべく原料の蒸発量が変化しな
い低い酸素分圧中で、しかも活性な酸素等は使わずに成
膜することが望ましい。図2は本実施例で行った酸素分
圧2×10-5Torrにおける分子線セルによるSrの
基板への堆積速度の時間変化を示したもので、Srの堆
積量は約30分で10%減少している。この程度の変化
ならばE−Gun加熱方式でTiの蒸発量を制御するこ
とにより膜厚方向に対してSr、Tiの組成分布が均一
な膜を得ることが可能である。図3はTiの蒸発量を制
御して成膜を行い、作製したSrTiO3膜の組成プロ
ファイルである。Tiの蒸発量を制御することにより組
成の均一な膜ができている。一方、酸素分圧が2×10
-5Torrより大きくなるとSr堆積量の減少量は著し
く大きくなり、かつ不規則になるので、組成の制御が困
難になる。したがって成膜中の酸素分圧を2×10-5
orr以下で成膜することが望ましい。
【0007】表1〜表2に今回行った成膜及び酸化処理
における基板温度、酸化時間、酸素分圧の条件をまとめ
た。酸化時間とは成膜終了後に基板温度を保持した時間
であり冷却時間を含まない。酸素分圧は成膜後に酸化を
行った時の酸素分圧を意味する。また膜が絶縁性を示す
か否かを判断する目安として誘電特性を測定し、誘電率
とtanδを求めた。その結果を併せて表1〜表2に示
す。基板温度が200℃以下では膜が結晶化しないため
に酸素分圧、酸化時間を変化させても導通してしまい、
誘電率を測定することができなかった。一方、基板温度
が800℃では酸化中に膜表面にクラックが生じてしま
うためすべて導通してしまった。また、300℃、70
0℃の基板温度でも、酸化時間が5分以上、また酸素分
圧が1×10-4Torr以上でないと絶縁性を示す膜が
得られない。以上のことから成膜後膜の酸化を行う場合
には基板温度を500±200℃、酸素分圧を1×10
-4Torr以上で5分以上酸化を行う必要がある。
【0008】
【表1】 ──────────────────────────────────── 基板温度(℃) 酸化時間(分) 酸素分圧(Torr) 誘電率 tanδ ──────────────────────────────────── 3 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 5 5×10-5 測定不能 リーク大 200 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 10 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────────────── 3 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 5 5×10-5 測定不能 リーク大 300 1×10-4 200 0.023 1×10-3 210 0.011 ──────────────────────────── 10 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 190 0.011 1×10-3 200 0.009 ────────────────────────────────────
【0009】
【表2】 ──────────────────────────────────── 基板温度(℃) 酸化時間(分) 酸素分圧(Torr) 誘電率 tanδ ──────────────────────────────────── 3 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 5 5×10-5 測定不能 リーク大 700 1×10-4 210 0.008 1×10-3 200 0.008 ──────────────────────────── 10 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 220 0.007 1×10-3 200 0.007 ──────────────────────────────────── 3 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 5 5×10-5 測定不能 リーク大 880 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ──────────────────────────── 10 5×10-5 測定不能 リーク大 1×10-4 測定不能 リーク大 1×10-3 測定不能 リーク大 ────────────────────────────────────
【0010】図4に成膜後酸化を行う際にプラズマによ
り酸素ガスを活性化し酸化を行った場合(図4(a))
と、プラズマを用いなかった場合(図4(b))につい
て電流電圧特性を測定し、耐圧分布の分布を調べた結果
を示す。測定は各々100個の試料を用いて行った。試
料の膜厚は100nm、基板温度は500℃、酸素分圧
は1×10-3Torr、酸化時間は10分である。プラ
ズマを用いた場合は15V付近に耐圧が集中しているの
に対し、用いなかった場合には6V付近に耐圧が集中し
ており、プラズマを用いて活性な酸素により酸化を行っ
た方が絶縁性を高めるうえで効果があることがわかる。
その他、PLZT、Bi4Ti312、LiNbO3につ
いても同様に成膜を行い、同じ結果を得た。
【0011】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法を用
いることにより、多元蒸着法によって原料が酸化しにく
い低い酸素分圧中で誘電体の成膜を行っても絶縁性を示
す膜を得ることが可能となる。この結果、組成制御を任
意に行うことができるといった多元蒸着法に期待されて
いる特徴を生かしながら誘電体の成膜を行うことが可能
となり、本発明の工業的意味はたいへん大きいと考えら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法に用いられる成膜装置の一例の構
成図である。
【図2】Srの堆積速度の時間変化を示した図である。
【図3】2×10-5Torrの酸素圧中でSrの蒸発量
の変化に合わせてTiの蒸発量を変化させながら成膜し
た場合の組成分布図である。
【図4】成膜後プラズマにより膜の酸化を行った場合
と、酸素ガスを用いて酸化を行った場合の耐圧分布を示
す図である。
【符号の説明】
1 原料室 2 成長室 3 分子線セル 4 E−Gun 5 コイル 6 O2ガスパス 7 ヒータ 8 基板

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、ABO3で表され、Aとして
    Sr、Ba、Pb、La、Li、Biから選ばれる一種
    類以上の元素、BとしてTi、Zr、Ta、Nbから選
    ばれる一種類以上の元素からなる誘電体を多元蒸着法に
    より成膜し、成膜後、膜の酸化を行うことよりなる誘電
    体の成膜方法であって、500±200℃の基板温度、
    2×10-5Torr以下の酸素分圧中で誘電体膜を成膜
    した後、500±200℃の基板温度、1×10-4To
    rr以上の酸素分圧中で5分間以上膜の酸化を行うこと
    を特徴とする誘電体の成膜方法。
  2. 【請求項2】 酸素ガスをプラズマにより活性化させて
    膜の酸化を行うことを特徴とする請求項1記載の誘電体
    の成膜方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100364752B1 (ko) * 1995-04-19 2003-08-02 엘지전자 주식회사 저주파진동세탁기의구동장치
JP2007066754A (ja) * 2005-08-31 2007-03-15 Tdk Corp 誘電体膜及びその製造方法
JP2011195348A (ja) * 2010-03-17 2011-10-06 Yukio Watabe 酸化物強誘電体の分極電場の増大法

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JP2007066754A (ja) * 2005-08-31 2007-03-15 Tdk Corp 誘電体膜及びその製造方法
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