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JP2007287836A - Method for forming SBT thin film - Google Patents

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JP2007287836A
JP2007287836A JP2006111884A JP2006111884A JP2007287836A JP 2007287836 A JP2007287836 A JP 2007287836A JP 2006111884 A JP2006111884 A JP 2006111884A JP 2006111884 A JP2006111884 A JP 2006111884A JP 2007287836 A JP2007287836 A JP 2007287836A
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sbt
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Japanese (ja)
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Masayoshi Akazawa
方省 赤澤
Masaru Shimada
勝 嶋田
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

【課題】より低温でSBTの結晶化が行えるようにする。
【解決手段】ECRスパッタ法により、基板加熱をしない状態で、ストロンチウム(Sr)とビスマス(Bi)とタンタル(Ta)と酸素(O)とからなる非晶質状態のSBT薄膜104が、プラチナ層103の上に堆積された状態とする。次に、酸素ガス105の雰囲気中において、非晶質状態のSBT薄膜104(基板101)を650℃程度に加熱する。この加熱処理により、基板101の上に、<115>方向に配向したアウリビリウス構造のSBT薄膜106が形成された状態を得る。
【選択図】 図1
To enable crystallization of SBT at a lower temperature.
An amorphous SBT thin film 104 made of strontium (Sr), bismuth (Bi), tantalum (Ta), and oxygen (O) is formed by a platinum layer without heating the substrate by ECR sputtering. It is assumed that it is deposited on 103. Next, the amorphous SBT thin film 104 (substrate 101) is heated to about 650 ° C. in an atmosphere of oxygen gas 105. By this heat treatment, a state is obtained in which the SBT thin film 106 having the Aurillius structure oriented in the <115> direction is formed on the substrate 101.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、ストロンチウムとビスマスとチタンと酸素とからなるSBT薄膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming an SBT thin film comprising strontium, bismuth, titanium, and oxygen.

層状ビスマス化合物であるSBTは、分極反転に伴う疲労がほとんどない優れた特性を有することから、強誘電体メモリのキャパシタ材料として使用されている。これまで、SBT薄膜の作製には、各元素を含む有機金属化合物を基板の上に塗布し、これを高温で熱分解して結晶化する有機金属化合物分解法が主に用いられてきた(非特許文献1参照)。
有機金属化合物分解法では、まずゾルゲル法により基板の上に有機金属化合物を塗布して塗布膜を形成し、これを乾燥する。次に、乾燥した塗布膜を、酸素雰囲気下でアニールしてペロブスカイト構造を有するアウリビリウス(Aurivillus)相へと転換させ、強誘電性を示す状態にする。
SBT, which is a layered bismuth compound, is used as a capacitor material for a ferroelectric memory because it has excellent characteristics with little fatigue due to polarization reversal. Up to now, for the production of SBT thin films, an organometallic compound decomposing method in which an organometallic compound containing each element is applied on a substrate and thermally decomposed at a high temperature to crystallize has been mainly used (non-contained) Patent Document 1).
In the organometallic compound decomposition method, first, an organometallic compound is coated on a substrate by a sol-gel method to form a coating film, which is dried. Next, the dried coating film is annealed in an oxygen atmosphere to convert it into an Aurivillus phase having a perovskite structure, and to show a state of ferroelectricity.

しかしメモリセルの微細化が進むにつれて、膜の均一性などの要求水準が高まることから、より微細な素子を基板の全域にわたって均一に形成するために必要な膜厚の均一性を得ることが、有機金属化合物分解法では限界があるものと考えられている。   However, as the memory cells become finer, the required level of film uniformity and the like increases, so that it is possible to obtain the film thickness uniformity necessary for uniformly forming a finer element over the entire area of the substrate. The organometallic compound decomposition method is considered to have limitations.

また、有機金属化合物分解法以外の作製方法として、固体ターゲットから構成元素をスパッタして基板に成膜する方法がある。例えば、一般的なスパッタリング法(非特許文献2参照),レーザーアブレーション法などがあり、これらもSBT薄膜の成膜方法として応用されている。また最近では、生産性に優れる方法として、有機金属化合物気相成長法(MOCVD法)も広く検討されるようになっている。   As a manufacturing method other than the organometallic compound decomposition method, there is a method of forming a film on a substrate by sputtering a constituent element from a solid target. For example, there are a general sputtering method (see Non-Patent Document 2), a laser ablation method, and the like, which are also applied as a method for forming an SBT thin film. Recently, an organic metal compound vapor phase growth method (MOCVD method) has been widely studied as a method with excellent productivity.

これらの方法で堆積されたSBT薄膜は、アモルファス状態であるか、又は蛍石(fluorite)構造の結晶粒からなり、通常では強誘電性が示されない状態である。このため、堆積した薄膜を、おおよそ700〜800℃で加熱することにより、アウリビリウス相へと変化させるようにしている。   The SBT thin film deposited by these methods is in an amorphous state or is composed of crystal grains having a fluorite structure, and usually does not exhibit ferroelectricity. For this reason, the deposited thin film is heated to approximately 700 to 800 ° C. to be changed to the Aurivirius phase.

K.Amanmma, T.Hase, and Y.Miyasaka, "Preparation and ferroelectric properties of SrBi2Ta2O9 thin filmes", Appl.Phys.Lett., Vol.66, No.2, pp.221-223,(1995).K. Amamma, T. Hase, and Y. Miyasaka, "Preparation and ferroelectric properties of SrBi2Ta2O9 thin filmes", Appl.Phys.Lett., Vol.66, No.2, pp.221-223, (1995). T.K.Song, J.-K.Lee, and H.J.Jung, "Structural and ferroelectric properties of the c-axis oriented SrBi2Ta2O9 thin films deposited by tha radio-frequency magnetron sputtering", Appl.Phys.Lett., Vol.69, No.25, pp.3839-3841,(1996).TKSong, J.-K.Lee, and HJJung, "Structural and ferroelectric properties of the c-axis oriented SrBi2Ta2O9 thin films deposited by tha radio-frequency magnetron sputtering", Appl.Phys.Lett., Vol.69, No .25, pp.3839-3841, (1996). C.D.Gutleben, "THE EVOLUTION OF SrBi2Ta2O9 FILMS FOR FERROELECTRIC MEMORYS", Mat.Res.Soc.Symp.Proc., Vol.433, pp.109-118, 1996.C.D.Gutleben, "THE EVOLUTION OF SrBi2Ta2O9 FILMS FOR FERROELECTRIC MEMORYS", Mat.Res.Soc.Symp.Proc., Vol.433, pp.109-118, 1996. M.Takahashi,M.Noda,and M.Okuyama, "X-ray Photoelectron and UV Photoyield Spectroscopic Studies on Structural and Electronic Properties of SrxBiyTa2O9 Films", Mat.Res.Soc.Symp.Proc., Vol.748, pp.311-316, 2003.M. Takahashi, M. Noda, and M. Okuyama, "X-ray Photoelectron and UV Photoyield Spectroscopic Studies on Structural and Electronic Properties of SrxBiyTa2O9 Films", Mat.Res.Soc.Symp.Proc., Vol.748, pp. 311-316, 2003.

上述したように、いずれの方法においても、加熱処理をすることにより強誘電性を示すペロブスカイト構造を有するアウリビリウス層へと転換させている。この熱処理に要する温度は、薄膜の元素組成,成膜履歴,膜厚,加熱炉の構造,アニール時の昇温速度や雰囲気ガスなど様々なパラメータに依存するが、大多数の報告では、700〜750℃が下限温度であるとされている。   As described above, in any of the methods, a heat treatment is performed to convert the Auuribilius layer having a perovskite structure exhibiting ferroelectricity. The temperature required for this heat treatment depends on various parameters such as the elemental composition of the thin film, the film formation history, the film thickness, the structure of the heating furnace, the heating rate during annealing, and the atmospheric gas. 750 ° C. is the lower limit temperature.

上記の薄膜とアニールに関する条件のすべてを十分に最適化することにより、有機金属化合物分解法における結晶化温度の下限として、650〜670℃が得られたとする研究機関も少数存在する。一方、有機金属化合物を用いないスパッタ法やレーザーアブレーション法で形成した薄膜については、元来、有機化合物による汚染がないため、有機金属化合物分解法よりも好条件のはずであるが、実際には少なくとも700℃以上のアニール温度でないと結晶化しないとされている。   There are a few research institutions that have obtained 650-670 ° C. as the lower limit of the crystallization temperature in the organometallic compound decomposition method by sufficiently optimizing all of the above conditions for the thin film and annealing. On the other hand, thin films formed by sputtering or laser ablation methods that do not use organometallic compounds are naturally free from contamination by organic compounds, so they should be better conditions than organometallic decomposition methods. It is said that crystallization will not occur unless the annealing temperature is at least 700 ° C. or higher.

このように高温の処理が必要なため、SBT薄膜を用いようとすると、例えば、集積化メモリの製造プロセスにおいて通常用いられるアルミニウム配線は使用できないという制限が加わる。このような高温処理が必要なSBTに対し、SBTと並んで実用化されている強誘電体材料であるPb(Zr,Ti)O3(PZT)は、分極反転を繰り返すと分極疲労が起きるという問題点があるが、ほぼ500℃で結晶化する。このようにSBTの熱処理に要する温度がPZTよりも200℃以上高いということは、SBTを集積化メモリのための材料として実用化する上で最大の障害である。 Since high-temperature processing is required in this way, when an SBT thin film is used, for example, an aluminum wiring that is normally used in an integrated memory manufacturing process cannot be used. Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), a ferroelectric material that has been put into practical use alongside SBT, is subject to polarization fatigue when repeated polarization inversion occurs in contrast to SBT that requires high-temperature treatment. Although there is a problem, it crystallizes at about 500 ° C. Thus, the fact that the temperature required for the heat treatment of SBT is 200 ° C. or more higher than that of PZT is the greatest obstacle to practical use of SBT as a material for integrated memories.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より低温でSBTの結晶化が行えるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to enable crystallization of SBT at a lower temperature.

本発明に係るSBT薄膜の形成方法は、所定の組成比で供給された不活性ガスと酸素ガスとからなるプラズマを生成し、ストロンチウム,ビスマス,及びタンタルを含むターゲットに負のバイスを印加してプラズマより発生した粒子をターゲットに衝突させてスパッタ現象を起こし、ターゲットを構成する材料を基板の上に堆積することで、ストロンチウムとビスマスとタンタルと酸素とからなる非晶質状態のSBT薄膜が基板の上に形成された状態とするスパッタ工程と、SBT薄膜を酸素ガスの雰囲気中で加熱してアウリビリウス構造とする加熱工程とを少なくとも備え、プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成されて発散磁界により運動エネルギーが与えられて基板の方向にプラズマ流として供給される電子サイクロトロン共鳴プラズマであり、ターゲットは、基板の方向に供給されるプラズマ流の流れの途中に配置され、スパッタ工程では、非晶質状態のSBT薄膜に含まれる酸素原子の原子組成が、SBT薄膜におけるストロンチウムの原子組成とビスマスの原子組成の1.5倍との和に5を加えた数以上の状態となるように、酸素ガスを供給するようにしたものである。従って、この方法では、非晶質状態のSBT薄膜を加熱することで、アウリビリウス構造への結晶化が行われる。   The method for forming an SBT thin film according to the present invention generates a plasma composed of an inert gas and an oxygen gas supplied at a predetermined composition ratio, and applies a negative vice to a target containing strontium, bismuth, and tantalum. By causing particles generated from the plasma to collide with the target to cause a sputtering phenomenon and depositing a material constituting the target on the substrate, an amorphous SBT thin film made of strontium, bismuth, tantalum, and oxygen is formed on the substrate. And at least a sputtering process for heating the SBT thin film in an oxygen gas atmosphere to form an auribilius structure, and the plasma is generated by electron cyclotron resonance and is moved by a divergent magnetic field. A co-electron cyclotron that is energized and supplied as a plasma stream in the direction of the substrate. The target is arranged in the middle of the flow of the plasma flow supplied in the direction of the substrate, and in the sputtering process, the atomic composition of oxygen atoms contained in the amorphous SBT thin film is changed to that of strontium in the SBT thin film. The oxygen gas is supplied so that the sum of the atomic composition and 1.5 times the atomic composition of bismuth is 5 or more. Therefore, in this method, the amorphous SBT thin film is heated to be crystallized into an auribilius structure.

以上説明したように、本発明によれば、ECRスパッタ法により非晶質状態のSBT薄膜を形成してから、加熱によりアウリビリウス構造とするので、蛍石構造から加熱する場合に比較して、アウリビリウス構造とするための加熱温度を低下させることが可能となり、従来より低温でSBTの結晶化が行えるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since an amorphous SBT thin film is formed by ECR sputtering and then an auribilius structure is formed by heating, compared to the case of heating from a fluorite structure, auribilius is used. It is possible to lower the heating temperature for making the structure, and an excellent effect is obtained that SBT can be crystallized at a lower temperature than conventional.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1(a)〜図1(d)は、本発明の実施の形態におけるSBT薄膜の形成方法例を示す工程図である。以下では、SBT薄膜をキャパシタに利用するときに用いられる電極の材料であるプラチナ層の上に、SBTまくを形成する場合について説明する。まず、図1(a)に示すように、主表面が(001)面である単結晶シリコンよりなる基板101を用意し、基板101の表面を熱酸化して酸化シリコン層102が形成された状態とする。加えて、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法によりプラチナを堆積することで、酸化シリコン層102の上に膜厚200nm程度のプラチナ層103が形成された状態とする。なお、電極材料としては、ルテニウムを用いることも可能であり、プラチナ層の代わりに、膜厚20nm程度のルテニウム層が形成されているようにしてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1D are process diagrams showing an example of a method for forming an SBT thin film according to an embodiment of the present invention. Below, the case where SBT foil is formed on the platinum layer which is the material of the electrode used when using an SBT thin film for a capacitor is demonstrated. First, as shown in FIG. 1A, a substrate 101 made of single crystal silicon whose main surface is a (001) plane is prepared, and the surface of the substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 102. And In addition, platinum is deposited by ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering to form a platinum layer 103 having a thickness of about 200 nm on the silicon oxide layer 102. Note that ruthenium can be used as the electrode material, and a ruthenium layer having a thickness of about 20 nm may be formed instead of the platinum layer.

次に、図1(b)に示すように、ECRスパッタ法により、基板加熱をしない状態で、ストロンチウム(Sr)とビスマス(Bi)とタンタル(Ta)と酸素(O)とからなる非晶質状態のSBT薄膜104が、プラチナ層103の上に堆積された状態とする。例えば、非晶質状態のSBT薄膜104は、膜厚200nm程度に形成されている。   Next, as shown in FIG. 1B, an amorphous material composed of strontium (Sr), bismuth (Bi), tantalum (Ta), and oxygen (O) without heating the substrate by ECR sputtering. Assume that the SBT thin film 104 in a state is deposited on the platinum layer 103. For example, the amorphous SBT thin film 104 is formed to a thickness of about 200 nm.

非晶質状態のSBT薄膜104の形成についてより詳細に説明すると、まず、プラズマ生成室に不活性ガスとしてキセノン(Xe)ガスを8sccm,酸素ガスを10sccm供給し、また、全圧を6.65×10-2Paとする。ここに、2.45GHzのマイクロ波(500W程度)と0.0875Tの磁場とを供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすることで、プラズマ生成室内にECRプラズマが生成された状態とする。このときの酸素ガスの分圧は、1.3×10-2Paである。なお、sccmは流量の単位あり、0℃・1気圧の流体が1分間に1cm3流れることを示す。また、T(テスラ)は、磁束密度の単位であり、1T=10000ガウスである。このように生成されたプラズマは、磁気コイルの発散磁場によりプラズマ生成室より成膜室の側に放出される。 The formation of the amorphous SBT thin film 104 will be described in more detail. First, 8 sccm of xenon (Xe) gas and 10 sccm of oxygen gas are supplied to the plasma generation chamber as inert gases, and the total pressure is 6.65. × 10 −2 Pa. Here, a 2.45 GHz microwave (about 500 W) and a 0.0875 T magnetic field are supplied to establish an electron cyclotron resonance condition, whereby an ECR plasma is generated in the plasma generation chamber. The partial pressure of oxygen gas at this time is 1.3 × 10 −2 Pa. Sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1 atm flows 1 cm 3 per minute. T (Tesla) is a unit of magnetic flux density, and 1T = 10000 gauss. The plasma thus generated is emitted from the plasma generation chamber to the film formation chamber side by the divergent magnetic field of the magnetic coil.

上述したことによりECRプラズマが生成されている状態で、プラズマ生成室の出口に配置されたSBTターゲットに、高周波電源より13.56MHzの高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、SrとBiとTaと酸素との焼結体(酸化物焼結体)からなるSBTターゲットにおいてスパッタリング現象が起こり、ターゲットを構成している粒子(原子)が飛び出す。ここで、SBTターゲットは、原子組成がSr:Bi:Ta=1:2.1:2で与えられる組成の焼結体から構成されたものである。SBTターゲットより飛び出した各粒子は、プラズマ生成室より放出されたプラズマ、及び導入されてプラズマにより活性化された酸素ガスとともにプラチナ層103の表面に到達し、活性化された酸素により酸化されてSBTの薄膜となる。前述したように、酸素ガスの分圧が10-2Pa以上とされていれば、形成される薄膜中に十分な量の酸素原子が取り込まれるようになる。 In the state where ECR plasma is generated as described above, high frequency power (for example, 500 W) of 13.56 MHz is supplied from the high frequency power source to the SBT target disposed at the outlet of the plasma generation chamber. As a result, a sputtering phenomenon occurs in the SBT target made of a sintered body (oxide sintered body) of Sr, Bi, Ta, and oxygen, and particles (atoms) constituting the target jump out. Here, the SBT target is composed of a sintered body having a composition in which the atomic composition is given by Sr: Bi: Ta = 1: 2.1: 2. Each particle jumping out from the SBT target reaches the surface of the platinum layer 103 together with the plasma released from the plasma generation chamber and the oxygen gas introduced and activated by the plasma, and is oxidized by the activated oxygen to be SBT. It becomes a thin film. As described above, when the partial pressure of oxygen gas is 10 −2 Pa or more, a sufficient amount of oxygen atoms are taken into the formed thin film.

また、基板加熱をしなくても、プラズマ流の照射により基板101(プラチナ層103)の表面温度は、約150℃程度に上昇するが、プラチナ層103の上には、完全に非晶質状態のSBT薄膜104が形成される。このように形成された非晶質状態のSBT薄膜104をICP発光分析により分析すると、各元素の組成が、Sr:Bi:Ta=0.82:2.29:2であった。なお、スパッタ効率やスパッタ粒子の空間的拡がりが元素ごとに異なるため、形成される薄膜の組成は必ずしもターゲットの組成と一致しない。   Even if the substrate is not heated, the surface temperature of the substrate 101 (platinum layer 103) rises to about 150 ° C. by the plasma flow irradiation, but is completely amorphous on the platinum layer 103. The SBT thin film 104 is formed. When the amorphous SBT thin film 104 formed as described above was analyzed by ICP emission analysis, the composition of each element was Sr: Bi: Ta = 0.82: 2.29: 2. Note that since the sputtering efficiency and the spatial spread of the sputtered particles differ from element to element, the composition of the thin film formed does not necessarily match the composition of the target.

次に、図1(c)に示すように、酸素ガス105の雰囲気中において、非晶質状態のSBT薄膜104(基板101)を650℃程度に加熱する。この加熱処理により、図1(d)に示すように、基板101の上に、<115>方向に配向したアウリビリウス構造のSBT薄膜106が形成された状態が得られる。このように、上述した方法によれば、従来に比較して50℃程度低温の加熱処理により、強誘電性を示すアウリビリウス構造のSBT薄膜106が得られるようになる。   Next, as shown in FIG. 1C, the amorphous SBT thin film 104 (substrate 101) is heated to about 650 ° C. in the atmosphere of the oxygen gas 105. By this heat treatment, as shown in FIG. 1 (d), a state is obtained in which the SBT thin film 106 having an Aurillius structure oriented in the <115> direction is formed on the substrate 101. As described above, according to the above-described method, the SBT thin film 106 having an auribilius structure exhibiting ferroelectricity can be obtained by heat treatment at a temperature lower by about 50 ° C. than the conventional method.

ところで、上述した非晶質状態のSBT薄膜104の形成には、図2に例示するECRスパッタ装置を用いればよい。図2は、ECRスパッタ装置の構成例を示す構成図であり、概略的な断面を示している。図2に示すECRスパッタ装置について説明すると、まず、処理室201とこれに連通するプラズマ生成室202とを備えている。処理室201は、図示していない真空排気装置(例えばターボ分子ポンプ)に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室202とともに内部が真空排気される。処理室201には、膜形成対象の基板101が固定される基板ホルダ204が設けられている。基板ホルダ204は、図示しない傾斜回転機構により所望の角度(例えば25°)に傾斜し、かつ回転可能とされている。基板ホルダ204を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。   Incidentally, the ECR sputtering apparatus illustrated in FIG. 2 may be used to form the amorphous SBT thin film 104 described above. FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration example of the ECR sputtering apparatus, and shows a schematic cross section. The ECR sputtering apparatus shown in FIG. 2 will be described. First, a processing chamber 201 and a plasma generation chamber 202 communicating with the processing chamber 201 are provided. The processing chamber 201 communicates with an evacuation device (for example, a turbo molecular pump) (not shown), and the inside of the processing chamber 201 is evacuated together with the plasma generation chamber 202 by the evacuation device. The processing chamber 201 is provided with a substrate holder 204 to which the film formation target substrate 101 is fixed. The substrate holder 204 is tilted at a desired angle (for example, 25 °) by a tilt rotation mechanism (not shown) and is rotatable. By tilting and rotating the substrate holder 204, it is possible to improve the in-plane uniformity of the film and the step coverage with the material to be deposited.

また、処理室201内のプラズマ生成室202からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット205が備えられている。ターゲット205は、絶縁体からなる容器205a内に載置され、内側の面が処理室201内に露出している。また、ターゲット205には、マッチングユニット221を介して高周波電源222が接続され、例えば、13.56MHzの高周波が印加可能とされている。ターゲット205が導電性材料の場合、直流の負電圧を印加するようにしても良い。なお、ターゲット205は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。   Further, a ring-shaped target 205 is provided so as to surround the opening region in the opening region into which the plasma from the plasma generation chamber 202 in the processing chamber 201 is introduced. The target 205 is placed in a container 205 a made of an insulator, and the inner surface is exposed in the processing chamber 201. Further, a high frequency power source 222 is connected to the target 205 via a matching unit 221 so that, for example, a high frequency of 13.56 MHz can be applied. When the target 205 is a conductive material, a negative DC voltage may be applied. Note that the target 205 may be not only a circular shape but also a polygonal state as viewed from above.

プラズマ生成室202は、真空導波管206に連通し、真空導波管206は、石英窓207を介して導波管208に接続されている。導波管208は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室202の周囲及びプラズマ生成室202の上部には、磁気コイル(磁場形成手段)210が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管208,石英窓207,真空導波管206により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管208の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もある。   The plasma generation chamber 202 communicates with the vacuum waveguide 206, and the vacuum waveguide 206 is connected to the waveguide 208 through a quartz window 207. The waveguide 208 communicates with a microwave generation unit (not shown). In addition, a magnetic coil (magnetic field forming means) 210 is provided around the plasma generation chamber 202 and at the top of the plasma generation chamber 202. These microwave generator, waveguide 208, quartz window 207, and vacuum waveguide 206 constitute a microwave supply means. There is a configuration in which a mode converter is provided in the middle of the waveguide 208.

図2のECRスパッタ装置の動作例について説明すると、まず、処理室201及びプラズマ生成室202内を真空排気した後、不活性ガス導入部211より不活性ガスであるXeガスを導入する。加えて、ターゲット205のプラズマ流下流側に配置されている酸素ガス導入部212より酸素ガスを導入し、プラズマ生成室202内を所定の圧力(例えば1.3×10-2Pa)にする。この状態で、磁気コイル210よりプラズマ生成室202内に0.0875Tの磁場を発生させた後、導波管208,石英窓207を介してプラズマ生成室202内に2.45GHzのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを発生させる。 The operation example of the ECR sputtering apparatus of FIG. 2 will be described. First, after the processing chamber 201 and the plasma generation chamber 202 are evacuated, Xe gas, which is an inert gas, is introduced from the inert gas introduction unit 211. In addition, oxygen gas is introduced from an oxygen gas introduction part 212 arranged on the downstream side of the plasma flow of the target 205 to bring the inside of the plasma generation chamber 202 to a predetermined pressure (for example, 1.3 × 10 −2 Pa). In this state, a magnetic field of 0.0875 T is generated in the plasma generation chamber 202 from the magnetic coil 210, and then a 2.45 GHz microwave is introduced into the plasma generation chamber 202 through the waveguide 208 and the quartz window 207. Then, an electron cyclotron resonance (ECR) plasma is generated.

ECRプラズマは、磁気コイル210からの発散磁場により、基板ホルダ204の方向にプラズマ流を形成する。これらのようにプラズマ(プラズマ流)が生成されて基板ホルダ204の方向に供給されている状態で、プラズマ生成室202の出口に配置されたターゲット205に、高周波電源222より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、RF電圧がマイナスのとき、プラズマにより生成されたXeイオンが、ターゲット205に引き寄せられて衝突してスパッタリング現象が起こり、ターゲット205を構成している各粒子がターゲット205より飛び出す。   The ECR plasma forms a plasma flow in the direction of the substrate holder 204 by the divergent magnetic field from the magnetic coil 210. In such a state that plasma (plasma flow) is generated and supplied in the direction of the substrate holder 204, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from the high frequency power source 222 to the target 205 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 202. Supply. As a result, when the RF voltage is negative, Xe ions generated by the plasma are attracted to and collide with the target 205, causing a sputtering phenomenon, and each particle constituting the target 205 jumps out of the target 205.

また、生成されたECRプラズマのうち、電子は、磁気コイル210で形成される発散磁場によりターゲット205の中を貫通して基板101の側に引き出され、酸化シリコン層102の表面に照射される。このとき同時に、ECRプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように基板101側に引き出され、成膜している層(プラチナ層103)の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。また、このようにプラズマが照射されることで、加熱機構による加熱をしなくても、基板101の温度は、100〜150℃程度に上昇する。   Further, in the generated ECR plasma, electrons pass through the target 205 by the divergent magnetic field formed by the magnetic coil 210 and are extracted to the substrate 101 side and irradiated onto the surface of the silicon oxide layer 102. At the same time, the positive ions in the ECR plasma are drawn to the substrate 101 side so as to neutralize the negative charges due to electrons, that is, to weaken the electric field, and the surface of the layer (platinum layer 103) on which the film is formed Is irradiated. Thus, while each particle is irradiated, some of the positive ions are combined with electrons to become neutral particles. In addition, by irradiating with plasma in this manner, the temperature of the substrate 101 rises to about 100 to 150 ° C. without heating by the heating mechanism.

ここで、ターゲット205がリング状(円筒形)とされているので、高速でターゲット205に引き寄せられるXeイオンは、リング形状の内側表面にほぼ垂直に入射し、ターゲット205の原子をスパッタリングするとともに反射する。この反射の方向は、リング形状の他の内側の面へと向かう。このように、高速で入射したエネルギー数百eVのXe粒子は、リング形状の内側の方向に反射するため、この反射がターゲット205のリング形状の内側で繰り返されることになる。また、高エネルギー状態で反射をしているイオンの一部は、ECRプラズマ中の電子と結合して高エネルギー状態の中性粒子となる。   Here, since the target 205 has a ring shape (cylindrical shape), Xe ions attracted to the target 205 at a high speed enter the ring-shaped inner surface almost perpendicularly, and sputter and reflect the atoms of the target 205. To do. The direction of this reflection is towards the other inner surface of the ring shape. Thus, Xe particles having an energy of several hundreds eV incident at high speed are reflected in the inner direction of the ring shape, and this reflection is repeated inside the ring shape of the target 205. Further, some of the ions reflected in the high energy state are combined with electrons in the ECR plasma to become neutral particles in the high energy state.

一方、ターゲット205より飛び出した構成原子は、エネルギーが10〜20eV程度であり、リング状のターゲット205の内側の領域より外部へ飛行するものも発生し、これらが、基板101(プラチナ層103)上に到達することになる。このように、ECRスパッタ装置では、成膜対象の低エネルギー状態の構成原子は、基板101に到達するが、高速(高エネルギー状態)のイオンや中性粒子が、成膜中の基板101には入射することがない状態とすることが可能である。   On the other hand, the constituent atoms that have jumped out of the target 205 have an energy of about 10 to 20 eV, and some of them fly outside from the inner region of the ring-shaped target 205, and these are generated on the substrate 101 (platinum layer 103). Will be reached. As described above, in the ECR sputtering apparatus, constituent atoms in a low energy state to be deposited reach the substrate 101, but high-speed (high energy state) ions and neutral particles are deposited on the substrate 101 during deposition. It is possible to make it not enter.

なお、図2の薄膜形成装置では、図示していないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力を、導波管208において一旦分岐し、プラズマ生成室202上部の真空導波管206に、プラズマ生成室202の側方から石英窓207を介して結合させている。このようにすることで、石英窓207に対するターゲット205からの飛散粒子の付着が、防げるようになり、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。また、処理対象の基板101とターゲット205との間にシャッターなどを設け、酸化シリコン層102に対する原料の到達を制御するようにしてもよい。   In the thin film forming apparatus of FIG. 2, microwave power supplied from a microwave generation unit (not shown) is once branched in the waveguide 208, and plasma is supplied to the vacuum waveguide 206 above the plasma generation chamber 202. The generation chamber 202 is coupled from the side through a quartz window 207. By doing so, it becomes possible to prevent the scattered particles from adhering to the quartz window 207 from the target 205, and the running time can be greatly improved. In addition, a shutter or the like may be provided between the substrate 101 to be processed and the target 205 to control the arrival of the raw material with respect to the silicon oxide layer 102.

次に、SBT薄膜の低温結晶化について、より詳細に説明する。まず、結晶化の加熱について説明すると、結晶化に要する温度は主に、SBT薄膜自身とアニール(加熱)条件に依存する。SBT薄膜自身に関連するパラメータは、SBT薄膜の膜厚,組成,酸素含有量,不純物の量などである。また、アニール条件に関連するパラメータは、アニール時のガス雰囲気の種類,ガス流量,温度上昇の状態(制御),アニール炉の構造などである。   Next, the low temperature crystallization of the SBT thin film will be described in more detail. First, crystallization heating will be described. The temperature required for crystallization mainly depends on the SBT thin film itself and annealing (heating) conditions. Parameters related to the SBT thin film itself are the film thickness, composition, oxygen content, impurity amount, etc. of the SBT thin film. Parameters related to annealing conditions include the type of gas atmosphere during annealing, the gas flow rate, the temperature rise state (control), the structure of the annealing furnace, and the like.

SBT薄膜が強誘電体としての特性を示すためには、SrxBiyTa2zの金属元素組成に関して、まず0.7≦x≦1及び2.0≦y≦2.4の条件が満たされていることが必要である。また固相結晶化は、結晶粒とアモルファスの界面が移動することにより起きる現象であり、薄膜中に欠陥が多く存在すると、結晶化の進行が途中で停止しやすくなる。さらに、薄膜中に含まれる酸素原子の数が十分でない状態、すなわち酸素欠損が多い薄膜については、結晶化温度は高くなる。実際、アニール時に大気圧あるいはそれ以上の圧力の酸素ガス雰囲気下でアニールするのは、このような酸素欠陥を酸素で終端するためと解釈できる。レーザーアブレーション法やRFスパッタ法を成膜に用いると、酸素ガスの励起効率が十分でないため、酸素不足の薄膜が形成されやすく、結晶化温度を700℃以下にするのは容易でない。 In order for the SBT thin film to exhibit the characteristics as a ferroelectric, the conditions of 0.7 ≦ x ≦ 1 and 2.0 ≦ y ≦ 2.4 are first satisfied with respect to the metal element composition of Sr x Bi y Ta 2 O z. It is necessary to be satisfied. Solid-phase crystallization is a phenomenon that occurs due to the movement of the interface between crystal grains and amorphous. If there are many defects in the thin film, the progress of crystallization tends to stop midway. Furthermore, in a state where the number of oxygen atoms contained in the thin film is not sufficient, that is, in a thin film having many oxygen vacancies, the crystallization temperature becomes high. In fact, annealing in an oxygen gas atmosphere at atmospheric pressure or higher during annealing can be interpreted as terminating such oxygen defects with oxygen. When the laser ablation method or the RF sputtering method is used for film formation, the oxygen gas excitation efficiency is not sufficient, so that an oxygen-deficient thin film is easily formed, and it is not easy to set the crystallization temperature to 700 ° C. or lower.

これらの問題点を解決するために、本発明においては、スパッタ法によるSBT薄膜の成膜において、ECRスパッタ法を適用することを第1の特徴とする。ECRプラズマは、ガスを高密度に励起することができるため、処理室内に低いガス圧で導入した酸素ガスを効率よく励起する。この結果、大量の酸素ラジカルやイオンが発生し、発生した酸素ラジカルやイオンが十分にSBT薄膜の中に取り込まれる。SBTは、金属原子が単体で含まれるSrO,Bi23,及びTa25を構成要素とする複合酸化物である。各々の金属原子においては、Srの1原子に対して酸素が1原子、Biの1原子に対して酸素が1.5原子、Taの1原子に対して酸素が2.5原子の割合で結合すると最大の酸化状態となる。よってSBT薄膜の原子組成比がSrxBiyTa2zで与えられる場合、酸素の組成zが(x+1.5y+5)のときに最大酸化状態である。 In order to solve these problems, the first feature of the present invention is to apply the ECR sputtering method in the formation of the SBT thin film by the sputtering method. Since the ECR plasma can excite the gas with high density, the oxygen gas introduced at a low gas pressure into the processing chamber is efficiently excited. As a result, a large amount of oxygen radicals and ions are generated, and the generated oxygen radicals and ions are sufficiently taken into the SBT thin film. SBT is a composite oxide containing SrO, Bi 2 O 3 , and Ta 2 O 5 containing a metal atom alone. Each metal atom is bonded at a ratio of 1 atom of oxygen per 1 atom of Sr, 1.5 atoms of oxygen per 1 atom of Bi, and 2.5 atoms of oxygen per 1 atom of Ta. Then, the maximum oxidation state is reached. Therefore, when the atomic composition ratio of the SBT thin film is given by Sr x Bi y Ta 2 O z , the maximum oxidation state is obtained when the oxygen composition z is (x + 1.5y + 5).

成膜時の酸素流量が十分高ければ、金属原子と結合してないが薄膜中に弱くトラップされた酸素原子も存在する。従って、実際には、不等式z≧x+1.5y+5が満足される程度まで膜中に酸素が含まれている状態が実現できる。言い換えると、非晶質状態のSBT薄膜に含まれる酸素原子の原子組成が、ストロンチウムの原子組成とビスマスの原子組成の1.5倍との和に5を加えた数以上の状態が、実現可能である。非晶質のSBT薄膜をこのような状態としておくことで、酸素欠損を抑制し、結晶化温度を低くすることが可能となる。ECRスパッタ装置は、さらなる特徴として、成膜中の基板上に高速のイオンや中性粒子が直接入射しないような装置構成になっているため、薄膜へのダメージが少なく、空格子点のない緻密な膜が得られる。   If the oxygen flow rate during film formation is sufficiently high, oxygen atoms that are not bonded to metal atoms but are weakly trapped in the thin film also exist. Therefore, in practice, a state in which oxygen is contained in the film can be realized to the extent that the inequality z ≧ x + 1.5y + 5 is satisfied. In other words, the atomic composition of oxygen atoms contained in the amorphous SBT thin film can be more than the sum of the atomic composition of strontium and 1.5 times the atomic composition of bismuth plus 5 It is. By setting the amorphous SBT thin film in such a state, oxygen vacancies can be suppressed and the crystallization temperature can be lowered. As an additional feature of the ECR sputtering system, the high-speed ions and neutral particles do not directly enter the substrate during film formation, so there is little damage to the thin film and there is no vacancy. Can be obtained.

次に、結晶化に関しての反応経路の点から低温化に有利な状況を考察する。非晶質状態のSBT薄膜の温度を低温から次第に上げていくと、最初に蛍石構造が形成される。さらに温度を上げると、蛍石構造からアウリビリウス構造へと構成原子の再配列が起こる。この様子を横軸に反応座標、縦軸に系のエネルギーを取って表したのが図3である。非晶質の状態から蛍石構造へ転換するには、活性化エネルギーEaで与えられる障壁を超えなければならないが、蛍石構造は準安定状態であるため、エネルギー的には非晶質状態よりも低いところに位置する。さらに蛍石構造からアウリビリウス構造へ変わるためには、活性化エネルギーEfで与えられる障壁を超えなければならない。ここで、蛍石構造を経由せずに、非晶質状態から直接アウリビリウス構造の状態へ移ることができれば、活性化障壁はEfよりも低いEbで済むことになる。すなわち、非晶質状態から直接アウリビリウス構造の状態へとすることで、結晶化が低温アニールにより行えるようになる。 Next, the situation advantageous for lowering the temperature will be considered from the viewpoint of the reaction path for crystallization. When the temperature of the amorphous SBT thin film is gradually raised from a low temperature, a fluorite structure is first formed. When the temperature is further increased, rearrangement of the constituent atoms occurs from the fluorite structure to the auribilius structure. FIG. 3 shows this state with the reaction coordinate on the horizontal axis and the energy of the system on the vertical axis. In order to switch from the amorphous state to the fluorite structure, the barrier given by the activation energy E a must be exceeded. However, since the fluorite structure is a metastable state, it is amorphous in terms of energy. Located lower than. Furthermore, in order to change from the fluorite structure to the Aurivirius structure, the barrier given by the activation energy E f must be exceeded. Here, without going through the fluorite structure, if it is possible to shift to the state of Auribiriusu structure directly from the amorphous state, activation barrier will be need at a lower E b than E f. That is, by directly changing from an amorphous state to an auribilius structure, crystallization can be performed by low-temperature annealing.

よって、結晶化温度の低温化という課題を解決するための手段として、本発明においては、SBT薄膜が完全に非晶質状態を保つような低温に基板温度を保った状態で成膜することを第2の特徴とする。ECRスパッタ法は、基板の上にプラズマ流が照射されるため、基板の原子が電子的に励起される。この結果、平均的な基板温度の上昇以上にプラズマ流が局所的な加熱効果をもたらし、かなりの低温においても薄膜がナノ結晶になる場合がある。   Therefore, as a means for solving the problem of lowering the crystallization temperature, in the present invention, the SBT thin film is formed while keeping the substrate temperature at such a low temperature that the amorphous state is maintained. The second feature. In the ECR sputtering method, a plasma flow is irradiated on a substrate, and thus atoms on the substrate are electronically excited. As a result, the plasma flow provides a local heating effect beyond the increase in average substrate temperature, and the thin film may become nanocrystals even at fairly low temperatures.

プラズマ照射の効果の大きさは、プラズマの密度や基板との距離などの装置の構造に関係するので一概に言えないが、SBT薄膜の非晶質状態を保つためには基板を冷却することが必要な場合も出てくるものと考えられる。SBT薄膜中に結晶核が生成するような状態はエネルギー的に安定化しており、アニールの際に生成された結晶核を核として蛍石構造(fluorite相)が容易に結晶化してしまうため望ましくない。   The magnitude of the effect of the plasma irradiation is unclear because it is related to the structure of the apparatus such as the density of the plasma and the distance to the substrate, but in order to maintain the amorphous state of the SBT thin film, it is necessary to cool the substrate. It is thought that it will come out when necessary. The state in which crystal nuclei are generated in the SBT thin film is stable in terms of energy, and is not desirable because the fluorite structure (fluorite phase) easily crystallizes using the crystal nuclei generated during annealing as nuclei. .

次に、形成された非晶質状態のSBT薄膜104の特性調査結果について説明する。まず、比較のために、標準的なゾルゲル法により、上述同様に形成されたプラチナ層の上にSBT薄膜が形成された参照試料を用意する。この形成について簡単に説明すると、Sr:Bi:Ta=0.8:2.2:2の原子組成比の化合物溶液を基板(プラチナ層上)にスピンコートし、この後に150℃で2分加えて250℃で5分乾燥さる。さらに、同様のスピンコート及び乾燥をサイクルを繰り返し、最終的に膜厚200nmのSBT薄膜が形成された参照試料を作製する。   Next, the characteristic investigation result of the formed amorphous SBT thin film 104 will be described. First, for comparison, a reference sample in which an SBT thin film is formed on a platinum layer formed in the same manner as described above is prepared by a standard sol-gel method. Briefly explaining this formation, a compound solution having an atomic composition ratio of Sr: Bi: Ta = 0.8: 2.2: 2 is spin-coated on a substrate (on a platinum layer), and then added at 150 ° C. for 2 minutes. And dry at 250 ° C. for 5 minutes. Further, the same spin coating and drying cycle is repeated, and a reference sample on which an SBT thin film having a film thickness of 200 nm is finally formed is manufactured.

図4は、ECRスパッタ法でプラチナ層の上に成膜した非晶質状態のSBT薄膜を、大気圧の酸素雰囲気下で3時間(3h)アニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンである。アニール温度が600℃及び620℃のSBT薄膜からは、各々2θ=28.52°、28.60°にブロードなピークが観測されている。この回折角は、蛍石構造の<111>反射に対応している。これらに対し、アニール温度を650℃に上げると、一転してピーク位置が29.00°へシフトし、さらにシャープになる。この回折角は、アウリビリウス構造の<115>反射に対応している。さらに、650℃に加熱したSBT薄膜では、<200>、<220>、<20−1−0>、<315>などのアウリビリウス構造を特徴づけるピークが出現していることから、650℃の加熱条件により、アウリビリウス構造へと転換されたことが分かる。   FIG. 4 shows an X-ray diffraction of an SBT crystal film obtained by annealing an amorphous SBT thin film formed on a platinum layer by ECR sputtering in an atmospheric pressure oxygen atmosphere for 3 hours (3 h). It is a pattern. Broad peaks at 2θ = 28.52 ° and 28.60 ° are observed from the SBT thin films having annealing temperatures of 600 ° C. and 620 ° C., respectively. This diffraction angle corresponds to <111> reflection of the fluorite structure. On the other hand, when the annealing temperature is increased to 650 ° C., the peak position is shifted to 29.00 °, which becomes sharper. This diffraction angle corresponds to the <115> reflection of the auribilius structure. Furthermore, in the SBT thin film heated to 650 ° C., peaks characteristic of the Aurillius structure such as <200>, <220>, <20-1-0>, <315> appear, and thus the heating at 650 ° C. It can be seen that the condition has been converted to an Aurivirius structure.

図5は、ゾルゲル法でプラチナ層の上に成膜した参照試料のSBT薄膜を大気圧の酸素雰囲気下で3時間アニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンである。600℃におけるアニールでは、2θ=28.48°にごく弱いピークらしきものが出現している。アニール温度を620℃へ上げると2θ=28.60°に中心を持つブロードなピークが出現する。さらに650℃及び670℃と高いアニール温度では、ピーク位置は28.80°(650℃)、29.00°(670℃)と高回折角側へシフトしているが、28.6°付近に強度が残っており、部分的にアウリビリウス構造へ転換されていることを示している。   FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern of an SBT crystal film obtained by annealing a SBT thin film of a reference sample formed on a platinum layer by a sol-gel method in an oxygen atmosphere at atmospheric pressure for 3 hours. In annealing at 600 ° C., a very weak peak appears at 2θ = 28.48 °. When the annealing temperature is increased to 620 ° C., a broad peak centered at 2θ = 28.60 ° appears. Furthermore, at the annealing temperatures as high as 650 ° C. and 670 ° C., the peak positions are shifted to 28.80 ° (650 ° C.) and 29.00 ° (670 ° C.) to the high diffraction angle side, but around 28.6 °. The strength remains, indicating that it has been partially converted to an Aurivirius structure.

参照試料のSBT薄膜では、アニール温度700℃において初めて、図4の650℃の場合と同様な<115>ピークの形状が得られた。従って、図4との比較で言えば、ゾルゲル法で得られた参照試料のSBT薄膜の結晶化温度は、700℃ということになる。これらの結果は、ECRスパッタ法を用いて成膜すれば、現在標準的に用いられている有機金属化合物分解法よりも50℃程度のプロセス温度の低減が図れることを示している。   For the SBT thin film of the reference sample, the <115> peak shape similar to that at 650 ° C. in FIG. 4 was obtained for the first time at an annealing temperature of 700 ° C. Therefore, in comparison with FIG. 4, the crystallization temperature of the SBT thin film of the reference sample obtained by the sol-gel method is 700 ° C. These results show that if the film is formed using the ECR sputtering method, the process temperature can be reduced by about 50 ° C. as compared with the organometallic compound decomposition method currently used as a standard.

ECRスパッタ法で堆積したSBT薄膜を、酸素ガス雰囲気下において650℃でアニールしたときのX線回折パタンの時間変化を図6に示す。アニール時間10分(10min)で既に蛍石構造の位置にピークが出現している。1時間(1h)まではピークの形状に大きな変化はないが、3hのアニールを経るとシャープになり、ピーク位置もシフトしている。これはアニール時間が3h経過しないと、X線回折で観測される大きさにまで結晶粒が成長しないことを意味している。   FIG. 6 shows the time change of the X-ray diffraction pattern when the SBT thin film deposited by the ECR sputtering method is annealed at 650 ° C. in an oxygen gas atmosphere. A peak has already appeared at the position of the fluorite structure after 10 minutes (10 min) of annealing. There is no significant change in the peak shape until 1 hour (1h), but after 3h annealing, it becomes sharper and the peak position is also shifted. This means that the crystal grains do not grow to the size observed by X-ray diffraction if the annealing time does not elapse for 3 hours.

また、プラチナ層の代わりにルテニウム層を用いた基板の上に成膜したSBT薄膜に関しても、プラチナ層を用いた場合と同様の結果が得られた。図7は、ルテニウム層の上に成膜したSBT薄膜を大気圧の酸素雰囲気下でアニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンである。620℃で3min、650℃で3min、650℃で10minのいずれのアニール条件においても、SBT薄膜からの回折ピークの位置と形状は蛍石構造(fluorite相)を示しているが、650℃で3hのアニール後にはプラチナ層を用いた場合と同様なアウリビリウス相の形成を示す回折パタンが得られている。   Moreover, the same result as the case where the platinum layer was used was obtained also about the SBT thin film formed on the board | substrate which used the ruthenium layer instead of the platinum layer. FIG. 7 is an X-ray diffraction pattern of an SBT crystal film obtained by annealing an SBT thin film formed on a ruthenium layer in an oxygen atmosphere at atmospheric pressure. Under any annealing condition of 620 ° C. for 3 min, 650 ° C. for 3 min, and 650 ° C. for 10 min, the position and shape of the diffraction peak from the SBT thin film show a fluorite structure (fluorite phase), but at 650 ° C. for 3 h. After the annealing, a diffraction pattern showing the formation of an auribilius phase similar to the case of using the platinum layer is obtained.

以上に説明したように、ECRスパッタ法を用いた成膜によるSBT薄膜は、標準的なゾルゲル法により作製したSBT薄膜よりも低温で結晶化が起きることがわかる。この原因を探るために、作製したSBT薄膜のX線光電子分光スペクトル(XPS)を測定した。アニール前の試料(a)、並びに600℃(b),650℃(c),750℃(d)の各温度において3hアニールした試料について、ビスマスの4fスペクトルを図8に示す。   As described above, it can be understood that the SBT thin film formed by the film formation using the ECR sputtering method is crystallized at a lower temperature than the SBT thin film formed by the standard sol-gel method. In order to investigate this cause, the X-ray photoelectron spectrum (XPS) of the produced SBT thin film was measured. FIG. 8 shows the 4f spectrum of bismuth for the sample (a) before annealing and the sample annealed at 600 ° C. (b), 650 ° C. (c), and 750 ° C. (d) for 3 h.

図8に示されているように、スピン−軌道相互作用により、4f準位は4f5/2と4f7/2に分裂している。4f5/2は、結合エネルギー164.3eV、4f7/2は、結合エネルギー159eV付近に主たるピーク(メインピーク)が存在するが、各々のピークは、Bi23,Bi22,及びペロブスカイトブロックを構成するBiなどに特有な化学シフトを考慮することにより、化学環境の違いを反映した要素に分解することが可能である。また、アニール後の試料については、メインピーク以外に162eVと156.7eV付近に膨らみ(ピーク)が見られる。これらのピークは、金属状態のビスマスに起因するものである。 As shown in FIG. 8, the 4f level is split into 4f 5/2 and 4f 7/2 by the spin-orbit interaction. 4f 5/2 has a binding energy of 164.3 eV and 4f 7/2 has a main peak (main peak) in the vicinity of the binding energy of 159 eV. Each peak has Bi 2 O 3 , Bi 2 O 2 , and By considering a chemical shift peculiar to Bi or the like constituting the perovskite block, it can be decomposed into elements reflecting the difference in chemical environment. Moreover, about the sample after annealing, a bulge (peak) is seen in the vicinity of 162 eV and 156.7 eV in addition to the main peak. These peaks are due to bismuth in the metal state.

図8に示すように、ECRスパッタ法で成膜した酸素原子を十分に含む試料については、酸化が不十分な金属状態のビスマス原子は含まれておらず、アニールにより一部の酸素が脱離した際に、金属状態のビスマス原子が少量生成されていることがわかる。この場合でも、ピーク面積から見積もると、金属状態のビスマス原子の割合は、ビスマス原子全体の4%以下でしかない。   As shown in FIG. 8, the sample containing sufficient oxygen atoms formed by the ECR sputtering method does not contain bismuth atoms in a metal state that is not sufficiently oxidized, and some oxygen is desorbed by annealing. It can be seen that a small amount of bismuth atoms in the metal state is generated. Even in this case, as estimated from the peak area, the proportion of bismuth atoms in the metal state is only 4% or less of the entire bismuth atoms.

このようなECRスパッタ法で成膜したSBT薄膜に対し、文献3のFig.2によれば、ゾルゲル法で作製したSBT薄膜、及びこれを酸素雰囲気下でアニールしたものについては、共に約8%量の金属状態のビスマス原子が含まれているという結果が得られている。また文献4のFig.1によれば、レーザーアブレーション法で成膜したSBT薄膜は、約26%もの金属状態のビスマス原子を含んでいることが分かる。   For the SBT thin film formed by such an ECR sputtering method, FIG. 2 shows that the SBT thin film produced by the sol-gel method and the one annealed in an oxygen atmosphere both contain about 8% amount of bismuth atoms in the metal state. Also, FIG. 1 shows that the SBT thin film formed by the laser ablation method contains about 26% of bismuth atoms in a metal state.

これらの結果との比較から、ECRスパッタ法により堆積されたSBT薄膜においては、酸素ガスの励起効率が高いために、薄膜中に十分な量の酸素を含ませることが可能で、この結果より、650℃と低温のアニールによりアウリビリウス構造への結晶化を誘起できるものと考えられる。また他のスパッタ法との比較においては、ECRスパッタ装置においては、基板表面に高速の粒子が直接入射しないようなターゲット形状と基板の幾何学的配置になっていることが、一旦付着した膜に対しての再スパッタリングの影響を少なくしている。このことも、膜の原子密度を高め、固相結晶化の進展が欠陥部において停止してしまうといった問題点がないなど、ECRスパッタ法による膜の形成が、結晶化温度の低温化に寄与しているものと考えられる。   From the comparison with these results, in the SBT thin film deposited by the ECR sputtering method, since the excitation efficiency of oxygen gas is high, it is possible to contain a sufficient amount of oxygen in the thin film. From this result, It is considered that crystallization into the Auribilius structure can be induced by annealing at a low temperature of 650 ° C. In comparison with other sputtering methods, in the ECR sputtering apparatus, the target shape and the geometrical arrangement of the substrate are such that high-speed particles do not directly enter the substrate surface. The effect of resputtering is reduced. This also increases the atomic density of the film, and there is no problem that the progress of solid-phase crystallization stops at the defective part. The film formation by the ECR sputtering method contributes to lowering the crystallization temperature. It is thought that.

以上に説明したように、ECRスパッタ法を用い加熱をしないなど低温の状態で堆積してアニール前の前駆体SBT薄膜を準備することにより、標準的な有機金属化合物分解法,スパッタ法,レーザーアブレーション法などよりも、低温のアニールによりアウリビリウス構造のSBT薄膜が形成できることが分かった。最も広く用いられている有機化合物分解法に比べて、約50℃の結晶化温度が低温で可能である点は、強誘電体メモリのプロセスにおいて何かと有利である。   As explained above, by preparing the precursor SBT thin film before annealing by depositing at a low temperature such as without heating using the ECR sputtering method, the standard organometallic compound decomposition method, sputtering method, laser ablation It was found that an SBT thin film having an auribilius structure can be formed by annealing at a lower temperature than by the method. Compared to the most widely used organic compound decomposition method, the fact that a crystallization temperature of about 50 ° C. is possible at a low temperature is advantageous in the process of ferroelectric memory.

本発明の実施の形態におけるSBT薄膜の形成方法例を示す工程図である。It is process drawing which shows the example of the formation method of the SBT thin film in embodiment of this invention. ECRスパッタ装置の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of an ECR sputtering apparatus. 温度の上昇に伴い、非晶質状態,蛍石構造,アウリビリウス構造へと変化する様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that it changes to an amorphous state, a fluorite structure, and an auribilius structure with a raise in temperature. ECRスパッタ法でプラチナ層の上に成膜した非晶質状態のSBT薄膜を、大気圧の酸素雰囲気下で3時間(3h)アニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンを示す特性図である。A characteristic showing an X-ray diffraction pattern of an SBT crystal film obtained by annealing an amorphous SBT thin film formed on a platinum layer by ECR sputtering in an atmospheric pressure oxygen atmosphere for 3 hours (3 h). FIG. ゾルゲル法でプラチナ層の上に成膜した参照試料のSBT薄膜を大気圧の酸素雰囲気下で3時間アニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of an SBT crystal film obtained by annealing a SBT thin film of a reference sample formed on a platinum layer by a sol-gel method in an oxygen atmosphere at atmospheric pressure for 3 hours. ECRスパッタ法で堆積したSBT薄膜を、酸素ガス雰囲気下において650℃でアニールしたときのX線回折パタンの時間変化を示す特性図である。It is a characteristic view showing the time change of the X-ray diffraction pattern when the SBT thin film deposited by the ECR sputtering method is annealed at 650 ° C. in an oxygen gas atmosphere. ルテニウム層の上に成膜したSBT薄膜を大気圧の酸素雰囲気下でアニールして得られたSBT結晶膜のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of an SBT crystal film obtained by annealing an SBT thin film formed on a ruthenium layer in an oxygen atmosphere at atmospheric pressure. SBT薄膜のX線光電子分光スペクトルを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of a SBT thin film.

符号の説明Explanation of symbols

101…基板、102…酸化シリコン層、103…プラチナ層、104…非晶質状態のSBT薄膜、105…酸素ガス、106…アウリビリウス構造のSBT薄膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... Silicon oxide layer, 103 ... Platinum layer, 104 ... Amorphous SBT thin film, 105 ... Oxygen gas, 106 ... SBT thin film of Auribirius structure.

Claims (1)

所定の組成比で供給された不活性ガスと酸素ガスとからなるプラズマを生成し、ストロンチウム,ビスマス,及びタンタルを含むターゲットに負のバイスを印加して前記プラズマより発生した粒子を前記ターゲットに衝突させてスパッタ現象を起こし、前記ターゲットを構成する材料を基板の上に堆積することで、ストロンチウムとビスマスとタンタルと酸素とからなる非晶質状態のSBT薄膜が前記基板の上に形成された状態とするスパッタ工程と、
前記SBT薄膜を酸素ガスの雰囲気中で加熱してアウリビリウス構造とする加熱工程と
を少なくとも備え、
前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成されて発散磁界により運動エネルギーが与えられて前記基板の方向にプラズマ流として供給される電子サイクロトロン共鳴プラズマであり、
前記ターゲットは、前記基板の方向に供給される前記プラズマ流の流れの途中に配置され、
前記スパッタ工程では、非晶質状態の前記SBT薄膜に含まれる酸素原子の原子組成が、前記SBT薄膜におけるストロンチウムの原子組成とビスマスの原子組成の1.5倍との和に5を加えた数以上の状態となるように、前記酸素ガスを供給する
ことを特徴とするSBT薄膜の形成方法。
A plasma composed of an inert gas and an oxygen gas supplied at a predetermined composition ratio is generated, and a negative vice is applied to a target containing strontium, bismuth, and tantalum, and particles generated from the plasma collide with the target. A state in which an amorphous SBT thin film made of strontium, bismuth, tantalum, and oxygen is formed on the substrate by causing a sputtering phenomenon and depositing the material constituting the target on the substrate. Sputtering process and
A heating step of heating the SBT thin film in an oxygen gas atmosphere to form an auribilius structure,
The plasma is an electron cyclotron resonance plasma generated by electron cyclotron resonance and given kinetic energy by a divergent magnetic field and supplied as a plasma flow in the direction of the substrate,
The target is disposed in the middle of the flow of the plasma flow supplied in the direction of the substrate,
In the sputtering step, the atomic composition of oxygen atoms contained in the amorphous SBT thin film is a sum of 5 plus the sum of the atomic composition of strontium and 1.5 times the atomic composition of bismuth in the SBT thin film. The oxygen gas is supplied so as to achieve the above state. A method for forming an SBT thin film, characterized in that:
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