JPH08316098A - Method for manufacturing dielectric thin film - Google Patents
Method for manufacturing dielectric thin filmInfo
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- JPH08316098A JPH08316098A JP12328695A JP12328695A JPH08316098A JP H08316098 A JPH08316098 A JP H08316098A JP 12328695 A JP12328695 A JP 12328695A JP 12328695 A JP12328695 A JP 12328695A JP H08316098 A JPH08316098 A JP H08316098A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 誘電体薄膜の製造方法に関し、簡単な製造方
法によって高誘電率のペロブスカイト構造のPMN−P
T薄膜を再現性良く製造する。
【構成】 Mgx Nb2 O6 ターゲット(但し、1≦x
<2)、TiO2 またはTiターゲット、及び、PbO
またはPbターゲットの複数のターゲットを用いた反応
性スパッタリング法によって基板1上に〔Pb(Mg
1/3 Nb2/3 )O3〕y と〔PbTiO3 〕1-y との2
元固溶体からなるペロブスカイト構造のPMN−PT薄
膜5(但し、0.65≦y<1)を堆積させる。
(57) [Summary] [Object] Regarding a method for manufacturing a dielectric thin film, PMN-P having a high dielectric constant perovskite structure is manufactured by a simple manufacturing method.
The T thin film is manufactured with good reproducibility. [Constitution] Mg x Nb 2 O 6 target (1 ≦ x
<2), TiO 2 or Ti target, and PbO
Alternatively, [Pb (Mg) may be formed on the substrate 1 by a reactive sputtering method using a plurality of Pb targets.
1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] y and [PbTiO 3 ] 1-y 2
A PMN-PT thin film 5 (provided that 0.65 ≦ y <1) of a perovskite structure made of an original solid solution is deposited.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は誘電体薄膜の製造方法に
関するものであり、特に、キャパシタに用いる高誘電率
の〔Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 〕y 〔PbTi
O3 〕1-y 、即ち、PMN−PTの製造方法に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a dielectric thin film, and more particularly to a high dielectric constant [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] y [PbTi used for a capacitor.
O 3 ] 1-y , that is, a method for producing PMN-PT.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、電子機器の小型化に伴い、このよ
うな電子機器に使用される電子部品の小型化、高集積化
が急速に進んでおり、その内の一つとしてキャパシタの
高性能化と小型化とが求められている。2. Description of the Related Art In recent years, along with the miniaturization of electronic equipment, the miniaturization and high integration of electronic parts used in such electronic equipment have been rapidly progressing. Miniaturization and miniaturization are required.
【0003】例えば、DRAM(ダイナミック・ランダ
ム・アクセス・メモリ)においては、キャパシタ部の占
める面積は、高集積化に伴って小さくならなければなら
ないが、電荷蓄積量は変化しないか、または増大する傾
向にある。For example, in a DRAM (Dynamic Random Access Memory), the area occupied by the capacitor portion must be reduced with high integration, but the charge storage amount does not change or tends to increase. It is in.
【0004】しかし、従来のDRAMのキャパシタの誘
電体材料として用いられていたSiO2 膜やSi3 N4
膜は、比誘電率が低いので、蓄積電荷を増大することが
できなかった。However, the SiO 2 film and Si 3 N 4 which have been used as the dielectric material of the conventional DRAM capacitor are used.
Due to the low relative permittivity of the film, the accumulated charge could not be increased.
【0005】また、電子機器の小型化に対してはMCM
(Multi−Chip Module)化が一つの流
れであるが、MCMにおいてチップタイプのキャパシタ
を用いた場合には、LSIとキャパシタ間のリードに起
因するインダクタンスの存在によって、ノイズの低減に
は限界があり、また、一つのモジュール上のLSIチッ
プ数が増加するとチップキャパシタの占める実装面積が
増加して小型化の妨げになるという問題があるので、キ
ャパシタをチップタイプのものから薄膜キャパシタに置
き換える検討がなされている。For downsizing of electronic equipment, MCM
(Multi-Chip Module) is one flow, but when a chip type capacitor is used in the MCM, there is a limit to noise reduction due to the presence of the inductance due to the lead between the LSI and the capacitor. Also, since there is a problem that the mounting area occupied by a chip capacitor increases and the miniaturization is hindered when the number of LSI chips on one module increases, it is considered to replace the chip type with a thin film capacitor. ing.
【0006】さらに、MMIC(Monolithic
Microwave Integrated Cir
cuits)においてもMCMと同様な問題が生ずるの
で、キャパシタをチップタイプのものから薄膜キャパシ
タに置き換える検討がなされている。Further, MMIC (Monolithic)
Microwave Integrated Cir
The problems similar to those of MCM occur also in the cuts), and therefore, studies are being made to replace the capacitor of chip type with a thin film capacitor.
【0007】近年、この様な問題を解決するために、薄
膜キャパシタを構成する誘電体膜として、Pb(Mg
1/3 Nb2/3 )O3 や〔Pb(Mg1/3 Nb2/3 )
O3 〕y 〔PbTiO3 〕1-y 、即ち、PMNやPMN
−PT等の高誘電体材料を用いることが検討されてい
る。In recent years, in order to solve such problems, Pb (Mg) has been used as a dielectric film constituting a thin film capacitor.
1/3 Nb 2/3 ) O 3 or [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 )
O 3 ] y [PbTiO 3 ] 1-y , that is, PMN or PMN
The use of a high dielectric material such as -PT is being studied.
【0008】例えば、前者のPMNについては、Pbと
MgNb2 O6 の2種類のターゲットを用いた反応性ス
パッタリング法によって成膜することによって、高誘電
率のペロブスカイト構造のPMNが得られることが報告
されている。For example, with respect to the former PMN, it is reported that a PMN having a perovskite structure with a high dielectric constant can be obtained by forming a film by a reactive sputtering method using two types of targets of Pb and MgNb 2 O 6. Has been done.
【0009】また、後者のPMN−PTについては、1
000℃の高温において金属酸化物粉末から形成したP
MN−PTセラミックスがペロブスカイト構造を有し、
且つ、10000乃至20000の高誘電率を有するこ
とが報告(米国特許第4,712,156号明細書、米
国特許第4,858,066号明細書、及び、米国特許
第5,219,810号明細書参照)されている。Regarding the latter PMN-PT, 1
P formed from metal oxide powder at high temperature of 000 ° C
MN-PT ceramics have a perovskite structure,
In addition, it has been reported that it has a high dielectric constant of 10,000 to 20,000 (US Pat. No. 4,712,156, US Pat. No. 4,858,066, and US Pat. No. 5,219,810. See the specification).
【0010】この場合、反応原料に過剰のPb(鉛)と
Mg(マグネシウム)を加えることによって、PMN−
PTセラミックス中に占めるペロブスカイト構造の比率
を多くすることができ、また、PMN−PTセラミック
スにおけるPMN〔Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 〕と
PT〔PbTiO3 〕の比を変えることによって、誘電
率とキュリー点を変化させることができる。In this case, PMN- is obtained by adding excess Pb (lead) and Mg (magnesium) to the reaction raw material.
The ratio of the perovskite structure in the PT ceramics can be increased, and the ratio of PMN [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] and PT [PbTiO 3 ] in the PMN-PT ceramics can be changed. Can change the dielectric constant and the Curie point.
【0011】しかし、薄膜キャパシタに用いるためには
薄膜化が必要であるが、そのようなPMN−PT薄膜を
単一ターゲットを用いたパルスレーザ蒸着法によって5
00乃至700℃の温度で形成することが報告(C.T
antigate,et al.,MRS Symp.
Proc.,1995,p.361,発行予定)されて
おり、さらに、単一ターゲットを用いたスパッタリング
法によって610乃至640℃の温度で形成することも
報告(M.C.Jiang and T.B.Wu,
J.Mater.Res.,Vol.9,No.7,J
uly,1994,p.1879−1886参照)され
ている。However, it is necessary to reduce the film thickness in order to use it for a thin film capacitor, but such a PMN-PT thin film is formed by a pulse laser deposition method using a single target.
It is reported that the film is formed at a temperature of 00 to 700 ° C (C.T.
antigate, et al. , MRS Symp.
Proc. , 1995, p. 361, is scheduled to be issued), and it is also reported that the sputtering method using a single target is performed at a temperature of 610 to 640 ° C. (MC Jiang and TB Wu,
J. Mater. Res. , Vol. 9, No. 7, J
uly, 1994, p. 1879-1886).
【0012】さらに、一般にAMO3 (但し、A=C
a,Sr,Ba、Pbで、M=Zr,Hf,Sn,T
i)で表される各種のペロブスカイトは、単一ターゲッ
トを用いたスパッタリング法或いは複数のターゲットを
用いたスパッタリング法によって製造されており、これ
らの薄膜は薄膜キャパシタとして、或いは、記憶デバイ
ス用として用いられている(米国特許第4,888,2
46号明細書、及び、米国特許第4,857,802号
明細書参照)。Further, in general, AMO 3 (where A = C
a, Sr, Ba, Pb, M = Zr, Hf, Sn, T
The various perovskites represented by i) are manufactured by a sputtering method using a single target or a sputtering method using a plurality of targets, and these thin films are used as a thin film capacitor or for a storage device. (US Pat. No. 4,888,2
46 and US Pat. No. 4,857,802).
【0013】そして、この様なペロブスカイトは2元金
属酸化物に比べて優れた電気的特性を有していることが
知られているが、このペロブスカイトの薄膜の製造に際
しては、製造条件、及び、堆積基板の組成と結晶方位を
注意深く選択する必要がある。It is known that such a perovskite has excellent electrical characteristics as compared with a binary metal oxide. However, when manufacturing a thin film of this perovskite, manufacturing conditions and Careful selection of the composition and crystallographic orientation of the deposited substrate is required.
【0014】さらに、ペロブスカイト薄膜を(100)
面のMgO、SrTiO3 、或いは、サファイア等の単
結晶基板上に堆積させた場合に、結晶性に優れたペロブ
スカイト薄膜が得られている。Further, a perovskite thin film is (100)
A perovskite thin film having excellent crystallinity is obtained when deposited on a single crystal substrate such as MgO, SrTiO 3 or sapphire.
【0015】この様な薄膜の電気的特性を利用するため
には、電極を形成する必要が生じるが、最近、そのため
の電極としてRuO2 やSrRuO3 等の酸化物電極が
Pt等の金属電極に代わって使用されるようになり、そ
の結果、エピタキシャル薄膜、或いは、良好な結晶方位
を有する薄膜が得られると共に、安定した電気的特性が
得られており、この様なエピタキシャル薄膜、或いは、
結晶性が良好で且つ大きな結晶粒径を有する薄膜は、強
誘電体分野或いは光学分野において必要なものである。In order to utilize the electrical characteristics of such a thin film, it is necessary to form an electrode. Recently, as an electrode therefor, an oxide electrode such as RuO 2 or SrRuO 3 is replaced with a metal electrode such as Pt. As a result, an epitaxial thin film or a thin film having a good crystal orientation has been obtained, and stable electrical characteristics have been obtained. As a result, such an epitaxial thin film, or
A thin film having good crystallinity and a large crystal grain size is required in the field of ferroelectrics or the field of optics.
【0016】また、単一化合物ターゲットを用いて、5
50乃至700℃の温度で各種の基板上にスパッタリン
グすることによって、パイロクロア薄膜及びペロブスカ
イト構造のPMN−PT薄膜を製造することが報告
(M.C.Jiang andT.B.Wu,同上)さ
れている。Further, using a single compound target, 5
It has been reported that a pyrochlore thin film and a PMN-PT thin film having a perovskite structure are produced by sputtering on various substrates at a temperature of 50 to 700 ° C. (MC Jiang and TB Wu, ibid.). .
【0017】この場合、堆積基板としてSi単結晶基
板、或いは、Pt/SiO2 /Si、即ち、Si単結晶
基板の表面にSiO2 膜を設けたのち、その表面にPt
を設けた基板を用いた場合には、500乃至700℃の
温度条件でパイロクロア構造の薄膜のみが得られる。In this case, as a deposition substrate, a Si single crystal substrate or Pt / SiO 2 / Si, that is, a SiO 2 film is provided on the surface of the Si single crystal substrate, and then Pt is formed on the surface.
When the substrate provided with is used, only a thin film having a pyrochlore structure can be obtained under a temperature condition of 500 to 700 ° C.
【0018】この得られたパイロクロア構造のニオブ酸
鉛は、Pb2 Nb2 O7 或いはPb 1.8 Mg0.3 Nb
1.7 O6.4 の様にペロブスカイトと同じ化学組成を有し
ているが、結晶構造は異なり、且つ、その誘電率は20
乃至200とペロブスカイトに比べて遙かに低いもので
ある。The obtained niobate having a pyrochlore structure
Lead is Pb2Nb2O7Or Pb 1.8Mg0.3Nb
1.7O6.4It has the same chemical composition as perovskite like
However, the crystal structure is different and the dielectric constant is 20.
Up to 200, much lower than perovskites
is there.
【0019】一方、Pt(111)/Ti/SiO2 /
Si、即ち、Si単結晶基板の表面にSiO2 膜を設け
たのち、Tiを介してPtを設けた基板(この場合に
は、Ptの結晶方位は(111)面となる)を用いた場
合には、バラバラな結晶方位を有するペロブスカイト構
造の薄膜が得られ、その誘電率は2500程度で、且
つ、膜厚に依存する損失係数(ロス・タンジェント)は
0.03であり、この誘電率の値はバルク状態のPMN
−PTセラミックスよりかなり小さな値である。On the other hand, Pt (111) / Ti / SiO 2 /
In the case of using Si, that is, a substrate in which a SiO 2 film is provided on the surface of a Si single crystal substrate, and then Pt is provided via Ti (in this case, the crystal orientation of Pt is the (111) plane) , A perovskite structure thin film having different crystal orientations is obtained, its dielectric constant is about 2500, and the film thickness-dependent loss coefficient (loss tangent) is 0.03. Value is PMN in bulk state
-Much smaller than PT ceramics.
【0020】なお、この場合の、Pt層の下に設けるT
i層はSiO2 /Si基板上にPt下部電極を保持する
ための接着層として作用すると共に、Tiの一部はPt
を透過して拡散しPt表面に達することにより薄膜中の
ペロブスカイト成分を増加する作用もある(M.C.J
iang and T.B.Wu,同上、K.Aok
i,et al.,Jpn.J.Appl.Phy
s.,vol.34,1995,p.192)。In this case, T provided under the Pt layer
The i layer acts as an adhesive layer for holding the Pt lower electrode on the SiO 2 / Si substrate, and a part of Ti is Pt.
The perovskite component in the thin film is also increased by permeating and diffusing into the Pt surface to reach the Pt surface (MCJ
i ang and T.I. B. Wu, ibid., K. Aok
i, et al. , Jpn. J. Appl. Phy
s. , Vol. 34, 1995, p. 192).
【0021】即ち、このPt下部電極表面に存在するT
iは酸素及び気相の状態で供給されるPbと、Pb+T
i+O2 (或いは、Pb+TiO2 )→PbTiO3の
反応式で反応することによってPt下部電極表面にPb
TiO3 を形成し、このPbTiO3 がペロブスカイト
薄膜成長のための成長核として作用する。なお、この場
合、Pt表面のTiO2 は特定の結晶方位を有していな
いので、得られる薄膜も特定の結晶方位を有していな
い。That is, T existing on the surface of the Pt lower electrode
i is Pb supplied in the state of oxygen and gas, and Pb + T
By reacting i + O 2 (or Pb + TiO 2 ) → PbTiO 3 in the reaction formula, Pb is formed on the Pt lower electrode surface.
TiO 3 is formed, and this PbTiO 3 acts as a growth nucleus for growing the perovskite thin film. In this case, since TiO 2 on the Pt surface does not have a specific crystal orientation, the obtained thin film also does not have a specific crystal orientation.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】しかし、単一ターゲッ
トを用いたスパッタリング法によってPMN−PT薄膜
を形成した場合には、PbやPbOは高い堆積温度にお
いては蒸気圧が高いので再現性の良好な結果が得られな
いという問題がある。However, when a PMN-PT thin film is formed by a sputtering method using a single target, Pb and PbO have a high vapor pressure at a high deposition temperature and therefore have good reproducibility. There is a problem that results cannot be obtained.
【0023】即ち、このPbやPbOの蒸気圧は高いた
めにターゲット中の他の構成成分より早い速度でスパッ
タされるので、ターゲット中に過剰のPbを添加してお
く必要がある。そして、その結果、ターゲット中の成分
は使用する毎に変化することになるのでターゲットを頻
繁に新しいターゲットに代える必要が生ずる。また、タ
ーゲットにおける過剰Pbの必要量は、得ようとする薄
膜の組成と特性によって適宜変更する必要がある。That is, since the vapor pressures of Pb and PbO are high, they are sputtered at a faster rate than the other constituents in the target, so it is necessary to add excess Pb to the target. As a result, the components in the target will change each time it is used, so it becomes necessary to frequently replace the target with a new target. Further, the required amount of excess Pb in the target needs to be appropriately changed depending on the composition and characteristics of the thin film to be obtained.
【0024】また、単一ターゲットを用いて複数の構成
成分をスパッタする場合には、堆積された薄膜が放電過
程において酸素イオンによってスパッタエッチング(リ
スパッタ)されるという問題も生じ、得られた薄膜の組
成がターゲットの組成と異なることになる。なお、この
場合に発生するスパッタエッチング(リスパッタ)の量
は製造条件や基板の種類に依存する(A.Hameri
ch,et al.,J.Vac.Sci.and T
ech.,A12〔5〕,1994,p.2873)。Further, when a plurality of constituent components are sputtered using a single target, there is a problem that the deposited thin film is sputter-etched (resputtered) by oxygen ions in the discharge process. The composition will differ from that of the target. The amount of sputter etching (resputtering) generated in this case depends on the manufacturing conditions and the type of substrate (A. Hameri).
ch, et al. , J. et al. Vac. Sci. and T
ech. , A12 [5], 1994, p. 2873).
【0025】また、ペロブスカイト構造のPMN−PT
薄膜をPt(111)/Ti/SiO2 /Si基板上に
堆積させた場合には、Pt層を介してTiが拡散するの
で、高温では非常に不安定になる(Screeniva
s,et al.,J.Appl.Phys.,vo
l.75,no.1,1994,p.232)。PMN-PT having a perovskite structure
When a thin film is deposited on a Pt (111) / Ti / SiO 2 / Si substrate, Ti diffuses through the Pt layer, so it becomes very unstable at high temperatures (Screeniva).
s, et al. , J. et al. Appl. Phys. , Vo
l. 75, no. 1, 1994, p. 232).
【0026】また、Pt下部電極表面に形成されるTi
O2 はPt層の抵抗率を増大して薄膜の特性を変化させ
ることになり、表面が荒く、結晶粒径が小さく、結晶方
位がバラバラで、且つ、不均一な薄膜が得られることに
なる。Further, Ti formed on the surface of the Pt lower electrode
O 2 will increase the resistivity of the Pt layer and change the characteristics of the thin film, so that a thin film having a rough surface, a small crystal grain size, different crystal orientations, and non-uniformity can be obtained. .
【0027】したがって、本発明は、簡単な製造方法に
よって高誘電率のペロブスカイト構造のPMN−PT薄
膜を再現性良く製造することをを目的とする。Therefore, it is an object of the present invention to manufacture a PMN-PT thin film having a high dielectric constant perovskite structure with good reproducibility by a simple manufacturing method.
【0028】[0028]
【課題を解決するための手段】図1は、本発明の製造方
法によって得られた誘電体薄膜の原理的構成を示すもの
であり、図1を参照して本発明における課題を解決する
ための手段を説明する。FIG. 1 shows the principle structure of a dielectric thin film obtained by the manufacturing method of the present invention. To solve the problem in the present invention with reference to FIG. The means will be described.
【0029】図1参照 (1)本発明は、誘電体薄膜の製造方法において、〔P
b(Mg1/3 Nb2/3)O3 〕y と〔PbTiO3 〕
1-y との2元固溶体からなるペロブスカイト構造の強誘
電体薄膜、即ち、PMN−PT薄膜5(但し、0.65
≦y<1)をMg x Nb2 O6 ターゲット(但し、1≦
x<2)、TiO2 またはTiターゲット、及び、Pb
OまたはPbターゲットの複数のターゲットを用いた反
応性スパッタリング法によって基板1上に堆積させるこ
とを特徴とする。See FIG. 1 (1) The present invention relates to a method for producing a dielectric thin film, wherein [P
b (Mg1/3Nb2/3) O3]yAnd [PbTiO3]
1-yInduction of perovskite structure consisting of binary solid solution with
Electric thin film, that is, PMN-PT thin film 5 (however, 0.65
≦ y <1) Mg xNb2O6Target (however, 1 ≦
x <2), TiO2Or Ti target and Pb
Reaction using multiple targets of O or Pb targets
Be deposited on the substrate 1 by the reactive sputtering method.
And are characterized.
【0030】(2)また、本発明は、上記(1)におい
て、基板1上に介在層2、下部電極3、及び、拡散障壁
層4の内、下部電極3を含む少なくとも1層を順次堆積
させた後、2元固溶体からなるペロブスカイト構造のP
MN−PT薄膜5を堆積させ、次いで、上部電極6を堆
積させたことを特徴とする。(2) Further, in the present invention according to the above (1), at least one layer of the intervening layer 2, the lower electrode 3 and the diffusion barrier layer 4 including the lower electrode 3 is sequentially deposited on the substrate 1. Then, the P of the perovskite structure composed of a binary solid solution is formed.
The MN-PT thin film 5 is deposited, and then the upper electrode 6 is deposited.
【0031】(3)また、本発明は、上記(2)におい
て、基板1は絶縁性基板または半導体基板からなり、介
在層2は0乃至100nmの厚さであり、下部電極3は
厚さ50乃至150nmの金属または酸化物からなり、
拡散障壁層4は0乃至20nmの厚さであり、且つ、上
部電極6は50乃至150nmの厚さであることを特徴
とする。(3) Further, in the present invention according to the above (2), the substrate 1 is made of an insulating substrate or a semiconductor substrate, the intervening layer 2 has a thickness of 0 to 100 nm, and the lower electrode 3 has a thickness of 50. To 150 nm metal or oxide,
The diffusion barrier layer 4 has a thickness of 0 to 20 nm, and the upper electrode 6 has a thickness of 50 to 150 nm.
【0032】(4)また、本発明は、上記(3)におい
て、介在層2がMgO、TiO2 、及び、Bi4 Ti3
O12の内のいずれかであり、また、拡散障壁層4がMg
O、SrTiO3 、及び、Tiの内のいずれかであるこ
とを特徴とする。(4) In addition, according to the present invention, in the above (3), the intervening layer 2 includes MgO, TiO 2 and Bi 4 Ti 3.
O 12 and the diffusion barrier layer 4 is Mg.
It is characterized by being any one of O, SrTiO 3 , and Ti.
【0033】(5)また、本発明は、(1)乃至(4)
のいずれかにおいて、2元固溶体からなるペロブスカイ
ト構造のPMN−PT薄膜5の固溶比yを、各ターゲッ
トに印加する電力比、堆積温度、スパッタガスの酸素と
希ガスの比、及び、アニール温度の少なくとも一つを変
えることにより制御することを特徴とする。(5) The present invention also includes (1) to (4)
In any one of the above, the solid solution ratio y of the PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure composed of a binary solid solution is the power ratio applied to each target, the deposition temperature, the ratio of oxygen to rare gas of the sputtering gas, and the annealing temperature. It is characterized by controlling by changing at least one of the above.
【0034】[0034]
【作用】〔Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 〕y と〔Pb
TiO3 〕1-y との2元固溶体からなるペロブスカイト
構造のPMN−PT薄膜5(但し、0.65≦y<1)
を製造する際に、3つのターゲットを用いることによ
り、薄膜中におけるMgの減少をもたらすリスパッタリ
ングを抑制することができ、組成の安定した薄膜を再現
性良く形成することができる。[Operation] [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] y and [Pb
TiO 3 ] 1-y PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure composed of a binary solid solution (provided that 0.65 ≦ y <1)
By using three targets in the production of, it is possible to suppress resputtering that causes a decrease in Mg in the thin film, and it is possible to form a thin film having a stable composition with good reproducibility.
【0035】即ち、リスパッタリング自体はなくすこと
はできないものの、Mgx Nb2 O 6 ターゲットに10
%の過剰Mgを添加したり、独立のMgターゲットを設
けたり、或いは、各ターゲットのパワー比を変えること
によって、リスパッタリングに伴うMgの減少を抑制す
ることができる。なお、y<0.65の場合には、誘電
率が低くなって実用的ではなくなる。That is, the resputtering itself should be eliminated.
Not possible, but MgxNb2O 6Target 10
% Excess Mg, or set an independent Mg target.
Or changing the power ratio of each target
Suppresses the decrease of Mg due to resputtering
Can be When y <0.65, the dielectric
The rate becomes low and it becomes impractical.
【0036】また、基板1上に介在層2を設けることに
よって下部電極3の接着性を増すことができ、或いは、
その上に設ける下部電極3の結晶方位を効果的に制御す
ることができる。また、拡散障壁層4を設けることによ
って、介在層2としてTiO2 を用いた場合にもPMN
−PT薄膜5中のペロブスカイト成分を多くすることが
でき、誘電率をより高くすることができる。By providing the intervening layer 2 on the substrate 1, the adhesiveness of the lower electrode 3 can be increased, or
The crystal orientation of the lower electrode 3 provided thereon can be effectively controlled. Further, by providing the diffusion barrier layer 4, even when TiO 2 is used as the intervening layer 2, PMN
The perovskite component in the -PT thin film 5 can be increased, and the dielectric constant can be increased.
【0037】また、基板1はMgO等の絶縁性基板また
はSi等の半導体基板からなり、介在層2の厚さを0乃
至100nmに設定し、Pt等の金属またはRuO2 等
の酸化物からなる下部電極3の厚さを50乃至150n
mに設定し、拡散障壁層4の厚さを0乃至20nmに設
定し、且つ、上部電極6の厚さを50乃至150nmに
設定することにより、ペロブスカイト構造のPMN−P
T薄膜5を安定して得ることができる。The substrate 1 is made of an insulating substrate such as MgO or a semiconductor substrate such as Si, the thickness of the intervening layer 2 is set to 0 to 100 nm, and is made of a metal such as Pt or an oxide such as RuO 2. The thickness of the lower electrode 3 is 50 to 150 n
m, the thickness of the diffusion barrier layer 4 is set to 0 to 20 nm, and the thickness of the upper electrode 6 is set to 50 to 150 nm, so that the PMN-P of the perovskite structure is formed.
The T thin film 5 can be stably obtained.
【0038】また、介在層2として、MgOまたはBi
4 Ti3 O12を用いることにより、Pt下部電極3の結
晶方位を(100)面にすることができ、また、拡散障
壁層4としてMgO、SrTiO3 、或いは、Tiを用
いることによりペロブスカイト構造のPMN−PT薄膜
5を安定して得ることができる。As the intervening layer 2, MgO or Bi is used.
By using 4 Ti 3 O 12 , the crystal orientation of the Pt lower electrode 3 can be made to be the (100) plane, and by using MgO, SrTiO 3 or Ti as the diffusion barrier layer 4, a perovskite structure can be obtained. The PMN-PT thin film 5 can be stably obtained.
【0039】また、2元固溶体からなるペロブスカイト
構造のPMN−PT薄膜5の固溶比yは、各ターゲット
に印加する電力比、堆積温度、及び、スパッタガスの酸
素と希ガスの比を制御することによって正確に制御する
ことができる。The solid solution ratio y of the PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure made of a binary solid solution controls the power ratio applied to each target, the deposition temperature, and the ratio of oxygen to rare gas of the sputtering gas. It can be controlled accurately.
【0040】また、堆積温度を低温にしてアモルファス
状態の2元固溶体を堆積させた後、アニールにより多結
晶のペロブスカイト構造のPMN−PT薄膜5を形成す
る場合には、アニール温度により固溶比yを正確に制御
することができる。When the amorphous solid binary solution is deposited at a low deposition temperature and then the PMN-PT thin film 5 of polycrystalline perovskite structure is formed by annealing, the solid solution ratio y depends on the annealing temperature. Can be controlled accurately.
【0041】[0041]
【実施例】図2を参照して、本発明の実施例を説明す
る。なお、図2(a)は本発明の実施に用いるマグネト
ロン・スパッタリング装置の概略的構成図であり、ま
た、図2(b)は図2(a)に示したマグネトロン・ス
パッタリング装置を用いて製造した薄膜キャパシタの製
造工程の説明図である。EXAMPLE An example of the present invention will be described with reference to FIG. 2A is a schematic configuration diagram of a magnetron sputtering apparatus used for carrying out the present invention, and FIG. 2B is manufactured using the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 2A. FIG. 7 is an explanatory view of a manufacturing process of the thin film capacitor.
【0042】図2(a)参照 このマグネトロン・スパッタリング装置の基本部分は、
MgOやSi等の基板1を保持し、且つ、内部にヒータ
ーを格納した基板ホルダー7、PbOターゲット8、M
x N(Mgx Nb2 O6 )ターゲット9、TiO2 ター
ゲット(図示せず)、及び、各ターゲットからのスパッ
タを制御するためのシャッタ10から構成される。See FIG. 2A. The basic part of this magnetron sputtering apparatus is
A substrate holder 7, which holds the substrate 1 made of MgO, Si, or the like, and also stores a heater therein, a PbO target 8, M
An x N (Mg x Nb 2 O 6 ) target 9, a TiO 2 target (not shown), and a shutter 10 for controlling sputtering from each target.
【0043】この基板ホルダー7は中心軸11を回転軸
として回転可能になっており、また、基板ホルダー7と
各ターゲットの開口部12との間の間隔dは70mmで
あり、この基板ホルダー7と各ターゲット8,9との間
にスパッタガス13としてO 2 及びArを導入して、マ
イクロ波電力を印加することによってプラズマを発生さ
せた状態で基板ホルダー7を回転させながら反応性スパ
ッタを行う。The substrate holder 7 has a central shaft 11 as a rotating shaft.
It is possible to rotate as a substrate holder 7
The distance d between each target opening 12 is 70 mm.
Yes, between this substrate holder 7 and each target 8, 9
O as sputter gas 13 2And Ar are introduced,
Plasma is generated by applying microwave power.
While the substrate holder 7 is rotating while
Do the data.
【0044】次に、このマグネトロン・スパッタリング
装置を用いた薄膜キャパシタの製造方法を説明する。 図2(b)参照 まず、(100)面のMgO基板、或いは、(100)
面のSi表面にSiO 2 膜を設けた基板1を用意する。Next, this magnetron sputtering
A method of manufacturing a thin film capacitor using the apparatus will be described. Refer to FIG. 2B. First, a (100) plane MgO substrate or (100) plane.
SiO on the Si surface 2A substrate 1 provided with a film is prepared.
【0045】次いで、図2とは異なったスパッタリング
装置内において、400〜700℃の基板温度で、基板
1上に(110)面のTiO2 、(100)面のMg
O、或いは、(100)面のBi4 Ti3 O12からなる
介在層2を0〜10nm堆積させる。Next, in a sputtering apparatus different from that shown in FIG. 2, at a substrate temperature of 400 to 700 ° C., TiO 2 on the (110) plane and Mg on the (100) plane were formed on the substrate 1.
The intervening layer 2 made of O or (100) plane of Bi 4 Ti 3 O 12 is deposited in a thickness of 0 to 10 nm.
【0046】なお、この介在層2はその上に設ける下部
電極3の接着性を改善すると共に、下部電極3の結晶方
位を制御する作用を有し、(110)面のTiO2 を用
いた場合にはPtの結晶方位は(111)面となり、
(100)面のBi4 Ti3 O 12を用いた場合にはPt
の結晶方位は(100)面となり、(100)面のMg
Oを用いた場合にはPtの結晶方位は(100)面とな
る。The intervening layer 2 is a lower portion provided on the intervening layer 2.
Improving the adhesion of the electrode 3 and crystallizing the lower electrode 3
Has a function of controlling the position, and the TiO of (110) plane2For
If it is present, the crystal orientation of Pt becomes the (111) plane,
Bi on (100) planeFourTi3O 12When using Pt
Has a crystal orientation of (100) plane, and Mg of (100) plane is
When O is used, the crystal orientation of Pt is the (100) plane.
It
【0047】次いで、20〜620℃の基板温度で、基
板1或いは介在層2上にPt、RuO2 、或いは、Sr
RuO3 からなる厚さ80〜100nmの下部電極3を
堆積させたのち、下部電極3上にTi、MgO、或い
は、SrTiO3 からなる厚さ0〜5nmの拡散障壁層
4を設ける。なお、拡散障壁層4としてTiを用いた場
合には、Tiは酸化されてTiO2が形成される。Next, at a substrate temperature of 20 to 620 ° C., Pt, RuO 2 or Sr is formed on the substrate 1 or the intervening layer 2.
After depositing a lower electrode 3 made of RuO 3 and having a thickness of 80 to 100 nm, a diffusion barrier layer 4 made of Ti, MgO, or SrTiO 3 and having a thickness of 0 to 5 nm is provided on the lower electrode 3. When Ti is used as the diffusion barrier layer 4, Ti is oxidized to form TiO 2 .
【0048】次いで、この介在層2乃至拡散障壁層4を
設けた基板1を、マグネトロン・スパッタリング装置の
基板ホルダー7に固定したのち、ヒーターによって基板
温度を堆積温度まで上昇させる。Next, the substrate 1 provided with the intervening layer 2 to the diffusion barrier layer 4 is fixed to the substrate holder 7 of the magnetron sputtering apparatus, and then the substrate temperature is raised to the deposition temperature by the heater.
【0049】次いで、マグネトロン・スパッタリング装
置の反応室にO2 とArとよりなるスパッタガス13を
導入する。この場合、スパッタガス13の流量はマスフ
ローコントローラで制御され、スパッタガス13中のO
2 流量比〔O2 /(O2 +Ar)〕は0.1〜0.2の
間に制御される。Next, the sputtering gas 13 composed of O 2 and Ar is introduced into the reaction chamber of the magnetron sputtering apparatus. In this case, the flow rate of the sputter gas 13 is controlled by the mass flow controller, and the O in the sputter gas 13 is controlled.
The 2 flow rate ratio [O 2 / (O 2 + Ar)] is controlled to be 0.1 to 0.2.
【0050】また、この場合の反応系の圧力は、容量圧
力計、自動圧力コントローラ(APC)、及び、バルブ
で制御され、自動圧力コントローラのバルブの調節位置
とガス流量によって1.3Paに調整される。Further, the pressure of the reaction system in this case is controlled by a capacity pressure gauge, an automatic pressure controller (APC), and a valve, and is adjusted to 1.3 Pa by the valve adjusting position of the automatic pressure controller and the gas flow rate. It
【0051】次いで、マグネトロンよりマイクロ波電力
を供給してプラズマ放電を起こしたのち、シャッタ10
を閉めた状態で予め設定された電力で約30分間予備ス
パッタし、各ターゲット8,9の表面が安定状態に達し
た時点でシャッタ10を開いてPMN−PT薄膜5の堆
積を開始する。このPMN−PT薄膜5の堆積時間は、
堆積条件や必要とする膜厚に依存するが1〜10時間で
ある。Next, microwave power is supplied from the magnetron to generate plasma discharge, and then the shutter 10
In the closed state, pre-sputtering is performed at a preset power for about 30 minutes, and when the surfaces of the targets 8 and 9 reach a stable state, the shutter 10 is opened and the deposition of the PMN-PT thin film 5 is started. The deposition time of this PMN-PT thin film 5 is
The time is 1 to 10 hours, depending on the deposition conditions and the required film thickness.
【0052】次いで、基板1を別のスパッタリング装置
に移して、PMN−PT薄膜5上に80〜100nmの
厚さのPt、RuO2 、或いは、SrRuO3 からなる
上部電極6をスパッタによって形成し、全体の厚さが0
〜5μmのキャパシタを形成する。Next, the substrate 1 is transferred to another sputtering apparatus, and the upper electrode 6 made of Pt, RuO 2 or SrRuO 3 having a thickness of 80 to 100 nm is formed on the PMN-PT thin film 5 by sputtering. Total thickness is 0
Form a capacitor of ˜5 μm.
【0053】この様にして得られたPMN−PT薄膜5
の結晶構造及び化学的組成をX線回折(XRD)、誘導
結合プラズマ原子放出スペクトロスコピー(ICP)、
或いは、X線蛍光スペクトロスコピー(XRF)を用い
て調べた。また、PMN−PT薄膜5の電気的特性はイ
ンピーダンス・アナライザーを用いて測定した。PMN-PT thin film 5 thus obtained
X-ray diffraction (XRD), inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP),
Alternatively, it was examined using X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). The electrical characteristics of the PMN-PT thin film 5 were measured using an impedance analyzer.
【0054】この様にして得られた結果を示したのが図
3乃至図5である。この場合、PMN−PT薄膜5中の
ペロブスカイト成分は、低入射角で入射したX線の回折
成分を20〜50°の範囲で走査した2θ−XRDパタ
ーンによって測定され、このPMN−PT薄膜5中のペ
ロブスカイト構成比(%)は、ペロブスカイトに起因す
る回折の強度を各回折ピークの強度の総和で割り、それ
に100を掛けた数値で表される。The results thus obtained are shown in FIGS. 3 to 5. In this case, the perovskite component in the PMN-PT thin film 5 is measured by a 2θ-XRD pattern obtained by scanning the diffraction component of the X-ray incident at a low incident angle in the range of 20 to 50 °. The perovskite composition ratio (%) is expressed by a value obtained by dividing the intensity of diffraction due to perovskite by the total intensity of diffraction peaks and multiplying it by 100.
【0055】また、PMN−PT薄膜5の誘電特性は、
薄膜キャパシタを構成する上部電極6と下部電極3とに
インピーダンス・アナライザ14の端子15を接続した
測定試料をオーブン内に収納して−15℃〜150℃の
温度範囲で温度を変えながら薄膜の容量を測定すること
によって測定されるものであり、ここにおける誘電率は
薄膜の容量測定から計算された最大値を示すものであ
り、この誘電率の最大値は、所謂キュリー温度(キュリ
ー点)で観測された。The dielectric properties of the PMN-PT thin film 5 are
The measurement sample in which the terminal 15 of the impedance analyzer 14 is connected to the upper electrode 6 and the lower electrode 3 constituting the thin film capacitor is stored in an oven, and the capacitance of the thin film is changed in the temperature range of -15 ° C to 150 ° C. The dielectric constant here indicates the maximum value calculated from the capacitance measurement of the thin film, and the maximum value of this dielectric constant is observed at the so-called Curie temperature (Curie point). Was done.
【0056】また、PMN−PT薄膜5中の陽イオンの
組成比、即ち、Pb/(Nb+Ti+Mg)、及び、P
MN/(PMN+PT)比、即ち、固溶比yはICP及
びXRFの測定結果に基づいて計算した値を示してい
る。The composition ratio of cations in the PMN-PT thin film 5, that is, Pb / (Nb + Ti + Mg), and P
The MN / (PMN + PT) ratio, that is, the solid solution ratio y indicates a value calculated based on the measurement results of ICP and XRF.
【0057】また、拡散障壁層4の厚さはプロフィロメ
ータ或いは高解像度の透過電子顕微鏡(TEM)によっ
て物理的に測定しても良いし、或いは、交流インピーダ
ンス・スペクトロスコピーの様な電気的な非破壊測定方
法(M.Sayer,etal.,Integrat.
Ferr.,vol.1,1992,p.129)を用
い、測定されたPMN−PT薄膜5及び拡散障壁層4の
インピーダンスに基づいて膜厚を計算で求めても良い。The thickness of the diffusion barrier layer 4 may be physically measured by a profilometer or a high resolution transmission electron microscope (TEM), or it may be measured electrically by an AC impedance spectroscopy. Nondestructive measurement method (M. Sayer, et al., Integrat.
Ferr. , Vol. 1, 1992, p. 129), the film thickness may be calculated based on the measured impedances of the PMN-PT thin film 5 and the diffusion barrier layer 4.
【0058】図3乃至図5参照 図3乃至図5から明らかなように、薄膜の結晶構造、キ
ュリー点、及び、電気的特性は、介在層、拡散障壁層、
基板と電極の結晶方位、組成、及び、製造条件に強く依
存する。As shown in FIGS. 3 to 5, the crystal structure of the thin film, the Curie point, and the electrical characteristics are as follows.
It strongly depends on the crystal orientation, composition, and manufacturing conditions of the substrate and the electrode.
【0059】即ち、基板1として(100)面のMgO
を用いた場合には、その上に直接PMN−PT薄膜5を
堆積させた場合(#1,2)にも、また、MgO基板1
上に80nmの厚さのPt下部電極3を設けた場合(#
3)にもペロブスカイト構造を有するPMN−PT薄膜
5が得られ、その誘電率は試料#3の場合には2400
である。なお、電極を設けない場合には、誘電率の測定
ができない。That is, as the substrate 1, MgO of the (100) plane is used.
If the PMN-PT thin film 5 is directly deposited on the MgO substrate (# 1, 2), the MgO substrate 1
When the Pt lower electrode 3 having a thickness of 80 nm is provided on the upper side (#
A PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure was also obtained in 3), and its dielectric constant was 2400 in the case of sample # 3.
Is. Note that the dielectric constant cannot be measured without the electrodes.
【0060】しかし、基板1としてSiO2 /Siを用
いた場合には、試料#3と同様に80nmの厚さのPt
下部電極3を設けても、ペロブスカイト構造のPMN−
PT薄膜5を得ることができなかった(#4)。However, when SiO 2 / Si was used as the substrate 1, Pt with a thickness of 80 nm was used as in sample # 3.
Even if the lower electrode 3 is provided, PMN-having a perovskite structure is formed.
The PT thin film 5 could not be obtained (# 4).
【0061】しかし、基板1としてSiO2 /Siを用
いた場合に、下部電極3としてRuO2 (#6)或いは
SrRuO3 (#5)を用いた場合には、ペロブスカイ
ト構造を有するPMN−PT薄膜5が得られ、その誘電
率は夫々2400及び2900である。However, when SiO 2 / Si is used as the substrate 1 and RuO 2 (# 6) or SrRuO 3 (# 5) is used as the lower electrode 3, a PMN-PT thin film having a perovskite structure is used. 5 was obtained and its dielectric constants are 2400 and 2900, respectively.
【0062】また、図4からは、介在層2が下部電極3
の結晶構造及び結晶方位に影響を与えることが分かる。
即ち、表面にSiO2 膜を設けた(100)面のSi基
板にPt下部電極を直接設けた場合にはPt下部電極の
結晶方位は(111)面であるが(#4)、SiO2 膜
上に10nmの厚さの(100)面のMgO層(#7,
8)、或いは、(100)面のBi4 Ti3 O12(Bi
TO)層(#14〜16)からなる介在層2を設けた場
合には、下部電極3としてのPt下部電極の結晶方位は
(111)面から(100)面に変化する。なお、下部
電極3がRuO2 (#6)或いはSrRuO3 (#5)
である場合にも、Ptと同様な結果が得られた。Further, from FIG. 4, the intervening layer 2 is the lower electrode 3.
It can be seen that it affects the crystal structure and crystal orientation of.
That is, when the Pt lower electrode is directly provided on the (100) surface Si substrate having the SiO 2 film on the surface, the crystal orientation of the Pt lower electrode is the (111) surface (# 4), but the SiO 2 film The MgO layer (# 7,
8) or Bi 4 Ti 3 O 12 (Bi) on the (100) plane
When the intervening layer 2 made of the (TO) layer (# 14 to 16) is provided, the crystal orientation of the Pt lower electrode as the lower electrode 3 changes from the (111) plane to the (100) plane. The lower electrode 3 is RuO 2 (# 6) or SrRuO 3 (# 5).
Also in the case of, the result similar to Pt was obtained.
【0063】この介在層2を設けていない(111)面
のPt下部電極3上に高温で薄膜を堆積させた場合(#
4)には、パイロクロア構造の薄膜が得られたが、介在
層2を設けることによってPt下部電極3の結晶方位を
(100)面とすることによって、高温においても高度
の配向性を有するペロブスカイト構造のPMN−PT薄
膜5を得ることができた(#8,14〜16)。但し、
介在層2として10nmの厚さのMgOを設けた場合に
も、堆積温度が500℃の場合には、ペロブスカイト構
造のPMN−PT薄膜5が得られなかった(#7)。When a thin film is deposited at high temperature on the Pt lower electrode 3 on the (111) plane where the intervening layer 2 is not provided (#
In 4), a thin film having a pyrochlore structure was obtained. By providing the intervening layer 2 to make the crystal orientation of the Pt lower electrode 3 the (100) plane, a perovskite structure having a high degree of orientation even at high temperatures was obtained. PMN-PT thin film 5 was obtained (# 8, 14-16). However,
Even when MgO having a thickness of 10 nm was provided as the intervening layer 2, the PMN-PT thin film 5 having the perovskite structure could not be obtained when the deposition temperature was 500 ° C (# 7).
【0064】また、Pt下部電極3の結晶方位が(11
1)の場合にも、このPt下部電極3上に低温(20
℃)でアモルファス状の薄膜を堆積させ、500℃(#
18)または600℃(#19,20)で15秒のラピ
ッドサーマルアニール(RTA)を施すことによって結
晶化し(H.Hu,et al.,Thin Soli
d Films,Vol.223,1993,p.32
7)、バラバラな結晶方位を有するペロブスカイト構造
のPMN−PT薄膜5を形成することができる。しか
し、この様に形成したPMN−PT薄膜5の誘電率は1
000〜2200であり、高温で形成した高い配向性を
有するPMN−PT薄膜の誘電率よりも僅かに小さくな
る。なお、20℃の堆積させたままのPMN−PT薄膜
5は当然ペロブスカイト成分を含んでいない(#1
7)。Further, the crystal orientation of the Pt lower electrode 3 is (11
Also in the case of 1), a low temperature (20
Deposition of an amorphous thin film at 500 ° C (#
18) or 600 ° C. (# 19, 20) and subjected to rapid thermal annealing (RTA) for 15 seconds to crystallize (H. Hu, et al., Thin Soli.
d Films, Vol. 223, 1993, p. 32
7) The PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure having different crystal orientations can be formed. However, the PMN-PT thin film 5 thus formed has a dielectric constant of 1
000 to 2200, which is slightly smaller than the dielectric constant of the PMN-PT thin film having high orientation formed at high temperature. The as-deposited PMN-PT thin film 5 at 20 ° C. naturally does not contain a perovskite component (# 1
7).
【0065】また、PMN−PT薄膜5のキュリー点は
20〜40℃であり、PMN−PT薄膜5の固溶比yが
増加するほど、即ち、PMN成分が増加するほどキュリ
ー点は低くなる傾向がある。The Curie point of the PMN-PT thin film 5 is 20 to 40 ° C., and the Curie point tends to decrease as the solid solution ratio y of the PMN-PT thin film 5 increases, that is, as the PMN component increases. There is.
【0066】また、拡散障壁層4を設けない場合には、
500℃の堆積温度ではペロブスカイト構造が全く得ら
れず(#9)、620℃で堆積させた場合にも10%の
ペロブスカイト成分を有するPMN−PT薄膜5しか得
られなかった(#10)が、MgO、SrTiO3 、或
いは、Ti等の拡散障壁層4を設けることによってPM
N−PT薄膜5中のペロブスカイト成分が増加する(#
13)。When the diffusion barrier layer 4 is not provided,
No perovskite structure was obtained at a deposition temperature of 500 ° C. (# 9), and even when deposited at 620 ° C., only PMN-PT thin film 5 having 10% perovskite component was obtained (# 10). By providing a diffusion barrier layer 4 of MgO, SrTiO 3 , or Ti, PM
The perovskite component in the N-PT thin film 5 increases (#
13).
【0067】即ち、酸化物からなる拡散障壁層4を表面
に設けた(111)面のPt下部電極3上に堆積させた
PMN−PT薄膜5は、XRDパターンから99%がペ
ロブスカイト結晶構造を有していることが分かった(#
13)。しかし、堆積温度が500℃の場合(#11,
12)には拡散障壁層4を設けてもペロブスカイトは得
られなかった。That is, 99% of the PMN-PT thin film 5 deposited on the Pt lower electrode 3 on the (111) plane having the diffusion barrier layer 4 made of oxide on the surface has a perovskite crystal structure from the XRD pattern. I found out that (#
13). However, when the deposition temperature is 500 ° C (# 11,
No perovskite was obtained even if the diffusion barrier layer 4 was provided in 12).
【0068】この内、MgO及びTiの酸化により形成
されるTiO2 の誘電率は夫々10及び15であり、P
MN−PTの誘電率に比べて非常に小さい。したがっ
て、下部電極3上にMgO或いはTiを拡散障壁層4と
して堆積させた場合には、MgO及びTiの酸化により
形成されるTiO2 の誘電率の低さに起因してキャパシ
タ全体の容量が低下することになるが、このMgO或い
はTiO2 の厚さが薄い場合には、MgO及びTiO2
に起因するキャパシタ全体の誘電率の低下は、MgO及
びTiO2 を設けることによるPMN−PT薄膜5の結
晶性の改善に伴う誘電率の向上によって相殺され、全体
としての誘電率はむしろ高くなる。Of these, the dielectric constants of TiO 2 formed by the oxidation of MgO and Ti are 10 and 15, respectively, and P
It is much smaller than the dielectric constant of MN-PT. Therefore, when MgO or Ti is deposited as the diffusion barrier layer 4 on the lower electrode 3, the capacitance of the entire capacitor is lowered due to the low dielectric constant of TiO 2 formed by the oxidation of MgO and Ti. However, when the thickness of MgO or TiO 2 is thin, MgO and TiO 2
Decrease in the dielectric constant of the entire capacitor due to the offset by the improvement of the dielectric constant due to the improvement of the crystallinity of the PMN-PT thin film 5 due to the provision of MgO and TiO 2, the dielectric constant as a whole becomes rather high.
【0069】また、SiO2 膜上に10nmの厚さの
(100)面のBi4 Ti3 O12(BiTO)層(#1
4〜16)からなる介在層2を設けた場合に、MgO、
SrTiO3 、或いは、Ti等の拡散障壁層4を設ける
ことによってペロブスカイト構造のPMN−PT薄膜5
を得ることができ、特に、MgO及びSrTiO3 等の
拡散障壁層4上に堆積させたPMN−PT薄膜5は35
00以上の高い誘電率を有していた(#14,15)。
この値は、現在まで報告されているPMN−PT薄膜の
誘電率として最高値である。On the SiO 2 film, a (100) -plane Bi 4 Ti 3 O 12 (BiTO) layer (# 1) having a thickness of 10 nm is formed.
4 to 16) when the intervening layer 2 is formed, MgO,
The PMN-PT thin film 5 having a perovskite structure is provided by providing the diffusion barrier layer 4 of SrTiO 3 or Ti.
In particular, the PMN-PT thin film 5 deposited on the diffusion barrier layer 4 such as MgO and SrTiO 3 is 35
It had a high dielectric constant of 00 or more (# 14, 15).
This value is the highest value of the dielectric constant of PMN-PT thin films reported to date.
【0070】また、(111)面のPt下部電極3上に
拡散障壁層4としてTiを設けた場合には、バラバラの
結晶方位を有するペロブスカイト構造のPMN−PT薄
膜が得られた、その誘電率は相対的に低くなっている
(#13,16)。When Ti was provided as the diffusion barrier layer 4 on the Pt lower electrode 3 having the (111) plane, a PMN-PT thin film having a perovskite structure having different crystal orientations was obtained. Is relatively low (# 13, 16).
【0071】即ち、以上の結果からは、堆積条件、介在
層2、及び、拡散障壁層4を慎重に選択することによっ
て、高い誘電率を有する高い配向性のペロブスカイト薄
膜5を得ることができることが明らかである。That is, from the above results, by carefully selecting the deposition conditions, the intervening layer 2, and the diffusion barrier layer 4, it is possible to obtain a highly oriented perovskite thin film 5 having a high dielectric constant. it is obvious.
【0072】なお、本発明は、上記の実施例の数値に限
られるものでなく、堆積温度は20〜700℃、低温で
堆積させた場合のラピッドサーマルアニール処理の温度
及び時間は、夫々500〜600℃及び0〜3600
秒、圧力は0.5〜10Pa、及び、O2 /(O2 +A
r)比は0.05〜1.0の範囲が好適である。なお、
ArはHe等の他の希ガスに置き換えても良いものであ
る。It should be noted that the present invention is not limited to the numerical values of the above-mentioned embodiment, and the deposition temperature is 20 to 700 ° C., and the temperature and time of the rapid thermal annealing treatment when deposited at a low temperature are 500 to 500, respectively. 600 ° C and 0-3600
Seconds, the pressure is 0.5 to 10 Pa, and O 2 / (O 2 + A
The ratio r) is preferably in the range of 0.05 to 1.0. In addition,
Ar may be replaced with another rare gas such as He.
【0073】また、各ターゲットに印加するパワーは、
PbOセラミックターゲットが10〜50W、TiO2
セラミックターゲットが0〜100W、及び、Mx N
(Mg 1.1 Nb2 O6 )圧縮粉末ターゲットが50〜2
00Wの範囲である。なお、PbOセラミックターゲッ
トはPb金属ターゲットに置き換えても良いし、また、
TiO2 セラミックターゲットもTi金属ターゲットに
置き換えても良い。The power applied to each target is
PbO ceramic target is 10-50W, TiO2
Ceramic target is 0 ~ 100W and MxN
(Mg 1.1Nb2O6) Compressed powder target is 50-2
It is in the range of 00W. In addition, PbO ceramic target
May be replaced with a Pb metal target, or
TiO2Ceramic target also Ti metal target
You may replace it.
【0074】さらに、介在層2の厚さは0〜100n
m、下部電極3及び上部電極6の厚さは0〜150n
m、及び、拡散障壁層4の厚さは0〜50nmの範囲が
好適である。Further, the thickness of the intervening layer 2 is 0 to 100n.
m, the lower electrode 3 and the upper electrode 6 have a thickness of 0 to 150 n.
m and the thickness of the diffusion barrier layer 4 are preferably in the range of 0 to 50 nm.
【0075】[0075]
【発明の効果】本発明によれば、3つのターゲットを用
いた反応性スパッタリング法によってペロブスカイト構
造のPMN−PT薄膜を簡単に再現性良く製造すること
ができ、且つ、基板としてSiを用いた場合には、高度
の性能を有するSiデバイスに容量が大きな小型キャパ
シタを一体に設けることができ、半導体装置をはじめと
する電子装置の性能向上に寄与するところが大きい。According to the present invention, a PMN-PT thin film having a perovskite structure can be easily and reproducibly manufactured by a reactive sputtering method using three targets, and when Si is used as a substrate. In addition, it is possible to integrally provide a Si device having a high level of performance with a small capacitor having a large capacitance, which largely contributes to the performance improvement of electronic devices such as semiconductor devices.
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a principle configuration of the present invention.
【図2】本発明の実施例の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an example of the present invention.
【図3】本発明の実施例に関する製造条件の説明図であ
る。FIG. 3 is an explanatory diagram of manufacturing conditions relating to an example of the present invention.
【図4】本発明の実施例に関する基板条件の説明図であ
る。FIG. 4 is an explanatory diagram of substrate conditions relating to an example of the present invention.
【図5】本発明の実施例に関する実験結果の説明図であ
る。FIG. 5 is an explanatory diagram of an experimental result regarding an example of the present invention.
1 基板 2 介在層 3 下部電極 4 拡散障壁層 5 PMN−PT薄膜 6 上部電極 7 基板ホルダー 8 PbOターゲット 9 Mx Nターゲット 10 シャッタ 11 中心軸 12 開口部 13 スパッタガス 14 インピーダンス・アナライザ 15 端子1 substrate 2 intermediate layer 3 lower electrode 4 diffusion barrier layer 5 PMN-PT thin film 6 upper electrode 7 substrate holder 8 PbO target 9 M x N target 10 shutter 11 central axis 12 opening 13 sputter gas 14 impedance analyzer 15 pin
Claims (5)
〔PbTiO3 〕1- y との2元固溶体からなるペロブス
カイト構造の強誘電体薄膜(但し、0.65≦y<1)
をMgx Nb2 O6 ターゲット(但し、1≦x<2)、
TiO2 またはTiターゲット、及び、PbOまたはP
bターゲットからなる複数のターゲットを用いた反応性
スパッタリング法によって基板上に堆積させることを特
徴とする誘電体薄膜の製造方法。1. A ferroelectric thin film having a perovskite structure composed of a binary solid solution of [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] y and [PbTiO 3 ] 1- y (provided that 0.65 ≦ y <1)
A Mg x Nb 2 O 6 target (where 1 ≦ x <2),
TiO 2 or Ti target and PbO or P
A method for producing a dielectric thin film, which comprises depositing on a substrate by a reactive sputtering method using a plurality of targets consisting of b targets.
拡散障壁層の内、少なくとも前記下部電極を含む1層を
順次堆積させた後、上記2元固溶体からなるペロブスカ
イト構造の強誘電体薄膜を堆積させ、次いで、上部電極
を堆積させることを特徴とする請求項1記載の誘電体薄
膜の製造方法。2. An intervening layer, a lower electrode, and
Among the diffusion barrier layers, one layer including at least the lower electrode is sequentially deposited, a ferroelectric thin film having a perovskite structure made of the binary solid solution is deposited, and then an upper electrode is deposited. The method for producing a dielectric thin film according to claim 1.
からなり、上記介在層は0乃至100nmの厚さであ
り、上記下部電極は厚さ50乃至150nmの金属また
は酸化物からなり、上記拡散障壁層は0乃至20nmの
厚さであり、且つ、上記上部電極は50乃至150nm
の厚さであることを特徴とする請求項2記載の誘電体薄
膜の製造方法。3. The substrate is an insulating substrate or a semiconductor substrate, the intervening layer has a thickness of 0 to 100 nm, the lower electrode is made of a metal or an oxide having a thickness of 50 to 150 nm, and the diffusion barrier. The layer has a thickness of 0 to 20 nm, and the upper electrode has a thickness of 50 to 150 nm.
3. The method of manufacturing a dielectric thin film according to claim 2, wherein
Bi4 Ti3 O12の内のいずれかであり、また、上記拡
散障壁層がMgO、SrTiO3 、及び、Tiの内のい
ずれかであることを特徴とする請求項3記載の誘電体薄
膜の製造方法。4. The intervening layer comprises MgO, TiO 2 , and
4. The dielectric thin film according to claim 3 , wherein the diffusion barrier layer is any one of Bi 4 Ti 3 O 12 and the diffusion barrier layer is any one of MgO, SrTiO 3 and Ti. Production method.
構造の強誘電体薄膜の固溶比yを、上記各ターゲットに
印加する電力比、堆積温度、スパッタガスの酸素と希ガ
スの比、及び、アニール温度の少なくとも一つを変える
ことにより制御することを特徴とする請求項1乃至4の
いずれか1項に記載の誘電体薄膜の製造方法。5. A solid solution ratio y of a ferroelectric thin film having a perovskite structure composed of the binary solid solution, a power ratio applied to each of the targets, a deposition temperature, a ratio of oxygen to rare gas of a sputtering gas, and annealing. The method for producing a dielectric thin film according to claim 1, wherein the temperature is controlled by changing at least one of the temperatures.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12328695A JPH08316098A (en) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Method for manufacturing dielectric thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12328695A JPH08316098A (en) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Method for manufacturing dielectric thin film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08316098A true JPH08316098A (en) | 1996-11-29 |
Family
ID=14856812
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12328695A Withdrawn JPH08316098A (en) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Method for manufacturing dielectric thin film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08316098A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003243736A (en) * | 2002-02-19 | 2003-08-29 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric actuator, droplet ejection head, and droplet ejection device using the same |
| JP2004045411A (en) * | 2002-07-02 | 2004-02-12 | Agilent Technol Inc | Test method for ferroelectric materials and noble metal electrodes in semiconductor capacitors |
| KR100591931B1 (en) * | 2005-03-07 | 2006-06-20 | 고경현 | Field-variable P-type pyroclaw dielectric thin film and manufacturing method |
| CN102534788A (en) * | 2012-03-05 | 2012-07-04 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Ferroelectric single crystal containing Pb(Ga1/2Nb1/2)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 and PbTiO3, as well as preparation method and application of ferroelectric single crystal |
-
1995
- 1995-05-23 JP JP12328695A patent/JPH08316098A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
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| US6943485B2 (en) | 2002-02-19 | 2005-09-13 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric actuator, liquid jetting head and liquid jetting device using the same |
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