JP3224293B2 - Manufacturing method of dielectric thin film - Google Patents

Manufacturing method of dielectric thin film

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、誘電体薄膜の製造方法
に関し、特にペロブスカイト型複合化合物からなる誘電
体薄膜の製造方法関する。
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 method for producing a dielectric thin film comprising a perovskite-type composite compound.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年注目されている薄膜材料として、一
般式ABO3 で構成されるペロブスカイト型構造を有す
る誘電体材料がある。このうち、AサイトがPb、B
a、Sr又はLaのうち少なくとも1種類、Bサイトが
Ti及びZrのうち少なくとも1種類の元素を含むAB
3 としては、(Pb1-x Lax )(Zry Ti1-y
1- x /43 系、BaTiO3 系に代表される強誘電体材
料がある。これらは優れた強誘電性、圧電性、焦電性、
電気光学特性等を示し、これを利用した種々の機能デバ
イスが検討されている。特に、半導体ICの分野におい
ては、新しいデバイス、不揮発性メモリーへの応用が期
待されている。また、SrTiO3 系は強誘電性こそ示
さないものの、高誘電率材料として超高密度DRAM
(ダイナミックランダムアクセスメモリー)のキャパシ
タ絶縁膜への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art As a thin film material that has been receiving attention in recent years, there is a dielectric material having a perovskite structure constituted by the general formula ABO 3 . A site is Pb and B site
AB containing at least one element of a, Sr or La, and the B site containing at least one element of Ti and Zr
The O 3, (Pb 1-x La x) (Zr y Ti 1-y)
1- x / 4 O 3 system, there is a ferroelectric material represented by BaTiO 3 system. These are excellent ferroelectric, piezoelectric, pyroelectric,
Various functional devices exhibiting electro-optical characteristics and the like are being studied. In particular, in the field of semiconductor ICs, applications to new devices and nonvolatile memories are expected. In addition, although SrTiO 3 system does not show ferroelectricity, ultra-high density DRAM is used as a high dielectric constant material.
(Dynamic random access memory) is expected to be applied to a capacitor insulating film.

【0003】これらの材料の特性の向上あるいは集積化
のためには、その薄膜化が非常に重要であり、特に、S
i等の半導体基板上に作製する技術の開発が重要であ
る。高性能化という観点からみれば、作製される誘電体
薄膜は単結晶薄膜あるいは配向膜であることが望まし
く、ヘテロエピタキシャル技術の開発が重要である。さ
らには、その構造を人工格子的にあるいは原子層レベル
で制御したり、異種材料を積層させたりといった、高機
能の薄膜形成技術も材料設計の面から切望されている。
In order to improve the characteristics of these materials or to integrate them, it is very important to make them thinner.
It is important to develop a technology for manufacturing a semiconductor substrate such as i. From the viewpoint of high performance, the dielectric thin film to be produced is preferably a single crystal thin film or an oriented film, and it is important to develop a heteroepitaxial technique. Further, a high-performance thin film forming technology, such as controlling the structure on an artificial lattice or an atomic layer level or laminating different kinds of materials, is also desired from the aspect of material design.

【0004】ところで、ペロブスカイト型誘電体薄膜の
形成を困難なものとしている原因の一つとして、適切な
条件下において薄膜を形成しなければ個々の金属又はそ
の酸化物、もしくはパイロクロアといった異なった結晶
の薄膜が合成されてしまうことを挙げることができる。
[0004] One of the factors that makes it difficult to form a perovskite-type dielectric thin film is that if a thin film is not formed under appropriate conditions, individual crystals or their oxides or different crystals such as pyrochlore may be formed. It can be mentioned that a thin film is synthesized.

【0005】これらに関する研究は、様々な薄膜堆積法
に基づいて種々行われているが、酸化物誘電体の薄膜化
に関しては、誘電体の成分を含んだ酸化物焼結体のター
ゲットと誘電体薄膜を堆積させるために室温又は加熱し
た基板とを対向させて設置し、その間に高周波を印加す
るスパッタリング法が従来より広く行なわれている。
[0005] Various studies on these have been conducted based on various thin film deposition methods. Regarding thinning of an oxide dielectric, a target of an oxide sintered body containing a component of a dielectric and a dielectric have been studied. 2. Description of the Related Art A sputtering method in which a thin film is deposited on a substrate at room temperature or heated so as to face the substrate and a high frequency is applied between the substrates has been widely used.

【0006】しかし、この誘電体薄膜製造法では、ター
ゲット材料である酸化物焼結体と形成された薄膜との間
に化学組成のずれが生じ易く、しかもスパッタリング条
件に大きく左右される等の問題があり、高性能高品質の
誘電体薄膜の製作は困難であった。
However, in this method of manufacturing a dielectric thin film, there is a problem that a chemical composition is apt to be shifted between an oxide sintered body as a target material and the formed thin film, and is greatly influenced by sputtering conditions. Therefore, it was difficult to produce a high-performance and high-quality dielectric thin film.

【0007】近年、これに変わる新しい方法として、誘
電体薄膜の成分となる酸化物焼結体又は金属のターゲッ
トを複数個配置し、これらのターゲットに独立したイオ
ン源からイオン照射を行ない、基板上に誘電体薄膜を作
製する多元イオンビームスパッタリング法が考え出され
た。この薄膜形成法は、個々の金属成分を独立したイオ
ン源を用いてスパッタするものであるため、形成される
誘電体薄膜の組成を自由に制御することができ、その結
果、化学組成のずれを防ぐことができると共に、必要に
応じて膜組成を変調することも可能である。また、形成
時の雰囲気も高周波(RF)スパッタリング法に比べて
低い真空度で成膜することができ、ピンホールなどの欠
陥の少ない誘電体薄膜を比較的低い基板温度で形成する
ことができると考えられる。
In recent years, as a new alternative, a plurality of oxide sintered compacts or metal targets serving as components of a dielectric thin film are arranged, and these targets are irradiated with ions from an independent ion source to form a target on a substrate. A multi-element ion beam sputtering method for producing a dielectric thin film was devised. In this thin film forming method, since the individual metal components are sputtered using an independent ion source, the composition of the formed dielectric thin film can be freely controlled, and as a result, the deviation of the chemical composition can be reduced. This can be prevented, and the film composition can be modulated as needed. In addition, the atmosphere at the time of formation can be formed with a lower degree of vacuum than the radio frequency (RF) sputtering method, and a dielectric thin film with few defects such as pinholes can be formed at a relatively low substrate temperature. Conceivable.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この多元イオ
ンビームスパッタリング法においても、ペロブスカイト
型誘電体薄膜を安定に作製する条件、特に、形成槽内の
真空度や誘電体薄膜を構成するそれぞれの元素の組成範
囲は不明であった。また、ターゲットに金属を用いてい
るため、それらを効果的に酸化させて誘電体薄膜を形成
することが必要である。また、高品質のデバイスを作製
するためには、基板温度の低温化が必須となってくる。
さらに、焦電センサとして注目されている(PbLa)
TiO3 で表わされるペロブスカイト型誘電体薄膜は、
その性能を有効に引き出すために結晶軸方向を一定に、
特に、c軸に配向させる必要があるが、これをSi基板
上に結晶性良く薄膜化する方法は今までのところ不明で
あった。
However, in this multi-element ion beam sputtering method, the conditions for stably producing a perovskite-type dielectric thin film, particularly, the degree of vacuum in the formation tank and the respective elements constituting the dielectric thin film are also considered. Was unknown. Further, since a metal is used for the target, it is necessary to effectively oxidize them to form a dielectric thin film. Further, in order to manufacture a high quality device, it is necessary to lower the substrate temperature.
Further, it is attracting attention as a pyroelectric sensor (PbLa)
The perovskite dielectric thin film represented by TiO 3 is:
To bring out its performance effectively, keep the crystal axis direction constant,
In particular, it is necessary to orient the crystal in the c-axis direction, but a method of forming a film with good crystallinity on a Si substrate has not been known so far.

【0009】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、多元イオンビームスパッタリング法によ
ってペロブスカイト型誘電体薄膜を安定に形成するため
の条件を提供すると共に、低い基板温度での誘電体薄膜
の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above situation, and provides a condition for forming a perovskite-type dielectric thin film stably by a multiple ion beam sputtering method, and provides a dielectric material at a low substrate temperature. An object of the present invention is to provide a method for producing a body thin film.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る誘電体薄膜の第1の製造方法は、一般
式ABO3 で構成されるペロブスカイト型複合化合物か
らなり、AサイトにPb及びLa、BサイトにTiを含
有する誘電体薄膜の製造方法であって、Aサイト及びB
サイトを構成する元素からなる複数の金属ターゲットを
酸化性ガスを含む減圧下の形成槽内に配置し、各々のタ
ーゲットに不活性ガスイオンを照射することによってそ
れぞれの金属ターゲットを構成する元素を独立に蒸発さ
せ、Siの上部に予めTi、Ptを順次蒸着して構成し
基板上にペロブスカイト型複合化合物薄膜を形成する
ことを特徴とする。
Means for Solving the Problems] To achieve the above object, a first method for manufacturing a dielectric thin film according to the present invention, Ri Do from the general formula ABO 3 formed perovskite type composite compounds, the A site Pb, La and B sites contain Ti
A method of manufacturing a dielectric thin film that Yusuke, A site及 beauty B
A plurality of metal targets consisting of elements constituting the site is located within the forming chamber under reduced pressure, including an oxidizing gas, the elements constituting the respective metal target by irradiating the inert gas ions to each target Independently evaporate, and Ti and Pt are sequentially deposited on top of Si
And forming a perovskite-type composite compound thin film on the substrate.

【0011】本発明の第1の製造方法においては、形成
槽内の酸化性ガスとして酸素ガスを用いる場合、その酸
素ガスの分圧が1×10-6〜1×10-4Torrの範囲
内にあることが好ましい。
In the first manufacturing method of the present invention, when oxygen gas is used as the oxidizing gas in the forming tank, the partial pressure of the oxygen gas is in the range of 1 × 10 -6 to 1 × 10 -4 Torr. Is preferred.

【0012】また、本発明に係る誘電体薄膜の第2の製
造方法は、一般式ABO3 で構成されるペロブスカイト
型複合化合物からなり、AサイトにPb及びLa、Bサ
イトにTiを含有する誘電体薄膜の製造方法であって、
Aサイト及びBサイトを構成する元素からなる複数の金
属ターゲットを減圧下の形成槽内に配置し、各々のター
ゲットに酸化性ガスをイオン化して加速したイオンビー
ムを照射することによってそれぞれの金属ターゲットを
構成する元素を独立して蒸発させ、Siの上部に予めT
i、Ptを順次蒸着して構成した基板上にペロブスカイ
ト型複合化合物薄膜を形成することを特徴とする。
[0012] The second method for producing a dielectric thin film according to the present invention have the general formula Ri Do from configured perovskite complex compound ABO 3, Pb and La at the A site, B Sa
Site to a method for producing a dielectric film you containing Ti,
Respectively, by irradiating the A site及 beauty B site a plurality of metal targets consisting of elements constituting the place in formation vessel under reduced pressure, the ion beam oxidizing gas was accelerated ionized each target The elements constituting the metal target are independently evaporated, and T
A perovskite-type composite compound thin film is formed on a substrate formed by sequentially depositing i and Pt .

【0013】本発明の第2の製造方法においては、酸化
性ガスをイオン化するイオン源として、電子サイクロト
ロン共鳴(ECR)型イオン源を用いることが好まし
い。
In the second production method of the present invention, it is preferable to use an electron cyclotron resonance (ECR) ion source as an ion source for ionizing an oxidizing gas.
No.

【0014】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法においては、誘電体薄膜を形成する際、酸化性ガスを
イオン化し電界によって加速することにより、50〜3
00eVのエネルギーを有するイオンビームを基板表面
に照射することが好ましく、そのイオン源として、電子
サイクロトロン共鳴(ECR)型イオン源を用いること
が好ましい。
In the first or second manufacturing method of the present invention, when the dielectric thin film is formed, the oxidizing gas is ionized and accelerated by an electric field, so that 50 to 3
It is preferable to irradiate Louis Onbimu to have a energy of 00eV to the substrate surface, as its ion source, it is preferable to use an electron cyclotron resonance (ECR) ion source.

【0015】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法においては、誘電体薄膜を形成する際、波長が350
nm以下の紫外光領域にあるエキシマレーザ光を、1パ
ルス当りのエネルギー密度が50〜500mJ/cm2
の範囲で基板表面にパルス照射することが好ましい。
Further, in the first or second manufacturing method of the present invention, when forming the dielectric thin film, the wavelength is set to 350 nm.
An excimer laser beam in an ultraviolet region of not more than nm is irradiated with an energy density per pulse of 50 to 500 mJ / cm 2.
It is preferable to irradiate the substrate surface with a pulse in the range described above.

【0016】[0016]

【0017】[0017]

【作用】前記本発明の第1の製造方法によれば、酸化性
ガスとしてオゾン、酸化窒素などの酸化力の強いガスを
使用することにより、酸素欠損の無い良好な特性を有す
得る誘電体薄膜を形成することができる。また、Si基
板上にc軸方向に強く配向した(PbLa)TiO 3
膜を形成することが可能となる。
According to the first manufacturing method of the present invention, by using a gas having a strong oxidizing power such as ozone or nitrogen oxide as the oxidizing gas, a dielectric material having good properties without oxygen deficiency can be obtained. A thin film can be formed. In addition, Si-based
(PbLa) TiO 3 thin strongly oriented in the c-axis direction on the plate
A film can be formed.

【0018】また、前記本発明の第1の製造方法におい
て、形成槽内の酸化性ガスとして酸素ガスを用いる場
合、その酸素ガスの分圧が1×10-6〜1×10-4To
rrの範囲内にあるという好ましい構成によれば、組成
のずれがなく、かつ、十分に酸化された誘電体薄膜を作
製することができる。
In the first manufacturing method of the present invention, when oxygen gas is used as the oxidizing gas in the forming tank, the partial pressure of the oxygen gas is 1 × 10 -6 to 1 × 10 -4 To.
According to the preferred configuration of being within the range of rr, it is possible to produce a sufficiently oxidized dielectric thin film without a composition shift.

【0019】前記本発明の第2の製造方法によれば、1
×10-5Torr以下の低い真空度で酸素欠損のない良
質の誘電体薄膜を作製することができる。また、Si基
板上にc軸方向に強く配向した(PbLa)TiO 3
膜を形成することが可能となる。また、前記本発明の第
2の製造方法において、酸化性ガスをイオン化するイオ
ン源として、電子サイクロトロン共鳴(ECR)型イオ
ン源を用いるという好ましい構成によれば、フィラメン
トを使用するタイプのものに比べて耐久性を向上させる
ことができる。
According to the second manufacturing method of the present invention, 1
A high-quality dielectric thin film having no oxygen deficiency at a low degree of vacuum of × 10 −5 Torr or less can be manufactured. In addition, Si-based
(PbLa) TiO 3 thin strongly oriented in the c-axis direction on the plate
A film can be formed. Further, in the second manufacturing method of the present invention, according to the preferred configuration in which an electron cyclotron resonance (ECR) type ion source is used as an ion source for ionizing an oxidizing gas, compared to a type using a filament. And the durability can be improved.

【0020】[0020]

【0021】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法において、誘電体薄膜を形成する際、酸化性ガスをイ
オン化し電界によって加速することにより、50〜30
0eVのエネルギーを有するイオンビームを基板表面に
照射するという好ましい構成によれば、PbTiO3
自発分極軸方向でもある(001)配向性が増し、セン
サや不揮発性メモリへの応用を考えた場合、有効であ
る。
In the first or second manufacturing method of the present invention, when the dielectric thin film is formed, the oxidizing gas is ionized and accelerated by an electric field, so that the oxidizing gas is accelerated by an electric field.
According Louis Onbimu to have a energy 0eV preferred configuration of irradiating the substrate surface is also the spontaneous polarization axis of the PbTiO 3 (001) orientation increases, considering the application of the sensor or a non-volatile memory If it is valid.

【0022】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法においては、誘電体薄膜を形成する際、波長が350
nm以下の紫外光領域にあるエキシマレーザ光を、1パ
ルス当りのエネルギー密度が50〜500mJ/cm2
の範囲で基板表面にパルス照射するという好ましい構成
によれば、室温付近の低い基板温度で良質の誘電体薄膜
の形成が可能となり、誘電体薄膜を半導体基板上でデバ
イスとして使用する場合の製造方法として有効である。
Further, in the first or second manufacturing method of the present invention, when forming the dielectric thin film, the wavelength is set at 350 nm.
An excimer laser beam in an ultraviolet region of not more than nm is irradiated with an energy density per pulse of 50 to 500 mJ / cm 2.
According to the preferred configuration of irradiating the substrate surface with a pulse in the range described above, a high-quality dielectric thin film can be formed at a low substrate temperature near room temperature, and the manufacturing method when the dielectric thin film is used as a device on a semiconductor substrate Is effective as

【0023】[0023]

【0024】[0024]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。図1に、本実施例で用いた薄膜形成装置の
概略図を示す。本形成装置は、その主たる堆積機構とし
て、イオン源1、2、3及び4による最大4元のターゲ
ットによるイオンビームスパッタリング機構を備えてお
り、ターゲット5、6、7及び8としては金属が用いら
れる。そして、イオンビーム電流の制御及びシャッタリ
ングによって、誘電体薄膜9の組成及び構造を制御でき
るようにされている。ペロブスカイト構造の結晶性薄膜
を成長させる基板10としては、酸化マグネシウム、サ
ファイア(α−Al2 3 )チタン酸ストロンチウム等
の単結晶の基板が有効である。また、本形成装置には、
アシストイオン源11及びエキシマレーザ12によるイ
オンアシスト及び光アシストの機構がそれぞれ併設され
ている。尚、アシストイオン源11としては、電子サイ
クロトロン共鳴(ECR)型イオン源が用いられてい
る。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. FIG. 1 shows a schematic diagram of a thin film forming apparatus used in this embodiment. The present forming apparatus is provided with an ion beam sputtering mechanism using a maximum of four targets by the ion sources 1, 2, 3 and 4 as its main deposition mechanism, and metal is used as the targets 5, 6, 7 and 8. . The composition and structure of the dielectric thin film 9 can be controlled by controlling the ion beam current and shuttering. As a substrate 10 on which a crystalline thin film having a perovskite structure is grown, a single crystal substrate such as magnesium oxide or sapphire (α-Al 2 O 3 ) strontium titanate is effective. In addition, the present forming apparatus includes:
A mechanism of ion assist and light assist by the assist ion source 11 and the excimer laser 12 is provided together. As the assist ion source 11, an electron cyclotron resonance (ECR) ion source is used.

【0025】以下、酸化物強誘電体を例に挙げて本実施
例をさらに詳細に説明する。図1の薄膜形成装置を用い
て、強誘電体(Pb1-x Lax )(Zry Ti1-y
1-x /43 (0≦x<1、0≦y<1)を作製する場合
について述べる。
Hereinafter, this embodiment will be described in more detail by taking an oxide ferroelectric as an example. Using a thin film forming apparatus of FIG. 1, the ferroelectric (Pb 1-x La x) (Zr y Ti 1-y)
A case of manufacturing 1-x / 4O 3 (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1) will be described.

【0026】基板10としてMgO(100)単結晶基
板を用い、ターゲット5、6、7及び8としてそれぞれ
Pb、La、Zr及びTiの金属ターゲットを用いた。
そして、イオン源1、2、3及び4からアルゴンイオン
ビームを照射し、各ターゲットを構成する元素を独立に
蒸発させて基板10上にスパッタリング蒸着を行った。
尚、形成槽内には酸化性ガスを減圧下(トータルガス圧
で1×10-5〜1×10-4Torr)で流しておく。酸
化性ガスとしてオゾン、酸化窒素などの酸化力の強いガ
スを用いることにより、酸素欠損の無い良好な特性を有
する強誘電体薄膜を得ることができた。また、酸化性ガ
スとして酸素ガスを用い、その分圧を1×10-6〜1×
10-4Torrの範囲内に設定した結果、組成のずれが
なく、かつ、十分に酸化された強誘電体薄膜を得ること
ができた。図2に、このようにして形成したPbTiO
3 誘電体薄膜のX線回折強度を示す。図2に示すよう
に、PbTiO3 誘電体薄膜の結晶構造はペロブスカイ
ト構造を有していることが確認された。
An MgO (100) single crystal substrate was used as the substrate 10, and Pb, La, Zr and Ti metal targets were used as the targets 5, 6, 7 and 8, respectively.
Then, an argon ion beam was irradiated from the ion sources 1, 2, 3, and 4, and elements constituting each target were independently evaporated to perform sputtering deposition on the substrate 10.
Note that an oxidizing gas is allowed to flow in the forming tank under reduced pressure (1 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Torr in total gas pressure). By using a gas having a strong oxidizing power such as ozone or nitrogen oxide as the oxidizing gas, a ferroelectric thin film having good characteristics without oxygen deficiency could be obtained. Further, an oxygen gas is used as the oxidizing gas, and its partial pressure is 1 × 10 −6 to 1 ×.
As a result of setting within the range of 10 -4 Torr, it was possible to obtain a ferroelectric thin film which had no composition shift and was sufficiently oxidized. FIG. 2 shows the PbTiO thus formed.
3 shows the X-ray diffraction intensity of the dielectric thin film. As shown in FIG. 2, it was confirmed that the crystal structure of the PbTiO 3 dielectric thin film had a perovskite structure.

【0027】金属ターゲットをスパッタするガスとし
て、不活性ガスに代えて酸素ガスを用い、これをイオン
化して加速した酸素イオンビームを照射することによ
り、PbTiO3 誘電体薄膜を形成した。この場合、蒸
着率は低下するが、アルゴンを用いた場合よりも低い真
空度(1×10-5Torr以下)で酸素欠損の無い良質
の強誘電体薄膜を得ることができた。しかし、真空度を
下げすぎると、ターゲットをスパッタするのに必要なビ
ーム電流が低下するため、薄膜の堆積速度は低下してし
まう。尚、このとき得られたPbTiO3 誘電体薄膜の
X線回折パターンは図2と同様のパターンを示した。
A PbTiO 3 dielectric thin film was formed by using an oxygen gas instead of an inert gas as a gas for sputtering a metal target and irradiating the gas with an accelerated oxygen ion beam. In this case, a high-quality ferroelectric thin film free from oxygen deficiency was obtained at a lower degree of vacuum (1 × 10 −5 Torr or less) than when argon was used, although the deposition rate was reduced. However, if the degree of vacuum is reduced too much, the beam current required to sputter the target decreases, and the deposition rate of the thin film decreases. Incidentally, the X-ray diffraction pattern of the PbTiO 3 dielectric thin film obtained at this time showed the same pattern as that of FIG.

【0028】酸素イオンビームのイオン源として、従来
一般に用いられているフィラメントを使用するタイプの
ものを用いると、フィラメントの酸化によって耐久性が
低下してしまうが、これに代えてECR型イオン源を用
いると長時間の使用に対しても何ら問題はなかった。
If an ion source of a conventionally used filament is used as the ion source of the oxygen ion beam, the durability of the filament is reduced due to the oxidation of the filament. Instead, an ECR ion source is used. When used, there was no problem for long-time use.

【0029】(Pb1-x Lax )(Zry Ti1-y
1-x /43 (0≦x<1、0≦y<1)で代表される強
誘電体のうち、その基本となる元素はPbとTiであ
り、この2つの元素によって構成されるPbTiO3
多元ターゲットを使用する誘電体薄膜形成の基礎となる
べきものである。薄膜中のPbとTiの組成比τ=Pb
/Tiは1であることが望ましいが、組成がずれていて
も所定の組成範囲内にあれば、実際の使用に耐え得る誘
電体薄膜を作製できる。
[0029] (Pb 1-x La x) (Zr y Ti 1-y)
Among ferroelectrics represented by 1-x / 4O 3 (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1), their basic elements are Pb and Ti, and are constituted by these two elements. PbTiO 3 is the basis for forming dielectric thin films using multiple targets. Composition ratio τ = Pb of Pb and Ti in thin film
Although / Ti is desirably 1, a dielectric thin film that can withstand actual use can be manufactured as long as it is within a predetermined composition range even if the composition is shifted.

【0030】本発明者等は、異なる組成を有するPbT
iO3 誘電体薄膜を作り、その組成をEPMA(電子プ
ローブ微小分析法)で分析すると共にX線回折によりそ
の結晶性を調べた。図3に、成膜時の基板温度と誘電体
薄膜の組成に対する誘電体薄膜の結晶性を示す。図3に
示すように、成膜時の基板温度にもよるが、PbとTi
の組成比τ=Pb/Tiが0.5≦τ≦1.2の範囲内
にあれば、所望のペロブスカイト型PbTiO3 薄膜を
形成できることが確認された。このため、組成制御の点
からみた場合、工程が極めて簡便となる。図4に、上記
組成範囲内で形成した誘電体薄膜の分極反転特性を示
す。図4に示すように、この誘電体薄膜は強誘電性を有
していることが確認された。
The present inventors have proposed PbT having different compositions.
An iO 3 dielectric thin film was prepared, its composition was analyzed by EPMA (Electron Probe Micro Analysis), and its crystallinity was examined by X-ray diffraction. FIG. 3 shows the crystallinity of the dielectric thin film with respect to the substrate temperature and the composition of the dielectric thin film during film formation. As shown in FIG. 3, depending on the substrate temperature during film formation, Pb and Ti
It has been confirmed that a desired perovskite-type PbTiO 3 thin film can be formed if the composition ratio τ = Pb / Ti in the range of 0.5 ≦ τ ≦ 1.2. Therefore, from the viewpoint of composition control, the process becomes extremely simple. FIG. 4 shows the polarization inversion characteristics of the dielectric thin film formed within the above composition range. As shown in FIG. 4, it was confirmed that this dielectric thin film had ferroelectricity.

【0031】ペロブスカイト構造の(Pb1-x Lax
(Zry Ti1-y 1-x /43 誘電体薄膜を得るために
必要な基板温度や雰囲気などの条件は組成によって異な
るが、イオン及び光のアシスト効果は定性的には同じで
あるため、以下PbTiO3誘電体薄膜の場合について
述べる。
(Pb 1-x La x ) having a perovskite structure
(Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 conditions such as substrate temperature and atmosphere necessary for obtaining a dielectric thin film varies depending on the composition, assist effect of ions and light is qualitatively the same Therefore, the case of a PbTiO 3 dielectric thin film will be described below.

【0032】基板への酸素イオンビ−ムの照射効果を調
べるために、導入口13からは酸素ガスの供給を行わ
ず、形成槽内が同一の酸素分圧(1×10-6〜1×10
-4Torr)となるようにアシストイオン源11の導入
口から酸素ガスを供給し、この酸素ガスをイオン化し電
界によって加速することにより酸素イオンビームを発生
させ、基板10に照射した。尚、この場合のイオン源と
しても、上述した理由により、ECR型イオン源を用い
た。
In order to investigate the effect of irradiating the substrate with oxygen ion beams, oxygen gas was not supplied from the inlet 13 and the inside of the forming tank was kept at the same oxygen partial pressure (1 × 10 -6 to 1 × 10 6).
Oxygen gas was supplied from the introduction port of the assist ion source 11 so that the pressure became -4 Torr), the oxygen gas was ionized and accelerated by an electric field to generate an oxygen ion beam, and the substrate 10 was irradiated. In this case, an ECR type ion source was used as the ion source for the above-mentioned reason.

【0033】本発明者等は、ペロブスカイト構造の誘電
体薄膜を得るためには、酸素イオンビームとして、50
〜300eVの低いエネルギーを有するイオンを用いる
ことが有効であることを見い出した。図5に、50e
V、150eV、300eVのエネルギーを有する酸素
イオンビームを照射しながら形成した誘電体薄膜のX線
回折強度を示す。図5に示すように、酸素イオンビーム
のエネルギーの増加に伴って(001)配向性が増すこ
とが確認された。(001)方向はPbTiO3の自発
分極軸方向でもあるため、センサや不揮発性メモリへの
応用を考えた場合、極めて有用である。また、基板への
酸素イオン照射を行わない場合は550℃以上の基板温
度が必要であったが、酸素イオンを照射することによっ
て300〜500℃以下の基板温度でも誘電体薄膜を形
成できることが確認された。尚、酸素イオンの加速エネ
ルギーが300eVを超えると、形成された誘電体薄膜
が逆にスパッタされてしまい、良質の誘電体薄膜を得る
ことはできなかった。また、酸素イオンの加速エネルギ
ーが50eVに満たない場合には、酸素イオンビームの
有するエネルギーが低すぎて、(001)配向性の増加
や基板温度の低下といった酸素イオン照射による効果は
見られなかった。
To obtain a dielectric thin film having a perovskite structure, the inventors of the present invention used an oxygen ion beam of 50 μm.
It has been found that it is effective to use ions having a low energy of 300300 eV. FIG.
7 shows the X-ray diffraction intensity of a dielectric thin film formed while irradiating an oxygen ion beam having energies of V, 150 eV, and 300 eV. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the (001) orientation increased as the energy of the oxygen ion beam increased. Since the (001) direction is also the direction of the spontaneous polarization axis of PbTiO 3 , it is extremely useful when applied to sensors and nonvolatile memories. When the substrate was not irradiated with oxygen ions, a substrate temperature of 550 ° C. or higher was required. However, it was confirmed that a dielectric thin film can be formed even at a substrate temperature of 300 to 500 ° C. by irradiating oxygen ions. Was done. When the acceleration energy of oxygen ions exceeds 300 eV, the formed dielectric thin film is sputtered in reverse, and a high quality dielectric thin film cannot be obtained. When the acceleration energy of the oxygen ions is less than 50 eV, the energy of the oxygen ion beam is too low, and the effects of the oxygen ion irradiation such as an increase in the (001) orientation and a decrease in the substrate temperature were not observed. .

【0034】次に、基板を加熱せずに、多元イオンビー
ムスパッタリング法で誘電体薄膜を形成しながら、エキ
シマレーザによるパルス紫外線を基板に照射した。そし
て、エキシマレーザ光の繰り返し周波数及びエネルギー
密度を変化させながら誘電体薄膜を形成し、それらの結
晶性を調べた。その結果、エキシマレーザ光の1パルス
当りの密度が50〜500mJ/cm2 の範囲内にあれ
ば、図6に示すような誘電体相を形成できることが確認
された。尚、50mJ/cm2 以下ではエネルギーが低
いために誘電体相の形成反応が起らず、アモルファス状
の薄膜となった。また、500mJ/cm2 以上の高エ
ネルギー領域では基板に到達したスパッタ粒子がエキシ
マレーザの照射によって蒸発し、基板上に薄膜の堆積は
起らなかった。レーザパルスの繰り返し周波数に関して
は、1〜100Hzの範囲で変化させたが、各々の周波
数に対応する上記範囲内のエネルギー密度を有する紫外
線レーザ光の照射によって誘電体薄膜を形成することが
できた。紫外線の照射効果についての詳細なメカニズム
は今までのところ不明であるが、他の成膜方法と比較し
て良質の薄膜形成が可能な多元イオンビームスパッタリ
ング法に紫外線レーザによる光アシストを行なうことに
より、室温付近の低い基板温度で良質の誘電体薄膜を形
成することが可能となった。このことは、誘電体薄膜を
半導体基板上でデバイスとして使用する場合の製造方法
として極めて有用である。
Next, without heating the substrate, the substrate was irradiated with pulsed ultraviolet light by an excimer laser while forming a dielectric thin film by a multiple ion beam sputtering method. Then, a dielectric thin film was formed while changing the repetition frequency and energy density of the excimer laser light, and their crystallinity was examined. As a result, it was confirmed that a dielectric phase as shown in FIG. 6 can be formed if the density per pulse of the excimer laser light is in the range of 50 to 500 mJ / cm 2 . When the energy is less than 50 mJ / cm 2 , the formation reaction of the dielectric phase does not occur due to the low energy, and an amorphous thin film is formed. In the high energy region of 500 mJ / cm 2 or more, the sputtered particles that reached the substrate were evaporated by excimer laser irradiation, and no thin film was deposited on the substrate. Although the repetition frequency of the laser pulse was changed in the range of 1 to 100 Hz, the dielectric thin film could be formed by irradiating an ultraviolet laser beam having an energy density within the above range corresponding to each frequency. The detailed mechanism of the UV irradiation effect is not known so far, but by using a multi-element ion beam sputtering method capable of forming a thin film of good quality as compared with other film forming methods, the light assist by the UV laser is performed. Thus, a high quality dielectric thin film can be formed at a low substrate temperature near room temperature. This is extremely useful as a manufacturing method when a dielectric thin film is used as a device on a semiconductor substrate.

【0035】次に、シリコン表面に電極として予めT
i、Ptを順次蒸着した基板を用い、多元イオンビーム
スパッタリング法により(PbLa)TiO3 薄膜を形
成した。図7に、この(PbLa)TiO3 薄膜のX線
回折強度を示す。図7に示すように、c軸方向に強く配
向した誘電体薄膜が得られた。表面観察の結果、形成さ
れた薄膜は単結晶ではなく多結晶となっていたが、分極
軸方向に配向していることから、図4とほぼ同様の電気
特性を有していることが判る。エピタキシャル関係を持
たない基板上で結晶軸を揃えて配向させることは極め困
難であり、本製造方法で結晶配向性が揃う原因について
は不明な点が多いが、イオンビームによってスパッタさ
れた粒子の持つ比較的高いエネルギー(数eV)が薄膜
形成における反応に何らかの影響を及ぼしたものと考え
られる。
Next, as an electrode on the silicon surface,
Using a substrate on which i and Pt were sequentially deposited, a (PbLa) TiO 3 thin film was formed by a multiple ion beam sputtering method. FIG. 7 shows the X-ray diffraction intensity of the (PbLa) TiO 3 thin film. As shown in FIG. 7, a dielectric thin film oriented strongly in the c-axis direction was obtained. As a result of surface observation, the formed thin film was not a single crystal but a polycrystal. However, since the thin film was oriented in the polarization axis direction, it was found that the thin film had almost the same electrical characteristics as those in FIG. It is extremely difficult to align the crystal axes on a substrate that does not have an epitaxial relationship, and there are many unknowns about the cause of the alignment of the crystal orientation in this manufacturing method. It is considered that the relatively high energy (several eV) had some effect on the reaction in forming the thin film.

【0036】以上説明したように、前記本発明の第1の
製造方法によれば、酸化性ガスとしてオゾン、酸化窒素
などの酸化力の強いガスを使用することにより、酸素欠
損の無い良好な特性を有す得る誘電体薄膜を形成するこ
とができる。また、Si基板上にc軸方向に強く配向し
た(PbLa)TiO 3 薄膜を形成することが可能とな
る。
As described above, according to the first manufacturing method of the present invention, by using a gas having a strong oxidizing power such as ozone or nitrogen oxide as the oxidizing gas, good characteristics without oxygen deficiency can be obtained. Can be formed. Also, it is strongly oriented in the c-axis direction on the Si substrate.
(PbLa) TiO 3 thin film can be formed.
You.

【0037】また、前記本発明の第1の製造方法におい
て、形成槽内の酸化性ガスとして酸素ガスを用いる場
合、その酸素ガスの分圧が1×10-6〜1×10-4To
rrの範囲内にあるという好ましい構成によれば、組成
のずれがなく、かつ、十分に酸化された誘電体薄膜を作
製することができる。
In the first manufacturing method of the present invention, when oxygen gas is used as the oxidizing gas in the forming tank, the partial pressure of the oxygen gas is 1 × 10 −6 to 1 × 10 −4 To.
According to the preferred configuration of being within the range of rr, it is possible to produce a sufficiently oxidized dielectric thin film without a composition shift.

【0038】前記本発明の第2の製造方法によれば、1
×10-5Torr以下の低い真空度で酸素欠損のない良
質の誘電体薄膜を作製することができる。また、Si基
板上にc軸方向に強く配向した(PbLa)TiO 3
膜を形成することが可能となる。また、前記本発明の第
2の製造方法において、酸化性ガスをイオン化するイオ
ン源として、電子サイクロトロン共鳴(ECR)型イオ
ン源を用いるという好ましい構成によれば、フィラメン
トを使用するタイプのものに比べて耐久性を向上させる
ことができる。
According to the second manufacturing method of the present invention, 1
A high-quality dielectric thin film having no oxygen deficiency at a low degree of vacuum of × 10 −5 Torr or less can be manufactured. In addition, Si-based
(PbLa) TiO 3 thin strongly oriented in the c-axis direction on the plate
A film can be formed. Further, in the second manufacturing method of the present invention, according to the preferred configuration in which an electron cyclotron resonance (ECR) type ion source is used as an ion source for ionizing an oxidizing gas, compared to a type using a filament. And the durability can be improved.

【0039】[0039]

【0040】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法において、誘電体薄膜を形成する際、酸化性ガスをイ
オン化し電界によって加速することにより、50〜30
0eVのエネルギーを有する酸素イオンビームを基板表
面に照射するという好ましい構成によれば、PbTiO
3 の自発分極軸方向でもある(001)配向性が増し、
センサや不揮発性メモリへの応用を考えた場合、有効で
ある。
In the first or second manufacturing method of the present invention, when the dielectric thin film is formed, the oxidizing gas is ionized and accelerated by an electric field, so that 50 to 30 is obtained.
According to a preferred configuration of irradiating the substrate surface with an oxygen ion beam having an energy of 0 eV, PbTiO
(001) orientation, which is also the spontaneous polarization axis direction of 3 , is increased,
This is effective when applied to sensors and nonvolatile memories.

【0041】また、前記本発明の第1又は第2の製造方
法において、誘電体薄膜を形成する際、紫外光領域にあ
るエキシマレーザ光を、1パルス当りのエネルギー密度
が50〜500mJ/cm2 の範囲で基板表面にパルス
照射するという好ましい構成によれば、室温付近の低い
基板温度で良質の誘電体薄膜の形成が可能となり、誘電
体薄膜を半導体基板上でデバイスとして使用する場合の
製造方法として有効である。
In the first or second manufacturing method of the present invention, when forming a dielectric thin film, an excimer laser beam in the ultraviolet region has an energy density per pulse of 50 to 500 mJ / cm 2. According to the preferred configuration of irradiating the substrate surface with a pulse in the range described above, a high-quality dielectric thin film can be formed at a low substrate temperature near room temperature, and the manufacturing method when the dielectric thin film is used as a device on a semiconductor substrate Is effective as

【0042】[0042]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法に用
いた薄膜形成装置の概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of a thin film forming apparatus used in a method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成されたPbTiO3 誘電体薄膜のX線回折強度を
示す図である。
FIG. 2 is a view showing an X-ray diffraction intensity of a PbTiO 3 dielectric thin film formed by a method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成されたPbTiO3 誘電体薄膜の基板温度と組成
に対する結晶性を示す図である。
FIG. 3 is a graph showing crystallinity with respect to substrate temperature and composition of a PbTiO 3 dielectric thin film formed by a method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成されたPbTiO3 誘電体薄膜の分極反転特性を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing polarization reversal characteristics of a PbTiO 3 dielectric thin film formed by a method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成されたPbTiO3 誘電体薄膜のX線回折強度の
酸素イオンエネルギー依存性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the oxygen ion energy dependence of the X-ray diffraction intensity of a PbTiO 3 dielectric thin film formed by the method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成されたPbTiO3 誘電体薄膜で、基板にエキシ
マレーザを50〜500mJ/cm2 のエネルギー範囲
内で照射したときのX線回折強度を示す図である。
FIG. 6 shows a PbTiO 3 dielectric thin film formed by the method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention, which is obtained by irradiating a substrate with an excimer laser within an energy range of 50 to 500 mJ / cm 2. It is a figure which shows a diffraction intensity.

【図7】本発明の一実施例の誘電体薄膜の製造方法によ
り形成された(PbLa)TiO3 誘電体薄膜のX線回
折強度を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the X-ray diffraction intensity of a (PbLa) TiO 3 dielectric thin film formed by the method of manufacturing a dielectric thin film according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2、3、4 イオン源 5、6、7、8 ターゲット 9 誘電体薄膜 10 基板 11 アシストイオン源 12 エキシマレーザ 13 導入口 1, 2, 3, 4 Ion source 5, 6, 7, 8 Target 9 Dielectric thin film 10 Substrate 11 Assist ion source 12 Excimer laser 13 Inlet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−6397(JP,A) 特開 昭61−47005(JP,A) 特開 平3−173770(JP,A) 特開 平3−103308(JP,A) 特開 平4−65397(JP,A) 特開 平6−65715(JP,A) 特開 平5−263240(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C23C 14/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-64-6397 (JP, A) JP-A-61-47005 (JP, A) JP-A-3-173770 (JP, A) JP-A-3-3770 103308 (JP, A) JP-A-4-65397 (JP, A) JP-A-6-65715 (JP, A) JP-A-5-263240 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. 7 , DB name) H01L 21/205 C23C 14/08

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一般式ABO3 で構成されるペロブスカ
イト型複合化合物からなり、AサイトにPb及びLa、
BサイトにTiを含有する誘電体薄膜の製造方法であっ
て、Aサイト及びBサイトを構成する元素からなる複数
の金属ターゲットを酸化性ガスを含む減圧下の形成槽内
に配置し、各々のターゲットに不活性ガスイオンを照射
することによってそれぞれの金属ターゲットを構成する
元素を独立に蒸発させ、Siの上部に予めTi、Ptを
順次蒸着して構成した基板上にペロブスカイト型複合化
合物薄膜を形成することを特徴とする誘電体薄膜の製造
方法。
1. A general formula ABO 3 Ri Do from configured perovskite type composite compounds, Pb and La at the A site,
A method of manufacturing a dielectric thin film you containing Ti at the B site, arranging a plurality of metal targets consisting of elements constituting the A site及 beauty B site at a reduced pressure of formation bath containing an oxidizing gas By irradiating each target with inert gas ions, the elements constituting each metal target are independently evaporated, and Ti and Pt are previously deposited on top of Si.
A method for producing a dielectric thin film, comprising forming a perovskite-type composite compound thin film on a substrate formed by sequentially depositing .
【請求項2】 形成槽内の酸化性ガスが酸素ガスであ
り、かつ、その酸素ガスの分圧が1×10-6〜1×10
-4Torrの範囲内である請求項1に記載の誘電体薄膜
の製造方法。
2. The oxidizing gas in the forming tank is oxygen gas, and the partial pressure of the oxygen gas is 1 × 10 -6 to 1 × 10
2. The method for producing a dielectric thin film according to claim 1, wherein the thickness is in the range of -4 Torr.
【請求項3】 一般式ABO3 で構成されるペロブスカ
イト型複合化合物からなり、AサイトにPb及びLa、
BサイトにTiを含有する誘電体薄膜の製造方法であっ
て、Aサイト及びBサイトを構成する元素からなる複数
の金属ターゲットを減圧下の形成槽内に配置し、各々の
ターゲットに酸化性ガスをイオン化して加速したイオン
ビームを照射することによってそれぞれの金属ターゲッ
トを構成する元素を独立して蒸発させ、Siの上部に予
めTi、Ptを順次蒸着して構成した基板上にペロブス
カイト型複合化合物薄膜を形成することを特徴とする誘
電体薄膜の製造方法。
Wherein Ri Do from the general formula ABO 3 formed perovskite type composite compounds, Pb and La at the A site,
A method of manufacturing a dielectric thin film you containing Ti at the B site, a plurality of metal targets consisting of elements constituting the A site及 beauty B site was placed in formation vessel under reduced pressure, each target By irradiating the oxidizing gas with an ion beam accelerated by ionizing the oxidizing gas, the elements constituting each metal target are independently vaporized, and are pre-
A method of manufacturing a dielectric thin film, comprising forming a perovskite-type composite compound thin film on a substrate formed by sequentially depositing Ti and Pt .
【請求項4】 酸化性ガスをイオン化するイオン源とし
て、電子サイクロトロン共鳴(ECR)型イオン源を用
いる請求項3に記載の誘電体薄膜の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein an electron cyclotron resonance (ECR) ion source is used as the ion source for ionizing the oxidizing gas.
【請求項5】 誘電体薄膜を形成する際、酸化性ガスを
イオン化し電界によって加速することにより、50〜3
00eVのエネルギーを有するイオンビームを基板表面
に照射する請求項1又は3に記載の誘電体薄膜の製造方
法。
5. An oxidizing gas for forming a dielectric thin film.
By ionizing and accelerating by an electric field, 50 to 3
Ion beam having energy of 00 eV is applied to the substrate surface.
4. The method for producing a dielectric thin film according to claim 1 , wherein the irradiation is performed .
【請求項6】 基板照射に用いるイオン源として、電子
サイクロトロン共鳴(ECR)型イオン源を用いる請求
項5に記載の誘電体薄膜の製造方法。
6. An ion source used for irradiating a substrate with an electron source.
Claims using a cyclotron resonance (ECR) ion source
Item 6. The method for producing a dielectric thin film according to Item 5 .
【請求項7】 誘電体薄膜を形成する際、波長が350
nm以下の紫外光領域にあるエキシマレーザ光を、1パ
ルス当りのエネルギー密度が50〜500mJ /cm 2
の範囲で基板表面にパルス照射する請求項1又は3に記
載の誘電体薄膜の製造方法。
7. When forming a dielectric thin film, a wavelength of 350
excimer laser light in the ultraviolet region of
Energy density per lux is 50 to 500 mJ / cm 2
The method for producing a dielectric thin film according to claim 1 or 3, wherein the substrate surface is irradiated with a pulse in the range of (1) .
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