高周波バイアススパッタリング法による強誘電体薄膜の低温成長

高频偏压溅射法低温生长铁电薄膜

基本信息

批准号：
08875129
负责人：
光田好孝
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体メモリーの高集積化に伴い、現在使用されている酸窒化膜にかわるキャパシタ材料の模索が行われている。代表的な次世代キャパシタ材料には、チタン酸バリウムを始めとする強誘電体薄膜がある。現在、実用化に向けた研究が精力的に行われているが、薄膜堆積後に500℃以上の高温でアニールして結晶化をする必要があり、さまざまな弊害が予測されている。そこで、本研究では、チタン酸バリウムを例に取り、基板へのイオン衝撃を利用した低温環境下での結晶化を試みた。外磁場型高周波スパッタリング装置を用いてアルゴン雰囲気(0.2Pa)中でシリコン基板上にチタン酸バリウム薄膜を堆積した。このとき、基板温度っを250℃以下に保ち、高周波負バイアス(平均電圧0〜300V)を印加した。結晶性の評価にはX線回折を、比誘電率の測定にはLCRメーターを用いた。基板温度250℃ターゲット入力2.1W/cm^2で堆積した場合、0〜200Vまでの基板負バイアスでは薄膜は非晶質であったが、200V以上の負バイアスで結晶化し負バイアスの増加に伴い結晶性も向上した。4.3W/cm^2で堆積すると、結晶化が開始する負バイアス値が下がり200Vから結晶化が始まった。これは、基板へのイオンフラックスが向上したことによるものと考えられる。200℃の基板温度でも同様の傾向であったが結晶化にはやや高い負バイアスを必要とした。得られた薄膜の比誘電率を測定したところ、0Vで堆積した光晶質膜では約18程度、また-200Vで堆積した結晶膜では約300となった。この値は、600℃アニール処理したものよりも優れた値である。以上より、基板負バイアスを印加することにより、チタン酸バリウム結晶膜を低基板温度で作製することに成功した。得られた比誘電率は1Mb級のdRAMに応用可能な値であり、次世代キャパシタ材料作製に関する本プロセスの有効性が実証できた。

随着半导体记忆的整合增加，正在寻求一种电容器材料来代替目前正在使用的氧硝酸盐膜。典型的下一代电容器材料包括铁电薄膜，包括钛酸钡。目前，正在大力进行研究以进行实际使用，但是在沉积薄膜后，有必要在500°C或更高的高温下退火和结晶，并预测各种缺点。因此，在这项研究中，我们以钛酸钡为例，并试图使用离子轰击在低温环境中结晶底物。使用外部磁场类型的射频溅射装置，将钛酸稀释薄膜沉积在氩气气氛（0.2 pa）的硅基板上。目前，底物温度保持在250°C以下，并应用高频负偏置（平均电压为0至300 V）。 X射线衍射用于评估结晶度，并使用LCR计来测量相对介电常数。当在250°C的底物温度下沉积时，在目标输入为2.1 W/cm^2的目标输入时，薄膜在0至200 V的负偏置下是无定形的，但在200 V或更高的负偏置下结晶，结晶度随着负偏置的增加而改善了结晶度。当沉积在4.3 w/cm^2时，结晶开始的负偏置值下降，结晶开始于200V。这被认为是由于底物的离子通量改善所致。在200°C的底物温度下观察到相同的趋势，但是结晶需要稍高的负偏差。当测量所获得的薄膜的相对介电常数时，沉积在0V的光晶膜约为18，沉积在-200V的晶体膜约为300。该值优于600°C的退火。从上面，通过应用负底物偏置，可以在低底物温度下成功制造钛酸钡晶体膜。获得的相对介电常数是可以应用于1MB级DRAM的值，可以证明该工艺制造下一代电容器材料的有效性。