DE69737283T2 - Ferroelektrisches material, verfahren zu seiner herstellung, halbleiterspeicheranordnung und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein ferroelektrisches Material und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung, das einen nicht-flüchtigen Speicher, einen dünnen Filmkondensator, eine elektrooptische Vorrichtung und so weiter bilden kann, und auf eine Halbleiterspeichervorrichtung, die dieses Material verwendet. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur (RE bezieht sich hiernach auf ein Element aus der Lanthanoidgruppe), auf ein Verfahren zur Erzeugung eines dünnen Films daraus und auf eine Halbleiterspeichervorrichtung, die den dünnen Film verwendet, und auf ein Verfahren zur Herstellung von dieser.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Herkömmlich gab es einen FET mit einer Struktur, die aus einem Metallfilm, einem ferroelektrischen Film und einer Halbleiterschicht gebildet wird (auf die hiernach als MFS-Struktur Bezug genommen wird), als einen typischen Speicher (Halbleiterspeichervorrichtung), der angepasst ist, um eine Änderung des Widerstands in der Halbleiterschicht aufgrund von Restpolarisation in dem ferroelektrischen Film zu detektieren. Dieser FET verwendet ein ferroelektrisches Material für einen dielektrischen Gatterfilm. Wie in den 4(a)–(b) gezeigt, wird bei Restpolarisation in dem Kanalbereich durch ferroelektrische Restpolarisation eine Inversionsschicht erzeugt, was ein Be- bzw. Einschreiben ermöglicht. Der Speicher dieses Typs kann ein Auslesen in einer nicht zerstörerischen Weise durchführen, was vorteilhaft hinsichtlich des Verlängerns der Zyklendauer des erneuten Beschreibens ist. In den 4(a)–(b) ist 21 ein Halbleitersubstrat von zum Beispiel dem p-Typ. 22 und 23 sind jeweils Quell- und Ableitbereiche, die durch Einbringen einer n+-Verunreinigung erzeugt werden. 26 ist ein Kanalbereich, der sandwichartig zwischen dem Quellbereich 22 und dem Ableitbereich 23 angeordnet ist. Auf dem Kanalbereich 26 sind ein ferroelektrischer Film 27 und eine Gatterelektrode 28 gebildet. Die 4(a) veranschaulicht einen EIN-Zustand, in dem an die Gatterelektrode 28 ein positives Potenzial angelegt ist, während die 4(b) einen AUS-Zustand zeigt, in dem an die Gatterelektrode 28 ein negatives Potenzial angelegt ist. Dieser ferroelektrische Film 27 hat herkömmlicherweise eine oxidische Perowskit-Struktur wie etwa aus BaTiO3, PZT (Pb(Zr1-xTix)O3), PLZT (Pb1-yLay(Zr1-aTia)1-y/4/O3).
  • In der MFS-Struktur ist allerdings, wenn ein ferroelektrischer Film 27 auf einem Si-Halbleitersubstrat 21 gebildet ist, ein unerwünschter Film wie etwa aus SiO2 an einer Grenzfläche zwischen ihnen gebildet. Dies verursacht nicht nur eine Zunahme der Betriebsspannung, sondern zudem die Injektion von elektrischen Ladungen, da eine Störstellen-Haftstelle in dem ferroelektrischen Film 27 auftritt. Dies führt im Gegenzug dazu, dass die elektrischen Ladungen durch die Restpolarität gelöscht werden. Um dieses Problem zu vermeiden, wird eine MFMIS-Struktur erwogen, die übereinander liegende Schichten von, von oben gesehen, einer Steuerelektrode, einem ferroelektrischen Film, einem fließenden Gatter, einem Gatteroxid (SiO2) und einem Si-Substrat aufweist. Diese Struktur ermöglicht es, dass das ferroelektrische Material auf einem Elektrodenmetallmaterial als Film ausgebildet ist, so dass ein ferroelektrischer Film mit einer zweckmäßigen Anpassung auf der Elektrode erzeugt werden kann, indem ein Metallmaterial ausgewählt wird.
  • Wenn ein Oxid mit einer oxidischen Perowskit-Struktur, die von REMnO3 verschieden ist, als ein ferroelektrisches Material verwendet wird, wie es herkömmlich durchgeführt wird, wird das Si-Substrat, auf dem ein dielektrischer Film direkt zu bilden ist, aufgrund von Oxidation einen Oxidfilm auf der Oberfläche aufweisen. Dieser Oxidfilm hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante und verbraucht viel mehr Spannung als ein ferroelektrischer Film mit einer größeren Dielektrizitätskonstante, was zu dem Problem führt, dass eine höhere Einschreib-Spannung erforderlich ist. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, dass in dem herkömmlich verwendeten oxidischen dielektrischen Material mit Perowskit-Struktur ein Sauerstoffmangel auftritt, was zu einer Veränderung der Valenzzahl und somit zu einer Zunahme von Raumladungen führt. Dies führt zu dem Problem schlechterer ferroelektrischer Eigenschaften.
  • Indessen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines REMnO3-Materials für nicht-flüchtige Speicher vorgeschlagen, wie es in „Proposal of REMnO3 Thin Film to Nonvolatile Memories" in 56th Applied Physics Academy Study Lecture Preliminary Paper, Seite 440, veröffentlicht am 26. August 1995, offenbart ist, wobei das gleiche Material ein Oxid eines Elements RE der Lanthanoidgruppe einschließlich Y und Mn ist, und es hat den Vorteil, dass es eine dielektrische Eigenschaft und eine kleine Dielektrizitätskonstante aufweist. Allerdings ist es für REMnO3 schwierig, die Bedingung zur Filmerzeugung zu bestimmen, um eine vollständig kristalline Struktur zu erzeugen. Daher hat es schlechte dielektrische Eigenschaften wie etwa Leckstrom und wird somit nicht in praktischen Anwendungen verwendet.
  • DE-A-4310318 offenbart ein Material für einen Sensor mit einer Kristallstruktur ähnlich zu jener von Perowskit. Darüber hinaus hat das Material die allgemeine Formel (A1)1-x(A2)xMnOz, wobei A1 ein 3-wertiges Metall ausgewählt aus Y, La und den Lanthanoiden ist, während A2 ein 2-wertiges Erdalkalimetall oder Pb ist.
  • Fujimura et al. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 433, 119–124, 1996) berichten die Herstellung von (0001) epitaxialen Filmen aus YMnO3 auf zwei unterschiedlichen Substraten, d. h. auf (111)MgO und (0001)ZnO:A1/(0001)-Saphir. Des Weiteren werden polykristalline Filme aus YMnO3 auf (111)Pt/(111)MgO beschrieben.
  • In Appl. Phys. Lett. 69, 7, 1996, S. 1011–1013, berichten Fujimura et. al die Erzeugung von (0001)Filmen aus YMnO3 auf (111)MgO und (0001)ZnO:A1/(0001)-Saphir als einem Substrat. Zudem werden polykristalline Filme aus YMnO3 auf (111)Pt/(111)MgO gebildet.
  • Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf solche Umstände gemacht worden, und es ist eine Aufgabe, ein ferroelektrisches Material bereitzustellen, das eine REMnO3-Grundstruktur mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften und hervorragender Kristallinität aufweist, wobei, wenn dieses für einen Halbleiterspeicher oder dergleichen verwendet wird, die Eigenschaften von diesen verbessert werden können.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein konkretes Verfahren zur Filmbildung unter Verwendung eines ferroelektrischen Films bereitzustellen, durch das es möglich ist, einen ferroelektrischen Film mit REMnO3, das derartig in seinen ferroelektrischen Eigenschaften verbessert ist, auf einem Halbleitersubstrat oder dergleichen zu bilden.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterspeichervorrichtung bereitzustellen, die das erfindungsgemäße ferroelektrische Material verwendet, sowie ein Verfahren zur Herstellung von dieser.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eifrig studiert, um einen ferroelektrischen Film mit einer REMnO3-Grundstruktur zu erhalten, der auf einem Si-Substrat oder dergleichen hervorragende ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Im Ergebnis wurde gefunden, dass wenn das ferroelektrische Material RE und Mn umfasst, von denen eines im Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atom% enthalten ist, anstelle eines Verhältnisses von diesen von 1:1, es möglich ist, die Zusammensetzung gleichmäßig auszubilden und den Leckstrom zu verringern, wodurch die ferroelektrischen Eigenschaften verbessert werden.
  • Hier meint RE ein Element aus der Lanthanoidgruppe einschließlich Y, Er, Ho, Tm, Yb, Lu, etc. Atom%. Zum Beispiel bedeutet RE im Überschuss von 20 Atom, dass RE und Mn zu 1,2:1 in Atom% vorliegen.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben des Weiteren eifrig studiert, um einen ferroelektrischen Film mit einer REMnO3-Grundstruktur zu erhalten, um ferroelektrische Eigenschaften zu verbessern. Im Ergebnis wurde gefunden, dass REMnO3 eine kleine Bandlücke und eine Tendenz aufweist, aufgrund des Vorliegens einiger Träger den Leckstrom zu vergrößern und sich in den p-Typ umzuwandeln. Es wurde gefunden, dass die Zugabe eines 4-wertigen Elements eine feine und homogene Textur liefert und den Leckstrom verringert.
  • Hier meint das 4-wertige Element ein Element, das beim Ionisieren zu einem Ion mit 4 Valenzen wird.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben des Weiteren eifrig studiert, um einen ferroelektrischen Film mit einer REMnO3-Grundstruktur auf der Grundlage einer Verringerung der Kristallinität und einer Zunahme des Leckstroms, wenn er auf einem Halbleitersubstrat oder dergleichen gebildet ist, für die praktische Anwendung als ein Halbleiterspeicher, ein dünner Filmkondensator etc. zu verwenden. Im Ergebnis wurde das Folgende gefunden. Da RE und Mn dazu neigen, oxidiert zu werden, wenn der Sauerstoffpartialdruck während einer Vakuumabscheidung, Laserabrieb, Sputtern oder dergleichen oder wenn REMnO3 als ein Target (Ziel) verwendet wird hoch ist, oxidieren RE und Mn in dem Zustand einer Materialquelle, oder ihre Oxide werden während des Verteilens erzeugt, bevor sie die Oberfläche des Substrats erreichen, auf dem ein Film zu erzeugen ist. Die Erzeugung von RE-reichem RE2O3, Mn-reichem Mn3O4, REMn2O5 etc. wird beschleunigt. Die Zusammensetzung der Targetoberfläche wird verändert. Wenn ein Film in der Form dieser Oxide auf der Substratoberfläche gebildet wird, verschlechtert sich die Kristallinität. Wenn der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des Film erzeugenden Reaktors tiefer als üblich abgesenkt wird, um ein nicht-oxidisches Target aus einer RE-Mn-Legierung zu verwenden, und eine oxidierende Quelle nur in die Nachbarschaft der Substratoberfläche eingeblasen wird, auf der ein ferroelektrischer Film zu erzeugen ist, wird eine schöne kristalline Struktur aus REMnO3 erhalten, ohne dass individuelle Oxide von RE und Mn erzeugt werden. Somit kann ein ferroelektrischer Film mit hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften, z. B. einem verringerten Leckstrom, erzeugt werden. Dies verhindert zudem, dass sich die Zusammensetzung in der Verdampfungsquelle oder während des Aufwachsens eines Targets verändert.
  • Hier meint die oxidierende Quelle ein Gas oder Ion, wie etwa Sauerstoff, Ozon, N2O und radikalische Ionenquellen, das ein zusammen damit vorliegendes Element oxidieren kann. Zudem bezieht sich der Sauerstoffpartialdruck auf einen Sauerstoffdruck, der bei einem Zustand vorliegt, bei dem die oxidierende Quelle in einen Vakuumabscheidungsreaktor hineingeblasen wird.
  • Ein Verfahren zur Bildung eines ferroelektrischen Materials durch Vakuumabscheidung gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch: Anordnen von Materialquellen aus RE und Mn gegenüber einem Substrat, auf dem ein ferroelektrischer Film zu bilden ist, in einem Vakuumabscheidungsreaktor, Einregeln des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Vakuumabscheidungsreaktors auf 10–3 Torr oder niedriger und Verdampfen von Metallen aus den Materialquellen unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird. Diese Vakuumabscheidung mit einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck kann eine Oxidation der Materialquellen verhindern und kann verhindern, dass individuelle Oxide von RE und Mn erzeugt werden, wodurch ein ferroelektrischer Film mit guter Kristallinität und hervorragenden dielektrischen Eigenschaften bereitgestellt wird.
  • Ein Verfahren zur Bildung eines ferroelektrischen Materials durch Laserabrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch: Anordnen eines Targets und eines Substrats gegenüber voneinander innerhalb eines Reaktors, Verwendung eines nicht-oxidischen Targets aus einer Legierung von RE und Mn, die als das Targetmaterial verwendet wird, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks auf 10–2 Torr oder niedriger und Einstrahlen eines Lasers auf das Ziel unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wodurch ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
  • Zudem ist ein Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Films durch Sputtern gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch: Anordnen eines Targets und eines Substrats gegenüber voneinander in einem Reaktor, um einen ferroelektrischen Film durch Sputtern auf dem Substrat zu bilden, Verwendung eines nicht-oxidischen Targets aus einer Legierung von RE und Mn als dem Target, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks auf 10–4 Torr oder weniger und Anlegen einer Spannung an das Target unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu einer filmbildenden Oberfläche des Substrats, wodurch ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
  • Wenn ein Film durch Verwendung eines nicht-oxidischen Targets als einem Target für Laserabrieb oder Sputtern und durch Reduzieren des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Reaktors gebildet wird, erfährt das Target auf diese Weise keine Veränderung der Zusammensetzung. Des Weiteren werden keine RE- oder Mn-reichen Oxide erzeugt. Somit wird ein ferroelektrischer Film mit guter Kristallinität und hervorragenden dielektrischen Eigenschaften gebildet.
  • Eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite, wobei der ferroelektrische Film ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur, die RE und Mn aufweist, von denen eines im Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atom% enthalten ist, und/oder ein ferroelektrisches Material, zu dem ein 4-wertiges Element zugegeben ist, umfasst.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite ist gekennzeichnet durch: Anordnen von Materialquellen für RE und Mn gegenüber einem Substrat, auf dem ein ferroelektrischer Film zu bilden ist, innerhalb eines Vakuumabscheidungsreaktors, Einregeln des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Vakuumabscheidungsreaktors auf 10–3 Torr oder weniger und Verdampfen von Metallen aus den Materialquellen unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite ist gekennzeichnet durch: Anordnen eines nicht-oxidischen Targets aus einer Legierung von RE und Mn und eines Halbleitersubstrats gegenüber voneinander in einem Reaktor, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Reaktors auf 10–2 Torr oder weniger und Einstrahlen eines Lasers zu dem Target unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite ist gekennzeichnet durch: Anordnen eines nicht-oxidischen Targets aus einer Legierung von RE und Mn und eines Halbleitersubstrats gegenüber voneinander in einem Reaktor, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Vakuumabscheidungsreaktors auf 10–4 Torr oder weniger und Anlegen einer Spannung an das Target, um ein Sputtern hervorzurufen, unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist eine typische, erläuternde Ansicht eines Vakuumabscheidungsreaktors, der zur Bildung eines ferroelektrischen Films gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • die 2 ist eine typische, erläuternde Ansicht des Bildens eines ferroelektrischen Films der vorliegenden Erfindung durch Laserabrieb;
  • die 3 ist eine Ansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung veranschaulicht, auf die ein ferroelektrisches Material der vorliegenden Erfindung aufgebracht ist; und
  • die 4 ist eine erläuternde Betriebsansicht der Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen ferroelektrischen Films.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Nun werden ein ferroelektrisches Material und ein Verfahren zur Herstellung desselben, eine Halbleiterspeichervorrichtung, die das ferroelektrische Material verwendet, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
  • Wie hier vorher angegeben, ist REMnO3 durch das Folgende gekennzeichnet:
    • (1) Weniger Raumladung aufgrund von Sauerstoffmangel, da sowohl RE als auch Mn ein leicht oxidierbares Metall sind.
    • (2) Weniger Raumladung, da ein flüchtiges Element, wie etwa Pb und Bi, nicht enthalten ist.
    • (3) Weniger durch Domäneninversion verursachte Ermüdung aufgrund eines ferroelektrischen Materials mit einer uniaxialen Struktur (hexagonaler Kristall).
    • (4) Hat die Eigenschaft, den natürlichen Oxidfilm auf einem Si-Substrat, der an den ferroelektrischen Film angrenzt, zu verringern, so dass Spannungen in effektiver Weise an den ferroelektrischen Film angelegt werden können, wenn dieser für eine MFS-Vorrichtung verwendet wird.
    • (5) Es weist eine spezifische Dielektrizitätskonstante von so niedrig wie 20 auf, und demgemäß ist es möglich, in effektiver Weise Spannungen an einen ferroelektrischen Film anzulegen, wenn dieser für eine Vorrichtung mit einer MFS-Struktur verwendet wird (eine Struktur mit einem dielektrischen Film zwischen einem ferroelektrischen Film und einem Halbleitersubstrat).
    • (6) Es ist möglich, eine ZnO-Elektrode mit einem durch Zugabe eines 3-wertigen Elements verringerten elektrischen Widerstand zu verwenden, wenn es in einem fließenden Gattertyp verwendet wird (vorstehend erwähnte MFMIS-Struktur). Dieses ZnO hat den Vorteil, dass es auf einem jeglichen Substrat leicht in der c-Achse ausgerichtet und geätzt werden kann.
  • Wenn allerdings ein dünner Film aus REMnO3 auf einem Halbleitersubstrat zu bilden ist, um zum Beispiel eine Halbleiterspeichervorrichtung herzustellen, ist der resultierende dielektrische Film aufgrund einer Veränderung der Zusammensetzung auf einer Targetoberfläche oder der individuellen Oxidation von Materialquellen aus RE und Mn während der Vakuumabscheidung reich an RE oder Mn. Im Ergebnis hat die Filmoberfläche eine amorphe Gestalt, und es ist schwierig, in stabiler Weise einen vollständig kristallinen, dünnen Film zu bilden. Infolgedessen ist er in praktischen Anwendungen für Halbleitervorrichtungen, dünne Filmkondensatoren etc. nicht verwendet worden.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eifrig studiert, um einen dünnen Film aus REMnO3 mit hervorragender Kristallinität stabil auf einem Halbleitersubstrat oder dergleichen zu bilden und haben die folgende Tatsache gefunden. Das heißt, RE und Mn neigen dazu, leicht zu oxidieren, wie vorstehend angegeben. Bei einem Verfahren zur Filmbildung unter Verdampfen von Sauerstoff aus einem Rohmaterial, wie etwa ein Verfahren zum Bilden eines Films unter Verwendung eines REMnO3-Targets, verändert sich die Zusammensetzung der Targetoberfläche durch den Einfluss des verdampften Sauerstoffs, selbst wenn der Partialdruck des Sauerstoffs innerhalb des filmbildenden Reaktors verringert wird. Im Ergebnis wird das Wachstum des REMnO3 durch einen Film auf dem Substrat behindert, der aus einem Oxid gebildet ist, das RE-reiches RE2O3, Mn-reiches Mn3O4 oder Mn2O5 enthält. Dies wird in ähnlicher Weise angetroffen, wenn der Sauerstoffpartialdruck in einem Verfahren mit Vakuumdampfabscheidung groß ist. Die Erfinder haben des Weiteren eifrig studiert und gefunden, dass ein dünner ferroelektrischer Film aus REMnO3 mit hervorragender Kristallinität auf einem Substrat gebildet werden kann. Das heißt, der Partialdruck wird innerhalb eines Vakuumabscheidungsreaktors oder einem Sputtergerät stärker verringert als im herkömmlichen Fall (ein Sauerstoffpartialdruck von 10–3 Torr oder weniger bei der Vakuumabscheidung, von 10–2 Torr oder weniger beim Laserabrieb und von 10–4 Torr beim Sputtern). Der ferroelektrische Film wird gebildet, während eine Oxidationsquelle wie etwa Sauerstoff, Ozon, N2O oder radikalische Ionen lokal in die Nachbarschaft der Substratoberfläche eingeblasen wird. Ein Nicht-Oxid ohne Sauerstoffgehalt wird als ein Target verwendet. Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine Oxidation in einer Verdampfungsquelle oder eine Veränderung der Targetzusammensetzung zu verhindern. Zudem wird verhindert, dass individuelle Elemente in der Verdampfungsquelle bei der Vakuumabscheidung oder während des Sputterns von dem Target, die das Substrat erreichen, oxidiert werden.
  • Das heißt, wenn ein üblicher Oxidfilm aus PbTiO3 in einem Vakuumabscheidungsreaktor gebildet wird, wird ein Oxidfilm mit hervorragender Kristallinität nicht erhalten, solange nicht der Sauerstoffpartialdruck auf höher als 10–2 Torr angehoben wird. Beim Bilden des Oxidfilms in einem Vakuumabscheidungsreaktor ist es eine übliche Vorgehensweise, diesen bei einem Sauerstoffpartialdruck von 10–2 Torr oder größer zu bilden. Wenn allerdings ein REMnO3-Film gebildet wird, gibt es, trotzdem RE und Mn leicht oxidierbar sind, keine Tendenz zur Bildung eines individuellen Oxidfilms aus RE oder Mn bei 10–3 Torr innerhalb eines Vakuumabscheidungsreaktors. Das Einblasen einer Sauerstoffquelle über die filmbildende Oberfläche des Substrats ermöglicht die Bildung eines ferroelektrischen Films aus REMnO3 mit hervorragender Kristallinität. Der vorstehend erwähnte Sauerstoffpartialdruck beträgt bevorzugt 10–6 Torr oder weniger, da ein ferroelektrischer Film gebildet werden kann, der im Wesentlichen aus REMnO3 strukturiert ist, ohne dass eine RE-reiche oder Mn-reiche Oxidation auftritt.
  • Selbst wenn der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des filmbildenden Geräts verringert wird, verändert zudem, wenn REMnO3 als ein Target verwendet wird, der in dem Target enthaltene Sauerstoff die Zusammensetzung des Targets oder RE und Mn werden oxidiert, bevor sie die Substratoberfläche von dem Target aus erreichen, was zur Bildung von RE-reichem oder Mn-reichem Oxid führt. Dieses Problem wird allerdings verhindert, indem ein Nicht-Oxid als ein Target verwendet wird, wobei der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des filmbildenden Reaktors verringert ist. Somit wird ein REMnO3 mit guter Kristallinität als Film ausgebildet. Im Übrigen ist es beim Laserabrieb bevorzugt, einen Sauerstoffpartialdruck von 10–4 Torr oder weniger innerhalb eines filmbildenden Reaktors zu verwenden, um ein individuelles Oxid von RE oder Mn während einer Filmbildung zu verhindern, und ein ferroelektrischer Film mit hervorragender Kristallinität und ferroelektrischen Eigenschaften wird gebildet.
  • Nun wird ein Verfahren zur Bildung eines YMnO3-Films unter Verwendung von Y als einem RE-Element durch verschiedene filmbildende Reaktoren erläutert.
  • Die 1 ist eine typische erläuternde Ansicht des Bildens von YMnO3 unter Verwendung eines Vakuumabscheidungsreaktors durch zum Beispiel ein sogenanntes MBE-Verfahren (Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren). In 1 ist 1 eine Vakuumkammer. 2 und 3 sind jeweils mit Y und Mn gefüllte Materialquellen, die einen Heizer, einen Verschluss und dergleichen aufweisen, die nicht gezeigt sind. 4 ist ein zum Beispiel aus Silicium gebildetes Substrat, auf dem ein ferroelektrischer Film zu bilden ist. 5 ist ein als Film auf einer Oberfläche des Substrats 4 gebildetes YMnO3. 6 ist ein Zuführdurchgang für eine oxidierende Quelle zum Zuführen einer Sauerstoffquelle wie etwa Sauerstoff, Ozon oder dergleichen.
  • Bei diesem Aufbau ist ein Substrat 4, auf dem ein ferroelektrischer Film gebildet ist, in die Vakuumkammer 1 eingesetzt, und Y und Mn sind jeweils in Tiegel der Materialquellen 2 und 3 eingefüllt. Die Vakuumkammer 1 wird herunter auf einen Sauerstoffpartialdruck von 10–9 Torr oder weniger evakuiert. Das Substrat 4 wird auf ungefähr 700°C erhitzt und Y und Mn werden in einen geschmolzenen Zustand gebracht. Danach wird eine Sauerstoffquelle über die Oberfläche des Substrats geblasen. Y und Mn werden in Richtung des Substrats 4 zerstäubt, indem die Verschlüsse der Materialquellen 2 und 3 geöffnet werden. Der Sauerstoffpartialdruck wird bei ungefähr 10–4 bis 10–6 Torr gehalten. Die vorliegende Erfindung ist durch Einblasen einer oxidierenden Quelle direkt über die Oberfläche des Substrats 4 und durch Verringern des Sauerstoffpartialdrucks auf ungefähr 10–3 Torr oder weniger, bevorzugt 10–6 Torr oder weniger innerhalb der Vakuumkammer 1 gekennzeichnet. Im Übrigen erhöht in diesem Fall das Einblasen einer Sauerstoffquelle den Sauerstoffpartialdruck auf ungefähr 10–8 Torr oder größer. Das heißt, es ist eine übliche Vorgehensweise, die Vakuumabscheidung in einem Zustand eines Sauerstoffpartialdrucks von höher als ungefähr 10–2 Torr durchzuführen. Bei dem Zustand eines großen Sauerstoffpartialdrucks oxidieren allerdings Y und Mn beim Vorliegen in den Materialquellen 2 und 3 oder während des Wegs von der Materialquelle 2, 3 zu der Oberfläche des Substrats 4, wie vorstehend angegeben. Im Ergebnis wird aufgrund der Erzeugung von Y2O3 oder Mn3O4 kein vollständiger YMnO3-Kristall erzeugt. In dem Verfahren der Erfindung werden allerdings die Elemente, wie etwa Y und Mn, die leicht oxidieren, vor dem Erreichen des Substrats 4 nicht in ein Oxid umgewandelt. Y und Mn werden durch den über dem Substrat 4 zugeführten Sauerstoff oxidiert, während sie sich darauf abscheiden, und demgemäß wird eine kristalline YMnO3-Struktur erzeugt und als Film auf dem Substrat 4 gebildet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Sauerstoffpartialdruck 10–6 Torr oder weniger beträgt, wie es vorstehend angegeben wurde. Allerdings kann mit einem Partialdruck von so niedrig wie 10–3 Torr oder weniger jeweils verhindert werden, dass Y und Mn oxidieren, und aufgrund des Zuführens von Sauerstoff zu der Oberfläche des Substrats 4 wird ein YMnO3-Oxid erzeugt.
  • Die 2 ist eine typische, erläuternde Ansicht des Bildens eines YMnO3-Films durch das Laserabriebverfahren. In der 2 beziehen sich 4 bis 6 auf den gleichen Teil wie in 1. 7 ist ein nicht-oxidisches Target wie etwa aus zum Beispiel einer Y-Mn-Legierung. 8 ist eine Laserlichtquelle, die zum Beispiel einen Excimer-Laser verwenden kann, der einen Laserstrahl mit z. B. einer Energiedichte von 0,5–2 J/cm2 mit einem Impuls von 5–20 Hz hat. 9 bezeichnet eine Schleierbildung, die beim Einstrahlen eines Laserimpulses auf das Target 7 auftritt. Dieses Laserabriebverfahren ist durch die Verwendung einer Y-Mn-Legierung als einem nicht-oxidischen Target gekennzeichnet, und eine Sauerstoffquelle wird über eine filmbildende Oberfläche des Substrats 4 geblasen, um einen dünnen Oxidfilm zu bilden. Das heißt, die Verwendung eines Oxidtargets ruft eine Veränderung der Zusammensetzung des Targets hervor, während die Verwendung des nicht-oxidischen Targets der vorliegenden Erfindung keine Veränderung der Zusammensetzung des Targets hervorrufen wird, wodurch ein ferroelektrischer Film mit hervorragender Kristallinität gebildet wird.
  • Bei diesem Aufbau wurde der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Wachstumskammer auf ungefähr 10–4–10–5 Torr verringert, und die Temperatur des Substrats 4 wurde auf ungefähr 700°C erhöht, um den Laserstrahl auf 24.000 Impulse zu vergrößern. Im Ergebnis wurde ein dünner ferroelektrischer Film aus einem YMnO3-Kristall in einer Dicke von ungefähr 0,3–1 μm gebildet. Bei diesem Filmbilden durch Laserabrieb müssen die Oxidation des Targets und die begleitende Veränderung der Zusammensetzung verhindert werden, ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Vakuumabscheidung. Des Weiteren dürfen Y und Mn nicht individuell während des Sputterns von dem Target zu der Substratoberfläche oxidiert werden. Um dies zu erfüllen, ist es bevorzugt, dass der Innenraum des filmbildenden Reaktors auf einen Druck von 10–2 Torr oder weniger, mehr bevorzugt 10–4 Torr oder weniger verringert und der Sauerstoffpartialdruck auf 10–8 Torr oder höher eingestellt wird. Mit dieser Bedingung kann ein ferroelektrischer Film auf der Oberfläche des Substrats 4 unter Einblasen einer Sauerstoffquelle zu der Oberfläche des Substrats 4 aufgewachsen werden.
  • Indessen verwendet das filmbildende Verfahren durch Sputtern einen in der typischen Ansicht dem Reaktor der 2 ähnlichen Reaktor. Allerdings ist dieses Verfahren dahingehend unterschiedlich, dass eine Inertgasatmosphäre wie etwa aus Ar anstelle des Einstrahlens eines Laserstrahls verwendet wird, so dass das Inertgas durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen dem Substrat ionisiert wird, wodurch ein Sputtern des Elements des Targets hervorgerufen wird. Dieses Verfahren ist zudem durch die Verwendung eines Nicht-Oxids für das Target 7 gekennzeichnet, und der Sauerstoffpartialdruck wird innerhalb des filmbildenden Reaktors auf 10–4 Torr verringert, so dass eine Oxidationsquelle auf die filmbildende Oberfläche eingeblasen wird, um darauf einen Film zu bilden.
  • Speziell wurde der Film gebildet, indem die Substrattemperatur aufgrund eines Magnetron-Sputter-Verfahrens mit zum Beispiel einer RF-Ausgabe von 75 W bei einem Sauerstoffpartialdruck von 10–3–10–4 auf ungefähr 700°C erhöht wurde. Im Ergebnis verursachte die Verwendung des nicht-oxidischen Targets der vorliegenden Erfindung keine Veränderung der Zusammensetzung des Targets, ähnlich wie im Fall des Laserabriebs. Somit konnte ein dielektrischer Film mit großer Kristallinität gebildet werden. Im Übrigen beträgt die untere Grenze des Sauerstoffpartialdrucks bevorzugt 10–8 Torr oder mehr.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben des Weiteren eifrig studiert, um solche Eigenschaften wie eine Verringerung des Leckstroms für Anwendungen in Speichern und dünnen Filmkondensatoren zu verbessern. Im Ergebnis wurde gefunden, dass durch Einstellen eines Atomverhältnisses zwischen Y und Mn von größer als 1 und kleiner als 1,2 oder kleiner als 1 und größer als 0,8 die Bildung einer amorphen Schicht auf der Oberfläche unterdrückt werden kann, was Körner mit Feinheit und Homogenität liefert, die Häufigkeit von Streuungen in der Dielektrizitätskonstante verringert und zudem Leckströme verringert. Dies kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass REMnO3 eine kleine Bandlücke aufweist und das Vorliegen einiger Träger den Leckstrom vergrößert.
  • Um einen ferroelektrischen Film aus YMnO3 mit einer Zusammensetzung wie dieser zu bilden, kann für das Vakuumabscheidungsverfahren die Verdampfungsmenge von Y und Mn in den Materialquellen eingeregelt werden, während das Verhältnis der beiden während der Herstellung eines Targets für das Laserabriebverfahren oder das Sputter-Verfahren eingeregelt werden kann. Dies liefert einen ferroelektrischen Film mit einer YMnO3-Grundstruktur, der die gleiche Zusammensetzung wie das Target aufweist, aber im Y-Mn-Verhältnis abweicht.
  • Des Weiteren haben die Erfinder weitergehend mit diesem Material Studien durchgeführt, um solche Eigenschaften wie die Verringerung des Leckstroms zu verbessern. Im Ergebnis wurde gefunden, dass ein dünner REMnO3-Film eines ferroelektrischen Films den p-Typ aufweist, und der Leckstrom kann durch Zugabe eines 4-wertigen Elements oder durch Substituieren eines Teils des RE durch ein 4-wertiges Element verringert werden. Das heißt, der in den vorstehend angegebenen Verfahren erzeugte ferroelektrische Film wurde hinsichtlich der elektromotorischen Kraft sowohl durch ein Verfahren mit Thermossonde als auch ein Verfahren, das den Hall-Effekt ausnutzt, gemessen. Im Ergebnis zeigte sich, dass REMnO3 in der herkömmlichen Form den p-Typ hat, aber der p-Typ wurde nicht mehr beobachtet, wenn ein 4-wertiges Element zugegeben war. Wenn ein 4-wertiges Element zugegeben oder ein Teil des Y durch ein 4-wertiges Element substituiert ist, weist das resultierende REMnO3 eine feine und homogene Textur auf, wodurch der Leckstrom verringert wird, trotzdem es eine kleine Bandlücke aufweist, was leicht zu einer Zunahme des Leckstroms führt.
  • Um einen ferroelektrischen Film mit einer YMnO3-Struktur, zu der ein 4-wertiges Element zugegeben ist, als Film auszubilden, kann das Vakuumabscheidungsverfahren des Weiteren mit einer Materialquelle für ein 4-wertiges Element oder La versehen werden, so dass das Element zusammen mit Y und Mn unter Einregelung der Verdampfungsmenge verdampft wird. Andererseits kann bei dem Laserabriebverfahren oder dem Sputter-Verfahren ein 4-wertiges Element oder La des Weiteren zu Y und Mn zugegeben werden, wenn ein Target aus einer Y-Mn-Legierung hergestellt wird. Ansonsten wird das Verfahren in ähnlicher Weise durchgeführt, indem ein Target verwendet wird, das aus einer Y-Mn-La-Legierung mit einem verringerten Gehalt eines 4-wertigen Elements oder La gebildet ist. Somit ist es möglich, einen ferroelektrischen Film mit einer YMnO3-Grundstruktur zu erhalten, wobei ein 4-wertiges Element dort zugegeben oder ein Teil des Y durch ein 4-wertiges Element substituiert ist. Das heißt, wenn ein Oxidtarget verwendet wird, führt auch in diesem Fall das Vorliegen von Sauerstoff auf der Targetoberfläche dazu, dass Y auf der Targetoberfläche ausgefällt wird, so dass die Filmzusammensetzung einen beträchtlichen Überschuss an Y aufweist, was die Reproduzierbarkeit der Wachstumsbedingungen verschlechtert. Allerdings ist die Verwendung eines nicht-oxidischen Targets frei von einen Phänomen wie etwa einer Veränderung der Zusammensetzung, was es möglich macht, einen ferroelektrischen Film mit guter Kristallinität stabil auszubilden.
  • Obwohl die vorstehend beschriebenen Verfahren einen gut kristallinen, ferroelektrischen Film mit einer YMnO3-Grundstruktur bereitstellen, wobei das Verhältnis von RE und Mn variiert oder ein 4-wertiges Element zugegeben ist, werden im Übrigen, wenn bei dem herkömmlichen Vakuumabscheidungsverfahren, Laserabriebverfahren oder Sputter-Verfahren (einschließlich eines Verfahrens, das ein Oxid als ein Target verwendet) zusätzlich das Verhältnis von RE und Mn variiert oder ein 4-wertiges Element zugegeben wird, die Wirkungen davon an sich stärker sein als herkömmlich. Das heißt, RE- und Mn-Materialquellen werden gegenüber einem Substrat bereitgestellt, auf dem ein ferroelektrischer Film zu bilden ist. Die Metalle der Materialquellen werden verdampft, wobei die verdampfte Menge zwischen RE und Mn unterschiedlich eingestellt und/oder der Gehalt von einem von RE und Mn im Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atom% erhöht und ein 4-wertiges Element als ein Teil des RE und Mn zugegeben wird. Dies ermöglicht die Bildung eines ferroelektrischen Materials mit einer REMnO3-Grundstruktur auf der Substratoberfläche, wobei ein 4-wertiges Element des Weiteren zugegeben oder ein Teil des RE durch das 4-wertige Element ersetzt ist.
  • Des Weiteren kann ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats durch Laserabrieb gebildet werden, wobei das Material RE und Mn, von denen eines gegenüber dem anderen in einem Überschuss bis zu einer Grenze von 20 Atom vorliegt, enthält und/oder eine Zusammensetzung aufweist, zu der des Weiteren ein 4-wertiges Element zugegeben oder in der ein Teil des RE durch das 4-wertige Element ersetzt ist. Dabei wird ein Verfahren des Bildens eines ferroelektrischen Materials durch Laserabrieb verwendet, umfassend das Anordnen eines Targets und eines filmbildenden Substrats gegenüber voneinander innerhalb eines Reaktors, wobei das Target mit einem unterschiedlichen Verhältnis im Anteil zwischen RE und Mn gebildet oder ein 4-wertiges Element dort zugegeben ist.
  • Des Weiteren kann ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats durch Sputtern gebildet werden, wobei das Material RE und Mn, von denen eines im Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atom% vorliegt, enthält und/oder eine Zusammensetzung aufweist, zu der des Weiteren ein 4-wertiges Element zugegeben oder in der ein Teil des RE durch das 4-wertige Element ersetzt ist. Dabei wird ein Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Materials verwendet, bei dem ein Target und ein filmbildendes Substrat gegenüber voneinander angeordnet werden, wobei das Target mit einem unterschiedlichen Verhältnis im Gehalt zwischen RE und Mn gebildet und/oder zu diesem des Weiteren ein 4-wertiges Element zugegeben ist.
  • Obwohl in den vorstehenden Beispielen Y als ein Element RE aus der Lanthanoidgruppe verwendet wurde, kann eine ähnliche Wirkung unter Verwendung eines anderen, von Y verschiedenen Elements aus der Lanthanoidgruppe, Yb, Er, Ho, etc., erzielt werden.
  • Nun wird eine Halbleiterspeichervorrichtung erläutert, die einen ferroelektrischen Film gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Die 3 ist eine Ansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleiterspeichervorrichtung zeigt, die einen ferroelektrischen Film verwendet.
  • Die Struktur in 3(a) zeigt ein Beispiel einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einer MFS-Struktur und mit einem Halbleitersubstrat 21, das mit einem Quellbereich 22 und einem Ableitbereich 23 ausgebildet ist, zwischen denen ein Kanalbereich 26 sandwichartig angeordnet ist, auf dem ein ferroelektrischer Film 27 direkt gebildet ist, so dass darauf eine Gatterelektrode 28 bereitgestellt ist. Ein ferroelektrischer Film gemäß der Erfindung wird bevorzugt für diese Struktur der Halbleiterspeichervorrichtung verwendet, da er einen natürlichen Oxidfilm verringert, der in einem Grenzflächenabschnitt zwischen dem ferroelektrischen Film und dem Halbleitersubstrat vorliegt. Dies macht es möglich, in effektiver Weise Spannungen an den ferroelektrischen Film anzulegen.
  • Die Struktur in 3(b) zeigt ebenfalls ein Beispiel einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einer MFIS-Struktur und mit einem Halbleitersubstrat 21, das mit einem Kanalbereich 26 ausgebildet ist, auf dem ein ferroelektrischer Film 27 und eine Gatterelektrode 28 über einem dielektrischen Gatterfilm 25, der aus gewöhnlichem SiO2 gebildet ist, gebildet sind. In dieser Struktur weist der ferroelektrische Film 27 der Erfindung eine REMnO3-Grundstruktur mit einem spezifischen Dielektrizitätskoeffizienten von so niedrig wie ungefähr 20 auf. Es gibt keine Möglichkeit, dass der dielektrische Gatterfilm 25 einen größeren Anteil der an die Gatterelektrode 28 angelegten Spannung verbraucht. Die Spannung ist dem ferroelektrischen Film 27 ausreichend zugeordnet, und demgemäß gibt es keine Notwendigkeit, die Spannung während des Einschreibens übermäßig zu erhöhen.
  • Die Struktur in 3(c) zeigt ähnlich zu 3(a) ein Beispiel einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einer MFMIS-Struktur und mit einem Halbleitersubstrat 21, das mit einem Kanalbereich 26 ausgebildet ist, auf dem durch gewöhnliches SiO2 ein fließendes Gatter 24 bereitgestellt ist, wobei ein ferroelektrischer Film 27 und eine Gatterelektrode 28 auf dem fließenden Gatter gebildet sind. In dieser Struktur kann das fließende Gatter 24 ein mit einem 3-wertigen Element dotiertes ZnO verwenden. ZnO kann auf einer Vielzahl von Substratarten leicht in der c-Achse ausgerichtet werden. Demgemäß ist es leicht, einen ferroelektrischen Film mit einer REMnO3-Grundstruktur auf dem Substrat zu erhalten, der eine gute Kristallinität und somit hervorragende ferroelektrische Eigenschaft aufweist.
  • Um die vorstehend angegebenen Halbleiterspeichervorrichtungen herzustellen, kann ein übliches Halbleiterverfahren verwendet werden, wobei der ferroelektrische Film gebildet werden kann, indem irgendeines der vorstehend angegebenen Verfahren angewandt wird. Es ist zu beachten, dass der ferroelektrische Film durch ein RIE-Verfahren oder dergleichen nach dem Bilden des Films oder durch eine Abhebe-Methode (Lift-Off) gemustert werden kann. Die Quell- und Ableitbereiche für einen FET können gebildet werden, indem vor dem Ausbilden eines ferroelektrischen Films eine Verunreinigung eingebracht wird oder durch Selbstausrichtung nach dem Bilden eines ferroelektrischen Films und einer Gatterelektrode.
  • Gemäß einem ferroelektrischen Material der vorliegenden Erfindung weist die Grundstruktur RE und Mn auf, wobei eines zu dem anderen einen Gehalt im Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze im Atomverhältnis von 0,2 anstelle von 1 aufweist, und/oder die Grundstruktur weist ein REMnO3-Material auf, zu dem ein 4-wertiges Element zugegeben ist. Demgemäß verringert das ferroelektrische Material den Leckstrom als ein Fehler des REMnO3 und stellt einen ferroelektrischen Film mit verbesserten Eigenschaften unter Ausnutzung der Vorteile bereit, die in der Natur des REMnO3 liegen. Es ist daher möglich, zu niedrigen Kosten elektronische Hochleistungskomponenten wie etwa Halbleiterspeichervorrichtungen und dünne Filmkondensatoren unter Verwendung eines ferroelektrischen Films bereitzustellen.
  • Des Weiteren ist gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Materials und einer Halbleiterspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung der Sauerstoffpartialdruck als eine filmbildende Bedingung niedriger als die filmbildende Bedingung für ein übliches Oxid, und ein Film wird gebildet, während eine Oxidationsquelle wie etwa Sauerstoff oder Ozon nur zu einer filmbildenden Oberfläche eines Substrats eingeblasen wird. Demgemäß wird verhindert, dass die Verdampfungsquelle oder das Target oxidiert wird oder sich ihre Zusammensetzung verändert, was ein stabiles Wachstum ermöglicht. Im Ergebnis wird ein ferroelektrischer Film mit hervorragender Kristallinität und von hoher Qualität erhalten, ohne dass eine amorphe Textur angetroffen wird. Es ist möglich, für Halbleiterspeicher und dünne Filmkondensatoren einen ferroelektrischen Film mit einer REMnO3-Grundstruktur mit hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften bereitzustellen.
  • Zudem wird gemäß einer Halbleiterspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung ein ferroelektrischer Film mit einer REMnO3-Grundstruktur mit hervorragender Kristallinität verwendet, dessen Dielektrizitätskonstante klein ist. An den ferroelektrischen Film wird selbst durch einen dielektrischen Film eine Spannung in angemessener Weise angelegt. Der ferroelektrische Film, der schwierig zu mustern ist, kann auf einem dielektrischen Film gebildet werden. Somit ist eine Hochleistungshalbleiterspeichervorrichtung zu niedrigen Kosten erhältlich.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein ferroelektrischer Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante und hervorragender Kristallinität erhältlich. Daher ist die Erfindung auf nicht-flüchtige Halbleiterspeichervorrichtungen, die einen ferroelektrischen Film verwenden, dünne Filmkondensatoren etc. anwendbar.

Claims (13)

  1. Ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur, wobei das ferroelektrische REMnO3-Material mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert ist, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  2. Ferroelektrisches Material nach Anspruch 1, wobei eines von RE und Mn in einem Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atomprozent enthalten ist.
  3. Verfahren zur Bildung eines ferroelektrischen Materials, gekennzeichnet durch: Anordnen von Materialquellen für RE und Mn gegenüber einem Substrat, auf dem mit einem Vakuumabscheidungsreaktor ein ferroelektrischer Film zu bilden ist, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Vakuumabscheidungsreaktors auf 10–3 Torr oder niedriger und Verdampfen von Metallen aus den Materialquellen unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu den Verdampfungsquellen zugegeben ist, so dass das Material mit der REMnO3-Grundstruktur mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  4. Verfahren zur Bildung eines ferroelektrischen Materials nach Anspruch 3, wobei der Sauerstoffpartialdruck 10–6 Torr oder weniger beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem die verdampften Mengen zwischen RE und Mn unterschiedlich eingestellt werden, so dass eines von RE und Mn in einem Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atomprozent enthalten ist.
  6. Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Materials, indem ein Ziel (Target) und ein Substrat innerhalb eines Reaktors gegenüber angeordnet werden, um durch Laserabrieb auf dem Substrat einen ferroelektrischen Film zu bilden, gekennzeichnet durch Verwendung eines nicht-oxidischen Ziels aus einer Legierung von RE und Mn als dem Ziel, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks auf 10–2 Torr oder weniger und Einstrahlen eines Lasers auf das Ziel unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu dem Ziel zugegeben ist, so dass das Material mit der REMnO3-Grundstruktur mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem der enthaltene Anteil zwischen RE und Mn unterschiedlich eingestellt ist, so dass eines von RE und Mn in einem Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atomprozent enthalten ist.
  8. Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Films, indem ein Ziel (Target) und ein Substrat innerhalb eines Reaktors gegenüber angeordnet werden, um durch Sputtern auf dem Substrat einen ferroelektrischen Film zu bilden, gekennzeichnet durch: Verwendung eines nicht-oxidischen Ziels aus einer Legierung von RE und Mn als dem Ziel, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks auf 10–4 Torr oder weniger und Anlegen einer Spannung an das Ziel unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu dem Ziel zugegeben ist, so dass das Material mit der REMnO3-Grundstruktur mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem ein enthaltener Anteil zwischen RE und Mn unterschiedlich eingestellt ist, so dass eines von RE und Mn in einem Überschuss zu dem anderen bis zu einer Grenze von 20 Atomprozent enthalten ist.
  10. Halbleiterspeichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite, wobei der ferroelektrische Film eine REMnO3-Grundstruktur umfasst, die mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert ist, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Film auf der Seite einer Halbleitersubstratoberfläche, gekennzeichnet durch: Anordnen von Materialquellen für RE und Mn innerhalb eines Vakuumabscheidungsreaktors gegenüber einem Substrat, auf dem ein ferroelektrischer Film zu bilden ist, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Vakuumabscheidungsreaktors auf 10–3 Torr oder weniger und Verdampfen von Metallen aus den Materialquellen unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Substrats, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu den Verdampfungsquellen zugegeben ist, so dass das Material mit der REMnO3-Grundstruktur mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Film auf der Seite einer Halbleitersubstratoberflächenseite, gekennzeichnet durch: Anordnen eines nicht-oxidischen Ziels (Targets) aus einer Legierung von RE und Mn und eines Halbleitersubstrats gegenüber voneinander innerhalb eines Reaktors, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Reaktors auf 10–2 Torr oder weniger und Einstrahlen eines Lasers zu dem Ziel unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu der filmbildenden Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur auf der Oberfläche des Substrats als Film ausgebildet wird, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu dem Ziel zugegeben ist, so dass das Material mit der REMnO3-Grundstruktur mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von dem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Film auf einer Halbleitersubstratoberflächenseite, gekennzeichnet durch: Anordnen eines nicht-oxidischen Ziels (Targets) aus einer Legierung von RE und Mn und eines Halbleitersubstrats gegenüber voneinander innerhalb eines Reaktors, Einregeln eines Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Reaktors auf 10–4 Torr oder weniger und Anlegen einer Spannung an das Ziel, um ein Sputtern zu bewirken, unter Einblasen einer oxidierenden Quelle zu einer filmbildenden Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei ein ferroelektrisches Material mit einer REMnO3-Grundstruktur als Film auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet wird, wobei das ferroelektrische Material als Film ausgebildet wird, indem wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La zu dem Ziel zugegeben ist, so dass das Material mit der Grundstruktur aus REMnO3 mit wenigstens einem von einem vierwertigen Element und La dotiert oder ein Teil des RE durch wenigstens eines von einem vierwertigen Element und La substituiert wird, wobei RE wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Er, Ho, Tm, Yb und Lu ist.
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