DE10064002A1

DE10064002A1 - Vielschicht-Dünnschichtstruktur, ferroelektrisches Dünnschichtelement und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10064002A1
Application number: DE10064002A
Authority: DE
Inventors: Xiao-Min Li
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2001-07-26
Also published as: KR20010062817A; US20010006254A1; JP2001181089A; KR100396179B1; JP3608459B2; US6465825B2

Abstract

Eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur umfaßt ein Einkristall-Si-Substrat, eine epitaxial gezüchtete MgO-Pufferschicht auf dem genannten Einkristall-Si-Substrat und eine aus Ir oder Rh hergestellte, auf der genannten MgO-Pufferschicht epitaxial gezüchtete Metalldünnschicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vielschicht-Dünn schichtstrukturen, die auf ferroelektrische Dünnschicht elemente, welche Si-Substrate verwenden, z. B. Kondensatoren für DRAMs und ferroelektrische RAMs (FeRAM), pyroelektrische Elemente, Mikroaktuatoren, Dünnschichtkondensatoren, kleine piezoelektrische Elemente usw., anwendbar sind, und auf Ver fahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sie sich auf epitaxial auf Si-Substraten unter Zwischenlegung von Puf ferschichten gezüchtete Metalldünnschichten und Herstellungs verfahren derselben.

In den letzten Jahren waren Verfahren zur Bildung von Dünn schichten von Dielektrika und Ferroelektrika, beispielsweise BaTiO₃, SrTiO₃, (Ba,Sr)TiO₃ (im folgenden abgekürzt als BST), PbTiO₃, (Pb,La)TiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃ (im folgenden abgekürzt als PZT), Pb,La(Zr,Ti)O₃ (im folgenden abgekürzt als PLZT) und Pb(Mg,Nb)O₃ auf Si-Substraten Gegenstand extensiver Forschun gen.

Wenn insbesondere beispielsweise Pb-Ferroelektrika nach Perowskit, z. B. PZT und PLZT, mit einer großen restlichen dielektrischen Polarisierung epitaxial gezüchtet werden könn ten, könnte die Polarisierung in einer Richtung ausgerichtet werden, und damit könnten größere Polarisierungswerte und verbesserte Schalteigenschaften realisiert werden. Demzufolge wird die Anwendbarkeit auf Aufzeichnungsmedien mit hoher Dichte extrem gesteigert, so daß die Nachfrage nach der Schaffung von Verfahren der Ausbildung ferroelektrischer Dünnschichten auf Si-Substraten mit ausgezeichneten kristal linen Eigenschaften stark zunahm.

Bei der Verwendung für die Orientierung der spontanen Polari sierung in einer Richtung, der Richtung der Schichtdicke, entsprechend der vorstehenden Beschreibung, wurde im allge meinen eine sogenannte MFM(Metall-Ferroelektrik-Metall)- Struktur verwendet, bei der eine ferroelektrische Dünnschicht zwischen einer oberen und einer unteren Metalldünnschicht (Elektrodenschicht) auf einem Si-Substrat angeordnet wird. Es ist jedoch aus den nachstehend beschriebenen Gründen schwie rig, die kristallinen Eigenschaften von ferroelektrischen Dünnschichten in dieser Struktur zu verbessern, und ferro elektrische Dünnschichten, welche voll befriedigende kristal line Eigenschaften aufweisen, wurden bisher nicht erhalten.

Das bedeutet, daß, wenn ein Metallmaterial, beispielsweise Al, Cu, Ag und Au, als auf einem Si-Substrat ausgebildete Me talldünnschicht (untere Elektrode) verwendet wird, während der Ausbildung der ferroelektrischen Dünnschicht auf der ge nannten unteren Elektrode an der Verbindungsfläche der Me talldünnschicht und der ferroelektrischen Dünnschicht ein Me talloxid erzeugt wird. Wahrscheinlich tritt eine gegenseitige Diffusion zwischen dem vorerwähnten Metallmaterial und dem Si-Substrat in der Weise ein, daß bei dem Fall, bei dem ein Halbleiterelement usw. auf dem Si-Substrat ausgeformt wird, dessen Kenndaten sich möglicherweise ändern.

Ein Verfahren unter Verwendung von Pt als Metalldünnschicht wird ebenfalls in Betracht gezogen. Pt hat insofern Vorteile, als es an der Luft schwer oxidiert werden kann und es wahr scheinlich mit PZT- und Ferroelektrika, beispielsweise PLZT und BST, Gittermuster bildet. Da es jedoch bei Pt inhärent wahrscheinlich ist, daß es Verbindungen mit Elementen, bei spielsweise Si und Pb, bildet, wurde befürchtet, daß die Merkmale der auf dem Si-Substrat ausgebildeten Halbleiterele mente möglicherweise geändert werden könnten, und Verbindun gen mit an der Verbindungsfläche ausgebildeten, Pb enthalten den Ferroelektrika entstehen, so daß die kristallinen Eigen schaften der darauf ausgebildeten ferroelektrischen Dünn schichten verschlechtert werden könnten. Ein Phänomen, bei dem Sauerstoff über Korngrenzen der Pt-Dünnschicht in die un tere Schicht diffundiert, wurde beobachtet, und es wurde, ob wohl Pt an sich schwer zu oxidieren ist, befürchtet, daß die Merkmale von Elementen oder Schichten, beispielsweise Halb leiterelementen, welche an der unteren Schicht der Pt- Dünnschicht angeordnet sind, nachteilig beeinflußt werden können.

Ir oder Rh, welche eine flächenzentrierte kubische Struktur aufweisen, haben ähnlich wie Pt eine hohe Leitfähigkeit, sind im Vergleich zu Pt besser zu verarbeiten, und darüber hinaus entwickeln sie gegenüber dem Sauerstoff eine Diffusionsbar rierenfunktion, so daß das Phänomen, bei dem Sauerstoff durch die Ir-Dünnschicht durch die untere Schicht hinein diffun diert, nicht auftritt. Ir neigt nicht zur Reaktion mit ande ren Elementen, so daß die mit der Verwendung von Pt verbunde nen Probleme, wie z. B. die Änderung der Eigenschaften von Halbleiterelementen und die Verschlechterung der kristallinen Eigenschäften von ferroelektrischen Dünnschichten, vermieden werden können.

Wie oben beschrieben sind Ir und Rh geeignete Materialien für Elektrodenschichten zur Herstellung von ferroelektrischen Dünnschichten mit ausgezeichneten kristallinen Eigenschaften. Jedoch war es bezüglich der Ausbildung von Ir- oder Rh- Dünnschichten auf einem Si-Substrat schwierig, mit an sich bekannten Verfahren das epitaxiale Wachstum auszulösen. Bei spielsweise führten zwar Nakamura et al die Ir-Dünnschicht als Elektrode des PZT-Dünnschichtkondensators auf einem SiO₂/Si-Substrat nach dem RF Magnetron-Sputter-Verfahren (Jpn. J. Appl.Phys. Vol. 34 (1995), 5184) aus, gleichwohl war aber die erhaltene Ir-Dünnschicht keine epitaxiale Dünn schicht, sondern eine Schicht, die die (111) bevorzugte Ori entierung aufwies. Obwohl Horii et al die Ir-Dünnschicht auf einem YSZ/Si-Substrat durch das Sputter-Verfahren (The Japan Society of Applied Physics and Related Societies/Extended Abstracts (The 45^th Meeting (1998)) ausbildeten, wurde nur ein Film erhalten, bei dem die (100) und (111)-Orientierungen miteinander vermischt waren.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Sub strat-Metalldünnschicht zu liefern, welche so funktioniert, daß sie epitaxiale ferroelektrische Dünnschichten mit ausge zeichneten kristallinen Eigenschaften auf Si-Substraten bil det, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu liefern.

Die Vielschicht-Dünnschichtstruktur umfaßt: ein Einkristall- Si-Substrat, eine auf dem genannten Einkristall-Si-Substrat epitaxial gezüchtete MgO-Pufferschicht und eine auf der ge nannten MgO-Pufferschicht epitaxial gezüchtete, aus Ir oder Rh bestehende Metalldünnschicht.

Das Einkristall-Si-Substrat und die MgO-Pufferschicht erfül len vorzugsweise folgende kristallographischen Beziehungen:

MgO(001)//Si(001) und MgO[100]//Si[100]

Weiter vorzugsweise erfüllen das genannte Einkristall-Si- Substrat, die genannte MgO-Pufferschicht und die genannte Me talldünnschicht die folgenden kristallographischen Beziehun gen:

Metalldünnschicht (001)//MgO(001)//Si(001) und

Metalldünnschicht [100]//MgO[100]//Si[100]

Die MgO-Pufferschicht weist vorzugsweise eine mittlere Ober flächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weniger auf, und die ge nannte Metalldünnschicht weist vorzugsweise eine mittlere Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weniger auf.

Zusätzlich zu der oben erläuterten Vielschicht-Dünnschicht struktur weist das ferroelektrische Dünnschichtelement eine auf der genannten Vielschicht-Dünnschichtstruktur orientiert gezüchtete ferroelektrische Dünnschicht und eine auf der ge nannten ferroelektrischen Dünnschicht ausgebildete obere Elektrode auf.

Das Verfahren zur Herstellung einer Vielschicht-Dünnschicht struktur umfaßt die Schritte des epitaxialen Züchtens einer MgO-Pufferschicht auf einem Einkristall-Si-Substrat und das epitaxiale Züchten einer aus Ir oder Rh bestehenden Metall dünnschicht auf der genannten MgO-Pufferschicht.

Die MgO-Pufferschicht wird vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 350 bis 900°C und einer Wachstumsgeschwindigkeit von 1,0 bis 2,0 nm/min und weiter vorzugsweise bei einer Tempera tur von ca. 500 bis 900°C ausgebildet.

Das Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Dünn schichtelementes umfaßt zusätzlich zu dem oben erläuterten Verfahren den Schritt des orientierten Züchtens einer ferro elektrischen Dünnschicht auf der genannten Vielschicht- Dünnschichtstruktur und das Ausformen einer oberen Elektrode auf der genannten ferroelektrischen Dünnschicht.

Durch Einschieben der epitaxialen MgO-Schicht als Puffer schicht auf dem Si-Substrat und durch Verwendung der Viel schicht-Dünnschichtstruktkur, bei der die Metalldünnschicht aus Ir oder Rh mit einer flächenzentrierten kubischen Struk tur auf der MgO-Schicht ausgebildet wird, kann auf dem Si- Substrat eine epitaxiale Metalldünnschicht mit ausgezeichne ten kristallinen Eigenschaften und mit ausgezeichneter Ober flächenglätte ausgebildet werden. Außerdem können auf der epitaxialen Metalldünnschicht funktionale Dünnschichten von Ferroelektrika usw. mit guter Orientierung nach einer oder mehreren Achsen ausgebildet werden.

Bei Ir und Rh ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß eine Sauerstoffdiffusion oder eine Reaktion mit anderen Elementen eintritt. Demzufolge kann bei dem Fall, bei dem das ferro elektrische Dünnschichtelement auf dem Si-Substrat ausgebil det ist, wobei die epitaxial gezüchtete Ir-Dünnschicht oder Rh-Dünnschicht als untere Elektrode des ferroelektrischen Dünnschichtelementes verwendet wird, ohne Veränderung der Merkmale des auf dem Si-Substrat ausgebildeten Halbleiterele mentes usw. eine ferroelektrische Dünnschicht mit ausgezeich neten kristallinen Eigenschaften ausgeformt werden.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu tert werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht mit der Darstellung eines entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Dünnschichtkondensators;

Fig. 2 das Ergebnis einer Röntgendiffraktion der Viel schicht-Dünnschichtstruktur, die beim ersten Ausfüh rungsbeispiel erhalten wurde;

Fig. 3A und 3B die analytischen Ergebnisse der Polfigur, wel che die Orientierungseigenschaften in der Schichtebe ne der MgO-Dünnschicht bzw. der beim ersten Ausfüh rugnsbeispiel erhaltenen Ir-Dünnschicht zeigt;

Fig. 4A und 4B AFM-Muster, die jeweils die Oberfläche der Ir- Dünnschicht der ersten Ausführungsform und die Pt- Dünnschicht des Vergleichsbeispiels zeigen.

Die Erfinder haben gewissenhaft versucht zu entdecken, daß Ir oder Rh mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur epi taxial auf einem Si-Substrat gezüchtet werden können, indem als dazwischengelegte Pufferschicht auf dem Si-Substrat eine MgO-Schicht ausgeformt wird, und sie brachten die vorliegende Erfindung zum Abschluß.

Es wurde nämlich entdeckt, daß die Auswahl einer geeigneten Pufferschicht ein für das epitaxiale Wachstum von Ir oder Rh auf dem Si-Substrat wichtiger Punkt ist. MgO weist 0,421 nm Gitterlänge auf, und MgO wächst auf dem Si-Substrat epita xial. Auf der anderen Seite hat Ir eine flächenzentrierte ku bische Struktur und eine Gitterlänge von 0,384 nm und Rh eine Gitterlänge von 0,372 nm und liegt damit sehr nahe bei der Gitterlänge von MgO, so daß es möglich ist, Ir oder Rh auf einer MgO-Schicht epitaxial zu züchten.

Für den Fall, daß die MgO-Dünnschicht bei der Ausbildung der epitaxialen Ir-Dünnschicht oder der epitaxialen Rh- Dünnschicht als Pufferschicht verwendet wird, ist es nicht nur wünschenswert, daß die kristallinen Eigenschaften der MgO-Dünnschicht gut sind, sondern auch, daß sie eine ausge zeichnete Oberflächenglätte aufweist. Bezüglich dieses Punk tes wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, und es wurde festgestellt, daß bei der Ausformung der MgO-Pufferschicht bei einer Schichtherstellungstemperatur von ca. 350 bis 900°C und bei einer Schichtherstellungsgeschwindigkeit von ungefähr 1,0 bis 2,0 nm/min die Glätte (spezifisch ca. 1,5 nm oder we niger durchschnittliche Oberflächenrauheit), welche für das Ausbilden der epitaxialen Ir-Dünnschicht oder der epitaxialen Rh-Dünnschicht ausreichend ist, erreicht werden kann.

Für den Fall, daß die Ir-Dünnschicht oder Rh-Dünnschicht als untere Elektrode für die Ausbildung ferroelektrischer Dünn schichten mit ausgezeichneten kristallinen Eigenschaften ver wendet wird, wird gewünscht, daß nicht nur die kristallinen Eigenschaften der Ir-Dünnschicht oder der Rh-Dünnschicht aus gezeichnet sind, sondern auch, daß die Oberfläche eine ausge zeichnete Glätte aufweist. Diesbezüglich wurden Versuche an gestellt, und es wurde festgestellt, daß durch das Ausformen der Ir-Elektrodenschicht oder Rh-Elektrodenschicht bei einer Schichtherstellungstemperatur von ca. 500 bis 900°C und einer Schichtherstellungsgeschwindigkeit von ungefähr 1,0 bis 2,0 nm/min die Glätte (spezifisch ca. 1,5 nm oder weniger durch schnittliche Oberflächenrauheit), welche für das Ausformen von ferroelektrischen Dünnschichten mit ausgezeichneten kri stallinen Eigenschaften ausreichend ist, erreicht werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er findung detailliert und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Dünnschichtkondensator, der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vielschicht-Dünnschichtstruktur gebildet wurde, und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren be schrieben.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht mit der Darstellung der Struktur eines Dünnschichtkondensators nach diesem Ausfüh rungsbeispiel. In der Zeichnung bezeichnet jeweils 1 ein Si- Substrat, 2 bezeichnet eine MgO-Dünnschicht, die eine epita xial auf dem Si-Substrat 1 gezüchtete Pufferschicht dar stellt, 3 bezeichnet eine Ir-Dünnschicht, die die untere Elektrode eines auf der MgO-Dünnschicht 2 epitaxial gezüchte ten Dünnschichtkondensators darstellt, 4 bezeichnet eine epi taxial auf der Ir-Dünnschicht gezüchtete Dünnschicht, und 5 bezeichnet eine auf der PZT-Dünnschicht 4 ausgebildete Pt- Dünnschicht, welche die obere Elektrode des Dünnschichtkon densators darstellt.

Als nächstes wird ein Herstellverfahren für den oben erwähn ten Dünnschichtkondensator 10 erläutert. Ein Si(001)- Einkristallsubstrat mit 2 Zoll Durchmesser wird als Si- Substrat 1 vorbereitet. Das Si-Substrat wird einer Ultra schallreinigung in einem organischen Lösungsmittel, z. B. Aze ton oder Äthanol, unterzogen und in eine Lösung von HF = H₂O : Äthanol = 1 : 1 : 10 eingetaucht, um die Oxydschicht auf der Oberfläche des Si-Substrats zu entfernen.

Dann wird unter Verwendung eines PLD-Gerätes (Pulsed Laser Deposition Apparatus - Schichtabscheidung mit gepulsten La serstrahlen) auf dem Substrat eine MgO-Dünnschicht 2 mit ca. 50 nm Stärke unter den in Tabelle 1 dargestellten Bedingungen gebildet. Die erhaltene MgO-Dünnschicht 2 ist eine epitaxiale Schicht. Jetzt ist bestätigt, daß die MgO-Dünnschicht bei ei nem Sauerstoffdruck von 10^-5 Torr in einem Schichtherstel lungsgerät epitaxial wächst. Um jedoch eine MgO-Dünnschicht mit noch besseren kristallinen Eigenschaften zur Verbesserung der kristallinen Orientierungseigenschaft der darauf gebilde ten Ir-Dünnschicht zu erreichen, wird der Druck vorzugsweise auf 10^-6 Torr oder weniger eingestellt. Die Reinheit des ver wendeten Mg-Metall-Target soll 99,9% oder mehr betragen. Des weiteren kann auch ein gesintertes MgO-Target als Target ver wendet werden, und in einem solchen Fall liegt die relative Dichte des gesinterten MgO vorzugsweise bei 90% oder mehr, weiter vorzugsweise bei 95% oder mehr.

Tabelle 1

Laseroszillator	ArF Excimer Laser
Wellenlänge	193 nm
Laserwiederholungsfrequenz	3 Hz
Laserenergiedichte	4 J/cm²
Schichtherstellungstemperatur	650°C
Target	Mg-Metall
Atmosphäre	Sauerstoff (2 × 10^-6Torr)
Entfernung Substrat-Zielmaterial	50 mm
Substratdrehzahl	10 RPM
Schichtherstellungsgeschwindigkeit	1 ~ 2 nm/min

Nach der Ausbildung der MgO-Dünnschicht wird die Sauerstoff zufuhr gestoppt, der Hintergrunddruck wird durch Abpumpen während 10 Minuten oder mehr auf 2 × 10^-7 Torr eingestellt, und das bei der Schichtherstellung verwendete Target wird ausgetauscht. Dann wird der Druck der Zuchtkammer unter Ver wendung eines Druckregulierventils auf 2 × 10^-6 Torr einge stellt, und es wird unter Verwendung der vorerwähnten MgO- Dünnschicht als Pufferschicht unter den in Tabelle 2 ausge wiesenen Bedingungen eine Ir-Dünnschicht 3 mit ungefähr 100 nm Stärke ausgeformt. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Gitter länge von Ir sehr nahe bei der Gitterlänge von MgO, so daß die erhaltene Ir-Dünnschicht 3 epitaxial auf der MgO- Dünnschicht gezüchtet wird. Die Reinheit des verwendeten Ir- Metall-Target soll 99,9% oder mehr betragen.

Tabelle 2

Laseroszillator	ArF Excimer Laser
Wellenlänge	193 nm
Laserwiederholungsfrequenz	10 Hz
Laserenergiedichte	4 J/cm²
Schichtherstellungstemperatur	650°C
Target	Ir-Metall
Atmosphäre	Sauerstoff (2 × 10^-6Torr)
Entfernung Substrat-Zielmaterial	50 mm
Substratdrehzahl	10 RPM
Schichtherstellungsgeschwindigkeit	1 ~ 2 nm/min

Die erwähnte MgO-Dünnschicht 2 und die Ir-Dünnschicht 3 wur den nacheinander im gleichen Schichtherstellungsgerät herge stellt, wobei das Target entsprechend der auszubildenden Dünnschicht geändert wurde.

Durch Bilden einer PZT-Dünnschicht auf der so erhaltenen epi taxialen Ir-Dünnschicht 3 wird die epitaxial gezüchtete PZT- Dünnschicht 4 erhalten. Der Dünnschichtkondensator kann aus gebildet werden, indem beispielsweise eine Pt-Dünnschicht als obere Elektrode des Dünnschichtkondensators auf der PZT- Dünnschicht 4 beispielsweise unter Verwendung des Dampfab scheidungsverfahrens ausgebildet wird.

Anschließend werden analytische Ergebnisse der kristallinen Eigenschaften und der Oberflächenglätte jeder Dünnschicht des nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhaltenen Dünn schichtkondensators erläutert. Es ergibt sich aus dem XRD- Diffraktionsmuster der auf dem Si-Substrat (Fig. 2) ausgebil deten Ir/MgO-Vielschicht-Dünnschichtstruktur, daß abgesehen von den auf dem Si (001) des Substrats basierenden Spitzen lediglich eine Spitze von MgO (002) und eine Spitze von Ir (002) erfaßt werden. Demzufolge ist es klar, daß jede Dünn schicht mit (001)-Orientierung gebildet wird (Da die Diffrak tionsstärke von MgO im Vergleich zu Ir schwach ist, wurde die Ordinatenachse im Maßstab in der Zeichnung um das 20fache vergrößert). Das heißt also, die Orientierung der Richtungen des Schichtwachstums erfüllt die Beziehung Ir(001)//MgO(001)//Si(001).

Um die Orientierungseigenschaften der Schichtfläche der MgO- Dünnschicht und der Ir-Dünnschicht zu bestätigen, wurde jede Polfigur der (220)-Ebene analysiert. Die Ergebnisse erschei nen in den Fig. 3A und 3B. Es kann aus den Zeichnungen entnommen werden, daß, nachdem die Spitzen der Symmetrie viermal erfaßt werden, festgestellt wird, daß die MgO-Dünn schicht und die Ir-Dünnschicht epitaxial gezüchtet wurden. Durch In situ-Beobachtung unter Verwendung der Hochener gieelektronenbeugung (RHEED) wurde die Orientierung in der Ebene der Si-Dünnschicht, der MgO-Dünnschicht und der Ir- Dünnschicht bestätigt und erfüllt die Beziehung Ir [100]//MgO[100]//Si[100]. Das heißt, die [100]-Richtungen der MgO-Dünnschicht und der Si-Dünnschicht fallen mit der [100]- Richtung der Ir-Dünnschicht in einer zur Kristallwachstums richtung senkrechten Ebene zusammen.

Zum Vergleich mit den an sich bekannten Verfahren wurde ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Ir-Dünnschicht in dem vorlie genden Ausführungsbeispiel durch Pt ersetzt wurde, vorberei tet. Die Bildung der Dünnschicht war abgesehen von dem Anteil der Pt-Dünnschicht und den Schichtherstellungsbedingungen die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Pt- Dünnschicht wurde durch das RF-Sputterverfahren unter Verwen dung des Pt-Metall-Target mit 99,9% Reinheit oder mehr her gestellt. Die Ergebnisse des Vergleichs des Pt-Dünnschicht anteils im Vergleichsbeispiel mit dem Ir-Dünnschichtanteil in dem ersten Ausführungsbeispiel wird in Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

Es ergibt sich aus der vorstehenden Tabelle 3, daß die Ir- Dünnschicht nach diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zur Pt-Dünnschicht des Vergleichsbeispiels verbesserte kristalli ne Eigenschaften aufweist (da die Spitze der Halbwertsbreite (002) kleiner ist), und es wurde eine kristalline Dünnschicht mit einer flacheren bzw. glatteren Oberfläche erhalten. Die Halbwertsbreitenspitze (002) wurde aus einer XRD-Pendelkurve ermittelt. Die mittlere Oberflächenrauheit wurde unter Ver wendung von AFM über eine Fläche von 5ì m × 5ì m in der Dünnschichtoberfläche gemessen, und die Fig. 4A und 4B zeigen Oberflächen-AFM-Muster der Ir-Dünnschicht dieser Aus führungsform, und die Pt-Dünnschicht des Vergleichsbeispiels bestätigte, daß die Oberfläche des Vergleichsbeispiels uneben oder relativ rauh ist, während auf der anderen Seite die Oberfläche bei diesem Ausführungsbeispiel flach und glatter ist.

Wie beim vorstehende erwähnten Ausführungsbeispiel wurde ein Si-(001)Substrat verwendet, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und es kann auch ein Substrat von Si(111), Si(110) usw. verwendet werden. Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel werden die MgO-Dünnschicht und die Ir- Dünnschicht unter Verwendung des PLD-Gerätes (Schichtab scheidung mit gepulsten Laserstrahlen) ausgebildet, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und die Dünn schichten können durch ein anderes Verfahren ausgebildet wer den, beispielsweise das Ionenstrahl-Dampfabscheidungs- Verfahren, das Ionenstrahlsputter-Verfahren, das Elektronen strahl-Dampfabscheidungs-Verfahren, das Molekularstrahlepita xie-Verfahren (MBE - Molecular Beam Epitaxy) und das Chemi sche Dampfabscheidungs-Verfahren (CVD - Chemical Vapor Depo sition).

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die epitaxial gezüchtete PZD-Dünnschicht auf der epitaxial gezüchteten Ir- Dünnschicht ausgebildet, die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt, es ist vielmehr möglich, in analoger Form dielektrische Dünnschichten und ferroelektrische Dünnschich ten mit guten Orientierungseigenschaften und einer oder meh reren Achsen auszubilden.

Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, daß die epitaxial gezüchtete Ir-Dünnschicht als untere Elektrode des Dünnschichtkondensators verwendet wird. Jedoch kann auch eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur, welche eine Struktur aufweist, die aus dem epitaxial gezüchteten Ir/MgO/Si- Substrat besteht, für ferroelektrische Dünnschichtelemente, außer Dünnschichtkondensatoren, verwendet werden, beispiels weise für Kondensatoren für DRAMs und ferroelektrische RAMs (FeRAM), pyroelektrische Elemente, Mikroaktuatoren, Elektro denschichten z. B. für kleine piezoelektrische Elemente usw.

Zweites Ausführungsbeispiel

Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, daß der Teil, der sich auf die Ir-Dünnschicht 3 in dem ersten Ausführungsbeispiel bezog, durch eine Rh- Dünnschicht ersetzt wurde. Bei der Ausbildung der Rh- Dünnschicht wurde ein Rh-Metall-Target mit 99,9% oder mehr Reinheitsgrad verwendet. Die Herstellung anderer Dünnschich ten und die Schichtherstellungsbedingungen waren die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, so daß die entsprechen den Erklärungen hier weggelassen werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die Ir-Dünnschicht durch die Rh-Dünnschicht ersetzt wird, wurde durch eine Ana lyse unter Verwendung von Röntgenstrahlen-Diffraktion bestä tigt, daß die Rh-Dünnschicht epitaxial gezüchtet wurde. Au ßerdem wurde durch eine ATM-Beobachtung des Oberflächenzu standes der Rh-Dünnschicht dieses Ausführungsbeispiels bestä tigt, daß die Oberfläche eine flache ebene Schicht war.

Es wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung of fengelegt, verschiedene Arten der Umsetzung der hierin offen gelegten Grundsätze werden jedoch als im Rahmen der folgenden Patentansprüche liegend betrachtet. Demzufolge versteht es sich, daß der Erfindungsrahmen nur durch die nachstehenden Patentansprüche eingeschränkt wurde.

Claims

1. Vielschicht-Dünnschichtstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
ein Einkristall-Si-Substrat,
eine epitaxial gezüchtete MgO-Pufferschicht auf dem ge nannten Einkristall-Si-Substrat und
eine epitaxial auf der genannten MgO-Pufferschicht ge züchtete Ir oder Rh umfassende Metalldünnschicht.

2. Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Einkristall-Si-Substrat und die genannte MgO-Pufferschicht folgenden kristallo graphischen Beziehungen gerecht werden:
MgO(001)//Si(001) und
MgO[100]//Si[100].

3. Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Einkristall-Si-Substrat, die genannte MgO-Pufferschicht und die genannte Metall dünnschicht folgenden kristallographischen Beziehungen gerecht werden:
Metalldünnschicht (001)//MgO(001)//Si(001) und
Metalldünnschicht [100]//MgO[100]//Si[100].

4. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die genannte MgO-Pufferschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

5. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

6. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die genannte MgO-Pufferschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

7. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

8. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die genannte MgO-Pufferschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

9. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

10. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht eine durch schnittliche Oberflächenrauheit von ca. 1,5 nm oder weni ger aufweist.

11. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht Ir aufweist.

12. Vielschicht-Dünnschichtstruktur oder ferroelektrisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die genannte Metalldünnschicht Rh aufweist.

13. Ferroelektrisches Dünnschichtelement, dadurch gekenn zeichnet, daß es umfaßt:
eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 5,
eine orientierte ferroelektrische Dünnschicht auf der ge nannten Vielschicht-Dünnschichtstruktur, und
eine Elektrode auf der genannten ferroelektrischen Dünn schicht.

14. Ferroelektrisches Dünnschichtelement, dadurch gekenn zeichnet, daß es umfaßt:
eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 3,
eine orientierte ferroelektrische Dünnschicht auf der ge nannten Vielschicht-Dünnschichtstruktur, und
eine Elektrode auf der genannten ferroelektrischen Dünn schicht.

15. Ferroelektrisches Dünnschichtelement, dadurch gekenn zeichnet, daß es umfaßt:
eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 2,
eine orientierte ferroelektrische Dünnschicht auf der ge nannten Vielschicht-Dünnschichtstruktur, und
eine Elektrode auf der genannten ferroelektrischen Dünn schicht.

16. Ferroelektrisches Dünnschichtelement, dadurch gekenn zeichnet, daß es umfaßt:
eine Vielschicht-Dünnschichtstruktur nach Anspruch 1,
eine orientierte ferroelektrische Dünnschicht auf der ge nannten Vielschicht-Dünnschichtstruktur, und
eine Elektrode auf der genannten ferroelektrischen Dünn schicht.

17. Verfahren zur Herstellung einer Vielschicht-Dünnschicht struktur, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
epitaxiales Züchten einer MgO-Pufferschicht auf einem Einkristall-Si-Substrat und
epitaxiales Züchten einer Metalldünnschicht auf der ge nannten MgO-Pufferschicht, welche Ir oder Rh aufweist.

18. Verfahren zur Herstellung einer Vielschicht-Dünnschicht struktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte MgO-Pufferschicht bei einer Temperatur von ca. 350 bis 900°C und einer Wachstumsgeschwindigkeit von ca. 1,0 bis 2,0 nm/min ausgebildet wird.

19. Verfahren zur Herstellung einer Vielschicht-Dünnschicht struktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte MgO-Pufferschicht bei einer Temperatur von ca. 500 bis 900°C und einer Wachstumsgeschwindigkeit von ca. 1,0 bis 2,0 nm/min ausgebildet wird.

20. Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Dünn schichtelementes, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
epitaxiales Züchten einer MgO-Pufferschicht auf einem Einkristall-Si-Substrat und
epitaxiales Züchten einer Metalldünnschicht auf der ge nannten MgO-Pufferschicht, welche Ir oder Rh aufweist,
orientierungsgerechtes Züchten einer ferroelektrischen Dünnschicht auf der genannten Vielschicht-Dünnschicht struktur und
Ausbilden einer Elektrode auf der genannten ferroelektri schen Dünnschicht.