(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に積層されてパターニングされる下部電極と、前記下部電極上に塗布されてパターニングされるペロブスカイト構造を持つＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴａＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、ＣａＴｉＯ3から選択されるいずれか一つである誘電体物質からなる誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に積層されてパターニングされる上部電極とからなる多層酸化物人工格子を有する素子において、
互いに異なる誘電定数を持つ２の前記誘電体薄膜を２層ずつ積層して全体的に４個の単位格子を形成し、前記４個の単位格子を一つ以上積層配列してなる同じ方位性を持つ一つの人工格子を形成したことを特徴とする多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項２】
前記基板と誘電体薄膜との間に媒介層を挿入し、前記基板と誘電体薄膜の各々の方位性が任意の傾きを持つ結晶構造からなることを特徴とする請求項１に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項３】
前記２の誘電体薄膜はそれぞれＢａＴｉＯ3及びＳｒＴｉＯ3からなり、ＢａＴｉＯ3からなる誘電体薄膜は１．０１≦ｃ／ａ≦１．０５の範囲内でｃ−軸に格子が変形され、ＳｒＴｉＯ3からなる誘電体薄膜は０．０８≦ｃ／ａ≦１．０の範囲内でａ−軸に格子が変形されることを特徴とする請求項１または２に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項４】
前記人工格子はＤＲＡＭのキャパシタであることを特徴とする請求項３に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項５】
前記人工格子は電圧によって誘電率が変化するマイクロウエーブチューナブルデバイスのキャパシタであることを特徴とする請求項３に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項６】
前記人工格子はＭＯＳ素子のゲート酸化膜であることを特徴とする請求項３に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子。
【請求項７】
請求項１に記載の多層酸化物人工格子を持つ素子の製造方法において、
前記誘電体薄膜はパルスレーザ蒸着法による製造工程から製造され、
前記製造工程は、分当り１０℃上昇させて蒸着時の蒸着温度を６００℃乃至７００℃の範囲内で設定し、酸素分圧は１ｍＴｏｒｒ乃至３００ｍＴｏｒｒの範囲内で設定された値で維持して工程雰囲気を形成する段階と、
８ｒｐｍ乃至１２ｒｐｍの範囲内で設定された回転速度で基板を回転させる段階と、
レーザーソースでＫｒＦガスを使用して８ｍｍ×２ｍｍの大きさを持つようにフォーカシングし、前記レーザーのパワー強度を１Ｊ/ｃｍ2乃至３Ｊ/ｃｍ2の範囲内で設定して前記誘電体物質を基板に入射させる段階と、
ＢａＴｉＯ3層は９（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）乃至１３（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）範囲内で、ＳｒＴｉＯ3層は１１（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）乃至１５（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）の範囲内で各々の蒸着速度を設定して、レーザーを秒当たり１ｐｕｌｓｅでターゲットに入射させて蒸着工程を行う段階、及び、
前記誘電体物質により人工格子が形成されれば、チャンバー内の酸素分圧を３００Ｔｏｒｒ乃至５００Ｔｏｒｒの範囲内で設定された値で維持しながらチャンバー内の温度を常温まで下降させる段階と、
を含んでなることを特徴とする多層酸化物人工格子を持つ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層酸化物人工格子を持つ素子及びその製造方法に関し、特に、高周波可変電圧素子の可変性、メモリキャパシタ及びＭＯＳ素子のゲート酸化膜の誘電率を高めるために、特定配列を持つ原子単位層または単位格子層を積層して人工格子を形成させた多層酸化物人工格子を持つ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体技術は２０世紀後半の代表的な技術として、科学技術の急激な発展の象徴的な意味と見なされる程であり急速に発展してきた。このような半導体素子はＣＰＵとメモリを中心に、その高速化及び大容量化が急速に達成されている。半導体メモリは１ＧＢ以上の高密度化がなされており、数ナノ秒（ｎａｎｏ  ｓｅｃｏｎｄ）程度の速いデータ入出力が可能な高速（ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ）ＤＲＡＭが登場した（Ｈｉｔａｃｈｉ，  Ｌｔｄ．＃，  （ＴＳＥ：６５０１）  ａｎｄ  Ｅｌｐｉｄａ  Ｍｅｍｏｒｙ，  Ｉｎｃ．，  Ｊａｐａｎ，  ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，  ２６，  ２００１．／物理学と先端世界９（７／８）、３３（２０００））。現在のように大容量の情報が交換される情報通信社会で要求される高速化と大容量化を達成するために、新しい半導体工程及び材料等に関する研究が進行されてきたのであり、その研究対象が金属酸化物である。この金属酸化物は多様な結晶構造によって多様な物理的性質を持つため、既存の半導体材料及び絶縁体材料で得られなかった非常に多様な機能を提供する。すなわち、高誘電率を通した高集積メモリ、非揮発性メモリ、移動通信部品応用のための高周波誘電体、高温超伝導体、自己抵抗効果を利用したセンサー、伝導性を利用した半導体／電子素子の電極等、酸化物が絶縁体という既存の概念を越えて非常に広範囲に応用されており、これを最近は酸化物電子工学であると言われる程である（Ｐ．＃Ａ．＃Ｃｏｘ，  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅｓ（Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ，  Ｏｘｆｏｒｄ，  １９９２））。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような多様な性質中で高誘電率を持つ酸化物材料の開発は高集積化の核心といえ、これに対する研究意欲はより高い。今後のキャパシタでは有効等価厚さが１ｎｍ級以下の次世代材料が要求されており、ゲートサイズ（ｇａｔｅ  ｓｉｚｅ）７０ｎｍ級ＣＭＯＳのゲート絶縁膜も１ｎｍ以下が要求されている。酸化物誘電体中の強誘電体酸化物は他の誘電体に比べて非常に高い誘電率を持つため、ＤＲＡＭのギガ級以上の高密度化を実現するための最も有力な材料として国内外で非常に活発に研究されている（Ｒ．Ａ．Ｍｃｋｅｅ  ｅｔ  ａｌ．，  ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８１，  ３０１４  （１９９８）．／Ｄ．Ｅ．ｋｏｔｅｃｈ，  Ｉｎｔｅｇｒ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，  １６，  １（１９９７）．）。また、半導体の基本構造であるＣＭＯＳの高密度及び高速化のためにＣＭＯＳのゲート絶縁膜厚さは２ｎｍ以下が必要になるが、絶縁膜厚さが非常に薄くなるにつれて電子のトンネルリング等量子効果が発生するという問題点がある。最近、こうした問題点の克服のために、誘電率の高い強誘電体物質がゲート絶縁膜として用いられている。高誘電率酸化物中で最も注目を受ける材料はぺロブスカイト構造を持つ酸化物として、ぺロブスカイト酸化物材料は多様な物理的性質を持つため、すなわち高誘電率、強誘電体の性質、圧電性質、電気光学的な性質などを持つため、非揮発性半導体メモリ、圧電素子、光通信素子、超伝導素子等に多様に利用されており、素子実現のための研究が広範囲に進められてきた（Ｍ．Ｈｏｎｇ．ｅｔ  ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１８９７（１９９９））。酸化物はＡＢＯ３構造の比較的簡単な構造で、ほとんど立方体の構造（ｃｕｂｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を持つため、物理的性質の理解が比較的容易で多様に利用されてきた。代表的な物質としてはＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、（Ｐｂ，Ｚｒ）ＴｉＯ３などがある。しかし、強誘電体を使用する多様な電子あるいは光学素子は自然系に存在する前記のような物質を採用してなされた。したがって、強誘電体の基本的な限界である臨界現象を克服できず、すなわち素子の高集積化、高密度化とこれによる素材のナノスケール化に限界があって、高機能のナノ素子への接近及び実現が不可能であった。このため、既存の物質で接近する方法以外に誘電体人工物質を通した実現可能な新しい接近が必要である（Ｋ．Ｕｅｄａ，  Ｈ．Ｔａｂａｔａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｋａｗａｉ，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８０，  １０６４  （１９９８）．）。酸化物人工格子の製造は、最近研究され始め、これを通じて自然系で得られなかった新しい超伝導物質を得たり強磁性スピン整列を得る等、ナノスケールの薄膜成長技術と材料設計で新概念の新物質として登場した（Ｈ．Ｔａｂａｔａ  ａｎｄ  Ｔａｎａｋａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｋａｗａｉ，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５，１９７０  （１９９４）．／Ｅ．Ｄ．Ｓｐｅｃｈｔ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，  ４３１７  （１９９８）．）。
【０００４】
一方、最近の通信素子例えば移相器（Ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｅｒ）、チューナブルフィルター  （Ｔｕｎａｂｌｅ  ｆｉｌｔｅｒ）、可動アンテナ（Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  ａｎｔｅｎｎａ）などのような高周波可変電圧素子は高い可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）が要求されるが、既存の可変電圧素子の場合、金属電極間に形成される絶縁体薄膜として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３薄膜を利用して金属−絶縁体−金属（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ）の構造を形成後、前記金属電極に印加された１ＭＶ／ｃｍの電場で約７４％の可変性が得られた（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ−ｓｐｕｔｔｅｒ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ（ＢａｘＳｒ１−ｘ）Ｔｉ１＋ｙＯ３＋ｚ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｆｏｒ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｄｅｖｉｃｅ”，  Ｊ．Ｉｍ  ｅｔ  ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６．  ６２５）。また、金属電極間に形成される絶縁体薄膜としてＳｒＴｉＯ３薄膜を利用して金属−絶縁体−金属の構造を形成後、前記金属電極に印加された０．３ＭＶ／ｃｍの電場で約５５％の可変性のみが得られた（”Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  ｓｔｒａｉｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳｒＴｉＯ３  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”，  Ｓ．Ｈｙｕｎ  ａｎｄ  Ｋ．Ｃｈａｒ，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９，  ２５４）。
【０００５】
よって、本発明の目的は、人工物質の成長を通じて前に言及した自然系に存在する物質の限界を克服するために、ＬＢＬ（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）構造で成長処理した多様な原子を連続積層して構成した酸化物人工格子の積層工程を進行させ誘電体臨界大きさをナノスケール化させて自然系に存在しないナノスケール誘電体（準安定相が可能）を製造することで、これにより発生し得る誘電体の固有特性である高誘電率特性をテラ級以上の半導体メモリの高誘電率キャパシタあるいはゲート絶縁膜を持つ素子、及び高周波可変電圧素子等に適用することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、高周波可変電圧素子やＤＲＡＭで使われる酸化物薄膜を人為的にＢａＴｉＯ３とＳｒＴｉＯ３  などのような誘電体物質を周期的に積層成長させた人工格子に代えて、高周波可変電圧素子やＤＲＡＭの大きさをコンパックに製造でき、高速及び高周波要求に相応できるように高い可変性と高誘電率を持つ多層酸化物人工格子を持つ素子及びその製造方法を提供することにある。これは人為的にＬＢＬ（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）構造でＢＴＯとＳＴＯが積層成長されて原子単位厚さ層の人工格子を形成する場合、ＢＴＯとＳＴＯの界面に加えられる応力により高い電圧可変性（ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ  ＝（Ｃｍａｘ−Ｃｍｉｎ）／Ｃｍｉｎ）と高誘電定数を示し、薄膜厚さが減少してもこれらを維持する酸化物人工格子の特性を利用した高周波可変電圧素子（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｖｏｔａｇｅ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）とＤＲＡＭのキャパシタ、及びＭＯＳ素子のゲート酸化膜等に応用するためである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に積層されてパターニングされる下部電極と、前記下部電極上に塗布されてパターニングされるペロブスカイト構造を持つＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴａＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、ＣａＴｉＯ3から選択されるいずれか一つである誘電体物質からなる誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に積層されてパターニングされる上部電極とからなる多層酸化物人工格子を有する素子において、
互いに異なる誘電定数を持つ２の誘電体薄膜を２層ずつ積層して全体的に４個の単位格子を形成し、前記４個の単位格子を一つ以上積層配列してなる同じ方位性を持つ一つの人工格子を形成したことを特徴とする。
【０００８】
前記誘電体薄膜は、いわばＬＢＬ（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）成長処理によって単一格子厚さ（〜０．４ｎｍ）を連続的に塗布してなる。
【０００９】
前記誘電体物質はぺロブスカイト構造を持つＢａＴｉＯ3とＳｒＴｉＯ3であるのがより望ましい。このとき、ＢａＴｉＯ3は１．０１≦ｃ／ａ≦１．０５の範囲内でｃ−軸に格子が変形され、ＳｒＴｉＯ3はＳｒＴｉＯ3は０．０８≦ｃ／ａ≦１．０の範囲内でａ−軸に格子が変形されるのがよい。
【００１０】
また、前記基板と誘電体薄膜は同じ方位性を持つ結晶構造であり、前記誘電体薄膜はＤＲＡＭのキャパシタ及びＭＯＳ素子のゲート酸化膜に利用されたり、電圧によって誘電率が変化するマイクロウエーブチューナブルデバイスのキャパシタに利用されることができる。
【００１２】
一方、本発明の多層酸化物人工格子を持つ素子の製造方法において、前記誘電体薄膜はパルスレーザ蒸着法による製造工程から製造され、前記製造工程は、分当り１０℃上昇させて蒸着時の蒸着温度を６００℃乃至７００℃の範囲内で設定し、酸素分圧は１ｍＴｏｒｒ乃至３００ｍＴｏｒｒの範囲内で設定された値で維持して工程雰囲気を形成する段階と、８rpm乃至１２rpmの範囲内で設定された回転速度で基板を回転させる段階と、レーザーソースでＫｒＦガスを使用して８ｍｍ×２ｍｍの大きさを持つようにフォーカシングし、前記レーザーのパワー強度を１Ｊ/ｃｍ2乃至３Ｊ/ｃｍ2の範囲内で設定して誘電体物質を基板に入射させる段階と、ＢａＴｉＯ3層は９（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）乃至１３（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）範囲内で、ＳｒＴｉＯ3層は蒸着速度を各々１１（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）乃至１５（ｐｕｌｓｅ／１単位格子）の範囲内で各々の蒸着速度を設定して、レーザーを秒当たり１ｐｕｌｓｅでターゲットに入射させて蒸着工程を行う段階、及び、前記誘電体物質により人工格子が形成されれば、チャンバー内の酸素分圧を３００Ｔｏｒｒ乃至５００Ｔｏｒｒの範囲内で設定された値で維持しながらチャンバー内の温度を常温まで下降させる段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の多層酸化物人工格子を形成するために使用したＰＬＤシステムを概略的に示した図である。図１を参照すれば、参照番号１はエキシマレーザー、２は減衰器、３はフォーカシングレンズ、４は下部電極を形成させたターゲット基板、５はヒーターを各々示す。レーザーソース（ｓｏｕｒｃｅ）としてはＫｒＦガスを使用して２４８ｎｍの波長を持って３０ｎｓのパルスを発生させるランダフィジックス（Ｌａｍｂｄａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）社のＣＯＭＰＥＸ２０５エキシマレーザー１を使用した。ターゲットとしては純度９９．９％のＢａＴｉＯ３とＳｒＴｉＯ３ターゲットを使用した。前記減衰器２はレーザーエネルギーを調節するためにシリカグラス（ｓｉｌｉｃａ  ｇｌａｓｓ）を利用した。以後、真空チャンバに入射されたレーザーに対してターゲット基板で８ｍｍｘ２ｍｍの大きさを持つようにしたフォーカシングレンズ３を調節し、レーザーのパワー強度（ｐｏｗｅｒ  ｄｅｎｓｉｔｙ）は２Ｊ／ｃｍ２で設定した。
【００１４】
ここで、パルスレーザー蒸着（Ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ；  以下、ＰＬＤという）方法に対して簡単に説明する。このＰＬＤ方法はレーザーで出るパルスを光学レンズで集積（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）することで、非常に大きい単位面積当たりエネルギーが得られることを活用した一種の熱プラズマ（ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｌａｓｍａ）蒸着法である。真空チャンバ（ｖａｃｕｕｍ  ｃｈａｍｂｅｒ）内に入射されたフォーカシングレーザーパルスが所定の化学組成を有するターゲットに加えられれば、ターゲットをなす物質がレーザー光を吸収して瞬間的な熱的蒸発（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって発生するプラズマを利用して薄膜を蒸着するものである。発生するレーザーのパルスは一般的に数十ナノ秒（ｎｓ）以内で非常に短時間のパルスを持つ。１パルスの間にターゲットが加熱し冷却する熱循環をたどることになるが、この熱循環の間にターゲットをなす各元素らが蒸発することで薄膜の蒸着が可能になるのである。パルスレーザー蒸着法は真空蒸着時に使われるガスが反応性か不活性かに無関係に膜蒸着が可能であり、短時間内に多くの原子の生成が可能であるという長所がある。また、ターゲットが色々な組成を持ってもターゲットの組成と同じ薄膜の蒸着が可能であり、溶解点の高い物質の場合にも物質自体がレーザーを強く吸収すれば蒸着が可能であり、蒸着時にイオンを加えるか物質を加熱するヒーター、プラズマ生成時に放電のための装置などがないので、高圧でも薄膜の蒸着が可能であるという長所がある。反面、蒸着時にターゲットでやや大きい粒子が発生して薄膜の表面がやや荒くなり、蒸着時に均一度が劣化して均一な蒸着面積が少ないという短所がある。薄膜の蒸着時に影響を及ぼす因子等としては基板の温度、レーザーのパワー、レーザーの波長、レーザーのパルス周期、ガス分圧及び基板とターゲットとの距離などがある。本実施態様ではパルスレーザー蒸着法を利用して誘電体物質の蒸着がなるが、分子ビームエピタクシー法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、化学気相蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、物理気相蒸着法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、原子層蒸着法（ａｕｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）から選択された何れか一つを利用できることは周知の事実である。
【００１５】
図２ａ乃至図２ｄは本発明の人工格子形成のための製造工程を段階別に示した断面図である。図２ａに示したように、ＭｇＯ  基板１０をアセトン、メタノール、ＴＣＥで各々５分間超音波洗浄後に窒素で乾燥させ、銀（ｓｉｌｖｅｒ  ｐａｓｔｅｒ）でヒーターに付着乾燥させた後、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ−２４８ｒｍ  ＫｒＦ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ）を利用してＭｇＯ（１００）、ＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上に下部電極１１  Ｌａ（Ｓｒ，Ｃｏ）Ｏ３（ＬＳＣＯ）を形成する。以後、図２ｂ及び図２ｃに示したように、入射されたレーザーを回転するターゲットに加えて薄膜の蒸着がなるが、二つのターゲットを同時に装着して各々で任意厚さ（Ｔ１、Ｔ２）を持つＢＴＯ層１２とＳＴＯ層１３を蒸着する。このとき、回転するターゲットの速度は１０ｒｐｍである。また、蒸着時の蒸着温度は６５０℃とし、分当り１０℃上昇させ、酸素分圧は１００ｍＴｏｒｒを維持する。ＢＴＯ層とＳＴＯ層の蒸着速度は各々１１ｐｕｌｓｅ／１単位格子と１３ｐｕｌｓｅ／１単位格子であり、レーザーは秒当たり１ｐｕｌｓｅでターゲットに入射される。
【００１６】
本発明において、実験の一貫性のために、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の周期はＢＴＯ１単位格子／ＳＴＯ１単位格子（ＢＴＯ１／ＳＴＯ１、１単位格子≒０．４ｎｍ）、ＢＴＯ２／ＳＴＯ２、ＢＴＯ５／ＳＴＯ５、ＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２、ＢＴＯ２５／ＳＴＯ２５、ＢＴＯ６３／ＳＴＯ６３まで変化させ、全体厚さ（Ｔ１＋Ｔ２）は１００ｎｍで固定した。すなわち、ＢＴＯ１／ＳＴＯ１は略０．４ｎｍ厚さでＢＴＯとＳＴＯを繰返し蒸着する。ここで、周期とはＢＴＯとＳＴＯの単位格子を加えることによって得られ、自然系には存在しない新しい人工格子の格子定数を意味する。この場合、前記の１００ｎｍの厚さで蒸着すればＢＴＯとＳＴＯを各々１２５回ずつ各々蒸着する。これにより２５０個の層が形成される。したがって、ＢＴＯ１２５／ＳＴＯ１２５の場合には二つのＢＴＯ層とＳＴＯ層が形成され、その各々の層は１２５回蒸着を行った結果物である。
【００１７】
以後、ＢＴＯとＳＴＯ人工格子の蒸着後、蒸着チャンバ内で分当り１０℃の速度で温度を常温まで下降させ、このときのチャンバ内の酸素分圧は４００Ｔｏｒｒを維持した。
【００１８】
ここで、本発明が、上記人工格子の蒸着厚さ及び全体厚さに限定されるものではない。一方、図２ｄに示したように、絶縁体薄膜上に上部電極１４の白金（Ｐｌａｔｉｕｍ）薄膜を形成して金属−絶縁体−金属の構造の素子を製作する。一方、基板上に金属―絶縁体または絶縁体―金属で素子を形成させることもできる。
【００１９】
図３は多数の積層により人工格子が形成された素子の断面図である。図３を参照すれば、ＭｇＯ  基板１０上に下部電極１１、および、少なくとも２回以上を繰返し蒸着したＢＴＯとＳＴＯ１２’、１３’、上部電極１４を連続蒸着していることが分かる。このとき、本発明の特徴部として前記ＢＴＯとＳＴＯ１２’、１３’はＢＴＯ１２’とＳＴＯ１３’を周期的に繰返し積層させて完成した一つの人工格子Ｉを形成させていることが分かる。前記誘電体物質はぺロブスカイト構造を持つＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、  ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＣａＴｉＯ３から選択された何れか一つであり、ぺロブスカイト構造の以外のものを持つ誘電体を使用することができる。すなわち、タングステンブロンズ、パイロクロア構造を含む多様な形態の原子周期を規則的に積むことができる構造であれば全部可能である。また、周期的な積層による繰返し周期Ｐが形成される。
【００２０】
本実施の態様では互いに異なる誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）を持つＢＴＯとＳＴＯを利用して繰返し積層しているが、一つの誘電体すなわちＢＴＯとＳＴＯから選択された何れか一つを利用して同様に積層させることで、本発明が達成しようとする高誘電率及び可変性を得ることができる。また、他の誘電体を多様に組み合わせた人工格子を形成させることで、各種半導体及び通信素子等に適用できる。
【００２１】
前記の過程により形成された人工格子を既存の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３と比較すれば、相違点を容易に理解することができる。
【００２２】
図４は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３格子構造であり、図５はＢａＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３人工格子構造である。図４と図５に示すように、ＢａＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３と（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３の構造的な特性を比較すれば、本実験で使用したＢａＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３人工格子はレイヤーバイレイヤー（ｌａｙｅｒ  ｂｙ  ｌａｙｅｒ）構造で、Ｂａ原子とＳｒ原子が頂点に規則配列されている構造であり、一般的な（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３固溶体では頂点にＢａ、Ｓｒ  原子が不規則配列されている構造であるので、互いに異なる構造であることが分かる。
【００２３】
ここで、本発明で使用される単一原子層と単位格子層を定義する。
なお、単一原子層と単位格子層を区分するために、まず、本発明で使用したＢａＴｉＯ３  ぺロブスカイト構造を挙げて説明する。立方体の構造（ｃｕｂｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）において、Ｂａは立方体の頂点に、Ｔｉは立方体の真中に、Ｏは立方体をなす６個面の中間に位置する。こうした構造が継続繰返されて固体結晶が形成され、このように繰返された立方体の構造が固体結晶の基本単位になるため、これを単位格子（ｕｎｉｔ  ｃｅｌｌ）という。したがって、単位格子厚さは立方体の一辺の長さになり、単位格子層は立方体の一層を意味する。そして、立方体内において何れか片面を見れば  ＢａとＯだけからなるが、このような層を単一原子層という。したがって、単一原子層を積層すれば単一格子層になり、単一格子層を積層すれば顕示される固体物質になる。本発明では前記の単一原子層厚さまたは単位格子層厚さを採用することによって方法を実施することができる。
【００２４】
多層薄膜で蒸着された人工格子の結晶構造を確認するためにＣｕ−Ｋα波長の（λ＝１．５４０５Å）Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）を使用した。また、人工格子の深さによる組成分布をオージェ電子顕微鏡（Ａｕｇｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ；  ＡＥＳ）で分析し、人工格子でＢＴＯとＳＴＯ層間の界面拡散を観察するために高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ：  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で分析した。そして、電気的な特性はＬＣＲ測定機（ＨＰ４１９４Ａ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｓｅｒ）を使用して観察した。
【００２５】
図６はＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化によるＸＲＤパターン結果を示すグラフである。図６を参照すれば、同じ工程条件で蒸着するが、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さを各々ＢＴＯ１／ＳＴＯ１、ＢＴＯ２／ＳＴＯ２、ＢＴＯ５／ＳＴＯ５、ＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２、ＢＴＯ２５／ＳＴＯ２５、ＢＴＯ６３／ＳＴＯ６３まで変化させて総厚さを１００ｎｍで蒸着したものである。なお、グラフの横方向は試料に入射されたＸ線とＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の薄膜の結晶に当たって散乱（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）されて出たＸ線とがなす角度（２θ）であり、グラフの縦方向は散乱されて出たＸ線の強さである。
【００２６】
グラフから分かるように、４３゜と  ４８゜付近で現れるピーク（ｐｅａｋ）は各々基板であるＭｇＯ  （２００）の方位性と下部電極ＬＳＣＯ（２００）の方位線を示している。また、それぞれのＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の薄膜はＭｇＯ  基板と同じ方向に積層成長されていることが分かる。４５．７゜付近で現れるピークはＢＴＯ層とＳＴＯ層のそれぞれの面間距離を平均的に示すメーンピークであり、メーンピークの両側に人工格子の特性を示す衛星ピークらが示されている。蒸着厚さが臨界厚さを越える周期を持つＢＴＯ２５／ＳＴＯ２５以上のサンプルではＢＴＯ層とＳＴＯ層との間の応力が加重されてＢＴＯとＳＴＯの界面で整合を維持できなくてメーンピークは消え、ＢＴＯ６３／ＳＴＯ６３のサンプルではＢＴＯとＳＴＯのそれぞれの回折ピークを示す。ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子薄膜界面の整合を維持するＢＴＯ１／ＳＴＯ１、ＢＴＯ２／ＳＴＯ２  、ＢＴＯ５／ＳＴＯ５、ＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２のサンプルで蒸着厚さが増加するほど低い回折角で移動するが、これはＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の平均面距離が増加していることが示す。ＢＴＯ層とＳＴＯ層界面の整合を維持する臨界厚さ以下の蒸着厚さを持つＢＴＯ１／ＳＴＯ１、ＢＴＯ２／ＳＴＯ２、ＢＴＯ５／ＳＴＯ５、ＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２人工格子の応力による歪みはＢＴＯとＳＴＯそれぞれのコンプライアンス（ｃｏｍｐｌａｉｎｃｅ）値により影響を受ける。ＢＴＯ層のコンプライアンス値（Ｓ１２＝−３．１５ｘ１０−１２ｍ２／Ｎ）がＳＴＯ（Ｓ１２＝−０．７４ｘ１０−１２ｍ２／Ｎ）より大きいため、ＢＴＯ格子がＳＴＯ格子より一層歪み、蒸着厚さが増加するほど人工格子の平均面間距離は増加する。
【００２７】
ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子薄膜の回折パターンはＭｇＯ単結晶基板上にｃ−軸に等軸成長したものを示し、人工格子の特徴を示す衛星ピークが観察される。周期が１００ｎｍの人工格子はＢＴＯとＳＴＯの各々独立された二つの回折ピークを見せた。１０ｎｍ、４ｎｍの周期性を持つＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の衛星ピークはＭｇＯ  基板とＬＳＣＯ  電極から回折されるピークと重なるように見える。周期の低い１．６ｎｍ、０．８ｎｍを持つ人工格子の衛星ピークは低い回折性のため観察されないことを、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子のｘ−ｒａｙ回折に対するシミュレーション結果により確認することができる。一旦、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子が形成され、周期が充分に低くなれば、人工格子はＢＴＯとＳＴＯ各層間の格子不整合によって変形される。周期が増加するにつれて格子不整合により印加される応力はＢＴＯとＳＴＯの界面で不整合転位を発生させる。このような不整合転位を起こす臨界厚さはＭａｔｔｈｅｗｓにより提案されたモデルから計算できるが、不整合度が２．５％のＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の場合にその臨界厚さは約２０ｎｍだと知らされた。したがって、周期が２０ｎｍ以上ではＢＴＯとＳＴＯの薄膜層間の界面でこれ以上整合を維持できず、周期が２０ｎｍの人工格子のＸＲＤ回折メーンピークは図６に示すように消えることになる。また、人工格子のメーンピークは臨界厚さ内で周期が減少するにつれて高角の回折側に漸進的に移動するが、これはＢＴＯとＳＴＯの格子定数の平均的な面間距離ｄ値が周期の減少によって減少することを意味する。臨界厚さ内で各層の歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）は各層の相互機械的な圧迫によって影響を受ける。したがって、平均面間距離ｄ値が周期の減少によって減少するため、ＢＴＯ格子は人工格子でＳＴＯ格子より多くの歪みを受けることになる。
【００２８】
図７はＳｒＴｉＯ３１００基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化によるＸＲＤパターン結果を示すグラフである。図７を参照すれば、ＳＴＯ基板で蒸着された人工格子の構造は前述のＭｇＯ基板で蒸着された構造と類似している構造を示しており、６３０℃以下では薄膜の結晶性が悪い。したがって、ＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板では最小限６３０℃温度以上でＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子を蒸着しなければ、所望の人工格子を形成できないことが分かる。
【００２９】
図８はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による面外（ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ）（ｃ−ａｘｉｓ）方向の格子定数を示すグラフであり、図９はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の面内（ｉｎ  ｐｌａｎｅ）方向に対する蒸着厚さの変化による格子定数を示すグラフであり、図１０はＬＳＣＯ／ＭｇＯ  単結晶基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による格子歪み（ｃ／ａ  ｒａｔｉｏ）を示すグラフである。
【００３０】
図８乃至図１０を参照すれば、基板上に多層薄膜で蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子で、ＢＴＯとＳＴＯの両層は相互機械的な圧迫により歪む。このような歪みは面外（ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ）（ｃ−軸）方向と面内（ｉｎ  ｐｌａｎｅ）（ａ−軸）方向の格子定数を求めて歪み（ｃ／ａ  ｒａｔｉｏ）を見る。まず、ｃ−軸方向の格子定数は図６のＸＲＤ構造で面間距離ｄ値を利用して求める。５０、１００ｎｍの周期では分離されたＢＴＯ、ＳＴＯピークでｄ値を求め、その以下の周期ではメーンピークとＬＳＣＯの（００１）面で面間距離を利用して低い周期に対する格子定数を求める。
【００３１】
ＢＴＯとＳＴＯの弾性係数を考慮して各層の格子定数すなわちｄＢＴＯ、ｄＳＴＯを求めれば次の通りである。
【表１】
0003620838.tif 000002
【００３２】
臨界厚さ以下でＢＴＯの格子定数は周期が減少しながら減少し、ＳＴＯの格子定数は相対的に一定値を見せる。この結果から、ＢＴＯ層の方がＳＴＯ層より相対的に多くの歪みを受けると判断できる。
【００３３】
面内（ｉｎ  ｐｌａｎｅ）の格子定数を計算するには、まず非対称モード（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｍｏｄｅ）で測定すべきである。その結果を図９に示す。
【００３４】
臨界厚さ２０ｎｍ以下で見れば、ＢＴＯの格子定数は周期が減少しながら減少し、１０ｎｍ以下の周期でＢＴＯ層は圧縮応力を受ける。反面にＳＴＯの格子定数は周期が減少しながら増加し、１０ｎｍ以下の周期でＳＴＯ層は引張り応力を受ける。図１０は前述のＢＴＯとＳＴＯ層に対するｃ−軸とａ−軸の格子定数でｃ／ａ  比すなわち格子歪みを求めた結果である。臨界厚さ２０ｎｍ以下で見れば、ＢＴＯの歪みは周期が減少すれば増加し、反面にＳＴＯの格子歪みは周期が減少しながら減少する。周期別に見る時、１．６ｎｍでＢＴＯとＳＴＯ各層間の格子歪みが最も激しいと分析された。
【００３５】
図１１はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の１０ｎｍ周期を持つＨＲＴＥＭ写真であり、図１２はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の４ｎｍ周期を持つＨＲＴＥＭ写真であり、図１３はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の１．６ｎｍ周期を持つＨＲＴＥＭ写真である。示すように、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子薄膜はＭｇＯ基板と同じ方向に積層成長され、ＢＴＯ層とＳＴＯ層との間の拡散なしに周期的によく成長されたことが分かる。したがって、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の構造分析のためにＸ線回折法と高分解能透過顕微鏡分析を行った結果、パルスレーザー蒸着法で蒸着したＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子は、各層の拡散なしにＭｇＯ基板と同じ方向に積層成長されて多層構造を持つ人工酸化物工格子を形成した。図１１、図１２及び図１３は周期が１０ｎｍ、４ｎｍ、１．６ｎｍであるＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子のＨＲＴＥＭイメージ結果として、周期が４ｎｍのＨＲＴＥＭイメージでは１層が２１Åであり、本発明でデザインした周期性を持つことが確認できる。特に、図１２は非常に低い周期でもＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子が界面拡散なしによく形成されたことが確認できる。したがって、ＰＬＤ法で蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の構造形成は前述のＸＲＤ結果と共に周期別に人工格子がよく成長されたことが確認できる。
【００３６】
図１４はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の１０ｎｍ周期に対するＡＥＳ分析結果を示したグラフである。このとき、ＬＳＣＯ／ＭｇＯ  基板上にＰＬＤ法で蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の深さ別組成分析はＡＥＳを利用して調査される。分析装備はＰＨＩ  ＡＥＳ４３００  モデルを使用し、Ａｒ  イオン銃を利用して深さ別組成分析を行った。ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の１０ｎｍ周期に対する組成分析結果が図１４に示された。この図に示すように、規則的なオシレーションが１０ｎｍの周期性と共に多層薄膜が終わるまで観察される。これは多層薄膜の蒸着工程の間にＢＴＯ薄膜層とＳＴＯ薄膜層との間の界面で如何なる拡散も起こらなかったことを表す。
【００３７】
図１５はＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化に対するＣ−Ｖ特性を示すグラフであり、図１６はＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化に対する誘電率と誘電損失結果を示すグラフである。図１５及び図１６を参照すれば、ＭｇＯ基板上に蒸着されたＬＳＣＯ−ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子−ＬＳＣＯの試料にスパッタリングにより上部Ｐｔ電極を１００ｎｍの厚さで蒸着後、イオン水に窒酸が１％程度添加された溶液で湿式エッチングを１０秒間行った後、キャパシタンス−電圧（Ｃ−Ｖ）特性をＬＣＲ測定機（ＨＰ４１９４Ａ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｓｅｒ）にて測定した。周波数は５ＭＨｚで−５Ｖから＋５Ｖへそして反対方向にスイープ（ｓｗｅｅｐ）して得られた。このようなＣ−Ｖ結果は図１５に示す。この図に示すように周期別に異なる特性を見せた。すなわち、周期が減少しながらコンプライアンス値が減少し、１．６ｎｍの周期で最も高いＣ値を見せた。このように印加した電圧に対する高いＣ値は電気的に可変マイクロ波素子（ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｄｅｖｉｃｅ）に対する良い材料の選択になる。このようなＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の誘電率と誘電損失に対する結果は図１６に示す。人工格子周期が減少しながら誘電定数が増加し、１．６ｎｍの周期で最も高い１７００で、誘電損失は全般的に２％〜３％程度である。１．６ｎｍで最も高い誘電定数を示すことは前述のように１．６ｎｍの周期でＢＴＯ層とＳＴＯ層は面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）方向で、ＢＴＯ層は圧縮応力が、ＳＴＯ層は引張り応力が発生する。このような応力が人工格子における高誘電率と関連すると判断され、周期の高い所すなわち２０ｎｍ以上では変形緩和が起きて界面に不整合転位が発生して誘電率が減少したと判断される。
【００３８】
図１７はＢＴＯ１／ＳＴＯ１、ＢＴＯ２／ＳＴＯ２、ＢＴＯ５／ＳＴＯ５、ＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２、ＢＴＯ２５／ＳＴＯ２５、ＢＴＯ６３／ＳＴＯ６３でＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子蒸着厚さの変化による可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ＝（Ｃｍａｘ−Ｃｍｉｎ）／Ｃｍｉｎ）との関係を示すグラフである。図１７を参照すれば、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子蒸着厚さがＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２以上では低い可変性を示し、ＢＴＯ２５／ＳＴＯ２５人工格子では最小の可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ＝３２％）を示すが、これは臨界厚さ以上のＢＴＯ／ＳＴＯ蒸着厚さが２０ｎｍ以上の場合、ＢＴＯとＳＴＯ界面で整合が維持されなくて界面で応力が緩和されるためである。臨界厚さ以下の蒸着厚さを持つ周期がＢＴＯ１２／ＳＴＯ１２以下では、可変性は増加してＢＴＯ２／ＳＴＯ２蒸着厚さで最高の可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ＝９４％）を示す。ＢＴＯ２／ＳＴＯ２蒸着厚さを持つ人工格子の構造はＢａとＳｒの原子が各々立方体のエッジに規則配列されている人為的な規則構造であって、０．５  ＭＶ／Ｃｍの電場で９４％の可変性は現在使われていたり、研究中である他のある絶縁体薄膜より高い値で、これを高周波可変電圧素子に応用すれば、素子の特性向上に大きい影響を及ぼすことになる。
【００３９】
図１８はＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子（Ｓｕｐｅｒ  ｌａｔｔｉｃｅ）、ＢＴＯ、ＳＴＯとＢＳＴＯ物質とのＣ−Ｖ特性を比較したグラフである。ここで、可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）とは前述のＣ−Ｖ履歴曲線で印加した電圧による誘電性の依存度を示すもので、（Ｃｍａｘ−Ｃｍｉｎ）／Ｃｍａｘ  と定義される。図１７ではＭｇＯ／ＬＳＣＯ  基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による可変性特性結果である。本実験結果、臨界厚さ２０ｎｍ以下で周期が減少しながら可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）が増加していって、１．６ｎｍの周期で最も高い可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）の９４％である。これは既存のＢＳＴ薄膜よりは高い値で良好な特性を見せる。このような高い可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）の原因に対してはまだ正確に知られていないが、応力の効果によると判断され、本実験でも１．６ｎｍの周期でＢＴＯ層は格子歪み（ｃ／ａ  ｒａｔｉｏ）が最も高いが、反面、ＳＴＯ層は格子歪み（ｃ／ａ  ｒａｔｉｏ）が最も低い。したがって、この周期で可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）特性が最も良い原因に対してはＳＴＯ層とＢＴＯ層の格子変形により増加すると判断される。
【００４０】
図１９は人工格子、ＢＴＯ、ＳＴＯとＢＳＴＯ物質と可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）特性を比較したグラフである。図１９に示すように人工格子が最も高いＣ値を示し、このような結果に基づいて可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）を計算した結果を図１９に示した。可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）も１．６ｎｍの周期を持つ人工格子で最も高く、次はＢＳＴ、ＢＴＯ、ＳＴＯの順である。結果から分かるように、一般的な固溶体物質よりは人工格子で高く示し、このような原因に対してはまだ正確に知られていないが、前述のようにＢＴＯ層とＳＴＯ層が多層薄膜で蒸着される時、両層間の界面で発生する応力によると判断され、このとき、格子変形が最も大きく作用した状態が可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）に強い影響を及ぼしたと判断される。
【００４１】
このように、パルスレーザー蒸着法にてＢＴＯ／ＳＴＯ酸化物人工格子がＭｇＯ（１００）、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板上に蒸着される。ＭｇＯ  基板では人工格子のエピタキシャルのためにＬＳＣＯ  酸化物電極を緩層膜として使用した。このように成長されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子のエピタキシャル及び結晶性を確認するためにＸＲＤを測定し、合わせて微細構造と人工格子の深さ方向の組成分布のためにＨＲＴＥＭ、ＡＥＳを分析した。分析結果、ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子がエピタキシャルに成長され、また、私達がデザインしたルールでよく成長されたＢＴＯ層とＳＴＯ層の界面で拡散も起こらなかった。このように、エピタキシャルに成長されたＢＴＯ層とＳＴＯ層の格子変形を分析するために、面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）（ｃ−ａｘｉｓ）と面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）（ａ−ａｘｉｓ）方向の格子定数を各々求めた。また、ｃ／ａ  比を求めてＢＴＯ層とＳＴＯ層の各々に対する格子歪み程度を分析した。電気的な性質としては誘電定数、誘電損失及び可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）を見た。誘電定数と可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）の特性は蒸着厚さの変化に対する挙動が似ている。こうした特性は臨界厚さ（２０ｎｍ）以下で周期が減少しながら増加する傾向を見せ、１．６ｎｍで最大誘電率、可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）の特性が各々１７００、９４％であった。このように１．６ｎｍ周期のＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の優秀な特性はＢＳＴ、ＢＴＯ、ＳＴＯ単一膜固溶体物質より高いことを本実験で確認したが、このような原因に対してはまだ知られていない。ところが、本実験ではこのような原因に対して相互機械的な圧迫によるＢＴＯとＳＴＯの格子歪み程度を周期別に見た。ＢＴＯは１．６ｎｍの周期でｃ／ａ＝１．０３３０４にｃ−軸に格子が増え、反面にＳＴＯはｃ／ａ＝０．９７７０８にａ−軸に格子が増えた。こうした結果から、ＢＴＯは圧縮応力を、ＳＴＯは引張り応力を界面で受けていると言える。したがって、ＳＴＯ層とＢＴＯ層に発生した応力及びこれによる格子変形が誘電率や可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）特性に強い影響を及ぼすと判断される。また、チューナブルマイクロウエーブ応用素子において既存にＢＳＴ、ＳＴＯの研究が多く進行しているが、このような物質より自然系に存在しない新物質としてＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子が優秀な特性を見せるので、チューナブルマイクロウエーブ応用素子に多くの寄与になると判断される。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように、本発明による多層酸化物人工格子を持つ素子及びその製造方法は、自然系には存在しない構造を持つＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子絶縁体薄膜は既存の絶縁体薄膜よりも高い可変性及び誘電定数を示し、また、厚さが減少してもその電気的な特性が維持されて電圧可変性をより大きく維持でき、素子の大きさをより低減できるので、既存の金属−絶縁体−金属の構造の高周波可変電圧素子、ＤＲＡＭ、ＭＯＳ素子に使用される誘電体を代えることができ、素子の特性を一層向上させることができる。特に、可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）において、既存の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３やＳｒＴｉＯ３薄膜の場合、１ＭＶ／ｃｍの電場で７５％の可変性を示す反面、蒸着厚さがＢＴＯ２／ＳＴＯ２の人工格子の場合、０．５ＭＶ／ｃｍの電場で他のある薄膜よりも高い９４％の可変性を示す。このような特性を適用して可変電圧素子、ＤＲＡＭ、ＭＯＳ素子で既存の絶縁体薄膜を人工格子薄膜で代えれば、高い可変性と高誘電率によって素子の大きさを減らすと同時に、低い駆動電圧を印加しても既存の素子のような効果が得られ、素子の効率を一層高めることができる。
【００４３】
このように、本発明の酸化物人工格子を製造して得られた物理的性質として誘電定数が人工格子の全厚が低くなるにもかかわらず高く維持される特徴を持つ。以上の結果を基に超高密度のＤＲＡＭ用キャパシタまたはＭＯＳ素子のゲート酸化膜（ｇａｔｅ  ｏｘｉｄｅ）に応用できる。
【００４４】
また、誘電定数の非線形度が大幅に向上することで、公知の方法（自然的に存在する物質状態を製造する）による非線形度に比べて最高の水準が得られる。この結果を基に高周波可変電圧装置（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｇｉｌｅ  ｄｅｖｉｃｅｓとも呼ばれる）の誘電体に応用できる。
【００４５】
より詳しくは、半導体メモリとＣＭＯＳがテラ級以上で超高密度化するにつれて要求される誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）がナノスケール化しながら現れる両者現象あるいはトンネルリングを克服するために高誘電率材料を必要とするが、既存の高誘電率材料は強誘電体として厚さが薄くなりながら誘電率が減少する現象（ｓｉｚｅ  ｅｆｆｅｃｔ）があるのに対して、酸化物人工格子は厚さが一層薄くなったにもかかわらず高誘電率を維持する特性があるため、超高密度半導体（メモリとＭＯＳ素子）に適用できる。
【００４６】
また、マイクロ波無線通信素子に使用される誘電体において、その誘電率が加えられる電圧によって変化すれば（非線形性；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）、既存の通信素子に比べて優れた機能あるいは新しい機能例えば機械的に動くアンテナを電圧を調節して機械的に動かなくても電子的にアンテナ機能を行うことができ、あるいは周波数フィルターで所望の周波数領域を通過させるための通過帯域を電圧を調節して変化させることができる通信素子の実現が可能である。このとき、誘電体において最も重要な要素は非線形度（ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）を大きくするものであるが、大きい非線形度を持たなければ少ない電圧で前記機能などを全部発揮できない。本発明による人工格子は高誘電率を持つため、小さな素子を作ることができ、さらに高い非線形度で少ない電圧で無線通信素子を作動でき、フィルターの通過帯域をより広く調節できて無線通信素子の情報転送量などを高めることができる等、多様な高機能を発揮できる。
【００４７】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で当該分野における通常の知識を有した者により多様に変形できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層酸化物人工格子を形成するために使用したＰＬＤシステムを概略的に示す図である。
【図２】図２ａ〜図２ｄは、本発明の一実施例によって人工格子形成のための製造工程を段階別に示した断面図である。
【図３】多数の積層により人工格子が形成された素子の断面図である。
【図４】（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３格子構造を示す図である。
【図５】本発明によるＢａＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３人工格子構造を示す図である。
【図６】ＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化によるＸＲＤパターン結果を示したグラフである。
【図７】ＳｒＴｉＯ３１００基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化によるＸＲＤパターン結果を示したグラフである。
【図８】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）（ｃ−ａｘｉｓ）方向の格子定数を示したグラフである。
【図９】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）（ａ−軸）方向の格子定数を示したグラフである。
【図１０】ＬＳＣＯ／ＭｇＯ単結晶基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化による格子歪み（ｃ／ａ  ｒａｔｉｏ）を示したグラフである。
【図１１】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の周期別のＨＲＴＥＭ写真である。
【図１２】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の周期別のＨＲＴＥＭ写真である。
【図１３】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の周期別のＨＲＴＥＭ写真である。
【図１４】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の１０ｎｍ周期に対するＡＥＳ分析結果を示したグラフである。
【図１５】ＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化に対するＣ−Ｖ特性を示したグラフである。
【図１６】ＬＳＣＯ／ＭｇＯ基板上に蒸着されたＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子の蒸着厚さの変化に対する誘電率と誘電損失結果を示したグラフである。
【図１７】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子蒸着厚さの変化による可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）との関係を示したグラフである。
【図１８】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子、ＢＴＯ、ＳＴＯ、ＢＳＴＯ薄膜物質とのＣ−Ｖ特性を比較したグラフである。
【図１９】ＢＴＯ／ＳＴＯ人工格子、ＢＴＯ、ＳＴＯとＢＳＴＯ薄膜物質と可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）特性を比較したグラフである。
【符号の説明】
１  エキシマレーザー
２  減衰器
３  フォーカシングレンズ
４  ターゲット基板
５  ヒーター
１０  ＭｇＯ基板
１１  下部電極
１２  ＳＴＯ
１３  ＢＴＯ
１４  上部電極
【図１】
0003620838.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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