(57)【要約】【課題】  微細ＬＳＩの製造プロセスに適する極めて低い温度で、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造する。【解決手段】  強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成方法は、基板１０２上に、強誘電体又は高誘電体よりなる第１の微粒子１０１ａが混合され、第１の微粒子１０１ａを構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料１０４を塗布する工程と、塗布された有機化合物原料１０４を金属酸化物のアモルファス膜１０５に変化させる工程と、レーザーを照射して、第１の微粒子１０１ａの結晶構造と同一の結晶構造を持つように、金属酸化物のアモルファス膜１０５の結晶化を行なう工程とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、
基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子が混合され、前記微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布する工程と、
塗布された前記有機化合物原料を金属酸化物に変化させる工程と、
レーザーを照射して、前記微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、前記金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、前記基板上に、金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、
前記金属酸化物の結晶化を行なう工程は、前記基板の全面が照射されるように、前記レーザーを照射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、前記基板上に、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、
前記金属酸化物の結晶化を行なう工程は、平面的配置における前記パターニングされた前記金属又は前記導電性金属酸化物が占める領域に限定して、前記レーザーを照射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記金属又は前記導電性金属酸化物を形成する工程よりも後であって且つ前記有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、前記金属又は前記導電性金属酸化物の上に、絶縁膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項５】
強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、
基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を配置する工程と、
前記基板上における前記微粒子が配置されている領域に、前記微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布した後に、塗布された前記有機化合物を金属酸化物に変化させる工程と、
レーザーを照射して、前記微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、前記金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。
【請求項６】
強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、
基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を配置する工程と、
前記基板上における前記微粒子が配置されている領域に、前記微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物を堆積する工程と、
レーザーを照射して、前記微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、前記金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記微粒子を配置する工程よりも前に、前記基板上に、金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、
前記金属酸化物の結晶化を行なう工程は、前記基板の全面が照射されるように、前記レーザーを照射する工程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記微粒子を配置する工程よりも前に、前記基板上に、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、
前記金属酸化物の結晶化を行なう工程は、平面的配置における前記パターニングされた前記金属又は前記導電性金属酸化物が占める領域に限定して、前記レーザーを照射する工程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記金属又は前記導電性金属酸化物を形成する工程よりも後であって且つ前記微粒子を配置する工程よりも前に、前記金属又は前記導電性金属酸化物の上に、絶縁膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記微粒子を配置する工程よりも前に、前記基板上に、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、
前記微粒子を配置する工程は、前記パターニングされた前記金属又は前記導電性金属酸化物の上に、前記微粒子を選択的に配置する工程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記微粒子は前記強誘電体よりなり、
前記微粒子を配置する工程は、前記強誘電体の分極発現方向が前記基板の主面に対して垂直である方向と略一致するように、前記微粒子を配置する工程を含むことを特徴とする請求項５〜１０のうちのいずれか１項に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記微粒子の結晶構造は、ペロブスカイト構造又は層状ペロブスカイト構造であることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記微粒子の直径は、前記強誘電体薄膜又は前記高誘電体薄膜の膜厚以下であることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載の誘電体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路に用いる強誘電体薄膜又は高誘電率薄膜の製造方法に関し、特に、極めて低い温度で強誘電体薄膜又は高誘電率薄膜を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子産業の発展は、ムーアの法則と呼ばれる経験則に従ったＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）の微細化が寄与するところが大きく、半導体技術が機器の小型化、低価格化、低消費電力化を主導している。現代のシステムＬＳＩは能動素子で構成された電子回路を搭載するだけでなく、容量又は抵抗などの受動素子を含んだ回路によって、メモリ機能及びアナログ・デジタル変換機能などを付加することにより、複雑なシステムをＬＳＩ上に実現している。特に、強誘電体薄膜を容量絶縁膜として用いた容量素子を利用する不揮発性メモリは、電源オフの間においてもＬＳＩ中のデータを保持することができるので、ＩＣカード又は無線タグといった新たな用途のＬＳＩを生み出している。また、高誘電率薄膜（以下、高誘電体薄膜と記す）を容量絶縁膜として用いた容量素子は、コンピュータの主記憶として使われるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の大容量化に向け、既存の二酸化シリコン又は酸化タンタルを容量絶縁膜に用いた容量素子に変わるものとして期待されている。
【０００３】
強誘電体材料及び高誘電率材料（以下、高誘電体材料と記す）は、共にペロブスカイト結晶構造又は層状ペロブスカイト結晶構造を有する金属酸化物であり、その形成方法は類似している。
【０００４】
以下に、従来の強誘電体薄膜の製造方法について、強誘電体であるストロンチウム・ビスマス・タンタレート（Ｓｒ2Ｂｉ2Ｔａ2０9、以下ＳＢＴと記す）を例として、図９を参照しながら説明する。
【０００５】
まず、工程Ｓ９０１において、スピンコート法により、基板上に、ＳＢＴを構成する金属元素であるストロンチウム、ビスマス、及びタンタルの有機化合物を含む原料溶液を塗布した後に、大気中で、１６０℃、１分間の乾燥を行なう。
【０００６】
次に、工程Ｓ９０２において、大気中で、２５０℃、４分間の乾燥を行なう。
【０００７】
次に、工程Ｓ９０３において、酸素雰囲気中で、赤外線ランプを照射して急速加熱することにより、結晶化が行なわれる。このとき、温度コントローラによって、基板温度が８００℃となるように制御され、また、加熱時間は１分間である。このようにして強誘電体薄膜が形成される。
【０００８】
なお、この強誘電体薄膜を容量絶縁膜として用いた強誘電体容量素子をＬＳＩに混載する場合には、基板上に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を形成した後、その上方に絶縁膜を成膜する。その後、容量素子の下部電極としての白金電極を形成した後に、前述した強誘電体薄膜の製造工程（図９参照）を実施する。さらに、強誘電体薄膜の上に上部電極としての白金電極を形成した後に、絶縁膜を形成し、トランジスタと接続するコンタクトホール及びメタル配線を形成する。
【０００９】
ＬＳＩの製造プロセスの微細化に伴って、これまでよりも低い温度にて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する技術の開発が緊要となっている。最小加工寸法が６５ｎｍ以下という極微細プロセスで形成されるＦＥＴの場合、例えば非特許文献１に記載されているように、ゲート電極及びソース・ドレイン電極に使用される金属シリサイドとして加工性が高いニッケル・シリサイド（ＮｉＳｉ）が使われ、ニッケル・シリサイドの耐熱温度がＦＥＴ形成工程以後のプロセス温度の上限を決定する。これは、ニッケル・シリサイドは高温に曝されると抵抗値が上昇し、トランジスタのオン電流が低下するので、電子回路の動作速度に悪影響をもたらすからである。ニッケル・シリサイドのシート抵抗と加熱温度との関係については、例えば非特許文献２に詳述されており、３５０℃以下では安定なシート抵抗を示していたものが、４００℃、４５０℃、５００℃の加熱によって、それぞれ２倍、２．６倍、６倍となる。このため、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜は、４５０℃よりも低温で、好ましくは４００℃よりも低温で形成されなければならない。ところが、前述したように、従来の強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の形成には、４５０℃を遙かに上回る高温が必要となっていた。
【００１０】
最近、ＫｒＦレーザーを用いて金属酸化物結晶を得る手法が、例えば非特許文献３又は非特許文献４などにおいて提案されている。前者によると、ＳＢＴの結晶化に必要な温度を、レーザーアニールを用いることによって５５０℃まで低下させている。また、後者によると、従来６００℃以上の加熱処理によって結晶化させていた鉛・ジルコネート・チタネート（Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ3 、以下ＰＺＴと記す）を、レーザーアニールを用いることによって４７５℃まで低温化させている。ところが、レーザーアニールによる結晶化を用いた場合であっても、微細プロセスに要求される４５０℃という耐熱温度をクリアしておらず、微細ＬＳＩに強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を用いた容量素子を搭載することは不可能である。
【００１１】
レーザーアニールを用いた結晶化の場合よりもさらに低温化を実現する手法として、ペロブスカイト結晶相よりも低温で生成されるパイロクロア結晶相又はフルオライト結晶相といった前駆体結晶を含む酸化物薄膜に対してレーザーを照射する手法が、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００２-３１４０４５号公報
【非特許文献１】Material Research Society Symposium Proceeding誌2004年810巻C1.1.1〜12
【非特許文献２】International Electron Device Meeting Technical Digest誌2003年497頁
【非特許文献３】Thin Solid Films誌2000年375巻172頁
【非特許文献４】Applied Physics Letters誌1998年73巻1958頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、パイロクロア結晶相は比較的安定な結晶であるので、加熱することによってペロブスカイト結晶相に相変化させることは困難である。一方、フルオライト結晶相は準安定な結晶であるので、加熱することによってペロブスカイト結晶相に容易に相変化させることができる。このため、パイロクロア結晶相は結晶粒として存在し得るが、フルオライト結晶相は独立した結晶粒として存在せず、金属酸化膜中においてのみ生成される。なお、これらの現象は、例えばIntegrated Ferroelectric誌1997年14巻201頁に詳述されている。
【００１３】
前記特許文献１に開示された方法によると、ＰＺＴの前駆体となるパイロクロア結晶相を、ゾルゲル法にて４５０℃、ＲＦスパッタリング法にて３００℃、ＭＯＣＶＤ法にて４００℃にて生成することが述べられている。前述した好ましい温度条件である４００℃よりも低い温度という条件はクリアしていないものの、４５０℃以下で形成できることから、微細ＬＳＩの製造に適用することは可能であるが、ある程度の動作速度の低下は免れることができない。加えて、この方法で使われるパイロクロア結晶相は安定な結晶相であり、前述のように、ペロブスカイト結晶相に相変化させることが困難である。そのため、かなり高いエネルギーを与えれば、パイロクロア結晶相からペロブスカイト結晶相に相変化することがあるかもしれないが、高エネルギーを要するレーザーの照射は揮発性の高い構成材料の蒸発を招くので、化学量論組成比からずれた組成比を有する膜しか得ることができない。
【００１４】
一方で、前記特許文献１では、ＳＢＴの前駆体となるフルオライト結晶相をミスト塗布後に６５０℃に加熱することにより、ＳＢＴ薄膜を生成することが開示されているが、この処理温度は微細ＬＳＩの製造に要求される温度である４５０℃よりも高いために、微細ＬＳＩの製造プロセスには適さない。
【００１５】
前記に鑑み、本発明の目的は、微細ＬＳＩの製造プロセスに適する極めて低い温度で、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第１の誘電体薄膜の製造方法は、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子が混合され、微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布する工程と、塗布された有機化合物原料を金属酸化物に変化させる工程と、レーザーを照射して、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る第１の誘電体薄膜の製造方法によると、例えば予め高温で焼成することによって形成された結晶化された強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子が混合され且つ当該微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を基板上に塗布し、当該有機化合物原料を金属酸化物に変化させた後に、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、当該微粒子を核として、アモルファス構造の金属酸化物を層状ペロブスカイト結晶相へと相変化させて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得る。このようにして、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つ強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るので、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造することができる。（例えば、ＰＺＴよりなる強誘電体薄膜を形成する場合、アモルファス状態からペロブスカイト結晶を生成するためには４４１ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーが必要であるが、結晶核となるペロブスカイト結晶を含んだアモルファス状態からペロブスカイト結晶相へ相変化させるエネルギーはわずか１１２ｋＪ／ｍｏｌであることが、Journal of Material Research誌1994年9巻7号1728頁に報告されている。）それゆえ、レーザーアニールを用いた相変化を、従来よりも低い基板温度で実現することができる。さらに、小パワーのレーザー照射による結晶化を行なうので、組成ずれの抑制が可能となる。また、ペロブスカイト結晶相への相変化を行なうことが困難なパイロクロア結晶相、又は準安定で４５０℃以上の生成温度が必要なフルオライト結晶相を用いることがないので、低温にて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造する方法として極めて有用である。
【００１８】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第２の誘電体薄膜の製造方法は、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を配置する工程と、基板上における微粒子が配置されている領域に、微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布した後に、塗布された有機化合物を金属酸化物に変化させる工程と、レーザーを照射して、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る第２の誘電体薄膜の製造方法によると、例えば予め高温で焼成することによって形成された結晶化された強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を基板上に配置した後に、当該微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を基板上に塗布し、当該有機化合物原料を金属酸化物に変化させた後に、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、当該微粒子を核として、アモルファス構造の金属酸化物を層状ペロブスカイト結晶相へと相変化させて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得る。このようにして、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つ強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るので、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造することができる。また、当該微粒子を基板上に予め配置することにより、当該金属酸化物中に、当該微粒子を均一に存在させることが可能となるので、当該金属酸化物中で相変化が一様に進むという効果を得ることができる。
【００２０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第３の誘電体薄膜の製造方法は、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成する誘電体薄膜の製造方法であって、基板上に、強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を配置する工程と、基板上における微粒子が配置されている領域に、微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物を堆積する工程と、レーザーを照射して、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つように、金属酸化物の結晶化を行なう工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る第３の誘電体薄膜の製造方法によると、例えば予め高温で焼成することによって形成された結晶化された強誘電体又は高誘電体よりなる微粒子を基板上に配置した後に、当該微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物を堆積し、その後、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、当該微粒子を核として、アモルファス構造の金属酸化物を層状ペロブスカイト結晶相へと相変化させて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得る。このようにして、微粒子の結晶構造と同一の結晶構造を持つ強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るので、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造することができる。また、当該微粒子を基板上に予め配置することにより、当該金属酸化物中に、当該微粒子を均一に存在させることが可能となるので、当該金属酸化物中で相変化が一様に進むという効果を得ることができる。さらに、当該微粒子を構成する金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物を堆積するので、本発明に係る第２の誘電体薄膜の製造方法における有機化合物原料を金属酸化物に変化させる工程を省くことができる。
【００２２】
本発明の第１〜第３の誘電体薄膜の製造方法において、有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、基板上に、金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、金属酸化物の結晶化を行なう工程は、基板の全面が照射されるように、レーザーを照射する工程を含むことが好ましい。
【００２３】
このように、例えば下部電極となる金属又は導電性金属酸化物の上に、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成するようにすると、レーザー照射の際に特別な制御を行なう必要がないので、簡便な方法にて金属酸化物の結晶化を行なうことができる。さらに、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の上に例えば上部電極となる導電体膜を形成する場合には、金属又は導電性金属酸化物、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜、及び上部電極となる導電体膜を一括してエッチングすることによって容量素子の製造が可能になるので、簡便な方法にて強誘電体容量素子を製造することができる。
【００２４】
本発明の第１〜第３の誘電体薄膜の製造方法において、有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、基板上に、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、金属酸化物の結晶化を行なう工程は、平面的配置におけるパターニングされた金属又は導電性金属酸化物が占める領域に限定して、レーザーを照射する工程を含むことが好ましい。
【００２５】
このように、平面的配置におけるパターニングされた金属又は導電性金属酸化物が占める領域、すなわち、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物の下層領域に、例えばＭＯＳ型ＦＥＴなどの回路素子が形成されている場合において、当該回路素子がレーザーによって損傷を受けることを回避することができる。さらに、レーザーが照射された領域のみが結晶化されて、容量素子を構成する容量絶縁膜としての強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜となり、容量素子の周囲には結晶化されていないアモルファス構造の金属酸化物が存在するため、当該アモルファス構造の金属酸化物は低誘電率であるので、容量素子の寄生容量の低減に効果的である。
【００２６】
さらに、金属又は導電性金属酸化物を形成する工程よりも後であって且つ有機化合物原料を塗布する工程よりも前に、金属又は導電性金属酸化物の上に、絶縁膜を形成する工程をさらに備えることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を容量絶縁膜に用いた容量素子を製造する場合に、容量素子の絶縁特性を向上させることができる。
【００２８】
本発明に係る第２又は第３の誘電体薄膜の製造方法において、微粒子を配置する工程よりも前に、基板上に、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物を形成する工程をさらに備え、微粒子を配置する工程は、パターニングされた金属又は導電性金属酸化物の上に、微粒子を選択的に配置する工程を含むことが好ましい。
【００２９】
このようにすると、用いる微粒子の量を減らすことが可能である。
【００３０】
本発明に係る第２又は第３の誘電体薄膜の製造方法において、微粒子は強誘電体よりなり、微粒子を配置する工程は、強誘電体の分極発現方向が基板の主面に対して垂直である方向と略一致するように、微粒子を配置する工程を含むことが好ましい。
【００３１】
このようにすると、分極特性に優れた強誘電体薄膜を製造することが可能となる。
【００３２】
本発明に係る第１〜第３の誘電体薄膜の製造方法において、微粒子の結晶構造は、ペロブスカイト構造又は層状ペロブスカイト構造であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、従来用いられてきた絶縁膜よりも大きな誘電率を有する強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造することが可能となるので、当該強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を容量絶縁膜に用いた容量素子を製造する場合には、低電圧動作が可能となる。
【００３４】
本発明に係る第１〜第３の誘電体薄膜の製造方法において、微粒子の直径は、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の膜厚以下であることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、平坦性に優れた強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を形成することが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の第１〜第３の誘電体薄膜の製造方法によると、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度にて、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法について、図１及び図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示すフローチャート図である。また、図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するための概念図である。具体的には、基板の加熱温度を４００℃として、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴ薄膜を作製する方法を説明するための工程図を示している。
【００４０】
まず、図１に示す工程Ｓ１０１において、ＳＢＴの結晶粒子を作製する。すなわち、図２（ａ）に示すように、最終的に形成される後述するＳＢＴ薄膜１０６の膜厚（目標膜厚）以下の直径を有する層状ペロブスカイト結晶構造を有するＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを作製する。なお、この工程では、次の工程において分級されるＳＢＴの結晶粒子よりなる第２の微粒子１０１ｂも併せて形成される。
【００４１】
ここで、第１の微粒子１０１ａのようなナノサイズの粒子を作製する方法としては、粉砕法、電気炉・化学炎・プラズマ・レーザーなどの手法による気相法、共沈・化合物沈殿・アルコキシド・水熱合成などの化学的手法による液相法、又は凍結乾燥・噴霧乾燥・噴霧熱分解などの物理的手法による液相法がある（例えば、シーエムシー出版  小泉・奥山・目編集  2002年10月発行「ナノ粒子の製造・評価・応用・機器の最新情報」を参照）。後の工程において、このようなナノサイズの粒子を結晶成長の核とするためには、良好な結晶性を有する粒子を作製できる方法が好ましいので、本実施形態ではプラズマ法を用いる。本手法を用いる場合には、酸素プラズマ中にＳＢＴの有機原料液を噴霧し、１２００℃以上の高温にて瞬時に焼結させる。このように、高温にて粒子の作製が可能であるので、強誘電性を有する層状ペロブスカイト結晶構造を有する粒子を得ることに適していると共に、大量処理が可能である。Ｘ線回折法により、プラズマ法を用いて作製されたＳＢＴの結晶粒子の結晶性を調べたところ、層状ペロブスカイト結晶構造に特有の指数に関連したピークのみが検出された。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、ＳＢＴの結晶粒子を観察したところ、粒子内は単一の結晶であることが確認された。したがって、プラズマ法を用いて作製したＳＢＴの結晶粒子は層状ペロブスカイト結晶構造を有する単結晶である。なお、プラズマ法を用いて作製したＳＢＴの結晶粒子は、プラズマ中において、粒子同士が衝突することによって融合し、一つの大きな粒子となるので、図２（ａ）に示すように、ＳＢＴの結晶粒子が作製された後の粒子群には、目標とする直径以下の第１の微粒子１０１ａの他に、目標とする直径よりも大きな直径を有するＳＢＴの結晶粒子よりなる第２の微粒子１０１ｂが混在している。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、この粒子群における各粒子の粒径を調べると、粒径は２５ｎｍ〜３２５ｎｍの範囲に分布していた。なお、図２（ａ）においては、第１の微粒子１０１ａは、粒径（直径）が１００ｎｍ以下の粒子であり、第２の微粒子１０１ｂは、粒径（直径）が１００ｎｍを超える粒子である。
【００４２】
次に、図１に示す工程Ｓ１０２において、分級を行なう。すなわち、図２（ｂ）に示すように、工程Ｓ１０２にてプラズマ法により作製されたＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａ及び第２の微粒子１０１ｂを分級することにより、粒径（直径）が１００ｎｍ以下の第１の微粒子１０１ａのみを得る。
【００４３】
ここで、具体的に分級を行なう方法について説明する。第１の微粒子１０１ａ及び第２の微粒子１０１ｂから、後述するＳＢＴ薄膜１０６の目標膜厚である１００ｎｍと同等の直径以下の粒径を有する第１の微粒子１０１ａを選別する必要がある。そこで、第１の微粒子１０１ａ及び第２の微粒子１０１ｂを純水中に懸濁して、沈降による分級を行なう。      
【００４４】
一般に、重力による粒子の沈降速度ｕは、下記式（１）で表される。
【００４５】
ｕ＝Ｄ2(ρ-ρ0)ｇ／１８η         ・・・（１）
（但し、Ｄは粒径、ρは粒子の密度、ρ0は溶媒の密度、ηは溶媒の粘度、ｇは重力加速度である。）
式（１）を用いて粒子の沈降速度ｕを計算すると、直径２００ｎｍ及び１００ｎｍの粒子が液体中を沈降する速度は、およそ０．１６ｍｍ／ｈ及び０．０４ｍｍ／ｈであるので、例えば高さ１００ｎｍの容器に懸濁液を入れて３ヶ月間放置すると、直径２００ｎｍの粒子は沈降する一方、直径１００ｎｍの粒子は懸濁液中を浮遊している。このため、容器中の上澄み液から直径１００ｎｍ以下の第１の微粒子１０１ａのみを回収することができる。なお、ここでは、沈降法を用いて説明したが、遠心分離器又は微分型静電分級器などを使うことにより、短時間に分級することもできる。なお、最終的に得られるＳＢＴ薄膜１０６の表面の平坦性にそれほど影響を与えない程度であれば、第１の微粒子１０１ａに混じって、直径が１００ｎｍを超える第２の微粒子１０１ｂが若干量含まれるように分級を行なってもかまわない。
【００４６】
次に、図１に示す工程Ｓ１０３において、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを構成する金属元素と同一の金属元素であるストロンチウム（Ｓｒ）、ビスマス（Ｂｉ）及びタンタル（Ｔａ）の各元素を含む有機化合物をオクタン中に溶かしたＳＢＴの有機原料溶液１０４を準備した後、有機原料溶液１０４中に、工程Ｓ１０２によって分級された第１の微粒子１０１ａを混合する。このとき、ＳＢＴの有機原料溶液１０４中にスルホン酸ナトリウムなどの界面活性剤を添加することにより、又は、前もって第１の微粒子１０１ａの表面をシランカップリング剤によって表面修飾することにより、第１の微粒子１０１ａが凝集することを防ぐ。このようにして用意された第１の微粒子１０１ａが混合されたＳＢＴの有機原料溶液１０４を、図２（ｃ）に示すように、下部電極となる白金膜１０３が予め形成されている基板１０２上にスピンコート法によって塗布する。または、完成後の強誘電体容量素子の絶縁性を高める目的で、白金膜上にストロンチウム・タンタレートのような絶縁膜を備えた基板上に塗布するようにしてもよい。
【００４７】
次に、図１に示す工程Ｓ１０４において、ＳＢＴの有機原料溶液１０４が塗布された基板１０２に対して、大気中で１６０℃、１分間の乾燥を行ない、さらに大気中で２５０℃、４分間の乾燥を行なうことにより、図２（ｄ）に示すように、第１の微粒子１０１ａを含んだ膜厚１００ｎｍの金属酸化物のアモルファス膜１０５を得る。
【００４８】
次に、図１に示す工程Ｓ１０５において、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを含んだ金属酸化物のアモルファス膜１０５が形成された基板１０２を、４００℃に保持し、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを照射する。具体的には、照射パワーが１００ｍＪ／ｃｍ2 、照射時間が３０ｎｓ、照射周波数が６０Ｈｚ、ショット数が１００回である条件下でレーザーアニールを行なう。このとき、金属酸化物のアモルファス膜１０５中においては、第１の微粒子１０１ａを核としてアモルファス状態から層状ペロブスカイト構造への相変化が生じる。これにより、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴ薄膜１０６を得ることができる。
【００４９】
この後、ＳＢＴ薄膜１０６の上に、上部電極となる白金膜を堆積することにより、強誘電体膜としてのＳＢＴ薄膜１０６を容量絶縁膜として備えた容量素子を製造することも可能である。
【００５０】
以上のように、本実施形態によると、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを予め高温で焼成することで形成し、第１の微粒子１０１ａが混合され且つ第１の微粒子１０１ａを構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料１０４を基板１０２上に塗布した後に、当該有機化合物原料１０４をアモルファス構造の金属酸化物に変化させる。その後、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、第１の微粒子１０１ａを核として、当該金属酸化物のアモルファス構造を層状ペロブスカイト構造へと相変化させてＳＢＴ薄膜１０６を得るので、ＳＢＴ薄膜１０６を得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度にて、ＳＢＴ薄膜１０６を製造することが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態では、強誘電体薄膜を構成する強誘電体として層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの場合について説明したが、他の強誘電体を用いてもよい。例えば、層状ペロブスカイト構造を有するＢＬＴであってもよく、また、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴであってもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、強誘電体薄膜を製造する方法について説明したが、本実施形態は、高誘電体薄膜を製造する方法についても適用することができる。例えば、ＢＳＴからなる高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態を適用することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、下部電極及び上部電極の一例として白金膜１０３を用いた場合について説明したが、導電性の金属酸化物を用いることもできる。
【００５４】
なお、強誘電体ＦＥＴのゲート絶縁膜又はその一部である強誘電体薄膜若しくは高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を用いる場合には、前述した工程Ｓ１０３で説明した下部電極となる白金膜１０３を基板１０２上に形成しておく工程を省略することもできる。
【００５５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法について、図３及び図４（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。
【００５６】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示すフローチャート図である。また、図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するための概念図である。具体的には、基板の加熱温度を４００℃として、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴ薄膜を作製する方法を説明するための工程図である。なお、図４（ａ）〜（ｆ）においては、第１の実施形態を説明するために用いた図２（ａ）〜（ｅ）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００５７】
まず、図３に示す工程Ｓ２０１において、前記第１の実施形態における工程Ｓ１０１にて説明した方法と同様の方法で、図４（ａ）に示すように、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａ及び第２の微粒子１０１ｂを作製する。
【００５８】
次に、図３に示す工程Ｓ２０２において、第１の実施形態における工程Ｓ１０２にて説明した方法と同様の方法で、図４（ｂ）に示すように、第１の微粒子１０１ａ及び第２の微粒子１０１ｂを分級することにより、粒径（直径）が１００ｎｍ以下の第１の微粒子１０１ａを得る。なお、最終的に得られる後述するＳＢＴ薄膜１０６Ａにおける表面の平坦性にそれほど影響を与えない程度であれば、第１の微粒子１０１ａに混じって、直径が１００ｎｍを超える第２の微粒子１０１ｂが若干量含まれるようにしてもかまわない。
【００５９】
次に、図３に示した工程Ｓ２０３において、図４（ｃ）に示すように、容器１０７中の水又はアセトンなどを混ぜた溶液１０８に、分級して得られた第１の微粒子１０１ａを混合する。続いて、溶液１０８中に、下部電極となる白金膜１０３が形成された基板１０２を配置すると共に、基板１０２と対向するように電極１０９を配置する。なお、この場合、完成後の強誘電体容量素子の絶縁性を高める目的で、白金膜１０３上にストロンチウム・タンタレートのような絶縁膜を備えた基板１０２を用いてもよい。続いて、基板１０２と電極１０９との間に、電界強度が１ｖ／ｃｍとなるように電圧を印加すると、第１の微粒子１０１ａは白金膜１０３上に配置される。このように、電荷を帯びた第１の微粒子１０１ａは、基板１０２と電極１０９との間に印加された電界の作用により、白金膜１０３上に選択的に配置される。なお、この現象は電気泳動と呼ばれる現象である（例えば、特開2002-88500号公報を参照）。また、第１の微粒子１０１ａを基板１０２上に配置する方法としては、ＬＢ（Langmuir-Blodgett ）法を用いてもよい。
【００６０】
次に、図３に示す工程Ｓ２０４において、図４（ｄ）に示すように、ＳＢＴの結晶粒子１０１ａを構成する金属元素と同一の金属元素であるストロンチウム（Ｓｒ）、ビスマス（Ｂｉ）及びタンタル（Ｔａ）の各元素を含む有機化合物をオクタン中に溶かしたＳＢＴの有機原料溶液１０４Ａを、ＳＢＴの結晶粒子１０１ａが配置された基板１０２上にスピンコート法によって塗布する。
【００６１】
次に、図３に示す工程Ｓ２０５において、ＳＢＴの有機原料溶液１０４Ａが塗布された基板１０２に対して、大気中で１６０℃、１分間の乾燥を行ない、さらに大気中で２５０℃、４分間の乾燥を行なうことにより、図４（ｅ）に示すように、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを含んだ膜厚１００ｎｍの金属酸化物のアモルファス膜１０５Ａを得る。
【００６２】
なお、工程Ｓ２０４及び工程Ｓ２０５に代えて、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition；CVD）法、スパッタ法又は水熱合成法により、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａが配置された基板１０２上に金属酸化物のアモルファス膜１０５Ａを堆積してもよい。この場合は、工程Ｓ２０５を省略することができる。
【００６３】
次に、図３に示す工程Ｓ２０６において、ＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを含んだ金属酸化物のアモルファス膜１０５Ａが形成された基板１０２を、４００℃に保持し、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを照射する。具体的には、照射パワーが１００ｍＪ／ｃｍ2 、照射時間が３０ｎｓ、照射周波数が６０Ｈｚ、ショット数が１００回である条件下でレーザーアニールを行なう。このとき、金属酸化物のアモルファス膜１０５Ａ中においては、第１の微粒子１０１ａを核としてアモルファス状態から層状ペロブスカイト構造への相変化が生じる。これにより、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴ薄膜１０６Ａを得ることができる。
【００６４】
この後、ＳＢＴ薄膜１０６Ａの上に、上部電極となる白金膜を堆積することにより、強誘電体膜としてのＳＢＴ薄膜１０６Ａを容量絶縁膜として備えた容量素子を製造することも可能である。
【００６５】
以上のように、本実施形態によると、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子よりなる第１の微粒子１０１ａを予め高温で焼成することで形成し、第１の微粒子１０１ａを基板１０２上に配置した後に、第１の微粒子１０１ａを構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料１０４Ａを塗布し、そして、当該有機化合物原料１０４Ａをアモルファス構造の金属酸化物に変化させる。その後、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、第１の微粒子１０１ａを核として、当該金属酸化物のアモルファス構造を層状ペロブスカイト構造へと相変化させてＳＢＴ薄膜１０６Ａを得るので、ＳＢＴ薄膜１０６Ａを得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、ＳＢＴ薄膜１０６Ａを製造することが可能となる。また、予め、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶よりなる第１の微粒子１０１ａを基板１０２上に配置することにより、第１の微粒子１０１ａを金属酸化物中に均一に存在させることが可能となるので、アモルファス構造から層状ペロブスカイト構造への相変化を金属酸化物中にて一様に進行させることができる。
【００６６】
また、電気泳動を利用して、第１の微粒子１０１ａの配置を行なうので、電気泳動中に印加される電界によって、第１の微粒子１０１ａはその分極発現軸が回転して電界方向（すなわち基板の主面に対して垂直方向）に向く。これにより、第１の微粒子１０１ａは、基板１０２上の下部電極となる白金膜１０３の上にのみ、分極軸が略垂直方向を向いて付着するので、その後レーザーアニールによって得られたＳＢＴ薄膜１０６Ａは、分極軸が基板１０２の主面に対して略垂直方向に向いた層状ペロブスカイト構造を持つ。したがって、このようにして得られたＳＢＴ薄膜１０６Ａを容量絶縁膜として用いることにより、分極特性に優れた強誘電体容量素子を得ることができる。
【００６７】
また、工程Ｓ２０３において、第１の微粒子１０１ａを配置する前に、下部電極となる白金膜１０３をパターニングしておくことにより、第１の微粒子１０１ａはパターニングされた白金膜１０３の上に限定して配置される。このようにすると、用いる第１の微粒子１０１ａの量を減らすことが可能である。
【００６８】
なお、本実施形態では、強誘電体薄膜を構成する強誘電体として層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの場合について説明したが、他の強誘電体を用いてもよい。例えば、層状ペロブスカイト構造を有するＢＬＴであってもよく、また、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴであってもよい。
【００６９】
また、本実施形態では、強誘電体薄膜を製造する方法について説明したが、本実施形態は、高誘電体薄膜を製造する方法についても適用することができる。例えば、ＢＳＴからなる高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態を適用することができる。但し、この場合は、電気泳動による効果を得ることは困難であるが、金属酸化物中に、高誘電体からなる微粒子を均一に存在させることは可能である。
【００７０】
また、本実施形態では、下部電極及び上部電極の一例として白金膜１０３を用いる場合について説明したが、導電性の金属酸化物を用いることもできる。
【００７１】
なお、強誘電体ＦＥＴのゲート絶縁膜又はその一部である強誘電体薄膜若しくは高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を用いる場合には、前述した工程Ｓ２０３で説明した下部電極となる白金膜１０３を基板１０２上に形成しておく工程を省略することもできる。この場合も、電気泳動による効果を得ることは困難であるが、金属酸化物中に、強誘電体又は高誘電体からなる第１の微粒子１０１ａを均一に存在させることは可能である。
【００７２】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法について、図５（ａ）及び（ｂ）並びに図６（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００７３】
図５（ａ）及び（ｂ）並びに図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す工程断面図である。具体的には、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタが形成された基板上に、ＳＢＴ薄膜を形成する方法を説明するための工程図である。
【００７４】
まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１上の素子分離２によって区画された素子形成領域に、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１を形成する。すなわち、素子形成領域におけるシリコン基板１上にゲート絶縁膜３及びゲート電極４を順次形成した後、ゲート電極４をマスクとしてシリコン基板１の表層部に高濃度不純物を注入して高濃度不純物領５を形成する。このようにして、ゲート絶縁膜３、ゲート電極４及び高濃度不純物領域５よりなるＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１が形成される。
【００７５】
次に、シリコン基板１上に、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１を覆うように、第１の層間絶縁膜６を形成した後、第１の層間絶縁膜６中に下端が高濃度不純物領域５と接続する配線プラグを形成すると共に、該配線プラグと接続するメタル配線７ａ及び７ｂを第１の層間絶縁膜６上に形成する。このような構造は、一般に知られたＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタを構成しており、様々な電子回路の実現が可能である。
【００７６】
次に、第１の層間絶縁膜６の上に、メタル配線７ａ及び７ｂを覆うように、二酸化シリコンよりなる第２の層間絶縁膜８を形成する。続いて、第２の層間絶縁膜８中に、メタル配線７ａの上面を露出させるビアホールを形成した後、該ビアホールに導電膜を埋め込むと共に表面を平坦化することにより、プラグ９を形成する。続いて、スパッタ法により、第２の層間絶縁膜８及びプラグ９の上に白金膜を堆積した後、パターニングして下部電極１０を形成する。
【００７７】
次に、図５（ｂ）に示すように、第２の実施形態で説明した方法と同様の方法により、ＳＢＴの結晶粒子（微粒子）１１を電気泳動させて、下部電極１０上にＳＢＴの結晶粒子１１を配置する。続いて、スピンコート法により、シリコン基板１上に、ＳＢＴの有機原料溶液を塗布した後、乾燥させることにより、金属酸化物のアモルファス膜１２中にＳＢＴの結晶粒子１１が混合された状態を形成する。なお、化学的気相成長法、スパッタ法又は水熱合成法により、ＳＢＴの結晶粒子１１が配置されたシリコン基板１上に金属酸化物のアモルファス膜１２を堆積してもよい。
【００７８】
次に、図６（ａ）に示すように、下部電極１０の上面の内側の領域のみにレーザーが照射されるようにレーザー照射装置を制御し、前述の第１及び第２の実施形態で説明した方法と同様の方法で、レーザーを照射することにより、下部電極１０の上面の内側の領域にのみ、ＳＢＴの結晶粒子１１が存在する領域となるＳＢＴ薄膜１３を形成する。なお、レーザーが照射されていない領域では、金属酸化物のアモルファス膜１２は変化していない。
【００７９】
次に、図６（ｂ）に示すように、スパッタ法により、金属酸化物のアモルファス膜１２及びＳＢＴ薄膜１３の上に、白金膜を堆積した後、該白金膜をパターニングして、ＳＢＴ薄膜１３の上に上部電極１４を形成する。これにより、下部電極１０、ＳＢＴ薄膜１３及び上部電極１４から構成される強誘電体容量素子Ｃａ１を得る。
【００８０】
本実施形態によると、前述の第２の実施形態と同様に、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子１１を予め高温で焼成することで形成し、結晶粒子１１をシリコン基板１上に配置した後に、結晶粒子１１を構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布し、当該有機化合物原料をアモルファス構造の金属酸化物に変化させる。その後、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、結晶粒子１１を核として、当該金属酸化物のアモルファス構造を層状ペロブスカイト構造へと相変化させてＳＢＴ薄膜１３を得るので、ＳＢＴ薄膜１３を得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、ＳＢＴ薄膜１３を製造することが可能となる。また、予め、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子１１をシリコン基板１上に配置することにより、当該結晶粒子１１を金属酸化物中に均一に存在させることが可能となるので、アモルファス構造から層状ペロブスカイト構造への相変化を金属酸化物中にて一様に進行させることができる。
【００８１】
また、本実施形態では、前述の第２の実施形態と同様に、電気泳動法により、下部電極１０の上にＳＢＴの結晶粒子１１を選択配置させている。さらに、電気泳動中に印加される電界によって、ＳＢＴの結晶粒子１１は、その分極発現軸が回転して電界方向（すなわち基板の主面に対して垂直方向）に向いている。これにより、ＳＢＴの結晶粒子１１は、シリコン基板１上に形成されている下部電極１０上にのみ、分極軸が略垂直方向を向いて付着するので、その後レーザーアニールによって得られたＳＢＴ薄膜１３は、分極軸がシリコン基板１の主面に対して略垂直方向に向いた層状ペロブスカイト構造を持つ。したがって、このようにして得られたＳＢＴ薄膜１３を容量絶縁膜として用いることにより、分極特性に優れた強誘電体容量素子Ｃａ１を得ることができる。
【００８２】
さらに、本実施形態は、第１の層間絶縁膜６及び第２の層間絶縁膜８のうちの少なくとも一方として、照射するレーザーの波長領域に対して透明となる材料を用いる場合に効果的である。このような場合において、下部電極１０の上面の外側の領域にレーザーが照射されないことから、照射するレーザーの波長領域に対して透明となる第１の層間絶縁膜６及び第２の層間絶縁膜８の少なくとも一方をレーザーが透過することを防止できるので、第１の層間絶縁膜６又は第２の層間絶縁膜８の下層に形成された回路素子であるＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１に損傷を与えることを防止することができる。
【００８３】
さらに、下部電極１０、ＳＢＴ薄膜１３及び上部電極１４から構成される強誘電体容量素子Ｃａ１の周囲には、ＳＢＴの結晶よりなるＳＢＴ薄膜１３よりも低誘電率であるアモルファス膜１２が存在している。このような構造となっていることにより、当該アモルファス構造である金属酸化物は低誘電率であるので、強誘電体容量素子Ｃａ１の寄生容量の低減に有効である。
【００８４】
なお、本実施形態では、強誘電体薄膜を構成する強誘電体として層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの場合について説明したが、他の強誘電体を用いてもよい。例えば、層状ペロブスカイト構造を有するＢＬＴであってもよく、また、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴであってもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、下部電極及び上部電極の一例として白金膜１０３を用いた場合について説明したが、導電性の金属酸化物を用いることもできる。
【００８６】
また、本実施形態では、強誘電体薄膜を製造する方法について説明したが、本実施形態は、高誘電体薄膜を製造する方法についても適用することができる。例えば、ＢＳＴからなる高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態を適用することができる。但し、この場合は、電気泳動による効果を得ることは困難であるが、金属酸化物中に、高誘電体からなる結晶粒子（微粒子）を均一に存在させることは可能である。
【００８７】
また、図５（ｂ）に示す工程に代えて、第１の実施形態で説明した方法を用いることも可能である。特に、分極方向の制御が不要な高誘電体薄膜を製造する場合には工程が簡略化できる。
【００８８】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法について、図７（ａ）及び（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００８９】
図７（ａ）及び（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）は、第４の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するための工程断面図である。具体的には、第３の実施形態と同様に、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタが形成された基板上にＳＢＴ薄膜を形成する方法を説明するための工程図である。なお、図７（ａ）及び（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）において、前述の第３の実施形態を説明するための図５（ａ）及び（ｂ）並びに図６（ａ）及び（ｂ）と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００９０】
まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板１上の素子分離２によって区画された素子形成領域に、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１を形成する。すなわち、素子形成領域におけるシリコン基板１上にゲート絶縁膜３及びゲート電極４を順次形成した後、ゲート電極４をマスクとしてシリコン基板１の表層部に高濃度不純物を注入して高濃度不純物領５を形成する。このようにして、ゲート絶縁膜３、ゲート電極４及び高濃度不純物領域５よりなるＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１が形成される。
【００９１】
次に、シリコン基板１上に、ＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１を覆うように、第１の層間絶縁膜６を形成した後、第１の層間絶縁膜６中に下端が高濃度不純物領域５と接続する配線プラグを形成すると共に、該配線プラグと接続するメタル配線７ａ及び７ｂを第１の層間絶縁膜６上に形成する。このような構造は、一般に知られたＭＯＳ型ＦＥＴトランジスタＴｒ１を構成しており、様々な電子回路の実現が可能である。
【００９２】
次に、第１の層間絶縁膜６の上に、メタル配線７ａ及び７ｂを覆うように、二酸化シリコンよりなる第２の層間絶縁膜８を形成する。続いて、第２の層間絶縁膜８中に、メタル配線７ａの上面を露出させるビアホールを形成した後、該ビアホールに導電膜を埋め込むと共に表面を平坦化することにより、プラグ９を形成する。続いて、スパッタ法により、第２の層間絶縁膜８及びプラグ９の上に白金膜２１を堆積する。
【００９３】
次に、図７（ｂ）に示すように、第２の実施形態で説明した方法と同様の方法により、ＳＢＴの結晶粒子１１Ａを電気泳動させて、白金膜２１上にＳＢＴの結晶粒子１１Ａを配置する。続いて、スピンコート法により、シリコン基板１上に、ＳＢＴの有機原料溶液を塗布した後、乾燥させることにより、金属酸化物のアモルファス膜１２Ａ中にＳＢＴの結晶粒子１１Ａが混合された状態を形成する。なお、化学的気相成長法、スパッタ法又は水熱合成法により、ＳＢＴの結晶粒子１１Ａが配置されたシリコン基板１上に金属酸化物のアモルファス膜１２Ａを堆積してもよい。
【００９４】
次に、図８（ａ）に示すように、シリコン基板１（アモルファス膜１２）の全面に対して、第１及び第２の実施形態で説明した方法と同様の方法にて、レーザーを照射することにより、シリコン基板１（白金膜２１）の全面に、ＳＢＴの結晶粒子１１Ａが存在する領域となるＳＢＴ薄膜１３Ａを形成する。
【００９５】
次に、図８（ｂ）に示すように、スパッタ法により、ＳＢＴ薄膜１３Ａの上に白金膜を堆積した後、上層の白金膜、ＳＢＴ薄膜１３Ａ及び下層の白金膜２１に対して一括してエッチングを行なうことにより、白金膜からなる下部電極１０Ａ、ＳＢＴ薄膜からなる容量絶縁膜１３Ｂ及び白金膜からなる上部電極１４Ａから構成される強誘電体容量素子Ｃａ２を得る。
【００９６】
以上のように、本実施形態によると、第２及び第３の実施形態と同様に、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子１１Ａを予め高温で焼成することで形成し、結晶粒子１１Ａをシリコン基板１上に配置した後に、結晶粒子１１Ａを構成する金属元素と同一の金属元素を含む有機化合物原料を塗布し、当該有機化合物原料をアモルファス構造の金属酸化物に変化させる。その後、当該金属酸化物にレーザーを照射することにより、結晶粒子１１Ａを核として、当該金属酸化物のアモルファス構造を層状ペロブスカイト構造へと相変化させてＳＢＴ薄膜１３Ａを得るので、ＳＢＴ薄膜１３Ａを得るための結晶化に必要なエネルギーを低減することができる。したがって、微細ＬＳＩの製造プロセスに適した極めて低い温度で、ＳＢＴ薄膜１３Ａを製造することが可能となる。また、予め、層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの結晶粒子１１Ａをシリコン基板１上に配置することにより、結晶粒子１１Ａを金属酸化物中に均一に存在させることが可能となるので、アモルファス構造から層状ペロブスカイト構造への相変化を金属酸化物中にて一様に進行させることができる。
【００９７】
また、本実施形態では、前述の第２及び第３の実施形態と同様に、電気泳動法により、白金膜２１の上にＳＢＴの結晶粒子１１Ａを選択配置させている。さらに、電気泳動中に印加される電界によって、ＳＢＴの結晶粒子１１Ａは、その分極発現軸が回転して電界方向（すなわち基板の主面に対して垂直方向）に向いている。これにより、ＳＢＴの結晶粒子１１Ａは、シリコン基板１上に形成されている白金膜２１の上に、分極軸が略垂直方向を向いて付着するので、その後レーザーアニールによって得られたＳＢＴ薄膜１３Ａは、分極軸がシリコン基板１の主面に対して略垂直方向に向いた層状ペロブスカイト構造を持つ。したがって、このようにして得られたＳＢＴ薄膜１３Ａを容量絶縁膜として用いることにより、分極特性に優れた強誘電体容量素子Ｃａ２を得ることができる。
【００９８】
また、本実施形態では、レーザー照射をシリコン基板１の全面に対して行なうことにより、前述の第３の実施形態で説明したようなレーザー照射装置に対する特別な制御が不要となるので、簡便な方法にて、ＳＢＴ薄膜１３Ａを得ることができる。したがって、強誘電体容量素子Ｃａ２を簡便に作製することができる。また、上層の白金膜、ＳＢＴ薄膜１３Ａ及び下層の白金膜２１に対して一括してエッチングを行なって、白金膜からなる下部電極１０Ａ、ＳＢＴ薄膜からなる容量絶縁膜１３Ｂ及び白金膜からなる上部電極１４Ａから構成される強誘電体容量素子Ｃａ２を得ることが可能となる。
【００９９】
なお、本実施形態では、強誘電体薄膜を構成する強誘電体として層状ペロブスカイト構造を有するＳＢＴの場合について説明したが、他の強誘電体を用いてもよい。例えば、層状ペロブスカイト構造を有するＢＬＴであってもよく、また、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴであってもよい。
【０１００】
また、本実施形態では、下部電極及び上部電極が一例として白金膜よりなる場合について説明したが、導電性の金属酸化物を用いることもできる。
【０１０１】
また、本実施形態では、強誘電体薄膜を製造する方法について説明したが、本実施形態は、高誘電体薄膜を製造する方法についても適用することができる。例えば、ＢＳＴからなる高誘電体薄膜を製造する場合に、本実施形態を適用することができる。但し、この場合は、電気泳動による効果を得ることは困難であるが、金属酸化物中に、高誘電体からなる微粒子を均一に存在させることは可能である。
【０１０２】
また、図７（ｂ）に示す工程に代えて、第１の実施形態で説明した方法を用いることも可能である。特に、分極方向の制御が不要な高誘電体薄膜を製造する場合には工程が簡略化できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を用いて、極めて低温にて形成された強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を備えた容量素子は、６５ｎｍノード以降の微細ＣＭＯＳへの混載が可能であり、受動素子による電子回路の機能拡張に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャート図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するための概念図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャート図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す説明するための概念図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の製造方法を示す工程断面図である。
【図９】従来の強誘電体薄膜の製造方法を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１    シリコン基板
２    素子分離
３    ゲート絶縁膜
４    ゲート電極
５    高濃度不純物領域
６    第１の層間絶縁膜
７ａ、７ｂ    メタル配線
８    第２の層間絶縁膜
９    プラグ
１０、１０Ａ    下部電極
１１、１１Ａ    ＳＢＴの結晶粒子（微粒子）
１２、１２Ａ    アモルファス膜
１３、１３Ａ、１３Ｂ    ＳＢＴ薄膜
１４、１４Ａ  上部電極
２１  白金膜
１０１ａ  第１の微粒子
１０１ｂ  第２の微粒子
１０２    基板
１０３    白金膜
１０４、１０４Ａ    ＳＢＴの有機原料溶液
１０５、１０５Ａ    金属酸化物のアモルファス膜
１０６、１０６Ａ    ＳＢＴ薄膜
１０７    容器
１０８    溶液
１０９    電極
【図１】
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【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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