(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶を有する素子基板と、
前記素子基板上に形成された六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜と、
前記バッファ薄膜の表面に形成された二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜と、
を有し、前記機能性薄膜が、金属相と絶縁相との間で相転移される機能性素子。
【請求項２】
前記バッファ薄膜は、金属アルミニウムターゲットが、スパッタリングガスと窒素原子を有する窒化ガスとが含まれる真空雰囲気中でスパッタリングされ、８００℃以上１０００℃以下の温度に昇温された前記素子基板の表面に形成された請求項１記載の機能性素子。
【請求項３】
前記機能性薄膜は、金属バナジウムターゲットが、スパッタリングガスと酸化性ガスとを含有する真空雰囲気中でスパッタリングされて前記バッファ薄膜の表面に形成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の機能性素子。
【請求項４】
前記素子基板の表面には二酸化ケイ素が露出し、前記バッファ薄膜は、前記二酸化ケイ素と接触された請求項３記載の機能性素子。
【請求項５】
半導体単結晶を有する素子基板上に六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜をエピタキシャル成長させるバッファ薄膜形成工程と、
前記バッファ薄膜が形成された前記素子基板をスパッタリングガスと酸化性ガスとを含有する真空雰囲気中に配置し、金属バナジウムターゲットをスパッタリングして、前記バッファ薄膜の表面に、六方晶構造の二酸化バナジウム薄膜をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程とを有する二酸化バナジウム薄膜製造方法。
【請求項６】
前記バッファ薄膜形成工程は、金属アルミニウムターゲットを、スパッタリングガスと、窒素原子を有する窒化ガスとが含まれる真空雰囲気中で、前記素子基板を８００℃以上１０００℃以下の温度に昇温させ、スパッタリングし、前記素子基板の表面に前記バッファ薄膜を形成する請求項５記載の二酸化バナジウム薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能性酸化物薄膜の技術分野に係り、特に、相転移を示す二酸化バナジウム薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バナジウムには、例えば二酸化バナジウム(ＶＯ2)や、五酸化二バナジウム(Ｖ2Ｏ5)とが知られており、(Ｖ2Ｏ5とＶＯ2はそれぞれ約２８０℃と約６５℃を相転移温度にして相転移を発生させる。
相転移が起こると、電気的特性や光学的特性が急激に変化するので、色々な応用が考えられており、特に、相転移温度が常温に近く、半導体−金属転移が発生するＶＯ2が、スイッチング素子や記憶素子の材料として注目されている（特許文献１）。
【０００３】
半導体−金属転移については、相転移前後での抵抗値変化が発生し、その変化量が大きいほど、スイッチング素子や記憶素子の性能が向上することから、抵抗値変化が大きい単結晶のＶＯ2薄膜が求められている。
【０００４】
ＳｉＯ2表面上では、ＶＯ2薄膜をエピタキシャル成長させることはできないが、サファイヤ基板の表面上には、結晶性が高いＶＯ2薄膜を形成できることが知られているが、ＶＯ2薄膜を用いた機能性素子を形成するために、電子回路を一体化できる半導体基板上にＶＯ2薄膜を形成する技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２３３６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、半導体基板上に結晶性が高い二酸化バナジウム薄膜を形成することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、半導体単結晶を有する素子基板と、前記素子基板上に形成された六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜と、前記バッファ薄膜の表面に形成された二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜と、を有し、前記機能性薄膜が、金属相と絶縁相との間で相転移される機能性素子である。
本発明は、前記バッファ薄膜は、金属アルミニウムターゲットが、スパッタリングガスと窒素原子を有する窒化ガスとが含まれる真空雰囲気中でスパッタリングされ、８００℃以上１０００℃以下の温度に昇温された前記素子基板の表面に形成された機能性素子である。
本発明は、前記機能性薄膜は、金属バナジウムターゲットが、スパッタリングガスと酸化性ガスとを含有する真空雰囲気中でスパッタリングされて前記バッファ薄膜の表面に形成された機能性素子である。
本発明は、前記素子基板の表面には二酸化ケイ素が露出し、前記バッファ薄膜は、前記二酸化ケイ素と接触された機能性素子である。
本発明は、半導体単結晶を有する素子基板上に六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜をエピタキシャル成長させるバッファ薄膜形成工程と、前記バッファ薄膜が形成された前記素子基板をスパッタリングガスと酸化性ガスとを含有する真空雰囲気中に配置し、金属バナジウムターゲットをスパッタリングして、前記バッファ薄膜の表面に、六方晶構造の二酸化バナジウム薄膜をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程とを有する二酸化バナジウム薄膜製造方法である。
本発明は、前記バッファ薄膜形成工程は、金属アルミニウムターゲットを、スパッタリングガスと、窒素原子を有する窒化ガスとが含まれる真空雰囲気中で、前記素子基板を８００℃以上１０００℃以下の温度に昇温させ、スパッタリングし、前記素子基板の表面に前記バッファ薄膜を形成する二酸化バナジウム薄膜製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
二酸化バナジウムは、相転移の前後での抵抗値変化が大きく、電気的特性が良好な機能性素子が得られる。本発明では、機能性素子を半導体基板上に形成するので機能性素子と電気回路と組み合わせた機能性集積回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】(ａ)〜(ｈ)：本発明の一例の機能性素子を製造する工程を説明するための図
【図２】本発明の他の機能素子の構造を説明するための図
【図３】サファイヤ基板上に形成した二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果
【図４】ルチル型の二酸化バナジウム薄膜の温度−抵抗特性の測定結果
【図５】下側：エピタキシャル成長された六方晶型構造の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折解析結果  上側：その六方晶型構造の窒化アルミニウム薄膜の表面にエピタキシャル成長された二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果
【図６】二酸化バナジウム薄膜のＰｈｉ方向のＸ線回折解析結果
【図７】六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜表面にエピタキシャル成長された二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果
【図８】多結晶型の窒化アルミニウム薄膜表面に形成された二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果
【図９】温度−抵抗値特性の測定結果  (ａ)：図７の二酸化バナジウム薄膜  (ｂ)：図８の二酸化バナジウム薄膜  (ｃ)：サファイア基板上に形成した二酸化バナジウム薄膜
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の機能素子の製造工程を説明する。
図１を参照し、同図(ａ)の符号２０は、Ｓｉ単結晶基板である。
【００１１】
＜バッファ薄膜形成工程＞
この素子基板２０を、スパッタリング装置内に搬入する。
スパッタリング装置の内部は真空雰囲気にされており、金属アルミニウムのターゲットが配置されている。第一のスパッタリング装置の内部にスパッタリングガス(希ガス)と窒化ガスとを導入し、金属アルミニウムターゲットをスパッタリングして、素子基板２０の表面に、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)薄膜を接触して形成する。
【００１２】
窒化アルミニウム薄膜が素子基板２０上で成長する際には、素子基板２０を加熱して８００℃以上１０００℃以下の温度に昇温させており、窒化アルミニウム薄膜はエピタキシャル成長し、図１(ｂ)に示すように、六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜１３が形成される。ここでのスパッタリングガスにはアルゴンガスを用い、窒化ガスにはＮ2ガスを用いた。
【００１３】
＜エピタキシャル成長工程＞
次に、バッファ薄膜１３が形成された素子基板２０を、金属バナジウムのターゲットが配置された第二のスパッタリング装置の内部に搬入し、スパッタリングガスと酸化性ガスとを導入し、素子基板２０を３５０℃以上５００℃未満の温度範囲に昇温させながら、金属バナジウムターゲットをスパッタリングする。
【００１４】
スパッタリングにより、ターゲットの表面から金属バナジウムやバナジウム酸化物がスパッタリング粒子となって飛び出し、素子基板２０のバッファ薄膜１３の表面に到達すると酸素ガスと反応し、バナジウム原子と酸素原子とが１：２の個数割合で規則的に並んで二酸化バナジウム薄膜がエピタキシャル成長し、バッファ薄膜１３の表面に二酸化バナジウム薄膜が形成される。
【００１５】
二酸化バナジウムは、相転移温度である６７℃を境に電気特性や結晶構造が変化する性質があり、相転移温度よりも低温では高抵抗な絶縁相を示し、高温では低抵抗な金属相を示す。相転移温度よりも低温では、二酸化バナジウム薄膜の結晶格子構造は、単斜晶構造であるが、その状態から昇温され、相転移温度を(６７℃)超えるとルチル型の正方晶に変化する。降温して相転移温度よりも低温になると単斜晶になる。
【００１６】
結晶性が高い二酸化バナジウム薄膜を形成するためには、スパッタリングの際には素子基板２０は少なくとも相転移温度よりも高温に加熱する必要がある。
バッファ薄膜上に成長する薄膜は、バッファ薄膜の結晶性が高いほど結晶性が高くなり、逆に、多結晶や非晶質のバッファ薄膜上には、結晶性が高い薄膜は形成されにくい。
【００１７】
本発明では、二酸化バナジウム薄膜は、結晶性が高い六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜１３上に成長されており、結晶性の高い二酸化バナジウム薄膜が得られることが分かっている。
【００１８】
同図(ｃ)の符号１５は、二酸化バナジウム薄膜を示している。
スパッタリングガスは、アルゴンガス、酸化性ガスは酸素ガス(Ｏ2ガス)を用いることができる。
【００１９】
＜エッチング工程＞
次に、二酸化バナジウム薄膜１５を部分的にエッチングし、図１(ｄ)に示すように、残った部分から成る機能性薄膜１６を形成する。
【００２０】
＜電極形成工程＞
次に、同図(ｅ)に示すように、素子基板２０の機能性薄膜１６が形成された側の表面に、機能性薄膜１６と接触する金属薄膜(ここではニッケル薄膜)から成る内部電極膜１８を形成する。
【００２１】
次に、内部電極膜１８をパターニングし、同図(ｆ)に示すように、互いに分離され、それぞれ底面で機能性薄膜１６の表面と接触した第一、第二の内部電極１９1，１９2を形成する。第一、第二の内部電極１９1，１９2は、機能性薄膜１６によって互いに電気的に接続されている。
【００２２】
次に、第一、第二の内部電極１９1，１９2が位置する表面に、同図(ｇ)に示すように、金属薄膜(ここでは白金薄膜)から成る外部電極膜２１を形成し、外部電極膜２１をパターニングして、同図(ｈ)に示すように、第一、第二の外部電極２２1，２２2を形成され、第一、第二の外部電極２２1、２２2は互いに分離され、第一の外部電極２２1は第一の内部電極１９1に接触され、第二の外部電極２２2は第二の内部電極１９2に接触されている。
【００２３】
素子基板２０の内部には、不純物拡散層やｐｎ接合が形成され、素子基板２０には、トランジスタやダイオード等の電機部品が形成されている。そのトランジスタやダイオードなどの電気部品から電気回路が構成されており、第一、第二の内部電極１９1，１９2は、素子基板２０に設けられた電気回路に接続され(電気部品と電気回路は不図示)、第一、第二の外部電極２２1，２２2の間に電気回路から電圧が印加されると、第一、第二の内部電極１９1，１９2を介して機能性薄膜１６に電圧が印加され、機能性薄膜１６に電流が流れる。
【００２４】
絶縁相の二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜１６に第一のパルス電圧を印加すると金属相に相転移して抵抗値が小さくなり、金属相の二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜１６に、第一の電圧よりも低電圧である第二の電圧のパルス電圧を印加すると絶縁相の二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜１６に相転移して抵抗値が大きくなる。
従って、この特性によって情報を記憶する記憶素子である機能性素子２７が得られる。
【００２５】
上記の機能性素子２７が有する電気的特性は、第一、第二の外部電極２２1，２２2の間の印加電圧が大きくなると、抵抗値が小さくなって電流を流せるようになることから、サーミスタである機能性素子としても用いることができる。
【００２６】
また、上記製造工程では、Ｓｉ単結晶基板から成る素子基板２０として用いたが、また、半導体基板を素子基板２０として用い、８００℃以上１０００℃以下の温度範囲で、素子基板２０の半導体単結晶の表面上に窒化アルミニウム薄膜を形成し、その窒化アルミニウム薄膜の表面上に二酸化バナジウム薄膜を形成してもよい。
【００２７】
また、図２に示すように、素子基板２０の表面上に六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜から成るバッファ薄膜１３を形成し、バッファ薄膜１３の表面にルチル型正方晶構造の二酸化バナジウム薄膜から成る機能性薄膜１６を形成し、ソース電極２３1とドレイン電極２３2とを、機能性薄膜１６と接触して配置し、ソース電極２３1上と、ドレイン電極２３2上と、ソース電極２３1とドレイン電極２３2との間に露出する機能性薄膜１６上との間に亘ってゲート絶縁膜２５とゲート電極２６とをこの順序で積層させ、トランジスタである機能性素子２８を構成させてもよい。この機能性素子２８については、ゲート電極２６に印加する電圧によって、機能性薄膜１６に相転移を発生させ、ソース電極２３1とドレイン電極２３2との間の抵抗値を変化させることが期待されている。
なお、二酸化バナジウム薄膜を形成する温度範囲は、５００℃以下の範囲に限定されるものではなく、１０００℃以下の温度範囲であればよい。
【実施例】
【００２８】
図３は、サファイヤ基板上に、スパッタリング法によって二酸化バナジウム薄膜をエピタキシャル成長させて得られたルチル型の二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果であり、図４は、そのルチル型の二酸化バナジウム薄膜の温度−抵抗特性の測定結果である。二酸化バナジウム薄膜のエピタキシャル成長温度５００℃、膜厚７０ｎｍである。
図３，４から、相転移温度は６７℃、ヒステリシス曲線の温度幅は６．７℃であり、相転移による抵抗値変化は５桁である。
【００２９】
図５の下側のグラフは、エピタキシャル成長された六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折解析結果であり、上側のグラフは、その六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜の表面にエピタキシャル成長によって形成された二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果である。
この二酸化バナジウム薄膜のピークは、窒化アルミニウム薄膜のピーク位置に近い位置にあり、窒化アルミニウムと同様に、結晶性が高いことが分かる。
【００３０】
図６は、アナターゼ型正方晶構造の二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果であり、(０１１)面の配向が観察される。
図５のグラフのピーク位置をこの図６のグラフのピーク位置と比較すると、図５のグラフは、図６のグラフと異なっていることから、六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜表面に成長した図５のグラフの二酸化バナジウム薄膜は、ルチル型の正方晶構造であることが分かる。
【００３１】
次に、上記バッファ薄膜製造工程で形成した六方晶構造の窒化アルミニウム薄膜の表面に、上記エピタキシャル成長工程の条件によって形成されたルチル型正方晶構造の二酸化バナジウム薄膜のＸ線回折解析結果を図７に示し、温度−抵抗値特性を図９(ａ)に示す。
【００３２】
比較例として、素子基板の温度を５００℃以下の温度(ここでは３５０℃)にして金属アルミニウムターゲットをスパッタリングし、多結晶型の窒化アルミニウム薄膜を形成してバッファ薄膜とし、その表面に上記エピタキシャル成長工程の条件で二酸化バナジウム薄膜を形成した。その表面のＸ線回折解析結果を図８に示し、温度−抵抗特性を図９(ｂ)に示す。
【００３３】
また、比較例として、サファイヤ基板の表面に、その表面に上記エピタキシャル成長工程の条件で二酸化バナジウム薄膜を形成した。その表面のＸ線回折解析結果を図９(ｃ)に示す。
【００３４】
これら図９(ａ)〜(ｃ)の二酸化バナジウム薄膜のスパッタリング条件は、素子基板の温度は５００℃、ＤＣパワー７５０Ｗ、酸素ガス含有量１３．９％、二酸化バナジウム薄膜の膜厚は７０ｎｍである。
【００３５】
本発明の二酸化バナジウム薄膜(図９(ａ))と、サファイヤ基板上の二酸化バナジウム薄膜(図９(ｃ))とが、５桁の抵抗値変化があるが、多結晶窒化アルミニウム薄膜上の二酸化バナジウム薄膜(図９(ｂ))では、抵抗変化は４桁である。
【００３６】
サファイヤ基板上の二酸化バナジウム薄膜は、結晶性が高いことが知られているが、図９(ａ)と(ｃ)のグラフを対比させると、抵抗変化は同程度であり、本発明の二酸化バナジウム薄膜は、同程度の結晶性を有していることが分かる。
【００３７】
なお、図９(ａ)〜(ｃ)の二酸化バナジウム薄膜を形成したエピタキシャル工程の条件は、素子基板の温度は５００℃、スパッタリング電力は、７５０Ｗ(直流)、酸素ガス(Ｏ2ガス）割合は１３．９％、膜厚は７０ｎｍである。
【符号の説明】
【００３８】
２０……素子基板
１３……バッファ薄膜
１６……機能性薄膜
２７、２８……機能性素子
【図１】
0006429184.tif 000002
【図２】
0006429184.tif 000003
【図３】
0006429184.tif 000004
【図４】
0006429184.tif 000005
【図５】
0006429184.tif 000006
【図６】
0006429184.tif 000007
【図７】
0006429184.tif 000008
【図８】
0006429184.tif 000009
【図９】
0006429184.tif 000010