(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上への強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法、およびそれを利用した強誘電体メモリの製造方法を提供する。【解決手段】絶縁素材基板１上にスピンコート法により非晶質のＰＺＴ薄膜２を堆積し、ライン状に整形された５３２ｎｍの波長をもつ連続発振レーザビーム４を酸化物２の表面３にスキャン照射して結晶化させることで、優れた強誘電特性が得られる。対象となる酸化物２に集中的にしかも短時間で最適な熱を与えることができるため、基板１や他の層の温度上昇を押さえることが可能である。また、レーザービーム照射により酸化膜の温度が急激に上昇しても短時間での処理となり、蒸発などによる組成のずれを最小限にすることが可能である。特にガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板１を用いるため、基板への熱損失が少なく、有効に結晶化を行うことができる。【選択図】図１
2009238842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板としてガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板を用い、結晶化することによって強誘電体もしくは常誘電体となる酸化物薄膜を基板上に直接あるいは他の層を介して堆積し形成し、その後レーザビームを照射して結晶化を促進させることを特徴とする強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項２】
ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板に直接あるいは他の層を介してレーザ光吸収層を形成し、その上に強誘電体もしくは常誘電体となる酸化物薄膜を形成し、その後レーザビームを照射して、レーザ光吸収層を介して酸化物薄膜を加熱し結晶化を促進させることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項３】
酸化物薄膜の上にさらに他のレーザ光吸収層を形成し、その後レーザビームを照射して結晶化を促進させることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項４】
ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上にシリコン酸化膜などの絶縁薄膜をバッファ層として堆積し、この上に強誘電体もしくは常誘電体となる酸化物薄膜を堆積することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項５】
ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に薄膜トランジスタを形成し、この上にシリコン酸化膜などの絶縁薄膜をバッファ層として堆積し、更に強誘電体もしくは常誘電体となる酸化物薄膜を基板上に直接あるいは他の層を介して堆積することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項６】
酸化物薄膜の少なくとも一部がペロブスカイト相結晶構造を有する酸化物であることを特徴とする請求項1ないし５のいずれかに記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項７】
酸化物薄膜の少なくとも一部がパイロクロア相結晶構造を有する酸化物であることを特徴とする請求１ないし３のいずれかに記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項８】
レーザビームをレーザ出力制御とスキャン制御して照射し、強誘電体薄膜もしくは常誘電体薄膜の結晶化を促進させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法。
【請求項９】
前記請求項１ないし８のいずれかに記載の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法を用いて製造されたことを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上への強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法およびそれを利用した強誘電体メモリの製造方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メモリは、マトリクス上に配置したセルに自発分極を有する強誘電体薄膜を用い、セルの分極状態を検出する不揮発性メモリである。このメモリは強誘電体薄膜の高速な分極反転と残留分極を利用するため、高速書き込みや低消費電力といった特徴を持っている。強誘電体は電場をかけることにより自発分極の方向が反転する。かける電圧の正負を切りかえることにより正または負の電荷を表面に誘起する。この誘起された正または負の電荷は不揮発に保持されるため、不揮発性メモリとなる。従来、強誘電体メモリはシリコン基板上での製造が主であった。
【０００３】
強誘電体材料としては、ペロブスカイト型強誘電体であるPb（Zr,Ti）O3（以下、PZT）や、Bi層状構造強誘電体であるSrBi2Ta2O9(以下、SBT)などの複合酸化物がよく知られている。強誘電体薄膜の製造方法としてはスピン塗布法、化学気相成長(CVD)法、スパッタ法、有機金属気相成長（MOCVD）法などがある。またミスト化した強誘電体材料溶液を基板上に塗布成膜する方法も知られている。これら方法にて成膜した後、PZT膜やSBT膜などによる強誘電体薄膜を得るためには、通常500℃以上の高い温度で熱処理を施し結晶化させる必要があり、一般に、PZT膜では600℃〜700℃、SBT膜では700℃〜800℃の熱処理が必要である。従来は石英加熱炉やRTA(Rapid Thermal Anneal)などにより基板全体を加熱し、強誘電体薄膜を結晶化していた。
【０００４】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, TFT）は、液晶ディスプレイ（LCD）や有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ（FPD）において、アクティブマトリクス動作の画素スイッチとして広く使われている。ディスプレイの厚み薄型化と低コスト化の要求から、画素スイッチだけでなく、制御ドライバ回路やCPU、そしてメモリを同じガラス基板上につくりこむシステム・オン・パネル（System On Panel, SOP）が求められている。ＳＯＰに作製するメモリとして、低消費電力の観点から強誘電体メモリが最適である。他方、ガラス基板においては500℃以上の温度では基板が損傷もしくは湾曲してしまうため、これら基板を用いる場合はこれら温度以下の低温もしくは室温に保ちつつ結晶化を行う必要がある。このためガラス基板上に強誘電体メモリを作製するためには、強誘電体薄膜も500℃以下の温度で成膜する必要があるが、従来の石英加熱炉やRTAでは基板全体を加熱するため、これら製造方法を用いることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁素材基板の上に強誘電体メモリや強誘電体薄膜を作製するためには、ガラス基板においては500℃以上、プラスチック基板では200℃以上では基板が損傷もしくは湾曲してしまうため、これら基板を用いる場合はこれら温度以下の低温もしくは室温に保ちつつ結晶化を行う必要がある。
【０００６】
PZT膜やSBT膜などによる強誘電体薄膜の低温結晶化として、レーザアニールがあるが、シリコン基板上ではシリコン基板の熱伝導率が高いため熱損失が大きく、レーザアニールによって強誘電体薄膜が十分には加熱されず、結晶化が進まない。従来のレーザアニールとしては、特許公開2002-314045に述べられているようなシリコン基板上へ成膜した強誘電体薄膜のパルス発振エキシマーレーザアニール法がある。このようなパルス発振では平均的には必要な熱量を対象とする酸化膜薄膜に供給できても、ピーク時には非常に高いエネルギービームを照射することになる。また、シリコン基板は熱伝導率が高いため、一旦はレーザ照射により酸化膜薄膜の温度が上昇しても、レーザパルス照射後は酸化膜薄膜の熱がシリコン基板に伝わり急激に冷却される。このため、酸化物中の原子に所定のエネルギーを連続して与え、活性な原子の拡散を容易にし、結晶化を促進させることを目的とする強誘電体薄膜の結晶成長には、シリコン基板上へ成膜した強誘電体薄膜へのパルス発振エキシマーレーザアニール法は適当でない。これに対してガラス基板上では熱伝導率が低くシリコン基板の1/100程度であり、レーザアニールにより十分に加熱され、その結果結晶化が促進される。
【０００７】
しかしガラス基板などの絶縁素材基板にPZT膜やSBT膜などによる強誘電体薄膜を成膜し、レーザビームを用いて結晶化した場合、強誘電体薄膜の温度上昇により絶縁素材基板が損傷を受ける。また逆に絶縁素材基板の不純物が、レーザアニール時に強誘電体薄膜まで拡散し、強誘電体薄膜特性が劣化する。
【０００８】
ガラス基板などの絶縁素材基板上に薄膜トランジスタが形成されている場合、この上に成膜したPZT膜やSBT膜などによる強誘電体薄膜を、レーザビームを用いて結晶化した場合、強誘電体薄膜の温度上昇により薄膜トランジスタが損傷を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の強誘電体薄膜及び常誘電体薄膜の形成方法では、基板として特にガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁基板を用い、酸化物薄膜を基板上に直接あるいは他の層を介して堆積し形成し、その後レーザビームを照射して結晶化を促進させる。
【００１０】
また、前記方法において、レーザビームを照射して、強誘電体となる酸化物薄膜の下地レーザ光吸収層を介し、酸化物薄膜を加熱し結晶化を促進させる。
【００１１】
また、前記方法において、酸化物薄膜の上にさらに他のレーザ光吸収層を形成し、その後レーザビームを照射して結晶化を促進させる。
【００１２】
また、前記方法において、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上にシリコン酸化膜などの絶縁薄膜をバッファ層として堆積し、この上に結晶化することによって強誘電体もしくは常誘電体となる酸化物薄膜を堆積することにより、レーザビーム照射時の絶縁素材基板の損傷を防止する。また同時にこの絶縁薄膜バッファ層により強誘電体薄膜もしくは常誘電体への不純物拡散を抑制する。
【００１３】
また、前記方法において、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に薄膜トランジスタが形成されている場合、この上にシリコン酸化膜などの絶縁薄膜をバッファ層として堆積し、更に結晶化することによって強誘電体となる酸化物薄膜を堆積することにより、レーザビーム照射時の薄膜トランジスタの損傷を防止する。
【００１４】
また、前記方法において、酸化物薄膜の上にさらに他の層を形成し、その後レーザビームを照射して結晶化を促進させる。
【００１５】
また、前記方法において、酸化物薄膜の少なくとも一部がペロブスカイト相結晶構造を有する酸化物である。
【００１６】
また、前記方法において、酸化物薄膜の少なくとも一部がパイロクロア相結晶構造を有する酸化物である。
【００１７】
また、前記方法において、レーザビームをレーザ出力制御とスキャン制御して照射し、強誘電体薄膜もしくは常誘電体薄膜の結晶化を促進させる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に成膜した強誘電体となる酸化膜へのレーザビームを用いれば、絶縁素材基板の熱伝導率が低いため、十分な時間、結晶化温度を保つことができ、このためペロブスカイト結晶化を促進し、特に強誘電性発現に必要なc軸配向をもつ優れた強誘電体薄膜の作製が可能になる。
【００１９】
本発明によれば、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上にシリコン酸化膜などの絶縁薄膜を堆積し、この上に結晶化することによって強誘電体となる酸化物薄膜を基板上に直接あるいは他の層を介して堆積することにより、レーザビーム照射時の絶縁素材基板の損傷を防止し、また同時にこの絶縁薄膜により強誘電体薄膜への不純物拡散を抑制可能となる。ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に薄膜トランジスタが形成されている場合も、本発明により薄膜トランジスタへの損傷を防止できる。本発明を用いることにより、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上にTFTを用いた強誘電体メモリを作製可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に実施例を示すが、これは本発明を例示するものであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、他の強誘電体膜の形成に適用可能である。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例（１）の模式図を図1に示す。ガラス基板１上にスピンコート法により250 nmの膜厚のPZT薄膜２を堆積する。Ｘ解回折法によると、この酸化物は結晶化しておらず非晶質（アモルファス状態）である。その後、ライン状に整形された532 nmの波長をもつ連続発振レーザビーム４を酸化物の表面３にスキャン照射して結晶化させる。図1の５は、スキャン方向を示す。レーザ出力は1.0−4.0 Wである。X-Yステージに載せられた酸化物膜を堆積させたSi基板を移動することにより酸化物のレーザ分にレーザをスキャン照射する。本発明の強誘電体薄膜の形成方法では、レーザビーム照射によりガラス基板上の強誘電体薄膜の結晶化を促進せしめ、優れた強誘電特性が得られる特長がある。対象となる酸化物に集中的 にしかも短時間で最適な熱を与えることができるため、基板や他の層の温度上昇を押さえることが可能である。また、レーザービー ム照射により酸化膜の温度が急激に上昇しても短時間での処理となり、蒸発などによる組成のずれを最小限にすることが可能である。特にガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板を用いるため、基板への熱損失が少なく、有効に結晶化を行うことができる。
【実施例２】
【００２２】
本発明の実施例（２）の模式図を図２に示す。ガラス基板１上に、スパッタ法でTi薄膜を50 nm成膜６し、Pt薄膜を200 nm成膜７し、その後スピンコート法により250 nmの膜厚のPZT薄膜２を堆積する。このTi薄膜６はPt薄膜７とガラス基板１との密着性を向上するために成膜している。またPt薄膜７は、PZT薄膜２の下地電極として成膜しているが、同時にレーザ照射時のレーザ光吸収層としても使用する。その後、ライン状に整形された532 nmの波長をもつ連続発振レーザビーム４を酸化物の表面３にスキャン照射して結晶化させる。図２の５は、スキャン方向を示す。レーザ出力は1.0−4.0 Wである。X-Yステージに載せられた酸化物膜を堆積させたSi基板を移動することにより酸化物のレーザ分にレーザをスキャン照射する。
【実施例３】
【００２３】
本発明の実施例（３）の模式図を図３に示す。ガラス基板１上にAPCVD法によりシリコン酸化膜を400 nm成膜８し、スパッタ法でTi薄膜を50 nm成膜６し、Pt薄膜を200 nm成膜７し、その後スピンコート法により250 nmの膜厚のPZT薄膜２を堆積する。シリコン酸化膜８はバッファ層として堆積し、このバッファ層によりレーザビーム照射時のガラス基板の損傷を防止するとともに、このバッファ層によりガラス基板から強誘電体薄膜への不純物拡散を抑制する。Ｘ解回折法によると、この酸化物は結晶化しておらず非晶質（アモルファス状態）である。その後、ライン状に整形された532 nmの波長をもつ連続発振レーザビーム４を酸化物の表面３にスキャン照射して結晶化させる。図３の５は、スキャン方向を示す。レーザ出力は1.0−4.0 Wである。X-Yステージに載せられた酸化物膜を堆積させたSi基板を移動することにより酸化物のレーザ分にレーザをスキャン照射する。得られた強誘電体薄膜表面の光学顕微鏡写真を図４に示す。この図に示したように強誘電体薄膜の状態はレーザスキャンの速度に依存する。図５に強誘電体薄膜の結晶化状態のレーザ出力とスキャン速度依存性を示す。図６にＸ線回折（XRD）による測定結果を示す。微結晶領域（スキャン速度９、１１cm/s）では常誘電相であるパイロクロア相Py(222)がみられ、強誘電特性を示すペロブスカイト相のピークは観察されないが、さらにスキャン速度を遅くすると、パイロクロア相Py(222)は発現せず、ペロブスカイト相のピークが観察された。特に島状グレイン結晶化領域のスキャン速度5.0 cm/sでは、特に強誘電特性を示すc軸Per（001）が特に顕著になることが明らかになった。この島状グレイン結晶条件での分極特性を、図７に示す。レーザ出力1.0 W時での島状グレイン結晶条件にて測定を行ったものである。スキャン速度3.0 cm/sでは極めて低い残留分極であるが、スキャン速度を遅くするにつれて残留分極が大きくなり、スキャン速度0.9 cm/sでは13 μC/cm2の高い残留分極特性を示した。
【実施例４】
【００２４】
図８に、本発明による実施例（４）の強誘電体メモリセルの断面模式図を示す。図８（１）に示すように、ガラス基板９に形成した薄膜トランジスタ１１のドレイン電極に接続して強誘電体キャパシタ１４を設ける。一方の電極は配線１３に接続する。１T1C型強誘電体メモリの場合、配線１３がビット線であり、配線１５がプレート線である。シリコン酸化膜バッファ層として、ガラス基板上バッファ層１０と薄膜トランジスタ上のバッファ層１２が成膜してある。本発明の強誘電体メモリの製造方法においては、強誘電体キャパシタの形成部に選択的にレーザビーム照射をするために、基板や他の層への熱の影響が少ない。そのため従来のように熱処理炉で処理する場合よりも必要ならば高い温度まで該酸化膜の温度を上げることができる。これにより理想的な条件で強誘電体薄膜メモリセルの形成が可能になる。図８（２）は、メモリ回路モデルである。ワード線とビット線に電圧をかけ、薄膜トランジスタ１６を介して、プレート電圧との差分電圧が強誘電体キャパシタ１７に印加され、その極性によってメモリ動作する。本発明の実施により、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に強誘電体薄膜メモリセルを製造可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の実施により、ガラス基板あるいはプラスチック基板の絶縁素材基板上に強誘電体キャパシタを形成可能となり、これにより薄膜トランジスタと組み合わせた強誘電体メモリが絶縁素材基板上でも製造可能となる。工業生産における実用的な価値は高く、幅広く電子機器産業に貢献することが見込める。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を実施する連続発振レーザビーム照射の模式図である。ガラス基板に堆積したPZT薄膜の上をビームがスキャンする様子を示す。
【図２】本発明を実施する連続発振レーザビーム照射の模式図である。PZT薄膜の下部電極としてPt薄膜を成膜し、このPt薄膜はレーザ照射時のレーザ光吸収層としても使用する。
【図３】本発明を実施する連続発振レーザビーム照射の模式図である。ガラス基板上にシリコン酸化膜をバッファ層として堆積し、このバッファ層によりレーザビーム照射時のガラス基板の損傷を防止するとともに、このバッファ層によりガラス基板から強誘電体薄膜への不純物拡散を抑制する。
【図４】本発明の実施による強誘電体膜の光学顕微鏡写真である。連続発振レーザビーム照射により、結晶化し、レーザ照射条件によりラテラル結晶成長、島状グレイン成長、微結晶化の3パターンの結晶化を行うことができる。
【図５】本発明の実施によるレーザ結晶化条件を示す。
【図６】本発明の実施による強誘電体膜のＸ回折パターンである。連続発振レーザビーム照射により、強誘電特性を示すペロブスカイト相（図では、Perで示す）の強度が増加している。
【図７】本発明の実施による強誘電体膜の分極特性を示す。
【図８】本発明による強誘電体メモリセルの断面模式図と回路モデルを示す。
【符号の説明】
【００２７】
１                ガラス基板
２                ＰＺＴ薄膜
３                表面
４                レーザビーム
５                スキャン方向
６                Ｔｉ薄膜
７                Ｐｔ薄膜
８                シリコン酸化膜
９                ガラス基板
１０              ガラス基板上のバッファ層
１１              薄膜トランジスタ
１２              薄膜トランジスタ上のバッファ層
１３              配線（ビット線）
１４              強誘電体キャパシタ
１５              配線（プレート線）
１６              薄膜トランジスタの回路記号
１７              強誘電体キャパシタの回路記号
【図１】
2009238842.tif 000003
【図２】
2009238842.tif 000004
【図３】
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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４】
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