铁电体元件或压电体元件用衬底及其制造方法及功能元件技术

一种电子装置用衬底包括：由硅构成并且具有形成薄膜表面的衬底，和在衬底形成薄膜表面上按顺序外延层压形成的第一缓冲层，第二缓冲层，第一氧化物电极层和第二氧化物电极层，其中，　　　　所述第一缓冲层是具有萤石结构的第一金属氧化物，　　　　所述第二缓冲层是具有萤石结构的第二金属氧化物，　　　　所述第一氧化物电极层是具有分层钙钛矿结构的第三金属氧化物，以及　　　　所述第二氧化物电极层是具有简单钙钛矿结构的第四金属氧化物。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电子装置用衬底、该电子装置用衬底的制造方法、及电子装置。更具体的说，根据本专利技术的电子装置用衬底更适合用于铁电体元件上作为电容器、用于压电体元件上作为悬臂或者类似应用。
技术介绍
近年来，使用铁电体的非易失性存储器的铁电体存储器开发进展迅速。这种铁电体存储器分为把铁电体作为电容器使用以形成1T(晶体管)/1C(电容器)结构的电容器型及以铁电体代替SiO2作为场效应晶体管的栅极绝缘膜使用的MFSFET(金属铁电体半导体场效应晶体管)型。MFSFET型铁电体存储器，虽然在高集成化和非损读出方面都比电容型铁电体存储器更有优势，但是用于在结构制作上很困难，所以还没有实现。因此，目前电容器型的铁电体存储器的开发及商品化在市场上占有主导地位。被电容器型铁电体存储器采用的代表性的铁电体材料包括PbZr1-xTixO3(简称PZT)和SrBi2Ta2O9(简称SBT)。其中，具有位于菱形-四方相位边界(变晶形性相位边界，简称MPB)附近组分的PZT材料具有非常好的剩磁和抗场特性，并且已经在实践中得到应用。电容器型铁电体存储器具有一种结构，其中，铁电材料PZT居于上下两电极中间。以往，Pt一直是下部电极的材料。由于Pt具有密实填充结构的面心立方晶格结构，所以自取向性很强，并且即使是在象SiO2那样很薄的具有非晶结构的薄膜上也会沿立方晶体(111)方向取向，因此也被作为优选使用。但是，由于Pt取向性很强，在Pt柱状晶体生长时，Pb等就有可能沿着晶粒边界扩散到底层，从而Pt和SiO2之间的附着性就会变差。作为这个问题的解决方法之一，在很多情况下，Ti被用于改善Pt与SiO2之间的附着性，而且在很多情况中TiN也可被用来阻挡Pb的扩散。但是，当使用Ti或者TiN时，下部电极结构变得复杂，引起Ti的氧化和向Pt中的扩散，并伴随着对PZT结晶性的破坏。因此，极化电场(P-E)的特性、漏电流特性和疲劳特性(对反复写入的容许程度)都有可能遭到破坏。为了避免当使用Pt作为下部电极时的各种问题，对RuOx及IrO2为代表的导电氧化物电极层材料进行了研究。其中，因为与PZT具有同样的结晶结构，所以具有钙钛矿结构的SrRuO3有着优越的界面键合性和作为Pb扩散缓冲层的优良特性，并且很容易就可以实现PZT的外延生长。因此关于以SrRuO3作为下部电极的铁电体电容器的研究正在积极的进行着。但是，在利用如SrRuO3等具有钙钛矿结构氧化物作为下部电极，同时使用PZT作为铁电体形成的铁电体电容器时，会产生下述问题。对于PZT来说，从增加剩磁Pr和降低抗电场Ec的观点来看，与MPB的Zr∶Ti＝0.52∶0.48相比，含有更多的Ti，如Zr∶Ti＝0.3∶0.7，是重要的。但是，在这种组分范围内，PZT表现为四方晶格，且其极化方向与C轴平行。因此，在具有上部电极、铁电体、下部电极、衬底这样层压结构的铁电体电容器中，为了使PZT形成将作为(001)定向膜的铁电层，让SrRuO3电极作为下部电极沿伪立方(100)自取向是必要的。但是，当直接在Si衬底上淀积形成钙钛矿型氧化物的SrRuO3电极时，会在界面上形成SiO2层。因此，就很难外延生长SrRuO3。于是，一种事先在Si衬底上外延生长缓冲层，然后在缓冲层上外延生长SrRuO3电极的方法经研究而成。(见专利文件1)这里，外延生长在Si衬底上的缓冲层包括具有萤石结构的氧化物，例如氧化钇稳定的氧化锆(简称YSZ、Zr1-xYxO2-0.5x)和CeO2关于这些材料，在关于YSZ的非专利文件1和关于CeO2/YSZ的非专利文件2中都有介绍。(专利文件1)日本待审查的专利申请，第一次公开号2001-122698(非专利文件1)Appl.Phys.Lett.，vol.57(1990)1137(非专利文件2)Appl.Phys.Lett.，vol.64(1994)1573本专利技术的专利技术人对使用YSZ作为缓冲层，并在其上外延生长SrRuO3电极的情况进行了研发。结果发现，在这种结构中存在着以下两个问题。第一个问题是，为了在Si衬底上外延生长缓冲层如YSZ和CeO2，在淀积缓冲层之前，要对Si衬底进行必要的表面处理以形成可生长薄膜的表面。传统说来，有两种普遍的表面处理方法，一种是形成重新构成表面，另一种是形成氢封端表面。例如，在非专利文件3中提到通过将Si衬底表面在氢氟酸中进行处理，将Si衬底表面转化为氢封端表面的技术。这里，重新构成表面指的是通过高温高真空热处理将具有周期结构的表面转化为衬底结构，使得形成Si衬底表面层的Si原子拥有大量的共价键(悬空键)以相互结合。另一方面，氢封端表面的实现可以通过用氢氟酸清洗有SiO2自然氧化膜的Si衬底表面层，使表面上的悬空键在氟化铵溶液中以氢封端。(非专利文件3)Appl.Phys.Lett.，vol.57(1990)1137第二个问题是在缓冲层上形成的SrRuO3的取向变成了(110)方向(伪立方晶体)。众所周知，当具有简单钙钛矿结构的SrRuO3(在正交晶系晶体中，a＝0.5567nm，b＝0.5530nm，c＝0.7845nm，在伪立方晶体中，a＝0.3923nm，21/2a＝0.5548nm)在具有萤石结构的YSZ(a＝0.514nm)或者CeO2(a＝0.541nm)上外延生长时，就不再沿(100)方向而是沿(110)方向(伪立方晶体)(具体实例见非专利文件4)。(非专利文件4)Appl.Phys.Lett.，vol.67(1995)1387换句话说，为了在Si衬底上外延生长缓冲层如YSZ或者CeO2，在淀积缓冲层之前，事先对Si衬底进行表面处理是必要的，因此也就会引起制造工艺的复杂度和成本的提高。即使事先进行了表面处理，外延生长的缓冲层也无法理想的沿(100)方向实现，而只能是沿着(110)方向。
技术实现思路
在以上情况下，本专利技术的一个目的是为电子装置提供一种衬底。在这种衬底上，当要在Si衬底上外延生长缓冲层YSZ和CeO2时，为形成重新构成表面和氢封端表面而进行的事先对Si衬底进行的表面处理不再是必要的，甚至不进行事先的表面处理，也能沿(100)方向外延生长出缓冲层，以及该衬底的一种制造方法。为了解决以上问题，本专利技术提供了一种电子装置衬底包括Si构成的衬底，及在衬底的形成薄膜表面上按照顺序层压外延生长的第一缓冲层，第二缓冲层，第一氧化物电极层和第二氧化物电极层，其中第一缓冲层是具有萤石结构的第一金属氧化物，第二缓冲层是具有萤石结构的第二金属氧化物，第一氧化物电极层是具有分层钙钛矿结构的第三金属氧化物，第二氧化物电极层是具有简单钙钛矿结构的第四金属氧化物。此外，本专利技术还提供了一种电子装置用衬底的制造方法，包括清洗硅构成衬底的预处理步骤；第一薄膜形成步骤，将经过预处理的衬底放入形成薄膜的容器中，在减压状态下使用预先设定的气体或者等离子体照射衬底的形成薄膜表面，从而外延生长成由具有萤石结构的第一金属氧化物构成的第一缓冲层；第二薄膜形成步骤，使用预先设定的气体或者等离子体照射第一缓冲层的表面，从而外延生长成由具有萤石结构的第二金属氧化物构成的第二缓冲层； 第三薄膜形成步骤，使用预先设定的气体或者等离子体照射第二缓冲层的表面，从而外延生长成由具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电子装置用衬底包括由硅构成并且具有形成薄膜表面的衬底，和在衬底形成薄膜表面上按顺序外延层压形成的第一缓冲层，第二缓冲层，第一氧化物电极层和第二氧化物电极层，其中，所述第一缓冲层是具有萤石结构的第一金属氧化物，所述第二缓冲层是具有萤石结构的第二金属氧化物，所述第一氧化物电极层是具有分层钙钛矿结构的第三金属氧化物，以及所述第二氧化物电极层是具有简单钙钛矿结构的第四金属氧化物。2.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，所述形成薄膜表面沿(100)，(110)或(111)方向取向。3.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，在形成所述第一缓冲层之前，通过RHEED方法无法在所述形成薄膜表面观察到衍射图象。4.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，所述第一金属氧化物是以金属元素Mα替代氧化锆中的部分Zr而形成的可表示为Zr1-xMαxOy(0＜x＜1，1.5＜y＜2)的固溶体，其中Mα代表着La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Mg，Ca，Sr和Ba中的一种元素，并且所述第一金属氧化物是沿所述(100)方向立方取向的。5.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，所述第二金属氧化物是氧化铈或者是以金属元素Mβ替代氧化铈中的部分Ce而形成的可表示为Ce1-xMβxOy(0＜x＜1，1.5＜y＜2)的固溶体，其中Mβ代表着Zr，La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Mg，Ca，Sr和Ba中的一种元素，并且所述第二金属氧化物是沿所述(100)方向立方取向。6.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，所述第三金属氧化物是包含金属元素Mγ或RE作为组元的固溶体，并且其可表示为MγRuO4，RE2NiO4或者REBa2Cu3Ox，其中Mγ代表着Ca，Sr和Ba中的一种元素，以及RE代表着La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Y中的一种元素，并且所述第三金属氧化物沿所述(001)方向四方或者正交取向。7.根据权利要求1所述的电子装置用衬底，其中，所述第四金属氧化物是以金属元素Mγ或RE作为组元的固溶体，并且其可表示为MγRuO3，(RE，Mγ)CrO3，(RE，Mγ)MnO3，(RE，Mγ)CoO3，或(RE，Mγ)NiO3，其中Mγ代表着Ca，Sr和Ba中的一种元素，以及RE代表着La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Y中的一种元素，并且所述第四金属氧化物沿所述(100)方向立方或者伪立方取向。8.一种电子装置用衬底的制造方法，包括对由硅构成的具有形成薄膜表面的衬底的预处理清洗步骤；在第一薄膜形成步骤中，所述经过预处理的衬底被放入形成薄膜的容器中，在减压情况下用预先设定的气体或者等离子体照射所述衬底的形成薄膜表面，从而外延生成具有萤石结构的由第一金属氧化物构成的第一缓冲层；在第二薄膜形成步骤中，采用预先设定的气体或者等离子体照射所述第一缓冲层表面，从而外延生成具有萤石结构的由第二金属氧化物构成的第二缓冲层；在第三薄膜形成步...

【专利技术属性】
技术研发人员：樋口天光，岩下节也，宫泽弘，
申请(专利权)人：精工爱普生株式会社，
类型：发明
国别省市：