JP2001163620A - Dielectric thin film, production process of the same and electronic part using the same - Google Patents

Dielectric thin film, production process of the same and electronic part using the same

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JP2001163620A
JP2001163620A JP34816299A JP34816299A JP2001163620A JP 2001163620 A JP2001163620 A JP 2001163620A JP 34816299 A JP34816299 A JP 34816299A JP 34816299 A JP34816299 A JP 34816299A JP 2001163620 A JP2001163620 A JP 2001163620A
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JP
Japan
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thin film
dielectric thin
perovskite
perovskite structure
same
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JP34816299A
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Toshimasa Suzuki
利昌 鈴木
Kentaro Morito
健太郎 森戸
Shoichi Sekiguchi
象一 関口
Masayuki Fujimoto
正之 藤本
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Taiyo Yuden Co Ltd
Original Assignee
Taiyo Yuden Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production process of an Mg solid solution dielectric thin film having a single phase perovskite structure and also to provide such a thin film material which is produced by the production process and has excellent characteristics. SOLUTION: This production process comprises performing crystal growth in a thermodynamically non-equilibrium state to deposit an oxide having a composition represented by the formula ( A1}1-XMgX) A2}O3 (wherein X>0), on a desired substrate. Thus, by performing the crystal growth in a thermodynamically non-equilibrium state, formation of an ilmenite secondary phase, which is liable to occur in a conventional sintering process, can be inhibited from being caused and a single phase perovskite structure being in a metastable state is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト構
造を有する誘電体薄膜,その製造方法,その電子部品に
関する。
The present invention relates to a dielectric thin film having a perovskite structure, a method of manufacturing the same, and an electronic component thereof.

【0002】[0002]

【背景技術】{A1}{A2}Oの組成式で示されるペロブ
スカイト構造をもつ酸化物薄膜材料は、強誘電性,高誘
電率,電気光学効果,圧電効果,焦電効果,超伝導など
の極めて多岐にわたる機能を有することから、コンデン
サ素子,強誘電体メモリ素子,光学センサなどの広範な
電子デバイスに応用されている。最近では、ペロブスカ
イト酸化物薄膜の高誘電率特性,強誘特性に着目したメ
モリ素子の開発が脚光を浴びており、キャパシタ面積の
低減による高集積化を狙ったDRAM(Dynamic Random
Access Memory)用キャパシタや、あるいはMMIC
(Microwave Monolithic Integrated Circuit)におけ
る高周波用途の高集積薄膜キャパシタなどの応用が検討
されている。特に、ペロブスカイト酸化物であるSrT
iO,BaTiO,CaTiOなどは、高誘電
率,高絶縁性を有しており、それらの用途に好適な材料
として注目されている。
BACKGROUND ART An oxide thin film material having a perovskite structure represented by a composition formula of {A1} {A2} O 3 has ferroelectricity, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, pyroelectric effect, superconductivity, etc. Because of its extremely diverse functions, it has been applied to a wide range of electronic devices such as capacitor elements, ferroelectric memory elements, and optical sensors. Recently, the development of memory devices that focus on the high dielectric constant characteristics and strong attraction characteristics of perovskite oxide thin films has been spotlighted, and DRAMs (Dynamic Random Access Memory) aiming at high integration by reducing the capacitor area
Access Memory) or MMIC
(Microwave Monolithic Integrated Circuit) is being studied for applications such as highly integrated thin film capacitors for high frequency applications. In particular, perovskite oxide SrT
iO 3 , BaTiO 3 , CaTiO 3 and the like have a high dielectric constant and a high insulating property, and are attracting attention as materials suitable for those applications.

【0003】ところで、以上のようなペロブスカイト構
造をもつ材料系においては、単一成分組成では各デバイ
スの特性要求を満足できない。このため、{A1}及び{A
2}の他原子による置換,ドーピング,あるいは非化学量
論組成比{A1}/{A2}の制御による特性変調が行われ、
各用途の所望特性に対する最適化が行われている。
[0003] In a material system having a perovskite structure as described above, a single component composition cannot satisfy the characteristic requirements of each device. Therefore, {A1} and {A1
2} substitution by other atoms, doping, or non-stoichiometric composition ratio {A1} / {A2} to control the characteristics,
Optimizations have been made for the desired characteristics of each application.

【0004】特に、2価の{A1}サイト陽イオンを、異
なるイオン半径をもつ同価数の陽イオン原子で置換した
場合、構造相転移温度,いわゆるキュリー温度のシフト
を主とした誘電率の温度特性が著しく変調され、置換原
子種並びに置換量の選択によって、ある程度の温度特性
の制御が可能となる。また、温度特性変調に同期して、
他の物性値(誘電率や周波数特性等)も著しく変化する。
例えば、SrTiOセラミックスは、量子揺らぎ効果
により低温(<−263℃)で量子常誘電性を示すが、
SrイオンのCaイオンによる置換により低温で量子強
誘電相を誘起する。
[0004] In particular, when the divalent {A1} site cation is replaced with a cation atom having the same valence having a different ionic radius, the dielectric constant mainly due to the shift of the structural phase transition temperature, the so-called Curie temperature, is increased. The temperature characteristic is remarkably modulated, and the temperature characteristic can be controlled to some extent by selecting the kind of the substituted atom and the amount of substitution. Also, in synchronization with the temperature characteristic modulation,
Other physical properties (such as dielectric constant and frequency characteristics) also change significantly.
For example, SrTiO 3 ceramics exhibit quantum paraelectricity at a low temperature (<−263 ° C.) due to the quantum fluctuation effect.
Quantum ferroelectric phase is induced at low temperature by replacing Sr ion with Ca ion.

【0005】この置換後のCaTiO−SrTiO
は完全固溶系を構成し、組成Sr .96Ca0.04
TiOにおいて−243℃でおよそ10000の高誘
電率を発現する。一方、SrTiO−BaTiO
溶系は、室温付近で極めて高い誘電率を示し、正方晶と
立方晶の構造変化境界に近いSr/(Sr+Ba)=0.
3の組成で最も高い誘電率をもつ。室温で常誘電相をも
つSrTiO−BaTiO固溶系の材料は、高誘電
性を必要とするDRAM用途に好適であり、現在実用化
に向けて盛んに研究開発が行われている。更に、最近で
は、CaTiO −SrTiO−BaTiOの3成
分系の検討も行われており、高誘電性,低損失,周波数
や温度に対する高安定性が検討されている。
[0005] CaTiO after this substitution3-SrTiO3
Constitutes a complete solid solution system, and the composition Sr0 . 96Ca0.04
TiO3Approximately 10,000 at 243 ° C
Develop electrical conductivity. On the other hand, SrTiO3-BaTiO3Solid
The solution system shows a very high dielectric constant near room temperature,
Sr / (Sr + Ba) = 0 near the cubic structure change boundary.
3 has the highest dielectric constant. Even at room temperature with paraelectric phase
SrTiO3-BaTiO3Solid-solution materials are highly dielectric
Suitable for DRAM applications that require performance
R & D is being actively conducted toward. More recently
Is CaTiO 3-SrTiO3-BaTiO3Of 3
Consideration of separation is also being conducted, and high dielectric properties, low loss, frequency
And high stability against temperature.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た組成範囲内では高安定性を必要とする近年の高機能薄
膜素子用キャパシタとして十分な特性を得ることは困難
であり、更なる特性変調を可能とする他の固溶組成系が
必要とされている。前記{A1}サイトに置換可能な元素
としては、Ca,Sr,Baと同じアルカリ土類金属族
に属するMgがある。しかしこのMgは、Ca,Sr,
Baと比較して著しくイオン半径が小さい。このため、
Mgは、酸素12配位構造をとるペロブスカイト構造の
{A1}サイト中には固溶せず、静電エネルギ的により安
定な酸素最密充填構造を基本とするイルメナイト構造を
もつMgTiO,MgOが固溶した蛍石型構造をもつ
ZrO,岩塩型構造をもつMgOを2次相として形成
する。
However, within the composition range described above, it is difficult to obtain sufficient characteristics as a capacitor for a high-performance thin-film element requiring high stability in recent years. Other solid solution composition systems are required. As an element that can be substituted for the {A1} site, there is Mg belonging to the same alkaline earth metal group as Ca, Sr, and Ba. However, this Mg is Ca, Sr,
The ionic radius is significantly smaller than that of Ba. For this reason,
Mg has a perovskite structure having an oxygen 12 coordination structure.
{A1} does not form a solid solution, MgTiO 3 having an ilmenite structure based on an oxygen close-packed structure more stable in terms of electrostatic energy, ZrO 2 having a fluorite-type structure in which MgO forms a solid solution, rock salt MgO having a mold structure is formed as a secondary phase.

【0007】すなわち、従来の粉末冶金手法では、Mg
をペロブスカイト構造の{A1}サイトに固溶させること
は不可能であり、Mgはイルメナイト構造を有するMg
TiO等の2次相を形成する。例えば、{A}TiO
−MgTiO系(ただし、{A}=Ca,Sr,Ba,
Pbのいずれか)では固溶体は形成されず、ペロブスカ
イト{A}TiOとイルメナイトMgTiOの2相分
離の微細構造を示す。
That is, in the conventional powder metallurgy technique, Mg
Cannot be dissolved in the {A1} site of the perovskite structure, and Mg is Mg having an ilmenite structure.
A secondary phase such as TiO 3 is formed. For example, {A} TiO 3
-MgTiO 3 (where {A} = Ca, Sr, Ba,
Pb) does not form a solid solution and shows a two-phase separated microstructure of perovskite {A} TiO 3 and ilmenite MgTiO 3 .

【0008】しかし、Mgを{A1}サイトに固溶させ、
単相のぺロブスカイト構造を得ることが可能であれば、
更なる広範囲での特性変調が可能となるとともに、イオ
ン半径の小さなMgの置換によってもたらされると考え
られる格子歪は、材料の誘電物性に多大な影響を与え
る。
However, Mg is dissolved in the {A1} site,
If it is possible to obtain a single-phase perovskite structure,
Lattice strain, which is considered to be caused by substitution of Mg having a small ionic radius, has a great effect on the dielectric properties of the material, as well as enabling property modulation over a wider range.

【0009】本発明は、以上の点に着目したもので、M
gを{A1}サイトに固溶させて単相のぺロブスカイト構
造を得るための手法と、この手法によって優れた特性を
有する薄膜材料を得ることを、その目的とするものであ
る。
The present invention focuses on the above points.
It is an object of the present invention to obtain a single-phase perovskite structure by dissolving g in the {A1} site, and to obtain a thin film material having excellent characteristics by this method.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜
であって、{A1}をCa,Sr,Ba,Pbから選ばれ
た少なくとも1種の元素で構成し、{A2}をTi,Zrか
ら選ばれた少なくとも1種の元素で構成したとき、({A
1}1−XMg){A2}O(ただしX>0)の組成を有
することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的,特
徴,利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭に
なろう。
According to the present invention, there is provided a dielectric thin film having a perovskite structure, wherein {A1} is at least one selected from Ca, Sr, Ba and Pb. When {A2} is composed of at least one element selected from Ti and Zr, ({A2}
Characterized by having a composition of 1} 1-X Mg X) {A2} O 3 ( provided that X> 0). The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】<実施形態1>……最初に、本発
明にかかる薄膜製造手法及び薄膜の実施形態について説
明する。従来の粉末冶金手法では、({A1}1−XMg
){A2}Oの組成をもつ材料を作製した場合、イル
メナイト構造をもつMgTiO等が分離生成されてし
まう。しかし、本形態においては、熱力学的に非平衡な
状態で結晶成長を行う薄膜形成手法により、所望の基板
上に({A1}1−XMg){A2}O (ただしX>0)の
組成をもつ酸化物を堆積させる。熱力学的に非平衡な状
態で結晶成長を行うことによって、通常焼結法で見られ
る2次相の形成が抑制され、準安定状態をもつ単相のペ
ロブスカイト構造が形成される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS <Embodiment 1> First, the present invention
Explanation of thin film manufacturing method and thin film embodiment according to the present invention
I will tell. In the conventional powder metallurgy method, ({A1}1-XMg
X) {A2} O3When a material having the composition of
MgTiO with menite structure3Etc. are generated separately
I will. However, in this embodiment, the thermodynamically non-equilibrium
The desired substrate is formed by a thin film formation technique that performs crystal growth in a state.
Above ({A1}1-XMgX) {A2} O 3(However, X> 0)
Deposit an oxide with a composition. Thermodynamically non-equilibrium state
Crystal growth in the normal state
The formation of a secondary phase that is
A lobskite structure is formed.

【0012】これにより、({A1}1−XMg){A2}O
で表される組成を有し、かつBO 酸素八面体が頂点
共有したペロブスカイト構造のみから構成された酸化物
誘電体薄膜が得られる。ただし、{A1}は、Ca,S
r,Ba,Pbからなる群より選ばれた少なくとも 1
種の元素である。また、{A2}は、Ti及びZrからな
る群より選ばれた少なくとも1種の元素である。なお、
X>0である。Mgは、イオン半径が小さいので、これ
によって誘電体薄膜中に歪を導入することが可能とな
る。すなわち、ペロブスカイト構造の格子が歪んだ状態
で成膜されるようになり、この格子歪が新たな誘電特性
を生み出す要因になって、誘電特性に寄与することにな
る。
Thus, ({A1}1-XMgX) {A2} O
3Having a composition represented by the formula: 6Oxygen octahedron
Oxide composed only of shared perovskite structure
A dielectric thin film is obtained. Where {A1} is Ca, S
at least one selected from the group consisting of r, Ba, and Pb
It is a seed element. {A2} is composed of Ti and Zr.
At least one element selected from the group consisting of In addition,
X> 0. Mg has a small ionic radius.
Makes it possible to introduce strain into the dielectric thin film
You. In other words, the lattice of the perovskite structure is distorted
The lattice distortion causes new dielectric properties
And contribute to the dielectric properties.
You.

【0013】図1(A)には、その構造の様子が示され
ており、同図中、八面体12Aは{A2}O酸素八面体
によるペロブスカイト構造を表し、黒丸12Bは、元素
{A1}を表す
FIG. 1A shows a state of the structure. In FIG. 1A, an octahedron 12A represents a perovskite structure of {A2} O 6 oxygen octahedron, and a black circle 12B represents an element.
Represents {A1}

【0014】以上のような組成のペロブスカイト酸化物
の薄膜形成には、例えば、レーザアブレーション法,M
BE(Molecular Beam Epitaxy)法,CVD(Chemical Va
porDeposition)法,ゾルゲル法,スパッタリング法など
の薄膜作製手法が用いられる。これらの方法によれば、
粉末冶金法による焼成温度のおよそ1/2以下の温度に
よって成膜することができる。
For forming a thin film of perovskite oxide having the above composition, for example, a laser ablation method, M
BE (Molecular Beam Epitaxy) method, CVD (Chemical Vapor
A thin film manufacturing technique such as a porDeposition method, a sol-gel method, or a sputtering method is used. According to these methods,
The film can be formed at a temperature of about 1/2 or less of the firing temperature by the powder metallurgy method.

【0015】このような低い温度による成膜において
は、従来の粉末冶金手法では安定的に存在し得ない準安
定的構造が比較的安定に存在し得る。すなわち、粉末冶
金手法では熱力学的に熱平衡状態に近い状態がもたらさ
れるため、エネルギ的に最も安定な物質が形成される。
これに対し、低温プロセスで結晶成長を行う薄膜技術で
は、熱力学的に非平衡な状態に保たれるため、準安定的
な構造を形成することが可能となる。従って、粉末冶金
手法では2次相が形成されてしまうMgTiOを添加
した誘電体材料系についても、低温プロセスによれば単
相ペロブスカイト構造を得ることができる。
In film formation at such a low temperature, a metastable structure that cannot be stably provided by a conventional powder metallurgy technique can be present relatively stably. That is, since the powder metallurgy technique brings about a state thermodynamically close to the thermal equilibrium state, the most energy-stable substance is formed.
On the other hand, in the thin film technology for growing a crystal by a low-temperature process, a non-equilibrium state is maintained thermodynamically, so that a metastable structure can be formed. Therefore, a single-phase perovskite structure can be obtained by a low-temperature process even for a dielectric material to which MgTiO 3 is added, in which a secondary phase is formed by the powder metallurgy technique.

【0016】また、上述したMg固溶ペロブスカイト誘
電体薄膜の成膜において、格子整合性が良好なペロブス
カイト構造を有するSrTiO,Nbを添加したSr
TiO,LaAlO−SrAlTaO,LaS
rAlOなどや、NaCl構造をもつMgOの単結晶
基板を用いてエピタキシャル成長を行うことで、薄膜の
ペロブスカイト構造が安定化し、{A1}サイトへのMg
の固溶域を更に拡大することが可能となる。
In addition, in the above-mentioned formation of the Mg-dissolved perovskite dielectric thin film, SrTiO 3 and Nr having a perovskite structure having good lattice matching are added.
TiO 3 , LaAlO 3 —Sr 2 AlTaO 6 , LaS
By performing epitaxial growth using a single crystal substrate of rAlO 4 or the like or MgO having a NaCl structure, the perovskite structure of the thin film is stabilized, and Mg is deposited on the {A1} site.
Can further expand the solid solution region.

【0017】実際のキャパシタとしての用途に際して
は、導電性をもつNbを添加したSrTiOもしくは
LaTiO−SrTiOの単結晶基板を使用する
か、あるいはそれら単結晶基板に対して格子整合性をも
つペロブスカイト導電性酸化物であるCa{A2}O(た
だし{A2}=V,Cr,Fe,Ru),Sr{A2}O(た
だし{A2}=V,Cr,Fe,Ru),La{A2}BO
(ただし{A2}=Ti,Co,Ni,Cu),La
1−XSr{A2}O(ただし{A2}=V,Mn,C
o,X>0.23),BaPbO,SrRuO,Sr
IrO,SrRuO,SrIrO,(La
1−XSr)CuO(ただしX<0.3),La,N
bをドープしたSrTiOなどを、下部電極層として
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長させる。
In actual use as a capacitor, a single crystal substrate of SrTiO 3 or LaTiO 3 —SrTiO 3 doped with Nb having conductivity is used, or has a lattice matching with the single crystal substrate. Ca {A2} O 3 (where {A2} = V, Cr, Fe, Ru), Sr {A2} O 3 (where {A2} = V, Cr, Fe, Ru), La which is a perovskite conductive oxide {A2} BO
3 ({A2} = Ti, Co, Ni, Cu), La
1−X Sr X {A2} O 3 (where {A2} = V, Mn, C
o, X> 0.23), BaPbO 3 , SrRuO 3 , Sr
IrO 3 , Sr 2 RuO 4 , Sr 2 IrO 4 , (La
1-X Sr X ) 2 CuO 4 (where X <0.3), La, N
b-doped SrTiO 3 or the like is epitaxially grown on the single crystal substrate as a lower electrode layer.

【0018】このような基板を選択して薄膜のエピタキ
シャル成長を行う基板アシスト効果は、前記ペロブスカ
イト誘電体薄膜と格子整合性がなく、反応性に富むSi
半導体基板上でも得ることができる。すなわち図1
(B)に示すように、Si基板50上に、エピタキシャ
ル成長可能であって後述するペロブスカイト導電性酸化
物54に対して格子整合性を有する酸化膜52を成長さ
せる。そして、その上に、ペロブスカイト酸化物に対し
て格子整合性をもつペロブスカイト導電性酸化物54を
電極層として成長させる。そして、このペロブスカイト
導電性酸化物54に対して、Mg固溶ペロブスカイト誘
電体薄膜56を形成する。導電性酸化物58については
後述する。
The substrate assist effect of performing epitaxial growth of a thin film by selecting such a substrate is because Si has high lattice reactivity with the above-described perovskite dielectric thin film and has high reactivity.
It can also be obtained on a semiconductor substrate. That is, FIG.
As shown in (B), an oxide film 52 that can be epitaxially grown and has lattice matching with a perovskite conductive oxide 54 described later is grown on the Si substrate 50. Then, a perovskite conductive oxide 54 having lattice matching with the perovskite oxide is grown thereon as an electrode layer. Then, an Mg solid solution perovskite dielectric thin film 56 is formed on the perovskite conductive oxide 54. The conductive oxide 58 will be described later.

【0019】この例によれば、本形態のMg固溶ペロブ
スカイト誘電体薄膜を、基板との格子整合性に無関係に
形成可能であり、エピタキシャル成長以外の手法によっ
てMg固溶ペロブスカイト誘電体薄膜を作製できる。
According to this example, the Mg-dissolved perovskite dielectric thin film of the present embodiment can be formed irrespective of the lattice matching with the substrate, and the Mg-dissolved perovskite dielectric thin film can be manufactured by a method other than epitaxial growth. .

【0020】図2には、本形態にかかる誘電体薄膜の製
造装置の一例が示されている。この装置は、レーザアブ
レーション法によってペロブスカイト化合物を成膜用基
板上に堆積させ、単相のペロブスカイト構造をもつ({A
1}1−XMg)TiO誘電体薄膜を作製するもので
ある。同図において、真空チャンバ100内にターゲッ
ト102を配置するとともに、このターゲット102に
対して所定距離だけ離間して成膜用基板10を配置す
る。真空チャンバ100には、酸素ガスあるいはオゾン
104が導入されており、波長193nmのArFレーザ
発振器などのレーザ光源106から射出されたレーザビ
ーム108が反射ミラー110で反射してターゲット1
02に照射される構成となっている。
FIG. 2 shows an example of an apparatus for manufacturing a dielectric thin film according to the present embodiment. In this apparatus, a perovskite compound is deposited on a film formation substrate by a laser ablation method, and has a single-phase perovskite structure ({A
1} 1-X Mg X) is to prepare a TiO 3 dielectric thin film. In FIG. 1, a target 102 is placed in a vacuum chamber 100, and a deposition substrate 10 is placed at a predetermined distance from the target 102. Oxygen gas or ozone 104 is introduced into the vacuum chamber 100, and a laser beam 108 emitted from a laser light source 106 such as an ArF laser oscillator having a wavelength of 193 nm is reflected by a reflection mirror 110 so that the target 1
02 is applied.

【0021】ターゲット102としては、例えば通常の
粉末冶金手法によって作製したセラミックス焼結体を使
用する。焼結体は、所望の組成になるよう原料粉末を混
合し、その後、仮焼成,成形,及び焼成を行うことによ
って得られる。従来は、ペロブスカイト構造材料のみを
使用したが、本形態では、ターゲット102として(S
0.7Mg0.3)TiOの焼結体が用いられる。
この焼結体は、ペロブスカイト構造をもつSrTiO粒子
と比較的均一に分布したイルメナイト構造をもつMgTiO3
粒子から構成される微細構造を有する。従って、成膜時
においては、Sr,Mg,Ti元素の均一な飛散を確保
するため、ターゲット102を回転させて成膜を行うよ
うにする。
As the target 102, for example, a ceramic sintered body produced by a usual powder metallurgy technique is used. The sintered body is obtained by mixing raw material powders to have a desired composition, and then performing preliminary firing, molding, and firing. Conventionally, only the perovskite structure material was used, but in this embodiment, (S
A sintered body of r 0.7 Mg 0.3 ) TiO 3 is used.
This sintered body is composed of SrTiO 3 particles having a perovskite structure and MgTiO 3 having an ilmenite structure relatively uniformly distributed.
It has a microstructure composed of particles. Therefore, at the time of film formation, the target 102 is rotated to form the film in order to ensure uniform scattering of the Sr, Mg, and Ti elements.

【0022】レーザビーム108をターゲット102に
照射すると、プルーム112で示すようにターゲット1
02から励起種が酸素雰囲気中に飛散し、対向する成膜
用基板10にターゲット102とほぼ同一組成を有する
薄膜が形成される。薄膜形成を行う際の雰囲気酸素圧は
例えば1mTorr,基板温度は600℃である。
When the target 102 is irradiated with the laser beam 108, the target 1
From 02, the excited species are scattered in the oxygen atmosphere, and a thin film having substantially the same composition as the target 102 is formed on the facing film-forming substrate 10. The atmosphere oxygen pressure for forming the thin film is, for example, 1 mTorr, and the substrate temperature is 600 ° C.

【0023】以上のような薄膜製造装置によって作製し
た(Sr0.7Mg0.3)TiOペロブスカイト構造
の薄膜断面を示す高分解能透過型電子頭微鏡像を検討し
たところ、ペロブスカイト構造もつ結晶性薄膜がSrT
iO単結晶基板上にエピタキシャル成長しており、2
次相等は存在しないことが確認できた。
A high-resolution transmission electron microscope image showing a cross section of the thin film of the (Sr 0.7 Mg 0.3 ) TiO 3 perovskite structure manufactured by the above thin film manufacturing apparatus was examined. Thin film is SrT
epitaxial growth on an iO 3 single crystal substrate,
It was confirmed that there was no next phase or the like.

【0024】以上のように、本形態によれば、基板上に
({A1}1−XMg)TiOで表されるペロブスカイ
ト酸化物を堆積させることにより、従来の粉末冶金法で
は形成困難な単相のペロブスカイト構造を有するMg固
溶型誘電体薄膜を作製することが可能となる。また、M
gを固溶させることによって広範囲で特性変調が可能と
なり、各種のデバイスに対応した特性の最適化を行うこ
とができる。
As described above, according to the present embodiment, on the substrate
By depositing a perovskite oxide represented by ({A1} 1-x Mg x ) TiO 3 , a Mg solid solution type dielectric thin film having a single-phase perovskite structure, which is difficult to form by conventional powder metallurgy, is produced. It is possible to do. Also, M
By dissolving g, characteristic modulation can be performed in a wide range, and characteristics corresponding to various devices can be optimized.

【0025】更に、イオン半径の小さいMgイオンの
{A1}サイトへの固溶は、ペロブスカイト構造の充填性
を変化させ、粒子歪を増大させる。これにより、誘電物
性の向上が期待される。更に、Mg固溶誘電体薄膜の基
板として、良好な格子整合を示すペロブスカイト構造単
結晶酸化物基板を用いることにより、薄膜のペロブスカ
イト構造の安定化を図ることができ、Mg固溶域が増大
する。
Further, Mg ions having a small ionic radius
The solid solution at the {A1} site changes the packing property of the perovskite structure and increases the particle strain. This is expected to improve the dielectric properties. Furthermore, by using a perovskite structure single crystal oxide substrate exhibiting good lattice matching as a substrate of the Mg solid solution dielectric thin film, the perovskite structure of the thin film can be stabilized, and the Mg solid solution region increases. .

【0026】<実施形態2>……次に、前記形態の単相
ペロブスカイト構造の誘電体薄膜をDRAM用薄膜キャ
パシタに適用した実施形態について説明する。本形態の
キャパシタ構造は、図1(B)に示した構造となってお
り、Si基板50上に形成する酸化物52として、Mg
Al薄膜が形成される。そして、その上に、導電
性酸化物54としてSrRuO薄膜が形成され、これ
にMg固溶ペロブスカイト誘電体薄膜56として(Sr
0.7Mg0.3)TiO薄膜が形成される。更にM
g固溶ペロブスカイト誘電体薄膜56上には、導電性酸
化物58としてSrRuO薄膜が積層される。上述し
たように、MgAl薄膜52は、Si基板100
上に導電性酸化物54を成膜するためのバッファ層とし
て機能し、2つのSrRuO薄膜54,58は、それ
ぞれ下部電極及び上部電極として機能する。
<Embodiment 2> Next, an embodiment in which the dielectric thin film having the single-phase perovskite structure of the above embodiment is applied to a thin film capacitor for a DRAM will be described. The capacitor structure of this embodiment has the structure shown in FIG. 1B, and the oxide 52 formed on the Si substrate 50 is made of Mg.
An Al 2 O 4 thin film is formed. Then, a SrRuO 3 thin film is formed thereon as a conductive oxide 54, and (SrRuO 3) is formed thereon as a Mg solid solution perovskite dielectric thin film 56.
A 0.7 Mg 0.3 ) TiO 3 thin film is formed. Further M
On the g solid solution perovskite dielectric thin film 56, an SrRuO 3 thin film is stacked as a conductive oxide 58. As described above, the MgAl 2 O 4 thin film 52 is formed on the Si substrate 100.
The SrRuO 3 thin films 54 and 58 function as a lower electrode and an upper electrode, respectively, as a buffer layer for forming the conductive oxide 54 thereon.

【0027】このような構成の薄膜キャパシタにおいて
は、MgAl薄膜52がSi基板50上に完全な
面方位関係を持ってエピタキシャル成長しており、その
上に更にSrRuO薄膜54が成長している。すなわ
ち、下部電極層がペロブスカイト構造をもつ導電性酸化
物となっているため、Mg固溶ペロブスカイト誘電体薄
膜56である(Sr0.7Mg0.3)TiO薄膜は、
その下部電極層54上に容易にエピタキシャル成長す
る。
In the thin film capacitor having such a configuration, the MgAl 2 O 4 thin film 52 is epitaxially grown on the Si substrate 50 with a perfect plane orientation, and the SrRuO 3 thin film 54 is further grown thereon. I have. That is, since the lower electrode layer is a conductive oxide having a perovskite structure, the (Sr 0.7 Mg 0.3 ) TiO 3 thin film, which is the Mg solid solution perovskite dielectric thin film 56,
Epitaxial growth is easily performed on the lower electrode layer 54.

【0028】従って、本形態のキャパシタ素子では、上
述したMg固溶ペロブスカイト誘電体薄膜構造を安定的
に形成できるとともに、Pt電極を用いた場合に見られ
る誘電体薄膜−電極間の密着性の問題や、疲労特性劣化
を誘発する構成元素,特に酸素の拡散を回避できる。
Therefore, in the capacitor element of the present embodiment, the above-mentioned Mg solid solution perovskite dielectric thin film structure can be formed stably, and the problem of adhesion between the dielectric thin film and the electrode seen when using a Pt electrode. In addition, the diffusion of the constituent elements that induce the deterioration of the fatigue characteristics, in particular, the oxygen can be avoided.

【0029】Si基板50上にエピタキシャル成長する
酸化膜52としては、MgAl の他に、MgO,
CeO,α−Al,YSZ(イットリウム安定
化ジルコニウム)を用いることができる。電極となるペ
ロブスカイト導電性酸化物54,58としては、Ca
{A3}O(ただし{A3}=V,Cr,Fe,Ru),S
r{A3}O(ただし{A3}=V,Cr,Fe,Ru),
La{A3}O(ただし{A3}=Ti,Co,Ni,C
u),La1−XSr{A3}O(ただし{A3}=V,
Mn,Coであり、X>0.23),BaPbO,S
rRuO,SrIrO,SrRuO,Sr
rO,(La1−XSr)CuO(ただしX<
0.3),La,NbをドープしたSrTiOなどを用
いることができる。
Epitaxial growth on Si substrate 50
As the oxide film 52, MgAl2O 4In addition, MgO,
CeO2, Α-Al2O3, YSZ (Yttrium stable
Zirconium oxide) can be used. A pair of electrodes
As the lobskite conductive oxides 54 and 58, Ca
{A3} O3(However, {A3} = V, Cr, Fe, Ru), S
r {A3} O3(However, {A3} = V, Cr, Fe, Ru),
La {A3} O3(However, {A3} = Ti, Co, Ni, C
u), La1-XSrX{A3} O3(However, {A3} = V,
Mn, Co, X> 0.23), BaPbO3, S
rRuO3, SrIrO3, Sr2RuO4, Sr2I
rO4, (La1-XSrX)2CuO4(However, X <
0.3), SrTiO doped with La and Nb3Use
Can be.

【0030】<他の実施形態>……本発明には数多くの
実施形態があり、以上の開示に基づいて多様に改変する
ことが可能である。例えば、上述した実施形態において
は、メモリ素子などに適用する誘電体薄膜として、単相
ペロブスカイト構造をもつMg固溶誘電体薄膜の作製す
る場合について述べたが、本発明はこれに限らず、各種
の電子部品の誘電体薄膜に適用可能である。例えば、M
MIC用高周波対応キャパシタや、MCM用デカップリ
ングキャパシタとして適用することにより、これら部品
の高機能化を図ることができる。
<Other Embodiments> The present invention has many embodiments, and various modifications can be made based on the above disclosure. For example, in the above-described embodiment, a case has been described in which a Mg solid solution dielectric thin film having a single-phase perovskite structure is manufactured as a dielectric thin film applied to a memory element or the like. However, the present invention is not limited thereto. It can be applied to a dielectric thin film of an electronic component. For example, M
By applying as a high-frequency compatible capacitor for MIC or a decoupling capacitor for MCM, the functions of these components can be enhanced.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱力学的に非平衡な状態で結晶成長を行う薄膜形成手法
により、所望の基板上に({A1}1−XMg){A2}O
(ただしX>0)の組成をもつ酸化物を堆積させるよう
にしたので、Mgを{A1}に固溶させて単相のぺロブス
カイト構造を得ることができ、更には優れた特性を有す
る薄膜材料を得ることができるという効果がある。
As described above, according to the present invention,
The thin film forming method for performing thermodynamic crystal growth in a non-equilibrium state, on the desired substrate ({A1} 1-X Mg X) {A2} O 3
Since an oxide having a composition (where X> 0) is deposited, Mg can be dissolved in {A1} to obtain a single-phase perovskite structure, and further, a thin film having excellent characteristics There is an effect that a material can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】一実施形態の単相ペロブスカイト構造と積層状
態を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a single-phase perovskite structure and a laminated state according to an embodiment.

【図2】ペロブスカイト構造誘電体薄膜の製造装置の一
例を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of an apparatus for manufacturing a dielectric thin film having a perovskite structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…成膜用基板 50…基板 52…酸化物 54,58…導電性酸化物 56…Mg固容ペロブスカイト誘電体薄膜 100…真空チャンバ 102…ターゲット 104…酸素ガス 106…レーザ光源 108…レーザビーム 110…反射ミラー 112…プルーム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Film-forming board 50 ... Substrate 52 ... Oxide 54, 58 ... Conductive oxide 56 ... Mg solid volume perovskite dielectric thin film 100 ... Vacuum chamber 102 ... Target 104 ... Oxygen gas 106 ... Laser light source 108 ... Laser beam 110 … Reflection mirror 112… Plume

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関口 象一 東京都台東区上野6丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 (72)発明者 藤本 正之 東京都台東区上野6丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 Fターム(参考) 4G047 CA07 CA08 CB08 CC02 CD02 CD08 4G048 AA05 AB05 AC02 AD02 AD08 AE05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Shoichi Sekiguchi 6-16-20 Ueno, Taito-ku, Tokyo Inside Taiyo Denki Co., Ltd. (72) Inventor Masayuki Fujimoto 6-16-20 Ueno, Taito-ku, Tokyo Taiyo Denki Co., Ltd. F term (reference) 4G047 CA07 CA08 CB08 CC02 CD02 CD08 4G048 AA05 AB05 AC02 AD02 AD08 AE05

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜
であって、{A1}をCa,Sr,Ba,Pbから選ばれ
た少なくとも1種の元素で構成し、{A2}をTi,Zrか
ら選ばれた少なくとも1種の元素で構成したとき、({A
1} −XMg){A2}O(ただしX>0)の組成を有
することを特徴とする誘電体薄膜。
1. A dielectric thin film having a perovskite structure, wherein {A1} is composed of at least one element selected from Ca, Sr, Ba and Pb, and {A2} is selected from Ti and Zr. When composed of at least one element, ({A
1} 1 -X Mg X ) {A2} O 3 (where X> 0), wherein the dielectric thin film has a composition.
【請求項2】 前記誘電体薄膜を、{A1}{A2}Oの組
成を有する化合物を含む粉末焼結体を用いて形成するこ
とを特徴とする請求項1記載の誘電体薄膜の製造方法。
2. The production of a dielectric thin film according to claim 1, wherein the dielectric thin film is formed using a powder sintered body containing a compound having a composition of {A1} {A2} O 3. Method.
【請求項3】 前記粉末焼結体を用いて、熱力学的に非
平衡な状態で結晶成長を行うことを特徴とする請求項2
記載の誘電体薄膜の製造方法。
3. A crystal is grown in a thermodynamically non-equilibrium state by using the powder sintered body.
The method for producing a dielectric thin film according to the above.
【請求項4】 請求項1記載の誘電体薄膜を使用したこ
とを特徴とする電子部品。
4. An electronic component using the dielectric thin film according to claim 1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003063860A (en) * 2001-08-23 2003-03-05 Taiyo Yuden Co Ltd Sintered compact target, dielectric thin film using the same and method for manufacturing the same, and electronic component using the same
JP2004071933A (en) * 2002-08-08 2004-03-04 Canon Inc Actuator, liquid jet head and its manufacturing method

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