JP2004331542A - 組成物、該組成物からなる化学気相成長用原料、及びこれを用いた薄膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において、ビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物を混合して使用する場合に適した組成物及び該組成物を用いた薄膜の製造方法を提供すること。
【解決手段】下記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物；１モル部、下記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物；０．０１〜１モル部を含有してなる組成物。
【化１】
【選択図】 なし
【解決手段】下記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物；１モル部、下記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物；０．０１〜１モル部を含有してなる組成物。
【化１】
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定のビスマス化合物及び希土類化合物を含有してなる組成物、特にビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜（以下、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜と記載することもある）の製造に有用な組成物、該組成物からなる化学気相成長用原料、並びにこれを用いた化学気相成長法による希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造方法に関する。本発明の組成物を用いて製造された希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜は、不揮発性メモリのキャパシタ膜等に有用なものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜は、強誘電特性を改善したチタン酸ビスマス系強誘電体として、不揮発性メモリのキャパシタ膜等の次世代のＬＳＩへの応用が検討されている。例えば、下記非特許文献１には、ビスマスサイトの一部をランタンで置換した薄膜が不揮発性メモリ材料として報告されており、下記非特許文献２には、ビスマスサイトの一部をネオジムで置換した薄膜が報告されており、下記非特許文献３には、ビスマスサイトの一部をランタンで置換し、チタンサイトの一部を珪素で置換した薄膜が報告されている。
【０００３】
また、薄膜の製造法としては、火焔堆積法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、塗布熱分解法やゾル−ゲル法等のＭＯＤ法、化学気相成長（以下、ＣＶＤと記載することもある）法が挙げられるが、組成制御性に優れること、量産化に適すること、ハイブリッド集積が可能である等、多くの長所を有している点で、ＭＯＤ法及びＣＶＤ法が有効なプロセスであり、段差被覆性に優れ、高集積化に対応が可能な点で、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を含むＣＶＤ法が最適なプロセスである。
【０００４】
ＣＶＤ法やＭＯＤ法による薄膜製造には、ビスマスアルコキシド、ビスマスβ−ジケトネート、アリールビスマス、ビスマスアミド等の各種ビスマス化合物がビスマス供給源化合物として使用されており、下記特許文献１及び２には、ビスマスアミド化合物が報告されている。また、希土類供給源化合物としては、アルコキシド、β−ジケトネート、アミド等が使用されており、下記特許文献３には、ランタニドのアミド化合物が報告されている。また、下記特許文献４には、金属供給源化合物を混合した前駆体が報告されている。
【０００５】
一般に、チタン酸ビスマス等の多成分系の薄膜をＣＶＤ法により製造する場合、使用される金属供給源化合物の揮発特性や分解性が異なると薄膜の組成制御が困難になり、操作性や生産性に支障をきたすという問題を生じる。特に金属供給源化合物を混合して使用するＣＶＤ法において、この問題は顕著に現れる。
ビスマスアミド化合物を用いたビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造において、上記問題を解決し得るビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物との最適な組み合わせは見出されていなかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において、ビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物とを混合して使用する場合に適した組成物、及び該組成物を用いた薄膜の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｂ．Ｈ．Ｐａｒｋ， ｅｔ ａｌ．： Ｎａｔｕｒｅ （Ｌｏｎｄｏｎ）， ４０１， ６８２， １９９９
【非特許文献２】
Ｈ．Ｆｕｎａｋｕｂｏ． ｅｔ ａｌ．： １ｓｔ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｉｅｓ ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９−２１，２００１， Ｊａｐａｎ
【非特許文献３】
Ｙ．Ｉｄｅｍｏｔｏ， Ｈ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，ｅｔ ａｌ．： 第５０回応用物理学関係連合講演会， ２００３．３， Ｊａｐａｎ
【特許文献１】
特表２００１−５１８１４２号公報（請求項２〜５、１６〜１９等）
【特許文献２】
特表２００１−５１１８５０号公報（請求項１４、１５等）
【特許文献３】
特開２００２−８８４７５号公報（請求項１〜４等）
【特許文献４】
特開２００２−１４６５３２号公報（請求項１０〜２１等）
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、検討を重ねた結果、特定のビスマス化合物と希土類化合物とを組み合わせて配合した組成物が上記の問題点を解決し得ることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、下記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部、及び下記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物０．０１〜１モル部を含有してなる組成物、該組成物からなるＣＶＤ用原料、並びにこれを用いた化学気相成長法による希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造方法を提供するものである。
【化３】
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
本発明の組成物は、上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部に対して、上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物０．０１〜１モル部を混合した組成物である。本発明の組成物の構成成分である上記ビスマス化合物と上記希土類化合物とは、混合状態での安定性が良好であり、また、熱酸化分解挙動、特に熱酸化分解温度が近く、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において用いる前駆体として好適である。
【００１２】
本発明に係る上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物において、Ｒ１〜Ｒ４及びＲ９〜Ｒ１１で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、第二ブチル、第三ブチルが挙げられる。
【００１３】
上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物の具体例としては、下記ビスマス化合物Ｎｏ．１〜１８が挙げられる。
【００１４】
【化４】
【００１５】
本発明に係る上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物において、Ｒ５〜Ｒ８及びＲ１２〜Ｒ１４で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、第二ブチル、第三ブチルが挙げられ、Ｍで表される希土類原子としては、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムが挙げられる。
【００１６】
上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物の具体例としては、下記希土類化合物Ｎｏ．１〜１５が挙げられる。
【００１７】
【化５】
【００１８】
本発明の組成物において、上記ビスマス化合物と上記希土類化合物との混合比は、不揮発性メモリのキャパシタ膜等に有用な強誘電体である希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の組成を与える上で、上記ビスマス化合物１モル部に対して、上記希土類化合物０．０１〜１モル部であり、０．０５〜１モル部が好ましく、０．１〜０．７５モル部がより好ましい。
【００１９】
本発明の組成物を用いて製造される希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の組成としては、例えば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のビスマスサイトの一部を、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等の希土類原子で置換したＢｉｙＭ４−ｙ（Ｔｉｚ，Ｓｉ３−ｚ）Ｏ１２（Ｍは希土類原子、ｙは３以上、４未満、ｚ＝３〜２）、これらの組成に対してビスマス及び／又は希土類原子が１〜１０モル％過剰であるビスマス過剰チタン酸ビスマスが挙げられる。
【００２０】
なお、薄膜中に珪素を含有しない希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を得る場合は、ゾル−ゲル法やＡＬＤ法等の加水分解を伴う薄膜製造方法を用いればよく、加水分解により遊離するシラザン化合物を蒸気として排出することにより、珪素を含有しない酸化物薄膜を得ることができる。また、薄膜中に珪素を含有するチタン酸ビスマス系薄膜を得るには、熱酸化分解を伴う薄膜製造方法を用いればよい。
【００２１】
また、本発明の組成物を用いて希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造する場合には、本発明の組成物にチタニウム供給源化合物を混合してもよく、チタニウム供給源化合物は、本発明の組成物に混合せずに別個の状態で、本発明の組成物と併用する方法で用いてもよい。
【００２２】
上記チタニウム供給源化合物としては、下記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物（アミド化合物）；テトラメトキシド、テトラエトキシド、テトラプロポキシド、テトライソプロポキシド、テトラブトキシド、テトラ第二ブトキシド、テトライソブトキシド、テトラ第三ブトキシド、テトラ第三ペントキシド等のアルコキシド化合物；下記一般式（ＩＶ）で表されるエーテル基を有するチタニウム化合物（アルコキシド化合物）；テトラキスアセチルアセトネート、テトラキスヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−５−メチルヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキスヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２−メチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−５−メチルヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−６−メチルヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２−ジメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，６−ジメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６−トリメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−オクタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２，６−トリメチルオクタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，６−ジメチルオクタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２−メチル−６−エチルデカン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２−ジメチル−６−エチルデカン−３，５−ジオネート、テトラキス−１，１，１−トリフルオロペンタン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，１，１−トリフルオロ−５，５−ジメチルヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，１，１，５，５，５−ヘキサフルオロペンタン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，３−ジパーフルオロヘキシルプロパン−１，３−ジオネート、テトラキス−１，１，５，５−テトラメチル−１−メトキシヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチル−１−メトキシヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチル−１−（２−メトキシエトキシ）ヘプタン−３，５−ジオネート等のテトラキスβ−ジケトネート化合物；テトラキスシクロペンタジエニル錯体、テトラキスメチルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスエチルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスプロピルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスイソプロピルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスブチルシクロペンタジエニル錯体等のシクロペンタジエニル錯体；β−ジケトン及びアルコールの両方を配位子とした下記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物が挙げられる。
【００２３】
【化６】
【００２４】
【化７】
【００２５】
【化８】
【００２６】
上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ１５及びＲ１６で表される炭素数１〜８の炭化水素基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、第二ブチル、第三ブチル、イソブチル、アミル、イソアミル、第三アミル、シクロペンチル、ヘキシル、２−ヘキシル、３−ヘキシル、シクロヘキシル、１−メチルシクロヘキシル、ヘプチル、２−ヘプチル、３−ヘプチル、イソヘプチル、第三ヘプチル、ｎ−オクチル、イソオクチル、第三オクチル、２−エチルヘキシル等のアルキル基；フェニル、２−メチルフェニル、３−メチルフェニル、４−メチルフェニル、４−エチルフェニル、２，４−ジメチルフェニル、２，５−ジメチルフェニル等のアリール基；ベンジル、フェニルエチル等のアルキルアリール基等が挙げられ、Ｒ１７〜Ｒ１９で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、上記Ｒ１と同様の基が挙げられる。
【００２７】
上記一般式（ＩＶ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ２０、Ｒ２１及びＲ２３で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記のＲ１で例示した基が挙げられ、Ｒ２４で表される炭素数１〜４のアルカンジイル基としては、メチレン、エタン−１，２−ジイル、エタン−１，１−ジイル、プロパン−１，３−ジイル、プロパン−１，２−ジイル、プロパン−１，１−ジイル、ブタン−１，４−ジイル、ブタン−１，３−ジイル、ブタン−１，２−ジイル、ブタン−２，４−ジイル、ブタン−２，３−ジイル、ブタン−２，２−ジイル等が挙げられる。
【００２８】
上記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ２５、Ｒ２６及びＲ２７で表される、ハロゲン原子で置換されてもよく、鎖中に酸素原子を含んでもよい炭素数１〜８のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、第二ブチル、第三ブチル、イソブチル、アミル、イソアミル、第三アミル、ヘキシル、１−エチルペンチル、シクロヘキシル、１−メチルシクロヘキシル、ヘプチル、イソヘプチル、第三ヘプチル、ｎ−オクチル、イソオクチル、第三オクチル、２−エチルヘキシル、トリフルオロメチル、パーフルオロヘキシル、２−メトキシエチル、２−エトキシエチル、２−ブトキシエチル、２−（２−メトキシエトキシ）エチル、１−メトキシ−１，１−ジメチルメチル、２−メトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−エトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−イソプロポキシ−１，１−ジメチルエチル、２−ブトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−（２−メトキシエトキシ）−１，１−ジメチルエチル等が挙げられる。また、Ｒ２８で表される炭素数２〜１８の分岐してもよいアルキレン基は、グリコールにより与えられる基であり、該グリコールとしては、例えば、１，２−エタンジオール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、２，４−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジエチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジエチル−１，３−ブタンジオール、２−エチル−２−ブチル−１，３−プロパンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、１−メチル−２，４−ペンタンジオール等が挙げられる。これらのグリコールの中でも、チタニウム原子と共に六員環を形成することができるグリコール及びそのアルキル基置換体が、上記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物の安定性が大きいので好ましい。
【００２９】
これらのチタニウム供給源化合物の中でも、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物及び／又は前記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物と、揮発特性及び分解温度が近いものが好ましい。
【００３０】
また、上記チタニウム供給源化合物を本発明の組成物に混合する場合は、組成物が良好な安定性を示し、且つ前記ビスマス化合物及び前記希土類化合物と熱酸化分解の挙動が近いので、上記チタニウム供給源化合物として上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物を用いるのが好ましい。本発明の組成物に混合する場合の上記チタニウム供給源化合物の使用量は、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部に対して、０．０５〜１０モル部が好ましく、０．１〜７．５モル部がさらに好ましく、０．５〜５モル部が最も好ましい。
【００３１】
上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物の具体的としては、下記チタニウム化合物Ｎｏ．１〜１６が挙げられる。
【００３２】
【化９】
【００３３】
【化１０】
【００３４】
本発明の組成物は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を、ゾル−ゲル法、塗布熱分解法等のＭＯＤ法や、ＡＬＤを含めた各種ＣＶＤ法によって製造する際に用いる原料として好適に使用することができ、目的とする薄膜を得るために、更に他の金属供給源化合物を適宜含有してもよい。
【００３５】
例えば、本発明の組成物は、珪素供給源化合物として、アルコキシド化合物、シロキサン化合物、アミド化合物、シラザン化合物等の、薄膜形成材料として周知の珪素化合物を含有してもよい。これらの珪素化合物の中でも、下記一般式（ＶＩ）で表される珪素化合物が好ましい。これらの珪素化合物の使用量は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造する際に使用する前記チタニウム供給源化合物１モル部に対して、０．０１〜５モル部が好ましく、０．０５〜１モル部がより好ましい。
【００３６】
【化１１】
【００３７】
上記一般式（ＶＩ）において、Ｒ２９で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記Ｒ１で例示した基が挙げられ、Ｒ３０及びＲ３１で表される炭素数１〜８の炭化水素としては、前記Ｒ１５で例示した基が挙げられ、Ｒ３２〜Ｒ３４で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記Ｒ１で例示した基が挙げられる。
【００３８】
上記一般式（ＶＩ）で表される珪素化合物の具体例としては、下記珪素化合物Ｎｏ．１〜３５が挙げられる。
【００３９】
【化１２】
【００４０】
【化１３】
【００４１】
また、本発明の組成物は、ＭＯＤ法のＭＯＤ用原料や溶液ＣＶＤ法のＣＶＤ用原料として用いる場合、適宜な有機溶媒を一種類又は二種類以上含有する。該有機溶媒の使用量は、必要な流動性と良好な操作性を与える範囲から選択されるが、好ましくは、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１質量部に対して５〜１００質量部である。
【００４２】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒は、金属供給源化合物に対して、不活性であるか、安定性を付与するものが好ましい。本発明の組成物をＭＯＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒は、金属供給源化合物に対して、不活性であるか、安定性を与えるものでもよく、金属供給源化合物の分解反応を促進するものでもよい。
【００４３】
本発明に係る有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、２−プロパノール、ｎ−ブタノール等のアルコール類；酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸メトキシエチル等の酢酸エステル類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエーテルアルコール類；フラン、ピラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類；アセトン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチルブチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等のケトン類；ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、ブチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素類；アセトニトリル、１−シアノプロパン、１−シアノブタン、１−シアノヘキサン、シアノシクロヘキサン、シアノベンゼン、１，３−ジシアノプロパン、１，４−ジシアノブタン、１，６−ジシアノヘキサン、１，４−ジシアノシクロヘキサン、１，４−ジシアノベンゼン等のシアノ基を有する炭化水素類；ジエチルアミン、トリエチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルプロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、１，１，４，７，７−ペンタメチルジエチレントリアミン、１，１，４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン等の脂肪族ポリアミン類、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ルチジン、ピラジン、ピリミジン、ピロリドン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、モルフォリン等の窒素含有環状化合物類等が挙げられ、溶質の溶解性、使用温度と沸点や引火点との関係等によって適宜選択される。
【００４４】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒に水分が含まれていると、金属供給源化合物の加水分解によりＣＶＤ用原料中に固相が生成し、原料の供給性や得られる薄膜の膜質に支障をきたす場合がある。従って、上記有機溶媒は、蒸留、吸着、化学反応等を用いた脱水処理を施し、含水量を１０ｐｐｍ以下にすることが好ましく、１ｐｐｍ以下にすることがより好ましい。
【００４５】
また、本発明の組成物には、必要に応じて、金属供給源化合物の安定性を付与するため求核性試薬を含有してもよい。該求核性試薬としては、グライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のエチレングリコールエーテル類；１８−クラウン−６、ジシクロヘキシル−１８−クラウン−６、２４−クラウン−８、ジシクロヘキシル−２４−クラウン−８、ジベンゾ−２４−クラウン−８等のクラウンエーテル類；エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、１，１，４，７，７−ペンタメチルジエチレントリアミン、１，１，４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン等のポリアミン類；サイクラム、サイクレン等の環状ポリアミン類；アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸−２−メトキシエチル等のβ−ケトエステル類又はβ−ジケトン類等が挙げられ、安定剤としてのこれらの求核性試薬の使用量は、金属供給源化合物１モルに対して、通常０．１モル〜１０モルの範囲で使用され、好ましくは０．５〜５モルで使用される。
【００４６】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、前記ビスマス化合物及び前記希土類化合物は、蒸気圧が大きく、化学的な安定性に優れ、混合安定性の良好な化合物を選択するのが好ましい。前記ビスマス化合物としては、前記一般式（Ｉ）において、Ｒ１がＳｉ（ＣＨ３）３基であり、Ｒ２〜Ｒ４がメチル基であるビスマス化合物Ｎｏ．１２が最も好ましく、ビスマス化合物Ｎｏ．１２との組み合わせに最も適する希土類化合物は、前記一般式（ＩＩ）において、Ｒ５がＳｉ（ＣＨ３）３基であり、Ｒ６〜Ｒ８がメチル基である希土類化合物である。
【００４７】
本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法は、上述した本発明の組成物を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法によるものである。ＣＶＤ法とは、気化させた金属供給源化合物と、必要に応じて用いられる反応性ガスとを基板上に導入し、次いで、金属供給源化合物を基板上で分解及び／又は反応させて薄膜を基板上に成長、堆積させる方法を指す。本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法は、ＣＶＤ用原料の輸送供給方法、堆積方法、製造条件、製造装置等については、特に制限を受けるものではなく、周知一般の条件、方法等を用いることができる。
【００４８】
上記の必要に応じて用いられる反応性ガスとしては、例えば、酸素、一重項酸素、オゾン、二酸化窒素、一酸化窒素、水蒸気、過酸化水素等が挙げられる。
【００４９】
上記輸送供給方法としては、ＣＶＤ用原料を原料容器中で加熱及び／又は減圧することにより気化させ、必要に応じて用いられるアルゴン、窒素、ヘリウム等のキャリアガスと共に堆積反応部へと導入する気体輸送法、ＣＶＤ用原料を液体又は溶液の状態で気化室まで輸送し、気化室で加熱及び／又は減圧することにより気化させて、堆積反応部へと導入する液体輸送法がある。
【００５０】
また、上記堆積方法としては、原料ガス又は原料ガスと反応性ガスとを熱のみにより反応させセラミックスを堆積させる熱ＣＶＤ，熱及びプラズマを使用するプラズマＣＶＤ、熱及び光を使用する光ＣＶＤ、熱、光及びプラズマを使用する光プラズマＣＶＤ、ＣＶＤの堆積反応を素過程に分け、分子レベルで段階的に堆積を行うＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。
【００５１】
ＡＬＤは、堆積部への原料ガスの供給と反応性ガスの供給とを交互に行い、これを１サイクルとして薄膜の分子層を段階的に堆積させていく方法である。また、各サイクルにおいて、原料ガス又は反応性ガスを供給した後に、不活性ガスによるパージ及び／又は減圧による排気を行い、未反応の原料ガス及び／又は反応性ガスを除去する工程を任意に導入してもよい。ＡＬＤは、他のＣＶＤ法と比較して、膜厚が薄く均一で良好な薄膜を得られるという特徴がある。また、その成膜機構から、薄膜堆積温度を低く抑えることが可能であり、基体の耐熱性、基体への元素拡散性等に左右されず、広い応用が可能である。また、ＡＬＤは、熱、光、プラズマと併用することも可能である。
【００５２】
また、上記の製造条件としては、反応温度（基板温度）、反応圧力、堆積速度等が挙げられる。反応温度については、金属化合物が充分に反応する温度である１９０℃以上が好ましく、２００℃〜８００℃がより好ましい。また、反応圧力は、熱ＣＶＤ又は光ＣＶＤの場合、大気圧〜１０Ｐａが好ましく、プラズマを使用する場合は、１０〜２０００Ｐａが好ましい。また、堆積速度は、原料の供給条件（気化温度、気化圧力）、反応温度、反応圧力によりコントロールすることが出来る。堆積速度は、大きいと得られる薄膜の特性が悪化する場合があり、小さいと生産性に問題を生じる場合があるので、１〜１０００ｎｍ／分が好ましく、５〜５００ｎｍ／分がより好ましい。
【００５３】
また、本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法においては、薄膜層堆積の後に、より良好な電気特性を得るためにアニール処理を行ってもよく、段差埋め込みが必要な場合には、リフロー工程を設けてもよい。この場合の温度は、通常５００〜１２００℃であり、６００〜１０００℃が好ましい。
【００５４】
【実施例】
以下、評価例及び実施例をもって本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実施例等によって何ら制限を受けるものではない。
【００５５】
［評価例１］
ビスマス化合物Ｎｏ．１２、希土類化合物Ｎｏ．７、希土類化合物Ｎｏ．１２、トリス（２，２，６，６−テトラメチルヘプタン−３，５−ジオナト）ランタン（比較化合物１）、及びトリスイソプロピルシクロペンタジエニルランタン（比較化合物２）それぞれについて、示差熱分析装置を用いて、３０℃から１０℃／分の昇温速度、乾燥アルゴン（１００ｍｌ／分）気流下で、−５０％質量温度（試料の質量が５０％減少したときの温度）を測定した。また、３０℃から１０℃／分の昇温速度、乾燥酸素（１００ｍｌ／分）気流下で、酸化分解温度（ＤＴＡ発熱ピークトップの温度）を測定した。これらの測定結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１から明らかなように、ビスマス化合物Ｎｏ．１２と比較化合物１及び比較化合物２それぞれとでは、−５０％質量温度の差及び酸化分解温度の差がいずれも大きいのに対し、ビスマス化合物Ｎｏ．１２と希土類化合物Ｎｏ．７及びＮｏ．１２それぞれとでは、−５０％質量温度の差が小さく、酸化分解温度も近い値である。このことから、本発明の組成物における特定のビスマス化合物と希土類化合物との組み合わせは、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜のＣＶＤ用原料として適することが確認できた。
【００５８】
［実施例１］
テトラヒドロピランを金属ナトリウム線で乾燥した後、アルゴン気流下で、前留分１０質量％及び釜残分１０質量％をカットし、蒸留精製を行い、水分量１ｐｐｍ未満の溶媒を得た。この溶媒５００ｍｌに、ビスマス化合物Ｎｏ．１２の０．０４７ｍｏｌ、希土類化合物Ｎｏ．７の０．０１１ｍｏｌ及びチタニウム化合物Ｎｏ．４の０．０４３ｍｏｌを、アルゴン気流下で配合してＣＶＤ用原料を得た。得られたＣＶＤ用原料を用いて、図１に示すＣＶＤ装置により、シリコンウエハ上に以下の条件で薄膜を製造した。製造した薄膜について、膜厚及び組成比の測定を行った。膜厚については、触針式段差計（タリステップ）で測定し、組成比については、蛍光Ｘ線で測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００５９】
（条件）
気化室温度：１９０℃、原料流量：０．１５ｍｌ／分、酸素ガス流量：３００ｓｃｃｍ、反応圧力：１５００Ｐａ、反応時間：２０分、基板温度：４５０℃、キャリアＡｒ：２００ｓｃｃｍ
（結果）
膜厚：９６ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｌａ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７３／２．６／０．３３
【００６０】
［実施例２］
上記実施例１で得たＣＶＤ用原料を用いて、図１に示すＣＶＤ装置により、以下の条件及び工程で薄膜を製造した。得られた薄膜について、上記実施例１と同様の方法で膜厚及び組成比を測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００６１】
（条件）
反応温度（基板温度）；３００℃、反応性ガス；水蒸気
（工程）
下記▲１▼〜▲４▼からなる一連の工程を１サイクルとして、５００サイクル繰り返し、最後に４００℃で３分間のアニール処理を行った。
▲１▼気化室で気化させたＣＶＤ用原料の蒸気を導入し、系圧力１０〜２５Ｐａで１秒間反応させる。
▲２▼２秒のアルゴンパージにより、未反応原料を除去する。
▲３▼水蒸気を導入し、系圧力１０〜２５Ｐａで１秒間反応させる。
▲４▼２秒のアルゴンパージにより、未反応原料を除去する。
（結果）
膜厚：９１ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｌａ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７５／２．９／０
【００６２】
（実施例３）
テトラヒドロピランを金属ナトリウム線で乾燥した後、アルゴン気流下で、前留分１０質量％及び釜残分１０質量％をカットし、蒸留精製を行い、水分量１ｐｐｍ未満の溶媒を得た。この溶媒５００ｍｌに、ビスマス化合物Ｎｏ．１２の０．０４７ｍｏｌ、希土類化合物Ｎｏ．１２の０．０１１ｍｏｌ及びチタニウム化合物Ｎｏ．４の０．０４３ｍｏｌを、アルゴン気流下で配合してＣＶＤ用原料を得た。得られたＣＶＤ用原料を用いて、上記実施例２と同様の条件及び工程で薄膜を製造した。得られた薄膜について、上記実施例１と同様の方法で膜厚及び組成比を測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００６３】
（結果）
膜厚：９３ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｎｄ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７３／２．９／０
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において、ビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物とを混合して使用する場合に適した組成物、及び該組成物を用いた薄膜の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造に用いられるＣＶＤ装置の一例を示す概要図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定のビスマス化合物及び希土類化合物を含有してなる組成物、特にビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜（以下、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜と記載することもある）の製造に有用な組成物、該組成物からなる化学気相成長用原料、並びにこれを用いた化学気相成長法による希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造方法に関する。本発明の組成物を用いて製造された希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜は、不揮発性メモリのキャパシタ膜等に有用なものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜は、強誘電特性を改善したチタン酸ビスマス系強誘電体として、不揮発性メモリのキャパシタ膜等の次世代のＬＳＩへの応用が検討されている。例えば、下記非特許文献１には、ビスマスサイトの一部をランタンで置換した薄膜が不揮発性メモリ材料として報告されており、下記非特許文献２には、ビスマスサイトの一部をネオジムで置換した薄膜が報告されており、下記非特許文献３には、ビスマスサイトの一部をランタンで置換し、チタンサイトの一部を珪素で置換した薄膜が報告されている。
【０００３】
また、薄膜の製造法としては、火焔堆積法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、塗布熱分解法やゾル−ゲル法等のＭＯＤ法、化学気相成長（以下、ＣＶＤと記載することもある）法が挙げられるが、組成制御性に優れること、量産化に適すること、ハイブリッド集積が可能である等、多くの長所を有している点で、ＭＯＤ法及びＣＶＤ法が有効なプロセスであり、段差被覆性に優れ、高集積化に対応が可能な点で、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を含むＣＶＤ法が最適なプロセスである。
【０００４】
ＣＶＤ法やＭＯＤ法による薄膜製造には、ビスマスアルコキシド、ビスマスβ−ジケトネート、アリールビスマス、ビスマスアミド等の各種ビスマス化合物がビスマス供給源化合物として使用されており、下記特許文献１及び２には、ビスマスアミド化合物が報告されている。また、希土類供給源化合物としては、アルコキシド、β−ジケトネート、アミド等が使用されており、下記特許文献３には、ランタニドのアミド化合物が報告されている。また、下記特許文献４には、金属供給源化合物を混合した前駆体が報告されている。
【０００５】
一般に、チタン酸ビスマス等の多成分系の薄膜をＣＶＤ法により製造する場合、使用される金属供給源化合物の揮発特性や分解性が異なると薄膜の組成制御が困難になり、操作性や生産性に支障をきたすという問題を生じる。特に金属供給源化合物を混合して使用するＣＶＤ法において、この問題は顕著に現れる。
ビスマスアミド化合物を用いたビスマスサイトの一部を希土類に置換したチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造において、上記問題を解決し得るビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物との最適な組み合わせは見出されていなかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において、ビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物とを混合して使用する場合に適した組成物、及び該組成物を用いた薄膜の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｂ．Ｈ．Ｐａｒｋ， ｅｔ ａｌ．： Ｎａｔｕｒｅ （Ｌｏｎｄｏｎ）， ４０１， ６８２， １９９９
【非特許文献２】
Ｈ．Ｆｕｎａｋｕｂｏ． ｅｔ ａｌ．： １ｓｔ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｉｅｓ ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９−２１，２００１， Ｊａｐａｎ
【非特許文献３】
Ｙ．Ｉｄｅｍｏｔｏ， Ｈ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，ｅｔ ａｌ．： 第５０回応用物理学関係連合講演会， ２００３．３， Ｊａｐａｎ
【特許文献１】
特表２００１−５１８１４２号公報（請求項２〜５、１６〜１９等）
【特許文献２】
特表２００１−５１１８５０号公報（請求項１４、１５等）
【特許文献３】
特開２００２−８８４７５号公報（請求項１〜４等）
【特許文献４】
特開２００２−１４６５３２号公報（請求項１０〜２１等）
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、検討を重ねた結果、特定のビスマス化合物と希土類化合物とを組み合わせて配合した組成物が上記の問題点を解決し得ることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、下記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部、及び下記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物０．０１〜１モル部を含有してなる組成物、該組成物からなるＣＶＤ用原料、並びにこれを用いた化学気相成長法による希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造方法を提供するものである。
【化３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
本発明の組成物は、上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部に対して、上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物０．０１〜１モル部を混合した組成物である。本発明の組成物の構成成分である上記ビスマス化合物と上記希土類化合物とは、混合状態での安定性が良好であり、また、熱酸化分解挙動、特に熱酸化分解温度が近く、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において用いる前駆体として好適である。
【００１２】
本発明に係る上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物において、Ｒ１〜Ｒ４及びＲ９〜Ｒ１１で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、第二ブチル、第三ブチルが挙げられる。
【００１３】
上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物の具体例としては、下記ビスマス化合物Ｎｏ．１〜１８が挙げられる。
【００１４】
【化４】
本発明に係る上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物において、Ｒ５〜Ｒ８及びＲ１２〜Ｒ１４で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、第二ブチル、第三ブチルが挙げられ、Ｍで表される希土類原子としては、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムが挙げられる。
【００１６】
上記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物の具体例としては、下記希土類化合物Ｎｏ．１〜１５が挙げられる。
【００１７】
【化５】
本発明の組成物において、上記ビスマス化合物と上記希土類化合物との混合比は、不揮発性メモリのキャパシタ膜等に有用な強誘電体である希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の組成を与える上で、上記ビスマス化合物１モル部に対して、上記希土類化合物０．０１〜１モル部であり、０．０５〜１モル部が好ましく、０．１〜０．７５モル部がより好ましい。
【００１９】
本発明の組成物を用いて製造される希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の組成としては、例えば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のビスマスサイトの一部を、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等の希土類原子で置換したＢｉｙＭ４−ｙ（Ｔｉｚ，Ｓｉ３−ｚ）Ｏ１２（Ｍは希土類原子、ｙは３以上、４未満、ｚ＝３〜２）、これらの組成に対してビスマス及び／又は希土類原子が１〜１０モル％過剰であるビスマス過剰チタン酸ビスマスが挙げられる。
【００２０】
なお、薄膜中に珪素を含有しない希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を得る場合は、ゾル−ゲル法やＡＬＤ法等の加水分解を伴う薄膜製造方法を用いればよく、加水分解により遊離するシラザン化合物を蒸気として排出することにより、珪素を含有しない酸化物薄膜を得ることができる。また、薄膜中に珪素を含有するチタン酸ビスマス系薄膜を得るには、熱酸化分解を伴う薄膜製造方法を用いればよい。
【００２１】
また、本発明の組成物を用いて希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造する場合には、本発明の組成物にチタニウム供給源化合物を混合してもよく、チタニウム供給源化合物は、本発明の組成物に混合せずに別個の状態で、本発明の組成物と併用する方法で用いてもよい。
【００２２】
上記チタニウム供給源化合物としては、下記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物（アミド化合物）；テトラメトキシド、テトラエトキシド、テトラプロポキシド、テトライソプロポキシド、テトラブトキシド、テトラ第二ブトキシド、テトライソブトキシド、テトラ第三ブトキシド、テトラ第三ペントキシド等のアルコキシド化合物；下記一般式（ＩＶ）で表されるエーテル基を有するチタニウム化合物（アルコキシド化合物）；テトラキスアセチルアセトネート、テトラキスヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−５−メチルヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキスヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２−メチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−５−メチルヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−６−メチルヘプタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２−ジメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，６−ジメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６−トリメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチルヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−オクタン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２，６−トリメチルオクタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，６−ジメチルオクタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２−メチル−６−エチルデカン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２−ジメチル−６−エチルデカン−３，５−ジオネート、テトラキス−１，１，１−トリフルオロペンタン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，１，１−トリフルオロ−５，５−ジメチルヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，１，１，５，５，５−ヘキサフルオロペンタン−２，４−ジオネート、テトラキス−１，３−ジパーフルオロヘキシルプロパン−１，３−ジオネート、テトラキス−１，１，５，５−テトラメチル−１−メトキシヘキサン−２，４−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチル−１−メトキシヘプタン−３，５−ジオネート、テトラキス−２，２，６，６−テトラメチル−１−（２−メトキシエトキシ）ヘプタン−３，５−ジオネート等のテトラキスβ−ジケトネート化合物；テトラキスシクロペンタジエニル錯体、テトラキスメチルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスエチルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスプロピルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスイソプロピルシクロペンタジエニル錯体、テトラキスブチルシクロペンタジエニル錯体等のシクロペンタジエニル錯体；β−ジケトン及びアルコールの両方を配位子とした下記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物が挙げられる。
【００２３】
【化６】
【化７】
【化８】
上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ１５及びＲ１６で表される炭素数１〜８の炭化水素基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、第二ブチル、第三ブチル、イソブチル、アミル、イソアミル、第三アミル、シクロペンチル、ヘキシル、２−ヘキシル、３−ヘキシル、シクロヘキシル、１−メチルシクロヘキシル、ヘプチル、２−ヘプチル、３−ヘプチル、イソヘプチル、第三ヘプチル、ｎ−オクチル、イソオクチル、第三オクチル、２−エチルヘキシル等のアルキル基；フェニル、２−メチルフェニル、３−メチルフェニル、４−メチルフェニル、４−エチルフェニル、２，４−ジメチルフェニル、２，５−ジメチルフェニル等のアリール基；ベンジル、フェニルエチル等のアルキルアリール基等が挙げられ、Ｒ１７〜Ｒ１９で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、上記Ｒ１と同様の基が挙げられる。
【００２７】
上記一般式（ＩＶ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ２０、Ｒ２１及びＲ２３で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記のＲ１で例示した基が挙げられ、Ｒ２４で表される炭素数１〜４のアルカンジイル基としては、メチレン、エタン−１，２−ジイル、エタン−１，１−ジイル、プロパン−１，３−ジイル、プロパン−１，２−ジイル、プロパン−１，１−ジイル、ブタン−１，４−ジイル、ブタン−１，３−ジイル、ブタン−１，２−ジイル、ブタン−２，４−ジイル、ブタン−２，３−ジイル、ブタン−２，２−ジイル等が挙げられる。
【００２８】
上記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物において、Ｒ２５、Ｒ２６及びＲ２７で表される、ハロゲン原子で置換されてもよく、鎖中に酸素原子を含んでもよい炭素数１〜８のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、第二ブチル、第三ブチル、イソブチル、アミル、イソアミル、第三アミル、ヘキシル、１−エチルペンチル、シクロヘキシル、１−メチルシクロヘキシル、ヘプチル、イソヘプチル、第三ヘプチル、ｎ−オクチル、イソオクチル、第三オクチル、２−エチルヘキシル、トリフルオロメチル、パーフルオロヘキシル、２−メトキシエチル、２−エトキシエチル、２−ブトキシエチル、２−（２−メトキシエトキシ）エチル、１−メトキシ−１，１−ジメチルメチル、２−メトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−エトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−イソプロポキシ−１，１−ジメチルエチル、２−ブトキシ−１，１−ジメチルエチル、２−（２−メトキシエトキシ）−１，１−ジメチルエチル等が挙げられる。また、Ｒ２８で表される炭素数２〜１８の分岐してもよいアルキレン基は、グリコールにより与えられる基であり、該グリコールとしては、例えば、１，２−エタンジオール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、２，４−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジエチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジエチル−１，３−ブタンジオール、２−エチル−２−ブチル−１，３−プロパンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、１−メチル−２，４−ペンタンジオール等が挙げられる。これらのグリコールの中でも、チタニウム原子と共に六員環を形成することができるグリコール及びそのアルキル基置換体が、上記一般式（Ｖ）で表されるチタニウム化合物の安定性が大きいので好ましい。
【００２９】
これらのチタニウム供給源化合物の中でも、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物及び／又は前記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物と、揮発特性及び分解温度が近いものが好ましい。
【００３０】
また、上記チタニウム供給源化合物を本発明の組成物に混合する場合は、組成物が良好な安定性を示し、且つ前記ビスマス化合物及び前記希土類化合物と熱酸化分解の挙動が近いので、上記チタニウム供給源化合物として上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物を用いるのが好ましい。本発明の組成物に混合する場合の上記チタニウム供給源化合物の使用量は、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部に対して、０．０５〜１０モル部が好ましく、０．１〜７．５モル部がさらに好ましく、０．５〜５モル部が最も好ましい。
【００３１】
上記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物の具体的としては、下記チタニウム化合物Ｎｏ．１〜１６が挙げられる。
【００３２】
【化９】
【化１０】
本発明の組成物は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を、ゾル−ゲル法、塗布熱分解法等のＭＯＤ法や、ＡＬＤを含めた各種ＣＶＤ法によって製造する際に用いる原料として好適に使用することができ、目的とする薄膜を得るために、更に他の金属供給源化合物を適宜含有してもよい。
【００３５】
例えば、本発明の組成物は、珪素供給源化合物として、アルコキシド化合物、シロキサン化合物、アミド化合物、シラザン化合物等の、薄膜形成材料として周知の珪素化合物を含有してもよい。これらの珪素化合物の中でも、下記一般式（ＶＩ）で表される珪素化合物が好ましい。これらの珪素化合物の使用量は、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造する際に使用する前記チタニウム供給源化合物１モル部に対して、０．０１〜５モル部が好ましく、０．０５〜１モル部がより好ましい。
【００３６】
【化１１】
上記一般式（ＶＩ）において、Ｒ２９で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記Ｒ１で例示した基が挙げられ、Ｒ３０及びＲ３１で表される炭素数１〜８の炭化水素としては、前記Ｒ１５で例示した基が挙げられ、Ｒ３２〜Ｒ３４で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、前記Ｒ１で例示した基が挙げられる。
【００３８】
上記一般式（ＶＩ）で表される珪素化合物の具体例としては、下記珪素化合物Ｎｏ．１〜３５が挙げられる。
【００３９】
【化１２】
【化１３】
また、本発明の組成物は、ＭＯＤ法のＭＯＤ用原料や溶液ＣＶＤ法のＣＶＤ用原料として用いる場合、適宜な有機溶媒を一種類又は二種類以上含有する。該有機溶媒の使用量は、必要な流動性と良好な操作性を与える範囲から選択されるが、好ましくは、前記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１質量部に対して５〜１００質量部である。
【００４２】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒は、金属供給源化合物に対して、不活性であるか、安定性を付与するものが好ましい。本発明の組成物をＭＯＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒は、金属供給源化合物に対して、不活性であるか、安定性を与えるものでもよく、金属供給源化合物の分解反応を促進するものでもよい。
【００４３】
本発明に係る有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、２−プロパノール、ｎ−ブタノール等のアルコール類；酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸メトキシエチル等の酢酸エステル類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエーテルアルコール類；フラン、ピラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類；アセトン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチルブチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等のケトン類；ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、ブチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素類；アセトニトリル、１−シアノプロパン、１−シアノブタン、１−シアノヘキサン、シアノシクロヘキサン、シアノベンゼン、１，３−ジシアノプロパン、１，４−ジシアノブタン、１，６−ジシアノヘキサン、１，４−ジシアノシクロヘキサン、１，４−ジシアノベンゼン等のシアノ基を有する炭化水素類；ジエチルアミン、トリエチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルプロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、１，１，４，７，７−ペンタメチルジエチレントリアミン、１，１，４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン等の脂肪族ポリアミン類、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ルチジン、ピラジン、ピリミジン、ピロリドン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、モルフォリン等の窒素含有環状化合物類等が挙げられ、溶質の溶解性、使用温度と沸点や引火点との関係等によって適宜選択される。
【００４４】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、上記有機溶媒に水分が含まれていると、金属供給源化合物の加水分解によりＣＶＤ用原料中に固相が生成し、原料の供給性や得られる薄膜の膜質に支障をきたす場合がある。従って、上記有機溶媒は、蒸留、吸着、化学反応等を用いた脱水処理を施し、含水量を１０ｐｐｍ以下にすることが好ましく、１ｐｐｍ以下にすることがより好ましい。
【００４５】
また、本発明の組成物には、必要に応じて、金属供給源化合物の安定性を付与するため求核性試薬を含有してもよい。該求核性試薬としては、グライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のエチレングリコールエーテル類；１８−クラウン−６、ジシクロヘキシル−１８−クラウン−６、２４−クラウン−８、ジシクロヘキシル−２４−クラウン−８、ジベンゾ−２４−クラウン−８等のクラウンエーテル類；エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、１，１，４，７，７−ペンタメチルジエチレントリアミン、１，１，４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン等のポリアミン類；サイクラム、サイクレン等の環状ポリアミン類；アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸−２−メトキシエチル等のβ−ケトエステル類又はβ−ジケトン類等が挙げられ、安定剤としてのこれらの求核性試薬の使用量は、金属供給源化合物１モルに対して、通常０．１モル〜１０モルの範囲で使用され、好ましくは０．５〜５モルで使用される。
【００４６】
本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いる場合、前記ビスマス化合物及び前記希土類化合物は、蒸気圧が大きく、化学的な安定性に優れ、混合安定性の良好な化合物を選択するのが好ましい。前記ビスマス化合物としては、前記一般式（Ｉ）において、Ｒ１がＳｉ（ＣＨ３）３基であり、Ｒ２〜Ｒ４がメチル基であるビスマス化合物Ｎｏ．１２が最も好ましく、ビスマス化合物Ｎｏ．１２との組み合わせに最も適する希土類化合物は、前記一般式（ＩＩ）において、Ｒ５がＳｉ（ＣＨ３）３基であり、Ｒ６〜Ｒ８がメチル基である希土類化合物である。
【００４７】
本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法は、上述した本発明の組成物を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法によるものである。ＣＶＤ法とは、気化させた金属供給源化合物と、必要に応じて用いられる反応性ガスとを基板上に導入し、次いで、金属供給源化合物を基板上で分解及び／又は反応させて薄膜を基板上に成長、堆積させる方法を指す。本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法は、ＣＶＤ用原料の輸送供給方法、堆積方法、製造条件、製造装置等については、特に制限を受けるものではなく、周知一般の条件、方法等を用いることができる。
【００４８】
上記の必要に応じて用いられる反応性ガスとしては、例えば、酸素、一重項酸素、オゾン、二酸化窒素、一酸化窒素、水蒸気、過酸化水素等が挙げられる。
【００４９】
上記輸送供給方法としては、ＣＶＤ用原料を原料容器中で加熱及び／又は減圧することにより気化させ、必要に応じて用いられるアルゴン、窒素、ヘリウム等のキャリアガスと共に堆積反応部へと導入する気体輸送法、ＣＶＤ用原料を液体又は溶液の状態で気化室まで輸送し、気化室で加熱及び／又は減圧することにより気化させて、堆積反応部へと導入する液体輸送法がある。
【００５０】
また、上記堆積方法としては、原料ガス又は原料ガスと反応性ガスとを熱のみにより反応させセラミックスを堆積させる熱ＣＶＤ，熱及びプラズマを使用するプラズマＣＶＤ、熱及び光を使用する光ＣＶＤ、熱、光及びプラズマを使用する光プラズマＣＶＤ、ＣＶＤの堆積反応を素過程に分け、分子レベルで段階的に堆積を行うＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。
【００５１】
ＡＬＤは、堆積部への原料ガスの供給と反応性ガスの供給とを交互に行い、これを１サイクルとして薄膜の分子層を段階的に堆積させていく方法である。また、各サイクルにおいて、原料ガス又は反応性ガスを供給した後に、不活性ガスによるパージ及び／又は減圧による排気を行い、未反応の原料ガス及び／又は反応性ガスを除去する工程を任意に導入してもよい。ＡＬＤは、他のＣＶＤ法と比較して、膜厚が薄く均一で良好な薄膜を得られるという特徴がある。また、その成膜機構から、薄膜堆積温度を低く抑えることが可能であり、基体の耐熱性、基体への元素拡散性等に左右されず、広い応用が可能である。また、ＡＬＤは、熱、光、プラズマと併用することも可能である。
【００５２】
また、上記の製造条件としては、反応温度（基板温度）、反応圧力、堆積速度等が挙げられる。反応温度については、金属化合物が充分に反応する温度である１９０℃以上が好ましく、２００℃〜８００℃がより好ましい。また、反応圧力は、熱ＣＶＤ又は光ＣＶＤの場合、大気圧〜１０Ｐａが好ましく、プラズマを使用する場合は、１０〜２０００Ｐａが好ましい。また、堆積速度は、原料の供給条件（気化温度、気化圧力）、反応温度、反応圧力によりコントロールすることが出来る。堆積速度は、大きいと得られる薄膜の特性が悪化する場合があり、小さいと生産性に問題を生じる場合があるので、１〜１０００ｎｍ／分が好ましく、５〜５００ｎｍ／分がより好ましい。
【００５３】
また、本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法においては、薄膜層堆積の後に、より良好な電気特性を得るためにアニール処理を行ってもよく、段差埋め込みが必要な場合には、リフロー工程を設けてもよい。この場合の温度は、通常５００〜１２００℃であり、６００〜１０００℃が好ましい。
【００５４】
【実施例】
以下、評価例及び実施例をもって本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実施例等によって何ら制限を受けるものではない。
【００５５】
［評価例１］
ビスマス化合物Ｎｏ．１２、希土類化合物Ｎｏ．７、希土類化合物Ｎｏ．１２、トリス（２，２，６，６−テトラメチルヘプタン−３，５−ジオナト）ランタン（比較化合物１）、及びトリスイソプロピルシクロペンタジエニルランタン（比較化合物２）それぞれについて、示差熱分析装置を用いて、３０℃から１０℃／分の昇温速度、乾燥アルゴン（１００ｍｌ／分）気流下で、−５０％質量温度（試料の質量が５０％減少したときの温度）を測定した。また、３０℃から１０℃／分の昇温速度、乾燥酸素（１００ｍｌ／分）気流下で、酸化分解温度（ＤＴＡ発熱ピークトップの温度）を測定した。これらの測定結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
表１から明らかなように、ビスマス化合物Ｎｏ．１２と比較化合物１及び比較化合物２それぞれとでは、−５０％質量温度の差及び酸化分解温度の差がいずれも大きいのに対し、ビスマス化合物Ｎｏ．１２と希土類化合物Ｎｏ．７及びＮｏ．１２それぞれとでは、−５０％質量温度の差が小さく、酸化分解温度も近い値である。このことから、本発明の組成物における特定のビスマス化合物と希土類化合物との組み合わせは、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜のＣＶＤ用原料として適することが確認できた。
【００５８】
［実施例１］
テトラヒドロピランを金属ナトリウム線で乾燥した後、アルゴン気流下で、前留分１０質量％及び釜残分１０質量％をカットし、蒸留精製を行い、水分量１ｐｐｍ未満の溶媒を得た。この溶媒５００ｍｌに、ビスマス化合物Ｎｏ．１２の０．０４７ｍｏｌ、希土類化合物Ｎｏ．７の０．０１１ｍｏｌ及びチタニウム化合物Ｎｏ．４の０．０４３ｍｏｌを、アルゴン気流下で配合してＣＶＤ用原料を得た。得られたＣＶＤ用原料を用いて、図１に示すＣＶＤ装置により、シリコンウエハ上に以下の条件で薄膜を製造した。製造した薄膜について、膜厚及び組成比の測定を行った。膜厚については、触針式段差計（タリステップ）で測定し、組成比については、蛍光Ｘ線で測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００５９】
（条件）
気化室温度：１９０℃、原料流量：０．１５ｍｌ／分、酸素ガス流量：３００ｓｃｃｍ、反応圧力：１５００Ｐａ、反応時間：２０分、基板温度：４５０℃、キャリアＡｒ：２００ｓｃｃｍ
（結果）
膜厚：９６ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｌａ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７３／２．６／０．３３
【００６０】
［実施例２］
上記実施例１で得たＣＶＤ用原料を用いて、図１に示すＣＶＤ装置により、以下の条件及び工程で薄膜を製造した。得られた薄膜について、上記実施例１と同様の方法で膜厚及び組成比を測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００６１】
（条件）
反応温度（基板温度）；３００℃、反応性ガス；水蒸気
（工程）
下記▲１▼〜▲４▼からなる一連の工程を１サイクルとして、５００サイクル繰り返し、最後に４００℃で３分間のアニール処理を行った。
▲１▼気化室で気化させたＣＶＤ用原料の蒸気を導入し、系圧力１０〜２５Ｐａで１秒間反応させる。
▲２▼２秒のアルゴンパージにより、未反応原料を除去する。
▲３▼水蒸気を導入し、系圧力１０〜２５Ｐａで１秒間反応させる。
▲４▼２秒のアルゴンパージにより、未反応原料を除去する。
（結果）
膜厚：９１ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｌａ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７５／２．９／０
【００６２】
（実施例３）
テトラヒドロピランを金属ナトリウム線で乾燥した後、アルゴン気流下で、前留分１０質量％及び釜残分１０質量％をカットし、蒸留精製を行い、水分量１ｐｐｍ未満の溶媒を得た。この溶媒５００ｍｌに、ビスマス化合物Ｎｏ．１２の０．０４７ｍｏｌ、希土類化合物Ｎｏ．１２の０．０１１ｍｏｌ及びチタニウム化合物Ｎｏ．４の０．０４３ｍｏｌを、アルゴン気流下で配合してＣＶＤ用原料を得た。得られたＣＶＤ用原料を用いて、上記実施例２と同様の条件及び工程で薄膜を製造した。得られた薄膜について、上記実施例１と同様の方法で膜厚及び組成比を測定した。測定結果を以下に示す。下記測定結果から明らかなように、本発明の組成物をＣＶＤ用原料として用いると、良好な組成制御性で希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜を製造することができた。
【００６３】
（結果）
膜厚：９３ｎｍ、組成比（モル）：Ｂｉ／Ｎｄ／Ｔｉ／Ｓｉ＝３．３／０．７３／２．９／０
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、希土類置換型チタン酸ビスマス系薄膜の製造において、ビスマス供給源化合物と希土類供給源化合物とを混合して使用する場合に適した組成物、及び該組成物を用いた薄膜の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造に用いられるＣＶＤ装置の一例を示す概要図である。
Claims (6)
- 下記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部、及び下記一般式（ＩＩ）で表される希土類化合物０．０１〜１モル部を含有してなる組成物。
- さらに、下記一般式（ＩＩＩ）で表されるチタニウム化合物を、上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１モル部に対して、０．０５〜１０モル部含有してなる請求項１記載の組成物。
- さらに、有機溶媒を、上記一般式（Ｉ）で表されるビスマス化合物１質量部に対して、５〜１００質量部含有してなる請求項１又は２記載の組成物。
- 上記一般式（Ｉ）におけるＲ１及び上記一般式（ＩＩ）におけるＲ５がＳｉ（ＣＨ３）３基であり、上記一般式（Ｉ）におけるＲ２〜Ｒ４及び上記一般式（ＩＩ）におけるＲ６〜Ｒ８がメチル基である請求項１〜３のいずれかに記載の組成物。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成物からなる化学気相成長用原料。
- 請求項５記載の化学気相成長用原料を用いた化学気相成長法によるチタン酸ビスマス系複合酸化物薄膜の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2011514433A (ja) * | 2007-11-06 | 2011-05-06 | リンデ アクチエンゲゼルシヤフト | 原子層堆積法のための溶液系ランタン前駆体 |
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2003
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