JP2005213105A - Polycrystallline metal oxide thin film and its manufacturing method, and non-volatile memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多結晶金属酸化物薄膜に関し、特に、ゾル−ゲル法や有機金属分法(MOD)を用いた多結晶金属酸化物薄膜とその製造方法、及びそれを用いた不揮発性メモリに関する。 The present invention relates to a polycrystalline metal oxide thin film, and more particularly to a polycrystalline metal oxide thin film using a sol-gel method or an organic metal fractionation method (MOD), a manufacturing method thereof, and a nonvolatile memory using the same.
金属酸化物薄膜を形成する方法として、従来より、真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法(MBE)、クラスターイオンビーム法(ICB)、レーザアブレーション法等の真空中で行う物理堆積法(PVD)、気相化学輸送法、有機金属堆積輸送法(MOCVD)、プラズマCVD法、金属気相化学反応法等の気相化学堆積法(CVD)、及び融液、溶液を用いる液相エピタキシャル法(LPE)、印刷焼結法、ゾル−ゲル法、有機金属分解法(MOD)、スプレー法等の液体塗布焼結法が実用化されている。 As a method for forming a metal oxide thin film, a physical deposition method (PVD) performed in a vacuum such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a molecular beam epitaxial growth method (MBE), a cluster ion beam method (ICB), or a laser ablation method has been conventionally used. ), Vapor phase chemical transport method, metal organic deposition transport method (MOCVD), plasma CVD method, metal phase chemical vapor deposition method (CVD), and liquid phase epitaxial method using melt and solution ( Liquid coating sintering methods such as LPE), printing sintering method, sol-gel method, organometallic decomposition method (MOD), and spray method have been put into practical use.
これら各々の方法については、いくつかの問題点が挙げられる。例えば、真空蒸着法等の物理堆積法(PVD)は、製造系全体を10-2Pa以下の高真空に保つ必要があり、また、蒸発源から飛来する蒸発粒子に指向性があるために、薄膜形成される材料の大きさや形状に制限がある。さらに、化学堆積法(CVD)もPVD法と同様に通常は真空環境で製造するため、減圧する必要があり、また、製造する金属酸化物の種類によっては人体に危険な有毒ガスを使用する場合もある。 There are several problems with each of these methods. For example, a physical deposition method (PVD) such as a vacuum evaporation method needs to keep the entire production system at a high vacuum of 10 −2 Pa or less, and the evaporation particles flying from the evaporation source have directivity, There are limitations on the size and shape of the material to be formed into a thin film. Furthermore, chemical deposition (CVD) is usually produced in a vacuum environment, as is the case with PVD, so it is necessary to reduce the pressure, and depending on the type of metal oxide to be produced, toxic gases that are dangerous to the human body are used. There is also.
一方、液相薄膜形成法である液体塗布焼結法は、上述したPVD法やCVD法等の気相薄膜の製造法のように制約の多い特殊な真空設備を必要とすることなく、大気中で簡単に薄膜を形成することができるため、経済的であり、また、凸凹した複雑な形状でも成膜が可能であるという特徴を有する。しかも、液体塗布焼結法の一種であるゾル−ゲル法や有機金属分解法(MOD)は比較的低温において、大面積にわたって、均一で良質の金属酸化物薄膜を短時間で形成することができる。 On the other hand, the liquid coating and sintering method, which is a liquid phase thin film forming method, does not require special vacuum equipment with many restrictions like the above-described method for producing a vapor phase thin film such as the PVD method and the CVD method, and can be used in the atmosphere. Therefore, the thin film can be easily formed, so that it is economical, and the film can be formed even in an uneven and complicated shape. Moreover, the sol-gel method and organometallic decomposition method (MOD), which are a kind of liquid coating sintering method, can form a uniform and high-quality metal oxide thin film in a short time over a large area at a relatively low temperature. .
前記ゾル−ゲル法や有機金属分解法(MOD)では、元素の組成比を調整した有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩等を溶媒に溶かした液体をスピンコーティング法やディップコーティング法で基板上に塗布し、これをホットプレート等を用いて数百℃で加熱乾燥して溶媒を除去する。このように塗布後に乾燥して得られた薄膜は、構成元素が単に混ざり合っただけのもので、金属酸化物になってはおらず、この後、薄膜を500〜1000℃くらいの高温で焼成することにより、化学反応と結晶化を促進させて金属酸化物薄膜を形成する。 In the sol-gel method or organometallic decomposition method (MOD), a liquid in which an organic metal compound, metal alkoxide, or organic acid salt in which the element composition ratio is adjusted is dissolved in a solvent is formed by a spin coating method or a dip coating method. It is applied on top, and this is heated and dried at a few hundred degrees C using a hot plate or the like to remove the solvent. The thin film obtained by drying after coating in this way is simply a mixture of the constituent elements and is not a metal oxide. Thereafter, the thin film is fired at a high temperature of about 500 to 1000 ° C. Thus, a chemical reaction and crystallization are promoted to form a metal oxide thin film.
従来、例えば特許文献1に記載されているようなスピンコーティング法による金属酸化物薄膜の形成方法がある。この特許文献1に記載のスピンコーティング法では、膜厚が200nm程度の金属酸化物薄膜を形成する場合においても、基板上に塗膜を形成する工程及び塗膜を加熱乾燥するために400℃の熱処理工程を4回繰り返し、その後、600℃の温度で焼成する工程が必要であり、これは生産コストが高価になるという課題を有する。 Conventionally, there is a method of forming a metal oxide thin film by a spin coating method as described in Patent Document 1, for example. In the spin coating method described in Patent Document 1, even when a metal oxide thin film having a film thickness of about 200 nm is formed, a process of forming a coating film on a substrate and a heating process at 400 ° C. The heat treatment step is repeated four times, and then a step of baking at a temperature of 600 ° C. is necessary, which has a problem that the production cost becomes expensive.
上述のように、塗膜工程と加熱乾燥の繰り返し工程を必要とする理由は、数百nm程度の膜厚であっても、一気に塗膜して加熱するとその塗膜に亀裂が発生する恐れがあるためである。 As mentioned above, the reason why the coating process and the repeated heating and drying process are required is that even if the film thickness is about several hundreds of nanometers, there is a risk that the coating film will crack when heated at once. Because there is.
一般的に、塗膜が薄いほど、内部応力が低く欠陥数が少ないが、塗膜が厚くなると、亀裂伝播の核形成中心としての役割を果たす欠陥を生じる。従って、従来のスピンコーティング法及びディップコーティング法では、一回の塗膜で形成される膜厚は100nm以下であり、これ以上の厚膜の形成は困難とされている。 In general, the thinner the coating film, the lower the internal stress and the fewer the number of defects. However, when the coating film becomes thicker, defects that serve as nucleation centers for crack propagation are generated. Therefore, in the conventional spin coating method and dip coating method, the film thickness formed by one coating is 100 nm or less, and it is difficult to form a thick film beyond this.
また、例えば特許文献2には、有機金属ゾル−ゲル溶液に微粉セラミックを混合した分散液を基材に塗布し、その後、加熱することにより、加水分解及び熱分解して有機物を除去し、多結晶金属酸化物被膜を製造する方法が開示されている。 Further, for example, in Patent Document 2, a dispersion in which a fine ceramic is mixed with an organometallic sol-gel solution is applied to a substrate, and then heated to hydrolyze and thermally decompose to remove organic substances. A method for producing a crystalline metal oxide coating is disclosed.
しかしながら、この方法では、塗膜形成工程及び塗膜加熱工程で微粉セラミックの凝集が起こり、厚膜被膜の形成は可能であるが、均一な膜厚が得られないという課題がある。多結晶金属酸化物薄膜の上に、電極等を積層する必要があるメモリ、シャッタ、スイッチ等のマイクロスケール、またはナノスケールの電子デバイスに用いられる機能性多結晶金属酸化物薄膜において、不均一な膜厚は電子デバイスの性能や信頼性の観点から大きな課題である。
本発明は、電子デバイス等に用いられる多結晶金属酸化物薄膜として、所望の膜厚を有し、かつ特に均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜を製造する製造方法及びその多結晶金属酸化物薄膜とそれを用いた不揮発性メモリを提供するものである。 The present invention relates to a production method for producing a polycrystalline metal oxide thin film having a desired film thickness and a particularly uniform film thickness as a polycrystalline metal oxide thin film used for electronic devices and the like, and the polycrystalline metal oxide A thin film and a nonvolatile memory using the same are provided.
本発明は、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩と有機溶剤を混合したゾル−ゲル液中に金属酸化物の微粉末粒子を分散した分散液により基板上に塗膜を形成する工程と、前記塗膜の溶媒除去、化学反応、及び結晶化が完了するまでの工程中の全期間または一部の期間に、その塗膜に振動を加える工程を具備していることを特徴とする多結晶金属酸化物薄膜の製造方法である。 The present invention includes a step of forming a coating film on a substrate with a dispersion in which fine powder particles of a metal oxide are dispersed in a sol-gel liquid in which an organic metal compound, a metal alkoxide, or an organic acid salt and an organic solvent are mixed. And a step of applying vibration to the coating film during the whole period or a part of the period until the solvent removal, chemical reaction, and crystallization of the coating film are completed. It is a manufacturing method of a crystalline metal oxide thin film.
そして、前記塗膜に振動を加える工程は、その塗膜の加熱乾燥工程の全期間または一部の期間、または、その塗膜の焼成工程の全期間または一部の期間、または、その塗膜の加熱乾燥工程及び焼成工程の全期間または各一部の期間であることを特徴とする製造方法である。 And the step of applying vibration to the coating film is the whole period or a part of the heating and drying process of the coating film, the whole period or a part of the baking process of the coating film, or the coating film It is the manufacturing method characterized by being the whole period of each heat drying process and baking process, or each partial period.
また、基板上への塗膜の形成は、スピンコーティング法またはディップコーティング法による製造方法であり、また、前記塗膜に加える振動は超音波であることも特徴としている。 In addition, the formation of the coating film on the substrate is a manufacturing method by a spin coating method or a dip coating method, and the vibration applied to the coating film is ultrasonic.
さらに、前記有機溶剤が中沸点溶剤または高沸点溶剤であることを特徴とし、その有機溶剤として、イソブチルアルコール、イソアミルアルコール、テトラクロルエチレン、メチルイソブチルケトン、ジ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、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、トリエチレングリコールモノブチルエーテルのうち、少なくとも1つであることを特徴とする。 Further, the organic solvent is a medium boiling point solvent or a high boiling point solvent, and as the organic solvent, isobutyl alcohol, isoamyl alcohol, tetrachloroethylene, methyl isobutyl ketone, diethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol It is at least one of monobutyl ether, ethylene glycol monobutyl ether acetate, and triethylene glycol monobutyl ether.
上記の製造方法により製造された多結晶金属酸化物薄膜は、その薄膜表面が平坦で、均一な膜厚を有する。 The polycrystalline metal oxide thin film manufactured by the above manufacturing method has a flat thin film surface and a uniform film thickness.
そして、その薄膜は、結晶粒の平均粒径の大きさが異なる少なくとも2種以上のグループからなる金属酸化物の結晶粒を有し、前記各グループの結晶粒は同一元素からなり、前記平均粒径の最も大きいグループの平均結晶粒径は、平均粒径の最も小さいグループの平均結晶粒径の2倍以上であることを特徴としており、また、その平均粒径の最も小さいグループの結晶粒がそれよりも平均粒径の大きいグループの結晶粒を架橋接着していること、あるいは平均粒径の最も小さいグループの結晶粒がマトリックスであることを特徴としている。 The thin film has metal oxide crystal grains composed of at least two or more groups having different average grain sizes of crystal grains, and the crystal grains of each group are made of the same element, and the average grains The average crystal grain size of the group with the largest diameter is more than twice the average crystal grain size of the group with the smallest average grain size, and the crystal grains of the group with the smallest average grain size are It is characterized in that the crystal grains of a group having a larger average particle diameter are cross-linked and bonded, or the crystal grains of the group having the smallest average particle diameter are a matrix.
さらに、金属酸化物がペロブスカイト型構造、または、イルメナイト型構造、スピネル型構造を有することを特徴とし、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物は、強誘電体材料、超巨大磁気抵抗(CMR)材料、及び高温超伝導(HTSC)材料のうち、いずれかであることを特徴としており、かつ、チタン酸ストロンチウムバリウム、ジルコン酸ストロンチウム、マンガン酸カルシウムプラセオジウム、コバルト酸バリウムカルシウムガドリニウムのうち、いずれかであることを特徴とし、そしてこのペロブスカイト型構造を有する金属酸化物は、クロム、バナジウム、スカンジウムまたは他の遷移金属のうち、少なくとも一種以上の添加元素を含有することを特徴とする。 Further, the metal oxide is characterized by having a perovskite structure, an ilmenite structure, or a spinel structure, and the metal oxide having a perovskite structure is a ferroelectric material, a supergiant magnetoresistive (CMR) material, And high temperature superconducting (HTSC) materials, and any one of strontium barium titanate, strontium zirconate, praseodymium calcium manganate, barium calcium gadolinium cobaltate The metal oxide having the perovskite structure contains at least one or more additive elements of chromium, vanadium, scandium or other transition metals.
一方、イルメナイト型構造を有する金属酸化物は、強誘電体材料であることを特徴とし、その金属酸化物が、マグネシウム、インジウム、スカンジウム、亜鉛、銅、鉄のうち、少なくとも一種以上の添加元素を含有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする。 On the other hand, a metal oxide having an ilmenite structure is a ferroelectric material, and the metal oxide contains at least one or more additive elements of magnesium, indium, scandium, zinc, copper, and iron. It contains lithium niobate or lithium tantalate.
前記添加元素の濃度は、0mol%を超え10mol%以下であることも特徴とする。 The concentration of the additive element is also more than 0 mol% and not more than 10 mol%.
また、スピネル型構造を有する金属酸化物が、チタン酸マグネシウム、マグネシウム酸クロム、マグネシウム酸アルミニウム、コバルト酸鉄のうち、いずれかであることを特徴とする。 The metal oxide having a spinel structure is any one of magnesium titanate, chromium magnesium acid, aluminum magnesium oxide, and iron cobaltate.
そして、上記多結晶金属酸化物薄膜が、一対の電極間に形成されていることを特徴とする不揮発性メモリである。 In the nonvolatile memory, the polycrystalline metal oxide thin film is formed between a pair of electrodes.
本発明に係る多結晶金属酸化物薄膜とその製造方法によれば、塗膜の溶媒除去、化学反応、及び結晶化が完了するまでの工程、すなわち塗膜の加熱乾燥工程及び/または焼成工程において、振動を加えるという簡単な方法で、金属酸化物の微粉末粒子の凝集がなくなって、所望膜厚を有する均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜が製造されるため、生産コストが安価になるという効果を有する。また、この多結晶金属酸化物薄膜の上に、電極等を形成した不揮発性メモリ等のマイクロスケール、またはナノスケールの電子デバイスは、高性能で安価にして高い信頼性を有するという効果が得られる。 According to the polycrystalline metal oxide thin film and the method for producing the same according to the present invention, in the process until the solvent removal of the coating film, chemical reaction, and crystallization are completed, that is, in the heating drying process and / or the baking process of the coating film. The simple method of applying vibration eliminates the aggregation of metal oxide fine powder particles, and produces a polycrystalline metal oxide thin film with a desired film thickness and a uniform film thickness. It has the effect of becoming. In addition, a microscale or nanoscale electronic device such as a non-volatile memory in which an electrode or the like is formed on the polycrystalline metal oxide thin film has an effect of high performance, low cost, and high reliability. .
以下、本発明の実施の形態に係る多結晶金属酸化物薄膜とその製造方法及びそれを用いた不揮発性メモリについて説明する。 Hereinafter, a polycrystalline metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and a nonvolatile memory using the same will be described.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る製造方法により製造した多結晶金属酸化物薄膜の模式断面図である。なお、比較例として、従来技術を用いて製造した多結晶金属酸化物薄膜についても説明する。
(Embodiment 1)
1 is a schematic cross-sectional view of a polycrystalline metal oxide thin film manufactured by the manufacturing method according to Embodiment 1. FIG. As a comparative example, a polycrystalline metal oxide thin film manufactured using a conventional technique will also be described.
まず、図4は、従来の製造方法で製造した多結晶金属酸化物薄膜の模式断面図であり、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩と有機溶剤を混合したゾル−ゲル液中に金属酸化物の微粉末粒子を分散した分散液を滴下して、スピンコーティング法、またはディップコーティング法で基板41上に塗膜を形成し、その後、加熱乾燥工程及び焼成工程を経て多結晶金属酸化物薄膜42を製造したものである。
First, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a polycrystalline metal oxide thin film manufactured by a conventional manufacturing method, in which a metal is contained in a sol-gel solution in which an organic metal compound, a metal alkoxide, or an organic acid salt and an organic solvent are mixed. A dispersion liquid in which fine oxide particles are dispersed is dropped to form a coating film on the
前記多結晶金属酸化物薄膜42は、金属酸化物の微粉末粒子43と、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から加水分解等で形成された結晶粒径の小さな結晶粒44からなる金属組織となっているが、金属酸化物の微粉末粒子43が凝集して突出部分45が生じ、この凝集による突出部分45の発生によって表面が平坦で均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜42を得ることができないものであった。
The polycrystalline metal oxide
これに対して、本発明は、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩と有機溶剤を混合したゾル−ゲル液中に金属酸化物の微粉末粒子を分散した分散液を基板11上に滴下し、スピンコーティング法またはディップコーティング法で基板11上に塗膜を形成し、この塗膜に溶媒除去、化学反応、及び結晶化が完了するまでの工程、すなわち塗膜の100〜300℃の温度による加熱乾燥工程及び/または400〜700℃の温度による焼成工程において、振動を加えたところ、図1に示すように、薄膜表面が平坦で、均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜12が得られた。このように薄膜表面が平坦になり、かつ膜厚が均一化されることは、有機溶剤が揮発し、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩が加水分解等の化学反応で、ゾルから金属酸化物の結晶が形成される過程において、増大する金属酸化物の微粉末粒子の凝集エネルギーが振動エネルギーの印加により抑制されることに起因すると考えられる。
In contrast, in the present invention, a dispersion liquid in which fine powder particles of a metal oxide are dispersed in a sol-gel liquid in which an organic metal compound, a metal alkoxide, or an organic acid salt and an organic solvent are mixed is dropped onto the
本発明の製造方法で製造された多結晶金属酸化物薄膜12は、塗膜する分散液中に分散されていた金属酸化物の微粉末粒子から得た結晶粒14と、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から加水分解等で形成された結晶粒13で構成されている。
The polycrystalline metal oxide
そして、本発明の多結晶金属酸化物薄膜12は、金属酸化物の微粉末粒子から得られた結晶粒径が大きいグループの結晶粒14と、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から加水分解等で形成された結晶粒径が小さいグループの結晶粒13からなる。この両者のグループの結晶粒は、共に同一元素からなり、金属酸化物の微粉末粒子から得られた結晶粒14の平均粒径は、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から形成された結晶粒13の平均粒径の2倍以上であり、平均粒径が小さいグループの結晶粒13は、平均粒径が大きいグループの結晶粒14同士を架橋接着している。
The polycrystalline metal oxide
(実施の形態2)
図2は、実施の形態2に係る製造方法により製造した多結晶金属酸化物薄膜の模式断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a polycrystalline metal oxide thin film manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment.
この実施の形態2に係る製造方法は、上述した実施の形態1の製造方法と同様の方法で、分散液中の金属酸化物の微粉末粒子の量を減少させて分散した分散液を基板21上に滴下してスピンコーティング法またはディップコーティング法で塗膜を形成し、この塗膜に溶媒除去、化学反応、及び結晶化が完了するまでの工程、すなわち上記と同様に塗膜の加熱乾燥工程及び/または焼成工程において、上記実施の形態1と同様に振動を加え、薄膜表面が平坦で、均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜22を得たものである。
The manufacturing method according to the second embodiment is the same method as the manufacturing method of the first embodiment described above, and the dispersion liquid in which the amount of fine metal oxide particles in the dispersion liquid is reduced is dispersed in the
この多結晶金属酸化物薄膜22も上記多結晶金属酸化物薄膜12と同様に、金属酸化物の微粉末粒子から得られた結晶粒径が大きなグループの結晶粒24と、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から加水分解等で形成された結晶粒径が小さなグループの結晶粒23からなり、平均粒径の大きさが2種類のグループからなる結晶粒で構成されている。そして、その両者のグループの結晶粒は共に同一元素からなり、金属酸化物の微粉末粒子から得られた結晶粒24の平均粒径は、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から形成された結晶粒23の平均粒径の2倍以上であり、結晶粒23がマトリックスとなってそのマトリックス中に結晶粒24が分散した金属組織になっている。
Similarly to the polycrystalline metal oxide
なお、上記いずれの実施の形態においても分散液中に分散させる金属酸化物の微粉末粒子は一次微粒子であることが好ましく、そして、この金属酸化物の微粉末粒子のサイズは、製造する多結晶金属酸化物薄膜の膜厚に応じて適宜選択される。また、前記塗膜に加える振動は、電気的手段または機械的手段により与えられ、それは超音波による振動であってもよく、さらに、加える振動の周波数及び期間は製造される多結晶金属酸化物薄膜12、22の材料によって適宜選択される。 In any of the above embodiments, the metal oxide fine powder particles to be dispersed in the dispersion liquid are preferably primary fine particles, and the size of the metal oxide fine powder particles is the polycrystalline to be produced. It is appropriately selected according to the thickness of the metal oxide thin film. Further, the vibration applied to the coating film is given by electric means or mechanical means, which may be ultrasonic vibration, and the frequency and duration of the applied vibration are the polycrystalline metal oxide thin film to be manufactured. The material is appropriately selected depending on the materials of 12 and 22.
前記振動を加える期間は、塗膜の加熱乾燥工程及び/または焼成工程において、それぞれにおける全期間であってもよく、あるいはそれぞれの工程における大部分の期間または一部の期間であってもよく、凝集により突出部分が発生しない適宜の期間を選択すればよい。 The period during which the vibration is applied may be the whole period in each of the heat drying process and / or the baking process of the coating film, or may be the most part or part of the period in each process. What is necessary is just to select the appropriate period when a protrusion part does not generate | occur | produce by aggregation.
また、振動を加えて加熱している最中に、多結晶金属酸化物薄膜が平坦化する前に、ゾル−ゲル液中の有機溶剤が気化しないようにするために、その有機溶剤としては、沸点が100〜150℃のイソブチルアルコール、イソアミルアルコール、テトラクロルエチレン、メチルイソブチルケトン等の中沸点溶剤、または沸点が150℃以上のジ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、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、トリエチレングリコールモノブチルエーテル等の高沸点溶剤が好ましい。 In addition, in order to prevent the organic solvent in the sol-gel liquid from being vaporized before the polycrystalline metal oxide thin film is flattened during heating by applying vibration, as the organic solvent, Medium boiling solvent such as isobutyl alcohol, isoamyl alcohol, tetrachloroethylene, methyl isobutyl ketone having a boiling point of 100 to 150 ° C, or diethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol mono High boiling solvents such as butyl ether acetate and triethylene glycol monobutyl ether are preferred.
なお、上述の有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩と有機溶剤が混合したゾル−ゲル液中に、反応速度及び反応形態を制御するために、加水分解の加速触媒や金属原子に配位するキレート剤を添加してもよい。 In addition, in the sol-gel liquid in which the organic metal compound, the metal alkoxide, or the organic acid salt and the organic solvent are mixed, the hydrolysis is coordinated with the catalyst or the metal atom in order to control the reaction rate and the reaction form. A chelating agent may be added.
また、上記実施の形態1及び2では、多結晶金属酸化物薄膜の結晶粒径の大きさが2種類のグループからなる結晶粒で構成された場合について説明したが、前記金属酸化物の微粉末粒子はその平均粒径の大きさが2種以上のグループからなる結晶粒を分散させてもよい。すなわち、多結晶金属酸化物薄膜は、同一元素からなる結晶粒径の平均粒径が2種以上のグループからなる結晶粒で構成されていてもよい。なお、金属酸化物の微粉末粒子の平均粒径の大きさが2種以上のグループからなる場合は、平均粒径の最も大きいグループの平均結晶粒径は、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から形成された平均粒径の最も小さいグループの平均結晶粒径の2倍以上であり、また、有機金属化合物、金属アルコキシド、または有機酸塩から形成された平均粒径の最も小さいグループの結晶粒がそれよりも平均粒径の大きいグループの結晶粒を架橋接着しており、または、前記平均粒径の最も小さいグループの結晶粒がマトリックスとなっている。 In the first and second embodiments, the case where the polycrystalline metal oxide thin film has a crystal grain size composed of crystal grains composed of two types of groups has been described. The grains may be dispersed with crystal grains composed of a group having two or more kinds of average grain sizes. That is, the polycrystalline metal oxide thin film may be composed of crystal grains composed of two or more groups having an average grain size of the same element. When the average particle size of the metal oxide fine powder particles is composed of two or more groups, the average crystal particle size of the group with the largest average particle size is an organometallic compound, metal alkoxide, or organic More than twice the average crystal grain size of the group with the smallest average grain size formed from the acid salt, and the smallest group with the average grain size formed from the organometallic compound, metal alkoxide, or organic acid salt The crystal grains cross-link and bond the crystal grains of a group having a larger average particle diameter than that, or the crystal grains of the group having the smallest average particle diameter serve as a matrix.
上記実施の形態1及び2における多結晶金属酸化物薄膜12、22が、電気的手段により電気抵抗値が変化するようにするためには、その金属酸化物がペロブスカイト型構造、イルメナイト型構造、あるいはスピネル型構造等の結晶構造を有するものが好ましく、ペロブスカイト型構造を有する場合は、強誘電体材料、超巨大磁気抵抗(CMR)材料、及び高温超伝導(HTSC)材料のうち、少なくとも1つで構成すればよく、特に、チタン酸ストロンチウムバリウム、ジルコン酸ストロンチウム、マンガン酸カルシウムプラセオジウム、コバルト酸バリウムカルシウムガドリニウムのうち、いずれかであることが好ましい。さらに、金属酸化物にはクロム、バナジウム、スカンジウムまたは他の遷移金属のうち、少なくとも一種以上の添加元素を含有していてもよい。
In order for the polycrystalline metal oxide
なお、金属酸化物がイルメナイト型構造を有する場合は、強誘電体材料であることが好ましく、マグネシウム、インジウム、スカンジウム、亜鉛、銅、鉄のうち、少なくとも一種以上の添加元素を含有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムがよい。 When the metal oxide has an ilmenite structure, it is preferably a ferroelectric material, and lithium niobate containing at least one additional element of magnesium, indium, scandium, zinc, copper, and iron. Or lithium tantalate is good.
さらに、前記金属酸化物がペロブスカイト型構造、またはイルメナイト型構造を有する場合の添加元素の濃度は、0mol%を超え10mol%以下であることが好ましい。 Further, when the metal oxide has a perovskite structure or an ilmenite structure, the concentration of the additive element is preferably more than 0 mol% and 10 mol% or less.
また、スピネル型構造を有する場合は、チタン酸マグネシウム、マグネシウム酸クロム、マグネシウム酸アルミニウム、コバルト酸鉄のうち、いずれかであることが好ましい。 Moreover, when it has a spinel type structure, it is preferably any of magnesium titanate, chromium magnesium oxide, aluminum magnesium acid, and iron cobaltate.
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る不揮発性メモリについて説明する。図3は実施の形態3に係る不揮発性メモリ30の構成を示す断面図である。
(Embodiment 3)
Next, a nonvolatile memory according to Embodiment 3 of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of the
不揮発性メモリ30は、シリコン、または表面がシリコン酸化物で被覆されたシリコン等の基板31の上に、プラチナ、銀、イリジウム等の下部電極32、及び上部電極33が形成され、この互いに対向する一対の電極間に実施の形態1あるいは実施の形態2で説明した電気的手段により電気抵抗値が変化する多結晶金属酸化物薄膜34が形成されている。
The
前記下部電極32、上部電極33及び多結晶金属酸化物薄膜34の厚みは、それぞれ10nm〜1μmが好ましく、また、シリコン酸化物の厚みは、0.1〜1μmが好ましい。
The thicknesses of the
なお、この不揮発性メモリ30の製造は、基板31の上に下部電極32を形成した後、実施の形態1あるいは2による方法で多結晶金属酸化物薄膜34を形成し、そして、その上に上部電極33を形成すればよい。
In manufacturing the
上記多結晶金属酸化物薄膜34は、下部電極32と上部電極33の間に電圧パルスあるいは電流パルスの印加、直流電圧あるいは直流電流の印加、交流電圧あるいは交流電流を印加する等により電気抵抗値が変化する。したがって、前記電気的手段により、多結晶金属酸化物薄膜34の電気抵抗値を変化させ、高抵抗状態を理論“0”に、低抵抗状態を理論“1”に関連付けることによって、デジタル情報の保存が行える。
The polycrystalline metal oxide
このように、凝集による突出部のない表面が平坦で膜厚の均一な多結晶金属酸化物薄膜により不揮発性メモリを構成することにより、高性能で、信頼性の高いマイクロスケール、ナノスケールの電子デバイスを得ることができる。 In this way, by constructing a non-volatile memory with a polycrystalline metal oxide thin film with a flat and uniform film thickness without protrusions due to aggregation, high-performance and highly reliable microscale and nanoscale electrons You can get a device.
また、不揮発性メモリを構成した場合、基板31と下部電極32の間に、チタンまたはタンタル等の密着層が形成されていることが好ましい。
When a nonvolatile memory is configured, it is preferable that an adhesion layer such as titanium or tantalum is formed between the
なお、前記チタン又はタンタル等の密着層は、基板31と多結晶金属酸化物薄膜34の拡散又は化学反応を抑制する効果も有する。
The adhesion layer such as titanium or tantalum also has an effect of suppressing diffusion or chemical reaction between the
本発明は、所望膜厚を有する均一な膜厚の多結晶金属酸化物薄膜が振動を加えるという簡便な方法で製造できるため、この多結晶金属酸化物薄膜の上に電極等を形成した不揮発性メモリ等のマイクロスケール、ナノスケールの電子デバイスに有用である。 Since the present invention can be manufactured by a simple method in which a polycrystalline metal oxide thin film having a desired thickness and a uniform thickness is subjected to vibration, a non-volatile structure in which an electrode or the like is formed on the polycrystalline metal oxide thin film It is useful for microscale and nanoscale electronic devices such as memories.
11、21、31 基板
12、22、34 多結晶金属酸化物薄膜
13、14、23、24 結晶粒
30 不揮発性メモリ
32 下部電極
33 上部電極
11, 21, 31
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