JP2005247660A - 誘電体膜形成用組成物、誘電体膜形成用組成物の製造方法ならびに誘電体膜および誘電体膜を含むキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の誘電体膜形成用組成物は、
(A)金属種AがLi、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属であり、金属種BがTi、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属であるABOx型の結晶構造を有する粒子と、
(B)金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物と、
(C)有機溶媒と、を含む。
【選択図】 なし
Description
(A)金属種AがLi、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属であり、金属種BがTi、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属であるABOx型の結晶構造を有する粒子(以下、「ABOx型の結晶構造を有する粒子」という)と、
(B)金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物と、
(C)有機溶媒と、を含む。
(a)Li、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属を含む化合物と、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む化合物とを有機溶媒に溶解して混合溶液を調整し、
(b)前記混合溶液に水を加えて加水分解・縮合反応を起し、結晶化させてABOx型の結晶構造を有する粒子分散液を形成し、
(c)前記ABOx型の結晶構造を有する粒子分散液に、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物を加えること、を含む。
本発明の誘電体膜形成用組成物は、(A)ABOx型の結晶構造を有する粒子と、(B)金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物の群から選ばれる少なくとも一種と、(C)有機溶媒とを、含む。以下に、(A)〜(C)成分のそれぞれについて説明する。
本発明の誘電体膜形成用組成物のABOx型の結晶構造を有する粒子は、ABOx型の結晶構造を有する粒子であって、金属種AがLi、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属であり、金属種BがTi、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属であるABOx型の結晶構造を有する粒子である。平均粒径100nm以下のABOx型の結晶構造を有する粒子である。金属種Aとしては、Ca,SrおよびBaが好ましく、金属種Bとしては、Ti,Zr,Hfが好ましい。
本発明の誘電体膜形成用組成物に含まれる(B)成分は、金属種Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体、金属水酸化物から選ばれる一種類以上の化合物である。
本発明の誘電体膜形成用組成物に(B)成分として含まれる金属アルコキシドは、金属原子とアルコールとが反応した化合物であり、下記一般式(1)で表される。
(式(1)中、Mは、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nb
から選択された金属を表しており、aは、金属Mの価数に応じた1〜7の整数であり、R1は、アルコールのOH基を除いた残基である。)
(式(2)中、R1は、炭素原子数1〜6の飽和または不飽和の炭化水素基、あるいは炭素原子数1〜6の、アルコキシル基で置換された炭化水素基を示す。)
の場合は、アルコールとして、たとえば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、アミルアルコール、シクロヘキサノール等を挙げることができる。
された炭化水素基の場合は、アルコールとして、たとえば、メトキシメタノール、メトキシエタノール、エトキシメタノール、エトキシエタノール、メトキシプロパノール、エトキシプロパノール、プロポキシプロパノール等を挙げることができる。
前記金属カルボキシレートは、金属原子とカルボン酸が反応した化合物であり、下記一般式(3)で表される。
(式(3)中、Mは、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nb
から選択された金属を表しており、aは、金属Mの価数に応じた1〜7の整数であり、R2は、カルボン酸のCOOH基を除いた残基である。)
(式(4)中、R2は、炭素原子数1〜10の飽和または不飽和の炭化水素基で置換された炭化水素基を示す。)
前記金属錯体は、金属原子に有機化合物が配位した化合物であり、下記一般式(5)で表される。
(式(5)中、Mは、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nb
から選ばれる金属を表しており、aは、金属Mの価数に応じた1〜7の整数であり、bは0〜7の整数、cは0〜7の整数であり、a=b+cを満たす。dは1〜7の整数である。R1は、上述したアルコールのOH基を除いた残基であり、R2は、上述したカルボン酸のCOOH基を除いた残基である。R3は、有機化合物である。)
−1)および(6−2)に示す化合物を挙げることができる。
(式(6−1)中、R4、R5は、それぞれ炭素原子数1〜10の飽和又は不飽和の炭化
水素基を示し、mは1〜4の整数である。)
(R6O)n ・・・式(6−2)
(式(6−2)中、R6は、炭素原子数1〜10のアルキレン基を示し、nは1〜3の整数である。)
(7)および(8)に示す化合物を挙げることができる。
R7(C=O)(CH2)x(C=O)R8 ・・・式(8)
(式(7)および(8)中、R7、R8は、水酸基で置換されていてもよい炭素原子数1
〜10の飽和又は不飽和の炭化水素基を示す。また式(8)中、xは1〜10の整数である。)
(式(9−1)中、R9は、水素原子、または炭素原子数1〜10の、酸素原子、水酸基、アシル基で置換されていてもよい飽和もしくは不飽和の炭化水素基を示し、R10は、炭素原子数1〜10の、アルコキシ基で置換されていてもよい飽和又は不飽和の炭化水素基を示し、yは1〜2の整数である。)
(COOR11)2 ・・・式(9−2)
(式(9−2)中、R11は炭素原子数1〜10の飽和又は不飽和の炭化水素基を示す。)
前記金属水酸化物は、金属原子と水酸化物イオンが結合した化合物であり、下記一般式(10)で表される。
(式(10)中、Mは、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選択された金属を表しており、aは、金属Mの価数に応じた1〜7の整数であり、nは、金属水酸化物の乾燥状態によって変化する結晶水の数であり1〜12の整数である。)
前記金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体を溶解する際に使用する有機溶媒としては、たとえば、アルコール系溶媒、多価アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒等を挙げることができる。
本発明の誘電体膜形成用組成物は、(A)成分であるABOx型の結晶構造を有する粒子を調整した後、調整されたABOx型の結晶構造を有する粒子の溶液に、(B)成分を添加することで得られる。
本発明の誘電体膜形成用組成物に含まれるABOx型の結晶構造を有する粒子は、ABOx型の結晶構造を有し、平均粒径が100nm以下の結晶粒子である。このABOx型の結晶構造を有する粒子は、以下の工程(a)および(b)を含む工程により調整される。
(b)前記工程(a)で調製した溶液に水を添加し、該溶液中の前駆体を加水分解・縮合して結晶粒子を得る工程と、を含む。
工程(a)では、原料として、前記ABOx型の結晶構造を有する粒子を構成する金属種Aを含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体、金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種と、前記ABOx型の結晶構造を有する粒子を構成する金属種Bを含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体から選ばれる少なくとも一種とを用い、これらを常法により有機溶媒に溶解させる。
次に、工程(a)において、調整した溶液中に水を添加することにより、溶液中の化合物(前駆体)を加水分解して結晶化を行なう。
次に、上記工程(b)により形成された結晶粒子が含有されている溶液中の不純物を除去する精製工程を行なう。上述したようにして加水分解・縮合物を結晶化させて作製した結晶粒子には、未反応の金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体(以下、単に「有機金属化合物」ともいう。)、一部加水分解・縮合された有機金属化合物、有機金属化合物が完全に加水分解・縮合されて生成する金属水酸化物、金属イオン等の不純物が含まれている。このような結晶粒子をそのまま有機溶媒中に分散させた結晶粒子分散体において、不純物における金属Aの液中濃度が1モル%よりも高濃度で存在すると、この結晶粒子分散体を用いて誘電体膜を形成した場合に、
(1)誘電体膜がイオン導電性を示し、リーク電流が増大する、
(2)誘電体膜の誘電損失が大きくなる、
等の問題が生じることがある。
溶媒とを分離することが可能であればどのような手法を用いてもよい。結晶粒子の精製方法としては、たとえば、有機溶媒を結晶粒子に加え、デカンテーションあるいは遠心分離によって該結晶粒子を沈降させて、上澄液を除去し、再度、有機溶媒を沈降した結晶粒子に加えて加熱する工程を、2〜5回繰り返す方法を用いることができる。この方法によって、結晶粒子に含まれる不純物および水分を除去し、これらの濃度を減少させることができる。また、たとえば有機溶媒を粒子に加え、半透膜を用いた透析を2〜5回繰り返すことで、含まれる不純物および水の濃度を減少させることもできる。
次に、上記工程(c)により精製された結晶粒子を有機溶媒に分散させる工程を行い、本発明の誘電体膜形成用組成物の(A)成分であるABOx型の結晶構造を有する粒子の分散液を得ることができる。
、あるいは超音波を使用した攪拌を行いながら結晶粒子を溶媒中に分散させる。
オキシエチレン縮合物(プルロニック型)、アルキルベンゼンスルフォン酸ナトリウム、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン、パーフルオロアルキル基含有オリゴマー等を使用することができる。
上述に記載の方法により、ABOx型の結晶構造を有する粒子の分散液を得た後に、(B)成分として、金属種がLi、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体、金属水酸化物から選ばれる少なくとも1種以上の化合物をABOx型の結晶構造を有する粒子の分散液に添加する。(B)成分の化合物としては、具体的には、1.2.の項で例示したものを挙げることができる。(B)成分の化合物を添加する際には、(B)成分の化合物を有機溶媒などに溶解した後に、その溶液を添加してもよい。また、(A)成分のABOx型の結晶構造を有する粒子分散液に直接添加してもよい。このとき、(B)成分の化合物を溶解させる有機溶媒としては、1.3.の項で例示したものを用いることができる。
本発明の誘電体膜は、上述の誘電体膜形成用組成物を基板に塗布し、基板上に塗布膜を形成し、これを必要に応じて乾燥すること、好ましくはさらに加熱焼成することにより形成された膜である。以下に、本発明の誘電体膜の形成方法について説明する。
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[(A)成分の調整]
(a)エチレングリコールモノメチルエーテル25.77gに、Ba(OCH2CH3)2を25.77g加えて溶解し、110℃で1時間加熱した。その後、この溶液にTi(OCH(CH3)2)4を32.21g加え、さらに110℃で1時間加熱した。生成した濃褐色の溶液にメタノール58gを添加してBa濃度0.8mmol/g、Ti濃度0.8mmol/gの混合溶液を得た。得られた混合溶液の水分濃度を、平沼微量水分測定装置 AQ−7(平沼産業株式会社)によりカールフィシャー電量滴定法にて測定したところ0.4重量%であった。
このABOx型の結晶構造を有する粒子分散液9gへ原料溶液7.22g、水0.45g、エチレングリコールモノメチルエーテル6.27g添加して混合した。これにより、実施例にかかる誘電体膜形成用組成物(1)が形成された。
[比較例1]
実施例の工程(a)を終えて得られた混合溶液を、比較例1にかかる誘電体膜形成用組成物(2)とした。
比較例にかかる誘電体膜形成用組成物として、上記実施例の工程(a)〜(d)を終えて得られたABOx型の結晶構造を有する粒子分散液を比較例2にかかる誘電体膜形成用組成物(3)とした。
[誘電体膜の形成]
熱酸化法により得られた膜厚1000nmの酸化シリコン層が表面に形成された直径6インチのシリコンウェーハ上に、スパッタリング法によって、膜厚100nmのPtからなる下部電極を形成した。ついで、前記下部電極上に、誘電体形成用組成物(1)〜(3)をスピンコータを用いて300rpmで5秒間、続いて1000rpmで20秒間回転塗布した後、80℃で1分間乾燥を行ったあと引き続き250℃で1分間乾燥を行った。この操作を3回行ったあと、750℃で60分、塗膜を加熱し焼成することで膜厚約450nmの誘電体膜(1)〜(3)を作製した。
上記誘電体膜(1)〜(3)の膜断面状態を走査電子顕微鏡FE−SEM S-4300(株式会社 日立ハイテクノロジーズ)を用いて5万倍にて観察した。その結果を、それぞれ、図3〜5に示す。この結果、実施例にかかる誘電体膜(1)は緻密な膜であることが確認された。一方、誘電体膜(2),(3)には膜中に空隙が認められ緻密性が劣っていることが確認された。
誘電体膜(1)〜(3)に、それぞれメタルマスクを介して、蒸着法により直径0.2mmの200nm膜厚のアルミニウム上部電極を形成した。誘電体膜(1)〜(3)の比誘電率、誘電損失およびリーク電流を測定した。比誘電率、誘電損失はプレシジョンLCRメータHP4284A(横河ヒューレットパッカード株式会社)を用いて測定し、リーク電流はエレクトロメータ6517A(ケースレーインスツルメンツ株式会社)で測定した。ただし、比誘電率、誘電損失の測定周波数100kHzであり、リーク電流は0.2MV/cmにおける値である。
Claims (8)
- (A)金属種AがLi、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属であり、金属種BがTi、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属であるABOx型の結晶構造を有する粒子と、
(B)金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物と、
(C)有機溶媒と、を含む、誘電体膜形成用組成物。 - 請求項1において、
前記ABOx型の結晶構造を有する粒子の平均粒径は、100nm以下である、誘電体膜形成用組成物。 - 請求項1または2において、
前記(B)成分は、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物である、誘電体膜形成用組成物。 - (a)Li、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属を含む化合物と、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む化合物とを有機溶媒に溶解して混合溶液を調整し、
(b)前記混合溶液に水を加えて加水分解・縮合反応を行い金属種AがLi、Na、Ca、Sr、Ba、Laから選ばれる一種類以上の金属であり、金属種BがTi、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属であるABOx型の結晶構造を有する粒子の分散液を形成し、
(c)前記ABOx型の結晶構造を有する粒子の分散液に、Li、Na、Ca、Sr、Ba、La、Ti、Zr、Ta、Nbから選ばれる一種類以上の金属を含む金属アルコキシド、金属カルボキシレート、金属錯体、金属水酸化物から選ばれる少なくとも一種の化合物を加えること、を含む、誘電体膜形成用組成物の製造方法。 - 請求項4において、
前記工程(b)は、ABOx型の結晶構造を有する粒子を有機溶媒で精製すること、を含む、誘電体膜形成用組成物の製造方法。 - 請求項4または5において、
前記工程(b)は、ABOx型の結晶構造を有する粒子を分離して、有機溶媒に分散させること、を含む、誘電体膜形成用組成物の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の誘電体膜形成用組成物を用いて形成された、誘電体膜。
- 請求項7に記載の誘電体膜を含む、キャパシタ。
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