JP2006073275A - Bismuth laminar compound dielectric thin film - Google Patents

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Hiroshi Funakubo
浩 舟窪
Muneyasu Suzuki
宗泰 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bismuth laminar compound dielectric thin film of which the maximum peak dielectric constant temperature is made to reduce. <P>SOLUTION: The dielectric thin film includes bismuth laminar compound comprising a crystal structure in which a perovskite block layer and a bismuth oxide layer are laminated on each other is represented by the composition formula: (Bi<SB>2</SB>O<SB>2</SB>)<SP>2+</SP>(A<SB>x</SB>B<SB>m</SB>O<SB>3m+1</SB>)<SP>2-</SP>, where the symbol A is Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca or Bi, the symbol B is Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo or W, the symbol m is a positive number of not smaller than 2 and x is a positive number of smaller than m-1. The maximum peak dielectric constant temperature T<SB>m</SB>of the requiring bismuth laminar compound is smaller than that obtained from the above composition formula in setting x=m-1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強誘電体であるビスマス層状化合物を常誘電体として利用するために極大誘電率温度を低下させたビスマス層状化合物系誘電体薄膜に関する。   The present invention relates to a bismuth layered compound dielectric thin film having a reduced maximum dielectric constant temperature in order to use a ferroelectric bismuth layered compound as a paraelectric.

電子回路の高密度化・高集積化・小型化に伴ない、コンデンサの一層の高容量化が望まれている。コンデンサを小型化しつつその高容量化を図るためには、誘電体材料の誘電率を一段と高めることが重要である。   With the increase in density, integration, and miniaturization of electronic circuits, it is desired to further increase the capacity of capacitors. In order to increase the capacity while reducing the size of the capacitor, it is important to further increase the dielectric constant of the dielectric material.

従来、高い誘電率を有し、かつ、ナノメートル(nm)オーダーの薄膜化を可能ならしめる誘電体材料として、単純ペロブスカイト酸化物が知られている。さらに、ペロブスカイト層と酸化ビスマス層の層状構造を有するビスマス層状化合物群を使用すると、膜厚の減少に伴ない誘電率が低下する「サイズ効果」を排除できることも知られている(Y. Takeshima et al., Jpn. J. Appl. Phys., 39, 5389, 2000)。このように、ビスマス層状化合物群は、サイズ効果フリー高誘電体材料としての利用が期待されている。   Conventionally, a simple perovskite oxide has been known as a dielectric material having a high dielectric constant and enabling a thin film on the order of nanometers (nm). Furthermore, it is known that the use of a bismuth layered compound group having a layered structure of a perovskite layer and a bismuth oxide layer can eliminate the “size effect” in which the dielectric constant decreases as the film thickness decreases (Y. Takeshima et al. al., Jpn. J. Appl. Phys., 39, 5389, 2000). As described above, the bismuth layered compound group is expected to be used as a size effect-free high dielectric material.

一方、ビスマス層状化合物群には、高周波数で使用した場合に、誘電損失が大きくなり、さらには誘電率が低下するという問題が懸念される。これは、ビスマス層状化合物群が強誘電体であることに起因する。強誘電体は、いわゆるキュリー温度より高い温度では常誘電相へ転移する。常誘電体にすることにより、高周波数使用における誘電損失の抑制および誘電率の向上が期待できる。しかし、ビスマス層状化合物は、キュリー温度または極大誘電率温度が、最も低いBaBiTaの場合でも100℃以上であるため、このままでは一般的な使用温度(特に、室温)においてビスマス層状化合物を常誘電体として利用することはできない。 On the other hand, when the bismuth layered compound group is used at a high frequency, there is a concern that the dielectric loss increases and the dielectric constant decreases. This is because the bismuth layered compound group is a ferroelectric substance. Ferroelectrics transition to the paraelectric phase at temperatures above the so-called Curie temperature. By using a paraelectric material, suppression of dielectric loss and improvement of the dielectric constant can be expected in the use of high frequency. However, since the bismuth layered compound has a Curie temperature or maximum dielectric constant temperature of 100 ° C. or higher even in the case of the lowest BaBi 2 Ta 2 O 9 , the bismuth layered compound remains at a general use temperature (particularly room temperature) as it is. Cannot be used as a paraelectric material.

ビスマス層状化合物の極大誘電率温度を下げる方法が、H. Matsuda et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42 (2003) L949に記載されている。この方法は、BiTi12基の物質に対してLaのようなランタノイドを添加し、またはSrやNbを置換する等、ビスマス層状化合物に別の元素を追加するものである。しかし、別の元素を追加すると、キュリー温度がブロード化することにより温度依存性が増大することとなる。この刊行物には、ビスマス層状化合物の極大誘電率温度を、別の元素を追加することなく、ペロブスカイトブロック層のいわゆるAサイト元素を欠損させることにより下げること、特に室温以下にまで下げること、については何らの記載も示唆もない。 A method for lowering the maximum dielectric constant temperature of a bismuth layered compound is described in H. Matsuda et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42 (2003) L949. In this method, a lanthanoid such as La is added to a Bi 4 Ti 3 O 12 group substance, or another element is added to the bismuth layered compound, such as replacing Sr or Nb. However, when another element is added, the temperature dependence increases due to the broadening of the Curie temperature. In this publication, the maximum dielectric constant temperature of a bismuth layered compound is lowered by eliminating a so-called A-site element in the perovskite block layer without adding another element, particularly to lower to room temperature or lower. Has no description or suggestion.

Y. Takeshima et al., Jpn. J. Appl. Phys., 39, 5389, (2000)Y. Takeshima et al., Jpn. J. Appl. Phys., 39, 5389, (2000) H. Matsuda et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42 (2003) L949H. Matsuda et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42 (2003) L949

したがって、本発明の目的は、ビスマス層状化合物を常誘電体として利用できる幅を広げるため、別の元素を追加することなく極大誘電率温度を低下させたビスマス層状化合物誘電体薄膜を提供することにある。本発明のさらなる目的は、ビスマス層状化合物を室温において、特に高周波数で使用した場合に誘電損失が最小限に抑えられるビスマス層状化合物誘電体薄膜を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a bismuth layered compound dielectric thin film in which the maximum dielectric constant temperature is reduced without adding another element in order to expand the range in which the bismuth layered compound can be used as a paraelectric. is there. It is a further object of the present invention to provide a bismuth layered compound dielectric thin film that minimizes dielectric loss when the bismuth layered compound is used at room temperature, particularly at high frequencies.

本発明によると、ペロブスカイトブロック層と酸化ビスマス層とが互いに積層した結晶構造を有するビスマス層状化合物を含んで成る誘電体薄膜であって、該ビスマス層状化合物が組成式:
(Bi2+(A3m+12-
で表され、上記組成式中、AがNa、K、Pb、Ba、Sr、CaまたはBiを表し、BがFe、Co、Cr、Ga、Ti、Nb、Ta、Sb、V、MoまたはWを表し、mが2以上の正数であり、かつ、xがm−1より小さい正数であり、そして該化合物の極大誘電率温度Tが、上記組成式においてxがm−1である対応するビスマス層状化合物の極大誘電率温度より低いことを特徴とする誘電体薄膜が提供される。
According to the present invention, there is provided a dielectric thin film comprising a bismuth layered compound having a crystal structure in which a perovskite block layer and a bismuth oxide layer are laminated with each other, wherein the bismuth layered compound has the composition formula:
(Bi 2 O 2 ) 2+ (A x B m O 3m + 1 ) 2−
In the above composition formula, A represents Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca or Bi, and B represents Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo or W. M is a positive number of 2 or more, x is a positive number smaller than m−1, and the maximum dielectric constant temperature T m of the compound is x in the above composition formula. A dielectric thin film is provided that is lower than the maximum dielectric constant temperature of the corresponding bismuth layered compound.

本発明によると、ビスマス層状化合物に別の元素を追加することなく、当該ペロブスカイトブロック層のAサイト元素を欠損させることにより極大誘電率温度を下げることができる。特に、ビスマス層状化合物の種類およびAサイト元素の欠損量を選択することにより、極大誘電率温度を室温以下にまで下げることができる。強誘電体であるビスマス層状化合物を常誘電体として利用できる温度範囲が広がるため、特に誘電損失や誘電率低下が問題となる高周波数用途において、ビスマス層状化合物を有利に使用することができる。   According to the present invention, the maximum dielectric constant temperature can be lowered by deleting the A site element of the perovskite block layer without adding another element to the bismuth layered compound. In particular, the maximum dielectric constant temperature can be lowered to room temperature or lower by selecting the type of bismuth layered compound and the amount of deficiency of the A-site element. Since the temperature range in which the bismuth layered compound, which is a ferroelectric material, can be used as a paraelectric material is widened, the bismuth layered compound can be advantageously used particularly in high frequency applications where dielectric loss and dielectric constant reduction are problematic.

本発明による、ペロブスカイトブロック層と酸化ビスマス層とが互いに積層した結晶構造を有するビスマス層状化合物を含んで成る誘電体薄膜は、該ビスマス層状化合物が組成式:
(Bi2+(A3m+12-
で表され、上記組成式中、AがNa、K、Pb、Ba、Sr、CaまたはBiを表し、BがFe、Co、Cr、Ga、Ti、Nb、Ta、Sb、V、MoまたはWを表し、mが2以上の正数であり、かつ、xがm−1より小さい正数であり、そして該化合物の極大誘電率温度Tが、上記組成式においてxがm−1である対応するビスマス層状化合物の極大誘電率温度より低いことを特徴とする。xがm−1より小さい正数であることから、本発明によるビスマス層状化合物はAサイト元素が欠損している。例えば、mが2である場合、xは1より小さい正数、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.6以下、の正数である。xの下限値は、所期のペロブスカイト構造が崩壊しない範囲で定まり、具体的組成によって異なるが、概ね0.3(Ba/Ta比で0.15)となる。
According to the present invention, a dielectric thin film comprising a bismuth layered compound having a crystal structure in which a perovskite block layer and a bismuth oxide layer are laminated with each other, the bismuth layered compound has a composition formula:
(Bi 2 O 2 ) 2+ (A x B m O 3m + 1 ) 2−
In the above composition formula, A represents Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca or Bi, and B represents Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo or W. M is a positive number of 2 or more, x is a positive number smaller than m−1, and the maximum dielectric constant temperature T m of the compound is x in the above composition formula. It is characterized by being lower than the maximum dielectric constant temperature of the corresponding bismuth layered compound. Since x is a positive number smaller than m-1, the bismuth layered compound according to the present invention is deficient in the A site element. For example, when m is 2, x is a positive number smaller than 1, preferably 0.8 or less, more preferably 0.6 or less. The lower limit value of x is determined within a range in which the desired perovskite structure is not collapsed, and is approximately 0.3 (Ba / Ta ratio is 0.15) although it varies depending on the specific composition.

mはまた、3、5、7、等の奇数であってもよい。通常、強誘電体の場合、mが奇数であるときはc軸方向に強誘電性があるため誘電体として使用することができない。しかし、本発明によると、mが奇数であっても(001)配向薄膜のc軸方向も常誘電体となるため、mが偶数である場合と同様に誘電体として有利に使用することができる。   m may also be an odd number such as 3, 5, 7, etc. Normally, in the case of a ferroelectric, when m is an odd number, it cannot be used as a dielectric because it has ferroelectricity in the c-axis direction. However, according to the present invention, even if m is an odd number, the c-axis direction of the (001) -oriented thin film is also a paraelectric material, so that it can be advantageously used as a dielectric as in the case where m is an even number. .

上記組成式においてxがm−1であるビスマス層状化合物は、当該Aサイト元素およびBサイト元素の個別具体的な組合せに応じた固有の極大誘電率温度(キュリー温度)を有する。この誘電率が極大となる温度を境に、低温側が強誘電相、そして高温側が常誘電相となる。極大誘電率温度を下げることにより、強誘電体であるビスマス層状化合物を常誘電体として使用できる用途が広がり、特に、高周波数での使用における誘電損失の抑制および誘電率の向上が期待できる。xがm−1であるビスマス層状化合物の固有極大誘電率温度は、最も低いBaBiTaの場合で約110℃である。この極大誘電率温度を室温以下にまで下げるためには、Aサイト元素を欠損させるに際し、固有極大誘電率温度が低い化合物を出発物質にすることが有利である。かかる観点から、Aサイトがバリウム(Ba)であり、かつ、Bサイトがタンタル(Ta)であるBaBiTaを採用し、そのBaをTaに対して欠損させること、すなわちBa/Ta比を下げることにより、該ビスマス層状化合物を常誘電体として使用できる温度範囲を最大限拡張することができる。特に、後述の実施例で実証したように、BaBiTaにおいてxを0.8以下、すなわちBa/Ta比を0.4以下にすることにより、極大誘電率温度Tが室温(300K)以下となる。さらにxを0.6以下、すなわちBa/Ta比を0.3以下にすることにより、誘電損失が下がりきる温度Ttanδが室温(300K)以下となる。このような組成を採用することにより、誘電損失や誘電率低下を最も有効に抑えることができ、高周波数用途の幅が広がる。このように、本発明による誘電体薄膜は、ペロブスカイトブロック層のAサイト元素を欠損させただけで(別の元素を追加することなく)極大誘電率温度を低下させ、よってビスマス層状化合物の常誘電体としての利用範囲を広げたものである。 The bismuth layered compound in which x is m-1 in the above composition formula has a specific maximum dielectric constant temperature (Curie temperature) corresponding to each specific combination of the A site element and the B site element. The low temperature side becomes the ferroelectric phase and the high temperature side becomes the paraelectric phase at the temperature at which the dielectric constant becomes maximum. By lowering the maximum dielectric constant temperature, the use of a ferroelectric bismuth layered compound as a paraelectric can be expanded, and in particular, suppression of dielectric loss and improvement of dielectric constant can be expected when used at high frequencies. The intrinsic maximum dielectric constant temperature of the bismuth layered compound in which x is m−1 is about 110 ° C. in the case of the lowest BaBi 2 Ta 2 O 9 . In order to lower the maximum dielectric constant temperature to room temperature or lower, it is advantageous to use a compound having a low intrinsic maximum dielectric constant temperature as a starting material when the A site element is lost. From this point of view, BaBi 2 Ta 2 O 9 in which the A site is barium (Ba) and the B site is tantalum (Ta) is adopted, and the Ba is deficient with respect to Ta, that is, Ba / Ta. By reducing the ratio, the temperature range in which the bismuth layered compound can be used as a paraelectric can be extended to the maximum. In particular, as demonstrated in Examples described later, in Ba x Bi 2 Ta 2 O 9 , by setting x to 0.8 or less, that is, Ba / Ta ratio to 0.4 or less, the maximum dielectric constant temperature T m is reduced. It becomes room temperature (300K) or less. Furthermore, by setting x to 0.6 or less, that is, Ba / Ta ratio to 0.3 or less, the temperature T tan δ at which the dielectric loss can be reduced becomes room temperature (300 K) or less. By adopting such a composition, dielectric loss and dielectric constant reduction can be most effectively suppressed, and the range of high frequency applications is widened. As described above, the dielectric thin film according to the present invention reduces the maximum dielectric constant temperature only by losing the A site element in the perovskite block layer (without adding another element), and thus the paraelectric of the bismuth layered compound. It expands the range of use as a body.

本発明によるビスマス層状化合物誘電体薄膜は、膜厚10nm程度の薄さまで誘電率が膜厚依存性を示さない、いわゆるサイズ効果フリー特性を有する。一方、膜厚の上限については、誘電体としての高容量化を考慮すると、200nm以下、より好ましくは100nm以下、にすることが望まれる。   The bismuth layered compound dielectric thin film according to the present invention has a so-called size effect free characteristic in which the dielectric constant does not show film thickness dependence up to a thickness of about 10 nm. On the other hand, the upper limit of the film thickness is desired to be 200 nm or less, more preferably 100 nm or less, considering the increase in capacity as a dielectric.

本発明による誘電体薄膜は、格子整合性の良好な材料の基板、例えば立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶などの(001)方位などに配向している基板の上に、真空蒸着法、高周波スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、ゾルゲル法などの各種薄膜形成法を採用して形成することができる。Aサイト元素を欠損させる方法としては、採用した薄膜形成法において、適宜、原料のターゲットや反応ガスにおける当該Aサイト元素のBサイト元素に対する組成比が下がるようにすればよい。例えば、MOCVD法を用いてAサイト元素/Bサイト元素比を低下させる方法が、H. Funakubo et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38(2B), L199 (1999) に記載されている。   The dielectric thin film according to the present invention is formed on a substrate made of a material having a good lattice matching, such as a substrate oriented in the (001) orientation such as cubic, tetragonal, orthorhombic, and monoclinic. Various thin film forming methods such as a vapor deposition method, a high frequency sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD), a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD), and a sol-gel method can be employed. As a method of losing the A site element, the composition ratio of the A site element to the B site element in the target of the raw material or the reaction gas may be appropriately reduced in the employed thin film forming method. For example, a method of reducing the A-site element / B-site element ratio using MOCVD is described in H. Funakubo et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38 (2B), L199 (1999). .

本発明による誘電体薄膜は、組成式:(Bi2+(A3m+12-で表されるビスマス層状化合物を含んでなる。一般に、ビスマス層状化合物は、(m−1)個のABOで構成されるペロブスカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層と酸化ビスマス層が交互に積み重なった層状構造を有する。本発明では、ビスマス層状化合物のc軸配向度、すなわち(001)方位への配向性、が100%であることが特に好ましいが、必ずしもc軸配向度が100%でなくてもよく、ビスマス層状化合物の、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上がc軸配向していればよい。ここで、ビスマス層状化合物のc軸配向度(F)とは、完全にランダムな配向をしている多結晶体のc軸のX線回折強度をP0とし、実際のc軸のX線回折強度をPとした場合、式:F(%)=(P−P0)/(1−P0)×100により求められる。式中のPは、(001)面からの反射強度I(001)の合計ΣI(001)と、各結晶面(hkl)からの反射強度I(hkl)の合計ΣI(hkl)との比({ΣI(001)/ΣI(hkl)})であり、P0についても同様である。但し、上記式ではc軸方向に100%配向している場合のX線回折強度Pを1としている。また、上記式より、完全にランダムな配向をしている場合(P=P0)には、F=0%であり、完全にc軸方向に配向をしている場合(P=1)には、F=100%である。なお、ビスマス層状化合物のc軸とは、一対の(Bi2+層同士を結ぶ方向、すなわち(001)方位を意味する。 The dielectric thin film according to the present invention comprises a bismuth layered compound represented by the composition formula: (Bi 2 O 2 ) 2+ (A x B m O 3m + 1 ) 2− . In general, a bismuth layered compound has a layered structure in which layered perovskite layers and bismuth oxide layers in which perovskite lattices composed of (m−1) ABO 3 are connected are alternately stacked. In the present invention, the c-axis orientation degree of the bismuth layered compound, that is, the orientation to the (001) direction is particularly preferably 100%, but the c-axis orientation degree is not necessarily 100%. Preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and still more preferably 95% or more of the compound should be c-axis oriented. Here, the degree of c-axis orientation (F) of the bismuth layered compound means that the c-axis X-ray diffraction intensity of the polycrystal having a completely random orientation is P0, and the actual c-axis X-ray diffraction intensity. Where P is determined by the formula: F (%) = (P−P0) / (1−P0) × 100. P in the formula is the ratio of the total ΣI (001) of the reflection intensity I (001) from the (001) plane and the total ΣI (hkl) of the reflection intensity I (hkl) from each crystal plane (hkl) ( {ΣI (001) / ΣI (hkl)}), and the same applies to P0. However, in the above formula, the X-ray diffraction intensity P when the orientation is 100% in the c-axis direction is 1. From the above formula, when completely random orientation (P = P0), F = 0%, and when completely oriented in the c-axis direction (P = 1) F = 100%. The c-axis of the bismuth layered compound means a direction connecting a pair of (Bi 2 O 2 ) 2+ layers, that is, a (001) orientation.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

例1:組成式(Bi2+(BaTa2-の誘電体薄膜の作製
下部電極薄膜となるSrRuOを(001)方位にエピタキシャル成長させたSrTiO単結晶基板{(001)SrRuO//(001)SrTiO}を調製した。そのSrRuO下部電極薄膜の表面に、Bi(CHおよびBa[Ta(OC(OCOCH)]を原料とし、MOCVD法により、厚さ100nmの(Bi2+(BaTa2-薄膜(誘電体薄膜)を、x=0.5および0.8(Ba/Ta比=0.25および0.4)となるように複数形成させた。Ba/Ta比の制御、すなわちxの制御は、Ba[Ta(OC(OCOCH)]原料をバブリング法で供給する際の流量を変化させることによって行った。
Example 1: Production of dielectric thin film of composition formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (Ba x Ta 2 O 7 ) 2- SrTiO 3 single crystal substrate obtained by epitaxially growing SrRuO 3 as a lower electrode thin film in the (001) direction {(001) SrRuO 3 /// (001) SrTiO 3 } was prepared. On the surface of the SrRuO 3 lower electrode thin film, Bi (CH 3 ) 3 and Ba [Ta (OC 2 H 5 ) 5 (OC 2 H 4 OCH 3 )] 2 are used as raw materials, and a thickness of 100 nm ( Bi 2 O 2 ) 2+ (Ba x Ta 2 O 7 ) 2− thin film (dielectric thin film) becomes x = 0.5 and 0.8 (Ba / Ta ratio = 0.25 and 0.4) A plurality were formed. Control of Ba / Ta ratio, that is, control of x was performed by changing the flow rate at the time of supplying Ba [Ta (OC 2 H 5 ) 5 (OC 2 H 4 OCH 3 )] 2 raw material by the bubbling method. .

得られた誘電体薄膜の結晶構造をX線回折(XRD)測定したところ、(001)方位に配向していること、すなわち基板表面に対して垂直にc軸配向していることが確認できた。   When the crystal structure of the obtained dielectric thin film was measured by X-ray diffraction (XRD), it was confirmed that it was oriented in the (001) direction, that is, c-axis oriented perpendicular to the substrate surface. .

例2
例1で作製した2つの試料(Ba/Ta=0.40、0.25)の表面に、真空蒸着法で直径100μmφのPt上部電極薄膜を形成することにより薄膜コンデンサ試料を作製した。各コンデンサ試料について誘電率の温度依存性を評価した。
誘電率は、コンデンサ試料に対し、インピーダンスアナライザー(HP4194A)を用いて、79〜600Kの温度範囲内で、測定周波数100kHz(AC20mV)の条件で測定された静電容量と、コンデンササンプルの電極寸法および電極間距離とから算出した。tanδは、上記静電容量を測定した条件と同一条件で測定し、これに伴って損失Q値を算出した。これらの結果を図1にまとめて示した。
Example 2
A thin film capacitor sample was prepared by forming a Pt upper electrode thin film with a diameter of 100 μmφ on the surfaces of the two samples (Ba / Ta = 0.40, 0.25) prepared in Example 1 by vacuum deposition. The temperature dependence of the dielectric constant was evaluated for each capacitor sample.
The dielectric constant is measured with respect to the capacitor sample by using an impedance analyzer (HP4194A) within a temperature range of 79 to 600 K under the condition of a measurement frequency of 100 kHz (AC 20 mV), the electrode size of the capacitor sample, and It calculated from the distance between electrodes. Tan δ was measured under the same conditions as those for measuring the capacitance, and the loss Q value was calculated accordingly. These results are summarized in FIG.

図1から明らかなように、2つの誘電体薄膜試料において誘電率および誘電損失の温度依存性が認められた。ここで、誘電率が極大値となる温度を極大誘電率温度Tとし、また誘電損失が下がりきる温度をTtanδとする。Ba/Ta=0.25である誘電体薄膜のTは200Kであり、Ba/Ta=0.40である誘電体薄膜のTは250Kであった。これらの極大誘電率温度TをBa/Ta比に対してプロットしたグラフを図2に示す。図2中、バルク試料はBa/Ta=0.5であり、通常のセラミック作製技術で作製したものである。Ba/Ta比の低下に伴いTも低下し、これら2つの誘電体薄膜試料がどちらも室温で常誘電体になっていることがわかる。また、Ba/Ta=0.25である誘電体薄膜のTtanδは約250Kであり、Ba/Ta=0.40である誘電体薄膜のTtanδは約350Kであった。これらのTtanδをBa/Ta比に対してプロットしたグラフを図3に示す。図3中、バルク試料はBa/Ta=0.5であり、通常のセラミック作製技術で作製したものである。Ba/Ta比の低下に伴いTtanδも低下するが、Ba/Ta=0.40の場合、常誘電体でありながらTtanδは室温より高く、誘電損失を抑えられる余地のあることがわかる。図3から、組成式(Bi2+(BaTa2-の誘電体薄膜の場合、Ba/Ta比を約0.3以下にすることにより、Ttanδが室温より低くなり、よって常誘電体のメリットを最大限引き出せることがわかる。 As is apparent from FIG. 1, the temperature dependence of dielectric constant and dielectric loss was observed in the two dielectric thin film samples. Here, the temperature at which the dielectric constant reaches a maximum value is defined as a maximum dielectric constant temperature T m, and the temperature at which the dielectric loss can be decreased is defined as T tan δ . The T m of a dielectric thin film is a Ba / Ta = 0.25 is 200K, the T m of the dielectric thin film is a Ba / Ta = 0.40 was 250K. The graph plotted against Ba / Ta ratio of these maximum dielectric constant temperature T m shown in FIG. In FIG. 2, the bulk sample has Ba / Ta = 0.5, and is produced by a normal ceramic production technique. As the Ba / Ta ratio decreases, Tm also decreases, indicating that both of these two dielectric thin film samples are paraelectric at room temperature. Further, T tan [delta of the dielectric thin film is a Ba / Ta = 0.25 is about 250K, T tan [delta of the dielectric thin film is a Ba / Ta = 0.40 was approximately 350K. A graph in which these T tan δ are plotted against the Ba / Ta ratio is shown in FIG. In FIG. 3, the bulk sample has Ba / Ta = 0.5, and is produced by a normal ceramic production technique. Although T tan δ also decreases as the Ba / Ta ratio decreases, it can be seen that when Ba / Ta = 0.40, T tan δ is higher than room temperature even though it is a paraelectric material, and there is room for suppressing dielectric loss. From FIG. 3, in the case of the dielectric thin film having the composition formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (Ba x Ta 2 O 7 ) 2− , T tan δ is increased to room temperature by setting the Ba / Ta ratio to about 0.3 or less. It can be seen that the merit of the paraelectric material can be maximized.

例3
例1で作製した2つの試料(Ba/Ta=0.40、0.25)の表面に、真空蒸着法で直径100μmφのPt上部電極薄膜を形成することにより薄膜コンデンサ試料を作製した。各コンデンサ試料について誘電率の電圧依存性を評価した。
電圧依存性は、コンデンサ試料について、特定の周波数(100kHz)下での測定電圧(印加電圧)を電界強度−1MV/cmから電界強度1MV/cmまで変化させ、特定電圧下での静電容量を各種温度で測定し、誘電率を計算した結果を図4に示した。静電容量の測定にはインピーダンスアナライザー(HP4194A)を用いた。図4に示したように、特定周波数下での測定電圧を電界強度1MV/cmまで変化させても、誘電率の値が変化しないことが確認された。特に、300Kおよび400Kで測定されたBa/Ta=0.25の常誘電体試料が電圧特性に優れていることが確認された。
Example 3
A thin film capacitor sample was prepared by forming a Pt upper electrode thin film with a diameter of 100 μmφ on the surfaces of the two samples (Ba / Ta = 0.40, 0.25) prepared in Example 1 by vacuum deposition. The voltage dependence of dielectric constant was evaluated for each capacitor sample.
The voltage dependence is that for a capacitor sample, the measurement voltage (applied voltage) under a specific frequency (100 kHz) is changed from electric field intensity −1 MV / cm to electric field intensity 1 MV / cm, and the capacitance under the specific voltage is changed. The results of measurement at various temperatures and calculation of the dielectric constant are shown in FIG. An impedance analyzer (HP4194A) was used for the measurement of capacitance. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the value of the dielectric constant did not change even when the measurement voltage under a specific frequency was changed to an electric field strength of 1 MV / cm. In particular, it was confirmed that the paraelectric sample of Ba / Ta = 0.25 measured at 300K and 400K has excellent voltage characteristics.

例4
例1で作製した2つの試料(Ba/Ta=0.40、0.25)の表面に、真空蒸着法で直径100μmφのPt上部電極薄膜を形成することにより薄膜コンデンサ試料を作製した。各コンデンサ試料について室温における誘電損失のBa/Ta組成比依存性を評価した。
誘電率は、コンデンサ試料に対し、インピーダンスアナライザー(HP4194A)を用いて、室温(25℃)、測定周波数100kHz(AC20mV)の条件で測定された静電容量と、コンデンササンプルの電極寸法および電極間距離とから算出した。tanδは、上記静電容量を測定した条件と同一条件で測定し、これに伴って損失Q値を算出した。これらの結果を図5に示した。図中、バルク試料はBa/Ta=0.5であり、通常のセラミック作製技術で作製したものである。図5から明らかなように、Ba/Ta比が0.50、0.40、0.25と小さくなるにつれて、室温における誘電損失tanδが低下する。
Example 4
A thin film capacitor sample was prepared by forming a Pt upper electrode thin film with a diameter of 100 μmφ on the surfaces of the two samples (Ba / Ta = 0.40, 0.25) prepared in Example 1 by vacuum deposition. For each capacitor sample, the Ba / Ta composition ratio dependence of dielectric loss at room temperature was evaluated.
The dielectric constant is the capacitance measured for the capacitor sample using an impedance analyzer (HP4194A) at room temperature (25 ° C.) and a measurement frequency of 100 kHz (AC 20 mV), the electrode dimensions of the capacitor sample, and the distance between the electrodes. And calculated from Tan δ was measured under the same conditions as those for measuring the capacitance, and the loss Q value was calculated accordingly. These results are shown in FIG. In the figure, the bulk sample has Ba / Ta = 0.5, and is manufactured by a normal ceramic manufacturing technique. As is clear from FIG. 5, the dielectric loss tan δ at room temperature decreases as the Ba / Ta ratio decreases to 0.50, 0.40, and 0.25.

例2のコンデンサ試料の誘電率および誘電損失の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the dielectric constant and dielectric loss of the capacitor | condenser sample of Example 2. FIG. 例2のコンデンサ試料のTのBa/Ta比依存性を示すグラフである。6 is a graph showing the Ba / Ta ratio dependency of Tm of the capacitor sample of Example 2. 例2のコンデンサ試料のTtanδのBa/Ta比依存性を示すグラフである。6 is a graph showing the Ba / Ta ratio dependence of T tan δ of the capacitor sample of Example 2. 例3のコンデンサ試料の誘電率の電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage dependence of the dielectric constant of the capacitor | condenser sample of Example 3. 例4のコンデンサ試料の室温における誘電損失の組成依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the composition dependence of the dielectric loss at the room temperature of the capacitor sample of Example 4.

Claims (8)

ペロブスカイトブロック層と酸化ビスマス層とが互いに積層した結晶構造を有するビスマス層状化合物を含んで成る誘電体薄膜であって、該ビスマス層状化合物が組成式:
(Bi2+(A3m+12-
で表され、上記組成式中、AがNa、K、Pb、Ba、Sr、CaまたはBiを表し、BがFe、Co、Cr、Ga、Ti、Nb、Ta、Sb、V、MoまたはWを表し、mが2以上の正数であり、かつ、xがm−1より小さい正数であり、そして該化合物の極大誘電率温度Tが、上記組成式においてxがm−1である対応するビスマス層状化合物の極大誘電率温度より低いことを特徴とする誘電体薄膜。
A dielectric thin film comprising a bismuth layered compound having a crystal structure in which a perovskite block layer and a bismuth oxide layer are laminated to each other, wherein the bismuth layered compound has a composition formula:
(Bi 2 O 2 ) 2+ (A x B m O 3m + 1 ) 2−
In the above composition formula, A represents Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca or Bi, and B represents Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo or W. M is a positive number of 2 or more, x is a positive number smaller than m−1, and the maximum dielectric constant temperature T m of the compound is x in the above composition formula. A dielectric thin film characterized by being lower than the maximum dielectric constant temperature of the corresponding bismuth layered compound.
上記組成式中、mが奇数である、請求項1に記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to claim 1, wherein m is an odd number in the composition formula. 上記組成式中、mが偶数である、請求項1に記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to claim 1, wherein m is an even number in the composition formula. 上記組成式中、mが2である、請求項3に記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to claim 3, wherein m is 2 in the composition formula. 上記組成式中、xが0.8以下である、請求項4に記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to claim 4, wherein x is 0.8 or less in the composition formula. 上記組成式中、xが0.6以下である、請求項4に記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to claim 4, wherein x is 0.6 or less in the composition formula. 上記組成式中、AがBaであり、かつ、BがTaである、請求項1〜6のいずれかに記載の誘電体薄膜。   The dielectric thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein A is Ba and B is Ta in the composition formula. 該極大誘電率温度Tが300K以下である、請求項7に記載の誘電体薄膜。 The dielectric thin film according to claim 7, wherein the maximum dielectric constant temperature Tm is 300K or less.
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