JP2007144686A - Electro conductive multilayered film - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the performance capability of an element such as a high performance memory, a capacity element, etc., which is used in the electronic circuit in an electronic device, especially an extremely small-sized high speed operation memory circuit or an integrated circuit operated in a high frequency region and has a combination of a dielectric and a conductive multilayered film as a basic constitution. <P>SOLUTION: A first conductor thin film 103 is constituted of the first inclined function region 131 arranged on the side of a second conductor thin film 102 and the first conductor phase 132 arranged on the side of a dielectric phase 104. The first inclined function region 131, which constitutes the first conductor thin film 103, is gradually changed at least in one state among a chemically bonded state, an atomic arrangement structural state and an electrically specific state from the side of an electrode 101 to the side of a dielectric phase 104 and has an inclination function for realizing the enhancement of lattice alignment due to buffering action and the enhancement of diffusion controllability due to barrier action. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、多種多様な電子機器内の電子回路、特に、超小型の高速動作メモリ回路や移動通信、衛星通信、及び衛星放送等の高周波領域で動作する集積回路等で用いられる、誘電体と導電多層膜の組み合わせを基本構成とする高性能メモリ・容量素子等において、素子の性能を向上させるために使用される導電多層膜に関するものである。   The present invention relates to dielectrics used in electronic circuits in a wide variety of electronic devices, in particular, ultra-compact high-speed memory circuits and integrated circuits that operate in a high-frequency region such as mobile communication, satellite communication, and satellite broadcasting. The present invention relates to a conductive multilayer film used for improving the performance of an element in a high performance memory / capacitor element having a combination of conductive multilayer films as a basic configuration.

従来まで、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)やメモリーなどから構成された高周波・高速動作(高速スイッチング動作)回路は、能動素子部と、容量素子などから構成される受動素子部とを、個別の独立した素子部として絶縁性基板を介して結合して組み立てていた。また、場合によっては、受動素子部自体も、一部の容量素子などを個別部品として結合して組み立てていた。   Conventionally, a high-frequency / high-speed operation (high-speed switching operation) circuit composed of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) or a memory has an active element part and a passive element part composed of a capacitive element. Are assembled as individual independent element parts through an insulating substrate. In some cases, the passive element section itself is assembled by combining some capacitive elements as individual components.

しかしこのような方法では、小型化や高速化が困難であり、また、組み立て位置により整合特性などの電気的特性が変化するため、一定品質の回路を歩留まり良く大量生産することが困難である。また、モノリシックに製作可能な既存の容量素子などの性能が不充分であったため、回路の設計自由度が制約を受けていた。一方、これを回避するために素子容積が大きい個別部品を代わりに使用すれば、上述の高集積化による小型化や高速及び電気特性変化の低減などが困難になると言う問題があった。   However, with such a method, it is difficult to reduce the size and speed, and the electrical characteristics such as the matching characteristics vary depending on the assembly position, so that it is difficult to mass-produce circuits with a certain quality with a high yield. In addition, the performance of existing capacitive elements that can be manufactured monolithically was inadequate, which limited the circuit design freedom. On the other hand, if individual parts having a large element volume are used instead in order to avoid this, there is a problem that it is difficult to reduce the size due to the high integration described above, to reduce the high speed and to change the electrical characteristics.

これらの問題を解決するためには、個々の素子部をモノリシックに最小限の基板上に構築することや、究極的には、いわゆるシステムオンチップと言われる高集積、高密度の集積回路を指向した素子構成を実現することが不可欠である。   In order to solve these problems, individual element parts must be monolithically constructed on a minimal substrate, or ultimately oriented toward highly integrated and high-density integrated circuits, so-called system-on-chip. It is indispensable to realize the device configuration.

基本的構成が、誘電体と導電体とから成っているメモリ・容量素子、中でも、メモリ効果を保持する不揮発性メモリ素子を考えた場合、まず、小型化や高利得化及び低消費電力化に関係する品質係数(Q)値が大きく、自己共振周波数(f)の向上に関係する高速スイッチング動作(高周波)損失が少なく、しかもキャパシタンス(静電容量:C)値が大きい誘電体の実現が必須となる。また、導電率(σ)が大きく、かつインダクタンス(L)成分が微少で、しかも誘電体の分極反転などに伴う構成成分元素欠損の補償や、誘電体を形成する際の下地基板の役割も担え得る導電薄膜の実現も必須となる。   When considering a memory / capacitance element whose basic configuration is composed of a dielectric and a conductor, especially a non-volatile memory element that retains the memory effect, the first step is to reduce size, increase gain, and reduce power consumption. It is essential to realize a dielectric with a large quality factor (Q) value, low high-speed switching operation (high frequency) loss related to the improvement of the self-resonant frequency (f), and a large capacitance (capacitance: C) value. It becomes. In addition, it has a high conductivity (σ) and a small inductance (L) component, and it can also compensate for component element deficiencies associated with polarization inversion of the dielectric, and can serve as a base substrate when forming the dielectric. Realization of a conductive thin film is also essential.

また、上述した特性のよい各薄膜を用いた上で、組み合わされた素子としては、まず、残留分極が大きく抗電界が小さいという特性や、残留磁化が大きい角形比に優れたヒステリシスを持つという特性が要求される。さらに、繰り返しパルス印加に伴う疲労特性が良好で、ヒステリシス劣化に関係するリーク電流が少なく、しかも分極生成・昇温状態でのヒステリシス特性劣化が少ない(インプリント特性が優れている)と言う性能(特性)も要求される。   In addition, after using each thin film having the above-mentioned characteristics, as a combined element, firstly, a characteristic that a remanent polarization is large and a coercive electric field is small, a characteristic that a remanent magnetization is large and a squareness ratio is excellent. Is required. In addition, the fatigue characteristics associated with repeated pulse application are good, the leakage current related to hysteresis deterioration is small, and the hysteresis characteristics deterioration is small in the polarization generation / temperature rise state (imprint characteristics are excellent) ( Characteristics) is also required.

このような性能が要求されているメモリ回路素子のメモリ機能を担う基本構成部、いわゆるキャパシタ部の小型化と大容量化は、素子の高密度・高集積化等の高性能化を実現する上で必須となる。このキャパシタの小型化と大容量化のためには、誘電体の誘電率(ε)を増大すると共に、DCバイアス特性の向上と、高耐圧化による誘電体層の薄膜化を推進する必要がある。既存の実用レベルの誘電体として、例えば、xPb(Fe2/31/3)O3(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、又はPb(Zn1/3Nb2/3y(Fe1/2Nb1/20.64-y(Fe2/31/30.363を適用し、抵抗容量積(CR積)が6000MΩ・μF[C=10〜400(μF)]、誘電損失(tanδ)が0.6%、静電容量の温度変化率が−70〜−80%程度のキャパシタが実現されている。しかしながら、この構成では、静電容量の周波数依存性や温度依存性が大きく、しかもGHzオーダーでは、静電容量が激減するばかりではなく誘電損失も著しく増大するため、安定な高特性のキャパシタを得ることは困難であった。 The basic components responsible for the memory function of memory circuit elements that require such performance, the so-called capacitor section, can be downsized and increased in capacity to realize higher performance such as higher density and higher integration of elements. Indispensable. In order to reduce the size and increase the capacity of this capacitor, it is necessary to increase the dielectric constant (ε) of the dielectric, improve the DC bias characteristics, and promote the thinning of the dielectric layer by increasing the breakdown voltage. . For example, xPb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 (1-x) Pb (Fe 1/2 Nb 1/2 ) O 3 or Pb (Zn 1/3 ) may be used as an existing practical level dielectric. Nb 2/3 ) y (Fe 1/2 Nb 1/2 ) 0.64-y (Fe 2/3 W 1/3 ) 0.36 O 3 is applied, and the resistance capacitance product (CR product) is 6000 MΩ · μF [C = 10 to 400 (μF)], a dielectric loss (tan δ) of 0.6%, and a capacitance temperature change rate of about −70 to −80% are realized. However, in this configuration, the frequency dependency and temperature dependency of the capacitance are large, and in the GHz order, not only the capacitance is drastically reduced but also the dielectric loss is remarkably increased, so that a stable high-performance capacitor is obtained. It was difficult.

特に、回路の高密度・高集積化を実現する上で、誘電体の、高周波領域での誘電率を増大することが最も肝要である。共振器を例にすれば、誘電体内部の電磁波波長は、自由空間での誘電率(ε0)の平方根に逆比例して短縮されるため、共振波長のほぼ半分を要することになる共振器のサイズは、誘電率が大きくなるほど小さくなる。一方、誘電率の増大に伴って、誘電損失が大きくなり、Q値が低下する傾向がある。また、共振器の共振周波数の温度係数は、誘電率の温度係数と熱膨張係数とは正相関関係を有する。したがって、誘電体としては、誘電率が大きく、かつ、誘電率の値が安定であり、また、誘電率の温度係数と熱膨張係数が共にできる限り小さく、かつ、これらのばらつきも小さく、加えて、GHzオーダーでの誘電的Q値が高いものが必要となる。 In particular, in order to realize high density and high integration of circuits, it is most important to increase the dielectric constant of the dielectric in the high frequency region. Taking a resonator as an example, the wavelength of an electromagnetic wave inside a dielectric is shortened in inverse proportion to the square root of the dielectric constant (ε 0 ) in free space. The size of becomes smaller as the dielectric constant increases. On the other hand, as the dielectric constant increases, the dielectric loss increases and the Q value tends to decrease. Further, the temperature coefficient of the resonance frequency of the resonator has a positive correlation between the temperature coefficient of the dielectric constant and the thermal expansion coefficient. Therefore, as a dielectric, the dielectric constant is large and the value of the dielectric constant is stable, and both the temperature coefficient and the thermal expansion coefficient of the dielectric constant are both as small as possible, and their variations are also small. A high Q value in the order of GHz is required.

例えば、2GHz以下の高周波領域に実用レベルで対応可能な既存の誘電体としては、BaO・Sm23・5TiO2やBaO−PbO−Nd23−TiO2などがあり、比誘電率(ε’)が75以上で、Q値が4000〜5000程度のものが実現されている。また、2GHz以上であれば、Ba(Zn1/3Nb2/3)O3−Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba(Ni1/3Ta2/3)O3−Ba(Zr1/3Zn1/3Ta1/3)O3、Ba(Co1/3Nb2/3)O3−Ba(Zn1/3Nb2/3)O3、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3を適用することによって、比誘電率が30程度で、Q値が10000〜35000程度のものが実現されている。しかしながら、上述のように、誘電率とQ値は相反する傾向があるため、誘電率とQ値が共に大きく、安定な高特性のキャパシタを得ることは困難であった。 For example, the existing dielectric which can cope with practical level below the high frequency region 2 GHz, include BaO · Sm 2 O 3 · 5TiO 2 or BaO-PbO-Nd 2 O 3 -TiO 2, the relative dielectric constant ( ε ′) is 75 or more and a Q value of about 4000 to 5000 is realized. Moreover, if it is 2 GHz or more, Ba (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —Ba (Zn 1/3 Ta 2/3 ) O 3 , Ba (Ni 1/3 Ta 2/3 ) O 3 − Ba (Zr 1/3 Zn 1/3 Ta 1/3 ) O 3 , Ba (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —Ba (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Ba (Mg 1 / by 3 Ta 2/3) applying O 3, relative permittivity of about 30, Q values are achieved of about 10,000 to 35,000. However, as described above, since the permittivity and the Q value tend to conflict with each other, it is difficult to obtain a stable high-performance capacitor because both the permittivity and the Q value are large.

キャパシタ部を主要部として構成されるより高度な素子であるMOSFETやメモリーなどへ適用される誘電体は、誘電率が大きく、かつ、高周波領域でも安定な特性を維持し、特性劣化などの経年変化が小さいことは当然のことながら、誘電体と隣接する導電薄膜(電極)との界面における格子整合性や拡散特性等が良好で、しかも、界面準位や固定電荷等の発生を極力抑制した、いわゆる界面特性の制御性が高いことも不可欠である。今まで、この界面特性を主体に考え、Si34やAl23、Ta25膜などの適用が検討されてはいるが、これらは比誘電率が10(〜20)以下と小さく、界面準位密度も1011cm-2eV-1程度かこれ以上と大きく、リーク電流密度も10-6Acm-2(1V)を越える誘電特性しか得られていない。加えて、これら誘電特性の経年変化による劣化も大きく、界面特性の制御性が非常に乏しい状況にあり、安定な高特性のメモリ・容量素子の実用化は極めて困難であった。 Dielectrics applied to MOSFETs and memories, which are more sophisticated elements composed mainly of capacitors, have a large dielectric constant and maintain stable characteristics even in the high frequency range, and are subject to secular changes such as characteristic deterioration. As a matter of course, the lattice matching and diffusion characteristics at the interface between the dielectric and the adjacent conductive thin film (electrode) are good, and the generation of interface states and fixed charges is suppressed as much as possible. High controllability of so-called interface characteristics is also essential. Up to now, considering this interface characteristic, application of Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 film, etc. has been studied, but these have a relative dielectric constant of 10 (˜20) or less. small, the interface state density is large as 10 11 cm -2 eV -1 degree or more, not the dielectric properties obtained only exceeding the leakage current density 10 -6 Acm -2 (1V). In addition, the deterioration of these dielectric characteristics due to secular change is large, and the controllability of the interface characteristics is very poor, and it is extremely difficult to put into practical use a stable high-performance memory / capacitor element.

より具体的な例として、将来の電子機器における主記憶装置に対して適用が期待されている、DRAM(dynamic random access memory)並の高集積化,高速動作,低消費電力,及び高信頼性を兼ね備えた不揮発性メモリの1つであるFeRAM(ferroelectrics random access memory)には、次に示すような特性が要求されている。まず、残留分極が大きく抗電界が小さく、角形比に優れたヒステリシスを持ち、1012回以上の繰り返しパルスを印加しても分極が劣化しない疲労特性が、要求されている。また、リーク電流が流れるとヒステリシスが劣化するので、リーク電流が少ない特性や、分極生成・昇温状態で保持してもヒステリシス特性がずれない優れたインプリント特性をもつことなども要求されている。 As a more specific example, high integration, high-speed operation, low power consumption, and high reliability equivalent to DRAM (dynamic random access memory), which are expected to be applied to main storage devices in future electronic devices, FeRAM (ferroelectrics random access memory), which is one of the non-volatile memories, is also required to have the following characteristics. First, there is a demand for fatigue characteristics that have a large remanent polarization, a low coercive electric field, excellent hysteresis in squareness ratio, and that do not deteriorate in polarization even when 10 12 or more repetitive pulses are applied. In addition, since the hysteresis deteriorates when leak current flows, it is also required to have characteristics such as low leak current and excellent imprint characteristics that do not shift hysteresis characteristics even when polarization is generated and kept in a heated state. .

このような特性が要求されているFeRAMに用いられる強誘電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr−Ti)O)や、ランタン含有チタン酸ジルコン酸鉛((Pb−La)(Zr−Ti)O)などが知られている。しかしながらこれらの誘電体薄膜では、電極に白金(Pt)導電多層膜を用いた場合、106回以上の繰り返しパルスが印加されると、残留分極が低下する分極疲労のために信頼性が劣化するという問題があった。この分極疲労が、後述するように、導電薄膜(電極)材料に依存して起こることが判明したことから、これを改善するために、分極疲労が生じ難い材料が検討されてきた。分極疲労が生じにくい材料としては、イリジウム(Ir)やルテニウム(Ru)から成るIr−O,Ru−O,Sr−Ru−O,(La−Sr)Co−Oなどであり、これらの導電性酸化物を用いたFeRAMが検討されてきた。しかしながら、これら導電性酸化物は、Ptに比べてリーク電流が大きく、これらの材料においても、界面特性の制御性に起因した問題(信頼性の劣化等)に帰結してしまい、実用上極めて深刻な問題があった。 Ferroelectric materials used in FeRAM that require such characteristics include lead zirconate titanate (Pb (Zr-Ti) O) and lanthanum-containing lead zirconate titanate ((Pb-La) ( Zr—Ti) O) and the like are known. However, in these dielectric thin films, when a platinum (Pt) conductive multilayer film is used as an electrode, reliability is deteriorated due to polarization fatigue that lowers remanent polarization when a repetitive pulse of 10 6 times or more is applied. There was a problem. Since this polarization fatigue has been found to occur depending on the conductive thin film (electrode) material, as will be described later, in order to improve this, materials that do not easily cause polarization fatigue have been studied. Examples of materials that are less prone to polarization fatigue include Ir—O, Ru—O, Sr—Ru—O, (La—Sr) Co—O made of iridium (Ir) and ruthenium (Ru), and their conductivity. FeRAM using an oxide has been studied. However, these conductive oxides have a larger leakage current than Pt, and even in these materials, they result in problems caused by controllability of interface characteristics (deterioration of reliability, etc.) and are extremely serious in practical use. There was a serious problem.

このように、電子回路素子を念頭において考慮した場合、回路特性に決定的な影響を与える誘電体と導電薄膜との界面特性を高度に制御することが、素子特性の向上及び安定性確保の上で不可欠であるにも拘わらず、相反する相関を呈する誘電率とQ値を同時に満足することができる誘電体は、膜の形成自体が容易ではなく、まして、その界面特性の制御は、非常に困難な状況にある。従って、界面特性が良好とされた誘電他薄膜を用い、安定な高特性のメモリ・容量素子を実現することは困難であった。   In this way, when electronic circuit elements are considered in mind, it is necessary to highly control the interface characteristics between the dielectric and the conductive thin film that have a decisive influence on the circuit characteristics in order to improve the element characteristics and ensure stability. In spite of being indispensable, a dielectric that can simultaneously satisfy both a dielectric constant and a Q value that exhibit opposite correlations is not easy to form a film. It is a difficult situation. Accordingly, it has been difficult to realize a stable and high-performance memory / capacitance element using a dielectric thin film having good interface characteristics.

上述のことは、界面を構成するもう一方の側である導電体(電極)に主眼を置いて考えれば、取りも直さず、界面特性が良好、かつ、安定な高性能の電気特性等を実現する導電体の実現が、極めて困難であったと言い換えることができる。従って、界面が導電薄膜の構成要素と考え、以下、界面を含めたものを導電体と定義し、以下に、界面特性についてより詳しく考察する。また、導電体を多層膜化した導電多層膜を電極として用いる場合、多層膜を構成する各導電体(層)膜間の層(相)界面が、上述する界面と同等の影響(作用・効果)を有する。従って、以下では、導電多層膜を構成する各導電体(層)膜間の層(相)界面も、上述した界面に含める。   As for the above, if the focus is placed on the conductor (electrode) on the other side of the interface, it will not be reworked, and the interface characteristics will be good and stable high-performance electrical characteristics will be realized. In other words, it can be said that it has been extremely difficult to realize the conductor. Accordingly, the interface is considered as a constituent element of the conductive thin film, and hereinafter, the interface including the interface is defined as a conductor, and the interface characteristics are discussed in more detail below. In addition, when a conductive multilayer film in which a conductor is made into a multilayer film is used as an electrode, the layer (phase) interface between each conductor (layer) film constituting the multilayer film has the same influence (action / effect) as the above-described interface. ). Therefore, hereinafter, the layer (phase) interface between each conductor (layer) film constituting the conductive multilayer film is also included in the above-described interface.

界面特性の制御方法として、界面近傍にバッファ層(相)やバリア層(相)と呼ばれる、格子整合性や拡散制御性、電子トンネリング制御性(ポテンシャル−バリア−ハイト−エネルギー制御性)などの向上を目的に、多層(膜)化する手法が検討されている。しかしながら、これらの手法は、新たに、電気特性的または化学結合的または原子配列構造的に急峻な層(相)界面を形成することになるため、何ら本質的な解決手段とは成り得ていない。例えば、導電多層膜を構成する1つの導電体(層)膜として、バッファ(緩衝)効果やバリア(遮蔽)効果は高いが、誘電率または導電率が小さい層(相)を、高誘電率の誘電体と、通常の導電率が大きい導電体(層)膜との界面に挿入した場合、挿入した導電体膜との間に新たな界面が形成されることになる。この結果、電気特性的にインダクタンス成分が増大することになり、挿入された層(相)の近傍において、空間電荷分極等が主体となる誘電分極などによって電気的中性が崩れるために電荷が発現することとなり、素子全体としての静電容量は、高誘電率の誘電体膜で期待される静電容量に比べて大きく減少すると共に、キャリア(電荷)移動度も低下することになる。   As interface property control methods, called buffer layer (phase) or barrier layer (phase) in the vicinity of the interface, improved lattice matching, diffusion controllability, electron tunneling controllability (potential-barrier-height-energy controllability), etc. For this purpose, a technique for forming a multilayer (film) has been studied. However, since these methods newly form a layer (phase) interface that is steep in terms of electrical characteristics, chemical bonding, or atomic arrangement, it cannot be an essential solution. . For example, as a single conductor (layer) film constituting a conductive multilayer film, a layer (phase) having a high dielectric constant or a low electrical conductivity but having a high buffer (buffering) effect and a barrier (shielding) effect is used. When it is inserted at the interface between the dielectric and a conductor (layer) film having a high electrical conductivity, a new interface is formed between the inserted conductor film. As a result, the inductance component increases in terms of electrical characteristics, and the electric neutrality is lost in the vicinity of the inserted layer (phase) due to the electrical neutralization due to the dielectric polarization mainly consisting of space charge polarization. As a result, the capacitance of the entire device is greatly reduced as compared with the capacitance expected for a dielectric film having a high dielectric constant, and the carrier (charge) mobility is also lowered.

ここで、界面特性(の制御性)に関する従来状況をより明確にするため、誘電体と導電多層膜とを、個別に材料的観点から見た場合の現状と課題について、以下、概説する。   Here, in order to clarify the conventional situation regarding the interface characteristics (controllability thereof), the current situation and problems when the dielectric and the conductive multilayer film are individually viewed from the material viewpoint will be outlined below.

始めに、誘電体について述べる。前述したように、相反する相関を呈する誘電率とQ値とを、同時に満足することができる誘電体は、形成すること自体が容易ではない。また、特に、強誘電体では、構造相転移温度に相当するキュリー点以下で自発分極(Ps)し、誘電率はキュリー点(BaTiO3では、約120℃)近傍で発散する傾向がある。なお自発分極は、双極子相互作用が発生起源となっており、適当な(数十)結晶格子以上の結晶性の確保が必要と考えられている。誘電体全体としての巨視的な誘電分極は、強誘電的分域(ドメイン:双極子の配向方向が同方向に整列している状態で、クラスターの場合もある)の集合によって発現するもので、ドメインのサイズと数は、静電エネルギーと、分域(界面)壁を形成・維持するのに必要なエネルギーとの兼ね合いで決定される。 First, the dielectric will be described. As described above, it is not easy to form a dielectric that can simultaneously satisfy the dielectric constant and the Q value exhibiting opposite correlations. In particular, in a ferroelectric, spontaneous polarization (Ps) occurs below the Curie point corresponding to the structural phase transition temperature, and the dielectric constant tends to diverge near the Curie point (about 120 ° C. for BaTiO 3 ). Spontaneous polarization is caused by dipole interaction, and it is considered necessary to ensure crystallinity of an appropriate (several tens) crystal lattice. Macroscopic dielectric polarization as a whole dielectric material is manifested by a set of ferroelectric domains (domain: the dipoles are aligned in the same direction and may be clusters). The size and number of domains is determined by a trade-off between electrostatic energy and the energy required to form and maintain domain (interface) walls.

加えて、強誘電体では、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3のような秩序イオン配列の複合ペロブスカイト構造や、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3及びPb(Zn1/3Nb2/3)O3のような無秩序イオン配列の複合ペロブスカイト構造などの、酸化物結晶構造等の違いにより誘電分極の様相は著しく異なる。特に後者の構造の誘電体は、ペロブスカイトセル(胞)の低対称の歪みが、各セルに複数の浅いポテンシャル極小点を発生させる、いわゆる「Skanavi」型の誘電緩和機構と、強誘電的な相転移機構とが複合された緩和型誘電性を呈し、相転移は非常に緩慢となる。これら強誘電体の誘電率は、周波数依存性が強いものの誘電率自体は大きく、かつ、温度依存性は小さい。また、電界印加によって微細なドメインが比較的容易に分極されるため、上記強誘電体では、電界誘起歪みも大きい傾向が認められる。 In addition, in a ferroelectric, a complex perovskite structure such as Ba (Mg 1/3 Ta 2/3 ) O 3 , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and Pb (Zn) The aspect of dielectric polarization differs significantly depending on the oxide crystal structure and the like, such as a complex perovskite structure of disordered ion arrangement such as 1/3 Nb 2/3 ) O 3 . In particular, the dielectric of the latter structure has a so-called “Skanavi” type dielectric relaxation mechanism in which a low symmetric strain of a perovskite cell (cell) generates a plurality of shallow potential minimum points in each cell, and a ferroelectric phase. It exhibits a relaxed dielectric property combined with a transition mechanism, and the phase transition becomes very slow. The dielectric constants of these ferroelectrics are strong in frequency dependence, but the dielectric constant itself is large and the temperature dependence is small. In addition, since the fine domains are polarized relatively easily by applying an electric field, the ferroelectrics tend to have a large electric field induced strain.

さらに、強誘電体の多くが反磁性イオンによって構成され、一方、酸化物磁性体の多くは、非極性結晶対称性を有しているために強誘電性の出現を困難にしており、両特性は共存し難いものではあるが、Pb2+またはBi3+を含んだ[無秩序(不規則)イオン配列型]ペロブスカイト酸化物の一部では、両特性の共存が認められるものもある。 In addition, many of the ferroelectrics are composed of diamagnetic ions, while many of the oxide magnetics have a nonpolar crystal symmetry, making it difficult for the appearance of ferroelectricity. Although it is difficult to coexist, some of the [disordered (disordered) ion arrangement type] perovskite oxides containing Pb 2+ or Bi 3+ have coexistence of both characteristics.

このように、誘電体は,状態によって多種多様な特性を呈し、非常に複雑性に富んでいる。現在、高誘電率の誘電体としては、Si34、Al23、Hfo2−SiO2、Sc23、ZrO2−SiO2、Y23、Gd23、2La23−3SiO2、Gd23−SiO2、La23、Ta25、ZrO2、LaAlO3、ZrTiO4、HfO2、SrZrO3、Hf0.2Sn0.05Ti0.752、Zr0.2Sn0.2Ti0.62、TiO2、SrBi2Ta29、SrTiO3、(BaxSr1-x)TiO3、Pb(ZryTi1-y)O3、SrBi(TaNb)、Bi2SiO5、Bi4Ti312、(BiLa)Ti312、(BiLa)(TiV)Oなど知られている。しかしながら、これらの材料は、前述したような、構造・材料特性上の複雑性を内包している。 As described above, the dielectric exhibits various characteristics depending on the state and is very complicated. Currently, dielectrics having a high dielectric constant include Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , Hfo 2 —SiO 2 , Sc 2 O 3 , ZrO 2 —SiO 2 , Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , 2La 2. O 3 -3SiO 2 , Gd 2 O 3 —SiO 2 , La 2 O 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , LaAlO 3 , ZrTiO 4 , HfO 2 , SrZrO 3 , Hf 0.2 Sn 0.05 Ti 0.75 O 2 , Zr 0.2 sn 0.2 Ti 0.6 O 2, TiO 2, SrBi 2 Ta 2 O 9, SrTiO 3, (Ba x Sr 1-x) TiO 3, Pb (Zr y Ti 1-y) O 3, SrBi (TaNb), Bi 2 SiO 5 , Bi 4 Ti 3 O 12 , (BiLa) Ti 3 O 12 , (BiLa) (TiV) O and the like are known. However, these materials contain the structural and material characteristics as described above.

加えて、これらの材料は、化学量論的な組成よりずれた不定比化合物を形成し、また、様々な欠陥を内在し、あるいは混晶の形態を取るなど、非常に複雑な特性を有している。また、電子回路素子を構成するため、いわゆる下部電極と称される下地基板となる導電多層膜の上に、再現性・信頼性良く所要の性能の誘電体(薄膜)を形成すること自体にも、非常に高度な技術を要するため、実用的な形成技術の開発も大きな課題となっている。   In addition, these materials have very complex properties such as forming non-stoichiometric compounds that deviate from stoichiometric composition, including various defects or taking the form of mixed crystals. ing. In addition, in order to constitute an electronic circuit element, the formation of a dielectric (thin film) having a required performance with high reproducibility and reliability on a conductive multilayer film as a base substrate called a so-called lower electrode itself. Since a very advanced technique is required, the development of a practical formation technique is also a big issue.

一方、導電多層膜としては、高い導電率を備えていることは言うまでもなく、高融点で耐酸化性に優れ、かつ、平坦性が良いことが必須である。言い換えると、前述したように、誘電体として有望な酸化物高・強誘電体の薄膜を考えた場合、この誘電体薄膜の形成や形成後の酸素を含む雰囲気中での高温(例えば、約600〜800℃)の熱処理に耐え、かつ、誘電体からの酸素拡散を抑制(バリア)することができ、しかも、誘電体との密着性も良く、凹凸(ヒロック)の無い良好な隣接界面が提供できる特性を有している必要がある。   On the other hand, it is essential for the conductive multilayer film to have high conductivity, high melting point, excellent oxidation resistance, and good flatness. In other words, as described above, when considering a high oxide / ferroelectric thin film that is promising as a dielectric, formation of the dielectric thin film and a high temperature in an atmosphere containing oxygen after the formation (for example, about 600 It can withstand heat treatment (up to 800 ° C) and can suppress (barrier) oxygen diffusion from the dielectric. Moreover, it has good adhesion to the dielectric and provides a good adjacent interface without irregularities (hillocks). It must have the characteristics that can be done.

従来まで利用されてきたメモリ素子用の導電多層膜材料としては、高温酸化雰囲気下での化学反応耐性を期待したPtや他の貴金属がある。しかしながら、例えばPtは、高温熱処理下での酸素の拡散係数が大きく、誘電体の組成変化を引き起こすばかりでなく、隣接する層を酸化し、密着性の低下と熱応力の発現に起因した膜剥離とヒロック形成を引き起こすなどの問題がある。また、メモリ素子の高集積化のために、半導体トランジスタと強誘電体メモリキャパシタとをポリシリコンなどのプラグで接続するスタックセル構造を考えた場合、前述した酸素拡散により、プラグのポリシリコンなどが酸化されてしまうため、前述の剥離等と相挨って、結果的に素子回路の導電性が低下し、場合によっては電気的接続が維持できなくなってしまうと言う大きな問題があった。   Conventionally used conductive multilayer film materials for memory elements include Pt and other noble metals that are expected to have chemical reaction resistance in a high-temperature oxidizing atmosphere. However, Pt, for example, has a large diffusion coefficient of oxygen under high-temperature heat treatment, which not only causes a change in the composition of the dielectric, but also oxidizes adjacent layers, resulting in film peeling due to reduced adhesion and the development of thermal stress. There are problems such as causing hillock formation. In addition, when considering a stack cell structure in which a semiconductor transistor and a ferroelectric memory capacitor are connected by a plug such as polysilicon for high integration of a memory element, the plug polysilicon or the like is caused by oxygen diffusion described above. Since it is oxidized, there is a serious problem that the conductivity of the element circuit is reduced as a result of the above-described peeling or the like, and the electrical connection cannot be maintained in some cases.

このような貴金属の使用に関連した拡散,密着性,及び導電性の低下と言った問題に対する改良の試みとして、Ti、TiO2、及びTiN層(相)を貴金属に隣接配置した導電多層膜構成が提案されている。これらの構成とすることにより、例えば、Pt膜の上にあるTi層によってPt膜で発現する応力を低下し、ヒロック形成が抑制されるようになる。しかしながら、Ti層による酸素拡散の抑制は、一般的に約600℃以下の熱処理温度でのみ効果的であり、前述したような約600℃以上での高温の熱処理には耐えられない。600℃を超える高温処理では、場合によっては、TiやTiN層が前述した酸素拡散により酸化され、新たな膜剥離とヒロック形成を引き起こすようになり、極めて深刻な問題となる。 As an attempt to improve such problems as diffusion, adhesion, and decrease in conductivity related to the use of such a noble metal, a conductive multilayer film structure in which Ti, TiO 2 , and TiN layers (phases) are arranged adjacent to the noble metal. Has been proposed. By adopting these configurations, for example, the stress expressed in the Pt film is reduced by the Ti layer on the Pt film, and hillock formation is suppressed. However, suppression of oxygen diffusion by the Ti layer is generally effective only at a heat treatment temperature of about 600 ° C. or less, and cannot withstand the high temperature heat treatment at about 600 ° C. or more as described above. In a high temperature treatment exceeding 600 ° C., in some cases, the Ti or TiN layer is oxidized by the oxygen diffusion described above, causing new film peeling and hillock formation, which is a very serious problem.

このような貴金属に代えて、高温下での化学的安定性を有するIrやRu,Zr,Nb,Hf,Ta,及び、これらとMgやAl,Si,Co,Ni,Cu,Sr,Y,Ba,La,及びPbと、その酸化・窒化物との化合物、例えば、Ir−OやRu−O、Ir−Al−O、Ir−Ti−O、Ir−Zr−O、Ir−Nb−O、Ir−Hf−O、Ir−Ta−O、AlN、Ti−Al、ZrN、NbN、HfN、TaN、Sr−Ru−O、(La−Sr)Co−O、La−Ni−O、Pb(Mg−Nb)Ti−O、Pb(Zr−Ti)O、HfSiN、TaSiN、Y−Ba−Cu−O等の導電性酸化・窒化物を適用することも行われてきた。   Instead of such noble metals, Ir, Ru, Zr, Nb, Hf, Ta, which have chemical stability at high temperatures, and these, and Mg, Al, Si, Co, Ni, Cu, Sr, Y, Compounds of Ba, La, and Pb and their oxides and nitrides, such as Ir—O, Ru—O, Ir—Al—O, Ir—Ti—O, Ir—Zr—O, Ir—Nb—O Ir-Hf-O, Ir-Ta-O, AlN, Ti-Al, ZrN, NbN, HfN, TaN, Sr-Ru-O, (La-Sr) Co-O, La-Ni-O, Pb ( Conductive oxide / nitrides such as Mg—Nb) Ti—O, Pb (Zr—Ti) O, HfSiN, TaSiN, Y—Ba—Cu—O have been applied.

例えば、IrやRuは、Ptよりも酸素の拡散に対して耐性があり、また仮に酸化した場合でも、Ir−OやRu−Oは導電性を保つ。同時にこれらは、分極反転などによって導電多層膜(電極)近傍に発現する酸素欠陥に対して酸素を補給する性質を有するため、欠陥の蓄積を緩和して(分極)疲労を抑制すると言う効果も有している。加えて、これらの材料は、強誘電体に含まれることが多いPbなどに対する拡散バリヤ性にも優れていることなどから、有望な導電多層膜材料と考えられている。このように導電性酸化物は、強誘電体材料の酸素欠損を防止し、強誘電体膜の疲労特性を改善できる可能性を有してはいるが、前述したように、Ptと比較すると、急峻な界面状態に起因した欠陥や相対的に小さいポテンシャルバリアハイトエネルギーなどにより、リーク電流が多いという問題がある。   For example, Ir and Ru are more resistant to oxygen diffusion than Pt, and Ir—O and Ru—O maintain conductivity even when oxidized. At the same time, these have the property of replenishing oxygen to oxygen defects that appear near the conductive multilayer film (electrode) by polarization reversal, etc., and therefore have the effect of reducing the accumulation of defects and suppressing fatigue. is doing. In addition, these materials are considered to be promising conductive multilayer film materials because of their excellent diffusion barrier properties against Pb and the like, which are often contained in ferroelectric materials. Thus, although the conductive oxide has the potential to prevent oxygen deficiency of the ferroelectric material and improve the fatigue characteristics of the ferroelectric film, as described above, when compared with Pt, There is a problem that the leakage current is large due to defects caused by the steep interface state and relatively small potential barrier height energy.

また、上述した材料は、エッチングし難い材質であることから、デバイス製造プロセスでのパターニングの都合で、他の層と同時にエッチングできるようにするために薄膜化すると、結果的にさらにリーク電流が増大することになってしまうと言う問題があった。なお、このリーク電流を抑えるため、Tiなどの層をバリアとしてこれらに隣接配置する構成も考えられたが、IrやRuとTiなどとは、前述したような高温の熱処理によって反応する可能性があり、高性能なメモリ・容量素子を実現するする上での最大の課題が、前述した界面特性の向上化問題に帰結すると言う、大きな問題があった。   In addition, since the above-described materials are difficult to etch, if a thin film is formed so that it can be etched simultaneously with other layers for the convenience of patterning in the device manufacturing process, the leakage current further increases as a result. There was a problem that would end up. In order to suppress this leakage current, a configuration in which a layer of Ti or the like is used as a barrier is also conceivable. However, Ir, Ru, Ti, and the like may react with a high-temperature heat treatment as described above. There is a big problem that the biggest problem in realizing a high-performance memory / capacitance element is that it results in the problem of improving the interface characteristics described above.

以上述べたように、誘電体、特に高誘電率の誘電体(高・強誘電体)を用いた高性能メモリ・容量素子等を実用化するためには、導電多層膜の界面特性の制御性の向上と、誘電体及び導電多層膜の形成技術の高度化が必須であるが、現時点で最も重要な課題は、前者の導電多層膜の界面特性の制御性向上である。高誘電体材料を用いたデバイス化を考えた場合、界面特性の制御性向上が解決されない限り、誘電体の性能を有効に引き出し、最大限に利用することが不可能である。特に、誘電体や導電多層膜の薄膜化及びスイッチング動作の高速化や使用周波数の高周波化などが進むほど、界面特性の制御性の向上は、益々重要となるのは自明のことである。   As described above, in order to put into practical use high-performance memories and capacitive elements using dielectrics, especially high-permittivity dielectrics (high-ferroelectrics), the controllability of the interface characteristics of the conductive multilayer film However, the most important issue at present is to improve the controllability of the interface properties of the former conductive multilayer film. Considering device development using a high-dielectric material, unless the improvement in controllability of the interface characteristics is solved, it is impossible to extract the performance of the dielectric effectively and make the maximum use. In particular, it is obvious that the improvement of the controllability of the interface characteristics becomes more and more important as the dielectric and the conductive multilayer film become thinner, the switching operation speeds up and the operating frequency becomes higher.

しかしながら、前述したように、従来の技術では、界面特性の制御性を充分に実現した例がなく、電気特性的または化学結合的または原子配列構造的に急峻な層(相)界面の形成による弊害のために、安定な高特性を有するメモリ・容量素子の実用化は極めて困難であった。すなわち、急峻変化界面に基因した影響により、素子の誘電損失やリーク電流などを含む全体のエネルギー損失及び特性劣化(経年変化)は、非常に大きいものとなっており、より高速・高周波化が進めば進む程、この影響は顕著になるため、低エネルギーで特性劣化が少なく、所要の電子回路特性を達成できる、高性能メモリ・容量素子等のデバイスを実現することは非常に困難であった。   However, as described above, there is no example in which the controllability of the interface characteristics is sufficiently realized in the conventional technology, and the adverse effect due to the formation of a layer (phase) interface that is steep in electrical characteristics, chemical bonding, or atomic arrangement structure. Therefore, it has been extremely difficult to put into practical use a memory / capacitance element having stable high characteristics. In other words, due to the influence caused by the steeply changing interface, the overall energy loss and characteristic degradation (aging) including dielectric loss and leakage current of the element are very large, and higher speed and higher frequency are promoted. As the process progresses, this effect becomes more conspicuous. Therefore, it has been very difficult to realize a device such as a high-performance memory / capacitance element that can achieve the required electronic circuit characteristics with low energy and little characteristic deterioration.

特開昭54−148263号公報JP 54-148263 A 特開昭56−156688号公報JP 56-156688 A 特開昭58−015208号公報JP 58-015208 A 特開昭61−256702号公報JP 61-256702 A 特開昭63−194309号公報JP-A-63-194309 特開昭64−001206号公報JP-A 64-001206 特開平1−273305号公報JP-A-1-273305

上述したように、従来の技術では、メモリや容量素子を構成している誘電体と導電多層膜の端部、より具体的な例で言えば、導電薄膜(電極)と誘電体との界面、または、導電薄膜に含まれるバッファ層(相)やバリア層(相)との界面で、電気特性的または化学結合的または原子配列構造的に急峻な層(相)界面の形成に起因または関連し、格子整合性や拡散制御性、電子トンネリング制御性等の不充分さや、界面準位や固定電荷、構成成分元素欠損等の欠陥発生などの、界面特性の制御性低下によって、素子の誘電損失やリーク電流等を含む全体のエネルギー損失、及び、特性劣化(経年変化)を増大する結果となっていた。   As described above, in the prior art, the dielectric and the end of the conductive multilayer film constituting the memory and the capacitive element, more specifically, the interface between the conductive thin film (electrode) and the dielectric, Or due to or related to the formation of a sharp interface (phase) in terms of electrical characteristics, chemical bonding, or atomic arrangement at the interface with the buffer layer (phase) or barrier layer (phase) contained in the conductive thin film Insufficient lattice matching, diffusion controllability, electron tunneling controllability, etc., interface state, fixed charge, defects such as defects in constituent elements, etc. As a result, overall energy loss including leakage current and the like, and characteristic deterioration (aging) are increased.

場合によっては、急峻に変化する界面の近傍において、空間電荷分極などが主体となる誘電分極などによって電気的中性が崩れるために電荷が発現し、この結果、全体としてのキャパシタンス(静電容量)が、誘電体本来の固有の(真性)誘電率から期待される静電容量に比べて低下すると共に、キャリア(電荷)移動度も低下させるなどの弊害も生じ、安定な高特性を有する素子の実用化が極めて困難であった。   In some cases, electric charge is generated in the vicinity of a sharply changing interface due to the loss of electrical neutrality due to dielectric polarization mainly composed of space charge polarization, and as a result, the overall capacitance (capacitance). However, since the intrinsic (intrinsic) dielectric constant inherent in the dielectric is lower than the expected capacitance, it also causes adverse effects such as lowering carrier (charge) mobility, resulting in a stable high-performance element. The practical application was extremely difficult.

このように、電子機器内の電子回路、特に、超小型の高速動作メモリ回路や高周波領域で動作する集積回路等で用いられる、誘電体と導電多層膜の組み合わせを基本構成とする高性能メモリ・容量素子などにおける従来の導電多層膜では、不充分な特性しか得られず、実用に供することが困難であった。このため、従来技術では、エネルギー損失と特性劣化が小さく、所要の安定した性能を有する小型・高性能なメモリ・容量素子等のデバイスを実現することが極めて困難であった。   In this way, high-performance memory based on a combination of dielectric and conductive multilayer film, which is used in electronic circuits in electronic devices, especially in ultra-compact high-speed memory circuits and integrated circuits that operate in high-frequency regions, etc. In the conventional conductive multilayer film in a capacitor element or the like, only insufficient characteristics are obtained and it is difficult to put it to practical use. For this reason, in the prior art, it has been extremely difficult to realize a device such as a small and high performance memory / capacitance element having a small and stable energy loss and characteristic deterioration and a required stable performance.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電子機器内の電子回路、特に、超小型の高速動作メモリ回路や高周波領域で動作する集積回路等で用いられる、誘電体と導電多層膜の組み合わせを基本構成とする高性能メモリ・容量素子などにおいて、素子の性能の向上を可能とする導電多層膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and is used in an electronic circuit in an electronic device, in particular, an ultra-compact high-speed memory circuit or an integrated circuit operating in a high-frequency region. An object of the present invention is to provide a conductive multilayer film capable of improving the performance of a high-performance memory / capacitor element or the like having a combination of a dielectric and a conductive multilayer film as a basic configuration.

本発明に係る導電多層膜は、導電性を有する第1導電体相と、この第1導電体相に接して配置された導電性を有する第2導電体相とから構成された導電多層膜であって、第1導電体相は、電荷の分布の状態,化学結合的な状態,及び原子配列構造的な状態の少なくとも1つの状態が、第1導電体相の厚さ方向に変化した傾斜機能領域を、第2導電体相の側に備えるようにしたものである。上記傾斜機能領域は、原子対相関距離の値が第1導電体相の厚さ方向に変化しているものであればよい。また、傾斜機能領域は、電荷の移動に対する障壁エネルギー値が第1導電体相の厚さ方向に変化しているものであればよい。また、傾斜機能領域は、電荷の準安定的なサイトとなる準位の密度が第1導電体相の厚さ方向に変化しているものであればよい。また、傾斜機能領域は、ケミカルシフト及び電気陰性度を含む化学結合状態の指標となる量が第1導電体相の厚さ方向に変化しているものであればよい。また、傾斜機能領域は、原子の配列分布が第1導電体相の厚さ方向に変化しているものであればよい。   The conductive multilayer film according to the present invention is a conductive multilayer film composed of a first conductive phase having conductivity and a second conductive phase having conductivity arranged in contact with the first conductive phase. The first conductor phase has a gradient function in which at least one of a charge distribution state, a chemical bond state, and an atomic arrangement structure state is changed in the thickness direction of the first conductor phase. The region is provided on the second conductor phase side. The gradient functional region may be any region as long as the value of the atom-pair correlation distance changes in the thickness direction of the first conductor phase. Further, the gradient functional region may be any region as long as the barrier energy value against the movement of the charge is changed in the thickness direction of the first conductor phase. Further, the functionally graded region only needs to have a density where the level that becomes a metastable site of charge changes in the thickness direction of the first conductor phase. In addition, the gradient functional region only needs to have an amount that is an indicator of a chemical bonding state including chemical shift and electronegativity changing in the thickness direction of the first conductor phase. In addition, the functionally gradient region may be any region in which the atomic arrangement distribution changes in the thickness direction of the first conductor phase.

上述した請求項1及び請求項8〜12に記載したような電子回路用導電多層膜の構造とすることで、導電多層膜の、所要の導電体相又は導電体相の集合体領域を、電気特性的または化学結合的または原子配列構造的に、急峻ではなく、徐々に連続して変化する特性・作用、いわゆる傾斜化した機能(傾斜機能)を有する領域(傾斜機能領域)にすることが可能になる。これによって、急峻な相界面を有する異相間の界面近傍でより顕著になる格子整合歪みや、界面準位、固定電荷等の欠陥発生などの影響の低減を図りながら、上記傾斜機能領域を所要の特性を有する状態にすることにより、誘電体や導電多層膜の薄層化、及び、スイッチング動作の高速化や使用周波数の高周波化によって発現する誘電損失やリーク電流等を含む全体のエネルギー損失、及び、特性劣化(経年変化)を可能か限り低減(低エネルギー化及び高信頼化)しながら、傾斜機能領域の特性、例えば、前述した拡散制御性などの向上や、空間電荷分極の軽減等の機能効果を重畳することにより、誘電特性や信頼性等を飛躍的に改善したメモリ・容量素子などの高機能素子を実現できる効果がある。   With the structure of the conductive multilayer film for an electronic circuit as described in claim 1 and claims 8 to 12 described above, the required conductor phase or the aggregate region of the conductor phase of the conductive multilayer film can be electrically connected. Characteristic, chemical bonding, or atomic arrangement structure is not steep, and can be a region (gradient function region) that has a so-called gradient function (gradient function) that changes gradually and continuously. become. This makes it possible to reduce the influence of the lattice matching distortion that becomes more prominent near the interface between different phases having a steep phase interface, the occurrence of defects such as interface states, fixed charges, etc. By having a characteristic state, the total energy loss including dielectric loss and leakage current, etc., which are manifested by thinning the dielectric and conductive multilayer film, and increasing the switching operation speed and the use frequency, and , While reducing characteristics deterioration (aging) as much as possible (low energy and high reliability), functions such as the gradient functional area, such as improvement of diffusion controllability and functions such as reduction of space charge polarization By superimposing the effects, there is an effect that it is possible to realize a high-performance element such as a memory / capacitance element having dramatically improved dielectric characteristics, reliability, and the like.

また、本発明に係る導電多層膜において、傾斜機能領域は、第2導電体相の一部と化学的に連続した原子配列とされているようにしてもよい。このように、請求項2に記載したような電子回路用導電多層膜の構造とすることで、上記の請求項1に記載の導電多層膜で示す作用・効果に加えて、傾斜機能領域が、隣接する導電体相の少なくとも一部と、化学結合的に連続した原子配置となっていることにより、2つの導電体層(相)との間の電気的(導電的)結合がより強固に維持されるため、電気(導電)特定の安定化が増進され、結果的に導電多層膜の全体としての電気(導電)特性の更なる向上に寄与する効果がある。   In the conductive multilayer film according to the present invention, the functionally gradient region may be arranged in an atomic arrangement chemically continuous with a part of the second conductor phase. Thus, by having the structure of the conductive multilayer film for an electronic circuit as described in claim 2, in addition to the functions and effects shown by the conductive multilayer film of claim 1, the gradient functional region has The electrical (conductive) bond between the two conductor layers (phases) is more firmly maintained by the atomic arrangement that is continuous in chemical bonds with at least a part of the adjacent conductor phases. Therefore, specific stabilization of electricity (conductivity) is promoted, and as a result, there is an effect that contributes to further improvement of the electrical (conductivity) characteristics of the entire conductive multilayer film.

また、本発明に係る導電多層膜において、傾斜機能領域は、この領域を経由する物質の移動が低減される状態とされたものとしてもよい。また、上記導電多層膜において、傾斜機能領域は、物質の移動に必要とする移動サイトの空間領域より小さい寸法のサイトから構成されていてもよい。また、傾斜機能領域は、物質に対して電気的斥力を与える電場状態を備えた移動サイト空間から構成されててもよい。   In the conductive multilayer film according to the present invention, the functionally graded region may be a state in which the movement of the substance passing through this region is reduced. In the conductive multilayer film, the functionally graded region may be composed of sites having dimensions smaller than the spatial region of the moving site required for the movement of the substance. In addition, the functionally gradient region may be configured from a moving site space having an electric field state that applies an electric repulsive force to a substance.

このように、請求項3〜5に記載したような電子回路用導電多層膜の構造とすることで、傾斜機能領域において、原子や電子、イオン、分子等からなる物質の移動を低減する効果、いわゆる、前述したバリア(遮蔽)効果による拡散制御性等の向上が実現され、効果的に、それらによる誘電特性の経時変化、劣化等が著しく低減されるため、素子特性を飛躍的に改善する効果がある。当然のことながら、傾斜機能領域が隣接する導電体相の少なくとも一部と、化学結合的に連続した原子配置位置に整合配列させることにより、請求項2に記載の導電多層膜で示した作用・効果との相乗効果を実現できる効果もある。これらを総合した結果として、所要の安定した信頼性の高い誘電特性を達成できるメモリ・容量素子等の高機能デバイスを実現できる効果がある。   Thus, by setting it as the structure of the electrically conductive multilayer film for electronic circuits as described in Claims 3-5, the effect of reducing the movement of the substance which consists of an atom, an electron, an ion, a molecule | numerator, etc. in a functional gradient area | region, Improvement of diffusion controllability due to the so-called barrier (shielding) effect described above is realized, and the time-dependent change and deterioration of the dielectric characteristics due to them are effectively reduced, so that the element characteristics can be drastically improved. There is. As a matter of course, the function / function shown in the conductive multilayer film according to claim 2 is achieved by aligning at least a part of the adjacent conductor phase with the atomic arrangement position chemically continuous with at least a part of the adjacent functional layer. There is also an effect that can achieve a synergistic effect with the effect. As a result of integrating these, there is an effect that it is possible to realize a high-functional device such as a memory / capacitance element that can achieve the required stable and highly reliable dielectric characteristics.

また、本発明に係る導電多層膜において、傾斜機能領域は、第2導電体相との界面近傍において、誘電分極を含む状態による正負の電荷の発現を低減する機能、及び正負の電荷が発現しない電気的中性状態の一方に制御する機能を備えるようにしてもよい。なお、誘電分極を含む状態による正負の電荷の発現を低減する機能は、電荷の障壁エネルギー値が、誘電分極が発現するエネルギー値より小さくなるエネルギー状態からなる局所的な電荷の移動路を備えた構造から構成されているものであればよい。   Further, in the conductive multilayer film according to the present invention, the functionally gradient region has a function of reducing the expression of positive and negative charges due to a state including dielectric polarization in the vicinity of the interface with the second conductor phase, and the positive and negative charges do not appear. A function of controlling one of the electrical neutral states may be provided. The function of reducing the expression of positive and negative charges due to a state including dielectric polarization has a local charge transfer path consisting of an energy state in which the barrier energy value of the charge is smaller than the energy value where the dielectric polarization is expressed. What is necessary is just to be comprised from the structure.

このように、請求項6,7に記載したような導電多層膜の構造とすることで、請求項1〜5に記載した導電多層膜で示す作用・効果に加えて、空間電荷分極などが主体となる誘電分極等によって電気的中性が崩れ、電荷が発現するなどのことが極力低減されるため、結果的に、素子全体としてのキャパシタンス(C)が、誘電体本来の固有の(真性)誘電率(ε)から期待されるキャパシタンスに非常に近似させることが可能となると共に、キャリア(電荷)移動度の低下も低減できるなど、高速スイッチング・高周波動作時の誘電特性の更なる改善を図りながら、しかも低エネルギーで、かつ、高信頼性を有したメモリ・容量素子等の高機能デバイスを実現できる効果がある。   As described above, by adopting the structure of the conductive multilayer film as described in claims 6 and 7, in addition to the functions and effects shown by the conductive multilayer film according to claims 1 to 5, space charge polarization is mainly used. As a result, the electrical neutrality is lost due to the dielectric polarization or the like, and the occurrence of electric charges is reduced as much as possible. As a result, the capacitance (C) of the entire element is inherent (intrinsic) inherent to the dielectric. The dielectric constant (ε) can be very approximated to the expected capacitance, and the decrease in carrier (charge) mobility can be reduced. Further improvements in dielectric characteristics during high-speed switching and high-frequency operation are achieved. However, there is an effect that a highly functional device such as a memory / capacitance element having low energy and high reliability can be realized.

また、本発明に係る導電多層膜において、第1導電体相及び第2導電体相は、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物導電体から構成されていればよい。このように、請求項13に記載したような導電多層膜の構造とすることで、請求項1〜12に記載した導電多層膜で示す作用・効果に加えて、ペロブスカイト型結晶構造酸化物導電体は、類似のペロブスカイト型結晶構造の誘電体との格子整合がよいことから、界面特性制御性の更なる向上が実現できる。勿論、ペロブスカイト型結晶構造は、単純ペロブスカイト構造の他に、欠陥・層状・多重ペロブスカイト、複合ペロブスカイト構造、更には固溶体化したものを含んでいる。特に、本発明の導電多層膜を下部電極として誘電体の下地基板として適用した際には、誘電体の結晶性や成膜制御性の向上にも効果がある。これらを総合した結果として、低エネルギーで、かつ、高信頼性を有しためもり・容量素子などの高機能性デバイスを実現できる効果がある。   In the conductive multilayer film according to the present invention, the first conductor phase and the second conductor phase only need to be made of an oxide conductor having a perovskite crystal structure. In this way, by forming the structure of the conductive multilayer film as described in claim 13, in addition to the functions and effects shown by the conductive multilayer film according to claims 1 to 12, the perovskite crystal structure oxide conductor Since the lattice matching with a dielectric having a similar perovskite crystal structure is good, the interface property controllability can be further improved. Of course, the perovskite-type crystal structure includes not only a simple perovskite structure but also a defect / layered / multiple perovskite structure, a composite perovskite structure, and a solid solution. In particular, when the conductive multilayer film of the present invention is used as a dielectric base substrate as a lower electrode, it is effective in improving the crystallinity of the dielectric and the film formation controllability. As a result of integrating these, there is an effect that a highly functional device such as a stubby / capacitance element can be realized with low energy and high reliability.

また、本発明に係る導電多層膜において、第1導電体相及び第2導電体相は、Pt,Ir,Ru,Zr,Nb,Hf,Ta,Mg,Al,Si,Co,Ni,Cu,Sr,Y,Ba,La,Pb,及び,ランタン系、アクチニウム系の少なくとも1つを含む酸化物系導電体から構成されていればよい。   In the conductive multilayer film according to the present invention, the first conductor phase and the second conductor phase are Pt, Ir, Ru, Zr, Nb, Hf, Ta, Mg, Al, Si, Co, Ni, Cu, What is necessary is just to be comprised from the oxide type conductor containing Sr, Y, Ba, La, Pb and at least one of a lanthanum type and an actinium type.

さらに、請求項14に記載したような導電多層膜の構造とすることで、請求項1〜13に記載した導電多層膜で示す作用・効果に加えて、上記元素の含有によって、高温安定性のよい、導電性に寄与するキャリア密度の高い導電体が形成可能なことが経験的に知られており、低エネルギーで、かつ、高信頼性を有したメモリ・容量素子などの高信頼性デバイスを実現できる効果がある。特に、これらランタン系及びアクチニウム系の元素は、構成電子数が多数であることに起因して、キャリアや電場の状態変化により効果的に寄与し、結果的に、導電多層膜の電気特性を制御する機能効果を有するため、低エネルギーで、かつ、高信頼性を有したメモリ・容量素子等の高性能デバイスを実現できる効果がある。   Furthermore, by having the structure of the conductive multilayer film as described in claim 14, in addition to the action / effect shown in the conductive multilayer film according to claims 1 to 13, the inclusion of the above elements allows high temperature stability. It is empirically known that a conductor with high carrier density that contributes to conductivity can be formed, and a highly reliable device such as a memory / capacitance element having low energy and high reliability has been developed. There is an effect that can be realized. In particular, these lanthanum and actinium elements contribute more effectively to changes in the state of carriers and electric fields due to the large number of constituent electrons, and consequently control the electrical characteristics of the conductive multilayer film. Therefore, it is possible to realize a high-performance device such as a memory / capacitance element having low energy and high reliability.

本発明は、請求項1〜14に記載の導電多層膜の構成とすることにより、傾斜機能領域において、誘電体の誘電特性に強い影響を与える界面特性の制御性の向上を実現することができ、結果的に、誘電率を始めとする諸特性の更なる改善を図りながら、低エネルギーで、かつ、高信頼性を有したメモリ・容量素子等の高機能デバイスを実現できる効果がある。   In the present invention, the configuration of the conductive multilayer film according to any one of claims 1 to 14 can realize improvement in controllability of the interface characteristics that strongly influence the dielectric characteristics of the dielectric in the functionally graded region. As a result, there is an effect that it is possible to realize a high-functional device such as a memory / capacitance element having low energy and high reliability while further improving various characteristics such as a dielectric constant.

以上説明したように、本発明によれば、キャリアの分布の状態,化学結合的な状態,及び原子配列構造的な状態の少なくとも1つの状態が、第1導電体相の厚さ方向に変化した傾斜機能領域を備えるようにしたので、誘電体と導電多層膜の組み合わせを基本構成とする高性能メモリ・容量素子などにおいて、素子の性能を向上させることができるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, at least one of the carrier distribution state, the chemical bonding state, and the atomic arrangement structure state is changed in the thickness direction of the first conductor phase. Since it has a functionally graded area, it is possible to improve the performance of elements such as high-performance memories and capacitors that have a basic configuration of a combination of dielectric and conductive multilayer film. It is done.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における導電多層膜の構成例を示す断面図である。ここでは、第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103よりなる導電多層膜100を用いた基本的な素子構造を例に示している。図1に示す素子は、電圧印加・電荷移動手段としての電極101と、この上に形成された第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103と、第1導電体薄膜103の上に形成された誘電体相104とを備えている。また、図1に示す素子において、第1導電体薄膜103は、電極101(第2導電体薄膜102)の側に配置された第1傾斜機能領域131と、誘電体相104の側に配置された第1導電体相132とから構成されている。なお、電極101は、例えば、通常の電子回路素子に用いられる導体配線であり、導体配線には、電力信号などが供給されるものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conductive multilayer film according to an embodiment of the present invention. Here, a basic element structure using the conductive multilayer film 100 including the second conductor thin film 102 and the first conductor thin film 103 is shown as an example. The element shown in FIG. 1 is formed on the electrode 101 as a voltage application / charge transfer means, the second conductive thin film 102 and the first conductive thin film 103 formed thereon, and the first conductive thin film 103. The dielectric phase 104 is provided. In the element shown in FIG. 1, the first conductor thin film 103 is disposed on the first gradient functional region 131 disposed on the electrode 101 (second conductor thin film 102) side and on the dielectric phase 104 side. And the first conductor phase 132. The electrode 101 is, for example, a conductor wiring used for a normal electronic circuit element, and a power signal or the like is supplied to the conductor wiring.

ところで、第1導電体相132は、導電性を有する材料(物質)の単結晶,アモルファス,又は極めて微細な微粒子多結晶から構成され、第1導電体薄膜103を構成する相であるが、工業的立場からは擬似的に単相と見なせる状態を呈している。従って、広義の立場では、第1導電体相132は、第1導電体薄膜103と一致し、第1傾斜機能領域131を内包したものであるが、説明の便宜上、第1導電体相132を、第1傾斜機能領域131以外の相として、狭義の立場で、以下に説明を行うことにする。なお、同様に、第2導電体薄膜102は、導電性を有する材料(物質)の単結晶,アモルファス,又は極めて微細な微粒子多結晶から構成された相であるが、以下では、説明の便宜上、薄膜と称する。   By the way, the first conductor phase 132 is composed of a single crystal, amorphous material, or extremely fine fine particle polycrystal of a conductive material (substance), and is a phase constituting the first conductor thin film 103. From the point of view, it is in a state that can be regarded as a pseudo-single phase. Therefore, in a broad sense, the first conductor phase 132 coincides with the first conductor thin film 103 and includes the first functional gradient region 131. For convenience of explanation, the first conductor phase 132 is included in the first conductor phase 132. As a phase other than the first functional gradient area 131, the following description will be given in a narrow sense. Similarly, the second conductive thin film 102 is a phase composed of a single crystal, an amorphous material, or an extremely fine fine particle polycrystal of a conductive material (substance). It is called a thin film.

まず、導電多層膜100(第2導電体薄膜102)は、導電体薄膜100に電界を加え,キャリア(電荷)を供給・帯電・放電する電圧印加・電荷移動手段としての電極101に接触して形成されている。また、導電多層膜100(第1導電体相132)は、誘電体材料から構成された誘電体相104に隣接して形成されている。加えて、第1導電体薄膜103を構成してる第1傾斜機能領域131は、電極101の側から誘電体相104の側にかけて(第1導電体薄膜103の厚さ方向に)、化学結合的な状態,原子配列構造的な状態,及び電気特定的(キャリアの分布)の状態の少なくとも1つの状態が徐々に変化し、バッファ(緩衝)作用による格子整合性の向上と、バリア(遮蔽)作用による拡散制御性の向上を実現する傾斜機能を有している。   First, the conductive multilayer film 100 (second conductor thin film 102) is in contact with the electrode 101 as a voltage application / charge transfer means for applying an electric field to the conductor thin film 100 to supply / charge / discharge carriers (charges). Is formed. Further, the conductive multilayer film 100 (first conductor phase 132) is formed adjacent to the dielectric phase 104 made of a dielectric material. In addition, the first gradient functional region 131 constituting the first conductive thin film 103 is chemically bonded from the electrode 101 side to the dielectric phase 104 side (in the thickness direction of the first conductive thin film 103). At least one of the normal state, the atomic arrangement structural state, and the electrical specific (carrier distribution) state gradually changes, improving the lattice matching by the buffering action and the barrier (shielding) action It has a tilt function that improves the diffusion controllability.

第1傾斜機能領域131は、例えば、格子定数と組成とを含む化学結合状態が、第2導電体薄膜102の側から誘電体相104の側にかけて徐々に変化しているものである。例えば、第1傾斜機能領域131は、各組成が異なる複数の原子層から構成されているものである。この場合、積層されている各原子層(相)の組成が、積層方向に変化していることになる。なおこの場合、第1傾斜機能領域131は、完全に複数の相に分離されているものではなく、説明の便宜上、複数の相としたものであり、実際には、単層あるいは単層に限りなく近い状態で、傾斜機能が発現されていてもよい。   In the first functionally graded region 131, for example, the chemical bonding state including the lattice constant and the composition gradually changes from the second conductive thin film 102 side to the dielectric phase 104 side. For example, the first functional gradient region 131 is composed of a plurality of atomic layers having different compositions. In this case, the composition of the stacked atomic layers (phases) changes in the stacking direction. In this case, the first functional gradient region 131 is not completely separated into a plurality of phases, but for convenience of explanation, is a plurality of phases, and is actually limited to a single layer or a single layer. The tilt function may be expressed in a state close to zero.

上述したように構成された図1に示す導電多層膜100では、第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103は、同一組成構造の同相を目標に作製された相であるが、まず、第2導電体薄膜102は、電極101との接触によるひずみや拡散により、原子間距離や組成に微視的変化が発現している。一方、第2導電体薄膜は、キャパシタ形成のための誘電体相104が接触又は限りなく近くに近設されるため、上述類似の微視的変化が発現することになる。このため、第2導電体薄膜102と第1導電体薄膜103とは、厳密には微視的な異相が隣接している状態となる。   In the conductive multilayer film 100 shown in FIG. 1 configured as described above, the second conductor thin film 102 and the first conductor thin film 103 are phases that are produced with the aim of having the same composition and the same phase. In the second conductor thin film 102, a microscopic change occurs in the interatomic distance and composition due to strain and diffusion caused by contact with the electrode 101. On the other hand, in the second conductive thin film, the dielectric phase 104 for forming the capacitor is brought into contact with or infinitely close thereto, so that the same microscopic change as described above appears. Therefore, strictly speaking, the second conductor thin film 102 and the first conductor thin film 103 are in a state where microscopic different phases are adjacent to each other.

この状態において、図1に示す導電多層膜100では、第1傾斜機能領域131をもうけるようにし、第1傾斜機能領域131の境界近傍では、急峻な機能状態の変化が緩和されるようにしたので、第2導電体薄膜102と第1導電体薄膜103との界面における悪影響が低減され、多層膜化による性能向上が図れるようになる。第1傾斜機能領域131は、第1導電体相132に対する傾斜化に加え、第2導電体薄膜102に対しても、前述した傾斜機能がより効果的に実現されるように傾斜かがなされている。なお、図1に示す構成として作製された簡易なキャパシタにより、上述した効果の確認がなされている。   In this state, in the conductive multilayer film 100 shown in FIG. 1, the first gradient functional region 131 is provided, and the steep functional state change is mitigated in the vicinity of the boundary of the first gradient functional region 131. The adverse effect at the interface between the second conductor thin film 102 and the first conductor thin film 103 is reduced, and the performance can be improved by forming a multilayer film. In addition to the inclination with respect to the first conductor phase 132, the first gradient functional region 131 is inclined with respect to the second conductor thin film 102 so that the above-described gradient function is more effectively realized. Yes. In addition, the effect mentioned above is made | formed by the simple capacitor produced as a structure shown in FIG.

図1に示す導電多層膜100によれば、前述したように、第1傾斜機能領域131によりこの近傍における急峻な機能・状態変化を緩和するようにしたので、急峻な相界面を有する異相間の界面近傍でより顕著になる、格子整合歪み,界面準位,及び固定電荷等の欠陥発生などの影響の低減が図れるようになる。また、第1傾斜機能領域131を所要の特性を有する状態にすることにより、誘電体相104及び導電多層膜100の薄膜化が図れる。   According to the conductive multilayer film 100 shown in FIG. 1, as described above, since the steep function / state change in the vicinity is alleviated by the first gradient functional region 131, there is a difference between the different phases having steep phase interfaces. It becomes possible to reduce the influence of the occurrence of defects such as lattice matching distortion, interface states, and fixed charges that become more prominent near the interface. In addition, the dielectric phase 104 and the conductive multilayer film 100 can be thinned by setting the first functional gradient region 131 to a state having the required characteristics.

また、スイッチング動作の高速化や使用周波数の高周波化によって発現する誘電損失やリーク電流等を含む全体のエネルギー損失、及び特性劣化(経年変化)を低減(低エネルギー化及び高信頼化)しながら、例えば、拡散制御性や電子トンネリング制御性などの第1傾斜機能領域131の特性の向上、さらには、空間電荷分極の軽減等の機能効果を重畳することが可能になる。この結果、図1に示す導電多層膜100を用いることで、誘電特性や信頼性等を飛躍的に改善したメモリ・容量素子が、実現可能となる。   In addition, while reducing the overall energy loss including dielectric loss and leakage current that occur due to high-speed switching operation and high frequency of use, and characteristic degradation (aging) (low energy and high reliability) For example, it is possible to superimpose the functional effects such as improvement of characteristics of the first gradient functional region 131 such as diffusion controllability and electron tunneling controllability, and further reduction of space charge polarization. As a result, by using the conductive multilayer film 100 shown in FIG. 1, it is possible to realize a memory / capacitance element having dramatically improved dielectric characteristics, reliability, and the like.

次に、本発明の実施の形態における導電多層膜について、より詳細に説明する。以下では、ペロブスカイト型結晶構造酸化物導電体の微粒子多結晶から、導電多層膜100を構成した場合について説明する。ここでは、第1傾斜機能領域131を構成する原子対の距離(原子対相関距離)が、第2導電体薄膜102の側ほど、第2導電体薄膜102を構成する原子対の原子対相関距離の値に近似又は一致するように変化させるようにした。また、酸素または水酸化イオンの拡散係数(D)が、第2導電体薄膜102の側ほど減少する傾斜機能が、第1傾斜機能領域131に備えられているようにした。なお、多結晶で構成される第1傾斜機能領域131は、複数の傾斜機能領域導電体相の集合体から構成されるものとなる。   Next, the conductive multilayer film in the embodiment of the present invention will be described in more detail. Below, the case where the conductive multilayer film 100 is comprised from the fine particle polycrystal of the perovskite type crystal structure oxide conductor is demonstrated. Here, the distance of the atom pair constituting the first functional gradient 131 (the atom pair correlation distance) is closer to the second conductor thin film 102, and the atom pair correlation distance of the atom pair constituting the second conductor thin film 102 is closer to the second conductor thin film 102. It was made to change so that it might approximate or correspond to the value of. In addition, the first gradient functional region 131 is provided with a gradient function in which the diffusion coefficient (D) of oxygen or hydroxide ions decreases toward the second conductor thin film 102 side. In addition, the 1st gradient functional area | region 131 comprised with a polycrystal will be comprised from the aggregate | assembly of a some gradient functional area conductor phase.

例えば、第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103は、ペロブスカイト型結晶構造酸化物である(La−Sr)Co−O(La0.5Sr0.5CoO3組成)よりなる導電体微粒子(粒径0.1μm以下)から構成されていればよい。なお、粒径は、約5nmでもサイズ効果の影響を認めることはできなかった。例えば、以下に示すゾル・ゲル法により、導電体微粒子よりなる薄膜が形成可能である。まず、上記導電体微粒子を構成する導電体原材料を含む金属有機化合物,有機金属化合物,もしくは金属塩から、縮重合反応で生成される液状コロイドよりなる前駆体溶液を用意する。例えば、La−Sr,Coを主要元素とする混合金属アルコキシドを用意する。ついで、用意した前駆体溶液を濃縮,薄膜化するゲル化を経て、ゲル化により得られた薄膜を加熱(焼成)する。これらのことにより、導電体微粒子(多結晶)よりなる第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103が形成可能である。 For example, the second conductive thin film 102 and the first conductive thin film 103 are conductive fine particles (particle size) made of (La—Sr) Co—O (La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 composition) which is a perovskite crystal structure oxide. 0.1 μm or less). Even when the particle size was about 5 nm, the influence of the size effect could not be recognized. For example, a thin film made of conductive fine particles can be formed by the following sol-gel method. First, a precursor solution made of a liquid colloid generated by a polycondensation reaction is prepared from a metal organic compound, an organic metal compound, or a metal salt containing a conductor raw material constituting the conductor fine particles. For example, a mixed metal alkoxide having La—Sr, Co as the main element is prepared. Next, the prepared precursor solution is concentrated and formed into a thin film, and the thin film obtained by the gelation is heated (fired). By these things, the 2nd conductor thin film 102 and the 1st conductor thin film 103 which consist of conductor fine particles (polycrystal) can be formed.

また、第1導電体薄膜103に含まれる第1傾斜機能領域131は、次に示すようにすることで形成可能である。例えば、第1導電体薄膜103の第1傾斜機能領域131とする領域に、酸素またはチタンまたはルテニウムまたはランタンまたはイリジウムまたはそれらの組み合わせのイオンやラジカルから成る活性粒子を照射,供給し、照射利他領域の微粒子(相)に内在する未結合手(ダングリングボンド)濃度や(酸素過剰)化合物組成濃度を傾斜的に変化させればよい。このように作製された第1傾斜機能領域131は、膜厚方向に、酸素,チタン,ルテニウム,及びイリジウム、またはこれらの組み合わせから成る化合物の存在比が変化し、組成・構造的な状態,またこれらに関する化学結合的な状態が傾斜化している。   Moreover, the 1st functional gradient 131 contained in the 1st conductor thin film 103 can be formed as follows. For example, the region to be the first gradient functional region 131 of the first conductor thin film 103 is irradiated and supplied with active particles made of ions or radicals of oxygen, titanium, ruthenium, lanthanum, iridium, or a combination thereof, and the irradiation altitude region. The dangling bond concentration and the (oxygen excess) compound composition concentration in the fine particles (phase) may be changed in a gradient manner. The first functionally graded region 131 manufactured in this way has a composition / structural state in which the abundance ratio of a compound composed of oxygen, titanium, ruthenium, and iridium, or a combination thereof changes in the film thickness direction. The chemical bond state regarding these is inclined.

以下、Pb0.9La0.1Zr0.2Ti0.83組成とした誘電体相104を形成する場合について例示すると、まず、第1傾斜機能領域131の原子対相関距離は、誘電体相104の側から第2導電体薄膜102の側にかけて、誘電体相104と第1導電体薄膜103の化学量論的組成の場合の平均値から、第2導電体薄膜102の原子対相関距離に近似又は一致するように変化している。本例の場合、誘電体相104と第1導電体薄膜103の化学量論的組成の場合の原子対相関距離の平均値は、約0.3928〜0.3983nmであり、第2導電体薄膜102の原子対相関距離は、約0.382nmである。なお、ユニットセル(単位胞)の短距離順に選択した2軸方向の格子定数の近似値を、上記の原子対相関距離とした。 Hereinafter, exemplifying a case where the dielectric phase 104 having the Pb 0.9 La 0.1 Zr 0.2 Ti 0.8 O 3 composition is formed, first, the atom-pair correlation distance of the first gradient functional region 131 is first from the dielectric phase 104 side. From the average value in the case of the stoichiometric composition of the dielectric phase 104 and the first conductor thin film 103 toward the two conductor thin film 102 side, so as to approximate or coincide with the atom-pair correlation distance of the second conductor thin film 102. Has changed. In the case of this example, the average value of the atom-pair correlation distance in the case of the stoichiometric composition of the dielectric phase 104 and the first conductor thin film 103 is about 0.3928 to 0.3983 nm, and the second conductor thin film The 102 atom-pair correlation distance is about 0.382 nm. In addition, the approximate value of the lattice constant in the biaxial direction selected in the short distance order of the unit cell (unit cell) was defined as the above-described atom-pair correlation distance.

また、第1傾斜機能領域131の酸素もしくは水酸化イオンの濃度は、誘電体相104の側から第2導電体薄膜102の側にかけて、より高濃度となるように変化している。
これらのことにより、第1傾斜機能領域131においては、各相間の距離と拡散阻止能が徐々に変化する状態となる。このように、第1傾斜機能領域131は、第2導電体薄膜102に対して傾斜化されているばかりではなく、第1導電体薄膜103に配慮して、前述した傾斜機能の効果がより効果的に実現されるように傾斜化が行われているようにした。なお、拡散阻止能は、当該領域のバッファ・バリア作用の効果の1指標となる拡散係数の大きさに対応した拡散制御性を表すもので、本例では、主に酸素の拡散制御性に相当する。
In addition, the concentration of oxygen or hydroxide ions in the first functional gradient region 131 changes from the dielectric phase 104 side to the second conductor thin film 102 side so as to be higher.
By these things, in the 1st gradient functional area | region 131, it will be in the state from which the distance between each phase and a diffusion prevention capability change gradually. Thus, the first gradient functional region 131 is not only inclined with respect to the second conductor thin film 102, but also the effect of the gradient function described above is more effective in consideration of the first conductor thin film 103. So that it can be realized. Note that the diffusion stopping ability represents the diffusion controllability corresponding to the size of the diffusion coefficient that is one index of the effect of the buffer / barrier action in the region, and in this example, mainly corresponds to the diffusion controllability of oxygen. To do.

前述したように形成された第2導電体薄膜102及び第1導電体薄膜103は、まず、多結晶であるため、結晶粒径や粒界の影響による異相界面的状態が形成され易い状態となっている。また、第2導電体薄膜102は、電極101との接触による歪みや拡散により、原子間距離や組成が、本来の状態から微視的に変化している。同様に、第1導電体薄膜103(第1導電体相132)は、誘電体相104の存在により、本来の状態から微視的に変化している。これらのため、第2導電体薄膜102と第1導電体薄膜103とは、厳密には微視的な異相が隣接している状態である。この状態に対し、上述した構成の第1傾斜機能領域131が層間に設けられていることにより、位相の接触による悪影響が低減され、多層膜化による性能向上が図れる。なお、特性評価用のメモリ・容量素子として、図1の構成とした簡易なキャパシタを作製し、上述した効果について確認が行われている。   Since the second conductive thin film 102 and the first conductive thin film 103 formed as described above are polycrystalline, first, a heterogeneous interface state is easily formed due to the influence of the crystal grain size and grain boundary. ing. Further, in the second conductive thin film 102, the interatomic distance and composition are microscopically changed from the original state due to distortion and diffusion caused by contact with the electrode 101. Similarly, the first conductor thin film 103 (first conductor phase 132) is microscopically changed from its original state due to the presence of the dielectric phase 104. For these reasons, the second conductor thin film 102 and the first conductor thin film 103 are strictly in a state where microscopic different phases are adjacent to each other. In contrast to this state, the first gradient functional region 131 having the above-described configuration is provided between the layers, so that adverse effects due to phase contact are reduced, and performance can be improved by forming a multilayer film. As a memory / capacitance element for characteristic evaluation, a simple capacitor having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured, and the effects described above have been confirmed.

上述した導電多層膜100によれば、まず、第1傾斜機能領域131境界近傍の急峻な機能・状態変化が緩和されるため、急峻な相界面を有する異相間の界面近傍でより顕著になる、格子整合歪みや、界面準位、固定電荷等の欠陥発生などの影響の低減が図れる。また、第1傾斜機能領域131は、ダングリングボンドの低減や(酸素過剰)化合物の形成などの効果による拡散係数の減少等の、所要の特性を有する状態にすることで、誘電体相104や導電多層膜100の薄膜化が図れる。   According to the conductive multilayer film 100 described above, first, since a steep function / state change in the vicinity of the boundary of the first gradient functional region 131 is relieved, it becomes more prominent in the vicinity of the interface between different phases having a steep phase interface. It is possible to reduce the influence of lattice matching distortion, generation of defects such as interface states and fixed charges. In addition, the first functionally graded region 131 is in a state having required characteristics such as a reduction in diffusion coefficient due to effects such as reduction of dangling bonds and formation of (oxygen-excess) compound, so that the dielectric phase 104 or The conductive multilayer film 100 can be thinned.

また、スイッチング動作の高速化や使用周波数の高周波化によって発現する誘電損失やリーク電流等を含む全体のエネルギー損失、及び特性劣化(経年変化)の低減(低エネルギー化及び高信頼化)が図れる。また、第1傾斜機能領域131の特性として、例えば、拡散制御性や電子トンネリング制御性等の向上、さらには、空間電荷分極の軽減や拡散制御性の向上等の機能効果を重畳することが可能となり、誘電特性や信頼性等を飛躍的に改善したメモリ・容量素子を実現することが可能となる。なお、第1傾斜機能領域131は、約2〜50nmの極薄膜厚でも効果が認められた。   In addition, it is possible to reduce the overall energy loss including dielectric loss and leakage current that occur due to high-speed switching operation and high use frequency, and reduction of characteristic deterioration (aging) (low energy and high reliability). Further, as the characteristics of the first gradient functional region 131, for example, it is possible to superimpose functional effects such as improvement of diffusion controllability and electron tunneling controllability, and further reduction of space charge polarization and improvement of diffusion controllability. Thus, it becomes possible to realize a memory / capacitance element with dramatically improved dielectric characteristics and reliability. In addition, the effect was recognized in the 1st gradient functional area | region 131 even with the ultra-thin film thickness of about 2-50 nm.

次に、本発明の実施の形態における他の導電多層膜について説明する。図2は、本発明の実施の形態における他の導電多層膜200の構成例を示す構成図である。図2では、第2導電体薄膜202と第1導電体薄膜103よりなる導電多層膜200を用いた基本的な素子構造を例に示している。図2に示す素子は、電極101の側に配置された第2導電体相221と、誘電体相104(第1導電体薄膜103)の側に配置された第2傾斜機能領域222とから、第2導電体薄膜202が構成されているようにしたものである。なお、図1と同一の符号については同様である。   Next, another conductive multilayer film in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration example of another conductive multilayer film 200 in the embodiment of the present invention. In FIG. 2, a basic element structure using the conductive multilayer film 200 including the second conductor thin film 202 and the first conductor thin film 103 is shown as an example. The element shown in FIG. 2 includes a second conductor phase 221 disposed on the electrode 101 side, and a second functional gradient area 222 disposed on the dielectric phase 104 (first conductor thin film 103) side. The second conductor thin film 202 is configured. The same reference numerals as those in FIG. 1 are the same.

ところで、第2導電体相221は、導電性を有する材料(物質)の単結晶,アモルファス,又は極めて微細な微粒子多結晶から構成され、第2導電体薄膜202を構成する相であるが、工業的立場からは擬似的に単相と見なせる状態を呈している。従って、広義の立場では、第2導電体相221は、第2導電体薄膜202と一致し、第2傾斜機能領域222を内包したものであるが、説明の便宜上、第2導電体相221を、第2傾斜機能領域222以外の相として、狭義の立場で、以下に説明を行うことにする。   By the way, the second conductor phase 221 is composed of a single crystal, amorphous, or extremely fine fine particle polycrystal of a conductive material (substance), and is a phase constituting the second conductor thin film 202. From the point of view, it is in a state that can be regarded as a pseudo-single phase. Accordingly, in a broad sense, the second conductor phase 221 coincides with the second conductor thin film 202 and includes the second gradient functional region 222. However, for convenience of explanation, the second conductor phase 221 is included in the second conductor phase 221. As a phase other than the second functional gradient area 222, the following explanation will be given from a narrow sense.

第2傾斜機能領域222は、電極101の側から誘電体相104の側にかけて(第2導電体薄膜202の厚さ方向に)、化学結合的な状態,原子配列構造的な状態,及び電気特定的(キャリアの分布)の状態の少なくとも1つの状態が徐々に変化し、バッファ(緩衝)作用による格子整合性の向上と、バリア(遮蔽)作用による拡散制御性の向上を実現する傾斜機能を有している。   The second functionally graded region 222 extends from the electrode 101 side to the dielectric phase 104 side (in the thickness direction of the second conductor thin film 202), in a chemically bonded state, an atomic arrangement structural state, and electrical identification. At least one of the target (carrier distribution) states gradually changes, and it has a tilt function that improves the lattice matching by the buffering action and the diffusion controllability by the barrier action. is doing.

第2傾斜機能領域222は、例えば、格子定数と組成とを含む化学結合状態が、電極101の側から誘電体相104の側にかけて徐々に変化しているものである。例えば、第2傾斜機能領域222は、各組成が異なる複数の原子層から構成されているものである。この場合、積層されている各原子層(相)の組成が、積層方向に変化していることになる。なおこの場合、第2傾斜機能領域222は、完全に複数の相に分離されているものではなく、説明の便宜上、複数の相としたものであり、実際には、単層あるいは単層に限りなく近い状態で、傾斜機能が発現されていてもよい。なお、第2傾斜機能領域222と第1傾斜機能領域131の合致する部分は、互いの傾斜機能を損なわないように構成した。   In the second functionally gradient region 222, for example, the chemical bonding state including the lattice constant and the composition gradually changes from the electrode 101 side to the dielectric phase 104 side. For example, the second functional gradient area 222 is composed of a plurality of atomic layers having different compositions. In this case, the composition of the stacked atomic layers (phases) changes in the stacking direction. In this case, the second functional gradient area 222 is not completely separated into a plurality of phases, but is made into a plurality of phases for convenience of explanation, and is actually limited to a single layer or a single layer. The tilt function may be expressed in a state close to zero. In addition, the part which the 2nd gradient functional area | region 222 and the 1st gradient functional area | region 131 correspond was comprised so that the mutual gradient function might not be impaired.

上述したように構成した図2に示す導電多層膜200によれば、第2傾斜機能領域222及び第1傾斜機能領域131を備えているため、図1に示す導電多層膜100に比較して、付与可能な傾斜機能を増大することが可能である。また、第2傾斜機能領域222から第1傾斜機能領域131にかけて、化学結合的に連続した原子配置となる構成が容易に実現可能である。この結果、より多様な作用、効果を実現することが可能になったばかりでなく、隣接する傾斜機能領域の一部が化学結合的に連続した原子配置となっていることにより、第2導電体薄膜202と第1導電体薄膜103との間の電気的(導電的)結合がより強固に維持されるようになる。この結果、図2に示す導電多層膜200によれば、電気(導電)特性の安定化が増進され、結果的に導電体層膜の全体としての電気(導電)特性のさらなる向上に寄与する効果があることを確認できた。   According to the conductive multilayer film 200 shown in FIG. 2 configured as described above, since the second gradient functional area 222 and the first gradient functional area 131 are provided, compared to the conductive multilayer film 100 shown in FIG. It is possible to increase the gradient function that can be imparted. Further, it is possible to easily realize a configuration in which atoms are arranged in chemical bonds continuously from the second gradient functional region 222 to the first gradient functional region 131. As a result, it is possible not only to realize more various actions and effects, but also to form the second conductor thin film because a part of the adjacent gradient functional regions has an atomic arrangement that is chemically continuous. The electrical (conductive) coupling between 202 and the first conductive thin film 103 is more firmly maintained. As a result, according to the conductive multilayer film 200 shown in FIG. 2, the stabilization of the electrical (conductive) characteristics is promoted, and as a result, the effect of contributing to further improvement of the electrical (conductive) characteristics of the conductor layer film as a whole. I was able to confirm that there is.

図2に示す構成とした簡易なキャパシタで得られた主要な電気特性を例示すると、導電多層膜200の抵抗率は約90μΩcm以下となる。また、導電多層膜200の誘電特性としては、抗電界約40kV/cm以下、残留分極値約35μC/cm2以上と言う角形比に優れたヒステリシス特性が得られる。また、1012回以上の繰り返しパルスを印加しても分極が劣化しない疲労特性と、低リーク電流特性、分極生成・昇温状態で保持してもヒステリシス特性がずれない優れたインプリント特性等を確認することができる。 When the main electrical characteristics obtained with the simple capacitor having the configuration shown in FIG. 2 are exemplified, the resistivity of the conductive multilayer film 200 is about 90 μΩcm or less. In addition, as the dielectric characteristics of the conductive multilayer film 200, hysteresis characteristics excellent in squareness ratio such as a coercive electric field of about 40 kV / cm or less and a remanent polarization value of about 35 μC / cm 2 or more can be obtained. Also, 10 and 12 times more than the fatigue characteristic polarization even by applying a repetitive pulse does not deteriorate, and low leakage current characteristics, does not deviate hysteresis characteristics held in the polarization generated and Atsushi Nobori superior imprint characteristics Can be confirmed.

なお、第1導電体薄膜103と第2導電体薄膜202とをSrRuO3から構成し、誘電体相104をPb(Zr0.52Ti0.48)O3から構成し、第2傾斜機能領域222及び第1傾斜機能領域131を、平均的格子定数が、約0.3983〜0.4038nmから約0.393nmに変化している状態としても、同等の効果及び性能が得られる。 The first conductor thin film 103 and the second conductor thin film 202 are made of SrRuO 3 , the dielectric phase 104 is made of Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 , and the second gradient functional region 222 and the first Even when the gradient functional region 131 is in a state where the average lattice constant is changed from about 0.3983 to 0.4038 nm to about 0.393 nm, the same effect and performance can be obtained.

また、誘電体相104が、(BaxSr1-x)TiO3から構成されているものとすることで、数百MHz以上の高速スイッチング・高周波領域においても、誘電率(ε)とQ値が共に満足でき、誘電損失も許容できる高速スイッチング・高周波用のメモリ・容量素子が容易に実現できる。(BaxSr1-x)TiO3は、誘電率が極めて大きく、かつ高速スイッチング・高周波下でも誘電率が小さい材料であり、xが約0.5以上のBaリッチの固溶体にすることにより、品質係数(Q)値は数百以下ではあるものの、比誘電率(ε’)が高速スイッチング・高周波領域においても数百〜数万以上が実現できる。また、xが約0.5以下のSrリッチの固溶体にすることにより、比誘電率は数十〜数百以下ではあるものの、Q値は数千以上が実現できる。 Further, since the dielectric phase 104 is made of (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 , the dielectric constant (ε) and the Q value can be obtained even in a high-speed switching / high-frequency region of several hundred MHz or more. Therefore, it is possible to easily realize a high-speed switching / high-frequency memory / capacitance element that can satisfy both of these requirements and permit dielectric loss. (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 is a material having an extremely large dielectric constant and a low dielectric constant even under high-speed switching and high frequency. By making a Ba-rich solid solution with x of about 0.5 or more, Although the quality factor (Q) value is several hundred or less, the relative dielectric constant (ε ′) can be several hundred to several tens of thousands or more even in the high-speed switching / high-frequency region. Further, by using a Sr-rich solid solution with x of about 0.5 or less, although the relative dielectric constant is several tens to several hundreds, the Q value can be several thousand or more.

次に、本発明の実施の形態における他の導電多層膜について説明する。図3は、本発明の実施の形態における他の導電多層膜300の構成例を示す構成図である。図3では、第1導電体薄膜302,第2導電体薄膜303,第3導電体薄膜304,第4導電体薄膜305,第5導電体薄膜306よりなる導電多層膜300を用いた基本的な素子構造を例に示している。なお、図3では、誘電体相を省略している。   Next, another conductive multilayer film in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of another conductive multilayer film 300 in the embodiment of the present invention. In FIG. 3, a basic structure using a conductive multilayer film 300 including a first conductor thin film 302, a second conductor thin film 303, a third conductor thin film 304, a fourth conductor thin film 305, and a fifth conductor thin film 306 is used. An element structure is shown as an example. In FIG. 3, the dielectric phase is omitted.

図3に示す素子は、各導電体薄膜において、図2に示した第2傾斜機能領域222と同様の傾斜機能領域を設けるようにしたものである。まず、第1導電体薄膜302は、電極101の側の第1導電体相321と第5導電体薄膜306の側の第1傾斜機能領域322から構成されているようにした。また、第2導電体薄膜303は、電極101の側の第2導電体相331と第5導電体薄膜306の側の第2傾斜機能領域332から構成されているようにした。また、第3導電体薄膜304は、電極101の側の第3導電体相341と第5導電体薄膜306の側の第3傾斜機能領域342から構成されているようにした。また、第4導電体薄膜305は、電極101の側の第4導電体相351と第5導電体薄膜306の側の第4傾斜機能領域352から構成されているようにした。このような構成としたことで、図1及び図2に示した導電多層膜と同等もしくはこれら以上の傾斜機能の効果が実現できることが確認された。   The element shown in FIG. 3 has a functional gradient region similar to the second functional gradient region 222 shown in FIG. 2 in each conductor thin film. First, the first conductor thin film 302 is composed of a first conductor phase 321 on the electrode 101 side and a first gradient functional region 322 on the fifth conductor thin film 306 side. The second conductor thin film 303 is composed of the second conductor phase 331 on the electrode 101 side and the second gradient functional region 332 on the fifth conductor thin film 306 side. Further, the third conductor thin film 304 is composed of the third conductor phase 341 on the electrode 101 side and the third functional gradient region 342 on the fifth conductor thin film 306 side. Further, the fourth conductor thin film 305 is composed of a fourth conductor phase 351 on the electrode 101 side and a fourth functional gradient area 352 on the fifth conductor thin film 306 side. It has been confirmed that by adopting such a configuration, the effect of the gradient function equivalent to or higher than that of the conductive multilayer film shown in FIGS. 1 and 2 can be realized.

図3に示す導電多層膜300によれば、4つの傾斜機能領域を備えるようにしているため、付与可能な傾斜機能を飛躍的に増大させることが可能となり、また、隣接する導電体薄膜が、化学結合的に連続した原子配置となるような構成にすることが容易となる。これらの結果、図3に示す導電多層膜300では、隣接する導電体薄膜の傾斜機能領域の少なくとも一部が、化学結合的に連続した原子配置とされているので、導電体薄膜の間の電気的(導電的)結合がより強固に維持されるようになる。このため、図3に示す導電多層膜300によれば、電気(導電)特性の安定化が増進され、結果的に導電多層膜300の全体としての電気(導電)特性のさらなる向上が得られるようになる。   According to the conductive multilayer film 300 shown in FIG. 3, since the four gradient functional regions are provided, it is possible to dramatically increase the gradient function that can be imparted, and the adjacent conductive thin film It becomes easy to have a configuration in which atomic arrangement is continuous in a chemical bond. As a result, in the conductive multilayer film 300 shown in FIG. 3, since at least a part of the gradient functional region of the adjacent conductor thin film has a chemical bond continuous atomic arrangement, The target (conductive) bond is more firmly maintained. For this reason, according to the conductive multilayer film 300 shown in FIG. 3, the stabilization of the electrical (conductive) characteristics is promoted, and as a result, the electrical (conductive) characteristics of the conductive multilayer film 300 as a whole can be further improved. become.

なお、上述では、導電体薄膜を構成する材料として、ペロブスカイト型結晶構造酸化物導電体の(La−Sr)Co−Oの微粒子を用いたが、これに限るものではなく、Ir−O,Ru−O,Ir−Al−O,Ir−Ti−O,Ir−Zr−O,Ir−Nb−O,Ir−Hf−O,Ir−Ta−O,AIN,Ti−Al,ZrN,NbN,HfN,TaN,Sr−Ru−O,La−Ni−O,Pb(Mg−Nb)Ti−O,Pb(Zr−Ti)O,HfSiN,TaSiN,及びY−Ba−Cu−Oなどを用いるようにしてもよく、前述同様の所要の導電特性を実現することができることは、言うまでもない。   In the above description, (La—Sr) Co—O fine particles of a perovskite crystal structure oxide conductor are used as a material constituting the conductor thin film. However, the present invention is not limited to this, and Ir—O, Ru -O, Ir-Al-O, Ir-Ti-O, Ir-Zr-O, Ir-Nb-O, Ir-Hf-O, Ir-Ta-O, AIN, Ti-Al, ZrN, NbN, HfN , TaN, Sr—Ru—O, La—Ni—O, Pb (Mg—Nb) Ti—O, Pb (Zr—Ti) O, HfSiN, TaSiN, and Y—Ba—Cu—O. Needless to say, the required conductive characteristics similar to those described above can be realized.

導電体薄膜は、Pt,Ir,Ru,Zr,Nb,Hf,Ta,Mg,Al,Si,Co,Ni,Cu,Sr,Y,Ba,La,及びPb、もしくは,これら以外のランタン系及びアクチニウム系の元素を少なくとも1種類以上含む酸化物系導電体から構成されていればよい。これらの材料によれば、よく知られているように、高温安定性が良く、導電性に寄与するキャリア密度の高い導電体薄膜が形成可能であり、低エネルギー化と高信頼化をさらに向上させることが可能となり,特性のさらなる改善を図ることができる   The conductive thin film can be made of Pt, Ir, Ru, Zr, Nb, Hf, Ta, Mg, Al, Si, Co, Ni, Cu, Sr, Y, Ba, La, and Pb, or other lanthanum-based materials. What is necessary is just to be comprised from the oxide type conductor which contains at least 1 or more types of actinium type elements. According to these materials, as is well known, it is possible to form a conductive thin film with good high-temperature stability and high carrier density that contributes to conductivity, and further improve the reduction in energy and reliability. Can improve the characteristics.

ところで、上述した導電多層膜の製造に,原料の単一金属や酸化物を最終組成に合わせて焼成する乾式法や、抵抗加熱法,分子線エピタキシー法,及びイオンビーム法などの真空蒸着法、多極(2・4極等)プラズマ式,マグネトロン式,電子サイクロトロン共鳴励起プラズマ式,対向ターゲット式,及びイオンビーム式などのスパッタリング法、化学気相成長(CVD)法,レーザー法(PLD法やアブレーション法)等を用いても良い。   By the way, in the manufacture of the conductive multilayer film described above, a dry method in which a single metal or oxide as a raw material is fired according to the final composition, a vacuum heating method such as a resistance heating method, a molecular beam epitaxy method, and an ion beam method, Sputtering methods such as multipole (2, 4 and so on) plasma type, magnetron type, electron cyclotron resonance excitation plasma type, counter target type, and ion beam type, chemical vapor deposition (CVD) method, laser method (PLD method or Ablation method) may be used.

また,ペロブスカイト型結晶構造酸化物導電多層膜の傾斜機能領域の形成に,活性粒子を用いる方法を例示したが、これ以外にも、導電体相のサイズ調整や、導電体相の相境界の改質,拡散反応,固溶体反応,及び析出反応などを利用する、様々な傾斜機能付与方法が適用できることは言うまでもない。   In addition, although the method using active particles has been exemplified for the formation of the functionally graded region of the perovskite crystal structure oxide conductive multilayer film, other than this, the size of the conductor phase is adjusted and the phase boundary of the conductor phase is modified. It goes without saying that various gradient function imparting methods using quality, diffusion reaction, solid solution reaction, precipitation reaction and the like can be applied.

なお、上述では、原子対相関距離の値が傾斜的に変化しているようにした傾斜機能領域を、導電体薄膜(導電体相)が備えるようにしたが、これに限るものではない。例えば、電子や空孔などのキャリアの移動に対するバリアハイト(障壁)エネルギー値が傾斜(厚さ方向に変化)しているようにした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。また、不純物準位(密度)や欠陥などと関連のある広義の意味での界面準位(密度)などで、キャリアの準安定的なサイトとなり、この移動すなわち導電に関与するエネルギー場の状態を示す量が傾斜(厚さ方向に変化)しているようにした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。   In the above description, the conductive thin film (conductor phase) is provided with the functional gradient region in which the value of the atom-pair correlation distance is changed in a tilted manner. However, the present invention is not limited to this. For example, the conductor thin film may be provided with an inclined functional region in which the barrier height energy value with respect to the movement of carriers such as electrons and vacancies is inclined (changes in the thickness direction). In addition, the interface states (density) in a broad sense related to impurity levels (density) and defects, etc., become metastable sites of carriers. The conductive thin film may be provided with a functional gradient region in which the amount to be shown is inclined (changes in the thickness direction).

また、キャリア,準位,及びイオンを含む物質が移動するために必要とする移動サイトの空間領域より、小さい寸法のサイトとされている構造の傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。また、対象となる物質に対し、電気的に斥力を与える移動サイトの空間の電場状態からなる構造とされた傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。これらのように、傾斜機能領域は、この領域を経由する物質の移動が低減される状態とされたものであればよい。   In addition, the conductive thin film may be provided with a functionally graded region having a structure that is a site having a smaller size than a spatial region of a moving site required for the movement of a substance including carriers, levels, and ions. Good. In addition, the conductive thin film may be provided with a functionally graded region having a structure composed of an electric field state in a space of a moving site that electrically applies a repulsive force to a target substance. As described above, the functionally graded region may be any as long as the movement of the substance passing through this region is reduced.

また、正負の電荷の合体消滅が実現されるように、電荷のバリアハイトエネルギー値が、誘電分極により発現されるエネルギー値より小さくなるようなエネルギー状態からなる局所的なキャリアの移動路(パス)が配置された構造にした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。これは、隣接する他の導電体薄膜との界面近傍において、誘電分極を含む状態による正負の電荷の発現を低減する機能、及び正負の電荷が発現しない電気的中性状態の一方に制御する機能となる。また、ケミカルシフトや電気陰性度といった化学結合(電子分布)状態の指標となる量が傾斜(厚さ方向に変化)しているようにした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。この量の傾斜は、キャリア密度や移動度などの導電性に関与するものとなる。   Also, a local carrier movement path (path) having an energy state in which the barrier height energy value of the charge is smaller than the energy value expressed by the dielectric polarization so that the positive and negative charge coalescence annihilation is realized. The conductive thin film may be provided with a functionally graded region having a structure in which is disposed. This is a function to reduce the expression of positive and negative charges due to the state including dielectric polarization in the vicinity of the interface with another adjacent conductive thin film, and a function to control to one of the electrical neutral state where no positive and negative charges are expressed. It becomes. Further, the conductive thin film may be provided with an inclined functional region in which an amount serving as an index of a chemical bond (electron distribution) state such as chemical shift or electronegativity is inclined (changes in the thickness direction). . This amount of inclination is related to conductivity such as carrier density and mobility.

また、動経分布関数や侵入・置換型固溶体などの原子配列分布が傾斜(厚さ方向に変化)しているようにした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。結晶を想定した場合、ある格子点に着目すると、この格子点からの距離に応じた原子の存在確率を示す指標である動経分布関数や濃度が一定でも、微視的には原子配列を可変可能にする固溶体などであればよい。また、導電相や粒界の大きさ及び密度などのマクロな値である相の大きさや形状が傾斜(厚さ方向に変化)しているようにした傾斜機能領域を導電体薄膜が備えるようにしてもよい。   Further, the conductive thin film may be provided with a functionally graded region in which the atomic distribution such as the dynamic distribution function and the intrusion / substitution solid solution is inclined (changes in the thickness direction). Assuming a crystal, focusing on a lattice point, the atomic arrangement can be changed microscopically even if the dynamic distribution function and concentration, which are indicators of the probability of the existence of an atom depending on the distance from the lattice point, are constant. Any solid solution may be used. Also, the conductive thin film is provided with a functionally graded region in which the size and shape of the phase, which are macro values such as the size and density of the conductive phase and grain boundary, are inclined (changes in the thickness direction). May be.

以上述べたように,本発明の導電多層膜は,傾斜機能を付与することにより,導電体膜自身の,本来の優れた所要の導電特性を可能な限り維持しながら、さらに、特に高速スイッチング・高周波化によってより強く発現する誘電損失を低減(低エネルギー化)しながら、例えば、拡散制御性や電子トンネリング制御性等の向上や、空間電荷分極の軽減等の機能効果を傾斜機能領域に重畳することにより、導電多層膜の誘電特性を飛躍的に改善した高速スイッチング・高周波用のメモリ・容量素子を実現できる。   As described above, the conductive multilayer film according to the present invention is provided with a gradient function, thereby maintaining the original excellent required conductive characteristics of the conductor film as much as possible, and further, particularly with high-speed switching and switching. While reducing the dielectric loss that appears more strongly with higher frequencies (lowering energy), for example, superimposing functional effects such as diffusion controllability and electron tunneling controllability, and reduction of space charge polarization on the gradient functional region As a result, it is possible to realize a high-speed switching / high-frequency memory / capacitance element in which the dielectric properties of the conductive multilayer film are dramatically improved.

なお、上述したことは、本発明の有効性の一例に過ぎず、本発明を実施することにより、特に、低エネルギー・高速動作で、かつ、特性劣化の殆ど無い誘電特性が必要とされる、他の高性能の応用部品・機器類を実現することができることは言うまでもない。また、上述では、電子回路、特に高速スイッチング・高周波集積回路への適用実施を中心に説明したが、これ以外にも、より広範囲の多種多様な電子回路、特に集積回路に対しても適用でき、また、記録装置や駆動機構等のマイクロマシニング関連装置,及び他の各種の微細な導電多層膜使用部品・機器類の実現に、本発明の導電多層膜が適用できることは言うまでもない。さらに、本発明の導電多層膜を複数種の基本構成材料によって構成した場合でも、本発明の主旨を逸脱するものではない。   Note that the above is merely an example of the effectiveness of the present invention, and by implementing the present invention, in particular, dielectric characteristics that require low energy and high speed operation and almost no deterioration in characteristics are required. It goes without saying that other high-performance applied parts and devices can be realized. In the above description, the electronic circuit, particularly high-speed switching / high-frequency integrated circuit, has been described. However, the present invention can be applied to a wider variety of electronic circuits, particularly integrated circuits. Further, it goes without saying that the conductive multilayer film of the present invention can be applied to the realization of micromachining related apparatuses such as a recording device and a drive mechanism, and other various parts and devices using a fine conductive multilayer film. Furthermore, even when the conductive multilayer film of the present invention is constituted by a plurality of basic constituent materials, it does not depart from the gist of the present invention.

本発明の実施の形態における導電多層膜の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the conductive multilayer film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における他の導電多層膜200の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the other conductive multilayer film 200 in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における他の導電多層膜300の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the other conductive multilayer film 300 in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100…導電多層膜、101…電極、102…第2導電体薄膜、103…第1導電体薄膜、104…誘電体相、131…第1傾斜機能領域、132…第1導電体相。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Conductive multilayer film, 101 ... Electrode, 102 ... 2nd conductor thin film, 103 ... 1st conductor thin film, 104 ... Dielectric phase, 131 ... 1st gradient functional area, 132 ... 1st conductor phase.

Claims (14)

導電性を有する第1導電体相と、この第1導電体相に接して配置された導電性を有する第2導電体相とから構成された導電多層膜であって、
前記第1導電体相は、
電荷の分布の状態,化学結合的な状態,及び原子配列構造的な状態の少なくとも1つの状態が、前記第1導電体相の厚さ方向に変化した傾斜機能領域を、前記第2導電体相の側に備える
ことを特徴とする導電多層膜。
A conductive multilayer film composed of a first conductive phase having conductivity and a second conductive phase having conductivity disposed in contact with the first conductive phase;
The first conductor phase is
A gradient functional region in which at least one of a charge distribution state, a chemical bonding state, and an atomic arrangement structure state changes in the thickness direction of the first conductor phase is defined as the second conductor phase. A conductive multilayer film characterized by comprising:
請求項1記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、前記第2導電体相の一部と化学的に連続した原子配列とされている
ことを特徴とする導電多層膜。
The conductive multilayer film according to claim 1,
The gradient functional region has an atomic arrangement that is chemically continuous with a part of the second conductor phase.
請求項1又は2記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、この領域を経由する物質の移動が低減される状態とされたものである
ことを特徴とする導電多層膜。
The conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
The gradient functional region is a state in which the movement of a substance passing through this region is reduced. The conductive multilayer film, wherein
請求項3記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、前記物質の移動に必要とする移動サイトの空間領域より小さい寸法のサイトから構成されている
ことを特徴とする導電多層膜。
The conductive multilayer film according to claim 3,
The gradient functional region is composed of sites having a size smaller than a space region of a moving site required for the movement of the substance.
請求項3記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、前記物質に対して電気的斥力を与える電場状態を備えた移動サイト空間から構成されている
ことを特徴とする導電多層膜。
The conductive multilayer film according to claim 3,
The gradient functional region is composed of a moving site space having an electric field state that applies an electric repulsive force to the substance.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、前記第2導電体相との界面近傍において、誘電分極を含む状態による正負の電荷の発現を低減する機能、及び正負の電荷が発現しない電気的中性状態の一方に制御する機能を備えることを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
The gradient functional region is controlled to one of a function of reducing the expression of positive and negative charges due to a state including dielectric polarization and an electric neutral state where no positive and negative charges are expressed in the vicinity of the interface with the second conductor phase. A conductive multilayer film characterized by having a function of:
請求項6記載の導電多層膜において、
前記誘電分極を含む状態による正負の電荷の発現を低減する機能は、
電荷の障壁エネルギー値が、誘電分極が発現するエネルギー値より小さくなるエネルギー状態からなる局所的な電荷の移動路を備えた構造から構成されているものである
ことを特徴とする導電多層膜。
The conductive multilayer film according to claim 6, wherein
The function of reducing the expression of positive and negative charges due to the state including the dielectric polarization,
A conductive multilayer film comprising a structure having a local charge transfer path having an energy state in which a barrier energy value of charge is smaller than an energy value at which dielectric polarization occurs.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、原子対相関距離の値が前記第1導電体相の厚さ方向に変化している
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
In the functionally graded region, the value of the atom-pair correlation distance changes in the thickness direction of the first conductor phase.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、電荷の移動に対する障壁エネルギー値が前記第1導電体相の厚さ方向に変化している
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
In the functionally graded region, a barrier energy value against charge transfer changes in the thickness direction of the first conductor phase.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、電荷の準安定的なサイトとなる準位の密度が前記第1導電体相の厚さ方向に変化している
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
In the functionally graded region, a density of a level that becomes a metastable site of charge changes in a thickness direction of the first conductor phase.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、ケミカルシフト及び電気陰性度を含む化学結合状態の指標となる量が前記第1導電体相の厚さ方向に変化している
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
The conductive multilayer film, wherein the gradient functional region has an amount serving as an index of a chemical bonding state including chemical shift and electronegativity changing in a thickness direction of the first conductor phase.
請求項1又は請求項2に記載の導電多層膜において、
前記傾斜機能領域は、原子の配列分布が前記第1導電体相の厚さ方向に変化している
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to claim 1 or 2,
In the functionally graded region, the atomic distribution changes in the thickness direction of the first conductor phase.
請求項1〜12のいずれか1項に記載の導電多層膜において、
前記第1導電体相及び第2導電体相は、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物導電体から構成されている
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to any one of claims 1 to 12,
The first conductor phase and the second conductor phase are made of an oxide conductor having a perovskite crystal structure.
請求項1〜13のいずれか1項に記載の導電多層膜において、
前記第1導電体相及び第2導電体相は、Pt,Ir,Ru,Zr,Nb,Hf,Ta,Mg,Al,Si,Co,Ni,Cu,Sr,Y,Ba,La,Pb,及び,ランタン系、アクチニウム系の少なくとも1つを含む酸化物系導電体から構成されている
ことを特徴とする導電多層膜。
In the conductive multilayer film according to any one of claims 1 to 13,
The first conductor phase and the second conductor phase are Pt, Ir, Ru, Zr, Nb, Hf, Ta, Mg, Al, Si, Co, Ni, Cu, Sr, Y, Ba, La, Pb, And a conductive multilayer film comprising an oxide-based conductor containing at least one of lanthanum-based and actinium-based.
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