JP2017109916A - Ceramic material consisting of lanthanum oxide, manufacturing method therefor, target using the same and semiconductor device using the same - Google Patents

Ceramic material consisting of lanthanum oxide, manufacturing method therefor, target using the same and semiconductor device using the same Download PDF

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裕 安達
勲 坂口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic material consisting of lanthanum oxide having high hygroscopic resistance, a manufacturing method thereof, a target using the same and a semiconductor device using the same.SOLUTION: The ceramic material consists of lanthanum oxide to which alkali earth metal fluoride is dissolved in a range of more than 0.01 mol% and 5 mol% or less. Such ceramic material includes a step of mixing lanthanum oxide power and alkali earth metal fluoride powder in a range of more than 0.01 mol% and 5 mol% or less based on the lanthanum oxide power and a step of burning the mixture at a temperature of a temperature range of 1100°C or higher to 1500°C or lower in inert gas atmosphere.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、酸化ランタンからなるセラミックス材料、その製造方法、それを用いたターゲット、および、それを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a ceramic material made of lanthanum oxide, a manufacturing method thereof, a target using the same, and a semiconductor device using the same.

最近の化合物半導体装置では、大気中の水分等を吸収し、不安定化する物質が利用され、その安定性がデバイスの応用で問題となる。例えば、酸化ランタン(La)は比誘電率27を有し、High−k材料の候補でありながら、吸湿性を有する事からそれを用いたデバイスの製作が困難であるとされてきた。 In recent compound semiconductor devices, a substance that absorbs moisture in the atmosphere and destabilizes is used, and its stability becomes a problem in device application. For example, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) has a relative dielectric constant of 27, and although it is a candidate for a high-k material, it has been considered difficult to fabricate devices using it because of its hygroscopic property. .

酸化ランタン粉末を合成の主成分あるいは微量添加成分として用いる場合、秤量時に水分の影響を考慮する必要があり、これが合成の誤差を生じる要因となる。ここで、酸化ランタンが水分を吸収するメカニズムを説明する。酸化ランタンは、以下の式にしたがって、容易に水酸化ランタンに変質する。
La+HO→2LaO(OH)
2LaO(OH)+2HO→2La(OH)
When lanthanum oxide powder is used as a main component of synthesis or a minor additive, it is necessary to consider the influence of moisture during weighing, which causes a synthesis error. Here, the mechanism by which lanthanum oxide absorbs moisture will be described. Lanthanum oxide is easily transformed into lanthanum hydroxide according to the following formula.
La 2 O 3 + H 2 O → 2LaO (OH)
2LaO (OH) + 2H 2 O → 2La (OH) 3

このため、酸化ランタンの粉体は勿論の事、焼結体でも大気中での管理が難しく、一般的なデシケータあるいは真空デシケータでも状態を維持することが難しい。酸化ランタンの焼結体は、薄膜製造用ターゲットに用いられるが、真空度が1x10−8torrの高真空下でも真空容器内に残留する水分を吸収しターゲットの表面状態が変化する。その結果、薄膜製造の再現性に問題を生じる可能性がある。 For this reason, not only lanthanum oxide powder but also sintered bodies are difficult to manage in the atmosphere, and it is difficult to maintain the state even with a general desiccator or vacuum desiccator. A sintered body of lanthanum oxide is used as a target for manufacturing a thin film. However, even under a high vacuum with a vacuum degree of 1 × 10 −8 torr, moisture remaining in the vacuum container is absorbed and the surface state of the target changes. As a result, there may be a problem in reproducibility of thin film manufacturing.

また、酸化ランタンはその融点が2315度であり、しかも大気安定性が悪いために普通には緻密な焼結体を得ることは困難である。上述の反応を参照すれば、無添加の酸化ランタンを焼結する場合、高温下において、水分の生成と蒸発とにより焼結せず回収されることになる。このような焼結体の内部の粒子は、粗の状態で詰まっているに過ぎず、空隙に大気中の水分が容易に侵入し、上記反応を引き起こす。その結果、焼結体の形状を維持することができない。   In addition, lanthanum oxide has a melting point of 2315 degrees and is poor in atmospheric stability, so that it is usually difficult to obtain a dense sintered body. Referring to the above reaction, when sintering additive-free lanthanum oxide, it is recovered without sintering due to the generation and evaporation of moisture at high temperatures. The particles inside such a sintered body are only clogged in a rough state, and moisture in the atmosphere easily enters the voids, causing the above reaction. As a result, the shape of the sintered body cannot be maintained.

このような問題に対して、耐吸湿性を向上させた酸化ランタン焼結体が開発されている(特許文献1)。特許文献1によれば、酸化ランタンを基本成分とする焼結体であって、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムの一又は二以上を含有し、残部が酸化ランタン及び不可避的不純物であることを特徴とする。特許文献1によれば、添加される酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムは、好ましくは10mol%以上であり、合成が困難なだけでなく、酸化ランタン本来の特性が得られない恐れがある。   In response to such a problem, a lanthanum oxide sintered body having improved moisture absorption resistance has been developed (Patent Document 1). According to Patent Document 1, a sintered body containing lanthanum oxide as a basic component, containing one or more of titanium oxide, zirconium oxide, and hafnium oxide, and the remainder being lanthanum oxide and inevitable impurities. Features. According to Patent Document 1, titanium oxide, zirconium oxide, and hafnium oxide to be added are preferably 10 mol% or more, and not only the synthesis is difficult, but the original characteristics of lanthanum oxide may not be obtained.

また、耐吸湿性を向上させた酸化ランタン混合膜を用いた半導体装置が開発されている(特許文献2)。特許文献2によれば、酸化ランタンからなる薄膜は、(La1−x(0<x≦0.3、MはSc、Y、Hf、Ti、Ta、Al、Nbの群から選ばれる1又は2以上の金属)で表記される組成を有する。特許文献2によれば、混合膜の成膜には3元コンポジションスプレッド法を採用しているが、これに用いる酸化ランタンのターゲットは、上述したように高真空下においても表面状態が変化し得、薄膜製造の再現性に問題を生じる場合がある。 A semiconductor device using a lanthanum oxide mixed film with improved moisture absorption resistance has been developed (Patent Document 2). According to Patent Document 2, the thin film made of lanthanum oxide is (La 1-x M x ) 2 O 3 (0 <x ≦ 0.3, M is Sc, Y, Hf, Ti, Ta, Al, Nb. 1 or 2 or more metals selected from the group). According to Patent Document 2, a ternary composition spread method is adopted for forming a mixed film. However, the surface state of the lanthanum oxide target used for this change even under high vacuum as described above. In some cases, problems may arise in the reproducibility of thin film production.

一方、多結晶透明イットリウム・アルミニウム・ガーネット・セラミックス、または、窒化アルミニウム焼結体の製造に、焼結助剤としてフッ化カルシウム、フッ化イットリウムを用いることが知られている(特許文献3および4)。特許文献3および4によれば、焼結助剤の添加により高密度な焼結体が得られる。   On the other hand, it is known that calcium fluoride and yttrium fluoride are used as sintering aids in the production of polycrystalline transparent yttrium / aluminum / garnet / ceramics or aluminum nitride sintered body (Patent Documents 3 and 4). ). According to Patent Documents 3 and 4, a high-density sintered body can be obtained by adding a sintering aid.

国際公開第2010/004861号International Publication No. 2010/004861 特開2003−133523号公報JP 2003-133523 A 特開平5−294724号公報JP-A-5-294724 特開平8−259328号公報JP-A-8-259328

以上より、本発明の課題は、高い耐吸湿性を有する酸化ランタンからなるセラミックス材料、その製造方法、それを用いたターゲット、および、それを用いた半導体装置を提供することである。   As described above, an object of the present invention is to provide a ceramic material made of lanthanum oxide having high moisture absorption resistance, a manufacturing method thereof, a target using the same, and a semiconductor device using the same.

本発明によるセラミックス材料は、0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなり、これにより上記課題を解決する。
前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.25mol%以上4mol%以下の範囲で固溶していてもよい。
前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.4mol%以上1.5mol%以下の範囲で固溶していてもよい。
前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.6mol%以上1.0mol%以下の範囲で固溶していてもよい。
前記アルカリ土類金属フッ化物は、マグネシウムフッ化物(MgF)、カルシウムフッ化物(CaF)およびストロンチウムフッ化物(SrF)からなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記酸化ランタンには、Q元素(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGaである)がさらに固溶していてもよい。
前記Q元素は、0mol%より多く15mol%以下の範囲で固溶していてもよい。
前記Q元素は、4mol%以上12mol%以下の範囲で固溶していてもよい。
1次イオンとしてOを用い、2次イオンとして前記酸化ランタンから飛来するプラスイオンを用いた二次イオン質量分析法により前記酸化ランタンを分析した際の、16O(酸素)に対するF(フッ素)のイオン強度比(F/16O)、および、La(ランタン)に対するアルカリ土類元素Mのイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.0013<F/16O≦0.15、および、
0.0012<M/La≦6
を満たしてもよい。
前記酸化ランタンは、一般式(La1−x−z(O1−y(ここで、Laはランタンであり、Mはアルカリ土類元素であり、Qは、Inおよび/またはGaであり、Oは酸素であり、Fはフッ素である)で表され、パラメータx、yおよびzは、それぞれ、
0.0001<x≦0.05、
0.0002<y≦0.1、および、
0≦z≦0.15
を満たしてもよい。
前記パラメータxおよびyは、それぞれ、
0.0025≦x≦0.04、および、
0.005≦y≦0.08、
を満たしてもよい。
前記パラメータxおよびyは、それぞれ、
0.004≦x≦0.015、および、
0.008≦y≦0.03
を満たしてもよい。
本発明による0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料を製造する方法は、酸化ランタン粉末と、アルカリ土類金属フッ化物粉末とを混合するステップであって、前記アルカリ土類金属フッ化物粉末は、前記酸化ランタン粉末に対して0.01mol%より多く5mol%以下の範囲で混合される、ステップと、前記混合するステップで得た混合物を、1100℃以上1500℃以下の温度範囲の温度で焼成するステップとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記混合するステップは、Q元素を含有する材料(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGaである)をさらに含有してもよい。
前記Q元素を含有する材料は、前記Qの金属、酸化物およびフッ化物からなる群から選択されてもよい。
前記Q元素を含有する材料は、前記酸化ランタン粉末および前記アルカリ土類金属フッ化物粉末に対して0mol%より多く15mol%以下の範囲で混合されてもよい。
本発明によるターゲットは、物理的気相成長法で用いる焼結体からなり、前記焼結体は、上述のいずれかに記載のセラミックス材料からなり、これにより上記課題を解決する。
前記物理的気相成長法は、スパッタ法、パルスレーザ堆積法および蒸着法からなる群から選択されてもよい。
本発明による半導体装置は、第1の導電層と、前記第1の導電層に対向する第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に位置する誘電体薄膜とを備え、前記誘電体薄膜は、上述のいずれかに記載のセラミックス材料からなり、これにより上記課題を解決する。
前記第1の導電層は、表面に離間して形成されたソース/ドレイン領域を有する半導体基板からなり、前記誘電体薄膜は、前記ソース/ドレイン領域の間の前記半導体基板上に位置しており、前記第2の導電層は、ゲート電極であり、前記半導体装置は、MOSFET、MFISFET、MFMISFET、MIFIMISFET、MFIMISFETおよびMIFMISFETからなる群から選択されてもよい。
The ceramic material according to the present invention comprises lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of more than 0.01 mol% and not more than 5 mol%, thereby solving the above problems.
The alkaline earth metal fluoride may be dissolved in a range of 0.25 mol% to 4 mol%.
The alkaline earth metal fluoride may be dissolved in the range of 0.4 mol% to 1.5 mol%.
The alkaline earth metal fluoride may be dissolved in the range of 0.6 mol% to 1.0 mol%.
The alkaline earth metal fluoride may be selected from the group consisting of magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), and strontium fluoride (SrF 2 ).
In the lanthanum oxide, a Q element (here, the Q element is In and / or Ga) may be further dissolved.
The Q element may be dissolved in the range of more than 0 mol% and 15 mol% or less.
The Q element may be dissolved in the range of 4 mol% to 12 mol%.
F (fluorine) for 16 O (oxygen) when the lanthanum oxide is analyzed by secondary ion mass spectrometry using O as primary ions and positive ions flying from the lanthanum oxide as secondary ions. The ionic strength ratio (F / 16 O) and the ionic strength ratio (M / La) of the alkaline earth element M to La (lanthanum) are respectively
0.0013 <F / 16 O ≦ 0.15, and
0.0012 <M / La ≦ 6
May be satisfied.
The lanthanum oxide is represented by the general formula (La 1-x-z M x Q z) 2 (O 1-y F y) 3 ( wherein, La is lanthanum, M is an alkaline earth element, Q is , In and / or Ga, O is oxygen and F is fluorine), and the parameters x, y and z are respectively
0.0001 <x ≦ 0.05,
0.0002 <y ≦ 0.1, and
0 ≦ z ≦ 0.15
May be satisfied.
The parameters x and y are respectively
0.0025 ≦ x ≦ 0.04, and
0.005 ≦ y ≦ 0.08,
May be satisfied.
The parameters x and y are respectively
0.004 ≦ x ≦ 0.015, and
0.008 ≦ y ≦ 0.03
May be satisfied.
According to the present invention, a method for producing a ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is solid-solved in a range of more than 0.01 mol% and not more than 5 mol% includes lanthanum oxide powder, alkaline earth metal fluoride, and A step of mixing the powder, wherein the alkaline earth metal fluoride powder is mixed in a range of more than 0.01 mol% and less than 5 mol% with respect to the lanthanum oxide powder, and the mixing step And firing the mixture obtained in step 1 at a temperature in the temperature range of 1100 ° C. or more and 1500 ° C. or less, thereby solving the above-mentioned problem.
The mixing step may further include a material containing a Q element (where the Q element is In and / or Ga).
The material containing the Q element may be selected from the group consisting of the metal, oxide and fluoride of the Q.
The material containing the Q element may be mixed in a range of more than 0 mol% and not more than 15 mol% with respect to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride powder.
The target according to the present invention is made of a sintered body used in physical vapor deposition, and the sintered body is made of any of the ceramic materials described above, thereby solving the above-mentioned problems.
The physical vapor deposition method may be selected from the group consisting of sputtering, pulsed laser deposition, and vapor deposition.
A semiconductor device according to the present invention includes a first conductive layer, a second conductive layer opposite to the first conductive layer, and a dielectric positioned between the first conductive layer and the second conductive layer. The dielectric thin film is made of any one of the ceramic materials described above, thereby solving the above-described problems.
The first conductive layer is made of a semiconductor substrate having source / drain regions formed on the surface so as to be spaced apart from each other, and the dielectric thin film is located on the semiconductor substrate between the source / drain regions. The second conductive layer may be a gate electrode, and the semiconductor device may be selected from the group consisting of MOSFET, MFISFET, MFMISFET, MIFIMSFET, MFIMISFET, and MIFMISFET.

本発明によるセラミックス材料は、0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる。酸化ランタンのランタンサイトに所定量のアルカリ土類元素が固溶し、その電荷補償のため酸素サイトに所定量のフッ素が固溶することにより、電子が生成し、酸素空孔が低減する。これにより、水と反応し、水素を取り込む酸素空孔が低減するので、耐吸湿性が向上し得る。さらに、生成した電子により水素が酸化ランタンの格子内部への固溶を抑制するので、耐吸湿性が向上し得る。   The ceramic material according to the present invention is made of lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of more than 0.01 mol% and not more than 5 mol%. When a predetermined amount of alkaline earth element is dissolved in the lanthanum oxide lanthanum site and a predetermined amount of fluorine is dissolved in the oxygen site for charge compensation, electrons are generated and oxygen vacancies are reduced. Thereby, oxygen vacancies that react with water and take in hydrogen are reduced, so that the moisture absorption resistance can be improved. Furthermore, since hydrogen suppresses the solid solution of lanthanum oxide inside the lattice by the generated electrons, the moisture absorption resistance can be improved.

本発明によるセラミックス材料の製造方法は、焼成のための出発原料に所定量のアルカリ土類金属フッ化物粉末を含有させることにより、酸化ランタンの融点が低下し、1100℃以上1500℃以下の温度範囲の温度で焼成するだけで、上述のセラミックス材料が得られるので、既存の加熱炉等を使用するだけでよく、熟練の技術も不要であるため、有利である。   In the method for producing a ceramic material according to the present invention, the melting point of lanthanum oxide is lowered by including a predetermined amount of alkaline earth metal fluoride powder in the starting material for firing, and the temperature range is from 1100 ° C. to 1500 ° C. Since the above-mentioned ceramic material can be obtained only by firing at a temperature of 1, it is only necessary to use an existing heating furnace or the like, and it is advantageous because a skilled technique is unnecessary.

本発明による半導体装置は、上述のセラミックス材料からなる薄膜を用いるので、酸化ランタン本来の高い比誘電率を発揮するだけでなく、耐吸湿性に優れており、長期間の安定した動作を可能にする。   Since the semiconductor device according to the present invention uses a thin film made of the above-mentioned ceramic material, it not only exhibits the inherent high dielectric constant of lanthanum oxide, but also has excellent moisture absorption resistance and enables stable operation over a long period of time. To do.

実施の形態1によるセラミックス材料を製造するプロセスを示すステップフローStep flow showing a process of manufacturing a ceramic material according to the first embodiment 実施の形態2による半導体装置の模式図Schematic diagram of a semiconductor device according to the second embodiment 実施の形態2による別の半導体装置の模式図Schematic diagram of another semiconductor device according to the second embodiment 実施例1/比較例2による焼結体の経時変化の様子を示す図The figure which shows the mode of a time-dependent change of the sintered compact by Example 1 / comparative example 2 実施例1による焼結体の密度の焼結温度依存性を示す図The figure which shows the sintering temperature dependence of the density of the sintered compact by Example 1 実施例1による焼結体のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the sintered compact by Example 1. 実施例3/比較例5による焼結体の経時変化の様子を示す図The figure which shows the mode of a time-dependent change of the sintered compact by Example 3 / comparative example 5 実施例3/比較例5による焼結体の密度のCaFの添加濃度の依存性を示す図Shows the dependence of concentration of added CaF 2 in the density of Example 3 / Comparative Example 5 according to the sintered body 実施例3/比較例5による焼結体におけるF/Oおよび44Ca/Laのイオン強度比のCaFの添加濃度の依存性を示す図It shows the dependence of the addition concentration of Example 3 / F of Comparative Example 5 in the sintered body / O and 44 Ca / La of CaF 2 in the ion intensity ratio 実施例6および比較例7による薄膜の経時変化の様子を示す図The figure which shows the mode of the time-dependent change of the thin film by Example 6 and Comparative Example 7 実施例6および比較例7による薄膜の経時変化のXRD回折パターンに及ぼす影響を示す図The figure which shows the influence which it has on the XRD diffraction pattern of the time-dependent change of the thin film by Example 6 and Comparative Example 7 実施例9によるキャパシタ9−2’〜9−6’の比誘電率のインジウム濃度依存性を示す図The figure which shows the indium density | concentration dependence of the dielectric constant of capacitor 9-2'-9-6 'by Example 9

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明のセラミックス材料およびその製造方法について説明する。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, the ceramic material of the present invention and the manufacturing method thereof will be described.

本願発明者らは、耐吸湿性の向上のため、酸化ランタンにおける酸素空孔の低減に着目し、アルカリ土類金属フッ化物が固溶した酸化ランタンからなるセラミックス材料を想起した。   The inventors of the present application have focused on reducing oxygen vacancies in lanthanum oxide in order to improve moisture absorption resistance, and have recalled a ceramic material made of lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved.

耐吸湿性の向上のメカニズムを説明する。   The mechanism for improving moisture absorption resistance will be described.

本願発明者らは、(i)式に示すように、酸化ランタン中の酸素空孔が水と水素とを取り込む活性席となると考え、酸素空孔の低減が耐吸湿性の向上に有効であることを見出した。
O+V ×→2H+O ・・・(i)
ここで、V ×は酸化ランタン中の酸素空孔であり、Oは酸素空孔に固溶した酸素である。酸素空孔は、水と反応し、水素を生成するが、生成した水素は酸化ランタン内部まで拡散し得る。
The inventors of the present application consider that oxygen vacancies in lanthanum oxide serve as active seats for taking in water and hydrogen, as shown in formula (i), and reducing oxygen vacancies is effective in improving moisture absorption resistance. I found out.
H 2 O + V O × → 2H + O 2 O (i)
Here, V 2 O x is oxygen vacancies in the lanthanum oxide, and O 2 O is oxygen dissolved in the oxygen vacancies. The oxygen vacancies react with water to produce hydrogen, which can diffuse into the lanthanum oxide.

一方、アルカリ土類金属フッ化物としてMF(Mはアルカリ土類金属元素)が酸化ランタン(La)に固溶する反応式は(ii)式のとおりである。
2MF+V ×→2MLa +4F +2e ・・・(ii)
ここで、V ×は酸化ランタン中の酸素空孔であり、MLa はランタンサイトに固溶したアルカリ土類金属元素であり、F は酸素空孔に固溶したフッ素元素である。
On the other hand, the reaction formula in which MF 2 (M is an alkaline earth metal element) as an alkaline earth metal fluoride is dissolved in lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is as shown in formula (ii).
2MF 2 + V O × → 2M La '+ 4F O ● + 2e - ··· (ii)
Here, V O x is oxygen vacancies in lanthanum oxide, M La is an alkaline earth metal element dissolved in lanthanum sites, and F 2 O is a fluorine element dissolved in oxygen vacancies. .

(ii)式に示すように、酸化ランタン中に固溶するアルカリ土類金属フッ化物は、ランタンサイトにアルカリ土類金属元素が固溶し、酸素空孔にフッ素元素が固溶する。さらに、電荷補償により格子内に電子が生成する。すなわち、アルカリ土類金属フッ化物の固溶により酸素空孔が低減することが分かる。また、酸化ランタンは、6.14eVのバンドギャップを有するため、生成した電子は、フッ素の近傍に局在し、絶縁体となる。   As shown in the formula (ii), in the alkaline earth metal fluoride dissolved in lanthanum oxide, the alkaline earth metal element dissolves in the lanthanum site, and the fluorine element dissolves in the oxygen vacancies. Furthermore, electrons are generated in the lattice by charge compensation. That is, it can be seen that oxygen vacancies are reduced by the solid solution of alkaline earth metal fluoride. Since lanthanum oxide has a band gap of 6.14 eV, the generated electrons are localized in the vicinity of fluorine and become an insulator.

(ii)式にしたがって酸素空孔が低減するので、(i)式が進まず、耐吸湿性が向上し得る。また、(i)式は起こったとしても酸化ランタン表面でのみであるため、生成した水素は酸化ランタンの格子内部へ固溶できず、水酸化ランタンの生成は、表面層のみといえる。   Since oxygen vacancies are reduced according to the formula (ii), the formula (i) does not advance and the moisture absorption resistance can be improved. Furthermore, even if the formula (i) occurs, it is only on the surface of lanthanum oxide, so that the generated hydrogen cannot be dissolved into the lattice of lanthanum oxide, and the generation of lanthanum hydroxide can be said to be only in the surface layer.

ここで、特許文献3および4に示す焼結助剤として用いられるフッ化カルシウムまたはフッ化イットリウムと、本発明のアルカリ土類金属フッ化物との違いについて説明する。焼結助剤とは、焼結の促進や安定化のために添加される添加物であるが、本来得たい物質と反応し、異なる物質となることは目的としないので、焼結助剤は、焼成後、粒界のガラス相に偏析する。しかしながら、本発明におけるアルカリ土類金属フッ化物は、粒界のガラス相に偏析するのではなく、酸化ランタンの各サイトに固溶させており、酸化ランタンの特性を制御していることに留意されたい。このような違いは、粒界ガラス相を電子顕微鏡、電子線を用いた元素分析等により観察することに容易に判断できる。   Here, the difference between the calcium fluoride or yttrium fluoride used as the sintering aid shown in Patent Documents 3 and 4 and the alkaline earth metal fluoride of the present invention will be described. A sintering aid is an additive added to promote or stabilize sintering, but it does not aim to react with a substance that is originally desired and become a different substance. After firing, segregates into the glassy phase of the grain boundary. However, it is noted that the alkaline earth metal fluoride in the present invention is not segregated in the glass phase at the grain boundary, but is dissolved in each site of lanthanum oxide to control the characteristics of lanthanum oxide. I want. Such a difference can be easily determined by observing the grain boundary glass phase by an electron microscope, elemental analysis using an electron beam, or the like.

このように、酸化ランタンにアルカリ土類金属フッ化物を固溶することにより、酸素空孔が低減するので、水との反応が生じにくくなるだけでなく、電子の生成により、酸化ランタン内部への水素の拡散を抑制できる。   Thus, by dissolving an alkaline earth metal fluoride in lanthanum oxide, oxygen vacancies are reduced, so that not only reaction with water is less likely to occur, but also the generation of electrons causes lanthanum oxide to enter the inside. Hydrogen diffusion can be suppressed.

本願発明者らは、酸化ランタン中の酸素空孔の制御により、酸化ランタンの耐吸湿性が向上し得ると考え、さらに、上述の効果を奏するアルカリ土類金属フッ化物の固溶量についても精査し、耐吸湿性を向上し得るセラミックス材料を開発した。   The inventors of the present application consider that the moisture absorption resistance of lanthanum oxide can be improved by controlling oxygen vacancies in lanthanum oxide, and further examine the solid solution amount of alkaline earth metal fluoride that exhibits the above-mentioned effects. In addition, we have developed ceramic materials that can improve moisture absorption resistance.

本発明のセラミックス材料は、0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる。アルカリ土類金属元素が0.01mol%以下の場合、固溶量が十分でないため、酸素空孔が低減しない恐れがある。アルカリ土類金属元素が5mol%を超える場合、アルカリ土類金属元素が多すぎるため、酸化ランタンの結晶構造が不安定になり得る。   The ceramic material of the present invention is made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of more than 0.01 mol% and not more than 5 mol%. When the amount of the alkaline earth metal element is 0.01 mol% or less, the amount of solid solution is not sufficient, so that oxygen vacancies may not be reduced. When the alkaline earth metal element exceeds 5 mol%, the crystal structure of lanthanum oxide can be unstable because there is too much alkaline earth metal element.

本発明のセラミックス材料は、好ましくは、0.25mol%以上4mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる。この範囲の固溶量であれば、アルカリ土類金属フッ化物が固溶し、耐吸湿性を向上できる。   The ceramic material of the present invention is preferably made of lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of 0.25 mol% to 4 mol%. If it is the amount of solid solution of this range, alkaline-earth metal fluoride will dissolve and moisture absorption resistance can be improved.

本発明のセラミックス材料は、より好ましくは、0.4mol%以上1.5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる。この範囲の固溶量であれば、確実にアルカリ土類金属フッ化物が固溶し、耐吸湿性を向上できる。   The ceramic material of the present invention is more preferably composed of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in the range of 0.4 mol% to 1.5 mol%. If it is the amount of solid solution of this range, an alkaline-earth metal fluoride will carry out solid solution reliably, and it can improve moisture absorption resistance.

本発明のセラミックス材料は、さらに好ましくは、0.6mol%以上1.0mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる。この範囲の固溶量であれば、例えば、セラミックス材料が焼結体である場合には、耐吸湿性が向上した高強度な焼結体となり得る。また、この範囲の固溶量であれば、例えば、セラミックス材料が薄膜である場合には、耐吸湿性が特に向上し、長期間の使用に耐える薄膜材料となり得る。   The ceramic material of the present invention is more preferably made of lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved in the range of 0.6 mol% to 1.0 mol%. When the solid solution amount is within this range, for example, when the ceramic material is a sintered body, a high-strength sintered body with improved moisture absorption resistance can be obtained. In addition, when the amount of solid solution is within this range, for example, when the ceramic material is a thin film, the moisture absorption resistance is particularly improved, and the thin film material can withstand long-term use.

本発明のセラミックス材料は、さらに好ましくは、Q元素(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGaである)がさらに固溶している酸化ランタンからなる。Q元素がランタンサイトに固溶することにより、酸化ランタンの比誘電率を向上させることができる。   More preferably, the ceramic material of the present invention is made of lanthanum oxide in which a Q element (wherein the Q element is In and / or Ga) is further dissolved. When the Q element is dissolved in the lanthanum site, the relative dielectric constant of the lanthanum oxide can be improved.

Q元素の固溶量は、好ましくは、0mol%より多く15mol%以下の範囲である。わずかでも固溶することによって酸化ランタンの比誘電率の向上が見られる。15mol%を超えて固溶させると、酸化ランタンの結晶構造が維持されない場合がある。   The solid solution amount of the Q element is preferably in the range of more than 0 mol% and not more than 15 mol%. An improvement in the dielectric constant of lanthanum oxide can be seen by even a slight dissolution. If the solid solution exceeds 15 mol%, the crystal structure of lanthanum oxide may not be maintained.

Q元素の固溶量は、さらに好ましくは、4mol%以上12mol%以下の範囲である。この範囲の固溶量であれば酸化ランタンの比誘電率を確実に向上させることができる。なお、Q元素の固溶量は4mol%以上8mol%以下の範囲であってもよい。より少ないQ元素であっても同様の効果が得られる。   More preferably, the solid solution amount of the element Q is in the range of 4 mol% to 12 mol%. If the amount is in this range, the relative dielectric constant of lanthanum oxide can be improved reliably. The solid solution amount of the Q element may be in the range of 4 mol% to 8 mol%. The same effect can be obtained even with less Q element.

本発明のセラミックス材料は、一般式(La1−x−z(O1−y(ここで、Laはランタンであり、Mはアルカリ土類元素であり、QはInおよび/またはGaであり、Oは酸素であり、Fはフッ素である)で表されてもよい。ここで、パラメータxおよびyは、それぞれ、
0.0001<x≦0.05、
0.0002<y≦0.1、および、
0≦z≦0.15
を満たす。xが0.0001以下である場合、固溶量が十分でないため、酸素空孔が低減しない恐れがある。xが0.05を超える場合、アルカリ土類金属元素が多すぎるため、酸化ランタンの結晶構造が不安定になり得る。yが、この範囲であれば、酸素空孔を埋めることができる。zが0.15を超えると、Inおよび/またはGaが多すぎるため、酸化ランタンの結晶構造が不安定になり得る。パラメータzは0であってもよいが、0を超えると酸化ランタンの比誘電率を向上させることができ、好ましくは、0.04≦z≦0.12を満たす。これにより、酸化ランタンの比誘電率を確実に向上させることができる。
Ceramic material of the present invention have the general formula (La 1-x-z M x Q z) 2 (O 1-y F y) 3 ( wherein, La is lanthanum, M is an alkaline earth element, Q is In and / or Ga, O is oxygen, and F is fluorine. Where the parameters x and y are respectively
0.0001 <x ≦ 0.05,
0.0002 <y ≦ 0.1, and
0 ≦ z ≦ 0.15
Meet. When x is 0.0001 or less, since the amount of solid solution is not sufficient, there is a possibility that oxygen vacancies are not reduced. When x exceeds 0.05, the alkaline earth metal element is too much, so that the crystal structure of lanthanum oxide can be unstable. If y is in this range, oxygen vacancies can be filled. If z exceeds 0.15, the crystal structure of lanthanum oxide may become unstable because of too much In and / or Ga. The parameter z may be 0, but if it exceeds 0, the dielectric constant of lanthanum oxide can be improved, and preferably satisfies 0.04 ≦ z ≦ 0.12. Thereby, the relative dielectric constant of lanthanum oxide can be improved reliably.

本発明のセラミックス材料は、上記一般式において、パラメータxおよびyが、好ましくは、それぞれ、
0.0025≦x≦0.04、および、
0.005≦y≦0.08
を満たす。xおよびyがこの範囲を満たせば、アルカリ土類金属元素の固溶、およびフッ素元素の固溶により、酸素空孔が低減し、耐吸湿性を向上できる。
In the ceramic material of the present invention, the parameters x and y in the general formula are preferably
0.0025 ≦ x ≦ 0.04, and
0.005 ≦ y ≦ 0.08
Meet. If x and y satisfy this range, oxygen vacancies can be reduced and moisture absorption resistance can be improved by the solid solution of the alkaline earth metal element and the solid solution of the fluorine element.

本発明のセラミックス材料は、上記一般式において、パラメータxおよびyが、好ましくは、それぞれ、
0.004≦x≦0.015、および、
0.008≦y≦0.03
を満たす。xおよびyがこの範囲を満たせば、アルカリ土類金属元素の確実な固溶、およびフッ素元素の確実な固溶により、酸素空孔が低減し、耐吸湿性を向上できる。
In the ceramic material of the present invention, the parameters x and y in the general formula are preferably
0.004 ≦ x ≦ 0.015, and
0.008 ≦ y ≦ 0.03
Meet. When x and y satisfy this range, oxygen vacancies can be reduced and moisture absorption resistance can be improved by the reliable solid solution of the alkaline earth metal element and the solid solution of the fluorine element.

本発明のセラミックス材料は、上記一般式において、パラメータxおよびyが、好ましくは、それぞれ、
0.006≦x≦0.01、および、
0.012≦y≦0.02
を満たす。xおよびyがこの範囲を満たせば、例えば、セラミックス材料が焼結体である場合には、耐吸湿性が向上した高強度な焼結体となり得る。また、例えば、セラミックス材料が薄膜である場合には、耐吸湿性が特に向上し、長期間の使用に耐える薄膜材料となり得る。
In the ceramic material of the present invention, the parameters x and y in the general formula are preferably
0.006 ≦ x ≦ 0.01, and
0.012 ≦ y ≦ 0.02
Meet. If x and y satisfy this range, for example, when the ceramic material is a sintered body, a high-strength sintered body with improved moisture absorption resistance can be obtained. For example, when the ceramic material is a thin film, the moisture absorption resistance is particularly improved, and the thin film material can withstand long-term use.

酸素空孔が完全に除去される場合、好ましくは、y=2xであるが、上述のxおよびyの範囲であれば、いずれも効果を達成できる。なお、後述するように、Q元素を含有する原料としてQ元素のフッ化物を用いた場合には、Q元素のフッ化物は、アルカリ土類金属フッ化物とともに、酸化ランタンの酸素サイトへのフッ素の固溶に寄与する。しかしながら、この場合であっても、Q元素のフッ化物によるフッ素は、アルカリ土類金属フッ化物によるフッ素のうち酸素サイトに固溶しなかった分を補助するよう機能するので、酸素サイトに固溶するフッ素の量は、アルカリ土類金属フッ化物によるフッ素の量を基準として考えてよい。   When oxygen vacancies are completely removed, preferably y = 2x, but any effect can be achieved as long as x and y are within the above ranges. As will be described later, when a fluoride of Q element is used as a raw material containing the Q element, the fluoride of Q element together with the alkaline earth metal fluoride contains fluorine to the oxygen site of lanthanum oxide. Contributes to solid solution. However, even in this case, the fluorine due to the fluoride of the element Q functions to assist the portion of the fluorine due to the alkaline earth metal fluoride not dissolved in the oxygen site. The amount of fluorine to be used may be considered based on the amount of fluorine by the alkaline earth metal fluoride.

本発明のセラミックス材料は、アルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタン(単に酸化ランタン)を二次イオン質量分析法により1次イオンにO−を用い、2次イオンとして表面から飛来するプラスイオンを測定・分析した場合、16O(酸素)に対するF(フッ素)のイオン強度比(F/16O)、および、La(ランタン)に対するM(Mはアルカリ土類元素であるが、例えばMがカルシウムの場合には、44Caのカルシウム同位体)のイオン強度比(M/La)が、好ましくは、それぞれ、
0.0013<F/16O≦0.15、および、
0.0012<M/La≦6
を満たす。F/16OおよびM/Laのイオン強度比がこの範囲であれば、酸素空孔を埋めることができる。
The ceramic material of the present invention uses lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is solid-solved (simply lanthanum oxide) as a secondary ion by using O- as a primary ion by secondary ion mass spectrometry. When measuring and analyzing positive ions, the ionic strength ratio of F (fluorine) to 16 O (oxygen) (F / 16 O) and M to La (lanthanum) (M is an alkaline earth element, For example, when M is calcium, the ionic strength ratio (M / La) of 44 Ca calcium isotope is preferably
0.0013 <F / 16 O ≦ 0.15, and
0.0012 <M / La ≦ 6
Meet. If the ionic strength ratio of F / 16 O and M / La is within this range, the oxygen vacancies can be filled.

本発明のセラミックス材料は、より好ましくは、イオン強度比(F/16O)およびイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.01≦F/16O≦0.091、および、
0.13≦M/La≦4.6
を満たす。F/16OおよびM/Laのイオン強度比がこの範囲であれば、アルカリ土類金属元素の固溶、およびフッ素元素の固溶により、酸素空孔が低減するので、耐吸湿性を向上できる。
More preferably, in the ceramic material of the present invention, the ionic strength ratio (F / 16 O) and the ionic strength ratio (M / La) are respectively
0.01 ≦ F / 16 O ≦ 0.091, and
0.13 ≦ M / La ≦ 4.6
Meet. If the ionic strength ratio of F / 16 O and M / La is within this range, oxygen vacancies are reduced by the solid solution of alkaline earth metal element and the solid solution of fluorine element, so that the moisture absorption resistance can be improved. .

本発明のセラミックス材料は、より好ましくは、イオン強度比(F/16O)およびイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.016≦F/16O≦0.042、および、
0.25≦M/La≦1.5
を満たす。F/16OおよびM/Laのイオン強度比がこの範囲であれば、アルカリ土類金属元素の確実な固溶、およびフッ素元素の確実な固溶により、酸素空孔が低減するので、耐吸湿性を向上できる。
More preferably, in the ceramic material of the present invention, the ionic strength ratio (F / 16 O) and the ionic strength ratio (M / La) are respectively
0.016 ≦ F / 16 O ≦ 0.042, and
0.25 ≦ M / La ≦ 1.5
Meet. If the ionic strength ratio of F / 16 O and M / La is within this range, oxygen vacancies are reduced due to reliable solid solution of alkaline earth metal elements and solid solution of fluorine elements. Can be improved.

本発明のセラミックス材料は、さらに好ましくは、イオン強度比(F/16O)およびイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.024≦F/16O≦0.031、および、
0.4≦M/La≦0.75
を満たす。F/16OおよびM/Laのイオン強度比がこの範囲を満たせば、例えば、セラミックス材料が焼結体である場合には、耐吸湿性が向上した高強度な焼結体となり得る。また、例えば、セラミックス材料が薄膜である場合には、耐吸湿性が特に向上し、長期間の使用に耐える薄膜材料となり得る。
More preferably, in the ceramic material of the present invention, the ionic strength ratio (F / 16 O) and the ionic strength ratio (M / La) are respectively
0.024 ≦ F / 16 O ≦ 0.031, and
0.4 ≦ M / La ≦ 0.75
Meet. When the ionic strength ratio of F / 16 O and M / La satisfies this range, for example, when the ceramic material is a sintered body, a high-strength sintered body with improved moisture absorption resistance can be obtained. For example, when the ceramic material is a thin film, the moisture absorption resistance is particularly improved, and the thin film material can withstand long-term use.

アルカリ土類金属フッ化物は、フッ化ベリリウム(BeF)、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化カルシウム(CaF)、フッ化ストロンチウム(SrF)、および、フッ化バリウム(BaF)からなる群から選択されるフッ化物がよいが、なかでも、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化カルシウム(CaF)およびフッ化ストロンチウム(SrF)からなる群から選択されるフッ化物が好ましい。これらのフッ化物を用いれば、歩留まりよく製造できる。 Alkaline earth metal fluorides are from beryllium fluoride (BeF 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), strontium fluoride (SrF 2 ), and barium fluoride (BaF 2 ). A fluoride selected from the group consisting of magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), and strontium fluoride (SrF 2 ) is particularly preferable. If these fluorides are used, they can be produced with good yield.

アルカリ土類金属フッ化物は、さらに好ましくは、フッ化カルシウム(CaF)である。フッ化カルシウムであれば、カルシウムが確実にLaサイトに固溶し、フッ素が確実に酸素に固溶するので、耐吸湿性が向上した酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られる。 More preferably, the alkaline earth metal fluoride is calcium fluoride (CaF 2 ). In the case of calcium fluoride, calcium is surely dissolved in the La site and fluorine is surely dissolved in oxygen, so that a ceramic material made of lanthanum oxide having improved moisture absorption resistance can be obtained.

本発明のセラミックス材料の形態は、特に制限がないが、粉体、焼結体または薄膜であり得る。本発明のセラミックス材料が粉体である場合、耐吸湿性が改善されているので、秤量時に水分の影響を受けない原料粉末として有効であり、秤量時の誤差を低減し、所望の最終生成物を得ることができる。   The form of the ceramic material of the present invention is not particularly limited, but may be a powder, a sintered body, or a thin film. When the ceramic material of the present invention is a powder, the moisture absorption resistance is improved. Therefore, the ceramic material is effective as a raw material powder not affected by moisture at the time of weighing, reducing errors at the time of weighing, and a desired final product. Can be obtained.

本発明のセラミックス材料が焼結体である場合、物理的気相成長法で用いる薄膜製造用のターゲットに利用され得る。物理的気相成長法は、ターゲットを用いる方法であれば特に制限はないが、具体的には、スパッタ法、パルスレーザ堆積法および蒸着法からなる群から選択される。この場合も、耐吸湿性が改善されているので、高真空下でもチャンバ内に残留する水分を吸収することはなく、ターゲットの表面状態が変化することはないので、再現性よく薄膜を製造できる。また、ターゲットをデシケータあるいは真空デシケータで保存するなど格別の処理が不要となるので、維持費の削減にも有利である。   When the ceramic material of the present invention is a sintered body, it can be used as a target for manufacturing a thin film used in physical vapor deposition. The physical vapor deposition method is not particularly limited as long as it is a method using a target. Specifically, the physical vapor deposition method is selected from the group consisting of sputtering, pulse laser deposition, and vapor deposition. Also in this case, since the moisture absorption resistance is improved, moisture remaining in the chamber is not absorbed even under a high vacuum, and the surface state of the target does not change, so that a thin film can be manufactured with good reproducibility. . In addition, special processing such as storing the target in a desiccator or vacuum desiccator is not necessary, which is advantageous in reducing maintenance costs.

本発明のセラミックス材料が薄膜である場合、耐吸湿性が改善されているので、酸化ランタン本来の特性である、絶縁性および高い誘電率を発揮でき、半導体装置に用いる絶縁体薄膜または誘電体薄膜として機能する。さらに、水分の影響によって特性が変化しないので、本発明の薄膜であるセラミックス材料を用いた半導体装置は、長期間にわたって大気中でも安定した動作を可能にする。   When the ceramic material of the present invention is a thin film, the moisture absorption resistance is improved. Therefore, the insulating film or the dielectric thin film used in the semiconductor device can exhibit the insulating properties and high dielectric constant, which are inherent characteristics of lanthanum oxide. Function as. Further, since the characteristics do not change due to the influence of moisture, the semiconductor device using the ceramic material which is the thin film of the present invention enables a stable operation in the air for a long period of time.

次に、図1を参照し、本発明の少なくとも0.01mol%以上5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIG. 1, the manufacturing method of the ceramic material which consists of a lanthanum oxide in which alkaline-earth metal fluoride is dissolved in the range of at least 0.01 mol% or more and 5 mol% or less of the present invention will be described.

図1は、実施の形態1によるセラミックス材料を製造するプロセスを示すステップフローである。   FIG. 1 is a step flow showing a process for producing a ceramic material according to the first embodiment.

ステップS110:酸化ランタン粉末と、アルカリ土類金属フッ化物粉末とを混合する。ここで、アルカリ土類金属フッ化物粉末は、酸化ランタン粉末に対して0.01mol%より多く5mol%以下の範囲で混合される。これにより、0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られる。   Step S110: Mixing lanthanum oxide powder and alkaline earth metal fluoride powder. Here, the alkaline earth metal fluoride powder is mixed in a range of 0.01 mol% to 5 mol% with respect to the lanthanum oxide powder. As a result, a ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of more than 0.01 mol% and not more than 5 mol% can be obtained.

好ましくは、アルカリ土類金属フッ化物粉末は、酸化ランタン粉末に対して0.25mol%以上4mol%以下の範囲で混合される。これにより、0.25mol%以上4mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られ、耐吸湿性を向上できる。   Preferably, the alkaline earth metal fluoride powder is mixed in a range of 0.25 mol% to 4 mol% with respect to the lanthanum oxide powder. Thereby, the ceramic material which consists of a lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is solid-solved in the range of 0.25 mol% or more and 4 mol% or less is obtained, and moisture absorption resistance can be improved.

より好ましくは、アルカリ土類金属フッ化物粉末は、酸化ランタン粉末に対して0.4mol%以上1.5mol%以下の範囲で混合される。これにより、0.4mol%以上1.5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られ、耐吸湿性を確実に向上できる。   More preferably, the alkaline earth metal fluoride powder is mixed in a range of 0.4 mol% to 1.5 mol% with respect to the lanthanum oxide powder. As a result, a ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in the range of 0.4 mol% or more and 1.5 mol% or less is obtained, and the moisture absorption resistance can be reliably improved.

さらに好ましくは、アルカリ土類金属フッ化物粉末は、酸化ランタン粉末に対して0.6mol%以上1.0mol%以下の範囲で混合される。これにより、0.6mol%以上1.0mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られ、セラミックス材料が焼結体の場合にはとりわけ高強度となり得る。   More preferably, the alkaline earth metal fluoride powder is mixed in the range of 0.6 mol% to 1.0 mol% with respect to the lanthanum oxide powder. As a result, a ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in the range of 0.6 mol% or more and 1.0 mol% or less is obtained, and is particularly high when the ceramic material is a sintered body. It can be strength.

アルカリ土類金属フッ化物粉末は、フッ化ベリリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウムおよびフッ化バリウムからなる群から選択されるが、製造の容易さの観点から、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化カルシウム(CaF)およびフッ化ストロンチウム(SrF)が好ましい。 The alkaline earth metal fluoride powder is selected from the group consisting of beryllium fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride and barium fluoride. From the viewpoint of ease of production, magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ) and strontium fluoride (SrF 2 ) are preferred.

ここで使用される酸化ランタン粉末およびアルカリ土類金属フッ化物粉末は、いずれも入手可能な市販されているものでよい。市販されている酸化ランタン粉末は、吸湿性を有するので、粉末の秤量および混合は、好ましくは、不活性ガス雰囲気で充填したグローブボックス内で行われる。不活性ガス雰囲気は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンに代表される希ガス元素または窒素ガスであり得る。あるいは、酸化ランタン粉末を秤量前に熱処理し、水分を除去してもよい。熱処理条件に特に制限はないが、例えば、1000℃で1時間で足り得る。   The lanthanum oxide powder and alkaline earth metal fluoride powder used here may both be commercially available. Since commercially available lanthanum oxide powders are hygroscopic, the powders are preferably weighed and mixed in a glove box filled with an inert gas atmosphere. The inert gas atmosphere can be a rare gas element typified by helium, neon, argon, krypton, or nitrogen gas. Alternatively, lanthanum oxide powder may be heat-treated before weighing to remove moisture. Although there is no restriction | limiting in particular in heat processing conditions, For example, 1 hour may be sufficient at 1000 degreeC.

秤量された粉末の混合は、湿式または乾式で行われ、乳鉢を用いて手動にて粉砕および混合を行ってもよいし、ボールミルなどの粉砕機を用いて機械的に行ってもよい。ボールミルを用いれば、均一な混合を可能にする。   The weighed powder may be mixed wet or dry, and may be manually pulverized and mixed using a mortar, or mechanically using a pulverizer such as a ball mill. If a ball mill is used, uniform mixing is possible.

ステップS110で得られた混合物を、窒素フローなどにより乾燥させてもよい。これにより湿式混合でエタノールなどの溶媒を用いた場合には、溶媒を除去できる。   The mixture obtained in step S110 may be dried by a nitrogen flow or the like. Thereby, when a solvent such as ethanol is used in wet mixing, the solvent can be removed.

なお、ステップS110において、酸化ランタン粉末と、アルカリ土類金属フッ化物粉末とに加えて、Q元素を含有する材料(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGa)をさらに混合してもよい。これにより、Q元素がさらに固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料が得られ、このようなセラミックス材料は、高い比誘電率を有する。   In step S110, in addition to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride powder, a material containing a Q element (where Q element is In and / or Ga) may be further mixed. . Thereby, a ceramic material made of lanthanum oxide in which the Q element is further dissolved is obtained, and such a ceramic material has a high relative dielectric constant.

Q元素を含有する材料として、Q元素の金属、酸化物およびフッ化物からなる群から選択される材料を用いることができる。例えば、Q元素の酸化物(酸化インジウム、酸化ガリウム)は、入手が容易であるため有利である。例えば、Q元素のフッ化物(フッ化インジウム、フッ化ガリウム)は、アルカリ土類金属フッ化物とともに、酸化ランタンの酸素空孔の低減に寄与し、耐吸湿性の向上に有利である。   As the material containing the Q element, a material selected from the group consisting of metals, oxides and fluorides of the Q element can be used. For example, an oxide of Q element (indium oxide, gallium oxide) is advantageous because it is easily available. For example, fluorides of element Q (indium fluoride, gallium fluoride), together with alkaline earth metal fluorides, contribute to the reduction of oxygen vacancies in lanthanum oxide and are advantageous in improving moisture absorption resistance.

好ましくは、Q元素を含有する原料は、酸化ランタン粉末およびアルカリ土類金属フッ化物に対して0mol%より多く15mol%以下の範囲で混合される。これにより、Q元素がランタンサイトに固溶し、酸化ランタンの比誘電率を向上させることができる。より好ましくは、Q元素を含有する原料は、酸化ランタン粉末およびアルカリ土類金属フッ化物に対して4mol%以上12mol%以下の範囲で混合される。これにより、Q元素がランタンサイトに固溶し、酸化ランタンの比誘電率を確実に向上させることができる。さらに好ましくは、Q元素を含有する原料は、酸化ランタン粉末およびアルカリ土類金属フッ化物に対して4mol%以上8mol%以下の範囲で混合される。これにより、少量のQ元素を含有する原料によっても、酸化ランタンの比誘電率を確実に向上させることができる。   Preferably, the raw material containing element Q is mixed in a range of more than 0 mol% and not more than 15 mol% with respect to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride. Thereby, the Q element can be dissolved in the lanthanum site, and the relative dielectric constant of the lanthanum oxide can be improved. More preferably, the raw material containing element Q is mixed in a range of 4 mol% or more and 12 mol% or less with respect to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride. As a result, the Q element is dissolved in the lanthanum site, and the relative dielectric constant of the lanthanum oxide can be reliably improved. More preferably, the raw material containing element Q is mixed in the range of 4 mol% or more and 8 mol% or less with respect to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride. Thereby, the relative dielectric constant of lanthanum oxide can be reliably improved even with a raw material containing a small amount of Q element.

ステップS120:ステップS110で得た混合物を1100℃以上1500℃以下の温度範囲の温度で焼成する。注目すべきは、焼成温度が、酸化ランタンの融点(2315℃)よりも顕著に低いにも関わらず、焼成を可能にする点である。これは、ステップS110で混合されたアルカリ土類金属フッ化物粉末に起因する。アルカリ土類金属フッ化物は、原料粉末の酸化ランタン中に含有される水分に作用し、部分的に溶融した水分を含有するアルカリ土類金属フッ化物となり、それが酸化ランタンに作用し、最終的に、焼成温度を劇的に低下できる。なお、焼成に用いる加熱炉は、焼成温度が上述の範囲を達成できれば、特別の制限はないが、例示的には、電気炉等を用いる。本発明の方法は、特別の高温炉などは不要であるので、汎用性が高い。   Step S120: The mixture obtained in Step S110 is fired at a temperature in the temperature range of 1100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. It should be noted that although the firing temperature is significantly lower than the melting point of lanthanum oxide (2315 ° C.), firing is possible. This is due to the alkaline earth metal fluoride powder mixed in step S110. Alkaline earth metal fluoride acts on the moisture contained in the lanthanum oxide of the raw powder, and becomes an alkaline earth metal fluoride containing partially molten moisture, which acts on the lanthanum oxide, and finally In addition, the firing temperature can be dramatically reduced. The heating furnace used for firing is not particularly limited as long as the firing temperature can achieve the above-described range, but an electric furnace or the like is illustratively used. The method of the present invention is highly versatile because it does not require a special high-temperature furnace.

例えば、アルカリ土類金属フッ化物粉末が、フッ化カルシウム粉末である場合、好ましくは、焼成温度は、1340℃以上1440℃以下の範囲である。焼成温度がこの範囲であれば、密度の高い焼結体が得られる。特に、焼成温度が1440℃を超えると、フッ化カルシウムが気化してしまい、フッ化カルシウムの効果を十分に得られない場合があり得る。   For example, when the alkaline earth metal fluoride powder is calcium fluoride powder, the firing temperature is preferably in the range of 1340 ° C. or higher and 1440 ° C. or lower. When the firing temperature is within this range, a sintered body having a high density can be obtained. In particular, when the firing temperature exceeds 1440 ° C., calcium fluoride is vaporized, and the effect of calcium fluoride may not be sufficiently obtained.

例えば、アルカリ土類金属フッ化物粉末が、フッ化カルシウム粉末である場合、より好ましくは、焼成温度は、1355℃以上1418℃以下の範囲である。焼成温度が上記範囲であれば、得られる焼結体が十分に緻密(高密度)化し、フッ化カルシウムが酸化ランタンに確実に固溶する。なお、上限を1418℃とするのは、フッ化カルシウムの融点であるためである。   For example, when the alkaline earth metal fluoride powder is calcium fluoride powder, the firing temperature is more preferably in the range of 1355 ° C. to 1418 ° C. When the firing temperature is within the above range, the obtained sintered body becomes sufficiently dense (high density), and calcium fluoride is reliably dissolved in lanthanum oxide. The upper limit is set to 1418 ° C. because it is the melting point of calcium fluoride.

すなわち、アルカリ土類金属フッ化物粉末としてフッ化カルシウム以外を用いても、焼成温度の好適な上限は、用いたアルカリ土類金属フッ化物の融点とすればよい。下限は、融点から70℃低い温度とすれば、焼成に問題はない。   That is, even if calcium fluoride other than calcium fluoride is used as the alkaline earth metal fluoride powder, the preferable upper limit of the firing temperature may be the melting point of the alkaline earth metal fluoride used. If the lower limit is 70 ° C. lower than the melting point, there is no problem in firing.

なお、ステップS110において、Q元素を含有する原料をさらに混合する場合、焼成温度は、好ましくは、1100℃以上1350℃以下の範囲である。Q元素を含有する原料を用いることにより、焼成温度を低下させることができる。例えば、Q元素を含有する原料を4mol%以上12mol%以下の範囲で混合した場合、焼成温度を、1120℃以上1300℃以下の温度範囲に設定しても、焼結体を十分に緻密化できる。   In step S110, when the raw material containing the Q element is further mixed, the firing temperature is preferably in the range of 1100 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. By using the raw material containing the Q element, the firing temperature can be lowered. For example, when the raw material containing the element Q is mixed in the range of 4 mol% to 12 mol%, the sintered body can be sufficiently densified even if the firing temperature is set to a temperature range of 1120 ° C. to 1300 ° C. .

焼成雰囲気に特に制限はなく、大気中または不活性ガス雰囲気中であれば焼成できるが、例えば、Q元素を含有する原料を用いない場合には、不活性ガス雰囲気中で焼成することが好ましい。これにより、アルカリ土類フッ化物の蒸発が抑制され、アルカリ土類フッ化物が効果的に酸化ランタンに固溶するので、緻密化できる。例えば、Q元素を含有する原料を用いる場合には、大気中で焼成することが好ましい。このようにして得られた焼結体をターゲットに用いて形成した薄膜は、より高い比誘電率を有することができる。   There is no particular limitation on the firing atmosphere, and firing can be performed in the air or in an inert gas atmosphere. For example, when a raw material containing Q element is not used, firing is preferably performed in an inert gas atmosphere. Thereby, evaporation of the alkaline earth fluoride is suppressed, and the alkaline earth fluoride is effectively dissolved in the lanthanum oxide, so that it can be densified. For example, when a raw material containing Q element is used, it is preferably fired in the air. The thin film formed by using the sintered body thus obtained as a target can have a higher relative dielectric constant.

不活性ガス雰囲気は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンに代表される希ガス元素または窒素ガスであり得る。これにより、アルカリ土類金属フッ化物の酸化ランタンへの固溶を促進する。焼成時間は、特に制限はないが、0.5時間以上10時間以下である。焼成時間が0.5時間より短いと、アルカリ土類金属フッ化物が酸化ランタンに十分に固溶しない場合がある。焼成時間が10時間を超えても、それ以上固溶に変化はない場合がある。より好ましくは、焼成時間は1時間以上5時間以下の範囲である。これにより、効率的にアルカリ土類金属フッ化物が酸化ランタンに固溶する。   The inert gas atmosphere can be a rare gas element typified by helium, neon, argon, krypton, or nitrogen gas. Thereby, the solid solution of alkaline earth metal fluoride in lanthanum oxide is promoted. The firing time is not particularly limited but is 0.5 hours or more and 10 hours or less. When the firing time is shorter than 0.5 hour, the alkaline earth metal fluoride may not be sufficiently dissolved in lanthanum oxide. Even if the firing time exceeds 10 hours, the solid solution may not change any more. More preferably, the firing time is in the range of 1 hour to 5 hours. Thereby, the alkaline earth metal fluoride is efficiently dissolved in lanthanum oxide.

このようなステップS110〜S120により、本発明の、少なくとも0.01mol%以上5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなる粉末状のセラミックス材料が得られる。   By such steps S110 to S120, a powdered ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved in the range of at least 0.01 mol% to 5 mol% of the present invention is obtained.

ステップS120に先立って、混合物を圧粉成形してもよい。圧粉成形には、例えば、冷間静水圧加圧成形(CIP)、1軸加圧成形など通常の装置が採用される。例えば、セラミックス材料がターゲットやペレットなどの焼結体である場合、ステップS120の焼成において、圧粉成形により粉体同士が密着しているので、アルカリ土類金属フッ化物の酸化ランタンへの固溶が促進され、緻密な焼結体が得られる。   Prior to step S120, the mixture may be compacted. For compacting, for example, a normal apparatus such as cold isostatic pressing (CIP) or uniaxial pressing is employed. For example, when the ceramic material is a sintered body such as a target or a pellet, since the powders are in close contact with each other by compacting in the firing in step S120, the alkaline earth metal fluoride is dissolved in lanthanum oxide. Is promoted to obtain a dense sintered body.

あるいは、ステップS120において、熱間等方圧加圧法(HIP)またはホットプレスを用いてもよい。これにより、粉体同士がより密着した状態で焼成できるので、アルカリ土類金属フッ化物の酸化ランタンへの固溶が促進され、さらに緻密な焼結体が得られる。   Alternatively, in step S120, hot isostatic pressing (HIP) or hot press may be used. Thereby, since it can calcinate in the state where powders adhered more closely, solid solution to alkaline-earth metal fluoride in lanthanum oxide is promoted, and a denser sintered body is obtained.

本発明のセラミックス材料が薄膜である場合、上述のステップに続いて、本発明の焼結体であるセラミックス材料をターゲットに用い、スパッタ法、パルスレーザ堆積法および蒸着法に代表される物理的気相成長法により所定の基体上に薄膜を得ることができる。所定の基体とは、薄膜が形成可能な表面を有していれば特に制限はないが、例えば、ガラス基板、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム等の半導体基板、または、それらに金属電極が付与された基板等が挙げられる。   When the ceramic material of the present invention is a thin film, following the above-described steps, the ceramic material, which is the sintered body of the present invention, is used as a target, and a physical atmosphere represented by sputtering, pulse laser deposition, and vapor deposition is used. A thin film can be obtained on a predetermined substrate by the phase growth method. The predetermined substrate is not particularly limited as long as it has a surface on which a thin film can be formed. For example, a glass substrate, a semiconductor substrate such as single crystal silicon, single crystal germanium, or a metal electrode is provided to them. And the like.

上述したように、本発明の製造方法によれば、所定量のアルカリ土類金属フッ化物を用いることにより、酸化ランタンの融点が劇的に低下し、1100℃以上1500℃以下の温度範囲の温度で焼成するだけで、上述のセラミックス材料が得られるので、熟練の技術や特別の装置を不要とし、汎用性が高い。   As described above, according to the production method of the present invention, by using a predetermined amount of alkaline earth metal fluoride, the melting point of lanthanum oxide is drastically lowered, and the temperature in the temperature range of 1100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. Since the above-mentioned ceramic material can be obtained simply by firing, the skill and special equipment are not required, and the versatility is high.

ここまで、酸化ランタンに注目してきたが、本発明は、酸化ランタン以外の希土類酸化物にも適用できる。例えば、酸化ホルミニウム(Ho)、酸化エルビウム(Er)、酸化ユーロピウム(Er)、酸化ルテチウム(Lu)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化ツリウム(Tm)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化イットリウム(Y)なども吸湿性を有しており、酸化ランタンと同様に、これらにアルカリ土類金属フッ化物を固溶させれば耐吸湿性を高めることができる。 So far, attention has been focused on lanthanum oxide, but the present invention can also be applied to rare earth oxides other than lanthanum oxide. For example, holmium oxide (Ho 2 O 3 ), erbium oxide (Er 2 O 3 ), europium oxide (Er 2 O 3 ), lutetium oxide (Lu 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), thulium oxide ( Tm 2 O 3 ), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), etc. are also hygroscopic, and, like lanthanum oxide, alkaline earth metal fluorides are dissolved in them. If it is made, moisture absorption resistance can be improved.

また、酸化ランタン以外の希土類酸化物も融点が高く、焼結体を製造するのが困難とされる。そこで、酸化ランタン以外の希土類酸化物についても、アルカリ土類金属フッ化物とともに焼成すれば、希土類酸化物の融点を下げることができるので、良質な焼結体を得ることができる。   In addition, rare earth oxides other than lanthanum oxide also have a high melting point, making it difficult to produce a sintered body. Therefore, if a rare earth oxide other than lanthanum oxide is also baked with an alkaline earth metal fluoride, the melting point of the rare earth oxide can be lowered, so that a high-quality sintered body can be obtained.

(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1で説明したセラミックス材料の用途について説明する。実施の形態1で説明したように、セラミックス材料が粉末である場合には、固相反応用の原料粉末として利用可能であり、セラミックス材料が焼結体である場合には、物理的気相成長法におけるターゲットとして利用可能である。実施の形態2では、セラミックス材料が薄膜である場合の用途について説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the application of the ceramic material described in the first embodiment will be described. As described in the first embodiment, when the ceramic material is a powder, it can be used as a raw material powder for a solid phase reaction, and when the ceramic material is a sintered body, physical vapor deposition is possible. It can be used as a target in law. In the second embodiment, an application when the ceramic material is a thin film will be described.

図2は、実施の形態2による半導体装置の模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram of a semiconductor device according to the second embodiment.

半導体装置200は、コンデンサである。半導体装置200は、第1の導電層210と、第1の導電層210に対向する第2の導電層220と、第1の導電層210と第2の導電層220との間に位置する誘電体薄膜(絶縁体薄膜)230とを備える。   The semiconductor device 200 is a capacitor. The semiconductor device 200 includes a first conductive layer 210, a second conductive layer 220 facing the first conductive layer 210, and a dielectric positioned between the first conductive layer 210 and the second conductive layer 220. Body thin film (insulator thin film) 230.

第1の導電層210および第2の導電層220は、白金(Pt)、金(Au)、白金イリジウム(Pt−Ir)等の既存の金属電極、または、シリコン、ポリシリコン等の半導体であり得る。ここでは、第1の導電層210および第2の導電層220は、いずれも、金属電極とする。   The first conductive layer 210 and the second conductive layer 220 are existing metal electrodes such as platinum (Pt), gold (Au), platinum iridium (Pt-Ir), or semiconductors such as silicon and polysilicon. obtain. Here, both the first conductive layer 210 and the second conductive layer 220 are metal electrodes.

誘電体薄膜230は、実施の形態1で説明したセラミックス材料からなる。誘電体薄膜230は、水分に影響されることなく酸化ランタンの比誘電率を発揮するので、膜厚を厚くすることができ、例えば2nm以上4nm以下の範囲であり得る。例えば、既存の誘電体材料として周知のSiO(比誘電率:3.8)の等価換算膜厚(EOT)は0.5nmであるので、本発明のセラミックス材料を用いれば顕著に膜厚を厚くできることが分かる。 The dielectric thin film 230 is made of the ceramic material described in the first embodiment. Since the dielectric thin film 230 exhibits the relative dielectric constant of lanthanum oxide without being affected by moisture, the film thickness can be increased, for example, in the range of 2 nm to 4 nm. For example, the equivalent equivalent film thickness (EOT) of SiO 2 (relative dielectric constant: 3.8), which is well-known as an existing dielectric material, is 0.5 nm. You can see that it can be thicker.

このような構造は、金属/絶縁体/金属のMIM構造または金属/絶縁体/半導体のMIS構造(MOSキャパシタとも呼ぶ)として知られており、第1の導電層210および第2の導電層220に接続された端子を介して回路に接続される。   Such a structure is known as a metal / insulator / metal MIM structure or a metal / insulator / semiconductor MIS structure (also referred to as a MOS capacitor), and includes a first conductive layer 210 and a second conductive layer 220. It is connected to the circuit through a terminal connected to.

半導体装置200の製造方法を説明する。半導体装置200は、物理的気相成長法により製造される。   A method for manufacturing the semiconductor device 200 will be described. The semiconductor device 200 is manufactured by a physical vapor deposition method.

まず、表面が平滑な基板の上に第1の導電層210として金属薄膜を形成する。次いで、第1の導電層210上に、実施の形態1で得られた焼結体であるセラミックス材料をターゲットに用いて、誘電体薄膜230として薄膜状のセラミックス材料を形成する。なお、誘電体薄膜230が所望の形状を有する場合、第1の導電層210上に金属マスクを用いてもよい。次に、誘電体薄膜230上に第2の導電層220として金属薄膜を形成する。   First, a metal thin film is formed as the first conductive layer 210 on a substrate having a smooth surface. Next, a thin-film ceramic material is formed as the dielectric thin film 230 on the first conductive layer 210 using the ceramic material that is the sintered body obtained in Embodiment 1 as a target. Note that when the dielectric thin film 230 has a desired shape, a metal mask may be used on the first conductive layer 210. Next, a metal thin film is formed as the second conductive layer 220 on the dielectric thin film 230.

図3は、実施の形態2による別の半導体装置の模式図である。   FIG. 3 is a schematic diagram of another semiconductor device according to the second embodiment.

半導体装置300は、金属/酸化物/半導体(MOS)型トランジスタ(MOSFET)の構造を有しており、図2を参照して説明した半導体装置200において、第1の導電層210がシリコンなどの半導体である場合である。   The semiconductor device 300 has a metal / oxide / semiconductor (MOS) type transistor (MOSFET) structure. In the semiconductor device 200 described with reference to FIG. 2, the first conductive layer 210 is made of silicon or the like. This is the case of a semiconductor.

半導体装置300は、表面に離間して形成されたソース領域310/ドレイン領域320を有する半導体基板330からなる第1の導電層と、第1の導電層に対向する第2の導電層340と、第1の導電層と第2の導電層340との間に位置する誘電体薄膜(絶縁体薄膜)350とを備える。半導体基板330は、既存の半導体基板であれば制限はないが、その上に形成される誘電体薄膜との整合性から、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム等が好ましい。   The semiconductor device 300 includes a first conductive layer made of a semiconductor substrate 330 having a source region 310 / drain region 320 formed at a distance from the surface thereof, a second conductive layer 340 facing the first conductive layer, A dielectric thin film (insulator thin film) 350 is provided between the first conductive layer and the second conductive layer 340. The semiconductor substrate 330 is not limited as long as it is an existing semiconductor substrate, but single crystal silicon, single crystal germanium, or the like is preferable from the viewpoint of consistency with a dielectric thin film formed thereon.

半導体基板330は、第1の導電型(例えば、p型)を有しており、ソース領域310/ドレイン領域320は、第2の導電型(例えば、n型)を有する。また、ソース領域310およびドレイン領域320の間のチャネル領域には、例えばp型不純物を注入し、所望の閾値電圧となるように制御され得る。なお、導電型は逆もあり得る。   The semiconductor substrate 330 has a first conductivity type (for example, p-type), and the source region 310 / drain region 320 has a second conductivity type (for example, n-type). Further, for example, a p-type impurity is implanted into the channel region between the source region 310 and the drain region 320, and can be controlled to have a desired threshold voltage. The conductivity type may be reversed.

誘電体薄膜350は、実施の形態1で説明したセラミックス材料からなる。誘電体薄膜350は、水分に影響されることなく酸化ランタンの比誘電率を発揮するので、膜厚を厚くすることができ、例えば2nm以上4nm以下の範囲であり得る。誘電体薄膜350は、少なくとも、ソース領域310/ドレイン領域320の間の半導体基板330上に位置する。誘電体薄膜350は、ソース領域310/ドレイン領域320の一部にあってもよい。   Dielectric thin film 350 is made of the ceramic material described in the first embodiment. Since the dielectric thin film 350 exhibits the relative dielectric constant of lanthanum oxide without being affected by moisture, the film thickness can be increased, for example, in the range of 2 nm to 4 nm. The dielectric thin film 350 is located at least on the semiconductor substrate 330 between the source region 310 and the drain region 320. The dielectric thin film 350 may be part of the source region 310 / drain region 320.

第2の導電層340は、白金(Pt)、金(Au)、白金イリジウム(Pt−Ir)等の既存の金属電極であり、ゲート電極として機能する。   The second conductive layer 340 is an existing metal electrode such as platinum (Pt), gold (Au), platinum iridium (Pt—Ir), and functions as a gate electrode.

半導体装置300の例示的な製造方法を説明する。ここでは、半導体基板330がp型シリコンであり、ソース領域310/ドレイン領域320が第2の導電層340(ゲート電極)よりも後に形成される場合を説明するが、これに限らない。   An exemplary method for manufacturing the semiconductor device 300 will be described. Although a case where the semiconductor substrate 330 is p-type silicon and the source region 310 / drain region 320 is formed after the second conductive layer 340 (gate electrode) is described here, this is not restrictive.

局所酸化膜技術(LOCOS)またはシャロートレンチアイソレーション(STI)により、半導体基板330上に素子分離絶縁膜を形成し、素子領域と素子分離領域とを形成する。素子領域にフッ酸処理を行い、半導体基板330の表面を水素終端する。なお、所望の閾値電圧が得られるように、p型不純物を注入し、チャネル領域を形成してもよい。   An element isolation insulating film is formed on the semiconductor substrate 330 by local oxide film technology (LOCOS) or shallow trench isolation (STI), and an element region and an element isolation region are formed. The element region is subjected to hydrofluoric acid treatment, and the surface of the semiconductor substrate 330 is terminated with hydrogen. Note that a p-type impurity may be implanted to form a channel region so that a desired threshold voltage can be obtained.

半導体基板330上に、実施の形態1で得られた焼結体であるセラミックス材料をターゲットに用いた物理的気相成長法により、誘電体薄膜350として薄膜状のセラミックス材料を形成する。誘電体薄膜350上に第2の導電層340として金属薄膜を形成する。   A thin-film ceramic material is formed as the dielectric thin film 350 on the semiconductor substrate 330 by a physical vapor deposition method using the ceramic material, which is the sintered body obtained in the first embodiment, as a target. A metal thin film is formed as the second conductive layer 340 on the dielectric thin film 350.

公知のリソグラフィ技術またはエッチング技術を用いて、第2の導電層340および誘電体薄膜350を順次パターニングする。その後、n型不純物を注入し、ソース領域310/ドレイン領域320を形成する。   The second conductive layer 340 and the dielectric thin film 350 are sequentially patterned using a known lithography technique or etching technique. Thereafter, an n-type impurity is implanted to form the source region 310 / drain region 320.

図3では、金属/酸化物(絶縁体)/半導体トランジスタ(MOSFET)構造を示したが、本発明はこれに限らない。酸化物(絶縁体)として、実施の形態1で説明したセラミックス材料からなる薄膜を用いる限り、金属/強誘電体/絶縁体/半導体トランジスタ(MFISFET)、金属/強誘電体/金属/絶縁体/半導体トランジスタ(MFMISFET)、金属/絶縁体/強誘電体/絶縁体/金属/半導体トランジスタ(MIFIMISFET)、金属/強誘電体/絶縁体/金属/絶縁体/半導体トランジスタ(MFIMISFET)および金属/絶縁体/強誘電体/金属/絶縁体/半導体トランジスタ(MIFMISFET)に適用できる。なお、ここで用いられる強誘電体は公知の強誘電体材料が適用されるが、本発明のセラミックス材料との整合性の観点から、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、タンタル酸ビスマスストロンチウム(SrBiTa)等が好ましい。 Although FIG. 3 shows a metal / oxide (insulator) / semiconductor transistor (MOSFET) structure, the present invention is not limited to this. As long as the thin film made of the ceramic material described in Embodiment 1 is used as the oxide (insulator), metal / ferroelectric / insulator / semiconductor transistor (MFISFET), metal / ferroelectric / metal / insulator / Semiconductor transistor (MFMISFET), metal / insulator / ferroelectric / insulator / metal / semiconductor transistor (MIFIMISFET), metal / ferroelectric / insulator / metal / insulator / semiconductor transistor (MFIMSIS) and metal / insulator / Ferroelectric / metal / insulator / semiconductor transistor (MIFMISFET). The ferroelectric material used here is a known ferroelectric material. From the viewpoint of consistency with the ceramic material of the present invention, for example, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O) 3 ), bismuth strontium tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) and the like are preferable.

本発明のセラミックス材料を上述のトランジスタの少なくとも1つの酸化物または絶縁体に使用すれば、大気中の水分等による影響を受けないので、長期間にわたって安定に動作する半導体装置を提供できる。   When the ceramic material of the present invention is used for at least one oxide or insulator of the above-described transistor, it is not affected by moisture in the atmosphere, so that a semiconductor device that operates stably over a long period of time can be provided.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

まず、実施例/比較例1〜5において、焼結体であるセラミックス材料について検討した。   First, in Examples / Comparative Examples 1 to 5, ceramic materials that were sintered bodies were examined.

[実施例1]
実施例1では、アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が1.5mol%固溶した酸化ランタンからなる、焼結体であるセラミックス材料を製造した。ここで、得られる酸化ランタン焼結体の一般式は、(La0.985Ca0.015(O1−y(0.008≦y≦0.03、z=0)となる。
[Example 1]
In Example 1, a ceramic material, which is a sintered body, made of lanthanum oxide in which 1.5 mol% of calcium fluoride (CaF 2 ) was dissolved as an alkaline earth metal fluoride was manufactured. Here, the general formula of the obtained lanthanum oxide sintered body is (La 0.985 Ca 0.015 Q z ) 2 (O 1-y F y ) 3 (0.008 ≦ y ≦ 0.03, z = 0).

酸化ランタン粉末(レアメタリック製、純度99.99%)と、フッ化カルシウム粉末(和光純薬製、純度99.9%)とを混合した(図1のステップS110)。ここで、酸化ランタン粉末に対してフッ化カルシウム粉末が1.5mol%となるよう混合した。なお、秤量には、1000℃で1時間熱処理した酸化ランタン粉末を用いた。これらの原料粉末を、ジルコニア製のボール(ボールの直径:3mm)を用いたボールミルにより、10時間、粉砕および混合した。なお、混合はエタノールを溶媒に用いた湿式混合であった。粉砕および混合後、混合物を窒素フロー下で乾燥した。   Lanthanum oxide powder (rare metallic, purity 99.99%) and calcium fluoride powder (Wako Pure Chemicals, purity 99.9%) were mixed (step S110 in FIG. 1). Here, it mixed so that calcium fluoride powder might be 1.5 mol% with respect to lanthanum oxide powder. In addition, the lanthanum oxide powder heat-processed at 1000 degreeC for 1 hour was used for weighing. These raw material powders were pulverized and mixed for 10 hours by a ball mill using zirconia balls (ball diameter: 3 mm). The mixing was wet mixing using ethanol as a solvent. After grinding and mixing, the mixture was dried under nitrogen flow.

次いで、混合物を1軸加圧成形(40MPa)により圧粉成形した。成形した形状は、直径10mm、厚さ2.0mmのペレット状であった。   Next, the mixture was compacted by uniaxial pressure molding (40 MPa). The molded shape was a pellet with a diameter of 10 mm and a thickness of 2.0 mm.

次に、圧粉成形後の混合物(成形体)を1100℃以上1500℃以下の温度範囲で焼成した(図1のステップS120)。詳細には、ペレット状の混合物をジルコニア製のセッターに配置し、シリコニット炉で1280℃、1325℃、1340℃、1360℃、1380℃、1400℃、1425℃および1440℃の各焼成温度にて、不活性ガス雰囲気として窒素ガスをフローしながら2時間焼結した。なお、昇温速度および降温速度は、220℃/時間であった。   Next, the mixture (molded body) after compacting was fired in a temperature range of 1100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower (step S120 in FIG. 1). Specifically, the pellet-like mixture is placed on a zirconia setter and is fired at 1280 ° C, 1325 ° C, 1340 ° C, 1360 ° C, 1380 ° C, 1400 ° C, 1425 ° C, and 1440 ° C in a siliconit furnace, Sintering was performed for 2 hours while flowing nitrogen gas as an inert gas atmosphere. The rate of temperature increase and the rate of temperature decrease was 220 ° C./hour.

このようにして得られた焼結体の大気中における経時変化の様子を調べた。結果を図4に示す。焼結体の重さと形状とから密度を計算した。結果を図5に示す。各焼結体を9μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面仕上げをした。得られた焼結体の大きさは、直径6.95mm、厚さ1.6mmであった。このよう焼結体について、粉末X線回折を行った。結果を図6に示す。   The state of temporal change in the atmosphere of the sintered body thus obtained was examined. The results are shown in FIG. The density was calculated from the weight and shape of the sintered body. The results are shown in FIG. Each sintered body was mirror-finished using a 9 μm diamond slurry. The size of the obtained sintered body was 6.95 mm in diameter and 1.6 mm in thickness. Powder X-ray diffraction was performed on the sintered body. The results are shown in FIG.

[比較例2]
比較例2では、アルカリ土類金属フッ化物が固溶していない、酸化ランタンからなる焼結体のセラミックス材料を製造した。比較例2の焼成条件は、焼成温度が1360℃である以外は、実施例1と同様であった。比較例2の焼結体の大気中における経時変化の様子を調べた。結果を図4に示す。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, a sintered ceramic material made of lanthanum oxide, in which the alkaline earth metal fluoride was not dissolved, was produced. The firing conditions of Comparative Example 2 were the same as those of Example 1 except that the firing temperature was 1360 ° C. The state of temporal change in the atmosphere of the sintered body of Comparative Example 2 was examined. The results are shown in FIG.

[実施例3]
実施例3では、アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が0.25mol%、1mol%、1.5mol%および4mol%固溶した酸化ランタンからなる、焼結体であるセラミックス材料を製造した。実施例3の焼成条件は、焼成温度が1400℃および1440℃とした以外は実施例1と同様であった。
[Example 3]
In Example 3, a ceramic material which is a sintered body made of lanthanum oxide in which calcium fluoride (CaF 2 ) as an alkaline earth metal fluoride is solid-dissolved in 0.25 mol%, 1 mol%, 1.5 mol% and 4 mol%. Manufactured. The firing conditions of Example 3 were the same as those of Example 1 except that the firing temperatures were 1400 ° C. and 1440 ° C.

ここで得られる酸化ランタン焼結体の一般式は、(La1−x−zCa(O1−y(x=0.0025、0.01、0.015、0.04、0.005≦y≦0.08、z=0)となる。また、x=0.015の焼結体(CaFの固溶量が1.5mol%である焼結体に同じ)は、実施例1の試料と同じであった。 Formula lanthanum oxide sintered body obtained here, (La 1-x-z Ca x Q z) 2 (O 1-y F y) 3 (x = 0.0025,0.01,0.015 0.04, 0.005 ≦ y ≦ 0.08, z = 0). Moreover, the sintered body of x = 0.015 (same as the sintered body in which the solid solution amount of CaF 2 is 1.5 mol%) was the same as the sample of Example 1.

得られた焼結体について実施例1と同様に経時変化の様子を調べ、密度を測定した。結果を図7および図8に示す。   About the obtained sintered compact, the mode of a time-dependent change was investigated similarly to Example 1, and the density was measured. The results are shown in FIG. 7 and FIG.

実施例1と同様に、各焼結体を9μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面仕上げをした。得られた焼結体の焼結体について、粉末X線回折を行った。さらに、焼結体の表面に厚さ30nmの金薄膜を蒸着した。この試料を用いて、2次イオン質量分析装置(SIMS、装置名)を用いて、酸素、フッ素、カルシウム同位体(44Ca)およびランタンを測定した。詳細には、1次イオンにOを用い、2次イオンとして焼結体表面から飛来するプラスイオンを測定し、イオン強度比(F/16O)およびイオン強度比(44Ca/La)を求めた。結果を表2および図9に示す。 As in Example 1, each sintered body was mirror-finished using a 9 μm diamond slurry. Powder X-ray diffraction was performed on the obtained sintered body. Furthermore, a 30 nm thick gold thin film was deposited on the surface of the sintered body. Using this sample, a secondary ion mass spectrometer (SIMS, device name) using oxygen, fluorine was measured calcium isotope (44 Ca) and lanthanum. Specifically, using O as primary ions, positive ions flying from the surface of the sintered body as secondary ions are measured, and the ionic strength ratio (F / 16 O) and ionic strength ratio ( 44 Ca / La) are determined. Asked. The results are shown in Table 2 and FIG.

[実施例4]
実施例4では、アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が1.0mol%固溶した酸化ランタンからなる、焼結体であるセラミックス材料を製造した。実施例4の焼成条件は、焼成雰囲気が大気であり、焼成温度が1400℃である以外は、実施例3と同様であった。実施例4の焼結体を実施例3のそれと比較した。結果を後述する。
[Example 4]
In Example 4, a ceramic material, which is a sintered body, made of lanthanum oxide in which 1.0 mol% of calcium fluoride (CaF 2 ) was dissolved as an alkaline earth metal fluoride was manufactured. The firing conditions of Example 4 were the same as those of Example 3 except that the firing atmosphere was air and the firing temperature was 1400 ° C. The sintered body of Example 4 was compared with that of Example 3. The results will be described later.

[比較例5]
比較例5では、アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が0.01mol%固溶した酸化ランタンからなる、焼結体であるセラミックス材料を製造した。比較例5の焼成条件は、実施例3と同様であった。実施例3と同様に、経時変化の様子を調べ、SIMS測定をした。結果を表2、図7〜図9に示す。
[Comparative Example 5]
In Comparative Example 5, a ceramic material, which was a sintered body, was made of lanthanum oxide in which 0.01 mol% of calcium fluoride (CaF 2 ) was dissolved as an alkaline earth metal fluoride. The firing conditions of Comparative Example 5 were the same as those of Example 3. As in Example 3, the state of change with time was examined, and SIMS measurement was performed. The results are shown in Table 2 and FIGS.

簡単のため、以上の実施例/比較例1〜5の焼成条件の一覧を表1にまとめて示し、結果を説明する。   For the sake of simplicity, a list of firing conditions for the above Examples / Comparative Examples 1 to 5 is shown in Table 1 and the results will be described.

図4は、実施例1/比較例2による焼結体の経時変化の様子を示す図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating a change with time of a sintered body according to Example 1 / Comparative Example 2. FIG.

図4では、実施例1による焼結体として1380℃で焼成した酸化ランタンを示す。図4(a)は、焼成直後の様子を示し、図4(b)は、大気中1日放置した様子を示す。   4 shows lanthanum oxide fired at 1380 ° C. as a sintered body according to Example 1. FIG. FIG. 4A shows a state immediately after firing, and FIG. 4B shows a state of being left in the atmosphere for one day.

図4(a)によれば、焼成直後の実施例1による焼結体は、硬く取扱いが容易であった。一方、焼成直後の比較例2の焼結体は、脆く、形状の計測も困難であった。図4(b)によれば、実施例1の焼結体は、大気中1日放置しても、形状に変化はなく、大気中でも安定であった。一方、比較例2の焼結体は、大気中1日放置すると、完全に崩壊し、粉体となった。なお、図示しないが、実施例1による他の温度で焼成した焼結体についても同様に大気中でも安定であった。   According to Fig.4 (a), the sintered compact by Example 1 immediately after baking was hard and easy to handle. On the other hand, the sintered body of Comparative Example 2 immediately after firing was brittle and it was difficult to measure the shape. According to FIG. 4B, the sintered body of Example 1 did not change in shape even when left in the atmosphere for 1 day, and was stable in the atmosphere. On the other hand, when the sintered body of Comparative Example 2 was left in the atmosphere for 1 day, it completely disintegrated and became powder. Although not shown, the sintered body fired at other temperatures according to Example 1 was also stable in the air.

このことから、アルカリ土類金属フッ化物の酸化ランタンへの固溶により耐吸湿性が向上することが示された。   From this, it was shown that the hygroscopic resistance is improved by solid solution of alkaline earth metal fluoride in lanthanum oxide.

図5は、実施例1による焼結体の密度の焼結温度依存性を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing the sintering temperature dependence of the density of the sintered body according to Example 1.

図5によれば、1100℃以上1500℃以下の温度範囲であれば、酸化ランタンおよびアルカリ土類金属フッ化物の混合物は、焼結し、密度5.3g/cm以上を有する焼結体となることが分かった。特に、アルカリ土類金属フッ化物がフッ化カルシウムの場合には、1340℃以上1440℃以下の温度範囲の焼成温度であれば、比較的高い密度の焼結体が得られ、1355℃以上1418℃以下の温度範囲の焼成温度であれば、より高い密度の緻密化した焼結体が得られることを確認した。1420℃以上の温度で焼成した焼結体の密度が顕著に低減したのは、焼成温度がフッ化カルシウムの融点(1418℃)を超え、フッ化カルシウムの溶融による蒸発が起こったためである。このことからも、焼成温度の上限は、アルカリ土類金属フッ化物の融点とすることが望ましいといえる。 According to FIG. 5, in the temperature range of 1100 ° C. or more and 1500 ° C. or less, the mixture of lanthanum oxide and alkaline earth metal fluoride is sintered, and a sintered body having a density of 5.3 g / cm 3 or more and I found out that In particular, when the alkaline earth metal fluoride is calcium fluoride, a sintered body having a relatively high density can be obtained at a firing temperature in the range of 1340 ° C. to 1440 ° C., and 1355 ° C. to 1418 ° C. It was confirmed that a denser sintered body with a higher density was obtained at a firing temperature in the following temperature range. The density of the sintered body fired at a temperature of 1420 ° C. or higher was remarkably reduced because the firing temperature exceeded the melting point of calcium fluoride (1418 ° C.) and evaporation due to melting of calcium fluoride occurred. From this, it can be said that the upper limit of the firing temperature is desirably the melting point of the alkaline earth metal fluoride.

図6は、実施例1による焼結体のXRDパターンを示す図である。   6 is a diagram showing an XRD pattern of the sintered body according to Example 1. FIG.

図6では、実施例1の焼結体として1380℃で焼成した酸化ランタンのXRDパターンを示す。図6によれば、すべての回折ピークは、酸化ランタン(La)の回折ピーク(JCPDS#05−0602)に一致した。また、不純物(例えば、未固溶のフッ化カルシウム)を示す回折ピークはなかった。図示しないが、他の温度で焼成した焼結体のXRDパターンも同様であった。このことから、図1に示す製造方法により得られたセラミックス材料は、アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウムが固溶した酸化ランタンからなることが分かった。また、アルカリ土類金属フッ化物は、焼結助剤として機能し、粒界のガラス相に偏析するものではなく、酸化ランタンのサイトに固溶していることが示唆される。 In FIG. 6, the XRD pattern of the lanthanum oxide baked at 1380 degreeC as a sintered compact of Example 1 is shown. According to FIG. 6, all the diffraction peaks corresponded to the diffraction peak (JCPDS # 05-0602) of lanthanum oxide (La 2 O 3 ). Further, there was no diffraction peak indicating impurities (for example, undissolved calcium fluoride). Although not shown, the XRD pattern of the sintered body fired at other temperatures was the same. From this, it was found that the ceramic material obtained by the production method shown in FIG. 1 is composed of lanthanum oxide in which calcium fluoride is dissolved as an alkaline earth metal fluoride. Further, it is suggested that the alkaline earth metal fluoride functions as a sintering aid and does not segregate in the glass phase at the grain boundary but is dissolved in the lanthanum oxide site.

図7は、実施例3/比較例5による焼結体の経時変化の様子を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a change over time of the sintered bodies according to Example 3 / Comparative Example 5. FIG.

図7では、1400℃で焼成した焼結体の経時変化を示す。図7(a)は、比較例5の焼結体のみ焼成直後の様子を示し、実施例3の焼結体はいずれも大気中1日放置した様子を示す。図7(b)は、比較例5の焼結体のみ大気中1日放置した様子を示し、実施例3の焼結体はいずれも大気中2日以上放置した様子を示す。   FIG. 7 shows the change over time of the sintered body fired at 1400 ° C. FIG. 7A shows a state immediately after firing only the sintered body of Comparative Example 5, and shows a state in which all of the sintered body of Example 3 were left in the atmosphere for 1 day. FIG. 7B shows a state in which only the sintered body of Comparative Example 5 is left in the atmosphere for 1 day, and all the sintered bodies in Example 3 are left in the atmosphere for 2 days or more.

図7(a)および(b)によれば、比較例5の焼結体は、焼成直後は硬く取扱いが容易であったが、1日大気に放置すると、崩壊し、粉体となった。一方、実施例3の焼結体は、大気中2日以上放置しても、形状に変化はなく、大気中の経時変化に対して安定であった。   According to FIGS. 7 (a) and 7 (b), the sintered body of Comparative Example 5 was hard and easy to handle immediately after firing, but when left in the atmosphere for one day, it collapsed into a powder. On the other hand, the sintered body of Example 3 did not change in shape even after being left in the atmosphere for 2 days or more, and was stable against changes with time in the atmosphere.

このことから、0.01mol%より多くアルカリ土類金属フッ化物が酸化ランタンに固溶することにより耐吸湿性が向上することが示された。   From this, it was shown that the hygroscopic resistance is improved when more than 0.01 mol% of the alkaline earth metal fluoride is dissolved in lanthanum oxide.

図8は、実施例3/比較例5による焼結体の密度のCaFの添加濃度の依存性を示す図である。 FIG. 8 is a graph showing the dependency of the density of the sintered body according to Example 3 / Comparative Example 5 on the concentration of CaF 2 added.

図8によれば、CaFの添加量が多いほど、密度が小さくなる傾向を示した。このことから、アルカリ土類金属フッ化物の固溶量が5mol%を超えると、密度が低く、焼結体として好ましくないことが分かった。 According to FIG. 8, the density tends to decrease as the amount of CaF 2 added increases. From this, it was found that when the solid solution amount of the alkaline earth metal fluoride exceeds 5 mol%, the density is low, which is not preferable as a sintered body.

実施例3で得られた焼結体(窒素雰囲気下で焼成)と実施例4で得られた焼結体(大気中で焼成)との外観を比較した。実施例3で得られた焼結体は、図7に示すように緻密な焼結体であった。同様に、実施例4で得られた焼結体も緻密な焼結体であった。また、実施例4で得られた焼結体も、大気中1日以上放置しても形状に変化はなく、大気中でも安定であった。しかしながら、密度を比較すると、実施例4の焼結体の密度(5.337g/cm)は、実施例3の焼結体のそれ(5.456g/cm)よりもわずかに小さかった。これは、大気中での焼成によりフッ化カルシウムが蒸発し、固溶による緻密化の効果が十分に得られなかったためである。 The appearances of the sintered body obtained in Example 3 (fired in a nitrogen atmosphere) and the sintered body obtained in Example 4 (fired in air) were compared. The sintered body obtained in Example 3 was a dense sintered body as shown in FIG. Similarly, the sintered body obtained in Example 4 was also a dense sintered body. In addition, the sintered body obtained in Example 4 did not change in shape even when left in the atmosphere for 1 day or longer, and was stable in the atmosphere. However, when comparing the density, the density of the sintered body of Example 4 (5.337g / cm 3) was slightly smaller than that (5.456g / cm 3) of the sintered body of Example 3. This is because calcium fluoride evaporated by firing in the atmosphere, and the effect of densification by solid solution was not sufficiently obtained.

このことから、アルカリ土類金属フッ化物が固溶した酸化ランタンは、大気中であっても不活性ガス雰囲気中であっても得られることが示されたが、緻密な酸化ランタンを得るためには、焼成雰囲気は、不活性ガス雰囲気が好ましいことが示された。   From this, it was shown that the lanthanum oxide in which the alkaline earth metal fluoride is dissolved can be obtained in the air or in the inert gas atmosphere, but in order to obtain a dense lanthanum oxide. It was shown that the firing atmosphere is preferably an inert gas atmosphere.

図9は、実施例3/比較例5による焼結体におけるF/Oおよび44Ca/Laのイオン強度比のCaFの添加濃度の依存性を示す図である。 FIG. 9 is a graph showing the dependency of the CaF 2 addition concentration on the ionic strength ratio of F / O and 44 Ca / La in the sintered body according to Example 3 / Comparative Example 5.

図9によれば、F/Oおよび44Ca/Laの2次イオン強度比は、いずれも、CaFの添加濃度の増大に伴い、線形的に、増大することが分かった。このことから、CaFが固溶した酸化ランタンは、CaがLaサイトに、FがOサイトに固溶していることが示された。 According to FIG. 9, it was found that the secondary ionic strength ratio of F / O and 44 Ca / La both increased linearly with the increase of the CaF 2 addition concentration. From this, it was shown that in the lanthanum oxide in which CaF 2 was dissolved, Ca was dissolved in the La site and F was dissolved in the O site.

表2によれば、16O(酸素)に対するF(フッ素)のイオン強度比(F/16O)、および、La(ランタン)に対する44Ca(カルシウム同位体)のイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.0013<F/16O≦0.15、および、
0.0012<44Ca/La≦6
を満していることが分かった。密度の観点から、好ましくは、
0.01≦F/16O≦0.091、および、
0.13≦44Ca/La≦4.6
を好ましくは満たし、密度とともに耐吸湿性の観点から、好ましくは、
0.016≦F/16O≦0.042、および、
0.25≦44Ca/La≦1.5
を満たし、さらに好ましくは、
0.024≦F/16O≦0.031、および、
0.4≦44Ca/La≦0.75
を満たすことが分かった。
According to Table 2, the ionic strength ratio of F (fluorine) to 16 O (oxygen) (F / 16 O) and the ionic strength ratio of 44 Ca (calcium isotope) to La (lanthanum) (M / La) Respectively
0.0013 <F / 16 O ≦ 0.15, and
0.0012 < 44 Ca / La ≦ 6
I found out that From the viewpoint of density, preferably,
0.01 ≦ F / 16 O ≦ 0.091, and
0.13 ≦ 44 Ca / La ≦ 4.6
From the viewpoint of moisture absorption resistance as well as density, preferably,
0.016 ≦ F / 16 O ≦ 0.042, and
0.25 ≦ 44 Ca / La ≦ 1.5
And more preferably
0.024 ≦ F / 16 O ≦ 0.031, and
0.4 ≦ 44 Ca / La ≦ 0.75
It turns out that it satisfies.

次に、実施例/比較例6〜8において、薄膜であるセラミックス材料について検討した。   Next, in Examples / Comparative Examples 6 to 8, ceramic materials that are thin films were studied.

[実施例6]
実施例6では、パルスレーザ堆積法(PLD)により、実施例3と同様の方法(焼成温度:1400℃)で得た焼結体(直径:16.5mm、厚さ:2.3mm)をターゲットに用い、ガラス基板上にアルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料を製造した。
[Example 6]
In Example 6, a sintered body (diameter: 16.5 mm, thickness: 2.3 mm) obtained by the same method as in Example 3 (firing temperature: 1400 ° C.) by pulse laser deposition (PLD) is used as a target. A ceramic material, which is a thin film made of lanthanum oxide in which calcium fluoride (CaF 2 ) is dissolved as an alkaline earth metal fluoride on a glass substrate, was manufactured.

PLDのアブレーションには、KrFエキシマレーザ248nm、繰り返し周波数5Hzを用いた。成膜条件は、ターゲット−基板間距離を5cmとし、基板温度を700℃、酸素分圧を1×10−5Torrとした。成膜時間は、60分であった。得られた薄膜の膜厚は、X線反射率法により測定した。 For ablation of PLD, KrF excimer laser 248 nm and repetition frequency 5 Hz were used. The film forming conditions were a target-substrate distance of 5 cm, a substrate temperature of 700 ° C., and an oxygen partial pressure of 1 × 10 −5 Torr. The film formation time was 60 minutes. The film thickness of the obtained thin film was measured by the X-ray reflectivity method.

得られた薄膜の経時変化を調べた。成膜直後および成膜後1日後の表面の様子を光学顕微鏡で観察し、X線回折パターンを測定した。ここで、薄膜は、デシケータで3日以上保管した。結果を図10および図11に示す。   The time course of the obtained thin film was examined. The state of the surface immediately after film formation and one day after film formation was observed with an optical microscope, and an X-ray diffraction pattern was measured. Here, the thin film was stored in a desiccator for 3 days or more. The results are shown in FIG. 10 and FIG.

[比較例7]
比較例7では、PLDにより、比較例5と同様の方法(焼成温度:1400℃)で得た焼結体(直径:17.0mm、厚さ:2.1mm)をターゲットに用い、ガラス基板上にアルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料を製造した。成膜条件は、実施例6と同様であった。得られた薄膜について、実施例6と同様に、光学顕微鏡により表面観察し、XRD回折パターンを測定した。結果を図10および図11に示す。
[Comparative Example 7]
In Comparative Example 7, a sintered body (diameter: 17.0 mm, thickness: 2.1 mm) obtained by PLD in the same manner as in Comparative Example 5 (firing temperature: 1400 ° C.) was used as a target on a glass substrate. A ceramic material, which is a thin film made of lanthanum oxide in which calcium fluoride (CaF 2 ) as a solid earth metal fluoride was dissolved, was manufactured. The film forming conditions were the same as in Example 6. About the obtained thin film, the surface was observed with the optical microscope similarly to Example 6, and the XRD diffraction pattern was measured. The results are shown in FIG. 10 and FIG.

[実施例8]
実施例8では、金属/アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)が固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料/金属であるMIM構造のキャパシタを製造した。
[Example 8]
In Example 8, a capacitor having an MIM structure, which is a ceramic material / metal, which is a thin film made of lanthanum oxide in which calcium fluoride (CaF 2 ) is dissolved as a metal / alkaline earth metal fluoride, was manufactured.

白金(図2の第1の導電層210)を蒸着したシリコン基板を用いたこと、および、成膜時間を120分間としたこと以外は、実施例6と同様の手順でフッ化カルシウム(CaF)が固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料を成膜した。得られた薄膜の表面に金(図2の第2の導電層220)を真空蒸着した。このようにして、本発明のセラミックス材料からなる薄膜を用いたMIM構造のキャパシタを製造した。なお、本実施例では、正確に誘電特性を測定するため十分に厚い膜を得たが、実際の半導体装置では所望の誘電特性および絶縁特性に応じて成膜時間を適宜制御し、例えば、膜厚2nm以上4nm以下となるようにすることを理解されたい。 Calcium fluoride (CaF 2 ) was used in the same procedure as in Example 6 except that a silicon substrate on which platinum (the first conductive layer 210 in FIG. 2) was deposited was used and the film formation time was 120 minutes. A ceramic material, which is a thin film made of lanthanum oxide in a solid solution, was formed. Gold (second conductive layer 220 in FIG. 2) was vacuum-deposited on the surface of the obtained thin film. Thus, an MIM structure capacitor using a thin film made of the ceramic material of the present invention was manufactured. In this example, a sufficiently thick film was obtained in order to accurately measure the dielectric characteristics. However, in an actual semiconductor device, the film formation time is appropriately controlled according to desired dielectric characteristics and insulation characteristics. It should be understood that the thickness is 2 nm or more and 4 nm or less.

得られたキャパシタの誘電特性を測定した。測定条件は、測定周波数を100kHz、測定信号レベルを0.5Vとした。結果を後述する。   The dielectric properties of the obtained capacitor were measured. The measurement conditions were a measurement frequency of 100 kHz and a measurement signal level of 0.5V. The results will be described later.

簡単のため、以上の実施例/比較例6〜8の成膜条件の一覧を表3に示す。   For the sake of simplicity, Table 3 shows a list of film forming conditions in the above Examples / Comparative Examples 6-8.

図10は、実施例6および比較例7による薄膜の経時変化の様子を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the change over time of the thin films according to Example 6 and Comparative Example 7.

図10には、実施例6の薄膜として、CaFが1mol%固溶した酸化ランタンを示す。図10(a)および(c)は、それぞれ、比較例7の薄膜の成膜直後、および、1日経過後の様子を示す。図10(b)および(d)は、それぞれ、実施例6の薄膜の成膜直後、および、3日経過後の様子を示す。 FIG. 10 shows lanthanum oxide in which 1 mol% of CaF 2 is dissolved as the thin film of Example 6. FIGS. 10A and 10C show the state immediately after the thin film formation of Comparative Example 7 and after one day have passed, respectively. FIGS. 10B and 10D show the state immediately after the formation of the thin film of Example 6 and after 3 days, respectively.

図10(a)および(b)によれば、比較例7および実施例6の薄膜の表面は、いずれも、平滑であった。図では、グレースケールの濃淡で示されるが、何ら濃淡に差がないことから、平滑であることが分かる。図10(c)によれば、比較例7の薄膜の表面は、1日経過すると、大気中の水分により荒れており、濃淡が明確に表れた。一方、図10(d)に示されるように、実施例6の薄膜の表面は、図10(b)と同様に、3日経過した後であっても、平滑であり、大気に対して安定しており、耐吸湿性が向上していることが確認された。なお、図示しないが、実施例6の他のCaFの固溶量の薄膜についても同様の結果であった。 According to FIGS. 10A and 10B, the surfaces of the thin films of Comparative Example 7 and Example 6 were both smooth. In the figure, it is shown by grayscale shading, but since there is no difference in shading, it can be seen that it is smooth. According to FIG.10 (c), when the surface of the thin film of the comparative example 7 passed for 1 day, it was rough with the water | moisture content in air | atmosphere, and light and shade appeared clearly. On the other hand, as shown in FIG. 10 (d), the surface of the thin film of Example 6 is smooth and stable to the atmosphere even after 3 days, as in FIG. 10 (b). It was confirmed that the moisture absorption resistance was improved. Although not shown, the same results were obtained for other thin films of CaF 2 in Example 6.

図11は、実施例6および比較例7による薄膜の経時変化のXRD回折パターンに及ぼす影響を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing the influence of the temporal change of the thin film according to Example 6 and Comparative Example 7 on the XRD diffraction pattern.

図11には、実施例6の薄膜として、CaFが1mol%固溶した酸化ランタンを示す。図11(a)および(b)は、それぞれ、比較例7および実施例6の薄膜のXRDパターンを示す。図11(a)によれば、比較例7の成膜直後の薄膜は、酸化ランタンを示す(002)、(100)の回折ピークを示したが、1日経過後、これらの回折ピークは消失した。一方、図11(b)によれば、実施例6の薄膜は、成膜直後も、3日経過後も、いずれも、酸化ランタンを示す(002)のシャープな回折ピークを示し、実質的に変化を示さなかった。なお、図示しないが、実施例6の他のCaFの固溶量の薄膜についても同様の結果であった。 FIG. 11 shows lanthanum oxide in which 1 mol% of CaF 2 is dissolved as the thin film of Example 6. 11A and 11B show the XRD patterns of the thin films of Comparative Example 7 and Example 6, respectively. According to FIG. 11 (a), the thin film immediately after film formation of Comparative Example 7 showed diffraction peaks of (002) and (100) indicating lanthanum oxide, but these diffraction peaks disappeared after one day. . On the other hand, according to FIG. 11 (b), the thin film of Example 6 showed a sharp diffraction peak of (002) indicating lanthanum oxide both after film formation and after the lapse of 3 days. Did not show. Although not shown, the same results were obtained for other thin films of CaF 2 in Example 6.

以上から、アルカリ土類金属フッ化物が固溶した酸化ランタンからなる焼結体であるセラミックス材料はターゲットとして有効であり、薄膜においても、アルカリ土類金属フッ化物の酸化ランタンへの固溶により耐吸湿性が向上するとともに、アルカリ土類金属フッ化物の固溶量は、0.01mol%より多いことが好ましいが示された。   From the above, a ceramic material that is a sintered body made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is dissolved is effective as a target, and even in a thin film, it is resistant to solid solution by dissolution of alkaline earth metal fluoride in lanthanum oxide. It has been shown that the hygroscopicity is improved and the solid solution amount of the alkaline earth metal fluoride is preferably more than 0.01 mol%.

実施例8によるMIM構造のキャパシタの誘電測定によれば、得られたキャパシタンスから、いずれのCaFの固溶量(0.25、1、1.5および4omol%)についても、絶縁体(誘電体)薄膜であるCaFが固溶した酸化ランタンからなるセラミックス材料の比誘電率は、20を超える値を有し、酸化ランタンの固有値として知られる比誘電率(27)に匹敵することが分かった。 According to the dielectric measurement of the capacitor having the MIM structure according to the example 8, from the obtained capacitance, the solid solution amount (0.25, 1, 1.5 and 4 omole%) of any CaF 2 was determined as an insulator (dielectric). The relative dielectric constant of a ceramic material made of lanthanum oxide in which CaF 2 as a thin film is a solid solution has a value exceeding 20 and is comparable to the relative dielectric constant (27) known as the eigenvalue of lanthanum oxide. It was.

このことから、アルカリ土類金属フッ化物が固溶した酸化ランタンからなるセラミックス材料は、半導体装置の絶縁体薄膜または高誘電率を有する誘電体薄膜として機能し得ることが示された。   This indicates that a ceramic material made of lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved can function as an insulator thin film of a semiconductor device or a dielectric thin film having a high dielectric constant.

[実施例9]
実施例9では、金属/アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)およびQ元素としてInが固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料/金属であるMIM構造のキャパシタを製造した。
[Example 9]
In Example 9, a capacitor having a MIM structure as a ceramic material / metal, which is a thin film made of calcium fluoride (CaF 2 ) as a metal / alkaline earth metal fluoride and lanthanum oxide in which In as a Q element was dissolved, was manufactured. .

キャパシタの製造に先立って、CaFおよびInが固溶した酸化ランタンからなるセラミックス材料として、焼結体9−1〜9−6を製造した。ここで、得られる焼結体の一般式は、(La1−x−zCa(O1−y(QはInであり、x=0.0025、0.0002<y≦0.005、z=0.01、0.03、0.06、0.1)となる。原料に酸化インジウム(和光純薬製、純度99.9%)を用いた以外は実施例1と同様の手順で行った。焼結体の焼成条件を表4に示す。 Prior to manufacturing the capacitor, sintered bodies 9-1 to 9-6 were manufactured as ceramic materials made of lanthanum oxide in which CaF 2 and In were dissolved. Here, the general formula of the obtained sintered body is (La 1−x−z Ca x Q z ) 2 (O 1−y F y ) 3 (Q is In, x = 0.0025, 0. 0002 <y ≦ 0.005, z = 0.01, 0.03, 0.06, 0.1). The same procedure as in Example 1 was performed except that indium oxide (manufactured by Wako Pure Chemicals, purity 99.9%) was used as a raw material. Table 4 shows the firing conditions of the sintered body.

いずれの焼結体も、焼成後、大気中1日放置しても、形状変化をせず、安定であった。また、得られた焼結体について粉末X線回折を行ったところ、いずれの焼結体の回折ピークも、酸化ランタンの回折ピークに一致し、フッ化カルシウムあるいは酸化インジウムを示す回折ピークは見られなかった。このことから、得られた焼結体は、アルカリ度土類金属フッ化物としてフッ化カルシウムおよびQ元素としてIn(インジウム)が固溶した酸化ランタンからなることが分かった。また、得られた焼結体、例えば、焼結体9−4の密度は、6.249g/cmであり、相対密度が96%まで向上したことを確認した。 All sintered bodies were stable without being changed in shape even after being baked for 1 day in the air. Moreover, when powder X-ray diffraction was performed on the obtained sintered body, the diffraction peak of any sintered body coincided with the diffraction peak of lanthanum oxide, and a diffraction peak indicating calcium fluoride or indium oxide was observed. There wasn't. From this, it was found that the obtained sintered body was composed of lanthanum oxide in which calcium fluoride as alkaline earth metal fluoride and In (indium) as Q element were dissolved. Moreover, the density of the obtained sintered compact, for example, the sintered compact 9-4, was 6.249 g / cm 3 , and it was confirmed that the relative density was improved to 96%.

次に、得られた焼結体9−1〜9−6をターゲットに用いて、実施例8と同様の手順でCaFおよびInが固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料/金属であるMIM構造のキャパシタ9−1’〜9−6’を製造した。表5に成膜条件を示す。実施例8と同様に、得られたキャパシタの誘電特性を測定した。結果を表6および図12に示す。 Next, using the obtained sintered bodies 9-1 to 9-6 as targets, a ceramic material / metal which is a thin film made of lanthanum oxide in which CaF 2 and In are dissolved in the same procedure as in Example 8. Capacitors 9-1 ′ to 9-6 ′ having a certain MIM structure were manufactured. Table 5 shows the film forming conditions. In the same manner as in Example 8, the dielectric characteristics of the obtained capacitor were measured. The results are shown in Table 6 and FIG.

図12は、実施例9によるキャパシタ9−2’〜9−6’の比誘電率のインジウム濃度依存性を示す図である。   FIG. 12 is a graph showing the indium concentration dependency of the relative permittivity of the capacitors 9-2 'to 9-6' according to the ninth embodiment.

図12および表6には、実施例8のキャパシタ(CaF添加濃度が0.25mol%)の比誘電率の値も併せて示す。図12によれば、Q元素としてInを固溶させることにより、比誘電率が増大する傾向を示した。詳細には、Inが、0mol%より多く15mol%以下の範囲であれば比誘電率が向上する。特に、表6を参照すれば、Inの固溶量が6mol%および10mol%において、30を超える大きな比誘電率が得られたことから、Inの固溶量は、誤差を考慮すれば、4mol%以上12mol%以下の範囲が好ましいことが示され、4mol%以上8mol%以下の少ない固溶量であっても、大きな比誘電率得られることを確認した。 12 and Table 6 also show values of relative dielectric constants of the capacitor of Example 8 (CaF 2 addition concentration is 0.25 mol%). According to FIG. 12, the relative permittivity tends to increase by dissolving In as the Q element. Specifically, the relative dielectric constant is improved when In is in the range of more than 0 mol% and not more than 15 mol%. In particular, referring to Table 6, since a large relative dielectric constant exceeding 30 was obtained when the solid solution amount of In was 6 mol% and 10 mol%, the solid solution amount of In was 4 mol if the error was taken into consideration. % To 12 mol% is preferable, and it was confirmed that a large relative dielectric constant can be obtained even with a small solid solution amount of 4 mol% to 8 mol%.

さらに、実施例9の9−3’および9−5’と9−4’および9−6’とを比較すると、大気中で焼成した焼結体をターゲットとして用いることにより、より高い比誘電率を有するセラミックス材料からなる薄膜が得られることが分かった。   Further, when 9-3 ′ and 9-5 ′ of Example 9 are compared with 9-4 ′ and 9-6 ′, a higher relative dielectric constant can be obtained by using a sintered body fired in the atmosphere as a target. It was found that a thin film made of a ceramic material having

[実施例10]
実施例10では、金属/アルカリ土類金属フッ化物としてフッ化カルシウム(CaF)およびQ元素としてGaが固溶した酸化ランタンからなる薄膜であるセラミックス材料/金属であるMIM構造のキャパシタを製造した。原料に酸化ガリウム(和光純薬製、純度99.9%)を用い、一般式(La1−x−zCa(O1−y(QはGaであり、x=0.0025、0.0002<y≦0.005、z=0.06)で表される焼結体を焼成し、キャパシタ製造(成膜時間は120分であった)に用いた以外は実施例9と同様の手順であった。実施例9と同様にして、誘電特性を測定したところ、酸化ランタンの理論値(27)を超える比誘電率が得られた。
[Example 10]
In Example 10, a capacitor having a MIM structure as a ceramic material / metal, which is a thin film made of calcium fluoride (CaF 2 ) as a metal / alkaline earth metal fluoride and lanthanum oxide in which Ga as a Q element was dissolved, was manufactured. . Raw gallium oxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99.9%) using the general formula (La 1-x-z Ca x Q z) 2 (O 1-y F y) 3 (Q is Ga, except that the sintered body represented by x = 0.005, 0.0002 <y ≦ 0.005, z = 0.06) was fired and used for capacitor production (film formation time was 120 minutes). Was the same procedure as in Example 9. When the dielectric properties were measured in the same manner as in Example 9, a relative dielectric constant exceeding the theoretical value (27) of lanthanum oxide was obtained.

以上の実施例9および実施例10から、アルカリ土類金属フッ化物に加えて、Q元素(QはInおよび/またはGaである)が固溶した酸化ランタンからなる焼結体であるセラミックス材料は、耐吸湿性に加えて比誘電率が向上しており、この焼結体をターゲットに用いて得られた薄膜もまた耐吸湿性および高比誘電率を有しており、優れた半導体装置を提供できることが示された。   From the above Example 9 and Example 10, the ceramic material, which is a sintered body made of lanthanum oxide in which the Q element (Q is In and / or Ga) in addition to the alkaline earth metal fluoride, is obtained. In addition to moisture absorption resistance, the relative dielectric constant has been improved, and the thin film obtained using this sintered body as a target also has moisture absorption resistance and high relative dielectric constant, making it an excellent semiconductor device. It was shown that it can be provided.

本発明の0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料は、耐吸湿性に優れるので、原料粉末、焼結体ターゲット、薄膜に有利である。このようなセラミックス材料を用いた、MOSキャパシタ、MOSFET、MFISFET、MFMISFET、MIFIMISFET、MFIMISFETおよびMIFMISFET等の半導体装置は、耐吸湿性に優れ、長期間にわたって安定して動作し、酸化ランタン本来の高い比誘電率を発揮できる。   Since the ceramic material made of lanthanum oxide in which alkaline earth metal fluoride is solid-solved in the range of more than 0.01 mol% and less than 5 mol% of the present invention is excellent in moisture absorption resistance, the raw material powder, the sintered compact target, It is advantageous for thin films. Semiconductor devices using such ceramic materials, such as MOS capacitors, MOSFETs, MFISFETs, MFMISFETs, MFIMISFETs, MFIMISFETs, and MIFMISFETs, have excellent moisture absorption resistance, operate stably over a long period of time, and have an inherently high ratio of lanthanum oxide. Dielectric constant can be demonstrated.

200、300 半導体装置
210 第1の導電層
220、340 第2の導電層
230、350 誘電体薄膜/絶縁体薄膜
310 ソース領域
320 ドレイン領域
330 半導体基板
200, 300 Semiconductor device 210 First conductive layer 220, 340 Second conductive layer 230, 350 Dielectric thin film / insulator thin film 310 Source region 320 Drain region 330 Semiconductor substrate

Claims (20)

0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料。   A ceramic material comprising lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is solid-solved in a range from 0.01 mol% to 5 mol%. 前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.25mol%以上4mol%以下の範囲で固溶している、請求項1に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the alkaline earth metal fluoride is solid-solved in a range of 0.25 mol% to 4 mol%. 前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.4mol%以上1.5mol%以下の範囲で固溶している、請求項1に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the alkaline earth metal fluoride is solid-solved in a range of 0.4 mol% to 1.5 mol%. 前記アルカリ土類金属フッ化物は、0.6mol%以上1.0mol%以下の範囲で固溶している、請求項1に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the alkaline earth metal fluoride is solid-solved in a range of 0.6 mol% to 1.0 mol%. 前記アルカリ土類金属フッ化物は、マグネシウムフッ化物(MgF)、カルシウムフッ化物(CaF)およびストロンチウムフッ化物(SrF)からなる群から少なくとも1つ選択される、請求項1に記載のセラミックス材料。 The ceramic according to claim 1, wherein the alkaline earth metal fluoride is selected from the group consisting of magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), and strontium fluoride (SrF 2 ). material. 前記酸化ランタンには、Q元素(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGaである)がさらに固溶している、請求項1に記載のセラミックス材料。   2. The ceramic material according to claim 1, wherein the lanthanum oxide further contains a Q element (wherein the Q element is In and / or Ga). 前記Q元素は、0mol%より多く15mol%以下の範囲で固溶している、請求項6に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 6, wherein the Q element is solid-solved in a range of more than 0 mol% and not more than 15 mol%. 前記Q元素は、4mol%以上12mol%以下の範囲で固溶している、請求項7に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 7, wherein the Q element is in a solid solution in a range of 4 mol% to 12 mol%. 1次イオンとしてOを用い、2次イオンとして前記酸化ランタンから飛来するプラスイオンを用いた二次イオン質量分析法により前記酸化ランタンを分析した際の、16O(酸素)に対するF(フッ素)のイオン強度比(F/16O)、および、La(ランタン)に対するアルカリ土類元素Mのイオン強度比(M/La)は、それぞれ、
0.0013<F/16O≦0.15、および、
0.0012<M/La≦6
を満たす、請求項1に記載のセラミックス材料。
F (fluorine) for 16 O (oxygen) when the lanthanum oxide is analyzed by secondary ion mass spectrometry using O as primary ions and positive ions flying from the lanthanum oxide as secondary ions. The ionic strength ratio (F / 16 O) and the ionic strength ratio (M / La) of the alkaline earth element M to La (lanthanum) are respectively
0.0013 <F / 16 O ≦ 0.15, and
0.0012 <M / La ≦ 6
The ceramic material according to claim 1, wherein:
前記酸化ランタンは、一般式(La1−x−z(O1−y(ここで、Laはランタンであり、Mはアルカリ土類元素であり、Qは、Inおよび/またはGaであり、Oは酸素であり、Fはフッ素である)で表され、パラメータx、yおよびzは、それぞれ、
0.0001<x≦0.05、
0.0002<y≦0.1、および、
0≦z≦0.15
を満たす、請求項1に記載のセラミックス材料。
The lanthanum oxide is represented by the general formula (La 1-x-z M x Q z) 2 (O 1-y F y) 3 ( wherein, La is lanthanum, M is an alkaline earth element, Q is , In and / or Ga, O is oxygen and F is fluorine), and the parameters x, y and z are respectively
0.0001 <x ≦ 0.05,
0.0002 <y ≦ 0.1, and
0 ≦ z ≦ 0.15
The ceramic material according to claim 1, wherein:
前記パラメータxおよびyは、それぞれ、
0.0025≦x≦0.04、および、
0.005≦y≦0.08、
を満たす、請求項10に記載のセラミックス材料。
The parameters x and y are respectively
0.0025 ≦ x ≦ 0.04, and
0.005 ≦ y ≦ 0.08,
The ceramic material according to claim 10, wherein:
前記パラメータxおよびyは、それぞれ、
0.004≦x≦0.015、および、
0.008≦y≦0.03
を満たす、請求項11に記載のセラミックス材料。
The parameters x and y are respectively
0.004 ≦ x ≦ 0.015, and
0.008 ≦ y ≦ 0.03
The ceramic material according to claim 11, wherein:
0.01mol%より多く5mol%以下の範囲でアルカリ土類金属フッ化物が固溶している酸化ランタンからなるセラミックス材料を製造する方法であって、
酸化ランタン粉末と、アルカリ土類金属フッ化物粉末とを混合するステップであって、前記アルカリ土類金属フッ化物粉末は、前記酸化ランタン粉末に対して0.01mol%より多く5mol%以下の範囲で混合される、ステップと、
前記混合するステップで得た混合物を、1100℃以上1500℃以下の温度範囲の温度で焼成するステップと
を包含する方法。
A method for producing a ceramic material comprising lanthanum oxide in which an alkaline earth metal fluoride is dissolved in a range of 0.01 mol% to 5 mol%,
A step of mixing lanthanum oxide powder and alkaline earth metal fluoride powder, wherein the alkaline earth metal fluoride powder is more than 0.01 mol% and less than 5 mol% with respect to the lanthanum oxide powder. Mixed, steps, and
Calcining the mixture obtained in the mixing step at a temperature in the temperature range of 1100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
前記混合するステップは、Q元素を含有する材料(ここで、Q元素は、Inおよび/またはGaである)をさらに含有する、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein the mixing step further includes a material containing a Q element (wherein the Q element is In and / or Ga). 前記Q元素を含有する材料は、前記Qの金属、酸化物およびフッ化物からなる群から選択される、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein the material containing the Q element is selected from the group consisting of the Q metal, oxide and fluoride. 前記Q元素を含有する材料は、前記酸化ランタン粉末および前記アルカリ土類金属フッ化物粉末に対して0mol%より多く15mol%以下の範囲で混合される、請求項14に記載の方法。   The method according to claim 14, wherein the material containing the Q element is mixed in a range of more than 0 mol% and not more than 15 mol% with respect to the lanthanum oxide powder and the alkaline earth metal fluoride powder. 物理的気相成長法で用いる焼結体からなるターゲットであって、
前記焼結体は、請求項1〜12のいずれかに記載のセラミックス材料からなる、ターゲット。
A target comprising a sintered body used in physical vapor deposition,
The said sintered compact is a target which consists of a ceramic material in any one of Claims 1-12.
前記物理的気相成長法は、スパッタ法、パルスレーザ堆積法および蒸着法からなる群から選択される、請求項17に記載のターゲット。   The target according to claim 17, wherein the physical vapor deposition method is selected from the group consisting of sputtering, pulsed laser deposition, and vapor deposition. 第1の導電層と、前記第1の導電層に対向する第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に位置する誘電体薄膜とを備えた半導体装置であって、
前記誘電体薄膜は、請求項1〜12のいずれかに記載のセラミックス材料からなる、半導体装置。
A semiconductor comprising: a first conductive layer; a second conductive layer facing the first conductive layer; and a dielectric thin film positioned between the first conductive layer and the second conductive layer A device,
The said dielectric thin film is a semiconductor device which consists of a ceramic material in any one of Claims 1-12.
前記第1の導電層は、表面に離間して形成されたソース/ドレイン領域を有する半導体基板からなり、
前記誘電体薄膜は、前記ソース/ドレイン領域の間の前記半導体基板上に位置しており、
前記第2の導電層は、ゲート電極であり、
前記半導体装置は、MOSFET、MFISFET、MFMISFET、MIFIMISFET、MFIMISFETおよびMIFMISFETからなる群から選択される、請求項19に記載の半導体装置。
The first conductive layer is made of a semiconductor substrate having source / drain regions formed on the surface so as to be spaced apart from each other.
The dielectric thin film is located on the semiconductor substrate between the source / drain regions;
The second conductive layer is a gate electrode;
The semiconductor device according to claim 19, wherein the semiconductor device is selected from the group consisting of MOSFET, MFISFET, MFMISFET, MIFIMSFET, MFIMISFET, and MIFMISFET.
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