JP2022182764A - Dielectric film, capacitor using the same and method for manufacturing dielectric film - Google Patents

Dielectric film, capacitor using the same and method for manufacturing dielectric film Download PDF

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貴弘 長田
Takahiro Osada
豊裕 知京
Toyohiro Chikyo
陽 安藤
Akira Ando
潤 池田
Jun Ikeda
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

To provide a dielectric film having high insulation properties in a wide temperature range (for example, 20-150°C).SOLUTION: A dielectric film having a pyrochlore type or layered perovskite type crystal structure has a composition represented by the general formula of A2B2-2xZ2xO7 (where A is two or more elements selected from a group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu and includes A1 and A2 different from each other as each one element therein; B is two or more elements selected from a group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta and includes B1 and B2 different from each other as each one element therein; Z is at least one element selected a group consisting of Cr, Mo and W; and x satisfies 0<x≤0.25).SELECTED DRAWING: None

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 第38回強誘電体会議プログラム&講演予稿集、第35-36頁、強誘電体会議 事務局(頒布日:令和3年5月24日、発行日:令和3年6月1日)There is an application for the application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Date: June 1, 2021)

本発明は、誘電体膜およびそれを用いたキャパシタ、ならびにかかる誘電体膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a dielectric film, a capacitor using the same, and a method for manufacturing such a dielectric film.

近年、電気自動車などの、大電力を必要とする電気機器の需要が増大している。これら電気機器の根幹を支えるパワー半導体素子、および関連する電子部品等を用いたデバイスは、大電流による発熱や、連続運転に対して、高い信頼性を示すことが求められる。電子部品の1つであるキャパシタは、ノイズ対策や高集積化の観点から、デバイスにおいてパワー半導体素子の近くに設置され得、このため、高温を含む広い温度範囲に亘って、安定した電気特性および高い絶縁性を示すことが要望される。このような要望を一例として、キャパシタに利用可能な新規な誘電体膜に関する研究が行われている。 In recent years, there has been an increasing demand for electrical equipment that requires large amounts of power, such as electric vehicles. Devices using power semiconductor elements and related electronic components that support the basis of these electrical devices are required to exhibit high reliability against heat generation due to large currents and continuous operation. Capacitors, which are one of electronic components, can be installed near power semiconductor elements in devices from the viewpoint of noise countermeasures and high integration. It is desired to exhibit high insulation. Taking such a demand as an example, research is being conducted on novel dielectric films that can be used for capacitors.

従前、フローティングゾーン法で成長させた一般式A227で表される組成(例えばSr2Ta27、Sr2Nb27等)を有する単結晶(これは薄膜と区別して「バルク単結晶」とも呼ばれる)が、誘電性を示すことが報告されている(非特許文献1参照)。この報告に関連して、フローティングゾーン法で得たSr2Ta27の結晶構造は、Sr2Nb27の結晶構造と同じく、ペロブスカイト型スラブ構造であるという報告も存在する(非特許文献2参照)。 Conventionally, single crystals having a composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 (for example, Sr 2 Ta 2 O 7 , Sr 2 Nb 2 O 7 , etc.) grown by the floating zone method (this is distinguished from thin films) (also called "bulk single crystal") has been reported to exhibit dielectric properties (see Non-Patent Document 1). Related to this report, there is also a report that the crystal structure of Sr 2 Ta 2 O 7 obtained by the floating zone method is a perovskite slab structure, like the crystal structure of Sr 2 Nb 2 O 7 (non-patent Reference 2).

更に、パイロクロア型の結晶構造を有し、かつ一般式A227で表される組成(例えばSr2Ta27等)を有する誘電体膜が、2つの電極間に配置されたキャパシタ(薄膜コンデンサ)が知られている(特許文献1参照)。特許文献1には、パイロクロア型化合物であるSr2Ta27からなる誘電体膜をCVD法により基板温度400℃で形成したところ、600の比誘電率を示したことが記載されている。 Furthermore, a dielectric film having a pyrochlore-type crystal structure and a composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 (for example, Sr 2 Ta 2 O 7 etc.) was disposed between the two electrodes. A capacitor (thin film capacitor) is known (see Patent Document 1). Patent Document 1 describes that when a dielectric film made of Sr 2 Ta 2 O 7 which is a pyrochlore compound was formed by the CVD method at a substrate temperature of 400° C., it exhibited a dielectric constant of 600.

また、(Sr2Ta27100-x’(La2Ti27x’(式中、0≦x’≦5)で表される組成を有する層状ペロブスカイト材料であって、対応する金属酸化物粉末原料を用いた2段階固相反応によりペレット状(直径12または18mm、厚さ0.5mm)に作製した材料も知られている(非特許文献3参照)。この材料は、20~300℃の温度範囲において比誘電率が大きく変化することが報告されている(非特許文献3の図7参照)。 Also, a layered perovskite material having a composition represented by (Sr 2 Ta 2 O 7 ) 100-x′ (La 2 Ti 2 O 7 ) x′ (where 0≦x′≦5), which corresponds to A material produced in a pellet form (diameter 12 or 18 mm, thickness 0.5 mm) by a two-step solid-phase reaction using a metal oxide powder raw material is also known (see Non-Patent Document 3). It has been reported that the dielectric constant of this material changes greatly in the temperature range of 20 to 300° C. (see FIG. 7 of Non-Patent Document 3).

ある局面において、キャパシタは、広い温度範囲、例えば20℃程度の室温または常温から150℃程度の比較的高温までの範囲に亘って、安定した電気特性(例えば比誘電率)を示すことが求められ得る。しかしながら、上述した従来のキャパシタや材料では、上記温度範囲に亘って比誘電率を安定的に維持できない。かかる状況下、本発明者らの先の研究により、一般式A227で表される組成を有する誘電体膜においてその配向面を制御することによって、上記温度範囲に亘って高い比誘電率を安定的に維持できる誘電体膜が実現された(特許文献2参照)。 In one aspect, the capacitor is required to exhibit stable electrical properties (eg, dielectric constant) over a wide temperature range, for example, from room temperature or normal temperature of about 20°C to relatively high temperature of about 150°C. obtain. However, the conventional capacitors and materials described above cannot stably maintain the dielectric constant over the above temperature range. Under such circumstances, the inventors' previous research revealed that by controlling the orientation plane in the dielectric film having the composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 , a high ratio A dielectric film capable of stably maintaining a dielectric constant has been realized (see Patent Document 2).

特開平10-178153号公報JP-A-10-178153 国際公開第2020/246363号WO2020/246363

S. Nanamatsu, et al., "Crystallographic and Dielectric Properties of Ferroelectric A2B2O7 (A=Sr, B=Ta, Nb) Crystals and Their Solid Solutions", Journal of the Physical Society of Japan, 1975, Vol. 38, pp. 817-824S. Nanamatsu, et al., "Crystallographic and Dielectric Properties of Ferroelectric A2B2O7 (A=Sr, B=Ta, Nb) Crystals and Their Solid Solutions", Journal of the Physical Society of Japan, 1975, Vol. 38, pp. 817-824 N. Ishizawa, et al., "Compounds with Perovskite-Type Slabs. II. The Crystal Structure of Sr2Ta207", Acta Crystallographica, 1976, Section B Vol. 32, pp.2564-2566N. Ishizawa, et al., "Compounds with Perovskite-Type Slabs. II. The Crystal Structure of Sr2Ta207", Acta Crystallographica, 1976, Section B Vol. 32, pp.2564-2566 F. Marlec, et al., "Ferroelectricity and high tunability in novel strontium and tantalum based layered perovskite materials", Journal of the European Ceramic Society, 2018, Vol. 38, pp. 2526-2533F. Marlec, et al., "Ferroelectricity and high tunability in novel strontium and tantalum based layered perovskite materials", Journal of the European Ceramic Society, 2018, Vol. 38, pp. 2526-2533

別のまたは更なる局面において、キャパシタは、広い温度範囲、例えば20℃程度の室温または常温から150℃程度の比較的高温までの範囲に亘って、安定した電気特性(例えば比誘電率)を示すことに代えて、または好ましくはこれに加えて、高い絶縁性を示すことが求められ得る。キャパシタの絶縁性は、漏れ電流によって評価され得、漏れ電流の電流密度が小さいほど、キャパシタの絶縁性(より詳細には、誘電体膜の絶縁性)が高い。 In another or further aspect, the capacitor exhibits stable electrical properties (e.g., dielectric constant) over a wide temperature range, e.g. Alternatively, or preferably additionally, it may be required to exhibit high insulating properties. The insulation of the capacitor can be evaluated by the leakage current, and the smaller the current density of the leakage current, the higher the insulation of the capacitor (more specifically, the insulation of the dielectric film).

しかしながら、特許文献2に記載の誘電体膜では、漏れ電流の電流密度は、必ずしも十分に満足できる程度に小さくない。例えば、特許文献2の実施例1(図6)は、20~150℃程度の温度範囲で、比較的高い電流密度(約10-5A/cm2)を示している。 However, in the dielectric film described in Patent Document 2, the current density of leakage current is not necessarily small enough to satisfy. For example, Example 1 (FIG. 6) of Patent Document 2 shows a relatively high current density (about 10 -5 A/cm 2 ) in a temperature range of about 20 to 150°C.

本発明は、広い温度範囲(例えば20~150℃)に亘って絶縁性が高い誘電体膜およびそれを用いたキャパシタ、ならびにかかる誘電体膜の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a dielectric film with high insulation over a wide temperature range (for example, 20 to 150° C.), a capacitor using the dielectric film, and a method for manufacturing such a dielectric film.

本発明者らは、一般式A227で表される組成を有する誘電体膜に別の元素を添加することによって、電気特性を改善することを試みた。そして、本発明者らは、AサイトおよびBサイトの元素のうちとりわけBサイトの元素の一部を他の元素で置換するという着想の下、更なる鋭意研究の結果、本発明を完成するに至った。 The inventors tried to improve the electrical properties by adding another element to the dielectric film having the composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 . Then, the inventors of the present invention have made further intensive studies under the idea of substituting a part of the B-site elements, among the A-site and B-site elements, with other elements, and have completed the present invention. Arrived.

本発明の1つの要旨によれば、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜であって、
一般式A22-2x2x7(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する、誘電体膜が提供される。
According to one aspect of the present invention, a dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure,
General formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (wherein A is Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er , Tm, Yb and Lu, each one of which includes A 1 and A 2 different from each other, and B is Ti, Zr, Hf, V, Two or more elements selected from the group consisting of Nb and Ta, each one of which includes B 1 and B 2 that are different from each other, and Z is selected from the group consisting of Cr, Mo and W and x satisfies 0<x≦0.25).

本発明のもう1つの要旨によれば、電極と、該電極の上に配置された上記本発明の誘電体膜とを含むキャパシタが提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a capacitor comprising an electrode and the above dielectric film of the present invention disposed over the electrode.

本発明の更にもう1つの要旨によれば、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜の製造方法であって、
(a)350~600℃の温度に加熱された基板の表面に、一般式A22-2x2x7(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する前駆体膜を気相堆積により形成すること、および
(b)前記前駆体膜が形成された前記基板を、酸素を含む雰囲気にて850~1050℃の温度で熱処理して、該前駆体膜から、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、かつ前記組成を有する誘電体膜を得ること
を含む、製造方法が提供される。
According to yet another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a dielectric film having a pyrochlore or layered perovskite crystal structure, comprising:
(a) A compound of the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (wherein A is Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr , Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, two or more elements selected from the group consisting of A 1 and A 2 , wherein B is two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta, wherein each element is different from each other B 1 and B 2 , Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, and x satisfies 0<x≦0.25. (b) heat-treating the substrate on which the precursor film is formed at a temperature of 850 to 1050° C. in an atmosphere containing oxygen to form a pyrochlore-type or layered structure from the precursor film; A manufacturing method is provided, comprising obtaining a dielectric film having a perovskite-type crystal structure and having the composition.

本発明によれば、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜において、一般式A22-2x2x7で表される組成を成すAサイトの元素およびBサイトの元素がそれぞれ少なくとも2つ存在し、更に、ZがCr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たすことによって、広い温度範囲(例えば20~150℃)に亘って絶縁性が高い誘電体膜が提供される。更に、本発明によれば、かかる誘電体膜を用いたキャパシタ、ならびにかかる誘電体膜の製造方法も提供される。 According to the present invention, in a dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure, an A-site element and a B-site element having a composition represented by the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 are present at least two each, Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, and x satisfies 0<x≦0.25, thereby providing a wide temperature range (e.g. 20 to 150° C.) provides a dielectric film with high insulating properties. Furthermore, according to the present invention, a capacitor using such a dielectric film and a method for manufacturing such a dielectric film are also provided.

本発明の1つの実施形態におけるキャパシタの例示的な一態様を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing one exemplary aspect of a capacitor in one embodiment of the invention; FIG. 実施例1の工程(a)のスパッタリングを模式的に示す概略図である。1 is a schematic diagram schematically showing sputtering in step (a) of Example 1. FIG. 実施例1の誘電体膜の2次元X線回折像を示す。2 shows a two-dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film of Example 1. FIG. 実施例1の誘電体膜の電気特性を評価したグラフである。4 is a graph showing evaluation of electrical properties of the dielectric film of Example 1. FIG. 比較例1の誘電体膜の2次元X線回折像を示す。2 shows a two-dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film of Comparative Example 1. FIG. 比較例1の誘電体膜の電気特性を評価したグラフである。5 is a graph showing the evaluation of the electrical properties of the dielectric film of Comparative Example 1. FIG. 実施例2の工程(a)のスパッタリングを模式的に示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing sputtering in step (a) of Example 2; 実施例2の誘電体膜の2次元X線回折像を示し、(a)は第1部分(W0.0%)、(b)は第6部分(W13.5%)、(c)は第7部分(W16.1%)、(d)は第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像である。The two-dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film of Example 2 is shown, (a) is the first portion (W 0.0%), (b) is the sixth portion (W 13.5%), (c) is the 7 portion (W16.1%), (d) is a two-dimensional X-ray diffraction image of the 11th portion (W26.9%). 実施例2の誘電体膜の第1部分(W0.0%)~第11部分(W26.9%)の各2次元X線回折像から得られたX線回折パターン(1次元プロファイル)を示す。1 shows X-ray diffraction patterns (one-dimensional profiles) obtained from two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%) to the eleventh part (W26.9%) of the dielectric film of Example 2. . 実施例2の誘電体膜の電気特性を評価したグラフである。4 is a graph showing evaluation of electrical properties of the dielectric film of Example 2. FIG. 実施例3の誘電体膜の2次元X線回折像を示し、(a)は第1部分(W0.0%)、(b)は第6部分(W13.5%)、(c)は第7部分(W16.1%)、(d)は第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像である。The two-dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film of Example 3 is shown, (a) is the first portion (W 0.0%), (b) is the sixth portion (W 13.5%), (c) is the 7 portion (W16.1%), (d) is a two-dimensional X-ray diffraction image of the 11th portion (W26.9%). 実施例3の誘電体膜の第1部分(W0.0%)~第11部分(W26.9%)の各2次元X線回折像から得られたX線回折パターン(1次元プロファイル)を示す。1 shows X-ray diffraction patterns (one-dimensional profiles) obtained from two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%) to the eleventh part (W26.9%) of the dielectric film of Example 3. . 実施例4の誘電体膜の2次元X線回折像を示し、(a)は第1部分(W0.0%)、(b)は第6部分(W13.5%)、(c)は第7部分(W16.1%)、(d)は第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像である。The two-dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film of Example 4 is shown, (a) is the first portion (W 0.0%), (b) is the sixth portion (W 13.5%), (c) is the 7 portion (W16.1%), (d) is a two-dimensional X-ray diffraction image of the 11th portion (W26.9%). 実施例4の誘電体膜の第1部分(W0.0%)~第11部分(W26.9%)の各2次元X線回折像から得られたX線回折パターン(1次元プロファイル)を示す。1 shows X-ray diffraction patterns (one-dimensional profiles) obtained from two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%) to the eleventh part (W26.9%) of the dielectric film of Example 4. . 実施例3の誘電体膜(100nm)および実施例4(260nm)の誘電体膜の電気特性を評価したグラフである。5 is a graph showing the evaluation of the electrical properties of the dielectric film (100 nm) of Example 3 and the dielectric film of Example 4 (260 nm). Z添加の効果確認試験において作製したサンプルのXPSスペクトル(O 1sに対応するピークを含む)を示すグラフである。4 is a graph showing an XPS spectrum (including a peak corresponding to O 1s) of a sample produced in a Z addition effect confirmation test. Z添加の効果確認試験において作製したサンプルのXPSスペクトル(Ti 2pに対応するピークを含む)を示すグラフである。4 is a graph showing an XPS spectrum (including a peak corresponding to Ti 2p) of a sample produced in a Z addition effect confirmation test. Z添加の効果確認試験において作製したサンプルから導出されるXPSスペクトル(W 4fに対応するピークを含む)を示すグラフである。4 is a graph showing an XPS spectrum (including a peak corresponding to W 4f) derived from a sample produced in a Z addition effect confirmation test. Z添加の効果確認試験において作製したサンプルのXPSスペクトル((SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(y=0.35、ZはWである)の価電子帯に対応するピークを含む)を示すグラフである。XPS spectrum of the sample prepared in the effect confirmation test of Z addition ((SryLa1-y)2(TayTi1-y)2-2xZ2xO7 ( y = 0.35 , Z is W ) including peaks corresponding to the valence band of ).

(実施形態1:誘電体膜およびその製造方法)
本発明の1つの実施形態によれば、誘電体膜およびその製造方法が提供される。
(Embodiment 1: Dielectric film and its manufacturing method)
According to one embodiment of the present invention, a dielectric film and method of making the same are provided.

本実施形態の誘電体膜は、
パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、
一般式A22-2x2x7
(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する。
The dielectric film of this embodiment is
having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure,
General formula A2B2-2xZ2xO7 _
(Wherein A is selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu two or more elements, each one of which includes A 1 and A 2 that are different from each other, and B is two selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta The above elements, each of which includes B 1 and B 2 that are different from each other, Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, and x is 0< satisfies x≦0.25).

一般式A227で表される組成を有する酸化物の結晶構造は、通常、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型(ペロブスカイト型スラブとも称される)であり得る(これらの多形を採り得る場合も含む)。よって、一般式A22-2x2x7で表される組成を有する酸化物の結晶構造も、通常、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型(ペロブスカイト型スラブとも称される)であり得る(これらの多形を採り得る場合も含む)。しかしながら、上記酸化物がどのような結晶構造となるかは、その具体的な組成および製造方法等によって異なり得、更に、上記酸化物が曝される温度および圧力等の条件によっても変化(例えば相変化および/または多形間で転移)し得る。よって、本発明において「パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造」とは、これらのいずれか一方または双方であってよい結晶構造を意味するものであり、いずれか一方のみに限定して解釈されない。 The crystal structure of an oxide having a composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 can usually be a pyrochlore type or a layered perovskite type (also called a perovskite slab) (these polymorphs can be used). including cases). Therefore, the crystal structure of an oxide having a composition represented by the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 can also be of the pyrochlore type or layered perovskite type (also called perovskite slab). (Including cases where it can take polymorphism). However, the crystal structure of the oxide may vary depending on its specific composition, manufacturing method, etc., and may also change depending on conditions such as temperature and pressure to which the oxide is exposed (for example, phase changes and/or transitions between polymorphs). Therefore, in the present invention, the "pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure" means either one or both of these crystal structures, and should not be construed as being limited to either one.

本実施形態の誘電体膜は、一般式A22-2x2x7で表される組成を有する。AおよびBは、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造においてそれぞれAサイトおよびBサイトを占める元素を意味する(または総称する)記号である。Zは、Bサイトの元素の一部を置換する(よって、Bサイトを占め得る)元素を意味する記号であり、xは置換割合を意味する。 The dielectric film of this embodiment has a composition represented by the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 . A and B are symbols that denote (or collectively) elements that occupy the A and B sites, respectively, in a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure. Z is a symbol that means an element that substitutes for a part of the element on the B site (thus, that can occupy the B site), and x means the substitution ratio.

Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素である。好ましくは、Aは、Sr、Ba、LaおよびNdからなる群より選択される2つ以上の元素である。Aに該当する具体的な元素は2つ以上存在し、これらをA1およびA2(これらは互いに異なる)として表記する。 A is two or more selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu is an element of Preferably, A is two or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba, La and Nd. There are two or more specific elements corresponding to A, and these are denoted as A 1 and A 2 (which are different from each other).

Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される1つ以上の元素である。好ましくは、Bは、Ti、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素である。Bに該当する具体的な元素は2つ以上存在し、これらをB1およびB2(これらは互いに異なる)として表記する。 B is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta. Preferably B is two or more elements selected from the group consisting of Ti, Nb and Ta. There are two or more specific elements corresponding to B, and these are denoted as B 1 and B 2 (which are different from each other).

Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。xは0<x≦0.25を満たす。 Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W; x satisfies 0<x≦0.25.

本実施形態の誘電体膜は、Aが互いに異なるA1およびA2を含み、Bが互いに異なるB1およびB2を含み、かつ、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であるZを0<x≦0.25の置換割合xで含むことによって、広い温度範囲(例えば20~150℃)に亘って高い絶縁性を得ることができる。 The dielectric film of the present embodiment includes A 1 and A 2 in which A is different from each other, B 1 and B 2 in which B is different from each other, and at least one selected from the group consisting of Cr, Mo and W. By containing the element Z at a substitution ratio x of 0<x≦0.25, high insulating properties can be obtained over a wide temperature range (for example, 20 to 150° C.).

本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、その理由は次のように考えられ得る。一般式A227で表される組成を有する酸化物において、AおよびBがそれぞれ1種の元素のみである場合より、Aが互いに異なるA1およびA2を含み、かつ、Bが互いに異なるB1およびB2を含む場合のほうが、誘電体膜中に酸素欠損(空孔)が存在すること、および/または、隣接する元素間で電荷が中和されていないことが比較的起こり易く、よって、高い絶縁性が得られないものと考えられる。これに対して、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であるZを、0<x≦0.25の置換割合xで添加(より詳細にはBを置換)すると、酸素欠損(空孔)による正の電荷、および/または、隣接する元素(A、B、O)間での局所的な電荷の過不足(アンバランス)に対して、効果的に電荷を補償(バランシング)して中性化することができ、よって、高い絶縁性が得られるものと考えられる。 Although the present invention is not bound by any theory, the reason may be as follows. In the oxide having the composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 , A contains A 1 and A 2 different from each other than when A and B are only one element, and B is Oxygen vacancies (vacancies) exist in the dielectric film and/or the charge is not neutralized between adjacent elements more frequently when B 1 and B 2 differ from each other. Therefore, it is thought that high insulation cannot be obtained. On the other hand, when Z, which is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, is added at a substitution ratio x of 0 < x ≤ 0.25 (more specifically, B is substituted), Effective charge compensation ( Balancing) and neutralization, therefore, it is thought that high insulation can be obtained.

より詳細には、次のように考えられ得る。一般式A227で表される組成を有する酸化物において、Bは、イオン状態で6配位を形成する(この酸化物においてBに着目すると、Bを中心に配置した正八面体の6個の頂点にO元素が位置する)。ZであるCr、MoおよびWは、いずれも、イオン状態で6配位を形成可能である。また、一般式A227で表される組成を有する酸化物において、Bは、イオン状態で4価および/または5価で存在していると考えられる。ZであるCr、MoおよびWは、いずれも、イオン状態で4価および5価の双方を採ることが可能である。BおよびZが、4価または5価で、かつ6配位の場合の、イオン半径を表1に示す。表1から理解されるように、Bのイオン半径に対して、ZであるCr、MoおよびWのイオン半径は概ね近く、特に、MoおよびWは非常に近い。従って、Cr、MoおよびWは、6配位を形成可能で、かつBに近いイオン半径を有することからBを置換し易く、そして、イオン状態で4価および5価の双方を採ることが可能であることから、酸素欠損(空孔)による正の電荷、および/または、隣接する元素(A、B、O)間での局所的な電荷の過不足に対して、電荷を補償して中性化することができる。更に、置換割合xを0<x≦0.25とすることによって、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を維持しつつ、かかる中性化を効果的に実現することができる。 More specifically, it can be considered as follows. In the oxide having the composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 , B forms 6-coordination in the ionic state (focusing on B in this oxide, a regular octahedral O elements are located at the six vertices). Cr, Mo and W as Z are all capable of forming hexacoordinates in the ionic state. In addition, in the oxide having the composition represented by the general formula A 2 B 2 O 7 , B is considered to exist in tetravalent and/or pentavalent ions. Cr, Mo and W, which are Z, can be both tetravalent and pentavalent in the ionic state. Table 1 shows the ionic radii when B and Z are tetravalent or pentavalent and hexacoordinated. As can be seen from Table 1, the ionic radii of Cr, Mo and W as Z are generally close to the ionic radii of B, and in particular, Mo and W are very close. Therefore, Cr, Mo and W can form hexacoordination and have ionic radii close to B, so they can easily replace B, and can take both tetravalent and pentavalent ions in the ionic state. Therefore, the charge is compensated for the positive charge due to oxygen deficiency (vacancy) and/or the local excess or deficiency of charge between adjacent elements (A, B, O). can be sexualized. Furthermore, by setting the substitution ratio x to 0<x≦0.25, such neutralization can be effectively achieved while maintaining the pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure.

Figure 2022182764000001
Figure 2022182764000001

置換割合xは、本実施形態の誘電体膜におけるZの含有量を、誘電体膜の組成を一般式A22-2x2x7として表した場合のパラメータである(なお、x=1の場合、100%置換となり、本発明の範囲外である)。xは、0より大きく0.25以下であれば特に限定されないが、例えば0.23以下、更に0.14以下であってよく、また例えば0.04以上であってよい。 The substitution ratio x is a parameter when the content of Z in the dielectric film of this embodiment is represented by the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (where x= If it is 1, it is 100% substituted and is outside the scope of the present invention). Although x is not particularly limited as long as it is greater than 0 and 0.25 or less, it may be, for example, 0.23 or less, further 0.14 or less, or, for example, 0.04 or more.

別の観点から、本実施形態の誘電体膜におけるZの含有量は、誘電体膜全体基準で、例えば30体積%以下、特に27体積%以下であり得る(なお、本明細書および図面において、Zの含有量(添加量)を単に「%」で表記する場合があるが、これは「体積%」を意味する)。 From another point of view, the content of Z in the dielectric film of the present embodiment can be, for example, 30% by volume or less, particularly 27% by volume or less, based on the entire dielectric film. The content (addition amount) of Z may be expressed simply as "%", which means "% by volume").

本実施形態の誘電体膜は、置換割合xをゼロとした(よって、Zを含まない)こと以外は同様とした組成の誘電体膜の場合に比べて、絶縁性が高く、代表的には、膜厚方向に電圧を印加した場合に流れる電流(「漏れ電流」とも言う)がより少なく、電流密度がより小さい。本実施形態の誘電体膜の電流密度は、20~150℃に亘って、置換割合xをゼロとしたこと以外は同様とした組成の誘電体膜の電流密度の1/10以下、好ましくは1/100以下であり、電圧印加条件にもよるが、例えば1×10-7A/cm2未満であり得る。 The dielectric film of this embodiment has a higher insulating property than a dielectric film having the same composition except that the substitution ratio x is zero (thus Z is not included). , the current (also referred to as "leakage current") that flows when a voltage is applied in the film thickness direction is smaller, and the current density is smaller. The current density of the dielectric film of the present embodiment is 1/10 or less, preferably 1/10, of the current density of the dielectric film having the same composition except that the substitution ratio x is set to zero over a temperature range of 20 to 150 ° C. /100 or less, and can be, for example, less than 1×10 −7 A/cm 2 , depending on voltage application conditions.

本実施形態の誘電体膜は、該誘電体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られるA227の全ての組合せのうち、該誘電体膜の結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外に、少なくとも1つの配向面を有することが好ましい。 In the dielectric film of the present embodiment, among all combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained by selecting one element each from A and B present in the dielectric film, Regarding A 12 B 12 O 7 , which forms the main part of the crystal structure of the dielectric film, the (h00), (0k0), (00l), (h0l) and (0kl) planes (h, k and l are 0 is an integer excluding ), it preferably has at least one orientation plane.

誘電体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られるA227の全ての組合せは、本実施形態の誘電体膜の結晶構造の主体を成すA1 21 27を同定するために仮想的に列挙するものであるので、Zを無視して検討すればよい。 All combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained by selecting one element each from A and B present in the dielectric film have the crystal structure of the dielectric film of this embodiment. Since it is a hypothetical enumeration for identifying A 12 B 12 O 7 which constitutes the subject, Z can be neglected in the study.

227は、化学量論的には、例えば、Aが3価の価数を採る元素であり、Bが4価の価数を採る元素である場合(すなわちA(III)2B(IV)27型)、Aが2価の価数を採る元素であり、Bが5価の価数を採る元素である場合(すなわちA(II)2B(V)27型)等であり得る。 A 2 B 2 O 7 is stoichiometrically defined, for example, when A is a trivalent element and B is a tetravalent element (that is, A(III) 2 B(IV) 2 O 7 type), where A is a divalent element and B is a pentavalent element (that is, A(II) 2 B(V) 2 O 7 type), etc.

誘電体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られる(または想定され得る)A227の全ての組合せのうち、誘電体膜の結晶構造の主体を成すA1 21 27を同定し、これによりA1およびB1の各元素が具体的に決定される。すなわち、本実施形態の誘電体膜において、A1 21 27が結晶構造の主体を成し、これにA2、B2およびZ(存在する場合には、その他のAおよび/またはBの元素)が固溶しているものと理解され得る。 Among all combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained (or conceivable) by selecting each one of A and B elements present in the dielectric film, A 1 2 B 1 2 O 7 that forms the main constituent of the crystal structure is identified, thereby specifically determining each element of A 1 and B 1 . That is, in the dielectric film of this embodiment , A 12 B 12 O 7 forms the main part of the crystal structure, and A 2 , B 2 and Z (if present, other A and / or element of B) is in solid solution.

本発明において、A1 21 27が誘電体膜の「結晶構造の主体を成す」とは、A1 21 27が誘電体膜の結晶構造を主として担っていることを意味する。A227の全ての組合せのうち、どれが「結晶構造の主体を成す」A1 21 27であるかは、誘電体膜から得られるX線回折パターンに基づいて、誘電体膜の結晶構造に最も近い結晶構造を示すものとして決定される。 In the present invention, the expression that A 12 B 12 O 7 "constitutes the main crystal structure" of the dielectric film means that A 12 B 12 O 7 mainly bears the crystal structure of the dielectric film . means. Of all the combinations of A2B2O7 , which one is the A12B12O7 "dominant in the crystal structure " can be determined based on the X-ray diffraction pattern obtained from the dielectric film. It is determined as the crystal structure that is closest to the crystal structure of the dielectric film.

例えば、A22-2x2x7が(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(式中、0<x≦0.25、0<y<1)である誘電体膜の場合、Aに該当するSrおよびLaと、Bに該当するTaおよびTiとから各1つを選択して化学量論的に得られる全ての組合せは、Sr2Ta27およびLa2Ti27である(これら元素(価数)は、Sr(II)、La(III)、Ta(V)、Ti(IV)であることに留意されたい)。これらSr2Ta27およびLa2Ti27のうちいずれが「結晶構造の主体を成す」かは、誘電体膜から得られるX線回折パターンと、Sr2Ta27およびLa2Ti27の各々について既知の粉末X線回折データとを比較して、誘電体膜のX線回折パターンに最も近い粉末X線回折データに対応するもの(例えばSr2Ta27)を、結晶構造の主体を成すA1 21 27(例えばA1がSrであり、B1がTaである)として同定する。 For example, A 2 B 2-2x Z 2x O 7 is ( Sry La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x Z 2x O 7 (where 0<x≦0.25, 0 <y<1), all combinations stoichiometrically obtained by selecting one each from Sr and La corresponding to A and Ta and Ti corresponding to B are Sr 2 Ta 2 O 7 and La 2 Ti 2 O 7 (note that the elements (valences) are Sr(II), La(III), Ta(V), Ti(IV) ). Which one of these Sr 2 Ta 2 O 7 and La 2 Ti 2 O 7 “forms the main part of the crystal structure” can be determined from the X-ray diffraction pattern obtained from the dielectric film and the Sr 2 Ta 2 O 7 and La 2 By comparing the known powder X-ray diffraction data for each of Ti 2 O 7 , the one that corresponds to the powder X-ray diffraction data closest to the X-ray diffraction pattern of the dielectric film (e.g., Sr 2 Ta 2 O 7 ) is identified. , A 12 B 12 O 7 (for example, A 1 is Sr and B 1 is Ta), which is the main constituent of the crystal structure.

既知の粉末X線回折データは、例えばICDD(International Centre for Diffraction Data)等が提供しているデータベースから取得して利用することができる。誘電体膜のX線回折パターンには、2次元検出器を用いて得られる2次元X線回折像を1次元プロファイルに変換したもの(中央値χ=0°として検出角度幅38°の領域についてχ方向に円弧積分して変換することが好ましい)を利用してよく、同定に際しては、誘電体膜以外の物質(例えば誘電体膜の下地を成す物質、具体的には基板や存在する場合には電極用導電性部材)に起因するピークを無視する必要があり、更に、後述する配向面を考慮することが好ましい。これらの説明は、以下の説明においても特に断りのない限り同様に当て嵌まる。 Known powder X-ray diffraction data can be obtained from a database provided by, for example, ICDD (International Center for Diffraction Data) and used. The X-ray diffraction pattern of the dielectric film is obtained by converting a two-dimensional X-ray diffraction image obtained using a two-dimensional detector into a one-dimensional profile (with a median value χ = 0° and a detection angle width of 38° It is preferable to convert by arc integration in the χ direction). It is necessary to ignore the peak caused by the electrode conductive member), and it is preferable to consider the orientation plane described later. These descriptions apply similarly to the following description unless otherwise specified.

本発明において、誘電体膜の「配向面」とは、誘電体膜の表面に平行な面であって、配向性すなわち結晶性の高い面を意味し、より詳細には、2次元X線回折像においてスポット状に観察される面であり、その面指数(ミラー指数)は、結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して決定される。本実施形態の誘電体膜は、かかる配向面を1つまたは2つ以上有していてよいが、誘電体膜の結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外に、少なくとも1つの配向面を有することが好ましい。 In the present invention, the "orientation plane" of the dielectric film means a plane parallel to the surface of the dielectric film and having high orientation or crystallinity. It is a surface observed as a spot in an image, and its surface index (Miller index) is determined with respect to A 12 B 12 O 7 which constitutes the main constituent of the crystal structure. The dielectric film of the present embodiment may have one or more such orientation planes. It preferably has at least one orientation plane other than the (0k0), (00l), (h0l) and (0kl) planes (where h, k and l are integers other than 0).

例えば、結晶構造の主体を成すA1 21 27がSr2Ta27である場合、誘電体膜の2次元X線回折像において観察される1つまたは2つ以上であってよいスポットの回折角度(2θ)を測定し、上記スポットの回折角度(2θ)が、A1 21 27であるSr2Ta27について既知の粉末X線回折データにおいてどの面に一致するかを調べることにより、上記スポットとして観察される1つまたは2つ以上の配向面の面指数が決定される。このようにして決定される少なくとも1つの配向面の面指数が、A1 21 27であるSr2Ta27の(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外であればよい。上記スポットの回折角度(2θ)は、2次元X線回折像を変換して得られる1次元プロファイル(中央値χ=0°として検出角度幅38°の領域についてχ方向に円弧積分して変換することが好ましい)を用いて、上記スポットに対応するピークに基づいて測定してよい。 For example, when A 12 B 12 O 7 forming the main constituent of the crystal structure is Sr 2 Ta 2 O 7 , one or two or more observed in the two - dimensional X-ray diffraction image of the dielectric film Measure the diffraction angle (2θ) of a good spot, and in which plane in the known powder X-ray diffraction data for Sr 2 Ta 2 O 7 where the diffraction angle (2θ) of the spot is A 12 B 12 O 7 . A match determines the plane index of one or more orientation planes observed as the spot. ( h00 ) , (0k0) , ( 00l ) , ( h0l ) and Any surface other than the (0kl) plane (h, k, and l are integers other than 0) is acceptable. The diffraction angle (2θ) of the spot is a one-dimensional profile obtained by converting a two-dimensional X-ray diffraction image (median value χ = 0° and a region with a detection angle width of 38° is converted by arc integration in the χ direction. (preferably) may be used and measured based on the peak corresponding to the spot.

本実施形態の誘電体膜は、その結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外に、少なくとも1つの配向面を有することが好ましい。これは、誘電体膜の表面に対して、誘電体膜を成す結晶のb軸方向が直交せずに傾いていることを意味する。 The dielectric film of this embodiment has planes ( h , k and l are integers other than 0), but preferably have at least one orientation plane. This means that the b-axis direction of the crystal forming the dielectric film is not perpendicular to the surface of the dielectric film, but is inclined.

本実施形態の誘電体膜は、好ましくは上記のような配向面を有することによって、広い温度範囲(例えば20~150℃、好ましくは20~300℃)に亘って、高い比誘電率を安定的に、すなわち小さい変化率で維持することが可能となる。本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、その理由は次のように考えられ得る。パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜は、20~150℃の温度範囲、より広範には20~300℃の温度範囲において、a軸方向、b軸方向およびc軸方向の各比誘電率の大きさおよび温度依存性が異なる。より詳細には、誘電体膜の組成にもよるが、かかる温度範囲においては、a軸方向およびc軸方向の比誘電率は、b軸方向の誘電率に対して高く、安定した微増傾向を示すものの、a軸方向およびc軸方向のキュリー温度(非誘電率が急激に上昇してピークを示す温度)は、かかる温度範囲に対して相当離れた高い温度領域にあり、他方、b軸方向のキュリー温度は、かかる温度範囲に対してほど近い低い温度領域にある。このことから、誘電体膜の表面に対して結晶のb軸方向を傾けることによって、b軸方向の寄与による比誘電率の上昇を利用しつつ、a軸方向およびc軸方向の有する比誘電率の安定性を組み合わせることができると考えられる。かかる組合せの効果は、Aサイトの元素を2つ以上とした場合に顕著に生じ得ると考えられる。そこで、Aサイトの元素を2つ以上とし、結晶構造の主体を成すA1 21 27にA2、B2およびZ(存在する場合には、その他のAおよび/またはBの元素)を固溶させ、かつ、誘電体膜の表面に対して結晶のb軸方向を傾けることによって、20~150℃、好ましくは20~300℃の温度範囲においてより高くかつ安定した比誘電率を得ることが可能となると考えられる。 The dielectric film of the present embodiment preferably has an orientation plane as described above, so that a high dielectric constant can be stably maintained over a wide temperature range (for example, 20 to 150° C., preferably 20 to 300° C.). , that is, at a small rate of change. Although the present invention is not bound by any theory, the reason may be as follows. A dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure has a temperature range of 20 to 150° C., more broadly a temperature range of 20 to 300° C., in each of the a-axis direction, the b-axis direction, and the c-axis direction. The magnitude and temperature dependence of the relative permittivity are different. More specifically, although it depends on the composition of the dielectric film, in this temperature range, the dielectric constants in the a-axis direction and the c-axis direction are higher than the dielectric constant in the b-axis direction, and tend to increase slightly and stably. However, the Curie temperatures in the a-axis direction and the c-axis direction (the temperatures at which the non-dielectric constant rises sharply and shows a peak) are in high temperature regions that are considerably distant from such temperature ranges. The Curie temperature of is in a low temperature range close to such temperature range. From this, by inclining the b-axis direction of the crystal with respect to the surface of the dielectric film, the relative permittivity of the a-axis direction and the c-axis direction can be can be combined with the stability of It is considered that such a combination effect can be remarkably produced when two or more elements are used in the A site. Therefore, two or more elements are used in the A site, and A 12 B 12 O 7 that forms the main part of the crystal structure includes A 2 , B 2 and Z (if present, other A and/or B elements ) and tilting the b-axis direction of the crystal with respect to the surface of the dielectric film, a higher and more stable dielectric constant is obtained in the temperature range of 20 to 150 ° C., preferably 20 to 300 ° C. It is considered possible to obtain

本実施形態の誘電体膜の比誘電率は、20~150℃、好ましくは20~300℃に亘って、置換割合xをゼロとした(よって、Zを含まない)こと以外は同様とした組成を有するバルク単結晶の比誘電率(より詳細には、バルク単結晶の結晶軸であるa、b、c軸方向の比誘電率)と同等かそれより高く、例えば50以上であり、より好ましくは60以上、特に好ましくは70以上であり得、上限は特に限定されないが、例えば400以下であり得る。本実施形態の誘電体膜の比誘電率の変化率は、20~150℃、好ましくは20~300℃に亘って、20℃における比誘電率を基準として、例えば10%以下であり得、好ましくは5%以下であり得る。 The relative dielectric constant of the dielectric film of this embodiment is 20 to 150° C., preferably 20 to 300° C., and the composition is the same except that the substitution ratio x is zero (thus, Z is not included). is equal to or higher than the dielectric constant of a bulk single crystal having may be 60 or more, particularly preferably 70 or more, and the upper limit is not particularly limited, but may be, for example, 400 or less. The rate of change of the dielectric constant of the dielectric film of the present embodiment can be, for example, 10% or less over the range of 20 to 150° C., preferably 20 to 300° C., based on the dielectric constant at 20° C., preferably can be 5% or less.

本実施形態の誘電体膜の上記少なくとも1つの配向面は、結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、上述したように(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面以外であればよい。かかる少なくとも1つの配向面は、例えば(111)、(131)、(151)、(1 15 1)、(192)、(153)、(157)、(110)、(150)、(212)、(172)および(1 13 0)などのいずれか1つまたは2つ以上であってよいが、これに限定されない。なお、本明細書において、h、kおよびlが、いずれも1桁の整数である場合は(hkl)の表記に従って示すが、これらの少なくとも1つが2桁以上の整数である場合は、整数間にスペースを設けて示す。 The at least one orientation plane of the dielectric film of the present embodiment is (h00), ( 0k0 ), ( 00l ), ( h0l ) and (0 kl) planes. Such at least one orientation plane is for example (111), (131), (151), (1 15 1), (192), (153), (157), (110), (150), (212) , (172) and (1 13 0), but not limited thereto. In this specification, when h, k and l are all single-digit integers, they are represented according to the notation (hkl), but when at least one of them is an integer of two or more digits, between integers is shown with a space.

更に、本実施形態の誘電体膜の上記少なくとも1つの配向面は、結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、上述した面以外で、かつ、(hk0)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外の面であることがより好ましい。これにより、誘電体膜の表面に対して結晶のb軸方向をより適切に傾けることができる。かかる少なくとも1つの配向面は、例えば(111)、(131)、(151)、(1 15 1)、(192)、(153)、(157)、(212)および(172)などのいずれか1つまたは2つ以上であってよいが、これに限定されない。 Furthermore, the at least one orientation plane of the dielectric film of the present embodiment is a plane (hk0 ) other than the above-mentioned planes with respect to A 12 B 12 O 7 forming the main part of the crystal structure, and the plane (h, k and l are integers other than 0). Thereby, the b-axis direction of the crystal can be tilted more appropriately with respect to the surface of the dielectric film. Such at least one orientation plane is any of, for example, (111), (131), (151), (1 15 1), (192), (153), (157), (212) and (172). It may be one or two or more, but is not limited to this.

本実施形態の誘電体膜において、Aの総量に対するA1の含有割合は、50原子%未満であり得る。A1は、結晶構造の主体を成す元素であるにもかかわらず、その含有割合の上限は50原子%未満であり得、好ましくは40原子%以下、より好ましくは30原子%以下、更に好ましくは20原子%以下であることが、本発明者らの研究により判明した。A1の含有割合の下限は、結晶構造の主体を成すために、5原子%以上であり得、好ましくは10原子%以上である。本実施形態の誘電体膜において、Bの総量に対するB1の含有割合は、Aの総量に対するA1の含有割合と同様の説明が当て嵌まり得る。 In the dielectric film of this embodiment, the content of A 1 with respect to the total amount of A can be less than 50 atomic %. Although A 1 is an element that forms the main constituent of the crystal structure, the upper limit of its content can be less than 50 atomic %, preferably 40 atomic % or less, more preferably 30 atomic % or less, and still more preferably It has been found by the studies of the present inventors that it is 20 atomic % or less. The lower limit of the content of A 1 can be 5 atomic % or more, preferably 10 atomic % or more, since it forms the main constituent of the crystal structure. In the dielectric film of this embodiment, the content ratio of B 1 with respect to the total amount of B can be explained in the same manner as the content ratio of A 1 with respect to the total amount of A.

本実施形態の誘電体膜において、Aの総量に対するA2の含有割合は、50原子%以上であり得る。A2は、結晶構造の主体を成さず、A1 21 27に固溶している元素であるにもかかわらず、その含有割合の下限は50原子%以上であり得、好ましくは60原子%以上、より好ましくは70原子%以上、更に好ましくは80原子%以上であることが、本発明者らの研究により判明した。A2の含有割合の上限は、A1 21 27に固溶し得るように、95原子%以下であり得、好ましくは90原子%以下である。本実施形態の誘電体膜において、Bの総量に対するB2の含有割合は、Aの総量に対するA2の含有割合と同様の説明が当て嵌まり得る。 In the dielectric film of this embodiment, the content of A 2 with respect to the total amount of A may be 50 atomic % or more. Although A 2 is an element that does not form the main part of the crystal structure and is dissolved in A 12 B 12 O 7 , the lower limit of the content can be 50 atomic % or more, which is preferable. is 60 atomic % or more, more preferably 70 atomic % or more, and still more preferably 80 atomic % or more. The upper limit of the content of A 2 can be 95 atomic % or less, preferably 90 atomic % or less, so as to dissolve in A 12 B 12 O 7 . In the dielectric film of this embodiment, the content ratio of B 2 with respect to the total amount of B can be explained in the same manner as the content ratio of A 2 with respect to the total amount of A.

誘電体膜中の各元素の含有割合は、蛍光X線分析および/または光電子分光測定にて測定可能である。 The content ratio of each element in the dielectric film can be measured by fluorescent X-ray analysis and/or photoelectron spectroscopy.

1およびA2は、互いに異なる価数を有することが好ましい。価数の異なるA1およびA2を存在させることにより、誘電体膜の配向面の制御を顕著に行い得ると考えられる。 A 1 and A 2 preferably have different valences. It is believed that the presence of A 1 and A 2 with different valences can remarkably control the orientation plane of the dielectric film.

例えば、A1は2価の元素、代表的にはSrであり得、A2は3価の元素、代表的にはLaであってよいが、かかる組合せに限定されない。 For example, A 1 may be a divalent element, typically Sr, and A 2 may be a trivalent element, typically La, but are not limited to such combinations.

1およびB2は、互いに異なる価数を有することが好ましい。価数の異なるB1およびB2が存在する場合、Bの一部をZにより置換割合xで置換することによる絶縁性向上の効果が著しいと考えられる。 B 1 and B 2 preferably have different valences. When B 1 and B 2 with different valences are present, the effect of substituting a portion of B with Z at a substitution ratio x is considered to be significant in improving the insulating properties.

例えば、B1は5価の元素、代表的にはTaであり得、B2は4価の元素、代表的にはTiであってよいが、かかる組合せに限定されない。 For example, B 1 can be a pentavalent element, typically Ta, and B 2 can be a tetravalent element, typically Ti, but are not limited to such combinations.

本実施形態の誘電体膜は、任意の適切な厚さであってよいが、薄膜とすることができる。本実施形態の誘電体膜の厚さは、例えば3nm以上1μm以下であり得る。下限は、絶縁性を確保する(例えばピンホールの発生を効果的に防止する)観点から好ましくは10nm以上であり、より好ましくは50nm以上であり得る。上限は、10μm以下であってもよいが、実際的には1μm以下であり得、好ましくは500nm以下である。 The dielectric film of this embodiment may be of any suitable thickness, but may be a thin film. The thickness of the dielectric film of this embodiment can be, for example, 3 nm or more and 1 μm or less. The lower limit is preferably 10 nm or more, and more preferably 50 nm or more, from the viewpoint of ensuring insulation (for example, effectively preventing the generation of pinholes). The upper limit may be 10 μm or less, but practically it may be 1 μm or less, preferably 500 nm or less.

本実施形態の誘電体膜は、任意の適切な方法によって製造してよいが、例えば以下の方法により製造可能である。 The dielectric film of this embodiment may be manufactured by any appropriate method, and can be manufactured, for example, by the following method.

本実施形態の誘電体膜の製造方法は、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜の製造方法であって、
(a)350~600℃の温度に加熱された基板の表面に、一般式A22-2x2x7(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する前駆体膜を気相堆積により形成すること、および
(b)上記前駆体膜が形成された上記基板を、酸素を含む雰囲気にて850~1050℃の温度で熱処理して、該前駆体膜から、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、かつ上記組成を有する誘電体膜を得ること
を含む。
The method for producing a dielectric film according to the present embodiment is a method for producing a dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure,
(a) A compound of the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (wherein A is Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr , Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, two or more elements selected from the group consisting of A 1 and A 2 , wherein B is two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta, wherein each element is different from each other B 1 and B 2 , Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, and x satisfies 0<x≦0.25. (b) heat-treating the substrate on which the precursor film is formed at a temperature of 850 to 1050° C. in an atmosphere containing oxygen to form a pyrochlore-type or layered structure from the precursor film; It includes obtaining a dielectric film having a perovskite crystal structure and having the above composition.

本発明者らの研究によれば、誘電体膜に結晶構造をもたらし、好ましくはその配向面を制御するためには、上記工程(a)において基板加熱する温度(以下、単に「基板温度」とも言う)、および上記工程(b)において前駆体が形成された基板を熱処理する温度(以下、単に「PDA温度」(PDA: Post Deposition Annealing)とも言う)が重要であることが判明した(誘電体膜の結晶化は工程(a)だけでなく工程(b)においても進行していると考えられる)。本実施形態の誘電体膜の製造方法よれば、上記工程(a)にて350~600℃の温度、好ましくは400~500℃で基板を加熱し、上記工程(b)にて前駆体が形成された基板を850~1050℃、好ましくは850~950℃で熱処理することにより、本実施形態の誘電体膜を得ることができる。 According to the studies of the present inventors, in order to bring about a crystal structure in the dielectric film and preferably to control the orientation plane, the temperature at which the substrate is heated in the above step (a) (hereinafter simply referred to as "substrate temperature") ), and the temperature at which the substrate on which the precursor is formed in the step (b) is heat-treated (hereinafter also simply referred to as “PDA temperature” (PDA: Post Deposition Annealing)) are important (dielectric It is believed that crystallization of the film proceeds not only in step (a) but also in step (b)). According to the method for producing a dielectric film of the present embodiment, the substrate is heated at a temperature of 350 to 600° C., preferably at 400 to 500° C. in the step (a), and the precursor is formed in the step (b). By heat-treating the coated substrate at 850 to 1050° C., preferably at 850 to 950° C., the dielectric film of this embodiment can be obtained.

本実施形態の誘電体膜の製造方法の工程(a)において、基板の材料および構造は特に限定されず、誘電体膜の用途等に応じて適宜選択され得る。例えば、基板は単一の材料からなっていてよい。また例えば、基板は、その表面に予め導電性部材(電極として使用され得るが、これに限定されない)を有し、基板の導電性部材の上に前駆体膜が気相堆積により形成されてもよい。誘電体膜と接する基板および/または導電性部材等が、結晶性材料から成る場合、その表面は、(111)または(001)の面であることが好ましい。これにより、誘電体膜の比誘電率を高くかつ安定的に維持することができる。 In step (a) of the dielectric film manufacturing method of the present embodiment, the material and structure of the substrate are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the use of the dielectric film. For example, the substrate may consist of a single material. Alternatively, for example, the substrate may have a conductive member (which may be used as an electrode, but is not limited to this) on its surface in advance, and a precursor film may be formed on the conductive member of the substrate by vapor deposition. good. When the substrate and/or the conductive member, etc. in contact with the dielectric film are made of a crystalline material, their surfaces are preferably (111) or (001) planes. Thereby, the dielectric constant of the dielectric film can be maintained high and stably.

上記工程(a)において、気相堆積は、より詳細にはスパッタリング(例えば高周波(RF)スパッタリング、パルスDCスパッタリング)、電子線蒸着、イオンプレーティングなどを含む物理蒸着、および/または有機金属気相成長法(いわゆるMOCVDであり、例えば原子層体積法(ALD)も含む)などを適用して実施され得るが、これに限定されない。なお、本発明を限定するものではないが、DCスパッタリングに比べて、RFスパッタリングは低いパワーでも安定してプラズマを発生させることができる。 In step (a) above, vapor phase deposition is more specifically sputtering (e.g., radio frequency (RF) sputtering, pulsed DC sputtering), electron beam evaporation, physical vapor deposition including ion plating, etc., and/or organometallic vapor deposition. A growth method (so-called MOCVD, including, for example, atomic layer deposition (ALD)) can be applied, but the method is not limited to this. Although not limited to the present invention, RF sputtering can stably generate plasma even at low power compared to DC sputtering.

上記工程(a)において、前駆体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られるA227の全ての組合せが、A1 21 27およびA2 22 27(式中、A1、A2、B1およびB2は上記の通りである)を含み、A1 21 27が、A2 22 27より低い結晶化温度を有することが好ましい。A2 22 27の結晶化温度よりA1 21 27の結晶化温度が低いことによって、得られる誘電体膜において、A1 21 27が結晶構造の主体を成すことができる。 In the above step (a), all combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained by selecting each one of the elements A and B present in the precursor film are A 12 B 1 2 O 7 and A 2 2 B 2 2 O 7 , where A 1 , A 2 , B 1 and B 2 are as defined above , where A 12 B 12 O 7 is A 2 It preferably has a crystallization temperature lower than that of 2B22O7 . Since the crystallization temperature of A 12 B 12 O 7 is lower than the crystallization temperature of A 22 B 22 O 7 , A 12 B 12 O 7 is the main crystal structure in the obtained dielectric film . can be formed.

本発明において、一般式A227で表され、かつ所定の組成を有する酸化物の「結晶化温度」とは、ある温度Tに加熱された結晶性材料から成る導電性基板の(111)表面に、当該所定の組成を有する前駆体膜を気相堆積により形成し、そして、これにより前駆体膜が形成された基板を、大気圧下、酸素ガスを0.5L/分の流量で流しながら、900℃の温度で5分間熱処理して、上記前駆体膜から誘電体膜を得、この誘電体膜を2次元X線回折分析に付した場合に、これにより得られる2次元X線回折像に少なくとも1つのスポットまたはリングが観察される、最も低い温度Tを言うものとする。2次元X線回折像にスポットが観察されるのは、単結晶または配向性の高い結晶構造の存在を示しており、2次元X線回折像にリングが観察されるのは、多結晶状態となっていることを示している。 In the present invention, the "crystallization temperature" of an oxide represented by the general formula A 2 B 2 O 7 and having a given composition is the temperature of a conductive substrate made of a crystalline material heated to a certain temperature T ( 111) A precursor film having the predetermined composition is formed on the surface by vapor phase deposition, and the substrate on which the precursor film is formed is subjected to oxygen gas at a flow rate of 0.5 L/min under atmospheric pressure. A dielectric film is obtained from the precursor film by heat treatment at a temperature of 900° C. for 5 minutes while flowing at The lowest temperature T at which at least one spot or ring is observed in the line diffraction pattern shall be referred to. The observation of spots in the two-dimensional X-ray diffraction image indicates the presence of a single crystal or a highly oriented crystal structure, and the observation of rings in the two-dimensional X-ray diffraction image indicates a polycrystalline state. It shows what is going on.

本発明者らの研究において、一般式A227で表され、かつAサイトおよびBサイトの元素が各1つである代表的な酸化物の各結晶化温度を上記に従って調べた結果を表2に示す。 In the study of the present inventors, the crystallization temperatures of representative oxides represented by the general formula A 2 B 2 O 7 and having one element each at the A site and one element at the B site were examined according to the above results. are shown in Table 2.

Figure 2022182764000002
Figure 2022182764000002

なお、表2に示すLa2Zr27およびSr2Nb27の各誘電体膜は、気相堆積により前駆体膜を形成した時点で結晶化していたため、900℃での熱処理に付すことを省略して、結晶化温度を調べた。 The dielectric films of La 2 Zr 2 O 7 and Sr 2 Nb 2 O 7 shown in Table 2 were crystallized when the precursor films were formed by vapor deposition, so they were subjected to heat treatment at 900°C. was omitted and the crystallization temperature was investigated.

上記工程(a)において、1つまたは2つ以上の原料(または蒸着源、ターゲット等と称され得る、以下も同様)を用いて上記前駆体膜を形成してよい。2つ以上の原料を用いる場合、各原料の材料組成は同じであっても、互いに異なっていてもよい。 In step (a) above, one or more sources (which may also be referred to as deposition sources, targets, etc., and so on) may be used to form the precursor film. When two or more raw materials are used, the material composition of each raw material may be the same or different from each other.

例えば、上記工程(a)における気相堆積を、A1 21 27の組成を有する第1原料と、A2 22 27の組成を有する第2原料と、前記Zである第3原料とを使用して実施してよい。この場合、第1原料、第2原料および第3原料に対して異なる気相堆積条件を適用することができる。これにより、例えば、誘電体膜におけるA1およびA2の存在比、Aの総量に対するA1の含有割合、およびAの総量に対するA2の含有割合を制御することができる。なお、この場合において、A227の組成を有する追加の原料が存在していても、いなくてもよい。 For example, the vapor phase deposition in step (a) is performed by using a first source material having a composition of A 12 B 12 O 7 , a second source material having a composition of A 22 B 22 O 7 , and Z It may be carried out using certain tertiary ingredients. In this case, different vapor phase deposition conditions can be applied to the first source, second source and third source. Thereby, for example, the abundance ratio of A 1 and A 2 in the dielectric film, the content ratio of A 1 to the total amount of A, and the content ratio of A 2 to the total amount of A can be controlled. It should be noted that in this case there may or may not be an additional raw material having a composition of A 2 B 2 O 7 .

好ましくは、上記気相堆積を、第1原料からのA1 21 27の成長レートより、第2原料からのA2 22 27の成長レートが大きい条件にて実施することができる。これにより、例えば、誘電体膜におけるA1/A2の存在比を小さく、Aの総量に対するA1の含有割合を小さく、およびAの総量に対するA2の含有割合を大きく制御することができる。 Preferably, the vapor phase deposition is carried out under the condition that the growth rate of A22B22O7 from the second source material is higher than the growth rate of A122B12O7 from the first source material . be able to. As a result, for example, it is possible to control the abundance ratio of A 1 /A 2 in the dielectric film to be small, the content ratio of A 1 to the total amount of A to be small, and the content ratio of A 2 to the total amount of A to be large.

より詳細には、上記気相堆積を高周波スパッタリングによって実施する場合、第1原料に印加される出力より、第2原料に印加される出力が大きい条件を適用することによって、第1原料からのA1 21 27の成長レートより、第2原料からのA2 22 27の成長レートを大きくすることができる。 More specifically, when the vapor phase deposition is performed by high-frequency sputtering, by applying a condition in which the output applied to the second source is greater than the output applied to the first source, A The growth rate of A 2 2 B 2 2 O 7 from the second raw material can be made higher than the growth rate of 1 2 B 1 2 O 7 .

1 21 27の第1原料、A2 22 27の第2原料、およびZの第3原料に印加される出力(パワー)比は、原料組成および置換割合xによって適宜選択され得る。 The output ( power ) ratio applied to the first raw material of A 12 B 12 O 7 , the second raw material of A 22 B 22 O 7 and the third raw material of Z depends on the raw material composition and the substitution ratio x. It can be selected as appropriate.

上記工程(a)において第1~第3原料を使用する場合、これら原料から基板の表面への原料の気相堆積は任意の適切な態様で実施され得る。例えば、これら原料から基板の表面に原料を同時に気相堆積させて、同時混合膜の形態で上記前駆体膜を形成してよい。また例えば、これら原料から基板の表面に原料を非同時(各原料からの気相堆積期間は、部分的にオーバーラップしていても、していなくてもよく、規則的または不規則的に繰り返してもよい)に気相堆積させて(例えば積層させて)、これら原料を相互に融合させた、融合膜の形態で上記前駆体を形成してもよい。融合は、基板から伝達される熱エネルギーや気相堆積時に原料に加えられる運動エネルギー等により結晶成長や元素拡散がもたらされるため、更なる外部エネルギーを加えなくても自発的に起こり得る。 When the first to third raw materials are used in step (a) above, the vapor phase deposition of raw materials from these raw materials onto the surface of the substrate can be carried out in any suitable manner. For example, the precursor film may be formed in the form of a comixed film by simultaneously vapor-depositing the raw materials from these raw materials onto the surface of the substrate. In addition, for example, materials are deposited asynchronously on the surface of the substrate from these materials (the vapor phase deposition period from each material may or may not partially overlap, and may be repeated regularly or irregularly). may be vapor deposited (eg, layered) to form the precursor in the form of a coalesced film that fuses these materials together. Fusion can occur spontaneously without further application of external energy because crystal growth and elemental diffusion are brought about by thermal energy transferred from the substrate, kinetic energy applied to the raw material during vapor phase deposition, and the like.

また、上記工程(a)において、気相堆積を行うガス雰囲気は、酸素を含むことが好ましい。ガス雰囲気における酸素濃度(または酸素分圧)は、最終的に得られる誘電体膜に対して所望される電気特性に基づいて適宜選択できる。酸素濃度は、使用する原料および気相堆積の実施方法および実施条件等により異なり得るが、例えば1体積%以上50体積%以下、特に5体積%以上、より特に15体積%以上、例えば20体積%であり得る(なお、本明細書において、酸素濃度(または酸素分圧)を単に「%」で表記する場合があるが、これは「体積%」を意味する)。ガス雰囲気における酸素以外の成分は、適用する気相堆積の方法に応じて適宜選択され得る。例えばスパッタリングを適用して気相堆積を実施する場合には、ガス雰囲気(スパッタリングガス)は、代表的には、所定濃度の酸素を含み、残余は実質的に不活性ガス、代表的にはアルゴンからなり得る。 Moreover, in the step (a), the gas atmosphere in which the vapor phase deposition is performed preferably contains oxygen. The oxygen concentration (or oxygen partial pressure) in the gas atmosphere can be appropriately selected based on the electrical properties desired for the finally obtained dielectric film. The oxygen concentration may vary depending on the raw material used, the vapor phase deposition method and conditions, etc., but is, for example, 1% by volume or more and 50% by volume or less, particularly 5% by volume or more, more particularly 15% by volume or more, such as 20% by volume. (In this specification, the oxygen concentration (or oxygen partial pressure) may be simply expressed as "%", which means "% by volume"). Components other than oxygen in the gas atmosphere can be appropriately selected according to the vapor phase deposition method to be applied. For example, when sputtering is applied to carry out vapor phase deposition, the gas atmosphere (sputtering gas) typically contains a predetermined concentration of oxygen and the balance is substantially an inert gas, typically argon. can consist of

本実施形態の誘電体膜の製造方法の工程(b)において、前駆体膜が熱処理されることにより、膜中で結晶化が更に進行するものと考えられる(工程(b)での結晶化は「追結晶化」と解される)。 It is believed that the heat treatment of the precursor film in the step (b) of the method for producing a dielectric film of the present embodiment causes further crystallization in the film (the crystallization in the step (b) is interpreted as “additional crystallization”).

上記工程(b)において、熱処理は、酸素を含むガス雰囲気にて実施されることが好ましい。酸素を含むガスは、特に限定されず、簡便には大気圧下にて、空気を使用してよく、あるいは、実質的に酸素から成る酸素ガス(例えば酸素濃度99%以上)を使用してよい。酸素を含むガスは、熱処理中にフローさせなくてもよいが、フローさせることがより好ましく、後者の場合、0.1~1L/分の流量とされ得る。熱処理時間は、適宜選択され得るが、例えば2分以上60分以下であり得る。 In the above step (b), the heat treatment is preferably performed in a gas atmosphere containing oxygen. The gas containing oxygen is not particularly limited, and air may be conveniently used under atmospheric pressure, or oxygen gas substantially composed of oxygen (for example, oxygen concentration of 99% or more) may be used. . The oxygen-containing gas does not have to flow during the heat treatment, but it is more preferable to flow, and in the latter case the flow rate can be 0.1 to 1 L/min. The heat treatment time can be selected as appropriate, and can be, for example, 2 minutes or more and 60 minutes or less.

以上、本実施形態の誘電体膜の製造方法について詳述したが、本実施形態の誘電体膜はかかる製造方法によって得られるもののみに限定されず、他の任意の適切な製造方法によって得られたものであってよい。例えば、前駆体膜の成膜方法は、気相堆積法に代えて、例えばゾル-ゲル法などを利用してもよい。 The method for manufacturing the dielectric film of this embodiment has been described in detail above, but the dielectric film of this embodiment is not limited to that obtained by such a manufacturing method, and can be obtained by any other suitable manufacturing method. can be anything. For example, the precursor film may be formed by a sol-gel method instead of the vapor phase deposition method.

(実施形態2:キャパシタおよびその製造方法)
本発明のもう1つの実施形態によれば、キャパシタおよびその製造方法が提供される。
(Embodiment 2: Capacitor and manufacturing method thereof)
According to another embodiment of the invention, a capacitor and method of manufacturing the same are provided.

本実施形態のキャパシタは、電極と、該電極の上に配置された実施形態1にて詳述した誘電体膜とを含んで構成される。かかるキャパシタは、いわゆる薄膜キャパシタであり得る。 The capacitor of this embodiment includes an electrode and the dielectric film described in detail in the first embodiment arranged on the electrode. Such capacitors may be so-called thin film capacitors.

本実施形態のキャパシタは、電極と、電極の上に配置された誘電体膜とを含んで構成される限り、任意の適切な構成であり得、特に限定されない。例えば、図1に示すように、2つの電極3、7の間に誘電体膜5を挟んでキャパシタ10を構成してよい(図1に示す態様(平行平板型)では、電極3、7は、図示しない奥行き方向の適切な箇所にて引き出し線と個々に接続され得る)。また例えば、互いに離間して存在する2つの電極上に跨がって誘電体膜を設けてキャパシタを構成してよい。 The capacitor of the present embodiment may have any appropriate configuration, and is not particularly limited, as long as it includes an electrode and a dielectric film disposed on the electrode. For example, as shown in FIG. 1, a capacitor 10 may be configured by sandwiching a dielectric film 5 between two electrodes 3 and 7 (in the embodiment (parallel plate type) shown in FIG. 1, the electrodes 3 and 7 are , can be individually connected to lead wires at suitable points in the depth direction (not shown). Further, for example, a capacitor may be configured by providing a dielectric film over two electrodes that are separated from each other.

本実施形態のキャパシタの製造方法は、任意の適切な方法によって製造してよいが、代表的には、実施形態1にて詳述した誘電体膜の製造方法を含んで実施され得る。例えば、図1に示す態様では、基板1の表面に下部電極3、誘電体膜5、および上部電極7を順次積層形成してキャパシタ10を製造してよい。また例えば、基板の表面に2つの電極を互いに離間して形成し、これらの上に跨がるように誘電体膜を形成してキャパシタを製造してよい。誘電体膜の形成方法は実施形態1にて詳述した製造方法に対応し、電極の形成方法は、既知の任意の適切な方法を適用し得る。 The capacitor manufacturing method of the present embodiment may be manufactured by any appropriate method, but typically includes the dielectric film manufacturing method described in detail in the first embodiment. For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the capacitor 10 may be manufactured by sequentially laminating the lower electrode 3, the dielectric film 5, and the upper electrode 7 on the surface of the substrate 1. FIG. Alternatively, for example, two electrodes may be formed on the surface of the substrate so as to be spaced apart from each other, and a dielectric film may be formed so as to straddle them to manufacture the capacitor. The method of forming the dielectric film corresponds to the manufacturing method described in detail in the first embodiment, and the method of forming the electrode can apply any known appropriate method.

電極を構成する導電性材料は、例えばPt、Ti、W、Al、Ni、Ag、Au、Pd、Ir、Rh、TiC、TaC、TiN、Ag2O、Ru、Ru2O、SrRuO3、Nb添加SrTiO3などであってよく、例えば1層または2層以上の積層体であってよい。基板を構成する材料は、特に限定されないが、例えばSi、SrTiO3などの酸化物単結晶などであってよい。基板と電極との間に、任意の適切な材料層、例えばSiO2層が存在していてもよい。 Conductive materials constituting the electrodes are, for example, Pt, Ti, W, Al, Ni, Ag, Au, Pd, Ir, Rh, TiC, TaC, TiN, Ag2O , Ru, Ru2O , SrRuO3 , Nb. It may be additive SrTiO 3 or the like, and may be, for example, a laminate of one or more layers. The material constituting the substrate is not particularly limited, but may be, for example, oxide single crystals such as Si and SrTiO 3 . Any suitable material layer may be present between the substrate and the electrode, for example a SiO2 layer.

本実施形態のキャパシタは、実施形態1にて詳述した誘電体膜と同様の効果を奏する。 The capacitor of this embodiment has the same effect as the dielectric film described in detail in the first embodiment.

本実施形態のキャパシタにおいて、誘電体膜と接する電極の表面は、例えば(111)または(001)の面であることが好ましい。より詳細には、電極が結晶性材料から成る場合、当該結晶性材料の結晶構造に応じて、その表面が示す好ましい配向が異なり得る。例えば、かかる結晶性材料が、立方晶系材料(例えばPt、W、Al、Ni、Ag、Au、Pd、Ir、Rh、TiC、TaC、TiNおよびAg2O等からなる群より選択される少なくとも1種)である場合、正方晶系材料(例えばRu2O等)である場合、またはペロブスカイト型酸化物(立方晶系)(例えばSrRuO3、Nb添加SrTiO3等)である場合、表面が(111)配向であることが好ましく、六方晶系材料(例えばTi、Ru)である場合、表面が(001)配向であることが好ましい。これにより、誘電体膜の比誘電率を高くかつ安定的に維持することができる。 In the capacitor of this embodiment, the surface of the electrode in contact with the dielectric film is preferably a (111) or (001) plane, for example. More specifically, if the electrode is made of a crystalline material, the preferred orientation exhibited by the surface may differ depending on the crystal structure of the crystalline material. For example, the crystalline material is at least selected from the group consisting of cubic materials (e.g., Pt, W, Al, Ni, Ag, Au, Pd, Ir, Rh, TiC, TaC, TiN, Ag2O , etc.). 1 type), a tetragonal system material (e.g., Ru 2 O, etc.), or a perovskite-type oxide (cubic system) (e.g., SrRuO 3 , Nb-added SrTiO 3 , etc.), the surface is ( 111) orientation is preferred, and in the case of hexagonal materials (eg Ti, Ru), the surface is preferably (001) orientation. Thereby, the dielectric constant of the dielectric film can be maintained high and stably.

(実施例1)
実施例1は、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1、ZはWである)で表される組成を有する誘電体膜およびかかる誘電体膜を備えるキャパシタに関する。
(Example 1)
Example 1 is (SryLa1-y)2(TayTi1-y)2-2xZ2xO7 ( 0 < x≤0.25 , 0 < y<1, Z is W) and a capacitor comprising such a dielectric film.

・製造手順
下部電極の形成
厚さ約300nmのSiO2膜を表面に備えるSi(100)基板を準備し、その表面上に、DCスパッタリングにより、厚さ約10nmのTi層と厚さ約100nmのPt層を順次積層して、これら層から成る下部電極を形成した。DCスパッタリングに際し、基板の温度は室温(20℃程度)とした。Ti層は、SiO2膜とPt層との間の密着性を向上させるために比較的薄い層として設けた。Pt層が、下部電極の本体部分であり、これにより(111)面の電極表面が形成された。
・Manufacturing procedure Formation of lower electrode A Si (100) substrate having a SiO 2 film with a thickness of about 300 nm on the surface is prepared, and a Ti layer with a thickness of about 10 nm and a Ti layer with a thickness of about 100 nm are formed on the surface by DC sputtering. Pt layers were sequentially stacked to form a lower electrode composed of these layers. In the DC sputtering, the temperature of the substrate was room temperature (about 20° C.). The Ti layer was provided as a relatively thin layer to improve adhesion between the SiO2 film and the Pt layer. The Pt layer was the body portion of the bottom electrode, which formed the (111) plane electrode surface.

工程(a):前駆体膜の形成
上記のようにして下部電極を形成した基板を400℃に加熱し(即ち、基板温度400℃)、その上に、スパッタリングにより、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1)で表される組成を有する前駆体膜を形成した(なお、下部電極の一部(端部)は、その上に前駆体を形成せずに、露出したまま残した)。スパッタリングは、図2に模式的に示すように、下部電極を形成した基板11に向けて、Sr2Ta27原料の第1ターゲット12を20WのパワーでRFスパッタリングし、La2Ti27原料の第2ターゲット13を60WのパワーでRFスパッタリングし、W原料の第3ターゲット14を30WのパワーでDCスパッタリングすることで、これら原料を同時に蒸着させた。なお、第3ターゲット(W)14に対してはシャッター15の開度を1/3とした(第1ターゲット(Sr2Ta27)12および第2ターゲット(La2Ti27)13のシャッター(図示せず)は全開とした)。基板の周囲雰囲気の酸素濃度は5%であり、残余はアルゴンとした。
Step (a): Formation of Precursor Film The substrate on which the lower electrode is formed as described above is heated to 400° C. (that is, the substrate temperature is 400° C.), and (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x W 2x O 7 (0<x≦0.25, 0<y<1) to form a precursor film (the lower electrode A portion (end) of the was left exposed without forming a precursor thereon). Sputtering, as schematically shown in FIG. 2, is carried out by RF-sputtering a first target 12 made of Sr 2 Ta 2 O 7 raw material with a power of 20 W toward a substrate 11 on which a lower electrode is formed, to form La 2 Ti 2 O. The second target 13 of 7 raw materials was RF-sputtered at a power of 60 W, and the third target 14 of W raw materials was DC-sputtered at a power of 30 W, whereby these raw materials were vapor-deposited simultaneously. For the third target (W) 14, the opening degree of the shutter 15 was set to 1/3 (the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) 12 and the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) 13 The shutter (not shown) of was fully opened). The atmosphere surrounding the substrate had an oxygen concentration of 5% and the balance was argon.

工程(b):熱処理による誘電体膜の形成
上記のようにして前駆体膜を形成した基板を、酸素ガスを0.5L/分でフローさせた中で、900℃にて5分間の熱処理に付して(即ち、PDA温度900℃)、上記前駆体膜から、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1)で表される組成を有する誘電体膜を形成した。得られた誘電体膜の厚さは220nmであった。
Step (b): Formation of Dielectric Film by Heat Treatment The substrate on which the precursor film was formed as described above was subjected to heat treatment at 900° C. for 5 minutes while oxygen gas was flowed at 0.5 L/min. (i.e. PDA temperature 900° C.), (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x W 2x O 7 (0<x≦0.25 , 0<y<1) was formed. The thickness of the obtained dielectric film was 220 nm.

上部電極の形成
上記のようにして形成した誘電体膜の上に、DCスパッタリングにより、厚さ約150nmのPt層を上部電極として直径約110nmの略円形で形成した。DCスパッタリングに際し、基板の温度は室温(20℃程度)とした。これにより、誘電体膜が下部電極および上部電極の間に配置されたキャパシタを得た。
Formation of Upper Electrode On the dielectric film formed as described above, a Pt layer with a thickness of about 150 nm was formed as an upper electrode in a substantially circular shape with a diameter of about 110 nm by DC sputtering. In the DC sputtering, the temperature of the substrate was room temperature (about 20° C.). As a result, a capacitor was obtained in which the dielectric film was arranged between the lower electrode and the upper electrode.

・分析および評価
組成
誘電体膜中の各元素の含有割合をX線光電子分光法(XPS)および蛍光X線分析(XRF)により調べた。その結果、誘電体膜は、少なくとも上部電極を形成した領域にて、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7の組成を有し、式中、y=0.35、x=0.11、W添加量(誘電体膜全体基準のW含有割合、以下同様)13.5体積%であることが判明した。
- Analysis and Evaluation Composition The content ratio of each element in the dielectric film was examined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). As a result, the dielectric film has a composition of (Sr y La 1-y ) 2 ( Tay Ti 1-y ) 2-2x W 2x O 7 at least in the region where the upper electrode is formed, wherein , y=0.35, x=0.11, and the amount of W added (W content ratio based on the entire dielectric film, the same applies hereinafter) was found to be 13.5% by volume.

結晶構造の主体および配向面
2次元検出器を用いて、この誘電体膜の2次元X線回折像を得た(特性X線:CuKα=1.5418Å、以下も同様)。結果を図3に示す(なお、図3は2θが50°程度以下の低角度である場合を例示的に示すが、図示しない2θが50°~80程度の高角度である場合も得た。以下も同様)。更に、この2次元X線回折像を、中央値χ=0°として検出角度幅38°の領域についてχ方向に円弧積分し、1次元プロファイルに変換して、誘電体膜のX線回折パターンを得た。これら結果から、実施例1の誘電体膜は、既知のSr2Ta27およびLa2Ti27の各粉末X線回折データ(ICDD)と比較して(既知のデータは、蒸着源に使用する原料に応じて適宜選択される)、Sr2Ta27が結晶構造の主体を成すことが特定された。更に、図3に示す2次元X線回折像において2θ=28°付近にスポットが観察されたことから、実施例1の誘電体膜は、(111)の配向面を有するものであることが判明した(図3中、2θ=40°付近のスポットはPtによるものであり、以下も同様)。
Main Crystal Structure and Orientation Plane Using a two-dimensional detector, a two-dimensional X-ray diffraction image of this dielectric film was obtained (characteristic X-ray: CuKα=1.5418 Å, the same below). The results are shown in FIG. 3 (FIG. 3 exemplifies a case where 2θ is a low angle of about 50° or less, but a case where 2θ (not shown) is a high angle of about 50° to 80° was also obtained. The same applies below). Furthermore, this two-dimensional X-ray diffraction image is circularly integrated in the χ direction for a region with a detection angle width of 38° with the median value χ = 0°, converted to a one-dimensional profile, and the X-ray diffraction pattern of the dielectric film is obtained. Obtained. From these results, the dielectric film of Example 1 is compared with the known powder X-ray diffraction data (ICDD) of Sr 2 Ta 2 O 7 and La 2 Ti 2 O 7 (the known data are It was determined that Sr 2 Ta 2 O 7 constitutes the main constituent of the crystal structure. Furthermore, since a spot was observed near 2θ=28° in the two-dimensional X-ray diffraction image shown in FIG. (In FIG. 3, the spots near 2θ=40° are due to Pt, and the same applies to the following).

電気特性評価
実施例1の誘電体膜の電気特性を評価した。より詳細には、上述のようにして製造したキャパシタを真空中(0.1Pa未満)に配置し、その上部電極と下部電極との間に直流電圧3Vを印加して、測定周波数1MHzにて、比誘電率(-)、誘電損失(-)および電流密度(A/cm2)を測定した。結果を図4に示す。図4から理解されるように、実施例1の誘電体膜は、20~150℃程度の温度範囲で約10-7A/cm2未満の電流密度を示した。後述する比較例1に比べて、実施例1の誘電体膜は高い絶縁性を有し、キャパシタの漏れ電流が抑制された。また、実施例1の誘電体膜は、20~300℃に亘って、70を超える高い比誘電率を示し、その変化率は、20℃における比誘電率を基準として、5%以下であった。また、実施例1の誘電体膜は、20~300℃に亘って、0.1より小さい誘電損失を示した。
Evaluation of Electrical Properties The electrical properties of the dielectric film of Example 1 were evaluated. More specifically, the capacitor manufactured as described above is placed in a vacuum (less than 0.1 Pa), a DC voltage of 3 V is applied between the upper electrode and the lower electrode, and at a measurement frequency of 1 MHz, Relative permittivity (-), dielectric loss (-) and current density (A/cm 2 ) were measured. The results are shown in FIG. As understood from FIG. 4, the dielectric film of Example 1 showed a current density of less than about 10 -7 A/cm 2 in the temperature range of about 20 to 150°C. Compared to Comparative Example 1, which will be described later, the dielectric film of Example 1 had a higher insulating property, and the leakage current of the capacitor was suppressed. In addition, the dielectric film of Example 1 exhibited a high dielectric constant exceeding 70 over 20 to 300 ° C., and the rate of change was 5% or less based on the dielectric constant at 20 ° C. . Also, the dielectric film of Example 1 exhibited a dielectric loss of less than 0.1 over a temperature range of 20 to 300.degree.

(比較例1)
比較例1は、(SryLa1-y2(TayTi1-y27で表される組成(即ち、x=0で、Zを含まない)を有する誘電体膜およびかかる誘電体膜を備えるキャパシタに関する。比較例1は、特許文献2の実施例1と同様である。
(Comparative example 1)
Comparative Example 1 is a dielectric film having a composition represented by (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2 O 7 (i.e., x=0 and Z-free) and such It relates to a capacitor with a dielectric film. Comparative Example 1 is the same as Example 1 of Patent Document 2.

・製造手順
下部電極の形成
実施例1と同様にして、厚さ約300nmのSiO2膜を表面に備えるSi(100)基板の表面上に、厚さ約10nmのTi層と厚さ約100nmのPt層を順次積層して、これら層から成る下部電極を形成した。
・Manufacturing procedure Formation of lower electrode In the same manner as in Example 1, a Ti layer with a thickness of about 10 nm and a Ti layer with a thickness of about 100 nm were formed on the surface of a Si (100) substrate having a SiO 2 film with a thickness of about 300 nm on the surface. Pt layers were sequentially stacked to form a lower electrode composed of these layers.

工程(a):前駆体膜の形成
上記のようにして下部電極を形成した基板を400℃に加熱し(即ち、基板温度400℃)、その上に、RFスパッタリングにより、(SryLa1-y2(TayTi1-y27で表される組成を有する前駆体膜を形成した(なお、下部電極の一部(端部)は、その上に前駆体を形成せずに、露出したまま残した)。RFスパッタリングは、蒸着源としてSr2Ta27原料のターゲットとLa2Ti27原料のターゲットとを用い、Sr2Ta27原料:La2Ti27原料のRFパワー比を20W:60Wとして、同時に蒸着させた。基板の周囲雰囲気の酸素濃度は5%であり、残余はアルゴンとした。
Step (a): Formation of Precursor Film The substrate on which the lower electrode is formed as described above is heated to 400° C. (that is, the substrate temperature is 400° C.), and (Sry La 1- A precursor film having a composition represented by y ) 2 ( TayTi1 -y ) 2O7 was formed (note that a part (edge) of the lower electrode was not formed with the precursor thereon). left exposed). RF sputtering uses a target of Sr 2 Ta 2 O 7 raw material and a target of La 2 Ti 2 O 7 raw material as deposition sources, and the RF power ratio of Sr 2 Ta 2 O 7 raw material:La 2 Ti 2 O 7 raw material is 20 W: 60 W were vapor-deposited at the same time. The atmosphere surrounding the substrate had an oxygen concentration of 5% and the balance was argon.

工程(b):熱処理による誘電体膜の形成
上記のようにして前駆体膜を形成した基板を、酸素ガスを0.5L/分でフローさせた中で、900℃にて5分間の熱処理に付して(即ち、PDA温度900℃)、上記前駆体膜から、(SryLa1-y2(TayTi1-y27で表される組成を有する誘電体膜を形成した。得られた誘電体膜の厚さは220nmであった。
Step (b): Formation of Dielectric Film by Heat Treatment The substrate on which the precursor film was formed as described above was subjected to heat treatment at 900° C. for 5 minutes while oxygen gas was flowed at 0.5 L/min. (i.e. PDA temperature 900° C.), a dielectric film having a composition represented by (SryLa1-y)2(TayTi1-y)2O7 was formed from the precursor film . did. The thickness of the obtained dielectric film was 220 nm.

上部電極の形成
上記のようにして形成した誘電体膜の上に、DCスパッタリングにより、厚さ約150nmのPt層を上部電極として直径約110nmの略円形で形成した。DCスパッタリングに際し、基板の温度は室温(20℃程度)とした。これにより、誘電体膜が下部電極および上部電極の間に配置されたキャパシタを得た。
Formation of Upper Electrode On the dielectric film formed as described above, a Pt layer with a thickness of about 150 nm was formed as an upper electrode in a substantially circular shape with a diameter of about 110 nm by DC sputtering. In the DC sputtering, the temperature of the substrate was room temperature (about 20° C.). As a result, a capacitor was obtained in which the dielectric film was arranged between the lower electrode and the upper electrode.

・分析および評価
組成
誘電体膜中の各元素の含有割合をXPSにより調べた。その結果、誘電体膜は、少なくとも上部電極を形成した領域にて、(SryLa1-y2(TayTi1-y27の組成を有し、式中、y=0.35であることが判明した。
- Analysis and Evaluation Composition The content ratio of each element in the dielectric film was examined by XPS. As a result, the dielectric film has a composition of (SryLa1-y)2(TayTi1-y)2O7 , at least in the region where the upper electrode is formed, where y=0 .35.

結晶構造の主体および配向面
この誘電体膜の2次元X線回折像を図5に示す。比較例1の誘電体膜は、Sr2Ta27が結晶構造の主体を成し、(111)の配向面を有するものであった。
Main Crystal Structure and Orientation Plane A two-dimensional X-ray diffraction image of this dielectric film is shown in FIG. In the dielectric film of Comparative Example 1, Sr 2 Ta 2 O 7 was the main constituent of the crystal structure and had a (111) oriented plane.

電気特性評価
比較例1の誘電体膜の電気特性を、実施例1と同様にして評価した結果を図6に示す。図6から理解されるように、比較例1の誘電体膜は、20~300℃に亘って、100を超える高い比誘電率を示し、その変化率は、20℃における比誘電率を基準として、5%以下であった。また、比較例1の誘電体膜は、20~300℃に亘って、0.1より小さい誘電損失を示した。しかしながら、比較例1の誘電体膜は、20~150℃程度の温度範囲で約10-5A/cm2の電流密度を示した。実施例1に比べて、比較例1の誘電体膜は絶縁性が十分でなく、キャパシタにおいて比較的大きな漏れ電流が発生した。
Evaluation of Electrical Properties The results of evaluating the electrical properties of the dielectric film of Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1 are shown in FIG. As can be seen from FIG. 6, the dielectric film of Comparative Example 1 exhibits a high dielectric constant exceeding 100 over 20 to 300 ° C., and the rate of change is based on the dielectric constant at 20 ° C. , was less than 5%. Also, the dielectric film of Comparative Example 1 exhibited a dielectric loss of less than 0.1 over a temperature range of 20 to 300.degree. However, the dielectric film of Comparative Example 1 showed a current density of about 10 -5 A/cm 2 in the temperature range of about 20 to 150°C. Compared with Example 1, the dielectric film of Comparative Example 1 had insufficient insulation, and a relatively large leakage current occurred in the capacitor.

(実施例2)
実施例2は、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1、ZはWである)で表され、かつ、xの値が所定方向に傾斜した組成を有する誘電体膜およびかかる誘電体膜を備えるキャパシタに関する。
(Example 2)
Example 2 is ( SryLa1 -y ) 2 ( TayTi1 -y ) 2-2xZ2xO7 (0<x≤0.25, 0<y<1, Z is W ) and a dielectric film having a composition in which the value of x is graded in a predetermined direction, and a capacitor comprising such a dielectric film.

・製造手順
下部電極の形成
実施例1と同様にして、厚さ約300nmのSiO2膜を表面に備えるSi(100)基板の表面上に、厚さ約10nmのTi層と厚さ約100nmのPt層を順次積層して、これら層から成る下部電極を形成した。
・Manufacturing procedure Formation of lower electrode In the same manner as in Example 1, a Ti layer with a thickness of about 10 nm and a Ti layer with a thickness of about 100 nm were formed on the surface of a Si (100) substrate having a SiO 2 film with a thickness of about 300 nm on the surface. Pt layers were sequentially stacked to form a lower electrode composed of these layers.

工程(a):前駆体膜の形成
図7を参照して、上記のようにして下部電極を形成した基板11(Pt/Ti/SiO2/Si)を400℃に加熱し(即ち、基板温度400℃)、下記の(a1)~(a3)を繰り返した。なお、図7は、図2と上下を逆転して示しており、図7においてもターゲット12~14、ターゲット14のシャッター15、およびターゲット12、13の各シャッターを使用し、更に、基板11とターゲット12~14の間に、A-B方向に平行にスライド移動可能で、かつA-B間距離に対して両外側に各1mmのマージンを有する開口長さを有する開口部を備えるマスク(図示せず)を使用した。
(a1)第1ターゲット(Sr2Ta27)および第2ターゲット(La2Ti27)のシャッターを全開とし、第3ターゲット(W)のシャッターを全閉とし、マスクのスライド移動なし(基板11のA-B間の中央に対して、開口部の開口長さの中央が鉛直方向に投射して見た場合に一致するように、マスクが配置された状態)で、第1ターゲット(Sr2Ta27)を20Wのパワーで、および第2ターゲット(La2Ti27)を60Wのパワーで、それぞれRFスパッタリングして、中間層21を形成した。
(a2)第1ターゲット(Sr2Ta27)および第2ターゲット(La2Ti27)のシャッターを全開とし、第3ターゲット(W)のシャッターを全閉とし、マスクをA側にスライド移動させて(基板11のB側の部分がマスクで覆われるように、マスクが配置された状態)で、第1ターゲット(Sr2Ta27)を20Wのパワーで、および第2ターゲット(La2Ti27)を60Wのパワーで、それぞれRFスパッタリングして、A側層22を形成した。
(a3)第1ターゲット(Sr2Ta27)、第2ターゲット(La2Ti27)および第3ターゲット(W)のシャッターを全開とし、マスクをB側にスライド移動させて(基板11のA側の部分がマスクで覆われるように、マスクが配置された状態)で、第1ターゲット(Sr2Ta27)を20Wのパワーで、第2ターゲット(La2Ti27)を60Wのパワーで、および第3ターゲット(W)を20Wのパワーで、それぞれRFスパッタリングして、B側層22を形成した。
なお、図7中、基板11、中間層21、A側層22およびB側層23をA-B間のみにおいて示しているが、実際には、基板11はA-B間より大きい長さを有し、中間層21、A側層22およびB側層23は、マスクのマージン(+1mm)に起因して、A-B間より若干大きい長さを有し得るが、後述する誘電体膜の分析および評価においては無視して差支えない。位置Aおよび位置Bは、後述するxの値の傾斜の理論上の両端として理解可能である。
Step (a): Formation of Precursor Film Referring to FIG. 7, the substrate 11 (Pt/Ti/SiO 2 /Si) on which the lower electrode is formed as described above is heated to 400° C. (that is, the substrate temperature 400° C.), and the following (a1) to (a3) were repeated. FIG. 7 is shown upside down from FIG. 2, and in FIG. Between the targets 12 to 14, a mask is provided which is slidable in parallel in the AB direction and has an aperture having an aperture length of 1 mm on each side with respect to the distance between AB (Fig. not shown) was used.
(a1) The shutters of the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) and the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) are fully open, the shutter of the third target (W) is fully closed, and the mask is not slid. (a state in which the mask is arranged so that the center of the opening length of the opening coincides with the center of AB of the substrate 11 when projected in the vertical direction), the first target The intermediate layer 21 was formed by RF sputtering (Sr 2 Ta 2 O 7 ) with a power of 20 W and the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) with a power of 60 W, respectively.
(a2) The shutters of the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) and the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) are fully opened, the shutter of the third target (W) is fully closed, and the mask is placed on the A side. The first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) is slid (with the mask placed so that the B-side portion of the substrate 11 is covered with the mask), and the second target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) with a power of 20 W. (La 2 Ti 2 O 7 ) was RF-sputtered at a power of 60 W to form the A-side layer 22 .
(a3) The shutters of the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ), second target (La 2 Ti 2 O 7 ) and third target (W) are fully opened, and the mask is slid to the B side (substrate 11 is covered with the mask), the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) is driven with a power of 20 W, and the second target (La 2 Ti 2 O 7 ). ) with a power of 60 W and the third target (W) with a power of 20 W, respectively, to form the B-side layer 22 .
In FIG. 7, the substrate 11, the intermediate layer 21, the A-side layer 22 and the B-side layer 23 are shown only between AB. The intermediate layer 21, the A-side layer 22, and the B-side layer 23 may have a length slightly larger than the length between AB due to the margin of the mask (+1 mm). It can be ignored in analysis and evaluation. Positions A and B can be understood as the theoretical ends of the x-value slope described below.

実施例2では、中間層21の厚さを0.8nmとし、A側層22およびB側層23を合わせた厚さを0.4nmとし、よって、(a1)~(a3)の1サイクルで形成される層の厚さを1.2nmとした。(a1)~(a3)のサイクルを83回繰り返して、厚さ約100nmの前駆体膜を形成した。この間、基板の周囲雰囲気の酸素濃度は5%とし、残余はアルゴンとした。 In Example 2, the thickness of the intermediate layer 21 is 0.8 nm, and the total thickness of the A-side layer 22 and the B-side layer 23 is 0.4 nm. The thickness of the layer to be formed was set to 1.2 nm. The cycle of (a1) to (a3) was repeated 83 times to form a precursor film with a thickness of about 100 nm. During this time, the atmosphere surrounding the substrate had an oxygen concentration of 5% and the balance was argon.

工程(b):熱処理による誘電体膜の形成
上記のようにして前駆体膜を形成した基板を、酸素ガスを0.5L/分でフローさせた中で、900℃にて5分間の熱処理に付して(即ち、PDA温度900℃)、上記前駆体膜から、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1)で表される組成を有し、かつ、xの値が位置Aから位置Bに向かう方向に傾斜した誘電体膜を形成した。実施例2で得られた誘電体膜の厚さは約100nmであった。
Step (b): Formation of Dielectric Film by Heat Treatment The substrate on which the precursor film was formed as described above was subjected to heat treatment at 900° C. for 5 minutes while oxygen gas was flowed at 0.5 L/min. (i.e. PDA temperature 900° C.), (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x W 2x O 7 (0<x≦0.25 , 0<y<1) and the value of x is inclined in the direction from position A to position B was formed. The thickness of the dielectric film obtained in Example 2 was about 100 nm.

上部電極の形成
上記のようにして形成した誘電体膜の上に、DCスパッタリングにより、厚さ約150nmのPt層を上部電極として直径約110nmの略円形で形成した。DCスパッタリングに際し、基板の温度は室温(20℃程度)とした。これにより、誘電体膜が下部電極および上部電極の間に配置されたキャパシタを得た。
Formation of Upper Electrode On the dielectric film formed as described above, a Pt layer with a thickness of about 150 nm was formed as an upper electrode in a substantially circular shape with a diameter of about 110 nm by DC sputtering. In the DC sputtering, the temperature of the substrate was room temperature (about 20° C.). As a result, a capacitor was obtained in which the dielectric film was arranged between the lower electrode and the upper electrode.

・分析および評価
組成
誘電体膜中の各元素の含有割合をXPSおよびXRFにより調べた。その結果、誘電体膜は、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7の組成を有し、式中、y=0.35で、xおよびW添加量は下記の表3に示す通りであることが判明した。より詳細には、まず、誘電体膜をA-B方向に11等分した第1~第11部分におけるW添加量をXRFにより調べた。手順としては、まず、上記(a3)でのB側層23の成長レートから、誘電体膜におけるW添加量を、位置Aにて0体積%と理論上推定し(実際にはW元素の廻り込みが起こって、Wがごくわずかに混入し得る点に留意されたい)、位置Bにて26.9体積%であると推定した。そして、誘電体膜の面内でのXRFマッピング測定により、Laに対するWの強度を規格化した。その後、第1~第11部分の中央付近におけるLaに対するWの強度から、各部分におけるW添加量を求めた(実際のW添加量は、表3に示す値に±1%した範囲にあると考えられる)。更に、得られたW添加量およびy=0.35から、上記組成式中のxの値を算出した。
- Analysis and Evaluation Composition The content ratio of each element in the dielectric film was examined by XPS and XRF. As a result, the dielectric film has a composition of ( SryLa1 -y ) 2 ( TayTi1 -y ) 2-2xW2xO7 , where y= 0.35 , x and The amount of W added was found to be as shown in Table 3 below. More specifically, first, the amount of W added to the first to eleventh portions obtained by dividing the dielectric film into eleven equal parts in the AB direction was examined by XRF. As a procedure, first, from the growth rate of the B-side layer 23 in the above (a3), the amount of W added in the dielectric film is theoretically estimated to be 0% by volume at the position A (actually, the amount around the W element is Note that contamination may occur and W may be incorporated very slightly), estimated to be 26.9% by volume at position B. Then, the intensity of W with respect to La was normalized by XRF mapping measurement in the plane of the dielectric film. After that, the amount of W added in each portion was obtained from the strength of W relative to La near the center of the first to eleventh portions (the actual amount of W added is assumed to be in the range ±1% of the value shown in Table 3). Conceivable). Further, the value of x in the above composition formula was calculated from the obtained W addition amount and y=0.35.

Figure 2022182764000003
Figure 2022182764000003

結晶構造の主体および配向面
2次元検出器を用いて、この誘電体膜の第1部分~第11部分の2次元X線回折像を得た。例示的に、第1部分(W0.0%)、第6部分(W13.5%)、第7部分(W16.1%)、第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像を図8(a)~(d)に示す。更に、この第1部分(W0.0%)~第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像を、中央値χ=0°として検出角度幅38°の領域についてχ方向に円弧積分し、1次元プロファイルに変換して、誘電体膜のX線回折パターンを得た。結果を図9に示す。図9中、記号「*」は、誘電体膜以外の物質(Pt、Ti、SiO2およびSi)に起因するピークを示し、誘電体膜を構成するものでないため無視した(後述する図11、13においても同様であり、2θ=40°付近のピークはPtによるものである)。これら結果から、実施例2の誘電体膜の第1部分~第11部分(W26.9%)は、Sr2Ta27が結晶構造の主体を成すことが特定された。更に、図8(a)、(b)、(c)に示す2次元X線回折像において2θ=28°付近にスポットが観察されたことから、実施例2の誘電体膜の第1部分~第7部分(W16.1%)は、(111)の配向面を有するものであることが確認された。実施例2の誘電体膜の第9部分(W21.5%)~第11部分(W26.9%)では、(111)配向と結晶性の劣化が確認され、第11部分(W26.9%)では相分離(W相の出現)を示した。
Main Crystal Structure and Orientation Plane Two-dimensional X-ray diffraction images of the first to eleventh portions of this dielectric film were obtained using a two-dimensional detector. Exemplary two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%), the sixth part (W13.5%), the seventh part (W16.1%), and the eleventh part (W26.9%) are shown in FIGS. 8(a) to (d). Furthermore, the two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%) to the eleventh part (W26.9%) are circular arcs in the χ direction for the area with the detection angle width of 38° with the median value χ = 0°. The x-ray diffraction pattern of the dielectric film was obtained by integrating and converting to a one-dimensional profile. The results are shown in FIG. In FIG. 9, the symbol "*" indicates a peak due to substances (Pt, Ti, SiO2 and Si) other than the dielectric film, and is ignored because it does not constitute the dielectric film (see FIGS. 11 and 13 to be described later). , and the peak near 2θ=40° is due to Pt). From these results, it was determined that Sr 2 Ta 2 O 7 constitutes the main crystal structure of the first to eleventh portions (W 26.9%) of the dielectric film of Example 2. Furthermore, in the two-dimensional X-ray diffraction images shown in FIGS. 8(a), (b), and (c), spots were observed near 2θ=28°. The seventh portion (W 16.1%) was confirmed to have a (111) oriented plane. In the 9th part (W21.5%) to the 11th part (W26.9%) of the dielectric film of Example 2, (111) orientation and crystallinity deterioration were confirmed, and the 11th part (W26.9% ) showed phase separation (appearance of W phase).

電気特性評価
実施例2の誘電体膜の電気特性を評価した。より詳細には、上述のようにして製造したキャパシタを大気圧下に配置し、誘電体膜のA-B方向に沿った直線上の異なる位置において、測定温度を約20℃(室温)のみとして電気特性の各値を測定したこと以外は、実施例1と同様にした。結果を図10に示す(図10中、x軸は、各位置に対応するW添加量とした)。図10から理解されるように、W添加量0体積%(理論値)と比較して、W添加による電流密度の低減の効果が確認された。併せて、W添加量0体積%(理論値)と比較して、W添加により比誘電率の低減(およびバラつき)も認められた。
Evaluation of Electrical Properties The electrical properties of the dielectric film of Example 2 were evaluated. More specifically, the capacitor manufactured as described above was placed under atmospheric pressure, and the measured temperature was only about 20° C. (room temperature) at different positions on a straight line along the AB direction of the dielectric film. The same procedure as in Example 1 was carried out, except that each value of electrical properties was measured. The results are shown in FIG. 10 (in FIG. 10, the x-axis represents the W addition amount corresponding to each position). As can be understood from FIG. 10, the effect of reducing the current density due to the addition of W was confirmed as compared with the amount of W added of 0 volume % (theoretical value). In addition, a reduction (and variation) in the relative permittivity due to the addition of W was also observed compared to the amount of W added of 0% by volume (theoretical value).

(実施例3、4)
実施例3、4は、実施例2の改変例である。
(Examples 3 and 4)
Examples 3 and 4 are modified examples of Example 2.

W添加による比誘電率の低減を望ましくは解消ないし改善すること企図して、工程(a)における酸素濃度を20%としたこと以外は、実施例2と同様にして、実施例3の誘電体膜(キャパシタ)を得た。よって、実施例3の誘電体膜の厚さは約100nmであった。 In the same manner as in Example 2, except that the oxygen concentration in the step (a) was set to 20% in order to desirably eliminate or improve the decrease in the dielectric constant due to the addition of W, the dielectric of Example 3 A membrane (capacitor) was obtained. Therefore, the thickness of the dielectric film of Example 3 was about 100 nm.

上記と同様に工程(a)における酸素濃度を20%とし、更に、(a1)~(a3)のサイクルの繰り返し数を217回としたこと以外は、実施例2と同様にして、実施例4の誘電体膜(キャパシタ)を得た。よって、実施例4の誘電体膜の厚さは約260nmであった。 Example 4 was carried out in the same manner as in Example 2, except that the oxygen concentration in step (a) was set to 20% in the same manner as above, and the number of repetitions of the cycles of (a1) to (a3) was set to 217. of the dielectric film (capacitor) was obtained. Therefore, the thickness of the dielectric film of Example 4 was about 260 nm.

・分析および評価
組成
実施例3、4の誘電体膜は、実施例2の誘電体膜と同じ組成を有すると考えて差し支えない。
Analysis and Evaluation Compositions The dielectric films of Examples 3 and 4 can be considered to have the same composition as the dielectric film of Example 2.

結晶構造の主体および配向面
実施例2と同様にして、実施例3、4の誘電体膜の第1部分~第11部分の2次元X線回折像を得た。例示的に、第1部分(W0.0%)、第6部分(W13.5%)、第7部分(W16.1%)、第11部分(W26.9%)の2次元X線回折像を、図11(a)~(d)(実施例3)および図13(a)~(d)(実施例4)に示す。更に、実施例2と同様にして、実施例3、4の誘電体膜のX線回折パターンを得た。結果を図12(実施例3)、図14(図14)に示す。これら結果から、実施例3、4の誘電体膜の第1部分~第11部分(W26.9%)は、Sr2Ta27が結晶構造の主体を成すことが特定された。更に、図11(a)~(d)および図13(a)~(d)に示す2次元X線回折像において2θ=28°付近にスポットが観察されたことから、実施例3、4の誘電体膜の第1部分~第11部分(W26.9%)は、(111)の配向面を有するものであることが確認された。実施例2の結果と比較して、工程(a)における酸素濃度を高くすることにより、より大きいW添加量であっても、Sr2Ta27が結晶構造の主体を成すことおよびその配向面(111)を維持でき、相分離(W相の出現)を抑制できるものと考えられる。
Main Crystal Structure and Orientation Planes Two-dimensional X-ray diffraction images of the first to eleventh portions of the dielectric films of Examples 3 and 4 were obtained in the same manner as in Example 2. FIG. Exemplary two-dimensional X-ray diffraction images of the first part (W0.0%), the sixth part (W13.5%), the seventh part (W16.1%), and the eleventh part (W26.9%) are shown in FIGS. 11(a) to (d) (Example 3) and FIGS. 13(a) to (d) (Example 4). Furthermore, in the same manner as in Example 2, the X-ray diffraction patterns of the dielectric films of Examples 3 and 4 were obtained. The results are shown in FIG. 12 (Example 3) and FIG. 14 (FIG. 14). From these results, it was determined that Sr 2 Ta 2 O 7 constitutes the main crystal structure of the first to eleventh portions (W 26.9%) of the dielectric films of Examples 3 and 4. Furthermore, in the two-dimensional X-ray diffraction images shown in FIGS. 11(a) to (d) and FIGS. 13(a) to (d), spots were observed near 2θ=28°. It was confirmed that the first to eleventh portions (W26.9%) of the dielectric film had (111) orientation planes. Compared with the results of Example 2, by increasing the oxygen concentration in step (a), even with a larger amount of W added, Sr 2 Ta 2 O 7 forms the main part of the crystal structure and its orientation. It is considered that the plane (111) can be maintained and phase separation (appearance of W phase) can be suppressed.

電気特性評価
実施例3、4の誘電体膜の電気特性を評価した。より詳細には、上述のようにして製造したキャパシタを大気圧下に配置し、誘電体膜のA-B方向に沿った直線上の異なる位置において、測定温度を約20℃(室温)のみとして電気特性の各値を測定したこと以外は、実施例1と同様にした。結果を図15に示す(図15中、x軸は、各位置に対応するW添加量とし、「100nm」は実施例3の誘電体膜を示し、「260nm」は実施例4の誘電体膜を示す)。図15から理解されるように、実施例3、4の誘電体膜は、W添加量26.9体積%以下(W添加量0体積%(理論値)は、実際にはW元素の廻り込みが起こって、Wがごくわずかに混入し得る点に留意されたい)の場合に、概ね、低い電流密度を示し、W添加量8~16体積%で十分に低い電流密度を示した。実施例3、4の誘電体膜は、W添加量8~14体積%のときに、比較的高い比誘電率を示し、W添加量約13体積%のときに比誘電率のピークを示した。また、実施例3、4の誘電体膜は、W添加量26.9体積%以下の場合に、0.1より小さい誘電損失を示した。
Evaluation of Electrical Properties The electrical properties of the dielectric films of Examples 3 and 4 were evaluated. More specifically, the capacitor manufactured as described above was placed under atmospheric pressure, and the measured temperature was only about 20° C. (room temperature) at different positions on a straight line along the AB direction of the dielectric film. The same procedure as in Example 1 was carried out, except that each value of electrical properties was measured. Results are shown in FIG. ). As can be seen from FIG. 15, the dielectric films of Examples 3 and 4 have a W addition amount of 26.9 vol% or less (a W addition amount of 0 vol% (theoretical value) is actually (Note that W may be mixed in very small amounts due to the occurrence of W) generally showed low current densities, and W addition amounts of 8 to 16 vol% showed sufficiently low current densities. The dielectric films of Examples 3 and 4 showed a relatively high dielectric constant when the W addition amount was 8 to 14 vol%, and showed a dielectric constant peak when the W addition amount was about 13 vol%. . Further, the dielectric films of Examples 3 and 4 exhibited a dielectric loss of less than 0.1 when the amount of W added was 26.9% by volume or less.

(Z添加の効果確認試験)
本試験は、Z添加の効果を確認する目的で実施した。
(Effect confirmation test of Z addition)
This test was conducted for the purpose of confirming the effect of Z addition.

表4に示すNo.1のサンプルおよびNo.2のサンプルを作製した。 No. shown in Table 4. 1 sample and no. 2 samples were made.

Figure 2022182764000004
Figure 2022182764000004

No.1のサンプルは、下部電極を形成した基板上に、(Sry’La1-y’2(Tay’Ti1-y’27(0≦y’≦1)で表され、かつ、y’の値が所定方向に傾斜した組成を有する誘電体膜を形成したものであった。 No. Sample No. 1 is represented by (Sry'La1-y')2(Tay'Ti1-y')2O7 ( 0≤y'≤1 ) on a substrate on which a lower electrode is formed, In addition, a dielectric film having a composition in which the value of y' is inclined in a predetermined direction was formed.

No.1のサンプルは、次のようにして作製した。まず、実施例2と同様にして下部電極を形成した。そして、下部電極を形成した基板(Pt/Ti/SiO2/Si)を500℃に加熱し(即ち、基板温度500℃)、下記の(a4)~(a5)を繰り返した。
(a4)第1ターゲット(Sr2Ta27)のシャッターを全閉とし、第2ターゲット(La2Ti27)のシャッターを全開とし、第3ターゲット(W)を使用せず、マスクをA側にスライド移動させて(基板のB側の部分がマスクで覆われるように、マスクが配置された状態)で、第2ターゲット(La2Ti27)を60WのパワーでRFスパッタリングして、A側層を形成した。
(a5)第1ターゲット(Sr2Ta27)のシャッターを全開とし、第2ターゲット(La2Ti27)シャッターを全閉とし、第3ターゲット(W)を使用せず、マスクをB側にスライド移動させて(基板のA側の部分がマスクで覆われるように、マスクが配置された状態)で、第1ターゲット(Sr2Ta27)を20WのパワーでRFスパッタリングして、B側層を形成した。
A側層およびB側層を合わせた厚さ、換言すれば、(a4)~(a5)の1サイクルで形成される層の厚さを0.4nmとした。(a4)~(a5)のサイクルを250回繰り返して、厚さ約100nmの前駆体膜を形成した。この間、基板の周囲雰囲気の酸素濃度は5%とし、残余はアルゴンとした。その後、実施例2の工程(b)と同様にして熱処理することで、上記前駆体膜から、(Sry’La1-y’2(Tay’Ti1-y’27(0≦y’≦1)で表される組成を有し、かつ、y’の値が位置Aから位置Bに向かう方向に傾斜した誘電体膜を形成した。サンプルNo.1で得られた誘電体膜の厚さは約100nmであった。
No. A sample of No. 1 was produced as follows. First, in the same manner as in Example 2, a lower electrode was formed. Then, the substrate (Pt/Ti/SiO 2 /Si) on which the lower electrode was formed was heated to 500° C. (that is, the substrate temperature was 500° C.), and the following (a4) to (a5) were repeated.
(a4) The shutter of the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) is fully closed, the shutter of the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) is fully open, the third target (W) is not used, and the mask is slid to the A side (with the mask placed so that the B side portion of the substrate is covered with the mask), the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) is RF-sputtered at a power of 60 W. to form an A-side layer.
(a5) The shutter of the first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) is fully open, the shutter of the second target (La 2 Ti 2 O 7 ) is fully closed, the third target (W) is not used, and the mask is The first target (Sr 2 Ta 2 O 7 ) was RF-sputtered at a power of 20 W while being slid to the B side (the mask was placed so that the A side portion of the substrate was covered with the mask). to form the B-side layer.
The total thickness of the A-side layer and the B-side layer, in other words, the thickness of the layers formed in one cycle of (a4) to (a5) was set to 0.4 nm. The cycle of (a4) to (a5) was repeated 250 times to form a precursor film with a thickness of about 100 nm. During this time, the atmosphere surrounding the substrate had an oxygen concentration of 5% and the balance was argon. Thereafter, heat treatment is performed in the same manner as in the step (b) of Example 2 to convert ( Sry'La1 -y' ) 2 ( Tay'Ti1 -y' ) 2O7 ( A dielectric film having a composition represented by 0≦y′≦1 and in which the value of y′ is inclined in the direction from position A to position B was formed. Sample no. The thickness of the dielectric film obtained in 1 was about 100 nm.

記号「STO-LTO(La rich)」は、サンプルNo.1の位置A側端部とし、記号「STO-LTO(Sr rich)」は、サンプルNo.1の位置B側端部とした。「STO-LTO(La rich)」において、y’=0.0と理論上推定したが、実際には、Sr元素、Ta元素の廻り込みが起こり得る。「STO-LTO(Sr rich)」において、y’=1.0と理論上推定したが、実際には、La元素、Ti元素の廻り込みが起こり得る。 The symbol "STO-LTO (La rich)" indicates sample no. 1, and the symbol "STO-LTO (Sr rich)" indicates sample No. 1. 1 position B side end. In "STO-LTO (La rich)", y' is theoretically estimated to be 0.0, but in reality, Sr element and Ta element may be included. In "STO-LTO (Sr rich)", it was theoretically estimated that y'=1.0, but actually La elements and Ti elements may be included.

No.2のサンプルは、下部電極を形成した基板上に、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(0<x≦0.25、0<y<1、ZはWである)で表され、かつ、xの値が所定方向に傾斜した組成を有する誘電体膜を形成したものであった。 No. Sample No. 2 has (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x Z 2x O 7 (0<x≦0.25, 0<y <1, Z is W) and the value of x is inclined in a predetermined direction.

No.2のサンプルは、工程(a)における酸素濃度を20%とし、(a1)の中間層の厚さを1.2nmとし、(a1)~(a3)のサイクルの繰り返し数を150回とし、上部電極を形成しなかったこと以外は、実施例2と同様にして作製した。よって、サンプルNo.2の誘電体膜の厚さは約240nmであった。 No. 2, the oxygen concentration in step (a) is 20%, the thickness of the intermediate layer in (a1) is 1.2 nm, the number of cycles of (a1) to (a3) is 150, and the upper part It was produced in the same manner as in Example 2, except that no electrode was formed. Therefore, sample no. 2 was about 240 nm thick.

記号「W 添加 19±1%」は、サンプルNo.2の誘電体膜をA-B方向に11等分した第1~第11部分(表3参照)のうちの第8部分(W18.8%)とし、記号「W 添加 3±1%」は、その第2部分(W2.7%)とした(実際のW添加量は、表4に示す値に±1%した範囲にあると考えられる)。 The symbol "W added 19±1%" indicates sample No. The 8th portion (W 18.8%) of the 1st to 11th portions (see Table 3) obtained by dividing the dielectric film of No. 2 into 11 equal parts in the AB direction. , and the second part (W 2.7%) (the actual W addition amount is considered to be within the range ±1% of the value shown in Table 4).

表4に示すNo.1およびNo.2のサンプルの所定の部分につき、XPSスペクトルを測定した。O 1sに対応するピークを含むXPSスペクトルのグラフを図16に示し、Ti 2pに対応するピークを含むXPSスペクトルのグラフを図17に示し、W 4fに対応するピークを含むグラフを図18に示す。(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(y=0.35、ZはWである)の価電子帯に対応するピークを含むXPSスペクトルのグラフを図19に示す。 No. shown in Table 4. 1 and no. An XPS spectrum was measured for a given portion of the two samples. A graph of the XPS spectrum containing the peak corresponding to O 1s is shown in FIG. 16, a graph of the XPS spectrum containing the peak corresponding to Ti 2p is shown in FIG. 17, and a graph containing the peak corresponding to W 4f is shown in FIG. . of the XPS spectrum containing the peak corresponding to the valence band of (SryLa1-y)2(TayTi1-y)2-2xZ2xO7 ( y = 0.35 , Z = W) A graph is shown in FIG.

図16を参照して、530~531eVのピークがO 1sに対応し、532~533eVのピークは酸素欠損に由来する。「STO-LTO(Sr rich)」は、酸素欠損由来のピークが認められないのに対して、「STO-LTO(La rich)」は、酸素欠損由来のピークが認められ、「STO-LTO(Sr rich)」より「STO-LTO(La rich)」において酸素欠損が多く存在していることを示している。このことから、Sr2Ta27構造に対して、LaおよびTiがSrおよびTaを置換することにより、酸素欠損が生じると考えられる。「W 添加 3±1%」は、酸素欠損由来の大きいピークが認められるのに対して、「W 添加 19±1%」は、酸素欠損由来のピークが小さくなっており、「W 添加 3±1%」より「W 添加 19±1%」において酸素欠損が低減しており、これは、Wをより多く添加したことによる効果であると考えられる。 Referring to FIG. 16, the 530-531 eV peak corresponds to O 1s, and the 532-533 eV peak is derived from oxygen deficiency. "STO-LTO (Sr rich)" does not have a peak derived from oxygen deficiency, while "STO-LTO (La rich)" has a peak derived from oxygen deficiency, and "STO-LTO ( This indicates that there are more oxygen vacancies in "STO-LTO (La rich)" than in "Sr rich)". From this, it is considered that La and Ti substitute for Sr and Ta in the Sr 2 Ta 2 O 7 structure, resulting in oxygen vacancies. "W added 3±1%" shows a large peak derived from oxygen deficiency, while "W added 19±1%" shows a smaller peak derived from oxygen deficiency, and "W added 3±1%" Oxygen vacancies are reduced in "W addition 19±1%" than in "W addition 1%", and this is considered to be the effect of adding a larger amount of W.

図17を参照して、459eV付近のピークがTi 2pに対応する。Ti 2pのピークの半値幅が小さいほど酸素欠損が少なく、酸素欠損が多いほどTi元素のゆらぎが大きくなって、Ti 2pのピークの半値幅が大きくなると考えられる。「W 添加 3±1%」よりも「W 添加 19±1%」のほうがTi 2pのピークの半値幅が小さくなっており、これは、Wをより多く添加したことによる効果であると考えられる。 Referring to FIG. 17, the peak near 459 eV corresponds to Ti 2p. It is thought that the smaller the half-value width of the Ti 2p peak, the smaller the oxygen vacancies, and the larger the oxygen vacancies, the greater the fluctuation of the Ti element and the larger the half-value width of the Ti 2p peak. The half-value width of the Ti 2p peak is smaller in "W addition 19 ± 1%" than in "W addition 3 ± 1%", which is considered to be the effect of adding more W. .

図18を参照して、「bg」はバックグラウンドであり、「exp」は「W 添加 19±1%」のスペクトルから「W 添加 3±1%」スペクトルを差し引いて、バックグラウンドの処理を行って得たデータ(実験値スペクトル)であり、「W5+」は、「exp」をW5+にフィッティングしたデータであり、「W4+」は「exp」をW4+にフィッティングしたデータであり、「sum」は「W5+」と「W4+」を合計したデータである。「sum」は「exp」によく一致していると認められ、これは、Wがイオン状態で4価および5価の双方を採っているとの仮定が適切であったことを示している。「exp」の結合エネルギーの低い側のテールと他の結合状態変化から、WはBサイトのTaおよびTiの両方を置換していると考えられる。そして、W添加によって、Sr2Ta27構造においてLaおよびTiがSrおよびTaを置換することにより生じた酸素欠損を補償していると考えられる。 Referring to FIG. 18, “bg” is the background, and “exp” is the spectrum of “W addition 19±1%” minus the “W addition 3±1%” spectrum, and the background was processed. "W5+" is data obtained by fitting "exp" to W5+ , "W4+" is data obtained by fitting "exp" to W4 + , and " sum” is the total data of “W5+” and “W4+”. It can be seen that 'sum' agrees well with 'exp', indicating that the assumption that W has both tetravalent and pentavalent ions in the ionic state was correct. The lower binding energy tail of 'exp' and other binding state changes suggest that W replaces both Ta and Ti at the B site. It is believed that the addition of W compensates for oxygen vacancies caused by substitution of Sr and Ta by La and Ti in the Sr 2 Ta 2 O 7 structure.

図19を参照して、2~9eVのピークが、(SryLa1-y2(TayTi1-y2-2x2x7(y=0.35、ZはWである)の価電子帯に対応し、0eVがフェルミ準位に対応する。これらの間のバンドギャップ(0eVを超え2eV未満)内の電子密度(強度)がより低い方が、絶縁性がより高いことを示している。「W 添加 3±1%」よりも「W 添加 19±1%」のほうが、バンドギャップ内の電子密度(強度)が小さくバックグラウンドシグナルと同程度であることから、バンドギャップ内の電子密度が低下し、よって、絶縁性が向上するものと考えられる。 Referring to FIG. 19, the 2-9 eV peak is (Sr y La 1-y ) 2 (Ta y Ti 1-y ) 2-2x Z 2x O 7 (y=0.35, Z is W ) and 0 eV corresponds to the Fermi level. A lower electron density (intensity) within the bandgap between them (more than 0 eV and less than 2 eV) indicates a higher insulating property. The electron density (intensity) in the bandgap is smaller in the case of “19±1% W addition” than in the case of “3±1% W addition”, which is similar to the background signal. It is considered that the insulation properties are improved.

以上、ZとしてWのみを使用した場合について説明したが、ZとしてCr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素を使用した場合にも同様の効果が得られる。その理由は、CrおよびMoはいずれも、Wと同様に、6配位を形成可能で、かつB(例えばTa、Ti)に近いイオン半径を有し、そして、イオン状態で4価および5価の双方を採ることが可能だからである。更に、本発明はいかなる理論にも拘束されないが、各元素のエリンガム図から理解されるように、例えばTa、Tiに対して、Wの酸化エネルギーは、Ta→TaO(g)の酸化エネルギー直線とTa→Ta25の酸化エネルギー直線との間にあり、Tiの種々の酸化エネルギー直線より上にある。Crの酸化エネルギーおよびMoの酸化エネルギーも、Ta→TaO(g)の酸化エネルギー直線とTa→Ta25の酸化エネルギー直線との間にあり、Tiの種々の酸化エネルギー直線より上にある。よって、CrおよびMoは、Wと同様の効果を奏すると考えられる。 Although the case where only W is used as Z has been described above, similar effects can be obtained when at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W is used as Z. The reason is that both Cr and Mo, like W, are capable of forming hexacoordination and have ionic radii close to B (e.g., Ta, Ti), and are tetravalent and pentavalent in the ionic state. This is because it is possible to take both Furthermore, although the present invention is not bound by any theory, as understood from the Ellingham diagram of each element, for example, for Ta and Ti, the oxidation energy of W is the oxidation energy straight line of Ta → TaO (g). It is between the oxidation energy line of Ta→Ta 2 O 5 and above various oxidation energy lines of Ti. The oxidation energy of Cr and the oxidation energy of Mo are also between the Ta→TaO(g) oxidation energy line and the Ta→Ta 2 O 5 oxidation energy line, and above the various oxidation energy lines of Ti. Therefore, Cr and Mo are considered to have the same effect as W.

これに対して、Z(Cr、Mo、W)に代えて、Mnを添加した場合には、絶縁性の向上(漏れ電流の抑制)の効果が得られなかった。その理由は、Mnは、6配位を形成可能であるが、イオン状態で4価のみで(4価かつ6配位のときのイオン半径は0.53Åであり、やや小さい)、イオン状態で5価を採ることができないからであると考えられる。 On the other hand, when Mn was added in place of Z (Cr, Mo, W), the effect of improving insulation (suppressing leakage current) was not obtained. The reason is that Mn can form hexacoordination, but is only tetravalent in the ionic state (the ionic radius when tetravalent and hexacoordinated is 0.53 Å, which is rather small), and in the ionic state It is considered that this is because pentavalence cannot be obtained.

あるいは、Z(Cr、Mo、W)に代えて、既存のA(SrおよびLa)のほかにCeを添加した場合にも、絶縁性の向上(漏れ電流の抑制)の効果が得られなかった。その理由は、Ceは、6配位を形成可能であるが、イオン状態で4価のみで(4価かつ6配位のときのイオン半径は0.87Åであり、やや大きい)、イオン状態で5価を採ることができないからであると考えられる。また、Ceの酸化エネルギー直線は、Ta→TaO(g)の酸化エネルギー直線およびTa→Ta25の酸化エネルギー直線の下にあり、Tiの種々の酸化エネルギー直線より下にある。 Alternatively, even when Ce was added in addition to the existing A (Sr and La) instead of Z (Cr, Mo, W), the effect of improving insulation (suppressing leakage current) was not obtained. . The reason is that although Ce can form hexacoordinated ions, it is only tetravalent in the ionic state (the ionic radius when tetravalent and hexacoordinated is 0.87 Å, which is slightly large), and in the ionic state It is considered that this is because pentavalence cannot be obtained. Also, the Ce oxidation energy line is below the Ta→TaO(g) oxidation energy line and the Ta→Ta 2 O 5 oxidation energy line, and below the various oxidation energy lines of Ti.

本発明の誘電体膜は、キャパシタ(特に薄膜キャパシタ)における誘電体膜として好適に利用され、かかるキャパシタは種々の電子部品に利用され得るが、本発明の誘電体膜はかかる用途のみに限定されない。本発明の誘電体膜を用いたキャパシタは、誘電体膜の絶縁性の向上によりキャパシタの信頼性が向上し、例えば、急成長するパワー半導体素子の高密度化に寄与し得る。 The dielectric film of the present invention is suitably used as a dielectric film in capacitors (especially thin film capacitors), and such capacitors can be used in various electronic components, but the dielectric film of the present invention is not limited to such uses. . A capacitor using the dielectric film of the present invention improves the reliability of the capacitor due to the improved insulating properties of the dielectric film, and can contribute to, for example, increasing the density of rapidly growing power semiconductor devices.

1 基板
3 電極(下部電極)
5 誘電体膜
7 電極(上部電極)
10 キャパシタ
11 下部電極付き基板
12 第1ターゲット(Sr2Ta27
13 第2ターゲット(La2Ti27
14 第3ターゲット(W)
15 シャッター
21 中間層
22 A側層
23 B側層
1 substrate 3 electrode (lower electrode)
5 dielectric film 7 electrode (upper electrode)
REFERENCE SIGNS LIST 10 capacitor 11 substrate with lower electrode 12 first target (Sr 2 Ta 2 O 7 )
13 Second target ( La2Ti2O7 )
14 third target (W)
15 shutter 21 intermediate layer 22 A side layer 23 B side layer

Claims (18)

パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜であって、
一般式A22-2x2x7(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する、誘電体膜。
A dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure,
General formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (wherein A is Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er , Tm, Yb and Lu, each one of which includes A 1 and A 2 different from each other, and B is Ti, Zr, Hf, V, Two or more elements selected from the group consisting of Nb and Ta, each one of which includes B 1 and B 2 that are different from each other, and Z is selected from the group consisting of Cr, Mo and W and x satisfies 0<x≤0.25).
前記誘電体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られるA227の全ての組合せのうち、該誘電体膜の結晶構造の主体を成すA1 21 27に関して、(h00)、(0k0)、(00l)、(h0l)および(0kl)の面(h、kおよびlは0を除く整数である)以外に、少なくとも1つの配向面を有する、請求項1に記載の誘電体膜。 Among all combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained by selecting one element each from A and B present in the dielectric film, the main constituent of the crystal structure of the dielectric film for A 12 B 12 O 7 forming 2. The dielectric film of claim 1, having at least one orientation plane. 前記少なくとも1つの配向面が、前記A1 21 27に関して、(hk0)の面以外の面である、請求項2に記載の誘電体膜。 3. The dielectric film of claim 2, wherein the at least one orientation plane is a plane other than the ( hk0 ) plane with respect to the A12B12O7 . 前記誘電体膜における前記Aの総量に対して、前記A1の含有割合が、50原子%未満であり、前記A2の含有割合が、50原子%以上である、請求項1~3のいずれかに記載の誘電体膜。 4. The content ratio of A 1 is less than 50 atomic % and the content ratio of A 2 is 50 atomic % or more with respect to the total amount of A in the dielectric film. The dielectric film according to any one of the above. 前記A1およびA2が、互いに異なる価数を有する、請求項1~4のいずれかに記載の誘電体膜。 The dielectric film according to any one of claims 1 to 4, wherein A 1 and A 2 have valences different from each other. 前記A1がSrであり、前記A2がLaである、請求項1~5のいずれかに記載の誘電体膜。 6. The dielectric film according to claim 1, wherein said A 1 is Sr and said A 2 is La. 前記B1およびB2が、互いに異なる価数を有する、請求項1~6のいずれかに記載の誘電体膜。 The dielectric film according to any one of claims 1 to 6, wherein said B 1 and B 2 have different valences. 前記B1がTaであり、前記B2がTiである、請求項1~7のいずれかに記載の誘電体膜。 The dielectric film according to any one of claims 1 to 7, wherein said B 1 is Ta and said B 2 is Ti. 3nm以上1μm以下の厚さを有する、請求項1~8のいずれかに記載の誘電体膜。 9. The dielectric film according to claim 1, having a thickness of 3 nm or more and 1 μm or less. 電極と、該電極の上に配置された請求項1~9のいずれかに記載の誘電体膜とを含むキャパシタ。 A capacitor comprising an electrode and the dielectric film according to any one of claims 1 to 9 arranged on the electrode. 前記誘電体膜と接する前記電極の表面が、(111)または(001)の面である、請求項10に記載のキャパシタ。 11. The capacitor according to claim 10, wherein the surface of said electrode in contact with said dielectric film is a (111) or (001) plane. パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体膜の製造方法であって、
(a)350~600℃の温度に加熱された基板の表面に、一般式A22-2x2x7(式中、Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるA1およびA2を含み、Bは、Ti、Zr、Hf、V、NbおよびTaからなる群より選択される2つ以上の元素であって、このうち各1つの元素として互いに異なるB1およびB2を含み、Zは、Cr、MoおよびWからなる群より選択される少なくとも1つの元素であり、xは0<x≦0.25を満たす)で表される組成を有する前駆体膜を気相堆積により形成すること、および
(b)前記前駆体膜が形成された前記基板を、酸素を含む雰囲気にて850~1050℃の温度で熱処理して、該前駆体膜から、パイロクロア型または層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、かつ前記組成を有する誘電体膜を得ること
を含む、製造方法。
A method for producing a dielectric film having a pyrochlore-type or layered perovskite-type crystal structure, comprising:
(a) A compound of the general formula A 2 B 2-2x Z 2x O 7 (wherein A is Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr , Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, two or more elements selected from the group consisting of A 1 and A 2 , wherein B is two or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb and Ta, wherein each element is different from each other B 1 and B 2 , Z is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W, and x satisfies 0<x≦0.25. (b) heat-treating the substrate on which the precursor film is formed at a temperature of 850 to 1050° C. in an atmosphere containing oxygen to form a pyrochlore-type or layered structure from the precursor film; A manufacturing method comprising obtaining a dielectric film having a perovskite crystal structure and having the composition.
前記前駆体膜中に存在するAおよびBの元素から各1つを選択して化学量論的に得られるA227の全ての組合せが、A1 21 27およびA2 22 27(式中、A1、A2、B1およびB2は上記の通りである)を含み、該A1 21 27が、該A2 22 27より低い結晶化温度を有する、請求項12に記載の誘電体膜の製造方法。 All combinations of A 2 B 2 O 7 stoichiometrically obtained by selecting each one of the elements A and B present in the precursor film are A 12 B 12 O 7 and A 2 2 B 2 2 O 7 , wherein A 1 , A 2 , B 1 and B 2 are as defined above, wherein said A 1 2 B 1 2 O 7 13. The method of manufacturing a dielectric film according to claim 12, having a crystallization temperature lower than O7 . 前記(a)にて、前記気相堆積が、前記A1 21 27の組成を有する第1原料と、前記A2 22 27の組成を有する第2原料と、前記Zである第3原料とを使用して実施される、請求項12または13に記載の誘電体膜の製造方法。 In (a ) above, the vapor phase deposition comprises the first raw material having the composition A 12 B 12 O 7 , the second raw material having the composition A 2 2 B 2 2 O 7 , and 14. The method of manufacturing a dielectric film according to claim 12 or 13, wherein the method is carried out using a third source of Z. 前記気相堆積が、第1原料からのA1 21 27の成長レートより、第2原料からのA2 22 27の成長レートが大きい条件にて実施される、請求項14に記載の誘電体膜の製造方法。 The vapor phase deposition is carried out under the condition that the growth rate of A22B22O7 from the second source material is higher than the growth rate of A12B12O7 from the first source material . 15. A method for producing a dielectric film according to Item 14. 前記気相堆積が、高周波スパッタリングによって、第1原料に印加される出力より、第2原料に印加される出力が大きい条件にて実施される、請求項15に記載の誘電体膜の製造方法。 16. The method of manufacturing a dielectric film according to claim 15, wherein said vapor phase deposition is performed by high-frequency sputtering under the condition that the power applied to the second source material is higher than the power applied to the first source material. 前記(b)にて、前記熱処理が、酸素を含むガス雰囲気にて実施される、請求項12~16のいずれかに記載の誘電体膜の製造方法。 17. The method of manufacturing a dielectric film according to claim 12, wherein in said (b), said heat treatment is performed in a gas atmosphere containing oxygen. 前記(a)にて、前記基板がその表面に予め導電性部材を有し、該基板の該導電性部材の上に前記前駆体膜が気相堆積により形成される、請求項12~17のいずれかに記載の誘電体膜の製造方法。 18. The method according to any one of claims 12 to 17, wherein in (a), the substrate has a conductive member in advance on its surface, and the precursor film is formed on the conductive member of the substrate by vapor deposition. A method for producing a dielectric film according to any one of the above.
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