JP4360467B2 - 強誘電体メソ結晶担持薄膜及びその製造方法 - Google Patents
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本発明は、規則的で、均一なナノサイズの孔を有する薄膜の前記孔中に化学量論組成の強誘電体結晶を担持させた構造の薄膜状の強誘電体、及び前記ナノサイズの孔に担持した強誘電体結晶を前記ナノサイズの孔に形成する前駆体化合物として焼成時に前記強誘電体の金属成分を形成する金属アルコキシド、金属アセチルアセトナト又はこれらの混合物を用いることにより、前記薄膜状の強誘電体を製造する方法に関する。
強誘電体メソ結晶を基板に対して配向して規則正しく並んだ微細ドメイン構造を作成できれば、テラビット毎平方インチ級の新しいメモリデバイスなどとしての応用できることは知られている。しかしながら、従来の面方向に規則的に配列した微細ドメイン構造の強誘電体結晶の薄膜を作成する方法としては、強誘電体結晶の均一薄膜を形成後、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィーなどの光技術を応用したプロセス、いわゆる、トップダウンプロセスがあるが、このプロセスではメソ結晶サイズで配列した薄膜を作ろうとしても困難であった。また、気相成長により、メソ結晶を基板上に規則配列させる方法もあるが、複合化合物の場合には均一組成のものを形成することは難しく、汎用性がない。
Shigemi Kohiki et al,「Large frequency dependence of lowered maximum dielectric constant temperature of LiTaO３ nanocrystals dispersed in mesoporous sillicate」,Applied Physics Letters, Vol.82,No.23,2003,JUNE,9,p4134-4135
特開２００３−２０５５００号公報、特許請求の範囲、〔００１１〕〜〔００１５〕、〔００２３〕
（１）Ogawa M.,Ishikawa H.,Kikuchi T., "Preparation of Transparent Mesoporous Silica Films by a Rapid Solvent Evaporation Method", J.Mater.Chem.,8, 1783-1786 (1998).（２）Ogawa M.,Kikuchi T.,"Preparation of Self-Standing Transparent Films of Silica-Surfactant Mesostructured Materials and the Conversion to Porous Silica Films", Adv.Mater., 10, 1077-1080 (1998).
非特許文献１、及び特許文献１には、メソポーラスシリケート中に分散した誘電体、例えばＬｉＴａＯ３ナノ結晶において、最大誘電率定数温度の周波数依存性が観察されること、ナノ結晶はそのサイズが数ｎｍであることにより数十テラビット／平方インチの記録密度を有する情報ストレージ材料の有力候補となりうることが記載されている。しかしながら、誘電体メソ結晶を基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の誘電体薄膜を製造する技術については言及していない。また、非特許文献２には珪酸塩メソ多孔体の薄膜、六方配列したメソ多孔体の薄膜を製造する方法が記載されている。しかしながら、前記珪酸塩メソ多孔体の薄膜を誘電体メソ結晶の鋳型として利用することについては言及していない。
本発明の課題は、前記高密度のメモリデバイスとして応用が考えられる強誘電体メソ結晶が基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の薄膜を提供すること及び前記構造の強誘電体薄膜を安定に製造する方法を提供することである。本発明者らは、前記非特許文献２に記載されている珪酸塩メソ多孔体の薄膜を利用して、前記課題の強誘電体薄膜を製造できないかと考え、前記メソ多孔体中に強誘電体結晶を化学量論的に形成するのに有効な方法を試行錯誤により実験する中で、前記メソ多孔体中に吸収させて強誘電体メソ結晶を形成させるゾルを形成するのに複合金属アルコキシド又は複合金属アセチルアセトナトを用いることにより前記高密度のメモリデバイスとして応用可能な強誘電体薄膜を形成できることを見出し、前記課題を解決することができた。
すなわち、前記珪酸塩メソ多孔体をナノサイズの強誘電体微結晶を形成する鋳型として有効に利用できるゾルを用いることにより前記課題を解決することができた。
すなわち、前記珪酸塩メソ多孔体をナノサイズの強誘電体微結晶を形成する鋳型として有効に利用できるゾルを用いることにより前記課題を解決することができた。
本発明の第１は、（１）シリコンアルコキシドと界面活性剤を炭素数１〜３のアルコールに溶解させ、これに酸及び水を加え前記アルコキシドの加水分解及び重合反応を進行させ自己組織化したゾルを形成し、前記ゾルから薄膜を形成し、前記薄膜を乾燥ゲル化及び加熱ゲル化し、更に焼成して前記界面活性剤を除去することにより均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜を形成し、次いで、前記ナノサイズの細孔が形成された薄膜を強誘電体結晶を形成する前駆体の金属アルコキシド、金属アセチルアセトナト又はこれらの混合物を炭素数１〜３のアルコールに溶解させた前駆体溶液に浸漬し、前記前駆体溶液を吸収させた後、乾燥、焼成して前記細孔内にナノサイズの強誘電体結晶を形成させて得られたナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜である。好ましくは、（２）均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が六方配列した直径１０ｎｍ以下０．１ｎｍ以上の構造からなるものである前記（１）に記載の強誘電体薄膜であり、より好ましくは、（３）強誘電体微結晶がＢａＴｉＯ ３ 、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３ またはＬｉＮｂＯ ３ のメソ結晶である前記（１）又は（２）に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜である。
本発明の第２は、（４）シリコンアルコキシドと界面活性剤を炭素数１〜３のアルコールに溶解させ、これに酸及び水を加え前記アルコキシドの加水分解及び重合反応を進行させ自己組織化したゾルを形成し、前記ゾルから薄膜を形成し、前記薄膜を乾燥ゲル化及び加熱ゲル化し、更に焼成して前記界面活性剤を除去することにより均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜を形成し、次いで、前記ナノサイズの細孔が形成された薄膜を強誘電体結晶を形成する前駆体の金属アルコキシド、金属アセチルアセトナト又はこれらの混合物を炭素数１〜３のアルコールに溶解させた前駆体溶液に浸漬し、前記前駆体溶液を細孔内に吸収させた後、乾燥、焼成して前記細孔内にナノサイズの強誘電体結晶を形成させて得られたナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法である。好ましくは、（５）前記アルコールがメタノール、エタノール、イソプロパノール又はこれらの２種以上の混合物であり、シリコンアルコキシドがテトラメチルオルソシリケート（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、又はこれらの混合物であり、前記界面活性剤が（Ｃ１２−１６アルキル）トリメチルアンモニウム塩、アルキルポリオキシエチレン塩、又はポリアルキレンオキサイドブロックコポリマー骨格を有するノニオンである前記（４）に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法であり、より好ましくは、（６）前記金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトの混合物がＢａＴｉＯ ３ 、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３からなる強誘電体を形成する前駆体の化学量論量の混合物である前記（４）又は（５）に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法であり、一層好ましくは、（７）ナノサイズ強誘電体結晶が直径が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である前記（６）に記載の強誘電体薄膜を製造する方法である。
発明の効果として、特に注目されている強誘電性不揮発メモリー材料を規則正しく配列したＳｉＯ２メソ孔中に形成しているため、高密度、低電圧作動、書き込み後に元の状態に復元しないこと、ドットの一体化がし難いことが期待される構造材料が提供されたこと、及び前記材料が比較的簡単な方法により、安定に提供できたことを挙げることができる。
本発明をより詳細に説明する。
Ａ．均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜は、ケイ素の、メトキシ、エトキシ、ｉ−プロポキシなどのアルコキシド、界面活性剤、水、アルコール、酸などの触媒からなる出発溶液の組成、特に界面活性剤の種類により、細孔の径を制御することができる。
Ｂ．ソル−ゲル法により作られる材料は、最終製品に含まれる金属が単独の場合には安定的組成のものが得られるが、複数金属を含む強誘電体の結晶を生成させるためには原料に用いる金属を供給する化合物（複合アルコキシドなどの金属有機化合物）を選択する必要がある。
本発明においては、前記Ａ．で得られた細孔を鋳型として化学量論量組成の強誘電体の微結晶が形成できるように、金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトを前記鋳型に吸収させるソルを調製する原料として用いた。
生成される強誘電体材料としては、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３などを挙げることができる。
Ａ．均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜は、ケイ素の、メトキシ、エトキシ、ｉ−プロポキシなどのアルコキシド、界面活性剤、水、アルコール、酸などの触媒からなる出発溶液の組成、特に界面活性剤の種類により、細孔の径を制御することができる。
Ｂ．ソル−ゲル法により作られる材料は、最終製品に含まれる金属が単独の場合には安定的組成のものが得られるが、複数金属を含む強誘電体の結晶を生成させるためには原料に用いる金属を供給する化合物（複合アルコキシドなどの金属有機化合物）を選択する必要がある。
本発明においては、前記Ａ．で得られた細孔を鋳型として化学量論量組成の強誘電体の微結晶が形成できるように、金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトを前記鋳型に吸収させるソルを調製する原料として用いた。
生成される強誘電体材料としては、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３などを挙げることができる。
強誘電体特性評価測定機器
誘電率の周波数依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
誘電率の温度依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
ＦＥ−ＳＥＭ像（JSM-6320F，日本電子）
Ｘ線回折パターン（ガイガーフレックス2013，理学電機）
誘電率の周波数依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
誘電率の温度依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
ＦＥ−ＳＥＭ像（JSM-6320F，日本電子）
Ｘ線回折パターン（ガイガーフレックス2013，理学電機）
本発明の実施例１を具体的に示す。
Ａ．各種基板上への珪酸塩メソ多孔体薄膜の作製
１．テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）４．００３ｇ、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド（東京化成製、商品名Ｉ−０４５３）０．５３３ｇ、水４．０２０ｇ、１２Ｎ 塩酸０．１２５ｇ、エタノール４５．８９ｇを混合撹拌して，原料溶液を合成した。
２．各種基板上（石英ガラス、硼珪酸ガラス、マグネシア、サファイア、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉシリコンウエハー）に，２段階のスピンコーティングにより溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）した。その後、６００℃、１分間、大気中で熱処理した。スピンコートと焼成を５回繰り返して珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製した。得られた珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンを図1に示す。約２．８ｎｍの周期構造を示している。また、Ｐｔ上に形成された薄膜の断面ＦＥ−ＳＥＭ像を図２に示す。
Ａ．各種基板上への珪酸塩メソ多孔体薄膜の作製
１．テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）４．００３ｇ、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド（東京化成製、商品名Ｉ−０４５３）０．５３３ｇ、水４．０２０ｇ、１２Ｎ 塩酸０．１２５ｇ、エタノール４５．８９ｇを混合撹拌して，原料溶液を合成した。
２．各種基板上（石英ガラス、硼珪酸ガラス、マグネシア、サファイア、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉシリコンウエハー）に，２段階のスピンコーティングにより溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）した。その後、６００℃、１分間、大気中で熱処理した。スピンコートと焼成を５回繰り返して珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製した。得られた珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンを図1に示す。約２．８ｎｍの周期構造を示している。また、Ｐｔ上に形成された薄膜の断面ＦＥ−ＳＥＭ像を図２に示す。
Ｂ．前記Ａ．で作成した薄膜の珪酸塩メソ多孔中にタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）メソ結晶を生成・担持させた強誘電体薄膜の作製
金属リチウムを溶解したエタノール溶液にタンタルエトキシド（Ｔａ（ＯＥｔ）５）を溶解し、組成がＬｉ／Ｔａ＝１．０（モル比）で、０．１ｍｏｌ／ｋｇの濃度のＬｉ−Ｔａ前駆体溶液を合成した。この溶液中に先に作製した珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置した。取り出した後、６００℃、５分間、空気中で焼成してＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜を作製した。珪酸塩メソ多孔体薄膜のメソ孔は周期２．８ｎｍ、壁厚約１ｎｍであり、その中に１．８ｎｍφ程度のＬｉＴａＯ３メソ結晶が生成した。
また、図３は、比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性を測定したデータを示し、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜（△）は前記非特許文献１に示すＬｉＴａＯ３担持粉体を用いた試料（○）より高い誘電率を示した。このことは、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜が高密度の強誘電性不揮発メモリー材料としてより適していることを示すものである。
金属リチウムを溶解したエタノール溶液にタンタルエトキシド（Ｔａ（ＯＥｔ）５）を溶解し、組成がＬｉ／Ｔａ＝１．０（モル比）で、０．１ｍｏｌ／ｋｇの濃度のＬｉ−Ｔａ前駆体溶液を合成した。この溶液中に先に作製した珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置した。取り出した後、６００℃、５分間、空気中で焼成してＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜を作製した。珪酸塩メソ多孔体薄膜のメソ孔は周期２．８ｎｍ、壁厚約１ｎｍであり、その中に１．８ｎｍφ程度のＬｉＴａＯ３メソ結晶が生成した。
また、図３は、比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性を測定したデータを示し、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜（△）は前記非特許文献１に示すＬｉＴａＯ３担持粉体を用いた試料（○）より高い誘電率を示した。このことは、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜が高密度の強誘電性不揮発メモリー材料としてより適していることを示すものである。
本発明で得られた強誘電体材料の薄膜は、高密度のメモリー材料として有望であり、前記材料の活用例として、ＦＥ−ＲＡＭに適用できる。
Claims (7)
- シリコンアルコキシドと界面活性剤を炭素数１〜３のアルコールに溶解させ、これに酸及び水を加え前記アルコキシドの加水分解及び重合反応を進行させ自己組織化したゾルを形成し、前記ゾルから薄膜を形成し、前記薄膜を乾燥ゲル化及び加熱ゲル化し、更に焼成して前記界面活性剤を除去することにより均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜を形成し、次いで、前記ナノサイズの細孔が形成された薄膜を強誘電体結晶を形成する前駆体の金属アルコキシド、金属アセチルアセトナト又はこれらの混合物を炭素数１〜３のアルコールに溶解させた前駆体溶液に浸漬し、前記前駆体溶液を吸収させた後、乾燥、焼成して前記細孔内にナノサイズの強誘電体結晶を形成させて得られたナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜。
- 均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が六方配列した直径１０ｎｍ以下０．１ｎｍ以上の構造からなるものである請求項１に記載の強誘電体薄膜。
- 強誘電体微結晶がＢａＴｉＯ ３ 、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３ またはＬｉＮｂＯ ３ のメソ結晶である請求項１又は２に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜。
- シリコンアルコキシドと界面活性剤を炭素数１〜３のアルコールに溶解させ、これに酸及び水を加え前記アルコキシドの加水分解及び重合反応を進行させ自己組織化したゾルを形成し、前記ゾルから薄膜を形成し、前記薄膜を乾燥ゲル化及び加熱ゲル化し、更に焼成して前記界面活性剤を除去することにより均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜を形成し、次いで、前記ナノサイズの細孔が形成された薄膜を強誘電体結晶を形成する前駆体の金属アルコキシド、金属アセチルアセトナト又はこれらの混合物を炭素数１〜３のアルコールに溶解させた前駆体溶液に浸漬し、前記前駆体溶液を細孔内に吸収させた後、乾燥、焼成して前記細孔内にナノサイズの強誘電体結晶を形成させて得られたナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法。
- 前記アルコールがメタノール、エタノール、イソプロパノール又はこれらの２種以上の混合物であり、シリコンアルコキシドがテトラメチルオルソシリケート（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、又はこれらの混合物であり、前記界面活性剤が（Ｃ１２−１６アルキル）トリメチルアンモニウム塩、アルキルポリオキシエチレン塩、又はポリアルキレンオキサイドブロックコポリマー骨格を有するノニオンである請求項４に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法。
- 前記金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトの混合物がＢａＴｉＯ ３ 、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３からなる強誘電体を形成する前駆体の化学量論量の混合物である請求項４又は５に記載のナノサイズ強誘電体結晶をもつ強誘電体薄膜を製造する方法。
- ナノサイズ強誘電体結晶の直径が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である請求項６に記載の強誘電体薄膜を製造する方法。
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