JP5560460B2 - Method for forming dielectric thin film - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜キャパシタ等に用いた場合に、高いチューナビリティ及び高い誘電率を発現させ得る誘電体薄膜の形成方法に関する。本明細書で「チューナブル(tunable)」とは、印加する電圧を変化させると静電容量が変化し得ることをいい、「チューナビリティ(tunability)」とは、静電容量の可変性又は変化率をいう。 The present invention, when used in a thin film capacitor or the like, about the formation how the dielectric thin film capable of expressing high tunability and a high dielectric constant. In this specification, “tunable” means that the capacitance can be changed by changing the applied voltage, and “tunability” means variability or change in capacitance. Say rate.

高周波用フィルタ、高周波用アンテナ、フェーズシフタ等の高周波チューナブルデバイスには、可変容量素子(チューナブル素子)として、上部電極及び下部電極とこの両電極間に形成された誘電体層から構成される薄膜キャパシタ等が組み込まれている。薄膜キャパシタは、両電極間に印加する電圧の変化によってその静電容量を変化させるコンデンサとして機能する。このような薄膜キャパシタを構成する誘電体層には、高い誘電率を有するチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(以下、「BST」という)、チタン酸バリウム(BaTiO3)等のペロブスカイト型酸化物を用いて形成された誘電体薄膜が使用されている。誘電体薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等の物理的気相成長法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の化学的気相成長法の他に、ゾルゲル法等の化学溶液法が用いられている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照。)。 High-frequency tunable devices such as high-frequency filters, high-frequency antennas, and phase shifters are composed of upper and lower electrodes and a dielectric layer formed between both electrodes as variable capacitance elements (tunable elements). A thin film capacitor or the like is incorporated. The thin film capacitor functions as a capacitor that changes its capacitance according to a change in voltage applied between both electrodes. The dielectric layer constituting such a thin film capacitor has perovskite such as strontium titanate (SrTiO 3 ), barium strontium titanate (hereinafter referred to as “BST”), barium titanate (BaTiO 3 ), etc. having a high dielectric constant. A dielectric thin film formed using a type oxide is used. As a method for forming a dielectric thin film, in addition to a physical vapor deposition method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a laser ablation method, or a chemical vapor deposition method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sol-gel method is used. The chemical solution method is used (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

そして、高周波チューナブルデバイスに組み込まれる薄膜キャパシタには、印加電圧に対する静電容量の可変性(チューナビリティ)が求められ、電圧を印加させたときに制御できる静電容量の幅がより大きいこと、即ち高チューナビリティであることが望まれる。その理由は、チューナビリティが高いものほど、より小さい電圧変化で、より広い共振周波数帯域に対応することができるからである。具体的に、チューナビリティは、電圧を印加する前の静電容量をC0Vとし、tVの電圧を印加させた後の静電容量をCtVとすると、チューナビリティ=(C0V−CtV)/C0V×100%で表される。例えば、図8に示すように、5Vの電圧を印加すると、印加電圧がないときのC0VからC5Vまで静電容量が変化するが、このとき、C0VからC5Vまでの幅が大きければ大きいほどチューナビリティが高く、高チューナビリティの薄膜キャパシタであると言える。このようなチューナビリティを高める技術として、高周波帯域における使用に際して所望のインピーダンスを維持しつつ、誘電率の高い材料を用いて高チューナビリティを確保し得るチューナブルキャパシタが開示されている(例えば、特許文献2参照)。この特許文献2に開示されているチューナブルキャパシタは、第1の誘電体層と上面電極との間において、第1の誘電体層よりも低い誘電率の第2の誘電体層を、第1の誘電体層の主面の一部を覆うように形成することにより、低容量で高いチューナビリティを確保している。 And, the thin film capacitor incorporated in the high frequency tunable device requires the variability of the electrostatic capacity with respect to the applied voltage (tunability), and the width of the electrostatic capacity that can be controlled when the voltage is applied is larger. That is, high tunability is desired. The reason is that the higher the tunability, the wider the resonance frequency band can be accommodated with a smaller voltage change. Specifically, the tunability is as follows: Tunability = (C 0V −C tV ), where C 0V is the capacitance before the voltage is applied and C tV is the capacitance after the voltage of tV is applied. / C 0V × 100%. For example, as shown in FIG. 8, when a voltage of 5V is applied, the capacitance changes from C 0V to C 5V when there is no applied voltage. At this time, if the width from C 0V to C 5V is large, It can be said that the larger the size, the higher the tunability and the higher the tunability of the thin film capacitor. As a technique for enhancing such tunability, a tunable capacitor that can ensure high tunability using a material having a high dielectric constant while maintaining a desired impedance when used in a high frequency band is disclosed (for example, a patent). Reference 2). The tunable capacitor disclosed in Patent Document 2 includes a second dielectric layer having a dielectric constant lower than that of the first dielectric layer between the first dielectric layer and the upper surface electrode. By forming so as to cover a part of the main surface of the dielectric layer, low capacity and high tunability are ensured.

特開昭60−236404号公報(6ページの右上欄10行目〜左下欄3行目)JP-A-60-236404 (page 6, upper right column, line 10 to lower left column, line 3) 特開2008−53563号公報(段落[0004]、段落[0008])JP 2008-53563 A (paragraph [0004], paragraph [0008])

T.Hosokura,A.Ando,Y.Sakabe, Key Engineering Materials Vol.320(2006) pp81-84T.Hosokura, A.Ando, Y.Sakabe, Key Engineering Materials Vol.320 (2006) pp81-84

しかしながら、現在市場に出回る多くの薄膜キャパシタは、チューナビリティが比較的高いものでも未だ40〜50%程度であって十分なものとは言えず、様々な方向からチューナブル特性を改善するための種々の研究がなされている。   However, many thin film capacitors currently on the market are still about 40 to 50% even if their tunability is relatively high, and it cannot be said that they are sufficient. Various thin film capacitors for improving tunable characteristics from various directions Has been studied.

そこで、本発明者らは、誘電体薄膜を形成する際の焼成条件に着目し、この材料の改良という観点から、高いチューナビリティを発現させるとともに、薄膜キャパシタ等の基本特性である誘電率についても向上させ得る本発明に至った。   Therefore, the present inventors paid attention to the firing conditions when forming the dielectric thin film, and from the viewpoint of improving this material, the present inventors developed high tunability and also the dielectric constant, which is a basic characteristic of thin film capacitors and the like. The present invention has been improved.

本発明の目的は、薄膜キャパシタ等に用いた場合に、高いチューナビリティ及び高い誘電率を発現させ得る、誘電体薄膜を形成する方法を提供することにある。 An object of the present invention, when used in thin film capacitors, etc., may be expressed high tunability and high dielectric constant to provide a way of forming a dielectric thin film.

本発明の第1の観点は、図1に示すように、誘電体薄膜形成用組成物を耐熱性基板上の下部電極上に塗布し乾燥する工程を繰返し行って所定の厚さの前記組成物の未焼成膜を得た後、下部電極上に形成した未焼成膜を焼成することにより誘電体薄膜を形成し、続いて誘電体薄膜上に上部電極を形成する方法において、形成する誘電体薄膜がペロブスカイト型酸化物を主成分とする薄膜であるとき、上部電極を形成する前の下部電極上に形成した未焼成膜の焼成が、60〜6000℃/分の昇温速度で急速昇温し375〜550℃の温度で1〜60分間加熱する第一次焼成と、0.5〜30℃/分の昇温速度で低速昇温し600〜900℃の温度で10〜1500分間加熱する第二次焼成とをこの順番に少なくとも含むことを特徴とする。 As shown in FIG. 1, the first aspect of the present invention is that the composition having a predetermined thickness is obtained by repeatedly applying and drying a dielectric thin film forming composition on a lower electrode on a heat resistant substrate. In the method of forming a dielectric thin film by firing the green film formed on the lower electrode after obtaining the green film , and subsequently forming the upper electrode on the dielectric thin film Is a thin film containing a perovskite oxide as a main component, the firing of the unsintered film formed on the lower electrode before forming the upper electrode is rapidly heated at a temperature increase rate of 60 to 6000 ° C./min. The first firing is performed at a temperature of 375 to 550 ° C. for 1 to 60 minutes, and the temperature is increased at a low rate of 0.5 to 30 ° C./minute and heated at a temperature of 600 to 900 ° C. for 10 to 1500 minutes . Secondary firing is included at least in this order.

本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、更に第一次焼成が300〜6000℃/分の急速昇温加熱により行われ、第二次焼成が0.5〜5℃/分の低速昇温加熱により行われることを特徴とする。   The second aspect of the present invention is an invention based on the first aspect, wherein the primary firing is performed by rapid heating at 300 to 6000 ° C./min, and the secondary firing is 0.5 to It is characterized by being carried out by low-temperature heating at 5 ° C./min.

本発明の第3の観点は、第1の観点に基づく発明であって、更にペロブスカイト型酸化物がBa1-xSrxTiy3(但し、0≦x≦1、0.9≦y≦1.1)の組成を有することを特徴とする。 A third aspect of the present invention is an invention based on the first aspect, wherein the perovskite oxide is Ba 1-x Sr x Ti y O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0.9 ≦ y ≦ 1.1).

本発明の第観点は、第1ないし第3の観点に基づく方法により形成された誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、IPD(Integrated Passive Device)、DRAMメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品の製造方法である。 A fourth aspect of the present invention is a thin film capacitor having a dielectric thin film formed by a method based on the first to third aspects , a capacitor, an IPD (Integrated Passive Device), a DRAM memory capacitor, a multilayer capacitor, and a gate of a transistor. This is a method of manufacturing a composite electronic component of an insulator, nonvolatile memory, pyroelectric infrared detection element, piezoelectric element, electro-optical element, actuator, resonator, ultrasonic motor, or LC noise filter element.

本発明の第の観点は、第1ないし第3の観点に基づく方法により形成された、100MHz以上の周波数帯域に対応した、誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、IPD(Integrated Passive Device)、DRAMメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品の製造方法である。 A fifth aspect of the present invention is a thin film capacitor having a dielectric thin film, a capacitor, an IPD (Integrated Passive Device), which corresponds to a frequency band of 100 MHz or more , formed by a method based on the first to third aspects . DRAM memory capacitor, multilayer capacitor, transistor gate insulator, non-volatile memory, pyroelectric infrared detector, piezoelectric element, electro-optic element, actuator, resonator, ultrasonic motor, or LC noise filter element composite electronic component It is a manufacturing method .

本発明の第1の観点の形成方法では、誘電体薄膜がペロブスカイト型酸化物を主成分とする薄膜であるとき、上部電極を形成する前の下部電極上に形成した未焼成膜の焼成が、60〜6000℃/分の昇温速度で急速昇温し375〜550℃の温度で1〜60分間加熱する第一次焼成と、0.5〜30℃/分の昇温速度で低速昇温し600〜900℃の温度で10〜1500分間加熱する第二次焼成とをこの順番に少なくとも含むこととする。このように形成することで、緻密で表面にひび割れがない誘電体薄膜が得られる。これにより、この誘電体薄膜を用いて形成される薄膜キャパシタ等において、高いチューナビリティ及び高い誘電率を発現させることができる。 In the forming method according to the first aspect of the present invention, when the dielectric thin film is a thin film containing a perovskite oxide as a main component, firing of the unfired film formed on the lower electrode before forming the upper electrode is performed. 60 to 6000 ° C. / and the primary firing heating for 1 to 60 minutes at a minute temperature rapidly raised 375 to 550 ° C. at a heating rate, a slow heating at a heating rate of 0.5 to 30 ° C. / min And secondary firing that is heated at a temperature of 600 to 900 ° C. for 10 to 1500 minutes . By forming in this way, a dielectric thin film that is dense and has no cracks on the surface can be obtained. Thereby, high tunability and a high dielectric constant can be expressed in a thin film capacitor or the like formed using this dielectric thin film.

本発明の誘電体薄膜の形成方法の工程図である。It is process drawing of the formation method of the dielectric material thin film of this invention. 実施例1の薄膜キャパシタにおけるチューナビリティ特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing tunability characteristics in the thin film capacitor of Example 1. 実施例1の誘電体薄膜の表面及び断面SEM像である。2 is a surface and cross-sectional SEM image of a dielectric thin film of Example 1. FIG. 比較例1の薄膜キャパシタにおけるチューナビリティ特性を示す図である。6 is a diagram showing tunability characteristics in the thin film capacitor of Comparative Example 1. FIG. 比較例1の誘電体薄膜の表面及び断面SEM像である。2 is a surface and cross-sectional SEM image of a dielectric thin film of Comparative Example 1. 比較例2の薄膜キャパシタにおけるチューナビリティ特性を示す図である。It is a figure which shows the tunability characteristic in the thin film capacitor of the comparative example 2. 比較例2の誘電体薄膜の表面及び断面SEM像である。4 is a surface and cross-sectional SEM image of a dielectric thin film of Comparative Example 2. 可変容量素子における印加電圧の変化に伴う静電容量の変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the electrostatic capacitance accompanying the change of the applied voltage in a variable capacitance element.

次に本発明を実施するための形態を説明する。   Next, the form for implementing this invention is demonstrated.

本発明の誘電体薄膜の形成方法は、誘電体薄膜形成用組成物を耐熱性基板に塗布し乾燥する工程を繰返し行って所望の厚さの組成物の未焼成膜を得た後、基板上に形成した未焼成膜を焼成するものである。   The method for forming a dielectric thin film according to the present invention includes a step of repeatedly applying a dielectric thin film forming composition to a heat resistant substrate and drying it to obtain a green film of a composition having a desired thickness. The unfired film formed in the above is fired.

形成する誘電体薄膜としては、ペロブスカイト型酸化物、具体的にはBa1-xSrxTiy3(但し、0≦x≦1、0.9≦y≦1.1)の組成を主成分とする薄膜が挙げられる。 The dielectric thin film to be formed has a composition of perovskite type oxide, specifically, Ba 1-x Sr x Ti y O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0.9 ≦ y ≦ 1.1). Examples include thin films as components.

誘電体薄膜形成用組成物は、従来より公知の組成物を使用することが可能である。   A conventionally known composition can be used as the dielectric thin film forming composition.

例えば、BST薄膜形成用組成物であれば、有機バリウム化合物、有機ストロンチウム化合物及び有機チタン化合物を、所定の割合で有機溶媒中に溶解することで調製される。   For example, if it is a composition for BST thin film formation, it prepares by melt | dissolving an organic barium compound, an organic strontium compound, and an organic titanium compound in an organic solvent in a predetermined ratio.

有機バリウム化合物、有機ストロンチウム化合物及び有機チタン化合物は、Ba、Sr及びTiの各金属元素に、有機基がその酸素又は窒素原子を介して結合している化合物が好適である。例えば、金属アルコキシド、金属ジオール錯体、金属トリオール錯体、金属カルボン酸塩、金属β−ジケトネート錯体、金属β−ジケトエステル錯体、金属β−イミノケト錯体、及び金属アミノ錯体からなる群より選ばれた1種又は2種以上が例示される。特に好適な化合物は、金属アルコキシド、その部分加水分解物、有機酸塩である。   As the organic barium compound, the organic strontium compound, and the organic titanium compound, a compound in which an organic group is bonded to each metal element of Ba, Sr, and Ti through an oxygen or nitrogen atom thereof is preferable. For example, one kind selected from the group consisting of metal alkoxide, metal diol complex, metal triol complex, metal carboxylate, metal β-diketonate complex, metal β-diketoester complex, metal β-iminoketo complex, and metal amino complex Or 2 or more types are illustrated. Particularly suitable compounds are metal alkoxides, partial hydrolysates thereof, and organic acid salts.

具体的に、有機バリウム化合物としては、2−エチル酪酸バリウム、2−エチルヘキサン酸バリウム酢酸バリウム、酢酸バリウム等のカルボン酸塩や、バリウムジイソプロポキシド、バリウムジブトキシド等の金属アルコキシドが挙げられる。有機ストロンチウム化合物としては、2−エチル酪酸ストロンチウム、2-エチルヘキサン酸ストロンチウム、酢酸ストロンチウム等のカルボン酸塩や、ストロンチウムジイソプロポキシド、ストロンチウムジブトキシド等の金属アルコキシドが挙げられる。有機チタン化合物としては、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、チタニウムジメトキシジイソプロポキシド等の金属アルコキシドが挙げられる。金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。   Specifically, examples of the organic barium compound include carboxylates such as barium 2-ethylbutyrate, barium 2-ethylhexanoate, barium acetate, and metal alkoxides such as barium diisopropoxide and barium dibutoxide. . Examples of organic strontium compounds include carboxylates such as strontium 2-ethylbutyrate, strontium 2-ethylhexanoate, and strontium acetate, and metal alkoxides such as strontium diisopropoxide and strontium dibutoxide. Examples of the organic titanium compound include metal alkoxides such as titanium tetraethoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetrabutoxide, and titanium dimethoxydiisopropoxide. Although the metal alkoxide may be used as it is, a partially hydrolyzed product thereof may be used in order to promote decomposition.

組成物中の金属モル比は、形成後の誘電体薄膜における金属モル比に反映されるので、誘電体薄膜形成用組成物を調製するには、これらの原料を所望の誘電体薄膜組成に相当する比率で適当な溶媒に溶解して、塗布に適した濃度に調整する。   Since the metal molar ratio in the composition is reflected in the metal molar ratio in the dielectric thin film after formation, these raw materials correspond to the desired dielectric thin film composition to prepare the dielectric thin film forming composition. To a concentration suitable for coating.

ここで用いる誘電体薄膜形成用組成物の溶媒は、使用する原料に応じて適宜決定されるが、一般的には、カルボン酸、アルコール、エステル、ケトン類(例えば、アセトン、メチルエチルケトン)、エーテル類(例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル)、シクロアルカン類(例えば、シクロヘキサン、シクロヘキサノール)、芳香族系(例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン)、その他テトラヒドロフランなど、或いはこれらの2種以上の混合溶媒を用いることができる。   The solvent of the dielectric thin film forming composition used here is appropriately determined according to the raw material used, but in general, carboxylic acid, alcohol, ester, ketones (for example, acetone, methyl ethyl ketone), ethers (E.g., dimethyl ether, diethyl ether), cycloalkanes (e.g., cyclohexane, cyclohexanol), aromatics (e.g., benzene, toluene, xylene), other tetrahydrofuran, or a mixture of two or more of these Can do.

カルボン酸としては、具体的には、n−酪酸、α−メチル酪酸、i−吉草酸、2−エチル酪酸、2,2−ジメチル酪酸、3,3−ジメチル酪酸、2,3−ジメチル酪酸、3−メチルペンタン酸、4−メチルペンタン酸、2−エチルペンタン酸、3−エチルペンタン酸、2,2−ジメチルペンタン酸、3,3−ジメチルペンタン酸、2,3−ジメチルペンタン酸、2−エチルヘキサン酸、3−エチルヘキサン酸を用いるのが好ましい。   Specific examples of the carboxylic acid include n-butyric acid, α-methylbutyric acid, i-valeric acid, 2-ethylbutyric acid, 2,2-dimethylbutyric acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 2,3-dimethylbutyric acid, 3-methylpentanoic acid, 4-methylpentanoic acid, 2-ethylpentanoic acid, 3-ethylpentanoic acid, 2,2-dimethylpentanoic acid, 3,3-dimethylpentanoic acid, 2,3-dimethylpentanoic acid, 2- It is preferable to use ethylhexanoic acid or 3-ethylhexanoic acid.

また、エステルとしては、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸tert−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸n−アミル、酢酸sec−アミル、酢酸tert−アミル、酢酸イソアミルを用いるのが好ましく、アルコールとしては、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソ−ブチルアルコール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、2−メトキシエタノールを用いるのが好適である。   As the ester, ethyl acetate, propyl acetate, n-butyl acetate, sec-butyl acetate, tert-butyl acetate, isobutyl acetate, n-amyl acetate, sec-amyl acetate, tert-amyl acetate, isoamyl acetate are used. As the alcohol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, iso-butyl alcohol, 1-pentanol, 2-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 2-methoxy It is preferred to use ethanol.

なお、誘電体薄膜形成用組成物の有機金属化合物溶液中の有機金属化合物の合計濃度は、金属酸化物換算量で0.1〜20質量%程度とすることが好ましい。   The total concentration of the organometallic compound in the organometallic compound solution of the dielectric thin film forming composition is preferably about 0.1 to 20% by mass in terms of metal oxide.

この有機金属化合物溶液中には、必要に応じて安定化剤として、β−ジケトン類(例えば、アセチルアセトン、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン、ジピバロイルメタン、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等)、β−ケトン酸類(例えば、アセト酢酸、プロピオニル酢酸、ベンゾイル酢酸等)、β−ケトエステル類(例えば、上記ケトン酸のメチル、プロピル、ブチル等の低級アルキルエステル類)、オキシ酸類(例えば、乳酸、グリコール酸、α−オキシ酪酸、サリチル酸等)、上記オキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類(例えば、ジアセトンアルコール、アセトイン等)、ジオール、トリオール、高級カルボン酸、アルカノールアミン類(例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン)、多価アミン等を、(安定化剤分子数)/(金属原子数)で0.2〜3程度添加しても良い。   In this organometallic compound solution, β-diketones (for example, acetylacetone, heptafluorobutanoylpivaloylmethane, dipivaloylmethane, trifluoroacetylacetone, benzoylacetone, etc.) are used as stabilizers as necessary. , Β-ketone acids (for example, acetoacetic acid, propionylacetic acid, benzoylacetic acid, etc.), β-ketoesters (for example, lower alkyl esters such as methyl, propyl, and butyl of the above ketone acids), oxyacids (for example, lactic acid, Glycolic acid, α-oxybutyric acid, salicylic acid, etc.), lower alkyl esters of the above oxyacids, oxyketones (eg, diacetone alcohol, acetoin, etc.), diols, triols, higher carboxylic acids, alkanolamines (eg, diethanolamine, Triethanolamine, Roh ethanolamine), a polyvalent amine or the like, may be added from 0.2 to 3 approximately at (stabilizer number of molecules) / (number of metal atoms).

上記調製された有機金属化合物溶液を濾過処理等によって、パーティクルを除去して、粒径0.5μm以上(特に0.3μm以上とりわけ0.2μm以上)のパーティクルの個数が溶液1mL当り50個/mL以下とするのが好ましい。   Particles are removed from the prepared organometallic compound solution by filtration or the like, and the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more (especially 0.3 μm or more, especially 0.2 μm or more) is 50 / mL per 1 mL of the solution. The following is preferable.

なお、当該有機金属化合物溶液中のパーティクルの個数の測定には、光散乱式パーティクルカウンターを用いる。   A light scattering particle counter is used for measuring the number of particles in the organometallic compound solution.

有機金属化合物溶液中の粒径0.5μm以上のパーティクルの個数が50個/mLを越えると、長期保存安定性が劣るものとなる。この有機金属化合物溶液中の粒径0.5μm以上のパーティクルの個数は少ない程好ましく、特に30個/mL以下であることが好ましい。   If the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more in the organometallic compound solution exceeds 50 particles / mL, the long-term storage stability becomes poor. The smaller the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more in this organometallic compound solution, the more preferable, and particularly preferably 30 particles / mL or less.

上記パーティクル個数となるように、調製後の有機金属化合物溶液を処理する方法は特に限定されるものではないが、例えば、次のような方法が挙げられる。第1の方法としては、市販の0.2μm孔径のメンブランフィルターを使用し、シリンジで圧送する濾過法である。第2の方法としては、市販の0.05μm孔径のメンブランフィルターと加圧タンクを組み合せた加圧濾過法である。第3の方法としては、上記第2の方法で使用したフィルターと溶液循環槽を組み合せた循環濾過法である。   The method for treating the organometallic compound solution after preparation so as to achieve the number of particles is not particularly limited, and examples thereof include the following method. The first method is a filtration method in which a commercially available membrane filter having a pore size of 0.2 μm is used and pressure-fed with a syringe. The second method is a pressure filtration method in which a commercially available membrane filter having a pore size of 0.05 μm and a pressure tank are combined. The third method is a circulation filtration method in which the filter used in the second method and the solution circulation tank are combined.

いずれの方法においても、溶液圧送圧力によって、フィルターによるパーティクル捕捉率が異なる。圧力が低いほど捕捉率が高くなることは一般的に知られており、特に、第1の方法、第2の方法について、粒径0.5μm以上のパーティクルの個数を50個以下とする条件を実現するためには、溶液を低圧で非常にゆっくりとフィルターに通すのが好ましい。   In any method, the particle capture rate by the filter varies depending on the solution pressure. It is generally known that the lower the pressure, the higher the capture rate. In particular, in the first method and the second method, the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more is set to 50 or less. In order to achieve, it is preferable to pass the solution through the filter very slowly at low pressure.

次に、上記誘電体薄膜形成用組成物をスピンコート、ディップコート、LSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法等の塗布法により耐熱性基板上に塗布し乾燥(仮焼成)して、予め目的の厚さの未焼成膜を形成する。   Next, the dielectric thin film forming composition is applied onto a heat-resistant substrate by a coating method such as spin coating, dip coating, or LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition), and dried (pre-baked). A green film having a thickness is formed.

使用される耐熱性基板の具体例としては、基板表層部に、単結晶Si、多結晶Si,Pt,Pt(最上層)/Ti,Pt(最上層)/Ta,Ru,RuO2,Ru(最上層)/RuO2,RuO2(最上層)/Ru,Ir,IrO2,Ir(最上層)/IrO2,Pt(最上層)/Ir,Pt(最上層)/IrO2,SrRuO3又は(LaxSr(1-x))CoO3等のペロブスカイト型導電性酸化物等を用いた基板が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 As a specific example of the heat-resistant substrate to be used, a single crystal Si, polycrystalline Si, Pt, Pt (uppermost layer) / Ti, Pt (uppermost layer) / Ta, Ru, RuO 2 , Ru ( Top layer) / RuO 2 , RuO 2 (top layer) / Ru, Ir, IrO 2 , Ir (top layer) / IrO 2 , Pt (top layer) / Ir, Pt (top layer) / IrO 2 , SrRuO 3 or (La x Sr (1-x )) is a substrate with CoO 3 perovskite-type conductive oxide such like, but not limited thereto.

なお、通常、1回の塗布では、所望の膜厚が得られないので、塗布し乾燥する工程を複数回繰返し行うことで、所望の厚さの未焼成膜を得る。また、後に続く本焼成で膜が焼き締まり、未焼成膜と本焼成後の誘電体薄膜とでは、膜厚が変化するので、本焼成での焼き締まりの程度を考慮して、未焼成膜の膜厚は調整される。例えば、高容量密度の薄膜キャパシタ用途の場合、本焼成後の誘電体薄膜の膜厚は50〜500nmの範囲が好適であり、この範囲となるように、未焼成膜の厚さが調整される。   In general, since a desired film thickness cannot be obtained by one application, an unfired film having a desired thickness is obtained by repeatedly applying and drying a plurality of times. In addition, the film is sintered in the subsequent firing, and the film thickness changes between the unfired film and the dielectric thin film after the firing. The film thickness is adjusted. For example, in the case of high-capacity density thin film capacitor applications, the thickness of the dielectric thin film after the main firing is preferably in the range of 50 to 500 nm, and the thickness of the unfired film is adjusted so as to be in this range. .

また、乾燥(仮焼成)は、溶媒を除去するとともに有機金属化合物や有機化合物を熱分解又は加水分解して複合酸化物に転化させるために行うことから、空気中、酸化雰囲気中、又は含水蒸気雰囲気中で行う。空気中での加熱でも、加水分解に必要な水分は空気中の湿気により十分に確保される。乾燥(仮焼成)は、200〜450℃の温度で1〜20分間保持することにより行われる。なお、乾燥(仮焼成)は、溶媒の除去のための低温加熱と、有機金属化合物や有機化合物の分解のための高温加熱の2段階で実施しても良い。   In addition, drying (preliminary firing) is performed in order to remove the solvent and thermally decompose or hydrolyze the organic metal compound or organic compound to convert it into a composite oxide. Perform in an atmosphere. Even in heating in the air, the moisture required for hydrolysis is sufficiently secured by the humidity in the air. Drying (preliminary firing) is performed by holding at a temperature of 200 to 450 ° C. for 1 to 20 minutes. In addition, drying (preliminary firing) may be performed in two stages: low-temperature heating for removing the solvent and high-temperature heating for decomposing the organometallic compound or organic compound.

続いて、乾燥(仮焼成)後の未焼成膜を結晶化温度以上の温度で本焼成して誘電体薄膜を得る。本発明の誘電体薄膜の形成方法における特徴ある構成は、上記未焼成膜の本焼成が、60〜6000℃/分の急速昇温加熱による第一次焼成と、0.5〜30℃/分の低速昇温加熱による第二次焼成とをこの順番に少なくとも含むところにある。   Subsequently, the unfired film after drying (preliminary firing) is subjected to main firing at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature to obtain a dielectric thin film. The characteristic structure in the method for forming a dielectric thin film of the present invention is that the unsintered film is subjected to primary firing by rapid heating at 60 to 6000 ° C./min, and 0.5 to 30 ° C./min. And secondary firing by slow heating at a low temperature in this order.

この急速昇温加熱による第一次焼成により、初期結晶核を生じさせる。第一次焼成の昇温速度を上記範囲内としたのは、下限値未満では第一次焼成の効果が不十分でチューナビリティが向上しないためであり、上限値を越えると初期結晶核の発生密度が高くなり、第二次焼成時において、ひとつひとつの結晶が十分に粒成長出来ず、チューナビリティが向上しないためである。第一次焼成は上記昇温速度で昇温し、375〜550℃、好ましくは450〜550℃の温度で1〜60分間、好ましくは1〜5分間保持することにより行われる。また、第一次焼成における雰囲気はO2、N2、Ar、N2O又はH2等或いはこれらの混合ガス等が好適である。第一次焼成における急速昇温加熱は、白熱ランプやハロゲンランプ、アークランプ、グラファイトヒータ等を加熱源とした急速加熱処理(RTA)装置、ホットプレートなどを使用することができる。 Initial crystal nuclei are generated by the primary firing by this rapid heating. The reason why the temperature increase rate of the primary firing is within the above range is that the effect of the primary firing is insufficient and the tunability is not improved below the lower limit, and when the upper limit is exceeded, initial crystal nuclei are generated. This is because the density is increased and each crystal cannot sufficiently grow during the secondary firing, and the tunability is not improved. The primary firing is performed by raising the temperature at the above-mentioned temperature rise rate and holding at a temperature of 375 to 550 ° C., preferably 450 to 550 ° C. for 1 to 60 minutes, preferably 1 to 5 minutes. The atmosphere in the primary firing is preferably O 2 , N 2 , Ar, N 2 O, H 2, or a mixed gas thereof. For the rapid heating at the first firing, a rapid heating treatment (RTA) apparatus using an incandescent lamp, a halogen lamp, an arc lamp, a graphite heater or the like as a heating source, a hot plate, or the like can be used.

そして、第一次焼成に続く、低速昇温加熱による第二次焼成により、第一次焼成で生じさせた初期結晶核を粒成長させる。なお、第一次焼成後の膜表面にはひび割れが生じる場合もあるが、この第二次焼成による粒成長により、そのひび割れは埋められる。第二次焼成の昇温速度を上記範囲内としたのは、下限値未満では結晶粒が粗大化して空隙が多い膜になり、電気特性に悪影響をもたらすためであり、上限値を越えると粒成長が不十分でチューナビリティが向上しないためである。第二次焼成は上記昇温速度で昇温し、600〜900℃、好ましくは700〜900℃の温度で10〜1500分間、好ましくは30〜120分間保持することにより行われる。また、第二次焼成における雰囲気はO2、N2、Ar、N2O又はH2等或いはこれらの混合ガス等が好適である。第二次焼成における低速昇温加熱は、例えば、マッフル炉などを使用することができる。 Then, the initial crystal nuclei generated by the primary firing are grown by secondary firing by low-temperature heating and subsequent to the primary firing. In addition, although the crack may arise in the film | membrane surface after primary baking, the crack is filled up by the grain growth by this secondary baking. The reason why the temperature increase rate of the secondary firing is within the above range is that if it is less than the lower limit value, the crystal grains are coarsened to form a film with many voids, which adversely affects the electrical characteristics. This is because growth is insufficient and tunability is not improved. The secondary firing is performed by raising the temperature at the above temperature rise rate and holding at a temperature of 600 to 900 ° C., preferably 700 to 900 ° C. for 10 to 1500 minutes, preferably 30 to 120 minutes. The atmosphere in the secondary firing is preferably O 2 , N 2 , Ar, N 2 O, H 2, or a mixed gas thereof. For example, a muffle furnace or the like can be used for the slow temperature heating in the second firing.

このうち、第一次焼成が300〜6000℃/分の急速昇温加熱により行われ、第二次焼成が0.5〜5℃/分の低速昇温加熱により行われることが好適である。   Among these, it is preferable that the primary firing is performed by rapid heating at 300 to 6000 ° C./min, and the secondary firing is performed by slow heating at 0.5 to 5 ° C./min.

なお、本実施の形態では、未焼成膜の焼成を第一次焼成及び第二次焼成で説明したが、例えば、上部電極の密着性を向上させるためや、ペロブスカイト型酸化物の酸素空孔を補償するために、第二次焼成を終えた膜を更に加熱処理するなど、熱処理工程は必要に応じて更に増やすことができる。また、第一次焼成工程と第二次焼成工程を単一の加熱装置を用いて連続的に行うことができる。   In this embodiment, the firing of the unsintered film has been described by the primary firing and the secondary firing. For example, in order to improve the adhesion of the upper electrode, oxygen vacancies in the perovskite oxide are formed. In order to compensate, the heat treatment step can be further increased as necessary, such as further heat-treating the film after the secondary baking. Moreover, a primary baking process and a secondary baking process can be continuously performed using a single heating apparatus.

このようにして形成された本発明の誘電体薄膜は、緻密で表面にひび割れがなく、この薄膜を備える薄膜キャパシタ等において、高チューナビリティ、高誘電率を発現させ得る。また、本発明の誘電体薄膜は、IPDとしての基本的特性にも優れる。   The dielectric thin film of the present invention thus formed is dense and free of cracks on the surface, and can exhibit high tunability and high dielectric constant in a thin film capacitor or the like provided with this thin film. The dielectric thin film of the present invention is also excellent in basic characteristics as an IPD.

また、本発明の誘電体薄膜は、薄膜コンデンサ、キャパシタ、IPD、DRAMメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品における構成材料として使用することができる。このうち特に100MHz以上の周波数帯域に対応したものに使用することもできる。   The dielectric thin film of the present invention includes a thin film capacitor, a capacitor, an IPD, a DRAM memory capacitor, a multilayer capacitor, a transistor gate insulator, a nonvolatile memory, a pyroelectric infrared detection element, a piezoelectric element, an electro-optical element, and an actuator. It can be used as a constituent material in a composite electronic component of a resonator, an ultrasonic motor, or an LC noise filter element. Among these, it can also be used especially for the thing corresponding to the frequency band of 100 MHz or more.

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。   Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.

<実施例1>
先ず、有機バリウム化合物として2−エチル酪酸バリウムを、有機ストロンチウム化合物として2−エチル酪酸ストロンチウムを、有機チタン化合物としてチタニウムテトライソプロポキシドを、有機溶媒として十分に脱水処理した酢酸イソアミルを、溶液安定化のための安定化剤としてアセチルアセトンをそれぞれ用意した。
<Example 1>
First, solution stabilization of barium 2-ethylbutyrate as the organic barium compound, strontium 2-ethylbutyrate as the organic strontium compound, titanium tetraisopropoxide as the organic titanium compound, and isoamyl acetate sufficiently dehydrated as the organic solvent Acetylacetone was prepared as a stabilizer for each.

次いで、有機溶媒に有機バリウム化合物及び有機ストロンチウム化合物をBa:Srのモル比が70:30となるように溶解させ、得られた溶液に有機チタン化合物をBa:Sr:Tiのモル比が70:30:100となるように添加した。また、安定化剤を金属合計量に対して1倍モル加え、金属酸化物換算濃度が7質量%の薄膜形成用組成物を調製した。   Next, an organic barium compound and an organic strontium compound are dissolved in an organic solvent so that the molar ratio of Ba: Sr is 70:30, and the molar ratio of Ba: Sr: Ti is 70: It added so that it might be set to 30: 100. Moreover, 1 time mole was added with respect to the metal total amount, and the composition for thin film formation whose metal oxide conversion density | concentration was 7 mass% was prepared.

次に、上記調製した薄膜形成用組成物を用いてCSD法(化学溶液堆積法)による薄膜の形成を行った。即ち、絶縁体膜上に密着層が積層された6インチシリコン基板の表面にスパッタリング法にてPt下部電極膜が形成された基板(Pt/TiO2/SiO2/(100)Si)を用意し、この基板のPt下部電極膜上に、スピンコート法により、500rpmで3秒間、その後2000rpmで15秒間の条件で、上記調製した薄膜形成用組成物を塗布し、塗膜を形成した。続いて、ホットプレートを用い、塗膜を有する基板を350℃の温度で10分間保持して乾燥した。この塗布し乾燥する工程を4回繰返し、膜厚580nmの未焼結膜を得た。 Next, a thin film was formed by the CSD method (chemical solution deposition method) using the prepared thin film forming composition. That is, a substrate (Pt / TiO 2 / SiO 2 / (100) Si) having a Pt lower electrode film formed by sputtering on the surface of a 6-inch silicon substrate having an adhesion layer laminated on an insulator film is prepared. The thin film-forming composition prepared above was applied on the Pt lower electrode film of this substrate by spin coating at 500 rpm for 3 seconds and then at 2000 rpm for 15 seconds to form a coating film. Subsequently, using a hot plate, the substrate having the coating film was dried by holding at a temperature of 350 ° C. for 10 minutes. This coating and drying process was repeated four times to obtain a green film having a thickness of 580 nm.

次に、未焼成膜を有する基板に対して、RTA装置を用い、大気雰囲気中、600℃/分の速度で昇温し、550℃の温度で1分間保持する第一次焼成を施した。続いてマッフル炉を用い、大気雰囲気中、5℃/分の速度で昇温し、700℃の温度で60分間保持する第二次焼成を施すことで、膜厚350nmのBST誘電体薄膜を得た。その後、メタルマスクを用い、表面に約250×250μm角のPt上部電極をスパッタリング法にて作製し、薄膜キャパシタを得た。   Next, the substrate having the unsintered film was subjected to primary firing using an RTA apparatus and raising the temperature in the air atmosphere at a rate of 600 ° C./min and holding at a temperature of 550 ° C. for 1 minute. Subsequently, a BST dielectric thin film having a film thickness of 350 nm is obtained by performing secondary firing using a muffle furnace, raising the temperature at a rate of 5 ° C./min in an air atmosphere and holding the temperature at 700 ° C. for 60 minutes. It was. Thereafter, using a metal mask, an approximately 250 × 250 μm square Pt upper electrode was formed on the surface by a sputtering method to obtain a thin film capacitor.

<実施例2>
第二次焼成における昇温速度を0.5℃/分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 2>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature increase in the second firing was 0.5 ° C./min, and a thin film capacitor was obtained.

<実施例3>
第一次焼成における到達温度を500℃とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 3>
A thin film capacitor was obtained by forming a BST dielectric thin film in the same manner as in Example 1 except that the ultimate temperature in the primary firing was 500 ° C.

<実施例4>
第一次焼成における到達温度を450℃とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 4>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the ultimate temperature in the primary firing was 450 ° C., and a thin film capacitor was obtained.

<実施例5>
第一次焼成にホットプレートを用い、昇温速度を2000℃/分、到達温度を450℃及び保持時間を5分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 5>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a hot plate was used for the primary firing, the heating rate was 2000 ° C./min, the ultimate temperature was 450 ° C., and the holding time was 5 minutes. A thin film capacitor was obtained.

<実施例6>
第一次焼成にホットプレートを用い、昇温速度を2000℃/分、到達温度を425℃及び保持時間を5分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 6>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a hot plate was used for the primary firing, the heating rate was 2000 ° C./min, the ultimate temperature was 425 ° C. and the holding time was 5 minutes, A thin film capacitor was obtained.

<実施例7>
第一次焼成にホットプレートを用い、昇温速度を2000℃/分、到達温度を400℃及び保持時間を5分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 7>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a hot plate was used for the primary firing, the heating rate was 2000 ° C./min, the ultimate temperature was 400 ° C., and the holding time was 5 minutes. A thin film capacitor was obtained.

<実施例8>
第一次焼成にホットプレートを用い、昇温速度を2000℃/分、到達温度を375℃及び保持時間を5分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 8>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a hot plate was used for the primary firing, the heating rate was 2000 ° C./min, the ultimate temperature was 375 ° C. and the holding time was 5 minutes, A thin film capacitor was obtained.

<実施例9>
第二次焼成における昇温速度を0.5℃/分及び到達温度を900℃とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 9>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature increase in the second firing was 0.5 ° C./min and the ultimate temperature was 900 ° C., to obtain a thin film capacitor.

<実施例10>
第一次焼成における昇温速度を6000℃/分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Example 10>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the temperature increase rate in the primary firing was set to 6000 ° C./min to obtain a thin film capacitor.

<比較例1>
第一次焼成を施さない以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative Example 1>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the primary firing was not performed to obtain a thin film capacitor.

<比較例2>
第一次焼成における到達温度を700℃及び保持時間を5分とし、第二次焼成を施さない以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative example 2>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the ultimate temperature in the primary firing was 700 ° C., the holding time was 5 minutes, and the secondary firing was not performed, and a thin film capacitor was obtained.

<比較例3>
第一次焼成における昇温速度を50℃/分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative Example 3>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the temperature increase rate in the primary firing was 50 ° C./min, and a thin film capacitor was obtained.

<比較例4>
第一次焼成における昇温速度を6600℃/分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative Example 4>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the temperature increase rate in the primary firing was 6600 ° C./min, and a thin film capacitor was obtained.

<比較例5>
第二次焼成における昇温速度を0.3℃/分及び到達温度を900℃とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative Example 5>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature increase in the second firing was 0.3 ° C./min and the ultimate temperature was 900 ° C., to obtain a thin film capacitor.

<比較例6>
第二次焼成における昇温速度を35℃/分とした以外は、実施例1と同様にしてBST誘電体薄膜を形成し、薄膜キャパシタを得た。
<Comparative Example 6>
A BST dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature increase in the second firing was 35 ° C./min, and a thin film capacitor was obtained.

<比較試験及び評価>
実施例1〜10及び比較例1〜6で得られた薄膜キャパシタについて、容量密度、チューナビリティー、誘電率及び誘電体薄膜の膜厚を評価した。これらの結果を次の表2に示す。また、実施例1及び比較例1,2の薄膜キャパシタのチューナビリティ特性図を図2,図4及び図6に、実施例1及び比較例1,2の誘電体薄膜の表面及び断面SEM像を図3,図5及び図7にそれぞれ示す。
<Comparison test and evaluation>
For the thin film capacitors obtained in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 6, the capacity density, tunability, dielectric constant, and film thickness of the dielectric thin film were evaluated. These results are shown in Table 2 below. The tunability characteristic diagrams of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 2, 4 and 6, and the surface and cross-sectional SEM images of the dielectric thin films of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown. 3, 5, and 7, respectively.

(1) 容量密度:薄膜キャパシタのPt上部電極とPt下部電極間に、10MHzにて5Vのバイアス電圧を印加し、バイアス電圧を印加してないときの静電容量C0Vと、薄膜キャパシタの面積Sより、1cm2あたりの静電容量(容量密度)を算出した。なお、静電容量C0Vは、インピーダンスマテリアルアナライザ(ヒューレット・パッカード社製:HP4291A)を用いて測定した。 (1) Capacitance density: 5 V bias voltage applied at 10 MHz between the Pt upper electrode and Pt lower electrode of the thin film capacitor, and the capacitance C 0 V when no bias voltage is applied, and the area of the thin film capacitor From S, the electrostatic capacity (capacity density) per 1 cm 2 was calculated. The capacitance C 0V was measured using an impedance material analyzer (manufactured by Hewlett-Packard Company: HP4291A).

(2) チューナビリティ:薄膜キャパシタのPt上部電極とPt下部電極間に、10MHzにて5Vのバイアス電圧を印加し、バイアス電圧を印加してないときの静電容量C0Vと、5V印加時のC5Vから、次の式(1)より算出される静電容量の変化率T(%)を算出した。なお、静電容量の変化率T(%)は、インピーダンスマテリアルアナライザ(ヒューレット・パッカード社製:HP4291A)を用いて測定した。 (2) Tunability: A bias voltage of 5 V is applied between the Pt upper electrode and the Pt lower electrode of the thin film capacitor at 10 MHz, and the capacitance C 0 V when no bias voltage is applied and when 5 V is applied. From C 5 V , the change rate T (%) of capacitance calculated from the following equation (1) was calculated. The capacitance change rate T (%) was measured by using an impedance material analyzer (manufactured by Hewlett-Packard Company: HP4291A).

T=(C0V−C5V)/C0V×100 (1)
(3) 誘電率:厚さdで面積をSとする薄膜キャパシタのPt上部電極とPt下部電極間に、10MHzにてバイアス電圧0V印加のときの静電容量C0Vから、次の式(2)より誘電率εを算出した。真空の誘電率は8.854×10-12(F/m)を用いた。なお、静電容量C0Vは、インピーダンスマテリアルアナライザ(ヒューレット・パッカード社製:HP4291A)を用いて測定した。
T = (C 0V −C 5V ) / C 0V × 100 (1)
(3) Dielectric constant: From the capacitance C 0V when a bias voltage of 0 V is applied at 10 MHz between the Pt upper electrode and the Pt lower electrode of a thin film capacitor having a thickness d and an area S, the following equation (2 ) To calculate the dielectric constant ε. The dielectric constant of vacuum was 8.854 × 10 −12 (F / m). The capacitance C 0V was measured using an impedance material analyzer (manufactured by Hewlett-Packard Company: HP4291A).

ε=C0V×d/S/8.854×10-12 (2)
(4) 膜厚:断面SEM観察より膜厚を求めた。
ε = C 0V × d / S / 8.854 × 10 −12 (2)
(4) Film thickness: Film thickness was determined by cross-sectional SEM observation.

表2、図4及び図6より明らかなように、低速昇温加熱のみの比較例1では容量密度及び誘電率が低く、急速昇温加熱のみの比較例2ではチューナビリティが低い結果が得られた。図5に示す比較例1の表面及び断面SEM画像では、結晶粒が粗く、また結晶粒と結晶粒との間隔が空いており、Pt薄膜と誘電体薄膜との界面には隙間が生じていた。また、図7に示す比較例2の表面及び断面SEM画像から、緻密な膜は得られていることが確認できるが、表面にひび割れが生じていた。 As is clear from Table 2, FIG. 4 and FIG. 6, Comparative Example 1 with only slow heating and heating has a low capacity density and dielectric constant, and Comparative Example 2 with only rapid heating and heating has low tunability. It was. In the surface and cross-sectional SEM image of Comparative Example 1 shown in FIG. 5, the crystal grains are rough, the crystal grains are spaced from each other, and a gap is generated at the interface between the Pt thin film and the dielectric thin film. . Moreover, although it can confirm that the precise | minute film | membrane was obtained from the surface and cross-sectional SEM image of the comparative example 2 shown in FIG. 7, the surface has cracked.

これに対して、表2及び図2より明らかなように、実施例1〜4,9,10では、比較例1,2と比較して、高誘電率でかつ高チューナビリティである結果が得られた。また、実施例5〜8では、比較例1,2と比較して、高チューナビリティであり、また、比較例1と比較して高誘電率である結果が得られた。図3に示す実施例1の表面及び断面SEM画像では、緻密な膜が得られていることが確認できた。   On the other hand, as is clear from Table 2 and FIG. 2, in Examples 1 to 4, 9, and 10, the results of high dielectric constant and high tunability were obtained compared to Comparative Examples 1 and 2. It was. Moreover, in Examples 5-8, the result which is high tunability compared with the comparative examples 1 and 2 and high dielectric constant compared with the comparative example 1 was obtained. From the surface and cross-sectional SEM images of Example 1 shown in FIG. 3, it was confirmed that a dense film was obtained.

なお、RTA装置を用い、第一次焼成の到達温度のみが異なる実施例1,3,4の各結果から、第一次焼成の到達温度が高いほど優れた特性の膜が得られ、また、膜厚が薄くなっていることから緻密な膜が得られる傾向が見られた。また、第一次焼成の昇温速度のみが異なる実施例1,10の各結果から、第一次焼成の昇温速度が高すぎると特性が劣る傾向が見られた。また、第二次焼成の昇温速度のみが異なる実施例1,2の各結果から、第二次焼成の昇温速度が低いほど優れた特性の膜が得られる傾向が見られた。また、第二次焼成の到達温度のみが異なる実施例2,9の各結果から、第二次焼成の到達温度が高いほど優れた特性の膜が得られる傾向が見られた。   In addition, from each result of Examples 1, 3, and 4 in which only the ultimate temperature of the primary firing is different using an RTA apparatus, a film having superior characteristics can be obtained as the ultimate temperature of the primary firing is higher. There was a tendency to obtain a dense film because the film thickness was thin. Further, from the results of Examples 1 and 10 in which only the temperature increase rate of the primary firing was different, there was a tendency that the characteristics were inferior when the temperature increase rate of the primary firing was too high. Further, from the results of Examples 1 and 2 in which only the temperature increase rate of the secondary firing was different, there was a tendency that a film having superior characteristics was obtained as the temperature increase rate of the secondary firing was lower. In addition, from the results of Examples 2 and 9 in which only the ultimate temperature of secondary firing was different, there was a tendency that a film having superior characteristics was obtained as the ultimate temperature of secondary firing was higher.

同様に、ホットプレートを用い、第一次焼成の到達温度のみが異なる実施例5〜8の各結果から、第一次焼成の到達温度が高いほど優れた特性の膜が得られ、また、膜厚が薄くなっていることから緻密な膜が得られる傾向が見られた。   Similarly, from the results of Examples 5 to 8 in which only the ultimate temperature of primary firing is different using a hot plate, a film having superior characteristics can be obtained as the ultimate temperature of primary firing is higher. There was a tendency to obtain a dense film because the thickness was reduced.

また、第一次焼成の昇温速度が低い比較例3では、比較例1と比較してチューナビリティの向上がなく、第一次焼成の昇温速度が高い比較例4では、比較例1と比較して緻密で容量密度は高いものの、チューナビリティの向上がなかった。また、第二次焼成の昇温速度が低い比較例5では、特性に悪影響を生じ、第一次焼成の昇温速度が高い比較例6では、比較例1と比較してチューナビリティの向上がなかった。これらの結果から、第一次焼成及び第二次焼成における昇温速度には、誘電体薄膜の特性を向上し得る適切な範囲が存在することが確認された。   In Comparative Example 3 where the temperature increase rate of the primary firing is low, there is no improvement in tunability compared to Comparative Example 1, and in Comparative Example 4 where the temperature increase rate of the primary firing is high, Comparative Example 1 and Although it was denser and had a higher capacity density, there was no improvement in tunability. In Comparative Example 5 where the temperature increase rate of the secondary firing is low, the characteristics are adversely affected, and in Comparative Example 6 where the temperature increase rate of the primary firing is high, the tunability is improved as compared with Comparative Example 1. There wasn't. From these results, it was confirmed that there is an appropriate range in which the characteristics of the dielectric thin film can be improved in the heating rate in the primary firing and the secondary firing.

これらの結果から、BSTなどのペロブスカイト型酸化物を主成分とした誘電体薄膜を塗布法を用いて形成する際に、本発明の形成方法を適用することによって、緻密で表面にひび割れのない誘電体薄膜を形成することができ、得られた誘電体薄膜は薄膜キャパシタ等に用いた場合に、高いチューナビリティ及び高い誘電率を発現させることができることが判った。   From these results, when forming a dielectric thin film containing a perovskite oxide such as BST as a main component by using a coating method, by applying the forming method of the present invention, the dielectric thin film having no cracks on the surface can be obtained. It has been found that a dielectric thin film can be formed, and the obtained dielectric thin film can exhibit high tunability and high dielectric constant when used in a thin film capacitor or the like.

なお、例示しないが、誘電体薄膜としてBT薄膜並びにST薄膜について、薄膜形成用組成物をBT用、ST用に変更した以外は同様の条件で誘電体薄膜を形成し、得られた薄膜キャパシタに対して同様の評価をしたところ、BST薄膜で得られた評価結果とほぼ同様の傾向が見られた。即ち、低速昇温加熱のみ、或いは急速昇温加熱のみの焼成に比べて、急速昇温加熱と低速昇温加熱をこの順番に組み合わせた焼成を行うことで、緻密で表面にひび割れのない誘電体薄膜を形成でき、得られた誘電体薄膜は薄膜キャパシタ等に用いた場合に、高いチューナビリティ及び高い誘電率を発現させることができた。このことから、本発明の形成方法は、BST薄膜のみならず、BT薄膜並びにST薄膜の形成にも有効であることが確認された。   Although not illustrated, a dielectric thin film was formed under the same conditions except that the thin film forming composition was changed to BT and ST for the BT thin film and ST thin film as the dielectric thin film, and the obtained thin film capacitor On the other hand, when the same evaluation was performed, the same tendency as the evaluation result obtained with the BST thin film was observed. In other words, compared to firing only at low temperature heating or only rapid heating, the dielectric material is dense and has no cracks on the surface by firing in a combination of rapid heating and slow heating in this order. A thin film could be formed, and when the obtained dielectric thin film was used for a thin film capacitor or the like, high tunability and high dielectric constant could be expressed. From this, it was confirmed that the forming method of the present invention is effective not only for forming the BST thin film but also for forming the BT thin film and the ST thin film.

本発明の形成方法で得られる誘電体薄膜は、高誘電率、高チューナビリティの薄膜キャパシタに利用可能である。   The dielectric thin film obtained by the forming method of the present invention can be used for a thin film capacitor having a high dielectric constant and high tunability.

Claims (5)

誘電体薄膜形成用組成物を耐熱性基板上の下部電極上に塗布し乾燥する工程を繰返し行って所定の厚さの前記組成物の未焼成膜を得た後、前記下部電極上に形成した未焼成膜を焼成することにより誘電体薄膜を形成し、続いて前記誘電体薄膜上に上部電極を形成する方法において、
前記形成する誘電体薄膜がペロブスカイト型酸化物を主成分とする薄膜であるとき、
前記上部電極を形成する前の前記下部電極上に形成した未焼成膜の焼成が、60〜6000℃/分の昇温速度で急速昇温し375〜550℃の温度で1〜60分間加熱する第一次焼成と、0.5〜30℃/分の昇温速度で低速昇温し600〜900℃の温度で10〜1500分間加熱する第二次焼成とをこの順番に少なくとも含むことを特徴とする誘電体薄膜の形成方法。
After forming the dielectric thin film forming composition on the lower electrode on the heat-resistant substrate and drying it repeatedly to obtain an unsintered film of the composition having a predetermined thickness, it was formed on the lower electrode . In a method of forming a dielectric thin film by firing an unfired film , and subsequently forming an upper electrode on the dielectric thin film ,
When the dielectric thin film to be formed is a thin film containing a perovskite oxide as a main component,
Firing of the unsintered film formed on the lower electrode before forming the upper electrode is rapidly heated at a temperature increase rate of 60 to 6000 ° C./min and heated at a temperature of 375 to 550 ° C. for 1 to 60 minutes. It includes at least a first firing and a second firing that is heated at a low temperature of 0.5 to 30 ° C./min and heated at a temperature of 600 to 900 ° C. for 10 to 1500 minutes in this order. A method for forming a dielectric thin film.
前記第一次焼成が300〜6000℃/分の急速昇温加熱により行われ、前記第二次焼成が0.5〜5℃/分の低速昇温加熱により行われる請求項1記載の誘電体薄膜の形成方法。   2. The dielectric according to claim 1, wherein the first firing is performed by rapid heating at 300 to 6000 ° C./min, and the second firing is performed at low heating at 0.5 to 5 ° C./min. Method for forming a thin film. 前記ペロブスカイト型酸化物がBa1-xSrxTiy3(但し、0≦x≦1、0.9≦y≦1.1)の組成を有する請求項1記載の誘電体薄膜の形成方法。 Said perovskite oxide is Ba 1-x Sr x Ti y O 3 ( where, 0 ≦ x ≦ 1,0.9 ≦ y ≦ 1.1) the method of forming the dielectric thin film of claim 1 having a composition of . 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法により形成された誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、IPD(Integrated Passive Device)、DRAMメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品の製造方法A thin film capacitor having a dielectric thin film formed by the method according to any one of claims 1 to 3 , a capacitor, an IPD (Integrated Passive Device), a DRAM memory capacitor, a multilayer capacitor, a gate insulator of a transistor, a non-volatile Of manufacturing a composite electronic component of a volatile memory, a pyroelectric infrared detection element, a piezoelectric element, an electro-optical element, an actuator, a resonator, an ultrasonic motor, or an LC noise filter element. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法により形成された、100MHz以上の周波数帯域に対応した、誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、IPD(Integrated Passive Device)、DRAMメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品の製造方法。 A thin film capacitor having a dielectric thin film, a capacitor, an IPD (Integrated Passive Device), a DRAM memory capacitor, which is formed by the method according to any one of claims 1 to 3 and corresponds to a frequency band of 100 MHz or more, A method of manufacturing a composite electronic component of a multilayer capacitor, a transistor gate insulator, a nonvolatile memory, a pyroelectric infrared detection element, a piezoelectric element, an electro-optical element, an actuator, a resonator, an ultrasonic motor, or an LC noise filter element .
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