JP6353644B2 - 酸化物誘電体及びその製造方法、酸化物誘電体の前駆体、並びに固体電子装置及びその製造方法 - Google Patents
酸化物誘電体及びその製造方法、酸化物誘電体の前駆体、並びに固体電子装置及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
に関する。
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
図1は、本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ100の全体構成を示す図である。図1に示すように、薄膜キャパシタ100は、基板10上に、基板10の側から下部電極層20、酸化物誘電体層(以下、略して「酸化物層」ともいう。以下、同じ。)30及び上部電極層40を備える。
次に薄膜キャパシタ100の製造方法を説明する。なお、本出願における温度の表示は、ヒーターの設定温度を表している。図3乃至図6は、それぞれ、薄膜キャパシタ100の製造方法の一過程を示す断面模式図である。図3に示すように、まず、基板10上に下部電極層20が形成される。次に、下部電極層20上に酸化物層30が形成されて、その後、酸化物層30上に上部電極層40が形成される。
図3は、下部電極層20の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の下部電極層20が、白金(Pt)によって形成される例を説明する。下部電極層20は、公知のスパッタリング法により基板10上に白金(Pt)よりなる層が形成される。
次に、下部電極層20上に酸化物層30が形成される。酸化物層30は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)本焼成の工程、の順で形成される。図4乃至図6は、酸化物層30の形成過程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の製造工程の酸化物層30が、パイロクロア型結晶構造の結晶相を有する、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物よって形成される例を説明する。
図4に示すように、下部電極層20上に、公知のスピンコーティング法により、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液(前駆体溶液という。以下、前駆体の溶液に対して同じ。)を出発材とする前駆体層30aが形成される。ここで、酸化物層30のためのビスマス(Bi)を含む前駆体の例は、2−エチルヘキサン酸ビスマス、オクチル酸ビスマス、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、又は各種のビスマスアルコキシド(例えば、ビスマスイソプロポキシド、ビスマスブトキシド、ビスマスエトキシド、ビスマスメトキシエトキシド)が採用され得る。また、本実施形態における酸化物層30のためのニオブ(Nb)を含む前駆体の例は、2−エチルヘキサン酸ニオブ、オクチル酸ニオブ、塩化ニオブ、硝酸ニオブ、又は各種のニオブアルコキシド(例えば、ニオブイソプロポキシド、ニオブブトキシド、ニオブエトキシド、ニオブメトキシエトキシド)が採用され得る。また、前駆体溶液の溶媒は、エタノール、プロパノール、ブタノール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−ブトキシエタノールの群から選択される少なくとも1種のアルコール溶媒、又は酢酸、プロピオン酸、オクチル酸の群から選択される少なくとも1種のカルボン酸である溶媒であることが好ましい。従って、前駆体溶液の溶媒においては、上述の2種以上のアルコール溶媒の混合溶媒や、上述の2種以上のカルボン酸の混合溶媒も、採用し得る一態様である。
(1)上述のビスマス(Bi)を含む前駆体
(2)(1)の前駆体のビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が、1.3以上1.7以下である、ニオブ(Nb)を含む前駆体
その後、本焼成として、前駆体層30aを、酸素雰囲気中(例えば100体積%であるが、これに限定されない)で、所定の時間、520℃以上620℃以下の範囲の温度(第1温度)で加熱する。その結果、図5に示すように、電極層上に、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる、酸化物層30が形成される。なお、この酸化物層30におけるビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の原子組成比は、(Bi)が1としたときにニオブ(Nb)が1.3以上1.7以下である。
次に、酸化物層30上に上部電極層40が形成される。図6は、上部電極層40の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の上部電極層40が、白金(Pt)によって形成される例を説明する。上部電極層40は、下部電極層20と同様、公知のスパッタリング法により酸化物層30上に白金(Pt)よりなる層が形成される。この上部電極層40の形成により、図1に示す薄膜キャパシタ100が製造される。
3.薄膜キャパシタ100の電気特性
図7は、本実施形態における、550℃の加熱によって形成された酸化物層30の比誘電率及び誘電損失(tanδ)を示すグラフである。また、図8は、本実施形態における、600℃の加熱によって形成された酸化物層30の図7に対応するグラフである。
ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が1.5となるように前駆体溶液が調製され、かつ550℃で加熱して酸化物層30が形成された場合の50kV/cm印加時のリーク電流値を調べた。その結果、リーク電流値は、キャパシタとして使用可能な特性を得ることができた。なお、このリーク電流は、下部電極層と上部電極層の間に上述の電圧を印加して電流を測定した。また、この測定にはアジレントテクノロジー社製、4156C型を用いた。
図9は、ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が1.5となるように前駆体溶液が調製され、かつ550℃又は600℃で加熱して酸化物層30が形成された場合の、結晶構造を示すX線回析(XRD)の測定結果である。一方、図10は、ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が1となるように前駆体溶液が調製され、かつ550℃又は600℃で加熱して酸化物層が形成された場合の、結晶構造を示すX線回析(XRD)の測定結果である。なお、比較例として、各図面には、ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が1又は1.5となるように前駆体溶液が調製され、かつ500℃で加熱した場合の酸化物層の測定結果も示されている。
本実施形態の薄膜キャパシタ200は、第1の実施形態において形成された薄膜キャパシタ100の酸化物層30が酸化物層230に変更されている点を除き、第1の実施形態の薄膜キャパシタ100と同じである。従って、第1の実施形態と重複する説明は省略する。
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
本実施形態においては、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全ての層の形成過程において型押し加工が施される。本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ300の全体構成は、図12に示されている。本実施形態では、下部電極層、酸化物層、及び上部電極層が、型押し加工を施されている以外は第1の実施形態と同じである。なお、第1の実施形態と重複する説明は省略する。
次に、薄膜キャパシタ300の製造方法を説明する。図13乃至図22は、それぞれ、薄膜キャパシタ300の製造方法の一過程を示す断面模式図である。薄膜キャパシタ300の製造に際しては、まず、基板10上に型押し加工が施された下部電極層320が形成される。次に、下部電極層320上に型押し加工が施された酸化物層330が形成される。その後、酸化物層330上に型押し加工が施された上部電極層340が形成される。薄膜キャパシタ300の製造工程においても第1の実施形態と重複する説明は省略する。
本実施形態においては、薄膜キャパシタ300の下部電極層320が、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成される例を説明する。下部電極層320は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)型押し加工の工程、(c)本焼成の工程の順で形成される。初めに、基板10上に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする下部電極層用前駆体溶液を出発材とする下部電極層用前駆体層320aが形成される。
次に、下部電極層用前駆体層320aのパターニングを行うために、図13に示すように、80℃以上300℃以下の範囲内で加熱した状態で、下部電極層用型M1を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。型押し加工における加熱方法の例としては、チャンバー、オーブン等により、所定の温度雰囲気の状態にする方法、基板を搭載する基台を下部からヒーターにより加熱する方法、また、予め80℃以上300℃以下に加熱した型を用いて型押し加工が施される方法等がある。この場合、基台を下部からヒーターにより加熱する方法と予め80℃以上300℃以下に加熱した型を併用することが加工性の面でより好ましい。
次に、下部電極層用前駆体層320aに対して大気中で本焼成を行う。本焼成の際の加熱温度は、550℃以上650℃以下である。その結果、図15に示すように、基板10上に、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる下部電極層320(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。
次に、下部電極層320上に誘電体層となる酸化物層330を形成する。酸化物層330は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)型押し加工の工程、(c)本焼成の工程の順で形成される。図16乃至図19は、酸化物層330の形成工程を示す図である。
(a)前駆体層の形成及び予備焼成
図16に示すように、基板10及びパターニングされた下部電極層320上に、第2の実施形態と同様に、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層330aを形成する。その後、酸素含有雰囲気中で、80℃以上250℃以下に加熱した状態で予備焼成を行う。なお、第1の実施形態と同様に、本実施形態における前駆体溶液中の溶質として、前述のビスマス(Bi)を含む前駆体におけるビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が1.3以上1.7以下(代表的には1.5)となるように、ビスマス(Bi)の原子数とニオブ(Nb)の原子数とが調整されている。
本実施形態では、図17に示すように、予備焼成のみを行った前駆体層330aに対して、型押し加工が施される。具体的には、酸化物層のパターニングを行うため、80℃以上300℃以下に加熱した状態で、誘電体層用型M2を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。
その後、第2の実施形態と同様に、前駆体層330aを本焼成する。その結果、図19に示すように、下部電極層320上に、誘電体層となる酸化物層330(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。本焼成として、前駆体層330aを、酸素雰囲気中で、所定時間、520℃以上620℃以下の温度範囲で加熱する。
その後、酸化物層330上に、下部電極層320と同様に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする上部電極層用前駆体層340aが形成される。その後、上部電極層用前駆体層340aに対して酸素含有雰囲気中において80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱して予備焼成を行う。
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
本実施形態においても、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全ての層の形成過程において型押し加工が施されている。本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ400の全体構成は、図26に示されている。本実施形態では、下部電極層、酸化物層、及び上部電極層は、各々の前駆体層を積層した後に予備焼成が行なわれる。
次に薄膜キャパシタ400の製造方法を説明する。図23乃至図25は、それぞれ、薄膜キャパシタ400の製造方法の一過程を示す断面模式図である。薄膜キャパシタ400の製造に際しては、まず基板10上に、下部電極層420の前駆体層である下部電極層用前駆体層420a、酸化物層430の前駆体層である前駆体層430a、及び上部電極層440の前駆体層である上部電極層用前駆体層440aの積層体が形成される。次に、この積層体に型押し加工が施された後、本焼成が行われる。薄膜キャパシタ400の製造工程においても、第1乃至第3の実施形態と重複する説明は省略する。
図23に示すように、まず基板10上に、下部電極層420の前駆体層である下部電極層用前駆体層420a、酸化物層430の前駆体層である前駆体層430a、及び上部電極層440の前駆体層である上部電極層用前駆体層440aの積層体が形成される。本実施形態においては、第3の実施形態と同様、薄膜キャパシタ400の下部電極層420及び上部電極層440が、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成され、誘電体層となる酸化物層430がビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)とからなる酸化物層によって形成される例を説明する。
次に、各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)のパターニングを行うために、図24に示すように、80℃以上300℃以下の範囲内で加熱した状態で、積層体用型M4を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。
次に、各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)に対して本焼成を行う。その結果、図26に示すように、基板10上に、下部電極層420、酸化物層430、上部電極層440が形成される。
ところで、第3又は第4実施形態における酸化物層においては、ポスト・アニーリング処理が行われていないが、第3又は第4の実施形態の変形例として、ポスト・アニーリング処理が行われることは採用し得る好適な一態様である。例えば、型押し加工が行われ、パターニングが完了した後に、ポスト・アニーリング処理を行うことができる。このポスト・アニーリング処理により、第2の実施形態において説明した効果と同様の効果が奏され得る。
system)に代表される微少電気機械システムのデバイス、その他、高周波フィルタ、パッチアンテナ、又はRCLのうち少なくとも2つを含む複合デバイスに、上述の各実施形態における酸化物層を適用することもできる。
20,320,420 下部電極層
320a,420a 下部電極層用前駆体層
30,330,430 酸化物層(酸化物誘電体層)
30a,330a,430a 酸化物層用前駆体層
40,340,440 上部電極層
340a,440a 上部電極層用前駆体層
100,200,300,400 固体電子装置の一例である薄層キャパシタ
M1 下部電極層用型
M2 誘電体層用型
M3 上部電極層用型
M4 積層体用型
Claims (9)
- パイロクロア型結晶構造の結晶相を有する、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物(不可避不純物を含み得る)を含み、
前記ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、前記ニオブ(Nb)の原子数が、1.3以上1.7以下であり、かつ
1kHzで0.1Vの交流電圧を印加したときに、前記酸化物の比誘電率が220以上である、
酸化物誘電体。 - 前記酸化物が、さらに、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物のアモルファス相を有する、
請求項1に記載の酸化物誘電体。 - 請求項1又は請求項2に記載の前記酸化物誘電体を備える、
固体電子装置。 - 前記固体電子装置が、高周波フィルタ、パッチアンテナ、キャパシタ、半導体装置、及び微小電気機械システムの群から選択される1種である、
請求項3に記載の固体電子装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の前記酸化物誘電体を含む酸化物誘電体層の製造方法であって、
ビスマス(Bi)を含む前駆体、及び前記ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、ニオブ(Nb)の原子数が、1.3以上1.7以下である前記ニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を形成し、酸素含有雰囲気中において520℃以上620℃以下である第1温度で加熱することにより、
パイロクロア型結晶構造の結晶相を有する、前記ビスマス(Bi)と前記ニオブ(Nb)からなる酸化物(不可避不純物を含み得る)を含み、かつ前記ビスマス(Bi)の原子数を1としたときに、前記ニオブ(Nb)の原子数が、1.3以上1.7以下である酸化物誘電体層を形成する工程を含む、
酸化物誘電体層の製造方法。 - 前記前駆体層を、前記酸素含有雰囲気中において加熱した後、さらに、前記第1温度以下の第2温度で加熱する追加加熱工程を含む、
請求項5に記載の酸化物誘電体層の製造方法。 - 前記酸化物誘電体層を形成する前に、酸素含有雰囲気中において80℃以上300℃以下で前記前駆体層を加熱した状態で型押し加工を施すことによって、前記前駆体層の型押し構造を形成する、
請求項5又は請求項6に記載の酸化物誘電体層の製造方法。 - 1MPa以上20MPa以下の範囲内の圧力で前記型押し加工を施す、
請求項7に記載の酸化物誘電体層の製造方法。 - 請求項5乃至請求項8のいずれか1項に記載の前記酸化物誘電体層の製造方法を含む、
固体電子装置の製造方法。
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