JP6597430B2 - Ferroelectric film and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、寿命信頼性を向上した強誘電体膜及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a ferroelectric film with improved lifetime reliability and a method for manufacturing the same.

赤外線センサー、圧電フィルター、振動子、レーザーの変調素子、光シャッター、キャパシタ膜、不揮発性のメモリ等に使用される強誘電体膜として、Pb、La、Zr及びTiを含有したペロブスカイト構造のPLZT膜が用いられている。例えば、特許文献1には、Li、Na及びKの含有量を低減し、リーク電流を抑えたPLZT膜が開示されている。   A perovskite structure PLZT film containing Pb, La, Zr and Ti as a ferroelectric film used in infrared sensors, piezoelectric filters, vibrators, laser modulation elements, optical shutters, capacitor films, nonvolatile memories, etc. Is used. For example, Patent Document 1 discloses a PLZT film in which the contents of Li, Na, and K are reduced and the leakage current is suppressed.

特許第2956356号公報Japanese Patent No. 2956356

特許文献1に記載のようにLi、Na及びKの含有量を低減すれば、PLZT膜のリーク電流を低減できるものの、寿命信頼性という観点では、十分な特性が得られない場合があった。   If the contents of Li, Na, and K are reduced as described in Patent Document 1, the leakage current of the PLZT film can be reduced, but sufficient characteristics may not be obtained from the viewpoint of lifetime reliability.

本発明の目的は、寿命信頼性に優れた強誘電体膜とその製造方法を提供することである   An object of the present invention is to provide a ferroelectric film having excellent lifetime reliability and a method for manufacturing the same.

本発明の第1の観点は、複数の焼成膜からなる強誘電体膜であって、Pb、Zr及びTiを含有するペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、Li、Na及びKの合計含有量が1質量ppm以上3質量ppm以下であり、前記複数の焼成膜を構成する各焼成膜の一方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量が、他方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下であることを特徴とする強誘電体膜である。 A first aspect of the present invention is a ferroelectric film made of a plurality of fired films, made of a metal oxide having a perovskite structure containing Pb, Zr and Ti, and has a total content of Li, Na and K 1 mass ppm or more and 3 mass ppm or less, and the total content of Li, Na, and K on one surface of each fired film constituting the plurality of fired films is the total content of Li, Na, and K on the other surface It is a ferroelectric film characterized by being 5 to 12 times the amount.

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、前記各焼成膜において、前記一方の面と前記他方の面との間で、Li、Na及びKの合計含有量は、膜厚方向に一定の濃度傾斜を形成する強誘電体膜である。   A second aspect of the present invention is the invention based on the first aspect, wherein in each of the fired films, the total content of Li, Na, and K is between the one surface and the other surface. A ferroelectric film that forms a constant concentration gradient in the film thickness direction.

本発明の第3の観点は、第2の観点に基づく発明であって、前記複数の焼成膜のうち、任意の隣接する一対の焼成膜を第1焼成膜、第2焼成膜と定義した場合、前記第1焼成膜の前記他方の面(Li等の濃度が低い側の面)は前記第2焼成膜の前記一方の面(Li等の濃度が高い側の面)に隣接する強誘電体膜である。   3rd viewpoint of this invention is invention based on 2nd viewpoint, Comprising: Arbitrary adjacent pairs of baking films are defined as the 1st baking film and the 2nd baking film among these baking films The other surface of the first fired film (the surface on the side where the concentration of Li etc. is low) is adjacent to the one surface (the surface on the side where the concentration of Li etc. is high) of the second fired film. It is a membrane.

本発明の第4の観点は、第3の観点に基づく発明であって、前記第2焼成膜の前記一方の面(Li等の濃度が高い側の面)におけるLi、Na及びKの合計含有量は、前記第1焼成膜の前記他方の面(Li等の濃度が低い側の面)におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下である強誘電体膜である。 4th viewpoint of this invention is invention based on 3rd viewpoint, Comprising: Total content of Li, Na, and K in said one side (surface with high density | concentrations, such as Li) of said 2nd baking film | membrane The amount is a ferroelectric film that is not less than 5 times and not more than 12 times the total content of Li, Na, and K on the other surface of the first fired film (the surface on the side where the concentration of Li or the like is low).

本発明の第5の観点は、Pb、Zr及びTiを含有する強誘電体膜形成用液組成物を基板上に塗布して前駆体膜を形成する塗布工程と、前記前駆体膜を加熱して複合酸化物に転化させ、仮焼膜を形成する仮焼工程と、前記仮焼膜を焼成して結晶化させ、焼成膜を形成する焼成工程と、を少なくとも3回ずつ実施する強誘電体膜の製造方法であって、前記強誘電体膜形成用液組成物は、Li、Na及びKを合計で3質量ppm以上10質量ppm以下含有し、前記仮焼工程では、基板上面から10mmの高さにおけるキャリアガスの風速を0.1m/秒以上1.0m/秒以下とすることを特徴とする強誘電体膜の製造方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a coating process in which a ferroelectric film forming liquid composition containing Pb, Zr and Ti is coated on a substrate to form a precursor film, and the precursor film is heated. A ferroelectric that performs at least three times each of a calcining step of converting to a composite oxide and forming a calcined film, and a calcining step of firing and crystallizing the calcined film to form a calcined film In the method for producing a film, the liquid composition for forming a ferroelectric film contains Li, Na, and K in a total amount of 3 mass ppm to 10 mass ppm, and in the calcining step, 10 mm from the upper surface of the substrate. A method for producing a ferroelectric film, characterized in that a carrier gas wind speed at a height is set to 0.1 m / second or more and 1.0 m / second or less.

本発明の第6の観点は、第1ないし第4の観点のいずれかの観点に基づく強誘電体膜を有する電子部品である。   A sixth aspect of the present invention is an electronic component having a ferroelectric film based on any one of the first to fourth aspects.

本発明の第1の観点の強誘電体膜は、Li、Na及びKの合計含有量が1質量ppm以上3質量ppm以下であり、複数の焼成膜を構成する各焼成膜の一方の一面におけるLi、Na及びKの合計含有量が、他方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下であるので、優れた寿命信頼性を備える。即ち、このような本発明の強誘電体膜では、各焼成膜がLi、Na及びKを所定量含有し、かつ一つの焼成膜と隣接する焼成膜との界面において、Li、Na及びKの含有量が急激に変化して濃度傾斜を生じる。この焼成膜界面におけるLi等含有量の急激な変化が、酸素欠陥の膜厚方向への移動を抑制し、強誘電体膜の寿命向上に寄与する。 In the ferroelectric film according to the first aspect of the present invention, the total content of Li, Na, and K is 1 mass ppm or more and 3 mass ppm or less, and on one surface of each of the fired films constituting the plurality of fired films. Since the total content of Li, Na and K is not less than 5 times and not more than 12 times the total content of Li, Na and K in the other surface, excellent lifetime reliability is provided. That is, in such a ferroelectric film of the present invention, each fired film contains a predetermined amount of Li, Na, and K, and at the interface between one fired film and the adjacent fired film, Li, Na, and K The content changes rapidly, causing a concentration gradient. This sudden change in the content of Li or the like at the interface of the fired film suppresses the movement of oxygen defects in the film thickness direction and contributes to the improvement of the lifetime of the ferroelectric film.

本発明の第5の観点の強誘電体膜の製造方法によれば、Li等を合計で3質量ppm以上10質量ppm以下含有する強誘電体膜形成用液組成物(以下、液組成物と略記する。)を用い、仮焼工程で基板上面から10mmの高さにおけるキャリアガスの風速を0.1m/秒以上1.0m/秒以下とするので、所定の含有量でLi等を含むとともにその濃度が傾斜し、これにより優れた寿命信頼性を備えた強誘電体膜を得ることができる。   According to the method for manufacturing a ferroelectric film of the fifth aspect of the present invention, a ferroelectric film forming liquid composition (hereinafter referred to as a liquid composition) containing Li and the like in a total amount of 3 mass ppm to 10 mass ppm. In the calcination step, the carrier gas wind speed at a height of 10 mm from the upper surface of the substrate is set to 0.1 m / second or more and 1.0 m / second or less, so that it contains Li or the like with a predetermined content. The concentration is inclined, and a ferroelectric film having excellent lifetime reliability can be obtained.

本発明の第6の観点の電子部品は、上述の強誘電体膜を有するので、優れた寿命信頼性を備える。   Since the electronic component according to the sixth aspect of the present invention has the ferroelectric film described above, it has excellent lifetime reliability.

本発明実施形態の強誘電体膜の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the ferroelectric film of the embodiment of the present invention. 本発明実施形態の強誘電体膜の厚さ方向におけるLi等の濃度変化を示すグラフである。It is a graph which shows density | concentration changes, such as Li in the thickness direction of the ferroelectric film of this invention embodiment. 本発明実施形態の仮焼工程に用いるホットプレート装置の要部断面図であるIt is principal part sectional drawing of the hotplate apparatus used for the calcination process of this invention embodiment.

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明は本実施形態の構成に限定されない。   Next, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the configuration of the present embodiment.

〔強誘電体膜〕
図1に示すように、本実施形態の強誘電体膜10は、下部電極11を有する基板12のこの下部電極11上に形成された5層の焼成膜101からなる。強誘電体膜10は、Pb、Zr及びTiを含有するペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、Li、Na及びKの合計含有量が1質量ppm以上3質量ppm以下である。そして、図2に示すように、各焼成膜101の一方の面におけるLi、Na及びK(以下、Li等と略記する。)の合計含有量が、他方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下である。強誘電体膜10は、Pb、Zr及びTiに加え、Laを含有していてもよい。
[Ferroelectric film]
As shown in FIG. 1, the ferroelectric film 10 of this embodiment is composed of a five-layered fired film 101 formed on the lower electrode 11 of a substrate 12 having a lower electrode 11. The ferroelectric film 10 is made of a metal oxide having a perovskite structure containing Pb, Zr and Ti, and the total content of Li, Na and K is 1 mass ppm or more and 3 mass ppm or less. Then, as shown in FIG. 2, the total content of Li, Na and K (hereinafter abbreviated as Li etc.) on one surface of each fired film 101 is the sum of Li, Na and K on the other surface. It is 5 to 12 times the content. The ferroelectric film 10 may contain La in addition to Pb, Zr and Ti.

(1) Li等の合計含有量
強誘電体膜10のLi等の合計含有量が3質量ppm以下であるので、膜中の粒界に不純物の偏析が少なく、リーク電流が生じにくい。これにより時間が経過しても絶縁破壊を生じにくく、寿命安定性に優れる。なお、Li等の合計含有量を1質量ppm未満であると、Li等の好ましい濃度傾斜が得られにくくなるため、Li等の合計含有量は1質量ppm以上とする。また、Li、Na及びKの合計含有量が3質量ppmを超えると、リーク電流が過大となって、結果として寿命が短くなる。また、各焼成膜の一方の面におけるLi等の合計含有量が、他方の面におけるLi等の合計含有量の5倍未満であると、焼成膜の厚さ方向におけるLi等の濃度傾斜が小さく、焼成膜界面におけるLi等含有量の変化が小さくなり、酸素欠陥の移動抑制機能が不十分となって寿命が短くなる。Li等の合計含有量は、1質量ppm以上3質量ppm以下である。
(1) Total content of Li etc. Since the total content of Li etc. of the ferroelectric film 10 is 3 mass ppm or less, there is little segregation of an impurity at the grain boundary in a film | membrane, and it is hard to produce a leak current. Thereby, even if time passes, a dielectric breakdown does not produce easily and it is excellent in lifetime stability. Incidentally, when the total content of such Li is less than 1 mass ppm, since the preferred concentration gradient of Li or the like is difficult to obtain, the total content of such Li is shall be the one or more mass ppm. On the other hand, if the total content of Li, Na and K exceeds 3 ppm by mass, the leakage current becomes excessive, resulting in a shortened life. In addition, when the total content of Li and the like on one surface of each fired film is less than 5 times the total content of Li and the like on the other surface, the concentration gradient of Li and the like in the thickness direction of the fired film is small. The change in the content of Li or the like at the interface of the fired film is reduced, the function of suppressing the movement of oxygen defects is insufficient, and the life is shortened. The total content of such Li is Ru der 3 ppm by mass or more 1 mass ppm.

(2) Li等の焼成膜中の濃度傾斜
各焼成膜101の一方の面におけるLi等の合計含有量が、他方の面におけるLi等の合計含有量の5倍以上であるので、焼成膜の厚さ方向におけるLi等の濃度傾斜が十分であり、焼成膜界面におけるLi等含有量の急激な変化により、この焼成膜界面が酸素欠陥移動を抑制する。この結果、本実施形態の強誘電体膜は寿命安定性に優れる。なお、Li等の濃度傾斜を大きくするためには、Li等の合計含有量を増やす必要があるが、上述の理由でLi等の合計含有量は3質量ppm以下としなければならない。このため、Li等の焼成膜中の濃度傾斜は12倍以下とする。この濃度傾斜は、5倍以上10倍以下であることがより好ましく、5倍以上9倍以下であることが更に好ましい。
(2) Concentration gradient in fired film such as Li The total content of Li etc. on one side of each fired film 101 is more than 5 times the total content of Li etc. on the other side. The concentration gradient of Li or the like in the thickness direction is sufficient, and this fired film interface suppresses oxygen defect migration due to a rapid change in the content of Li or the like at the fired film interface. As a result, the ferroelectric film of this embodiment is excellent in life stability. In order to increase the concentration gradient of Li or the like, it is necessary to increase the total content of Li or the like, but for the above-mentioned reason, the total content of Li or the like must be 3 mass ppm or less. Therefore, the concentration gradient in the baked film of Li such shall be the 12 times or less. This concentration gradient is more preferably 5 times or more and 10 times or less, and further preferably 5 times or more and 9 times or less.

この濃度傾斜は、最大値から最小値に向けた一定の濃度傾斜であることが好ましい。しかし、濃度変化の傾向が一方向(減少方向又は増加方向)に保たれていれば、この理想的な一定の濃度傾斜(質量ppm/nm)から、局所的に±20%程度外れてもよい。   This concentration gradient is preferably a constant concentration gradient from the maximum value to the minimum value. However, if the tendency of concentration change is maintained in one direction (decrease direction or increase direction), it may deviate locally by about ± 20% from this ideal constant concentration gradient (mass ppm / nm). .

(3) 焼成膜の層数
強誘電体膜10は、2層以上23層以下の焼成膜101からなることが好ましい。複数の焼成膜101を積層することによって強誘電体膜10内に界面が導入される。この界面が酸素欠陥の移動を抑制するトラップとしての役割を果たし、酸素欠陥の移動度低下に寄与する。結果として、この強誘電体膜10の寿命信頼性をより一層、向上することができる。焼成膜101の層数を2層以上23層以下としたのは、下限値未満では強誘電体膜10内に界面が導入されないため、更なる寿命信頼性の向上を図ることができず、上限値を越えると作製に時間がかかるからである。焼成膜101の層数は、2層以上6層以下がより好ましく、2層以上3層以下が更に好ましい。
(3) Number of Layers of Fired Film The ferroelectric film 10 is preferably composed of a fired film 101 having two to 23 layers. By laminating a plurality of fired films 101, an interface is introduced into the ferroelectric film 10. This interface serves as a trap for suppressing the movement of oxygen vacancies and contributes to a decrease in the mobility of oxygen vacancies. As a result, the lifetime reliability of the ferroelectric film 10 can be further improved. The reason why the number of layers of the fired film 101 is 2 or more and 23 or less is that if the interface is not introduced into the ferroelectric film 10 below the lower limit, further improvement in lifetime reliability cannot be achieved, and the upper limit This is because if the value is exceeded, the production takes time. The number of layers of the fired film 101 is more preferably 2 or more and 6 or less, and further preferably 2 or more and 3 or less.

焼成膜101を積層するときは、複数の焼成膜のうち、任意の隣接する一対の焼成膜を第1焼成膜、第2焼成膜と定義した場合、第1焼成膜の他方の面(Li等の濃度が低い側の面)が第2焼成膜の一方の面(Li等の濃度が高い側の面)に隣接する方向で積層する。これにより、焼成膜界面において、Li等含有量を急激に変化させることができる。   When laminating the fired film 101, if a pair of adjacent fired films among a plurality of fired films is defined as a first fired film and a second fired film, the other surface of the first fired film (Li or the like) Are laminated in a direction adjacent to one surface of the second fired film (surface having a high concentration of Li or the like). Thereby, content, such as Li, can be changed abruptly in a baking film interface.

第2焼成膜の一方の面(Li等の濃度が高い側の面)におけるLi等の合計含有量は、第1焼成膜の他方の面(Li等の濃度が低い側の面)におけるLi等の合計含有量の5倍以上とすることが好ましい。この焼結膜界面におけるLi等の合計含有量の急激な変化については、好ましくは5倍以上10倍以下であり、更に好ましくは5倍以上9倍以下である。しかし、本発明はこれら好ましい範囲に特に限定されない。   The total content of Li and the like on one side of the second fired film (the surface on the side where the concentration of Li etc. is high) is Li and the like on the other side of the first fired film (the side on the side where the concentration of Li etc. is low) The total content is preferably 5 times or more. The abrupt change in the total content of Li and the like at the sintered film interface is preferably 5 to 10 times, more preferably 5 to 9 times. However, the present invention is not particularly limited to these preferred ranges.

(4) 焼成膜の膜厚
各焼成膜101の膜厚tは、45nm以上500nm以下の範囲にあることが好ましい。下限値未満では均一な連続膜が得にくく、上限値を越えるとクラックを生じることがあるからである。厚さtは、45nm以上135nm以下がより好ましく、60nm以上120nm以下がさらに好ましい。強誘電体膜10の膜厚Tは150nm以上5000nm以下の範囲にあることが好ましい。下限値未満では生産性の悪い膜になり、また、リーク電流密度が高くなる等の特性面での不具合が発生する場合がある。一方、上限値を超えるとクラックが発生する場合がある。膜厚Tは、200nm以上4000nm以下がより好ましく、250nm以上3000nm以下が更に好ましい。
(4) Film thickness of fired film The film thickness t of each fired film 101 is preferably in the range of 45 nm to 500 nm. This is because if it is less than the lower limit, it is difficult to obtain a uniform continuous film, and if it exceeds the upper limit, cracks may occur. The thickness t is more preferably 45 nm or more and 135 nm or less, and further preferably 60 nm or more and 120 nm or less. The film thickness T of the ferroelectric film 10 is preferably in the range of 150 nm to 5000 nm. If it is less than the lower limit value, a film with poor productivity may be formed, and defects in characteristics such as an increase in leakage current density may occur. On the other hand, if the upper limit is exceeded, cracks may occur. The film thickness T is more preferably 200 nm or more and 4000 nm or less, and further preferably 250 nm or more and 3000 nm or less.

(5) 金属原子比
強誘電体膜10は、金属原子比Pb:La:Zr:Tiが(0.95〜1.25):(0〜0.05):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)であることが好ましい。このような金属原子比とする理由は、比誘電率が高く、強誘電体として優れた特性を有するからである。金属原子比Pb:La:Zr:Tiは(1.00〜1.15):(0〜0.03):(0.50〜0.55):(0.45〜0.50)とすることがより好ましく、(1.05〜1.10):(0.01〜0.03):(0.51〜0.53):(0.47〜0.49)とすることが更に好ましい。
(5) Metal atomic ratio The ferroelectric film 10 has a metal atomic ratio Pb: La: Zr: Ti of (0.95 to 1.25) :( 0 to 0.05) :( 0.40 to 0.55). ): (0.45 to 0.60) is preferable. The reason for this metal atomic ratio is that it has a high relative dielectric constant and has excellent characteristics as a ferroelectric. Metal atomic ratio Pb: La: Zr: Ti is (1.00-1.15) :( 0-0.03) :( 0.50-0.55) :( 0.45-0.50). More preferably, (1.05 to 1.10): (0.01 to 0.03): (0.51 to 0.53): (0.47 to 0.49) is more preferable. .

(6) 強誘電体膜の基板及び下部電極
強誘電体膜10を形成する基板12としては、例えば、シリコン基板、SiO/Si基板やサファイア基板等の耐熱性基板が用いられる。下部電極11としては、例えば、PtやIr、Ru等の導電性を有し、強誘電体膜10と反応しない材料が用いられる。
(6) Ferroelectric film substrate and lower electrode As the substrate 12 on which the ferroelectric film 10 is formed, for example, a heat-resistant substrate such as a silicon substrate, a SiO 2 / Si substrate or a sapphire substrate is used. For the lower electrode 11, for example, a material having conductivity such as Pt, Ir, Ru, or the like that does not react with the ferroelectric film 10 is used.

〔強誘電体膜形成用液組成物〕
強誘電体膜形成用液組成物(以下、液組成物と略記する。)は、強誘電体膜10を形成するための原料溶液であり、ペロブスカイト構造の金属酸化物を構成するための前駆体を所望の比率で溶媒に溶解し、コーティングに適した濃度に調整したものである。
[Liquid composition for forming a ferroelectric film]
The liquid composition for forming a ferroelectric film (hereinafter abbreviated as “liquid composition”) is a raw material solution for forming the ferroelectric film 10, and a precursor for forming a metal oxide having a perovskite structure. Is dissolved in a solvent at a desired ratio and adjusted to a concentration suitable for coating.

(1) Li等の合計含有量
液組成物は、Li等を合計で3質量ppm以上10質量ppm以下含有する。Li等の合計含有量が3質量ppm以上であるので、十分な濃度傾斜を有する焼成膜101を得ることができ、10質量ppm以下であるので、得られる強誘電体膜10に含まれるLi等の合計濃度を低く抑えることができる。Li等の合計含有量は、3質量ppm以上5質量ppm以下であることがより好ましい。液組成物中のLi等の合計含有量は、例えば、各金属成分を金属有機化合物の形で蒸留、昇華、再結晶を繰り返し、或いはこれらを組み合わせるという、特許文献1に記載の方法により調整することができる。
(1) Total content of Li and the like The liquid composition contains Li and the like in a total amount of 3 mass ppm to 10 mass ppm. Since the total content of Li and the like is 3 mass ppm or more, a fired film 101 having a sufficient concentration gradient can be obtained, and since it is 10 mass ppm or less, Li or the like contained in the obtained ferroelectric film 10 The total concentration of can be kept low. The total content of Li and the like is more preferably 3 mass ppm or more and 5 mass ppm or less. The total content of Li and the like in the liquid composition is adjusted by, for example, a method described in Patent Document 1 in which each metal component is repeatedly distilled, sublimated, and recrystallized in the form of a metal organic compound, or a combination thereof. be able to.

(2) 前駆体
液組成物に配合される前駆体としては、Pb、La、Zr又は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有機金属化合物を用いることができる。例えば、金属アルコキシド、その部分加水分解物、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種以上を用いることができる。特に好ましい化合物は、金属アルコキシド、その部分加水分解物、金属カルボン酸塩である。
(2) Precursor As a precursor to be blended in the liquid composition, an organometallic compound in which an organic group is bonded to each metal element of Pb, La, Zr, or Ti via its oxygen or nitrogen atom is used. be able to. For example, from the group consisting of metal alkoxide, its partial hydrolyzate, metal diol complex, metal triol complex, metal carboxylate, metal β-diketonate complex, metal β-diketoester complex, metal β-iminoketo complex and metal amino complex One type or two or more types selected can be used. Particularly preferred compounds are metal alkoxides, partial hydrolysates thereof, and metal carboxylates.

液組成物には、これらの前駆体が所望の金属原子比を与えるような割合で含まれる。
例えば、金属原子比Pb:La:Zr:Tiが(0.95〜1.25):(0〜0.05):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)となる割合とするのが好ましい。これにより、上述のような好ましい金属原子比を有する強誘電体膜10を得ることができる。このうち、金属原子比Pb:La:Zr:Tiは(1.00〜1.15):(0〜0.03):(0.50〜0.55):(0.45〜0.50)とすることがより好ましく、(1.05〜1.10):(0.01〜0.03):(0.51〜0.53):(0.47〜0.49)とすることが更に好ましい。
The liquid composition contains these precursors in proportions that provide the desired metal atomic ratio.
For example, the metal atomic ratio Pb: La: Zr: Ti is (0.95 to 1.25) :( 0 to 0.05) :( 0.40 to 0.55) :( 0.45 to 0.60). The ratio is preferably Thereby, the ferroelectric film 10 having a preferable metal atomic ratio as described above can be obtained. Among these, the metal atomic ratio Pb: La: Zr: Ti is (1.00-1.15) :( 0-0.03) :( 0.50-0.55) :( 0.45-0.50). More preferably, (1.05 to 1.10): (0.01 to 0.03): (0.51 to 0.53): (0.47 to 0.49) Is more preferable.

液組成物100質量%中に占める前駆体の割合は、酸化物換算で10質量%以上35質量%以下とするのが好ましい。下限値未満では、1回のコーティングで十分な膜厚が得られにくく、上限値を超えると、強誘電体膜にクラックが発生する場合がある。前駆体の割合は、10質量%以上20質量%以下がより好ましく、12質量%以上17質量%以下が更に好ましい。なお、酸化物換算での割合とは、液組成物に含まれる金属元素が全て酸化物になったと仮定した時に、液組成物100質量%に占める金属酸化物の割合のことをいう。   The proportion of the precursor in 100% by mass of the liquid composition is preferably 10% by mass to 35% by mass in terms of oxide. If it is less than the lower limit, it is difficult to obtain a sufficient film thickness by one coating, and if it exceeds the upper limit, cracks may occur in the ferroelectric film. The proportion of the precursor is more preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less, and further preferably 12% by mass or more and 17% by mass or less. The ratio in terms of oxide means the ratio of the metal oxide in 100% by mass of the liquid composition when it is assumed that all the metal elements contained in the liquid composition are converted into oxides.

(3) 溶媒
液組成物の調製に用いられる溶媒は、使用する原料に応じて適宜決定される。例えば、カルボン酸、アルコール、エステル、ケトン類、エーテル類、シクロアルカン類、芳香族系、その他テトラヒドロフラン等、あるいはこれらの2種以上の混合溶媒を用いることができる。
(3) Solvent The solvent used for the preparation of the liquid composition is appropriately determined according to the raw material used. For example, carboxylic acids, alcohols, esters, ketones, ethers, cycloalkanes, aromatics, other tetrahydrofuran, or a mixed solvent of two or more of these can be used.

(4) 高分子化合物
また、液組成物には、液粘度を調整するために、ポリビニルピロリドン(PVP)やポリエチレングリコール等の高分子化合物を含ませてもよい。高分子化合物の割合は、前駆体1モルに対してモノマー換算で0.15モル以上0.50モル以下の範囲が好ましい。下限値未満では、クラックが発生する場合があり、上限値を超えるとポアが発生する場合がある。
(4) Polymer compound The liquid composition may contain a polymer compound such as polyvinyl pyrrolidone (PVP) or polyethylene glycol in order to adjust the liquid viscosity. The ratio of the polymer compound is preferably in the range of 0.15 mol or more and 0.50 mol or less in terms of monomer with respect to 1 mol of the precursor. If it is less than the lower limit, cracks may occur, and if it exceeds the upper limit, pores may occur.

(5) 安定化剤
また、安定化剤として、β−ジケトン類、β−ケトン酸類、β−ケトエステル類、オキシ酸類、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、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、多価アミン等を、(安定化剤分子数)/(金属原子数)で0.2以上3以下程度添加しても良い。特に、β−ジケトン類及び多価アルコール類を添加することが好ましい。β−ジケトン類としてはアセチルアセトンが、多価アルコール類としてはプロピレングリコールを添加することが好ましい。
(5) Stabilizers Further, as stabilizers, β-diketones, β-ketone acids, β-ketoesters, oxyacids, lower alkyl esters of the above oxyacids, oxyketones, diols, triols, higher carboxylic acids Further, alkanolamines, polyvalent amines, etc. may be added in a range of about 0.2 to 3 in terms of (stabilizer molecule number) / (metal atom number). In particular, it is preferable to add β-diketones and polyhydric alcohols. It is preferable to add acetylacetone as the β-diketone and propylene glycol as the polyhydric alcohol.

[液組成物の製造方法]
液組成物を調製するには、まず、上述した前駆体を所望の金属原子比を与える割合になるように秤量する。前駆体と溶媒とを反応容器内に投入して混合し、好ましくは窒素雰囲気中、150℃以上160℃以下の温度で30分以上3時間以下の間、還流し反応させる。続いて、蒸留やエバポレーション等の方法により、脱溶媒する。アセチルアセトン等の安定化剤を添加する場合は、脱溶媒後の合成液に安定化剤を添加し、先と同様の条件で再度還流を実施する。更に、溶媒を添加して希釈し、液組成物中に占める各成分濃度を上述した所望の濃度に調整する。必要に応じて高分子化合物を所望の割合になるよう添加し、好ましくは室温付近の温度で30分以上3時間以下の間、撹拌し均一に分散させる。これにより、液組成物が得られる。
[Method for producing liquid composition]
In order to prepare the liquid composition, first, the precursor described above is weighed so as to give a desired metal atomic ratio. The precursor and the solvent are put into a reaction vessel and mixed, and are preferably refluxed and reacted at a temperature of 150 ° C. to 160 ° C. for 30 minutes to 3 hours in a nitrogen atmosphere. Subsequently, the solvent is removed by a method such as distillation or evaporation. In the case of adding a stabilizer such as acetylacetone, the stabilizer is added to the synthesis solution after desolvation, and reflux is performed again under the same conditions as above. Furthermore, a solvent is added for dilution, and the concentration of each component in the liquid composition is adjusted to the desired concentration described above. If necessary, a polymer compound is added to a desired ratio, and the mixture is stirred and dispersed uniformly at a temperature close to room temperature for 30 minutes to 3 hours. Thereby, a liquid composition is obtained.

〔強誘電体膜の製造方法〕
本実施形態の強誘電体膜の製造方法では、Li等を合計で3質量ppm以上10質量ppm以下含有する上述した液組成物を用い、仮焼工程で基板上面から10mmの高さにおけるキャリアガスの風速を0.1m/秒以上1.0m/秒以下とする。これにより、所定の含有量と濃度傾斜でLi等を含む本実施形態の強誘電体膜を得ることができる。キャリアガスの風速とは、最外層の前駆体膜10a上における、最外層の前駆体膜10aに対して平行方向での風速であり、基板12の上面から10mmの高さにおける点(図3の点P)でのキャリアガスの風速を意味する。
[Manufacturing method of ferroelectric film]
In the method for manufacturing a ferroelectric film according to the present embodiment, the above-described liquid composition containing Li and the like in total of 3 mass ppm to 10 mass ppm is used, and a carrier gas at a height of 10 mm from the upper surface of the substrate in the calcining step. The wind speed is set to 0.1 m / second or more and 1.0 m / second or less. Thereby, the ferroelectric film of this embodiment containing Li or the like with a predetermined content and concentration gradient can be obtained. The wind speed of the carrier gas is the wind speed on the outermost precursor film 10a in a direction parallel to the outermost precursor film 10a, and is a point at a height of 10 mm from the upper surface of the substrate 12 (see FIG. 3). It means the wind speed of the carrier gas at point P).

ここで、液組成物に含有されるLi等が3ppm未満であると、十分な濃度傾斜を有する焼成膜を得ることができず、10質量ppmを超えると、得られる強誘電体膜に含まれるLi等の合計濃度が過度に増大するため好ましくない。また、キャリアガスの風速が0.1m/秒未満であると、熱処理時のLi等の揮発が不十分となり膜中に残留するLi等の合計濃度が過大となり、かつ適当な濃度傾斜を有する焼成膜を得ることができず、1.0m/秒を超えると、前駆体膜からの物質除去のスピードが速すぎて、得られる焼成膜にクラックが生じるため好ましくない。   Here, if Li etc. contained in the liquid composition is less than 3 ppm, a fired film having a sufficient concentration gradient cannot be obtained, and if it exceeds 10 mass ppm, it is included in the obtained ferroelectric film. This is not preferable because the total concentration of Li and the like increases excessively. In addition, when the wind speed of the carrier gas is less than 0.1 m / second, the volatilization of Li and the like during the heat treatment is insufficient, the total concentration of Li and the like remaining in the film becomes excessive, and the firing has an appropriate concentration gradient. If the film cannot be obtained, and if it exceeds 1.0 m / sec, the material removal speed from the precursor film is too high, and cracks are generated in the obtained fired film, which is not preferable.

図3に示すように、本実施形態の強誘電体膜10の製造方法では、Pb、Zr及びTi、必要に応じてLaを含有する強誘電体膜形成用液組成物を基板12上に塗布して前駆体膜10aを形成する塗布工程と、前駆体膜10aを加熱して複合酸化物に転化させ、仮焼膜10bを形成する仮焼工程と、仮焼膜10bを焼成して結晶化させ、焼成膜101を形成する焼成工程と、を少なくとも1回ずつ実施する。焼成膜101を複数層設ける場合には、塗布工程、仮焼工程及び焼成工程を、適宜、繰り返し実施する。   As shown in FIG. 3, in the method for manufacturing the ferroelectric film 10 of the present embodiment, a ferroelectric film forming liquid composition containing Pb, Zr and Ti, and optionally La is applied on the substrate 12. The precursor film 10a is formed by a coating process, the precursor film 10a is heated to be converted into a composite oxide, the calcined film 10b is formed, and the calcined film 10b is fired and crystallized. And the firing step of forming the fired film 101 is performed at least once. When a plurality of layers of the fired film 101 are provided, the coating process, the calcination process, and the firing process are appropriately repeated.

(1) 塗布工程
塗布工程では、図3に示すように、基板12表面に形成された下部電極11(図1参照)上に液組成物を塗布して前駆体膜10aを形成する。なお、図3には下部電極を図示していない。この時の液組成物の塗布量は、上述したように、焼成後の焼成膜101の膜厚が45nm以上500nm以下になるように設定される。コーティング法については、特に限定されないが、スピンコート、ディップコート、LSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法又はスピンスプレー法等が挙げられる。
(1) Application Step In the application step, as shown in FIG. 3, a liquid composition is applied on the lower electrode 11 (see FIG. 1) formed on the surface of the substrate 12 to form a precursor film 10a. Note that the lower electrode is not shown in FIG. The application amount of the liquid composition at this time is set so that the film thickness of the fired film 101 after baking is not less than 45 nm and not more than 500 nm, as described above. The coating method is not particularly limited, and examples thereof include spin coating, dip coating, LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition) method, and spin spray method.

(2) 乾燥工程
塗布工程の後、低沸点溶媒や吸着した水分子を除去するために、前駆体膜10aを加熱する乾燥工程を実施してもよい。加熱温度は、溶媒の種類によっても異なるが、通常は50℃以上200℃以下程度であり、65℃以上75℃以下の範囲がより好ましい。ただし、次の仮焼工程における加熱の昇温中に、低沸点溶媒等を除去することができるので、乾燥工程は省略し、仮焼工程において低沸点溶媒等を除去することとしてもよい。
(2) Drying step After the coating step, a drying step of heating the precursor film 10a may be performed in order to remove the low boiling point solvent and the adsorbed water molecules. Although heating temperature changes also with the kind of solvent, it is about 50 to 200 degreeC normally, and the range of 65 to 75 degreeC is more preferable. However, since the low boiling point solvent and the like can be removed during the heating of the next calcining step, the drying step may be omitted and the low boiling point solvent and the like may be removed in the calcining step.

(3) 仮焼工程
仮焼工程では、前駆体膜10aを加熱して複合酸化物に転化させ、仮焼膜10bを形成する。仮焼工程と上述の乾燥工程は、例えば、図3に示すホットプレート装置15を用いて行われる。ホットプレート装置15は、チャンバ16と、上面が水平なサセプタ17と、このサセプタに埋め込まれたヒータ18を備える。チャンバ16の上部中央にはホットプレート装置内にキャリアガスGを供給するための供給口16aが設けられ、その下部のサセプタ17の両側にはキャリアガスGを排出するための排出口16bが設けられる。ヒータ18には、図示しない温度制御機構付きのヒータ電源装置が接続される。サセプタ17の上面には、前駆体膜10aを有する基板12が載せられる。このホットプレート装置15では、チャンバ16の供給口16aから導入されたキャリアガスGが基板11の中心に向かった後、基板11の上面に沿って流れてチャンバ16の下部の排出口16bから排出されるようになっている。キャリアガスGの風速は、図示しない排気機構を調整することにより、制御することができる。
(3) Calcination Step In the calcination step, the precursor film 10a is heated to be converted into a composite oxide, thereby forming the calcination film 10b. The calcining step and the drying step described above are performed using, for example, a hot plate device 15 shown in FIG. The hot plate apparatus 15 includes a chamber 16, a susceptor 17 having a horizontal upper surface, and a heater 18 embedded in the susceptor. A supply port 16a for supplying the carrier gas G into the hot plate apparatus is provided at the upper center of the chamber 16, and discharge ports 16b for discharging the carrier gas G are provided on both sides of the susceptor 17 below the hot plate apparatus. . A heater power supply device with a temperature control mechanism (not shown) is connected to the heater 18. On the upper surface of the susceptor 17, the substrate 12 having the precursor film 10a is placed. In the hot plate apparatus 15, the carrier gas G introduced from the supply port 16 a of the chamber 16 moves toward the center of the substrate 11, then flows along the upper surface of the substrate 11, and is discharged from the discharge port 16 b at the lower part of the chamber 16. It has become so. The wind speed of the carrier gas G can be controlled by adjusting an exhaust mechanism (not shown).

仮焼工程では、基板12をサセプタ17上に載せ、ホットプレート装置15内にキャリアガスGを流しながら加熱する。ここで、基板12上面から10mmの高さhにおけるP点のキャリアガスGの風速を0.1m/秒以上1.0m/秒以下とする。キャリアガスGの流れは、前駆体膜10aに含まれるLi等を含む不純物を、溶媒や前駆体の分解物等とともに除去するが、風速を0.1m/秒以上とするので、前駆体膜10aの表面側から除去される不純物の量が、前駆体膜10aの底面側から除去される不純物の量よりも大きくなり、十分な濃度傾斜を有する焼成膜101を得ることができる。また、風速を1.0m/秒以下とするので、前駆体膜10aからの物質除去のスピードが速すぎて、焼成膜101にクラックが発生することを防ぐことができる。風速は、0.4m/秒以上0.6m/秒以下がより好ましい。風速の観測点を基板12上面から10mmの高さhとするのは、仮焼膜10b上面からの物質除去に与える影響を正確に把握するためである。   In the calcination step, the substrate 12 is placed on the susceptor 17 and heated while flowing the carrier gas G into the hot plate apparatus 15. Here, the wind speed of the carrier gas G at the point P at a height h of 10 mm from the upper surface of the substrate 12 is set to 0.1 m / second or more and 1.0 m / second or less. The flow of the carrier gas G removes impurities including Li and the like contained in the precursor film 10a together with a solvent, a decomposition product of the precursor, and the like, but the wind speed is set to 0.1 m / second or more. The amount of impurities removed from the surface side of the film becomes larger than the amount of impurities removed from the bottom surface side of the precursor film 10a, and the fired film 101 having a sufficient concentration gradient can be obtained. Further, since the wind speed is set to 1.0 m / second or less, it is possible to prevent the fired film 101 from being cracked due to the speed of material removal from the precursor film 10a being too fast. The wind speed is more preferably 0.4 m / sec or more and 0.6 m / sec or less. The observation point of the wind speed is set to a height h of 10 mm from the upper surface of the substrate 12 in order to accurately grasp the influence on the material removal from the upper surface of the calcined film 10b.

仮焼工程は、例えば、150℃以上450℃以下、1分以上10分以下の条件で実施するのが好ましく、仮焼温度は200℃以上400℃以下がより好ましく、300℃以上375℃以下が更に好ましい。また仮焼時間は2分以上5分以下がより好ましい。仮焼工程は、溶媒を除去するとともに前駆体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実施することから、空気中、酸化雰囲気中、又は含水蒸気雰囲気中で実施することが好ましい。このため、キャリアガスGとしては、例えば、空気、水蒸気、水蒸気を含む窒素ガス等を利用することができる。なお、塗布工程と仮焼工程は、それぞれ1回ずつ実施してもよいが、仮焼膜10bが所望の膜厚になるように、塗布工程と仮焼工程を複数回繰り返してから、次の焼成工程を実施してもよい。   The calcination step is preferably performed, for example, under conditions of 150 ° C. or more and 450 ° C. or less and 1 minute or more and 10 minutes or less, and the calcination temperature is more preferably 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, and 300 ° C. or more and 375 ° C. or less. Further preferred. The calcining time is more preferably 2 minutes or more and 5 minutes or less. Since the calcination step is performed to remove the solvent and convert the precursor into a composite oxide by thermal decomposition or hydrolysis, it may be performed in air, in an oxidizing atmosphere, or in a steam-containing atmosphere. preferable. For this reason, as the carrier gas G, for example, air, water vapor, nitrogen gas containing water vapor, or the like can be used. In addition, although an application process and a calcination process may each be implemented once, after repeating a coating process and a calcination process in multiple times so that the calcined film 10b may become a desired film thickness, the following is carried out. You may implement a baking process.

(4) 焼成工程
焼成工程では、仮焼膜10bを焼成して結晶化させ、焼成膜101を形成する。焼成は、例えば、600℃以上800℃以下、1分以上5分以下の条件が好ましく、焼成時間は650℃以上750℃以下が更に好ましい。焼成は、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いた赤外線のランプ加熱による急速昇降温熱処理(RTA処理)で実施することができる。RTA処理で焼成する場合、昇温速度は、例えば、2.5℃/秒以上100℃/秒以下が好ましく、20℃/秒以上100℃/秒以下がより好ましい。焼成の雰囲気は、例えば、酸素、窒素等或いはこれらの混合ガス等が好ましい。上述の塗布工程、仮焼工程、焼成工程を少なくとも3回ずつ実施することにより、複数の焼成膜101からなる強誘電体膜10が得られる。
(4) Firing step In the firing step, the calcined film 10b is fired and crystallized to form the fired film 101. For example, the firing is preferably performed at 600 ° C. to 800 ° C. for 1 minute to 5 minutes, and the firing time is more preferably 650 ° C. to 750 ° C. Firing can be performed by rapid temperature raising and lowering heat treatment (RTA treatment) by infrared lamp heating using an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus. When firing by RTA treatment, the rate of temperature rise is preferably, for example, 2.5 ° C./second or more and 100 ° C./second or less, and more preferably 20 ° C./second or more and 100 ° C./second or less. The firing atmosphere is preferably, for example, oxygen, nitrogen or a mixed gas thereof. By performing the above-described coating process, calcination process, and firing process at least three times , the ferroelectric film 10 composed of a plurality of fired films 101 is obtained.

〔電子部品〕
本実施形態の電子部品は、例えば、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、電気スイッチ、光学スイッチ又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品等の電子部品であって、上述の強誘電体膜10を有するものである。これら電子部品は、上述の強誘電体膜10を有するので、優れた寿命信頼性を備える。
[Electronic parts]
The electronic component of the present embodiment includes, for example, 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. An electronic component such as a resonator, an ultrasonic motor, an electric switch, an optical switch, or a composite electronic component of an LC noise filter element, which has the ferroelectric film 10 described above. Since these electronic components have the ferroelectric film 10 described above, they have excellent lifetime reliability.

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
試薬特級の酢酸鉛三水和物(Pb源)、酢酸ランタン(La源)、テトラチタニウムイソプロポキシド(Ti源)、テトラジルコニウムブトキシド(Zr源)につき、特許文献1に記載の方法により、超純水からの再結晶を2回繰り返して高純度化し、前駆体とした。金属原子比Pb/La/Zr/Tiが110/3/52/48となるように、前駆体をそれぞれ秤量し、これらを反応容器内のプロピレングリコールに添加して合成液を調製した。この合成液を、窒素雰囲気中、150℃の温度で60分間還流した後、蒸留により脱溶媒した。その後、安定化剤としてアセチルアセトンを添加し、150℃で60分間還流した。
Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.
<Example 1>
For reagent-grade lead acetate trihydrate (Pb source), lanthanum acetate (La source), tetratitanium isopropoxide (Ti source), tetrazirconium butoxide (Zr source), the method described in Patent Document 1 Recrystallization from pure water was repeated twice to obtain a high purity product. The precursors were weighed so that the metal atomic ratio Pb / La / Zr / Ti was 110/3/52/48, and these were added to propylene glycol in the reaction vessel to prepare a synthesis solution. The synthesis solution was refluxed for 60 minutes at a temperature of 150 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then the solvent was removed by distillation. Thereafter, acetylacetone was added as a stabilizer and refluxed at 150 ° C. for 60 minutes.

次に、上記合成液にプロピレングリコールを添加することにより、前駆体の合計濃度が酸化物換算で35質量%になるまで希釈した。更に、エタノールを加え、前駆体の合計濃度が酸化物換算で25質量%まで希釈した。次いで、ポリビニルピロリドン(k値=30)を前駆体1モルに対して0.025モルとなるように添加し、室温で24時間撹拌することにより、強誘電体膜形成用の液組成物を得た。ICP(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて液組成物中のLi、Na、Kの濃度を測定したところ、その合計濃度は、10質量ppmであった。   Next, it diluted until the total density | concentration of the precursor became 35 mass% in conversion of an oxide by adding propylene glycol to the said synthetic liquid. Furthermore, ethanol was added, and the total concentration of the precursor was diluted to 25% by mass in terms of oxide. Next, polyvinyl pyrrolidone (k value = 30) is added so as to be 0.025 mol with respect to 1 mol of the precursor, and stirred at room temperature for 24 hours to obtain a liquid composition for forming a ferroelectric film. It was. When the concentration of Li, Na and K in the liquid composition was measured using ICP (manufactured by Thermo Fisher Scientific), the total concentration was 10 mass ppm.

続いて、塗布工程を実施した。スピンコーター上にセットしたPt/TiO/SiO/Si基板上に液組成物を滴下し、3000rpmの回転速度で30秒間スピンコートし、基板上に前駆体膜を形成した。上記のスピンコーターの回転速度と時間は、1回の焼成工程で得られる焼成膜の膜厚が90nmになるように設定されたものである。 Subsequently, an application process was performed. The liquid composition was dropped onto a Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si substrate set on a spin coater and spin-coated at a rotational speed of 3000 rpm for 30 seconds to form a precursor film on the substrate. The rotation speed and time of the spin coater are set so that the thickness of the fired film obtained in one firing process is 90 nm.

次に、仮焼工程を実施した。ホットプレート装置のサセプタの上に前駆体膜を有する基板を載せ、基板上面から10mmの高さにおける風速が1m/秒となるようキャリアガス(ドライエアー)を流した状態で、300℃、5分間保持することにより、前駆体を複合酸化物に転化させ仮焼膜を形成した。なお、風速は、熱線式風速計(カスタム社製、型式CW−60)により測定した。   Next, a calcination step was performed. A substrate having a precursor film is placed on a susceptor of a hot plate apparatus, and a carrier gas (dry air) is flowed so that the wind speed at a height of 10 mm from the upper surface of the substrate is 1 m / second, at 300 ° C. for 5 minutes. By holding, the precursor was converted into a complex oxide to form a calcined film. The wind speed was measured with a hot wire anemometer (manufactured by Custom, model CW-60).

続いて、焼成工程を実施した。RTA装置を用い、酸素ガスを1分当たり2リットル流す雰囲気中で、昇温速度30℃/秒にて700℃まで昇温し、1分間保持した。これにより、基板の下部電極上に、膜厚が90nmの焼成膜を形成した。塗布工程から焼成工程までのプロセスを3回繰り返すことにより、3層の焼成膜101からなり、膜厚が270nmの強誘電体膜を得た。なお、膜厚は、走査型電子顕微鏡(HITACHI s4300)により測定した。ICP(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて、強誘電体膜の金属原子比Pb:La:Zr:Tiを測定したところ、103/3/52/48であった。   Then, the baking process was implemented. Using an RTA apparatus, the temperature was raised to 700 ° C. at a rate of temperature rise of 30 ° C./second in an atmosphere in which oxygen gas was supplied at 2 liters per minute and held for 1 minute. Thereby, a fired film having a thickness of 90 nm was formed on the lower electrode of the substrate. By repeating the process from the coating step to the firing step three times, a ferroelectric film having a three-layered fired film 101 and a film thickness of 270 nm was obtained. The film thickness was measured with a scanning electron microscope (HITACHI s4300). The metal atomic ratio Pb: La: Zr: Ti of the ferroelectric film was measured using ICP (manufactured by Thermo Fisher Scientific) and found to be 103/3/52/48.

<実施例2〜9、比較例1〜4>
表1に記載のように、各種の条件を変更した以外は、実施例1と同様にして強誘電体膜を形成した。具体的には、一部の実施例において、スピンコーターの回転速度と時間を調整して焼成膜の膜厚を変更した。また、一部の実施例において、工程の繰り返し回数(焼成回数)と強誘電体膜の膜厚を変更した。一部の実施例及び比較例においては、再結晶による高純度化の回数の変更によりLi等の濃度の異なる液組成物を用いた。一部の比較例において、仮焼工程における風速を変更した。実施例9について、前駆体の金属原子比Pb/La/Zr/Tiを110/0/52/48とした。
<Examples 2-9, Comparative Examples 1-4>
As shown in Table 1, a ferroelectric film was formed in the same manner as in Example 1 except that various conditions were changed. Specifically, in some examples, the film thickness of the fired film was changed by adjusting the rotation speed and time of the spin coater. In some examples, the number of process repetitions (firing times) and the thickness of the ferroelectric film were changed. In some examples and comparative examples, liquid compositions having different concentrations such as Li were used by changing the number of times of purification by recrystallization. In some comparative examples, the wind speed in the calcination step was changed. In Example 9, the metal atomic ratio Pb / La / Zr / Ti of the precursor was 110/0/52/48.

<評価>
実施例及び比較例で形成した強誘電体膜について、下記の方法で、膜中のLi等の合計濃度と濃度傾斜、寿命信頼性を評価した。これらの結果を以下の表1に示す。
<Evaluation>
About the ferroelectric film formed in the Example and the comparative example, the following method evaluated the total density | concentration of Li etc. in a film | membrane, density | concentration gradient, and lifetime reliability. These results are shown in Table 1 below.

(1) Li等の合計濃度
Li等の合計濃度をICP(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて測定した。
(1) Total concentration of Li and the like The total concentration of Li and the like was measured using ICP (manufactured by Thermo Fisher Scientific).

(2) Li等の濃度傾斜
Li等の濃度傾斜をAES(アルバック社製)を用いて図2に示すような膜厚方向のLi等の濃度分布を測定した。各焼成膜の一方の面におけるLi等の濃度を、他方の面におけるLi等の濃度で割って濃度傾斜を求め、全焼成膜の濃度傾斜を平均した数値を表1に示した。
(2) Concentration gradient of Li and the like The concentration distribution of Li and the like in the film thickness direction as shown in FIG. 2 was measured using AES (manufactured by ULVAC) with a concentration gradient of Li and the like. Table 1 shows numerical values obtained by dividing the concentration of Li or the like on one surface of each fired film by the concentration of Li or the like on the other surface to obtain a concentration gradient, and averaging the concentration gradient of all the fired films.

(3) 寿命信頼性
寿命特性評価は、通常使用される条件よりも高負荷(高温・高電圧)な環境下に晒した加速試験(HALT:highly−accelerated life testing)により行った。実施例および比較例それぞれの強誘電体薄膜の上に、ドット状(面積:3.5×10−2mm)の白金薄膜をスパッタリング法にて成膜し上部Pt電極を形成して同一基板上に複数のキャパシタ構造を形成した後、酸素雰囲気中700℃で1分間再加熱して、評価サンプルを得た。
(3) Life Reliability Lifetime property evaluation was performed by an accelerated test (HALT) exposed to a higher load (high temperature / high voltage) environment than a normal use condition. On each ferroelectric thin film of each of Examples and Comparative Examples, a dot-shaped (area: 3.5 × 10 −2 mm 2 ) platinum thin film was formed by sputtering to form an upper Pt electrode, and the same substrate After forming a plurality of capacitor structures on top, it was reheated at 700 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere to obtain an evaluation sample.

薄膜キャパシタの上部Pt電極と下部Pt電極とを電気的に接続し、薄膜キャパシタを125〜205℃まで加熱した状態で10〜20Vの電圧を印加し、電圧印加時間と各キャパシタに流れるリーク電流値を計測した。時間が経過するとキャパシタ劣化に伴う絶縁破壊が生じ、リーク電流が急激に増大する様子が確認されるため、この測定データから各キャパシタが絶縁破壊に至るまでの時間を読み取った(TDDB(time−dependent dielectric breakdown、経時絶縁破壊)評価)。具体的には、リーク電流値が100μAを超えた時点で絶縁破壊が起きたと見なし、複数の絶縁破壊時間データに対してWeibull分布解析による統計処理を行い、キャパシタ全数の63.2%が絶縁破壊した時間を平均破壊時間(mean time to failure;以下、MTFという。)とした。バルクのキャパシタについては、次の経験式(1)が知られている。   The upper Pt electrode and the lower Pt electrode of the thin film capacitor are electrically connected, a voltage of 10 to 20 V is applied in a state where the thin film capacitor is heated to 125 to 205 ° C., and the voltage application time and the leak current value flowing through each capacitor Was measured. As time passes, dielectric breakdown accompanying capacitor deterioration occurs, and it is confirmed that the leakage current increases rapidly. Therefore, the time until each capacitor reaches dielectric breakdown was read from this measurement data (TDDB (time-dependent). (dielectric breakdown, dielectric breakdown over time) evaluation). Specifically, it is considered that dielectric breakdown has occurred when the leak current value exceeds 100 μA, and statistical processing is performed on a plurality of dielectric breakdown time data by Weibull distribution analysis, and 63.2% of the total number of capacitors is dielectric breakdown. The time taken was defined as the mean time to failure (hereinafter referred to as MTF). The following empirical formula (1) is known for bulk capacitors.

Figure 0006597430
Figure 0006597430

ここでtはMTF、Tは試験温度、Vは直流印加電圧、Eは活性化エネルギー、Nは電圧加速係数、kはボルツマン定数であり、添え字の1,2は温度や印加電圧に対する任意の条件を表す。上記式(1)から、キャパシタの寿命時間には温度Tと印加電圧Vが影響することが判る。今回、上記の関係式を薄膜キャパシタに適用した。上記式(1)において電圧Vを一定(V=V)にすると、 Where t is the MTF, T is the test temperature, V is the DC applied voltage, E a is the activation energy, N is the voltage acceleration coefficient, k B is the Boltzmann constant, and the subscripts 1 and 2 are for the temperature and the applied voltage. Represents any condition. From the above formula (1), it can be seen that the temperature T and the applied voltage V affect the lifetime of the capacitor. This time, the above relational expression was applied to a thin film capacitor. When the voltage V is constant (V 1 = V 2 ) in the above formula (1),

Figure 0006597430
Figure 0006597430

となり(ここでKは温度に対する定数)、温度の逆数とMTFの対数表示とは線型関係となる。これを用いて、温度に対する加速因子である活性化エネルギーEを見積もることができる。同様にして、上記式(1)において温度Tを一定(T=T)にすると、 (Where KV is a constant with respect to temperature), and the inverse of temperature and the logarithmic display of MTF have a linear relationship. This can be used to estimate the activation energy E a is an acceleration factor for temperature. Similarly, when the temperature T is constant (T 1 = T 2 ) in the above equation (1),

Figure 0006597430
Figure 0006597430

となり(ここでKは印加電圧に対する定数)、電圧に対する加速因子である電圧加速係数Nを見積もることができる。この二つの加速因子E、Nの値を使って、85℃まで加熱して5Vの電圧を印加した状態でのMTFを外挿し、この値を予測寿命と見積もった。得られた結果を次の表1に示す。 (Where KT is a constant for the applied voltage), and the voltage acceleration coefficient N, which is an acceleration factor for the voltage, can be estimated. Using the values of these two acceleration factors E a and N, the MTF in a state where a voltage of 5 V was applied after heating to 85 ° C. was extrapolated, and this value was estimated as the predicted life. The obtained results are shown in Table 1 below.

Figure 0006597430
Figure 0006597430

表1から、本発明の製造方法の範囲内で形成し、所定範囲のLi等の合計濃度と濃度傾斜を有する実施例の強誘電体膜は、予測寿命が長く、優れた寿命信頼性を備えていることがわかった。Li等の合計濃度の低い液組成物を用いた比較例1の強誘電体膜は、濃度傾斜が小さく、実施例に比べて予測寿命が短かった。仮焼工程の風速を小さくした比較例2の強誘電体膜は、Li等の合計濃度が高く、濃度傾斜が大きく、実施例に比べて予測寿命が短かった。仮焼工程の風速を大きくした比較例3の強誘電体膜では、目視で確認できるクラックが発生した。Li等の合計濃度の高い液組成物を用いた比較例4の強誘電体膜は、Li等の合計濃度が高く、実施例に比べて予測寿命が短かった。   From Table 1, the ferroelectric film of the example formed within the range of the manufacturing method of the present invention and having a total concentration and concentration gradient of Li or the like in a predetermined range has a long predicted life and has excellent life reliability. I found out. The ferroelectric film of Comparative Example 1 using a liquid composition having a low total concentration such as Li had a small concentration gradient and a predicted life shorter than that of the example. The ferroelectric film of Comparative Example 2 in which the wind speed in the calcination process was reduced had a high total concentration of Li and the like, a large concentration gradient, and a predicted life shorter than that of the Example. In the ferroelectric film of Comparative Example 3 in which the wind speed in the calcination step was increased, cracks that could be visually confirmed occurred. The ferroelectric film of Comparative Example 4 using a liquid composition having a high total concentration such as Li had a high total concentration of Li and the like, and the predicted life was shorter than that of the example.

本発明の強誘電体膜は、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、電気スイッチ、光学スイッチ又はLCノイズフィルタ素子の複合電子部品等の電子部品に利用できる。   The ferroelectric 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, an actuator, It can be used for electronic components such as resonators, ultrasonic motors, electrical switches, optical switches, or composite electronic components of LC noise filter elements.

Claims (6)

複数の焼成膜からなる強誘電体膜であって、
Pb、Zr及びTiを含有するペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、
Li、Na及びKの合計含有量が1質量ppm以上3質量ppm以下であり、
前記複数の焼成膜を構成する各焼成膜の一方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量が、他方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下である
ことを特徴とする強誘電体膜。
A ferroelectric film composed of a plurality of fired films,
A metal oxide having a perovskite structure containing Pb, Zr and Ti,
The total content of Li, Na and K is 1 mass ppm or more and 3 mass ppm or less,
The total content of Li, Na, and K on one surface of each fired film constituting the plurality of fired films is not less than 5 times and not more than 12 times the total content of Li, Na, and K on the other surface. A ferroelectric film characterized by
前記各焼成膜において、前記一方の面と前記他方の面との間で、Li、Na及びKの合計含有量は、膜厚方向に一定の濃度傾斜を形成する請求項1記載の強誘電体膜。   2. The ferroelectric according to claim 1, wherein in each of the fired films, the total content of Li, Na, and K forms a constant concentration gradient in the film thickness direction between the one surface and the other surface. film. 前記複数の焼成膜のうち、任意の隣接する一対の焼成膜を第1焼成膜、第2焼成膜と定義した場合、前記第1焼成膜の前記他方の面は前記第2焼成膜の前記一方の面に隣接する請求項2記載の強誘電体膜。   Of the plurality of fired films, when a pair of adjacent fired films is defined as a first fired film and a second fired film, the other surface of the first fired film is the one of the second fired films. The ferroelectric film according to claim 2, which is adjacent to the surface. 前記第2焼成膜の前記一方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量は、前記第1焼成膜の前記他方の面におけるLi、Na及びKの合計含有量の5倍以上12倍以下である請求項3記載の強誘電体膜。 The total content of Li, Na, and K on the one surface of the second fired film is 5 to 12 times the total content of Li, Na, and K on the other surface of the first fired film. The ferroelectric film according to claim 3. Pb、Zr及びTiを含有する強誘電体膜形成用液組成物を基板上に塗布して前駆体膜を形成する塗布工程と、
前記前駆体膜を加熱して複合酸化物に転化させ、仮焼膜を形成する仮焼工程と、
前記仮焼膜を焼成して結晶化させ、焼成膜を形成する焼成工程と、を少なくとも3回ずつ実施する強誘電体膜の製造方法であって、
前記強誘電体膜形成用液組成物は、Li、Na及びKを合計で3質量ppm以上10質量ppm以下含有し、
前記仮焼工程では、基板上面から10mmの高さにおけるキャリアガスの風速を0.1m/秒以上1.0m/秒以下とする
ことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
A coating step of coating a ferroelectric film-forming liquid composition containing Pb, Zr and Ti on a substrate to form a precursor film;
A calcining step of heating the precursor film to convert it into a composite oxide to form a calcined film;
A method of manufacturing a ferroelectric film, wherein the calcined film is fired and crystallized to form a fired film at least three times ;
The ferroelectric film forming liquid composition contains Li, Na, and K in a total of 3 mass ppm to 10 mass ppm,
In the calcining step, the wind speed of the carrier gas at a height of 10 mm from the upper surface of the substrate is 0.1 m / second or more and 1.0 m / second or less.
請求項1ないし4いずれか1項に記載の強誘電体膜を有する電子部品。   An electronic component having the ferroelectric film according to claim 1.
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